トップエミット型窒化物系発光素子
【課題】 優れた電気的特性を有するトップエミット型窒化物系発光素子を提供する。
【解決手段】 本発明は、トップエミット型窒化物系発光素子に関し、窒化物系発光素子は、n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層が順次に積層されており、p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、p型クラッド層及び導電性ナノ相酸化物粒子層上に形成された透明導電性薄膜層と、を備え、透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成される。このようなトップエミット型窒化物系発光素子によれば、p型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージングの際に、ワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗及び優れた電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上することができる。
【解決手段】 本発明は、トップエミット型窒化物系発光素子に関し、窒化物系発光素子は、n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層が順次に積層されており、p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、p型クラッド層及び導電性ナノ相酸化物粒子層上に形成された透明導電性薄膜層と、を備え、透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成される。このようなトップエミット型窒化物系発光素子によれば、p型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージングの際に、ワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗及び優れた電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トップエミット型窒化物系発光素子に関し、詳細には、オーミック特性及び発光効率が改善されたトップエミット型窒化物系発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、透明導電性薄膜は、光電子分野、ディスプレイ分野及びエネルギー産業分野において多様に用いられている。
発光素子分野では、円滑なホール注入(hole injection)及び高効率の光放出(light emission)の役目をする透明導電性オーミック電極構造を開発するために、全世界的に活発に研究が重ねられている。
【0003】
現在、最も活発に研究されている透明導電性薄膜の素材としては、透明導電性酸化物(transparent conducting oxide:TCO)と、透明導電性窒化物(transparent conducting nitride:TCN)が挙げられる。
透明導電性酸化物(TCO)には、インジウム酸化物(In2O3)、スズ酸化物(SnO2)、亜鉛酸化物(ZnO)、インジウムスズ酸化物(ITO)などが挙げられ、透明導電性窒化物(TCN)には、チタン窒化物(TiN)が挙げられる。
【0004】
ところが、これらの物質は、相対的に大きい面抵抗(sheet resistance)値、高い光反射率(reflectivity)、及び相対的に小さい仕事関数(work function)値を有していて、単独でトップエミット型窒化ガリウム系発光素子のp型透明オーミック電極として適用することが難しいという問題点を抱えている。
【0005】
このような問題点を記述すれば、次の通りである。
第一に、前述した透明導電性薄膜は、スパッタリング(sputtering)、e−ビーム蒸着器または熱蒸着器(e−beam or heat evaporator)などのようなPVD(Physical Vapor Deposition)方法により薄膜を形成する時、一般的に単位面積当たり100Ωに近い大きい面抵抗値を有するため、発光素子の水平方向(層間境界面に並ぶ方向)への電流広がり(current spreading)を難しくし、且つ垂直方向への円滑なホール注入(hole injection)をも難しくし、これにより、大面積及び大容量の高輝度発光素子を具現するのに適用することが困難である。
【0006】
第二に、前述した透明導電性薄膜は、窒化ガリウム系発光ダイオードから出射される光に対して高い光反射及び吸収をする性質を有していて、発光効率を低下させる。
第三に、インジウムスズ酸化物(ITO)及びチタン窒化物(TiN)などをはじめとする透明導電性薄膜は、相対的に小さい仕事関数値を有するため、p型窒化ガリウムとの直接接触によるオーミック接触を形成することが難しい。
【0007】
最後に、透明導電性酸化物(TCO)は、窒化ガリウム系化合物半導体と直接オーミック接触する電極として適用する場合、薄膜形成工程において窒化ガリウム表面にガリウム(Ga)の大きい酸化能(oxidation)により絶縁性物質である酸化ガリウム(Ga2O3)の生成を誘発し、良質のオーミック接触電極を形成することが難しい。
一方、発光素子は、トップエミット型発光ダイオード(top−emitting light emitting diodes:TLEDs)とフリップチップ型発光ダイオード(flip−chip light emitting diodes:FCLEDs)とに分けられる。
【0008】
現在、広く使われているトップエミット型発光ダイオードは、p型クラッド層と接触しているオーミック接触層を介して光(light)が射出されるように構成されている。しかし、高輝度のトップエミット型発光ダイオードを具現するためには、低いホール濃度を有するp型クラッド層の高い面抵抗値を補償するための良質のカレントスプレッディング薄膜(Current spreading layer)が絶対的に必要である。したがって、低い面抵抗値を有し且つ高い光透過度を有するカレントスプレッディング薄膜層をオーミック接触層として形成し、円滑なホール注入(hole injection)、カレントスプレッディング(current spreading)、及び優れた光放出(light emission)の役目を提供することができることが要求される。
【0009】
現在まで知られたトップエミット型発光ダイオードは、p型クラッド層上にニッケル(Ni)層と金(Au)層とが順次に形成されたオーミック接触層が広く用いられている。ニッケル−金からなるオーミック接触層は、酸素(O2)雰囲気で熱処理して、約10−3〜10−4Ωcm2の優れた非接触抵抗及び半透明性を有するものと知られている。
このような従来のオーミック接触層は、約500℃から約600℃の温度及び酸素雰囲気で熱処理する時、p型クラッド層をなしている窒化ガリウムと、オーミック接触層として適用されたニッケル層との界面でp型半導体酸化物であるニッケル酸化物(NiO)が島(island)形状に形成されている金(Au)層間及び上層部に形成され、ショットキー障壁の高さ(Schottky barrier height:SBH)を減少させるようになり、p型クラッド層の表面近くに多数のキャリアであるホール(hole)を容易に供給する。
【0010】
また、ニッケル−金層構造をp型クラッド層上に形成した後、熱処理すれば、Mg−H金属間の化合物を除去し、窒化ガリウムの表面でマグネシウムドーパント(dopant)の濃度を増加させる再活性化(reactivation)過程を通じてp型クラッド層の表面での実効キャリア濃度が1018/cm3以上となるようにして、p型クラッド層と酸化ニッケルを含有するオーミック接触層との間にトンネリング伝導を起こし、低い非接触抵抗値を有するオーミック伝導特性を示すと理解されている。
【0011】
しかし、ニッケル−金構造で形成される半透明性オーミック接触層を利用したトップエミット型発光ダイオードは、光の透過度を阻害する金(Au)を含んでいて、発光効率が低いため、次世代の大容量及び高輝度発光素子を具現するのに限界点を有している。
また、光の発光効率を増加させるために、p型反射膜オーミック電極を適用して、透明基板であるサファイアを介して光を放射するフリップチップ発光ダイオード構造が開発及び研究されているが、電気、機械及び熱的に安定したp型反射膜オーミック電極の不在により、良質のフリップチップ型発光ダイオードを具現していない。
【0012】
このようなトップエミット型及びフリップチップ発光ダイオードの素子の限界を克服するために、既存にp型オーミック接触層として使われている従来の半透明ニッケル(酸化物)−金層構造より優れた光透過度を有するように、金(Au)を完全に排除した透明導電性酸化物、例えば、ITOを利用しようとする研究内容が非特許文献1において報告されている。最近、ITOオーミック接触層を利用することで、既存のニッケル−金構造と比較してさらに向上した出力(output power)を示すトップエミット型発光ダイオードを具現したという内容が非特許文献2において報告されている。しかし、このような構造のオーミック接触層は、発光素子の発光効率を増大させることができるが、相対的に高い動作電圧を示す問題点を相変らず有しているため、大面積及び大容量の高輝度発光素子への応用に多くの限界点を有している。さらに、特許文献1には、酸化された薄いニッケル−金またはニッケル−銀構造をインジウムスズ酸化物(ITO)との結合を通じて光透過度や電気的特性を改善させた発光ダイオードの製作方法が開示されている。しかし、提案された方法は、オーミック接触電極の形成工程が複雑であり、ニッケル金属をはじめとする遷移金属または元素周期律表の第2族元素の酸化物で形成されるオーミック電極が高い面抵抗を有するため、高効率の発光素子を具現することが難しいという問題点を有する。
【0013】
また、ニッケルをはじめとする酸化した遷移金属は、光透過度を劣化させるという短所がある。
前述したように、電気及び光学的特性に優れた良質のp型オーミック電極を開発するのに多くの難点があるが、その根本的な原因は、次のように要約することができる。
第一に、p型窒化ガリウムの低いホール濃度と、このため、単位面積当たり104Ω以上の高い面抵抗(sheet resistance)値を有する点と、第二に、p型窒化ガリウムの仕事関数値に比べて相対的に大きい仕事関数値を有する高透明電極物質の不在により、p型窒化ガリウムと電極との間の界面に高いショットキー障壁高さ(schottky barrier height)及び幅(width)が形成され、垂直方向への円滑なホール注入が難しい点と、第三に、大部分の物質が電気的特性と光学的な特性とが相互反比例し、それにより、高い光透過度を有する透明電極は、一般的に大きい面抵抗(sheet resistance)値を有するため、水平方向への電流広がり(current spreading)が急激に低下する点と、第四に、透明導電性薄膜層をp型窒化ガリウムの上部に直接蒸着する工程で、窒化ガリウムの表面に絶縁性の酸化ガリウム(Ga2O3)が生成されるため、発光素子の電気的特性が低下する点が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】米国特許第6,287,947号明細書
【非特許文献】
【0015】
【非特許文献1】IEEE PTL,Y.C.Lin,etc.Vol.14,1668,IEEE PTL,Shyi−Ming Pan,etc.Vol.15,646
【非特許文献2】Semicond.Sci.Technol.,C S Chang,etc.18(2003),L21
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、熱的に安定し且つ高い信頼性を有する良質のオーミック接触電極を適用して、優れた電気的特性を有するトップエミット型窒化物系発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記目的を達成するために、本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子において、前記p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、前記p型クラッド層及び前記導電性ナノ相酸化物粒子上に形成された透明導電性薄膜層と、を備え、前記透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、前記導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成される。
前記界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成された前記ナノ相酸化物粒子はp型透明導電性酸化物で形成されることが好ましい。
【0018】
本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、前記界面改質層と前記透明導電性薄膜層との間に形成された挿入金属層をさらに備える。
【0019】
本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、前記ナノ相酸化物粒子と前記透明導電性薄膜層が少なくとも2回繰り返し積層される。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係るトップエミット型窒化物系発光素子によれば、p型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージングの際、ワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗及び優れた電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させることができる長所を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の第1実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図2】本発明の第2実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図3】本発明の第3実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図4】本発明の第4実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図5】銅がドープされたインジウム酸化物とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図6】銅がドープされたインジウム酸化物とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図7】p型LaNiO3とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図8】p型LaNiO3とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図9】インジウムとITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図10】インジウムとITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図11】銀が3.5%添加されたスズ合金とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図12】銀が3.5%添加されたスズ合金とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。
【0023】
図1に示したように、トップエミット型窒化物系発光素子は、基板110、バッファ層120、n型クラッド層130、活性層140、p型クラッド層150、界面改質層160、及び透明導電性薄膜層170が順次に積層された構造となっている。参照符号180は、p型電極パッドであり、190は、n型電極パッドである。
また、p型クラッド層150上に積層された界面改質層160及び透明導電性薄膜層170が、マルチオーミック接触層、すなわちp型電極構造体に該当する。
基板110は、サファイア(Al2O3)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、及びガリウム砒素(GaAs)のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。
【0024】
バッファ層120は省略してもよい。
バッファ層120からp型クラッド層150までの各層は、第3窒化物系化合物の一般式であるAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される化合物の中から選択されたいずれかの化合物を基本として形成され、n型クラッド層130及びp型クラッド層150は、該当ドーパントが添加される。
また、活性層140は、単層またはMQW層など公知の多様な方式で構成することができる。
【0025】
一例として、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体を適用する場合、バッファ層120は、GaNで形成され、n型クラッド層130は、GaNにn型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Teなどが添加されて形成され、活性層は、InGaN/GaN MQWまたはAlGaN/GaN MQWで形成され、p型クラッド層150は、GaNにP型ドーパントとしてMg、Zn、Ca、Sr、Baなどが添加されて形成される。
n型クラッド層130とn型電極パッド190との間には、n型オーミック接触層(図示せず)を介することができ、n型オーミック接触層は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが順次に積層された層構造など公知の多様な構造を適用することができる。
【0026】
p型電極パッド180は、ニッケル(Ni)/金(Au)または銀(Ag)/金(Au)が順次に積層された層構造を適用することができる。
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)などにより形成すればよい。
【0027】
透明導電性薄膜層170は、界面改質層160上に形成されている。
透明導電性薄膜層170の素材として、透明導電性酸化物(TCO)または透明導電性窒化物(TCN)を適用することができる。
前記透明導電性酸化物は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分と酸素とが結合された物質を適用することができる。
【0028】
また、透明導電性窒化物は、低い面抵抗値及び高い光透過度を有する少なくともチタン(Ti)と窒素(N)を含有して形成されたものを含み、一例として、チタン窒化物(TiN)及びチタン窒化酸化物(Ti−N−O)のいずれか1つを挙げることができる。
透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に電気的特性を向上させるために、元素周期律表の金属のうち少なくとも1つ以上の元素をドーパントとして添加することができる。
好ましくは、透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に添加されるドーパントの添加比率は、0.001から20重量%の範囲内で適用する。ここで、重量%は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
【0029】
透明導電性薄膜層170の素材は、適用しようとする発光素子の用途に応じて仕事関数(work function)値と、面抵抗値(sheet resistance)を考慮して選択すればよい。
透明導電性薄膜層170の厚さは、所望の光透過度及び電気伝導性を有するように1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
上記のような透明導電性薄膜層170は、単層で形成されてもよく、2層以上の複層で形成されてもよい。その一例が図4に示されている。
界面改質層160は、p型クラッド層150と透明導電性薄膜層170とのオーミック接触を向上させるために適用される。
【0030】
界面改質層160は、高い電気伝導度を有し、且つ800℃以下の温度及び酸素、窒素またはアルゴンなどの様々なガス雰囲気で熱処理する際に、容易に導電性ナノ相(nano phase)酸化物粒子に分解されたり、透明導電性薄膜層を形成すると同時に、p型クラッド層150の上部に薄く形成された自然酸化層である酸化ガリウム(Ga2O3)を還元させたり、導電性酸化物に変化させることができる物質を適用する。
【0031】
このような条件を有する界面改質層160用素材は、以下のような多様な材料の中から選択可能である。
(1)インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)の中から選択されたいずれか1つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも1つの元素を含む合金、及び固溶体。
(1−1)前記成分中のインジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含む。前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、0.001から50重量%である。
【0032】
(1−2)前記成分中のスズ、スズを主成分として添加元素が添加された合金または固溶体のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてスズに添加される添加元素は、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含む。前記スズに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約0.001から約50重量%である。
【0033】
(2)P型透明導電性酸化物
界面改質層160は、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成されるp型透明導電性酸化物の正孔(hole)濃度が1015から1018/cm3の値を提供できる物質を適用する。
(2−1)前記P型透明酸化物の例としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、及びベリリウム(Be)を含む第2族元素の中から選択された少なくとも1つの元素で形成された2元系または3元系酸化物が好ましい。
【0034】
(2−2)前記P型酸化物の例としては、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、LaNiO3、InxO1−xの中から選択されたいずれか1つの酸化物が好ましい。
前記酸化物には、p型透明導電性酸化物の濃度及び仕事関数を調節すると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型ドーパントが適宜添加されることができる。
また、上記のようなp型透明導電性酸化物以外に、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成される透明導電性ナノ相粒子または薄膜層の電子濃度が1015から1017/cm3の値を提供できる物質を適用することができる。
【0035】
(2−3)前記物質のうちインジウム系酸化物、スズ系酸化物、または亜鉛系酸化物が好ましい。
前記インジウム系酸化物は、好ましくは、主成分であるインジウム酸化物(In2O3)に、インジウム酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素が添加される。このような添加元素として、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0036】
前記スズ系酸化物は、好ましくは、スズ酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0037】
前記亜鉛系酸化物は、好ましくは、亜鉛酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、インジウム(In)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0038】
この際、前記主成分に対する前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約0.001から約50重量%である。ここで、重量%は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
前述したような素材で構成される界面改質層160は、熱処理時、容易に導電性ナノ相酸化物に分解されたり、キャリア(carrier)が量子的にトンネリングしたりすることができる薄膜層を形成できる0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
【0039】
このような構造のマルチオーミック接触層及び反射層180は、200℃以上の温度で発生する表面退化(surface degradation)現象が防止され、酸化に安定で、且つ高い反射率をそのまま有しているので、高効率の発光素子を具現することができる。
図2は、本発明の第2実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
【0040】
図2に示したように、トップエミット型発光素子は、基板110、バッファ層120、n型クラッド層130、活性層140、p型クラッド層150、界面改質層160、挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170が順次に積層された構造となっている。
ここで、界面改質層160、挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170がマルチオーミック接触層に該当する。
挿入金属層165は、界面改質層160と透明導電性薄膜層170との間に形成されている。
【0041】
挿入金属層165は、熱処理時、容易に透明な導電性酸化物に変態すると同時に、界面改質層160または後続工程でその上部に形成される透明導電性薄膜層170の電気または光学的特性を調整できる金属を適用することが好ましい。
好ましくは、挿入金属層165は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、ベリリウム(Be)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びモリブデン(Mo)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分で形成される。
【0042】
挿入金属層165は、前述した素材を用いて複層で形成することができることはもちろんである。
好ましくは、挿入金属層165は、1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成される。
このような発光素子は、基板110上にn型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150が順次に積層された発光構造体のp型クラッド層150上に、前述した素材で界面改質層160、挿入金属層165及び透明導電性薄膜層170を順次に前述した蒸着方法により蒸着し、p型電極構造体を形成した後、熱処理を行えばよい。
【0043】
以下、本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図1及び図2を参照して説明する。
まず、基板110上にバッファ層120、n型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150を順次に形成する。
その後、n型電極パッド190を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層150からn型クラッド層130の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
【0044】
次に、図1の構造を適用する場合、p型クラッド層150上に界面改質層160及び透明導電性薄膜層170を形成し、図2の構造を適用する場合、界面改質層160、場合によって挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170を順次に形成する。
界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により順次に形成すればよい。
【0045】
また、蒸着温度は、20℃から1500℃範囲内で、蒸着器内の圧力は、大気圧または10−12トールを適用する。
p型クラッド層150上に界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170を形成した後、構造体を真空または様々なガス雰囲気で熱処理することが好ましい。
熱処理時、反応器内の温度は、100℃から800℃で10秒から3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
【0046】
図3は、本発明の第3実施形態に係るトップエミット型発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図3に示したように、トップエミット型発光素子は、基板210、バッファ層220、n型クラッド層230、活性層240、p型クラッド層250及びマルチオーミック接触層260が順次に積層された構造となっている。参照符号280は、p型電極パッドであり、290は、n型電極パッドである。
【0047】
以下、前記マルチオーミック接触層260について説明する。
マルチオーミック接触層260は、界面改質層260a/透明導電性薄膜層260bを単位として繰り返し積層されて形成される。このような繰り返し積層構造の一例が図3に示されている。
図3に示したように、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2界面改質層260c/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
【0048】
第1界面改質層260a及び第1透明導電性薄膜層260bは、前述した本発明の第1実施形態または第2実施形態の界面改質層160及び透明導電性薄膜層170と同様に形成することができる。
第2界面改質層260cは、熱処理時、第1透明導電性薄膜層260bまたは後続工程を通じて形成される第2透明導電性薄膜層260dから酸素を供給され、第2界面改質層260cが透明導電性酸化薄膜層を形成すると同時に、第1及び第2透明導電性薄膜層260b、260dのキャリア濃度をさらに高める機能を行う。
【0049】
第2界面改質層260cに適用される素材は、面抵抗を低減するために、第1界面改質層260aの成分と同一に適用されてもよく、又は異なって適用されてもよい。
第1及び第2界面改質層260a、260cの各々は、熱処理時、容易に導電性ナノ相粒子に分解及び酸化され得る厚さである0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成することが好ましい。
【0050】
また、第1透明導電性薄膜層260b及び第2透明導電性薄膜層260dは、前述した素材で形成し、面抵抗を低減するために、第1透明導電性薄膜層260bの成分と第2透明導電性薄膜層260dの成分とが互いに同一に適用されてもよく、異なって適用されてもよい。
また、第1透明導電性薄膜層260b及び第2透明導電性薄膜層260dの各々は、前述したように、1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成する。
【0051】
このような発光素子は、基板210上にn型クラッド層230、活性層240及びp型クラッド層250が順次に積層された発光構造体のp型クラッド層250上に、前述した素材で第1界面改質層260a、第1透明導電性薄膜層260b、第2界面改質層260c及び第2透明導電性薄膜層260dを順次に前述した蒸着方法により蒸着し、マルチオーミック接触層260を形成した後、熱処理を行えばよい。
【0052】
一方、本発明の第4実施形態としてさらに他のマルチオーミック接触層が適用された発光素子が図4に示されている。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図4を参照すれば、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
【0053】
ここで、積層繰り返し単位は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dとなる。
このような構造のマルチオーミック接触層260において、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dは、前述した素材及び方法により形成すればよい。
【0054】
以下、本発明の第3及び第4実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図3及び図4を参照して説明する。
まず、基板210上にバッファ層220、n型クラッド層230、活性層240及びp型クラッド層250を順次に蒸着し、発光構造体を形成する。
その後、n型電極パッド290を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層250からn型クラッド層230の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
【0055】
次に、発光構造体のp型クラッド層250上にマルチオーミック接触層260を形成する。
マルチオーミック接触層260の各層は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により形成すればよい。
また、マルチオーミック接触層260の各層を順次に形成するために適用される蒸着温度は、20℃から1500℃の範囲内であり、蒸着器内の圧力は、大気圧から約10−12トールで行う。
【0056】
また、マルチオーミック接触層260を形成した後に、熱処理(annealing)を進めることが好ましい。
熱処理は、反応器内の温度を100℃から800℃にして、真空または様々なガス雰囲気で10秒から約3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
図5は、p型クラッド層150上に、インジウム酸化物(InxO1−x)に銅(Cu)を10重量%で添加して3ナノメートルに形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
【0057】
図5において、各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8、12マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図5から分かるように、熱処理されたp型電極構造体は、ショットキー接触でなく、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を有する。
【0058】
図6は、発光構造体のp型クラッド層150上に、インジウム酸化物(InxO1−x)に銅(Cu)を10重量%で添加して3ナノメートルに形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理したp型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【0059】
図6から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
図7は、p型クラッド層150上に、p型LaNiO3を3ナノメートルで形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図7において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図7から分かるように、熱処理されたp型電極構造体は、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を示す。
【0060】
図8は、発光構造体のp型クラッド層150上に、p型LaNiO3を3ナノメートルで形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
図8から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。図9は、p型クラッド層250上に、インジウム(In)を3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
【0061】
図9において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8、12、16マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図9から分かるように、本発明に係るp型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。
【0062】
図10は、発光構造体のp型クラッド層250上に、p型電極構造体としてインジウム(In)を3ナノメートルで形成した第1界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した第1透明導電性薄膜層260bを形成した後、500℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図10から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
【0063】
図11は、p型クラッド層250上に、スズ(Sn)に銀(Ag)を3.5%添加させて3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図面で、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図11から分かるように、本発明に係るp型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。
【0064】
図12は、発光構造体のp型クラッド層250上に、スズ(Sn)に銀(Ag)を3.5%添加させて3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図12から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
【技術分野】
【0001】
本発明は、トップエミット型窒化物系発光素子に関し、詳細には、オーミック特性及び発光効率が改善されたトップエミット型窒化物系発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、透明導電性薄膜は、光電子分野、ディスプレイ分野及びエネルギー産業分野において多様に用いられている。
発光素子分野では、円滑なホール注入(hole injection)及び高効率の光放出(light emission)の役目をする透明導電性オーミック電極構造を開発するために、全世界的に活発に研究が重ねられている。
【0003】
現在、最も活発に研究されている透明導電性薄膜の素材としては、透明導電性酸化物(transparent conducting oxide:TCO)と、透明導電性窒化物(transparent conducting nitride:TCN)が挙げられる。
透明導電性酸化物(TCO)には、インジウム酸化物(In2O3)、スズ酸化物(SnO2)、亜鉛酸化物(ZnO)、インジウムスズ酸化物(ITO)などが挙げられ、透明導電性窒化物(TCN)には、チタン窒化物(TiN)が挙げられる。
【0004】
ところが、これらの物質は、相対的に大きい面抵抗(sheet resistance)値、高い光反射率(reflectivity)、及び相対的に小さい仕事関数(work function)値を有していて、単独でトップエミット型窒化ガリウム系発光素子のp型透明オーミック電極として適用することが難しいという問題点を抱えている。
【0005】
このような問題点を記述すれば、次の通りである。
第一に、前述した透明導電性薄膜は、スパッタリング(sputtering)、e−ビーム蒸着器または熱蒸着器(e−beam or heat evaporator)などのようなPVD(Physical Vapor Deposition)方法により薄膜を形成する時、一般的に単位面積当たり100Ωに近い大きい面抵抗値を有するため、発光素子の水平方向(層間境界面に並ぶ方向)への電流広がり(current spreading)を難しくし、且つ垂直方向への円滑なホール注入(hole injection)をも難しくし、これにより、大面積及び大容量の高輝度発光素子を具現するのに適用することが困難である。
【0006】
第二に、前述した透明導電性薄膜は、窒化ガリウム系発光ダイオードから出射される光に対して高い光反射及び吸収をする性質を有していて、発光効率を低下させる。
第三に、インジウムスズ酸化物(ITO)及びチタン窒化物(TiN)などをはじめとする透明導電性薄膜は、相対的に小さい仕事関数値を有するため、p型窒化ガリウムとの直接接触によるオーミック接触を形成することが難しい。
【0007】
最後に、透明導電性酸化物(TCO)は、窒化ガリウム系化合物半導体と直接オーミック接触する電極として適用する場合、薄膜形成工程において窒化ガリウム表面にガリウム(Ga)の大きい酸化能(oxidation)により絶縁性物質である酸化ガリウム(Ga2O3)の生成を誘発し、良質のオーミック接触電極を形成することが難しい。
一方、発光素子は、トップエミット型発光ダイオード(top−emitting light emitting diodes:TLEDs)とフリップチップ型発光ダイオード(flip−chip light emitting diodes:FCLEDs)とに分けられる。
【0008】
現在、広く使われているトップエミット型発光ダイオードは、p型クラッド層と接触しているオーミック接触層を介して光(light)が射出されるように構成されている。しかし、高輝度のトップエミット型発光ダイオードを具現するためには、低いホール濃度を有するp型クラッド層の高い面抵抗値を補償するための良質のカレントスプレッディング薄膜(Current spreading layer)が絶対的に必要である。したがって、低い面抵抗値を有し且つ高い光透過度を有するカレントスプレッディング薄膜層をオーミック接触層として形成し、円滑なホール注入(hole injection)、カレントスプレッディング(current spreading)、及び優れた光放出(light emission)の役目を提供することができることが要求される。
【0009】
現在まで知られたトップエミット型発光ダイオードは、p型クラッド層上にニッケル(Ni)層と金(Au)層とが順次に形成されたオーミック接触層が広く用いられている。ニッケル−金からなるオーミック接触層は、酸素(O2)雰囲気で熱処理して、約10−3〜10−4Ωcm2の優れた非接触抵抗及び半透明性を有するものと知られている。
このような従来のオーミック接触層は、約500℃から約600℃の温度及び酸素雰囲気で熱処理する時、p型クラッド層をなしている窒化ガリウムと、オーミック接触層として適用されたニッケル層との界面でp型半導体酸化物であるニッケル酸化物(NiO)が島(island)形状に形成されている金(Au)層間及び上層部に形成され、ショットキー障壁の高さ(Schottky barrier height:SBH)を減少させるようになり、p型クラッド層の表面近くに多数のキャリアであるホール(hole)を容易に供給する。
【0010】
また、ニッケル−金層構造をp型クラッド層上に形成した後、熱処理すれば、Mg−H金属間の化合物を除去し、窒化ガリウムの表面でマグネシウムドーパント(dopant)の濃度を増加させる再活性化(reactivation)過程を通じてp型クラッド層の表面での実効キャリア濃度が1018/cm3以上となるようにして、p型クラッド層と酸化ニッケルを含有するオーミック接触層との間にトンネリング伝導を起こし、低い非接触抵抗値を有するオーミック伝導特性を示すと理解されている。
【0011】
しかし、ニッケル−金構造で形成される半透明性オーミック接触層を利用したトップエミット型発光ダイオードは、光の透過度を阻害する金(Au)を含んでいて、発光効率が低いため、次世代の大容量及び高輝度発光素子を具現するのに限界点を有している。
また、光の発光効率を増加させるために、p型反射膜オーミック電極を適用して、透明基板であるサファイアを介して光を放射するフリップチップ発光ダイオード構造が開発及び研究されているが、電気、機械及び熱的に安定したp型反射膜オーミック電極の不在により、良質のフリップチップ型発光ダイオードを具現していない。
【0012】
このようなトップエミット型及びフリップチップ発光ダイオードの素子の限界を克服するために、既存にp型オーミック接触層として使われている従来の半透明ニッケル(酸化物)−金層構造より優れた光透過度を有するように、金(Au)を完全に排除した透明導電性酸化物、例えば、ITOを利用しようとする研究内容が非特許文献1において報告されている。最近、ITOオーミック接触層を利用することで、既存のニッケル−金構造と比較してさらに向上した出力(output power)を示すトップエミット型発光ダイオードを具現したという内容が非特許文献2において報告されている。しかし、このような構造のオーミック接触層は、発光素子の発光効率を増大させることができるが、相対的に高い動作電圧を示す問題点を相変らず有しているため、大面積及び大容量の高輝度発光素子への応用に多くの限界点を有している。さらに、特許文献1には、酸化された薄いニッケル−金またはニッケル−銀構造をインジウムスズ酸化物(ITO)との結合を通じて光透過度や電気的特性を改善させた発光ダイオードの製作方法が開示されている。しかし、提案された方法は、オーミック接触電極の形成工程が複雑であり、ニッケル金属をはじめとする遷移金属または元素周期律表の第2族元素の酸化物で形成されるオーミック電極が高い面抵抗を有するため、高効率の発光素子を具現することが難しいという問題点を有する。
【0013】
また、ニッケルをはじめとする酸化した遷移金属は、光透過度を劣化させるという短所がある。
前述したように、電気及び光学的特性に優れた良質のp型オーミック電極を開発するのに多くの難点があるが、その根本的な原因は、次のように要約することができる。
第一に、p型窒化ガリウムの低いホール濃度と、このため、単位面積当たり104Ω以上の高い面抵抗(sheet resistance)値を有する点と、第二に、p型窒化ガリウムの仕事関数値に比べて相対的に大きい仕事関数値を有する高透明電極物質の不在により、p型窒化ガリウムと電極との間の界面に高いショットキー障壁高さ(schottky barrier height)及び幅(width)が形成され、垂直方向への円滑なホール注入が難しい点と、第三に、大部分の物質が電気的特性と光学的な特性とが相互反比例し、それにより、高い光透過度を有する透明電極は、一般的に大きい面抵抗(sheet resistance)値を有するため、水平方向への電流広がり(current spreading)が急激に低下する点と、第四に、透明導電性薄膜層をp型窒化ガリウムの上部に直接蒸着する工程で、窒化ガリウムの表面に絶縁性の酸化ガリウム(Ga2O3)が生成されるため、発光素子の電気的特性が低下する点が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】米国特許第6,287,947号明細書
【非特許文献】
【0015】
【非特許文献1】IEEE PTL,Y.C.Lin,etc.Vol.14,1668,IEEE PTL,Shyi−Ming Pan,etc.Vol.15,646
【非特許文献2】Semicond.Sci.Technol.,C S Chang,etc.18(2003),L21
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、熱的に安定し且つ高い信頼性を有する良質のオーミック接触電極を適用して、優れた電気的特性を有するトップエミット型窒化物系発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記目的を達成するために、本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子において、前記p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、前記p型クラッド層及び前記導電性ナノ相酸化物粒子上に形成された透明導電性薄膜層と、を備え、前記透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、前記導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成される。
前記界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成された前記ナノ相酸化物粒子はp型透明導電性酸化物で形成されることが好ましい。
【0018】
本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、前記界面改質層と前記透明導電性薄膜層との間に形成された挿入金属層をさらに備える。
【0019】
本発明のトップエミット型窒化物系発光素子は、前記ナノ相酸化物粒子と前記透明導電性薄膜層が少なくとも2回繰り返し積層される。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係るトップエミット型窒化物系発光素子によれば、p型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージングの際、ワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗及び優れた電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させることができる長所を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の第1実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図2】本発明の第2実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図3】本発明の第3実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図4】本発明の第4実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図5】銅がドープされたインジウム酸化物とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図6】銅がドープされたインジウム酸化物とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図7】p型LaNiO3とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図8】p型LaNiO3とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図9】インジウムとITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図10】インジウムとITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図11】銀が3.5%添加されたスズ合金とITOとが順次に積層されたp型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【図12】銀が3.5%添加されたスズ合金とITOとが順次に積層されたp型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。
【0023】
図1に示したように、トップエミット型窒化物系発光素子は、基板110、バッファ層120、n型クラッド層130、活性層140、p型クラッド層150、界面改質層160、及び透明導電性薄膜層170が順次に積層された構造となっている。参照符号180は、p型電極パッドであり、190は、n型電極パッドである。
また、p型クラッド層150上に積層された界面改質層160及び透明導電性薄膜層170が、マルチオーミック接触層、すなわちp型電極構造体に該当する。
基板110は、サファイア(Al2O3)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、及びガリウム砒素(GaAs)のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。
【0024】
バッファ層120は省略してもよい。
バッファ層120からp型クラッド層150までの各層は、第3窒化物系化合物の一般式であるAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される化合物の中から選択されたいずれかの化合物を基本として形成され、n型クラッド層130及びp型クラッド層150は、該当ドーパントが添加される。
また、活性層140は、単層またはMQW層など公知の多様な方式で構成することができる。
【0025】
一例として、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体を適用する場合、バッファ層120は、GaNで形成され、n型クラッド層130は、GaNにn型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Teなどが添加されて形成され、活性層は、InGaN/GaN MQWまたはAlGaN/GaN MQWで形成され、p型クラッド層150は、GaNにP型ドーパントとしてMg、Zn、Ca、Sr、Baなどが添加されて形成される。
n型クラッド層130とn型電極パッド190との間には、n型オーミック接触層(図示せず)を介することができ、n型オーミック接触層は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが順次に積層された層構造など公知の多様な構造を適用することができる。
【0026】
p型電極パッド180は、ニッケル(Ni)/金(Au)または銀(Ag)/金(Au)が順次に積層された層構造を適用することができる。
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)などにより形成すればよい。
【0027】
透明導電性薄膜層170は、界面改質層160上に形成されている。
透明導電性薄膜層170の素材として、透明導電性酸化物(TCO)または透明導電性窒化物(TCN)を適用することができる。
前記透明導電性酸化物は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分と酸素とが結合された物質を適用することができる。
【0028】
また、透明導電性窒化物は、低い面抵抗値及び高い光透過度を有する少なくともチタン(Ti)と窒素(N)を含有して形成されたものを含み、一例として、チタン窒化物(TiN)及びチタン窒化酸化物(Ti−N−O)のいずれか1つを挙げることができる。
透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に電気的特性を向上させるために、元素周期律表の金属のうち少なくとも1つ以上の元素をドーパントとして添加することができる。
好ましくは、透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に添加されるドーパントの添加比率は、0.001から20重量%の範囲内で適用する。ここで、重量%は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
【0029】
透明導電性薄膜層170の素材は、適用しようとする発光素子の用途に応じて仕事関数(work function)値と、面抵抗値(sheet resistance)を考慮して選択すればよい。
透明導電性薄膜層170の厚さは、所望の光透過度及び電気伝導性を有するように1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
上記のような透明導電性薄膜層170は、単層で形成されてもよく、2層以上の複層で形成されてもよい。その一例が図4に示されている。
界面改質層160は、p型クラッド層150と透明導電性薄膜層170とのオーミック接触を向上させるために適用される。
【0030】
界面改質層160は、高い電気伝導度を有し、且つ800℃以下の温度及び酸素、窒素またはアルゴンなどの様々なガス雰囲気で熱処理する際に、容易に導電性ナノ相(nano phase)酸化物粒子に分解されたり、透明導電性薄膜層を形成すると同時に、p型クラッド層150の上部に薄く形成された自然酸化層である酸化ガリウム(Ga2O3)を還元させたり、導電性酸化物に変化させることができる物質を適用する。
【0031】
このような条件を有する界面改質層160用素材は、以下のような多様な材料の中から選択可能である。
(1)インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)の中から選択されたいずれか1つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも1つの元素を含む合金、及び固溶体。
(1−1)前記成分中のインジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含む。前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、0.001から50重量%である。
【0032】
(1−2)前記成分中のスズ、スズを主成分として添加元素が添加された合金または固溶体のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてスズに添加される添加元素は、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含む。前記スズに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約0.001から約50重量%である。
【0033】
(2)P型透明導電性酸化物
界面改質層160は、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成されるp型透明導電性酸化物の正孔(hole)濃度が1015から1018/cm3の値を提供できる物質を適用する。
(2−1)前記P型透明酸化物の例としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、及びベリリウム(Be)を含む第2族元素の中から選択された少なくとも1つの元素で形成された2元系または3元系酸化物が好ましい。
【0034】
(2−2)前記P型酸化物の例としては、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、LaNiO3、InxO1−xの中から選択されたいずれか1つの酸化物が好ましい。
前記酸化物には、p型透明導電性酸化物の濃度及び仕事関数を調節すると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型ドーパントが適宜添加されることができる。
また、上記のようなp型透明導電性酸化物以外に、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成される透明導電性ナノ相粒子または薄膜層の電子濃度が1015から1017/cm3の値を提供できる物質を適用することができる。
【0035】
(2−3)前記物質のうちインジウム系酸化物、スズ系酸化物、または亜鉛系酸化物が好ましい。
前記インジウム系酸化物は、好ましくは、主成分であるインジウム酸化物(In2O3)に、インジウム酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素が添加される。このような添加元素として、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0036】
前記スズ系酸化物は、好ましくは、スズ酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0037】
前記亜鉛系酸化物は、好ましくは、亜鉛酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、インジウム(In)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
【0038】
この際、前記主成分に対する前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約0.001から約50重量%である。ここで、重量%は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
前述したような素材で構成される界面改質層160は、熱処理時、容易に導電性ナノ相酸化物に分解されたり、キャリア(carrier)が量子的にトンネリングしたりすることができる薄膜層を形成できる0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
【0039】
このような構造のマルチオーミック接触層及び反射層180は、200℃以上の温度で発生する表面退化(surface degradation)現象が防止され、酸化に安定で、且つ高い反射率をそのまま有しているので、高効率の発光素子を具現することができる。
図2は、本発明の第2実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
【0040】
図2に示したように、トップエミット型発光素子は、基板110、バッファ層120、n型クラッド層130、活性層140、p型クラッド層150、界面改質層160、挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170が順次に積層された構造となっている。
ここで、界面改質層160、挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170がマルチオーミック接触層に該当する。
挿入金属層165は、界面改質層160と透明導電性薄膜層170との間に形成されている。
【0041】
挿入金属層165は、熱処理時、容易に透明な導電性酸化物に変態すると同時に、界面改質層160または後続工程でその上部に形成される透明導電性薄膜層170の電気または光学的特性を調整できる金属を適用することが好ましい。
好ましくは、挿入金属層165は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、ベリリウム(Be)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びモリブデン(Mo)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分で形成される。
【0042】
挿入金属層165は、前述した素材を用いて複層で形成することができることはもちろんである。
好ましくは、挿入金属層165は、1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成される。
このような発光素子は、基板110上にn型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150が順次に積層された発光構造体のp型クラッド層150上に、前述した素材で界面改質層160、挿入金属層165及び透明導電性薄膜層170を順次に前述した蒸着方法により蒸着し、p型電極構造体を形成した後、熱処理を行えばよい。
【0043】
以下、本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図1及び図2を参照して説明する。
まず、基板110上にバッファ層120、n型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150を順次に形成する。
その後、n型電極パッド190を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層150からn型クラッド層130の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
【0044】
次に、図1の構造を適用する場合、p型クラッド層150上に界面改質層160及び透明導電性薄膜層170を形成し、図2の構造を適用する場合、界面改質層160、場合によって挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170を順次に形成する。
界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により順次に形成すればよい。
【0045】
また、蒸着温度は、20℃から1500℃範囲内で、蒸着器内の圧力は、大気圧または10−12トールを適用する。
p型クラッド層150上に界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170を形成した後、構造体を真空または様々なガス雰囲気で熱処理することが好ましい。
熱処理時、反応器内の温度は、100℃から800℃で10秒から3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
【0046】
図3は、本発明の第3実施形態に係るトップエミット型発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図3に示したように、トップエミット型発光素子は、基板210、バッファ層220、n型クラッド層230、活性層240、p型クラッド層250及びマルチオーミック接触層260が順次に積層された構造となっている。参照符号280は、p型電極パッドであり、290は、n型電極パッドである。
【0047】
以下、前記マルチオーミック接触層260について説明する。
マルチオーミック接触層260は、界面改質層260a/透明導電性薄膜層260bを単位として繰り返し積層されて形成される。このような繰り返し積層構造の一例が図3に示されている。
図3に示したように、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2界面改質層260c/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
【0048】
第1界面改質層260a及び第1透明導電性薄膜層260bは、前述した本発明の第1実施形態または第2実施形態の界面改質層160及び透明導電性薄膜層170と同様に形成することができる。
第2界面改質層260cは、熱処理時、第1透明導電性薄膜層260bまたは後続工程を通じて形成される第2透明導電性薄膜層260dから酸素を供給され、第2界面改質層260cが透明導電性酸化薄膜層を形成すると同時に、第1及び第2透明導電性薄膜層260b、260dのキャリア濃度をさらに高める機能を行う。
【0049】
第2界面改質層260cに適用される素材は、面抵抗を低減するために、第1界面改質層260aの成分と同一に適用されてもよく、又は異なって適用されてもよい。
第1及び第2界面改質層260a、260cの各々は、熱処理時、容易に導電性ナノ相粒子に分解及び酸化され得る厚さである0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成することが好ましい。
【0050】
また、第1透明導電性薄膜層260b及び第2透明導電性薄膜層260dは、前述した素材で形成し、面抵抗を低減するために、第1透明導電性薄膜層260bの成分と第2透明導電性薄膜層260dの成分とが互いに同一に適用されてもよく、異なって適用されてもよい。
また、第1透明導電性薄膜層260b及び第2透明導電性薄膜層260dの各々は、前述したように、1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成する。
【0051】
このような発光素子は、基板210上にn型クラッド層230、活性層240及びp型クラッド層250が順次に積層された発光構造体のp型クラッド層250上に、前述した素材で第1界面改質層260a、第1透明導電性薄膜層260b、第2界面改質層260c及び第2透明導電性薄膜層260dを順次に前述した蒸着方法により蒸着し、マルチオーミック接触層260を形成した後、熱処理を行えばよい。
【0052】
一方、本発明の第4実施形態としてさらに他のマルチオーミック接触層が適用された発光素子が図4に示されている。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図4を参照すれば、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
【0053】
ここで、積層繰り返し単位は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dとなる。
このような構造のマルチオーミック接触層260において、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dは、前述した素材及び方法により形成すればよい。
【0054】
以下、本発明の第3及び第4実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図3及び図4を参照して説明する。
まず、基板210上にバッファ層220、n型クラッド層230、活性層240及びp型クラッド層250を順次に蒸着し、発光構造体を形成する。
その後、n型電極パッド290を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層250からn型クラッド層230の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
【0055】
次に、発光構造体のp型クラッド層250上にマルチオーミック接触層260を形成する。
マルチオーミック接触層260の各層は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual−type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により形成すればよい。
また、マルチオーミック接触層260の各層を順次に形成するために適用される蒸着温度は、20℃から1500℃の範囲内であり、蒸着器内の圧力は、大気圧から約10−12トールで行う。
【0056】
また、マルチオーミック接触層260を形成した後に、熱処理(annealing)を進めることが好ましい。
熱処理は、反応器内の温度を100℃から800℃にして、真空または様々なガス雰囲気で10秒から約3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
図5は、p型クラッド層150上に、インジウム酸化物(InxO1−x)に銅(Cu)を10重量%で添加して3ナノメートルに形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
【0057】
図5において、各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8、12マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図5から分かるように、熱処理されたp型電極構造体は、ショットキー接触でなく、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を有する。
【0058】
図6は、発光構造体のp型クラッド層150上に、インジウム酸化物(InxO1−x)に銅(Cu)を10重量%で添加して3ナノメートルに形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理したp型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
【0059】
図6から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
図7は、p型クラッド層150上に、p型LaNiO3を3ナノメートルで形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図7において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図7から分かるように、熱処理されたp型電極構造体は、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を示す。
【0060】
図8は、発光構造体のp型クラッド層150上に、p型LaNiO3を3ナノメートルで形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
図8から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。図9は、p型クラッド層250上に、インジウム(In)を3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
【0061】
図9において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8、12、16マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図9から分かるように、本発明に係るp型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。
【0062】
図10は、発光構造体のp型クラッド層250上に、p型電極構造体としてインジウム(In)を3ナノメートルで形成した第1界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した第1透明導電性薄膜層260bを形成した後、500℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図10から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
【0063】
図11は、p型クラッド層250上に、スズ(Sn)に銀(Ag)を3.5%添加させて3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図面で、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図11から分かるように、本発明に係るp型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。
【0064】
図12は、発光構造体のp型クラッド層250上に、スズ(Sn)に銀(Ag)を3.5%添加させて3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図12から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子において、
前記p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、
前記p型クラッド層及び前記導電性ナノ相酸化物粒子上に形成された透明導電性薄膜層と、
を備え、
前記透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、
前記導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成されることを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項2】
前記界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成された前記ナノ相酸化物粒子はp型透明導電性酸化物で形成されることを特徴とする請求項1に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項3】
前記透明導電性薄膜層は、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物のいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項4】
前記透明導電性酸化物は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分と酸素とを含んで形成されることを特徴とする請求項3に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項5】
前記透明導電性窒化物は、少なくともチタン(Ti)と窒素(N)とを含有して形成されたものを含むことを特徴とする請求項3に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項6】
前記透明導電性窒化物は、チタン窒化物(TiN)及びチタン窒化酸化物(Ti−N−O)のいずれか1つであることを特徴とする請求項5に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項7】
前記透明導電性薄膜層は、1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項8】
前記界面改質層は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)の中から選択されたいずれか1つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも1つの元素を含む合金、及び固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項9】
前記界面改質層は、インジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加される合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項10】
前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項9に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項11】
前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項10に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項12】
前記界面改質層は、スズ、スズを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項13】
前記界面改質層に適用される素材としてスズに添加される添加元素は、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項12に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項14】
前記スズに対して添加される前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項13に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項15】
前記界面改質層は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、及びベリリウム(Be)を含む第2族元素の中から選択された少なくとも1つの元素で形成された2元系または3元系酸化物が含有されて形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項16】
前記界面改質層は、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、LaNiO3、及びInxO1−xの中から選択されたいずれか1つの酸化物が含有されて形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項17】
前記界面改質層は、前記酸化物にp型ドーパントがさらに添加されて形成されることを特徴とする請求項15又は16に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項18】
前記界面改質層は、インジウム系酸化物、スズ系酸化物、または亜鉛系酸化物であることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項19】
前記インジウム系酸化物は、インジウム酸化物(In2O3)を主成分とし、添加元素としてガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項20】
前記スズ系酸化物は、スズ酸化物(SnO2)を主成分とし、添加元素として亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項21】
前記亜鉛系酸化物は、亜鉛酸化物(ZnO)を主成分とし、添加元素としてインジウム(In)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項22】
前記界面改質層の前記主成分に対する前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項19から21のいずれか1項に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項23】
前記界面改質層は、0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項24】
前記界面改質層と前記透明導電性薄膜層との間に形成された挿入金属層をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項25】
前記挿入金属層は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、ベリリウム(Be)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、及びモリブデン(Mo)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分で形成されることを特徴とする請求項24に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項26】
前記挿入金属層は、1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項24に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項27】
前記ナノ相酸化物粒子と前記透明導電性薄膜層は少なくとも2回繰り返し積層されることを特徴とする請求項1に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項1】
n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子において、
前記p型クラッド層上に形成された導電性ナノ相酸化物粒子と、
前記p型クラッド層及び前記導電性ナノ相酸化物粒子上に形成された透明導電性薄膜層と、
を備え、
前記透明導電性薄膜層は透明導電性素材で形成され、
前記導電性ナノ相酸化物粒子は界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成されることを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項2】
前記界面改質層が熱処理によってナノ相酸化物に分解されることにより形成された前記ナノ相酸化物粒子はp型透明導電性酸化物で形成されることを特徴とする請求項1に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項3】
前記透明導電性薄膜層は、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物のいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項4】
前記透明導電性酸化物は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分と酸素とを含んで形成されることを特徴とする請求項3に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項5】
前記透明導電性窒化物は、少なくともチタン(Ti)と窒素(N)とを含有して形成されたものを含むことを特徴とする請求項3に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項6】
前記透明導電性窒化物は、チタン窒化物(TiN)及びチタン窒化酸化物(Ti−N−O)のいずれか1つであることを特徴とする請求項5に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項7】
前記透明導電性薄膜層は、1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項8】
前記界面改質層は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)の中から選択されたいずれか1つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも1つの元素を含む合金、及び固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項9】
前記界面改質層は、インジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加される合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項10】
前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項9に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項11】
前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項10に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項12】
前記界面改質層は、スズ、スズを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項13】
前記界面改質層に適用される素材としてスズに添加される添加元素は、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項12に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項14】
前記スズに対して添加される前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項13に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項15】
前記界面改質層は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、及びベリリウム(Be)を含む第2族元素の中から選択された少なくとも1つの元素で形成された2元系または3元系酸化物が含有されて形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項16】
前記界面改質層は、Ag2O、CuAlO2、SrCu2O2、LaMnO3、LaNiO3、及びInxO1−xの中から選択されたいずれか1つの酸化物が含有されて形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項17】
前記界面改質層は、前記酸化物にp型ドーパントがさらに添加されて形成されることを特徴とする請求項15又は16に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項18】
前記界面改質層は、インジウム系酸化物、スズ系酸化物、または亜鉛系酸化物であることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項19】
前記インジウム系酸化物は、インジウム酸化物(In2O3)を主成分とし、添加元素としてガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項20】
前記スズ系酸化物は、スズ酸化物(SnO2)を主成分とし、添加元素として亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項21】
前記亜鉛系酸化物は、亜鉛酸化物(ZnO)を主成分とし、添加元素としてインジウム(In)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を含んで形成されることを特徴とする請求項18に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項22】
前記界面改質層の前記主成分に対する前記添加元素の添加比は、0.001から50重量%であることを特徴とする請求項19から21のいずれか1項に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項23】
前記界面改質層は、0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項24】
前記界面改質層と前記透明導電性薄膜層との間に形成された挿入金属層をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項25】
前記挿入金属層は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、ベリリウム(Be)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、及びモリブデン(Mo)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分で形成されることを特徴とする請求項24に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項26】
前記挿入金属層は、1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることを特徴とする請求項24に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【請求項27】
前記ナノ相酸化物粒子と前記透明導電性薄膜層は少なくとも2回繰り返し積層されることを特徴とする請求項1に記載のトップエミット型窒化物系発光素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2013−65889(P2013−65889A)
【公開日】平成25年4月11日(2013.4.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−283513(P2012−283513)
【出願日】平成24年12月7日(2012.12.7)
【分割の表示】特願2007−522432(P2007−522432)の分割
【原出願日】平成17年7月22日(2005.7.22)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung−ro,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年4月11日(2013.4.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年12月7日(2012.12.7)
【分割の表示】特願2007−522432(P2007−522432)の分割
【原出願日】平成17年7月22日(2005.7.22)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung−ro,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]