KR101115532B1

KR101115532B1 - 발광 소자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101115532B1
Application number: KR1020040113118A
Authority: KR
Inventors: 윤여진; 오덕환
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2012-03-08
Also published as: KR20060074389A

Abstract

본 발명은 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 패턴이 형성된 광 반사부를 갖는 기판 및 상기 기판에 형성된 발광 소자 패턴을 포함하는 발광 소자와, 기판의 상면에 발광 소자 패턴을 형성하는 단계 및 상기 기판의 후면에 소정의 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

이로써, 발광 소자의 기판 하부에 소정의 패턴이 형성된 광반사부를 두어 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있고, 레이저 빔 및 고압의 입자를 이용하여 사파이어 기판을 목표로하는 형상으로 가공할 수 있다.

발광 소자, 투명전극, 오목부, 레이져 빔, 고압 입자, 반사막

Description

발광 소자 및 이의 제조 방법{Luminescence device and method of manufacturing the same}

도 1은 종래의 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 다른 형상의 오목부를 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 110 : 기판 20 : N-GaN층

30, 130 : 활성층 40 : P-GaN층

50, 150 : 투명전극 60, 70, 160, 170 : 전극

120 : N형 반도체층 140 : P형 반도체층

180, 185 : 광반사부 190 : 반사막

200 : 발광 소자 패턴

본 발명은 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 소정의 패턴이 형성된 광 반사부를 갖는 발광 소자에 관한 것이다.

종래의 발광 소자는 사파이어 기판 상에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 형성한다. 이때, N-GaN층 하부의 사파이어 기판이 부도체이기 때문에 N-GaN층 상부의 활성층과 P-GaN층의 일부를 식각하여 N-GaN층을 노출시켜 이를 외부 전원과 연결하였다. 또한, P-GaN층의 저항 성분이 매우 크기 때문에 P-GaN층 상부 표면에 균일하게 전압을 인가할 수 있도록 투명전극을 형성하였다.

도 1은 종래의 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 발광 소자는 사파이어 기판(10)과 사파이어 기판(10)상에 형성된 N-GaN층(20)과, N-GaN층(20) 일부 영역 상에 형성된 활성층(30)과, 활성층(30) 상에 형성된 P-GaN층(40)과, P-GaN층(40) 상에 형성된 투명전극(50)을 포함하고, 상기 N-GaN층(20) 및 투명전극(50) 상에 전극(60, 70)이 각가 형성된다. 이를 위해 사파이어 기판(10)상에 N-GaN층(20), 활성층(30) 및 P-GaN층(40)을 순차적으로 적층한 다음, P-GaN층(40)과 활성층(30)의 일부를 제거하여 N-GaN층(20)의 소정 영역을 개방한다. 이후, 투명전극(50)을 P-GaN층(40) 상에 형성하고, 개방된 N-GaN층(20) 상에 N전극(60)을 형성하고, 투명전극(50) 상에 P전극(70)을 형성한다.

상술한 바와 같이 제조된 종래의 발광 소자는 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency; EQE)이 10%이하로 매우 미비하다. 이는 활성층(30)에서 생성된 광자(빛)가 발광 칩의 상부뿐만 아니라 발광 칩 하부의 사파이어 기판(10)으로도 나가게된다. 이때 발광 칩의 상부로 발산된 광자의 일부는 매끄러운 투명전극(50) 표면에서 반사되기도 하고, 이렇게 반사된 광자가 활성층(30)에서 생성된 다른 광자와 상쇄되기도 한다.

또한, 국제 공개 특허 WO03036691호에는 하부 사파이어 기판(10)으로 발산된 광자의 반사를 위해 사파이어 기판(10) 하부에 소정의 금속을 이용한 반사층을 형성하였다. 하지만, 발광 칩 하부로 발산된 광자의 대부분은 사파이어 기판(10)에 의해 흡수되거나 기판에서 반사되어 활성층(30)에서 생성된 다른 광자와 상쇄되는 문제가 발생한다.

이에 현재 이러한 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시키기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 사파이어 기판 하부에 사파이어 기판 방향으로 방출되는 광자를 반사시켜 전면으로 방출시키기 위한 소정의 패턴이 형성된 광반사부를 두어 외부 양자 효율을 높일 수 있는 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 패턴이 형성된 광 반사부를 갖는 기판 및 상기 기판에 형성된 발광 소자 패턴을 포함하는 발광 소자를 제공한다. 이때, 상기 패턴이 형성된 광 반사부는 요철 형상 또는 적어도 하나의 반구형상이다. 상기 패턴이 형성된 광 반사부 표면에 요철이 형성된다. 그리고, 상기 패턴이 형성된 광 반사부 표면에 형성된 반사막을 더 포함한다. 여기서, 상기 발광 소자 패턴은, N형 반도체층과, 상기 N형 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 P형 반도체층 및 상기 P형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 기판의 상면에 발광 소자 패턴을 형성하는 단계 및 상기 기판의 후면에 소정의 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다. 이때, 상기 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계 후, 상기 패턴을 갖는 광반사부 표면에 반사막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계는, 상기 기판 씨닝 공정을 통해 상기 기판 후면의 일부를 제거 평탄화 하는 단계 및 평탄화된 상기 기판 후면의 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 기판 후면의 일부를 제거하는 단계는, 레이저 빔을 상기 기판 후면에 조사하거나, 고압의 입자를 상기 기판 후면에 조사한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하 도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 2를 참조하면, 사파이어 기판(110) 상에 발광 소자 패턴(200)을 형성한다.

사파이어 기판(110)상에 발광 소자 패턴(200)을 형성하기 위해 먼저 사파이어 기판(110) 상에 N형 반도체층(120), 활성층(130), P형 반도체층(140) 및 투명전극층(150)을 순차적으로 형성한다.

N형 반도체층(120)은 N형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)막을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 또한, P형 반도체층(140) 또한 P형 불순물이 주입된 질화갈륨막을 사용한다. 이때, P형 반도체층(140)에 고농도 이온주입을 통해 상부의 투명전극층(150)과 P형 반도체층(140)간의 접촉저항을 줄이도록 한다. 상기에서 N형의 불순물로는 Si를 사용하고, P형의 불순물로는 InGaAlP를 사용할 경우에는 Zn을 사용하고, 질화물계일때는 Mg를 사용한다. 또한 활성층(130)으로는 InGaN막을 사용하되, 효율을 높이기 위해 다중양자우물구조를 삽입한다. 이때, 우물층과 장벽층의 조성 및 두께를 제어하여 목표로 하는 파장의 빛을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 투명전극(150)으로는 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용한다.

또한, 본 발명은 상술한 구조에 한정되지 않고, 발광소자의 특성에 따라 각각의 층사이에 다양한 층들이 더 형성될 수 있다. 즉, N형 반도체층(120) 하부와 기판(110) 사이에 별도의 버퍼층을 더 형성할 수 있다. 또한, 활성층(130)으로 다수의 막으로 이루어진 층으로 구성할 수도 있다.

다음으로, 소정의 마스크 패터닝을 통해 활성층 하부의 N형 반도체층(120)의 일부를 노출시킨다. 이후, 전극 패드 형성공정을 통해 개방된 N형 반도체층(120) 상에 N 전극(160)을 형성하고, 투명전극층(150) 상에 P 전극(170)을 형성한다. 본 발명의 발광 소자는 상술한 공정 단계에 한정되지 않고 다양한 공정 단계의 변화가 가능하다.

도 3a를 참조하면, 기판 씨닝공정을 통해 사파이어 기판(110) 후면의 일부를 제거하여, 씨닝된 기판(110) 후면에 소정의 패턴이 형성된 광반사부(180)를 형성한다.

씨닝공정은 사파이어 기판(110)을 그라인더로 소정 두께 만큼 제거한 다음, 폴리싱 하여 그 표면을 매끄럽게 한다. 상기에서 제거되는 사파이어 기판(110)의 두께는 목표로 하는 발광 소자의 두께를 기준으로 다양하게 변화 될 수 있다. 즉, 사파이어 기판(110)의 두께가 약 300 내지 500㎛이고, 목표로 하는 발광 소자의 두께가 70 내지 90㎛일 경우 사파이어 기판(110)의 제거는 약 200 내지 450㎛정도를 제거한다.

이후, 소정의 패턴이 형성된 광반사부(180) 형성공정을 통해 제거된 면의 사파이어 기판(110)의 일부를 다시 제거한다. 이때 광반사부(180)는 요철 형상의 요 철부 형상으로 형성할 수 있고, 도 3a에서와 같이 역 마이크로 렌즈 형상(즉, 뒤집어진 소형 볼록렌즈 형상)의 오목부 형상으로 형성할 수 있다. 광반사부(180)의 형상은 이에 한정되지 않고 다양하게 변화할 수 있다.

소정의 패턴이 형성된 광반사부(180) 형성공정은 먼저 소정의 입자를 고압 분사하여 이의 충돌에너지를 통해 사파이어 기판(110)의 일부를 제거하는 입자 고압분사 방법을 사용할 수 있다. 즉, 사파이어 보다 강도가 강한 모래, 다이아몬드와 같은 작은 입자들을 사파이어 기판(110)에 고압으로 분사시켜 목표로 하는 영역의 사파이어 기판(110)을 타격하게 되면 그 영역의 사파이어 기판(110)의 일부가 떨어져 나온다. 이로써, 패턴이 형성된 광반사부(180) 표면에 소정의 요철이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 고압 분사되는 입자를 사파이어 기판(110)의 중심부에 집중시켜 역 마이크로 렌즈 형상으로 형성한다.

또한, 광반사부 형성공정은 레이저를 이용할 수도 있다. 이는 사파이어 기판(110)의 후면에 레이저 빔을 조사하여 원하는 패턴을 갖는 광반사부(180)를 형성할 수 있다. 일반적으로 사파이어 기판(110)의 가공은 매우 어려운 문제가 있었지만, 상술한 레이저 및 입자 고압 분사를 이용하여 목표로 하는 형상의 광반사부(180)를 씨닝된 사파이어 기판(110) 후면 내에 형성할 수 있다.

도 3b 및 도 3c를 참조하면, 사파이어 기판(110) 후면에 형성된 광반사부(180) 표면에 반사막(190)을 형성한다.

반사막(190)은 활성층(130)에서 생성되어 사파이어 기판(110)영역으로 방출된 광자들을 광반사부(180)의 표면에서 반사시키기 위한 막으로서, 금속성의 물질 막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 도면 3b에서와 같이 광반사부(180)를 이러한 반사막(190)으로 매립할 수도 있고, 도 3c에서와 같이 광반사부(180)의 표면에 금속성의 반사막(190)을 소정 두께로 코팅한 다음, 절연성의 소정 물질(195)로 광반사부(180)를 매립할 수도 있다. 상술한 설명에 한정되지 않고, 광반사부(180)를 절연성의 물질로 매립하지 않을 수도 있고, 광반사부(180)를 포함한 사파이어 기판(110) 후면 전체에 반사막(190)을 형성할 수도 있다.

이를 통해 활성층(130)으로부터 분산된 광자들의 사파이어 기판(110) 후면에 형성된 광반사부(180)의 형상 때문에 그 표면에서 다시 상부 방향으로 반사되어 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있고, 게다가 광반사부(180) 표면에 형성된 반사막(190)에 의해 반사되어 외부 양자 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 다른 형상의 광반사부를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면 광반사부(180)의 형성은 다수의 마이크로 렌즈를 갖는 오목부로 형성가능하다. 즉, 앞서 설명한 레이저 조사 방법 및 입자 고압 분사 방법을 통해 사파이어 기판(110) 후면에 복수개의 오목부가 연속하여 형성될 수 있다.

상술한 공정 방법을 일 예로 하여 형성된 발광 소자를 살펴보면, 후면에 오목부가 형성된 사파이어 기판과, 상기 사파이어 기판 상면에 형성된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층과, 상기 오목부 표면에 형성된 반사막을 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 발광 소자는 상기 P형 반도체층 상에 형성 된 투명전극을 더 포함하고, N형 반도체층 하부에 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 또한, 광반사부는 단일의 렌즈 형상으로 형성할 수도 있고 다수의 렌즈로 구성된 형상으로 형성될 수도 있다. 또한, 광반사부 내부를 금속성의 반사막으로 매립할 수도 있고, 광반사부 표면에만 금속성의 반사막으로 코팅한 다음, 광반사부 내부를 소정의 물질로 매립할 수도 있다.

그리고, 상기 광반사부의 꼭지점과 사파이어 기판의 표면과의 사이는 기판의 휨 또는 부서짐과 같은 현상을 방지하기 위하여 약 1 내지 70㎛내외가 되도록 한다. 바람직하게는 20 내지 50㎛이 되도록 한다. 또한, 렌즈 형상의 광반사부의 곡률은 레이저 빔의 세기와 기판에 조사되는 입자의 에너지에 따라 다양하게 변화 될 수 있다. 본 발명의 ITO 후면에 0.001㎛ 내지 2.0㎛두께의 반사금속(Reflector metal)층을 증착 또는 성장시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 발광 소자의 기판 하부에 소정의 패턴이 형성된 광반사부를 두어 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 레이저 빔 및 고압의 입자를 이용하여 사파이어 기판을 목표로하는 형상으로 가공할 수 있다.

Claims

기판;

상기 기판 상면 상에 구비된 발광 소자 패턴; 및

상기 기판의 후면에 구비되며, 패턴이 형성된 광 반사부를 포함하며,

상기 패턴이 형성된 광 반사부는 매립되며,

상기 광 반사부의 매립은 반사막으로 매립되거나, 일정 두께의 반사막과 상기 일정 두께의 반사막 상에 구비된 절연물질로 매립되는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,

상기 패턴이 형성된 광 반사부는 요철 형상 또는 적어도 하나의 반구형상인 발광 소자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 패턴이 형성된 광 반사부 표면에 요철이 형성된 발광 소자.
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 발광 소자 패턴은,

N형 반도체층;

상기 N형 반도체층 상의 일정 영역에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 P형 반도체층; 및

상기 P형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 포함하는 발광 소자.
기판의 상면에 발광 소자 패턴을 형성하는 단계;

상기 기판의 후면에 일정의 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계; 및

상기 일정의 패턴이 형성된 광 반사부를 매립하는 단계를 포함하며,

상기 일정의 패턴이 형성된 광 반사부를 매립하는 단계는

상기 일정의 패턴이 형성된 광 반사부 상에 반사막을 형성하여 매립하는 단계 또는 상기 일정의 패턴이 형성된 광 반사부의 표면 상에 일정 두께의 반사막을 형성하고 상기 반사막 상에 절연 물질로 매립하는 단계인 발광 소자의 제조 방법.
삭제
청구항 6에 있어서, 상기 패턴이 형성된 광반사부를 형성하는 단계는,

상기 기판 씨닝 공정을 통해 상기 기판 후면의 일부를 제거 평탄화하는 단계; 및

평탄화된 상기 기판 후면의 일부를 제거하는 단계;를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 기판 후면의 일부를 제거하는 단계는,

레이저 빔을 상기 기판 후면에 조사하거나, 고압의 입자를 상기 기판 후면에 조사하는 발광 소자의 제조 방법.