WO2017213403A1 - 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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WO2017213403A1
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gallium nitride
light emitting
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electrode
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김현수
오문식
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전북대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a transparent electrode for applying to a gallium nitride-based semiconductor (GaN) -based light emitting device having a structure containing an indium-tin oxide (ITO) material
  • the present invention relates to a gallium nitride based high efficiency light emitting diode having improved light output and a method of manufacturing the same.
  • a gallium nitride based light emitting diode having high efficiency and high output a light emitting diode having a horizontal structure is most widely used and extensive research is being conducted.
  • the biggest issue regarding this structure is the utilization as a transparent electrode for the material in contact with the p-type GaN, and the current spreading effect, low contact resistance, high light transmittance to the transparent electrode must be solved. It is recognized as an important task to do.
  • a transparent electrode is formed using A12O3 (ITO), nickel / gold (Ni / Au) -based materials, etc., thereby providing low resistance / transmittance characteristics and high efficiency. Attempts have been made to manufacture light emitting diodes having properties.
  • transparent electrode materials have a disadvantage of low light extraction compared to device area due to the current crowding effect, and in particular, low wavelength due to a decrease in transmittance characteristics due to rapid light absorption in the ultraviolet region between 200 and 400 nm. It is found to be very vulnerable in the area of deep-UV.
  • ITO deposited by the sputtered method has a disadvantage in that the formation of ohmic contact in p-type GaN is weak due to ion-damage.
  • the present invention provides a gallium nitride-based high-efficiency light emission that has excellent current spreading effect, provides low contact resistance, and provides excellent light transmittance in the visible light region as well as in the region of deep-UV. It is an object to provide a diode and a method of manufacturing the same.
  • the present invention provides a substrate; Gallium nitride-based first conductive semiconductor layers; Gallium nitride-based second conductive semiconductor layers; An active layer interposed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer; And a transparent electrode in contact with the second conductive semiconductor layer, wherein the transparent electrode surrounds the first electrode layer of the dot pattern and the first electrode layer of the dot pattern in contact with the surface of the second conductive semiconductor layer.
  • a gallium nitride based high efficiency light emitting diode including a second electrode layer in contact with the conductive semiconductor layer can be provided.
  • the first electrode layer may be deposited by an e-beam evaporator, and the second electrode layer may be deposited by a sputter.
  • the dot pattern of the first electrode layer may have a diameter of 1 to 10 ⁇ m and a thickness of a hemispherical lens having a thickness of 10 to 200 nm.
  • the thickness of the second electrode layer may be 10 to 200 nm.
  • the method includes depositing a first conductivity type semiconductor layer on a substrate; Depositing an active layer on the first conductivity type semiconductor layer; Depositing a second conductivity type semiconductor layer on the active layer; Depositing a patterned first electrode layer on the second conductivity type semiconductor layer by an e-beam evaporator; And depositing a second electrode layer on the first electrode layer by a sputtering method.
  • the method of manufacturing a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode may be provided.
  • the method of manufacturing a light emitting diode may further comprise the step of heat-treating the transparent electrode for 30 to 600 seconds at a temperature of 300 to 900 °C in a nitrogen and oxygen atmosphere.
  • the manufacturing method of the high-efficiency light emitting diode is 300 to 500 in a nitrogen atmosphere with respect to the n-type gallium nitride layer which is the exposed first conductive layer and the p-type gallium nitride layer which is the second conductive layer formed on the n-type gallium nitride layer.
  • a silver (Ag) -based material as the electrode layer on the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer at the same time by heat treatment at ° C; And etching to expose the n-type gallium nitride layer on which the silver (Ag) -based material is deposited, to produce a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode.
  • the silver (Ag) -based material may be characterized in that the thickness of 80 to 200nm.
  • Etching to expose the n-type gallium nitride layer on which the silver (Ag) -based material is deposited may be characterized by dry etching to a thickness of 0.2 to 2 ⁇ m.
  • Carrier concentration of the exposed gallium nitride layer may be characterized in that less than 5 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the present invention can provide a gallium nitride-based light emitting diode prepared according to the method described above.
  • the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode according to the present invention has excellent current spreading effect and light extraction effect, exhibits low contact resistance, and excellent light in visible light region and low wavelength region. Provide transmittance.
  • the manufacturing method of the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode of the present invention provides a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode having the above excellent effect by a simple method, it is expected to be very useful in this field.
  • FIG. 1 and 2 are schematic diagrams of a gallium nitride based high efficiency light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are schematic views of a gallium nitride-based light emitting diode using the electron beam deposition ITO of Comparative Example 1 as a transparent electrode.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the light transmittance of the transparent electrode film according to an embodiment of the present invention and the electrode film of Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 6 is a graph showing contact resistance through an I-V curve between a transparent electrode film according to a preferred embodiment of the present invention and the electrode film of Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy, SEM) image of the structure of the transparent electrode film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing optical characteristics of a gallium nitride based high efficiency light emitting diode and Comparative Example 1 light emitting diode according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing electrical characteristics of a gallium nitride based high efficiency light emitting diode and Comparative Example 1 light emitting diode according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 to 12 are graphs (Electro-Luminescence, EL) spectrum of the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode and the light emitting diode of Comparative Example 1 according to another preferred embodiment of the present invention (Fig. 10), the current spreading length Results (Fig. 11) and graphs (Fig. 12) for.
  • EL Electro-Luminescence
  • Figure 13 is an optical microscope (Optical Microscopy, OM) and confocal Scanning Electroluminescence Microscopy (CSEM) of a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode and a light emitting diode of Comparative Example 1 according to another preferred embodiment of the present invention Image.
  • CSEM confocal Scanning Electroluminescence Microscopy
  • FIG. 14 illustrates a cross-sectional view of a gallium nitride light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
  • Example 18 shows the ohmic contact-related electrical characteristics of the p-type gallium nitride layer of Example 2-3 and Comparative Example 3.
  • FIG. 19 shows the light output of Example 2-3 and Comparative Example 3.
  • the substrate Gallium nitride-based first conductive semiconductor layers; Gallium nitride-based second conductive semiconductor layers; An active layer interposed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer; And a transparent electrode in contact with the second conductive semiconductor layer, wherein the transparent electrode surrounds the first electrode layer having a dot pattern and the first electrode layer having the dot pattern in contact with the surface of the second conductive semiconductor layer.
  • the present invention relates to a technology for providing a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode comprising a second electrode layer in contact with the second conductive semiconductor layer.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (FIG. 1) of a gallium nitride-based high-efficiency light emitting diode according to an exemplary embodiment of the present invention, and a schematic view thereof (FIG. 2).
  • the light emitting diode 100 is located on a substrate 10 and the substrate.
  • the semiconductor optoelectronic structure 20 and the transparent electrode 40 may be included.
  • the substrate 10 may be used without particular limitation as long as it is usually used as a semiconductor substrate.
  • the substrate 10 may be a semiconductor single crystal growth substrate, and more specifically, sapphire, Al 2 O 3, AlN, BN, GaAs, GaN, LiAlO 2, LiGaO 2, MgAl 2 O 4, MgO, silicon (Si), It may be a substrate including silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), glass, and the like.
  • the sapphire when the substrate 10 is formed of sapphire, the sapphire is a crystal having hexagonal-Rhombo R3c symmetry, and the irregularities in the c-axis direction are 13.001 ⁇ and 4.765 ⁇ ⁇ in the a-axis direction. It may have a distance between the concave-convex, and may also have a C (0001) plane, A (1120) plane, R (1102) plane and the like as the sapphire plane direction (orientation plane).
  • the nitride thin film can be easily grown and stable at a high temperature, and thus, it can be more preferable as the nitride growth substrate.
  • the substrate 10 may have a thickness of 100 to 600 ⁇ m. When having a thickness within the above range it can exhibit an appropriate holding force for the light emitting diode formed on the substrate. More specifically, the substrate may have a thickness of 200 to 400 ⁇ m.
  • the light emitting diode 100 serves to convert electrical energy into light energy to emit light, or to convert light energy into electrical energy, and may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art. Can be.
  • the semiconductor optoelectronic structure 20 may include an undoped semiconductor layer 21, a first conductive semiconductor layer 22, and an active layer. 23 and the second conductive semiconductor layer 24 may be a multi-layered structure sequentially stacked.
  • the first conductive semiconductor layer 22 may include a nitride semiconductor doped with a first conductive impurity.
  • the nitride semiconductor may be Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), and more specifically, GaN, AlGaN. Or InGaN.
  • the first conductive impurity doped in the nitride semiconductor may be an n-type impurity, and specifically, may be Si, Ge, Se, Te, or the like.
  • the first conductive semiconductor layer 22 may have a thickness of 1 to 20 ⁇ m, more preferably 1 to 10 ⁇ m.
  • the active layer 23 positioned on the first conductive semiconductor layer 22 is a region where electrons and holes are recombined, and includes a quantum well layer and a quantum barrier layer.
  • the active layer emits light having a predetermined wavelength when the semiconductor optoelectronic structure is a light emitting device, and absorbs light having a predetermined wavelength when the semiconductor optoelectronic structure is a light receiving device or a photovoltaic device. Therefore, the wavelength of light emitted or absorbed in the active layer may vary depending on the type of material constituting the active layer.
  • the active layer 23 may include a semiconductor material such as InxGa1-xN (0 ⁇ x ⁇ 1) such that the band gap energy is adjusted according to the indium content. have.
  • the active layer 23 may have a multi-quantum well (MQW) structure in which a quantum barrier layer and a quantum well layer are alternately stacked.
  • the active layer may be formed by repeatedly stacking InGaN and GaN, or may be formed by repeatedly stacking AlGaN and GaN.
  • the active layer 23 may have a thickness of 0.1 to 20 ⁇ m, preferably 1 to 10 ⁇ m, in consideration of the influence of the active layer on the performance of the light emitting diodes.
  • the second conductive semiconductor layer 24 positioned on the active layer 23 may include a nitride semiconductor doped with a second conductive impurity.
  • the nitride semiconductor may be Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, and 0 ⁇ x + y ⁇ 1), and more specifically, GaN, InN. , AlGaN, InGaN or the like.
  • the second conductive impurity doped into the nitride semiconductor may be a p-type impurity, specifically Mg, Zn, or Be.
  • the second conductive semiconductor layer 24 may have a thickness of 0.01 to 1 ⁇ m, preferably 0.05 to 0.1 ⁇ m, in consideration of the influence of the second conductive semiconductor layer on the performance of the light emitting diode.
  • each of the first and second conductive semiconductor layers may be a single layer, or may have a multilayer structure of two or more layers.
  • a nitride semiconductor layer 21 may be further included under the first conductive semiconductor layer 22, that is, on the surface side of the first conductive semiconductor layer in contact with the substrate.
  • the nitride semiconductor 21 layer may include a nitride semiconductor of Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, and 0 ⁇ x + y ⁇ 1). More specifically, GaN, AlGaN, or InGaN may be included.
  • the nitride semiconductor layer 21 may be formed according to a conventional nitride semiconductor layer forming method such as a deposition method, and a nitride semiconductor in a semiconductor optoelectronic structure.
  • the layer specifically, may include a nitride semiconductor grown horizontally to reduce the penetration voltage in the GaN layer.
  • the nitride semiconductor layer 21 may have a thickness of 0.1 to 20 ⁇ m, more preferably 1 to 10 ⁇ m, in consideration of the remarkable performance improvement effect of the light emitting diode according to the formation thereof.
  • the transparent electrode 40 which forms ohmic contact with the second conductive semiconductor layer (or p-type nitride semiconductor layer) in the semiconductor optoelectronic structure described above is positioned.
  • the transparent electrode 40 serves to evenly supply power applied from the outside to the second conductive semiconductor layer 24 through the first metal electrode 43 or the p-type electrode positioned on the transparent electrode.
  • the transparent electrode 40 including the first electrode layer 41 and the second electrode layer 42 of the present invention may include a composition for forming a transparent electrode such as ITO, IZO, ZnO 2, RuOx, TiOx, IrOx, SiO 2, Al 2 O 3, or the like.
  • the transparent conductive material in the present invention may be a group 13 element, specifically, tin oxide doped with indium (In) (hereinafter referred to as ITO).
  • the ITO may specifically be doped with InO or In2O3 in an amount of 0.1 to 5% by weight, or 0.1 to 2% by weight of SnO2.
  • the first electrode layer 41 constituting the transparent electrode 40 of the present invention is an electrode layer deposited by an electron-beam evaporator
  • the second electrode layer 42 is an electrode layer deposited by a sputter. Can be.
  • the diameter of the pattern is less than 1 ⁇ m or the contact area of the pattern is less than 1%, the ohmic forming effect through hybrid electrode layer manufacturing due to the pattern formation may be reduced, and the diameter of the pattern exceeds 10 ⁇ m or the contact area of the pattern.
  • the amount exceeds 5% high light transmittance and low sheet resistance may not be expressed as compared to the ITO electrode layer on which the entire transparent electrode layer is deposited only by electron beam evaporation.
  • the first electrode layer 41 may have an electrode layer deposited by electron beam evaporation, having a thickness of about 10 nm to about 200 nm. If the thickness of the electrode layer deposited by the electron beam evaporation method is less than 10 nm may cause a problem of ohmic contact formation, if it exceeds 200 nm may cause a problem that the light transmittance is lowered.
  • the second electrode layer 42 of the present invention may take the form of being in contact with the second conductivity type semiconductor layer 24 while surrounding the first electrode layer 41.
  • the second electrode layer 42 may have a thickness of 10 to 200 nm. When the thickness of the second electrode layer 42 is less than 10 nm, the electrode layer deposited by the electron beam evaporation method may not be sufficiently covered, and when the thickness of the second electrode layer 42 exceeds 200 nm, light transmittance may decrease.
  • the p-type nitride semiconductor layer has a resistance of several ohms vertically and several hundreds of k ⁇ horizontally, so that no current flows in the horizontal direction, only the current flows in the vertical direction. Therefore, when the power is locally applied to the p-type nitride semiconductor layer, no current flows through the p-type semiconductor layer, so that the current flows to the p-type semiconductor layer with excellent conductivity and at the same time, the transparency is generated in the active layer. It may be desirable to form a transparent electrode using a transparent conductive material so that light can be transmitted through well.
  • the transparent electrode 40 including the transparent conductive material may have a thickness of 200 to 500 nm when considering the effect on the performance of the light emitting diode.
  • the light emitting diode according to the present invention having the structure as described above may further include a first electrode 43 and a second electrode 30 which are spaced apart from each other on the semiconductor optoelectronic structure.
  • the first electrode 43 may be a p-type electrode positioned on the transparent electrode, and the second electrode 30 may be disposed on the first conductive semiconductor layer 22 having a portion of the upper surface exposed by etching.
  • the n-type electrode may be spaced apart from the active layer 23 and the second conductive semiconductor layer 24.
  • the first electrode 43 and the second electrode 30 may also be used without particular limitation as long as they are commonly used in the art according to the type of light emitting diode.
  • the first and second electrodes may include a conductive material, and more specifically, a single metal such as Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag, Zn, or the like. Or an alloy thereof.
  • each of the first and second electrodes may independently have a single layer structure or a multilayer structure of two or more layers, and a plurality of first electrodes (or p-type electrodes) may be provided according to an electrode pattern for spreading current. It may be formed.
  • the first electrode (or p-type electrode) 43 is formed by sequentially depositing Ti / Au electrode layers
  • the second electrode (or n-type electrode) 30 includes one or more metal electrode layers 31, 32), and more preferably, the Ti / Al electrode layer 31 and the Ti / Au electrode layer 32 may be sequentially deposited.
  • the first electrode 43 and the second electrode 30 may each independently have a thickness of 100 to 200 nm.
  • the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode of the present invention comprises a sapphire substrate; A lower GaN layer positioned on the substrate; A gallium nitride based n-type semiconductor layer on the lower GaN layer; A gallium nitride based p-type semiconductor layer on the n-type semiconductor layer; An InGaN / GaN active layer interposed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer; And a transparent electrode including an electrode layer deposited by an electron-beam evaporator positioned on the p-type semiconductor layer and an electrode layer deposited by a sputtered method.
  • the InGaN / GaN active layer may include It may be an active layer including a multi-quantum well.
  • the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode of the present invention is characterized in that the transparent electrode in contact with the gallium nitride-based p-type semiconductor layer is an electrode layer deposited by an electron-beam evaporator and an electrode layer deposited by a sputtered method. Since it is to include, the known techniques that are applied to the gallium nitride-based high-efficiency light emitting diode in this field, except for the content specifically limited above and below can be employed without limitation in the present invention.
  • the gallium nitride based high efficiency light emitting diode of the present invention provides a very low sheet resistance of 24.2 ⁇ / sq and a low contact resistance of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ ⁇ cm 2.
  • the highly efficient light emitting diode using the electrode layer deposited by the electron-beam evaporator of the present invention and the electrode layer deposited by the sputtered method has a light transmittance characteristic of 450 nm which is a condition for utilizing as a transparent electrode.
  • the transparent electrode deposited only by the conventional electron beam evaporation method in the wavelength region it provides very high light transmittance of 93%, which is 8% higher, so it has excellent light transmittance not only in the visible region but also in the low wavelength (deep-UV) region. to provide.
  • a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode including an electrode layer deposited by an electron-beam evaporator and an electrode layer deposited by a sputtered method according to an embodiment of the present invention only by the conventional electron beam evaporation method Compared to the light emitting diode using the deposited transparent electrode, a high light output characteristic of 30% or more can be obtained.
  • the method includes depositing a first conductivity type semiconductor layer on a substrate; Depositing an active layer including multiquantum wells on the first conductivity type semiconductor layer; Depositing a second conductivity type semiconductor layer on the active layer; Depositing a patterned first electrode layer on the second conductivity type semiconductor layer by an e-beam evaporator; And depositing a second electrode layer on the first electrode layer by a sputtered method.
  • the method of manufacturing the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode may include depositing a lower GaN layer on a sapphire substrate; Forming an n-type semiconductor layer of gallium nitride based on the lower GaN layer; Forming an InGaN / GaN active layer on the n-type semiconductor layer; Forming a p-type semiconductor layer of gallium nitride based on the active layer; Depositing a patterned electron beam evaporation deposition electrode layer on the p-type semiconductor layer by an e-beam evaporator; And depositing a sputtered deposition electrode layer on the electron beam evaporation deposition electrode layer by a sputtering method.
  • the first electrode layer may have a thickness of 10 to 200 nm, and the first electrode layer may be formed in the form of a pattern, more preferably, a dot pattern having a hemispherical lens having a diameter of 1 to 10 ⁇ m. .
  • the thickness of the second electrode layer may be 10 to 200 nm.
  • the deposition of the first electrode layer and the second electrode layer may further comprise a step of heat-treating each electrode layer to manufacture a transparent electrode, the step of heat-treating the first and second electrode layer 300 to 300 in a nitrogen and oxygen atmosphere It may be carried out for 30 to 600 seconds at a temperature of 900 °C.
  • the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer may be manufactured according to a conventional method, and specifically, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD)
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • the first conductive semiconductor forming material, the active layer forming material, and the first conductive semiconductor forming material on the thermal conductive layer by using a method such as hydrogen vapor phase epitaxy (HVPE), MOCVD or molecular beam epitaxy (MBE). It can be produced by sequentially growing using each of the two conductive semiconductor forming materials.
  • HVPE hydrogen vapor phase epitaxy
  • MOCVD molecular beam epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the second electrode is spaced apart from the active layer and the second conductive semiconductor layer on the exposed first conductive semiconductor layer. Accordingly, after the semiconductor optoelectronic structure is formed to form the second electrode, an etching process of partially etching the active layer and the second conductive semiconductor layer to expose a portion of the first conductive semiconductor layer is performed.
  • the etching process may be performed according to a conventional method, and in the present invention, it may be performed using Mesa-dry etching (ICP-RIE).
  • ICP-RIE Mesa-dry etching
  • the manufacturing method may further include a step of forming a nitride semiconductor layer after the formation of the thermal conductive layer, if the light emitting diode further comprises a nitride semiconductor layer between the surface in contact with the thermal conductive layer under the first conductive semiconductor layer.
  • the method of forming the nitride semiconductor layer may be performed according to a conventional method of forming a semiconductor layer such as vapor deposition, and the material for forming the nitride semiconductor layer may be the same as described above.
  • the transparent electrode forming process may be performed according to a conventional method. Specifically, a process of depositing a patterned electrode layer on the patterned electrode layer by first depositing a transparent conductive material for forming a transparent electrode on an electron beam evaporation method. It can be carried out by depositing in the form of a thin film using a radio frequency magnetron sputtering system (RF magnetron sputtering system).
  • RF magnetron sputtering system radio frequency magnetron sputtering system
  • the transparent conductive material for forming a transparent electrode may be the same as described above.
  • first and second electrode forming processes may be performed.
  • the method of forming the first and second electrodes may be performed according to a conventional electrode forming method using the material for forming an electrode as described above.
  • the present invention is an electrode layer by heat treatment at 300 to 500 °C under a nitrogen atmosphere for the n-type gallium nitride layer which is the exposed first conductive layer and the p-type gallium nitride layer which is the second conductive layer formed on the n-type gallium nitride layer Simultaneously depositing a silver (Ag) -based material on the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer; And etching to expose the n-type gallium nitride layer on which the silver (Ag) -based material is deposited, to provide a method of manufacturing a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode.
  • the step of depositing a silver (Ag) material on the n-type gallium nitride layer and p-type gallium nitride layer by heat treatment in the nitrogen atmosphere at the same time generally uses a basic light emitting diode used for mass production, n-type gallium nitride of the light emitting diode
  • the layer and the p-type gallium nitride layer are deposited by heat-treating a silver (Ag) -based material having a thickness of 80 to 200 nm at a temperature of 300 to 500 ° C. for 30 to 90 seconds.
  • the thickness of the silver (Ag) -based material layer is less than 80 nm, the reflectivity may be reduced, and when it exceeds 200 nm, the mechanical properties of the light emitting diode may be reduced.
  • the heat treatment temperature is less than 300 ° C., deposition may not be performed properly.
  • the heat treatment temperature is higher than 500 ° C., physical properties of the gallium nitride-based light emitting diodes may be reduced.
  • Etching to expose the n-type gallium nitride layer on which the silver (Ag) -based material is deposited may be dry etched to a thickness of 0.2 to 2.0 ⁇ m, particularly preferably 0.5 to 1.0 ⁇ m.
  • the etch thickness is less than 0.1 ⁇ m is the etch thickness is insufficient to expose the n-type gallium nitride layer, If the thickness exceeds 2.0 ⁇ m, the carrier movement length gathered for carrier recombination is long, the efficiency of the gallium nitride-based light emitting diode is reduced Can be.
  • the carrier concentration of the exposed gallium nitride layer may be 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the present invention can provide a gallium nitride-based light emitting diode prepared according to the method described above.
  • the gallium nitride-based light emitting diode is an n-type gallium nitride layer, a multi-light-emitting well structure layer (Multi Quantum Wells, MQW), alumina gallium nitride layer and p-type gallium nitride layer on one side of the upper surface of the n-type gallium nitride layer
  • An ohmic contact may be formed by simultaneously depositing a silver (Ag) -based material on the other side of the n-type gallium nitride layer upper surface and the p-type gallium nitride layer of a conventionally mass-produced conventional light emitting diode.
  • the n-type gallium nitride layer preferably has a thickness of 1 ⁇ 10 3 to 4.3 ⁇ 10 3 nm.
  • the multi-quantum well structure (MQW) 80 to 100 nm is stacked, and the light-emitting layer and the barrier layer of the multi-luminescent well structure layer may be grown using InGaN and GaN, respectively.
  • the gallium nitride layer 30 to 50 nm is preferably laminated, and the p-type gallium nitride layer 60 to 80 nm is preferably laminated .
  • the thickness of the silver (Ag) -based material layer is less than 80 nm, the reflectivity may be reduced, and when it exceeds 200 nm, the mechanical properties of the light emitting diode may be reduced.
  • the etch thickness is less than 0.2 ⁇ m etch thickness is insufficient to expose the n-type gallium nitride layer, If the thickness exceeds 2 ⁇ m, the efficiency of the gallium nitride-based light emitting diode can be reduced.
  • the n-type gallium nitride layer on which the silver (Ag) material is deposited may be exposed by dry etching to a thickness of 0.2 to 2 ⁇ m, and particularly, the n-type gallium nitride layer may be etched to a thickness of 0.5 to 1.0 ⁇ m.
  • the present invention can simultaneously deposit the reflective electrodes of both the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer as Ag, thereby reducing the process of two or more steps compared to the prior art, thereby improving the price competitiveness, and the light emitting diode Efficiency can also be improved effectively.
  • the light emitting diode manufactured by the manufacturing method as described above forms an ITO layer formed by e-beam evaporator deposition and pattern between the transparent electrode and the p-type nitride semiconductor layer, thereby increasing the resistivity with the p-type nitride semiconductor layer without increasing the specific resistance.
  • the ohmic contact can be formed, and the electrical and optical characteristics of the transparent electrode can be improved to exhibit high light extraction efficiency. Accordingly, the light emitting diode is useful for LED lighting requiring high light output, such as TV, lighting, automobiles, and the like.
  • the light emitting diode is an optical device including a photodiode, a laser diode, a photodetector or a solar cell; Or an electronic device including a thin film transistor.
  • GaN was horizontally grown on the sapphire substrate to form a GaN thin film layer, and then n-GaN, MQW (Multi Quantum Well) and p-GaN were sequentially grown on the GaN thin film to manufacture a light emitting diode structure.
  • n-GaN, MQW (Multi Quantum Well) and p-GaN were sequentially grown on the GaN thin film to manufacture a light emitting diode structure.
  • an e- beam evaporator ITO-dot / sputtered ITO bilayer according to an embodiment of the present invention was adopted.
  • a radio-frequency magnetron sputtering system with a 100 W RF power on the patterned e- beam evaporator ITO-dot layer was followed by a temperature of 500 ° C., Ar: O 2 gas (ratio of 10: 2).
  • Ar O 2 gas
  • the rectangular mesa was about 0.6 ⁇ m thick using an inductively coupled plasma reactive ion etching system using conventional photolithography and dry etching methods.
  • Ti / Al / Ti / Au (30/70/30/70 nm) and ZnO TCEs were formed on the exposed n-GaN layer and the uppermost p-GaN layer, respectively, to form n-contact and p-contact.
  • Ti / Au (50/30 nm) probe pads were selectively deposited on the n- and p-contacts to produce light emitting diodes.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (FIG. 1) and a view from above (FIG. 2) of a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • ITO-e e-beam evaporator ITO film
  • e-beam evaporator e- beam deposition on the sapphire substrate (e -beam evaporator) by using a system temperature of 500 °C, Ar: O2 gas (10: 2 ratio) atmosphere, and 10 mTorr
  • rapid heating annealing was performed for 1 minute under a temperature of 550 ° C. in an oxygen atmosphere, and the thickness of the entire e-ITO transparent electrode layer was 300 nm.
  • a light emitting diode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the transparent electrode was manufactured.
  • FIGS. 3 and 4 are schematic views of gallium nitride-based light emitting diodes (FIGS. 3 and 4) using the electron beam deposition ITO of Comparative Example 1 as a transparent electrode.
  • the sputtered ITO film was fabricated using an RF magnetron sputtering system with an RF power of 100 W on a sapphire substrate under a temperature of 500 ° C., an Ar: O 2 gas (10: 2 ratio) atmosphere, and an operating pressure of 10 mTorr. After deposition for 6 minutes, rapid heating annealing was performed for 1 minute at a temperature of 550 ° C. in an oxygen atmosphere, and the thickness of the s-ITO transparent electrode layer was 100 nm.
  • a light emitting diode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the transparent electrode was manufactured.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the light transmittance of the transparent electrode film according to a preferred embodiment of the present invention and the electrode film of Comparative Example 1 and Comparative Example 2
  • Figure 6 is a transparent electrode film according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy, SEM) image of the structure of the transparent electrode film according to an embodiment of the present invention.
  • the light transmittance and sheet resistance ( R sh) measured in FIG. 5 were measured using a UV / VIS spectrometer (V-670EX) and a four-point probe system (CMT-SR1000N).
  • the e-ITO / s-ITO membrane of Example showed a transmittance of 93.1% in the wavelength range of 450 nm.
  • the e-ITO membrane of Comparative Example 1 showed a transmittance of 85.0%, which showed lower permeability than the Example of the present invention, and the s-ITO membrane of Comparative Example 2 showed a similar transmittance as the Example with a transmittance of 93.4%.
  • the transparent conductive film of the present invention exhibits high light transmittance not only in the blue wavelength ( ⁇ 450 nm) but also in the near-UV region (200-400 nm).
  • the sheet resistance values of Examples and Comparative Examples 1 and 2 were measured to be 24.2 ⁇ / sq, 12.7 ⁇ / sq, and 35.8 ⁇ / sq, respectively.
  • FIG. 7 shows an SEM image of the e-ITO / s-ITO bilayer of the example. This resulted in the formation of an interfacial void at the contact surface with p-GaN in the cross section (red square) of the ITO layer deposited only by sputtering method. In the cross section (blue square) of the ITO layer, it was confirmed that no damage occurred between the ITO and the p-GaN interface deposited by the electron beam evaporation, and it was determined that the ohmic contact was formed through this portion.
  • FIG. 8 is a graph showing optical characteristics of a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode according to another preferred embodiment of the present invention and Comparative Example 1 light emitting diode
  • FIG. 9 is a gallium nitride based on another preferred embodiment of the present invention.
  • 10 is a graph showing electrical characteristics of a high efficiency light emitting diode and a comparative example 1 light emitting diode
  • FIGS. 10 to 12 show electroluminescence of a gallium nitride based high efficiency light emitting diode and a light emitting diode of Comparative Example 1 according to another preferred embodiment of the present invention.
  • Electro-Luminescence (EL) spectra are graphs (FIG. 10), results for current spread lengths (FIG.
  • Figure 13 is an optical microscope (Optical Microscopy, OM) and confocal Scanning Electroluminescence Microscopy (CSEM) of a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode and a light emitting diode of Comparative Example 1 according to another preferred embodiment of the present invention Image.
  • CSEM confocal Scanning Electroluminescence Microscopy
  • FIG. 11 when a test pattern having a mesa area of 100 to 1,200 ⁇ m was manufactured to inject 5 mA of current, the light emission characteristics of the light emitting diode were visually confirmed.
  • FIG. 11 It is represented by the graph. 11 shows that the light emitting diodes of the Example showed even and strong light from the entire area, whereas the light emitting diode of Comparative Example 1 showed low efficiency of light emitted only at the mesa edges.
  • FIG. 8C As a result of calculating the current spreading length as shown in FIG. 8C, it was confirmed that the light emitting diode of the present invention had an excellent current spreading length of about 300 ⁇ m or more when 3V was injected. This was much higher than the 120 ⁇ m allowed for actual production.
  • the light emitting diodes of Example and Comparative Example 1 were manufactured with a chip of 500 ⁇ 500 ⁇ m 2 , and optical microscopy (OM) and confocal scanning electroluminescence microscopy (OM) under conditions of injecting 5 mA. , CSEM) was used to observe the local form of light.
  • OM optical microscopy
  • OM confocal scanning electroluminescence microscopy
  • CSEM confocal scanning electroluminescence microscopy
  • the gallium nitride-based high efficiency light emitting diode uses an ITO electrode deposited by a sputtered method having low resistance / high transmittance characteristics, but is sputtered used as a p-type GaN layer and a transparent electrode.
  • an ITO pattern layer deposited by an electron-beam evaporator is inserted between the ITO layers, it acts as a light extraction structure and a lens structure to emit light, and thus, ohmic in p-type GaN.
  • a gallium nitride-based high efficiency light emitting diode having a high current spreading effect as well as contact formation can be manufactured.
  • Ag layer was deposited on the n layer and p layer of the existing LED structure under the condition of 300 ° C., 400 ° C. and 500 ° C. at the same time under N 2 atmosphere, and then dry-etched to a thickness of 0.5 ⁇ m. Examples 2-1 to 2-3 was prepared.
  • a typical LED wafer of a conventional mass production level was used. After mesa etching, 30 nm / 80 nm of Ti / Al was deposited on an n layer, followed by heat treatment at 550 ° C. for 1 minute under an N 2 atmosphere, and the Ag layer was a p layer. It was prepared by evaporating to heat treatment at 500 °C under O 2 atmosphere.
  • Example 15 is a graph showing the ohmic contact-related electrical characteristics of the Example and Comparative Example, Example 2-3 is the most linear, it can be seen that the optimum ohmic is formed as the steep slope.
  • Example 2-1 to 2-3 After measuring the optical characteristics of Examples 2-1 to 2-3 using a wafer test structure consisting of a parametric analyzer (HP4156A) and a photodiode (883-UV) installed under the LED chip, the results are shown in FIG. The results of comparing the optical characteristics of Example 2-3 with Comparative Example 3 are shown in FIG. 17.
  • Examples 2-1 to 2-3 are examples of Examples 2-1 to 2-3, it can be seen that a more optimized Ag reflecting electrode by showing 90% reflectivity.
  • Example 17 is a graph illustrating optical characteristics of Example 3 and Comparative Example, and is an image after heat treatment through an optical microscope. Referring to FIG. 17, it can be seen that the surface of Example 2-3 is more smooth and bright, so that light can be reflected more effectively than the comparative example.
  • Example 2-3 shows a lower current flow than Comparative Example 3, it can be seen that the ohmic contact is successfully formed because the curve is linear and the contact resistance is 10 ⁇ 4 or less.
  • Example 2-3 was increased by 30% or more than the light output of Comparative Example 3, which is more excellent than the light emitting diode characteristics of Example 2-3 than the light emitting diode characteristics of Comparative Example 3 It can be seen that.
  • the gallium nitride based light emitting diode according to the present invention simultaneously deposits the reflective electrodes of the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer by using silver (Ag) material to reduce the process of two or more steps compared to the prior art, thereby improving price competitiveness.
  • silver (Ag) material to reduce the process of two or more steps compared to the prior art, thereby improving price competitiveness.
  • the light emitting diode electrical characteristics and optical characteristics can also be effectively improved.

Abstract

본 발명은 기판; 질화갈륨 계열의 제 1 도전형 반도체층; 질화갈륨 계열의 제 2 도전형 반도체층; 및 상기 제 1 도전형 반도체층과 상기 제 2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층; 상기 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 투명전극을 포함하며, 투명전극이 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 제 1 전극 층 및 스퍼터(sputter)로 증착된 제 2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 높은 광투과도와 낮은 면저항을 가질 수 있다.

Description

질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법
본 발명은 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 질화갈륨계 반도체(GaN) 기반의 발광 소자에 적용하기 위한 투명전극을 ITO(indium-tin oxide) 물질을 포함한 구조로 함으로써 광 출력을 향상시킨 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
고효율/고출력을 갖는 질화갈륨계 발광다이오드를 제작하기 위하여 수평형 구조의 발광다이오드가 가장 널리 사용되며 이에 대한 광범위한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 구조에 관한 가장 큰 이슈는 p형 GaN에 접촉시키는 물질에 대한 투명전극으로서의 활용도이며, 이러한 투명전극에 대한 전류퍼짐(current spreading) 효과, 낮은 접촉저항, 높은 광투과도 획득은 반드시 해결해야 할 중요한 과제로 인식되고 있다.
위와 같은 과제에 관한 선행기술(대한민국 특허 제2001-0002265호)로서 A12O3(ITO), 니켈/금(Ni/Au) 계의 물질 등을 활용하여 투명전극을 형성함으로써 저저항/고투과도 특성 및 고효율 특성을 갖는 발광 다이오드를 제조하려는 시도가 이루어진 바 있다.
그러나, 투명전극용 물질들은 전류밀집(current crowding) 효과로 인하여 소자면적 대비 광추출이 낮은 단점을 가지며, 특히, 200~400 nm 사이의 자외선 영역에서 급격한 광흡수로 인하여 투과도 특성이 저하되므로 낮은 파장(deep-UV)의 영역에서는 매우 취약한 것으로 확인되고 있다.
또한, 기존의 스퍼터링법(sputtered)으로 증착된 ITO는 이온데미지(ion-damage)로 인하여 p형 GaN에서의 오믹 접촉의 형성이 취약한 단점을 안고 있었다
따라서, 본 발명은 전류퍼짐(current spreading) 효과가 우수하며, 낮은 접촉저항을 제공하며, 및 가시광선 영역은 물론 낮은 파장(deep-UV)의 영역에서도 우수한 광투과율을 제공하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 기판; 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층; 질화갈륨 계열의 제 2 도전형 반도체층; 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층; 및 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 투명전극을 포함하며, 투명전극은 제 2 도전형 반도체층 표면에 접촉되는 도트(dot) 패턴의 제 1 전극층 및 도트 패턴의 제 1 전극층을 감싸면서 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 제 2 전극층을 포함하는 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드를 제공할 수 있다.
상기 제 1 전극층은 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 증착된 것이고, 제 2 전극층은 전극층은 스퍼터(sputter)로 증착된 것일 수 있다.
상기 제 1 전극층의 도트 패턴은 지름이 1 내지 10 ㎛ 크기이며, 두께는 10 내지 200 nm의 반구 렌즈 형태일 수 있다.
상기 제 2 전극층의 두께는 10 내지 200 nm일 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 기판 상에 제 1 도전형 반도체층을 증착하는 단계; 제 1 도전형 반도체층 상에 활성층을 증착하는 단계; 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층을 증착하는 단계; 제 2 도전형 반도체층 상에 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 패턴이 형성된 제 1 전극층을 증착하는 단계; 및 제 1 전극층 상에 스퍼터법(sputtered)으로 제 2 전극층을 증착하는 단계를 포함하는 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 발광다이오드의 제조방법은 질소 및 산소 분위기에서 300 내지 900 ℃ 의 온도로 30 내지 600초 동안 상기 투명전극을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고효율 발광다이오드의 제조방법은, 노출된 제1도전층인 n형 질화갈륨층 및 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 제2도전층인 p형 질화갈륨층에 대하여, 질소 분위기하에 300 내지 500℃에서 열처리하여 전극층으로서 은(Ag)계 물질을 동시에 상기 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층에 증착하는 단계; 및 상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법일 수 있다.
상기 은(Ag)계 물질의 두께는 80 내지 200nm인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계는, 0.2 내지 2㎛ 두께로 건식 식각하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 노출된 질화갈륨층의 캐리어 농도가 5×1019cm-3 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 제조된 질화갈륨계 발광다이오드를 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 전류퍼짐(current spreading) 효과 및 광추출 효과가 우수하며, 낮은 접촉저항을 나타내며, 가시광선 영역은 물론 낮은 파장(deep-UV)의 영역에서의 우수한 광투과율을 제공한다.
또한, 본 발명의 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법은 간단한 방법에 의해 상기와 같은 우수한 효과를 갖는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드를 제공하므로, 이 분야에서 매우 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
도 1 및 도 2는 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 모식도이다.
도 3 및 도 4는 비교예 1의 전자빔 증착 ITO를 투명전극으로 활용한 질화갈륨계 발광다이오드의 모식도이다.
도 5는 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막과 비교예 1 및 비교예 2의 전극막의 광투과도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막과 비교예 1의 전극막의 I-V커브를 통한 접촉저항을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막 구조의 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 이미지이다.
도 8은 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광 다이오드와 비교예 1 발광 다이오드의 광학적인 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드와 비교예 1 발광 다이오드의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도12는 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 비교예 1의 발광다이오드의 전자발광(Electro-Luminescence, EL) 스펙트럼의 그래프(도 10), 전류 퍼짐길이에 대한 결과값(도 11) 및 그래프(도12)이다.
도 13은 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 비교예 1의 발광다이오드의 광학현미경(Optical Microscopy, OM) 및 공초첨 주사전자형광현미경 (Confocal Scanning Electroluminescence Microscopy, CSEM) 이미지이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 발광다이오드의 단면도를 나타낸 것이다.
도 15는 실시예와 비교예의 n형 질화갈륨층의 오믹접촉 관련 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 16은 실시예 2-1 내지 2-3의 접촉 저항 및 반사도 특성을 나타낸 것이다.
도 17은 실시예 2-3과 비교예 3의 광학적 특성을 나타낸 것이다.
도 18은 실시예 2-3과 비교예 3의 p형 질화갈륨층의 오믹접촉 관련 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 19는 실시예 2-3과 비교예 3의 광 출력을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 질화갈륨 계열의 제 1 도전형 반도체층; 질화갈륨 계열의 제 2 도전형 반도체층; 및 상기 제 1 도전형 반도체층과 상기 제 2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층; 상기 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 투명전극을 포함하며, 상기 투명전극은 상기 제 2 도전형 반도체층 표면에 접촉되는 도트(dot) 패턴의 제 1 전극층 및 상기 도트 패턴의 제 1 전극층을 감싸면서 상기 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 제 2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드를 제공하는 기술에 관한 것이다.
도 1은 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 단면 모식도(도 1) 및 이를 위에서 바라본 모식도(도 2)이다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본원발명의 발광다이오드(100)의 구조를 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 발광다이오드(100)는 기판(10), 상기 기판 위에 위치하는 반도체 광전자 구조체(20) 및 투명전극(40)을 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 통상 반도체 기판으로서 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로는 상기 기판(10)은 반도체 단결정 성장용 기판일 수 있으며, 보다 구체적으로는 사파이어(sapphire), Al2O3, AlN, BN, GaAs, GaN, LiAlO2, LiGaO2, MgAl2O4, MgO, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 유리 등을 포함하는 기판일 수 있다.
일례로, 상기 기판(10)이 사파이어로 형성된 경우, 상기 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 요철상수가 13.001Å, a축 방향 향으로는 4.765Å의 요철 간 거리를 갖는 것일 수 있으며, 또 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 것일 수 있다. 이중에서도 사파이어 기판층의 C면의 경우 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로서 보다 바람직할 수 있다.
상기 기판(10)은 100 내지 600 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기한 범위 내의 두께를 가질 때 기판 위에 형성되는 발광다이오드에 대해 적절한 지지력을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 기판은 200 내지 400 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
또, 상기 발광다이오드(100)는, 전기에너지를 빛에너지로 변환하여 발광을 나타내거나, 또는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 하는 것으로, 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 발광다이오드(100)가 질소계 반도체 광전자 구조체(20)를 포함하는 경우, 상기 반도체 광전자 구조체(20)는 비도핑 반도체층(21), 제1도전형 반도체층(22), 활성층(23), 그리고 제2도전형 반도체층(24)이 순차로 적층된 다층 구조체일 수 있다.
상기 발광다이오드(100)에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층(22)은 제1도전형 불순물로 도핑된 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 질화물 반도체는 구체적으로는, AlxInyGa(1-x-y)N(이때, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, AlGaN 또는 InGaN 등일 수 있다. 또, 상기 질화물 반도체에 도핑되는 제1도전형 불순물은 n형 불순물일 수 있으며, 구체적으로는, Si, Ge, Se, 또는 Te 등일 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층(22)은 발광다이오드의 성능에 미치는 제1도전성 반도체층의 영향을 고려할 때, 1 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다.
또, 상기 발광다이오드(100)에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층(22) 위에 위치하는 활성층(23)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 양자우물층과 양자장벽층을 포함한다. 상기 반도체 광전자 구조체가 발광소자일 경우 활성층은 소정의 파장을 갖는 빛을 발산하고, 상기 반도체 광전자 구조체가 수광소자 또는 광기전력 발생소자일 경우에는 소정의 파장을 갖는 빛을 흡수한다. 따라서, 상기 활성층에서 발산되거나 흡수되는 빛의 파장은 활성층을 구성하는 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 발광다이오드(100)가 질소계 발광다이오드인 경우 상기 활성층(23)은 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지가 조절되도록 InxGa1-xN(0<x<1)등의 반도체 재료를 포함할 수 있다.
또, 상기 활성층(23)은 양자 장벽층과 양자 우물층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(multi-quantumn well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 상기 활성층은 InGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수 있고, AlGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수도 있다.
상기 활성층(23)은 발광다이오드의 성능에 미치는 활성층의 영향을 고려할 때, 0.1 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 반도체 광전자 구조체(20)에 있어서, 상기 활성층(23) 위에 위치하는 상기 제2도전형 반도체층(24)은 제2도전형 불순물로 도핑된 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 질화물 반도체는 구체적으로는, AlxInyGa(1-x-y)N(이때, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, InN, AlGaN, 또는 InGaN 등일 수 있다. 또, 상기 질화물 반도체에 도핑 되는 제2도전형 불순물은 p형 불순물로서, 구체적으로는 Mg, Zn, 또는 Be 등일 수 있다.
상기 제2도전성 반도체층(24)은 발광다이오드의 성능에 미치는 제2도전성 반도체층의 영향을 고려할 때, 0.01 내지 1 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 0.1 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층은 각각 n형 및 p형 반도체층으로 설명되었으나, 이와 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층일 수도 있다.
또, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층은 각각 독립적으로 단일층일 수도 있고, 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수도 있다.
또, 상기 발광다이오드(100)에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층(22)의 아래, 즉 기판과 접하는 제1도전형 반도체층의 면측에 질화물 반도체층(21)이 더 포함될 수도 있다.
구체적으로 상기 질화물 반도체(21)층은 AlxInyGa(1-x-y)N(이때, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)의 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, AlGaN, 또는 InGaN 등을 포함할 수 있다.
상기 질화물 반도체층(21)은 증착법 등 통상의 질화물 반도체층 형성 방법에 따라 형성될 수 있으며, 또, 반도체 광전자 구조체 내의 질화물 반도체
층, 구체적으로는 GaN 층내의 관통전압을 감소시킬 수 있도록 수평 성장한 질화물 반도체를 포함할 수도 있다.
상기 질화물 반도체층(21)은 그 형성에 따른 발광다이오드의 성능 개선 효과의 현저함을 고려할 때, 0.1 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다.
또, 상기한 반도체 광전자 구조체에서의 제2도전형 반도체층(또는 p형 질화물 반도체층)과 오믹 접촉을 형성하는 투명 전극(40)이 위치한다.
상기 투명전극(40)은 투명전극 상에 위치하는 제 1 금속전극(43) 또는 p형 전극을 통해 외부로부터 인가되는 전원이 제 2 도전형 반도체층(24)에 고르게 공급되도록 하는 역할을 한다.
본 발명의 제 1 전극층(41) 및 제 2 전극층(42)을 포함하는 투명전극(40)은 ITO, IZO, ZnO2, RuOx, TiOx, IrOx, SiO2, Al2O3 등의 투명전극 형성용 조성물을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 본 발명에서의 투명 도전성 물질은 13족 원소, 구체적으로는 인듐(In)이 도핑된 산화주석(Tin Oxide)(이하 ITO라 함)일 수 있다. 또, 상기 ITO는 구체적으로 SnO2에 In 또는 In2O3이 0.1 내지 5중량%, 혹은 0.1 내지 2중량%의 양으로 도핑된 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 투명전극(40)을 구성하는 제 1 전극층(41)은 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 전극층이고, 제 2 전극층(42)는 스퍼터(sputter)로 증착된 전극층일 수 있다.
본 발명의 제 1 전극층(41)은 포토리소그래피 공정을 활용하여 패터닝을 통해 형성할 수 있으며, 또한 상기 제 1 전극층(41)은 상기 제 2 도전형 반도체층(24) 표면에 접촉되는 도트(dot) 패턴의 형태를 띌 수 있다. 보다 바람직하게 상기 제 1 전극층(41)은 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM) 또는 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)를 기반으로 한 관찰결과 지름이 1 내지 10 ㎛ 크기인 반구 렌즈 형태의 도트 패턴을 형성할 수 있으며, 보다 바람직하게는 아주 납작한 형태의 반구 렌즈 형태의 도트 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 도트 패턴의 면적은 제 2 전극층(42)이 증착되는 면적의 1 내지 5 %만큼 형성될 수 있다.
상기 패턴의 지름이 1 ㎛ 미만이거나 패턴의 접촉면적이 1 % 미만인 경우에는 패턴 형성으로 인한 하이브리드 전극층 제조를 통한 오믹형성 효과가 줄어들 수 있고, 상기 패턴의 지름이 10 ㎛를 초과하거나 패턴의 접촉면적이 5 %를 초과하는 경우에는 전자빔 증발법으로만 전체 투명전극층을 증착한 ITO 전극층에 비해 높은 광투과도와 낮은 면저항 특성이 발현되지 못할 수 있다.
제 1 전극층(41)은 전자빔 증발법으로 증착된 전극층은 10 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 전자빔 증발법으로 증착된 전극층의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 오믹 접촉 형성에 대한 문제가 발생할 수 있고, 200 nm를 초과할 경우에는 광 투과도가 저하되는 문제점이 생길 수 있다.
본 발명의 제 2 전극층(42)은 상기 제 1 전극층(41)을 감싸면서 제 2 도전형 반도체층(24)에 접촉되는 형태를 띌 수 있다. 상기 제 2 전극층(42)은 10 내지 200 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제 2 전극층(42)의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 전자빔 증발법으로 증착된 전극층을 충분히 덮지 못할 수 있으며, 200 nm를 초과할 경우에는 광 투과도가 저하되는 문제점이 생길 수 있다.
통상 p형 질화물 반도체층은 수직으로는 수 Ω의 저항을 갖고, 수평으로 수백 ㏀의 저항을 갖기 때문에, 수평 방향으로는 전류가 흐르지 않고 수직 방향으로만 전류가 흐르게 된다. 따라서, p형 질화물 반도체층에 국부적으로 전원을 인가하게 되면 p형 반도체층 전체적으로 전류가 흐르지 않으므로, 우수한 전도성을 가져 p형 반도체층에 전체적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 동시에, 투명성을 가져 활성층에서 발생된 광이 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질을 이용하여 투명전극을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
상기한 투명 도전성 물질을 포함하는 투명전극(40)은 발광다이오드의 성능에 미치는 영향을 고려했을 때, 200 내지 500 nm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 발광다이오드는, 상기 반도체 광전자 구조체 위에 서로 이격되어 위치하는 제 1 전극(43) 및 제 2 전극(30)을 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 전극(43)은 투명전극 위에 위치하는 p형 전극일 수 있고, 상기 제 2 전극(30)은 식각에 의해 상면 일부가 노출된 제 1도전형 반도체층(22) 위에 상기 활성층(23) 및 제 2 도전형 반도체층(24)과 이격되어 위치하는 n형 전극일 수 있다.
상기 제 1 전극(43) 및 제 2 전극(30) 역시 발광다이오드의 종류에 따라 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 발광다이오드가 질소계 발광다이오드인 경우 상기 제 1 및 제 2 전극은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag, Zn 등의 금속 단체, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
또, 상기 제 1 및 제 2 전극은 각각 독립적으로 단층 구조 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있으며, 또, 상기 제 1 전극(또는 p형 전극)은 전류의 확산을 위한 전극 패턴에 따라 복수 개로 형성될 수도 있다.
보다 구체적으로는 상기 제 1 전극(또는 p형 전극)(43)은 Ti/Au 전극층이 순차적으로 증착된 것이고, 상기 제 2 전극(또는 n형 전극)(30)은 하나 이상의 금속전극층(31, 32)를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 Ti/Al 전극층(31) 및 Ti/Au 전극층(32)이 순차적으로 증착된 것일 수 있다.
상기 제 1 전극(43) 및 제 2 전극(30)은 각각 독립적으로 100 내지 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
보다 상세하게 본 발명의 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 사파이어(Sapphire) 기판; 상기 기판 상부에 위치하는 하부 GaN층; 상기 하부 GaN층 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 p형 반도체층; 상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층 사이에 개재된 InGaN/GaN 활성층; 상기 p형 반도체층 상에 위치하는 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 전극층 및 스퍼터법(sputtered)으로 증착된 전극층을 포함 하는 투명전극;을 포함할 수 있으며, 상기 InGaN/GaN 활성층은 다중양자우물(multi-quantum well)을 포함하는 활성층일 수 있다.
본 발명의 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 특징은 질화갈륨 계열의 p형 반도체층에 접촉되는 투명전극이 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 전극층 및 스퍼터법(sputtered)으로 증착된 전극층을 포함하는 것이 라는 점에 있기 때문에, 상기 및 하기에서 특별히 한정된 내용을 제외하고는 이 분야에서 질화갈륨계 고효율 발광다이오드에 관하여 적용되고 있는 공지의 기술들은 본 발명에 제한 없이 채용될 수 있다.
본 발명의 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 24.2 Ω/sq의 매우 낮은 면저항과 1.5x10-3Ω·㎠의 낮은 접촉 저항을 제공한다.
또한, 본원발명의 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 전극층 및 스퍼터법(sputtered)으로 증착된 전극층을 사용한 고효율 발광 다이오드는 투명전극으로 활용하기 위한 조건인 광 투과도 특성 역시 450 nm의 블루 파장 영역에서 기존의 전자빔 증발법으로만 증착한 투명전극과 비교하여 8% 더 높은 93%의 매우 높은 광투과율을 제공하므로 가시광선 영역뿐만 아니라 낮은 파장(deep-UV)의 영역에서도 우수한 광투과율을 제공한다.
또한, 최대 320 ㎛(3V)의 전류 퍼짐 길이를 가짐으로써 넓은 면적의 소자에서 전류밀집(current crowding) 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 증발법(electron-beam evaporator)으로 증착된 전극층 및 스퍼터법(sputtered)으로 증착된 전극층을 포함하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 기존의 전자빔 증발법으로만 증착한 투명전극을 활용한 발광 다이오드에 비해 30% 이상의 높은 광 출력 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 기판 상에 제 1 도전형 반도체층을 증착하는 단계; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 다중양자우물(multiquantum well)을 포함하는 활성층을 증착하는 단계; 상기 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층을 증착하는 단계; 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 패턴이 형성된 제 1 전극층을 증착하는 단계; 및 상기 제 1 전극 층 상에 스퍼터법(sputtered)으로 제 2 전극층을 증착하는 단계를 포함하는 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게 상기 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법은 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 하부 GaN층을 적층하는 단계; 상기 하부 GaN층 상에 질화갈륨 계열의 n형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 반도체층 상에 InGaN/GaN 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 질화갈륨 계열의 p형 반도체 층을 형성하는 단계; 상기 p형 반도체층 상에 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 패턴화 된 전자빔 증발 증착 전극층을 증착하는 단계; 및 전자빔 증발 증착 전극층 위에 스퍼터법(sputtered)으로 스퍼터링 증착 전극층을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극층의 두께는 10 내지 200 nm일 수 있으며, 상기 제 1 전극층은 패턴, 보다 바람직하게는 지름이 1 내지 10 ㎛ 크기인 반구 렌즈형태의 도트(dot)패턴의 형태로 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극층의 두께는 10 내지 200 nm일 수 있다.
상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층의 증착단계 이후 각각의 전극층을 열처리하는 단계를 더 포함하여 투명전극을 제조할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 전극층을 열처리하는 단계는 질소 및 산소 분위기에서 300 내지 900 ℃ 의 온도로 30 내지 600 초 동안 수행될 수 있다.
또, 상기 반도체 광전자 구조체에 있어서 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는, 유기 금속 화학 증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소 기상 증착법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), MOCVD 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE) 등의 방법을 이용하여 열전도층 상에서 제1도전형 반도체 형성물질, 활성층 형성물질, 및 제2도전형 반도체 형성물질을 각각 이용하여 순차적으로 성장시킴으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 제1도전형 반도체 형성물질, 활성층 형성물질, 및 제2도전형 반도체 형성물질은 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발광다이오드에 있어서, 제2전극은 상면 일부가 노출된 제1도전형 반도체층 위에 상기 활성층 및 제2도전형 반도체층과 이격되어 위치한다. 이에 따라 제2전극 형성을 위하여 상기 반도체 광전자 구조체의 형성 후에는 활성층 및 제2도전형 반도체층을 부분적으로 식각하여 제1도전형 반도체층의 일부를 노출시키는 식각 공정이 수행된다.
상기 식각 공정은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 메사-드라이 에칭법(Mesa-dry etching, ICP-RIE)을 이용하여 수행될 수 있다.
한편, 상기 제조방법은, 발광다이오드가 제1도전형 반도체층 아래 열전도층과 접하는 면 사이에 질화물 반도체층을 더 포함하는 경우에는 열전도층의 형성 후 질화물 반도체층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다. 이때 질화물 반도체층의 형성 방법은 증착 등 통상의 반도체층 형성방법에 따라 실시될 수 있으며, 이때 사용가능한 질화물 반도체층 형성용 물질은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 투명전극 형성공정은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있으며, 구체적으로는 투명전극 형성용 투명 전도성 물질을 1차로 전자빔 증발법으로 패턴화 된 전극층을 증착하는 공정 및 상기 패턴화 된 전극층 상에 2차로 라디오파 마그네트론 스퍼터링 장치(RF magnetron sputtering system)를 이용하여 박막의 형태로 증착시킴으로써 수행될 수 있다. 이때 사용되는 투명전극 형성용 투명 전도성 물질은 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
다음으로, 제1 및 제2 전극 형성 공정이 수행될 수 있다.
상기 제1 및 제2전극의 형성 방법은 앞서 설명한 바와 같은 전극 형성용 물질을 이용하여 통상의 전극 형성 방법에 따라 실시될 수 있다.
또한 본 발명은 노출된 제1도전층인 n형 질화갈륨층 및 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 제2도전층인 p형 질화갈륨층에 대하여, 질소 분위기하에 300 내지 500℃에서 열처리하여 전극층으로서 은(Ag)계 물질을 동시에 상기 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층에 증착하는 단계; 및 상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
상기 질소 분위기하에 열처리하여 은(Ag)계 물질을 동시에 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층에 증착하는 단계는 일반적으로 양산에 이용하는 기본적인 발광다이오드를 사용하며, 상기 발광다이오드의 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층에 80 내지 200nm 두께의 은(Ag)계 물질을 300 내지 500℃의 온도에서 동시에 30초 내지 90초 동안 열처리하여 증착하는 것이 바람직하다.
상기 은(Ag)계 물질층의 두께가 80nm 미만이면, 반사도가 감소할 수 있고, 200nm를 초과하면, 상기 발광다이오드의 기계적 물성이 감소할 수 있다.
상기 열처리 온도가 300℃ 미만이면, 증착이 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 500℃를 초과할 경우, 상기 질화갈륨계 발광다이오드의 물성이 감소할 수 있다.
상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계는 0.2 내지 2.0㎛ 두께로 건식 식각할 수 있으며, 특히, 0.5 내지 1.0㎛의 두께로 식각하는 것이 바람직하다. 상기 식각 두께가 0.1㎛ 미만은 상기 n형 질화갈륨층이 노출되기엔 부족한 식각 두께이며, 2.0㎛를 초과하면, 캐리어 재결합을 위해 모이는 캐리어 이동 길이가 길어져 상기 질화갈륨계 발광다이오드의 효율이 감소할 수 있다.
상기 노출된 질화갈륨층의 캐리어 농도가 5×1019cm-3 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 제조된 질화갈륨계 발광다이오드를 제공할 수 있다.
상기 질화갈륨계 발광다이오드는 n형 질화갈륨층, 상기 n형 질화갈륨층의 상부면 한쪽에 다중 발광 우물 구조층(Multi Quantum Wells, MQW), 알루미나질화갈륨층 및 p형 질화갈륨층이 순차적으로 적층되는 일반적으로 양산되는 종래의 발광다이오드의 상기 n형 질화갈륨층 상부면의 다른 쪽과 상기 p형 질화갈륨층에 은(Ag)계 물질을 동시에 증착하여 오믹 접촉을 형성할 수 있다.
상기 n형 질화갈륨층의 두께는 1×103 내지 4.3×103nm인 것이 바람직하다.
상기 다중 발광 우물 구조층(Multi Quantum Wells, MQW) 80 내지 100nm이 적층되는 것이 바람직하며, 상기 다중 발광 우물 구조층의 발광층 및 베리어층은 각각 InGaN과 GaN을 이용하여 성장시킬 수 있다.
상기 알루미나질화갈륨층 30 내지 50nm이 적층되는 것이 바람직하며, 상기 p형 질화갈륨층 60 내지 80nm을 적층하는 것이 바람직하다.
상기 n형 질화갈륨층 상부면의 다른 쪽 및 상기 p형 질화갈륨층에 은(Ag)계 물질 80 내지 200nm를 동시에 증착하여 오믹접촉을 형성하는 것이 바람직하며, 특히, 상기 은계 물질 100nm를 증착하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 은(Ag)계 물질층의 두께가 80nm 미만이면, 반사도가 감소할 수 있고, 200nm를 초과하면, 상기 발광다이오드의 기계적 물성이 감소할 수 있다.
상기 식각 두께가 0.2㎛ 미만은 상기 n형 질화갈륨층이 노출되기엔 부족한 식각 두께이며, 2㎛를 초과하면, 상기 질화갈륨계 발광다이오드의 효율이 감소할 수 있다.
상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 0.2 내지 2㎛ 두께로 건식 식각하여 노출할 수 있으며, 특히, 0.5 내지 1.0㎛의 두께로 식각하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층의 반사전극을 모두 Ag로 하여 동시에 증착 가능하므로 종래 기술보다 2단계 이상의 공정을 줄여 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 발광다이오드 효율 또한 효과적으로 향상킬 수 있다.
아울러 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 발광다이오드는 투명전극과 p형 질화물 반도체층 사이에 e-beam evaporator로 증착 및 패턴을 형성한 ITO층을 형성함으로써, 비저항 증가 없이 p형 질화물 반도체층과의 오믹접촉을 형성할 수 있고, 또 투명전극의 전기적, 광학적 특성이 향상됨으로써 높은 광 추출 효율을 나타낼 수 있다. 이에 따라 상기 발광다이오드는 TV, 조명, 자동차 등과 같이 높은 광 출력이 요구되는 LED 조명 등에 유용하다.
구체적으로, 상기 발광다이오드는 광 다이오드, 레이저 다이오드, 광검출 소자 또는 태양 전지를 포함하는 광소자; 또는 박막 트랜지스터를 포함하는 전자 소자 일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 실시예 1]
사파이어 기판 위에 MOCVD 방법으로 GaN을 수평성장시켜 GaN 박막층을 형성하고, 이어서, GaN 박막층 위에 n-GaN, MQW(Multi Quantum Well) 및 p-GaN를 순차적으로 성장시켜 발광다이오드 구조체를 제조하였다.
투명전극으로는 본원발명의 일 실시예에 따른 e-beam evaporator ITO-dot/sputtered ITO 이중막을 채택하여 사용하였다.
우선 p-GaN 위에 e-빔 증착기(e-beam evaporator)로 5 ㎛ x 5 ㎛ 크기의 반구 렌즈 형태의 ITO 패턴을 전체 접촉면적의 2 %만큼 형성되도록 500℃의 온도, Ar:O2 가스(10:2의 비율) 분위기, 및 10 mTorr의 작동압력 하에서 6분간 증착시킨 후, 질소 분위기하에 700 ℃에서 5분동안 급속 열처리하여 소성시켜 100 nm 두께의 패턴화 된 e-beam evaporator ITO-dot층을 제조하였다.
이어서 패턴화 된 e-beam evaporator ITO-dot층 위에 100W의 RF 파워를 갖는 라디오파 마그네트론 증착기(radio-frequency magnetron sputtering system)를 사용하여 500 ℃의 온도, Ar:O2 가스(10:2의 비율) 분위기, 및 10 mTorr의 작동압력 하에서 6분간 증착시킨 후, 산소 분위기의 550 ℃의 온도 하에서 1분 동안 급속 가열 어닐링을 수행하여 100 nm 두께의 스퍼터법으로 증착된 ITO층을 제조하여, 최종적으로 본원발명의 일 실시예에 따른 e-beam evaporator ITOdot/sputtered ITO 이중막(e-ITO/s-ITO)을 제조하였다.
통상의 포토리소그래피법과 건식 에칭방법을 이용한 유도결합형 플라즈마 반응성 이온식각장치(inductively coupled plasma reactive ion etching system)를 이용하여 rectangular mesa를 두께 약 0.6㎛ 정도로 하였다. 다음으로 Ti/Al/Ti/Au (30/70/30/70 nm) 및 ZnO TCEs를 노출된 n-GaN층 및 최상위 p-GaN 층위에 각각 형성하여 n-접촉 및 p-접촉을 형성하였다. 마지막으로, Ti/Au (50/30nm) 프르브 패드를 n- 및 p-접촉부 위에 선택적으로 증착시켜 발광다이오드를 제조하였다.
도 1은 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 단면 모식도(도 1) 및 위에서 바라본 모식도(도 2)이다.
[ 비교예 1]
e-beam evaporator ITO 막(e-ITO)은 사파이어 기판 위에 e-빔 증착기(e-beam evaporator) 시스템을 사용하여 500 ℃의 온도, Ar:O2 가스(10:2의 비율) 분위기, 및 10 mTorr의 작동압력 하에서 10분간 증착시킨 후, 산소 분위기의 550℃의 온도 하에서 1분 동안 급속 가열 어닐링을 수행하였으며, 전체 e-ITO 투명전극층의 두께는 300 nm였다.
투명전극의 제조방법을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여 발광 다이오드를 제조하였다.
도 3 및 도 4는 비교예 1의 전자빔 증착 ITO를 투명전극으로 활용한 질화갈륨계 발광다이오드(도 3 및 4)의 모식도이다.
[ 비교예 2]
sputtered ITO 막(s-ITO)은 사파이어 기판 위에 100W의 RF 파워를 갖는 RF마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 500 ℃의 온도, Ar:O2 가스(10:2의 비율) 분위기, 및 10 mTorr의 작동압력 하에서 6분간 증착시킨 후, 산소 분위기의 550 ℃의 온도 하에서 1분 동안 급속 가열 어닐링을 수행하였으며, s-ITO 투명전극층의 두께는 100 nm였다.
투명전극의 제조방법을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여 발광 다이오드를 제조하였다.
[ 실험예 1] 전자빔 증발증착 및 진공증착 전극막 형성 및 물성 평가
상기 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따른 발광 다이오드의 제조 시 투명전극으로 사용되는 전극막의 물성을 평가하기 위해 투과도, 접촉저항 및 SEM 이미지를 통해 표면의 오믹접촉을 관찰하였다.
도 5는 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막과 비교예 1 및 비교예 2의 전극막의 광투과도 측정결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막과 비교예 1의 전극막의 I-V커브를 통한 접촉저항을 나타낸 그래프이며, 도 5는 본원발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명전극막 구조의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 이미지이다.
도 5에서 측정된 광투과율 및 면저항값(Rsh)은 UV/VIS 분광기(V-670EX) 및 4 탐침 장치(four-point probe system, CMT-SR1000N)를 사용하여 측정되었다. 실시예의 e-ITO/s-ITO 막은 450 nm의 파장범위에서 93.1 %의 투과도를 보였다. 비교예 1의 e-ITO 막은 85.0 %의 투과도를 보여 본원발명의 실시예 보다 낮은 투과도를 보였으며, 비교예 2의 s-ITO 막은 93.4 %의 투과도로 실시예와 비슷한 투과도를 보였다. 그리고 본원발명의 투명전도막은 blue 파장(~450nm)은 물론 near-UV 영역(200~400 nm)에서도 높은 광투과도를 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 및 비교예 1 내지 2의 면저항값이 각각 24.2 Ω/sq, 12.7 Ω/sq 및 35.8 Ω/sq인 것을 측정하였다.
도 6과 같이 실시예와 비교예 1의 투명전극막의 전기적 특성을 분석한 결과, I-V 커브에서 선형 커브를 보였으며, 이를 통해 실시예의 접촉저항 값은1 x 10- 3Ω·㎠의 낮은 값을 얻음을 확인하였다. 실시예의 경우, 비교적 낮은 면 저항값과 접촉저항 값을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 오믹이 형성되었음을 확인하였다.
도 7은 실시예의 e-ITO/s-ITO 이중막의 SEM 이미지를 나타내었다. 이를 통해 스퍼터링법으로만 증착된 ITO층의 단면(붉은 사각형)에서는 p-GaN와의 접촉면에 공동(interfacial void)이 형성되는 것을 발견할 수 있었으며, 반구 렌즈 형태의 전자빔 증발증착된 ITO층 위에 스퍼터링 증착된 ITO층의 단면(파란 사각형)에서는 전자빔 증발증착한 ITO와 p-GaN 계면 사이에 데미지가 발생하지 않음을 확인하였고, 이 부분을 통해 오믹접촉이 형성되었음을 판단할 수 있었다.
[ 실험예 2] 전자빔 증발증착 및 진공증착 전극막을 포함하는 발광 다이오드의 성능 평가
상기 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따른 발광 다이오드의 광학적인 특성, 전기적인 특성 및 광추출 특성을 평가하기 위해 아래와 같은 성능평가를 실시하였다.
도 8은 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드와 비교예 1 발광 다이오드의 광학적인 특성을 나타낸 그래프이고, 도 9는 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드와 비교예 1 발광 다이오드의 전기적 특성을 나타낸 그래프이며, 도 10 내지 도 12은 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 비교예 1의 발광다이오드의 전자발광(Electro-Luminescence, EL) 스펙트럼의 그래프(도 10), 전류 퍼짐 길이에 대한 결과값(도 11) 및 그래프(도 12)이다. 도 13은 본원발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 및 비교예 1의 발광다이오드의 광학현미경(Optical Microscopy, OM) 및 공초첨 주사전자형광현미경 (Confocal Scanning Electroluminescence Microscopy, CSEM) 이미지이다.
도 8과 같이 실시예의 발광다이오드와 비교예 1의 발광다이오드의 발광특성을 비교한 결과, 실시예의 e-ITO/s-ITO 이중막을 투명전극으로 사용하여 수평형 발광 다이오드 LED 소자를 제조한 경우, 비교예 1의 e-ITO막을 투명전극으로 사용한 LED에 비해 32.8 %만큼 광특성이 개선된 것을 확인할 수 있었다.
도 9와 같이 실시예의 발광다이오드와 비교예 1의 발광다이오드의 I-V 커브를 통해 전기적인 특성을 분석한 결과, 전기적인 특성 또한 실시예는 3.75V의 출력을 보여 비교예 1의 3.7 V 값과 비교하였을 때 양호한 수준을 보였다.
도 10에서는 실시예와 비교예 1의 발광 다이오드의 전자발광 특성을 발광 파장에 따른 강도 스펙트럼을 통해 분석하였다. 실시예의 발광 다이오드(파란색 점선)의 경우, 약 30 % 이상 강한 발광특성을 보였으며, 이는 시각적으로도 비교예(검은색 실선)에 비해 밝은 것을 확인할 수 있었다.
도 11에서는 메사면적이 100 내지 1,200 ㎛인 시험패턴을 제작하여 5 mA의 전류를 주입하였을 때, 발광 다이오드의 발광특성을 시각적으로 확인하였고, 도 12에서는 이를 주입전압에 대한 전류 퍼짐 길이를 변수로 하여 그래프로 환산하여 나타내었다. 도 11를 통해 실시예의 발광다이오드는 전 면적에서 빛이 고르고 강하게 나오는 것에 반해, 비교예 1의 발광 다이오드는 메사 가장자리에서만 빛이 나오는 낮은 효율을 보임을 알 수 있었다. 또한, 도 8c와 같이 전류퍼짐 길이를 계산해 본 결과, 본원발명의 발광다이오드는 3 V를 주입했을 시에 약 300 ㎛ 이상의 우수한 전류 퍼짐 길이를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실제 양산에 허용되는 120 ㎛를 훨씬 웃도는 높은 수치였다.
도 13에서는 실시예와 비교예 1의 발광다이오드를 500 x 500㎛2의 칩으로 제조하여 5 mA를 주입하는 조건에서 광학현미경(Optical Microscopy, OM)과 공초첨 주사전자형광현미경 (Confocal Scanning Electroluminescence Microscopy, CSEM)으로 관찰한 결과를 통해 국부적으로 빛이 어떠한 형태로 나오는지 관찰하였다. 실시예의 발광 다이오드의 경우에는 전자빔 증발증착한 렌즈 형태의 반구패턴(dot)을 중심으로 빛이 매우 강하게 나오는 것을 확인할 수 있었으며, 비교예 1의 발광 다이오드의 경우에는 전 면적을 통해 본원발명의 다이오드보다 비교적 약한 빛이 발광되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 고효율 발광다이오드는 저저항/고투과도 특성을 갖는 스퍼터링법(sputtered)으로 증착된 ITO 전극을 사용하되, p형 GaN층과 투명전극으로 사용되는 sputtered ITO층 사이에 패터닝 공정을 통한 전자빔 증발(electron-beam evaporator)로 증착된 ITO 패턴층을 삽입한 구조를 채택함으로써, 빛을 방출하기 위한 광 추출구조 및 렌즈 구조로 작용하여 p형 GaN에서의 오믹 접촉 형성은 물론 높은 전류 퍼짐 효과를 갖는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드를 제조할 수 있다.
[ 실시예2 ]
기존의 LED 구조의 n층과 p층에 Ag층을 N2 분위기하에 각각 300℃, 400℃, 500℃의 조건으로 동시에 증착한 후, 0.5㎛ 두께로 건식 식각하여 실시예 2-1 내지 2-3을 제조하였다.
[ 비교예3 ]
비교예로 기존 양산 수준의 전형적인 LED 웨이퍼를 사용하였으며, 메사 에칭 후 30nm/80nm의 Ti/Al을 n층에 증착 후 N2 분위기하에 550℃에서 1분간의 열처리를 진행하였으며, Ag층은 p층에 증착하여 O2 분위기하에 500℃에서 열처리하여 제조하였다.
[ 실험예 3] n형 질화갈륨층과 Ag층의 접촉으로 인한 전기적 특성
LED 칩 아래에 설치된 매개 변수 분석기(HP4156A)와 포토 다이오드(883-UV)로 이루어진 웨이퍼 테스트 구조를 사용하여 실시예 2-1 내지 2-3 및 비교예 3의 n형 질화갈륨층과 Ag층의 접촉으로 인한 전기적 특성을 측정한 후, 그 결과를 도 15에 나타내었다.
상기 도 15는 실시예와 비교예의 오믹접촉 관련 전기적 특성을 나타낸 그래프로, 실시예 2-3이 가장 linear하며, 기울기도 steep한 것으로 보아 최적의 오믹이 형성된 것을 알 수 있다.
[ 실험예 4] Ag층의 광학적 특성
LED 칩 아래에 설치된 매개 변수 분석기(HP4156A)와 포토 다이오드(883-UV)로 이루어진 웨이퍼 테스트 구조를 사용하여 실시예 2-1 내지 2-3의 광학적 특성을 측정한 후, 그 결과를 도 16에 나타내었으며, 실시예 2-3과 비교예 3의 광학적 특성을 비교한 결과를 도 17에 나타내었다.
상기 도 16는 실시예 2-1 내지 2-3의 접촉 저항 및 반사도 특성을 나타낸 그래프로, 90%의 반사도를 보임으로써 더욱 최적화된 Ag 반사 전극을 확보한 것을 확인할 수 있다.
상기 도 17은 실시예 3과 비교예의 광학적 특성을 나타낸 그래프로, 광학 현미경을 통한 열처리 후의 이미지이다. 상기 도 17을 참조하면, 실시예 2-3의 표면이 더 매끈하고 밝은 것으로 보아 비교예보다 더욱 효과적으로 빛을 반사할 수 있음을 확인할 수 있다.
[ 실험예 5] p형 질화갈륨층과 Ag층의 접촉으로 인한 전기적 특성
실시예 2-3과 비교예 2의 p형 질화갈륨층과 Ag층의 접촉으로 인한 전기적 특성을 측정한 후, 그 결과를 도 18에 나타내었다.
상기 도 18을 참조하면, 실시예 2-3이 비교예 3보다 낮은 전류의 흐름을 보이나, 커브가 linear하고 접촉 저항 역시 10-4 이하인 것으로 보아 오믹 접촉이 성공적으로 형성되었음을 알 수 있다.
[ 실험예 6] 발광다이오드의 광 출력
실시예 2-3과 비교예의 광 출력을 측정한 후, 그 결과를 도 19에 나타내었다.
상기 도 19를 참조하면, 실시예 2-3의 광 출력이 비교예 3의 광 출력보다 30% 이상 증가하였으며, 이는 실시예 2-3의 발광다이오드 특성이 비교예 3의 발광다이오드 특성보다 더욱 우수한 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르는 질화갈륨계 발광다이오드는 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층의 반사 전극을 모두 은(Ag)계 물질로 하여 동시에 증착하여 종래 기술보다 2단계 이상의 공정을 줄여 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 발광다이오드 전기적 특성 및 광학적 특성 또한 효과적으로 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판;
    질화갈륨 계열의 제 1 도전형 반도체층;
    질화갈륨 계열의 제 2 도전형 반도체층;
    상기 제 1 도전형 반도체층과 상기 제 2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층; 및
    상기 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 투명전극을 포함하며,
    상기 투명전극은 상기 제 2 도전형 반도체층 표면에 접촉되는 도트(dot) 패턴의 제 1 전극층 및 상기 도트 패턴의 제 1 전극층을 감싸면서 상기 제 2 도전형 반도체층에 접촉되는 제 2 전극층을 포함하는 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극층은 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 증착된 것이고, 상기 제 2 전극층은 전극층은 스퍼터(sputter)로 증착된 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극층의 도트 패턴은 지름이 1 내지 10 ㎛ 크기이며, 두께는 10 내지 200 nm의 반구 렌즈 형태인 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 전극층의 두께는 10 내지 200 nm인 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드.
  5. 기판 상에 제 1 도전형 반도체층을 증착하는 단계;
    상기 제 1 도전형 반도체층 상에 활성층을 증착하는 단계;
    상기 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층을 증착하는 단계;
    상기 제 2 도전형 반도체층 상에 전자빔 증발법(e-beam evaporator)으로 패턴이 형성된 제 1 전극층을 증착하는 단계; 및
    상기 제 1 전극층 상에 스퍼터법(sputtered)으로 제 2 전극층을 증착하는 단계를 포함하는 것인 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2전극층을 증착하는 단계 이후 질소 및 산소 분위기에서 300 내지 600℃ 의 온도로 30 내지 600초 동안 상기 제1전극층 및 제2전극층을 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서
    상기 고효율 발광다이오드의 제조방법은,
    노출된 제1도전층인 n형 질화갈륨층 및 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 제2도전층인 p형 질화갈륨층에 대하여, 질소 분위기하에 300 내지 500℃에서 열처리하여 전극층으로서 은(Ag)계 물질을 동시에 상기 n형 질화갈륨층과 p형 질화갈륨층에 증착하는 단계; 및
    상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 은(Ag)계 물질의 두께는 80 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 은(Ag)계 물질이 증착된 n형 질화갈륨층을 노출하기 위해 식각하는 단계는,
    0.2 내지 2㎛ 두께로 건식 식각하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 노출된 질화갈륨층의 캐리어 농도가 5×1019cm-3 이하인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 고효율 발광다이오드 제조방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 제조된 질화갈륨계 고효율 발광다이오드.
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