KR20120044545A - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은,제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 반도체 발광 적층체와, 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며, 투명 전도성 산화물층 및 투명 전도성 질화물층 중 적어도 하나로 이루어진 투명 전극층과, 가시광선대역의 광을 투과할 수 있는 그래핀(graphene)층이 적층된 고전도성 투명전극을 반도체 발광 소자를 제공한다.

Description

반도체 발광 소자{Semiconductor Light Emitting Device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시키기 위해서 전극구조를 개선한 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라고 함)는 전기에너지를 광에너지로 변환하는 광소자로서, 에너지 밴드 갭에 따른 특정한 파장의 빛을 내는 화합물 반도체로 구성되며, 광통신 및 모바일 디스플레이, 컴퓨터 모니터 등과 같은 각종 디스플레이용 백라이트 유닛(backlight unit: BLU)에서부터 다양한 조명 장치 영역까지 그 사용이 확대되고 있는 추세이다.
일반적으로, 반도체 발광소자는 활성층에서 생성된 광을 외부로 추출하기 위해서 전극구조를 투명 전극으로 채용할 것이 요구되는 경우가 있다. 이 경우에, 일반적으로 사용되던 투명 전극 물질은 광이 투과될 수 있는 조건을 쉽게 만족하는 반면에, 전기적 전도도가 우수하지 못하다는 단점이 있다. 이러한 전기적 특성의 단점으로 인해, 구동전압이 높아지고 전류 확산도 균일하게 이루어지지 않아 전체적인 발광효율이 저하되는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적 중 하나는 높은 전기적 전도도를 갖는 물질층을 이용하여 전기적 전도도를 높여 전기적 특성을 개선함과 함께 광투과율을 높은 수준으로 보장함으로써 발광효율이 개선된 반도체 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명은,
제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 반도체 발광 적층체와, 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며, 투명 전도성 산화물층 및 투명 전도성 질화물층 중 적어도 하나로 이루어진 투명 전극층과, 가시광선대역의 광을 투과할 수 있는 그래핀(graphene)층이 적층된 고전도성 투명전극을 반도체 발광 소자를 제공한다.
일 실시형태에서, 상기 투명 전극층은 상기 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며, 상기 그래핀층은 상기 투명 전극층 상에 형성될 수 있다.
다른 실시형태에서는, 상기 그래핀층은 상기 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며, 상기 투명 전극층은 상기 그래핀층 상에 형성될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 상기 그래핀층은 상기 투명전극층 사이에 개재되어 상기 고전도성 투명전극은 제1 투명전극층, 그래핀층, 제2 투명전극층의 순서로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 투명 전극층 및 상기 그래핀층은 각각 복수의 투명 전극층과 복수의 그래핀층인 경우에,상기 고전도성 투명전극은 상기 복수의 투명 전극층과 상기 복수의 그래핀층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층은, 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 인듐 주석산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 카드뮴 산화물(CdO), 마그네슘아연 산화물(MgZnO), 인듐아연 산화물(InZnO), 인듐주석 산화물(InSnO), 구리알루미늄 산화물(CuAlO2), 실버 산화물(Ag2O), 갈륨 산화물(Ga2O3), 아연주석 산화물(ZnSnO), 아연인듐주석 산화물(ZITO)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 투명 전도성 질화물층은 타이타늄 질화물(TiN), 크롬 질화물(CrN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 니오븀 질화물(NbN)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 발광 적층체는 AlxInyGa(1-x-y)AlN층(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 투명 전극층과 상기 적어도 하나의 반도체층 사이에 별도의 오믹콘택층이 형성될 수 있다.
높은 전기적 전도도를 갖는 물질층으로서 그래핀층을 ITO와 같은 투명전극층과 함께 사용함으로써 전기적 특성과 함께 광투과율을 높은 수준으로 보장할 수 있다. 그래핀층은 광투과율이 저하되지 않는 범위에서 단일층 또는 복수의 층으로 형성되고, 그래핀에 비해 전기적 저항은 다소 높은 ITO 층에서 일정한 전류분산효과를 기대할 수 있으므로 유효발광면적을 증가시켜 발광효율에 기여하는 동시에, 광투광율을 높은 수준으로 보장할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도2a는 그래핀(graphene)의 결정구조를 나타내는 개략도이며, 도2b는 그래핀에서 σ-오비탈과 π-오비탈을 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 변형된 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도4 및 도5는 각각 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도1에 도시된 반도체 발광소자(10)는, 기판(11)과 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(12), 활성층(14) 및 p형 반도체층(15)을 갖는 반도체 발광 적층체를 포함한다.
본 실시형태에서는, 메사에칭되어 노출된 n형 반도체층(12) 상면 영역에 n측 콘택 메탈(19a)이 형성되며, p형 반도체층(15) 상에는 p측 콘택 메탈(19b)이 형성된다.
도1에 도시된 바와 같이, 상기 p측 콘택 메탈(19b)과 p형 반도체층(15) 사이에는 고전도성 투명전극을 구비한다. 본 실시형태에 채용된 고전도성 투명 전극은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어진 투명 전극층(17)과, 상기 투명 전극층 상에 형성된 그래핀(graphene)층(18)이 적층된 구조를 갖는다.
상기 투명 전도성 산화물은 인듐 주석 산화물(ITO)인 투명 전극층 일 수 있으나, 다른 다양한 투명 전도성 산화물이 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 전도성 산화물은, 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 카드뮴 산화물(CdO), 마그네슘아연 산화물(MgZnO), 인듐아연 산화물(InZnO), 인듐주석 산화물(InSnO), 구리알루미늄 산화물(CuAlO2), 실버 산화물(Ag2O), 갈륨 산화물(Ga2O3), 아연주석 산화물(ZnSnO), 아연인듐주석 산화물(ZITO)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 투명 전극층이 투명 전도성 질화물로 형성될 경우에는, 타이타늄 질화물(TiN), 크롬 질화물(CrN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 니오븀 질화물(NbN)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기한 투명 전극층(17)이 비교적 낮은 전기적 전도도를 갖는 반면에, 상기 그래핀층은 고유한 결정구조적 특징으로 인하여 상당히 높은 전기적 전도도를 보장할 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해서, 본 명세서에 사용되는 그래핀층은 도2a 및 도2b를 참조하여 간략히 설명하기로 한다.
일반적으로 "그래핀(graphene)"은 도 2a에 도시된 바와 같이 흑연과 유사하게 탄소(C)가 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면으로 배열된 단일층의 원자 구조로 이해될 수 있다. 주로 공유결합을 통해서 이루어진 탄소 동소체들은 4개의 최외각 전자들의 파동함수의 선형결합의 방식에 따라서 결정구조를 포함한 많은 물리적 성질을 가질 수 있다.
이러한 그래핀에서는 세 개의 최외각 전자들의 선형결합만이 탄소 간의 강한 공유결합에 참여하여 앞에서 육각형 그물모양 평면을 만들고, 여분의 최외각 전자의 파동함수는 평면에 수직인 형태로 존재하게 된다.
보다 구체적으로, 도2b에 도시된 바와 같이, 평면에 평행하여 강한 공유결합에 참여하는 전자들의 상태로 σ-오비탈과, 평면에 수직한 전자의 상태로 π-오비탈(220)을 가지며, 그래핀의 물리적 성질을 결정하는 페르미 준위 근처의 전자의 파동함수들은 π-오비탈들의 선형결합으로 이루어져 있다.
이와 같이, 그래핀은 상술된 구조적 특징에 기하여 다양한 특성을 기대할 수 있다. 특히, 본 실시형태에 채용된 그래핀은 단일층의 탄소 원자층으로서 광투과성을 유지하면서 높은 전도도를 제공할 수 있는 유익한 장점을 제공할 수 있다.
도1에 도시된 반도체 발광소자(10)에서, 상기 그래핀층(18)은 높은 전도도를 가지면서 높은 투과성을 유지할 수 있다. 또한, ITO와 같은 투명 전극층(17)은 상대적으로 낮은 전기적 전도도를 가지므로, 전류를 분산시키는 효과를 기대할 수 있다. 이와 같이, Vf 특성은 향상시키면서 분산된 전류효과를 통해서 유효한 발광 가담 면적을 확대시킬 수 있는 효과가 있다.
본 실시형태에 채용된 그래핀층(18)은 투명전극층(17) 상에서 직접 성장될 수 있다. 이러한 그래핀층(18)의 성장공정은 열적 화학기상증착법(Thermal CVD) 또는 MOCVD 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 그래핀층(18)은 필요에 따라 투명전극층(17)에서 직접 성장시키지 않고, 별도의 공정을 통해서 제조된 그래핀층을 원하는 투명전극층(17) 상에 부착하거나 전사시키는 방식으로 구현될 수도 있다.
상기 그래핀층은 단일 원자층인 1개 층으로서 충분한 효과를 구현할 수 있으나, 필요에 따라 광을 투과시킬 수 있는 범위에서 복수의 층으로 형성될 수 있다.
도3은 본 발명의 변형예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도3에 도시된 반도체 발광소자(30)는, 기판(31)과 상기 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(32), 활성층(34) 및 p형 반도체층(35)을 갖는 반도체 발광 적층체를 포함한다.
본 실시형태에서, 도1에 도시된 구조와 유사하게, 메사에칭되어 노출된 n형 반도체층(32) 상면 영역에 n측 콘택 메탈(39a)이 형성되며, p형 반도체층(35) 상에는 p측 콘택 메탈(39b)이 형성된다.
도3에 도시된 바와 같이, 상기 p측 콘택 메탈(39b)과 p형 반도체층(35) 사이에는 고전도성 투명전극을 구비한다.
본 실시형태에 채용된 고전도성 투명 전극은 도1에 도시된 실시형태와 유사하게, 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어진 투명 전극층(37)과, 상기 투명 전극층 상에 형성된 그래핀층(38)이 적층된 구조를 갖는다.
본 실시형태에 채용된 반도체 발광 적층체는 AlxInyGa(1-x-y)AlN층(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 및 p형 반도체층(32,35)은 각각 n형 GaN 및 p형 AlGaN/p형 GaN일 수 있다. 상기 활성층(34)은 InGaN/GaN일 수 있다.
이 경우에, 특히 ITO와 같은 투명 전극층(37)으로 p형 반도체층과 충분한 오믹콘택을 형성하기 어려운 경우에는, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 p형 반도체층(35)과 상기 투명 전극층(37) 사이에 추가적인 오믹콘택층(36)이 형성될 수 있다. 물론, 이러한 오믹콘택층(36)은 다른 그래핀층일 수도 있으나, 다른 오믹콘택층이 사용될 수도 있다.
예를 들어, 상기 오믹콘택층(36)은, 구리(Cu), 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 In2O3일 수 있다. 이와 달리, 상기 오믹콘택층(36)은 MnNi, LaNi5, ZnNi, MgNi 및 ZnMg으로 구성된 그룹으로부터 선택된 합금 또는 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다.
앞선 실시형태에서는, p형 반도체층에 전극구조로서 그래핀과 투명전극층이 채용된 형태를 예시하였으나, 이와 유사하게, n형 반도체층을 위한 전극구조로도 사용될 수 있다. 또한, 상기 고전도성 투명전극은 다양한 구조의 반도체 발광소자에도 유사하게 적용될 수 있으며, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 본 발명의 변경된 실시형태를 도4 및 도5를 참조하여 설명하기로 한다.
도4에 도시된 반도체 발광소자(40)는, 전도성 기판(41)과 상기 전도성 기판(41) 상에 제2 도전형 반도체층(45), 활성층(44) 및 제1 도전형 반도체층(42)이 순차적으로 형성된 반도체 발광 적층체를 갖는다.
본 실시형태에서는, 앞선 실시형태와 달리, 콘택부분이 상기 발광소자의 대향하는 상면과 하면에 각각 위치하도록 구성된다. 즉, 일측 콘택 메탈(49)이 제1 도전형 반도체층(42) 상에 위치하며 상기 전도성 기판(41)이 타측 콘택 메탈로서 역할을 한다.
도4에 도시된 바와 같이, 상기 콘택 메탈(49)과 제1 도전형 반도체층(41) 사이에는 고전도성 투명전극을 구비한다. 본 실시형태에 채용된 고전도성 투명 전극은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 그래핀층(48)과 상기 그래핀 상에 형성된 투명 전극층(47)이 적층된 구조를 갖는다. 상기 투명 전극층(47)은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어질 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 그래핀층(48)은 전극구조와 제1 도전형 반도체층(41)의 오믹콘택을 형성할 수 있다. 또한, 상기한 투명 전극층(47)은 비교적 낮은 전기적 전도도를 가지므로, 제한된 면적의 콘택 메탈(49)에서 제공되는 전류를 분산시켜 우수한 오믹콘택구조를 제공하는 그래핀층(48)을 통해서 공급할 수 있다.
도5에는 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자로서, 그래핀이 투명전극층이 삽입된 형태를 예시한다.
도5에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(50)는, 전도성 기판(51)과 상기 전도성 기판(51) 상에 제2 도전형 반도체층(55), 활성층(54) 및 제1 도전형 반도체층(52)이 순차적으로 형성된 반도체 발광 적층체를 갖는다.
도5에 도시된 반도체 발광소자(50)에서는, 도4에 도시된 구조와 유사하게, 콘택부분이 대향하는 소자의 상면과 하면에 위치하도록 구성된다.
또한, 상기 콘택 메탈(59)과 제1 도전형 반도체층(51) 사이에 위치한 고전도성 투명전극은 투명전극층(57a,57b)과 그 투명전극층(57a,57b)에 개재된 그래핀층(58)을 포함한다.
보다 구체적으로, 본 실시형태에 채용된 고전도성 투명전극은, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 제1 투명전극층이 형성되고, 그 제1 투명 전극층 상에 상기 그래핀층()을 형성한 후에, 추가적으로 제2 투명전극층이 형성하여 얻어진 구조이다. 여기서, 상기 제1 및 제2 투명 전극층(47)은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어질 수 있다.
본 실시형태와 유사하게, 상기 고전도성 투명전극구조는 ITO와 같은 복수의 투명전극층과 복수의 그래핀층이 서로 교대로 형성된 구조로 변형되어 실시될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 반도체 발광 적층체; 및
    상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며, 투명 전도성 산화물층 및 투명 전도성 질화물층 중 적어도 하나로 이루어진 투명 전극층과, 가시광선대역의 광을 투과할 수 있는 그래핀(graphene)층이 적층된 고전도성 투명전극을 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 상기 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며,
    상기 그래핀층은 상기 투명 전극층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 적어도 하나의 반도체층 상에 형성되며,
    상기 투명 전극층은 상기 그래핀층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 투명전극층 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극층 및 상기 그래핀층은 각각 복수의 투명 전극층과 복수의 그래핀층이며,
    상기 고전도성 투명전극은 상기 복수의 투명 전극층과 상기 복수의 그래핀층이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은, 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 인듐 주석산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 카드뮴 산화물(CdO), 마그네슘아연 산화물(MgZnO), 인듐아연 산화물(InZnO), 인듐주석 산화물(InSnO), 구리알루미늄 산화물(CuAlO2), 실버 산화물(Ag2O), 갈륨 산화물(Ga2O3), 아연주석 산화물(ZnSnO), 아연인듐주석 산화물(ZITO)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 질화물층은 타이타늄 질화물(TiN), 크롬 질화물(CrN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 니오븀 질화물(NbN)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광 적층체는 AlxInyGa(1-x-y)AlN층(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투명 전극층과 상기 적어도 하나의 반도체층 사이에 형성된 오믹콘택층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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