KR100794121B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 질화갈륨층과, n형 하부 접촉층과, 장벽층 및 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 활성층과, p형 상부 접촉층과, n형 전극과, p형 전극을 포함하여 이루어지는 III-V 질화물계 발광 다이오드에 있어서 질화갈륨층 또는 n형 하부 접촉층은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 광결정 구조를 질화갈륨층 또는 n형 하부 접촉층에 형성함으로써 광결정 구조를 가지면서도 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있고 광추출 효율을 증가시킬 수 있고, 활성층이나 p형 질화갈륨 박막이 건식 식각에 의한 데미지를 입는 것을 방지할 수 있다.

발광 다이오드, 광결정 구조, 광추출 효율

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략도들;

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 질화갈륨층에 광결정 구조를 형성한 경우의 전자현미경 사진들;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드에 형성된 광결정 구조를 나타낸 개략도;

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 질화갈륨층 또는 n형 하부 접촉층에 0.1㎛ 깊이로 광결정을 형성하였을 때의 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프; 및

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 의해 광추출 효율이 증가하는지를 여부를 확인하기 위한 Full wave시뮬레이션 결과이다.

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 광결정 구조를 가지는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적인 발광 다이오드의 경우 내부양자 효율은 거의 100% 에 이르지만( I. Schnitzer 외 4명, Appl. Phys. Lett. 78, 3379) 실제 소자 밖으로 나오는 외부양자효율은 3~30% 이하이다(M. G. Craford, Semiconductor and semimetals, 64 (Academic press, 2000)). 이것은 다중양자우물 구조에서 생성된 빛이 소자 밖으로 나올 때 소자와 공기사이의 계면에서 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사에 기인한다. 이러한 물리적인 현상으로 인해 종래의 발광 다이오드에서의 광추출 효율은 매우 낮다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, p형 질화갈륨에 마스크없이 비선택 식각공정을 통하여 표면거칠기를 형성시켜 윗면으로 진행하는 빛이 거친 표면에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다. 그리고 p형 질화갈륨을 마스크를 사용하여 건식 식각하여 돌출부를 형성시킴으로써 윗면으로 진행하는 돌출부에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다.

또한, 미국 특허 US6,842,403호에서는 발광 다이오드의 p형 질화갈륨 표면에 주기적인 굴절률의 차이를 줌으로써 포토닉 밴드갭이 형성된 광결정을 만들어줌으로써 빛이 질화갈륨화합물의 내부에 갇히는 빛의 모드를 바꾸어 주어 빛이 안에 갇히지 않고 밖으로 빠져나올 수 있게 하여 빛의 광추출 효율을 향상시킬 뿐 아니라 발광 다이오드 측면에서 나오는 빛을 제어할 수 있도록 하였다. 하지만 실제로 이 런 구조를 응용한 논문 Appl. Phys. Lett 87, 203508(2005)에 따르면 그 구조는 p형 질화갈륨 박막을 식각하여야 하기 때문에 p형 오믹층을 형성시키는 면적이 작아져서 시리즈 저항이 커지는 문제를 보고하고 있다. 그리고 X. A. Cao는 p형 박막을 건식 식각할 때 플라즈마 데미지에 의해 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되는 문제점을 보고하였다(Appl. Phys. 75, 2569 (1999)). 이는 반도체 발광다이오드의 오믹 전극 형성 및 전류의 균일한 주입시 문제점을 야기할 수 있으며 소자의 발광 효율을 감소시킬 수 있다. 한편, 그 구조들은 광결정을 오직 p형 질화갈륨에 형성하였기 때문에 측면에 갇히는 빛을 꺼낼 수 있는 공간도 오직 p형 질화갈륨 박막의 두께에 국한되므로, 실제 광추출 효율의 증가는 크지 않다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광결정 구조를 가지면서도 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있고 광추출 효율을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 다이오드는: 도핑되지 않은 질화갈륨층과, n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 상기 질화갈륨층 상에 형성되는 하부 접촉층과, Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장 벽층 및 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 상기 하부 접촉층의 소정영역 상에 형성되는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 상부 접촉층과, 상기 하부 접촉층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 상부 접촉층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지되, 상기 질화갈륨층 또는 상기 n형 하부 접촉층은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 질화갈륨층 및 상기 n형 하부 접촉층은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하여도 좋다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략도들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100)과, 도핑되지 않은 질화갈륨으로 이루어진 버퍼층(200)과, 도핑되지 않은 질화갈륨층(300)과, n형 하부 접촉층(400)과, Al-질화갈륨으로 된 n형 클래드층(500)과, 활성층(600)과, Al-질화갈륨으로 된 p형 클래드층(700)과, p형 상부 접촉층(800)과, n형 전극(910) 및 p형 전극(920)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 기판(100)과 버퍼층(200)은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 후 제거할 수 있으며, n형 클래드층(500) 및 p형 클래드층(700)은 생략되어질 수 있다. n 형 클래드층(500)과 p형 클래드층(700)은 질화갈륨과 Al_xGa_{1 - x}N(0 ≤ x ≤ 1)으로 이루어진 초격자층으로 형성할 수도 있다.

기판(100)으로는 질화갈륨, SiC, GaAs, Si, ZnO 등을 사용할 수 있고, 현재 일반적으로 사파이어가 주로 사용되고 있다. 이러한 이유는 사파이어 위에 성장한 질화갈륨 박막의 결정성이 양호하고 경제적이기 때문이다.

버퍼층(200) 및 질화갈륨층(300)은 Ga_{1 -x-y}In_xAl_yN(0 ≤ x,y ≤1, x+y<1)로 이루어지며 기판(100) 상에 순차적으로 형성된다. 하부 접촉층(400)은 n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)으로 이루어지며 질화갈륨층(300) 상에 형성되고, 활성층(600)은 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층과 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 하부 접촉층(400)의 소정영역 상에 형성된다. n형 클래드층(500)을 가지는 경우에는 n형 클래드층(500)이 하부 접촉층(400) 상의 소정영역 상에 형성되고, 그 n형 클래드층(500) 상에 활성층(600)이 형성된다. 상부 접촉층(800)은 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 활성층(600) 상에 형성된다. p형 클래드층(700)을 가지는 경우에는 p형 클래드층(700)이 활성층(600) 상의 소정영역 상에 형성되고, 그 p형 클래드층(700) 상에 상부 접촉층(800)이 형성된다. n형 전극(910)은 하부 접촉층(400)에 있어서 활성층(600) 또는 n형 클래드층(500)과 활성층(600)이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되고, p형 전극(920)은 상부 접촉층(800) 상에 형성 된다. 이 때, 본 발명은 n형 하부 접촉층(400)의 하부에 위치된 도핑되지 않은 질화갈륨층(300), n형 하부 접촉층(400), 또는 그 질화갈륨층(300) 및 n형 하부 접촉층(400)이 포토닉 밴드갭이 형성되는 광결정 구조(320, 420)를 가지는 것을 특징으로 한다. 광결정 구조(320, 420)는 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열로 형성될 수 있다. 광결정이란 굴절률이 빛의 파장 정도의 간격으로 주기적으로 배열된 구조를 일컫는다. 광결정의 형성 방법은 E-beam 리소그라피를 이용하는 방법, 레이져 광의 홀로그램을 이용하는 방법 및 나노 임프린트를 이용하는 방법이 있다. 이외에도 수백 nm 직경의 작은 구들의 자체결합(self assembly) 방법에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다.

이하에서, 도 1을 참조하여 나노 임프린트를 이용하여 도핑되지 않은 질화갈륨층(300)에 광결정을 형성하는 방법을 설명한다.

먼저, 기판(100) 상에 LP-MOCVD (low pressure metal oganic chemical vapor deposition)를 이용하여 버퍼층(200) 및 평평한 1차 질화갈륨층(310)을 순차적으로 형성한다.

다음에, 1차 질화갈륨층(310) 상에 실리콘옥사이드(SiO₂) 또는 산화금속물(ITO, ZnO 등)을 형성하고 형성된 산화물층에 Cr 등의 메탈층을 형성한 후 나노 임프린트 마스크를 형성한다. 그리고 그 마스크를 이용하여 유도형 플라즈마(inductively coupled plasma) 반응기에서 Cl₂ 또는 BCl₃ 가 포함된 가스로 질화갈륨층 표면을 건식 식각하여 광결정 구조(320)를 형성한다.

이어서, 광결정 구조(320)가 형성된 1차 질화갈륨층 상에 도핑되지 않은 2차 질화갈륨층(330)을 형성한다. 이 때, LP-MOCVD 방법으로 2차 질화갈륨층(330)을 형성하며, LP-MOCVD 이외에 스퍼터링, PECVD 등의 방법이 활용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 질화갈륨층에 광결정 구조를 형성한 경우의 전자현미경 사진들이다. 도 3의 (a)는 1차 질화갈륨층에 광결정 구조가 형성된 상태의 평면 사진이고, 도 3의 (b)는 광결정 구조가 형성된 1차 질화갈륨층 상태의 단면 사진이며, 도 3의 (c)는 광결정 구조가 형성된 1차 질화갈륨층 상에 LP-MOCVD에 의해 n형 상부 접촉층이 형성된 상태의 단면 사진이다.

도 3을 참조하면, 광결정 구조 상에 2차 질화갈륨층 및 하부 접촉층이 잘 형성되고 있음을 알 수 있다.

n형 하부 접촉층에 광결정 구조를 형성하는 방법 또한 같으므로, 이하에서 도 2를 참조하여 간단하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 먼저 1차 n형 하부 접촉층(410)을 형성하고, 임프린트 공정과 에칭 공정을 통해 하부 접촉층에 광결정 구조(420)를 형성한 다음, 광결정 구조(420)가 형성된 1차 하부 접촉층 상에 2차 n형 하부 접촉층(430)을 형성한다. n형 하부 접촉층(400)은 LP-MOCVD로 형성한다.

한편, n형 하부 접촉층에 광결정 구조를 형성하는 경우에는 광결정 구조 상에 바로 활성층을 형성할 수도 있다.

광결정 구조는 기판의 굴절률과 공기의 주기적인 결합 및 기판의 굴절률과 공기 이외에도 산화물이나 금속의 결합 등 굴절률이 다른 무기물 또는 유기물을 무 기물 또는 유기물을 사용하여 형성할 수도 있는 데, 그 방법은 다음과 같다.

굴절률이 1.46의 산화물인 SiO₂를 n형 하부 접촉층(410) 위에 형성시킨 후 나노 임프린트 공정 및 식각 공정으로, 도 2의 도면번호 420과 같은, 산화물에 의한 주기적인 패턴을 형성시킨 다음 다시 LP-MOCVD로 패턴 안에 질화 갈륨층 및 2차 n형 하부 접촉층(430)을 형성하면, 산화물과 질화갈륨간의 주기적인 결합에 의한 내부 광결정 구조를 형성시킬 수 있다. 이처럼 질화갈륨층과 공기층의 주기적인 결합 이외에도 굴절률이 질화갈륨층과 산화물의 광결정 형성이 가능하고 또한 상기의 방법을 이용하여 산화물과 산화물, 질화갈륨층과 유기물, 유기물과 유기물 등의 조합에 의한 광결정 형성도 가능하다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드에 있어서, 녹색, 청색 및 자외선 발광을 위한 다중양자 우물구조로는 우물층으로 질화인듐갈륨층이 이용되고 장벽층으로 질화갈륨이 이용된다. 이것은 질화인듐갈륨의 밴드갭이 인듐의 도핑양에 의해 0.7(적외선)에서 가시광선을 포함하고 3.4eV(자외선)까지 변화할 수 있기 때문이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드에 형성된 광결정 구조를 나타낸 개략도이다.

도 4에서, 빗금친 부분은 질화갈륨층을 나타내며 흰색 원형 모양의 홀은 공기를 나타내고, a는 홀 사이의 거리 즉 주기를 나타내며 r은 홀의 반지름을 나타낸다. 광결정 구조에 있어서 홀의 모양은 도 4에 도시된 원형에만 국한되는 것이 아 니고 다각형으로 형성될 수도 있다. 한편, 유기물 또는 무기물을 이용하여 광결정 구조를 형성하는 경우에는 홀 부분이 공기로 채워지는 것이 아닌 유기물이나 무기물이 채워지게 되어 포토닉 밴드갭이 형성되게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 질화갈륨층 또는 n형 하부 접촉층에 0.1㎛ 깊이로 광결정을 형성하였을 때의 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프이다.

도 5에서, Frequency는 주기(a)/발광파장(λ) 을 나타내며 Ratio은 반지름(r)/주기(a)로 나타낸다. 그리고 초록색 선은 빛의 TE 모드와 TM 모드에 의해서 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타내고 빨간색 선은 TE 모드에 의해 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타낸다. 도 5에 의하면, 기판에 일정한 주기의 공기구멍을 형성하였을 때 측면으로 갇힌 빛이 빠져 나올 수 있는 포토닉 밴드갭이 잘 형성되었음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 의해 광추출 효율이 증가하는지를 여부를 확인하기 위한 Full wave시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션의 방법으로는 genetic algorism을 적용한 finite difference time domain 계산툴을 이용하였고 이로써 광결정이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 광추출 효율 증가의 결과를 예측할 수 있었다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 경우에는 빛이 발광 다이오드 내부에서 공기로 수직성분과 수평성분 각각 도파되는 빛을 보여주고 있다. 그림에서 보듯이 광결정이 내부에 형성된 발광 다이오드의 경우 수직성분으로 도파하 는 빛의 양이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 값을 정량적으로 측정했을 때 광결정이 없는 구조(b)에 비해 본 발명에 의할 경우 광추출 효율이 2~3배 이상 증가하고 있음을 하단의 그래프를 통해 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 광결정 구조를 질화갈륨층 또는 n형 하부 접촉층에 형성함으로써 광결정 구조를 가지면서도 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있고 광추출 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 활성층이나 p형 질화갈륨 박막이 건식 식각에 의한 데미지를 입지 않으므로 종래 발광 다이오드의 전기적 및 광학적 특성이 나빠지는 문제를 해결할 수 있고 또한 고효율 및 고출력 발광 소자를 구현할 수 있다.

본 발명에 대한 기술적 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이것은 본 발명의 실시예를 예시적으로 설명한 것이므로 그 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 도핑되지 않은 질화갈륨층 또는 하부 접촉층에 광결정 구조를 포함한 질화갈륨계 발광 다이오드의 경우에는 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백하다.

Claims (7)

1. 도핑되지 않은 질화갈륨층과, n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 상기 질화갈륨층 상에 형성되는 하부 접촉층과, Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층 및 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 상기 하부 접촉층의 소정영역 상에 형성되는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 상부 접촉층과, 상기 하부 접촉층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 상부 접촉층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지되,

   상기 질화갈륨층은

   1차 질화갈륨층;

   상기 1차 질화갈륨층에 무기물 또는 유기물을 사용하여 형성된 광결정 구조; 및

   상기 1차 질화갈륨층에 형성된 광결정 구조 상에 형성된 2차 질화갈륨층을 구비한 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조는 포토닉 밴드갭이 형성되는 직사각형 배열 또는 육각형 배열인 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조에 있어서 홀의 모양은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 질화갈륨층은 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.

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