KR101285925B1

KR101285925B1 - 그라핀을 이용하는 발광 다이오드

Info

Publication number: KR101285925B1
Application number: KR1020110040021A
Authority: KR
Inventors: 박원일; 이정민; 정해용
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2013-07-12
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: KR20120122057A

Abstract

그라핀을 전극구조에 이용하는 발광 다이오드가 개시된다. p형 반도체층 또는 n형 반도체층 상부에 금속 전극이 형성되고, 금속 전극의 상부에 그라핀층이 형성된다. 그라핀층은 광투과율을 가지고, 전류확산 기능을 수행한다. 또한, 그라핀층 상부에는 추가 금속막이 형성되어 그라핀층은 금속 전극에 용이하게 접착될 수 있다.

Description

그라핀을 이용하는 발광 다이오드{Light Emitting Diode of using Graphene}

본 발명은 그라핀을 전극물질로 사용하는 발광 다이오드에 관한 것으로 더욱 상세하게는 금속층의 상부에 그라핀층을 형성하고, 이를 전극으로 활용하는 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드는 인가되는 바이어스에 상응하여 빛을 형성하는 소자이다. 이를 위해서는 p형 반도체층, n형 반도체층 및 발광층의 구성이 요구된다. 특히, 발광층의 경우, 다중양자우물 구조가 사용된다. 다중양자우물 구조라 함은 장벽층과 우물층이 교대로 형성된 구조로 양자가 실질적으로 결정의 성장방향 또는 바이어스의 인가방향에 따라 거동하는 1차원 구조를 지칭한다. 특히, 장벽층은 우물층에 비해 높은 밴드 갭을 가지며, 양자구속 효과를 유발한다.

최근에는 GaN 계열의 발광 다이오드가 개발되고, 청색광을 실현한 상태이며, 청색광에 형광체를 도입하여 실질적인 백색광을 실현하고 있다.

상용화된 발광 다이오드에서 문제가 되는 부분은 광추출 효율의 향상과 구동능력의 향상부분이다.

광추출 효율을 향상하기 위해서는 내부 광추출 효율과 외부 광추출 효율의 향상이 병행되어야 한다. 내부 광추출 효율은 p형 반도체층의 결정성 향상, 도판트 농도의 제어 및 다중양자우물 구조의 최적화를 통해 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 외부 광추출 효율은 패키징 구조의 최적화, 형광물질의 도포시의 메커니즘의 개선 및 전극층의 배치구조의 개선 등을 통해 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다.

구동능력 향상은 발광효율과 직접 관련된다. 즉, 발광 다이오드는 기본적으로 다이오드의 특성을 가지므로, 인가되는 전력에 비례하여 출력인 광의 휘도가 상승하여야 한다. 그러나, 실질적으로는 전력의 공급이 일정치 이상인 경우, 휘도가 감소하는 문제가 발생한다. 이는 다양한 원인으로 해석된다. 또한, 이를 개선하기 위해 전극의 배치, 기존의 노멀 타입에서 수직형 타입의 칩구조로의 변환 등이 모색된다.

또한, 최근에는 전극의 배치 및 오믹 컨택 능력의 향상 부분에 대한 논의 및 연구가 활발하다. 발광 다이오드는 반도체 물질 상에 금속 전극이 반드시 배치되어야 하는 구조를 가지므로, 쇼트키 장벽의 존재는 상존하는 문제이다. 이를 극복하기 위해 전류확산층으로 ITO 등을 사용하고, 금속 전극에서 2중 적층 구조를 구현하고 있다.

그러나, 전극의 배치 및 금속 전극의 선택 만으로는 전류의 분산효과를 얻을 수 없는 문제가 발생한다. 특히, 노멀 타입에서 전극을 핑거 형태로 배치한다 하더라도, 국부적인 전류의 집중현상은 상존하고 있으며, 발광영역에서 특정의 부위에서 광이 집중되는 현상은 개선되지 않는다. 또한, 금속 전극 하부에 ITO와 같은 전류확산층이 개입된다 하더라도, 구동전압이 상승할수록 전류확산은 원활하게 이루어지지 못하며, 발광층의 특정부위에 전류가 집중되는 현상은 상존한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 그라핀을 전극층에 도입하여 전류확산 능력 향상되고, 광추출 효율이 증대된 발광 다이오드를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 형성되고, 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 형성하기 위한 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 형성된 금속 전극; 및 상기 금속 전극 상에 형성된 그라핀층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

상술한 본 발명에 따르면, 별도의 전류 확산층의 구비가 없더라도, 금속 전극 상부에 그라핀층의 도입만으로도 높은 휘도 특성을 얻을 수 있다. 또한, 발광층 전체에 균일한 전류를 공급함을 통해 발광다이오드의 구동능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 그라핀이 도입된 발광 다이오드의 접촉저항을 도시한 그래프들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 그라핀이 도입된 발광 다이오드의 EL 특성을 도시한 그래프들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 발광 구조체(200)가 형성된다. 상기 발광 구조체(200)는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 포함한다. 예컨대 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 사용되는 경우, 발광 구조체(200)는 ZnO를 포함할 수 있다. 또한, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체가 사용되는 경우, 발광 구조체는 GaN을 포함할 수 있다.

상기 기판(100)은 재질에 특별한 한정은 없으나, 발광 구조체(200)가 가지는 결정 구조와 유사 또는 동일한 결정구조를 가짐이 바람직하다. 따라서, 발광 구조체(200)가 육방정계 구조를 가지는 경우, 상기 기판(100)도 육방정계 구조를 가짐이 바람직하다. 다만, 발광 구조체(200)가 가지는 격자 상수와 기판(100)이 가지는 격자 상수의 차이는 작을수록 발광 구조체(200)의 형성에 유리하다. 예컨대, 상기 발광 구조체(200)가 GaN을 포함하는 경우, 상기 기판(100)으로는 사파이어가 사용될 수 있다.

또한, 발광 구조체(200)는 정공과 전자의 재결합에 의해 광이 형성되는 부위를 지칭하다. 따라서, 상기 발광 구조체(200)는 n형 반도체층(210), 발광층(220) 및 p형 반도체층(230)을 포함한다.

상기 n형 반도체층(210)은 발광층(220)에 전자를 공급한다. 만일, n형 반도체층(210)이 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 구성되어, GaN를 포함하는 경우, 도판트로는 Ⅳ족 원소가 사용된다. 예컨대, Si 등이 도판트로 사용될 수 있다.

n형 반도체층(210) 상에는 발광층(220)이 구비된다. 상기 발광층(220)은 다중양자우물 구조를 가짐이 바람직하다. 즉, 장벽층과 우물층이 번갈아가며 형성된 구조로 구성될 수 있다. 특히, 우물층은 밴드갭 엔지니어링이 수행된 상태로서 장벽층보다 좁은 밴드갭을 가짐이 바람직하다. 예컨대, n형 반도체층(210)이 GaN을 포함하는 경우, 우물층은 InGaN을 포함함이 바람직하다. 또한, 장벽층은 우물층보다 넓은 밴드갭을 가지는 GaN을 포함할 수 있다. 이외에도 상기 장벽층은 In의 분율의 조절을 통해 우물층보다 넓은 밴드갭을 가질 수 있도록 조절될 수 있다.

상기 발광층(220)에서 전자와 정공은 재결합되고, 광이 형성된다. 특히, 결정의 성장방향에 따른 1차원적인 거동을 보이는 우물층 내부에서 양자는 구속되고, 구속의 영향에 의한 전자와 정공의 재결합이 발생된다.

상기 발광층(220) 상에는 p형 반도체층(230)이 형성된다. 상기 p형 반도체층(230)은 정공을 상기 발광층(220)에 공급한다. 만일, p형 반도체층(230)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 Ⅱ족 원소가 사용되며, Mg 원자가 사용될 수 있다.

또한, 상기 발광 구조체(200)는 기판(100)과 n형 반도체층(210) 사이에 배치되는 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 기판(100)과 n형 반도체층(210) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 사용된다. 따라서, 기판(100)으로 사파이어가 사용되고, n형 반도체층(210)이 GaN을 포함하는 경우, 상기 버퍼층은 AlN 또는 GaN을 포함함이 바람직하다.

상기 발광 구조체(200) 상에는 금속 전극(300)이 형성된다. 상기 금속 전극(300)은 Ni/Au로 구성될 수 있으며, Cr/Au로 구성될 수도 있다. 특히, 상기 도 1에서는 금속 전극(300)이 핑거 타입으로 개시된다. 다만, 이는 금속 전극(300) 배치의 일 예에 해당하는 것으로 금속 전극(300)의 배치 형상은 다양하게 변경될 수 있다.

금속 전극(300) 상에는 그라핀층(310)이 구비된다. 상기 그라핀층(310)은 일정한 광투과도를 가질 수 있도록, 1층 내지 4층으로 형성됨이 바람직하다. 그라핀층(310)을 통해 전류는 2차원적으로 확산될 수 있다. 즉, 그라핀층(310)을 통해 전류가 인가되는 경우, 그라핀층(310) 표면을 통해 전류는 확산된다. 또한, 그라핀층(310)은 투명한 재질이므로, 발광층(220)에서 형성된 광은 용이하게 외부로 추출될 수 있다.

상기 그라핀층(220) 상부에는 얇은 두께의 추가 금속층이 더 구비될 수 있다. 즉, Ni/Au 또는 Cr/Au의 박막이 형성되며, 박막의 특성으로 인해 추가 금속층은 투명한 상태가 된다. 이를 위해 추가 금속막은 1nm 내지 4nm의 두께를 가짐이 바람직하다. 따라서, 그라핀층(310)의 상부 및 하부에는 금속 전극(300) 및 추가 금속층이 구비될 수 있다.

또한, 상기 도 1에서 금속 전극(300)과 p형 반도체층(230) 사이에는 전류 확산층(미도시)이 별도로 구비될 수 있다. 전류 확산층은 투명 도전체 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 따라서, TCO(Transparent Conductive Oxide)가 전류 확산층으로 사용될 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 도시한 단면도들이다.

도 2를 참조하면, 통상의 방법을 통해 기판(100) 상에 발광 구조체(200)가 형성된다. 또한, 발광 구조체(200) 상에는 금속 전극(300)이 형성된다. 상기 금속 전극(300)은 다양한 방법을 통해 형성될 수 있겠으나, 통상의 리프트 오프 방법을 통해 형성됨이 바람직하다.

즉, 발광 구조체(200) 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 열증착 등을 통해 금속물을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴의 에싱을 통해 패턴의 개방된 영역에만 금속물이 잔류하는 금속 전극(300)이 형성된다.

도 3을 참조하면, 금속 전극(300) 상부에 그라핀층(310)이 형성된다. 상기 그라핀층(310)은 Cu 호일 상에 먼저 형성된다. 즉, Cu 호일을 챔버에 투입한 다음, 1000℃까지 상승시킨 후, 수소 가스를 2sccm 공급하고, 30분간 열처리한다.

계속해서 탄소 소스인 메탄을 35sccm 공급하고, 500mtorr에서 30분간 그라핀층을 성장시킨다. 따라서, Cu 호일 상에는 그라핀층이 형성된다.

이후에, 성장된 그라핀층 상에는 PMMA가 코팅된다. 또한, Cu 호일은 제거된다. Cu 호일의 제거를 위해 식각용액이 준비된다. 식각용액은 DI water에 ammonium persulfate가 0.05M로 혼합된 것이다. 이외에도, Cu 호일을 용해하고, 그라핀 및 PMMA를 잔류시킬 수 있는 용액이라면, 어느 것이나 식각용액으로 사용가능하다 할 것이다.

Cu 호일의 제거를 통해 PMMA상에는 그라핀층만이 잔류하게 된다.

이어서, PMMA상의 그라핀층(310)을 금속 전극(300) 상에 전사한다. 전사과정은 매우 간단하며, 물리적으로 금속 전극(300) 상에 그라핀층(310)/PMMA를 위치시키는 것으로 달성될 수 있다. 실시의 형태에 따라서는 온도 또는 압력을 가하여 그라핀층(310)과 금속 전극(300)의 접합을 향상시킬 수 있다. 이외에도 금속 전극(300) 상에 도전성 접착제를 도포하고, 그라핀층(300)/PMMA를 부착할 수 있다.

금속 전극(300) 상에 형성된 그라핀층(310)으로부터 PMMA는 제거된다. PMMA의 제거는 통상의 에싱공정에 의한다.

계속해서 도 3을 참조하면, 기 형성된 그라핀층(310) 상부에 추가 금속막(320)을 형성한다. 상기 추가 금속막(320)은 하부의 금속 전극(300)과 동일한 프로파일을 가짐이 바람직하다. 추가 금속막(320)의 도입을 통해 금속 전극(300)/그라핀층(310)/추가 금속막(320)의 구조가 형성된다. 또한, 추가 금속막(320)의 도입을 통해 그라핀층(310)은 금속 전극(300)과의 접착력을 향상할 수 있다. 이외에도 후속공정에서 와이어 본딩 등의 배선 과정에서 추가 금속막(320) 상에 와이어가 형성된다.

다만, 상기 추가 금속막(320)은 금속 전극(300)이 가지는 두께보다 얇을 것이 요구되면, 박막의 형태로 인해 소정의 광투과율을 가짐이 바람직하다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 그라핀이 도입된 발광 다이오드의 접촉저항을 도시한 그래프들이다.

상기 도 4 및 도 5에서 시중에서 판매되는 GaN계열의 청색 발광 다이오드 상에 금속 전극을 형성한다.

먼저, 금속 전극(300)은 도 1과 같은 핑거 타입이며, 핑거 라인의 폭은 80um로 형성하고, 핑거들 사이의 간격은 2500um로 설정한다. 또한, 금속전극(300)의 재질은 Ni/Au로 형성한다. 금속 전극(300)에서 Ni의 두께는 10nm이고, Au의 두께는 30nm이다.

도 4는 금속 전극(300)만으로 형성된 경우의 금속 전극(300)의 접촉저항을 표시한 그래프이다. 도 4에서 금속 전극(300)의 접촉저항은 1.16Ωm²으로 나타났다.

또한, 도 5는 동일한 금속 전극(300) 상에 상기 도 1에 개시된 방법으로 그라핀층(310)을 형성하고, 그라핀층(310) 상부에 추가 금속막(320)을 도입한 것이다. 추가 금속막(320)의 재질은 Ni/Au 이며, Ni의 두께는 1nm 이고, Au의 두께는 1nm로 설정된다. 또한, 측정의 편이를 위해 추가 금속막(320)에 대한 별도의 패터닝은 수행되지 않았다. 추가 금속막(320)의 전체 두께는 2nm이므로, 추가 금속막(320)은 소정의 광투과율을 가진다.

도 5에서 측정된 접촉 저항은 1.2Ωm²으로 나타났다. 이를 통해 그라핀층(310) 및 추가 금속막(320)의 도입이 이루어지더라도 접촉 저항은 금속 전극(300)만이 도입된 경우에 비해 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 그라핀이 도입된 발광 다이오드의 EL 특성을 도시한 그래프들이다.

먼저, 도 6에서 금속 전극(300)은 도 1과 같은 핑거 타입이며, 핑거 라인의 폭은 80um로 형성하고, 핑거들 사이의 간격은 2500um로 설정한다. 또한, 금속전극(300)의 재질은 Ni/Au로 형성한다. 금속 전극(300)에서 Ni의 두께는 1nm이고, Au의 두께도 1nm이다.

상기 도 6에서 하부에는 청색 발광구조체가 구비되며, p형 GaN층 상부에 직접 핑거 타입의 금속 전극(300)이 형성된다.

또한, 다른 샘플로는 형성된 금속 전극(300) 상부에 그라핀층(310)이 형성되며, 이들에 대한 EL 강도는 비교된다.

먼저, 금속 전극(300)만이 구비된 경우에 비해, 그 상부에 그라핀층(310)이 형성된 발광 다이오드는 약 3.5배의 EL 강도의 증가가 있음을 알 수 있다.

이는, 그라핀층(310)에서 매우 효율적인 전류 확산 동작이 일어나고 있음을 알 수 있다.

도 7을 참조하면, 상기 도 6에서 개시된 발광 다이오드에서 와이어 본딩을 통해 발광 구조체(200)에 전압을 인가하고, 발광 구조체(200)에서의 EL 강도를 측정한다. 상기 도 7에서 발광 구조체(200) 상의 금속 전극(300)만이 형성된 경우, 전압은 약 2.6V에서 EL 강도의 증가가 나타난다. 다만, 상기 전압은 p형 접합층(230) 상의 금속 전극(300)에 연결된 와이어와 n형 접합층(210) 상에 전기적으로 연결된 와이어 사이의 전압을 지칭한다.

계속해서 금속 전극(300)/그라핀층(310)이 형성된 경우, 전압은 약 2.4V에서 EL의 강도의 증가가 나타난다. 또한, 금속 전극(300)만이 형성된 경우에 비해 급준한 증가의 양상을 나타낸다.

이를 통해 금속 전극(300)/그라핀층(310)이 형성된 발광 다이오드는 높은 휘도의 발광 능력을 가지고 있음을 알 수 있다.

또한, 금속 전극/그라핀층의 구조는 상기 도 1 내지 도 3에서 p형 반도체층 상에 형성되는 것으로 도시되나, 실시의 형태에 따라 n형 반도체층에 형성될 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다. 또한, 본 실시예에서는 노말 타입(normal type)의 칩 구조를 개시하나, 그라핀층을 포함하는 전극구조는 수직형 타입 및 플립칩 타입에도 적용가능하다 할 것이다.

100 : 기판 200 : 발광 구조체
210 : n형 반도체층 220 : 발광층
230 : p형 반도체층 300 : 금속 전극
310 : 그라핀층 320 : 추가 금속막

Claims

기판 상에 형성되고, 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 형성하기 위한 발광 구조체;
상기 발광 구조체 상에 형성된 금속 전극;
상기 금속 전극 상에 형성된 그라핀층; 및
상기 그라핀층 상에 형성된 추가 금속막을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 그라핀층은 전류 확산 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 발광 구조체는,
기판 상에 형성되고 전자를 공급하는 n형 반도체층;
상기 n형 반도체층 상에 형성된 발광층; 및
상기 발광층 상에 형성되고, 상기 발광층에 정공을 공급하는 p형 반도체층을 포함하고,
상기 금속 전극은 상기 p형 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제3항에 있어서, 상기 금속 전극과 상기 p형 반도체층 사이에는 TCO를 포함하는 전류확산층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 발광 구조체는 n형 반도체층, 발광층 및 p형 반도체층을 포함하고, 상기 금속 전극은 상기 n형 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
삭제
제1항에 있어서, 상기 추가 금속막은 1nm 내지 4nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
삭제
제1항에 있어서, 상기 그라핀층은 1 내지 4 층의 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.