KR100721143B1 - 질화갈륨계 발광다이오드 - Google Patents

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오방원
고건유
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Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것으로서, 특히, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨층과, 상기 n형 질화갈륨층의 소정 영역 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층과, 상기 p형 질화갈륨층 상에 형성된 투명 전극과, 상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 내에 소정 깊이로 형성된 하나 이상의 트렌치 및 상기 트렌치의 내벽을 따라 형성된 n형 전극을 포함하는 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것이다.
LED, 수평, 전류확산, n형 전극, 트렌치

Description

질화갈륨계 발광다이오드{GaN TYPE LIGHT EMITTING DIODE}
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨계 LED의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 질화갈륨계 LED의 전류확산 경로를 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 LED의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 질화갈륨계 LED의 전류확산 경로를 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 5 내지 도 7은 제1 실시예의 제1 내지 제3 변형예에 따른 질화갈륨계 LED를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 LED의 구조를 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기판 120 : 버퍼층
130 : n형 질화갈륨층 140 : 활성층
150 : p형 질화갈륨층 160 : 투명 전극
170 : p형 전극 180 : n형 전극
190 : 트렌치
본 발명은 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p형 전극과 n형 전극이 수평구조를 가지는 질화갈륨계 발광다이오드의 전류확산 효과를 최적화하여 발광효율이 향상된 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode : 이하, 'LED'라 칭함)는 전자와 홀의 재결합이라는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체 소자이다.
보통 LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화기기, 광통신 등에 사용되고 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어진다.
LED에 있어서, 발광되는 광의 주파수(혹은 파장)는 반도체소자에 사용되는 재료의 밴드 갭 함수로서, 작은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 낮은 에너지와 긴 파장의 광자가 발생되고, 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하 는 경우 짧은 파장의 광자가 발생된다. 따라서, 발광하고자 하는 빛의 종류에 따라서 소자의 반도체 재료가 선택된다.
예를 들어, 적색 LED의 경우 AlGaInP 물질을 사용하고, 청색 LED의 경우 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 질화물계 반도체, 특히 갈륨나이트라이드(GaN)를 사용한다. 근래 청색 발광다이오드로 사용되는 질화물계 반도체로는 (AlxIn1-x)yGa1-yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.
이와 같은 질화갈륨계 LED는, 일반적으로 광투과성 절연 기판인 사파이어 기판 상에서 성장될 수 있으므로, 양 전극인 p형 전극 및 n형 전극 모두를 결정 성장된 반도체층 측에 수평으로 형성해야 한다. 이러한 종래의 질화갈륨계 LED의 구조가 도 1에 예시되어 있다.
도 1을 참조하면, 질화갈륨계 LED는, 사파이어 기판(110)과, GaN 버퍼층(120)과, n형 질화갈륨층(130)과, 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(140)과, p형 질화갈륨층(150)이 순차 결정성장되어 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(150)과 GaN/InGaN 활성층(140)은 일부 식각(mesa etching)공정에 의하여 그 일부영역이 제거되는 바, n형 질화갈륨층(130)의 일부상면이 노출된 구조를 갖는다.
상기 노출된 n형 질화갈륨층(130) 상에는 n형 전극(180)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화갈륨층(150) 상에는 p형 전극(170)이 형성되어 있다.
한편, 종래 기술에 따른 질화갈륨계 LED는, p형 전극(170)과 n형 전극(180)이 사파이어 기판(110)의 일측 표면으로부터 결정 성장된 반도체층 측에 나란히 형 성되어 있는 수평 구조를 이루고 있기 때문에, p형 전극(170)이 n형 전극(180)에서 멀어질수록 전류가 흐르는 경로의 길이가 길어져 n형 질화갈륨층(130)의 저항이 증가하게 되고, 이에 따라, n형 전극(180)에 인접한 부분에 전류가 집중적으로 흐르게 되어 전류확산의 효과가 떨어지는 문제가 있다.
이에 따라, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 p형 질화갈륨층(150)과 p형 전극(170) 사이의 계면, 즉, p형 전극(170)을 형성하기 전에 p형 질화갈륨층(150) 상부 전면에 투명 전극(160)을 형성하여, p형 전극(170)을 통해 주입되는 전류의 주입 면적을 증가시켜 전류확산 효과를 개선하였다.
그런데, 상기와 같이 종래 기술에 따른 질화갈륨계 LED는 p형 질화갈륨층(150)과 p형 전극(170) 사이에 투명 전극(160)을 더 구비하여 기존에 비해 향상된 전류확산 효과를 얻을 수는 있었다.
그러나, 종래 기술에 따른 질화갈륨계 LED는, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 투명 전극(160)과 p형 전극(170)의 넓은 접촉 면적으로 인해, p형 전극(170)에서 투명 전극(160)을 통해 n형 질화갈륨층(130)으로 흐르는 전류의 경로가 여전히 길게 형성되며, 그에 따라 상기 n형 전극(180)에 인접한 부분에 "A"와 같이 전류가 집중적으로 흐르게 되어 전류확산의 효과가 떨어지는 문제가 있었다.
또한, 상기와 같이 전류확산의 효과가 떨어지게 되면, 발광면에서 발광하는 광 또한 불균일하게 발광하여 LED의 전체적인 발광 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, p형 전극과 n형 전극이 수평구조를 가지는 질화갈륨계 LED에 있어서, 상기 p형 전극과 n형 전극 간의 거리를 최소화하여 p형 전극으로부터 n형 전극으로 확산되는 전류의 확산 효과를 향상시켜 발광 효율이 향상된 질화갈륨계 발광다이오드를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨층과, 상기 n형 질화갈륨층의 소정 영역 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층과, 상기 p형 질화갈륨층 상에 형성된 투명 전극과, 상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 내에 소정 깊이로 형성된 하나 이상의 트렌치 및 상기 트렌치의 내벽을 따라 형성된 n형 전극을 포함하는 질화갈륨계 발광다이오드를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드에서, 상기 트렌치의 깊이는, 상기 n형 질화갈륨층의 상부 표면 미만과 상기 기판의 상부 표면 이상의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로, 상기 n형 질화갈륨층의 상부 표면으로부터 1㎛ 내지 3㎛ 의 깊이를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드에서, 상기 하나 이상의 트렌 치의 내벽을 따라 형성된 n형 전극은, 서로 전기적으로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
실시예 1
도 3 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 LED의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 질화갈륨계 LED의 전류확산 경로를 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 5 내지 도 7은 제1 실시예의 제1 내지 제3 변형예에 따른 질화갈륨계 LED를 나타낸 단면도이다.
우선, 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이 오드는, 기판(110) 상에 버퍼층(120), n형 질화갈륨층(130), 활성층(140) 및 p형 질화갈륨층(150)이 순차 적층되어 있다.
상기 기판(110)은, 질화물반도체단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120)은, 상기 n형 질화갈륨층(130)을 성장하기 전에 상기 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위해 AlN/GaN로 형성되며, 이는 생략 가능하다.
상기 p형 및 n형 질화갈륨층(130, 150)과 활성층(140)은, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화갈륨층(130)은, n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 활성층(140)은, 다중우물구조(Multi-Quantum Well) 구조의 언도프 InGaN층으로 이루어질 수 있고, 상기 p형 질화갈륨층(150)은, p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있다. 일반적인 구성에 따라, 반도체 결정층인 상기 n형 및 p형 질화갈륨층(130, 150)과 활성층(140)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다.
그리고, 상기 p형 질화갈륨층(150) 상에는 투명 전극(160)과 반사 역할 및 전극 역할을 동시에 하는 p형 전극(170)이 순차 형성되어 있다. 이때, 상기 투명 전극(160)은, 전류확산 효과를 향상시키기 위한 층으로, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물로 이루어진다. 또한, 상기 투명 전극(160)은, LED의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.
또한, 상기 활성층(150)과 p형 질화갈륨층(160)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화갈륨층(130)의 일부가 노출되어 있다.
그리고, 상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화갈륨층(130) 내에는 양 측벽 및 하부면이 매립된 형상으로 n형 전극(180)이 형성되어 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 n형 전극(180)은, 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화갈륨층(130)의 일부분이 통상의 식각 공정으로 제거되어 형성된 트렌치(도시하지 않음)에 매립되어 형성된다. 이때, 상기 트렌치의 깊이는, 1㎛ 내지 3㎛ 의 깊이를 가지는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따른 질화갈륨계 LED는, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 p형 전극(170)에서 투명 전극(160)을 통해 n형 전극(180)으로 흐르는 전류의 경로가 상기 p형 전극(170)가 인접한 상기 n형 전극(180)의 측벽으로 이어지므로, 종래 n형 전극의 하면으로 향하던 질화갈륨계 LED(도 2 참조) 보다 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 n형 전극(180)에 인접한 부분에 전류가 집중되는 문제를 "B"에 나타낸 바와 같이 해결하는 것이 가능하여 LED의 전류확산 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 n형 전극(180)은, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 n형 질화갈륨층(130)의 상부 표면 미만과 상기 기판(110)의 상부 표면 이상의 범위 내에 형성된 트렌치(190)의 내벽을 따라 형성되는 것이 가능하다. 이때, 상기 트렌치(190)의 깊이는, 공정 조건 및 LED 특성에 따라 조절하는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 n형 전극(180)이 형성되는 트렌치(190)의 깊이가 깊어지면 깊어질수록 상기 p형 전극(170)과 인접한 상기 n형 전극(180)의 측벽 높이가 증가하므로, 상기 p형 전극(170)에서 투명 전극(160)을 통해 n형 전극(180)으로 흐르는 전류의 확산 마진을 확보하여 전류확산 효과를 더욱 향상시켜 LED의 동작전압을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 n형 전극(180)의 면적은 종래와 동일하게 유지하면서도 선폭은 감소시켜 발광면적을 증가시킬 수 있어 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
실시예 2
그러면, 이하 도 8을 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 LED의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 LED는 제1 실시예 에 따른 질화갈륨계 LED와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 상기 n형 전극(180)이 형성된 트렌치(190)가 2개 이상 형성되어 있으며, 이에 형성된 상기 n형 전극(180)이 서로 전기적으로 연결되어 있다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.
즉, 제1 실시예는 상기 n형 전극이 하나의 트렌치 내에 형성되어 있는 것을 예시한 것이며, 제2 실시예는 상기 n형 전극이 2개 이상의 트렌치 내에 형성되어 있는 것을 예시한 것이다.
따라서, 상기 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 LED는 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 LED와 동일한 작용 및 효과를 얻는 동시에 상기 n형 전극(180)과 상기 n형 질화갈륨층(130)의 접촉면적을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 제2 실시예에 따른 트렌치 깊이는 앞서 상술한 제1 트렌치의 깊이에 따른 변형예들과 동일한 변형예를 가질 수 있으며, 그에 따라, 제1 실시예의 변형예들과 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 p형 전극에서 n형 질화갈륨층을 통해 n형 전극으로 흐르는 전류의 경로를 감소시키는 동시에 전류확산 효과를 향상시킴으로써, 낮은 동작전압과 높은 발광 효율을 가지는 질화갈륨계 발광다이오드를 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨층;
    상기 n형 질화갈륨층의 소정 영역 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층;
    상기 p형 질화갈륨층 상에 형성된 투명 전극;
    상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극;
    상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 내에 소정 깊이로 형성된 하나 이상의 트렌치; 및
    상기 트렌치의 내벽을 따라 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화갈륨계 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는, 상기 n형 질화갈륨층의 상부 표면 미만과 상기 기판의 상부 표면 이상의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는, 상기 n형 질화갈륨층의 상부 표면으로부터 1㎛ 내지 3㎛ 의 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치는 두 개 이상 형성되어 있고, 상기 트렌치의 내벽을 따라 형성된 다수의 n형 전극들은 서로 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광다이오드.
KR1020060006717A 2006-01-23 2006-01-23 질화갈륨계 발광다이오드 KR100721143B1 (ko)

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