KR20150006296A - 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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일진엘이디(주)
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Abstract

투명 도전전극 및 발광구조물의 일부 중 적어도 하나 이상을 관통하는 식각 홈 내에 광 산란 매립층을 형성함으로써, 광 탈출 각의 증가 및 광 산란 특성의 향상으로 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 기판 상에 적층 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하는 발광구조물; 상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 투명 도전전극; 상기 투명 도전전극 또는 상기 투명 도전전극과 발광구조물의 적어도 일부를 관통하도록 형성된 하나 이상의 식각 홈 내에 매립되며, 1.5 내지 2.4 범위의 굴절률(refractive index; n)을 갖는 물질을 포함하는 광 산란 매립층; 상기 투명 도전전극 상에 형성된 p-전극 패드; 및 상기 n형 질화물층 상에 형성된 n-전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명 도전전극 및 발광구조물의 일부를 관통하는 식각 홈 내에 광 산란 매립층을 형성함으로써, 광 탈출 각의 증가 및 광 산란 특성의 향상으로 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 질화물 반도체 발광 다이오드로는 GaN계 질화물 반도체 발광 다이오드가 주로 연구되고 있다. 이러한 GaN계 질화물 반도체 발광 다이오드는 그 응용분야에 있어서 청색과 녹색 LED의 발광소자, MESFET, HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자에 응용되고 있다.
특히, 청색과 녹색 LED 발광 다이오드는 이미 양산화가 진행된 상태이며, 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.
최근에는 질화물 반도체 발광 다이오드의 광 효율을 향상시키기 위해 p-전극 패드가 위치한 영역의 하부에 전류 차단패턴을 형성함과 더불어, 전류 차단패턴의 전면을 덮도록 형성되는 투명 도전전극을 형성하고 있다. 이때, 투명 도전전극은 p-전극 패드의 전극 역할과 더불어 전류 확산 역할을 한다.
그러나, 투명 도전전극을 발광 영역의 전 면적에 대응되는 크기로 형성할 경우, 투명 도전전극이 광 추출을 방해하는 요인으로 작용하여 광 추출 효율을 증대시키는 데 어려움이 따르고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 10-2011-0103686호(2011.09.21 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 투명 도전전극 및 발광구조물의 일부 중 적어도 하나 이상을 관통하는 식각 홈 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 물질로 이루어진 광 산란 매립층을 형성함으로써, 광 탈출 각의 증가 및 광 산란 특성의 향상으로 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 발광 다이오드는 기판 상에 적층 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하는 발광구조물; 상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 투명 도전전극; 상기 투명 도전전극 또는 상기 투명 도전전극과 발광구조물의 적어도 일부를 관통하도록 형성된 하나 이상의 식각 홈 내에 매립되며, 1.5 내지 2.4 범위의 굴절률(refractive index; n)을 갖는 물질을 포함하는 광 산란 매립층; 상기 투명 도전전극 상에 형성된 p-전극 패드; 및 상기 n형 질화물층 상에 형성된 n-전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법은 (a) 기판 상에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하는 발광구조물을 형성하는 단계; (b) 상기 발광구조물 상에 투명 도전전극을 형성하는 단계; (c) 상기 투명 도전전극의 적어도 일부를 제거하여, 식각 홈을 형성하는 단계; (d) 상기 기판의 일측 가장자리에 배치되는 상기 발광구조물의 일부를 제거하여, 노출 홈을 형성하는 단계; (e) 상기 식각 홈 내에 1.5 내지 2.4의 굴절률(refractive index; n)를 갖는 물질을 충진하여 광 산란 매립층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 투명 도전전극 및 n형 질화물층 상에 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 각각 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법은 투명 도전전극 및 발광구조물의 일부 중 적어도 하나 이상을 관통하는 식각 홈 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극과 발광구조물의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인한 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법은 식각 홈에 의한 광 탈출 각도의 증가와 더불어, 식각 홈 내에 매립되는 광 산란 매립층의 미세한 나노 입자들이 광을 산란시키는 역할을 하여 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 공정 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 발광구조물(110), 투명 도전전극(120), 광 산란 매립층(130), p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)를 포함한다.
발광구조물(110)은 기판(10) 상에 차례로 적층 형성된 n형 질화물층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물층(116)을 포함한다.
n형 질화물층(112)은 기판(10) 상에 형성된다. 이러한 n형 질화물층(112)은 실리콘(Si)을 도핑한 AlGaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, n형 질화물층(112)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하나, 제1층과 제2층이 교번적으로 형성된 적층 구조로 성장시켜야 크랙이 없는 우수한 결정성을 확보할 수 있으므로, 적층 구조로 형성하는 것이 더 바람직하다.
이때, 기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질로 형성될 수 있으며, 대표적으로 사파이어 기판을 일 예로 들 수 있다. 이러한 기판(10)으로는 사파이어 기판 이외에 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등에서 선택된 재질로 형성될 수도 있다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자(100)는 기판(10)과 n-형 질화물층(112) 사이에 개재되는 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 버퍼층은 선택적으로 기판(10)의 상부면에 구비되는 층으로, 기판(10)과 n형 질화물층(112) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위한 목적으로 형성되며, 그 재질로는 AlN, GaN 등에서 선택될 수 있다.
활성층(114)은 n형 질화물층(112) 상에 형성된다. 이러한 활성층(114)은 n형 질화물층(112)과 p형 질화물층(116) 사이에서 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있다. 즉, 활성층(114)은 양자장벽층은 Al이 포함된 AlGaInN의 4원계 질화물층이고, 양자우물층은 InGaN으로 이루어진 다중양자우물 구조를 갖는다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(114)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
p형 질화물층(116)은, 일 예로, Mg을 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층(미도시)과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 또한, p형 질화물층(116)은 n형 질화물층(112)과 마찬가지로 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
투명 도전전극(120)은 발광구조물(110)의 p형 질화물층(116) 상에 형성된다. 이러한 투명 도전전극(120)은 전류 주입면적을 증가시키기 위한 목적으로 형성되며, 휘도에 악 영향을 미치는 것을 미연에 방지하기 위해 투명한 도전 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 투명 도전전극(120)의 재질로는 인듐주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 인듐아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), FTO(fluorine doped tin oxide, SnO2) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
광 산란 매립층(130)은 투명 도전전극(120) 및 발광구조물(110)의 일부를 각각 관통하도록 형성된 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 매립되며, 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4를 갖는 물질로 형성된다. 이러한 광 산란 매립층(130)은 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질로 형성된다. 이때, 광 산란 매립층(130)은 10 ~ 100nm의 평균 직경을 갖는 나노 입자로 이루어진다. 이러한 나노 입자의 평균 직경을 10 ~ 100nm인 것을 이용함으로써, 휘도에 악 영향을 미치는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
이때, 제1 식각 홈(V1)은 투명 도전전극(120)을 관통하도록 형성되며, 제1 직경을 갖는다. 그리고, 제2 식각 홈(V2)은 발광구조물(110)의 일부를 관통하여 제1 식각 홈(V1)의 내측에 배치되며, 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는다. 상기 제1 식각 홈(V1)은 투명 도전전극(120)과 대응되는 두께를 갖고, 제2 식각 홈(V2)은 기판(10)의 가장자리에 배치되는 발광구조물(110)을 노출시키는 노출 홈(E)과 대응되는 두께를 갖는다.
특히, 제1 식각 홈(V1)을 제2 식각 홈(V2)에 비하여 큰 직경으로 형성할 경우, 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2)에 의해 광 탈출 각도가 증가될 수 있음과 더불어, 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 매립되는 광 산란 매립층(130)의 나노 입자들이 상측 방향으로 산란되는 것을 유도하는 렌즈 역할을 하게 되어, 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
이러한 광 산란 매립층(130)은 투명 도전전극(120)의 전체 면적에 대하여 면적율로 40% 이하를 갖도록 형성하는 것이 바람직한데, 이는 광 산란 매립층(130)이 투명 도전전극(120) 전체 면적에 대하여 면적율로 40%를 초과할 경우, 투명 도전전극(120)의 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있기 때문이다.
이와 같이, 투명 도전전극(120) 및 발광구조물(110)의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극(120)과 발광구조물(110)의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인하여 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있다.
p-전극 패드(140)는 투명 도전전극(120) 상에 형성된다. 그리고, n-전극 패드(150)는 n형 질화물층(112)의 노출 영역에 형성된다. p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증발 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링 증착(Sputtering deposition) 등에서 선택된 어느 하나의 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 동일한 마스크를 사용하는 것에 의해 동일한 물질로 형성된다. 이때, p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 Au, Cr-Au 합금 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 투명 도전전극 및 발광구조물의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 식각 홈 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극과 발광구조물의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인한 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 제1 및 제2 식각 홈에 의한 광 탈출 각도의 증가와 더불어, 제1 및 제2 식각 홈 내에 매립되는 광 산란 매립층의 미세한 나노 입자들이 광을 산란시키는 역할을 하여 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드와 실질적으로 유사한 구조를 갖는바, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
이때, 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 발광구조물(110)과 투명 도전전극(120) 사이에 형성된 전류 차단패턴(160)을 더 포함하는 점에서, 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드와 차이를 보인다.
전류 차단패턴(160)은 SiO2, SiNx 등에서 선택된 1종 이상으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 전류 차단패턴(160)은 1000 ~ 10000Å의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2000 ~ 4000Å의 두께를 제시할 수 있다. 전류 차단패턴(160)의 두께가 1000Å 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 전류 차단 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전류 차단패턴(160)의 두께가 10000Å을 초과할 경우에는 전류 차단 효과 대비 제조 비용 및 시간만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
p-전극 패드(140)는 전류 차단패턴(160) 및 투명 도전전극(120) 상에 형성되어, 전류 차단패턴(160)과 직접 접촉된다 특히, p-전극 패드(140)는 전류 차단패턴(160)과 전기적 및 물리적으로 직접 연결된다. 이러한 p-전극 패드(140)는 투명 도전전극(120) 및 전류 차단패턴(160)과 직접 연결되며, 단면상으로 볼 때, T자 형상을 갖는다. 이때, p-전극 패드(140)와 투명 도전전극(120) 상호 간은 각각 금속 계열로 이루어지기 때문에 상호 간의 접착력이 좋지 않으나, 본 발명의 변형예와 같이, 금속 계열의 p-전극 패드(140)를 SiO2, SiNx 등의 산화물 재질로 이루어진 전류 차단패턴(160)과 전기적 및 물리적으로 직접 연결시킴으로써, p-전극 패드(140)의 접착 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드(100)의 경우, 식각 홈(V)이 투명 도전전극(120)만을 관통하도록 형성되고, 광 산란 매립층(130)이 투명 도전전극(120)만을 관통하는 식각 홈(V) 내에 매립되는 구조를 갖는다.
이에 따라, 식각 홈(V)은 발광구조물(110)의 일부는 관통하지 않고, 투명 도전전극(120)만을 관통하는 구조를 갖는다.
전술한 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 금속 계열의 p-전극 패드를 SiO2, SiNx 등에서 선택된 산화물 재질로 이루어진 전류 차단패턴과 전기적 및 물리적으로 직접 연결시킴으로써, p-전극 패드의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4를 참조하면, 기판(10) 상에 n형 질화물층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물층(116)을 구비하는 발광구조물(110)을 형성한다. 이때, n형 질화물층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물층(116)은 금속유기화학증착법(MOCVD), 액상에피텍셜법(LPE), 분자빔에피텍셜법(MBE) 등에서 선택된 어느 하나의 방식을 이용하여 차례로 증착하는 방식으로 적층 형성될 수 있다.
다음으로, 발광구조물(110)의 상부 전면에 투명 도전물질층(미도시)을 형성한다. 투명 도전물질층은 인듐주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 인듐아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), FTO(fluorine doped tin oxide, SnO2) 등에서 선택된 1종 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 발광구조물(110) 상에 발광 영역을 관통하는 제1 식각 홈(V1)을 구비하는 투명 도전전극(120)을 형성한다. 이때, 제1 식각 홈(V1) 및 투명 도전전극(120)은 투명 도전물질층을 선택적인 노광, 현상 및 식각 공정으로 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이때, 제1 식각 홈(V1)은 투명 도전전극(120)을 관통하도록 형성되며, 제1 직경을 갖는다.
도 6을 참조하면, 제1 식각 홈(V1)의 내측과 기판(10)의 일측 가장자리에 배치되는 발광구조물(110)의 일부를 각각 제거하여, 제2 식각 홈(V1) 및 노출 홈(E)을 각각 형성한다.
이때, 제2 식각 홈(V2)은 발광구조물(110)의 일부를 관통하여 제1 식각 홈(V1)의 내측에 배치되며, 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는다. 따라서, 제1 식각 홈(V1)은 투명 도전전극(120)과 대응되는 두께를 갖고, 제2 식각 홈(V2)은 노출 홈(E)과 대응되는 두께를 갖는다. 이와 같이, 제1 식각 홈(V1)을 제2 식각 홈(V2)에 비하여 큰 직경으로 형성할 경우, 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2)에 의해 광 탈출 각도가 증가될 수 있게 된다.
도 6에서는 제2 식각 홈(V2)의 식각 깊이와 노출 홈(E)의 식각 깊이가 동일하게 설계하는 경우를 나타낸 것으로, 이 경우에는 제2 식각홈(V2)이 메사 식각과 동시에 형성된다. 이와 달리, 도면으로 도시하지는 않았지만, 제2 식각 홈(V2)의 식각 깊이와 노출 홈(E)의 식각 깊이를 상이하게 설계하는 경우에는 식각 홈 형성과 메사 식각 공정이 별도로 이루어진다.
도 7을 참조하면, 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4를 갖는 물질을 충진하여 광 산란 매립층(130)을 형성한다.
이러한 광 산란 매립층(130)은 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 광 산란 매립층(130)은 10 ~ 100nm의 평균 직경을 갖는 나노 입자로 이루어진다. 이러한 나노 입자의 평균 직경을 10 ~ 100nm인 것을 이용함으로써, 휘도에 악 영향을 미치는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
이때, 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 매립되는 광 산란 매립층(130)의 나노 입자들이 상측 방향으로 산란되는 것을 유도하는 렌즈 역할을 하게 되어, 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
이러한 광 산란 매립층(130)은 투명 도전전극(120)의 전체 면적에 대하여 면적율로 40% 이하를 갖도록 형성하는 것이 바람직한데, 이는 광 산란 매립층(130)이 투명 도전전극(120) 전체 면적에 대하여 면적율로 40%를 초과할 경우, 투명 도전전극(120)의 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다.
이와 같이, 투명 도전전극(120) 및 발광구조물(110)의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 식각 홈(V1, V2) 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극(120)과 발광구조물(110)의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인한 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있다.
다음으로, 투명 도전전극(120) 및 n형 질화물층(112) 상에 p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)를 각각 형성한다. 이때, p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증발 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링 증착(Sputtering deposition) 등에서 선택된 어느 하나의 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 동일한 마스크를 사용하는 것에 의해 동일한 물질로 형성된다. 이때, p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)는 Au, Cr-Au 합금 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
상기의 과정으로 제조되는 질화물 반도체 발광 다이오드는 투명 도전전극 및 발광구조물의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 식각 홈 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3 등에서 선택된 1종 이상의 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극과 발광구조물의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인한 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 이때, 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법은 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법과 실질적으로 동일한바, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 n형 질화물층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물층(116)을 구비하는 발광구조물(110)을 형성한다.
다음으로, 발광구조물(110) 상에 투명 도전물질층을 형성한 후, 선택적으로 패터닝하여 발광 영역에 대응되는 투명 도전물질층을 관통하는 식각 홈(V)을 형성한다.
다음으로, 기판(10)의 일측 가장자리에 배치되는 발광구조물(110)의 일부를 제거하여 노출 홈(E)을 형성한 후, 식각 홈(V) 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4를 갖는 물질을 충진하여 광 산란 매립층을 형성한다. 다음으로, 투명 도전전극(120) 및 n형 질화물층(112) 상에 p-전극 패드(140) 및 n-전극 패드(150)를 각각 형성한다.
전술한 본 발명의 변형예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법은 투명 도전전극만을 관통하는 식각 홈 내에 굴절률(refractive index; n) : 1.5 ~ 2.4(@450nm)를 갖는 물질을 매립함으로써, 투명 도전전극과 발광구조물의 일부를 선택적으로 제거하는데 기인한 전류밀도의 증가에 따른 광 추출 효율의 상승 효과를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 단순화되어 제조 공정이 간소화되는 이점이 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편 제조
실시예 1
450㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판 상에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층이 차례로 적층된 발광구조물을 형성하였다. 이후, p형 질화물층 상에 ITO(Indium Tin Oxide)를 1000Å의 두께로 증착한 후, 식각 홈을 구비하는 투명 도전전극을 형성하고 나서 TiO2를 식각 홈 내에 매립하여 광 산란 매립층을 형성하였다. 이후, p형 질화물층, 활성층 및 n형 질화물층을 차례로 메사식각하여 n형 질화물층의 일부를 노출시킨 후, p-전극 패드 및 n-전극 패드를 형성하였다. 이때, 식각 홈의 면적은 투명 도전전극 전체 면적의 21.8%로 형성하였다.
실시예 2
식각 홈의 면적을 투명 도전전극 전체 면적의 23.5%로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
실시예 3
식각 홈의 면적을 투명 도전전극 전체 면적의 28.7%로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
실시예 4
식각 홈의 면적을 투명 도전전극 전체 면적의 34.6%로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
실시예 5
식각 홈의 면적을 투명 도전전극 전체 면적의 39.7%로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
비교예 1
식각 홈 및 광 산란 매립층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
비교예 2
식각 홈의 면적을 투명 도전전극 전체 면적의 45.2%로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 2에 따른 시편들에 대한 물성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 비교예 1에 따른 시편에 대한 동작 전압 및 광 출력 값을 기준으로 하여 평가한 것이다.
이때, 실시예 1 ~ 5에 따른 시편들의 경우, 식각 홈의 면적율이 증가함에 따라 동작 전압 증가량이 증가하기는 하나, 광 출력 특성이 향상되는 것을 알 수 있다. 즉, 투입 전력에 대한 광 출력 효율이 높다는 것을 알 수 있다.
한편, 비교예 2에 따른 시편의 경우에는 광 출력이 향상되는 특성을 나타내기는 하나, 투명 도전전극을 관통하는 식각 홈의 면적율이 45%를 초과하는데 기인하여 동작 전압의 상승으로 인한 투입 전력에 대한 광 출력 효율이 낮다는 것을 알 수 있다. 또한, 전류 퍼짐(current spreading) 등의 문제로 인해 신뢰성을 저하시킬 우려가 크다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 질화물 반도체 발광 소자 110 : 발광구조물
112 : n형 질화물층 114 : 활성층
116 : p형 질화물층 120 : 투명 도전전극
130 : 광 산란 매립층 140 : p-전극 패드
150 : n-전극 패드 160 : 전류 차단패턴
10 : 기판 V1 : 제1 식각 홈
V2 : 제2 식각 홈 E : 노출 홈

Claims (12)

  1. 기판 상에 적층 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하는 발광구조물;
    상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 투명 도전전극;
    상기 투명 도전전극 또는 상기 투명 도전전극과 발광구조물의 적어도 일부를 관통하도록 형성된 하나 이상의 식각 홈 내에 매립되며, 1.5 내지 2.4 범위의 굴절률(refractive index; n)을 갖는 물질을 포함하는 광 산란 매립층;
    상기 투명 도전전극 상에 형성된 p-전극 패드; 및
    상기 n형 질화물층 상에 형성된 n-전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 산란 매립층은
    10 ~ 100nm의 평균 직경을 갖는 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 산란 매립층은
    SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2 및 Al2O3 중 선택된 1종 이상의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 산란 매립층은
    상기 투명 도전전극의 전체 면적에 대하여 면적율로 40% 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는
    상기 발광구조물과 투명 도전전극 사이에 형성된 전류 차단패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 식각 홈은
    상기 투명 도전전극을 관통하도록 형성된 제1 식각 홈과,
    상기 발광구조물의 일부를 관통하도록 형성된 제2 식각 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 식각 홈은
    상기 투명 도전전극을 관통하도록 형성되며, 제1 직경을 갖고, 상기 제2 식각 홈은 발광구조물의 일부를 관통하여, 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  8. (a) 기판 상에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하는 발광구조물을 형성하는 단계;
    (b) 상기 발광구조물 상에 투명 도전전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 투명 도전전극의 적어도 일부를 제거하여, 식각 홈을 형성하는 단계;
    (d) 상기 기판의 일측 가장자리에 배치되는 상기 발광구조물의 일부를 제거하여, 노출 홈을 형성하는 단계;
    (e) 상기 식각 홈 내에 1.5 내지 2.4의 굴절률(refractive index; n)를 갖는 물질을 충진하여 광 산란 매립층을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 투명 도전전극 및 n형 질화물층 상에 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 각각 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 식각 홈을 형성하는 단계 이후에,
    (c-1) 상기 발광구조물의 적어도 일부를 제거하여 식각 홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (c-1) 단계의 식각 홈 및 상기 (d) 단계의 노출 홈은 하나의 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 광 산란 매립층은
    SiO2, SiNx, TiO2, Ta2O5, ZrO2 및 Al2O3 중 선택된 1종 이상의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 광 산란 매립층은
    상기 투명 도전전극의 전체 면적에 대하여 면적율로 40% 이하를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법.
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