KR100732191B1 - 다층 반사기 구조의 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

다층 반사기 구조의 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 방출형 발광다이오드에 다층 구조의 반사기를 집적해 발광다이오드의 효율을 향상시키는 고효율 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 고효율을 위한 반사기를 반도체 공정인 건식 에칭 및 습식 에칭을 이용해 발광다이오드에 집적하여 구현한다. 전류를 흘려주어 활성층에서 생성된 빛은 소자 내에서 여러 방향으로 진행하는데 이를 측면에 형성된 반사기들에 의해서 표면으로 반사시켜 빛을 보다 많이 뽑아낸다. 제안된 발광다이오드 구조는 기존의 구조에 비해 보다 효율적이므로 저전력 및 고휘도 광원으로 만들 수 있고, 기존의 반도체 공정을 이용한 복잡성이 덜한 기술이다.
LED, 발광다이오드, 광효율, 다층, 반사기

Description

다층 반사기 구조의 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법{High efficiency LED with multi-layer reflector structure and method for fabricating the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 발광다이오드의 구조를 보여주는 단면도.
도 2 내지 도 4는 도 1의 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 보여주는 제조 공정도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11: 양극 12: 실리콘 질화막 등의 절연막
13: p형 반도체 층 14: 활성층
15: n형 반도체 기판 16: 음극
17: 요철 반사부
18: 활성층에서 생성된 빛의 방출경로
19: 반사층 26: 마스킹 패턴
본 발명은 반도체 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광 효율을 높이기 위한 개선된 다층 반사기 구조를 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
발광체로서 발광 다이오드(LED)는 광통신, 디스플레이등 다양한 응용 범위를 갖고 있으며 주로 GaAs, InP, GaN 등과 이들을 혼합시킨 반도체 물질을 기본으로 해서 만들어진다.
발광 다이오드는 발광영역으로부터 발생한 빛을 외부로 방출하는 방법에 따라서 표면방출형과 단면방출형으로 분류된다. 표면방출형은 접합면에 수직한 방향으로 빛을 내게 하는 구조로서 활성층에서 발생한 빛이 자기흡수 손실을 거의 받지 않고 외부로 방출되기 때문에 고효율을 실현하는데 상당한 이점이 있었다.
그러나, 종래의 표면 방출형 발광 다이오드는 어떠한 물질로 만들어 지더라도 빛이 방출되는 외부의 공기 보다 발광 다이오드를 구성하는 물질의 광굴절율이 크기 때문에, 전반사에 의해 표면에 대해 특정 각도 이하로 입사되는 빛만 외부로 방출될 수 있다.
보통 제조되는 LED 칩은 절단에 의해 직육면체 모양으로 나온다. 이 경우 방출되지 못하는 빛은 여러 번의 반사를 거쳐도 입사 각도가 바뀌지 않기 때문에 그만큼 효율은 낮아지게 된다.
따라서, 본 발명은 발광 효율을 향상시킬 수 있는 다층 반사기 구조의 고효율 발광다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 따르는 고효율 발광 다이오드는, 제1 표면에 대칭구조로 경사진 요철부를 갖는 화합물 반도체 기판; 상기 대칭 구조의 요철부 사이이자 상기 반도체 기판의 상부에 위치한 활성층; 상기 대칭구조의 요철부 사이이자 상기 활성층 위에 배치된 p-형 반도체 층; 상기 대칭구조의 요철부 사이이자 상기 p-형 반도체 층 위에 배치된 양극; 상기 양극의 상부면을 제외한 상기 반도체 기판의 상기 요철부를 포함하는 상기 제1 표면의 프로파일을 따라서 적층된 절연층; 상기 양극의 상부와 상기 양극에 인접한 상기 절연층의 경사면 상에 배치된 반사층; 및 상기 반도체 기판의 상기 제1 표면과 반대로 대향하는 제2 표면의 가장자리에 배치된 음극을 포함한다.
바람직하게는, 상기 반사층은 하나 이상이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고효율 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 화합물 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 화합물 반도체 기판의 표면 상에 활성층과 p-형 반도체 층을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 p-형 반도체 층 상의 소정 부분에 양극을 형성하는 단계; 상기 양극을 덮는 계단식 구조의 제1 마스킹 패턴과 상기 제1 마스킹 패턴과 이격되어 상기 p-형 반도체 층을 부분적으로 덮는 제2 마스킹 패턴을 포함하는 마스킹 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스킹 패턴, 상기 활성층, 상기 p-형 반도체 층 및 상기 반도체 기판을 상기 마스킹 패턴이 소정 두께로 감소되도록 건식 식각하는 단계; 및 상기 결과적 인 구조물을 습식식각하여 양극 주위에 위치한 계단형의 구조를 부드러운 다층의 볼록 및 오목한 반사기로 만드는 단계를 포함한다.
상기 마스킹 패턴은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 그리고 상기 실리콘 질화막과 실리콘 산화막의 혼합막으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
상기 건식 식각은 염소(Cl2)가스나 브롬화수소(HBr) 가스 혹은 이들이 포함된 혼합 가스를 사용한 RIE, RIBE 또는 ICP 등의 플라즈마 에칭 장비를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 습식 식각은 HBr+H3PO4+K2Cr2O7의 혼합용액, HBr+H2O2+H2O의 혼합용액, 그리고 Br2+메탄올의 혼합 용액으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나를 이용하여 수행될 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 고효율 발광 다이오드의 개략적 단면도 이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 고효율 발광 다이오드는 제1 표면에 대칭구조로 경사진 요철부(17)를 갖는 화합물 반도체 기판(15)과, 상기 대칭 구조의 요철부(17) 사이이자 상기 반도체 기판의 상부에 위치한 활성층(14)과, 상기 대칭구조의 요철부(17) 사이이자 상기 활성층(14) 위에 배치된 p-형 반도체 층(13)과, 상기 대칭구조의 요철부(17) 사이이자 상기 p-형 반도체 층(13) 위에 배치된 양극(11)과, 상기 양극(11)의 상부면을 제외한 상기 반도체 기판(15)의 상기 요철부(17)를 포함하는 상기 제1 표면의 프로파일을 따라서 적층된 절연층(12)과, 상기 양극(11)의 상부와 상기 양극(11)에 인접한 상기 절연층(12)의 경사면 상에 배치된 반사층(19)과, 상기 반도체 기판(15)의 제1 표면과 반대로 대향하는 제2 표면의 가장자리에 배치된 음극(16)을 포함한다.
도 1의 발광 다이오드는 계단형 요철 구조의 반사층(19)과 절연층(12)으로 이루어진 요철부(17)를 가지는데, 이 요철부(17)는, 양극(11)과 음극(16)에 전압이 인가될 때, 활성층(14)으로부터 나오는 빛을 반사시켜 광 효율을 높인다. 즉, 임계각 이하로 나오는 빛 또한 반사시켜 전체적인 광효율을 높인다.
상기 실시예에서 도시된 반사층(19)은 3개 이지만, 이에 한정되지 않고, 원하는 소자의 특성과 생산 비용을 고려하여 그 수가 증가되거나 감소될 수도 있다.
다음으로, 도 1의 구조를 갖는 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 화합물 반도체 기판, 예를 들어, GaAs 또는 InP 기 판(15a)이 준비된다. 준비된 반도체 기판(15a)의 제1 면, 즉 상부면에 활성층(22)과 p-형 반도체 층(24)이 형성된다. 그런 다음, p-형 반도체 층(24) 상의 소정 부분에 양극(11)이 형성된다. 양극(11)과 p-형 반도체 층(24) 위에 마스킹 물질(26)을 형성하고, 반도체 리소그라피 공정과 건식 에칭 공정으로 양극(11)과 그 주변에 계단형의 마스킹 패턴(26)을 형성한다.
여기서 마스킹 물질(26)은 실리콘 질화막(SiNX), 실리콘 산화막(SiO2) 또는 그 둘의 혼합막을 사용할 수 있다.
다음으로 도 3을 참조하면, 도 2와 같이 처리된 결과적인 반도체 기판은 염소(Cl2) 가스나 브롬화수소(HBr) 가스 혹은 이들이 포함된 혼합 가스를 사용한 건식 에칭 공정으로 식각된다. 상기 에칭 공정은 마스킹 패턴(26)이 소정 두께만큼 남을 때까지 진행된다. 건식 식각에 의하여 노출되는 층들, 즉, 마스킹 패턴(26), p-형 반도체 층(24), 활성층(22) 및 그 하부의 반도체 기판(15a)이 식각되어 도 3에 도시된 것처럼 계단형 구조로 형성된다.
건식 에칭을 위한 장비로는 반도체 공정으로 일반적으로 쓰이는 RIE (Reactive Ion Etching), RIBE(Reactive Ion Beam Etching) 또는 ICP(Inductive Coupled Plasma)-RIE 등의 플라즈마 에칭 장비가 모두 이용될 수 있다. 염소가스나 브롬화수소 가스를 이용해서 건식 에칭을 하면 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막에 비해 GaAs나 InP가 10배 이상의 빠른 속도로 에칭이 될 수 있으므로, 반도체 기판에 형성되는 계단 모양은 도 2에 도시된 구조에서 깊이 방향으로 확대된 모양이 된 다. 이를 감안하여 건식 에칭 단계의 계단 구조의 깊이를 정하면 된다.
다음으로 도 4를 참조하면, 건식 에칭 단계(도 3)까지 형성된 구조를 습식 에칭을 하여 드러난 반도체 표면을 부드럽게 한 다층 구조의 반사기를 형성한 형태이다. GaAs나 InP에 대해 이러한 특성을 가진 습식 에칭 용액은 HBr+H3PO4+K2Cr2O7의 혼합용액, HBr+H2O2+H2O의 혼합용액, 또는 Br2+메탄올의 혼합 용액 등이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 발광 다이오드 및 그 제조방법은 기존의 구조에 비해 보다 효율적이므로 저전력 및 고휘도 광원으로 만들 수 있다. 아울러 기존의 반도체 공정을 이용한 복잡성이 덜한 기술이다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 제1 표면에 대칭구조로 경사진 요철부를 갖는 화합물 반도체 기판;
    상기 대칭 구조의 요철부 사이이자 상기 반도체 기판의 상부에 위치한 활성층;
    상기 대칭구조의 요철부 사이이자 상기 활성층 위에 배치된 p-형 반도체 층;
    상기 대칭구조의 요철부 사이이자 상기 p-형 반도체 층 위에 배치된 양극;
    상기 양극의 상부면을 제외한 상기 반도체 기판의 상기 요철부를 포함하는 상기 제1 표면의 프로파일을 따라서 적층된 절연층;
    상기 양극의 상부와 상기 양극에 인접한 상기 절연층의 경사면 상에 배치된 반사층; 및
    상기 반도체 기판의 상기 제1 표면과 반대로 대향하는 제2 표면의 가장자리에 배치된 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반사층은 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 절연층의 경사면 전체가 아닌 일부분에 형성하거나 또는 상기 반사층을 형성하지 않는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드.
  4. 화합물 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 화합물 반도체 기판의 표면 상에 활성층과 p-형 반도체 층을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 p-형 반도체 층 상의 소정 부분에 양극을 형성하는 단계;
    상기 양극을 덮는 계단식 구조의 제1 마스킹 패턴과 상기 제1 마스킹 패턴과 이격되어 상기 p-형 반도체 층을 부분적으로 덮는 제2 마스킹 패턴을 포함하는 마스킹 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스킹 패턴, 상기 활성층, 상기 p-형 반도체 층 및 상기 반도체 기판을 상기 마스킹 패턴이 소정 두께로 감소되도록 건식 식각하는 단계; 및
    상기 결과적인 구조물을 습식식각하여 양극 주위에 위치한 계단형의 구조를 부드러운 다층의 볼록 및 오목한 반사기로 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드의 제조방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 마스킹 패턴은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 또는 그 둘의 혼합막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드의 제조방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 건식 식각은 염소(Cl2)가스나 브롬화수소(HBr) 가스 혹은 이들이 포함된 혼합 가스를 사용한 RIE, RIBE 또는 ICP 등의 플라즈마 에칭 장비를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드의 제조방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 습식 식각은 HBr+H3PO4+K2Cr2O7의 혼합용액, HBr+H2O2+H2O의 혼합용액, 그리고 Br2+메탄올의 혼합 용액으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드의 제조방법.
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