KR20140078977A - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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손성수
김창연
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Abstract

고효율 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제1 전극; 제1 전극과 반도체 적층 구조체 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 그라핀-메타물질 적층 구조를 포함한다. 메타물질을 채택함으로써, 제1 전극에 의한 광 손실을 방지하여 발광 다이오드의 광 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메타물질을 이용하여 전극에 의한 광 손실을 방지할 수 있는 질화갈륨 계열의 고효율 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한한다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 이용하여 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다.
이러한 수직형 구조의 발광 다이오드는 메탈 기판을 지지기판으로 사용하여 수직 방향으로의 전류 분산 기능이 우수하다. 또한, 성장기판이 분리된 후 노출된 N면 질화갈륨층을 PEC와 같은 식각을 통해 표면에 거칠어진 면을 형성하기 쉬워, 광 추출 효율이 우수하다.
그러나, 종래의 수직형 발광 다이오드는 광 방출면에 N-전극을 배치하기 때문에, N 전극에 의해 광이 손실된다. 광 방출면을 증가시키기 위해 N 전극의 면적을 감소시켜야 하지만, 접착력이나 전류 분산 필요에 의해 N 전극 면적 감소는 제한적이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, N-전극 하부에 반사 금속층을 배치하여 N-전극으로 입사되는 광을 반사시키는 기술이 적용되기도 한다. 그러나, 반사된 광은 다시 에피층들 내로 진입한 후 다시 방출되기 때문에 에피층들 내에 상당한 양의 광이 손실된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 물질에 의한 광 흡수에 의해 광이 손실되는 것을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 전극으로 입사되는 광을 에피층 내부로 다시 반사시킬 필요없이 외부로 방출할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 그라핀-메타물질 적층 구조를 포함한다.
그라핀-메타물질 적층 구조는 그 굴절률 특성에 의해 광의 진행 경로를 그라핀-메타물질의 표면을 따라 진행하도록 함으로써 반도체 적층 구조체에서 그라핀-메타물질 적층 구조로 입사된 광을 외부로 방출한다. 따라서, 제1 전극의 광 흡수를 방지하거나 감소시킬 수 있어 광 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 그라핀-메타물질 적층 구조는 그 위에 위치하는 제1 전극의 폭보다 더 큰 폭을 가질 수 있다. 이에 따라, 그라핀-메타물질 적층 구조의 표면을 따라 진행한 광이 제1 전극에 흡수되는 것을 더욱 감소시킬 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 그라핀-메타물질은 상기 제1 전극의 측면으로 연장하여 제1 전극의 측면을 덮을 수 있다. 나아가, 상기 그라핀-메타물질은 상기 제1 전극을 감쌀 수 있다.
한편, 상기 제1 전극은 전극 패드와 전극 패드로부터 연장된 연장부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 그라핀-메타 물질은 상기 연장부와 상기 반도체 적층 구조체 사이에 부분적으로 위치할 수 있다.
상기 그라핀-메타 물질은 n형 화합물 반도체층 상에 위치할 수 있으며, 상기 n형 화합물 반도체층은 n형 질화갈륨층일 수 있다.
또한, 상기 메타물질은 Au 또는 유전물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 메타 물질은 Au를 벌집 모양으로 형성한 것일 수 있다.
상기 메타물질은 상기 활성층에서 방출되는 광의 파장보다 작은 크기의 패턴으로 형성된다. 따라서, 상기 메타물질은 광 밴드갭을 갖는 광 결정 구조와 구별된다. 나아가, 상기 그라핀-메타물질 적층 구조의 두께는 1nm 이하일 수 있다.
위에서 그라핀-메타물질 적층 구조가 반도체 적층 구조체와 제1 전극 사이에 위치하는 것으로 설명하였지만, 다른 물질이 그라핀을 대체하거나 또는 그라핀이 생략될 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 음의 굴절률을 갖는 메타물질을 전극과 반도체 적층 구조체 사이에 배치함으로써 반도체 적층 구조체로부터 전극으로 입사되는 광을 외부로 방출할 수 있다. 따라서, 광 전극에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 반도체 적층 구조체 내로 다시 반사시킬 필요가 없어 광 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 그라핀-메타물질 구조의 광 투과 특성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 그라핀-메타물질 구조(50)의 광 투과 특성을 설명하기 위한 개략도이다.
메타물질(53)은 음의 굴절률을 갖는 물질로서 인공적으로 제작된 것이다. 이러한 메타물질(53)은 그것에 입사되는 광(L)이 표면을 따라 진행하여 반대쪽에서 외부로 방출되도록 한다.
메타물질(53)은 Au나 유전물질을 광의 파장보다 작은 패턴으로 형성함으로써 인공적으로 제작된다. 예를 들어, 메타물질(53)은 Au를 벌집 모양으로 형성하여 제조될 수 있다.
특히, 그라핀(51) 상에 메타물질(53)을 적층함으로써 그라핀-메타물질 적층 구조(50)가 형성되며, 그라핀-메타물질 적층 구조는 가시광선 영역의 광에 대해 투과 특성이 양호하다. 상기 그라핀-메타물질 적층 구조(50)는 약 1nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 지지기판(21), 본딩 금속(23), 반사 금속층(31), 장벽 금속층(33), 반도체 적층 구조체(30), 제1 전극(60), 및 그라핀-메타물질 적층 구조(50)를 포함한다.
지지기판(21)은 화합물 반도체층들을 성장시키기 위한 성장기판과 구분되며, 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 2차 기판이다. 상기 지지기판(21)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 절연 또는 도전 기판일 수 있다. 특히, 상기 지지기판(21)은 금속 기판일 수 있으며, 지지기판(21)이 제2 전극으로 사용될 수 있다.
한편, 본딩 금속(23)은 지지기판(21)과 장벽 금속층(33)사이에 위치하여 반도체 적층 구조체(30)와 지지기판(21)을 결합시킨다. 본딩 금속(23)은 예컨대 Au-Sn으로 공융 본딩을 이용하여 형성될 수 있다.
반도체 적층 구조체(30)는 지지기판(31) 상에 위치하며, p형 화합물 반도체층(29), 활성층(27) 및 n형 화합물 반도체층(25)을 포함한다. 여기서, 상기 반도체 적층 구조체(30)는 일반적인 수직형 발광 다이오드와 유사하게 p형 화합물 반도체층(29)이 n형 화합물 반도체층(25)에 비해 지지기판(21) 측에 가깝게 위치한다.
n형 화합물 반도체층(25), 활성층(27) 및 p형 화합물 반도체층(29)은 III-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체로 형성될 수 있다. n형 화합물 반도체층(25) 및 p형 화합물 반도체층(29)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, n형 화합물 반도체층(25) 및/또는 p형 화합물 반도체층(29)은 콘택층과 클래드층을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(27)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조일 수 있다. 저항이 상대적으로 작은 n형 화합물 반도체층(25)이 지지기판(21)의 반대쪽에 위치함으로써 n형 화합물 반도체층(25)의 상부면에 거칠어진 면(R)을 형성하는 것이 용이하며, 거칠어진 면(R)은 활성층(27)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시킨다.
반사금속층(31) 및 장벽 금속층(33)은 p형 화합물 반도체층(29)과 지지기판(21) 사이에 위치하며, p형 화합물 반도체층(29)에 오믹 접촉한다. 반사금속층(31)이 반도체 적층 구조체(30)와 지지기판(21) 사이에 매립되도록 장벽 금속층(33)이 반사금속층(31)을 감쌀 수 있다. 상기 반사금속층(31)은 예컨대 Ag와 같은 반사 금속으로 형성될 수 있으며, 장벽 금속층(33)은 예컨대, Ni을 포함할 수 있다.
한편, 제1 전극(60)은 반도체 적층 구조체(30) 상에 위치하며, n형 화합물 반도체층(25)에 전기적으로 접속된다. 제1 전극(60)은 전극 패드(61)와 상기 전극 패드(61)로부터 연장하는 연장부(63)를 포함할 수 있다. 전극 패드(61)는 와이어를 본딩하기 위해 형성되며, 연장부(63)는 전류를 넓은 영역에 걸쳐 고르게 분산시키기 위해 형성된다. 제1 전극(60)은 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 도 2는 하나의 예를 예시한 것이다.
그라핀-메타물질 적층 구조(50)는 제1 전극(60)과 반도체 적층 구조체(30) 사이에 위치한다. 그라핀-메타물질 적층 구조(50)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 그라핀(51)과 메타물질(53)의 적층 구조를 갖는다. 그라핀-메타물질 적층 구조(50)는 n형 화합물 반도체층(25)에 오믹 접속할 수 있다. 도시하지 않았지만, 필요하다면, 그라핀-메타물질 적층 구조(50)와 반도체 적층 구조체 사이에 오믹 접촉을 위한 투명 전극층이 위치할 수도 있다.
그라핀-메타물질 적층 구조(50)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 연장부(63)와 반도체 적층 구조체(30) 사이에 부분적으로 위치할 수 있다. 따라서, 상기 연장부(63)가 직접 반도체 적층 구조체(30)에 전기적으로 접속될 수 있다. 이와 달리, 그라핀-메타물질 적층 구조(50)가 연장부(63)와 반도체 적층 구조체 사이의 전 영역에 위치할 수도 있다. 나아가, 상기 그라핀-메타물질 적층 구조(50)는 전극 패드(61)와 반도체 적층 구조체(30) 사이에 위치할 수도 있다.
상기 그라핀-메타물질(50)은 그 위에 위치하는 전극(60) 부분에 비해 상대적으로 넓은 폭을 가질 수 있다. 이에 따라, 그라핀-메타물질(50)의 표면을 따라 진행하는 광이 반대쪽에서 제1 전극(60)에 흡수되어 손실되는 것을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 전극(60)을 향해 진행하는 광이 그라핀-메타물질 적층 구조(50)의 표면을 따라 진행하여 외부로 방출된다. 이에 따라, 제1 전극(60)에 의해 광이 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 나아가 반도체 적층 구조체(30) 내로 다시 반사시키지 않고 외부로 광을 방출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 그라핀-메타물질 적층 구조(70)가 제1 전극(60)을 감싸는 것에 차이가 있다.
즉, 그라핀-메타물질 적층 구조(70)가 제1 전극(60)을 감싸고 있다. 그라핀-메타물질 적층 구조(70)는, 도 2에 도시한 적층 구조(50)와 같이, 연장부(63)를 부분적으로 감쌀 수 있으며, 전극(60) 전체를 감쌀 수도 있다.
상기 그라핀-메타물질 적층 구조(70)는 제1 전극(60)과 반도체 적층 구조체(30) 사이에 위치하는 부분과 제1 전극(60)의 측면을 덮는 부분 및 제1 전극(60)의 상면을 덮는 부분을 포함하며, 이들 각 부분들은 서로 다른 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같은 그라핀-메타물질 적층 구조(50)를 반도체 적층 구조체(30) 상에 형성하고, 그 위에 제1 전극(60)을 형성하고, 상기 제1 전극(60)의 측면 및 상면을 덮는 그라핀-메타물질 적층 구조를 형성함으로써 제1 전극(60)을 감싸는 그라핀-메타물질 적층 구조(70)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 그라핀-메타물질 적층 구조(70)가 제1 전극(60)을 감싸기 때문에, 그라핀-메타물질 적층 구조(70)의 표면을 따라 진행하는 광이 제1 전극(60)에 흡수되는 것을 방지하여 광 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 그라핀-메타물질 적층 구조(70)가 제1 전극(60)을 감싸는 것으로 설명하였지만, 제1 전극(60)의 상부면은 노출될 수도 있다. 즉, 그라핀 메타물질 적층 구조(70)가 제1 전극(60)의 하부면측에서 연장하여 측면만을 덮을 수도 있다.
앞서, 수직형 구조의 발광 다이오드를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 수직형구조의 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니며, 광 방출면 측에 전극을 갖는 다른 구조의 발광 다이오드에 적용될 수도 있다.
또한, 본 실시예들에 있어서, 그라핀-메타물질 적층 구조(50, 70)가 전극(60)과 반도체 적층 구조체(30) 사이에 위치하는 것으로 설명하였지만, 그라핀(51)이 생략될 수도 있으며, 그라핀(51) 대신에 다른 물질이 메타물질(53)과 함께 사용될 수도 있다.

Claims (12)

  1. p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체;
    상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 그라핀-메타물질 적층 구조를 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라핀-메타물질 적층 구조는 그 위에 위치하는 제1 전극의 폭보다 더 큰 폭을 갖는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라핀-메타물질은 상기 제1 전극의 측면으로 연장하여 제1 전극의 측면을 덮는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라핀-메타물질은 상기 제1 전극을 감싸는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 전극 패드와 전극 패드로부터 연장된 연장부를 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 그라핀-메타 물질은 상기 연장부와 상기 반도체 적층 구조체 사이에 부분적으로 위치하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라핀-메타 물질은 n형 화합물 반도체층 상에 위치하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 n형 화합물 반도체층은 n형 질화갈륨층인 발광 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 메타물질은 Au 또는 유전물질로 형성된 발광 다이오드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 메타물질은 상기 활성층에서 방출되는 광의 파장보다 작은 크기의 패턴으로 형성된 발광 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 그라핀-메타물질 적층 구조의 두께는 1nm 이하인 발광 다이오드.
  12. p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체;
    상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 메타물질을 포함하는 발광 다이오드.
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