KR20150019820A - 나노와이어를 이용한 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
은(Ag) 나노와이어와 같이 높은 광투과성 및 낮은 전기저항성을 갖는 나노와이어를 이용하한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조체; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 투명 산화물 전극층; 상기 투명 산화물 전극층과 전기적으로 연결되며, 나노와이어를 포함하여 형성되는 투명 나노와이어층; 및 상기 투명 산화물 전극층 또는 상기 투명 나노와이어층과 전기적으로 연결되는 p측 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조체; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 투명 산화물 전극층; 상기 투명 산화물 전극층과 전기적으로 연결되며, 나노와이어를 포함하여 형성되는 투명 나노와이어층; 및 상기 투명 산화물 전극층 또는 상기 투명 나노와이어층과 전기적으로 연결되는 p측 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 광투과성 및 전기전도성을 갖는 나노와이어를 이용하여 투명 전극층에 포함시킴으로써 전류 분산 특성 및 발광 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광소자는 실리콘과 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층과 마그네슘과 같은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층 사이에 활성층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 질화물 반도체 발광소자의 경우, n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공이 활성층에서 재결합하면서 광을 발생시킨다.
통상의 질화물 반도체 발광소자의 경우, 전류 분산을 통한 발광 효율 향상을 위하여 p-타입 질화물층 상에 ITO(Indium Tin Oxide)로 대표되는 투명 전도성 산화물 등으로 투명 전극층이 형성되어 있다.
그러나 투명 전도성 산화물의 경우, 전기전도성 및 광투과율에서 한계점을 나타내고 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0032366호(2009.04.01. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 은 단일막으로 형성된 투명전극을 사용하는 자외선 발광소자가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 높은 전류분산 특성 및 투명성을 나타낼 수 있는 투명 전극층을 포함하여, 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조체; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 투명 산화물 전극층; 상기 투명 산화물 전극층과 전기적으로 연결되며, 나노와이어를 포함하여 형성되는 투명 나노와이어층; 및 상기 투명 산화물 전극층 또는 상기 투명 나노와이어층과 전기적으로 연결되는 p측 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 투명 나노와이어층은 300nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 나노와이어층은 은 나노와이어 또는 금 나노와이어를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 나노와이어층은 상기 나노와이어가 부피%로 5~30% 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 나노와이어층은 전기전도성 투명 고분자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노와이어는 직경이 75nm 이하이고, 길이가 5~20㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 p측 전극패드는 나노와이어를 포함하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 p측 전극패드에 포함된 나노와이어의 밀도가 상기 투명 나노와이어층에 포함된 나노와이어의 밀도보다 높은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 은(Ag) 나노와이어와 같이 높은 광투과성과 낮은 전기저항성을 갖는 나노와이어를 이용하여 형성된 전류 분산층을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 종래 ITO 기반의 전류 분산층을 적용한 질화물 반도체 발광소자에 비하여, 전체적인 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 전류 분산층 상에 형성되는 전극을 전류 분산층과 마찬가지로 나노와이어를 이용하여 형성할 수 있다. 이 경우, 전극 부분을 통하여도 광 추출이 이루어지게 되므로, 비발광 부분을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 투명 나노와이어층의 평면을 나타낸 것이다.
도 3은 ITO만 적용한 경우와 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성한 경우 각각의 광투과율을 나타낸 것이다.
도 4는 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성하였을 때, 은 나노와이어 직경에 따른 면저항 및 투과율을 나타낸 것이다.
도 2는 투명 나노와이어층의 평면을 나타낸 것이다.
도 3은 ITO만 적용한 경우와 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성한 경우 각각의 광투과율을 나타낸 것이다.
도 4는 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성하였을 때, 은 나노와이어 직경에 따른 면저항 및 투과율을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 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 높은 광투과성과 낮은 전기저항성을 갖는 나노와이어를 이용한 질화물 반도체 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 발광구조체(120), 투명 전극층(140), 투명 나노와이어층(160) 및 p측 전극패드(151)을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110)을 더 포함할 수 있으며, 이때 기판(110)은 사파이어, 실리콘 등으로 형성될 수 있다.
발광구조체(120)는 실리콘과 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층(121), 양자 우물 구조의 활성층(122) 및 마그네슘과 같은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층(123)을 포함한다.
투명 전극층(140)은 p형 질화물 반도체층(123)의 높은 저항에 의한 전류 분산 특성이 좋지 못한 점을 보완하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(140)은 ITO, FTO, ZnO 등과 같은 투명 산화물로 형성될 수 있다.
투명 나노와이어층(160)은 투명 전극층(140) 상에 형성되며, 높은 전기전도도를 통하여 높은 전류 분산 특성을 제공하는 역할을 한다.
투명 나노와이어층(160)은, 나노와이어를 포함하며, 롤러를 이용한 압착 방식, 스핀 코팅 방식 등으로 형성될 수 있다.
상기 투명 나노와이어층은 300nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 두께는 나노와이어들이 네트워크를 형성하면서 서로 겹치는 부분의 최대 두께를 의미한다. 투명 나노와이어층의 두께가 300nm를 초과하는 경우, 전기 전도 특성이 우수한 반면, 투과율의 하락폭이 커질 수 있다.
투명 나노와이어층(160)의 경우, 투명성 및 전기전도성이 우수한 은(Ag) 나노와이어 및 금(Au) 나노와이어 중 1종 이상의 나노와이어를 포함하여 형성될 수 있으며, 이들 중에서도 가격적 측면에서 은 나노와이어를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 도 2는 은 나노와이어를 적용한 투명 나노와이어층의 평면을 나타낸 것이다.
또한, 상기 투명 나노와이어층은 나노와이어가 부피%로 5~30% 포함되는 것이 바람직하다. 나머지는 투명전극에 포함되는 물질, 패시베이션층에 포함되는 물질 등으로 이루어질 수 있고, 전기전도성 투명 고분자가 포함될 수도 있다. 나노와이어의 비율이 부피%로 5% 미만일 경우, 나노와이어들 간 네트워크 형성이 불충분하여 전기 전도 특성이 저하될 수 있다. 반대로, 나노와이어의 비율이 부피%로 30%를 초과하는 경우, 전기 전도 특성은 우수하나 투과율 하락폭이 커질 수 있다.
이러한 투명 나노와이어층(160)은 투명 전극층(140)의 굴절률(ITO의 경우 대략 1.8의 굴절률)보다 낮은 굴절률(Ag 나노와이어의 경우, 대략 1.5의 굴절률)을 갖도록 형성할 수 있으며, 이에 따라 발광구조체로부터 발광소자의 광추출면, 나아가 패시베이션층, 패키지에서의 몰딩층까지 점진적 굴절률 감소 효과에 기여할 수 있어, 광 추출 효율 향상에도 기여할 수 있다.
또한, 투명 나노와이어층(160)에는 전류분산 효과 향상을 위하여, 상기의 투명 나노와이어와 함께 전기전도성 투명 고분자가 더 포함될 수 있다. 전기전도성 투명 고분자는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌 등을 제시할 수 있다. 이러한 전기전도성 투명 고분자는 바인더로 작용하여 나노와이어의 부착력을 향상시키는 것에도 기여할 수 있다.
한편, 상기 나노와이어는 직경이 75nm 이하인 것이 바람직하고, 25~75nm인 것이 보다 바람직하다. 나노와이어의 직경이 75nm를 초과하는 경우, 전기 전도 특성은 우수한 반면 투과율의 하락폭이 커질 수 있다.
또한, 상기 나노와이어는 길이가 5~20㎛인 것이 바람직하다. 나노와이어의 길이가 5㎛ 미만일 경우, 네트워크 형성을 위해서는 투명 나노와이어층에서 나노와이어의 비율이 증가하게 되어 투과율 특성이 악화될 수 있다. 반대로, 나노와이어의 길이가 20㎛를 초과하기 위해서는 나노와이어 제조 비용이 과다하게 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 전술한 바와 같이, 발광구조체(120), 투명 전극층(140) 및 투명 나노와이어층(160)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기의 발광구조체(120), 투명 전극층(140) 및 투명 나노와이어층(160)에 더하여, 전류차단층(Current Blocking Layer; CBL)(130) 및 p측, n측 전극 패드(151, 152)를 더 포함할 수 있다.
전류 차단층(130)은 p측 전극패드(151) 바로 아래쪽으로 전류가 집중되지 않도록 하여 전류 분산 특성을 보다 향상시키기 위하여, 절연체인 SiO2 등으로 형성된다.
p측 전극 패드(151)와 n측 전극 패드(152)는 외부와의 전기적 연결을 위하여 형성된다.
p측 전극 패드(151)는 통상 단층 혹은 다층의 금속층으로 형성된다. 이때, 이러한 금속으로 형성된 p측 전극 패드(1510)의 경우, 그 면적만큼 발광을 저해하는 요인이 될 수 있는 바, p측 전극 패드(151)를 나노와이어를 포함하여 형성할 수 있다.
이 경우, 외부로부터의 전류 흐름을 원활하게 하기 위하여, p측 전극 패드(151)에 포함되는 나노와이어의 밀도를 투명 나노와이어층(160)에 포함되는 나노와이어의 밀도보다 높게 하는 것이 바람직하다.
표 1은 유리 기판 상에 ITO만 적용한 경우와, 유리 기판 상에 ITO 및 은 나노와이어층을 형성한 경우 각각의 면저항 측정 결과를 나타낸 것이다. 면저항은 4개의 지점에서 측정하였다.
[표 1] (단위 : Ω/sq.)
표 1을 참조하면, 유리 기판 상에 ITO만 적용한 경우에 비하여, 유리 기판 상에 ITO 및 은 나노와이어층을 형성하였을 때 -5.6 Ω/sq. 정도 낮은 면저항을 나타내어 높은 전기전도성을 발휘함을 알 수 있다.
도 3은 유리 기판 상에 ITO만 적용한 경우와, 유리 기판 상에 ITO 및 은 나노와이어층을 형성한 경우 각각의 광투과율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 유리 기판 상에 ITO만 형성한 경우, 450nm 파장에서 81% 정도의 광투과율을 나타내었으나, 유리 기판 상에 ITO 및 은 나노와이어층을 형성한 경우에는 450nm 파장에서 84.5% 정도의 광투과율을 나타내었다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 경우, 활성층에서 450nm 정도의 청색광을 방출할 경우, 상대적으로 높은 광투과율을 나타낼 수 있다.
도 4는 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성하였을 때, 은 나노와이어 직경에 따른 면저항(Rs) 및 투과율(Trans)을 나타낸 것이다. 은 나노와이어는 길이가 10㎛(오차 ±2㎛)인 것을 이용하였으며, 은 나노와이층 두께는 150nm로 형성하였다.
도 4를 참조하면, 은 나노와이어 직경이 커질수록 면저항(Rs)이 감소하고, 즉 전기 전도도가 향상되나, 투과율(Trans)이 감소하는 것을 볼 수 있다.
특히, 은 나노와이어의 직경이 75nm를 초과하는 경우, 면저항 감소율에 비하여 투과율 감소율이 현저기 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 점에서 투명 나노와이어층에 포함되는 나노와이어의 직경은 75nm 이하인 것이 바람직하다.
표 2는 ITO 상에 은 나노와이어층을 형성하였을 때, 은 나노와이어층 두께에 따른 투과율을 나타낸 것이다. 은 나노와이어는 직경이 25nm(오차 ±5nm) 평균 길이가 10㎛(오차 ±2㎛)인 것을 이용하였다. 두께 별로 3회 측정하여 평균 투과율로 나타내었다.
[표 2]
표 2를 참조하면, 은 나노와이어층의 두께가 증가할수록 평균 투과율이 감소하며, 특히 300nm를 초과하는 경우 투과율 감소폭이 매우 큰 것을 볼 수 있다. 따라서, 이러한 점을 고려할 때, 투명 나노와이어층의 두께는 300nm 이하인 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 기판 120 : 발광구조체
121 : n형 질화물 반도체층 122 : 활성층
123 : p형 질화물 반도체층 130 : 전류 차단층
140 : 투명 전극층 151 : p측 전극패드
152 : n측 전극패드 160 : 투명 나노와이어층
121 : n형 질화물 반도체층 122 : 활성층
123 : p형 질화물 반도체층 130 : 전류 차단층
140 : 투명 전극층 151 : p측 전극패드
152 : n측 전극패드 160 : 투명 나노와이어층
Claims (11)
- n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조체;
상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 투명 산화물 전극층;
상기 투명 산화물 전극층과 전기적으로 연결되며, 나노와이어를 포함하여 형성되는 투명 나노와이어층; 및
상기 투명 산화물 전극층 또는 상기 투명 나노와이어층과 전기적으로 연결되는 p측 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
300nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
은 나노와이어 또는 금 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
상기 나노와이어가 부피%로 5~30% 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
전기전도성 투명 고분자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 나노와이어는
직경이 75nm 이하이고, 길이가 5~20㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
상기 투명 산화물 전극층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 나노와이어층은
상기 투명 산화물 전극층 및 상기 p측 전극 패드의 일부 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 p측 전극패드는
나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제9항에 있어서,
상기 p측 전극패드에 포함된 나노와이어의 밀도가 상기 투명 나노와이어층에 포함된 나노와이어의 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 질화물 반도체 발광소자는
상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 전류차단층; 및
상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 n측 전극패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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