KR101010790B1 - 반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법이 제공된다. 상기 발광다이오드는 기판, 상기 기판 상에 위치하며, 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층이 적층되어 배치된 다수개의 반사패턴들, 및 상기 반사패턴들 사이에 위치하는 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층, 상기 반사패턴층 상에 위치하는 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 위치하는 활성층 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2 클래드층을 포함한다. 또한, 상기 발광다이오드 제조방법은 기판 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층을 적층하여 반사구조체를 형성하는 단계, 상기 반사구조체를 패터닝하여 다수개의 반사패턴 및 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층을 형성하는 단계 및 상기 반사패턴층 상에 제1 클래드층, 활성층 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계를 포함한다.
반사패턴층, 발광다이오드, 브래그 반사,

Description

반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법{Light Emitting Diode Including Reflecting Pattern Layer and Method for Fabricating The Same}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light emitting diode; LED)는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드에 순방향 전류가 흐를 때 빛을 발하는 현상을 이용한 소자로서, 반도체조명, 디스플레이 등의 광원으로 주로 이용되고 있다.
이러한 발광다이오드는 전구와 같은 필라멘트가 요구되지 않으며, 진동에 강하고, 긴 수명을 가지고 있으며, 반응속도가 빠른 등의 우수한 특성을 나타낸다.
그러나, 발광다이오드로부터 방출되는 광은 광방출면으로만 진행되지 않고, 횡 방향 또는 상기 광방출면과 반대방향으로 진행되어, 낮은 외부 양자 효율을 나타내는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 손실되는 광을 감소시킬 수 있는 방도가 모색되어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 손실되는 광을 감소시켜, 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 반사패턴층을 구비하는 발광다이오드 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 기판, 상기 기판 상에 위치하며, 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층이 적층되어 배치된 다수개의 반사패턴들, 및 상기 반사패턴들 사이에 위치하는 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층, 상기 반사패턴층 상에 위치하는 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 위치하는 활성층 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2 클래드층을 포함한다.
상기 제1 반사층은 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층으로 구성될 수 있고, 상기 제2 반사층은 GaN 또는 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층으로 구성될 수 있다. 상기 반사층들은 각각 기준 발광파장에 대해 1/4n의 두께로 구비될 수 있으며, 여기서, 상기 n은 상기 반사층의 굴절율을 나타낸다. 또한, 상기 홀의 너비는 발광 파장의 반파장의 정수배가 되도록 구비될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 발광다이오드 제조방법을 제공한다. 상기 발광다이오드 제조방법은 기판 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층을 적층하여 반사구조체를 형성하는 단계, 상기 반사구조체를 패터닝하여 다수개의 반사패턴 및 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층을 형성하는 단계 및 상기 반사패턴층 상에 제1 클래드층, 활성층 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 발광다이오드 제조방법은 기판 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층을 적층하여 반사구조체를 형성하는 단계, 상기 반사구조체 상에 제1 클래드층, 활성층 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계 및 상기 제2 클래드층, 활성층, 제1 클래드층 및 반사구조체를 패터닝하여 다수개의 홀을 구비하는 반사패턴층을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드는 다수개의 반사패턴들 및 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층을 구비함으로써, 상기 반사패턴은 상기 발광 다이오드에 수직하는 광을 반사시킬 수 있고, 상기 반사패턴들 사이의 홀 내에서는 수평하는 광을 반사시킬 수 있으므로, 손실되는 광들을 감소시키고, 발광 다이오드의 외부양자 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(11)을 형성한다. 상기 기판(10)은 Al2O3, Si 또는 SiC 기판일 수 있으며, 바람직하게는 상기 기판(10)은 Al2O3 기판일 수 있다.
상기 버퍼층(11)은 상기 기판(10)과 에피층과의 격자상수 및 열팽창 계수 차이를 완화시키기 위한 층일 수 있다. 상기 버퍼층(11)은 InN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 층을 사용하여 형성할 수 있다. 그러나, 상기 버퍼층(11)은 생략될 수도 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 버퍼층(11) 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층(12a) 및 제2 반사층(12b)으로 구비된 페어를 적어도 2층 이상 적층하여 반사구조체(12)를 형성한다. 바람직하게는 상기 반사구조체(12)는 2층 내지 20층으로 구비할 수 있다. 상기 반사층들(12a, 12b)은 각각 기준 파장(l)의 1/4n 두께를 가질 수 있다. 이때 상기 n은 상기 반사층의 굴절율을 나타낸다. 상기 기준 발광 파장은 자외선, 가시광선 또는 적외선 파장일 수 있으나 바람직하게는 자외선 파장일 수 있다.
상기 제1 반사층(12a)은 상기 버퍼층(11)에 비해 상대적으로 높은 굴절율을 갖고, 제2 반사층(12b)은 상기 제1 반사층(12a)에 비해 상대적으로 낮은 굴절율을 갖는다. 이때, 상기 버퍼층(11)이 생략되는 경우, 상기 제1 반사층(12a)은 상기 기판(10)에 비해 상대적으로 높은 굴절율을 갖는다.
상기 반사층들(12a, 12b) 간의 굴절율 차가 큰 경우, 상기 반사층들(12a, 12b) 상에 입사되는 광은 흡수율에 비해 반사율이 우세할 수 있다. 따라서, 상기 반사층들(12a, 12b)은 서로의 굴절율 차가 큰 것을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 반사층들(12a, 12b)은 질화물계층일 수 있다. 구체적으로, 상기 질화물계층은 GaN, AlXGa(1-X)N(0<X<1)층 또는 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층일 수 있다. 여기서, 상기 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층은 상기 GaN에 비해 고굴절율을 가지며, 상기 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층은 상기 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층에 비해 고굴절율을 가진다. 따라서, 이를 바탕으로 상기 제1 반사층(12a)은 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층으로 구비되는 것이 바람직하고, 상기 제2 반사층(12b)은 GaN 또는 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층으로 구비되는 것이 바람직하다.
도 1c를 참조하면, 상기 반사구조체(12)를 패터닝하여 다수개의 반사패턴들(13a)과 다수개의 홀들(13b)을 구비하는 반사패턴층(13)을 형성한다. 이때, 상기 홀(13b)의 너비는 발광파장을 기준으로 반파장의 정수배(m/2)가 되도록 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 반사패턴들(13a) 사이의 간격은 반파장의 정수배가 될 수 있다. 이에 따라 상기 반사패턴들(13a)들은 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer)를 형성할 수 있다. 상기 m은 1 내지 5의 정수일 수 있다.
상기 반사패턴층(13)은 리소그라피법 또는 마스크를 이용한 식각법을 사용하여 형성할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 반사패턴층(13) 상에 제1 클래드층(14)을 형성할 수 있다. 상기 제1 클래드층(14)은 제1형 불순물 예를들어, n형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 상기 반도체층은 질화물계 반도체층일 수 있으며, 상기 질화물계 반도체층은 GaN 또는 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층일 수 있다. 상기 제1 클래드층(14)은 도펀트로서 Al을 더 첨가할 수 있다. 상기 제1 클래드층(14)은 상기 제2 반사층에 비해 굴절율이 높을 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 클래드층(14)은 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층일 수 있다.
상기 제1 클래드층(14)의 형성에 의해 하부에는 제1 클래드층(14)에 의해 폐쇄된 홀(13b)이 구비되고, 제1 클래드층(14)에 의해 소정의 적층구조가 달성되는 반사패턴(13a)이 구비된다. 본 발명과 관련된 당업자는 제1 클래드층(14)을 형성하는 물질이 홀(13b)을 매립하는 것으로 오해할 수 있겠으나, 홀(13b)의 간격은 반파장의 정수배(m/2)이므로, 실질적으로 Å단위의 간격을 가진다. 따라서, 하나 또는 수개 단위의 원자의 크기를 가지므로, 질화물을 기반으로한 반도체 화합물로 구성된 제1 클래드층(14)은 홀(13b)에 매립되지 않는다.
도 1e를 참조하면, 상기 제1 클래드층(14) 상에 활성층(15)을 형성할 수 있다. 상기 활성층(15)은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조(Multi Quantum Well Structure)를 가질 수 있다. 상기 활성층(15)이 다중양자우물 구조를 갖는 경우에, 상기 활성층(15)은 우물층으로서 InGaN과 장벽층인 AlGaN의 다중 구조를 가질 수 있다.
도 1f를 참조하면, 상기 활성층(15) 상에 제2 클래드층(16)을 형성할 수 있다. 상기 제2 클래드층(16)은 제2형 불순물 즉, p형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 상기 반도체층은 질화물계 반도체층일 수 있으며, 상기 질화물계 반도체층은 GaN 또는 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층층일 수 있다. 상기 제2 클래드층(16)은 도펀트로서 Mg를 더 첨가할 수 있다.
상기 반사구조체 (12), 반사패턴층(13), 제1 클래드층(14), 상기 활성층(15) 및 상기 제2 클래드층(16)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기술을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 제1 클래드층(14) 및 제2 클래드층(16) 상에 각각 전기적으로 접속하는 제1 전극(미도시) 및 제2 전극(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 전극들은 Al 및/또는 Au를 함유할 수 있다. 구체적으로 상기 전극들은 Ti/Al 또는 Ni/Au일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사패턴층의 역할을 설명하 기 위한 모식도들이다.
도 1f 및 도 2a를 참조하면, 상기 반사패턴들(13a) 상에 임계각 이상의 입사각(θ)으로 입사된 광은 제1 클래드층(14)과 상기 제1 클래드층(14)에 비해 저굴절율층인 제2 반사층과(도 1b의 12b)의 굴절율 차이에 의해 상기 입사각과 동일한 각(θ')을 갖는 전반사를 발생시킨다.
이와 마찬가지로, 상기 반사패턴층(13) 내의 제1 반사층(12a)과 상기 제2 반사층(12b) 사이에서도 굴절율 차이에 의해 계속적인 전반사가 발생될 수 있다. 그 결과, 상기 활성층(15)으로부터 기판(10)방향으로 수직하여 입사되는 광은 상기 반사패턴들(13a)에 의해 상기 광방출면에 도달될 수 있다.
도 1f 및 도 2b를 참조하면, 상기 수직하는 다수개의 반사패턴들(13a)이 구비된 상태에서, 상기 반사패턴들(13a)과 수평하는 광이 조사되면, 상기 광들은 패브리-페로 간섭계에 의해 상기 반사패턴들(13a) 사이에서 투과와 반사를 반복할 수 있다. 여기에서 상기 반사패턴들(13a) 사이를 반복하여 반사된 광들은 공명현상을 일으켜 상기 광방출면에 도달되며, 상기 반사패턴들(13a) 사이에서 투과된 광들은 서로 간섭하여 보강될 수 있다. 이에 따라 상기 광방출면에 도달된 광들의 세기가 증가되어 발광 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드는 다수개의 반사패턴들 및 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층을 구비함으로써, 상기 반사패턴은 상기 발광 다이오드에 수직하는 광을 반사시킬 수 있고, 상기 반사패턴들 사이의 홀 내에서는 수평하는 광을 반사시킬 수 있으므로, 손실되는 광들을 감소시키고, 발광 다이오드의 외부양자 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다. 후술하는 것을 제외하고는 도 1a 내지 도 1f를 참조하여 설명한 발광다이오드의 제조방법과 동일할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 기판(10) 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층(12a) 및 제2 반사층(12b)으로 구비된 페어를 적어도 2층 이상 적층하여 반사구조체(12)를 형성한다.
도 3b를 참조하면, 상기 반사구조체(12) 상에 차례로 제1 클래드층(14), 활성층(15) 및 제2 클래드층(16)을 형성한다.
도 3c를 참조하면, 상기 제2 클래드층(16), 활성층(15), 제1 클래드층(14) 및 반사구조체(12)를 차례로 패터닝하여, 다수개의 반사패턴들(13a)과 다수개의 홀들(13b)을 구비하는 반사패턴층(13)을 형성한다.
그 결과, 기판(10) 상에 반사구조체(12), 제1 클래드층(14), 활성층(15) 및 제2 클래드층(16)이 차례로 적층된 다수개의 반사패턴들(13a)이 배치되며, 상기 반사패턴들(13a) 사이에는 상기 기판(10)으로부터 상기 제2 클래드층(16)까지 형성된 다수개의 홀들(13b)이 구비될 수 있다.
상기 홀들을 상기 제2 클래드층(16)까지 형성하는 경우, 상기 활성층(15)으로부터 수평방향으로 진행되는 광들이 손실되지 않고, 홀(13b) 내부에서 반사되어, 광방출면에 도달될 수 있으므로, 외부양자효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 상기 반사구조체들 사이의 홀들을 기판으로부터 제2 클래드층까지 형성되도록 제조하였으나, 상기 홀들을 기판으로부터 상기 활성층까지 형성되도록 제조할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사패턴층의 역할을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하며, 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층이 적층되어 배치된 다수개의 반사패턴들, 및 상기 반사패턴들 사이에 위치하는 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층;
    상기 반사패턴층 상에 위치하는 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상에 위치하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 위치하는 제2 클래드층을 포함하는 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사층은 AlXGa(1-X)N(0<X<1)층으로 구성되고, 상기 제2 반사층은 GaN 또는 AlYGa(1-Y)N(0<Y<1, X<Y)층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사층들은 각각 기준 발광파장에 대해 1/4n의 두께로 구비되는 발광다이오드:
    상기 n은 상기 반사층의 굴절율을 나타낸다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홀의 너비는 발광 파장의 반파장의 정수배가 되도록 구비되는 발광다이오드.
  5. 기판 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층을 적층하여 반사구조체를 형성하는 단계;
    상기 반사구조체를 패터닝하여 다수개의 반사패턴 및 다수개의 홀들을 구비하는 반사패턴층을 형성하는 단계; 및
    상기 반사패턴층 상에 제1 클래드층, 활성층 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법.
  6. 기판 상에 굴절율이 서로 다른 제1 반사층 및 제2 반사층을 적층하여 반사구조체를 형성하는 단계;
    상기 반사구조체 상에 제1 클래드층, 활성층 및 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계; 및
    상기 제2 클래드층, 활성층, 제1 클래드층 및 반사구조체를 패터닝하여 다수개의 홀을 구비하는 반사패턴층을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법.
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