KR101148758B1 - 발광다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
n-형 반도체층, 상기 n-형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p-형 반도체층을 포함하는 발광다이오드로, 상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층은 돌출 영역 및 미돌출 영역을 포함하는 요철부를 구비하고 있고, 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역을 둘러싸는 절연층을 포함하는 발광다이오드를 개시한다.
Description
본 발명은 백색 발광다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광다이오드는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다. 질화갈륨(GaN)은 청색 발광다이오드 소자를 제조하는 화합물로 각광받고 있다.
반도체를 이용한 백색 발광다이오드는 수명이 길고, 소형화가 가능하며 저전압으로 구동이 가능하다는 특징으로 인해 기존의 발광소자를 대체할 수 있는 차세대 발광다이오드 중 하나로써 각광받고 있다.
이러한 백색 발광다이오드를 제조하는 기존의 방법으로는 삼색(적색, 녹색, 청색) 발광다이오드를 모두 사용하는 방법이 있으나, 이는 제조 비용이 고가이고, 구동회로가 복잡하기 때문에 제품의 크기가 커진다는 단점을 가진다.
또한 청색의 파장을 가지는 InGaN계 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 조합한 백색 발광다이오드가 실용화되어 있으나, 이는 청색 발광다이오드에서 발생하는 청색광의 일부가 황록색 형광체를 여기시켜 황록색을 발생시키게 되며, 상기 청색과 황록색이 합성되어 백색을 발광시키는 원리로 이루어져 있다.
그러나, 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 조합한 백색 발광다이오드의 빛은 가시광선 영역의 일부 스펙트럼만을 가지고 있기 때문에 연색지수(color rendering index)가 낮고, 이에 따라 색표현이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있으며, 여기 광원으로 사용되는 청색 발광다이오드의 파장이 450nm이기 때문에 칩 효율이 떨어져서 전체적으로 백색 발광다이오드의 발광효율이 낮아진다는 단점이 있다.
본 발명은 백색을 구현하기 위해 삼색 타입의 발광다이오드나 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 이용하는 방법이 아닌 새로운 백색 구현 방법을 제시하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 n-형 반도체층, 상기 n-형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p-형 반도체층을 포함하는 발광다이오드로, 상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층은 돌출 영역 및 미돌출 영역을 포함하는 요철부를 구비하고 있고, 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역을 둘러싸는 절연층을 포함한다.
상기 요철부는 나노구조마스크에 의해 식각 형성됨으로써 상기 요철부에 의해 나노구조 패턴을 가지며, 상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층 전반에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 n-형 반도체층은 n-GaN을 포함하고, 상기 p-형 반도체층은 p-GaN을 포함하며, 상기 활성층은 MQW층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은, 사파이어 기판 상에 n-형 반도체층을 성장시키는 단계, 상기 n-형 반도체층에 활성층을 성장시키는 단계, 상기 활성층 상에 p-형 반도체층을 성장시키는 단계, 상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층에 요철부를 형성시키는 단계, 및 상기 n-형 반도체 층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역에 절연층을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 p-형 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
절연층의 형성은 이온주입 또는 플라즈마 도핑에 의해 형성될 수 있으며, 상기 이온주입 또는 플라즈마 도핑에는 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H 및 He 이온을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 및 이의 제조방법에 따르면, 나노 구조를 이용하여 백색을 발광할 수 있어서 소형화가 가능하고 발광 효율과 색표현이 우수한 발광다이오드를 제조할 수 있다.
또한, 발광다이오드의 나노 구조 사이에 절연층을 형성함으로써 보다 쉽고 안정적으로 발광다이오드를 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 실시예에 의하여 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 본 설명에서 동일한 부호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는, 사파이어 기판(100), n-형 반도체층(200), 상기 n-형 반도체층(200)에 적층되는 활성층(300), 상기 활성층(300) 상에 적층되는 p-형 반도체층(400) 및 돌출 영역의 측면 및 미돌 출 영역을 둘러싸는 절연층(500)을 포함하며, n-형 반도체층(200)에는 요철부가 구비되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은, 사파이어 기판 상에 n-형 반도체층을 성장시키는 단계, 상기 n-형 반도체층에 활성층을 성장시키는 단계, 상기 활성층 상에 p-형 반도체층을 성장시키는 단계, 상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층에 요철부를 형성시키는 단계, 및 상기 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역에 절연층을 형성하는 단계를 포함한다
사파이어 기판(100) 상에 n-형 반도체층(200)을 성장시키는 단계는, 사파이어 기판(100)에 n-형 반도체층(200), 예컨대 n-GaN을 MQCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)함으로써 이루어질 수 있다.
활성층(300)은 n-형 반도체층(200)에 적층되며, 활성층(300)은 MQW층일 수 있다. 상기 활성층(300) 상에 p-형 반도체층(400)을 적층하여 형성하며, p-형 반도체층으로는 p-GaN을 포함한다.
상기 적층된 n-형 반도체층(200), 활성층(300) 및 n-형 반도체층(200) 상에 요철부를 형성하는 단계는, 나노구조마스크, 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide) 나노 마스크에 의해 식각 형성함으로써 나노구조 패턴을 형성한다. 상기 나노구조 패턴은 상기 적층된 n-형 반도체층(200), 활성층(300) 및 n-형 반도체층(200)의 전반에 걸쳐 형성된다. 나노구조 패턴에 의해, 예컨대 기둥 형상의 돌출 영역이 형성되고, 상기 돌출 영역은 일정한 면적을 갖는 상면과 측면을 갖게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 나노구조 패턴을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 확대한 이미지이다.
도 2를 참조하면, n-GaN층(200)에 형성된 나노구조 패턴은 나노(nano) 크기를 가지는 매우 미세한 구조이다. 상기 나노구조 패턴은 돌출 영역과 미돌출 영역으로 구성될 수 있다. n-GaN층(200) 상에는 이러한 돌출 영역과 미돌출 영역은 각각 복수 개가 형성될 수 있는데, 더욱 자세하게는, 상기 돌출 영역과 미돌출 영역은 나노 단위 크기를 가지므로 그 수는 매우 많다 할 것이다. 돌출 영역은 상면과 측면을 포함하는 원기둥 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 일정 영역의 상면과 측면을 구비하는 것이라면 어느 형상이라도 가능하다. 예컨대, 다각 기둥 형상, 원뿔 형상, 반구 형상, 눈사람 형상 등으로 구성될 수도 있다.
본 발명에 있어서 기둥 모양의 돌출 영역은 활성 영역으로, 상면뿐만 아니라 측면에서도 발광이 이루어지며, 백색 발광을 안정적으로 구현할 수 있다.
절연층(500)은 n-형 반도체층(200), 활성층(300) 및 p-형 반도체층(400)을 포함하는 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역을 둘러싸도록 형성된다. 절연층(500)은 이온주입 또는 플라즈마 도핑에 의해 형성하여 나노 패턴과 패턴 사이에 전류가 통하지 않도록 한다. 절연층(500)은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H 및 He 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 반응성 이온을 플라즈마를 이용하여 각각의 나노 구조 사이에 도핑시켜 절연함으로써 형성한다. 상기와 같이 이온주입 또는 플라즈마 도핑에 의해 나노 구조 사이사이에 선택적으로 절연층을 형성할 수 있다.
p-형 반도체층(400) 상부에 투명전극(600)을 형성하고, n-Pad(700) 및 p-Pad(800)를 형성하여 발광다이오드를 형성할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극(600)은 상기 돌출 영역의 측면에 형성된 상기 절연층(500)들로 형성되는 공간, 즉, 상기 절연층(500)이 형성된 서로 다른 상기 돌출 영역들의 사이 공간 및 상기 p-형 반도체층(400) 상부에 형성될 수 있다.
상기와 같이 제조된 발광다이오드는 조명용, 산업용 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 즉, 즉, 백색 나노 발광다이오드(10)는 모바일용 및 LCD 백라이트, 자동차, 조명에 이르기까지 다양한 분야에서 이용될 수 있다.
또한, 기존에는 삼색(R,G,B) 발광다이오드를 이용하거나 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 이용한 백색 발광다이오드를 제조하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 나노 구조 사이사이에 절연체를 형성하여 보다 안정적으로 발광다이오드를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 나노구조 패턴을 주사전자현미경을 이용하여 확대한 이미지이다.
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- 사파이어 기판 상에 n-형 반도체층을 성장시키는 단계;상기 n-형 반도체층에 활성층을 성장시키는 단계;상기 활성층 상에 p-형 반도체층을 성장시키는 단계;상기 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층에 요철부를 형성시키는 단계;상기 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 돌출 영역의 측면 및 미돌출 영역에 절연층을 형성하는 단계; 및상기 절연층이 형성된 서로 다른 상기 돌출 영역들의 사이 공간 및 상기 p-형 반도체층 상부에 투명 전극이 형성되는 단계;를 포함하며,상기 절연층의 형성은 이온주입 또는 플라즈마 도핑에 의해 형성되는 발광다이오드의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 요철부를 형성하는 단계는 나노구조마스크에 의한 식각에 의해 이루어지며, 상기 식각에 의해 적층된 n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층에 나노 구조 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
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- 제8항에 있어서,상기 이온주입 또는 플라즈마 도핑은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H 및 He 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온을 이용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
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