KR101106138B1 - 개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드가 개시된다. 이 발광다이오드는 기판과; 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체와; 복수의 오목부를 갖는 상부 요철면을 포함하며, 상기 제2 도전형 상부 반도체층 상에 위치하는 투명전극층과; 상기 오목부를 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다.

Description

개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드 및 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE WITH IMPROVED LUMINOUS EFFICIENCY AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 특히 개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN) 계열의 발광다이오드가 개발된 이래, GaN 계열의 LED는 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.
질화갈륨 계열의 발광다이오드는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 에피층들을 성장시키어 형성되며, N형 반도체층, P형 반도체층 및 이들 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 한편, 상기 N형 반도체층 상에 N-전극 패드가 형성되고, 상기 P형 반도체층 상에 P-전극 패드가 형성된다. 상기 발광다이오드는 상기 전극패드들을 통해 외부 전원에 전기적으로 연결되어 구동된다. 이때, 전류는 P-전극 패드에서 상기 반도체층들을 거쳐 N-전극 패드로 흐른다.
일반적으로 P형 반도체층은 높은 비저항을 가지므로, P형 반도체층 내에서 전류가 고르게 분산되지 못하고, 상기 P-전극 패드가 형성된 부분에 전류가 집중되며, 가장자리를 통해 전류가 집중적으로 흐르는 문제점이 발생된다. 전류 밀집(current crowing)은 발광영역의 감소로 이어지고, 결과적으로 발광효율을 떨어뜨린다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, P형 반도체층 상에 비저항이 낮은 투명전극층을 형성하여 전류분산을 도모하는 기술이 사용된다. 하지만, 투명전극층의 우수한 전기 전도성에도 불구하고, 전류가 전극 패드 주위에 밀집되는 현상이 발생하며, 투명전극층이 어느 정도의 빛의 반사나 굴절을 유도할 수 있으나, 투명전극층과 외부와의 굴절률 차이로 인하여 내부 전반사로 인한 광의 손실이 발생된다.
P-전극 패드로부터 유입된 전류가 투명전극층에서 분산되어 상기 P-형 반도체층으로 유입되기 때문에 발광다이오드의 발광영역을 넓힐 수 있다. 그러나, 투명전극층은 광을 흡수하기 때문에 그 두께가 제한되며, 따라서 전류분산에 한계가 있다. 특히, 고출력을 위해 사용되는 약 1㎟ 이상의 대면적 발광다이오드에서 투명전극층을 이용한 전류분산은 한계가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대면적 발광다이오드에서 전류 분산을 개선하기 위해 전극 연장부들이 채택되고 있다. 예컨대, 한국 특허공개공보 제10-2009-0060271호는 전류 분산을 위한 전극 연장부들을 갖는 발광다이오드를 개시한다. 종래기술에 따르면, 전류 분산을 위한 전극 연장부들을 포함하는 구조와 함께 발광다이오드의 상부면에 투명전극층을 포함한다. 투명전극층은 전극 연장부들과 함께 전류 분산을 돕는다.
그러나 종래 기술에 따르면, 상대적으로 넓은 면적을 점유하는 연장부 및 복수의 n-전극 패드들을 형성하기 위해, 상대적으로 넓은 면적의 활성층 및 상부 반도체층을 제거해야 한다. 따라서, 발광면적이 상당히 감소하며, 이에 따라 광 출력이 감소한다. 또한, 복수개의 n- 및 p-전극 패드들을 채택함으로써 전류를 분산시킬 수 있지만, 복수의 전극 패드는 향후 본딩 와이어 공정 등의 공정수를 증가시켜 패키지 수율을 떨어뜨릴 수 있다. 더욱이, n-전극 패드와 p-전극 패드가 서로로 대향하므로, 서로 가까운 전극 패드들 사이에서 전류가 집중적으로 흐르기 쉽고, 이에 따라 발광다이오드의 중심 영역에서 광의 방출이 불균일하게 나타날 수 있다.
한편, 발광다이오드의 광 추출 효율을 개선하기 위해 패터닝된 사파이어 기판이 일반적으로 사용되고 있다. 사파이어 기판 상의 패턴은 활성층에서 생성된 광을 산란 또는 반사시킴으로써 광이 내부 전반사에 의해 발광다이오드 내에서 손실되는 것을 감소시키고, 이에 따라 광 추출 효율을 향상시킨다.
사파이어 기판 상의 패턴을 이용하여 광 추출 효율 개선이 기대되지만, 질화갈륨계 화합물 반도체의 굴절률이 상대적으로 높기 때문에 내부 전반사에 의해 발광다이오드 내부에서 광이 손실될 가능성이 여전히 존재한다. 따라서, 광추출 효율을 개선하기 위한 노력이 계속해서 요구되고 있다.
한국특허공개공보 제10-2009-0060271호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 광 추출 효율을 개선할 수 있는 발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따라, 기판과; 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체와; 복수의 오목부를 갖는 상부 요철면을 포함하며, 상기 제2 도전형 상부 반도체층 상에 위치하는 투명전극층과; 상기 오목부를 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 고효율 발광다이오드가 제공된다.
일 실시예에 따라, 상기 복수의 오목부는 상기 투명전극층의 두께보다 낮은 깊이를 갖는 막힌 홀일 수 있고, 다른 실시예에 따라, 상기 복수의 오목부는 상기 투명전극층을 관통하는 관통 홀일 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층보다 굴절률이 낮은 물질로 형성되며, 더 바람직하게는, SiO2로 형성된다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 상부 반도체층은 질화갈륨계 반도체층이고, 상기 투명전극층은 ITO층이며, 상기 마이크로 렌즈는 SiO2로 형성된다.
일 실시예에 따라, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수직 단면이 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 갖는다.
다른 실시예에 따라, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수직 단면이 서로 둔각을 이루는 적어도 두 개의 경사면을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수평 단면이 원형, 타원형, 육각형, 사각형 또는 삼각형일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 기판 상에 제1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들을 메사 식각하여 상기 제1 도전형 하부 반도체층의 일부 영역을 노출시키고, 상기 에피층들 상에 투명전극층을 형성하고, 상기 투명전극층에 복수의 오목부를 포함하는 요철 표면을 형성하고, 상기 오목부를 덮는 복수의 마이크로 렌즈를 투명 물질로 형성하여 고효율의 발광다이오드 제조하는 방법이 제공된다.
일 실시예에 따라, 상기 요철 표면을 형성하기 위해 투명전극층을 깊이 방향으로 부분 식각하여 막힌 홀을 형성할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 상기 요철 표면을 형성하기 위해 투명전극층을 상기 상부 반도체층을 노출시키는 깊이까지 식각하여 관통 홀을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 마이크로 렌즈를 형성하기 위해, 상기 투명전극층을 덮는 투명절연층을 형성하고, 식각에 의해 상기 투명전극층의 상기 오목부에 대응하는 위치에 렌즈 형상을 만든다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 투명전극층에 막힌 홀 또는 관통 홀일 수 있는 복수의 오목부를 형성하고, 그 오목부를 덮는 마이크로 렌즈들을 형성함으로서, 광 추출 효율을 크게 높일 수 있다.또한, 투명전극층에 형성된 홀들은 발광다이오드 칩의 전면적에 대하여 전류가 균일하게 흐르도록 하여 전극 패드 또는 전극 연장부로 전류가 집중되는 전류 밀집 현상을 줄이는 전류 분산 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 투명전극층과 마이크 렌즈를 포함하는 발광다이오드 상부 구조의 예들을 확대하여 보여주는 단면도들.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발광다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 다양한 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 다양한 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 평면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 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 발광다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이며, 도 3은 도 2의 상부를 더 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 상기 발광다이오드는 기판(21), 발광 구조체, 투명전극층(69), 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(51), 제1 연장부(41a, 41b), 및 제2 연장부(51a, 51b, 51c, 51d)를 포함한다. 상기 발광 구조체는 제1 도전형 하부 반도체층(23), 활성층(25), 및 제2 도전형 상부 반도체층(27)을 포함한다. 또한, 상기 발광다이오드는 상기 상부 반도체층(27) 상에 상기 투명전극층(69)과 마이크로 렌즈(71a)를 포함한다.
상기 기판(21)은 패터닝된 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(21)은 서로 대향하는 제1측 가장자리(E1)와 제2측 가장자리(E2)를 포함한다. 나아가, 상기 기판(21)은 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 따라서, 제1측 가장자리(E1)와 제2측 가장자리(E2)를 연결하는 제3측 가장자리 및 제4측 가장자리(E4)를 가질 수 있다.
제1 도전형 하부 반도체층(23)이 상기 기판(21) 상에 위치하고, 상기 1 도전형 하부 반도체층(23) 상에 제2 도전형 상부 반도체층(27)이 위치하고, 제1 도전형 하부 반도체층과 제2 도전형 상부 반도체층 사이에 활성층(25)이 개재된다. 상기 제1 도전형 하부 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 상부 반도체층(27)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(25)은 요구되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다.
상기 제1 도전형 하부 반도체층(23)은 n형 질화물 반도체층일 수 있으며, 제2 도전형 상부 반도체층(27)은 p형 질화물 반도체층일 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.
상기 제1 도전형 하부 반도체층(23) 및/또는 제2 도전형 상부 반도체층(27)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(25)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(21)과 제1 도전형 하부 반도체층(23) 사이에 버퍼층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다. 상기 반도체층들(23, 25, 27)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 발광 구조체의 제2 도전형 상부 반도체층(27) 및 활성층(25)은 적어도 두 개의 발광 영역들을 정의하도록 분할될 수 있다. 이들 발광 영역들은 대칭 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 이러한 분할 공정은 메사 식각 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 메사 식각 공정에 의해 상기 발광 구조체의 중앙을 가로지르는 영역의 제1 도전형 하부 반도체층(23)이 노출되어 상기 제2 도전형 상부 반도체층(27) 및 상기 활성층(25)이 두개의 영역들로 분할될 수 있다.
또한, 상기 발광 구조체는 메사 식각 공정에 의해 제1 전극 패드(41) 및 제1 연장부(41a, 41b)를 형성하기 위해 제1 도전형 하부 반도체층(23)의 일부 영역이 노출될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 상부 반도체층(27) 상에 투명전극층(69)이 위치한다. 투명전극층(69)은, ITO 또는 ZnO로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 상부 반도체층에 오믹콘택된다.
도 3a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(69)은 오목부(69a)와 볼록부(69b)로 구성된 요철면을 상부 표면에 포함한다. 오목부(69a)의 상부 표면은 대략 평면이며, 볼록부(69b)는 대략 사다리꼴 단면으로 돌출되어 있다. 투명전극층(69)의 요철면은 광이 추출되는 표면적을 늘리며 전반사를 줄여 광의 추출 효율 향상에 기여할 수 있다. 그에 더하여, 본 실시예에 따르면, 다수의 마이크로 렌즈(71a)들이 더욱 더 광의 추출 효율을 늘리도록 제공된다. 상기 마이크로 렌즈(71a)들은, 오목부(69a)들을 주로 덮도록 형성되되, 하부 가장 자리 영역이 상기 볼록부(69a)의 측면 및 테두리를 덮고 있다. 상기 오목부(69a)는 깊이 방향으로 투명전극층의 부분 식각에 의해 둘레와 하부가 막히고 상부만 개구된 홀, 즉, 막힌 홀일 수 있다. 이 경우, 상기 마이크로 렌즈(71a)는 막힌 홀(69a)을 완전히 덮도록 제공될 수 있다.
대안적인 실시예에 따라, 상기 투명전극층(69)은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 막힌 홀(69a) 대신에, 상부 반도체층(27)을 노출시키는 관통홀(69c)들을 포함할 수 있다. 상기 관통 홀(69c)은 상부 반도체층(27)을 노출시키는 깊이까지 상기 투명전극층(69)을 깊이 방향으로 식각하여 형성된다. 이 경우에도, 마이크로 렌즈(71a)는 상기 관통홀(69c)을 덮도록 상기 투명전극층(69)의 상부에 형성된다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 홀들(69a 또는 69c) 및 마이크로 렌즈들(71a)은 제2 도전형 상부 반도체층(27) 상에 규칙적으로 또는 불규칙적으로 위치할 수 있다. 상기 홀들(69a 또는 69c)의 직경(또는 폭)은, 마이크로미터 크기, 예컨대 약 6㎛일 수 있으며, 홀들 사이의 이격거리는 약 8㎛일 수 있다. 홀들(69a 또는 69c)은 원형 또는 타원형의 단면 형상을 포함할 수 있다. 홀의 둘레를 한정하는 면은 홀의 크기를 점진적으로 넓히는 경사면, 그와 반대되는 역경사면 또는 직각면을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(71a)는 반구형상의 볼록한 표면을 가지어 볼록 렌즈의 기능을 할 수 있다. 마이크로 렌즈(71a)의 수평 방향 직경은 마이크로미터 크기, 예컨대 약 9㎛일 수 있다. 상기 투명전극층(69)은 ZnO 또는 ITO로 형성될 수 있으며, 상기 마이크로 렌즈(71a)는 상기 투명전극층(69)보다 굴절률이 낮은 물질, 예컨대 SiO2로 형성될 수 있다. 투명전극층(69) 및/또는 마이크로 렌즈(71a)의 굴절률은 그와 접하는 물질층의 굴절률에 따라 달라질 수 있으나, 상부 반도체층이 대략 굴절률 2.45인 질화갈륨 반도체층인 경우, 굴절률 1.7인 ITO층이 투명전극층으로 선호되며, 마이크로 렌즈의 굴절률은 1~2.45 범위 내에서 선택되어 사용되는 것이 좋다. 마이크로 렌즈는 절연성을 갖는 것이 좋으나 도전성을 갖는 것도 고려될 수 있다.
투명전극층(69)에 예컨대, 막힌 홀(69a) 또는 관통 홀(69c)과 같은 오목부를 형성하고, 그 오목부를 덮도록 마이크로 렌즈(71a)를 배치함으로써, 활성층(25)에서 생성된 광이 마이크로 렌즈(71a)를 통해 외부로 방출될 수 있어 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 메사 식각에 의해 노출된 제1 도전형 하부 반도체층(23) 상에 단일의 제1 전극 패드(41) 및 제1 전극 연장부(41a, 41b)가 위치한다. 제1 전극패드(41)는 상기 하부 반도체층(23) 상부면에 접촉하고 상기 제1측 가장자리(E1)의 중앙 근처에 배치된다. 즉, 상기 제1 전극패드(41)는 평면도에서 제1측 가장자리(E1)의 중앙과 기판(21)의 중심을 연결하는 직선상에 걸쳐서 위치하되, 기판(21)의 중심보다 제1측 가장자리에 가깝게 위치한다. 나아가, 상기 제1 전극패드(41)의 중심이 상기 직선상에 위치할 수 있다.
한편, 제1 연장부는 제1 침입부(41a)와 제2 침입부(41b)를 포함한다. 제1 침입부(41a)는 제1 전극패드(41)로부터 제2측 가장자리(E2)를 향해 연장한다. 제1 침입부(41a)는 평면도에서 기판(21)의 중심을 가로지를 수 있으며, 그 끝단은 제2측 가장자리(E2)보다 기판(21)의 중심 근처에 위치한다. 제2 침입부(41b)는 상기 제1 침입부(41a)의 중심과 상기 제1 전극 패드(41) 사이의 제1 침입부(41a) 부분으로부터 제1측 가장자리(E1)를 따라 상기 제1 침입부(41a)의 양측으로 연장한 후, 상기 제2측 가장자리(E2)를 향해 연장하고, 다시 서로 마주보는 방향으로 연장한다. 제2 침입부(41b)의 끝단은 서로 만나기 전에 종단된다. 상기 제2 침입부(41b) 끝단간의 간격은 제1 침입부(41a)로부터 제1측 가장자리(E1)를 따라 연장하는 제2 침입부(41b) 부분의 길이와 동일할 수 있다. 나아가, 상기 제2 침입부(41b)의 끝단을 연결한 선으로부터 기판(21)의 중심까지의 거리는 기판(21)의 중심으로부터 제2 침입부(41a)가 연장하기 시작하는 제1 침입부(41a) 부분까지의 거리와 동일할 수 있다.
한편, 2개의 제2 전극 패드(51)는 제2측 가장자리(E2)의 양쪽 끝단 근처에 각각 배치된다. 즉, 제2 전극패드(51)는 제2측 가장자리(E2)의 끝단과 기판(21)의 중심을 연결하는 직선상에 걸쳐서 위치하되, 기판(21)의 중심보다 제2측 가장자리(E2)의 끝단에 가깝게 위치한다. 나아가, 상기 제2 전극패드(51)의 중심이 상기 직선 상에 위치할 수 있다. 또한, 제1 전극패드(41) 및 2개의 제2 전극패드(51)는 각각 이등변 삼각형의 꼭지점 위치에 위치할 수 있다.
제2 연장부는 연결부(51a), 제1 침입부(51b), 제2 침입부(51c) 및 제3 침입부(51d)를 포함한다. 연결부(51a)는 2개의 제2 전극패드(51)를 연결한다. 연결부(51a)는 제2측 가장자리(E2)를 따라 연장한다. 한편, 제1 침입부(51b)는 연결부(51a)의 중앙에서 제1측 가장자리(E1)를 향해 연장한다. 상기 제1 침입부(51b)는 제1 연장부의 제1 침입부(41a)의 연장선상에 위치할 수 있다. 제1 침입부(51b)의 끝단은 제1 연장부의 제1 침입부(41a) 끝단으로부터 이격된다. 상기 제1 침입부(51b)는 2개의 제2 전극 패드(51)로부터 공통으로 전류가 공급되기 때문에 전류밀도를 고려하여 연결부(51a)나 다른 침입부들(51c, 51d)에 비해 상대적으로 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 제2 침입부(51c)는, 상기 제1 연장부 제1 침입부(41a)의 끝단을 감싸도록, 상기 제1 침입부(41a)의 끝단으로부터 상기 제2측 가장자리(E2)를 따라 연장한 후, 상기 제1측 가장자리(E1)를 향해 연장한다. 제2 침입부(51c)는 제1 연장부의 제1 침입부(41a)와 제2 침입부(41b) 사이의 영역으로 연장한다.
한편, 제3 침입부(51d)는 상기 2개의 전극패드(51)로부터 각각 상기 제1측 가장자리(E1)를 향해 연장한 후, 상기 제1측 가장자리(E1)를 따라 상기 제1 전극 패드(41)를 향해 연장한다.
제1 연장부 및 제2 연장부는 제1 연장부의 제1 침입부(41a) 및 제2 연장부의 제1 침입부(51b)를 지나는 수직면에 대해 거울면 대칭구조를 갖도록 배치될 수 있으며, 이에 따라 이 수직면을 기준으로 양측에서 동일한 전류 분산 특성을 나타낼 수 있다.
더욱이, 기판(21)의 중심으로부터 제1 침입부(41a)의 양측으로 제2 연장부와 제1 연장부가 교대로 배치되고, 또한, 이들 간의 간격이 실질적으로 동일하게 배치됨으로써 발광다이오드의 넓은 영역에 걸쳐 전류를 고르게 분산시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제2 전극패드(51)가 투명전극층(69) 상에 형성된 것으로 도시 및 설명하였으나, 제2 전극패드(51)는 상부 반도체층(27)에 전류를 공급하기 위한 것으로서, 투명전극층(69) 상에 형성될 필요가 있는 것은 아니다. 상기 제2 전극패드(51)는 제1 도전형 하부 반도체층(23)으로부터 절연되는 한 기판(21) 상부의 어느 위치에도 배치될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 하부 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 상부 반도체층(27)을 포함하는 에피층들을 성장시킨다. 상기 에피층들(23, 25, 27)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 하부 반도체층(23)을 성장시키기 전에 버퍼층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.
그 후, 상기 에피층들(23, 25, 27)을 메사 식각하여 상기 제1 도전형 하부 반도체층(23)의 일부 영역을 노출시킨다. 에피층들(23, 25, 27)은 사진 및 식각 공정을 사용하여 패터닝될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 에피층들 상에 투명전극층(69)이 형성된다. 상기 투명전극층(69)은 ITO(인디움 틴 산화물) 또는 ZnO(아연 산화물)로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 투명전극층(69)에는 패턴은 오목부(69a)와 볼록부(69b)를 포함하는 요철 패턴이 형성된다. 도시된 바에 따르면, 오목부(69a)는 하부 반도체층(23)에 이르기 전의 높이에서 막힌 홀이다. 하지만, 도 3b에 도시된 것과 같이 하부 반도체층까지 노출시키는 관통 홀(69c; 도 3b 참조)을 오목부로 형성하는 것도 가능하다. 상기 투명전극층(69)의 상부 요철면 패턴은, 제2 도전형 상부 반도체층(27) 상에 투명전극층(69)을 형성한 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 투명전극층(69)을 패터닝하여 홀들(69a)을 형성하는 방식으로 형성될 수 있으며, 대안적으로, 상기 투명전극층(69)의 상부 요철면 패턴은, 형성할 홀들에 대응하는 패턴으로 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 리프트 오프 공정을 수행함으로써, 홀들이 포함하도록 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 투명전극층(69)을 덮는 투명층, 더 바람직하게는, 투명절연층(71)을 형성한다. 상기 투명절연층(71)은 메사 측벽 및 메사 식각에 의해 노출된 제1 도전형 하부 반도체층(23)의 일부영역을 덮을 수 있다. 상기 절연층(71)은 SiO2로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 투명절연층(71) 상에 포토레지스트 패턴(73)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(73)은 상기 홀들(69a) 상의 절연층(71)을 덮고, 투명전극층(71) 상의 절연층(71)을 노출시키는 개구부를 갖는다.
그 후, 습식 식각 공정을 이용하여 절연층(71)을 식각함으로써 도 3a에 도시된 것과 같은 마이크로 렌즈(71a)들이 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 포토레지스트 패턴(73)을 리플로우 기술 등을 이용하여 렌즈 형상에 대응하도록 형성하고, 이를 식각 마스크로 사용하여 투명절연층(71)을 건식 식각함으로써 마이크로 렌즈들(71a)을 형성할 수도 있다.
도 8 및 도 9는 마이크로 렌즈의 다양한 형상을 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
앞서 도 3a 및 도 3b를 참조하여 마이크로 렌즈(71a)가 투명전극층(69) 상부에서 그 수직 단면이 볼록한 형상, 예컨대 원형 또는 타원형 형상을 갖는 것으로 도시 및 설명하였으나, 상기 마이크로 렌즈의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상을 가질 수 있다. 이들 마이크로 렌즈의 형상은 대체로 투명전극층(69) 상부에서 그 수직 단면이 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 갖는다.
도 8(a)를 참조하면, 마이크로 렌즈(81a)는 투명전극층(69) 상부에서 그 수직 단면이 평평한 상부면 및 측면을 포함하고, 상기 측면이 이중 경사면(83, 85)을 포함할 수 있다. 상기 측면은 경사면(83)과 경사면(85)이 둔각을 이룰 수 있다. 상기 경사면(85)은 투면전극층(69) 상부에서 수직하게 위로 올라갈 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 경사면(83)에 비해 더 급격한 기울기를 갖고 위로 올라갈 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(81a)는 그 측면이 이중 경사면에 한정되는 것은 아니며, 더 많은 경사면들로 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 경사면들(83, 85) 중 적어도 하나는 볼록한 면일 수 있다.
또한, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(81a)는 그 측면이 단일의 경사면을 가질 수 있으며, 평평한 상부면을 가질 수 있다. 나아가, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(81a)는 그 측면이 단일의 경사면을 가질 수 있으며, 각 측면이 서로 만나서 끝이 뾰족한 형상을 가질 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(81a)의 단일의 경사면은 평평한 면일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 볼록한 면일 수 있다.
한편, 도 9(a)에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(91a)는 평면도에서 보아 원형 또는 타원형일 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈의 수평 단면은 원형 또는 타원형일 수 있다. 그러나, 마이크로 렌즈(91a)의 수평 단면은 원형 또는 타원형에 한정되는 것은 아니며, 도 9(b) 및 9(c)에 도시된 바와 같이 육각형 또는 삼각형일 수도 있으며, 사각형일 수도 있다. 특히, 상기 마이크로 렌즈의 수평 단면 형상이 육각형 또는 삼각형인 경우, 이들 마이크로 렌즈(91a)를 더 조밀하게 배치할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 형상은 제조의 용이성, 광 추출 효율 등을 고려하여 다양하게 선택될 수 있으며, 수평 단면과 수직단면의 형상을 적절히 조합하여 선택될 수 있다. 예컨대, 수직 단면이 도 9(c)에 도시된 바와 같은 삼각형 형상이고, 수평 단면이 도 9(c)에 도시된 바와 같은 삼각형 형상인 경우, 상기 마이크로 렌즈는 삼각 피라미드, 즉 사면체 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 마이크로 렌즈로 입사된 광이 외부로 용이하게 방출될 수 있다.
21: 기판 23: 하부 반도체층
25: 활성층 27: 상부 반도체층
69: 투명전극층 69a: 오목부 또는 막힌 홀
69c: 오목부 또는 관통 홀
71a: 마이크로 렌즈

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체;
    복수의 오목부를 갖는 상부 요철면을 포함하며, 상기 제2 도전형 상부 반도체층 상에 위치하는 투명전극층; 및
    상기 오목부를 덮도록 상기 투명전극층 상에 형성되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 오목부는 상기 투명전극층의 두께보다 낮은 깊이를 갖는 막힌 홀인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 오목부는 상기 투명전극층을 관통하는 관통 홀인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층보다 굴절률이 낮은 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 SiO2로 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 상부 반도체층은 질화갈륨계 반도체층이고, 상기 투명전극층은 ITO층이며, 상기 마이크로 렌즈는 SiO2로 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수직 단면이 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수직 단면이 서로 둔각을 이루는 적어도 두 개의 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 투명전극층 상부에서 그 수평 단면이 원형, 타원형, 육각형, 사각형 또는 삼각형인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  10. 기판 상에 제1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 에피층들을 성장시키고,
    상기 에피층들을 메사 식각하여 상기 제1 도전형 하부 반도체층의 일부 영역을 노출시키고,
    상기 에피층들 상에 투명전극층을 형성하고,
    상기 투명전극층에 복수의 오목부를 포함하는 요철 표면을 형성하고,
    상기 오목부를 덮는 복수의 마이크로 렌즈를 투명 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 요철 표면을 형성하기 위해 투명전극층을 깊이 방향으로 부분 식각하여 막힌 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 요철 표면을 형성하기 위해 투명전극층을 상기 상부 반도체층을 노출시키는 깊이까지 식각하여 관통 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 마이크로 렌즈를 형성하기 위해, 상기 투명전극층을 덮는 투명절연층을 형성하고, 식각에 의해 상기 투명전극층의 상기 오목부에 대응하는 위치에 렌즈 형상을 만드는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
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