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KR100801617B1 - 광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및그것을 제조하는 방법 - Google Patents

광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및그것을 제조하는 방법 Download PDF

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KR100801617B1
KR100801617B1 KR1020060018082A KR20060018082A KR100801617B1 KR 100801617 B1 KR100801617 B1 KR 100801617B1 KR 1020060018082 A KR1020060018082 A KR 1020060018082A KR 20060018082 A KR20060018082 A KR 20060018082A KR 100801617 B1 KR100801617 B1 KR 100801617B1
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김화목
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서울옵토디바이스주식회사
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/813—Bodies having a plurality of light-emitting regions, e.g. multi-junction LEDs or light-emitting devices having photoluminescent regions within the bodies

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Abstract

광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 나노구조체들이 상기 제2 도전형 반도체층 상에 성장된다. 상기 나노구조체들은 상기 활성층에서 생성된 광이 상기 제2 반도체층의 표면에서 전반사되는 것을 방지하여 광추출 효율을 향상시킨다.
발광 다이오드, 거칠어진 표면(roughened surface), 광추출 효율(light extraction efficiency), 나노구조체(nanostructure)

Description

광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE HAVIGNG NANOSTRUCTURES FOR LIGHT EXTRACTION AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 약 10년 동안 적용되고 개발되어 왔다. GaN 계열의 LED는 LED 기술을 상당히 변화시켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.
최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.
LED 효율을 개선하기 위해 두 가지의 주요한 접근이 시도되고 있다. 첫째는 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조에 의해 결정되는 내부 양자 효율(interna quantum efficiency)을 증가시키는 것이고, 둘째는 광추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.
내부 양자 효율은 현재 70~80%에 이르고 있어 개선의 여지가 많지 않으나, 광추출 효율은 개선의 여지가 많다. 광추출 효율 개선은, 내부 반사에 의한 내부 광손실을 제거하는 것이 주요한 과제가 되고 있다.
내부반사를 방지하여 광추출 효율을 개선시킨 발광 다이오드가 "표면 거침을 통한 GaN 계열 발광 다이오드의 추출 효율 개선"(Increase in the extraction efficiency of GaN-Based ligth emitting diodes via surface roughening)이라는 제목으로 후지 등(Fujii et al.)에 의해 어플라이드 피직스 레터스(Applied physics letters, Vol84, N6, p855~857)에 개시된 바 있다.
상기 발광 다이오드는 사파이어 기판 상에 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반 도체층을 적층하고, 서브마운트 상에 상기 반도체층들을 본딩하고 레이저 리프트-오프(Laser lift-off; LLO) 기술을 사용하여 상기 반도체층들을 기판으로부터 분리한 후, 상기 N형 반도체층의 표면을 거칠게 하여 형성된다. 상기 N형 반도체층의 표면을 거칠게 형성함에 따라, N형 반도체층을 통해 외부로 방출되는 광의 추출 효율을 개선할 수 있다.
그러나, 상기 발광 다이오드는 서브마운트에 반도체층들을 본딩하고, LLO 기술을 사용하여 반도체층들을 기판으로부터 분리해야 하며, N형 반도체층의 표면을 거칠게하는 공정들을 추가적으로 수행해야 하므로 제조 공정이 복잡하고, 제조 공정수가 증가한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 내부 전반사에 의한 광손실을 방지하여 광추출 효율을 개선시키되, 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 표면을 거칠게 하는 공정들을 사용함이 없이, 내부 전반사에 의한 광손실을 방지하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있는 발광 다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 태양은 광추출을 위한 나노구조체들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 나노구조체들이 상기 제2 도전형 반도체층 상에 성장된다. 상기 나노구조체들은 상기 활성층에서 생성된 광이 상기 제2 반도체층의 표면에서 전반사되는 것을 방지하여 광추출 효율을 향상시킨다. 상기 나노구조체들은 상기 제2 도전형 반도체층 상에서 성장되므로, 레이저 리프트-오프(LLO) 기술 및 표면을 거칠게 하는 공정들(surface roughening processes)을 수행할 필요가 없어 제조 공정을 단순화할 수 있다.
상기 나노구조체들은 하부 단면이 상부 단면보다 더 클 수 있다. 이에 따라, 광이 상기 제2 도전형 반도체층에서 상기 나노구조체들 내로 쉽게 입사되며, 상기 나노구초체 내에서 내부 반사를 적게하여 광 손실을 더욱 감소시킬 수 있다.
상기 나노구조체들은 다양한 투광성 물질로 형성될 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니나, (Al, In, Ga)N 화합물 반도체 또는 ZnO로 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층은 각각 N형 및 P형 반도체층들일 수 있다. 예컨대, 상기 제1 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이와 반대로, 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층은 각각 P형 및 N형 반도체층들일 수 있다. 예컨대, 상기 제1 도전형 반도체층은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들은 II-VI 족 화합물 반도체일 수 있으며, 예컨대 ZnO 일 수 있다.
투명전극이 상기 나노구조체들이 성장된 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극 패드가 형성되고, 상기 투명전극 상에 제2 전극 패드가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 통해 전류를 공급하여 발광 다이오드를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드 제조방법은 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층이 형성되고, 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층이 형성된다. 그 후, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 나노구조체들이 성장된다. 이에 따라, 종래기술과 같이 LLO 기술을 사용하여 반도체층들을 기판으로부터 분리하거나, 표면을 거칠게 하는 공정들을 사용함이 없이 광추출 효율이 향상된 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
상기 나노구조체들은 다양한 투광성 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체 또는 ZnO로 형성될 수 있다.
상기 나노 구조체들이 성장된 제2 도전형 반도체층 상에 투명전극층이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층은 상기 나노구조체들을 덮는다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여, 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 상에 성장된 나노단위체들을 포함한다. 상기 나노단위체들 각각은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 성장 된 활성층 및 상기 활성층 상에 성장된 제2 도전형 반도체의 나노구조체를 포함한다. 상기 활성층에서 생성된 광은 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체를 통해 외부로 방출되므로, 내부 반사에 의한 광손실을 방지할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체는 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 도전형 반도체층은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체는 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 도전형 반도체층 및/또는 상기 제2 도전형 반도체층은 II-VI족 화합물 반도체, 예컨대 ZnO로 형성될 수 있다.
제1 전극 패드가 상기 제1 도전형 반도체층에 형성될 수 있으며, 투명전극층이 상기 나노구조체들 사이에 빈 공간이 남도록 상기 나노구조체들 상에 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 투명전극층 상에 제2 전극 패드가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조방법은 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층 상에 서로 이격된 나노단위체들이 성장된다. 상기 나노단위체들 각각은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 성장된 활성층 및 상기 활성층 상에 성장된 제2 도전형 반도체의 나노구조체를 포함한다. 이에 따라, 광추출 효율이 향상된 발광 다이오드를 단순한 공정에 의해 제조할 수 있다.
투명전극층이 상기 나노구조체들 상에 형성될 수 있다. 상기 투명전극층은 상기 나노구조체들 사이에 빈 공간이 남도록 형성되어, 상기 활성층으로부터 이격 된다.
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 태양에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(27)이 위치한다. 상기 기판(21)은 도전성 기판 또는 절연 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어, 탄화실리콘(SiC) 스피넬 또는 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 한편, 상기 제1 도전형 반도체층(27)과 상기 기판(21) 사이에 핵층(nucleation layer) 또는 저온 버퍼층(23)이 개재될 수 있다. 이에 더하여, 상기 저온 버퍼층(23)과 상기 제1 도전형 반도체층(27) 사이에 고온 버퍼층(25), 예컨대 언도프트 GaN층이 개재될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(27) 상부에 제2 도전형 반도체층(31)이 위치하며, 제1 도전형 반도체층(27)과 제2 도전형 반도체층(31) 사이에 활성층(29)이 개재된다. 상기 제1 도전형 반도체층(27) 및 상기 제2 도전형 반도체층(31)은 상기 활성층(29)보다 넓은 밴드갭을 갖는다.
상기 제2 도전형 반도체층(31) 상에 나노구조체들(33)이 위치한다. 상기 나 노구조체들(33)은 상기 제2 도전형 반도체층(31) 상에 직접 성장되어 형성된다. 상기 나노구조체들(33)은 대체로 서로 이격된다. 종래 기술은, 성장된 반도체층을 예컨대 광전기화학(PEC; photoelectrochemical) 식각, 또는 건식 식각 기술을 사용하여 거칠어진 표면을 형성하는 탑다운(top-down) 방식을 채택하나, 본 발명은 나노구조체들(33)을 직접 성장시키는 바텀업(bottom-up) 방식을 채택한다.
상기 제1 도전형 반도체층(27) 및 상기 제2 도전형 반도체층(29)은 각각 N형 및 P형 반도체층들일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(27)은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 제2 도전형 반도체층(31)은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이와 반대로, 상기 제1 도전형 반도체층(27) 및 제2 도전형 반도체층(31)은 각각 P형 및 N형 반도체층들일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(27)은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 제2 도전형 반도체층(31)은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및/또는 제2 도전형 반도체층들(27, 31)은 II-VI 족 화합물 반도체일 수 있으며, 예컨대 ZnO 일 수 있다.
상기 활성층(29)은 단일층으로 형성된 단일 양자웰(single quantum well) 또는 적층 구조의 다중 양자웰(multi-quantum well)일 수 있다. 상기 활성층(29)은 (Al, Ga, In)N의 반도체층 또는 II-VI족 화합물 반도체, 예컨대 ZnO 계열로 형성될 수 있다.
상기 나노구조체들은, 활성층(29)에서 생성된 광을 투과시킬 수 있는 투광성 물질이면, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게, 상기 나노구조체들은 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체, 또는 II-VI족 화합물 반도체, 예컨대 ZnO로 형성될 수 있다. 나노구조체들(33)이 화합물 반도체로 형성된 경우, 상기 화합물 반도체의 도전형은 특별히 한정되지 않는다.
나노구조체들(33)은 하부 단면이 상부 단면보다 더 클 수 있다. 이에 따라, 활성층(29)에서 생성되어 제2 도전형 반도체층(31)으로 입사된 광이 상기 나노구조체들(33) 내로 쉽게 입사될 수 있으며, 나노구조체들(33) 내로 입사된 광이 내부 반사 없이 쉽게 외부로 방출될 수 있다.
한편, 나노구조체들(33) 상에 투명전극층(35)이 위치한다. 상기 투명전극층(35) 인디움 틴 산화물(ITO)과 같은 도전성 산화물 또는 Ni/Au와 같은 투명 금속으로 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(35)은 제2 도전형 반도체층(31)과 오믹접촉하는 것이 바람직하다.
한편, 도시한 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(27)의 일 영역 상에 제1 전극 패드(37a)가 위치하고, 상기 투명전극층(35)의 일 영역 상에 제2 전극 패드(37b)가 위치할 수 있다. 상기 제1 전극 패드(37a)는 제1 도전형 반도체층(27)에 오믹 접촉된다.
상기 전극 패드들(37a, 37b)을 통해 순방향 전류를 공급하면, 활성층(29)에서 전자와 홀이 결합하여 광이 생성된다. 활성층(29)에서 생성되어 제2 도전형 반도체층(31)을 투과한 광은 상기 나노구조체들(33) 내로 입사되어 외부로 방출된다. 따라서, 제2 도전형 반도체층(31)의 표면에서 전반사되어 손실되는 광을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는 제2 도전형 반도체층(31) 상에 직접 성장된 나노구조체들(33)을 채택함으로써, 거칠어진 표면을 형성하는 종래 기술에 비해 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(27)을 형성한다. 상기 기판(21)은 도전성 기판 또는 절연성 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어, 스피넬, SiC 또는 Si 기판일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(27)은 예컨대, GaN 계열의 반도체층, 즉 (Al, Ga, In)N로 형성될 수 있으며, 또는 II-VI족 화합물 반도체, 예컨대 ZnO로 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(27)이 GaN 계열의 반도체층으로 형성될 경우, Si을 도핑함으로써 N형 반도체층으로 형성되거나, Mg을 도핑함으로써 P형 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(27)을 형성하기 전, 핵층 또는 저온 버퍼층(23)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 저온 버퍼층(23) 상에 고온 버퍼층(25)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층들(23, 25)은 그 위에 형성될 반도체층들과 상기 기판(21)의 격자 부정합을 완화하여 전위(dislocation) 등의 결정결함 발생을 감소시킨다.
상기 제1 도전형 반도체층(27) 상에 활성층(29)이 형성된다. 상기 활성층(29)은 (Al, Ga, In)N의 단일층 또는 밴드갭이 서로 다른 (Al, Ga, In)N층들이 교대로 적층된 다층구조일 수 있다. 또한, 상기 활성층(29)은 ZnO 계열의 화합물 반도체일 수 있다.
상기 활성층(29) 상에 제2 도전형 반도체층(31)이 형성된다. 상기 제2 도전형 반도체층 또한 (Al, Ga, In)N의 GaN 계열의 반도체층일 수 있으며, Mg가 도핑되어 P형 반도체층이 되거나, Si가 도핑되어 N형 반도체층이 될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(27), 활성층(29), 제2 도전형 반도체층(31)은 각각 금속유기화학기상증착(metalorganic chemical vapor deposition; MOCVD), 수소화물 기상성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE), 분자선 성장(molecular beam epitaxy; MBE) 기술 등을 사용하여 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(31) 상에 나노구조체들(33)이 성장된다. 상기 나노구조체들은 투광성 물질로 성장된다. 상기 나노구조체들은 금속 또는 반도체로 형성될 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니나, (Al, In, Ga)N 또는 ZnO와 같은 II-VI족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 나노구조체들(33)은, 증착되는 물질의 종류에 따라 다양한 증착 기술, 예컨대 MOCVD, HVPE, MBE 기술 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노구조체들(33)을 형성하는 동안 불순물(impurity)들이 도핑될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 나노 구조체들(33)이 성장된 제2 도전형 반도체층(31) 상에 투명전극층(35)이 형성된다. 상기 투명전극층(35)은 인디움 틴 산화물(ITO)과 같은 도전성 금속 산화물 또는 Ni/Au와 같은 투명금속으로 형성될 수 있다. 투명전극층(35)은 나노구조체들(33)을 덮으며, 또한 상기 나노구조체들(33) 사이의 빈 공간을 채울 수 있다. 따라서, 투명전극층(35)은 제2 도전형 반도체층(31)과 직접 오믹접촉될 수 있다. 한편, 투명전극층(35)이 제2 도전형 반도체층(31)과 직접 오믹접촉하지 않는 경우, 상기 투명전극층(35)은 상기 나노구조체들(33)에 오믹접촉될 수 있다.
상기 투명금속층(35), 나노구조체들(33), 제2 도전형 반도체층(31) 및 활성층(29)의 일부를 차례로 식각하여 제1 도전형 반도체층(27)을 노출시킨다. 그 후, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(27) 상에 제1 전극 패드(37a)를 형성한다. 또한, 투명금속층(35)의 소정 영역 상에 제2 전극 패드(37b)를 형성한다. 이에 따라, 도 1에 도시한 바와 같은 발광 다이오드가 완성된다.
본 실시예에 있어서, 투명금속층(35)을 형성한 후, 제1 도전형 반도체층(27)을 노출시키는 공정을 수행하나, 제1 도전형 반도체층(27)의 일부를 노출시킨 후, 제2 도전형 반도체층(31) 상에 투명금속층(35)을 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(51) 상에 제1 도전형 반도체층(57)이 위치하며, 상기 제1 도전형 반도체층(57)과 상기 기판(51) 사이에 저온 버퍼층(53) 및 고온 버퍼층(55)이 개재될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(57) 상에 나노단위체들(60)이 위치한다. 상기 나노단위체들(60)은 상기 제1 도전형 반도체층(57) 상에 직접 성장되어 형성된다. 상기 나노단위체들(60)은 대체로 서로 이격된다. 상기 나노단위체들(60) 각각은 활성층(59) 및 제2 도전형 반도체의 나노구조체(61)를 포함한다. 본 발명의 나노단위체들(60)은 바텀업(bottom-up) 방식으로 성장된다.
상기 제1 도전형 반도체층(57) 및 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체(61)는 각각 N형 및 P형 반도체일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(57)은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 제2 도전형 반도체(61)는 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이와 반대로, 상기 제1 도전형 반도체층(57) 및 제2 도전형 반도체(61)는 각각 P형 및 N형 반도체일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(57)은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 제2 도전형 반도체(61)는 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및/또는 제2 도전형 반도체들(57, 61)은 II-VI 족 화합물 반도체일 수 있으며, 예컨대 ZnO 일 수 있다.
상기 활성층(59)은 단일층으로 형성된 단일 양자웰(single quantum well) 또는 적층 구조의 다중 양자웰(multi-quantum well)일 수 있다. 상기 활성층(59)은 (Al, Ga, In)N의 반도체층 또는 II-VI족 화합물 반도체, 예컨대 ZnO 계열로 형성될 수 있다.
나노단위체들(60)은, 도시한 바와 같이, 하부 단면이 상부 단면보다 더 클 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 단면이 하부 단면보다 더 클 수 있다. 활성층들(59)에서 생성되어 제2 도전형 반도체의 나노구조체들(61)로 입사된 광은 상기 나노구조체들(61) 내의 측벽들에서 전반사되어 상부로 방출된다. 따라서, 상기 나노구조체(61)로 입사된 광은 제1 도전형 반도체층(57)으로 다시 반사되지 않고 외부로 방출되므로 광손실이 감소되고, 광 추출효율이 향상된다.
한편, 나노단위체들(60) 상에 투명전극층(65)이 위치한다. 상기 투명전극층 (65)은 인디움 틴 산화물(ITO)과 같은 도전성 산화물 또는 Ni/Au와 같은 투명 금속으로 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(65)은 활성층들(59)로부터 이격되며, 제2 도전형 반도체의 나노구조체들(61)과 오믹접촉된다.
한편, 도시한 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(57)의 일 영역 상에 제1 전극 패드(67a)가 위치하고, 상기 투명전극층(65)의 일 영역 상에 제2 전극 패드(67b)가 위치할 수 있다. 상기 제1 전극 패드(67a)는 제1 도전형 반도체층(57)에 오믹 접촉된다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층(57) 상에 직접 성장된 나노단위체들(60)을 채택함으로써, 거칠어진 표면을 형성하는 종래 기술에 비해 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(51) 상에 제1 도전형 반도체층(57)이 형성되고, 상기 제1 도전형 반도체층(57)을 형성하기 전, 저온 버퍼층(53) 및 고온 버퍼층(55)이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층(57) 상에 나노단위체들(60)이 성장된다. 상기 나노단위체들(60) 각각은 활성층(59) 및 제2 도전형 반도체의 나노구조체(61)를 포함한다. 상기 활성층들(59)은 (Al, Ga, In)N의 단일층 또는 밴드갭이 서로 다른 (Al, Ga, In)N 층들이 교대로 적층된 다층구조일 수 있다. 또한, 상기 활성층들(59)은 ZnO 계열의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체(61)는 (Al, In, Ga)N 또는 ZnO와 같은 II-VI족 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
상기 나노단위체들(60)은, 증착되는 물질의 종류에 따라 다양한 증착 기술, 예컨대 MOCVD, HVPE, MBE 기술 등을 사용하여 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(57)과 동일한 챔버를 사용하여 인-시투(in-situ)로 형성될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 나노구조체들(61) 상에 투명전극층(65)이 형성된다. 상기 투명전극층(65)은 인디움 틴 산화물(ITO)과 같은 도전성 금속 산화물 또는 Ni/Au와 같은 투명금속으로 형성될 수 있다. 투명전극층(65)은 나노단위체들(60)을 덮어 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체(61)에 오믹접촉되며, 활성층들(59)과 이격된다. 따라서, 상기 나노구조체들(61) 사이에 빈 공간이 형성된다.
한편, 상기 투명금속층(65) 및 나노단위체들(60)의 일부를 차례로 식각하여 제1 도전형 반도체층(57)의 일 영역을 노출시킨다. 그 후, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(57) 상에 제1 전극 패드(67a)를 형성한다. 또한, 투명금속층(65)의 소정 영역 상에 제2 전극 패드(67b)를 형성한다. 이에 따라, 도 5에 도시한 바와 같은 발광 다이오드가 완성된다.
본 실시예에 있어서, 투명금속층(65)을 형성한 후, 제1 도전형 반도체층(57)을 노출시키는 공정을 수행하나, 제1 도전형 반도체층(57)의 일부를 노출시킨 후, 투명금속층(65)을 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 거칠어진 표면을 채택하는 종래기술에 비해 제조 공정을 단순화하면서, 내부 전반사에 의한 광손실을 방지하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있으며, 표면을 거칠게 하는 공정들을 사용함이 없이 내부 전반사에 의한 광손실을 방지하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있는 발광 다이오드 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 성장된 나노구조체들(nano structures);
    상기 제1 도전형 반도체층에 형성된 제1 전극 패드;
    상기 나노구조체들이 성장된 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극; 및
    상기 투명전극 상에 형성된 제2 전극 패드를 포함하고,
    상기 나노구조체들은 하부 단면이 상부 단면보다 더 큰 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노구조체들은 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체 또는 ZnO로 형성된 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성된 발광 다이오드.
  5. 삭제
  6. 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하고,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하고,
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하고,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 나노구조체들을 성장시키되, 상기 나노구조체들은 하부 단면이 상부 단면보다 더 크고;
    상기 나노 구조체들이 성장된 제2 도전형 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 나노구조체들은 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체 또는 ZnO로 형성된 발광 다이오드 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성된 발광 다이오드 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 서로 이격되어 성장된 나노단위체들을 포함하고,
    상기 나노단위체들 각각은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 성장된 활성층 및 상기 활성층 상에 성장된 제2 도전형 반도체의 나노구조체를 포함하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 N형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체의 나노구조체는 P형 (Al, In, Ga)N 화합물 반도체로 형성된 발광 다이오드.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층에 형성된 제1 전극 패드;
    상기 나노구조체들 사이에 빈 공간이 남도록 상기 나노구조체들 상에 형성된 투명전극층; 및
    상기 투명전극층 상에 형성된 제2 전극 패드를 더 포함하는 발광 다이오드.
  13. 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하고,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 서로 이격된 나노단위체들을 성장시키되,
    상기 나노단위체들 각각은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 성장된 활성층 및 상기 활성층 상에 성장된 제2 도전형 반도체의 나노구조체를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 나노구조체들 상에 투명전극층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
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