KR20140140166A - 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속층 및 금속 산화물층을 포함하는 투명 전극을 적용한 질화갈륨계 발광 다이오드에 대한 것이다. 본 발명에 따른 발광 다이오드는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 n형 질화갈륨계 반도체층, 상기 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 p형 질화갈륨계 반도체층, 상기 n형 질화갈륨계 반도체층과 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 사이에 개재된 활성층, 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 투명전극을 포함하되, 상기 투명전극은 제1 금속층 및 금속 산화물층이 순차적으로 형성된 다층구조로 이루어지고, 상기 금속 산화물층과 외부 환경과의 계면에서 상기 금속 산화물층의 임피던스가 외부 환경의 임피던스와 매칭을 이룬다.
Description
본 발명은 발광 다이오드에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 금속층 및 금속 산화물층을 포함하는 투명 전극을 적용한 질화갈륨계 발광 다이오드에 대한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광 다이오드는 수명이 길고, 빛의 지향성이 높으며, 저전압 구동이 가능하고, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다향한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해 향후 5년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 것으로 기대되고 있다.
질화갈륨계 발광 다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 발광효율을 향상시키고, 제조단가를 낮추어야 한다. 발광효율을 향상시키기 위해서는 우수한 성능의 투명 전극의 형성이 필수적이다.
투명 전극으로는 일반적으로 투과도가 높고, 전기 전도도가 우수한 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용된다. 그러나, ITO는 스퍼터링(Sputtering) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporation)과 같은 고에너지 공정에 의하여 제조되므로, 하부에 위치하는 반도체 물질이 손상될 수 있다. 또한, ITO는 고가의 인듐으로 인해 가격이 높다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 대한민국 공개특허 제2007-0069314호에서는 열증착이 가능한 알칼리 금속과 Ag를 접합시킨 전극 구조를 사용하여 높은 광투과도 및 우수한 전기 전도도를 가지는 투명 전극을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 경우, 알칼리 금속은 수분 및 산소의 침투에 취약하여 소자의 수명 및 안정성이 감소할 수 있다.
그리고, p형 반도체층 상에 형성되는 p형 전극 패드(pad)는 불투명하다. 따라서, 전극 패드의 면적이 넓으면 상부로 빠져 나오는 빛 중 패드에 막히는 빛의 양이 증가하여 광추출 효율이 감소된다. 반대로, 패드의 면적이 좁으면 대면적 소자에서 패드에서 주입되는 전자가 소자로 넓게 퍼지지 못하고 전류과밀(Current crowding) 효과가 생길 수 있는 문제가 발생한다.
따라서, 작은 p형 전극 패드를 사용할 수 있으면서, 우수한 성능을 가진 투명전극의 개발을 위한 연구가 계속되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 질화갈륨계 반도체층 상에 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 발광 효율을 향상시킬 수 있는 투명 전극 구조를 갖는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 소자의 수명 및 안정성을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 p형 전극 패드의 크기를 감소시키면서 전류과밀을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 n형 질화갈륨계 반도체층; 상기 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 p형 질화갈륨계 반도체층; 상기 n형 질화갈륨계 반도체층과 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 사이에 개재된 활성층; 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 투명전극을 포함하되, 상기 투명전극은 제1 금속층 및 금속 산화물층이 순차적으로 형성된 다층구조로 이루어지고, 상기 금속 산화물층과 외부환경과의 계면에서 상기 금속 산화물층의 임피던스가 외부 환경의 임피던스와 매칭을 이룰 수 있다. 상기 매칭을 통하여 무반사 상태(Zero reflection condition)를 형성하여 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, '외부 환경'은 상기 금속 산화물층의 표면에 접하여 금속 산화물층과의 사이에 계면을 형성하는 임의의 물질 또는 대기일 수 있다.
상기 제1 금속층은 Ag, Au 및 Al중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속층의 두께는 1㎚ 내지 100㎚ 일 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 상기 제1 금속층과 상기 p형 반도체층 사이에 제2 금속층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 금속층의 추가로 층간의 결합력을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 금속층은 Ti, Ni, 및 Cr 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 금속층의 두께는 0.1㎚ 내지 100㎚일 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드가 포함하는 투명전극의 상기 금속 산화물층은 WOx, ZnOx, CaOx, TiOx, NiOx, CoOx, CeOx, SiOx, CuOx, AZO 및 MoOx 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물층의 두께는 1㎚ 내지 1000㎚일 수 있다.
상기 금속 산화물층의 상부면은 패터닝될 수 있다.
상기 패터닝은 포토리소그래피법 또는 나노 임프린트법에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 금속층 및 금속 산화물층은 열증착법으로 형성될 수 있다.
상기 제1 금속층 상의 일부 영역에 p형 전극이 더 형성될 수 있다.
상기 p형 패드는 Cr, Au, Ti, Al, Ni, Pd, Pt 또는 Ag 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물층은 상기 p형 전극의 측면 및 상부 각각의 일부를 덮을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전기저항이 낮고, 광투과율이 높으며, 활성층으로의 전하주입이 용이한 투명전극을 포함하는 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광다이오드는 기존 발광 다이오드 제조공정의 일부로 용이하게 편입이 가능한 제조공정을 사용하므로, 기존 공정과의 연계성이 높고 경제적이다. 상기 투명전극을 형성하는 금속층 및 금속 산화물층은 열증착으로 형성이 가능하므로, 고에너지 공정을 사용할 필요가 없어 반도체층의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드에서 투명전극의 구조를 나타내는 사시도 및 질화갈륨층 및 투명전극이 포함하는 각 층들의 어드미턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 금속층 및 금속 산화물층의 두께에 따른 투명전극의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 광량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들의 발광 이미지들 및 전류 대 전압 그래프이다.
도 2는 본 발명의 금속층 및 금속 산화물층의 두께에 따른 투명전극의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 광량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들의 발광 이미지들 및 전류 대 전압 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 질화갈륨계 발광 다이오드에서 투명전극의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 구성하는 질화갈륨층 및 투명전극이 포함하는 각 층들의 어드미턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1(a)를 참조하면, 질화갈륨계 발광 다이오드는 활성층(110), 질화갈륨층(120) 및 투명전극(130)을 포함한다. 상기 투명전극(130)은 금속층(131) 및 금속 산화물층(132)을 포함한다.
상기 활성층(110)은 전자와 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력할 수 있다. 상기 질화갈륨층(120)은 p형 또는 n형으로 도핑되어, 상기 활성층(110)에 정공 또는 전자를 제공할 수 있다.
상기 투명전극(130)은 금속층(131) 및 금속 산화물층(132)을 포함하는 다층구조로 이루어진다. 상기 금속층(131)은 광학적 소멸계수가 낮고 전기 전도도가 우수한 Ag, Au, Cu, Al, Ni 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물층(104)은 낮은 광학적 소멸계수를 가지는 Ta2O5, TiO2, MoOx, NiOx, WOx, CuOx, ZrO2, MgO, NiO, V2O5, MnO2 및 SnO2 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드를 구성하는 각 층들의 어드미턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 어드미턴스의 역수는 임피던스이고, 굴절률이 다른 매질 사이에는 임피던스의 차이가 존재한다. 임피던스란 빛의 전기장 크기와 자기장 크기의 비율로, 빛이 진행하는 매질에 따라 다른 값을 가진다. 굴절률이 서로 다른 두 매질 사이의 경계를 빛이 통과하게 되면, 두 매질의 다른 임피던스의 차이에 의해 빛은 반사를 일으킨다. 임피던스(또는 어드미턴스)는 실수부와 허수부를 가지고 있고, 매질들의 굴절률들을 이용하여 실수부 및 허수부의 값을 구할 수 있다.
도 1(b)를 참조하면, 상기 질화갈륨층(120)의 어드미턴스는 GaN 선, 상기 금속층(131)의 어드미턴스는 Ag 선, 상기 금속 산화물층(132)의 어드미턴스는 MoO3 선을 따라 변화된다. 각각의 선의 변화는 매질들의 굴절률들을 이용하여 구할 수 있다. 최초 활성층(110)에서 시작된 어드미턴스는 질화갈륨층(120)과의 경계를 통과하면서 GaN 선에 따라 변화되고, Ag를 포함하는 금속층(131)과의 경계를 통과하면서 Ag 선에 따라 변화된다. 이후, MoO3를 포함하는 금속 산화물층(132)을 통과하면서 MoO3 선에 따라 변화되어 최종적으로 대기의 어드미턴스로 수렴된다. 이때, 변화하는 선상의 임의의 지점이 가지는 실수축(Re) 및 허수축(Im)의 값을 이용하여 그 지점에서의 어드미턴스를 알 수 있다.
다시, 도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드는 상기 활성층(110)에서 발생된 빛이 적게 반사되기 위하여, 상기 질화갈륨층(120), 상기 투명전극(130)이 포함하는 금속층(131) 및 금속 산화물층(132)의 임피던스(또는 어드미턴스)를 변화시켜, 투명전극과 대기의 계면에서의 임피던스를 대기의 임피던스와 동일하도록 변화시킨다. 이런 상태를 무반사 상태(Zero reflection condition)이라 한다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에서 투명전극과 접촉하는 외부환경을 대기로 예시하였지만, 외부환경은 대기에 국한되지 않는다. 따라서, 상기 투명전극(130)이 포함하는 금속 산화물층(132)은 대기를 포함한 다양한 외부환경과 계면을 형성할 수 있다. 상기 외부환경은 에폭시 또는 실리콘등을 포함하는 몰딩부 일 수 있다.
식 1
식 2
상기 식 1에서 р는 반사계수(Reflection coefficient), E-는 발광 다이오드의 외부로 방출되는 에너지의 양, E+는 발광 다이오드의 내부로 입사되는 에너지의 양, Yair는 대기의 어드미턴스, Y는 대기와 접촉하는 구성부분 계면의 어드미턴스를 나타내고, 상기 식 2에서 반사계수 р의 절대값의 제곱은 반사도(Reflectivity)를 나타낸다.
상기 식 1및 식 2를 참조하면, 반사도(Reflectivity)가 0인 상태, 즉 무반사 상태(Zero reflection condition)가 되기 위해서는 Yair와 Y가 동일해야 한다. 이를 어드미턴스(또는 임피던스)가 매칭되었다고 한다. 따라서, 무반사 상태(Zero reflection condition)이면 발광 다이오드에서 방출되는 빛이 발광 다이오드의 내부에서 반사되지 않고 전부 발광 다이오드의 외부로 방출될 수 있기 때문에, 발광 다이오드의 발광 효율을 높일 수 있다. 이와 반대로, 무반사 상태가 아니고 Yair와 Y의 차이가 증가되는 경우에는 발광 다이오드 내부의 반사도가 증가되므로, 투과도는 감소되고, 발광 다이오드의 발광 효율은 감소된다. 다만, 본 명세서에서 임피던스 매칭은 반사도가 0인 이상적인 상태만을 의미하는 것은 아니고, 반사도가 적어도 10% 이하인 경우를 포함하는 것으로 이해해야 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 활성층(110)에서 발생한 빛이 매질에서 최소한 반사되므로, 투과율의 감소를 최소로 할 수 있어 발광 다이오드의 광효율을 개선시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 금속층과 금속 산화물층의 두께에 따른 투명전극의 투과도를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 상기 금속층(131)은 Ag 이고, 상기 금속 산화물층(132)은 MoO3이다. 상기 그래프는 Ag 및 MoO3 두께 변화에 따른 투명전극 투과도의 변화를 평면 상에 나타낸다. 도 2(a)의 광선의 파장이 435㎚인 경우를 참조하면, Ag 금속층의 두께가 약 9.2㎚이고, MoO3 금속 산화물층의 두께가 약 30㎚인 경우에 투과도가 98.03%임을 알 수 있다. 도 2(b)의 광선의 파장이 450㎚인 경우를 참조하면, Ag 금속층의 두께가 약 12㎚이고, MoO3 금속 산화물층의 두께가 약 17 ㎚ 인 경우에 투과도가 96.57%임을 알 수 있다. 즉, 금속층 및 금속 산화물층의 두께가 변화하면 임피던스 역시 변화하므로, 최적의 두께를 설정하여 높은 투과도를 가지는 투명전극을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들을 나타내는 단면도들이다. 도 3(a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 단면도이다. 도 3(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 단면도이다.
도 3(a)의 제1 실시예를 참조하면, 발광 다이오드는 기판(310), 상기 기판 상에 배치되는 n형 질화갈륨계 반도체층(320), n형 전극패드(330), 활성층(340), p형 질화갈륨계 반도체층(350), 투명전극(360) 및 p형 전극패드(370)를 포함한다. 상기 투명전극(360)은 제1 금속층(362) 및 금속 산화물층(363)을 포함한다.
상기 기판(310)은 산화알루미늄(Al2O3)일 수 있다. 상기 기판(310) 일면에는 요철 형상, 톱니 형상, 반구 형상, 이들을 조합한 형상 등 발광 다이오드에서 발생하는 열의 방출 효율을 높이기 위한 방열 패턴이 형성될 수 있다.
상기 n형 질화갈륨계 반도체층(320)은 전자를 제공하는 층으로서, 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, GaN이외에도 AlN, InGaN, AlGaN 및 AlInGaN 등으로 형성될 수 있다.
상기 n형 전극패드(330)는 상기 n형 질화갈륨계 반도체층(320)의 노출면 상에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 n형 전극은 전원을 인가하기 위한 것으로, Ag 및 Al 등으로 이루어질 수 있다.
상기 활성층(340)은 상기 n형 질화갈륨계 반도체층(320) 상의 일부 영역에 위치할 수 있다. 상기 활성층(340)은 상기 n형 질화갈륨계 반도체층(320)에서 제공된 전자와 상기 p형 질화갈륨계 반도체층(350)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층으로서, 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well)를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성될 수 있으며, 이러한 활성층(340)은 그 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화하므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 재료가 선택될 수 있다.
상기 p형 질화갈륨계 반도체층(350)은 정공을 제공하는 층으로서, 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, GaN이외에도 AlN, InGaN, AlGaN 및 AlInGaN 등으로 형성될 수 있다.
상기 투명전극(360)은 제1 금속층(362)과 상기 제1 금속층(362) 상에 배치된 금속 산화물층(363)을 포함하는 다층구조로 이루어진다. 상기 제1 금속층(362)은 Ag, Au 및 Al 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 금속층(362)의 두께는 1㎚ 내지 100㎚일 수 있다. 상기 제1 금속층(362)의 두께가 1㎚ 미만이면, p형 전극(370)에서 p형 반도체층(350)으로의 전류확산이 어렵고, 100㎚ 초과면, 방출되는 빛이 제1 금속층(362)에 흡수되어 투과도가 낮아진다. 상기 금속 산화물층(363)은 WOx, ZnOx, CaOx, TiOx, NiOx, CoOx, CeOx, SiOx, CuOx, AZO 및 MoOx 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물층(363)의 두께는 1㎚ 내지 1㎛ 일 수 있다. 상기 금속 산화물층(363)의 두께가 1㎚ 미만이면, 무반사(zero reflection)을 통한 투과도 향상이 어렵고, 1㎛ 초과면, 방출되는 빛이 금속 산화물층에 흡수되어 투과도가 낮아지게 된다. 상기 금속 산화물층 상부 표면은 포토리소그래피 방법 또는 나노 임프린트법에 의해 패터닝될 수 있다. 상기 패터닝을 통해 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
상기 p형 전극패드(370)는 전류를 유입시키는 역할을 하는 것으로, Cr, Au, Ti, Al, Ni, Pd, Pt 및 Ag 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 p형 전극패드(370)는 제1 금속층(362) 상에 리프트 오프 방법을 통해 형성될 수 있다. 상기 p형 전극패드(370)의 상부 및 측면 일부를 상기 금속 산화물층(363)으로 덮을 수 있다. 이를 통하여, p형 전극패드(370)의 전기적 특성 및 접착력이 개선될 수 있다.
상기 투명전극(360)을 통하여 전류과밀을 방지할 수 있으므로, 상기 p형 전극패드(370)는 좁은 면적에 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 발광효율이 향상될 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 투명전극을 포함하는 발광 다이오드는 상기 도 3(a)와 유사한 구조를 가지고, p형 반도체층과 제1 금속층 사이에 제2 금속층을 추가적으로 배치한다. 즉, 도 3(b)의 제2 실시예의 경우 상기 투명전극(360)은 상기 제1 금속층(362) 및 금속 산화물층(363)외에 추가적으로 제2 금속층(361)을 포함한다.
상기 제2 금속층(361)은 Ti, Ni 및 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 금속층(361)은 제1 금속층(362)과 p형 질화갈륨계 반도체층(350)의 사이에 배치되어, 박막의 결합력을 향상시킬 수 있다. 상기 제2 금속층(361)의 두께는 0.1㎚ 내지 100㎚ 일 수 있다. 상기 제2 금속층(361)의 두께가 100㎚ 초과인 경우에는 투명전극 전체의 투과도가 저하될 수 있고, 0.1㎚ 미만인 경우에는 결합력이 저하될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 발광 다이오드는 다음과 같은 구체적인 공정을 통해 제조될 수 있다. 먼저, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 사파이어 기판 상에 질화갈륨 반도체층을 형성한다. 상기 질화갈륨 반도체층을 염산 수용액(염산:탈이온수 = 1:1)에 10분 동안 담근 후 탈이온수로 세척하고, 질소로 건조시킨다. 이어서, 포토리소그래피 방법을 이용하여 n형 질화갈륨계 반도체층와 p형 질화갈륨계 반도체층을 구분하는 메사(mesa) 패턴을 형성하고, 포토 레지스트를 마스크로 이용한 건식 에칭으로 n형 질화갈륨계 반도체층을 노출시킨다.
p형 질화갈륨계 반도체 상에 포토리소그래피 방법으로 패턴을 형성한 후 상기 패턴 상에 열증착 방법을 이용하여 투명전극을 형성한다. 상기 투명전극은 1×10-6 Torr의 진공에서 Ni(제2 금속층) 0.5㎚를 증착한 후, Ag(제1 금속층) 10㎚를 증착하여 형성한다. 이 때, Ag의 증착 속도가 0.1㎚/s에서 1㎚/s로 증가될수록 얇은 두께의 금속층에서도 낮은 면저항을 유지할 수 있다. 금속의 증착 속도가 낮으면, 금속은 박막 형태가 아닌 섬(island) 형태로 금속층이 형성되고, 이 경우 질화갈륨층과 금속층 사이에 표면 공명현상이 일어나 투명전극의 투과도가 낮아진다. 금속의 증착 속도가 높으면, 박막 형태의 금속층이 형성되지만, 금속층의 두께 조절이 어려워 투명전극의 투과도가 낮아진다. 또한, Ag에 3wt%의 Mg 또는 Ti를 포함시키면 얇은 두꼐의 금속층에서도 낮은 면저항을 가질 수 있다. 리프트 오프 방법을 이용하여, 상기 투명전극의 금속층 상에는 p형 전극 패턴을, 상기 n형 질화갈륨계 반도체 상에는 n형 전극 패턴을 형성시킬 수 있다. 상기 p형 및 n형 전극 패턴 상에 각각 p형 및 n형 전극패드를 증착시킨다. 이후, 포토리소그래피 방법을 이용하여 투명전극의 금속층 상에 금속 산화물층인 MoO3 35㎚를 증착하여, 발광 다이오드를 완성한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다. 도 4(a)는 제1 실시예에 따른 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다. 도 4(b)는 제2 실시예에 따른 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)를 참조하면, a선, b선, c선, d선 및 e선은 MoO3 증착전의 Ag 금속층으로 형성된 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타낸다. a선은 증착속도가 5A/s인 Ag를, b선은 증착속도가 10A/s인 Ag를, c선은 Ti가 3wt%로 포함된 Ag를, d선은 Mg가 3wt%로 포함된 Ag를, e선은 증착속도가 1A/s인 Ag를 나타낸다.
a'선, b'선, c'선, d'선 및 e'선은 MoO3 증착후의 Ag 금속층과 MoO3 금속 산화물층으로 형성된 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타낸다. a'선은 증착속도가 5A/s인 Ag를, b'선은 증착속도가 10A/s인 Ag를, c'선은 Ti가 3wt%로 포함된 Ag를, d'선은 Mg가 3wt%로 포함된 Ag, e'선은 증착속도가 1A/s인 Ag를 나타낸다. 즉, 금속층의 증착속도와 Mg 또는 Ti의 함유와 상관없이, 금속층 상에 금속 산화물층이 형성된 경우에 투명전극의 투과도가 향상됨을 알 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 투명전극이 두 개의 금속층을 가지는 경우에 금속 산화물층의 증착 여부에 따라 파장에 따른 투과도를 알 수 있다. 하나의 금속층은 Ag로, 다른 금속층은 Ni로 형성될 수 있다.
f선, g선, h선, i선 및 j선은 MoO3 증착전의 Ag 금속층 및 Ni 금속층으로 형성된 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타낸다. f선은 Ag가 Ti를 3wt%로 포함한 Ni/Ag를, g선은 Ag가 Mg를 3wt%로 포함한 Ni/Ag를, h선은 증착속도가 1A/s인 Ni/Ag를, i선은 증착속도가 5A/s인 Ni/Ag를, j선은 증착속도가 10A/s인 Ni/Ag를 나타낸다.
f'선, g'선, h'선, i'선 및 j'선은 MoO3 증착후의 Ag 금속층, Ni 금속층 및 MoO3 금속 산화물층으로 형성된 투명전극의 파장에 따른 투과도를 나타낸다. f'선은Ag가 Ti를 3wt%로 포함한 Ni/Ag를, g'선은 Ag가 Mg를 3wt%로 포함한 Ni/Ag를, h'선은 증착속도가 1A/s인 Ni/Ag를, i'선은 증착속도가 5A/s인 Ni/Ag를, j'선은 증착속도가 10A/s인 Ni/Ag를 나타낸다. 상기의 경우에도 금속산화물층이 금속층 상에 형성되는 경우에 파장에 따른 투과도가 향상됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 파장에 따른 빛의 세기를 나타내는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 선 1은 투명전극이 ITO로 형성된 경우의, 선 2는 투명전극이 Ag가 Mg를 3wt%로 포함한 Ni/Ag로 형성된 경우의, 선 3은 투명전극이 Ag가 Ti를 3wt%로 포함한 Ni/Ag로 형성된 경우의, 선 4는 투명전극이 증착속도가 10A/s인 Ni/Ag로 형성된 경우의, 선 5는 투명전극이 증착속도가 5A/s인 Ni/Ag로 형성된 경우의, 선 6은 투명전극이 증착속도가 1A/s인 Ni/Ag로 형성된 경우의 파장에 따른 빛의 세기를 나타내는 그래프이다. 즉, 종전의 투명전극이 ITO로 형성된 경우와 투명전극이 Ni 및 Ag를 포함하는 경우가, 선 6인 경우를 제외하고, 서로 비슷한 광량을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 투명전극의 구조로 기존의 투명전극을 대체할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들의 발광 이미지들 및 전류 대 전압 그래프이다. 도 6(a)는 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들의 발광이미지들이다. 도 6(b)는 본 발명의 실시예들에 따른 투명전극을 포함하는 발광 다이오드들의 전류 대 전압 그래프이다.
도 6(a)를 참조하면, 도 6(a)(1)은 투명전극이 기존의 ITO인 경우의 발광 이미지이고, 도 6(a)(2)는 투명전극이 Ni 및 3wt%의 Mg를 포함하는 Ag로 형성되어, 25℃에서 제작된 경우의 발광 이미지이고, 도 6(a)(3)은 투명전극이 Ni 및 3wt%의 Mg를 포함하는 Ag로 형성되어, 200℃에서 열처리된 경우의 발광 이미지이고, 도 6(a)(4)는 투명전극이 Ni 및 3wt%의 Mg를 포함하는 Ag로 형성되어, 300℃에서 형성된 경우의 발광 이미지이다. 상기 발광 이미지들을 비교하면, 도 6(a)(4) 경우를 제외하고 기존 발광 다이오드와 비슷한 광량을 보임을 알 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 선 1은 도 6(a)(1)의 발광 다이오드의, 선 2는 도 6(a)(3)의 발광 다이오드의, 선 3은 도 6(a)(4)의 발광 다이오드의, 선 4는 도(a)(2)의 발광 다이오드의 전류 대 전압 그래프이다. 즉, Ni/Ag 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 구동전압은 적절한 열처리를 통하여 ITO 투명전극을 포함하는 발광 다이오드의 구동전압과 유사하게 낮출 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 활성층.
120: 질화갈륨층.
130: 투명전극.
131: 금속층.
132: 금속 산화물층.
310: 기판.
320: n형 질화갈륨계 반도체층
330: n형 전극패드.
340: 활성층.
350: p형 질화갈륨계 반도체층.
360: 투명전극.
361: 제2 금속층
362: 제1 금속층.
363: 금속 산화물층.
370: p형 전극패드.
120: 질화갈륨층.
130: 투명전극.
131: 금속층.
132: 금속 산화물층.
310: 기판.
320: n형 질화갈륨계 반도체층
330: n형 전극패드.
340: 활성층.
350: p형 질화갈륨계 반도체층.
360: 투명전극.
361: 제2 금속층
362: 제1 금속층.
363: 금속 산화물층.
370: p형 전극패드.
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 위치하는 n형 질화갈륨계 반도체층;
상기 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 p형 질화갈륨계 반도체층;
상기 n형 질화갈륨계 반도체층과 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 사이에 개재된 활성층;
상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 위치하는 투명전극을 포함하되,
상기 투명전극은 제1 금속층 및 금속 산화물층이 순차적으로 형성된 다층구조로 이루어지고,
상기 금속 산화물층과 외부 환경과의 계면에서 상기 금속 산화물층의 임피던스가 외부 환경의 임피던스와 매칭을 이루는 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속층은 Ag, Au 및 Al중에서 적어도 하나를 포함하는 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속층의 두께는 1㎚ 내지 100㎚ 인 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속층과 상기 p형 반도체층 사이에 제2 금속층을 더 포함하는 발광 다이오드. - 청구항 4에 있어서,
상기 제2 금속층은 Ti, Ni, 및 Cr 중에서 적어도 하나를 포함하는 발광 다이오드. - 청구항 4에 있어서,
상기 제2 금속층의 두께는 0.1㎚ 내지 100㎚인 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 산화물층은 WOx, ZnOx, CaOx, TiOx, NiOx, CoOx, CeOx, SiOx, CuOx, AZO 및 MoOx 중 적어도 하나 이상을 포함하는 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 산화물층의 두께는 1㎚ 내지 1000㎚인 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 산화물층의 상부면은 패터닝되어 있는 발광 다이오드. - 청구항 7에 있어서,
상기 패터닝은 포토리소그래피법 또는 나노 임프린트법에 의해 형성되는 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속층 및 금속 산화물층은 열증착법으로 형성되는 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속층 상의 일부 영역에 p형 전극패드가 더 형성된 발광 다이오드. - 청구항 12에 있어서,
상기 p형 전극패드는 Cr, Au, Ti, Al, Ni, Pd, Pt 또는 Ag 중에서 적어도 하나를 포함하는 발광 다이오드. - 청구항 12에 있어서,
상기 금속 산화물층은 상기 p형 전극의 측면 및 상부 각각의 일부를 덮는 발광 다이오드.
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- 2014-05-28 US US14/289,558 patent/US20140353709A1/en not_active Abandoned
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| US20140353709A1 (en) | 2014-12-04 |
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