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KR101393353B1 - 발광다이오드 - Google Patents

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KR101393353B1
KR101393353B1 KR1020070108686A KR20070108686A KR101393353B1 KR 101393353 B1 KR101393353 B1 KR 101393353B1 KR 1020070108686 A KR1020070108686 A KR 1020070108686A KR 20070108686 A KR20070108686 A KR 20070108686A KR 101393353 B1 KR101393353 B1 KR 101393353B1
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light emitting
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김대원
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Abstract

n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 투명전극층을 포함하는 발광다이오드가 개시된다. 개시된 발광다이오드는, p형 반도체층과 상기 투명전극층 사이에 개재되는 터널층과, 상기 터널층을 상측으로 노출시키도록 상기 투명전극층에 형성된 개구부와, 상기 개구부 내에 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector)과, 상기 개구부 내의 DBR을 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 전극패드를 포함한다.
DBR, 터널층, 발광다이오드, 투명전극층, n형, p형, 반도체층, 활성층

Description

발광다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광다이오드, 특히, 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전극패드 부근의 개선을 통해, 전류 확산 효율과 광의 추출 효율을 보다 향상시킨 발광다이오드에 관한 것이다.
발광다이오드는 전류 인가에 의한 P-N 반도체 접합(P-N junction)에 의해 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 광전변환소자이다. 일 예로, 기판 위에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 차례대로 형성된 GaN계열의 발광다이오드가 공지되어 있다. p형 반도체층 상에는 투명전극층이 형성되고, 그 투명전극층 위로 p형의 전극패드가 형성된다. 또한, 활성층 및 그 위의 p형 반도체층 일부가 제거되어, n형 반도체층 일부가 상측으로 노출될 수 있는데, 이 경우, 노출된 n형 반도체층의 상부 영역에는 n형의 전극패드가 형성된다.
위와 같은 발광다이오드에 있어서, 투명전극층은, 그 위에 형성되는 전극패드와 함께 전극으로서의 기능을 하는 부분임과 동시에 광의 방출이 주로 이루어지는 부분이다. 따라서, 투명전극층은 우수한 전기적 특성과 광 방출을 저해하지 않는 특성이 요구된다. 투명전극층으로, Ni/Au 층과 ITO(인듐 주석 산화물)층이 공지 되어 있는데, Ni/Au층은 우수한 전기적 특성을 갖는 반면 가시광선에 대한 투과성이 낮다는 단점이 있다. 또한, ITO층은 가시광선의 투과율이 90% 이상으로 광의 투과성의 우수하다는 장점을 갖지만 전기적인 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
종래의 발광다이오드의 한 예로, 투명전극층(특히, ITO층) 일부를 식각하여 개구부를 형성하고, 그 개구부를 통해, p형의 전극패드가 p형 반도체층과 접촉되도록 한 것이 있다. 이와 같은 종래의 발광다이오드는, 오믹콘택(ohmic contact)을 위해, 고농도의 p형 불순물이 도핑된 p형 터널층(p++)을 p형 반도체층 상에 형성하며, 따라서, p형 전극패드는 p형 터널층과 접촉한다.
전술한 종래의 발광다이오드는, p형 전극패드 바로 아래쪽으로 전류의 흐름이 편중되어 투명전극층 상에서 전류가 넓게 확산되지 못하는 문제점이 있다. 이는, p형 전극패드와 p형 터널층이 직접 접촉되는 구조에 기인하며, 활성층에서의 전자와 정공의 재결합율을 감소시켜 발광효율을 저해하는 원인이 될 수 있다. 또한, 종래의 발광다이오드는, p형 전극 패드에 의한 광의 흡수 및 그에 의한 광 손실이 많다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는, p형 전극패드 아래에, 광의 흡수 및 그에 의한 광 손실을 줄일 수 있고, 자신의 주변으로 광을 확산시킬 수 있는 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 구비한 발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 투명전극층을 포함하는 발광다이오드가 제공된다. 상기 발광다이오드는, 상기 p형 반도체층과 상기 투명전극층 사이에 개재되는 터널층과, 상기 터널층 또는 그 아래의 p형 반도체층을 상측으로 노출시키도록 상기 투명전극층에 형성된 개구부와, 상기 개구부 내에 형성되는 DBR과, 상기 개구부 내의 DBR을 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 전극패드를 포함한다. 이때, 상기 발광다이오드는 질화갈륨계인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 전극패드의 측면부는 상기 투명전극층의 상기 개구부 내측면과 접하고, 상기 전극패드의 바닥부는 상기 DBR과 접한다.
바람직하게는, 상기 터널층은 n형 불순물이 고농도로 도핑된 n형 터널층(n++)이다.
바람직하게는, 상기 투명전극층은 ITO층이다.
바람직하게는, 상기 발광다이오드는, 상기 활성층의 하단면에 형성되는 하부 DBR을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, DBR이 전극패드로 향하는 광을 높은 반사 효율로 반사시킴으로써, 전극패드의 광 흡수에 의한 광 손실을 최소화하며, 이에 의해, 광의 추출 효율을 높이는 효과가 있다. 또한, 본 발명은, 전극패드로부터 p형 반도체층 또는 그 위의 터널층으로 전류가 직접 흐르는 것을 차단하여, 투명전극층에서의 전류 확산 효율을 높이고, 이에 의해, 발광다이오드의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예예 따른 DBR의 구조를 확대 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 발광다이오드(1)는, 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성되는 n형 반도체층(220), 활성층(240) 및 p형 반도체층(260)을 포함한다. 상기 활성층(240)은 상기 n형 반도체층(220)과 상기 p형 반도체층(260) 사이에 개재되며, 상기 p형 반도체층(260)의 상면에는 투명전극층(320)이 형성된다. 또한, 상기 활성층(240)과 상기 p형 반도체층(260)의 일부가 제거되어, 상기 n형 반도체층(220)의 일부가 상측으로 노출될 수 있다. 상기 투명전극층(320)의 상면에는 p형 전극패드(340)가 형성되고, 상기 n형 반도체층(220)의 상면에는 n형 전극패드(440)가 형성될 수 있다.
기판(100)은 사파이어(Al2O3) 기판이거나 사파이어 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판일 수 있다. 상기 기판(100) 상에는 상기 n형 반도체층(200)과의 사이에 격자 부정합을 완화하기 위한 버퍼층(210)이 형성될 수 있다. 상기 기판(100) 상에 형성되는 반도체층들은 GaN계열인 것이 바람직하며, 상기 버퍼층(210)은 AlN, GaN일 수 있다.
상기 활성층(240)은 상기 n형 반도체층(220)의 일부 영역 위에 한정적으로 형성되며, 상기 활성층(240) 위로는 p형 반도체층(260)이 형성된다. 따라서, 상기 n형 반도체층(220)의 상면 일부 영역은 활성층(240)과 접해있고, 상면의 나머지 일부 영역은 전술한 p형 반도체층(260) 및 활성층(240)의 부분적인 제거에 의해 상측으로 노출된다. 상기 p형 반도체층(260) 상측의 투명전극층(320)으로는, 가시광선의 투과율이 좋은 인디움-주석 산화물로 이루어진 ITO 투명전극층이 이용된다.
상기 n형 반도체층(220)은 n형의 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 p형 반도체층(260)은 p형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, p형 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 n형 반도체층(220)은 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있으며, p형 반도체층(260)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.
또한, 활성층(240)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 활성층(240)을 이루는 물질의 종류에 따라 추출되는 광의 파장이 결정된다. 상기 활성층(240)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤ 1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, ITO 투명전극층(320)과 그 아래의 p 반도체층(260) 사이에는 터널층(310)이 형성된다. 상기 터널층(310)은 ITO 투명전극층(320)과 p형 반도체층(260) 사이에 오믹콘택이 형성되도록 해준다. 이때, 터널층(310)은 n형 불순물이 고동도로 도핑된 n++ 터널층으로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 터널층(310)의 물질로서, n++ In1-xAl1-yGa1-zN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)을 이용한다.
또한, 상기 ITO 투명전극층(320)에는 상기 터널층(310) 일부를 상측으로 노출시키는 개구부(342)가 형성된다. 상기 개구부(342)는 상기 ITO 투명전극층(320)의 일부분을 식각하는 것에 의해 형성된다. 상기 식각을 위해서, 개구부(342)가 형성될 자리를 제외한 나머지 투명전극층(320)을 예를 들면, PR(photoresist) 등의 마스크 재료로 가린 후 , 그 개구부(342)에 상응하는 부분을 제거하는 식각 공정이 수행되며, 그 식각 공정은 습식 또는 건식 식각일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 개구부(342)가 상기 터널층(310) 일부를 노출시키지만, 상기 식각에 의한 상기 개구부(342)에 형성에 의해, 상기 터널층(310) 아래의 p형 반도체층(260)이 상기 개구부(342)에 의해 상측으로 노출되는 것도 고려될 수 있을 것이다.
또한, 상기 개구부(342) 내에는 DBR(Distributed Bragg Reflector; 330)이 소정의 높이로 형성된다. 상기 DBR(330)은 상기 터널층(310)의 상면에서 상기 개구 부(342)를 소정 높이로 채우면서 형성된 것이다. 상기 DBR(330)은 그 바닥면이 상기 터널층(310) 상면에 접하고, 그 상면은 ITO 투명전극층(320) 상에 형성된 p형 전극패드(340)와 접한다. 상기 전극패드(340)는, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등의 금속재질 또는 탄소나노튜브가 이용될 수 있다.
위와 같은 전극패드(340)는, 상기 개구부(342) 내부에서, 자신의 바닥면이 상기 DBR(330)의 상면과 접하고, 상기 개구부(342)의 내측면에서는 상기 ITO 투명전극층(320)과 접한다. 더 나아가, 상기 전극패드(340)는 상기 개구부(342)의 외부에서도 상기 ITO 투명전극층(320)과 접해 있다.
상기 DBR(330)은, 상기 전극패드(340)와 상기 터널층(310) 사이에서, 그 전극패드(340)로부터 터널층(310)으로 직접 전류가 흐르는 것을 차단하여, ITO 투명전극층(320)에서 넓은 전류 확산을 가능하게 한다. 또한, 상기 DBR(330)은, 전극패드(340)를 이루는 금속보다 광 반사율이 훨씬 큰 구조를 가져, 전극패드(340)에 의한 광 흡수 및 그에 의한 광의 손실을 최소화시킨다. 전극패드(340) 아래쪽에 전류 확산 기능을 부여한 발광다이오드는 본 출원인에 의해 등록된 특허등록 제10-0721515호에 개시되어 있으며, 이 문헌은 참조로써 본 명세서의 일부로 병합된다.
λ가 광의 파장이고 n이 매질의 굴절율이고, m을 홀수라 할 때, 상기 DBR(330)은, mλ/4n의 두께로 교대로 적층하여 특정 파장대(λ)의 광에서 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있는 반도체 적층 구조로 이루어진다. 상기 DBR(330)은 발진 파장보다 밴드갭 에너지가 커서 광의 흡수가 잘 일어나지 않으며, DBR(330)의 층 들(즉, 매질들) 사이의 굴절율을 크게 하는 것에 의해 반사율을 보다 크게 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 DBR(330)은 저굴절율층(330a)과 고굴절율층(330b)의 적층구조가 연속적으로 반복 적층된 구조로 이루어진다. 이때, 상기 저굴절율층(330a)과 고굴절율층(330b)은 기준 파장의 λ/4 두께를 갖는다. 상기 저굴절율층(330a)과 상기 고굴절율층(330b)의 물질로는 여러 가지가 고려될 수 있지만, 바람직하게는, 저굴절율층(330a)으로, 굴절율 1.4의 SiO2 또는 굴절율 1.6의 Al2O3가 이용되고, 고굴절율층(330b)으로, 굴절율 2 이상의 Si3N4 또는 TiO2를 이용하거나 굴절율 3 이상의 Si-H가 이용된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예의 발광다이오드(1)는, 개구부(342) 내에서 전극패드(340)와 터널층(310) 사이에 형성된 DBR(330; 이하 "상부 DBR"이라 함)을 포함하는 한편, 활성층(240)의 하단면에 형성된 DBR(230; 이하 "하부 DBR"이라 함)을 더 포함한다. 상기 하부 DBR(230)의 구조는, 도 2를 참조로 하여 설명된 상부 DBR(330)의 구조와 같거나 거의 유사하므로, 그 구체적인 구조에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 발광다이오드(1)에 있어서, 활성층(240)으로부터 발생한 화살표 A로 표시된 광과, 상부 DBR(330)에 의해 반사된 화살표 B로 표시된 광이 상기 하부 DBR(230)에 의해 반사되어 상측으로 향한다. 이때, 하부 DBR(230)은, 자신의 높은 반사율에 의해 발광다이오드의 광 추출 효율을 높여주며, 또한, 광이 기판 아래쪽의 반사물질에 의해 반사되던 기존 발광다이오드에 비해, 발광다이오드 내에서 광의 이동 거리를 줄일 수 있고, 이에 의해서도, 발광다이오드이드의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드(1)를 도시한 도면으로서, 투명전극층(320)에 개구부(342)가 형성되고, 상기 개구부(342) 내에 전극패드(340)가 형성되되, 상기 전극패드(340)의 바닥면은 p형 반도체층(260) 상에 형성된 채 전극패드(340)와 오믹콘택이 가능한 층(330')와 접해 있다. 상기 층(330')은 n형 불순물이 고농도로 도핑된 n++층이거나, 언도프트(undoped) InGaN일 수 있다. 이때, 앞선 실시예들에서 개구부(342) 내에 위치하는 것으로 설명된 DBR은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 발광다이오드의 DBR 구조를 설명하기 위한 확대 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 단면도.

Claims (8)

  1. n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 투명전극층을 포함하는 발광다이오드로서,
    상기 p형 반도체층과 상기 투명전극층 사이에 개재되는 터널층;
    상기 터널층 또는 그 터널층 아래의 상기 p형 반도체층을 상측으로 노출시키도록 상기 투명전극층에 형성된 개구부;
    상기 개구부 내에 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector); 및
    상기 개구부 내의 DBR을 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 전극패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극패드의 측면부는 상기 투명전극층의 상기 개구부 내측면과 접하고, 상기 전극패드의 바닥부는 상기 DBR과 접하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 터널층은 n형 불순물이 고농도로 도핑된 n형 터널층(n++)인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 투명전극층은 ITO층인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 활성층의 하단면에 형성되는 하부 DBR을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 발광다이오드는 질화갈륨계인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 DBR은 저굴절률층 및 고굴절률층이 반복된 적층구조를 가지는 발광 다이오드.
  8. 제1 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 투명전극층을 포함하는 발광다이오드로서,
    상기 투명전극층에 형성된 개구부;
    상기 개구부 내에 일부가 채워지도록 형성되는 전극패드; 및
    상기 p형 반도체층 상에 형성되고, 상기 개구부 내에서 상기 전극패드와 접촉하는 n형 불순물을 포함하는 제2 n형 반도체층 또는 언도프트 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
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