KR100787361B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, n형 화합물 반도체층과, n형 화합물 반도체층 상의 소정영역에 형성된 활성층과, n형 화합물 반도체층에 있어서 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 활성층 상에 형성되는 p형 화합물 반도체층과, p형 화합물 반도체상의 소정영역에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 각각의 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태를 이루게 함으로써 적어도 하나의 면각은 필수적으로 90도 이내 되므로 빛이 발광 다이오드 내부에 갇히지 않고 외부로 추출되어 발광 다이오드 측면에서의 광추출효율이 향상되게 되며, 제공된 n형 전극과 p형 전극의 형상 및 배치에 의하여 전류 밀집 현상이 방지되어 균일한 발광 및 소자의 신뢰성이 향상된다.

발광 다이오드, 평면도, 삼각형, 면각, 전류 밀집 현상

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}

도 1은 종래의 횡단면이 사각형인 발광 다이오드와 그 발광 다이오드에서 발생된 빛의 경로를 나타낸 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드와 그 발광 다이오드에서 발생된 빛의 경로를 나타낸 개략도;

도 3a는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 a-a' 선에 따른 종 단면도;

도 3b는 도 2에 따른 발광 다이오드의 평면도;

도 4a는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 p형 전극의 일예를 나타낸 개략도; 및

도 4b는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 n형 전극 및 p형 전극의 다른 예들을 나타낸 개략도들이다.

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 인접하는 측면에 의해 형성 되는 각각의 면각들 중에서 적어도 하나의 적어도 하나의 면각이 90도 이내가 되도록 평면도의 형태가 삼각형인 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적인 발광 다이오드의 경우 내부양자 효율은 거의 100%에 이르지만 실제 발광 다이오드 밖으로 나오는 외부양자효율은 3 ~ 30% 이하이다. 이것은 다중양자우물 구조에서 생성된 빛이 발광 다이오드 밖으로 나올 때 발광 다이오드와 공기사이의 계면에서 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사 때문이다.

종래, 발광 다이오드의 횡단면은 일반적으로 사각형 형태이었다.

도 1은 종래의 횡단면이 사각형인 발광 다이오드와 그 발광 다이오드에서 발생된 빛의 경로를 나타낸 개략도이다. 도 1에서 화살표는 빛의 경로이다.

도 1을 참조하면, 종래의 발광 다이오드는 그 면각(面角)이 각각 90도인 사각형의 횡단면을 가지고 있기 때문에 발광 다이오드 내부에서 발생된 빛이 발광 다이오드의 한쪽 면에 이르게 되었을 경우에 입사각(θ₁)이 임계각(θ₂)보다 크면 그 빛이 밖으로 나가지 못하고 반사되어 다른 면에 이르게 된다. 그러면 빛은 계속해서 모서리로부터 멀어지는 방향으로 반사되어 입사각이 임계각보다 큰 상태를 계속하여 유지하기 때문에 빛이 발광 다이오드 내부에 갇히게 되어 측면에서의 광추출효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 발광 다이오드의 면각이 모두 90도인 경우에 입사각이 임계각보다 큰 빛은 발광 다이오드 내부에서 계속 반사하게 되고 빛이 발광 다이오드 내부에 갇히게 된다. 이러한 물리적인 현상으로 인해 사각형 발광 다 이오드에서의 광추출효율은 매우 낮게 된다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 마스크 없이 비선택 식각공정을 통하여 p형 질화갈륨에 표면 거칠기를 형성시켜 윗면으로 진행하는 빛이 거친 표면에 도달하였을 때 입사각이 임계각 보다 작게 함으로써 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있도록 하는 제안이 있었다. 그리고 p형 질화갈륨을 마스크를 사용하여 건식 식각하여 돌출부를 형성시킴으로써 윗면으로 진행하는 돌출부에 도달하였을 때 입사각이 임계각 보다 작게 함으로써 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 하여 광추출효율을 증대시키는 제안이 있었다.

또한, 발광 다이오드의 p형 질화갈륨 표면에 주기적인 굴절률의 차이를 주어 포토닉 밴드갭이 형성된 광결정을 만들어서 질화갈륨화합물의 내부에 갇히는 빛의 모드를 바꾸어 줌으로써 빛이 안에 갇히지 않고 밖으로 빠져나올 수 있게 하여 빛의 광추출효율을 향상시키고 발광 다이오드 측면에서 나오는 빛을 제어할 수 있도록 하는 제안도 있었다. 하지만 이 경우 빛이 발생되면 우물층까지 식각 과정을 거쳐야 하므로 발광 다이오드의 특성이 현저히 나빠지는 문제로 현재는 p형 질화갈륨층까지만 식각하여 광결정을 형성시켜 주고 있어 역시 측면에서 나오는 빛은 제어하지 못하고 있어 발광 다이오드 전체의 빛을 빼내는 데에는 한계가 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 입사각이 임계각보다 큰 빛도 추출할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전류 밀집 현상을 방지할 수 있도록 형성 및 배치된 전극을 갖는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 다이오드는: n형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층 상의 소정영역에 형성된 활성층과, 상기 n형 화합물 반도체층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 활성층 상에 형성되는 p형 화합물 반도체층과, 상기 p형 화합물 반도체상의 소정영역에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태이고, 상기 n형 전극의 전류주입영역은 상기 삼각형의 꼭지점 중에서 선택된 어느 하나의 꼭지점에 위치되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 n형 전극은 상기 삼각형의 최외곽을 담당하도록 형성되거나 상기 n형 전극은 상기 삼각형을 이루는 변들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 변의 소정영역을 담당하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 p형 전극의 전류주입영역은 상기 삼각형의 중심 또는 상기 삼각형의 꼭지점 중에서 어느 하나의 꼭지점에 위치되는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 p형 전극의 평면도에 의한 형상은 원형, 타원형, 복수개의 꼭지점을 가진 다각형, 방사형 또는 나선형인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드와 그 발광 다이오드에서 발생된 빛의 경로를 나타낸 개략도이며, 도 3a는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 a-a' 선에 따른 종 단면도이고, 도 3b는 도 2에 따른 발광 다이오드의 평면도이다. 이 때, 도 2에서 화살표는 빛의 경로이다.

도 2 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 각각의 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태로 이루어져 있다. 따라서 인접하는 두 측면에 의해 형성되는 각각의 면각(面角) 중에서 선택된 적어도 하나의 면각은 필수적으로 90도 이내 이므로, 발생된 빛 중에서 입사각(θ₁)이 임계각(θ₂)보다 작은 빛들은 각각의 측면(110, 120)을 통하여 추출되지만, 면각이 90도 이내인 두 면(110, 120) 중에서 한쪽 면(110)에서의 입사각(θ₁)이 임계각(θ₂)보다 크면 발광 다이오드에서 발생된 빛은 그 한쪽 면(110)에서 반사되어 다른 면(120)에 도달하게 된다. 그 다른 면(120)에서는 그 반사된 빛을 발광 다이오드 내부로 반사하지 않고 면각이 90도 이내인 두 면(110, 120)이 이루는 모서리 쪽으로 반사하게 되어 결국에는 입사각이 임계각 보다 작게 되기 때문에 발광 다이오드 외부로 빛이 추출되어 지므로 발광 다이오드 측면에서의 광추출효율이 향상되게 된다.

도 3a를 참조하여 도 2에 따른 발광 다이오드의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저 (0001) 사파이어 기판(10) 상에 500℃에서 GaN 핵생성층(20)을 300Å의 두께가 되도록 형성한다. 그리고 GaN 핵생성층(20) 상에 n형 하부접촉층(30)으로서 1.5 ㎛ 두께의 n-Al_xGa_yIn_zN(0≤x, y, z≤1, x+y+z = 1)으로 이루어진 n형 화합물 반도체층을 형성한다.

다음에, n형 하부접촉층(30) 상의 소정영역에 Al_xGa_yIn_zN(0≤x, y, z≤1, x+y+z = 1)으로 이루어지는 발광 활성층(40)을 형성한다. 본 실시예에서는 GaN층 및 InGaN층을 번갈아 적층함으로써 발광 활성층(40)을 1500Å 두께로 형성하였다. 그리고 발광 활성층(40) 상에 p형 상부접촉층(50)으로서 p-Al_xGa_yIn_zN(0≤x, y, z≤1, x+y+z = 1)으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 0.25 ㎛의 두께로 형성한다.

그 다음에, n형 하부접촉층(30)에 있어서 활성층(40)이 형성되지 않아 노출된 영역에 n형 전극(60)을 형성하며, p형 상부접촉층(50) 상에는 투명전극층(70)을 형성한다. 그리고 투명전극층(70) 상의 소정영역에는 와이어본딩용 p형 전극(80)을 형성한다. 이 때, 투명전극층(70)이 반드시 필요한 것은 아니지만 투명전극층이 있는 경우에 발광된 빛은 그 투명전극층을 통하여 외부로 추출되므로 투명전극층(70)은 투과도가 70% 이상의 금속 및 전도성 산화물 물질로 이루어지며 p형 화합물 반도체층(50)에 접착이 용이하고 저저항성을 갖는 오믹전극으로 형성한다.

이와 같은 공정으로 제조된, 즉 기판(10), GaN 핵생성층(20), n형 화합물 반도체층(30), 발광 활성층(40), p형 화합물 반도체층(50), n형 전극(60), 투명전극층(70) 및 p형 전극(80)으로 이루어진 발광 다이오드가 그대로 사용되어질 수도 있지만 기판(10)과 핵성성층(20)이 제거된 상태의 발광 다이오드가 사용되어 질수도 있다.

도 3b를 참조하면, 상부에서 바라본 전체적인 발광다이오드는 삼각형 형태를 띠고 있으며, 적용 가능한 삼각형으로는 이등변 삼각형뿐만 아니라 정삼각형, 직각삼각형 등 제약이 없다.

p형 전극과 n형 전극을 통하여 순방향 전류가 주입이 되고 발광 다이오드의 전체에 걸쳐 전류가 퍼지게 되면 p-n 접합에서 전자와 정공의 결합으로 인해 빛이 발생하게 되는데, 이 때 n형 전극과 p형 전극에서 전류의 주입이 원활하게 이루어지지 못하면 n형 전극과 인접한 부분에서 전류가 집중하는 전류 밀집(crowding) 현상이 발생한다. 이러한 전류 밀집 현상은 순방향 전류를 증가시킬 뿐만 아니라, 상대적으로 n형 전극을 형성하기 위해 식각을 통해 격리한 활성층 부분의 발광 효율을 감소시키고 휘도특성을 크게 저하시킨다. 또한, 전류가 집중하는 부분의 발열량이 높아지고 이로 인해 소자의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 이하에서는 전류 밀집 현상을 방지할 수 있는 n형 전극 및 p형 전극의 형태에 대하여 설명한다.

도 4a는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 p형 전극의 일예를 나타낸 개략도이고, 도 4b는 도 2에 따른 발광 다이오드에 있어서 n형 전극 및 p형 전극의 다른 예들을 나타낸 개략도들이다.

p형 전극(80)은 도 3b에 도시된 바와 같이 평면도 있어서 삼각형의 중심에 원형으로 형성되어 질 수도 있지만, 도 4a에 도시된 바와 같이 방사형이나 타원형, 나뭇가지형, 나선형 및 삼각형이나 사각형과 같은 다각형으로 형성할 수도 있다. 이 중에서 특히 방사형은 전류의 균일한 분포로 인해 균일한 발광뿐만 아니라 소자 의 신뢰성을 높일 수 있다.

n형 전극(60)은 도 3b와 같이 평면도에 의한 삼각형에 있어서 삼각형의 최외곽 부분을 담당하도록 형성되어도 좋다. 그리고 도 4b와 같이 삼각형의 최외곽의 소정영역, 즉 삼각형을 이루는 변들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 변의 소정영역을 담당하도록 형성함으로써 소정영역이 트인 형태의 삼각형 형상으로 형성되어도 좋다. 어떤 형상으로 n형 전극이 형성되더라도 n형 전극의 전류주입영역은 평면도에 의한 삼각형의 꼭지점 중에서 어느 하나의 꼭지점에 위치되도록 n형 전극을 형성하거나, 전류 주입이 용이하도록 전류주입영역이 삼각형의 최외곽에 위치하도록 형성한다.

도 4b의 (1)을 참조하면, 평면도에 의한 삼각형에 있어서 꼭지점 부근에 p형 전극(80)을 형성하고 n형 전극(60)은 삼각형의 최외곽의 소정영역을 담당하도록 형성하되 내측으로 돌출부가 있도록 형성하였다. 이것은 p형 전극의(80) 전류주입부와 n형 전극(60)을 근접시킴으로써 전류의 밀집 현상을 방지하기 위함이다.

도 4b의 (2)는 도 4a의 (1)에 따른 p형 전극(80)에 내측으로 돌출부를 더 형성한 것이다. 이것은 평면도에 의한 삼각형에 있어서 p형 전극(80)이 형성되어 있는 꼭지점을 이루는 양측 변까지 전류의 주입을 원활하게 하기 위함이다.

도 4b의 (3)은 도 4b의 (1) 및 (2)의 변형된 형태로서, 평면도에 의한 삼각형에 있어서 p형 전극(80)이 형성되어 있는 꼭지점과 마주보는 변에만 평행하게 n형 전극(60)을 형성한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 각각의 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태를 이루게 함으로써 인접하는 두 측면에 의해 형성되는 각각의 면각(面角) 중에서 선택된 적어도 하나의 면각은 필수적으로 90도 이내 되므로, 빛이 발광 다이오드 내부에 갇히지 않고 외부로 추출되어 발광 다이오드 측면에서의 광추출효율이 향상되게 된다.

또한, 제공된 n형 전극과 p형 전극의 형상 및 배치에 의하여 전류 밀집 현상이 방지되어 균일한 발광 및 소자의 신뢰성이 향상된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (8)

1. n형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층 상의 소정영역에 형성된 활성층과, 상기 n형 화합물 반도체층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 활성층 상에 형성되는 p형 화합물 반도체층과, 상기 p형 화합물 반도체상의 소정영역에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지며,

   상기 구성요소들로 이루어진 결과물의 평면도가 삼각형 형태이며, 상기 n형 전극의 전류주입영역은 상기 삼각형의 꼭지점 중에서 선택된 어느 하나의 꼭지점에 위치되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 n형 전극은 상기 삼각형의 최외곽을 담당하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
4. 제 1항에 있어서, 상기 n형 전극은 상기 삼각형을 이루는 변들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 변의 소정영역을 담당하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
5. 제 1항에 있어서, 상기 p형 전극의 전류주입영역은 상기 삼각형의 중심 또는 상기 삼각형의 꼭지점 중에서 어느 하나의 꼭지점에 위치되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
6. 제 1항에 있어서, 상기 p형 전극의 평면도에 의한 형상은 원형, 타원형, 복수개의 꼭지점을 가진 다각형, 방사형 또는 나선형인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
7. 제 1항에 있어서, 상기 p형 화합물 반도체와 상기 p형 전극 사이에는 투명전극층이 개재되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 투명전극층의 소정영역이 노출되도록 상기 p형 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.

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