WO2012005459A2 - Mgo피라미드 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Mgo피라미드 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • Light emitting device having M g O pyramid structure and manufacturing method thereof
  • the present invention relates to a technique for improving light output of a gallium nitride-based vertical light emitting diode, and more specifically, a gallium nitride-based vertical type having an improved light output by including a refractive index control layer and an MgO pyramid structure on an n-type semiconductor layer.
  • a light emitting diode and a method of manufacturing the same are also known as a gallium nitride-based vertical type having an improved light output by including a refractive index control layer and an MgO pyramid structure on an n-type semiconductor layer.
  • White light source gallium nitride-based light emitting diodes have a variety of types because they have high energy conversion efficiency, long life, high light directivity, low voltage driving, no preheating time and complicated driving circuit, and strong against shock and vibration. It is expected to be a solid-state lighting source that can replace the existing light sources such as incandescent lamps, fluorescent lamps and mercury lamps in the near future. However, in order for the gallium nitride-based light emitting diode to be used as a white light source to replace the existing mercury bulb or fluorescent lamp, it must not only have excellent thermal stability but also be able to emit high power at low power consumption.
  • Horizontal gallium nitride-based light emitting diodes which are widely used as white light sources, have the advantages of low manufacturing cost and simple manufacturing process, but they have the original defect of being inadequate to be used as a high power light source with high applied current and large area. have.
  • a vertical structure light emitting diode is a device that overcomes the disadvantages of such a horizontal structure light emitting diode and is easy to apply a large area high power light emitting diode.
  • Vertical structure light emitting diodes have several advantages over conventional horizontal structure elements. Specifically, in the vertical light emitting diode, the current spreading resistance is small, so that a very uniform current spreading can be obtained, resulting in a lower operating voltage and a large light output, and smooth heat dissipation through a metal or semiconductor substrate having good thermal conductivity. This allows longer device life and significantly improved high power operation.
  • the maximum applied current is increased by 3-4 times more than the horizontal light emitting diode, so it is very likely to be used as a white light source for lighting.
  • many companies have commercialized and improved the performance of vertical light emitting diodes. Active research and development is underway for some companies, and some companies are already selling related products.
  • n-type semiconductor layer on the top of the device.
  • total reflection at the air / semiconductor layer interface A lot of the light generated in the active layer High light output cannot be expected because it cannot escape to the outside. Therefore, it is necessary to artificially deform the surface of the semiconductor layer to prevent total reflection from occurring so that the light can escape to the outside with minimal loss.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a method of manufacturing a light emitting device which can be applied without excessively altering the manufacturing process of a conventional gallium nitride-based light emitting diode, and the conventional gallium nitride-based III-V compound semiconductor light emitting
  • An object of the present invention is to provide a light emitting device in which the light output of the light emitting diode is increased as compared to the diode.
  • a refractive index adjusting insect having a refractive index smaller than that of the first semiconductor chip, on the first semiconductor layer.
  • the refractive index control layer, the first refractive index control layer formed on the first semiconductor layer and the refractive index is smaller than the first semiconductor layer;
  • the type 1 semiconductor layer is a nitride-based semiconductor layer
  • the type 1 refractive index adjusting layer is a ZnO-based oxide semiconductor layer.
  • the second refractive index adjusting layer is formed of an MgO-based oxide
  • the MgO-based oxide includes a ternary or more poly-based compound formed by adding another element to MgO.
  • the ternary compound includes Mg x B ei - x O, Mg x C ai - x O, Mg x Siv x O, Mg x B ai - x O, wherein the multi-component compound is Be It is a compound form of 2 or more types of elements, Ca, Sr, Ba elements, and Mg.
  • the MgO-based oxide is formed by doping an impurity in the MgO-based oxide and the impurities are B, In, Zn, Tl, Al, Sn, Ga, Te, Si, C, Ge, N, P, As, Sb, Bi, S, Se, Br, I, Ti or oxides of the metals, or cases where the metals and their oxides are mixed.
  • the first refractive index control layer is ZnO, A ⁇ doped ZnO, In—doped ZnO,
  • the first semiconductor layer is an n-type semiconductor layer.
  • the refractive index adjusting layer is a transparent layer on the first semiconductor layer It is formed on the ohmic electrode layer.
  • a method of manufacturing a light emitting device including: providing a conductive substrate; Forming a semiconductor stacked structure including a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and an active layer interposed therebetween on the substrate; And forming a refractive index control layer on the first semiconductor layer, the refractive index of which is smaller than that of the first semiconductor layer.
  • the refractive index control layer, the first refractive index control layer formed on the first semiconductor layer and the refractive index is smaller than the first semiconductor layer;
  • the present invention it is possible to significantly improve the light output of the light emitting diode compared to the prior art by preventing total reflection occurring at the semiconductor layer and the air interface of the light emitting diode and improving the light extraction effect.
  • the refractive index control layer having a pyramid structure can be formed without an additional process for forming irregularities on the surface of the semiconductor layer, it can be immediately applied to the manufacturing process of the conventional gallium nitride-based light emitting diodes; It can be applied not only to vertical type but also to horizontal light emitting diode structure, which is difficult to form pyramid structure on the surface relatively.
  • 1A is a cross-sectional view of a gallium nitride-based vertical light emitting diode structure including a first refractive index control layer and a second refractive index control layer including a pyramid structure according to an embodiment of the present invention.
  • (b) is a view for explaining that the light output is improved by the first and second refractive index control layer.
  • FIG. 2 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a gallium nitride-based vertical light emitting diode and an MgO pyramid structure formed on the surface of the vertical light emitting diode according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 (c) is a SEM image of the surface of the ZnO layer.
  • Figure 3 (a) is a high-resolution transmission electron microscope (TEM) photograph of the MgO pyramid structure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (b) is a view schematically showing the crystal structure of the MgO pyramid.
  • TEM transmission electron microscope
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an electroluminescence spectrum of a gallium nitride-based vertical light emitting diode including a ZnO refractive index control layer and an MgO refractive index control layer including a pyramid structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a current-voltage curve of a gallium nitride-based vertical light emitting diode including a ZnO refraction control layer and an MgO refractive index control layer including a pyramid structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A illustrates a nitride-gallium-based vertical light emitting diode including a ZnO refractive index control layer and an MgO refractive index control layer including a pyramid structure, and a conventional flat n-type nitride.
  • FIG. 6 is a view showing two-dimensional light distribution characteristics of a vertical light emitting diode having a gallium-based semiconductor surface
  • FIG. 6B is a view showing light output enhancement characteristics according to angles of the present invention.
  • FIG. 1A illustrates a gallium nitride-based vertical light emitting diode structure including a first refractive index control layer 300 and a second refractive index control layer 400 having a pyramid structure 450 according to an embodiment of the present invention.
  • 1 (b) is a view showing that the light output is improved by the control layer (300, 400) the first and second refraction.
  • a gallium nitride-based vertical light emitting diode includes a substrate 500, a p-type ohmic electrode layer 100, an n-type semiconductor insect 210, an active layer 230, and p.
  • a semiconductor laminated structure 200 including a semiconductor semiconductor layer 250, a system 1 refractive index control layer 300 and a system 2 refractive index control layer 400 formed on the semiconductor layer 200, and an n-type electrode.
  • Pad 600 may be included.
  • the first refractive index control layer 300 and the second refractive index control layer 400 will be described in detail below.
  • the refractive index of the gallium nitride-based semiconductor layer 2.5
  • the present invention is not limited thereto, for example, ZnO, Al-doped ZnO, In-doped ZnO, Ga-doped ZnO, Zr0 2 , Ti0 2 , Si0 2 , SiO, A1 2 0 3 , CuOx or ITO It may be formed to include.
  • the system 1 refractive index adjusting layer 300 will be referred to simply as a ZnO (refractive index adjusting) layer.
  • the MgO-based oxide may include a ternary or more multi-component compound formed by adding another element to MgO.
  • the present invention is not limited thereto, for example, the ternary compound may be
  • the multi-component compound may be in the form of compounds of two or more of Be, Ca, Sr, Ba elements and Mg.
  • the MgO-based oxide may be formed by doping impurities into the MgO-based oxide, the impurities are not limited, for example, B, ⁇ , ⁇ , ⁇ , ⁇ , Sn, Ga, Te, Si , C, Ge, N, P, As, Sb ⁇ Bi, S, Se, Br, I, Ti or an oxide of the metals, or a case where the metals and their oxides are mixed.
  • the C 2 refractive index control layer 400 will be referred to simply as an MgCX refractive index control layer.
  • the first and second refractive index control blades 300 and 400 may be formed on the n-type semiconductor layer 210, but according to the embodiment, the n-type semiconductor layer 210 It may be formed on top of the transparent n-type ohmic electrode layer (not shown) formed in the. In this case, the first and second refractive index control layer having a smaller refractive index than the n-type ohmic electrode filling, and a pyramid structure may be formed on the surface of the second refractive index control layer.
  • the first and second refractive index control layer (300, 400) always is, the n-type and the n-type semiconductor layer 210 on the semiconductor layer 210 not to be formed with Only one low first refractive index control layer 300 or second refractive index control layer 400 may be formed, or they may be sequentially stacked as shown in FIG. 1.
  • an effect in the case where only the system 1 refractive index control layer 300 is formed can be seen with reference to FIGS. 4 and 5, but in the following, when both the first and second refractive index control layers 300 and 400 are formed. An example of this will mainly be described.
  • the critical angle between the n-type semiconductor layer 210 and the system 1 refractive index adjusting layer 300 is, for example, about 50.9 degrees.
  • the critical angle between the n-type semiconductor insect 210 and the air is about 23.6 degrees, which is a significant increase.
  • the critical angle between the first and second refractive index control layers 300 and 400 is, for example, Moreover, as about 63.1 degrees Indicates an increased value.
  • FIG. 2 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a pyramid structure of a gallium nitride-based vertical light emitting diode according to an embodiment of the present invention and the MgO refractive index control insect 400 formed on the surface of the vertical light emitting diode.
  • 2B is a SEM photograph showing the flat n-type semiconductor layer surface 210
  • FIG. 2C is a SEM photograph showing the surface of the ZnO refraction control layer 300.
  • the pyramid structure 450 is successfully formed on the surface of the system 2 refractive index control layer 400.
  • the present invention may be implemented. It can be seen that the pyramidal structure 450 of the refractive index control layer according to the example is formed in the second refractive index control layer 400.
  • Figure 3 (a) is a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of the MgO pyramid structure 450 formed in accordance with an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (b) is a schematic of the crystal structure of the MgO pyramid 450 It is a figure shown normally.
  • TEM transmission electron microscope
  • the MgO pyramid structure 450 ends with a (200) crystal plane and has a growth direction of the (111) crystal plane. This may be explained as a process spontaneously performed to lower the energy of the thin film during the deposition process because the (200) crystal surface has a lower surface energy than the (111) crystal surface in the MgO layer having a rock salt structure.
  • the pyramid structure 450 may be formed on the surface of the second refractive index control layer 400 without any additional process in the deposition process, and thus, according to the present invention
  • the light incident on the second refractive index adjusting layer 400 may be scattered by the pyramid structure 450 of the second refractive index adjusting layer without greatly modifying a conventional light emitting device manufacturing process, and thus a lot of light may be emitted into the air. You can do that.
  • the light output characteristics of the light emitting device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
  • FIG. 4 is an electroluminescence of a gallium nitride-based vertical light emitting diode including a ZnO refractive index control layer 300, and a MgO refractive index control layer 400 having a pyramid structure 450 formed in accordance with an embodiment of the present invention It is a figure which shows EL) spectrum.
  • the ZnO refractive index control insect 300 when included on the n-type semiconductor layer 210 surface, the light is increased by a critical angle, compared to a conventional vertical light emitting diode having a flat n-type semiconductor layer surface. It can be seen that the output is improved, and when the ZnO refractive index control insect 300 and the MgO refraction control layer 400 are included at the same time, the light output of the light emitting diode is further improved to increase the maximum by 1.6 times. .
  • the ZnO and MgO refractive index control layers 300 and 400 and the MgO pyramid structure 450 according to an embodiment of the present invention are not manufactured using electron beam lithography patterning, which is expensive in manufacturing and difficult to apply to a large area wafer process. It is possible to fabricate using phosphorescent lithography patterning.
  • the photoresist (PR) pattern may be formed using optical lithography, and then ZnO and MgO refractive index control layers 300 and 400 may be deposited using electron beam deposition, followed by liftoff using acetone.
  • ZnO and MgO refractive index adjusting layers 300 and 400 may be formed only on the n-type semiconductor layer 210 surface. This method is very effective in terms of large area application and manufacturing cost because it is characterized by the fact that no additional process is required for the formation of the pyramid structure 450.
  • FIG. 5 illustrates a current-voltage curve of a gallium nitride-based vertical light emitting diode including a ZnO refractive index adjusting layer 300 and an MgO refractive index adjusting layer 400 having a pyramid structure 450 according to an embodiment of the present invention. Indicates.
  • the case of a vertical light emitting diode having a vertical shape and a vertical light emitting diode further having only a ZnO refractive index adjusting charge (ie, a first refractive index adjusting layer) 300 on the n-type semiconductor insect 210 are shown.
  • FIG. 6A illustrates a gallium nitride-based vertical light emission including a ZnO refractive index control layer 300 and an MgO refractive index control layer 400 including an MgO pyramid structure 450 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a two-dimensional light distribution characteristic of a vertical light emitting diode having a diode and a conventional flat n-type gallium nitride based semiconductor layer surface, and an optical output improvement characteristic according to an angle of the present invention.
  • the vertical light emission having a conventional flat n-type semiconductor layer surface Since the diode has a small critical angle of about 23.6 degrees, the light output is large in the vertical direction on the surface of the n-type semiconductor layer, and the light output rapidly decreases toward the side.
  • the vertical light emitting diode including the ZnO refractive index control layer 300 and the MgO refractive index control layer 400 including the MgO pyramid 450 according to an embodiment of the present invention, the light output from the side surface thereof. This increased greatly and the light in the refraction direction also increased. In addition, this fact can also be confirmed through the graph according to the detection angle of FIG.
  • the first refractive index control layer 300 and the second refractive index control layer 400 is formed on the n-type semiconductor layer 210, the system 2
  • the refractive index control layer 400 includes the pyramid structure 450, it can be seen that the light output characteristics and the light distribution characteristics of the gallium nitride-based vertical light emitting diodes can be improved.

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Abstract

본 발명은 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 p형 오믹 전극층; 상기 p형 오믹 전극층 상부에 형성된 p형 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체층; 상기 p형 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체층; 및 상기 n형 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 오믹 전극층; 및 상기 n형 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체층 및 상기 n형 오믹 전극층보다 굴절율이 작은 제 1 및 제 2 굴절율 조절층을 포함하며， 상기 제 2 굴절율 조절층 표면에 피라미드구조물이 형성된 것을특징으로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 질화물갈륨계 III-V족 화합물 반도체 발광소자의 상부에 제 1 및 제 2 굴절율 조절층을 포함하고， 상기 제 2 굴절율 조절층에 파리미드 구조를 형성하는 경우， 종래의 발광다이오드에 비하여 발광다이오드의 표면 광출력이 1.5배 이상 증가할 수 있다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
M g O피라미드 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조방법
【기술분야】
본 발명은 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드의 광출력 향상 기술에 관한 것으로， 보다 구체적으로는， n형 반도체층 상부에 굴절율 조절층과 MgO 피라미드 구조를 포함하여 광출력을 향상시킨 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
【배경기술】
백색광원 질화물갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고， 수명 이 길며， 빛의 지향성이 높고， 저 전압 구동이 가능하며， 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형 태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해 가까운 미 래에 백열등， 형 광등， 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명 (solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다. 다만， 질화물갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은둥이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성 이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화물갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 낮고 제작 공정 이 간단하다는 장점 이 있으나， 인가전류가 높고 면적 이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 원천적 결함이 있다. 이 러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이다.
수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여 러 가지 장점을 가지고 있다. 구체적으로， 수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며， 열전도성 이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 소자의 장수명화와 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다.
이 러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 약 3— 4배 이상 증가되므로 조명용 백색광원으로 이용될 가능성 이 매우 높고， 실제로， 많은 기 업들이 수직 발광다이오드의 상용화 및 성능향상을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있으며， 일부 기 업에서는 이미 관련 제품을 관매하고 있는 실정 이다.
한편, 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분은 소자 상부의 n형 반도체층이다. 다만， n형 반도체층이 매끄러운 평면인 경우， n형 반도체층과 대기의 큰 굴절률 차이로 인해 (n형 반도체층의 굴절율 =약 2.5， 대기의 굴절율 =1)， 대기 /반도체층 계면에서 전반사가 발생하여 활성층에서 발생된 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다. 따라서 반도체층 표면을 인위적으로 변형하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져 나오게 하는 것이 필요하다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명은 전술한 문제점에 착안한 것으로， 종래의 질화물갈륨계 발광다이오드의 제조공정에 과다한 변경을 가하지 않고 적용 가능한 발광소자의 제조방법을 제공하며， 종래의 질화물갈륨계 III- V족 화합물 반도체 발광다이오드에 비하여 발광다이오드의 광출력이 증가된 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
【기술적 해결방법】
본 발명의 일 측면에 따른 발ᅳ광소자는，
기판; 상기 기판 상부에 형성된 제 1 반도체층， 제 2 반도체층 및 그 사이에 개재된 활성충; 및 상기 계 1 반도체층 상부에， 상기 계 1 반도체충보다 굴절률이 작은 굴절율 조절충을 포함한다.
여기서， 바람직하게， 상기 굴절율 조절층은, 상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층보다 굴절율이 작은 제 1 굴절율 조절층; 및 상기 제 1 굴절을 조절층 상에 형성되며 상기 제 1 굴절율 조절충보다 굴절율이 작은 제 2 굴절율 조절층을 포함하고， 상기 제 2 굴절율 조절층에는 피라미드 구조가 형성된다.
또한, 바람직하게는， 상기 계 1 반도체층은 질화물계 반도체층이고， 상기 계 1 굴절율 조절층은 ZnO계 산화물 반도체층인 것을 특징으로 한다.
또한， 바람직하게는， 상기 제 2 굴절율 조절층은 MgO계 산화물로 형성되며， 상기 MgO계 산화물은 MgO에 다른 원소를 첨가하여 형성된 3원계 또는 그 이상의 다원계 화합물을 포함한다.
또한， 바람직하게는， 상기 3원계 화합물은 MgxBei-xO, MgxCai-xO, MgxSivxO, MgxBai-xO 을 포함하며， 상기 다원계 화합물은 Be, Ca, Sr, Ba 원소 중 2종 이상의 원소 및 Mg의 화합물 형태이다.
또한， 바람직하게는, 상기 MgO계 산화물은 MgO계 산화물에 불순물을 도핑하여 형성되며 상기 불순물은 B, In, Zn, Tl, Al, Sn, Ga, Te, Si, C, Ge, N, P, As, Sb, Bi, S, Se, Br, I, Ti 또는 상기 금속들의 산화물， 또는 상기 금속들과 그 산화물이 흔합된 경우를 포함한다.
또한， 바람직하게는， 상기 제 1 굴절율 조절층은 ZnO, A卜도핑 ZnO, In—도핑 ZnO,
Ga-도핑 ZnO, Zr02> Ti02, Si02, SiO, A1203, CuOx 또는 ΠΌ를 포함한다.
또한， 바람직하게는， 상기 제 1 반도체층은 n형 반도체 층이다.
또한, 바람직하게는， 상기 굴절율 조절층은 상기 제 1 반도체층 상부에 위치한 투명한 오믹 전극층 상부에 형성된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 발광소자의 제조방법은, 도전성 기판을 마련하는 단계 ; 상기 기판 상부에 제 1 반도체층, 제 2 반도체충 및 그 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층구조체를 형성하는 단계 ; 및 상기 제 1 반도체층 상부에， 상기 계 1 반도체층보다 굴절률이 작은 굴절율 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서， 바람직하게， 상기 굴절율 조절층은， 상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층보다 굴절율이 작은 제 1 굴절율 조절층; 및 상기 게 1 굴절율 조절충 상에 형성되며 상기 제 1 굴절율 조절층보다 굴절율이 작은 제 2 굴절율 조절층을 포함하고， 상기 제 2 굴절율 조절층에는 피 라미드 구조가 형성된다.
【유리한 효과】
본 발명에 따르면， 발광다이오드의 반도체층과 대기 계면에서 일어나는 전반사를 방지하고 광추출효을을 향상시킴으로써 발광다이오드의 광출력을 종래기술 대비 획기 적으로 향상시 킬 수 있다.
또한， 본 발명에 따르면， 반도체층 표면에 요철을 형성하기 위한 별도의 추가적 인 공정 없이 피라미드 구조를 가지는 굴절률 조절층을 형성할 수 있으므로 종래의 질화물갈륨계 발광다이오드의 제조 공정에 즉시 적용 가능하며； 수직형뿐만 아니라 상대적으로 표면에 피라미드 구조를 형성하기 어 려운 수평형 발광 다이오드 구조에도 적용이 가능한 장점 이 있고， 대면적 적용이 가능하여 제조원가 절감 측면에서 매우 효과적 이다.
【도면의 간단한 설명】
도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 제 1 굴절율 조절층， 및 피라미드 구조를 포함하는 계 2 굴절율 조절층을 포함하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드 구조의 단면도이고， 도 1의 (b)는 상기 계 1 및 제 2 굴절율 조절층에 의해 광출력 이 향상되는 것을 설명하기 위한 도면.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 질화물갈륨계 수직 발광다이오드 및 상기 수직 발광다이오드 표면에 형성된 MgO 피라미드 구조를 보여주는 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이고， 도 2의 (b)는 평평한 n형 질화갈튬계 반도체층 표면의 SEM 사진이며 , 도 2의 (c)는 ZnO층 표면의 SEM 사진.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MgO 피라미드 구조의 고해상도 투과전자현미경 (TEM) 사진이며， 도 3의 (b)는 상기 MgO 피라미드의 결정 구조를 모식 적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 ZnO 굴절율 조절층， 및 피라미드 구조를 포함하는 MgO 굴절율 조절층을 포함하는 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드의 전기 발광 스펙트럼을 나타내는 도면. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 ZnO 굴절을 조절층, 및 피라미드 구조를 포함하는 MgO 굴절율 조절층을 포함하는 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드의 전류 -전압 곡선을 나타내는 도면.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따라 ZnO 굴절율 조절층， 및 피라미드 구조를 포함하는 MgO 굴절율 조절층을 포함하는 질^물갈륨계 수직형 발광다이오드와 종래의 평편한 n형 질화물갈륨계 반도체 표면을 가지는 수직형 발광다이오드의 2차원 배광 특성을 나타내는 도면이고， 도 6의 (b)는 본 발명의 각도에 따른 광출력 향상 특성을 나타내는 도면.
【발명의 실시를 위한 최선의 형 태】
이하， 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 층분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서， 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형 태로 구체화될 수도 있다. 그리고， 도면들에 있어서， 구성요소의 폭， 길이， 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일 유사한 참조번호들은 동일 유사한 구성요소들을 나타낸다. . 이하， 도 1 내지 3을 참조하여， 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자의 구조에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제 1 굴절율 조절층 (300)， 및 피라미드 구조 (450)를 갖는 계 2 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드 구조를 도시한 단면도이고， 도 1의 (b)는 상기 제 1 및 제 2 굴절을 조절층 (300， 400)에 의해 광출력 이 향상되는 것을 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면， 본 발명에 따른 질화물갈륨계 수직 발광다이오드는 기판 (500)과， p형 오믹 전극층 (100)과， n형 반도체충 (210)， 활성층 (230) 및 p형 반도체층 (250)을 포함하는 반도체 적층 구조체 (200)와, 상기 반도체 적층 구조체 (200)의 상부에 형성된 계 1 굴절율 조절충 (300) 및 계 2 굴절율 조절층 (400)과， n형 전극 패드 (600)를 포함할 수 있다.
여기서， 다른 구성요소는 종래의 수직 형 발광 다이오드의 구성과 다르지 않으므로 이하에서는 제 1 굴절율 조절층 (300) 및 제 2 굴절율 조절층 (400)에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면， 굴절율을 조절하여 n형 반도체층 (210) 표면에서 공기중으로 광을 방출시 키기 위한 임계각을 증가시키기 위해 , 질화갈륨계 반도체층의 굴절율 =약 2.5)과 공기의 굴절률 (n=l)의 중간값을 가지는 계 1 굴절율 조절충 (300) 및 겨 12 굴절율 조절층 (400)을 n형 반도체층 (210) 상부에 형성할 수 있다. 또한， 상기 계 1 굴절율 조절층 (300)은 상기 n형 반도체충 (210) 상부에 형성되며， 상기 n형 반도체층 (210)보다 굴절률이 낮은 (예를들어， n=1.94) ZnO계 박막층으로서， 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니나， 예를들어， ZnO, Al-도핑 ZnO, In-도핑 ZnO, Ga-도핑 ZnO, Zr02, Ti02, Si02, SiO, A1203, CuOx 또는 ITO를 포함하여 형성할 수 있다. 다만， 설명의 간략화를 위해서， 본 명세서에서는 계 1 굴절율 조절층 (300)을 단순히 ZnO(굴절율 조절)층으로 언급하기로 한다. 또한， 상기 제 2 굴절율 조절층 (400)은 상기 계 1 굴절율 조절층 (300)의 상부에 형성되며， 상기 제 1 굴절율 조절층 (300)보다 굴절률이 낮은 충 (예를들어， (n=1.74)으로서 , 예를들어， MgO계 산화물로 형성될 수 있으며， 상기 MgO계 산화물은 MgO에 다른 원소를 첨가하여 형성된 3원계 또는 그 이상의 다원계 화합물을 포함할 수 있다.
여기서， 본 발명 이 이에 제한되는 것은 아니나, 예를들어， 상기 3원계 화합물은
MgxBei-xO, MgxCa!-xO, MgxSrvxO, MgxBai-xO을 포함하며， 상기 다원계 화합물은 Be, Ca, Sr, Ba 원소 중 2종 이상의 원소 및 Mg의 화합물 형 태일 수 있다.
또한, 상기 MgO계 산화물은 MgO계 산화물에 불순물을 도핑하여 형성될 수 있으며， 상기 블순물은， 비제한적 이나， 예를들어， B, Ιη, Ζη, ΤΙ, ΑΙ, Sn, Ga, Te, Si, C, Ge, N, P, As, Sbᅳ Bi, S, Se, Br, I， Ti 또는 상기 금속들의 산화물， 또는 상기 금속들과 그 산화물이 흔합된 경우를 포함할 수 있다. 다만， 설명의 간략화를 위해서， 본 명세서에서 게 2 굴절율 조절층 (400)을 단순히 MgCX굴절율 조절)층으로 언급하기로 한다.
또한， 본 발명에 따르면， 상기 제 1 및 제 2 굴절율 조절충 (300， 400)은， n형 반도체층 (210) 상부에 형성될 수 있으나， 실시 예에 따라， n형 반도체층 (210) 상부에 형성된 투명한 n형 오믹 전극층 (미도시 )의 상부에 형성될 수도 있다. 이때는， 상기 n형 오믹 전극충보다 굴절율이 작은 제 1 및 계 2 굴절율 조절층을 포함하며， 상기 제 2 굴절율 조절층 표면에 피라미드 구조물이 형성될 수 있다.
또한， 본 발명에 따르면， 제 1 및 제 2 굴절율 조절층 (300， 400)은 항상 함께 형성되어야 하는 것은 아니며， n형 반도체층 (210) 상에 상기 n형 반도체층 (210)보다 굴절을이 낮은 제 1 굴절율 조절층 (300) 또는 제 2 굴절율 조절층 (400)이 하나만 형성될 수도 있고， 이들이 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층될 수도 있다. 예를들어， 계 1 굴절율 조절층 (300)만이 형성된 경우의 효과는 도 4 및 도 5를 참조하면 알 수 있고 다만， 이하에서는 제 1 및 제 2 굴절율 조절층 (300， 400)이 모두 형성된 경우의 예를 주로 설명하기로 한다.
도 1의 (b)를 참조하면， 본 발명의 일 실시 예에 따를 때， n형 반도체층 (210)과 계 1 굴절율 조절층 (300) 사이 에서의 임계각은 예를들어， 약 50.9도로서， n형 반도체충 (210)과 공기 사이에서의 임계각인 약 23.6도에 비해 크게 증가한 값을 나타내며， 제 1 굴절율 조절층 (300)과 제 2 굴절율 조절층 (400) 사이에서의 임계각은 예를들어， 약 63.1도로서 더욱 증가된 값을 나타낸다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물갈륨계 수직 발광다이오드 및 상기 수직 발광다이오드 표면에 형성된 MgO 굴절율 조절충 (400)의 피라미드 구조를 보여주는 주사 전자 현미 경 (SEM) 사진이고， 도 2의 (b)는 평편한 n형 반도체층 표면 (210)을 나타내는 SEM 사진이며， 도 2의 (c)는 ZnO 굴절을 조절층 (300)의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 계 2 굴절율 조절층 (400)의 표면에 피라미드 구조 (450)가 성공적으로 형성 된 것을 알 수 있다. 이에 반해， 도 2의 (b) 및 (c)를 참조하면, n형 반도체충 표면 (210) 및 ZnO 굴절율 조절층 (300)은 평편한 표면을 갖는다는 것을 확인할 수 있으므로， 본 발명의 일 실시 예에 따른 굴절율 조절층의 피라미드 구조물 (450)은 제 2 굴절율 조절층 (400)에 형성됨을 알 수 있다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 MgO 피라미드 구조 (450)의 고해상도 투과전자현미경 (TEM) 사진이몌 도 3의 (b)는 MgO 피라미드 (450)의 결정 구조를 모식 적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 투과전자현미경 사진에서 MgO 피라미드 구조 (450)는 (200) 결정면으로 끝나 있으며， (111) 결정면의 성장 방향을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 암염 (Rock salt) 구조를 가지는 MgO층에서 (111) 결정면에 비해 (200) 결정면이 더욱 낮은 표면 에너지를 가지기 때문에， 증착 과정에서 박막의 에너지를 낮추기 위해 자발적으로 이루어지는 과정으로 설명할 수 있다.
즉， 본 발명의 일 실시 예에 따를 때， 제 2 굴절율 조절층 (400)의 표면에는 증착 과정에서 별도의 추가적 인 공정 없이 피라미드 구조 (450)가 형성될 수 있으며， 이로써， 본 발명에 따를 때， 종래의 발광소자 제조 공정을 크게 변형하지 않고도， 제 2 굴절율 조절층의 피라미드 구조 (450)에 의해 상기 제 2 굴절율 조절층 (400)으로 입사한 광을 산란시켜 많은 빛이 공기 중으로 방출될 수 있도록 할 수 있다. 이하， 도 4 내지 도 6을 참조하여， 본 발명에 따른 발광소자의 광출력 특성에 대하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 ZnO 굴절율 조절층 (300)， 및 피라미드 구조 (450)를 갖는 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드의 전기 발광 (electroluminescence; EL) 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
한편， 도 4의 그래프에는 비교를 위해， ZnO 굴절율 조절층 (300) . 및 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 수직형 발광다이오드의 전기 발광 스펙트럼은 물론, 종래의 평편한 n형 반도체층 표면을 갖는 수직형 발광다이오드의 경우와 n형 반도체층 (210) 상에 평편한 ZnO 굴절율 조절층 (즉， 제 1 굴절율 조절층)만을 추가로 갖는 수직형 발광 다이오드의 경우가 함께 도시되 어 있다.
도 4를 참조하면， 종래의 평편한 n형 반도체층 표면을 갖는 수직형 발광다이오드에 비하여 n형 반도체층 (210) 표면에 ZnO 굴절율 조절충 (300)을 포함하는 경우에 임 계각 증가에 의해 광출력 이 향상된 것을 알 수 있으며， ZnO 굴절율 조절충 (300)과 MgO 굴절을 조절층 (400)을 동시에 포함하는 경우에는， 발광다이오드의 광출력이 더욱 향상되어 최 대 1.6배 증가함을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 ZnO 및 MgO 굴절율 조절층 (300， 400)과 MgO 피라미드 구조 (450)는， 제조단가가 높고 대면적 웨이퍼 공정에는 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않고， 일반적 인 광 리소그래피 패터닝을 사용하여 제작하는 것이 가능하다.
제한적이지는 않으나， 예를들어， 광 리소그래피를 이용해 포토레지스트 (PR) 패턴을 형성한 후, 전자빔 증착법을 이용해 ZnO 및 MgO 굴절률 조절층 (300， 400)을 증착한 후， 아세톤을 이용한 리프트오프 (lift-off) 방법을 이용하여 상기 PR을 제거하면， n형 반도체층 (210) 표면에만 ZnO 및 MgO 굴절률 조절층 (300， 400)을 형성할 수 있다. 이 방법은 피라미드 구조 (450)의 형성을 위해， 별도의 추가적 인 공정 이 필요하지 않는 것을 특징으로 하기 때문에， 대면적 적용과 제조 단가 측면에서 매우 효과적 이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ZnO 굴절율 조절층 (300)， 및 피라미드 구조 (450)를 갖는 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 질화물갈륨계 수직 형 발광다이오드의 전류 -전압 곡선을 나타낸다.
한편， 도 5의 그래프에는 비교를 위해， ZnO 굴절율 조절층 (300) 및 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 수직형 발광다이오드의 전류—전압 곡선은 물론， 종래의 평편한 n형 반도체층 표면을 갖는 수직 형 발광다이오드의 경우와 n형 반도체충 (210)상에 ZnO 굴절율 조절충 (즉， 제 1 굴절율 조절층 )(300)만을 추가로 갖는 수직형 발광 다이오드의 경우가 함께 도시되어 있다.
도 5를 참조하면， 본 발명의 일 실시 예에 따라 ZnO 굴절율 조절층 (300) 및 MgO 굴절율 조절층 (400)을 형성하더라도， 발광 다이오드의 전기적 특성의 저하는 없는 것을 알 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따라, ZnO 굴절율 조절층 (300)， 및 MgO 피라미드 구조 (450)를 포함하는 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드와， 종래의 평편한 n형 질화물갈륨계 반도체층 표면을 가지는 수직형 발광다이오드의 2차원 배광 특성 및 본 발명의 각도에 따른 광출력 향상 특성을 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면， 종래의 평편한 n형 반도체층 표면을 가지는 수직 형 발광 다이오드는 임계각이 약 23.6도로서 작기 때문에 n형 반도체층 표면에서 수직한 방향으로 광출력이 크게 나타나며， 측면으로 갈수록 광출력이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이에 반해， 본 발명의 일 실시예에 따라 ZnO 굴절율 조절층 (300)， 및 MgO 피라미드 (450)를 포함하는 MgO 굴절율 조절층 (400)을 포함하는 수직형 발광다이오드의 경우에는 측면에서의 광출력이 크게 증가하였으며， 굴절방향의 빛 또한 증가한 것을 알 수 있다. 또한， 이러한 사실은 도 6의 (b)에 의한 검출각도에 따른 그래프를 통해서도 확인할 수 있다.
따라서， 전술한 바와 같이， 본 발명의 일 실시예에 따라， 제 1 굴절율 조절충 (300) 및 제 2 굴절율 조절층 (400)을 n형 반도체층 (210)의 상부에 형성하고， 상기 계 2 굴절율 조절층 (400)이 피라미드 구조 (450)를 포함하는 경우， 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드의 광출력 특성 및 배광 특성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이상， 본 발명의 특정 실시예에 대해 예시적으로 설명하였지만， 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 특정 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예에 의해 한정되지 않으며， 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며， 그와 균등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
기판;
상기 기판 상부에 형성된 제 1 반도체층， 제 2 반도체층 및 그 사이에 개재된 활성층; 및
상기 제 1 반도체층 상부에， 상기 제 1 반도체층보다 굴절률이 작은 굴절율 조절층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 2】
청구항 1에 있어서 ,
상기 굴절율 조절층은，
상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층보다 굴절율이 작은 제 1 굴절율 조절충; 및
상기 제 1 굴절을 조절충 상에 형성되며 상기 제 1 굴절율 조절층보다 굴절율이 작은 제 2 굴절율 조절층을 포함하고，
상기 제 2 굴절을 조절층에는 피라미드 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 3】
청구항 2에 있어서，
상기 제 1 반도체층은 질화물계 반도체층이고，
상기 계 1 굴절을 조절층은 ZnO계 산화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 4】
청구항 2에 있어서，
상기 제 2 굴절율 조절층은 MgO계 산화물로 형성되며， 상기 MgO계 산화물은 MgO에 다른 원소를 첨가하여 형성된 3원계 또는 그 이상의 다원계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 5】
청구항 4에 있어서，
상기 3원계 화합물은 MgxBei-xO, MgxCa!-xO, MgxSr!-xO, MgxBai-xO 을 포함하며， 상기 다원계 화합물은 Be, Ca, Sr, Ba 원소 중 2종 이상의 원소 및 Mg의 화합물 형 태인 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 6】
청구항 4에 있어서，
상기 MgO계 산화물은 MgO계 산화물에 불순물을 도핑하여 형성되며， 상기 불순물은 B, In, Zn, Tl, Al, Sn, Ga, Te, Si, C, Ge, N, P, As, Sb, Bi, S, Se, Br, I， Ti 또는 상기 금속들의 산화물， 또는 상기 금속들과 그 산화물이 흔합된 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 7】
청구항 2에 있어서，
상기 제 1 굴절율 조절충은 ZnO, A1—도핑 ZnO, In-도핑 ZnO, Ga-도 ί§ ZnO, Zr02,
Ti02, Si02) SiO, A1203, CuOx 또는 ΠΌ를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 8】
청구항 1에 있어서，
상기 제 1 반도체층은 n형 반도체 층인 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 9】
청구항 1에 있어서， 상기 굴절율 조절충은 상기 제 1 반도체층 상부에 위치한 투명한 오믹 전극층 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
【청구항 10]
도전성 기판을 마련하는 단계 ;
상기 기판 상부에 제 1 반도체층， 제 2 반도체층 및 그 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층구조체를 형성하는 단계 ; 및
상기 제 1 반도체층 상부에， 상기 제 1 반도체층보다 굴절률이 작은 굴절율 조절층을 형성하^ 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법 .
【청구항 11】
청구항 10에 있어서，
상기 굴절율 조절층은，
상기 제 1 반도체층 상에 형성되며 상기 제 1 반도체층보다 굴절율이 작은 제 1 굴절율 조절층; 및
상기 제 1 굴절율 조절층 상에 형성되며 상기 제 1 굴절율 조절층보다 굴절율이 작은 제 2 굴절율 조절층을 포함하고，
상기 제 2 굴절을 조절층에는 피라미드 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법 .
PCT/KR2011/004592 2010-07-08 2011-06-23 Mgo피라미드 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조방법 Ceased WO2012005459A2 (ko)

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