KR20170075049A

KR20170075049A - 고효율 분산 브래그 반사층을 가지는 적외 발광 다이오드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170075049A
Application number: KR1020150183522A
Authority: KR
Inventors: 이형주; 소진수
Original assignee: 광전자 주식회사
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-07-03

Abstract

본 발명은 고효율의 분산 브래그 반사층을 가지는 적외 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적외선을 방출하는 다이오드의 하부에 고효율의 분산 브래그 반사층을 위치시켜 적외광을 반사시키는 적외 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고효율 분산 브래그 반사층을 가지는 적외 발광 다이오드 및 그 제조 방법{INFRARED EMITTING DIODE WITH A HIGH EFFICIENCY DBR REFLECTIVE LAYER AND MENUFACTURING METHOD THEREOF}

발광다이오드는 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자이다. 발광 색은 AlGaAs, GaAsP, InGaN, GaN, AlGaN, GaP, ZnSe, AlGaInP 등과 같은 사용되는 재료의 물리적 특성에 따라서 다르며, 자외선 영역에서, 가시광선, 적외선 영역에 이르기까지 특정 파장에 대해 발광하도록 제조할 수 있다.

발광다이오드는 일반적으로 고품질의 박막 성장을 가능하게 하는 금속유기화학증착(MOCVD) 시스템을 이용하여 제조된다. 발광다이오드는 기본적으로 n형 층(하부 제한층)과 p형 층(상부 제한층) 사이에 특정 파장을 위해 계산된 조성비를 갖는 도핑이 되지 않은 재료로 이루어진 고효율 활성층을 가진 구조를 갖는다.

발광다이오드는 작동을 위한 전압 인가를 위해 일반적으로 발광다이오드의 상부와 하부에 전극이 형성되어 있다. 이들 전극 사이에 순방향 바이어스가 인가되면 n형 층의 전자가 p형 층의 정공과 활성층에서 만나서 재결합하고 이때 특정 파장을 가진 광이 방출된다. 활성층으로부터 발생된 광이 실제로 발광다이오드의 외부로 완전히 빠져나왔을 때 발광다이오드의 광이 시각적으로 감지된다.

발광다이오드의 효율은 일반적으로 활성층의 방출 영역에 크게 좌우되지만, 실제 이런 방출 영역으로부터 나온 광의 절반은 상부(전면)이 아닌 빛을 흡수하는 하부(배면)으로 방출되어 효율이 크게 감소된다. 이러한 효율 감소 현상을 개선하기 위해 하부(배면)로 방출되어지는 광 들을 상부(전면)으로 반사시켜 발광다이오드의 효율을 높이고자 하는 시도들이 이루어져 왔다.

반사 방식은 반사 재료에 따라 금속 반사층과 DBR 반사층으로 구분된다.

금속 반사층은 반사 가능한 파장의 범위가 넓고 반사 효율이 좋다는 점에서 선호되지만, 금속 반사층이 형성된 캐리어 기판을 상부에 역순으로 다이오드가 성장된 희생 기판과 본딩한 후, 희생 기판을 제거하는 복잡한 방식을 사용해야 하며, 이로 인해 수율이 떨어지고, 제조 원가가 상승하는 문제가 있다. 대한민국 특허 공개 10-2011-25503호에서는, 도 6에서와 같이, 다이오드의 하부로 발광되는 적외광을 반사시키기 위해서, 다이오드 활성층과 캐리어 기판 사이에 금속 반사층은 형성하는 방안을 개시하고 있다. 반사층은 일예로 Ag, Au, Pt 또는 Al 및/또는 상기 금속들 중 적어도 2개의 합금으로 만들어질 수 있으며, 상이한 금속들 또는 합금으로 이루어진 다수의 층을 포함하는 다중층 시퀀스로도 형성될 수 있다.

DBR 반사층은 기판상에 곧바로 성장이 가능하여 제조가 용이하고, 가격이 저렴하지만, 특정 파장의 범위만을 반사시킬 수 있으며, 또한, 반사율이 낮다는 문제가 있다.

따라서, 특정 파장에서 금속보다 반사효율이 높은 새로운 DBR에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 특정 적외선 파장을 고효율로 반사할 수 있는 새로운 DBR 반사층을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 특정 적외선 파장을 고효율로 반사할 수 있는 새로운 DBR 반사층을 포함하는 적외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 발광다이오드와 기판사이에 850nm 파장에 최적화된 AlGaAs 기반 분산브래그반사층을 적용하여 보다 우수한 고효율 850nm 발광다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 850nm 중심파장에 관해 보다 높은 반사율과 보다 넓은 폭을 가진 Al1-xGaxAs/AlxGa1-xAs 분산브래그반사층을 이용하여 발광다이오드의 효율을 향상시키는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 적외선 반사용 DBR 반사층이 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs로 이루어지며, 여기서, x는 0<x≤0.20인 것을 특징으로 한다.

일 측면에서, 본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs로 이루어지며, 여기서, 상기 x는 0<x≤0.20인 DBR 반사층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 측면에서, 본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 다이오드와 기판 사이에 AlGaAs 분산브래그 반사층을 가지는 것을 특징으로 한다.

일 측면에서, 본 발명에 따른 DBR은 적외선 발광다이오드 및 기판에서 사용되는 물질들과 격자상수가 일치하여 결함이 적고, GaInP 및 AlInP과 같은 다른 물질보다 850nm 영역에서 높은 반사율을 구현하여 850nm 적외선 발광다이오드의 효율을 크게 증대시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선은 CCTV, 리모트 컨트롤, 포토 커플러, 자동문, 및 적외선 통신(IrDAs) 등에 사용되는 850 nm 파장 적외선이다.

본 발명에 있어서, 850nm 파장 적외선이라 함은 중심 파장이 850 nm 근방에 위치하는 적외선을 의미하는 것으로서, 850 nm 근방이라 함은 850±10 nm로 이해될 수 있다.

본 발명에 있어서, 중심 인접 파장이라 함은 중심파장으로부터 ± 50 nm, 보다 정확하게는 ±40 nm 범위의 파장으로 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 있어서, 'Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs'는 Al₁ _- _xGa_xAs와 Al_xGa₁ _- _xAs가 교대로 적층된 것을 의미한다. 상기 적층은 다양한 방식으로 이루어질 수 있지만, 본 발명에서는 MOCVD 방식으로 활성층을 적층하므로, 제조 과정에서 적층 방식을 변경할 필요가 없도록 MOCVD 방식을 이용하여 적층하는 것으로 이해된다.

본 발명에 있어서, 상기 x는 Al가 GaAs에서 방출되는 자외선이 중심 파장보다 짧은 파장 영역에서 흡수되는 것을 방지할 수 있도록 0 보다 커야 하며, Al의 사용에 의해서 반사 효율이 80% 미만으로 저하되는 것을 방지할 수 있도록 0.2 이하이어야 한다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 x는 각 층이 공정상 균일한 조성의 층을 가질 수 있도록 0.05 이상인 것이 바람직하며, 18~20쌍으로 적층 시 90 %이상의 높은 반사 효율을 가질 수 있도록, 0.15 이하인 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 중심 파장으로부터 약 ±30 nm 범위에 이르는 넓은 범위에서 90% 이상의 높은 반사율을 가질 수 있도록, 0.08~0.12, 가장 바람직하게는 95% 이상의 높은 반사율을 가질 수 있도록 0.1 인 것이 좋다.

본 발명에 있어서, 상기 반사층은 광이 투과하지 못하고 반사될 수 있도록, Al_1-xGa_xAs와 Al_xGa₁ _- _xAs가 10쌍 이상, 바람직하게는 Al₁ _- _xGa_xAs와 Al_xGa₁ _- _xAs가 15쌍 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있도록, Al₁ _- _xGa_xAs와 Al_xGa₁ _-xAs가 18~20쌍 적층되는 것이 좋다. 반사층의 적층수가 20쌍을 초과할 수 있으나, 이 경우, 다이오드에 인가되는 전압이 높아지는 경향이 있으며, 다른 전자 소자와의 상용성이 낮아질 우려가 있다.

본 발명에 있어서, 상기 반사층을 이루는 각 층의 두께는 50~100 nm이며, 바람직하게는 60~70 nm이다.

본 발명에 있어서, 상기 반사층은 발광다이오드와 기판사이에 성장 및 삽입되는 반사층일 수 있으며, 이러한 반사층은 발광다이오드에서 방출되어 기판으로 주입 흡수되는 광 들을 효과적으로 상부 나 측면으로 재 방출하여 결국 적외선 발광다이오드의 효율을 크게 증대시키게 된다. 이러한 반사층으로 사용되는 물질들은 발광다이오드와 기판 사이에 수십나노 두께로 여러 번 적층 성장됨으로, 반드시 발광다이오드 및 기판과 격자상수가 일치하거나 발광다이오드 특성에 영향을 주지 않을 정도로 거의(약 <3 %이내) 일치한다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선 발광 다이오드는 중심 파장이 850 nm인 적외선 발광 다이오드이다. 850nm 적외선 발광 다이오드는 고품질 성장이 가능한 MOCVD를 이용하여 제조되며, 다이오드의 구조는 n형 AlxGa1-xAs 물질과 p형 AlxGa1-xAs 물질 중간에 850nm 중심파장의 도핑이 되지 않은 GaAs 활성층을 가진다. 여기서, 활성층, n형 층, 그리고 p형 층은 상대적으로 높은 저항을 가짐으로 범용으로 사용되는 발광다이오드를 고려 시 대부분 1um 이하의 두께들로 (총 두께 < 3um) 성장된다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선 발광 다이오드는 하부 기판으로 흡수되는 광을 상부 방향으로 반사시킬 수 있도록, 하부 기판과 활성층 사이에 DBR 반사층을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 DBR 반사층은 중심 파장이 850 nm인 적외선을 90% 이상의 고효율로 반사할 수 있으며, 최대 반사율이 유지되는 폭이 넓어서 중심 파장과 함께 유입되는 중심 인접 파장의 광을 효과적으로 반사할 수 있다.

본 발명에 따른 DBR 반사층은 하부 기판에 MOCVD로 성장시킬 수 있으며, DBR 위에 적외선 방출층들을 MOCVD로 성장시킬 수 있어, 생산 공정이 단순하다.

도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제작된 850nm 적외선 발광다이오드와 적용된 Al1-xGaxAs 기반 분산 브래그 반사층(DBR)의 단면도이다.
도 2는 다양한 소재로 구성된 10쌍 적층된 DBR의 반사스펙트럼 도면이다.
도 3은 GaAs/AlAs로 이루어진 10쌍 적층된 DBR과 본 발명에 따른 10쌍 적층된 DBR에 대한 반사스펙트럼 도면이다.
도 4는 GaAs/AlAs로 이루어진 20쌍 적층된 DBR과 본 발명에 따른 20쌍 적층된 DBR에 대한 반사스펙트럼 도면이다.
도 5는 본 발명에 개발된 분산브래그반사(DBR)들과 다른 DBR들이 850nm 적외선 발광다이오드에 대한 광학적 특성을 보여준다.
도 6는 종래 발광 다이오드의 단면도이다.

본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 하기 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.

도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제작된 850nm 적외선 발광다이오드와 적용된 Al1-xGaxAs 기반 분산브래그반사층(distributed Bragg reflector) 구조를 간략하게 도식화 한 것이다.

850nm 적외선 발광다오드는 n형 GaAs 하부기판(8); 상기 하부기판(8) 위에 성장되어 활성층으로부터 하부로 방출되는 빛을 반사하는 n형 DBR 층(7); 상기 BDR층(7)이 성장된 후, 차례로 성장된 n형 제한층(6), 활성층(5), 및 p형 제한층(4) 을 가진다. p형 제한층(4)의 상부에는 Al₀ _. ₄Ga₀ _. ₆AS 윈도우 층(3)이 적외선 발광다이오드의 전류 확산 효과와 상부 측면 방출 콘 영역 확대 효과를 위해 약 5um 이상의 두께로 성장되었다. 분산브래그 반사층은 20층이며, 단일층을 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs로 형태로 이루어져 성장되었다. 상부 전극(1)과 하부 전극(9)은 각각 AuBe 과 AuGe 물질을 각각 사용하였다.

Al_xGa₁ _- _xAs 및 Al₁ _- _xGa_xAs 층들은 [0-1-1]± 0.5°로 10°틸트된 n-타입 GaAs기판에서 금속 유기 화학 증착(MOCVD) 방식을 통해서 성장되었다. GaAs(10) 기판은 Al_xGa_1-xAs 및 Al₁ _- _xGa_xAs 물질들과 격자(lattice)가 일치되었다. 트리메틸갈륨(trimethylgallium (TMGa)), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum (TMAl)), 및 트리메틸인듐(trimethylindium (TMIn))이 그룹 Ⅲ의 소스로 사용되었으며, 아르신(arsine(AsH₃)) 및 포스핀(phosphine(PH₃))이 그룹 V 소스로 사용되었으며, 다이 실란(Si₂H₆) 가스와 사이클로펜타디에닐마그네슘(cyclo-peantadienylmagnesium (Cp₂Mg))이 각각 n- 과 p-도핑원으로 사용되었다. 수소(H₂)는 모든 소스의 캐리어 가스로 사용되었다.

n- 및 p- 도핑된 Al₀ _. ₃Ga₀ _. ₇As 물질이 n- 및 p-제한층으로 각각 사용되었으며, 활성영역은 각각이 12 nm 두께의 GaAs 우물과 16 nm 두께의 Al₀ _. ₂Ga₀ _. ₈As 배리어로 이루어진 20 쌍의 MQW로 이루어진다. 6 ㎛ 두께의 Al₀ _. ₄Ga₀ _. ₆As 윈도우층이 전류 확산 효과를 향상시키기 위해서 사용되었다. DBR의 반사 스펙트럼은 600 nm에서 1100 nm의 파장을 포함하는 입사광에 기초하여 측정되었다. 개발된 850 nm GaAs Ir-LEDs 의 광학 및 전기적 특성은 적분구 측정기에 의해서 측정되었다.

DBR을 이루는 층들은 하기 식(11)과 (12)을 이용하여 제조되었으며,

h _H = (λ₀/4)/(n _H cosθ _H ) --(11)

h _L = (λ₀/4)/(n _L cosθ _L ) --(12)

여기서, h _H 와 h _L 는 층들의 두께이며, n _H 와 n _L 는 두 물질의 굴절률이며, λ₀는 중심 파장이며, θ _H 와 θ _L 는 각 층의 입사각이며, 입사각은 보통 0이다.

Al_xGa₁ _- _xAs/Al₁ _- _xGa_xAs DBR에서, 각 두께는 Al에 대한 Ga의 비율(x)에 의해서 얻어진 굴절율 사이의 차이를 이용하여 제어되었다.

비교를 위해서, AlInP/GaInP, AlAs/GaInP, 및 AlAs/GaAs 쌍으로 이루어진 DBRs들을 제조하여 반사특성을 측정하였다. 각 물질의 굴절율은 AlAs (2.97), GaAs (3.54), AlInP (3.35), 그리고 GaInP (3.80)이었다. 이들 DBR들은 850 nm Ir-LED와 GaAs 기판 사이에 위치되도록 삽입되었다.

하기 표 1은 상이한 굴절율을 가지는 물질을 이용하여 제조된 DBR의 h _H 와 h _L 두께를 보여준다.

[표 1]

도 2는 비교를 위해서 제조된 분산 브래그 반사층들에 대한 반사스펙트럼을 보여주고 있다. 분산브래그 특징상 굴절률의 차이가 크도록 굴절율이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질을 교대로 적층하였으며, GaAs/AlAs, GaInP/AlInP, 그리고 GaInP/AlAs 로 약 10층으로 제작되었다. 모든 물질은 발광다이오드 및 기판과 격자상수가 거의 일치하는 특징을 가진다. 도 2의 반사 스텍트럼에서 확인되는 바와 같이, GaInP/AlInP DBR 와 GaInP/AlAs DBR는 850nm 중심파장에서 각각 약 54% 와 약 59% 의 상당히 낮은 반사율을 나타내고 있음이 확인되었다. 반면 GaAs/AlAs DBR은 850nm 중심파장에서 약 94%의 높은 반사율을 보이고 있으며, 이러한 값은 다른 DBR 들에 비해 약 2배에 가까운 높은 반사율이다.

도 3 및 도 4에서는, 본 발명에서 제조된 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs DBR을 도 2에서 확인된 바와 같이, 가장 좋은 반사 효율을 보이는 GaAs/AlAs DBR와 비교한 것이다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 적층 개수가 10쌍인 경우에는 GaAs/AlAs층이 가장 좋은 반사 효율을 나타내었다. 그러나 적층 개수를 20쌍으로 향상시킬 경우, 도 4에서 도시된 바와 같이, GaAs/AlAs DBR 반사 층은 스펙트럼에서는 일부 왜곡이 일어나는데, 이러한 왜곡은 중심파장을 기준으로 짧은 파장에서 급격하게 일어나고 있어, 실제 적외선 LED 방출 광을 일부 반사시키지 못하는 현상을 초래한다. 또한, x값이 0.2인 스펙트럼은 80%의 반사율을 보이지만, 반사 폭이 상대적으로 좁음을 알 수 있다. x값이 0.9인 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs DBR은 850nm 상에서 높은 반사율과 안정적인 폭을 보유하고 있어, 850nm 적외선 발광다이오드에 가장 효과적인 반사층임이 확인되었다.

도 5는 본 발명에 따른 분산브래그반사(DBR)들이 적용된 850nm 적외선 발광다이오드에 대한 광학적 특성을 보여준다. DBR은 각각 GaInP/AlInP, GaInP/AlAs, Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.8Ga_0.2As, Al₀ _. ₁Ga₀ _. ₉As/Al₀ _. ₉Ga₀ _. ₁As, 그리고 GaAs/AlAs (x=1) 이며, 모두 동일하게 20층으로 적층되어 제작되었다. 개발된 적외선 발광다이오드는 약 60mA 까지 인가되는 전류 값 하에서 전류-전압(I-V) 및 전류-광 (I-L) 값들이 측정되었다. 도 4에서 확인시, GaInP/AlInP 와 GaInP/AlAs 는 60mA 에서 약 4.8~4.9mW 의 거의 동일한 광 효율을 보이고 있는 반면, Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs 로 이루어진 DBR들은 60mA 상에서 약 5.7~8.4의 상대적으로 높은 수치를 보이고 있다. 특히, x 값이 0.9 인 Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs을 가지는 발광다이오드 경우, x 값이 1인 발광다이오드보다 30% 나 높은 광효율을 가지고 있음이 확인되었다. 도 5의 모든 발광다이오드 효율은 상기 도면 2~3에서 언급된 반사율 스펙트럼 결과들과 거의 일치하는 결과를 보여주고 있음이 확인되었다.

1: 상부 전극
2 : 윈도우층
3 : p 제한층
4 : 활성층
5 : n 제한층
6 : DBR
7 : 기판
8 : 하부 전극

Claims

Al₁ _- _xGa_xAs/Al_xGa₁ _- _xAs이 교대로 적층되고, 여기서, x는 0<x≤0.20인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항에 있어서, 상기 DBR은 18~20쌍인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항에 있어서, 상기 각 층은 50~100 nm 두께인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항에 있어서, 상기 x는 0.05≤x≤0.15인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항에 있어서, 상기 x는 0.1인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선은 중심 파장이 850nm인 것을 특징으로 하는 적외선 반사용 DBR.
제1항 내지 제5 중 어느 한 항에 따른 적외선 반사용 DBR을 포함하는 것을 특징으로 적외선 발광 다이오드.
제7항에 있어서, 상기 적외선 발광 다이오드는 850nm 중심 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 반사층은 기판 위에서 MOCVD로 성장된 기판인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 다이오드는 GaAs 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 적외서 발광 다이오드.