KR100679739B1

KR100679739B1 - 광결정 발광다이오드의 제조방법

Info

Publication number: KR100679739B1
Application number: KR20050061936A
Authority: KR
Inventors: 류상완
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2005-07-09
Filing date: 2005-07-09
Publication date: 2007-02-07
Also published as: KR20070006966A

Abstract

본 발명은 광결정 발광다이오드의 발광구조물의 제조에서 제1 클래드층, 발광층, 및 제2 클래드층을 차례로 형성하고, 제2 클래드층의 상부에 알루미늄층을 증착하고, 증착된 알루미늄층의 상부에 애노다이징 방식을 이용하여 소정 주기로 배열되는 홀들이 구비되는 알루미나층의 패턴을 형성하며, 알루미나층의 패턴을 식각마스크로 하여 제2 클래드층을 소정 깊이로 식각하여 광결정 격자 어레이를 형성하는 단계를 구비하는 광결정 발광다이오드의 제조방법을 개시한다.

광결정, 발광구조물, 발광다이오드, 애노다이징

Description

광결정 발광다이오드의 제조방법 {Method For Manufacturing Light Emitting Diode Having Photonic Crystals}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 발광다이오드의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 광자결정 어레이의 평면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 발광다이오드의 제조과정을 도시한 단면도들이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라서, 알루미늄층을 형성한 후 애노다이징 공정에 의해 미세홀들이 형성되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 설명

10 : 기판 11 : 발광구조물

12 : 제1 클래드층 13 : 제1 전극

14: 발광층 16 : 제2 클래드층

19 : 제2 전극

본 발명은 광결정 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄 애노다이징을 이용하여 광결정이 제조된 광결정 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공한다.

광결정은 굴절율이 다른 주기적인 격자구조를 인위적으로 만들어서 전자기파(electromagnetic wave)의 전달 및 발생을 제어하는 구조를 말한다. 굴절율이 다른 주기적인 격자구조 내에서는 광결정의 영향으로 전파모드가 존재하지 못하는 특정파장 대역이 존재하게 된다. 이와 같이 전파모드가 존재하지 못하는 파장영역을, 전자상태가 존재할 수 없는 에너지 영역과 비슷하게, 전자기적 띠간격(electromagnetic band gap) 혹은 광자띠간격(Photonic band gap)이라 부르고, 그런 띠 간격을 갖는 구조를 광결정(Photonic crystal)이라 한다. 광결정은 1990년대부터 이론적인 분석과 광소자로의 응용이 활발하게 연구되고 있다.

완벽한 광자띠 간격이라 함은 어떠한 방향으로 전자기파가 입사하던지 간에 전자기파의 편광에 관계없이 투과되지 않고 모두 반사되는 특정 파장영역을 말한다. 이를 위해서 이차원 또는 삼차원의 굴절율이 다른 두개의 물질을 배열하는 방법으로 완벽한 광결정을 제작할 수 있다. 또한, 이러한 광결정 내부에 결함이 있는 한 부분을 형성함으로써 결함점을 통하여 빛의 진행하고, 방출 및 발진하는 것을 제어하는 반도체 발광다이오드 및 레이저 제작이 가능하다.

광결정을 이용한 발광다이오드가 개시되어 있었다. 예를 들어, T. N. Order 등은 "III-nitride photonic crystals" (Applied Physics Letters, 11 August 2003, Vol 83, Number 6)에서 e-beam 리소그라피와 ICPD 에칭(Inductively Coupled Plasma Dry Etching)을 이용하여 InGaN/GaN 상에 광결정의 격자 어레이들을 형성하는 기술을 개시하고 있다.

또한, 한국공개공보 제2005-29167호에서는 질화물반도체 발광소자에 있어서 실리콘 기판을 사용하여 유기금속화학기상증착으로 질화물반도체 에피택시 박막을 성장하고 실리콘 기판이 습식 및 건식식각이 잘 되는 특성을 이용하여 광결정 공진기를 제작하여 높은 색도를 갖는 반도체 발광소자를 제조하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 광결정을 형성할 때 포토 리소그라피 공정을 사용하면 고가 장비가 필요하고 포토마스크도 필요하여 공정이 복잡하고 미세한 패턴 형성이 용이하지 않은 문제점이 있고, E-beam 리소그라피 공정을 사용하면 고가 장비가 필요한 반면 쑤루풋(throughput)이 낮아서 대량생산에 적당하지 않은 문제점이 있으며, 홀로그라피 방법을 사용하면, 대량생산에 용이하지만 단파장 고출력 레이저가 필요한 문제점이 있음이 알려져 있다.

따라서, 발광다이오드는 대량생산에 의한 가격 경쟁력이 매우 중요한 소자이므로, 종래 기술에 의한 방법으로는 대량생산에 불리하여 만족할 만한 가격 경쟁력의 확보가 용이하지 못한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대량생산이 용이하여 생산단가가 저렴한 광결정 발광다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광추출 효율이 향상된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 기판 상에, 전극들 사이에 구비되는 발광구조물을 포함하여 구성되는 광결정 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 발광구조물의 제조는, 제1 클래드층, 발광층, 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계; 상기 제2 클래드층의 상부에 알루미늄층을 증착하는 단계; 상기 증착된 알루미늄층의 상부에 애노다이징 방식을 이용하여 소정 주기로 배열되는 홀들이 구비되는 알루미나층의 패턴을 형성하는 단계; 및 알루미나층의 패턴을 식각마스크로 하여 상기 제2 클래드층을 소정 깊이로 식각하여 광결정 격자 어레이를 형성하는 단계를 구비하는 광결정 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 알루미늄층은 1 내지 2 ㎛ 로 증착한다. 알루미늄층의 두께가 너무 두꺼우면 공정비용이 증가하고 막질이 나빠질 수 있으며 너무 얇으면 홀을 형성하는 것이 용이하지 않을 수 있다.

한편, 홀의 크기는 50 내지 70nm이고, 상기 소정 깊이는 0.2 내지 0.3 ㎛로 형성하는 것이 바람직하다.

애노다이징 단계는, 전해연마를 수행하는 단계; 및 인산, 옥살산, 또는 황산용액 속에서 알루미늄을 양극으로 사용하여 10 내지 200V의 직류 전압을 인가하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 중복되는 요소에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

광결정 발광다이오드(1)는 기판(10) 상에 형성되며, 제1 전극(13)과 제2 전극(19) 사이에 구비되는 발광구조물(11)을 포함하고, 발광구조물(11)은 제1 클래드층(12), 발광층(14), 상부에 광결정 격자 어레이를 구비하는 제2 클래드층(16)을 포함하여 구성된다.

예를 들어, 사파이어 기판(10) 상에 InGAN 및 GaN 단결정층로 구성된 발광 구조물(11)이 형성되어 있다. 발광구조물(11)은 n형 GaN 클래드층(제1 클래드층 )(12), InGAN/GaN 발광층(14) 및 p형 GaN 클래드층(제2 클래드층)(16)을 포함한다. 또 다른 실시예로는 보다 높은 반사효과를 얻기 위해서 반사율이 높은 Au, Ni, Ag, Al 또는 그 합금으로 이루어진 반사층을 발광구조물(11) 상면에 추가적으로 형성하고, 빛을 기판쪽으로 추출하는 발광다이오드를 제작할 수 있다.

바람직하게는, 전류주입면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서, p형 GaN 클래드층(제2 클래드층)(16) 상부에는 제2 전극(p형 전극)(19)을 형성하기 전에 투명전극(transparent electrode: 18)을 형성할 수 있다.

제2 클래드층(12)의 상부에는 광결정 격자 어레이(15)가 구비된다. 광결정 격자 어레이(15)의 제조방법은 알루미늄층을 형성하고 알루미늄층에 수십 nm의 크기를 갖는 미세 홀들이 주기적으로 배열되도록 패턴을 형성한 다음, 이 패턴을 이용하여 제2 클래드층(16)의 상부를 소정 깊이로 식각함으로써 제조된다. 미세 홀의 크기는 개략적으로 50 내지 70nm이고, 광결정 격자 어레이를 형성하기 위해 제2 클래드층(16)의 상부가 식각되는 깊이는 0.2 내지 0.3 ㎛을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 제2 전극(19)은 투과성 전극으로 형성 할 수도 있고 망형(mesh)으로 하는 구조를 형성 할 수도 있다. 제1 및 2전극(13, 19)은 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 등을 어느 하나 이상 사용하여 형성할 수 있가. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(13, 19)을 Ti/Ni/Au, Pd/Au중 어느 하나의 금속을 증착한 후에는 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스 (furnace)에서 예를 들어 500℃ 정도의 온도로 열처리하여 형성할 수 있다. 마찬가지로, 제1 전극(18)은 Ti, Al, Cr, Cr/Ni/Au, Ti/Al, Al, TiAl/Ti/Au, Ti/Ni/Au, Ta등 합금을 이용한 단일층 또는 다중층을 증착하여 산소 또는 질소를 포함하는 분위기, 500℃ 정도에서 열처리하면 양호한 오믹특성을 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 광자결정 어레이의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 광결정 격자어레이에 형성된 미세홀은 육방격자의 주기성으로 배치되어 있다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 발광다이오드의 제조방법을 상세히 설명한다.

도 3a를 참조하면, 사파이어 기판(10) 상에 금속유기화학증착법(MOCVD), 액상에피텍셜법(LPE), 분자빔에피텍셜법(MBE) 등을 사용하여 제1 클래드층(12), 발광층(14), 제2 클래드층(15)을 차례로 적층시킨 에피기판을 준비한다.

도 3b를 참조하면, 상기 에피기판 상에 알루미늄층(17)을 형성한다. 알루미늄층(17)은 1 내지 2㎛로 전자빔(E-Beam) 증착, 열증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 등을 이용하여 증착한다.

도 3c를 참조하면, 다음으로, 알루미늄층(17) 상부에 애노다이징 공정을 실시하여 수십 나노 크기의 미세 홀들이 주기적으로 배열되도록 형성한다. 광결정 격자 어레이(도 3d의 15)를 가지는 알루미나층를 형성시키기 위한 애노다이징 공정은 우선 알루미늄 박막 표면의 거칠기를 감소시키기 위한 전해 연마를 수행한 후, 일정한 온도의 인산(Phosphoric acid)이나 옥살산(Oxalic acid), 황산(Sulfuric acid) 또는 그 혼합용액 속에서 알루미늄을 양극으로 사용하여 10∼200V의 직류 전압을 인가함으로써 수십 나노미터 크기의 미세 홀을 갖는 알루미나층(17)의 패턴이 형성된다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라서, 알루미늄층을 형성한 후 애노다이징 공정에 의해 미세홀들이 형성되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다.

이 때 미세홀은 제2 클래드층(16)의 상부를 거의 노출시키도록 하여, 미세홀을 갖는 알루미나층(17)의 패턴을 식각마스크로 하여 제2 클래드층(16)의 상부를 소정 깊이로 식각한다.

그 후, 투명전극(18)을 전체 상부에 형성한다. 다음으로, 소정 영역에 해당하는 p형 GaN 클래드층(제2 클래드층)(16)과 활성층(14)을 건식에칭하여 n형 GaN 클래드층(제1 클래드층)(12) 일부 상면을 노출시킨다. 그리고, 그 노출된 n형 GaN 클래드층(제1 클래드층)(12) 상면과 p형 클래드층(16) 상면에 각각 소정의 전압을 인가하기 위하여, 제1전극(13)과 제2 전극(19)을 형성한다.

본 실시예에서는 청색 발광을 하는 질화물계 반도체 발광 다이오드에 광결정구조가 적용된 경우로 한정하여 설명하고 있지만 광결정 구조가 적용가능한 모든 형태의 발광다이오드에 적용가능함은 당연하다. 예를 들어, 실리콘계 발광다이오드, 화합물 반도체 발광다이오드이며, 바람직하게는 화합물 반도체 발광다이오드로, 예를 들어 GaAs, GaP, InP, InAs 계열의 기판 또는 비도전성 기판 상에 p-n 접합구조를 갖도록 형성가능하다.

또한, 본 실시형태의 광결정 발광 다이오드는 p형 GaN 클래드층과 발광층이 소정 영역 에칭되어 n형 GaN 클래드층의 상부에 전극이 형성되는 구조를 갖고 있으나, 본 발명의 적용은 기판 상에, 전극들 사이에 구비되는 발광구조물을 포함하여 구성되는 광결정 발광다이오드이면 모두 적용가능하다. 즉, 본 발명은 전극들에 의해 발광층에 전위차가 형성되거나 전류가 주입되어 발광현상이 일어나는 구조이면 모두 적용가능한 것으로 이해되어야 한다.

부가하여, 이상에서 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

본 발명에 의하면, 대량생산이 용이하여 생산단가가 저렴한 광결정 발광다이오드를 제공할 수 있게 되고, 광추출 효율이 향상된 발광 다이오드를 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

기판 상에, 전극들 사이에 구비되는 발광구조물을 포함하여 구성되는 광결정 발광다이오드의 제조방법에 있어서,

상기 발광구조물의 제조는,

제1 클래드층, 발광층, 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계;

상기 제2 클래드층의 상부에 알루미늄층을 증착하는 단계;

상기 증착된 알루미늄층의 상부에 애노다이징 방식을 이용하여 소정 주기로 배열되는 홀들이 구비되는 알루미나층의 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 알루미나층의 패턴을 식각마스크로 하여 상기 제2 클래드층을 소정 깊이로 식각하여 광결정 격자 어레이를 형성하는 단계를 구비하는 광결정 발광다이오드의 제조방법.
제1 항에 있어서,

상기 알루미늄층은 1 내지 2 ㎛ 로 증착하는 광결정 발광다이오드의 제조방법.
제1 항에 있어서,

상기 홀의 크기는 50 내지 70nm이고, 상기 소정 깊이는 0.2 내지 0.3 ㎛로 형성하는 광결정 발광다이오드의 제조방법.
제1 항에 있어서,

상기 애노다이징 단계는, 전해 연마를 수행하는 단계; 및

인산, 옥살산 또는 황산 용액 중 어느 하나의 용액, 또는 상기 용액들 중 적어도 2개를 혼합한 혼합용액 속에서 알루미늄을 양극으로 사용하여 10 내지 200V의 직류 전압을 인가하는 광결정 발광다이오드의 제조방법.