이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 기판과, 기판위의 어느 한 영역에 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층이 적층되어 이루어진 발광셀과, 발광셀에 형성된 전극과, 발광셀로부터 이격되어 기판위의 다른 영역에 형성되며, 기판 또는 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층 중 적어도 하나의 층을 통해 발광셀로부터 발생된 광을 내부적으로 전달받아 외부로 방출하는 발광띠를 포함하는 발광띠를 구비한 발광 소자를 제공한다.
발광띠는 발광셀과 동일 기판상에 형성되어 기판 또는 기판위에 형성된 층을 통하여 발광셀로부터 발생된 광을 전달받을 수 있다.
발광띠는, 발광셀에서 동일한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
발광띠는 기판의 상부면에 대하여 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지는 것일 수 있다.
발광띠는 수직 단면이 삼각형 형상인 것일 수 있다.
발광셀은, 그 측벽들이 기판의 상부면에 대해 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판위에 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층을 차례대로 적층하는 제 1 단계와, 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층으로 적층된 어느 한 영역에 발광띠를 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 상부 반도체층위에 형성하는 제 2 단계와, 포토레지스트 패턴에 의해 하부 반도체의 일부 또는 기판을 노출시키는 제 3 단계와, 포토레지스트 패턴을 제거하는 제 4 단계를 포함하는 발광띠를 구비한 발광소자 제조 방법을 제공한다.
제 2 단계는, 발광셀 및 상기 발광띠가 형성될 영역을 한정하기 위한 포토레지트 패턴을 상기 상부 반도체층위에 형성하되, 상기 발광셀은 상기 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층으로 이루어져 상기 기판의 어느 한 영역에 형성되고, 상기 발광띠는 상기 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층으로 이루어져 상기 발광셀로부터 이격되어 상기 기판의 다른 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 3 단계는, 발광띠가 발광셀로부터 연장되어 형성되도록 포토레지스트 패턴에 의해 상부 반도체층, 활성층, 하부 반도체층을 식각하여 하부 반도체의 일부 또는 기판을 노출시킬 수 있다.
포토레지스트 패턴은 발광띠가 기판위에 발광셀을 둘러싸서 형성되도록 패터닝된 것일 수 있다.
포토레지스트 패턴은 발광띠가 식각에 의해 기판의 상부면에 대하여 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지도록 하기 위한 형상을 가지는 것일 수 있다.
포토레지스트 패턴은 발광띠가 식각에 의해 그 수직 단면이 삼각형 형상으로 되게 하기 위한 형상을 가지는 것일 수 있다.
포토레지스트 패턴은 발광셀의 측벽들이 기판의 상부면에 대해 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지게 하기 위한 형상을 가지는 것일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광띠를 구비한 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 중앙에 발광셀(56)이 위치하고 발광셀(56)의 둘레로 이격되어 발광띠(60)가 위치하고 있다. 여기서 띠(band)는 발광셀(56)을 띠모양으로 둘 러싸고 있는 형상에 의하여 명명한 것이다. 도면에서는 발광띠(60)가 폐곡선으로 표시되어 있지만, 폐곡선에 한정되지는 않으며 발광셀(56)를 둘러싸는 형상으로 위치하면 된다. 발광띠(60)에서는 발광효율을 높이기 위해서는 발광띠(60)는 폐곡선으로 형성됨이 바람직하다.
그러나, 전극 형성을 위해 발광띠(60)의 일부분이 개방된 형상으로 구현될 수 도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광띠를 구비한 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 단일 기판(51)위에 발광셀(56)이 위치하고, 발광셀(56)의 둘레에 발광띠(60)가 이격되어 위치한다. 기판(51)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다.
발광셀(56)은 하부 반도체층(55)과, 하부 반도체층(55)의 일영역위에 위치하는 상부 반도체층(59) 및 하부 반도체층(55)과 상부 반도체층(59) 사이에 개재된 활성층(57)을 포함한다. 여기서, 하부 반도체층(55) 및 상부 반도체층(59)은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.
발광띠(60)는 발광셀(56)의 각 층이 기판(51)위에 형성될 때 기판(51)위에 함께 형성됨에 따라 발광셀(56)과 동일한 적층구조를 가지고 있다.
발광띠(60)는 그 수직 단면 구조가 위로 올라갈수록 좁아지는 삼각형 형상을 가지고 있다. 발광띠(60)의 수직 단면 형상은 여러가지 형태를 가질 수 있으나 발광효율을 높이기 위해서는 상부 반도체층(50)을 밑변으로 하는 삼각형 수직 단면 형상이 가장 바람직하다.
하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 활성층(57)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(55) 및 상부 반도체층(59)은 활성층(57)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
하부 반도체층(55) 및/또는 상부 반도체층(59)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(57)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.
한편, 발광셀(56) 및 발광띠(60)와 기판(51) 사이에 버퍼층(53)이 개재될 수 있다. 버퍼층(53)은 기판(51)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(55)의 격자부정합을 완화시키기 위해 채택된다. 버퍼층(53)은, 도시한 바와 같이 연속적일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하부 반도체층(55) 아래에 한정되어 위치할 수 있다.
단일 기판위에 형성된 발광셀(56)과 발광띠(60)에 의한 발광 효율 개선의 원리를 설명하도록 한다.
발광셀(56)에 형성된 전극을 통해 전류가 공급되면 활성층(57)의 양자웰에서 발광이 이루어진다. 활성층(57)에서 생성된 광은 상부 반도체층(59)을 통하여 외부로 방출된다.
또한, 활성층(57)으로 부터 생성된 광중에서 하부 반도체층(55)쪽으로 방출되는 광은 발광띠(60)를 통하여 외부로 방출되어 진다.
이때, 발광띠(60)는 그 수직 단면이 삼각형 형상으로 되어 있음에 따라 활성층(57)으로부터 생성되어 하부 반도체층으로 유입된 광은 하부 반도체층(55)의 표면에서 전반사되다가 발광띠(60)의 표면에 이르게 되면 더 이상 전반사되지 않고 발광띠(60)의 표면에서 밖으로 방출된다.
이와 같이 삼각형 형상의 수직 단면을 가지고 있는 발광띠를 통해 하부 반도체층(55)에서 전반사되던 광을 외부로 방출시킬 수 있음에 따라 하부 반도체층(55)내에서 전반사에 의해 광손실을 감소시킬수 있어 광추출 효율이 개선된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광띠를 구비한 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광띠를 구비한 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판을 준비한다(S1).
기판(51)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 스피넬(spinel), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 산화아연(ZNO) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(51) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
기판(51)상에 하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)을 형성한다(S2). 하부 반도체층(55)을 형성하기 전에 기판(51)과 하부 반도체층(55)사이에 버퍼층(53)을 형성할 수 도 있다.
버퍼층(53)은 기판(51)과 그 위에 형성될 반도체층(55)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 기판(51)이 도전성 기판인 경우, 버퍼층(53)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.
하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 반도체층(55, 59) 및 활성층(57)은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술 등을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.
여기서, 하부 및 상부 반도체층은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예컨대 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 예컨대 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 상부 반도체층(59)상에 발광셀 영역과 발광띠 영역을 한정하는 메사 패터닝 작업을 위해 포토레지스트 패턴들(63, 64)을 형성한다(S3). 포토레지스트 패턴(63, 64)들은 발광셀 영역 및 발광띠 영역들을 덮도록 형성된다.
이때, 포토레지스트 패턴(63)은 발광셀의 측벽들이 기판의 상부면에 대해 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지게 하기 위한 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
이를 위해서는 직각의 측벽을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성한 다음 리플로우(reflow) 공정을 통해 포토레지스트 패턴(63)의 측벽을 기판 상부에 대하여 경사지도록 형성한다.
이렇게 하면, 경사진 측벽을 가지는 포토레지스트 패턴(63)이 발광셀에 전사되어 발광셀의 측벽이 기판 상부에 대하여 경사지게 형성된다. 발광셀의 측벽이 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지게 되면 그 경사면을 통해 광추출 효율을 좀더 높일 수 있다.
포토레지스트 패턴(64)은 발광띠가 기판의 상부면에 대하여 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아지도록 하기 위한 형상으로 형성된다.
이를 위해서는 직각의 측벽을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성한 다음 리플로우(reflow) 공정을 통해 포토레지스트 패턴(64)의 측벽이 기판 상부에 대하여 경사지게 형성한다. 이러한 공정을 통해 발광띠 영역을 한정하기 위한 포토레지스트 패턴(64)은 수직 단면이 삼각형 형상을 가지게 된다.
수직 단면이 삼각형 형상으로 측벽이 경사진 포토레지스트 패턴(64)을 이용하여 식각을 수행함에 따라 포토레지스트 패턴(64)의 경사진 형상이 발광띠 영역에 전사되어 발광띠는 그 측벽이 기판 상부에 대하여 경사지게 형성된다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 전극을 형성하기 위한 하부 반도체층(55)을 노출시키기 위한 메사 에칭을 통해 하부 반도체층(55)을 노출시킨다(S4).
즉, 포토레지스트 패턴들(63, 64)을 식각마스크로 사용하여 상부 반도체층(59), 활성층(57) 및 하부 반도체층(55)의 일부를 차례로 식각하여 하부 반도체 층(55)이 노출되게 한다(S4).
이에 따라, 포토레지스트 패턴들(63,64)의 형상이 반도체층들(59, 57, 55)에 전사되어 발광셀 영역과 발광띠 영역들이 분리된다. 이때, 노출된 하부 반도체층(55)은 과식각에 의해 부분적으로 식각될 수 있다.
그 후, 포토레지스트 패턴들(63,64)을 제거하면 단일 기판(51) 상에 서로 이격된 발광셀(56)과 발광띠(63)가 형성된다(S5).
발광셀(56)과 발광띠(63) 각각은 식각되어 서로 이격된 하부 반도체층(56), 하부 반도체층(56)의 상부에 위치하는 상부 반도체층(57) 및 하부 반도체층(55)과 상부 반도체층(57) 사이에 개재된 활성층(57)을 포함하고, 하부 반도체층(56)의 일부 영역은 노출된다.
이후, 발광셀(56)의 상부 반도체층(59) 상에 투명전극층(65)을 형성한다(S6). 투명전극층(65)은 인디움 틴 산화막(ITO) 또는 Ni/Au와 같은 투명금속으로 형성된다.
또한, 하부 반도체층(55)의 노출된 영역에 전극패드(67)를 형성한다(S7). 전극패드(67)는 하부 반도체층(55)에 오믹콘택된다.
투명전극층(65)은 포토레지스트 패턴들(63)을 형성하기 전, 상부 반도체층(59) 상에 형성될 수도 있다. 이때, 투명전극층(65)은 상부 반도체층과 함께 패터닝된다. 그 결과 도 3의 발광소자가 완성된다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 발광셀 둘레에 하나의 발광띠가 형성된 것을 보여주고 있지만, 발광띠의 개수가 여러개 형성될 수 도 있다.