KR100644052B1 - 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 발광 다이오드의 제조 기판 상부면 및 하부면 또는 각각의 상,하부면에 볼록 렌즈 형상 또는 피라미드(Pyramid) 형상과 같은 돌출 패턴을 형성하여 전반사를 줄여 광 적출 효율을 높임으로써, 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
전반사, 발광, 돌출, 효율

Description

고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 { Light emitting diode of high efficiency for light extraction and method for fabricating the same }
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨 발광 다이오드의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 단면도
도 3a와 3b는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 기판에 형성된 돌출부 패턴 형상을 도시한 단면도
도 4는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 다른 단면도
도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도
도 6a와 6b는 본 발명에 따라 고 광적출 효율 발광 다이오드의 다른 제조 공정을 설명하기 위한 단면도
도 7은 본 발명에 따라 사파이어 기판 상부면에 포토레지스트 패턴이 형성되어 있는 상태의 평면도
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따라 사파이어 기판의 상부면에 돌출된 사파이어 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도
도 9는 본 발명에 따라 피라미드 형상으로 돌출된 사파이어 패턴의 단면도
도 10은 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드가 돌출된 사파이어 패턴에 의해 광의 전반사가 발생되지 않는 것을 설명하는 개략적인 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 돌출된 패턴
130 : N타입 반도체층 140 : 양자 우물층
150 : P타입 반도체층 160 : 전류 확산층
170a,570a: N-금속전극 170b,570b : P-금속전극
200,300,550 : 사파이어 기판 201,261 : 사파이어 패턴
210 : 포토레지스트 패턴 220 : 버퍼층
230 : N-GaN층 240,520 : 양자 우물층
250: P-GaN층 310 : 실리콘 산화막
320 : 실리콘 산화막 패턴 550a,550b : 돌출된 패턴
600 : 서브 마운트 기판
본 발명은 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 다이오드의 제조 기판에 돌출 패턴을 형성하여 전반사를 줄여 광 적출 효율을 높임으로써, 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 자외선에서 가시광선 영역에 이르는 발광파장을 가지고 있고, 화학적 및 열적으로 안정성이 뛰어나 고온이나 고출력 전자소자로의 응용이 활발하게 추진되고 있는 물질이다.
현재, 가장 활발히 제품개발이 이루어지고 있는 분야는 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 광소자이며, 현재 청색 및 녹색 발광 다이오드는 시판 중에 있으며, 이외에 더 긴 파장과 자외선 영역의 짧은 파장의 발광 다이오드를 개발하려는 시도도 활발히 이루어지고 있다.
III족 질화물계 반도체 활성층을 이용한 발광 다이오드를 사용하여 백색광을 만들려는 시도는 다양하게 이루어지고 있으며, 현재 청색 발광 다이오드와 노란색 포스퍼(Yellow phosphor)를 이용한 제품이 있으며, 이외에 파장이 400nm 이하의 자외선 발광 다이오드와 RGB 포스퍼를 결합하여 백색광을 만들려는 시도도 활발히 이루어지고 있다.
또한, 405nm의 레이저 다이오드는 차세대 광기록 매체의 기록용 광원으로 선정되어 출력 및 신뢰성 등을 개선하려는 시도도 활발히 이루어지고 있다.
이렇듯, 질화물 반도체 물질은 현재 청색 및 녹색, 그리고 백색광원으로의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 다양한 응용분야에 활용하기 위해서 고휘도를 얻는 노력이 중심을 이루고 있다.
고휘도 발광 다이오드를 얻는 방법은 활성층의 품질을 개선하여 내부 양자효율을 올리는 방법이 있다.
그리고, 이외에, 활성층에서 발광한 빛을 외부로 방출하는 것을 도와주고, 필요한 방향으로 모으는 방식으로 외부 방출 효율을 증대하는 방식이 있다.
현재, 이 내부 효율 및 외부 효율 모두를 증진시키려는 시도가 이루어지고는 있으나, 물질의 품질을 개선하여 내부 효율을 증진시키는 방법에 비하여 소자 전극 설계, 소자 자체의 모양, 패키징 방법 등으로 개선하는 외부 효율 증가 방법에 대한 시도가 활발하기 이루어지고 있다.
현재까지 시도되고 있는 방법은 주로 상부 전극의 투과율을 증진시키거나 모양을 개선하여 방출효율을 개선하는 방식과 패키징할 때, 하부의 사파이어나 옆면으로 방출하는 광을 상부로 모아주도록, 소자 외부에 반사판을 두는 형식이 주를 이루고 있다.
한편, 발광 다이오드의 외부양자 효율(External quantum efficiency)은 발광 다이오드의 내부양자효율(Internal quantum efficiency)과 광 적출효율(Light extraction efficiency)의 곱으로 나타난다.
특히, 고출력 발광 다이오드에서 광 적출(Light extraction)은 광 효율을 결정하는 중요한 변수로서 작용한다.
종래의 발광 다이오드 제조 방식은 광 적출에 한계가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨 발광 다이오드의 단면도로서, 사파이어 기판(10) 상부에 질화갈륨 버퍼층(11), N-GaN층(12), 다중 양자 우물층(Multi- quantum well, MQW)(13)와 P-GaN층(14)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 P-GaN층(14)에서 N-GaN층(12)까지 메사(Mesa)식각되어 상기 N-GaN층(12)의 일부가 노출되어 있고, 상기 P-GaN층(14) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(15)이 형성되어 있고, 상기 노출된 N-GaN층(12) 상부에 N-금속전극(16)이 형성되어 있고, 상기 전류 확산층(15) 상부에 P-금속전극(17)이 형성되어 있다.
이렇게 구성된 질화갈륨 발광 다이오드는 사파이어 기판(10) 상부에 질화갈륨 버퍼층(11), N-GaN층(12), 다중 양자 우물층(13)와 P-GaN층(14)을 MOCVD로 순차적으로 형성한 다음, 상기 P-GaN층(14)에서 N-GaN층(12)까지 메사(Mesa)식각한다.
그 후, 상기 P-GaN층(14) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(15)을 형성한 후, 상기 노출된 N-GaN층(12) 상부에 N-금속전극(16)을 형성하고, 상기 전류 확산층(15) 상부에 P-금속전극(17)을 형성한다.
도 1과 같이 다중 양자 우물층에서 발생한 포톤(Photon)들의 상당수가 사파이어와 질화갈륨 계면에서 전반사를 일으키고, 또 사파이어와 그 외부의 공기 또는 레진(Resin)에서도 역시 전반사를 일으키게 되고, 이는 광손실로서 소자의 광 효율을 저하시키는 문제점을 야기시킨다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 발광 다이오드의 제조 기판에 돌출 패턴을 형성하여 전반사를 줄여 광 적출 효율을 높임으로써, 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 상부면에 돌출된 패턴을 갖는 기판 상부에 반도체 버퍼층, N타입 반도체층, 양자 우물층와 P타입 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고;
상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층까지 메사(Mesa)식각되어 상기 N타입 반도체층의 일부가 노출되어 있고;
상기 P타입 반도체층 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)이 형성되어 있고;
상기 노출된 N타입 반도체층 상부에 N-금속전극이 형성되어 있고, 상기 전류 확산층 상부에 P-금속전극이 형성되어 있는 고 광적출 효율 발광 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 사파이어 기판 상부면으로부터 돌출된 패턴을 형성하는 제 1 단계와;
상기 돌출된 패턴이 형성된 사파이어 기판의 상부면에 반도체 버퍼층, N타입 반도체층, 양자 우물층과 P타입 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 2 단계와;
상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층까지 메사(Mesa)식각하는 제 3 단계와;
상기 P타입 반도체층 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)을 형성한 후, 상기 노출된 N타입 반도체층 상부에 N타입 금속전극을 형성하고, 상기 전류 확산층 상부에 P타입 금속전극을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 구성된 고 광적출 효율 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 단면도로서, 상부면에 돌출된 패턴(110)을 갖는 기판(100) 상부에 반도체 버퍼층(120), N타입 반도체층(130), 양자 우물층(140)와 P타입 반도체층(150)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 P타입 반도체층(150)에서 N타입 반도체층(130)까지 메사(Mesa)식각되어 상기 N타입 반도체층(130)의 일부가 노출되어 있고, 상기 P타입 반도체층(150) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(160)이 형성되어 있고, 상기 노출된 N타입 반도체층(130) 상부에 N-금속전극(170a)이 형성되어 있고, 상기 전류 확산층(160) 상부에 P-금속전극(170b)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 기판(100)의 상부면에 형성된 돌출된 패턴(110)은 상기 기판(100)과 동질의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판(100)은 사파이어 기판이 바람직하고, 상기 반도체는 GaN이 바람직하다.
도 3a와 3b는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 기판에 형성된 돌출부 패턴 형상을 도시한 단면도로서, 기판의 돌출부 패턴은 복수개의 돌출부들이 상호 이격되어 있으며, 도 3a와 같이, 돌출부 패턴 형상은 볼록렌즈 형상 또는 도 3b와 같이, 피라미드(Pyramid) 형상인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 다른 단면도로서, 상부면에 돌출된 패턴(110)을 갖는 기판(100)의 하부면에도 역시, 돌출된 패턴(111)이 형성되어 있다.
도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 우선, 사파이어 기판(200) 상부면에 포토리소그래피 공정으로 원형 형상의 포토레지스트 패턴(210)을 형성한다.(도 5a)
이때, 포토레지스트 패턴의 두께(t)는 3-10um 정도가 바람직하고, 도 7에 도시된 바와 같이, 패턴된 원의 직경(d)은 3-5um정도가 바람직하다.
그 후, 상기 포토레지스트 패턴(210)을 130-150℃ 정도의 오븐이나 핫 플레이트(Hot plate)에서 리플로우(Reflow)시켜, 볼록렌즈 형상으로 만든다.(도 5b)
그 다음, 볼록렌즈 형상의 포토레지트 패턴(211)을 마스크로 하여 사파이어 기판(200)을 식각하여, 상기 사파이어 기판(200) 상부면에 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴(201)을 만든다.(도 5c)
이 때, 상기 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴(201)은 평평한 사파이어 기판(200) 상부면이 식각되어 이루어진 것이고, 각 볼록렌즈 형상들이 상호 이격되어 패턴을 이룬다.
여기서, 식각공정은 ICP(Inductive-Coupled Plasma)-RIE(Reactive Ion Etching)법을 사용하며, 개략적인 조건은 아래와 같다.
상기 ICP-RIE 식각공정에서는 (Ar + BCl3 + Cl2) 가스를 사용하며, ICP 파워 는 500-800W, RF 바이어스 200V, 작업 압력(Working pressure)은 5mTorr이다.
이때, 시간은 포토레지스트 마스크가 완전히 제거될 때까지 진행하면, 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴이 만들어진다.
전술된 공정으로 만들어진, 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴이 형성된 사파이어 기판의 상부면에 질화갈륨 버퍼층(220), N-GaN층(230), 양자 우물층(240)와 P-GaN층(250)을 순차적으로 형성한다.(도 5d)
그 다음, 상기 P-GaN층(250)에서 N-GaN층(230)까지 메사(Mesa)식각한다.(도 5e)
그 후, 상기 P-GaN층(250) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(260)을 형성한 후, 상기 노출된 N-GaN층(230) 상부에 N-금속전극(270a)을 형성하고, 상기 전류 확산층(260) 상부에 P-금속전극(270b)을 형성한다.(도 5f)
도 6a와 6b는 본 발명에 따라 고 광적출 효율 발광 다이오드의 다른 제조 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 전술된 도 5a 내지 5c의 공정과 동일하게, 상기 사파이어 기판(200) 하부면에 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴(261)을 형성한다.(도 2g와 도 2h)
한편, 하기 표 1은 종래의 발광 다이오드의 광 적출효율과 본 발명에 따른 발광 다이오드의 광 적출효율을 측정하여 나타낸 것으로, "Light Tools"라는 시뮬레이터를 사용하여 측정된 종래의 발광 다이오드의 광 적출효율은 25.3%이고, 본 발명의 발광 다이오드의 광 적출효율은 65.5%이므로, 본 발명의 발광 다이오드의 광 적출효율 특성이 우수함을 알 수 있다.
구분 종래 본 발명
광 적출효율 25.3% 65.5%
그리고, 하기 표 2는 본 발명에 따라 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴 크기에 따라 측정된 광 적출효율을 나타낸 것으로, 렌즈의 직경이 3 ~ 5㎛일 때, 57 ~ 58.5%의 높은 광 적출효율을 나타내었고, 렌즈의 높이를 1㎛이고, 렌즈 직경이 4㎛ 정도일 때, 가장 높은 광 적출효율을 나타내었다.
그러므로, 본 발명에 따른 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴의 직경은 3 ~ 5㎛이 바람직하다.
렌즈 직경(㎛) 피치(㎛) 렌즈 높이(㎛) 광 적출 효율(%)
3 6 1 57
4 8 1 65.5
5 10 1 58.5
7 14 1 56.7
10 20 1 48.5
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따라 사파이어 기판의 상부면에 돌출된 사파이어 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도로서, 먼저, 사파이어 기판(300) 상부에 실리콘 산화막(310)을 형성한다.(도 8a)
여기서, 상기 실리콘 산화막의 두께는 2~4㎛가 바람직하다.
그 후, 상기 실리콘 산화막(310)을 건식식각 및 습식식각을 순차적으로 수행하여 실리콘 산화막 패턴(320)을 형성한다.(도 8b)
이 때, 상기 실리콘 산화막(310)을 습식식각하는 경우에는, 실리콘 산화막 (310)의 측면에 특정 경사를 만들기 위함이고, 습식 시간을 적절히 조절하여 경사각을 조절할 수 있다.
그 다음, 상기 실리콘 산화막 패턴(320)을 마스크로 하여 상기 사파이어 기판(300)을 건식 식각하여 상기 사파이어 기판(300) 상부면에 피라미드 형상으로 돌출된 사파이어 패턴을 형성한다.(도 8c)
이 때, 피라미드 폭과 경사각에 따라 측정된 광 적출 효율을 나타낸 하기 표 3와 같이, 피라미드의 크기와 경사도에 따라 광 적출 효율이 변함을 알 수 있다.
즉, 상기 피라미드 형상으로 돌출된 사파이어 패턴의 경사도(α)가 45°~ 65°이고, 상기 사파이어 패턴의 높이(h)가 1㎛이며, 폭(w)이 3 ~ 5㎛일 때, 광 적출효율은 상대적으로 높은 54.6 ~ 61.1로 측정되었다.
그러므로, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 피라미드 형상으로 돌출된 사파이어 패턴의 경사도(α)는 45°~ 65°가 바람직하고, 상기 사파이어 패턴의 높이(h)가 1㎛일 때, 폭(w)은 3 ~ 5㎛가 바람직하다.
피라미드 폭(㎛) 경사도(°) 피라미드 높이(㎛) 광 적출 효율(%)
3 45 1 61.1
3 65 1 58.2
3 80 1 46.4
4 45 1 60.1
5 45 1 54.6
7 45 1 52.4
10 45 1 46.7
도 10은 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드가 돌출된 사파이어 패턴에 의해 광의 전반사가 발생되지 않는 것을 설명하는 개략적인 단면도로서, 본 발명의 고 광 적출 효율 발광 다이오드(500)의 N-금속전극 및 P-금속전극(570a,570b)은 서브 마운트 기판(600)에 본딩되어 있다.
이 상태에서, 양자 우물층(520)에서 발생된 광은 사파이어 기판(550)의 상, 하부에 형성된 돌출된 패턴(550a,550b)에 의해 입사각과 반사각이 계속 바뀌게 되어, 결국, 전반사가 일어날 확률이 줄어 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져 나올 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드의 제조 기판에 돌출 패턴을 형성하여 전반사를 줄여 광 적출 효율을 높임으로써, 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 우수한 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)

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  7. 사파이어 기판 상부면으로부터 돌출된 패턴을 형성하는 제 1 단계와;
    상기 돌출된 패턴이 형성된 사파이어 기판의 상부면에 반도체 버퍼층, N타입 반도체층, 양자 우물층과 P타입 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 2 단계와;
    상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층까지 메사(Mesa)식각하는 제 3 단계와;
    상기 P타입 반도체층 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)을 형성한 후, 상기 노출된 N타입 반도체층 상부에 N타입 금속전극을 형성하고, 상기 전류 확산층 상부에 P타입 금속전극을 형성하는 제 4 단계와;
    상기 사파이어 기판 하부면으로부터 돌출된 패턴을 형성하는 제 5 단계를 포함하여 구성되며,
    상기 제 1 단계 또는 제 5 단계는,
    사파이어 기판 상부 또는 하부면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와;
    상기 포토레지스트 패턴을 리플로우(Reflow)시켜, 볼록렌즈 형상으로 만드는 단계와;
    상기 볼록렌즈 형상의 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 사파이어 기판을 식각하여, 상기 사파이어 기판 상부 또는 하부면에 볼록렌즈 형상의 사파이어 패턴을 만드는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드의 제조방법.
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