KR20070063720A - Galium-nitride light emitting diode - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 기술에 다른 질화 갈륨계 발광 다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a gallium nitride-based light emitting diode according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제1실시예를 나타내는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제1실시예를 나타내는 평면도,3 is a plan view showing a first embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention;
도 4는 요철부를 구비한 투명 전도성 산화물층을 나타내는 단면도,4 is a cross-sectional view showing a transparent conductive oxide layer having irregularities,
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 금속 패턴의 실시예를 나타내는 평면도,5 to 7 is a plan view showing an embodiment of a metal pattern of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제2실시예를 나타내는 단면도,8 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제3실시예를 나타내는 단면도,9 is a cross-sectional view showing a third embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention;
도 10은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제4실시예를 나타내는 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention.
***도면의 주요 부호의 설명****** Explanation of the Major Symbols in the Drawings ***
10 : 기판 11 : U-GaN층10
12 : N-GaN층 13 : 활성층12: N-GaN layer 13: active layer
14 : P-GaN층 15 : 투명 전도성 산화물층14 P-
16 : 금속 패턴 17 : N-전극16 metal pattern 17 N-electrode
18 : P-전극 19 : InGaN/GaN 초격자층18: P-electrode 19: InGaN / GaN superlattice layer
20, 30 : 전도성 기판 20, 30: conductive substrate
본 발명은 질화 갈륨계 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 투명 전도성 산화물층의 상부 또는 하부에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 구비함으로써, 발광 다이오드의 전류 주입을 고르게 하고, 전류 주입 면적을 증가시킴으로써, 발광 효율을 증가시킬 수 있는 질화 갈륨계 발광 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride based light emitting diode, and more particularly, by providing a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed above or below a transparent conductive oxide layer, to evenly inject current and inject current into the light emitting diode. By increasing the area, the present invention relates to a gallium nitride based light emitting diode capable of increasing luminous efficiency.
발광 다이오드는 전자가 천이될 때 빛을 방출하는 현상을 이용한 발광 소자로서, 발광 다이오드의 발광은 반도체 전도대(conduction band)의 전자들이 가전자 대(valence band)의 정공(hole)과 재결합하는 과정에서 일어난다. A light emitting diode is a light emitting device that emits light when electrons are transitioned. The light emitting diode emits light in a process in which electrons in a semiconductor conduction band recombine with holes in a valence band. Happens.
발광 다이오드는 종래의 광원에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기 에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋다. 또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. Light emitting diodes are smaller than conventional light sources, have a long lifespan, and have low power and good efficiency because electrical energy is directly converted into light energy. In addition, it is used for display devices of automotive instrumentation, display lamps for various electronic devices such as optical communication light sources, numeric display devices, and card readers for calculators.
최근에는 질화 갈륨을 이용한 발광 다이오드(LED;Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD;Laser Diode)는 대규모 총천연색 평판 표시장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템, 광통신 등의 응용 분야를 가지고 있어 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있으며, 이의 상업화를 위한 시도도 끊임없이 진행되고 있는 실정이다.In recent years, light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) using gallium nitride have applications such as large scale full color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting and high density light sources, high resolution output systems, and optical communication. As a result, many researchers are attracting attention, and attempts for commercialization are ongoing.
상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 파장은 사용되는 반도체 재료의 밴드 갭 함수이다. 작은 밴드 갭(Band Gap)에서는 낮은 에너지와 더 긴 파장의 빛을 방출시키고, 더 짧은 파장의 빛을 방출하기 위해서는 더 넓은 밴드 갭을 갖는 재료가 요구된다.The wavelength of light emitted from the light emitting diode is a function of the band gap of the semiconductor material used. Small band gaps require materials with a wider band gap to emit lower energy and longer wavelengths of light, and shorter wavelengths of light.
상기 발광 다이오드의 발광 파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류를 바꿈으로써 조절한다. 예를 들어, 인화 갈륨의 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이 다. 반면, 스펙트럼의 청색 또는 자외선 파장을 갖는 빛을 생성하기 위해서는 비교적 큰 밴드 갭을 갖는 반도체 재료인 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 질화물계 반도체, 특히 GaN(질화 갈륨)이 있다. 단파장 발광 다이오드는 색 자체 외에도, 광기록장치의 저장 공간을 증가시킬 수 있다는 장점(적색 광에 비해 약 4배 증가 가능)을 갖고 있다.The light emission wavelength of the light emitting diode is controlled by changing the type of impurities added to the semiconductor. For example, in the case of gallium phosphide, light emission involving zinc and oxygen atoms is red (wavelength 700 nm), and light emission involving nitrogen atoms is green (wavelength 550 nm). On the other hand, silicon carbide (SiC) and group III nitride semiconductors, in particular GaN (gallium nitride), which are semiconductor materials having a relatively large band gap, are used to generate light having a blue or ultraviolet wavelength of the spectrum. In addition to the color itself, the short wavelength light emitting diode has the advantage of increasing the storage space of the optical recording device (about four times larger than the red light).
이와 같은 청색광을 위한 질화물계 화합물 반도체중 GaN는 다른 Ⅲ족 질화물계와 마찬가지로, 벌크 단결정체를 형성할 수 있는 실용 가능한 기술이 없다. 따라서, GaN 결정의 성장에 적합한 기판을 사용하여야 하며, 대표적으로는 사파이어 기판, 즉, 알루미늄 옥사이드 기판이 있다.Among such nitride compound semiconductors for blue light, GaN has no practical technology capable of forming bulk single crystals like other group III nitride systems. Therefore, a substrate suitable for the growth of GaN crystals should be used, typically a sapphire substrate, that is, an aluminum oxide substrate.
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도로서, 사파이어 기판(110) 상부에 N-GaN층(111), 활성층(112)과 P-GaN층(113)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-GaN층(113)에서 N-GaN층(111)까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 메사 식각된 N-GaN층(111) 상부에 N-전극(115)이 형성되어 있고; 상기 P-GaN층(113) 상부에 P-전극(114)이 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a general light emitting diode, in which an N-
이렇게 해서 완성된 칩은 P-전극(114)에 양의 부하를, N-전극(115)에 음의 부하를 가하게 되면, P-GaN층(113)과 N-GaN층(111)으로부터 각각 정공과 전자들이 활성층(112)으로 모여 재결합함으로써 활성층(112)에서 발광을 하게 된다. In this way, when the chip is loaded with a positive load on the P-
상기 P-GaN층의 상면에서는, 발광 구조물로부터 방출되는 빛이 P-GaN층의 상면에서 발광 구조물 내부로 반사되거나 측면으로 빠져나가는 전반사가 일어나기 쉽다. 따라서, 외부 환경(공기 등)과의 굴절률 차이를 줄이기 위하여, P-GaN층과 P-전극 사이에 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)층을 형성하는 것이 일반적이다. 상기 투명 전도성 산화물은 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에, P-GaN층 쪽으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.On the top surface of the P-GaN layer, total reflection is likely to occur in which light emitted from the light emitting structure is reflected into or exits the light emitting structure from the top surface of the P-GaN layer. Therefore, in order to reduce the refractive index difference from the external environment (air, etc.), it is common to form a transparent conducting oxide layer between the P-GaN layer and the P-electrode. The transparent conductive oxide not only reduces total reflection, but also has good light transmittance, thereby increasing extraction efficiency of light emitted toward the P-GaN layer.
그러나, 상기 투명 전도성 산화물은 전도도가 높지 않기 때문에, 전류의 확산이 잘 이루어지지 않아, 전류 주입 면적이 작다는 문제점이 있다. 이러한 작은 전류 주입 면적은 발광 다이오드의 발광 효율을 저하시킨다.However, the transparent conductive oxide does not have high conductivity, so that current is not diffused well, resulting in a small current injection area. This small current injection area lowers the luminous efficiency of the light emitting diode.
따라서, 이러한 문제점을 해결함으로써, 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드가 필요하다.Therefore, by solving this problem, there is a need for a light emitting diode that can improve the luminous efficiency.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 투명 전도성 산화물층의 상부 또는 하부에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 구비함으로써, 발광 다이오드의 전류 주입을 고르게 하고, 전류 주입 면적을 증가시킴으로써, 발광 효율을 증가시킬 수 있는 질화 갈륨계 발광 다이오드를 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and by providing a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed on the upper or lower portion of the transparent conductive oxide layer, to evenly inject the current of the light emitting diode, and increase the current injection area, It is to provide a gallium nitride-based light emitting diode that can increase the luminous efficiency.
본 발명은 기판 위에 형성되며, 일부가 식각된 N-GaN층; 상기 N-GaN층의 식각되지 않은 상면에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 P-GaN층; 상기 P-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)층; 상기 N-GaN층의 식각된 면에 형성된 N-전극; 및 상기 금속 패턴 위에 형성된 P-전극을 포함하여 이루어지며, 상기 P-GaN층과 투명 전도성 산화물층 사이에, 또는 투명 전도성 산화물층과 P-전극 사이에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 포함하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The present invention is formed on a substrate, a portion of the N-GaN layer etched; An active layer formed on an unetched upper surface of the N-GaN layer; A P-GaN layer formed on the active layer; A transparent conducting oxide layer formed on the P-GaN layer; An N-electrode formed on the etched surface of the N-GaN layer; And a P-electrode formed on the metal pattern, and including a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed between the P-GaN layer and the transparent conductive oxide layer or between the transparent conductive oxide layer and the P-electrode. It is a gallium nitride-based light emitting diode.
또, 전도성 기판 위에 형성된 N-GaN층; 상기 N-GaN층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 P-GaN층; 상기 P-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물층; 상기 전도성 기판 아래에 형성된 N-전극; 및 상기 금속 패턴 위에 형성된 P-전극을 포함하여 이루어지며, 상기 P-GaN층과 투명 전도성 산화물층 사이에, 또는 투명 전도성 산화물층과 P-전극 사이에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 포함하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, an N-GaN layer formed on the conductive substrate; An active layer formed on the N-GaN layer; A P-GaN layer formed on the active layer; A transparent conductive oxide layer formed on the P-GaN layer; An N-electrode formed under the conductive substrate; And a P-electrode formed on the metal pattern, and including a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed between the P-GaN layer and the transparent conductive oxide layer or between the transparent conductive oxide layer and the P-electrode. It is a gallium nitride-based light emitting diode.
또, 전도성 지지부 위에 형성된 P-GaN층; 상기 P-GaN층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 N-GaN층; 상기 N-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물층; 상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 N-전극; 및 상기 전도성 기판 아래에 형성된 P-전극을 포함하여 이루어지며, 상기 N-GaN층과 투명 전도성 산화물층 사이에, 또는 투명 전도성 산화물층과 N-전극 사이에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 포함하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, a P-GaN layer formed on the conductive support; An active layer formed on the P-GaN layer; An N-GaN layer formed on the active layer; A transparent conductive oxide layer formed on the N-GaN layer; An N-electrode formed on the transparent conductive oxide layer; And a P-electrode formed under the conductive substrate, wherein the metal pattern has a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed between the N-GaN layer and the transparent conductive oxide layer or between the transparent conductive oxide layer and the N-electrode. It is a gallium nitride-type light emitting diode containing.
또, 상기 금속 패턴은, 스트라이프형, 격자형, 방사형, 거미줄형 또는 벌집형 중 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, the metal pattern is a gallium nitride-based light emitting diode, characterized in that formed in any one of the shape of the stripe, lattice, radial, spider web or honeycomb.
또, 상기 금속 패턴은, 금, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 백금, 은 또는 이들의 합금 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, the metal pattern is a gallium nitride-based light emitting diode, characterized in that any one selected from gold, aluminum, nickel, titanium, platinum, silver or alloys thereof.
또, 상기 금속 패턴의 선폭은 10 내지 10000Å이며, 상기 금속 패턴의 두께는 10 내지 50000Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The line width of the metal pattern is 10 to 10000 GPa, and the thickness of the metal pattern is 10 to 50000 GPa.
또, 상기 투명 전도성 산화물층은, ITO, ZnO, IZO 또는 ZCO 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, the transparent conductive oxide layer is a gallium nitride-based light emitting diode, characterized in that any one selected from ITO, ZnO, IZO or ZCO.
또, 상기 투명 전도성 산화물층은, 상면에 1차원 또는 2차원으로 배열된 요철부를 구비하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The transparent conductive oxide layer is a gallium nitride-based light emitting diode comprising an uneven portion arranged in one or two dimensions on an upper surface thereof.
또, 상기 기판은, 사파이어(Sapphire) 기판, 실리콘(Si) 기판, 산화아연 (ZnO)기판 또는 질화물 반도체 기판 중 어느 하나 또는, 기판에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 어느 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The substrate may be any one of a sapphire substrate, a silicon (Si) substrate, a zinc oxide (ZnO) substrate, or a nitride semiconductor substrate, or a template in which at least one of GaN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN is laminated on the substrate. (Template) A gallium nitride-based light emitting diode characterized by being a substrate.
또, 상기 P-GaN층과 투명 전도성 산화물층 사이에 형성된 InGaN/GaN 초격자층을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The gallium nitride based light emitting diode further comprises an InGaN / GaN superlattice layer formed between the P-GaN layer and the transparent conductive oxide layer.
또, 상기 전도성 기판과 P-GaN층 사이에 형성된 반사층을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.The gallium nitride-based light emitting diode further comprises a reflective layer formed between the conductive substrate and the P-GaN layer.
또, 상기 반사층은, 금, 니켈, 은, 알루미늄 또는 그 합금 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, the reflective layer is a gallium nitride-based light emitting diode, characterized in that any one selected from gold, nickel, silver, aluminum or alloys thereof.
또, 상기 전도성 지지부는 도금된 금속층인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드이다.In addition, the conductive support is a gallium nitride-based light emitting diode, characterized in that the plated metal layer.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 기술적 특징을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 실시예에 의하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해지는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the technical features of the present invention. The invention can be better understood by the examples, the following examples are for illustrative purposes of the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.
도 2는 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제1실시예를 나타내는 단면도로서, 기판(10) 위에 형성된 도핑되지 않은 U-GaN층(11); 상기 도핑되지 않은 U-GaN층 위에 형성되며, 일부가 식각된 N-GaN층(12); 상기 N-GaN층의 식각되지 않은 상면에 형성된 활성층(13); 상기 활성층 위에 형성된 P-GaN층(14); 상기 P-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)층(15); 상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴(16); 상기 N-GaN층의 식각된 면에 형성된 N-전극(17); 및 상기 금속 패턴 위에 형성된 P-전극(18)을 포함하여 이루어진다.2 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention, in which an
상기 기판(10)은 GaN층을 성장시킬 수 있는 지지부의 역할을 한다. 사파이어(Sapphire) 기판, 실리콘(Si) 기판, 산화아연(ZnO)기판 또는 질화물 반도체 기판 중 어느 하나 또는, 기판에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 어느 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판이 사용될 수 있다.The
상기 N-GaN층, 활성층, P-GaN층의 형성방법으로는 얇은 GaN층을 증착할 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있으나, 바람직하기로는 유기금속 화학증착법(MOCVD)이 적당하다.As the method for forming the N-GaN layer, the active layer, and the P-GaN layer, any thin GaN layer can be used without limitation, but preferably, an organic metal chemical vapor deposition (MOCVD) method is suitable.
N-GaN층(12)을 형성하기 위하여 GaN층의 형성과정에서 적절한 도펀트로 도핑을 한다. N 도핑을 위한 도펀트로는 실리콘, 게르마늄, 셀레늄, 텔루륨, 탄소 등 을 사용할 수 있다. 실리콘을 사용할 경우 도핑 농도는 1017/cm3 정도가 일반적이다. 상기 N-GaN층은 도핑농도를 다르게 하여 N+ 및 N- 의 이층 구조로 형성할 수도 있다.In order to form the N-
본 실시예에서는 도핑되지 않은 U-GaN층(11)을 먼저 기판 위에 형성한 다음, 그 위에 N-GaN층을 형성한다. 이는 기판 위에 N-GaN층을 형성할 경우 격자 주기가 급격히 변함으로 인하여 결함이 발생되어 박막특성이 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다. In this embodiment, an undoped
상기 활성층(13)은 발광 다이오드에 있어서 빛을 방출하는 부분이다. AlXGaYIn1-X-YN(0≤x<1, 0<y<1)의 일반식으로 나타낼 수 있으며, 질화 알루미늄, 질화갈륨 및 질화인듐과 같은 2원계와 질화갈륨-인듐 및 질화갈륨-알루미늄과 같은 3원계를 포함한다. Ⅲ족원소는 붕소, 탈륨 등으로 일부 치환될 수 있으며, 질소는 인, 비소, 안티몬 등으로 일부 치환될 수 있다. The
상기 활성층은 성분 조성을 변화시킴으로써 방출하는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 예컨대 청색광을 방출하기 위해서는 약 22% 정도의 인듐이 포함된다. 또, 녹색빛을 방출하기 위해서는 약 40% 정도의 인듐이 포함된다. The active layer can adjust the wavelength of light emitted by changing the component composition. For example, about 22% of indium is included to emit blue light. In addition, about 40% of indium is included to emit green light.
상기 P-GaN층(14)의 도펀트로는 마그네슘, 아연, 베릴륨, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등이 사용될 수 있다. 상기 P-GaN층도 N-GaN층과 같이, P+ 및 P-의 이층구조로 형성하는 것이 가능하다. As the dopant of the P-
상기 기판 위에 N-GaN층, 활성층, P-GaN층을 순서대로 적층한 다음에는 상기 P-GaN층을 활성화할 필요가 있다. 상기 활성화 단계는 P-GaN층의 도펀트인 마그네슘 등이 수소와 결합하여 결함으로 작용하는 것을 방지하기 위하여 마그네슘과 수소의 결합을 끊는 것이다. 보다 상세하게는 600℃에서 약 20분 정도 열처리하며, 후술할 투명 전도성 산화물층을 형성한 다음에 열처리할 수도 있다.After the N-GaN layer, the active layer, and the P-GaN layer are stacked in this order, the P-GaN layer needs to be activated. The activation step is to discontinue the bonding of magnesium and hydrogen in order to prevent the dopant of the P-GaN layer, such as magnesium do not combine with hydrogen to act as a defect. More specifically, heat treatment is performed at 600 ° C. for about 20 minutes, and then heat treatment may be performed after forming a transparent conductive oxide layer to be described later.
도 3은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제1실시예를 나타내는 평면도로서, 투명 전도성 산화물층(15) 위에 1차원 또는 2차원의 금속 패턴(16)이 형성되고, 상기 금속 패턴(16) 위에 P-전극(18)이 형성된다. N-GaN층(12)의 일부는 메사(Mesa) 식각되어 드러나 있으며, 그 위에 N-전극(17)이 형성된다.3 is a plan view showing a first embodiment of a gallium nitride-based light emitting diode according to the present invention, a one-dimensional or two-
상기 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)층은 발광 다이오드에서 외부로 방출되는 빛이 전반사되어, 발광 다이오드 내부에서 흡수, 감쇄되는 것을 감소시키기 위한 것이다. 발광층에서 발생한 빛은 전극 및 기판 등을 통하여 외부로 방출되는데, 이때 전극과 기판의 계면 또는 기판과 외부의 계면의 굴절률의 차이로 인하여, 임계각보다 큰 각도로 입사된 빛은 전반사되어 유기발광소자의 측 면 방향으로 빠져나가거나 내부에서 흡수 또는 감쇄되어 발광효율 저하의 중요한 원인이 된다. The transparent conducting oxide layer is for reducing total absorption of light emitted from the light emitting diode to the outside and absorbing and attenuating the inside of the light emitting diode. Light emitted from the light emitting layer is emitted to the outside through the electrode and the substrate, and at this time, due to the difference in the refractive index of the interface between the electrode and the substrate or the interface between the substrate and the outside, the light incident at an angle greater than the critical angle is totally reflected to the organic light emitting device. It exits in the side direction or is absorbed or attenuated in the interior, which is an important cause of the luminous efficiency degradation.
전반사가 일어나는 임계각은 계면을 이루는 양 매질의 굴절률이 클수록 작아진다. GaN층의 굴절률을 약 2.4 정도이고, 공기의 굴절률은 1에 가깝다. 투명 전도성 산화물의 굴절률은 약 1.7 정도이므로, 발광 다이오드의 외부 환경(공기 등)과의 굴절률 차이를 감소시킬 수 있다.The critical angle at which total reflection occurs is smaller as the refractive index of both media forming the interface increases. The refractive index of the GaN layer is about 2.4, and the air refractive index is close to one. Since the refractive index of the transparent conductive oxide is about 1.7, it is possible to reduce the difference in refractive index with the external environment (air, etc.) of the light emitting diode.
상기 투명 전도성 산화물층은 도 4에 도시된 바와 같이, 요철부를 구비함으로써, 전반사를 더욱 감소시킬 수 있다. 상기 요철부는 스트라이프(stripe), 스크랫치(Scratch), 직사각형, 돔, 원기둥 등의 형상으로 1차원 또는 2차원으로 배열된다.As illustrated in FIG. 4, the transparent conductive oxide layer may further reduce total reflection by providing an uneven portion. The uneven parts are arranged in one or two dimensions in the shape of a stripe, a scratch, a rectangle, a dome, a cylinder, and the like.
또, 상기 요철부는 광결정 구조로 형성될 수 있다. 광결정이란 광밴드갭(Photonic Band Gap), 광의 국소화, 광의 비선형성, 그리고 강한 분산특성을 보이는 광구조물을 말하며, 특히 빛의 파장과 비슷한 길이의 격자 주기를 갖는 형상, 패턴 등을 의미한다. 이러한 광결정을 활용하면 빛의 전파를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 자발방출의 제어도 가능하여 광소자의 성능향상과 소형화에 크게 기여할 수 있다.In addition, the uneven portion may be formed in a photonic crystal structure. Photonic crystal refers to an optical structure that exhibits photonic band gap, localization of light, nonlinearity of light, and strong dispersion characteristics, and particularly refers to a shape and pattern having a lattice period of a length similar to that of light. The use of such a photonic crystal can not only control the propagation of light, but also control the spontaneous emission, which can greatly contribute to the improvement and miniaturization of the optical device.
상기 투명 전도성 산화물층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 또는 ZCO(Zinc Carbon Oxide) 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 투명 전도성 산화물층은 광투과도가 90% 이상이므로 광추출 효율을 증가시킬 수 있다. The transparent conductive oxide layer may be formed of a material such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), or zinc carbon oxide (ZCO), and the transparent conductive oxide layer has a light transmittance of 90%. Since it is more than%, the light extraction efficiency can be increased.
상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴(16)은 전극 패드만으로 발광 다이오드에 전류가 주입되는 경우에 비해, 고르게 전류가 주입되게 함으로써, 결과적으로 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 전류 주입 면적을 증가시킴으로써, 접촉 저항을 감소시킬 수 있으며, 접촉면에서 발생하는 발열량 또한 감소시킬 수 있다. 상기 금속 패턴은 투명 전도성 산화물층과 P-전극 사이에 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 투명 전도성 산화물층과 P-GaN층 사이에 형성될 수 있다. 이 경우에는 P-GaN층과 금속 패턴이 직접 연결되므로, 접촉 저항이 더 낮아지는 것을 기대할 수 있다.The one-dimensional or two-
상기 금속 패턴은 전기 전도도가 높은 금, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 백금, 은 또는 이들의 합금으로 이루어진다. 상기 재질은 전기 전도도가 높으나, 투광성이 좋지 않기 때문에, 금속 패턴의 선폭이 가늘수록, 두께가 얇을수록 좋다. 바람직하게는 금속 패턴의 선폭은 10 내지 10000Å이며, 상기 금속 패턴의 두께는 10 내지 50000Å인 것이 좋다.The metal pattern is made of gold, aluminum, nickel, titanium, platinum, silver or alloys thereof having high electrical conductivity. The material has high electrical conductivity but poor light transmittance, so the thinner the line width of the metal pattern, the thinner the thickness. Preferably, the line width of the metal pattern is 10 to 10000 Å, and the thickness of the metal pattern is 10 to 50000 Å.
상기 금속 패턴의 형상은 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 스트라이프형(도 5), 격자형, 방사형(도 6), 거미줄형 또는 벌집형(도 7) 중 선택된 어느 하나의 형 상으로 형성될 수 있다. 상기 금속 패턴은 발광 다이오드의 에피층에 주입되는 전류를 확산시키는 역할을 하므로, 서로 전기적으로 연결되어야 한다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 패턴이 스트라이프형으로 형성되는 경우, 전극 패드(18)가 금속 패턴의 각 스트라이프에 연결되도록 형성되어야 한다.The shape of the metal pattern is formed in the shape of any one selected from stripe (Fig. 5), lattice, radial (Fig. 6), spider web or honeycomb (Fig. 7), as shown in Figs. Can be. Since the metal pattern serves to diffuse the current injected into the epitaxial layer of the light emitting diode, it should be electrically connected to each other. Therefore, as shown in FIG. 5, when the metal pattern is formed in a stripe shape, the
도 6은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제2실시예를 나타내는 단면도로서, 기판(10) 위에 형성된 도핑되지 않은 U-GaN층(11); 상기 도핑되지 않은 U-GaN층 위에 형성되며, 일부가 식각된 N-GaN층(12); 상기 N-GaN층의 식각되지 않은 상면에 형성된 활성층(13); 상기 활성층 위에 형성된 P-GaN층(14); 상기 P-GaN층 위에 형성된 InGaN/GaN 초격자층(19); 상기 InGaN/GaN 초격자층 위에 형성된 투명 전도성 산화물층(15); 상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴(16); 상기 N-GaN층의 식각된 면에 형성된 N-전극(17); 및 상기 금속 패턴 위에 형성된 P-전극(18)을 포함하여 이루어진다. 전술한 실시예의 경우와 같이, 상기 금속 패턴은 투명 전도성 산화물층과 상기 초격자층 사이에 형성될 수도 있다.6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention, in which an undoped
상기 실시예는 P-GaN층(14) 위에 형성된 InGaN/GaN 초격자층(19)을 포함한다. 초격자 구조라 함은 반도체 밴드 갭(Band Gap)의 공간적 변화가 구성 물질의 격자상수 크기보다 일차원 또는 이차원적으로 더 큰 주기성을 갖는 구조를 의미한다. The embodiment includes an InGaN /
초격자 구조는 구조상 다중 양자우물(Multi-quantum-well)과 유사하나 다중 양자우물과 구별할 수 있는 특성을 가지고 있다. 다중 양자우물이 우물간의 상호작용을 거의 무시하여 단일 양자우물의 어레이(Array)와 같은 구조의 특성을 갖는다면, 초격자 구조는 우물간의 터널링 효과(Tunneling Effect)가 중요시되는 구조로서 이와 같은 효과가 주로 반도체 소자 내에서 초격자 구조의 역할을 결정해 준다. 터널링 효과란 서로간의 상호작용이 거의 없이 인접한 우물에 분리 속박되어 있던 전자나 정공이 베리어(Barrier)가 얇아짐에 따라 이들 입자들이 인접 우물로 쉽게 이동하는 현상을 의미한다.The superlattice structure is similar in structure to a multi-quantum well, but has a distinguishable characteristic from a multi-quantum well. If multiple quantum wells have the characteristics of an array-like structure of single quantum wells almost neglecting the interaction between wells, the superlattice structure is a structure in which the tunneling effect between the wells is important. It mainly determines the role of superlattice structure in semiconductor devices. The tunneling effect refers to a phenomenon in which electrons or holes that are separated and bound to adjacent wells have little interaction with each other, and these particles easily move to adjacent wells as the barrier becomes thinner.
초격자층의 터널링 효과의 극대화를 고려할 때, 바람직하기로는 주기가 5nm 이하인 단주기 초격자층(Short Period Superlattice)으로 구성하는 것이 좋다. 단주기 초격자층은 간접 밴드(Indirect Band)를 형성하여 터널링 효과를 더 크게 한다. In consideration of maximizing the tunneling effect of the superlattice layer, it is preferable to configure the short period superlattice having a period of 5 nm or less. The short-period superlattice layer forms an indirect band to increase the tunneling effect.
본 실시예에서는 InGaN 및 GaN을 교호로 적층하여 초격자 구조를 형성하였으며, 접촉저항을 더욱 낮게 하기 위하여 GaN층을 N 도핑(실리콘 주입)할 수 있으며, 이 경우 도핑 농도는 1 x 1018/cm3 이상이 바람직하다. In this embodiment, InGaN and GaN are alternately stacked to form a superlattice structure, and in order to further lower contact resistance, the GaN layer may be N-doped (silicon implanted), in which case the doping concentration is 1 x 10 18 / cm. 3 or more are preferable.
이하에서는 전술한 전류 흐름을 개선하기 위한 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 수직형 구조의 발광 다이오드에 적용한 실시예를 설명하기로 한다. 수직형 구조의 발광 다이오드는 수평형 발광 다이오드에 비해 열 방출이 원활하고, N-전극을 형성하기 위해 활성층의 일부 영역을 제거할 필요가 없으므로, 발광 효율이 높다.Hereinafter, an embodiment in which the one-dimensional or two-dimensional metal pattern for improving the above-described current flow is applied to a light emitting diode having a vertical structure will be described. The light emitting diode having a vertical structure has a higher heat emission rate than the horizontal light emitting diode, and does not need to remove a portion of the active layer to form an N-electrode, and thus has high luminous efficiency.
도 7은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제3실시예를 나타내는 단면도로서, 전도성 기판(20) 위에 형성된 N-GaN층(12); 상기 N-GaN층 위에 형성된 활성층(13); 상기 활성층 위에 형성된 P-GaN층(14); 상기 P-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물층(15); 상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴(16); 상기 전도성 기판 아래에 형성된 N-전극(17); 및 상기 금속 패턴 위에 형성된 P-전극(18)을 포함하여 이루어진다. 전술한 바와 같이, 상기 금속 패턴(16)은 투명 전도성 산화물층(15)과 P-GaN층(14) 사이에 형성될 수도 있다.7 is a cross-sectional view showing a third embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention, comprising: an N-
상기 실시예는 전도성 기판 위에 GaN층을 성장시켜 수직형 발광 다이오드를 형성한 것이다. 이러한 경우는 GaN이 성장 가능한 전도성 기판의 가격이 비싸다는 불리한 점이 있다.In the above embodiment, a GaN layer is grown on a conductive substrate to form a vertical light emitting diode. In this case, there is a disadvantage that the price of the conductive substrate capable of growing GaN is expensive.
도 8은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제4실시예를 나타내는 단면도로서, 전도성 기판(30) 위에 형성된 P-GaN층(14); 상기 P-GaN층 위에 형성된 활성층(13); 상기 활성층 위에 형성된 N-GaN층(12); 상기 N-GaN층 위에 형성된 투명 전도성 산화물층(15); 상기 투명 전도성 산화물층 위에 형성된 1차원 또는 2차 원의 금속 패턴(16); 상기 금속 패턴 위에 형성된 N-전극(17); 및 상기 전도성 기판 아래에 형성된 P-전극(18)을 포함하여 이루어진다. 전술한 바와 같이, 상기 금속 패턴은 투명 전도성 산화물층과 N-GaN층 사이에 형성될 수 있다.8 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of a gallium nitride based light emitting diode according to the present invention, comprising: a P-
상기 실시예는 성장 기판에 발광 구조물을 성장시키고, 그 위에 전도성 기판을 형성한 다음, 성장 기판을 제거시킴으로써, 수직형 발광 다이오드를 형성한 것이다. 상기 전도성 기판은 도금된 금속층 등 다른 전도성 지지부로 대체될 수 있다.In the above embodiment, a vertical light emitting diode is formed by growing a light emitting structure on a growth substrate, forming a conductive substrate thereon, and then removing the growth substrate. The conductive substrate may be replaced with another conductive support such as a plated metal layer.
상기 실시예의 제조 방법을 보다 상세하게 설명하면, 성장 기판 위에 도핑되지 않은 U-GaN층, N-GaN층, 활성층, P-GaN층을 형성하여 발광 구조물을 형성한 다음, 서브마운트 기판을 본딩하거나, 금속층을 도금하여 전도성 지지부를 형성하고, 전도성 지지부 위에 P-전극을 형성한다.In more detail, the manufacturing method of the above embodiment is formed by forming an undoped U-GaN layer, an N-GaN layer, an active layer, and a P-GaN layer on the growth substrate to form a light emitting structure, and then bonding the submount substrate. The metal layer is plated to form a conductive support, and a P-electrode is formed on the conductive support.
상기 P-GaN층 위에는 반사층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 상기 반사층은 활성층으로부터 방출된 빛을 N-전극 쪽으로 향하게 하기 위한 것이다. 상기 반사층으로는 알루미늄, 아연, 금, 백금, 티타늄, 팔라듐, 게르마늄, 구리, 니켈, 스트론튬 등의 금속과 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 티타늄 등 산화물 또는 질화물이 사용될 수 있다. A reflective layer (not shown) may be further formed on the P-GaN layer. The reflective layer is for directing light emitted from the active layer toward the N-electrode. As the reflective layer, metals such as aluminum, zinc, gold, platinum, titanium, palladium, germanium, copper, nickel, and strontium, and oxides or nitrides such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, magnesium oxide, and titanium oxide may be used.
상기 서브마운트 기판은 전도성 베이스 기판과 베이스 기판의 상부 및 하부 각각에 형성된 오믹 컨택(Ohmic Contact)용 금속층으로 이루어지며, 전도성 솔더 등을 통하여 발광 구조물에 본딩된다. The submount substrate is formed of a conductive base substrate and a metal layer for ohmic contact formed on each of the upper and lower portions of the base substrate, and is bonded to the light emitting structure through conductive solder.
다음으로, 상기 성장 기판 및 도핑되지 않은 U-GaN층을 제거한다. 제거 방법으로는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-off) 방법 등이 사용될 수 있다. 레이저 리프트 오프 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 245~305nm의 UV-레이저를 기판을 통하여 조사하면, 레이저는 기판을 투과하여 기판과 GaN층의 경계면에서 흡수되어 GaN은 Ga와 N2로 분리되고 N2는 가스 상태로 외부로 빠져나오므로 계면에는 Ga만 남게 된다. Ga는 융점이 30℃정도이므로 열에 의해 쉽게 녹아 기판이 제거된다.Next, the growth substrate and the undoped U-GaN layer are removed. As the removal method, a laser lift-off method or the like may be used. The laser lift-off method will be described in more detail. When a 245-305 nm UV-laser is irradiated through the substrate, the laser passes through the substrate and is absorbed at the interface between the substrate and the GaN layer, whereby GaN is separated into Ga and N 2 . N 2 escapes to the outside in a gaseous state, leaving only Ga at the interface. Since Ga has a melting point of about 30 ° C, it is easily melted by heat to remove the substrate.
상기 기판과 접하고 있던 U-GaN층은 레이저에 의해 손상되므로, 전극을 형성하기 위해서는 U-GaN층을 제거하여 N-GaN층이 드러나도록 한다. 먼저, 기판을 제거하는 과정에서 형성된 Ga를 묽은 염산용액을 사용하여 제거를 하여 이후의 식각 공정을 용이하도록 한 다음, 건식 식각을 이용하여 U-GaN층을 제거한다. U-GaN층을 제거한 후에는 식각 공정 중 손상된 결정을 회복하기 위해 열처리를 한다.Since the U-GaN layer in contact with the substrate is damaged by a laser, the N-GaN layer is exposed by removing the U-GaN layer to form an electrode. First, Ga formed in the process of removing the substrate is removed using a dilute hydrochloric acid solution to facilitate the subsequent etching process, and then the U-GaN layer is removed using dry etching. After removing the U-GaN layer, heat treatment is performed to recover crystals damaged during the etching process.
다음으로, 상기 U-GaN층이 제거된 N-GaN층 면에 투명 전도성 산화물층, 1차원 또는 2차원의 금속 패턴 및 N-전극을 형성한다. Next, a transparent conductive oxide layer, a one-dimensional or two-dimensional metal pattern, and an N-electrode are formed on the surface of the N-GaN layer from which the U-GaN layer is removed.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
본 발명은 상술한 바와 같이, 투명 전도성 산화물층 위에 또는 아래에 형성된 1차원 또는 2차원의 금속 패턴을 구비함으로써, 전극 패드만으로 발광 다이오드에 전류가 주입되는 경우에 비해, 고르게 전류가 주입되게 함으로써, 결과적으로 발광 효율을 증가시킬 수 있다. The present invention, as described above, by providing a one-dimensional or two-dimensional metal pattern formed on or below the transparent conductive oxide layer, thereby allowing the current to be injected evenly, compared to the case where the current is injected into the light emitting diode only by the electrode pad, As a result, the luminous efficiency can be increased.
또, 상기 금속 패턴은 전류 주입 면적을 증가시킴으로써, 접촉 저항을 감소시킬 수 있으며, 접촉면에서 발생하는 발열량 또한 감소시킬 수 있다. In addition, the metal pattern may reduce the contact resistance by increasing the current injection area, and may also reduce the amount of heat generated at the contact surface.
또, 상기 금속 패턴이 투명 전도성 산화물층과 GaN층 사이에 형성되는 경우에는 GaN층과 저저항의 금속 패턴이 직접 연결되므로, 접촉 저항이 더 낮아져 동작 전압의 감소를 기대할 수 있다.In addition, when the metal pattern is formed between the transparent conductive oxide layer and the GaN layer, since the GaN layer and the low-resistance metal pattern are directly connected, the contact resistance is lowered and a reduction in operating voltage can be expected.
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