KR100395306B1 - 발광 다이오드 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 45도 반사기, 깊게 에칭된 사이드 월(side wall) 및 모노리딕 마이크로 렌즈(monolithic microlens)로 구성된 발광 다이오드를 제공하므로써, 광의 퍼짐을 막고 방향성을 강화하여 광을 집중시키고 강한 출력을 낼 수 있는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광 박막이 성장된 웨이퍼가 형성된 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드의 활성층에서 발생된 광을 전반사시키는반사기와, 상기 반사기 하부에 접촉되고 InP기판 안으로 퍼져나가는 빛을 반사시키는 깊게 에칭된 사이드 월과, 상기 반사기 및 깊게 에칭된 사이드 월에서 반사된 광을 집속시켜 광을 방출하는 모노리딕 마이크로 렌즈를 포함하여 구성됨으로써, 광출력 포화현상으로 기인한 효율 저하를 개선하고 광을 집중하여 출력하므로 고휘도를 낼 수 있는 효과가 있다.

Description

발광 다이오드 및 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND ITS FABRICATION METHOD}

본 발명은 발광 다이오드 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 만곡부가 형성되는 반사기, 깊게 에칭된 사이드 월 및 모노리딕 마이크로렌즈가 구비된 발광 다이오드 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 발광 다이오드는 광통신, 디스플레이등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 그 중요성이 날로 증가하고 있는 추세이다. 그런데 발광 다이오드의 상기와 같은 용도에서 가장 중요한 변수는 발광 다이오드의 광출력에 있다. 따라서 발광 다이오드의 출력 효율을 향상시켜 발광다이오드와 광섬유 사이의 광커플링 효율을 증가시키고 디스플레이 밝기를 높여, 보다 먼거리 보다 밝은 장소에서도 보다 나은 디스플레이 효과를 얻게 하는 것이 필수적인 추세이다.

그러나 기존의 단순한 형태의 표면 방출형 발광 다이오드(surface emitting LED)는 광을 출력할 때 포화현상이 발생하므로, 그 이상의 광을 방출하기 곤란하고 광을 집중하여 출력하지 못하는 단점이 있었다.

또한, 상기와 같이 발광에 제한이 있어 고휘도의 발광 소자를 요구하는 디스플레이의 사용에 제한이 있으며, 광의 집중이 필요한 광통신용 광원으로 사용되는 데 따른 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 극복하고자 연구된 방법은 표면 방출형 발광 다이오드에 마이크로 렌즈를 드라이 에칭(dry etching) 기술을 이용해 모노리딕하게 제작하는 방법에 관한 것(IEEE J.Q.E. Osamu Wada 1982. QE-18,NO.3 p:368-373)이 있으나 기존의 발광다이오드와 비교하여 광포화 현상 및 그 출력을 향상 시키지 못한 한계를 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광의 퍼짐을 막고 방향성을 향상시켜 광을 집중시킬 수 있으며 출력 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 제조방법을 제공함에 있다.

도 1a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도.

도 2a는 본 발명의 제 2실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도.

도 3a는 본 발명의 제 3실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 3b는 본 발명의 제 3실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도.

도 4a는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 4b는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도.

도 4c는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 저면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 웨이퍼 20, 50: 원형 패턴

30: 반사기 40: 활성층

60: 사이드 월 70: 패턴

80: 모노리딕 마이크로렌즈

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 발광 다이오드는,

발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼가 구비된 발광 다이오드에 있어서,

상기 발광 다이오드의 활성층에서 발생된 광을 반사시켜 발광 다이오드의 광 출력면으로 보내는 반사기와,

상기 반사기 하부에 접촉되고 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시켜 발광 다이오드의 광출력면으로 보내는 깊게 에칭된 사이드 월과,

상기 다이오드의 광 출력면에 렌즈모양으로 형성되어 상기 반사기 및 사이드 월에서 반사된 광을 집속시켜 광을 방출하는 모노리딕 마이크로 렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 경사진 반사기에서 그 경사는 45도인 것이 바람직하며, 상기 렌즈 모양은 원형이 바람직하고, 상기 모노리딕 마이크로렌즈는 광 출력면의 중심부에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 경사진 반사기는 활성층에서 발생한 광 중 활성층에 갇힌 광을 전반사시키고, 상기 사이드 월은 활성층에서 발생한 광 중 InP기판 안으로 퍼져나가는 광을 반사시키는 것이 바람직하다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 발광 다이오드의 제조방법은,

발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼에 제 1마스킹 물질을 코팅하는 제 1단계와,

상기 제 1마스킹 물질이 코팅된 웨이퍼 상부에 제 1패턴을 형성하는 제 2단계와,

상기 제 1 패턴을 형성하는 제 1마스킹 물질을 마스크로 하여 마스크가 없는 곳을 제 1 에칭물질을 이용해 에칭하여 반사기를 형성하는 제 3 단계와,

상기 제 1 패턴과 에칭되어 형성된 반사기 상부에 제 2마스킹 물질로 재코팅하여 제 2패턴을 형성하는 제 4 단계와,

상기 제 2패턴을 제외한 나머지 부분을 제 2 에칭 물질로 에칭하여 사이드 월을 형성하는 제 5 단계와,

상기 사이드 월이 형성된 웨이퍼의 출력이 나오는 광출력면에 제 3마스킹 물질을 이용해 제 3패턴을 형성하는 제 6 단계와,

상기 제 3패턴이 형성된 웨이퍼를 제 3 에칭 물질에 담가 마스킹 물질이 없는 부분을 렌즈 모양으로 형성하는 제 7 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제 1마스킹,제 2마스킹 및 제 3마스킹 물질은 포토리지스트이며, 상기 제 1패턴 및 제 2패턴은 원형패턴이며, 상기 제 3패턴은 중심부가 원형으로 뚫려있는 것이 바람직하다.

또한 상기 제 1패턴, 제 2패턴 및 제 3패턴은 반도체 리소그래피 공정을 통해 형성하며, 상기 제 1에칭 물질, 제 2에칭 물질 및 제 3에칭 물질은 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇인 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단면도로서,상기 발광 다이오드 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼(10)에 포토레지스트로 윗면 전체를 코팅한 후 반도체 리소그래피 공정을 이용해 원형 패턴(20)을 형성한다. 상기 원형 패턴(20)은 리소그래피 작업 후 형성된 원형 모양의 포토레지스트 패턴(20)을 나타낸다. 상기 형성된 마스킹 물질인 포토레지스트(20)를 마스크로 해서 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇같은 화학적 에칭물질을 이용해 상기 웨이퍼의 마스크가 없는 부분을 에칭하여 만곡부가 있는 반사기(corner reflector)(30)가 형성된다.

상술한 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇같은 화학적 에칭물질은 InP와 InP에 관련된 물질을 결정(crystal) 방향에 관계없이 반사기(30) 모양이 형성되도록 상기 웨이퍼(10)의 마스크가 없는 부분을 V형태의 만곡부가 형성되도록 에칭하는 특성이 있다. 제작하려는 반사기(30)는 위에서 보는 모양이 원형이면서 크리스탈 방향에 관계없이 에칭된 옆면이 45도 가량 기울기를 가지는데, 상기와 같이 제안한 에칭물질인 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇이 이러한 용도에 적합하다. 상기 반사기(30)의 특성은 발광다이오드의 활성층(active layer)(40)에서 발생된 광중, 활성층에 갇혀 활성층 방향으로 진행하는 광을 반사기(30)가 전반사를 시켜 뒷면 즉 발광 다이오드의 광 출력면으로 방향을 바뀌게 하므로 발광 다이오드의 출력을 향상시키게 된다. 또한 상기 활성층(40)에 갇힌 광은 진행하면서 광증폭을 경험하게 되고 주입되는 전류의 양이 커질수록 이 증폭이 커져서 그만큼 출력되는 광량이 증가하게 된다. 이는 광출력 포화현상을 개선함을 의미한다.

도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도로서, 반도체 기판(10), 마스킹 물질로 형성되는 물질의 원형 패턴(20) 및 제작된 반사기(30)를 도시하고 있다.

도 2a는 본 발명의 제 2실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 도 1a와 도 1b에서 설명한 방법으로 제작된 반사기(30)를 가지는 발광 다이오드 구조에 포토레지스트와 같은 마스킹 물질을 이용하여 원형 모양이 되도록 패턴(50)을 형성한 후 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇과 같은 화학적 에칭물질(chemical etchant)를 이용해서 마스크(50)가 형성된 도 1a와 도 1b의 원형패턴(20)과 반사기(30) 부분을 제외한 나머지 마스크가 형성되지 않은 웨이퍼 부분을 깊게 에칭시켜 사이드 월(side wall)(60)를 형성하는 방법을 도시하고 있다.

상세하게는, 도 1a와 도 1b에서 설명한 방법에 따라 원형 패턴의 마스크(20)를 형성하고 HHBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇과 같은 화학적 에칭물질(chemical etchant)를 이용하여 반사기(30)를 만들고 다시 포토레지스트를 코팅한 후 반도체 리소그래피 방법을 이용해서 도 1a와 도 1b에서 형성된 원형 패턴(20)의 마스크와는 별개인 원형 포토레지스트 마스크 패턴(50)을 형성한다. 상기 도 2a의 원형 패턴(50)은 도 1a와 도 1b의 원형패턴(20)과 반사기(30)를 포함하는 마스크이다. 상기 샘플을 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇화학적 에칭물질(chemical etchant)을 이용하여 수십 마이크로미터 정도로 깊게 에칭하여 깊이 에칭된 사이드 월(60)을 형성한다. 앞에서 설명한 것과 같이 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇화학적 에칭물질는 반도체 결정(crystal)의 방향과 관계없이 모든 방향으로 동일한 에칭 사이드(etching side)면(60)을 드러내므로 매우 유용하다. 상기와 같이 깊이 에칭된 사이드 월(60)의 목적은 활성층(40)에서 발생된 광중 InP기판(10)안으로 퍼져나가는 빛을 사이드 월(60)에서 반사시켜서 뒷면 즉 발광다이오드의 광출력면으로 보내므로 발광다이오드의 출력 효율을 향상시킬 수 있다.

도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도로서, 반도체 기판(10),원형 마스킹 물질(50) 및 깊게 에칭된 사이드 월(60)을 나타낸다.

도 3a는 본 발명의 제 3실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 포토레지스트와 같은 마스킹 물질을 이용해 원형 모양으로 패턴을 형성한 후 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇화학적 에칭물질을 이용해서 InP 모노리딕 렌즈( monolithic lens)(80)를 형성하는 방법을 보여주고 있다.

도 1a와 도 1b 및 도 2a와 도 2b에서 제안한 발광 다이오드 구조의 뒷면에 즉, 발광다이오드의 출력이 나오는 광출력면에 먼저 포토레지스트를 코팅한 다음 반도체 리소그래피 공정을 이용해서 중심부에 있는 마스크를 원형으로 제거하고 나머지 부분은 마스킹 물질인 포토레지스트로 패턴(70)을 형성한다. 상기 패턴(70)이 있는 부분을 제외한 나머지 원형부를 에칭하되 상기 원형부의 중심에 비해 외부단인 상기 원형부 가장자리쪽이 빨리 에칭되어 전체적으로 렌즈 모양(80)이 형성된다.

도 3b는 본 발명의 제 3실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도로서, 포토레지스트와 같은 마스킹 물질로 원형 중심부 주위로 동그랗게 형성된 원형 패턴(70)과 제작된 마이크로 렌즈(80)를 나타내고 있다.

도 4a는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 상기 반사기 (30), 깊게 에칭된 사이드 월(side wall)(60) 및 모노리딕 마이크로렌즈(monolithic microlens)(80)를 가지는 새로운 형태의 최종적인 발광 다이오드 구조를 보여주고 있다. 상기 웨이퍼(10)는 기존의 박막 기술을 이용한 발광다이오드의 동작을 위해 성장되었으며, 윗면에는 도 1에서 형성된 마스킹 물질인 포토 레지스터를 마스크로 하는 원형 패턴(20)인 피-메탈(P-metal)(20)이 형성되며 그 아래로 옆면은 에칭에 의해 형성된 반사기(30)와 깊이 에칭된 사이드 월(60)이 형성된다. 실제로 광이 출력되는 뒷면에는 InP 마이크로 렌즈(microlens)(80)가 집적되어 있으며, 렌즈 주위를 엔-메탈(N-metal)(70)이 감싸고 있다.

도 4b는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도로서, 피-옴믹 메탈(p-ohmic metal)(20), 반사기(30), 깊게 에칭된 사이드 월(side wall)(60) 및 반도체 기판(10)을 각각 나타낸다.

도 4c는 본 발명의 제 4실시예에 따른 발광 다이오드의 저면도로서, 모노리딕 마이크로렌즈(80), 엔-옴믹 메탈(n-ohmic metal)(70), 반도체 기판(10)을 각각 나타낸다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 기존의 표면 방출 발광 다이오드(surface emitting LED) 구조와 에지 방출 발광 다이오드(edge emitting LED) 구조를 결합한 형태로 45도 반사기(30)를 기존의 표면 방출 발광 다이오드에 집적하므로 발광 다이오드의 출력을 기존의 발광 다이오드보다 향상시킬 수 있다. 또한 깊게 에칭된 사이드 월(60)을 형성하여 발광 다이오드의 기판(10) 안으로 퍼져나가는 광을 사이드 월(60)을 이용하여 다시 반사시켜 광출력 표면으로 출력되게 하여 발광 다이오드의 광출력 효율을 증가시키는 효과가 있다. 그리고 InP 모노리딕 마이크로렌즈(80)를 발광 다이오드 표면에 집적하므로 출력되는 광의 퍼짐성과 방향성을 향상시켜 발광 다이오드의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼가 구비된 발광 다이오드에 있어서,

   상기 발광 다이오드의 활성층에서 발생된 광을 발광 다이오드의 광 출력면으로 반사시키는 반사기와,

   상기 반사기 하부에 접촉되고 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시키는 사이드 월과,

   상기 다이오드의 광 출력면에 렌즈모양으로 형성되어 상기 반사기 및 사이드 월에서 반사된 광을 집속시켜 광을 방출하는 모노리딕 마이크로 렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사기는 경사진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 모노리딕 마이크로렌즈는 광 출력면 중심부에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
4. 발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼와 활성층에서 발생된 광을 광출력면으로 반사시키는 반사기를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 반사기의 형성은,

   상기 웨이퍼에 마스킹 물질을 코팅하는 제 1단계와,

   상기 마스킹 물질이 코팅된 웨이퍼 상부에 소정의 패턴을 형성하는 제 2단계와,

   상기 패턴을 형성하는 마스킹 물질을 마스크로 하여 마스크가 없는 곳을 에칭물질로 에칭하는 제 3 단계에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
5. 발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼와 활성층에서 발생된 광중 InP기판 안으로 퍼져나가는 빛을 광 출력면으로 반사시키는 깊게 에칭된 사이드 월을 포함하는 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 깊게 에칭된 사이드 월의 형성은,

   상기 웨이퍼에 마스킹 물질을 코팅하는 제 1단계와,

   상기 마스킹 물질이 코팅된 웨이퍼 상부에 소정의 패턴을 형성하는 제 2단계와,

   상기 패턴을 형성하는 마스킹 물질을 마스크로 하여 마스크가 없는 곳을 에칭물질로 깊게 에칭하는 제 3단계에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
6. 발광 동작이 가능하도록 박막이 성장된 웨이퍼와 광 방출을 위한 마이크로 렌즈를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 마이크로 렌즈의 형성은,

   상기 웨이퍼에서 출력이 나오는 광출력면에 마스킹 물질을 코팅하는 제 1 단계와,

   상기 마스킹 물질의 중앙부가 제거된 소정의 패턴을 형성하는 제 2 단계와,

   상기 패턴이 형성된 웨이퍼를 에칭 물질로 에칭하여 렌즈 모양을 형성하는 제 3 단계에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 소정의 패턴은 원형 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
8. 제 4항 내지 제 6항 중 한 항에 있어서, 에칭물질은 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
9. 제 4항 내지 제 6항 중 한 항에 있어서, 마스킹 물질은 포토리지스트인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
10. 발광 동작이 가능하게 박막이 성장된 웨이퍼로 이루어진 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

    상기 웨이퍼에 마스킹 물질인 포토리지스트를 코팅하는 제 1단계와,

    상기 마스킹 물질이 코팅된 웨이퍼 위에 반도체 리소그라피 공정을 이용해 원형 패턴을 형성하는 제 2단계와,

    상기 원형 패턴을 형성하는 마스킹 물질을 마스크로 하여 마스크가 없는 곳을 화학적 에칭물질인 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇을 이용해 에칭하여 반사기를 형성하는 제 3 단계와,

    상기 원형 패턴과 에칭되어 형성된 반사기 상부에 마스킹 물질인 포토리지스트로 재코팅하는 제 4 단계와,

    상기 재코팅된 마스킹 물질을 제외한 나머지 부분을 화학적 에칭 물질인 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇로 깊게 에칭하여 깊게 에칭된 사이드 월을 형성하는 제 5 단계와,

    상기 웨이퍼에서 출력이 나오는 광출력면에 마스킹 물질인 포토레지스터를 이용해 패턴을 형성하되 상기 패턴의 내부단을 원형으로 하는 제 6 단계와,

    상기 내부단이 원형인 패턴이 형성된 웨이퍼를 화학적 에칭 물질인 HBr-H₃PO₄-K₂Cr₂O₇에 담가 마스킹 물질이 없는 부분을 렌즈 모양으로 형성하는 제 7 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.