KR100862505B1 - 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

광추출효율이 높은 LED소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 LED소자는 활성층을 포함하는 반도체 다층막;과 상기 반도체 다층막 위에 적층되는 투명전극층;을 포함하며, 상기 투명전극층의 내부에는 상기 활성층에서 생성된 광을 굴절시켜 광추출효율을 높이는 것으로서 상기 투명전극층의 굴절률과 다른 굴절률을 가진 물질로 이루어진 굴절영역부가 형성되어 있는 것을 것을 특징으로 한다. 또한, 개시된 LED 소자의 제조방법은, 기판위에 활성층을 가지는 반도체 다층막을 결정성장시키는 단계;와, 반도체 다층막 위에 제1투명전극층을 증착하는 단계;와, 제1투명전극층 위에 패터닝공정 및 식각공정에 의해 그루브를 형성하는 단계; 및 그루브가 형성된 제1투명전극층 위에 그루브에 대해 기울어진 각도로 제2투명전극층을 증착하여, 그루브가 제2투명전극층으로 채워지지 않아 제1투명전극층과 제2투명전극층 사이에 에어 캐비티가 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드 소자 및 그 제조방법{Light emitting diode and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 LED 소자를 보인 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 LED 소자에서 광이 방출되는 경로를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 보인 개략적인 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자에서, 굴절영역부의 굴절률이 투명전극층의 굴절률보다 작은 경우에 대해 광이 방출되는 경로를 보인 도면이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자에서, 굴절영역부의 굴절률이 투명전극층의 굴절률보다 큰 경우에 대해 광이 방출되는 경로를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명과의 비교예로서의 LED 소자의 구조를 보인 도면이다.
도 6은 비교예의 LED 소자에서 광이 방출되는 경로를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 LED소자의 광추출효율과 비교예의 LED소자의 광추출효율을 비교하여 보인 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 의한 LED소자의 제조방법을 보인 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 실시예에 의한 LED소자의 제조방법을 보인 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100,200,300... 사파이어 기판 113,213,313... N형반도체층
116,216,316... 활성층 119,219,319... P형반도체층
122...투명전극층 222,322...제1투명전극층
228,328...제2투명전극층 125,225,325...굴절영역부
122a...경계면 126...굴절영역
본 발명은 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광 추출 효율이 높도록 투명전극의 구조를 개선한 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode, 이하 LED) 소자는 GaAs, AlGaN, AlGaAs등의 화합물 반도체를 이용하여 발광원을 구성함으로써 다양한 색의 빛을 발생시키는 반도체 발광소자이다. 최근, 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물을 이용하여 구현된 고효율의 3원색(적,청,녹) 및 백색 발광다이오드가 등장하면서 발광 다이오드의 응용범위가 넓어지고 있다. 특히 LED 소자는 반도체 레이저에 비해 제조 및 제어가 용이하며 또 형광등에 비해 장수명이므로, 형광등을 대신하여 차세대 디스플레이 장치의 조명용 광원으로서 부각되고 있다.
이러한 LED 소자의 특성을 결정하는 기준으로는 색, 휘도, 빛의 세기 등이 있으며 이는 1차적으로 LED 소자에 사용되는 화합물 반도체 재료에 의해 결정된다. 또한, LED소자의 활성층에서 생성된 광이 효과적으로 외부로 추출될 수 있어야 하는데 이는 투명전극이나 LED 소자 패키지의 구조 및 재질에 의해 결정된다.
도 1은 종래의 LED 소자의 구조를 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, LED 소자는 사파이어기판(11) 위에 N형반도체층(13), 활성층(15), P형반도체층(17) 및 투명전극층(19)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다.
N형반도체층(13)과 P형반도체층(17)사이에 전압을 인가하면, P형 반도체층(17)의 정공과 N형반도체층(13)의 전자가 활성층(15)에서 결합하여 발광이 이루어진다. 이 광은 투명전극(19)을 통하여 LED 소자 밖으로 방출된다.
그러나 이와 같은 구조는 광 추출 효율(light extraction efficiency)이 낮다는 문제가 있다. 광 추출 효율이란, 활성층에서 발생한 광이 외부로 방출되는 비율을 의미하며, 광 추출 효율이 낮은 원인은 반도체층의 굴절률과 외부의 굴절률 차이에 의한 것이다.
도 2는 도 1의 LED 소자의 구조에서 광이 외부로 방출되는 경로를 나타낸 도면이다. 활성층에서 생성된 광이 외부로 방출될 때 투명전극(19)과 외부와의 경계면(19a)에서 굴절이 일어나게 된다. 이 때 굴절률이 큰 재질에서 낮은 재질로 광이 진행하는 경우이므로, 상기 경계면에의 입사각이 임계각보다 큰 경우 전반사가 일어나게 된다. 임계각(θc)은 수학식 1과 같다.
θc = sin-1(n2/n1)
예컨대, 투명전극(19)의 재질로 ITO가 사용된 경우로 굴절률이 2이고, 외부의 재질이 공기층으로 굴절률이 1일 때 임계각은 30°가 된다. 즉, 입사각이 30° 보다 작은 광 만이 외부로 방출되며, 이보다 같거나 큰 경우 전반사에 의해 광이 외부로 방출되지 않으므로 광 추출효율이 낮아진다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 높은 광 추출효율을 가지는 구조의 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 소자는, 활성층을 구비하는 반도체 다층막;과 상기 반도체 다층막 위에 형성되는 투명전극층;과 상기 투명전극층의 내부에 임베드 된 것으로, 상기 투명전극층의 굴절률과 다른 굴절률을 가진 물질로 이루어진 굴절영역부;를 포함하는 것을 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 소자의 제조방법은, 기판 위에 활성층을 가지는 반도체 다층막을 결정성장시키는 단계;와 상기 반도체 다층막 위에 상기 투명전극층을 구성하는 제1투명전극층을 증착하는 단계;와 상기 제1투명전극층 위에 상기 제1투명전극층과 굴절률이 다른 물질을 증착하여 굴절층을 형성하는 단계;와 상기 굴절층을 패터닝 및 식각하여, 상기 굴절영역부를 형성하는 단계; 및 상기 굴절영역부와 상기 제1투명전극층 위로 상기 투명전극층을 구성하는 제2투명전극층을 증착하여 상기 굴절영역부를 임베드 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 소자의 다른 제조방법은, 기판 위에 활성층을 가지는 반도체 다층막을 결정성장시키는 단계;와 상기 반도체 다층막 위에 상기 투명전극층을 구성하는 제1투명전극층을 증착하는 단계;와 상기 제1투명전극층을 패터닝 및 식각하여 복수개의 그루브를 형성하는 단계;와상기 그루브가 형성된 상기 제1투명전극층 위에 상기 그루브에 대해 기울어진 각도로 상기 투명전극층을 구성하는 제2투명전극층을 증착하여, 상기 제1투명전극층과 상기 제2투명전극층 사이에 공기로 충진된 에어 캐비티로 이루어진 굴절영역부가 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3는 본 발명에 실시예에 의한 LED 소자의 구조를 보인 도면이다. 도면을 참조하면, LED 소자는 사파이어 기판(100)위에 반도체 다층막(110)과 투명전극층(122)이 적층된 구조로 되어 있다.
반도체 다층막은(110) N형반도체층(113), 활성층(116), P형반도체층(119)을 포함하고 있으며, 각 층의 재질로는 GaN과 같은 화합물 반도체가 사용될 수 있다.
투명전극층(122)의 내부에는 활성층(116)에서 생성된 광을 굴절시켜 외부로방출되는 광의 효율을 높이는 굴절영역부(125)가 형성되어 있다. 굴절영역부(125)은 투명전극층과 굴절률이 다른 물질로 이루어질 수 있고, 또는 공기로 충진된 에어 캐비티(air cavity)일 수도 있다.
투명전극층(122)의 재질로는 가시광영역의 광에 대해 광투과도가 높으면서 또한 전기전도도가 높은 재료가 사용된다. 예컨대, 인듐 틴 옥사이드 (ITO), 틴 옥사이드(SnO2), 징크 옥사이드(ZnO)와 같은 재질이 사용될 수 있다.
활성층(116)에서 생성된 광이 투명전극층(122)을 경유하여 외부로 방출될 때, 굴절영역부(125)는 활성층(116)에서 생성된 광을 굴절시켜 외부로의 광추출효율을 높이는 역할을 하므로, 굴절영역부(125)는 투명전극층(122)과 굴절률이 다른 물질로 이루어져야 한다. 또한, 이러한 효과를 높이기 위해 투명전극층(122)과의 굴절률 차이가 큰 것이 좋다.
굴절영역부(125)를 형성하는 물질로는 투명전극층(122)보다 굴절률이 작은 물질, 예를 들면, SiO2, 다공질 SiO2, KDP, NH4H2PO4, CaCO3 ,BaB2O4, NaF, Al2O3와 같은 재질이 사용될 수 있다. 또한, 투명전극층(122)보다 굴절률이 큰 물질, 예를 들면, SiC, LiNbO3, LiIO3, PbMoO4, Nb2O5, TiO2, ZrO2와 같은 재질이 사용될 수 있다.
굴절영역부(125)는 복수개의 굴절영역(126)으로 이루어지며, 일정한 배열주기 T를 가지고 규칙적으로 배열되어 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 비규칙적인 배열도 가능하다.
투명전극층(122)의 상부에는 캡핑층(capping layer)으로서 레진 층(128)이 더 구비될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 구조가 광추출효율을 높이게 되는 원리를 개략적으로 보이는 도면이다. 활성층(116)에서 생성된 광은 투명전극층(122)을 경유하여 외부로 방출되며, 이 때 외부와의 경계면(122a)에 입사하는 광 중에서 임계각(θc)보다 작은 입사각을 갖는 광은 전반사가 일어나지 않으므로 외부로 방출될 수 있게 된다. 또한, 입사각(θi1)이 임계각(θc)보다 큰 경우도 굴절영역부(125)를 경유하여 투명전극층(122)과 외부와의 경계면(122a)에 도달할 때, 후술하는 바와 같이 경계면(122a)에의 입사각 θi2는 θi1보다 작아지게 되므로, 전반사되지 않고 외부로 방출될 수 있는 확률이 높아지게 된다.
도 4a는 굴절영역부(125)을 경유하는 광의 경로를 굴절영역부(125)의 굴절률이 투명전극층(122)의 굴절률보다 작은 경우에 대해 도시한 것이다. 입사각이 θi1인 광의 경로를 살펴보면, 굴절영역(126)의 측면(126a)으로의 입사각은 90??-θi1이 된다. 상기 측면(126a)에서의 광의 굴절각을 90??-θ2라 하면, 굴절영역(126)의 굴절률이 투명전극층(122)의 굴절률보다 작은 경우이므로, 90??-θ2는 90??-θi1보다 큰 값이다. 즉, θ2는 θ1 보다 작은 값이다. 또한, 굴절영역(126)의 상면(126b)에의 입사각은 θ2이고, 굴절각은 이보다 작은 θi2가 된다.
이와 같이 임계각 보다 큰 각으로 입사한 광도 상기 경로를 거치는 동안 외부와의 경계면(122a)에서의 입사각(θi2)은 작아지게 된다. 이렇게 작아진 각이 임계각(θc)보다 작아질 경우 이러한 광은 외부로 방출될 수 있으므로, 전체적으로 외부로 방출되는 광이 많아지게 된다.
도 4b는 굴절영역부(125)을 경유하는 광의 경로를 굴절영역부(125)의 굴절률이 투명전극층(122)의 굴절률보다 큰 경우에 대해 도시한 것이다. 임계각(θc)보다 큰 입사각(θi1)을 갖는 광도 굴절영역(126)의 하면(126c) 및 측면(126d)을 경유하며 굴절되어 외부와의 경계면(122a)에서의 입사각(θi2)는 θi1 보다 작은 값이 된다. 따라서 θi2가 임계각(θc) 보다 작은 값이 될 확률이 높아지며, 그만큼 외부로 방출되는 광은 많아지게 된다.
도 5 본 발명과의 비교예로서 LED 소자의 구조를 보인 도면이다. 도면을 참조하면, LED 소자는 사파이어기판(51)위에 N형반도체층(53), 활성층(55), P형반도체층(57), 투명전극층(59) 및 레진 층(61)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다.투명전극층(59)의 상면에 요철 구조가 형성되어 있고, 상기 요철 구조는 주기 T를 가지고 반복 배열되어 있다.
도 6은 도 5의 LED 구조에서 광이 외부로 방출되는 경로를 나타낸 도면이다.도면을 참조하면, 입사각이 θi인 광이 요철이 형성된 측면 벽(59a) 쪽을 경유하여 외부로 방출되는 경우는 측면 벽(59a)과의 입사각은 90-θi가 된다. 입사각(θi)이 임계각(θc)보다 작은 경우 외에, 90°-θi가 임계각보다 작은 경우도 광이 외부로 방출될 수 있게 되므로 광추출효율이 개선되는 구조이다.
도 7은 본 발명에 따른 LED소자의 광추출효율과 상기 비교예로 제시한 구조의 광추출효율을 시뮬레이션한 결과를 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, x축은 T/λ의 값이며, 여기서 T는 굴절영역부(도 3의 125)가 배열된 주기(T) 또는 요철형상이 배열된 주기를 의미하고, λ는 활성층에서 생성되는 광의 파장을 의미한다. y축은 종래 구조(도 1)와 대비한 광추출효율의 증가율을 나타낸 것이다. 점선으로 표시한 것이 비교예(도 5)의 경우이고, 실선으로 표시한 것이 본 발명의 실시예(도 3)의 경우이다.
시뮬레이션은 T/λ의 값을 증가시키면서 행해졌으며, 투명전극층의 재질로서 ITO가 사용되었고, 굴절영역부는 air cavity인 경우로 하였다. 즉, 투명전극층의 굴절률은 2이고 굴절영역부의 굴절률은 1인 경우이다.
본 발명에 의한 LED소자의 경우 종래구조와 대비하여 볼 때 광추출효율이 최대 40%까지 개선되고 있으며, 비교예의 경우에 비해서도 개선률이 높음을 볼 수 있다. 또한, 비교예의 경우 투명전극(도5의 59)에 요철을 형성하기 위해 식각 공정을 수행할 때 식각에 의한 손상으로 투명도가 저하되거나 저항증가 등으로 전극 특성이 저하될 수 있다는 점에서 본 발명의 구조가 보다 개선된 것임을 알 수 있다.
광추출효율은 T/λ의 값이 커짐에 따라 증가하다가 일정 정도에서 포화되는 것을 볼 수 있다. T/λ의 값이 0에서 대략 1까지는 증가율이 매우 크며, 1을 기점 으로 증가율은 포화되는 것을 볼 수 있으며, T/λ의 값이 0.5 보다 클 때 종래 구조에 비해 대략 20%이상 개선되는 것을 볼 수 있다.
이러한 시뮬레이션 결과는 한정된 변수에 대해서만 시행된 것이고, 다른 변수에 대해 시뮬레이션을 수행함으로써 광추출효율이 보다 개선될 수 있는 구조를 결정할 수 있다. 에컨대, 굴절영역부(도3의 125)의 크기나 투명전극층(도3의 122)내에서의 구체적인 위치 등이 적절히 선택될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 의한 LED소자의 제조방법을 보인 도면이다.
먼저 사파이어 기판(200)위에 N형반도체층(213), 활성층(216), P형반도체층(219)을 결정성장시킨후, 제1투명전극층(222)을 증착한다.
다음으로, 제1투명전극층(222)과 굴절률이 다른 물질로 된 굴절층(224)을 제1투명전극층(222)위에 증착한 후, 패터닝 및 식각 공정으로 굴절영역부(225)를 형성한다.
굴절영역부(225)가 형성된 제1투명전극층(222)위로 제2투명전극층(228)을 증착하여 굴절영역부(225)가 제1투명전극층(222) 및 제2투명전극층(228)내에 임베드 되게 함으로써 LED소자가 완성된다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 실시예에 의한 LED소자의 제조방법을 보인 도면이다.
사파이어 기판(300)위에 N형반도체층(313), 활성층(316), P형반도체층(319)을 결정 성장시킨후, 제1투명전극층(322)을 증착한다. 다음으로, 증착된 제1투명전 극층(322)위에 패터닝 및 식각공정을 행하여 그루브(324)를 형성한다. 다음에, 전자 빔 증착기(e-beam evaporator)에 의해 제2투명전극층(328)을 증착한다. 화살표 A는, 전자 빔이 증착되는 방향을 나타낸 것이다. 그루브(324)에 대해 기울어진 각도로 전자 빔 증착을 행하는 경우, 그루브(324)내에는 전자 빔이 도달하지 않는 섀도우 영역(self-shadowing region)이 생기게 된다. 따라서 상기 그루브(324)가 채워지지 않고 제2투명전극층(328)으로 덮히게 되어 굴절영역부(325)가 에어 캐비티로 된 LED 소자가 제조되게 된다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 LED 소자는 투명전극층의 내부에 투명전극층과 굴절률이 다른 물질로 이루어진 굴절영역부가 형성되는 구조를 가지므로, 반도체 활성층에서 생성된 광이 투명전극층을 통해 외부로 방출될 때 굴절영역부에 의해 굴절됨으로써 광추출효율이 높아진다는 장점이 있다. 또한, 투명전극층에 요철을 형성하지 않는 구조의 실시예의 경우, 투명전극층이 식각에 의해 손상됨으로써 투명도가 저하되거나 저항이 증가될 수 있는 문제도 없다.
이러한 본원 발명인 LED 소자 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 활성층을 구비하는 반도체 다층막;과
    상기 반도체 다층막 위에 형성되는 투명전극층;과
    상기 투명전극층의 내부에 임베드된 것으로, 상기 투명전극층의 굴절률과 다른 굴절률을 가진 물질로 이루어진 굴절영역부;를 포함하며,
    상기 굴절영역부는 그 내부에 공기가 충진된 에어 캐비티로 이루어진 것을 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자
  7. 제6항에 있어서,
    상기 굴절영역부는, 상기 투명전극층 내에 일정한 주기로 배열된 복수개의 굴절영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 굴절영역의 배열 주기는 상기 활성층에서 생성되는 광의 파장의 0.5배 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  9. 기판 위에 활성층을 가지는 반도체 다층막을 결정성장시키는 단계;와
    상기 반도체 다층막 위에 상기 투명전극층을 구성하는 제1투명전극층을 증착하는 단계;와
    상기 제1투명전극층을 패터닝 및 식각하여 복수개의 그루브를 형성하는 단계;와
    상기 그루브가 형성된 상기 제1투명전극층 위에 상기 그루브에 대해 기울어진 각도로 상기 투명전극층을 구성하는 제2투명전극층을 증착하여, 상기 제1투명전극층과 상기 제2투명전극층 사이에 공기로 충진된 에어 캐비티로 이루어진 굴절영역부가 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 굴절영역부는, 상기 투명전극층 내에 일정한 주기로 배열된 복수개의 굴절영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 굴절영역의 배열 주기는 상기 활성층에서 생성되는 광의 파장의 0.5배 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  12. 삭제
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