KR101171328B1 - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

여기에서는 발광다이오드가 개시된다. 이 발광다이오드는 기판과; 상기 기판 상에 배치되며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 적층체와; 상기 발광 적층체의 광 추출면에 형성된 복수의 콘(cone)들과; 상기 콘들 각각의 경사면에 복수의 돌기들을 형성하도록 제공되는 투명 절연재료를 포함한다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광 추출 효율을 향상시키는 구조를 포함하는 고효율 발광다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한한다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 이용하여 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다(예컨대, 미국등록특허공보 US7,704,763호 참조).
종래의 수직형 구조의 발광 다이오드는 사파이어와 같은 성장기판 상에 질화갈륨계열의 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 차례로 형성하고, p형 반도체층 상에 p형 전극을 형성하고, p형 전극을 본딩메탈을 통해 서브마운트에 본딩한 후, 성장기판을 제거하고, 노출된 n형 반도체층 상에 n형 전극을 형성함으로써 제조된다. 한편, 서브마운트의 하부면에는 n형 전극이 형성된다. 나아가, 상기 미국등록특허공보 US7,704,763호는 노출된 n형 반도체층의 표면에 건식 또는 PEC 에칭 기술을 사용하여 거칠어진 면을 형성함으로써 광 추출 효율을 향상시킨다.
미국등록특허공보 US7,704,763호
본 발명이 해결하려는 과제는, 광추출 효율을 극대화할 수 있는 고효율 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 고효율 발광다이오드는, 기판과; 상기 기판 상에 배치되며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 적층체와; 상기 발광 적층체의 광 추출면에 형성된 복수의 콘(cone)들과; 상기 콘들 각각의 경사면에 복수의 돌기들을 형성하도록 제공되는 투명 절연재료를 포함한다.
바람직하게는, 상기 발광 적층체는 상기 활성층을 기준으로 상기 기판과 가까운 p형 반도체층과 반대편의 n형 반도체층을 포함하며, 상기 콘들은 상기 n형 반도체층의 상부 표면을 PEC 에칭하여 형성된다.
바람직하게는, 상기 투명 절연 재료는 TiO2를 포함한다. 상기 TiO2는 콘들을 포함하는 광 추출면, 즉, 거친 면에 TiO2 입자들을 고착시키거나 TiO2를 증착하여 형성될 수 있다. 증착 조건에 따라, TiO2는 콘의 경사면에 그레인 형태로 결합되어 상기 돌기들을 형성하거나 또는 상기 콘의 경사면에 연속적인 층의 형태로 형성되어 그 층의 돌출 부분들에 의해 상기 돌기들을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 본딩 기판이되, 상기 고효율 발광다이오드는 상기 본딩 기판과 상기 p형 반도체층 사이에 본딩메탈, 보호층 및 반사메탈을 포함한다. 상기 보호층은 일면에서 상기 p형 반도체층과 접하도록 형성된 ZnO층을 포함하며, 상기 ZnO층의 반대편 면에는 상기 반사메탈의 측면과 상부를 덮도록 오목부 형성된다.
바람직하게는, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 각각은 III족 질화물 반도체층을 포함한다.
특허청구범위 및 상세한 설명에서, 용어 '성장기판'은 화합물 반도체층들을 성장시키는 기판으로 정의되고, 용어 '본딩기판'은 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 2차 기판으로 정의되며, 용어 '기판'은 성장기판과 본딩기판을 모두 포함할 수 있는 것으로 정의된다.
본 발명에 따르면, 광 추출면, 특히, n형 화합물 반도체층의 표면에 다수의 콘들을 포함하는 거친 면을 형성하고, 그 콘틀 각각의 경사면에 투명 절연 재료로 돌기들을 추가로 형성함으로써, 전반사로 인해 콘 내부에 트랩되거나 에피 내로 되돌아오는 광의 양을 크게 줄일 수 있으며, 이를 통해, 발광다이오드의 광 추출 효율을 크게 높일 수 있다. 특히, 돌기들을 형성하는 있어서 특히 선호되는 투명 절연재료인 TiO2는 굴절률이 2.5로 GaN과 거의 같아 콘 경사면에 돌기 형태로 형성될 때 광 추출에 특히 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에서 발광다이오드의 주요 부분 A를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 PEC 에칭 기술에 의해 형성된 콘의 형태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들과 종래 기술의 광 추출 특성을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 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, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이며, 도 2는 도 1에서 발광다이오드의 주요 부분을 확대한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광다이오드는 본딩기판(10)과, 발광 적층 체(20)를 포함한다.
본딩기판(10)은 화합물 반도체층들을 성장시키기 위한 성장기판과 구분되며, 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 2차 기판이다. 상기 본딩기판(10)은 금속 기판과 같은 도전성 기판이거나 또는 사파이어 기판과 같은 절연성 기판일 수 있다. 화합물 반도체층의 성장기판으로 사파이어 기판을 이용하는 경우, 성장기판과 동일한 열팽창계수를 갖기 때문에 사파이어 기판을 본딩기판으로 이용하면, 성장기판을 제거할 때, 웨이퍼 휨을 방지할 수 있으며, 또한 화합물 반도체층들을 포함하는 발광 적층체(20)를 견고하게 지지할 수 있다.
본 실시예에서, 발광 적층체(20)는 본딩기판(10) 상에 위치하며, 상기 본딩기판(10)으로부터 멀어지는 방향으로 p형 화합물 반도체층(21), 활성층(22) 및 n형 화합물 반도체층(23)을 순서대로 포함한다. 상기 본딩기판(10)과 상기 p형 화합물 반도체층(21) 사이에는 본딩메탈(11), 보호층(13) 및 반사메탈(또는, p형 반사 전극; 12)이 개재된다. 상기 보호층(13)은 반사메탈(12)의 보호를 위해 일면에서 상기 p형 화합물 반도체층과 접하도록 형성된 ZnO층이며, 상기 ZnO층(13)의 반대편 면에는 상기 반사메탈(12)의 측면과 상부를 덮도록 오목부(132)가 형성되어 있다. 상기 오목부(132)를 메우도록 반사메탈(12)이 형성되어, 반사메탈(12)과 ZnO층(13)은 모두 본딩메탈(11)과 접해 있다.
상기 ZnO층(13)은 성장기판(미도시됨) 상에서 n형 화합물 반도체층(23), 활성층(22) 및 p형 화합물 반도체층(21)을 성장한 후 액상 증착법을 통해 ZnO를 증착하여 형성된다. ZnO는 수산화아연 Zn1 -x(OH)x와 물의 수용액에 전극을 형성한 화합물 반도체 적층체를 넣어 약 100℃에서 증착된다. 시간당 1㎛ 의 빠른 속도로 증착 가능하고 ZnO의 안정성 또한 뛰어나다. ZnO는 자연적으로 n 극성 도핑되며 p-GaN과의 접촉 저항 또한 낮다. ZnO층(13)이 형성되면 ZnO층(13)의 일면에 ICP 에칭을 통해 균일한 면을 포함하는 오목부(132)를 형성하고 상기 오목부(132)에 Ag와 같은 반사메탈(12)을 증착하여 채운다. 다음, Au/Sn과 같은 본딩메탈(11)을 이용하여 본딩 기판(10)을 반사메탈(12) 및 ZnO층(13)이 형성된 적층체에 접합한다. 이때, 본딩메탈(11)은 반사메탈(12)과 ZnO층(13) 모두에 접한다.
p형 화합물 반도체층(21), 활성층(22) 및 n형 화합물 반도체층(23)은 III족 질화물 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체로 형성될 수 있다. n형 화합물 반도체층(23) 및 p형 화합물 반도체층(21)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, n형 화합물 반도체층(23) 및/또는 p형 화합물 반도체층(21)은 콘택층과 클래드층을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(22)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조일 수 있다. 저항이 상대적으로 작은 n형 화합물 반도체층(23)이 본딩기판(10)으로부터 가장 멀게 위치함으로써, 광이 주로 추출되는 n형 화합물 반도체층(23)의 상부면에 거친 면(24)을 형성하는 것이 용이하다. 상기 거친 면(24)은 활성층(22)에서 생성된 발광다이오드의 광 추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
n형 화합물 반도체층(23)의 거친 면(24)은 복수의 콘(242; 도 2 참조)들을 포함한다. 또한, 상기 n형 화합물 반도체층(23)의 상면, 즉, 사파이어 기판과 같은 성장기판의 제거를 통해 노출된 상기 n형 화합물 반도체층(23)의 상면에는 n형 전극 패드(65)가 형성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 육각 등방성을 갖는 다수의 콘(242)들을 포함하는 거친 면(24)이 PEC 에칭(photo electro chemical etching) 기술에 의해 n형 화합물 반도체층(23)의 상면에 형성된다. 상기 거친 면(24)은 콘(242)들에 의해 광 추출 효율을 높일 수 있다.
PEC 에칭은 발광 다이오드에 GaN의 에너지 밴드갭보다 에너지가 큰 자외선 영역의 광을 쏘여주면서 수용액 상태에서 수행될 수 있다. PEC 에칭은 예를 들어 KOH 용액을 전해액으로, Xe 램프를 광원으로 사용하여 PEC 에칭을 수행할 수 있다. 이때, KOH 용액에는 산화제와 Ga2O3 같은 중간체를 에칭하는 에천트가 포함될 수 있다. 한편, 광원으로는 Hg 램프가 사용될 수도 있다. 이에 따라, n형 화합물 반도체층의 표면들이 에칭되어진다. n형 화합물 반도체층의 표면들이 에칭되는 것은 반도체층의 결정성 방향과 관계가 있다. 즉, 반도체층의 표면에 PEC(photo electro chemical) 에칭을 수행하게 되면 반도체층 표면의 결정 방향 차이에 의해 콘(242)이 형성된다.
결정성을 가지는 화합물 반도체층에 대하여 PEC(photo electro chemical) 에칭을 수행하게 되는 경우, 표면의 결정 방향에 따라 에칭의 진행 속도에 차이가 있다. 이에 따라, 표면에서 물질의 결정면을 따라 에칭이 진행되며 결과적으로 결정면이 드러나도록 에칭이 이루어진다.
이 과정 중에 표면에는 피라미드 형태의 콘(242)들이 형성되어진다. GaN의 10-1-1면은 안정하기 때문에 일반적으로 육각형태의 피라미드 콘이 형성되어진다. 또한 표면에 형성되는 콘들은 GaN내에 존재하는 결정 결함과 연관되어져 있다. 그렇기 때문에 표면에는 여러 형태의 피라미드 콘들이 형성되어지거나 이러한 콘이 형성되지 않은 표면이 존재하게 된다.
도 3은 PEC 에칭에 의해 형성된 거친 면을 보여주는 SEM 사진으로서, 이를 참조하면. PEC 에칭에 의해 다수의 콘들을 갖게 된 n형 반도체층 상부의 거친 에칭 표면을 볼 수 있다. 각 콘의 형상들을 보면 전체적으로 끝 부분이 날카로운 경사면을 가지며 그 경사면은 매끈하게 되어 있다. 이러한 매끈한 경사면은 내부 전반사에 의해 여러 경로의 광을 외부로 내보내지 못할 우려가 있다.
다시 도 2를 참조하면, 콘(242)의 매끈한 경사면을 거친 면으로 만드는 복수의 돌기(32)들이 형성됨을 볼 수 있다. 이 돌기(32)는 투명의 절연 재료, 여기에서는, TiO2를 n형 화합물 반도체층의 상부 거친 면(24)에 대하여 증착함으로써 형성된다. 상기 돌기(32)들은 투명의 절연 재료층, 즉, TiO2층(30)이 거친 표면을 갖도록 증착됨으로써 형성될 수 있는데, 거친 정도는 증착 조건에 따라 달라질 수 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, TiO2층(30)이 콘(242)의 경사면을 연속적으로 덮고 있지만, 증착 조건에 따라, TiO2는 연속적인 층을 이루지 않고서도 그레인들의 형태로 콘(242)의 경사면에 증착되어 그 경사면에 다수의 돌기들을 형성할 수 있다(도 4 참조) 또한, 증착 조건에 따라 TiO2의 크기를 다르게 할 수 있다.
도 4는 TiO2가 다수의 그레인 형태로 콘(242)에 증착되어 다수의 돌기들(37)을 형성하는 변형된 실시예를 보여준다. TiO2를 그레인 형태로 증착하는 장비로서, SPS(park plasma sintering) 장비가 이용될 수 있다. n형 반도체층(23)의 상부 표면에 다수의 콘(242)이 형성된 웨이퍼를 SPS 장비에 넣고, TiO2 파우더를 이용해 약 700℃에서 대략 1시간 증착하면 플라즈마에 의해 산개된 TiO2 파우더가 1~2㎛ 단위로 콘(242)의 경사면에 증착된다. 콘(242)의 경사면에 TiO2 가 증착되어 파티클들이 형성될 때 파티클의 밀도와 크기는 온도와 시간에 따라 좌우되며, 특히, 온도는 700~900 ℃까지 변화시킬 수 있다.
TiO2 그레인을 미리 제작해 콘(242)의 경사면에 결합시킬 수 있으며, TiO2 그레인의 제작법으로는 수열합성법(Hydrotheraml Synthesis), 글리콜산 합성법, 소결을 이용하는 셀 어셈블리(cell assembly)법 등이 이용될 수 있다.
도 5의 (a), (b) 및 (c)는 콘의 경사면에서의 종래기술의 본원발명의 광 추출 특성을 비교하여 설명하기 위한 도면들이다. 도 5의 (a)는 종래기술에 따라 콘의 경사면이 매끄러운 경우의 광 추출 특성을 보여주며, 도 5의 (b) 및 (c) 투명 절연재료 또는 투명의 유전물질에 의해 콘의 경사면에 돌기들이 형성된 경우의 광 추출 특성을 보여준다.
종래의 경우, 도 5의 (a)에 보여지는 바와 같이, 소정 경로의 광이 콘(242)의 경사면에서 전반사를 일으켜 외부로 출사되지 못하는 것을 보여주며, 종래의 경우, 많은 경로의 광이 콘(242)의 경사면을 통해 외부로 나가지 못하고 콘(242) 내부에 트랩되거나 다시 발광 적층체(20; 도 1 참조)로 돌아와 손실될 우려가 크다. 반면, 도 5의 (b) 및 (c)에 보여지는 바와 같이, 투명 절연 재료에 의해 돌기(32 또는 37)들이 콘(242)의 경사면에 형성되면, 더 많은 경로의 광이 상기 돌기(32)에 의해 외부로 나갈 수 있게 된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 본딩기판 11: 본딩메탈
12: 반사메탈 13: 보호층 또는 ZnO층
20: 발광 적층체 21: p형 반도체층
22: 활성층 23: n형 반도체층
24: 거친 면 242: 콘
32, 37: 돌기

Claims (9)

  1. 발광다이오드에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 배치되며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 적층체;
    상기 발광 적층체의 광 추출면에 형성된 복수의 콘(cone)들; 및
    상기 콘들 각각의 경사면에 복수의 돌기들을 형성하도록 제공되는 투명 절연재료를 포함하며,
    상기 투명 절연 재료는 상기 콘들을 포함하는 상기 광 추출면에 증착되어 상기 돌기들을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 적층체는 상기 활성층을 기준으로 상기 기판과 가까운 p형 반도체층과 반대편의 n형 반도체층을 포함하며, 상기 콘들은 상기 n형 반도체층의 상부 표면을 PEC 에칭하여 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 투명 절연 재료는 TiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기들은 상기 콘의 경사면을 연속적으로 덮는 투명 절연층에 포함된 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기들은 투명 절연재료가 상기 콘의 경사면에 그레인 형태로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 기판은 본딩 기판이며, 상기 본딩 기판과 상기 p형 반도체층 사이에 본딩메탈, 보호층 및 반사메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 보호층은 일면에서 상기 p형 반도체층과 접하도록 형성된 ZnO층을 포함하며, 상기 ZnO층의 반대편 면에는 상기 반사메탈의 측면과 상부를 덮도록 오목부 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 각각은 III족 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
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