KR100812648B1 - 경사식각된 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드와 그 제조방법에 관한 것으로서, 발광층에서 생성된 광자의 내부 전반사율을 낮추는 소정의 형상으로 성형된 칩을 포함하고, 상기 성형된 칩에서 탈출한 광자를 윗 방향으로 재반사하도록 상기 성형된 칩의 표면에 반사용 금속을 증착하는 것을 포함한다. 이를 위하여 기판 위의 에피택셜층을 식각할 때 칩을 일정한 각도로 기울인 상태에서 식각하여 기울어진 경사면이 포함된 칩 형상으로 구성한다.

본 발명에 따르면, 변형된 칩의 형상으로 인해 광자의 내부 전반사율을 낮춤으로써 광추출효율을 향상시키고 발광다이오드의 고효율을 얻을 수 있다.

발광다이오드, 발광층, 광자, 전반사, 칩, 에피택셜층

Description

경사식각된 발광다이오드 및 그 제조방법{LIGHT-EMITTING DIODE SHAPED BY DECLINE ETCHING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광다이오드에서 방출된 광자의 반사모습을 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 식각법과 그에 따른 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 기울어진 식각법과 그에 따른 구조를 나타내는 단면도 및 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드에서 방출된 광자의 반사모습을 나타낸 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드에서 방출된 광자의 반사 및 재반사의 모습을 나타낸 단면도 및 평면도이다.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

10,20 : 기판 11,21 : 에피택셜층

12,22 : 감광제(Photo-Resist) 23 : 금속전극층

24 : 반사용 금속

본 발명은 발광다이오드와 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조적으로 발광다이오드의 발광층에서 생성된 광자의 내부 전반사율을 낮추고, 발광다이오드에서 바람직하지 못한 방향으로 방출된 광자를 다시 재반사하여 원하는 방향으로 방출되도록 유도함으로써 광추출효율을 향상시키는 고효율의 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드는 광을 발산할 수 있는 활성층이 p형과 n형의 반도체 박막층 사이에 위치한 다이오드이다.

발광다이오드는 근거리 통신용 모듈에서 각종 옥외 전광판과 같은 대형 디스플레이 장치에 이르기까지 널리 쓰인다.

이러한 발광다이오드의 효율성을 높이기 위해서는 발광다이오드의 활성층에서 방출되는 광자를 효과적으로 추출하고, 추출된 광자를 원하는 방향으로 투과시키거나 반사하여 이용할 수 있도록 하는 것이 필요하다.

이를 위하여 종래부터 발광다이오드의 반도체층과 성막되는 계층간의 격자부정합에 기인하는 고밀도의 결함농도를 감소시킬 수 있는 버퍼층이나 중간층에 대한 연구와 이들 층간 배열 및 구조에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다.

또한, 발광다이오드의 반도체 칩의 형상의 면에서도 광자의 고추출효율을 높 이기 위한 연구가 이루어져 왔다.

반도체 칩의 형상은 일반적으로 반도체층의 식각단계에서 이루어지는데, 반도체 공정 중 금속막 식각을 위한 종래기술은 소재 웨이퍼 위에 금속막을 증착하고 감광물질을 도포한 후 노광,현상하여 회로패턴을 형성하며 바로 금속막을 식각하게 되므로 단면도로 살펴볼 때 웨이퍼에 대하여 거의 직립상태로 식각된다.

이러한 경우 반도체 칩은 정육면체 또는 직육면체의 형상으로 제조되는데 내부 발광층에서 발생된 광자는 밖으로 빠져나올 때 칩과 외부 매질과의 계면에서 굴절율 차에 의한 반사와 투과현상이 일어나게 된다. 도 1에서 알 수 있듯이, 광자가 임계각 이상의 반사각을 가질 때 칩과 외부 매질과의 계면에서 투과는 일어나지 않고 모두 반사되는 전반사 현상이 일어난다. 이때 칩의 모양이 정육면체 또는 직육면체의 형상이면 표면에서 전반사된 광자는 옆면에서도 전반사가 일어날 확률이 커지며 칩 내부에서 무한 반사가 일어날 수 있다. 결국 그러한 경우 발생된 광자는 칩 내부에서 결함에 갇히거나 충돌하면서 열로 소멸될 확률이 커지게 되므로 광추출효율이 매우 낮아지게 된다.

상기의 문제점을 극복하기 위한 방법 중 하나로 칩의 형상을 변형시키는 종래기술이 연구되어 왔으며, 습식식각법으로 칩의 형상을 변형시키는 방법이 있다.

도 2는 상기 종래 기술의 일 실시예에 따른 칩의 형상이 변형된 발광다이오드의 구조와 그 식각방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 일반적으로 습식식각이 가능한 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs) 등 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 기판(10) 위에 에피택셜층(11)으로 성장시키고 감광 제(13)로 패터닝한 반도체는 식각공정에서 식각방향에 따라 식각된다(a).

상기 습식식각으로 인해 특정면에서 식각속도가 다른 비등방성(anisotropic) 식각이 일어남을 알 수 있고(b), 칩의 형상은 기판의 윗면 방향과 식각된 에피택셜층의 외부면의 방향이 각각 (100)과 (111)인 경사면을 포함하게 된다.

결국 완성된 칩 모양은 (c)와 같고 절두형 피라미드 구조를 가지게 된다.

그러나, 상기 종래기술에 의해서도 발생된 광자를 효과적으로 추출하는데에 한계가 있으며, 구조적으로 칩의 옆면에서 이루어지는 광자의 전반사를 방지하기에는 역부족이어서 이로 인하여 광추출이 크게 개선되지 아니하는 문제가 있으며, 발광다이오드의 제조방법에 있어서 식각공정에 의하여 칩의 경사면을 형성하기에 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발광다이오드의 활성층에서 생성된 광자의 내부 전반사율을 낮추고 칩에서 방출된 광자의 재반사를 통하여 광추출효율을 증가시킬 수 있도록 하는 발광다이오드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 광의 발광효율을 증가시킬 수 있도록 하는 기울어진 칩의 상태로 식각공정을 수행하는 발광다이오드의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 경사식각된 발광다이오드는 발광층에서 생성된 광자의 내부 전반사율을 낮추는 소정의 형상으로 성형된 칩을 포함한다.

본 발명에서 상기 소정의 칩 형상은 기울어진 경사면을 포함하고, 상기 기울어진 경사면을 포함하는 칩 형상은 상기 칩이 기울어진 상태에서 건식식각법을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 기울어진 경사면의 각도는 0°내지 90°인 것을 포함한다.

본 발명에서 바람직하게는 상기 건식식각법이 반응 이온 식각법(Reactive Ion Etching, RIE), 축전 결합형 플라즈마 식각법(Capacitively Coupled Plasma, CCP), 유도 결합형 플라즈마 식각법(Inductively Coupled Plasma, ICP), 전자 공명 플라즈마 식각법(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 중에서 선택된 어느 하나의 방법인 것을 포함한다.

본 발명에서 상기 소정의 칩 형상은 상기 칩이 기울어진 상태에서 스텝 회전 또는 연속 회전하면서 건식식각법을 수행하여 이루어지는 다각기둥 또는 원기둥의 형상을 포함한다.

본 발명에서 상기 소정의 형상은 상기 성형된 칩에서 탈출한 광자를 윗 방향으로 재반사하도록 상기 성형된 칩의 표면에 반사용 금속을 증착하는 것을 더 포함한다.

본 발명에서 상기 반사용 금속은 가시광선, 적외선, 자외선 파장 영역에서 반사율이 높은 금속인 것을 포함하고, 바람직하게는 상기 반사용 금속은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 포함한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 경사식각된 발광다이오드의 제조방법은 기판 위에 에피택시 박막을 성장시키는 단계와 상기 에피택시 증착층 위에 감광액(Photo-Resist, PR)을 도포하고 패턴대로 노광 및 현상하는 단계와 상기 칩을 0°내지 90°의 각도로 기울인 상태에서 스텝 회전 또는 연속 회전하면서 건식식각법을 수행하여 기울어진 경사면을 포함하는 소정의 형상으로 식각하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 식각하는 단계 이후에 상기 성형된 칩의 표면에 반사용 금속을 증착하는 단계를 더 포함하되, 상기 반사용 금속은 가시광선, 적외선, 자외선 파장 영역에서 반사율이 높은 금속인 것을 포함한다.

본 발명에서 바람직하게는 상기 반사용 금속이 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 포함한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사식각된 발광다이오드의 식각법과 그 에 따른 구조를 나타내는 단면도(a) 및 평면도(b)이다.

상기 실시예에서, 발광다이오드의 발광층에서 발생되는 광자를 칩과 공기의 계면에서 전반사되는 확률을 낮추도록 하는 소정의 칩 형상은 주로 옆면이 기울어진 경사면을 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 칩의 형상을 변형하기 위하여 기판(20) 위에 활성층을 포함하는 에피택셜층(21)을 성막하고 그 위에 감광제(22)로 회로를 패턴화하여 발광다이오드를 제조함에 있어서 식각공정을 할 때 전체적인 반도체 소자를 기울여서 식각하도록 한다.

식각방법은 주로 플라즈마에 의한 건식식각법을 사용하므로 소스 가스가 이온화 및 분해되어 형성되는 라디칼 또는 이온 입자들이 반도체 칩의 윗면으로부터 수직충돌을 하여 비등방성 식각 처리하게 된다. 이때 도 3에서 보듯이, 반도체 칩 자체를 기울어지게 하여 상기의 식각방법에 의해 처리하면 도 3의 (a)와 같은 에피택셜층의 옆면이 경사진 형태로 만들 수 있다.

또한, 상기 기울어진 건식 식각법에 의하면 칩의 회전방법을 달리함으로써 발광다이오드의 칩의 옆면 형상 이외에도 반도체 칩의 윗면에서 내려다 본 평면도 상에서 다양한 형상으로 제조할 수 있게 된다. 즉, 도 3의 (b)에서 알 수 있듯이, 반도체 칩을 전체적으로 균일하게 회전하면 칩의 윗면이 원형인 형상으로 제조할 수 있고, 일정 각도만큼 단계적으로 회전하면 칩의 윗면이 다각형인 형상으로 제조할 수 있다. 90도 각도로 4단계의 회전시 칩의 윗부분이 사각형의 형상으로 제조가 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 단면도로서, 발광층에서 방출된 광자의 반사모습을 나타낸 것이다.

상기 실시예에서는 기판 위에 성막된 에피택셜층(21)이 p형 갈륨인(GaP)과 n형 갈륨인(GaP)으로 구성되고 그 사이에 알루미늄인듐갈륨인(AlGaInP)을 활성층으로 하여 이루어진 것이며 윗면과 아랫면에 금속전극층(23)을 포함하는 발광다이오드 칩 구조를 보인다.

상기 실시예에서 알루미늄인듐갈륨인 활성층에서 발생된 광자들은 내부적으로 결정격자에 의해 굴절되다가 칩의 전면부로 투과되기도 하고 임계각 이상의 각도로 입사되어 칩과 공기의 계면에서 전반사되어 칩의 옆면으로 부분투과되기도 한다.

상기 실시예에 따른 경사식각된 발광다이오드는 옆면의 경사진 구조적 측면과 이를 통하여 한번 전반사된 광자가 부분투과되기 때문에 종래의 발광다이오드 칩에 비하여 전반사되는 확률이 낮아짐을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사식각된 발광다이오드에서 방출된 광자의 반사 및 재반사의 모습을 나타낸 단면도(a) 및 평면도(b)이다.

상기의 실시예에서, 기울어진 상태에서 건식식각법에 의해 옆면을 경사지도록 성형된 칩은 기판(20) 위에 에피택셜층(21)과 금속전극층(23)을 증착되어 있다. 또한, 기판(20)과 에피택셜층(21) 사이에 형성되어 기판(20)쪽으로 방출된 광 부분 에 대한 기판의 흡수를 감소시켜 보다 방향적이고 개선된 광 방출 특성을 이루는 고반사 다층 분포 브래그반사기(DBR)미러층이 포함되어 있다. 고반사 다층 분포 브래그 반사기(DBR)미러층은 통상적으로 반도체 레이저나 발광다이오드에서 특정 파장의 광을 반사시키기 위해서 굴절율이 서로 다른 두 층을 교대로 성장한 것을 말한다.

상기 실시예에서는, 활성층 내부에서 방출된 광자가 전반사되어 옆면으로 일부 투과되어 유실될 광자를 다시 반사하여 활용할 수 있게 하는 반사용 금속(24)이 성형된 칩의 윗면에 증착되어 있다.

도 5의 (a)는 상기 실시예에 의하여 기판(20)과 그 위로 고반사 다층 분포 브래그 반사기(DBR) 미러층, 에피택설층(21) 및 금속전극층(23)이 증착되고 성형된 칩의 윗면 기판에 반사용 금속이 배치된 발광다이오드 구조를 나타내고 광자의 반사형태를 나타내는 단면도이다.

상기 실시예에 의한 발광다이오드를 절단하여 위에서 내려다 본 평면도는 도 5의 (b)와 같다. 즉, 90도 각도로 스텝 회전하여 사각형으로 성형된 칩의 중앙에는 금속전극층(23)이 배치된 것이고 성형된 칩의 둘레에는 칩에서 방출된 광자를 재반사하는 반사용 금속(24)이 구성됨을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 기울어진 식각법은 플라즈마 식각법인 건식식각법인 바, 플라즈마의 형성방식에 따라 반응 이온 식각법(Reactive Ion Etching, RIE), 축전 결합형 플라즈마 식각법(Capacitively Coupled Plasma, CCP), 유도 결합형 플라즈마 식각법(Inductively Coupled Plasma, ICP), 전자 공명 플라즈마 식각법(Electron Cyclotron Resonance, ECR)으로 구분된다. 상기 방법에 의해 발광다이오드의 칩을 형성하되 바람직하게는 반응 이온 식각법(Reactive Ion Etching, RIE)과 유도 결합형 플라즈마 식각법(Inductively Coupled Plasma, ICP)을 이용한다.

상기 식각방법은 공통적으로 소스 가스가 분해되거나 이온화되어 발생하는 라디칼이나 이온입자들을 충돌시켜서 비등방성으로 기판 및 기판상의 물질들을 식각하는 것이다.

상기 식각되는 경사각은 0°초과 90°미만의 범위로 하는 것이 바람직하다.

상기 실시예에서 본 발명에 따른 경사식각된 발광다이오드의 상기 성형된 칩에서 탈출한 광자를 윗 방향으로 재반사하도록 하는 상기 반사용 금속은 가시광선, 적외선, 자외선 파장 영역에서 반사율이 높은 금속인 것이 바람직하다.

발광다이오드의 특성에 따라 원하는 파장영역에서 광자를 발생하고 그러한 파장영역에서 가장 반사율이 높은 금속을 선택할 수 있다.

일반적으로 광 반사율이 높은 금속은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 칩 형상의 경사진 변형을 통하여 발광층에서 방출된 광자의 칩 내부에서의 전반사율을 낮추고 옆면으로의 부분 투과율을 높여 전체적으로 광추출효율을 증가하는 효과가 있다.

또한, 투과방향이 불규칙하여 유실될 수 있는 광자를 반사용 금속을 사용하여 바람직한 방향으로 광자가 방출될 수 있도록 재반사함으로써 광추출효율을 증가하는 효과가 있다.

결과적으로 본 발명을 이용하여 생산되는 발광다이오드는 광추출효율이 증가되어 그 효율성과 품질의 면에서 향상된 고부가가치의 신뢰성 있는 제품을 제공하는 효과를 가지게 되는 것이다.

Claims (13)

1. 칩이 기울어진 상태에서 건식식각법을 수행하여 형성된 기울어진 경사면을 가지고 발광층에서 생성된 광자의 내부 전반사율을 낮추는 기울어진 경사면을 포함하는 칩과, 상기 경사면으로 성형된 칩에서 탈출한 광자를 윗 방향으로 재반사하도록 칩의 표면에 증착된 반사용 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 기울어진 경사면의 각도는 0°초과 90°미만인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 기울어진 경사면을 포함하는 칩 형상은 상기 칩이 기울어진 상태에서 스텝 회전 또는 연속 회전하면서 건식식각법을 수행하여 이루어지는 다각기둥 또는 원기둥의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서, 상기 반사용 금속은 가시광선, 적외선, 자외선 파장 영역에서 반사율이 높은 금속인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드.
9. 제 1항에 있어서, 상기 반사용 금속은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드.
10. 기판 위에 에피택시 박막을 성장시키는 단계;

    상기 에피택시 증착층 위에 감광액(Photo-Resist, PR)을 도포하고 패턴대로 노광 및 현상하는 단계; 및

    상기 칩을 0°초과 90°미만의 각도로 기울인 상태에서 스텝 회전 또는 연속 회전하면서 건식식각법을 수행하여 기울어진 경사면을 포함하도록 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 식각하는 단계 이후에 상기 성형된 칩의 표면에 반사용 금속을 증착하는 단계를 더 포함하되, 상기 반사용 금속은 가시광선, 적외선, 자외선 파장 영역에서 반사율이 높은 금속인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 반사용 금속은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드의 제조방법.
13. 제 10항에 있어서, 상기 건식식각법은 반응 이온 식각법(Reactive Ion Etching, RIE), 축전 결합형 플라즈마 식각법(Capacitively Coupled Plasma, CCP), 유도 결합형 플라즈마 식각법(Inductively Coupled Plasma, ICP), 전자 공명 플라즈마 식각법(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 중에서 선택된 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 경사식각된 발광다이오드의 제조방법.

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