KR20190099620A - 나노 입자를 이용한 고효율 led - Google Patents

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노범래
정소애
연규재
권준성
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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되고, n형 반도체 층, 활성층 및 p형 반도체 층이 적층된 반도체 층, 상기 n형 반도체 층에 형성된 n 형 전극과 상기 p형 반도체 층에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 반도체 층과 p형 전극 사이에 형성된 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극을 포함하는 나노 입자를 이용한 고효율 LED 관한 것이다.
본 발명에 따르면, p형 반도체 상에 형성되는 반사전극을 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극으로 형성함으로써, 오믹 접촉형성을 촉진하고, 반사전극의 최적화를 구현하여 LED의 발광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

나노 입자를 이용한 고효율 LED{HIGH EFFICIENCY LED USING NANO PARTICLE}
본 발명은 나노 입자를 이용한 고효율 LED에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 p형 반도체 상에 형성되는 반사전극을 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극으로 형성함으로써, 오믹 접촉형성을 촉진하고, 반사전극의 최적화를 구현하여 LED의 발광효율을 향상시킨 나노 입자를 이용한 고효율 LED에 관한 것이다.
최근 새로운 영상매체의 발전과 함께 Photonic emitters로서 발광다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 소형, 저소비전력, 고신뢰성 등의 장점으로 인하여 표시용 광원으로서 널리 이용되고 있다. 더욱이, LED는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
실용화되어 있는 LED의 재료로서 AlGaAs, GaAlp, GaP, InGaAlP등의 5족원소로 As, P를 사용한 3-5족 화합물 반도체가 적색, 황색, 녹색 발광용으로서 이용되고, 특히 녹색, 청색용으로서 이용되는 GaN계 화합물 반도체는 전광판, 조명 장치 등 각종 제품에 적용되고 있다. 또한, 조명, 화학 및 생물학적 및 생물학적 제제 검출, 살균 및 의학적 용도를 포함하는 다양한 응용 분야에서도 LED의 활용도와 수요는 증가하고 있다.
이와 같은 일반적인 질화 갈륨계 LED는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 n형 반도체층 및 p형 반도체층 각각에 형성되는 n형 전극과 p형 전극으로 이루어진다. 따라서, 양공(positive hole)을 제공하는 p형 반도체와 전자(electron)를 제공하는 n형 반도체의 순방향 접합으로 이루어진다.
그러나, Ⅲ-Nitride-based Photonic emitters 류의 LED는 Total Internal Reflection과 Internal absorption 때문에 발광 효율이 저조한 문제점이 있고, UV-emitters류의 LED는 p-AlGaN 층에서 넓은 밴드 갭 및 UV 광 흡수 문제와 Mg의 높은 이온화 에너지로 인하여 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1718937호(등록일: 2017.03.16) 한국등록특허 제10-1627365호(등록일: 2016.05.30)
본 발명의 목적은, p형 반도체 상에 형성되는 반사전극을 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극으로 형성함으로써, 오믹 접촉형성을 촉진하고, 반사전극의 최적화를 구현하여 LED의 발광효율을 향상시킨 나노 입자를 이용한 고효율 LED를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 기판, 상기 기판상에 형성되고, n형 반도체 층, 활성층 및 p형 반도체 층이 적층된 반도체 층, 상기 n형 반도체 층에 형성된 n 형 전극과 상기 p형 반도체 층에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 반도체 층과 p형 전극 사이에 형성된 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 금속 패턴은 로드 패턴(Rod pattern) 또는 홀 패턴(hole pattern) 형태로 이루어질 수 있다.
상기 홀 패턴(hole pattern)의 직경 크기는 6 내지 10 μm일 수 있다.
상기 홀 패턴(hole pattern)의 각 홀들 사이의 간격 피치는 20 내지 30 μm이고, 깊이는 70 내지 80 μm일 수 있다.
상기 금속 패턴은 알루미늄(Al) 금속 패턴일 수 있다.
상기 금속 산화물 나노 입자는 ITO(Indium-Tin-Oxide)일 수 있다.
상기 금속 산화물 나노 입자의 입경 크기는 12 내지 18nm일 수 있다.
본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 p형 반도체 상에 형성되는 반사전극을 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극으로 형성함으로써, 오믹 접촉형성을 촉진하고, 반사전극의 최적화를 구현하여 LED의 발광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 에미터 형 LED의 특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 에미터 형 LED의 내부구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 금속 패턴의 특성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 금속 패턴의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED를 실험하기 위한 장비들의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 로드 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 로드 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 홀 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 홀 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하다.
도 1에는 에미터 형 LED의 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 에미터 형 LED의 내부구조를 나타낸 도면이 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 금속 패턴의 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 금속 패턴의 내부 구조를 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 제조 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED를 실험하기 위한 장비들의 모습을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있으며, 도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 로드 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 알루미늄 금속 로드 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 홀 패턴을 포함하는 반사전극의 제1 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있으며, 도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED 의 알루미늄 금속 홀 패턴을 포함하는 반사전극의 제2 특성을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 기판, 상기 기판상에 형성되고, n형 반도체 층, 활성층 및 p형 반도체 층이 적층된 반도체 층, 상기 n형 반도체 층에 형성된 n 형 전극과 상기 p형 반도체 층에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 반도체 층과 p형 전극 사이에 형성된 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 UV 영역에서의 높은 반사도로 반사전극으로 사용하기에 적합한 금속 재질의 반사전극을 p형 반도체 층 상에 형성하되, 낮은 일함수로 인해 P형 반도체 층과의 오믹접족 형성에 어려움이 있는 금속 전극의 단점을 극복할 수 있도록, 금속산화물 나노 입자를 반사전극에 포함시킴으로써, 오믹 접촉형성을 촉진하고, 반사전극의 최적화를 구현하여 LED의 발광효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있습니다.
상기 금속 패턴은 예를 들어, 로드 패턴(Rod pattern) 또는 홀 패턴(hole pattern) 형태로 이루어진 금속 패턴으로 이루어질 수 있다. 이러한 금속 패턴은 LED 칩 내부 전반사를 줄이고, 난반사를 통해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 형성하기 용이한 장점이 있다.
상기 금속 패턴 중 홀 패턴(hole pattern)의 직경 크기는 6 내지 10 μm인 것으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 홀 패턴(hole pattern)의 각 홀들 사이의 간격 피치는 20 내지 30 μm이고, 깊이는 70 내지 80 μm인 것으로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 상기 금속 패턴은 다른 물질에 비하여 UV 영역에서의 높은 반사도를 나타내어 반사전극으로 사용하기에 적합한 알루미늄(Al) 금속 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 금속 산화물 나노 입자는 ITO(Indium-Tin-Oxide) 나노 입자로서 예를 들어 12 내지 18nm의 입경 크기를 갖는 것으로 형성될 수 있다.
UV 에미터형 LED는 응용산업으로 인해 수요가 늘어나고 있으나 낮은 효율로 인해 광 효율 향상을 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 발명은 고효율 UV 에미터형 LED의 구현을 위해 ITO 나노입자와 패터닝을 이용한 플립칩 구조의 에미터를 적용하였다.
구체적으로, 15nm의 ITO 나노 입자를 적용한 반사전극에서 365nm 파장기준 77%이상의 고 반사도와 7.9 × 10-4 Ωcm2 이라는 낮은 오믹접촉저항 특성을 확보함으로써 Al 기반 반사전극의 최적화를 구현할 수 있다.
또한, 8 μm 홀패턴과 ITO/Al 반사전극을 모두 적용한 에미터가 가장 고효율의 UV 에미터로 구현되었으며, 단일 Al 반사전극 만을 적용한 에미터 대비 상당한 효율향상을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이하 도면의 개시 내용을 중심으로 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED를 검토하면 다음과 같다.
도 1에서 에미터는 전기적 에너지를 빛, 전자, 이온 등으로 방출하는 에너지 변환소자로 그 중에서도 포토닉 UV 에미터는 자외선의 빛을 방출하는 소자를 의미한다. 이러한 UV 에미터는 친환경성, 적은유지비용, 소형화를 바탕으로 빠르게 수은램프를 대체하고 있다. 또한, 조명 산업외에도 경화, 살균, 위폐감별 등 응용분야의 확산으로 수요가 증가하고 있습니다. 그러나, 질화물 반도체 기반 UV 에미터의 경우 내부전반사와 넓은 밴드갭으로 인해 광 효율이 좋지 못하다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 고효율 UV 에미터의 구현을 위해 예를 들어, 3가지 관점에서 접근할 수 있다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 에미터의 구조 관점에서 고효율 UV 에미터의 구현을 고려해볼 수 있다. 일반적으로 주로 사용되는 수평형 구조의 에미터 경우 전극구조로 인해 전류뭉침 현상과 광의 흡수가 발생하여 광 추출 효율의 저하가 나타나므로, 고효율 에미터를 구현하기엔 적합하지 않은 구조이다. 따라서, 상기 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 수평형 구조를 뒤집어 놓은 구조인 플립칩 구조에 적용될 수 있다.
이러한 플립칩 구조의 에미터에서 P형 GaN와 리드프레임 사이에 금속재질 반사전극의 사용함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있고 높은 방열특성이 나타나도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED는 고효율 에미터의 구조로 적합한 플립칩 구조에 적용될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 플립칩 구조에 적용되는 P형 반사전극은 해당 파장에서의 높은 반사도와 낮은 오믹 접촉저항이 요구된다.
이와 관련하여, 다른 물질에 비하여 UV 영역에서의 높은 반사도로 반사전극으로 사용하기에 적합한 Al의 경우 낮은 일함수로 인해 P형 GaN와의 오믹접족 형성에 어려움이 있다.
따라서, 전극과 반도체층 사이에 나노 입자를 형성하여 SBH를 낮춤으로써, 반사전극의 오믹 특성을 개선하였다. 구체적으로, 금속 나노 입자에 비해 광학적 특성이 우수하고 오믹 접촉형성에 유리한 ITO 나노 입자를 사이즈 별로 적용하여 반사전극의 최적화를 진행하였다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 패터닝을 통해 에미터 내부 전반사를 줄이고 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 패터닝 이외의 방법으로는 구조물 형성, 굴절률 변화, 표면 요철 형성, pattern된 사파이어 기판, 광 결정 기술, 반사방지막 구조 등이 있다. 이 중 상대적으로 적용이 쉽고 효과적인 Surface Texturing을 적용하여 Rod pattern과 hole patter을 형성하였다. 에미터의 구조가 플립칩 구조의 에미터인 경우, PSS처럼 GaN와 반사전극 사이에 난반사를 일으켜 광 추출 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 다음과 같은 세 가지 에미터 제작을 통해 본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 고효율 LED의 성능을 측정하고 최적 구성을 도출할 수 있다. 먼저 ITO 나노 입자를 적용한 Al 기반 반사전극의 최적화를 진행하였다. 또한, 최적화된 Al 기반 반사전극은 Rod pattern과 hole pattern을 각각 추가 적용하여 고효율 UV 에미터의 구성을 도출할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같은 FAB 공정장비를 이용하여 UV 에미터를 제작하고 분석장비를 이용하여 UV에미터의 표면적, 구조적, 전기적, 광학적 특성 분석을 진행하였다.
도 7에 도시된 바와 같이 증착과 열처리를 통해 5, 10, 15 nm 사이즈의 ITO 나노 입자를 적용한 Al 기반 반사전극을 형성시키고 반사도와 오믹접족저항 분석 진행하였다. 그 결과 15nm의 ITO 나노입자를 적용한 반사전극에서 365nm 파장기준 77%이상의 고 반사도와 7.9 × 10-4 Ωcm2 이라는 낮은 오믹접촉저항 특성을 확보함으로써 최적화 할 수 있었다.
또한, 이를 도 8에 도시된 바와 같이, 에미터에 적용하여 I-V 커브와 L-I 커브를 분석한 결과 ITO의 사이즈가 15 nm까지 커질수록 오믹접촉특성의 향상으로 순방향전압특성과 전류퍼짐 특성이 좋아짐을 보였고 output power 또한 단일 Al 반사전극만을 적용한 에미터 대비 72%의 향상을 보임을 확인할 수 있었다.
앞서 최적화한 ITO/Al 반사전극에 rod pattern을 적용한 에미터는 도 9에 도시된 바와 같이, 15 μm의 직경 35 μm의 피치를 갖는 rod pattern을 각각 80nm와 240nm 깊이만큼 식각한 후 공정을 통해 제작하였다.
이 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 I-V 커브 분석결과 rod pattern을 적용한 에미터에서 순방향 전압의 상승과 누설전류가 관찰되었으며 발광이 잘되지 않는 문제가 발생하였다. 이는 식각으로 인한 결함발생과 상대적으로 넓은 면적의 P형 GaN의 감소로 인해 발생한 결과로 판단될 수 있다.
ITO/Al 반사전극과 hole pattern을 적용한 에미터는 도 11에 도시된 바와 같이, 각각 4, 6, 8, 10 μm의 직경과 25 μm의 피지를 갖는 hole pattern을 75nm 만큼 식각한 후 공정을 통해 다음과 같이 제작되었다.
이러한 ITO/Al 반사전극과 hole pattern을 적용한 에미터는 도 12에 도시된 바와 같이, I-V 커브 결과 홀 패턴 식각으로 인한 약간의 결함으로 약간의 순방향 전압상승과 누설전류가 발생하였다. 그러나, 광 추출 효율의 향상으로 ITO/Al 반사전극과 홀패턴을 모두 적용한 UV에미터의 경우 단일 Al 반사전극만을 적용한 UV에미터에 보다 상당히 효율이 향상되었음을 확인하였다.
또한, 8 μm 홀패턴과 ITO/Al 반사전극을 모두 적용한 에미터에서 가장 고효율의 UV 에미터를 구현할 수 있었으며 ITO/Al 반사전극 만을 적용한 에미터에 비해서도 45 %의 광 효율의 향상이 나타난 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되고, n형 반도체 층, 활성층 및 p형 반도체 층이 적층된 반도체 층;
    상기 n형 반도체 층에 형성된 n 형 전극과 상기 p형 반도체 층에 형성된 p형 전극; 및
    상기 p형 반도체 층과 p형 전극 사이에 형성된 금속 패턴과 금속 산화물 나노 입자를 포함하는 반사전극;
    을 포함하는 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 로드 패턴(Rod pattern) 또는 홀 패턴(hole pattern) 형태로 이루어진 금속 패턴인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홀 패턴(hole pattern)의 직경 크기는 6 내지 10 μm인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 홀 패턴(hole pattern)의 각 홀들 사이의 간격 피치는 20 내지 30 μm이고, 깊이는 70 내지 80 μm인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 알루미늄(Al) 금속 패턴인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노 입자는 ITO(Indium-Tin-Oxide)인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노 입자의 입경 크기는 12 내지 18nm인 나노 입자를 이용한 고효율 LED.
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