KR100633999B1 - 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하는 단계와; 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시키는 단계와; 상기 노광된 감광막을 현상하여 광결정을 갖는 감광막 패턴을 형성하는 단계와; 상기 감광막 패턴으로 상기 발광 소자 구조물을 식각하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

따라서, 본 발명은 레이저 홀로그램을 이용하여 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하고, 이 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 감광막을 패터닝하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성함으로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 간섭무늬 전사로 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 효과가 있다.

발광소자, 광결정, 홀로그램, 레이저, 감광막

Description

광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법 { Method for fabricating light emitting device with photonic crystal stucture }

도 1은 일반적인 발광 다이오드에서 광이 출사되는 경로를 설명하는 개념도

도 2는 광의 이스케이프 콘(Escape cone)을 설명하는 개념도

도 3a와 3b는 광결정 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도

도 4는 광결정 구조의 에너지 밴드 다이어그램

도 5는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정 흐름도

도 6은 본 발명에 따라 레이저 홀로그램을 이용하여 샘플에 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 조사하는 장치의 구성도

도 7은 도 6의 장치에서 레이저 광이 샘플과 미러로 진행되는 경로를 도시한 도면

도 8은 본 발명에 따라 1차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물의 평면도

도 9a 내지 9c는 본 발명에 따라 2차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 공정을 설명하는 개략적인 평면도

도 10a 내지 10c는 본 발명에 따라 2차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구 조물을 형성하는 다른 공정을 설명하는 개략적인 평면도

도 11a 내지 11c는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정의 일례를 도시한 단면도

도 12는 도 11c의 후속공정으로 발광 소자를 구현하는 일례의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 레이저 110 : 빔 익스펜더(Beam expander)

120 : 렌즈계 130 : 자외선 미러

140 : 샘플 210,220,221,310,320 : 광결정 패턴

311,321,500 : 발광 소자 구조물 400 : 기판

410 : 적층 에피층 411 : 투명전극

412 : 보호층 413 : 감광막

413a : 감광막 패턴 600 : 전극

본 발명은 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 홀로그램을 이용하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성함으로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 간섭무늬 전사로 패턴의 선폭을 줄일 수 있는광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드는 두 개의 상반된 도핑층 사이에 활성층을 포함하는 반도체 소자로, 두 개의 도핑층 사이에 바이어스를 인가하면 정공과 전자가 활성층으로 주입되어 재결합하여 광을 발생하며, 발생한 광은 소자의 모든 노출면으로 방출된다.

이런, 발광 다이오드를 구성하는 반도체 재료는 통상적으로 대기(굴절율이 1)나 인캡슐레이팅 에폭시(굴절율이 1.5)보다 굴절율이 높아서 프레넬(Fresnel) 손실과 내부 전반사에 의한 손실이 발생한다.

프레넬 손실은 굴절율이 불연속적인 계면에서 광의 일부가 반사됨으로써, 발생하는 손실로서 반사 손실(Reflection loss)로도 불린다.

내부 전반사란 광이 굴절율이 높은 곳에서 낮은 곳으로 진행할 때, 임계각 이상의 각도로 도달하면 계면을 통과하지 못하고 반사하는 현상을 일컫는다.

즉, 도 1를 참조하면, 발광 다이오드(10)에서 생성된 광은 외부로 방출되는데, 임계각 이하의 각도(θ1)로 진행되는 광(A)은 소자의 외부로 빠져나가고, 임계각과 동일한 각도(θ2)로 진행되는 광(B)은 소자의 면을 따라 진행되고, 임계각 이상의 각도(θ3)로 진행되는 광(C)은 경계면에서 소자 내부로 전반사된다.

그러므로, 내부 전반사된 광은 발광 다이오드 내부에서 계속 반사되면서 활성층에 재흡수되거나, 원하지 않는 노출면으로 빠져나가서 발광 다이오드의 효율을 떨어뜨린다.

도 2는 광의 이스케이프 콘(Escape cone)을 설명하는 개념도로서, 임계각(θc) 보다 작은 각들을 3차원적으로 표시한 것을 이스케이프 콘(Escape cone)(20)이라 하며 이스케이프 콘내로 진입한 광은 무사히 발광 다이오드(10) 외부로 방출된다.

이와 같이, 발광 다이오드에서 외부로 방출되는 광은 여러가지 요인들에 의해 손실되고, 이 손실을 줄여 광방출을 향상시키는 방법이 다양하게 시도되었다.

먼저, 발광 다이오드 표면에 무반사 코팅하여 프레넬(Fresnel) 손실을 줄이는 방법이 있는데, 이 방법은 프레넬 손실이 내부전반사 손실에 비해 작기때문에 효과가 크지 않다.

또한, 기판에 요철 구조물을 형성하여, 이 요철이 발광 다이오드 표면에 내부전반사된 광의 경로를 수정하여 이스케이프 콘내로 진입하도록 유도하여 광방출을 높이는 방법이 있었다.

그리고, 발광 다이오드 표면을 화학약품으로 처리하여 표면을 인위적으로 거칠게 만듦으로써 산란에 의해 내부전반사를 억제하는 방법이 있다.

더불어, 발광 다이오드 표면에 광결정(Photonic Crystal) 패턴을 형성하는 방법이 시도되었는데, 이 광결정 구조를 적절히 선택하면 표면을 거칠게 만드는 방법보다 더 큰 광방출 향상 효과를 얻을 수 있었다.

상기 광결정(Photonic crystal)이란 하나 이상의 방향으로 굴절율 차이가 주기적으로 반복되는 구조를 일컫는다.

즉, 광결정 구조는 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 굴절율이 다른 두 물 질(31,32)를 1, 2, 3차원적으로 주기적으로 반복되는 구조를 형성한 것이다.

이렇게, 광결정의 주기가 광의 파장과 비슷한 크기를 가지면 도 4와 같이 광자 띠 간격(Photonic band gap)을 갖는 띠 구조(band structure)를 갖게 된다.

여기서, 광자 띠 간격이란 광이 존재할 수 없는 에너지 구간을 일컫는다.

전술된 광결정의 격자구조와 주기를 적절히 선택하면, 특이한 광학적 성질을 갖도록 만들 수 있고, 적절한 격자구조와 주기를 선택하면 광결정을 투과하는 빛이 증가하도록 만들 수 있어, 현재 다양한 분야에서 광결정의 격자구조를 적용하는 시도가 이루어지고 있다.

한편, 종래 기술에서는 광결정 패턴을 포토리소그래피 공정을 사용하여 형성였으나, 이 공정을 수행하는 비용이 많이 소요되고, 포토리소그래피 공정으로 형성되는 선폭이 ㎛ 단위이기 때문에 ㎚단위의 광결정 격자구조를 제조하는데는 한계가 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 레이저 홀로그램을 이용하여 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하고, 이 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 감광막을 패터닝하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성함으로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 간섭무늬 전사로 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는,

광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하는 단계와;

상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시키는 단계와;

상기 노광된 감광막을 현상하여 광결정을 갖는 감광막 패턴을 형성하는 단계와;

상기 감광막 패턴으로 상기 발광 소자 구조물을 식각하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정 흐름도로서, 먼저, 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성한다.(S10단계)

여기서, 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광은 레이저 홀로그램을 이용하여 만드는데, 이 레이저 홀로그램은 경로차를 갖는 둘 이상의 레이저 광이 만나서 주기적인 간섭무늬를 만드는 현상을 일컫는다.

즉, 두개의 레이저광이 경로차를 갖고 만나면 1차원 주기를 갖는 간섭무늬가 만들어진다.

그 후, 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시키고(S20단계), 상기 노광된 감광막을 현상하여 광결정을 갖는 감광막 패턴을 형성한다.(S30단계)

연이어, 상기 감광막 패턴으로 상기 발광 소자 구조물을 식각하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.(S40단계)

도 6은 본 발명에 따라 레이저 홀로그램을 이용하여 샘플에 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 조사하는 장치의 구성도로서, 레이저광을 방출하는 레이저(100)와; 상기 레이저(100)에서 방출되는 광빔을 분리하는 빔 익스펜더(Beam expander)(110)와; 상기 분리된 광빔을 평행하게 전송하는 렌즈계(120)와; 상기 렌즈계(120)를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 하나의 광빔(A)을 전달받아 반사시키는 자외선 미러(130)와; 상기 상기 렌즈계(120)를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 다른 하나의 광빔(B)과 상기 자외선 미러(130)에서 반사된 광빔(C)이 간섭되어 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 전달받는 샘플(140)로 구성된다.

여기서, 상기 레이저(100)는 325㎚ He-Cd 레이저이다.

이렇게, 구성된 장치는 레이저(100)에 방출된 광빔을 빔 익스펜더(Beam expander)(110)에서 분리하고, 상기 분리된 광빔을 렌즈계(120)를 통하여 평행하게 전송하고, 상기 렌즈계(120)를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 하나의 광빔(A)을 자외선 미러(130)에서 전달받아 반사시키고, 상기 렌즈계(120)를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 다른 하나의 광빔(B)과 상기 자외선 미러(130)에서 반사된 광빔(C)을 간섭시켜 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 샘플(140)에 조사시킨다.

즉, 상기 샘플(140)에는 레이저 광이 경로차를 갖고 조사됨으로, 주기적인 간섭무늬가 생성되어, 결국, 상기 샘플(140)이 발광 소자 구조물이고, 광이 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막에 조사되면, 레이저 홀로그램으로 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 상기 감광막에 조사시킬 수 있는 것이다.

도 7은 도 6의 장치에서 레이저 광이 샘플과 미러로 진행되는 경로를 도시한 도면으로서, 도면에 도시된 바와 같이, 자외선 미러(130)와 샘플(140)이 이루는 각을 'α'라 하고, 자외선 미러(130)에 레이저광이 입사하는 각을 'θ'라 하면, 샘플(140)에 직접 입사한 레이저광(M)과 자외선 미러(130)에서 반사된 레이저광(N) 사이에는 하기의 수학식 1과 같은 경로차(△)가 생긴다.

△ = D(1-2cos2θ)

상기 수학식 1에서 사인 법칙으로부터, 수학식 2를 만들 수 있다.

D = (sinαx d)/(sinθ)

여기서, d는 도 7에 도시된 중심축(P)으로부터의 거리이다.

이 때, 두 레이저광의 경로차가 레이저광 파장의 정수배가 되면, 보강간섭이 일어난다.

따라서, 하기의 수학식 3에서 n=1을 대입하여 d 에 대하여 정리하면, 수학식 4와 같이, 간섭 패턴의 주기(T)를 구할 수 있다.

△ = nλ= sinαx d(1-2cos2θ)/(sinθ)

T = λ/2sinθsinα

여기서, α=π/2로 가정하면, 수학식 5와 같은 브래그 회절식을 구할 수 있다.

T = λ/2sinθ

상기 수학식 5에서 광원의 파장과 입사광의 각도가 정해지면 간섭패턴의 주기가 결정된다.

도 8은 본 발명에 따라 1차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물의 평면도로서, 두 개의 레이저 광을 간섭시키면, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광이 생성되고, 이 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시키고, 후속 공정을 수행하여, 일정주기(T1)로 이격된 1차원 광결정 패턴(210)을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.

도 9a 내지 9c는 본 발명에 따라 2차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 공정을 설명하는 개략적인 평면도로서, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시킨 후, 도 9a와 같이, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광을 90도 회전시킨다.

그 90도 회전된 1차원 광결정 패턴(220)을 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 다시 노광시킨 후, 후속 공정을 수행하면, 도 9b와 같이, 교차된 공간에 있는 영역(200)이 전사되어 도 9c와 같은 2차원 광결정 패턴(310)을 갖는 발광 소자 구조물(311)이 형성된다.

즉, 2차원 광결정 패턴을 만들려면 레이저 홀로그램을 두 번 적용하면 된다.

도 10a 내지 10c는 본 발명에 따라 2차원 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 다른 공정을 설명하는 개략적인 평면도로서, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시킨 후, 도 10a와 같이, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광을 60도 회전시킨다.

그 후, 상기 60도 회전된 1차원 광결정 패턴(221)을 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 다시 노광시킨 후, 후속 공정을 수행하면, 도 10b와 같이, 교차된 공간에 있는 영역(230)이 전사되어 도 10c와 같은 2차원 광결정 패턴(320)을 갖는 발광 소자 구조물(321)이 형성된다.

이와 같이, 1차원 광결정 패턴을 갖는 광의 회전각(1°~ 90°)을 적절히 조절하면, 다양한 형상의 2차원 광결정 패턴을 제조할 수 있다.

도 11a 내지 11c는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정의 일례를 도시한 단면도로서, 먼저, 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하고, 이 광으로 도 11a와 같은 발광 소자 구조물 상부에 있는 감광막을 노광시킨다.

여기서, 발광 소자 구조물(500)은 기판(400) 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층(410), 투명전극(411)과 감광막(413)이 순차적으로 형성되어 이루어진 구조물이다.

여기서, 상기 투명전극(411)과 감광막(413) 사이에 식각으로 상기 투명전극(411)을 보호하기 위한 보호층(412)이 더 구비된 것이 바람직하다.

그 후, 상기 감광막(413)을 현상하여 광결정 패턴 무늬를 갖는 감광막 패턴(413a)을 형성한다.(도 11b)

연이어, 상기 감광막 패턴(413a)으로 마스킹하여 식각하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.(도 11c)

이 후, 후속공정은 자유롭게 수행할 수 있다.

여기서, 상기 적층 에피층(410)은 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층, 발광층과 상기 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것이 바람직하다.

이 때, 도 12에 도시된 바와 같이, 도 11c의 구조에서 감광막(413)과 보호층(412)을 제거하고, 상기 투명전극(411)에서 적층 에피층(410)의 제 1 반도체층 일부까지 메사(Mesa)식각하고, 상기 메사 식각된 제 1 반도체층에 전극(600)을 형성함으로써, 일례의 발광 소자를 구현할 수 있다.

그리고, 전술된 발광 소자 구조물의 식각은 투명전극까지 식각할 수 있는 바, 발광 소자 구조물이 복수개의 막이 적층된 구조물일 경우, 일부의 막까지만 식각하여 광결정 패턴을 형성할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 홀로그램을 이용하여 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하고, 이 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 감광막을 패터닝하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물로 형성함으로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 간섭무늬 전사로 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

1. 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 생성하는 단계와;

   상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 노광시키는 단계와;

   상기 노광된 감광막을 현상하여 광결정을 갖는 감광막 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 감광막 패턴으로 상기 발광 소자 구조물을 식각하여 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 구성되며,

   상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광은,

   경로차를 갖는 둘 이상의 레이저 광이 만나서 주기적인 간섭무늬를 만드는 레이저 홀로그램으로 생성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광은,

   레이저광을 방출하는 레이저와; 상기 레이저에서 방출되는 광빔을 분리하는 빔 익스펜더(Beam expander)와; 상기 분리된 광빔을 평행하게 전송하는 렌즈계와; 상기 렌즈계를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 하나의 광빔(A)을 전달받아 반사시키는 자외선 미러로 구성되는 장치를 이용하여,

   상기 렌즈계를 통하여 전송되는 광빔(A,B) 중 다른 하나의 광빔(B)과 상기 자외선 미러에서 반사된 광빔(C)이 간섭되어 이루어지는 광결정 패턴 무늬의 광인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 감광막 패턴은,

   1차원 또는 2차원 광결정 패턴인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 2차원 광결정 패턴은,

   상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 1차 노광시킨 후,

   상기 1차 노광시의 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광이 일정각도 회전된 광결정 패턴 무늬를 갖는 광으로, 상기 발광 소자 구조물의 상부에 있는 감광막을 2차 노광시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 각도는,

   1°~ 90°인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광 소자 구조물은,

   기판 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층, 투명전극과 감광막이 순차적으로 형성되어 이루어진 구조물인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 투명전극과 감광막 사이에,

   식각시 상기 투명전극을 보호하기 위한 보호층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 적층 에피층은,

   제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층, 발광층과 상기 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 발광 소자 구조물이 복수개의 막이 적층된 구조물이고,

    상기 발광 소자 구조물의 식각은, 일부의 막까지만 식각하여 광결정 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.

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