KR100647815B1 - 무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 투명 전극층에 마이크로 크기의 무반사면(Roughness)을 형성함으로써 발광 다이오드 내부에서 형성된 광자를 외부로 탈출시키는 외부양자효율(EQE)를 증대시키는 무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 기판상에 N형 영역층과, 빛이 방출되는 활성층과, P형 영역층과, 투명 전극이 순차적으로 증착되고, 외부의 전원이 인가되기 위해 N형 영역층과 P형 영역층에는 각각의 전극이 배치된 발광 다이오드에 있어서, 내부에서 생성되는 광의 전반사를 최소화하기 위해 투명 전극을 식각하여 무반사면을 형성한다.

전반사, 투명 전극, 외부양자효율, 무반사면

Description

무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드{ LED Having Roughness Surface by Etching }

도 1은 일반적인 질화물계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 일반적인 질화물계 발광 다이오드의 순방향 전류에 따른 발광휘도값을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 4a는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 평면도.

도 4b는 도 4a의 A부분 확대도.

도 4c는 도 4b의 B부분 확대도.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 무반사면의 형성 구조.

도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 무반사면의 형성 구조.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔구조 무반사면의 꼭지각 대비 무반사면의 형성으로 인한 추가발광효율을 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전류 대비 발광휘도값을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 기호의 설명>

10 : 기판 20 : N형 영역층

30 : 활성층 40 : P형 영역층

50 : 투명 전극 60 : N형 전극

70 : P형 전극 80 : 무반사면

본 발명은 무반사 처리된 투명 전극을 가지는 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명 전극층에 무반사 처리영역을 두어 광적출 특성을 향상시키는 발광 다이오드에 관한 것이다.

최근 정보기술과 이동통신기술 등의 비약적인 발전과 함께 정보를 시각적으로 표시해줄 수 있는 디스플레이 장치의 발전 또한 비약적으로 이루어지고 있으며, 디스플레이 장치는 그 구동 형태에 따라 투사형, 직시형, 허상이용형, 홀로그램 등이 있으며, 직시형 디스플레이는 크게 재질 자체가 발광 특성을 갖는 자체 발광형 디스플레이와 다른 외부요인으로 발광케할 수 있는 비발광형으로 분류되고 있다.

그리고, 최근의 개발 추이는 고휘도, 고속응답특성, 높은 발광강도, 전체 제조 공정수 등의 다양한 요구를 만족시키기위해 LCD(Lyquid Crystal Display, 액정표시장치), PDP(Plasma Display Pannel), 유기 EL(Organic Electrolumine scent), LED(Light Emitting Diode) 등이 기존 디스플레이 장치 시장을 급속하게 대체해나가고 있는 실정이다.

이중에서 특히, 발광 다이오드(Light Emitting Diode )는 소형, 저소비전력, 고신뢰성 등의 특징을 겸비하여 표시용 광원으로서 널리 이용되고 있으며, 실용화되어 있는 발광 다이오드의 재료로서는 AlGaAs, GaAlP, GaP, InGaAlP 등의 5족 원소로 As, P를 사용한 3-5족 화합물 반도체가 적색, 등색(橙色), 황색, 녹색 발광용으로서 이용되고, 녹색, 청색, 자외(紫外)영역용으로서는 GaN계 화합물 반도체가 이용되며, 발광강도가 높은 발광 다이오드가 실현되고 있다.

이와 같은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드 소자의 적층 구조는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(10)상에 N형 영역층(GaN 층)(20), 활성층(30), P형 영역층(GaN 층)(40)을 순차적으로 결정성장시키고, N형 전극(60)의 형성을 위해 일부분을 N형 영역층(20)까지 식각하며, P형 영역층(40) 전면에 투명전극(50)을 증착하며, N형 전극(60)과 P형 전극(80)을 증착함으로써 형성된다.

과거 질화 갈륨계 발광 다이오드 소자에서 P형 영역층은 얇은 Ni/Au 금속을 이용한 오믹 접촉이 주된 방법이며, Au 금속 사용에 따른 청색계열 파장 이하에서의 광흡수가 비교적 큰 편이라 근본적인 한계를 지님에 따라, 근래에는 Ni/Au보다 투광성이 우수한 산화인듐막(Indium Thin Oxide, 이하 'ITO'라 한다) 등의 투명전극(TCO : Transparent Conductive Oxide)을 이용한다.

이와 같은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드 소자에 있어서, 리드 프레임(미도시)에 인가되는 전압을 통해 반도체 발광 다이오드 발광소자에 전류가 주입되면, 주입된 전류는 도전성이 높은 투명전극에 의해 확장되고, N형 GaN층 및 P형 GaN층으로 주입된다. 그리고, 이 PN접합에 의해 발생하는 에너지 hυ(h : 프랭크상수, υ = c/λ, c : 광속, λ : 파장)의 발생은 발광 다이오드 발광소자의 외부로 방출된다.

그리고, 이러한 발광 다이오드 소자에서 발생한 빛의 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나누어지는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라 결정되며, 외부 양자 효율의 경우에는 활성층에서 발생된 빛이 발광 다이오드 발광소자의 외부로 나오는 정도에 따라 결정되며, 외부 양자 효율의 경우는 굴절율과 임계각에 따라 결정된다고 할 수 있다.

즉, 외부 양자 효율의 경우에는 일정한 굴절율을 갖는 GaN(질화갈륨)물질이나 사파이어의 경우 굴절율 1인 공기중으로 빛이 나오기 위해서는 임계각을 넘지 않아야 하는데, 굴절율이 서로 다른 GaN과 공기 사이에서 공기로 빛이 탈출되는 탈출각의 임계각은 θ_C = sin^-1( N₁ /N₂ )로 표시되고, 질화갈륨(GaN)에서 굴절율이 1인 공기중으로 빛이 진행할 때의 임계각은 약 24.6°가 된다.

만약 위의 임계각 이상의 각도로 발생되는 빛은 칩의 내부로 다시 돌아가서 칩의 내부에 갇히는 결과를 초래하고, 질화갈률과 기판인 사파이어 웨이퍼 내에서 빛의 흡수가 이루어져 외부 양자 효율은 떨어지게 된다.

상기와 같은 원인으로 인해 고품질의 반도체 재료를 이용하여도 발광 다이오드 내부에서 생성된 광자와 이중에 최종적으로 대기로 방출되는 광자의 비율은 여전히 작은 한계를 지닌다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 투명 전극층에 마이크로 크기의 무반사면(Roughness)을 형성함으로써 발광 다이오드 내부에서 형성된 광자를 외부로 탈출시키는 외부양자효율(EQE)를 증대시키는 무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드를 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 기판상에 N형 영역층과, 빛이 방출되는 활성층과, P형 영역층과, 투명 전극이 순차적으로 증착되고, 외부의 전원이 인가되기 위해 N형 영역층과 P형 영역층에는 각각의 전극이 배치된 발광 다이오드에 있어서, 내부에서 생성되는 광의 전반사를 최소화하기 위해 1000Å~ 5000Å의 두께를 가지는 투명 전극을 식각하여 원뿔구조이며, 꼭지각이 5°~50°인 형상으로 무반사면을 형성한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 먼저, 도면에 걸쳐 기능적으로 동일하거나, 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.

도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이고, 도 4a는 도 3에 따른 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 A부분 확대도이고, 도 4c는 도 4b의 B부분 확대도이고, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 무반사면의 형성 구조도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무반사면의 형성 구조도이다.

도면을 참조하면, 기판(10)상에 N형 영역층(20)과, 빛이 방출되는 활성층(30)과, P형 영역층(40)과, 투명 전극(50)이 순차적으로 증착되고, 외부의 전원이 인가되기 위해 N형 영역층(20)과 P형 영역층(30)에는 각각의 전극(60, 70)이 배치된다.

여기서, 상기 투명 전극(50)의 상부에 내부에서 발생하는 광자의 전반사를 최소화하기 위해 무반사면(80)이 형성된다.

상기 무반사면(80)은 외부로 방출되는 광파장의 길이 정도로 요철형태를 만들어 준 면으로서, 프레스넬(Fresnel)의 법칙에 따라 대부분의 빛을 입사각에 상관없이 투과시킨다.

상기 무반사면(80)이 형성되는 투명 전극(50)의 전체 두께는 1000Å~ 5000Å 정도로 증착되고, 여기서 무반사면(80)은 투명 전극의 두께가 4000Å일 때, 대략 2000Å 내외의 두께로 형성된다.

상기의 투명 전극(50)은 P형 영역층의 원활한 전류의 흐름을 위해 P형 영역층에 증착되고, 일반적으로 산화인듐(InO), 산화카드뮴(CdO), 산화주석(SnO₂), 산화아연(ZnO) 등을 이용하여 증착되며, 바람직하게는 투광성이 높은 산화인듐을 이용한다.

이에 따라 형성되는 무반사면(80)의 형성 구조는 식각전 투명 전극의 GRAIN을 따라 식각된 형태로 나타난다.

본 발명의 일실시예와 같이 원뿔과 비슷한 형태를 가지나, 다른 실시예와 같은 형태를 가질 수 있으며, 상기 형태와는 다른 다양한 형성 구조로 나타날 수도 있다.

또한 무반사면(80)을 형성하기 위해서는 투명 전극(50)에 러프니스 메탈을 증착하고, 고온에서 열처리한 뒤 에칭(etching)액을 이용하여 물리, 화학적 작용에 의해 형성할 수 있다.

또한 투명 전극(50)의 증착 단계에서 결합 밀도를 달리 처리함으로써 에칭에 따른 화학적 반응 정도의 차이를 이용하여 형성할 수 있다.

이와 같이 무반사면(80)의 형성 방법과 형성구조는 다양할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 2는 일반적인 질화물계 발광 다이오드의 순방향 전류에 따른 발광휘도값을 나타낸 그래프이고, 도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔구조 무반사면의 꼭지각 대비 무반사면의 형성으로 인한 추가발광효율을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전류 대비 발광휘도값을 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하면 일반적인 질화물계 발광 다이오드의 발광휘도값과 본 발명의 일실시예에 따른 발광휘도값이 전류값이 커질수록 그 차이가 더욱 커지며, 무반사면(80)이 원뿔구조인 경우 원뿔 꼭지각이 작을수록 발광효율이 높게 나타난다.

바람직한 원뿔 꼭지각은 5°~ 50°이며 이때 가장 발광효율이 높게 나타난다.

본 발명은 투명 전극층을 미세하게 조절하여 식각함으로써 마이크로 크기의 무반사면을 형성하여 내부에서 생성되는 광자의 전반사를 최소화 하고, P형 영역층과 공기와의 큰 굴절률 차이를 적절하게 줄여 준다.

이에 따라 발광 다이오드 내부에서 형성된 광자를 외부로 탈출시키는 외부양 자효율을 평탄한 투명 전극을 사용한 경우보다 크게는 2배로 증대시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 기판(10)상에 N형 영역층(20)과, 빛이 방출되는 활성층(30)과, P형 영역층(40)과, 투명 전극(50)이 순차적으로 증착되고, 외부의 전원이 인가되기 위해 N형 영역층(20)과 P형 영역층(30)에는 각각의 전극(60, 70)이 배치된 발광 다이오드에 있어서,

   내부에서 생성되는 광의 전반사를 최소화하기 위해 1000Å~ 5000Å의 두께를 가지는 투명 전극(50)을 식각하여 원뿔구조이며, 꼭지각이 5°~50°인 형상으로 무반사면(80)을 형성하는 것을 특징으로 하는 무반사 처리된 투명 전극층을 가지는 발광 다이오드.
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