KR20150044242A - 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20150044242A
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light emitting
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semiconductor layer
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김승용
김동우
손광정
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일진엘이디(주)
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Abstract

본 발명은 기판 상에 적층 형성된 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층과, 제 2 반도체층 상에 형성된 투명 전극과, 제 1 반도체층 및 투명 전극 상의 소정 영역에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극과, 투명 전극 상부에 형성된 산란층을 포함하는 발광 다이오드가 제시된다.

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 GaN, AlN, InN 등과 같은 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지고 있어 광전 소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, GaN은 에너지 밴드갭이 상온에서 3.4eV로 매우 크기 때문에 고온 고출력 소자에 사용될 수 있다.
GaN 반도체를 이용한 발광 다이오드는 일반적으로 기판 상부에 N형 GaN층, 활성층, P형 GaN층이 적층 형성되고, N형 GaN층과 P형 GaN층에 각각 접속된 N형 전극 및 P형 전극으로 구성된다. 또한, P형 전극으로부터 공급되는 전류를 P형 GaN층에 고르게 확산시키기 위해 ITO 등을 이용하여 투명 전극을 형성한다. 이러한 발광 다이오드는 N형 전극 및 P형 전극에 소정의 전류가 인가되면, N형 GaN층으로부터 제공되는 전자와 P형 GaN층으로부터 제공되는 홀이 활성층에서 재결합되어 에너지 갭에 해당하는 파장의 광이 방출하게 된다.
최근, 발광 다이오드가 차세대 광원으로 주목받으면서 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 성능 개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 발광 다이오드의 성능을 평가하는 지표로는 발광 효율, 광추출 효율, 색균일도, 수명, 제조의 용이성 등이 있다. 이 중에서 발광 효율은 입력 전원에 대한 발광되는 광의 세기를 의미하는데, 내부 양자 효율과 광추출 효율에 의해 결정된다. 내부 양자 효율은 기판의 특성에 의존하며 단위 시간당 공급되는 전자의 개수 중 발광하는 전자의 개수, 즉 광자(photon)로 바뀌는 전자의 개수의 비로 나타낸다. 또한, 광 추출 효율은 발광 다이오드의 내부에서 생성된 광자들 중에서 발광 다이오드의 표면으로 방출된 광자의 개수로 정의된다.
그런데, 발광 다이오드 내부에서 발생한 광이 외부로 방출될 때, 반도체 물질과 공기와의 굴절률 차이로 인해 광이 방출될 수 있는 임계각이 감소하여 내부 전반사에 의해 광이 밖으로 빠져나오지 못하고 내부에서 소멸되고, 그에 따라 광추출 효율이 낮아지게 된다.
본 발명은 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명은 투명 전극 상부에 산란층을 형성하고 산란층 내에서 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 발광 다이오드는 기판 상에 적층 형성된 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층; 상기 제 2 반도체층 상에 형성된 투명 전극; 상기 제 1 반도체층 및 투명 전극 상의 소정 영역에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 투명 전극 상에 형성된 산란층을 포함한다.
상기 제 2 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 전류 차단층을 더 포함한다.
상기 산란층은 복수의 나노 입자를 포함한다.
상기 산란층은 복수의 나노 입자가 적어도 2회 이상 코팅 형성된다.
상기 산란층은 400Å 내지 1200Å의 두께로 형성된다.
상기 산란층은 서로 다른 사이즈의 나노 입자를 포함한다.
상기 나노 입자는 10㎚ 내지 100㎚의 사이즈를 갖는다.
상기 산란층은 하측으로부터 상측으로 상기 나노 입자의 사이즈가 작아진다.
상기 복수의 나노 입자는 산화물 나노 입자를 포함한다.
상기 산화물 나노 입자는 Ta2O5, TiO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Al2O3의 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 산란층은 상기 산화물 나노 입자와 양자점이 혼합되어 형성된다.
본 발명의 실시 예들에 따른 발광 소자는 투명 전극 상부에 복수의 나노 입자로 이루어진 산란층이 형성됨으로써 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 발광 다이오드 내부에서 발생된 광이 산란층 내에서 산란하다 외부로 방출되므로 내부에서 소멸되는 광을 줄일 수 있고, 그에 따라 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 산화물 나노 입자와 함께 양자점(quantum dot)을 이용하여 산란층을 형성함으로써 광추출 효율 및 광 변환 효율을 동시에 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 다이오드의 부분 확대 단면도.
도 3은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 다이오드의 부분 확대 단면도.
도 4는 종래의 산란층을 형성하지 않은 발광 다이오드와 본 발명의 나노 입자 및 양자점을 혼합하여 산란층을 형성한 발광 다이오드의 출력 스펙트럼.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드는 기판(110) 상에 적층 형성된 제 1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)과, 제 2 반도체층(140) 상부의 소정 영역에 형성된 전류 차단층(150)과, 전류 차단층(150)을 포함한 제 2 반도체층(140) 상부에 형성된 투명 전극(160)과, 제 1 반도체층(120) 상에 형성된 제 1 전극(170)과, 투명 전극(160) 상부의 소정 영역에 형성된 제 2 전극(180)과, 투명 전극(160) 상부에 형성된 산란층(190)을 포함한다. 또한, 기판(110)과 제 1 반도체층(120) 사이에 형성된 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하며, 바람직하게는 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 기판(110) 상에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 버퍼층은 기판(110)과 제 1 반도체층(120) 사이의 격자 부정합을 완화시키고고, 열팽창계수의 차이를 극복하기 위해 형성된다. 이러한 버퍼층은 도핑없이 형성될 수 있으며, InAlGaN 계열이나 SiC 계열의 재료로 형성될 수 있다.
제 1 반도체층(120)은 N형 불순물이 도핑된 N형 반도체일 수 있고, 그에 따라 활성층(130)에 전자를 공급할 수 있다. 이러한 제 1 반도체층(120)은 N형 불순물, 예를 들어 Si가 도핑된 GaN층을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물이 이용될 수 있고, 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있는데, 예를 들어 AlGaN을 이용할 수 있다. 또한, 제 1 반도체층(120)은 단일막으로 형성할 수도 있고, 다층막으로 형성할 수도 있다.
활성층(130)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 홀이 재결합되는 영역이다. 활성층(130)은 단일 양자 우물 구조(SQW) 또는 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성할 수 있는데, 다중 양자 우물 구조는 양자 우물층과 장벽층이 반복적으로 복수 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 다중 양자 우물 구조의 활성층(130)은 InGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수 있고, AlGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수도 있다. 여기서, 활성층(130)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되기 때문에 목표로 하는 파장에 따라 활성층(130)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 활성층(130)은 제 1 전극(170)이 형성될 영역이 제거되어 형성된다.
제 2 반도체층(140)은 P형 불순물이 도핑된 반도체층일 수 있으며, 그에 따라 활성층(130)에 홀을 공급할 수 있다. 이러한 제 2 반도체층(140)은 P형 불순물, 예를 들어 Mg가 도핑된 GaN층을 이용할 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물이 이용될 수 있고, 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있는데, 예를 들어 AlGaN, AlInGaN을 포함한 다양한 반도체 물질이 가능하다. 또한, 제 2 반도체층(140)은 단일막으로 형성할 수도 있고, 다층막으로 형성할 수도 있다. 한편, 제 2 반도체층(140)은 제 1 전극(170)이 형성될 영역이 제거되어 형성된다.
전류 차단층(150)은 제 2 반도체층(140) 상부의 소정 영역에 형성된다. 즉, 전류 차단층(150)은 제 2 전극(180)이 형성될 영역에 제 2 전극(180)의 형상을 따라 제 2 전극(180)보다 큰 면적으로 형성될 수 있다. 이러한 전류 차단층(150)은 제 2 전극(180)으로부터 제 2 반도체층(140)으로 전류가 직접 인가되지 못하도록 한다. 즉, 제 2 전극(180)으로부터 제 2 반도체층(140)으로 전류가 직접 인가되면 제 2 전극(180) 하측의 전류 밀도가 다른 영역보다 높아 균일한 발광이 어렵고, 제 2 전극(180) 하측에서 생성된 광은 제 2 전극(180)에 의해 반사되어 출력되지 못하여 광 손실이 발생될 수 있다. 따라서, 전류 차단층(150)을 형성하여 제 2 전극(180) 하측에서 광이 생성되지 못하도록 하여 균일한 발광 및 광 손실을 줄일 수 있다. 한편, 전류 차단층(150)은 SiO2 등의 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
투명 전극(160)은 전류 차단층(150)을 포함한 제 2 반도체층(140) 상부에 형성된다. 이러한 투명 전극(160)은 제 2 전극(180)을 통해 인가되는 전류가 제 2 반도체층(140)에 고르게 공급되도록 한다. 즉, 제 2 반도체층(140)은 수직으로 예컨데 수Ω의 저항을 갖고 수평으로 예컨데 수백㏀을 갖기 때문에 수평 방향으로는 전류가 흐르지 않고 수직 방향으로만 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제 2 반도체층(140)에 국부적으로 전원을 인가하게 되면 제 2 반도체층(140) 전체적으로 전류가 흐르지 않으므로 투명 전극(160)을 형성하여 제 2 반도체층(140)에 전체적으로 전류가 흐를 수 있도록 한다. 또한, 투명 전극(160)은 활성층(130)에서 발생된 광이 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극(160)은 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용하여 형성할 수 있다.
제 1 및 제 2 전극(170, 180)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(170, 180)은 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 제 1 전극(170)은 투명 전극(160), 제 2 반도체층(140) 및 활성층(130)의 소정 영역이 제거되어 노출된 제 1 반도체층(120) 상에 형성되어 제 1 반도체층(120)에 전원을 공급한다. 또한, 제 2 전극(180)은 투명 전극(160) 상부의 소정 영역에 형성되어 투명 전극(160)을 통해 제 2 반도체층(140)에 전원을 공급한다. 한편, 제 1 전극(170)은 예를 들어 사각형 형상의 발광 다이오드의 일 모서리 부근에 형성되고, 제 2 전극(180)은 제 1 전극(170)이 형성된 면과 대향되는 면에 접하여 중앙부에 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 제 1 및 제 2 전극(170, 180)의 형성 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 대면적 발광 다이오드의 경우 제 2 전극(180)이 국부적으로 형성되면 제 2 반도체층(140)으로 전류가 고르게 공급될 수 없으므로 제 2 전극(180)은 일 영역으로부터 외곽으로 확장되도록 예를 들어 "ㄷ"자 모양으로 형성될 수 있다.
산란층(190)은 투명 전극(150) 상부에 형성된다. 산란층(190)은 복수의 나노 입자(nano particle)로 이루어질 수 있다. 여기서, 산란층(190)의 표면이 소정의 굴곡을 갖도록 예를 들어 10㎚∼100㎚의 평균 입경을 갖는 나노 입자로 형성될 수 있다. 또한, 산란층(190)은 400Å∼1200Å의 두께로 형성될 수 있다. 즉, 산란층(190)은 예를 들어 10㎚∼100㎚ 사이즈의 나노 입자가 복수 적층되어 500Å∼1100Å의 두께로 형성될 수 있다. 이러한 산란층(190)은 동일 사이즈의 복수의 나노 입자에 의해 형성될 수 있다. 또한, 산란층(190)은 적어도 둘 이상의 다른 사이즈를 갖는 복수의 나노 입자에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 20㎚의 사이즈를 갖는 복수의 제 1 나노 입자와 50㎚의 사이즈를 갖는 복수의 제 2 나노 입자가 혼합된 나노 입자가 복수 적층되어 산란층(190)을 형성할 수 있다. 즉, 동일 층에 서로 다른 사이즈를 갖는 복수의 나노 입자가 형성되어 산란층(190)이 형성될 수 있다. 이러한 나노 입자층(190)을 형성하기 위해 예를 들어 스핀 코팅을 이용할 수 있는데, 소정의 용매에 소정 사이즈의 나노 입자를 분산시킨 후 이를 기판(110) 상에 스핀 코팅하여 형성할 수 있다. 이렇게 소정 사이즈의 나노 입자로 산란층(190)의 형성되면 투명 전극(160)을 통과하여 산란층(190)에 유입된 광이 산란층(190) 내에서 산란하다가 통과하여 외부로 방출된다. 따라서, 발광 다이오드의 내부 전반사에 의해 소실되는 광이 줄어들게 되고, 그에 따라 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 산란층(190)은 Ta2O5, TiO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Al2O3 등의 산화물을 이용하여 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드는 투명 전극(150) 상부에 복수의 나노 입자로 이루어진 산란층(190)을 형성함으로써 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 종래에는 발광 다이오드 내부에서 발생한 광이 외부로 방출될 때 투명 전극(150) 또는 패시베이션층과 공기와의 굴절률 차이로 인해 광이 방출될 수 있는 임계각이 감소하여 내부 전반사에 의해 광이 밖으로 빠져나오지 못하고 내부에서 소멸되어 광추출 효율이 낮아지게 된다. 그러나, 본 발명은 투명 전극(160) 상부에 복수의 나노 입자를 이용하여 산란층(190)을 형성하고, 발광 다이오드 내부에서 발생된 광이 산란층(190) 내에서 산란하다 외부로 방출되므로 내부에서 소멸되는 광을 줄일 수 있고, 그에 따라 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. [표 1]에는 산란층(190)의 두께에 따른 광도를 나타내었다. [표 1]에서 산란층(190)은 평균 입경이 30±10㎚인 나노 입자(SiO2)를 투명 전극 상부에 스핀 코팅 방식으로 형성하였고, 스핀 코팅의 횟수를 증가시켜 산란층의 두께를 증가시켰다. 또한, 에폭시 몰딩 후 동일 동작 전압을 인가하고 광도 적분구를 이용하여 광도를 측정하였다.
산란층의 두께(Å) 광도(%)
비교 예 0 100%
실시 예 1 400 100.50%
실시 예 2 600 101.70%
실시 예 3 900 100.80%
실시 예 4 1200 100.40%
실시 예 5 1400 100.10%
[표 1]에 나타낸 바와 산란층이 형성되지 않은 비교 예에 비해 산란층을 형성한 본 발명의 경우 광도를 향상시킬 수 있다. 즉, 산란층이 400Å∼1200Å의 두께로 형성하는 경우 비교 예에 비해 광도를 향상시킬 수 있다. 특히, 산란층이 600Å의 두께로 형성한 경우 1% 이상으로 광도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 산란층이 1400Å 이상으로 형성되는 경우 광 투과율이 감소하고 산란 효과의 감소로 인해 광도 개선 효과가 낮아지게 된다.
또한, 본 발명의 산란층(190)은 일층이 적어도 둘 이상의 사이즈를 갖는 복수의 나노 입자에 의해 형성되고 하층으로부터 상층으로 나노 입자의 사이즈가 작아지거나 커지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 층(191)은 100㎚의 평균 입경을 갖는 복수의 제 1 나노 입자에 의해 형성되고, 그 상부의 제 2 층(192)은 50㎚의 평균 입경을 갖는 복수의 제 2 나노 입자에 의해 형성되며, 그 상부의 제 3 층(193)은 20㎚의 평균 입경을 갖는 복수의 제 1 나노 입자에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 층 내지 제 3 층(191, 192, 193)은 각각 하나의 층일 수도 있으며, 복수의 층일 수도 있다. 이러한 나노 입자층(190)을 예를 들어 스핀 코팅을 이용하여 형성하기 위해 각 사이즈의 나노 입자를 복수의 용매에 각각 분산시켜 복수의 혼합물을 마련하고, 각각의 혼합물을 스핀 코팅하여 서로 다른 사이즈의 나노 입자를 복수 적층하여 나노 입자층(190)을 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명은 산화물 나노 입자(195)와 양자점(quantum dot)을 혼합하여 산란층(190)을 형성할 수도 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 산란층(190)은 산화물 나노 입자(195)와 양자점(196)이 혼합되어 형성될 수 있다. 여기서, 양자점(196)은 2㎚∼10㎚의 코어와, 이를 둘러싸도록 형성된 쉘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점(196)은 Ⅱ-Ⅳ, Ⅲ-Ⅴ 반도체 입자, 즉 CdSe, InP, CuInS2, PbS 및 CdTe로부터 선택된 어느 하나로 코어가 형성되고, ZnS, ZnSe 및 CdSe로부터 선택된 어느 하나로 쉘이 형성될 수 있다. 또한, 양자점(196)은 쉘의 외부가 무기물(SiO2), 고분자 등으로 코팅되어 10㎚∼15㎚의 사이즈를 갖는다. 따라서, 양자점(196)은 산화물 입자(195)보다 작거나 같은 사이즈로 마련될 수 있다. 양자점(196)이 형성됨으로써 발광 다이오드로부터 방출되는 광을 소정의 가시광선의 파장을 갖는 광으로 변화시킬 수 있다. 이때, 양자점(196)의 사이즈와 재료의 종류 등에 따라 원하는 가시광선 영역의 파장을 방출할 수 있다. 예를 들어, 양자점(196)의 사이즈가 작을수록 짧은 파장의 광을 방출할 수 있다. 이러한 양자점(196)은 형광체 대비 광 효율이 좋고, 입자 사이즈에 따라 다양한 색깔을 구현할 수 있기 때문에 형광체보다 적은 양을 사용하면서 자유롭게 다양한 색의 광을 생성할 수 있고, 더 밝은 화이트 광을 구현할 수 있다. 한편, 양자점(196)은 산화물 나노 입자(195)와 혼합되어 형성될 수도 있고, 일 층에 양자점(196)의 층이 형성되고 타층에 산화물 입자(195)의 층이 형성될 수도 있다. 예를 들어, 산화물 입자(195)의 층이 하측에 형성되고 그 상측에 양자점(196)의 층이 형성될 수도 있다.
도 4는 산란층을 형성하지 않은 종래의 발광 다이오드와 나노 입자 및 양자점을 혼합하여 산란층을 형성한 본 발명의 실시 예에 따른 발광 다이오드의 출력 스펙트럼을 도시한 도면이다. 종래 예는 산란층을 형성 않은 청색 광을 발광하는 다이오드를 이용하였고, 본 발명의 실시 예는 청색 광을 방출하는 발광 다이오드에 나노 입자와 적색 양자점을 혼합하여 산란층을 형성하였다. 도시된 바와 같이 종래의 발광 다이오드는 450㎚ 파장 영역의 청색 광을 방출한다(A). 그러나, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 450㎚ 파장 영역의 청색 광 뿐만 아니라 600㎚∼650㎚ 파장 영역의 적색 광을 방출한다(B). 따라서, 다양한 양자점을 나노 입자와 함께 산란층으로 형성함으로써 다양한 색의 광을 생성할 수 있고, 고색재현의 백색 구현이 가능하다.
한편, 본 발명의 상기 실시 예들은 산화물 나노 입자 등을 이용하여 나노 입자층의 산란층(190)을 형성하였으나, 산란층(190)은 상부가 소정의 표면 거칠기를 갖도록 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 즉, 산란층(190)은 하부면은 평탄하게 형성되고 상부면이 소정의 굴곡을 갖도록 형성될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 산화물층을 소정 두께로 형성한 후 소정의 이온을 이용한 이온 처리에 의해 산란층(190)의 표면을 굴곡 처리할 수 있다. 이때, 표면 굴곡 처리를 위한 이온으로는 Ar 이온을 이용할 수 있다. 이온 처리는 이온에 의한 화학적 반응뿐만 아니라 이온의 이온화 에너지를 이용한 물리적 반응을 이용한 처리를 포함한다. 물론, 이온 처리에 한정되지 않고, 연마, 식각 등과 같이 표면의 거칠기를 줄 수 있는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 산란층(190)이 소정의 거칠기로 형성되기 때문에 산란층(190) 내에서 광이 산란하다가 산란층(190)을 통과하여 외부로 방출될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 기판(110) 상에 제 1 반도체층(120)을 형성한다. 제 1 반도체층(120)은 예를 들어 N형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성할 수 있다. 이를 위해 예를 들어 갈륨 소오스로서 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa) 또는 트리에틸갈륨(triethylgallium;TEGa), 질소 소오스로서 암모니아(NH3), 그리고 N형 불순물로서 SiH4 또는 SiH6를 유입시켜 실리콘이 도핑된 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, N형 반도체층(120)으로 GaN 대신에 InN, AlN을 형성할 수 있는데, 이를 위해 갈륨 소오스 대신에 인듐 소오스와 알루미늄 소오스를 유입시킨다. 또한, N형 반도체층(120)으로 AlInGaN을 형성할 수 있는데, 이를 위해 갈륨 소오스, 인듐 소오스 및 알루미늄 소오스를 유입시킨다. 이러한 제 1 반도체층(120)은 예를 들어 600℃∼1200℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 예를 들어 1㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다. 한편, 제 1 반도체층(120)을 형성하기 이전에 기판(110) 상에 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있고, 기판(110) 상에 버퍼층 및 언도프트층(미도시)을 형성할 수 있다. 버퍼층은 AlGaN층으로 형성할 수 있는데, 이를 위해 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl)과 같은 알루미늄 소오스 가스와, 트리메틸갈륨 등의 갈륨 소오스 및 암모니아 등의 질소를 유입하고 400℃∼1200℃의 온도와, 10Torr∼760Torr의 압력하에서 10㎚∼1㎛ 두께로 형성할 수 있다. 또한, 언도프트층은 제 1 반도체층(120) 형성 이전에 실리콘 등의 불순물을 공급하지 않고 제 1 반도체층(120)과 동일 조건에서 형성할 수 있다.
이어서, 제 1 반도체층(120) 상에 활성층(130)을 형성한다. 활성층(130)은 양자 우물층과 장벽층이 교대로 반복 증착하여 형성할 수 있다. 양자 우물층은 InGaN층으로 형성할 수 있다. InGaN층을 형성하기 위해 예를 들어 트리메틸인듐(trimethylindium; TMIn) 또는 트리에틸인듐(triethylindium; TEIn) 등의 인듐 소오스와 TMGa 또는 TEGa 등의 갈륨 소오스, 그리고 암모니아(NH3) 등의 질소 소오스를 유입시킨다. 이렇게 양자 우물층을 형성하기 위해 이들 소오스 물질을 유입시키고 반응 챔버를 예를 들어 600℃∼800℃의 온도와 50Torr∼760Torr의 압력으로 유지하여 예를 들어 10Å∼100Å의 두께로 형성한다. 또한, 장벽층은 갈륨 소오스 및 질소 소오스를 이용하여 GaN층으로 형성할 수 있다. 즉, 인듐 소오스, 갈륨 소오스 및 질소 소오스를 공급하여 양자 우물층을 형성한 후 인듐 소오스의 공급을 중단하고 갈륨 소오스 및 질소 소오스의 공급을 유지하여 GaN층으로 장벽층을 형성한다. 또한, 소오스 물질을 유입하고 반응 챔버를 양자 우물층과 동일한 조건으로 유지하여 예를 들어 10Å∼400Å의 두께로 장벽층을 형성할 수 있다. 즉, 장벽층은 반응 챔버를 600℃∼800℃의 온도와 50Torr∼760Torr의 압력으로 유지하여 형성할 수 있다.
이어서, 활성층(130) 상에 제 2 반도체층(140)을 형성한다. 제 2 반도체층(140)은 예를 들어 P형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성한다. 이를 위해 갈륨 소오스 및 질소 소오스를 유입시키고, 예를 들어 마그네슘(Mg)을 P형 불순물로 도핑하기 위해 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp2Mg)을 유입시켜 P형 GaN층을 형성한다. 한편, P형 반도체층으로 GaN 대신에 InN, AlN등을 형성하기 위해서는 갈륨 소오스 대신에 인듐 소오스와 알루미늄 소오스를 유입시키고, AlInGaN을 형성하기 위해 갈륨 소오스, 인듐 소오스 및 알루미늄 소오스를 모두 유입시키면 된다. 이러한 제 2 반도체층(140)은 예를 들어 600℃∼1200℃의 온도와 10Torr∼760Torr의 압력에서 형성할 수 있으며, 1㎛∼10㎛ 두께로 형성할 수 있다.
이어서, 제 2 반도체층(140) 상에 실리콘 옥사이드 등의 절연층을 형성한 후 패터닝하여 전류 차단층(150)을 형성한다. 전류 차단층(150)은 제 2 전극(180)이 형성될 영역에 형성하며, 제 2 전극(180)보다 크거나 같은 크기로 형성할 수 있다. 또한, 전류 차단층(150)은 제 2 전극(180)과 동일 형상으로 형성될 수 있다.
이어서, 전류 차단층(150)을 포함한 제 2 반도체층(140) 상에 투명 전극(160)을 형성한다. 투명 전극(160)은 제 2 반도체층(140)과 접촉 형성되어 제 2 전극(180)을 통해 인가되는 전원을 제 2 반도체층(140)에 고르게 인가되도록 한다.이러한 투명 전극(160)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 이용하여 형성할 수 있다.
이어서, 사진 및 식각 공정을 실시하여 투명 전극(160), 제 2 반도체층(140) 및 활성층(130)을 패터닝하여 제 1 반도체층(120)의 일부 영역을 노출시킨 후 노출된 제 1 반도체층(120) 상부와 전류 차단층(150) 상부의 투명 전극(160) 상부에 제 1 및 제 2 전극(170, 180)을 각각 형성한다.
이어서, 투명 전극(160) 상부에 산란층(190)을 형성한다. 산란층(190)은 복수의 나노 입자를 투명 전극(160) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 복수의 나노 입자를 소정의 용매에 분산시킨 후 이를 스핀 코팅 방법으로 투명 전극(160) 상에 형성할 수 있다. 산란층(190)은 소정의 임계각을 갖도록 소정의 굴곡을 가지고 형성될 수 있다. 이를 위해 산란층(190)은 예를 들어 10㎚∼100㎚ 사이즈의 나노 입자로 형성될 수 있고, 400Å∼1200Å의 두께로 형성할 수 있다. 또한, 산란층(190)은 예를 들어 Ta2O5, TiO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Al2O3 등의 산화물을 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 나노 입자와 함께 양자점을 더 첨가하여 산란층(190)을 형성할 수 있다. 양자점이 더 포함됨으로써 양자점의 입자 크기 및 재료 등에 따라 원하는 파장의 광을 출력할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 기판 120 : 제 1 반도체층
130 : 활성층 140 : 제 2 반도체층
150 : 전류 차단층 160 : 투명 전극
170 및 180 : 제 1 및 제 2 전극
190 : 산란층

Claims (11)

  1. 기판 상에 적층 형성된 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층;
    상기 제 2 반도체층 상에 형성된 투명 전극;
    상기 제 1 반도체층 및 투명 전극 상의 소정 영역에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극; 및
    상기 투명 전극 상에 형성된 산란층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 전류 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 산란층은 복수의 나노 입자를 포함하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 산란층은 복수의 나노 입자가 적어도 2회 이상 코팅 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 산란층은 400Å 내지 1200Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 나노 입자는 10㎚ 내지 100㎚의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 산란층은 서로 다른 사이즈의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 산란층은 하측으로부터 상측으로 상기 나노 입자의 사이즈가 작아지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 나노 입자는 산화물 나노 입자를 포함하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 산화물 나노 입자는 Ta2O5, TiO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Al2O3 의 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 산란층은 상기 산화물 나노 입자와 양자점이 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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