상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 질화물계 발광다이오드는, 절연기판 상에 형성되는 n형 질화물 반도체층와, 상기 n형 질화물 반도체층의 소정 영역 상에 순차적으로 적층되는 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층와, 상기 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 표면 상에 형성되는 n형 전극과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 p형 전극을 구비하며; 상기 p형 전극은, 상기 p형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성되는 반사막과, 상기 반사막을 포함하여 상기 p형 질화물 반도체층의 표면을 덮도록 형성되는 투명전극과, 상기 반사막의 상부에 위치하도록 상기 투명전극 상에 형성되는 와이어 접촉전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 질화물계 발광다이오드는, 절연기판 상에 형성되는 n형 질화물 반도체층와, 상기 n형 질화물 반도체층의 소정 영역 상에 순차적으로 적층되는 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층와, 상기 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 표면 상에 형성되는 n형 전극과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 p형 전극을 구비하며; 상기 p형 전극은, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 상의 소정 영역에 형성되는 반사막과, 상기 반사막 상에 형성되는 와이어 접촉 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법은, 절연 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 n형 질화물 반도체층이 노출되도록 상기 p형 질화물 반도체층 및 발광 활성층을 순차적으로 식각하는 단계와; 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계와; 상기 p형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 반사막을 형성하는 단계와; 상기 반사막을 포함하여 상기 p형 질화물 반도체층의 표면을 덮는 투명전극을 형성하는 단계와; 상기 반사막 상부에 위치하도록 상기 투명전극 상에 와이어 접촉전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법은, 절연 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 발광 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 n형 질화물 반도체층이 노출되도록 상기 p형 질화물 반도체층 및 발광 활성층을 순차적으로 식각하는 단계와; 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계와; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계와; 상기 투명전극 상의 소정영역에 반사막을 형성하는 단계와; 상기 반사막 상에 와이어 접촉 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 및 그 제조방법에 있어서, 상기 투명전극은 백금, 니켈, 금, 또는 팔라디움(Pd)으로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 반사막은 알루미늄, 금, 또는 은(Ag)으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 와이어 접촉 전극은 니켈층 및 금층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 바람직하다. 그리고, 상기 반사막은 1~1000Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, (0001) 사파이어 기판(10) 상에는 GaN 핵생성층(20)이 형성되어 있으며, GaN 핵생성층(20) 상에는 n형 GaN층(32)이 형성되어 있다. 그리고, n형 GaN층(32)의 소정 영역 상에는 발광 활성층(40) 및 p형 GaN층(34)이 순차적으로 적층되어 형성되어 있다. 여기서, 발광 활성층(40)은 GaN층 및 InGaN층이 번갈아 적층되어 이루어진다.
발광 활성층(40) 및 p형 GaN층(34)이 형성되지 않은 n형 GaN층(20) 상에는 Ti층 및 Al층이 순차적으로 적층된 n형 전극(64)이 형성되어 있다. 그리고, p형 GaN층(34) 상에는 반사막(52), 투명전극(54) 및 와이어 접촉 전극(62)으로 이루어지는 p형 전극(50)이 형성되어 있다. 여기서, 반사막(52)은 p형 GaN층(34) 상의 소정 영역에 1~1000Å의 두께로 형성되며, 알루미늄으로 이루어진다. 반사막(52)은 알루미늄 이외에 금, 또는 은으로 이루어질 수도 있다. 그리고, 투명전극(54)은 반사막(52)을 포함하여 p형 GaN층(34)의 표면을 덮도록 형성되며, 백금으로 이루어진다. 투명전극(54)은 백금 이외에 니켈, 금 또는 팔라디움으로 이루어질 수도 있다. 와이어 접촉 전극(62)은 반사막(52)의 상부에 위치하도록 1 ~ 10000Å의 두께로 투명전극(54) 상에 형성되며, 니켈층 및 금층이 순차적으로 적층되어 이루어진다.
발광 활성층(40)에서 발광되어 나오는 가시광선 영역의 빛은 반사막(52)에 의해 반사되어 다시 발광 활성층(40)으로 보내지게 되고, 이러한 방법으로 보내어진 빛에 의해서 발광 활성층(40)에서 여분의 전자와 정공이 생성되게 되고, 이렇게 생성된 전자와 정공이 재결합하여 발광함으로써 발광다이오드의 발광효율이 증가하게 된다.
이와같이 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 와이어 접촉 전극(62)에서 광이 흡수되는 것이 반사막(52)에 의하여 방지되기 때문에 발광효율이 좋을 뿐만 아니라, 반사막(52)에 의하여 반사된 빛이 발광 활성층(40)의 발광에 다시 관여하기 때문에 발광효율이 더욱 크게 증가하게 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1과의 차이점은 투명전극(54)과 반사막(52)의 상하 위치가 뒤바뀌었다는 것이다. 구체적으로, p형 GaN층(34) 상에 바로 투명전극(54)이 형성되며, 반사막(52)은 투명전극(54) 상의 소정영역에 형성되고, 반사막(52) 상에 바로 와이어 접촉 전극(62)이 형성된다는 점이 도 1과의 차이이다. 본 발명의 제2 실시예의 구조에 따르더라도, 제1 실시예의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 질화물계 발광다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a는 GaN 핵생성층(20), n형 GaN층(32), 발광 활성층(40), 및 p형 GaN층(34)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 먼저, 500℃에서 (0001) 사파이어 기판(10) 상에 GaN 핵생성층(20)을 300Å의 두께가 되도록 형성한다. 그 다음에, 1020℃에서 1.5㎛ 두께의 n형 GaN층(32)을 형성하고, GaN층 및 InGaN층이 번갈아 적층된 구조를 갖는 발광 활성층(40)을 1500Å의 두께로 형성한다. 그리고,발광 활성층(40) 상에 p형 GaN층(34)을 0.25㎛의 두께로 형성한다.
여기에서 각각의 층들은 유기금속증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 형성하며, 이 때 갈륨, 인듐 및 질소의 소스원료로는 트리메틸갈륨(trimethylgallium: TMGa), 트리메틸인듐(trimethylindium: TRIn) 및 암모니아(NH3)를 각각 사용하였다.
도 3b는 n형 전극(64)과 p형 전극(50)을 형성하여 도 1의 질화물계 발광다이오드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 먼저, 유도결합형 플라즈마(inductivly coupled plasma) 반응기에서, 메탄(CH4)/염소(Cl2)/수소(H2)/아르곤(Ar)의 공급유량을 8/30/8/16 sccm, 압력을 10mTorr, 온도를 10℃, ICP 출력을 1000W, 그리고 RF 테이블 출력을 100W로 하여, n형 GaN층(32)이 4000Å의 두께만큼 식각될 때까지 p형 GaN층(34), 발광 활성층(40) 및 n형 GaN층(32)을 건식 식각하여 단차부를 형성한다.
다음에, 식각되어 노출된 n형 GaN층(32) 표면에 전자빔 증착법으로 Ti 및 Al을 300Å 및 800Å의 두께 만큼 각각 증착하여 Ti\Al으로 이루어지는 n형 전극(64)을 형성한 후에, 본 발명이 특징부인 p형 전극(50)을 형성한다.
p형 전극(50)을 형성하는 방법을 구체적으로 설명하면, 먼저, p형 GaN층(34) 상의 소정영역에 전자빔 증착법으로 Al을 80Å의 두께로 증착하여 반사막(52)을 형성한다. 반사막(52)은 400~500nm의 파장범위를 가지는 빛을 90% 이상 반사하기만 하면, Al 이외에 금 또는 은으로 형성하여도 무방하다. 그리고, 그 두께는 1~1000Å의 범위 내라면 무방하다.
다음에, 반사막(52)을 포함하여 p형 GaN층(34)의 표면을 덮도록 백금(Pt)을 80Å의 두께만큼 증착하여 투명전극(52)을 형성한다. 여기서, 투명전극(52)은 백금 이외에 니켈, 금 또는 팔라디움으로 이루어질 수도 있다.
이어서, 반사막(52) 상에 니켈층 및 금층을 300Å 및 800Å의 두께로 순차적으로 형성하고 이를 패터닝하여 반사막(52) 상부에만 위치하는 와이어 접촉 전극(62)을 형성함으로써 p형 전극(50)을 완성한다.
도 3c는 도2의 질화물계 발광다이오드를 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, p형 전극(50)을 형성하는 방법을 제외하고는 도 3b와 동일하다. p형 전극(50)을 형성하는 방법을 구체적으로 설명하면, 먼저, p형 GaN층(34) 상에 투명전극(52)을 형성한 다음에, 투명전극(52) 상의 소정 영역에 반사막(52)을 형성한 후에, 반사막(52) 상에 와이어 접촉 전극(62)을 형성함으로써 p형 전극(50)을 완성한다.
도 4는 반사막이 있는 도 1의 발광다이오드와 반사막이 없는 종래 발광다이오드의 전류-전압 특성 그래프를 각각 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 구동전류가 20mA일 때, 반사막이 있는 경우와 반사막이 없는 경우의 구동전압은 각각 3.40V 및 3.36V 로써, 서로 비슷한 구동전압을 갖음을 알 수 있다.
도 5는 반사막이 있는 도 1의 발광다이오드와 반사막이 없는 종래 발광다이오드의 발광세기를 각각 나타내는 그래프이다. 여기서, 발광세기는 광검출기와 연결된 실리콘 포토다이오드를 이용하여 발광다이오드의 윗방향으로 방출되어 나오는 빛을 측정하여 얻은 것이다. 도 5를 참조하면, 도 1에 따른 발광다이오드의 발광세기가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 5에서 측정된 발광세기로부터 계산된 발광효율을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 반사막이 없는 경우보다 반사막이 있는 도 1의 경우가 20mA의 구동전류에서 발광효율이 약 2.5배 크다는 것을 알 수 있다.