KR101211322B1 - Method for manufacturing flexible GaN light emitting diode and flexible GaN light emitting diode manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드가 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법은 실리콘 기판 상에 질화갈륨 발광다이오드 소자층을 적층하는 단계; 상기 소자층 상에 금속층을 적층하여 오믹(Ohmic) 컨택을 형성하는 단계; 상기 금속층을 포함하는 상기 질화갈륨 발광다이오드의 소자영역을 실리콘 희생기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및 상기 소자층 상에 투명 패시베이션층을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드는 플렉서블의 가요성에 기인하여, 종래의 질화갈륨 발광다이오드의 한계로 지적받았던 기판의 부정합, 고정성 등을 효과적으로 극복할 수 있다.Provided are a method of manufacturing a flexible gallium nitride light emitting diode and a flexible gallium nitride light emitting diode manufactured thereby.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a flexible gallium nitride light emitting diode, comprising: stacking a gallium nitride light emitting diode device layer on a silicon substrate; Stacking a metal layer on the device layer to form an ohmic contact; Separating the device region of the gallium nitride light emitting diode including the metal layer from a silicon sacrificial substrate and transferring the same to a flexible substrate; And coating a transparent passivation layer on the device layer, and the flexible gallium nitride light emitting diode according to the present invention has been pointed out as a limitation of the conventional gallium nitride light emitting diode due to the flexibility of the flexible. Can effectively overcome the mismatch, fixedness, and the like.
Description
본 발명은 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드에 관한 것으로 보다 상세하게는 경성 기판이 아닌 플렉서블 기판에 경제적인 방식으로 구현된 플렉서블 발광다이오드 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a flexible gallium nitride light emitting diode and a flexible gallium nitride light emitting diode manufactured by the same, and more particularly, to a flexible light emitting diode manufacturing method implemented in an economical manner on a flexible substrate rather than a rigid substrate, The present invention relates to a flexible gallium nitride light emitting diode.
울자이츠(Wurtzite)구조를 가지는 질화갈륨은 상온에서 3.4 eV의 직접 천이형 밴드갭을 가지며 청색 및 자외선 영역의 발광다이오드 (light emitting diode : LED)와 레이저 다이오드 (laser diode : LD) 소자에 유용하게 사용된다. 특히, 울자이츠 구조를 가지며 밴드갭이 각각 1.9 eV 와, 6.2 eV 인 질화인듐 (InN), 질화 알루미늄(AlN)과 연속적인 고용체를 형성할 수 있기 때문에 불순물의 활성에너지 및 도핑 농도에 따라 파장 조절이 가능하므로 조성에 따른 삼원계 질화물을 제조하여 파장의 선택 범위가 넓은 가시 발광다이오드의 제작이 가능하다.Gallium nitride with a Wurtzite structure has a direct transition bandgap of 3.4 eV at room temperature and is useful for light emitting diodes (LEDs) and laser diode (LD) devices in the blue and ultraviolet regions. Used. In particular, since it has a woolzite structure and can form a continuous solid solution with indium nitride (InN) and aluminum nitride (AlN) having a band gap of 1.9 eV and 6.2 eV, respectively, the wavelength is controlled according to the active energy and the doping concentration of the impurity. Since it is possible to manufacture a ternary nitride according to the composition it is possible to manufacture a visible light emitting diode having a wide selection range of wavelength.
이렇게 좋은 응용성을 가진 질화갈륨은 물질의 특성상 벌크 형태의 단결정 제조가 매우 어려워 현재 상업화 된 것은 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD)을 이용하여 기판 위에 에피층을 성장한 박막물질을 사용한다. 따라서 질화갈륨박막은 호모 에피텍셜 성장보다 헤테로 에피텍셜 성장이 더 일반적이며, 이에 따른 기판의 선택이 근본적인 문제로 대두된다. 질화갈륨박막 성장에 사용되는 이종 기판으로는 딱딱한 성질(경성)의 사파이어 (sapphire: α-Al2O3) 이 대표적이나 질화갈륨과의 격자부정합의 차이가 a축 의 경우 16 %나 되므로 박막 성장 초기부터 발생하는 부정합 전위, 실(threading) 전위, 적층결함 및 반전 도메인경계 (IDB: inversion domain boundary) 등의 결함이 관찰된다. Since gallium nitride has such a high applicability, it is very difficult to manufacture bulk single crystals due to the characteristics of the material. use. Therefore, the gallium nitride thin film is more heterogenous epitaxial growth than homo epitaxial growth, the substrate selection is a fundamental problem. As a heterogeneous substrate used for gallium nitride thin film growth, sapphire (α-Al2O3) of hard nature is typical, but the difference in lattice mismatch with gallium nitride is 16% in the a-axis, so it occurs from the beginning of thin film growth. Defects such as misfit dislocations, threading dislocations, stacking defects, and inversion domain boundaries (IDB) are observed.
본 발명이 해결하려는 과제는 새로운 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a novel flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method.
본 발명이 해결하겨는 과제는 새로운 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a novel flexible gallium nitride light emitting diode.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 상에 질화갈륨 발광다이오드 소자층을 적층하는 단계; 상기 소자층 상에 금속층을 적층하여 오믹(Ohmic) 컨택을 형성하는 단계; 상기 금속층을 포함하는 상기 질화갈륨 발광다이오드의 소자영역을 실리콘 희생기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및 상기 소자층 상에 투명 패시베이션층을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of stacking a gallium nitride light emitting diode device layer on a silicon substrate; Stacking a metal layer on the device layer to form an ohmic contact; Separating the device region of the gallium nitride light emitting diode including the metal layer from a silicon sacrificial substrate and transferring the same to a flexible substrate; And it provides a flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method comprising the step of coating a transparent passivation layer on the device layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소자영역의 소자층은 상기 소자영역 외의 소자층과 브릿지 구조로 연결된다.In an embodiment of the present invention, the device layer of the device region is connected to the device layer outside the device region in a bridge structure.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소자층은 상기 실리콘 기판에 순차적으로 적층된 AlN/n-GaN/p-GaN 구조이며, 상기 금속층은 상기 소자영역 내에 2개 구비되며, 이 중 하나는 식각된 n-GaN 상에, 나머지 하나는 p-GaN 상에 구비된다.In an embodiment of the present invention, the device layer has an AlN / n-GaN / p-GaN structure sequentially stacked on the silicon substrate, and two metal layers are provided in the device region, one of which is etched n. On -GaN, the other is provided on p-GaN.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 방법에 따라 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공한다. The present invention provides a flexible gallium nitride light emitting diode prepared according to the above-described method and a biosensor including the same in order to solve the above another problem.
본 발명은 또한 실리콘 기판 상에 질화갈륨 발광다이오드의 AlN/n-GaN/p-GaN 구조의 소자층을 적층하는 단계; 상기 소자층을 식각하여, n-GaN을 외부로 노출시키는 단계; 상기 노출된 n-GaN과 p-GaN 상에 각각 제 1 금속층 및 제 2 금속층을 적층하여 오믹(Ohmic) 컨택을 형성하는 단계; 제 1 금속층 및 제 2 금속층을 포함하는 상기 질화갈륨 발광다이오드의 소자영역을 정의하고, 상기 소자영역 외부의 실리콘 기판을 외부로 노출시키는 단계; 상기 소자영역의 소자층을 상기 실리콘 기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및 상기 소자층 상에 투명 패시베이션층을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method of fabricating an AlN / n-GaN / p-GaN structure layer of a gallium nitride light emitting diode on a silicon substrate; Etching the device layer to expose n-GaN to the outside; Stacking a first metal layer and a second metal layer on the exposed n-GaN and p-GaN, respectively, to form an ohmic contact; Defining a device region of the gallium nitride light emitting diode including a first metal layer and a second metal layer, and exposing a silicon substrate outside the device region to the outside; Separating the device layer of the device region from the silicon substrate, and transferring the device layer to the flexible substrate; And it provides a flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method comprising the step of coating a transparent passivation layer on the device layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 균일 높이의 지지금속층을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 소자영역의 소자층은 상기 소자영역 외의 소자층과 브릿지 구조로 연결된다. In an embodiment of the present invention, the method further includes stacking a support metal layer having a uniform height on the first metal layer and the second metal layer, wherein the device layer of the device region is a bridge structure with a device layer other than the device region. Leads to.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전사는 폴리디메틸실록산층을 상기 지지금속층에 접합시킨 후, 상기 플렉서블 기판에 이를 옮기는 방식으로 진행되며, 상기 전사에 의하여, 상기 브릿지 구조가 끊어진다. In one embodiment of the present invention, the transfer is performed by bonding a polydimethylsiloxane layer to the support metal layer, and then transferring it to the flexible substrate, and the bridge structure is broken by the transfer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 전사 후 상기 지지금속층을 제거하는 단계를 더 포함하며, 상기 방법은 상기 지지금속층 제거 후, 상기 제 1 금속층 및 제 2 금속층과 각각 연결되는 제 1 금속배선층 및 제 2 금속배선층을 적층하는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the method further includes removing the support metal layer after the transfer, and the method further includes: removing the support metal layer, and then connecting the first metal layer and the second metal layer to the first metal wiring layer, respectively. And laminating a second metal wiring layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 금속배선층 및 제 2 금속배선층은 상기 복수 개의 소자영역의 소자층과 공통으로 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 금속배선층은 상기 제 1 및 제 2 금속층 상에 적층된 절연층 상에 적층되며, 상기 제 1 및 제 2 금속층은 상기 제 1 및 제 2 금속배선층과 전기적으로 수직 연결된다. In an embodiment of the present invention, the first metal wiring layer and the second metal wiring layer are commonly connected to the device layers of the plurality of device regions, and the first and second metal wiring layers are disposed on the first and second metal layers. The first and second metal layers may be electrically connected to the first and second metal wiring layers.
본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공한다. The present invention also provides a flexible gallium nitride light emitting diode manufactured by the above-described method and a biosensor comprising the same.
본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오 센서는 상기 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드로부터의 빛을 이용, 용액 내에서 바이오 물질을 센싱하며, 상기 바이오 센서는 바이오 물질간의 결합이 이루어지는 투명기판; 상기 투명기판에 빛을 조사하는 제 14항의 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드; 상기 투명기판을 관통하는 빛의 세기를 검출하기 위한 광 검출부를 포함하며, 여기에서 상기 바이오 물질간의 결합에 따라 상기 투명기판에 금속 나노입자가 결합된다. 이때 상기 금속 나노입자 결합에 따라 상기 빛의 세기가 감소한다. In an embodiment, the biosensor may be configured to sense a biomaterial in a solution by using light from the flexible gallium nitride light emitting diode, and the biosensor may include a transparent substrate on which biomaterials are bonded; A flexible gallium nitride light emitting diode according to claim 14 for irradiating light to the transparent substrate; It includes a light detector for detecting the intensity of light passing through the transparent substrate, wherein the metal nanoparticles are bonded to the transparent substrate in accordance with the bonding between the biomaterials. At this time, the light intensity decreases as the metal nanoparticles are bonded.
본 발명은 또한 플렉서블 질화갈륨 백색 발광다이오드 제조방법으로, 상기 방법은 상술한 단계의 방법 및 상기 패시베이션층 상에 형광체을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 백색 발광다이오드 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for manufacturing a flexible gallium nitride white light emitting diode, the method further comprises the method of the above-described step and the step of depositing a phosphor on the passivation layer. do.
본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드는 플렉서블의 가요성에 기인하여, 종래의 질화갈륨 발광다이오드의 한계로 지적받았던 기판의 부정합, 고정성 등을 효과적으로 극복할 수 있다. 특히 본 발명에 따라 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드는 굽힘과 폄을 반복하여 2000회 실시한 경우에도, 우수한 I-V 특성을 나타내었으며, 이것은 본 발명에 따라 제조된 질화갈륨이 평평한 구조뿐만 아니라, 플렉서블 구조에서도 사용될 수 있음을 실험적으로 증명한다.Due to the flexibility of the flexible gallium nitride light emitting diode according to the present invention, it is possible to effectively overcome misalignment, fixability, and the like of the substrate, which has been pointed out as a limitation of the conventional gallium nitride light emitting diode. In particular, the flexible gallium nitride light-emitting diode prepared according to the present invention exhibited excellent IV characteristics even after repeated bending and bending 2000 times, which is not only a flat structure but also a flexible structure of gallium nitride prepared according to the present invention. Experimentally prove that it can be used.
도 1 내지 16은 본 발명에 따른 플렉서블 바이오 센서 제조방법의 단계별 도면이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드의 피크 파장 변화의 측정 결과 그래프이다.
도 18과 19는 굽힘과 폄을 반복하는 테스트(벤딩 테스트)에 대한 사진과 이에 따른 I-V 특성 결과 그래프이다.
도 20은 벤딩 반경(구부러짐 정도)에 따른 피크 파장의 변화 결과를 나타낸다.
도 20을 참조하면, 벤딩 반경의 편차에도 불구하고, 일정한 피크 파장을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 21은 형광체층(504) 적층 후 얻어지는 백색광 LED의 PL(광형광) 측정 결과이다.
도 22는 본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드를 바이오 센싱에 이용되는 예를 설명하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 시스템의 구조이고, 도 24는 도 23의 바이오 센서 시스템을 이용, PSA 농도 증가에 따른 빛의 강도 감소를 증명하는 그래프이다.1 to 16 is a step-by-step diagram of a flexible biosensor manufacturing method according to the present invention.
FIG. 17 is a graph showing measurement results of peak wavelength changes of a flexible gallium nitride light emitting diode manufactured according to the present invention. FIG.
18 and 19 are photographs and a graph of IV characteristic results according to a test (bending test) which repeats bending and bending.
20 shows the result of change in peak wavelength according to bending radius (degree of bending).
Referring to FIG. 20, it can be seen that despite the deviation of the bending radius, it exhibits a constant peak wavelength.
Fig. 21 is a result of measuring PL (optical fluorescence) of the white light LED obtained after the
FIG. 22 is a view illustrating an example in which a flexible gallium nitride light emitting diode according to the present invention is used for bio sensing.
FIG. 23 is a structure of a biosensor system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a graph illustrating a decrease in light intensity according to an increase in PSA concentration using the biosensor system of FIG. 23.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals denote like elements throughout the specification, and the accompanying drawings are all interpreted in the form of a cross-sectional view of the entire plan view and the partial cross section A-A '.
본 명세서에서 플렉서블 기판은 유연성, 즉, 플렉서블 특성을 가지는 임의의 모든 기판을 다 포함하는 것으로 해석되며, 보다 명확하게는 플렉서블 중합체 기판을 의미한다. In the present specification, a flexible substrate is interpreted to include any and all substrates having flexibility, ie, flexible characteristics, and more specifically, means a flexible polymer substrate.
본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드는 실리콘 기판 상에 발광다이오드 소자층을 적층한 후, 금속층을 오믹 컨택으로 적층한다. 이후, 상기 오믹 컨택을 포함하는 소자영역을 하부 실리콘 희생기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키며, 이후 투명 패시베이션층을 코팅한다. 본 발명에 따라 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드는 우선 상부에 코팅된 패시베이션층에 의하여 용액 내에서도 빛을 발광할 수 있다. 더 나아가, 플렉서블 기판이 가지는 가요성에 기인하여, 평탄하지 않은 구조에서도 효과적으로 고정되어, 사용될 수 있다. 특히, 본 발명자는 인체 내의 다양한 기관(예를 들면 혈관, 심장 등)에 본 발명에 따른 질화갈륨 발광다이오드가 바이오 센서의 광원으로 사용될 수 있는 점에 주목하였다. 즉, 본원에 따른 발광다이오드 상부에 구비된 패시베이션 층은 혈액이 흐르는 인체 내에서도 안정된 광원을 유지하게 하며, 더 나아가, 주로 평탄하지 않은 인체 기관에서도 본 발명에 따른 질화갈륨 발광다이오드는 효과적으로 고정될 수 있다는 장점이 있다. In the flexible gallium nitride light emitting diode according to the present invention, a light emitting diode device layer is stacked on a silicon substrate, and then a metal layer is stacked in an ohmic contact. Thereafter, the device region including the ohmic contact is separated from the lower silicon sacrificial substrate, transferred to the flexible substrate, and then the transparent passivation layer is coated. The flexible gallium nitride light emitting diode prepared according to the present invention may first emit light even in a solution by using a passivation layer coated on the top. Furthermore, due to the flexibility of the flexible substrate, it can be effectively fixed and used even in a non-flat structure. In particular, the inventors noted that the gallium nitride light emitting diode according to the present invention can be used as a light source of a biosensor in various organs (for example, blood vessels, heart, etc.) in the human body. That is, the passivation layer provided on the upper portion of the light emitting diode according to the present application maintains a stable light source even in the human body in which blood flows, and furthermore, the gallium nitride light emitting diode according to the present invention can be effectively fixed even in a non-flat human organ. There is an advantage.
아래의 도면은 본 발명의 다양한 형태의 실시태양을 연속적인 공정으로 표현한 것으로, 아래 도면에서 설명되는 공정의 전체 단계가 하나의 발명으로 해석되지 않는다. The drawings below represent various forms of embodiments of the invention in a continuous process, and the overall steps of the process described in the following figures are not to be construed as one invention.
도 1 내지 16은 본 발명에 따른 플렉서블 바이오 센서 제조방법의 단계별 도면이다.1 to 16 is a step-by-step diagram of a flexible biosensor manufacturing method according to the present invention.
도 1에서는 (1,1,1) 결정 구조인 단결정 실리콘 기판(200)이 개시된다. In FIG. 1, a single
도 2를 참조하면, 상기 단결정 실리콘 기판(200) 상에 질화갈륩(GaN) 박막(201)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 질화갈륨 박막은 접합층인 AlN층 상에 n-GaN/p-GaN층이 순차적으로 적층된 형태이다. Referring to FIG. 2, a GaN
도 3을 참조하면 상기 질화갈륨 박막의 상부 p-GaN층을 패터닝하여, 중간의 n-GaN을 소정 간격으로 노출된, n-GaN 컨택(202)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 n-GaN 컨택(202)은 소정 너비와 길이의 직사각형 형태로서, 소정 간격만큼 이격된 구조이다. Referring to FIG. 3, the upper p-GaN layer of the gallium nitride thin film is patterned to form an n-
도 4를 참조하면, 상기 n-GaN 컨택(202) 영역 내부 및 및 n-GaN 컨택(202) 영역 바깥에 제 1 금속층(203)을 적층하여, 오믹 컨택 구조를 만든다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속층(203)은 순차적으로 크롬(10nm) 및 금(100nm)을 적층한 후, 600℃로 1분간 어닐링하는 방식으로 제조되었다. 또한 상기 금속층(203)은 상기 n-GaN 컨택(202) 영역 내부 및 컨택 영역 사이의 등거리 지점에 직사각형 형태로 형성된다. Referring to FIG. 4, a
도 5를 참조하면, 상기 기판 상에 GaN 지지용 금속층(204)이 적층되며, 이로써 n-GaN 컨택 영역(202)과 금속층(203)이 모두 GaN 지지용 금속층(204)에 의하여 마스킹된다. Referring to FIG. 5, a GaN
도 6을 참조하면, 상기 소자 기판을 패터닝하여, n-GaN 컨택(202) 영역 내의 제 1 금속층과 n-GaN 컨택(202) 영역 바깥의 제 2 금속층이 각각 하나의 쌍을 이루는 소자층(205) 영역을 정의한다. 여기에서 소자층(205)이란 하나의 질화갈륨 발광다이오드 소자를 이루는 단위 소자를 의미한다. 상기 패터닝을 통하여, 실리콘 기판(200) 상에 구비된 소자층들은 모두 제거되며, 특히 소자영역의 소자층은 소자영역(205) 외의 소자층(207)과 얇은 너비의 브릿지(206)를 통하여 서로 연결된다. 즉, 상기 브릿지 구조를 통하여, 소자영역의 소자층은 실리콘 기판(200) 상에 고정된 상태를 유지하나, 외부 힘에 의하여 쉽게 끊어지는 브릿지(207)의 좁은 너비 구조에 의하여 상기 소자영역(205)은 용이하게 기판으로부터 분리될 수 있다. 특히 도 6에 따른 패터닝을 통하여, 소자 영역(205)을 정의하는 소자 영역(205) 외부의 실리콘 기판(200)이 외부로 노출되며, 이는 상기 소자 영역(205)의 소자층을 분리시키기 위한 식각 공정의 시작지점이 된다. Referring to FIG. 6, the device substrate is patterned so that a first metal layer in an n-
도 7을 참조하면, 외부로 노출된 외부 실리콘 기판(200)을 식각하여, 소자층(205) 영역 하부의 실리콘 기판을 제거한다. 이로써 실리콘 기판 상에 적층된 소자층은 하부 기판으로부터 분리되나, 하부 실리콘 기판이 제거되지 않은 소자영역 외의 소자층과 연결된 브릿지(206)를 통하여, 고정된 상태를 유지한다. Referring to FIG. 7, the
도 8을 참조하면, 상기 소자층(205) 상에 전사층(210)이 접촉, 결합한다. 본 발명의 일 실시예에서는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 상기 전사층(210)의 기본 기판으로 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 여기에서 상기 전사층(210)에는 소정의 접합물질이 도포된 상태로서, 소자층(205)과 전사층(210) 사이의 접합력에 의하여, 상기 소자층(205)의 브릿지(206) 구조는 쉽게 끊어지며, 이에 따라 전사층(210)에 질화갈륨 발광다이오드의 소자층(205)이 옮겨질 수 있다. Referring to FIG. 8, the
도 9는 전사층(210)을 들어올림에 따라 전사층에 질화갈륨 발광다이오드의 소자층(205)이 하부 기판(200)으로부터 분리된 후의 모습이다.9 is a view after the
도 10은 질화갈륨 발광다이오드 소자가 옮겨지는 플렉서블 기판(500)을 개시한다. 본 발명에서 플렉서블 기판의 물질로 다양한 소재가 사용될 수 있으며, 일반적으로는 플렉서블한 특성을 갖는 고분자 물질을 포함하는 것이 바람직하다. FIG. 10 discloses a
도 11은 상기 플렉서블한 플렉서블 기판(500)상에 도 9의 전사층이 접근하여, 상기 전사층(210) 상에 접착된 질화갈륨 발광다이오드 소자층(205)이 플렉서블 기판(500)에 접촉한다. 상기 플렉서블 기판(500)상에는 에폭시 등과 같은 임의의 접착물질(미도시)이 도포된 상태로서, 상기 접촉에 따라 소자층 하부의 GaN 박막이 플렉서블 기판(500)과 접촉한다. FIG. 11 illustrates that the transfer layer of FIG. 9 approaches the flexible
도 12를 참조하면, 도 11의 접촉 후, 전사층(210)을 다시 위로 이동시키게 되며, 이로써 상부에 GaN 지지 금속층(204)이 하부의 GaN 박막 및 금속층을 보호하는, 소자층이 외부로 노출된다. 따라서, 상기 GaN 지지 금속층(204)은 전사층(210)과의 균일한 접촉을 가능하게 하는 기능층으로 기능하며, 특히 컨택 영역의 금속층과 컨택 영역 바깥의 금속층의 높이 차를 효과적으로 극복하게 한다. 따라서, 도 12에서와 같이 플렉서블 기판(500)으로 소자층이 전사된 후, 상부의 GaN 지지 금속층(204)은 식각 공정을 통하여 제거되며, 이에 따라 금속층(203)이 외부로 노출된 소자층(208)이 플렉서블 기판에 제조된다.Referring to FIG. 12, after the contact of FIG. 11, the
도 13을 참조하면, 플렉서블 기판(500) 상에 에폭시 층과 같은 절연층(501)을 적층한 후, 소자층(208)의 금속층(203)을 외부로 노출시킨다. Referring to FIG. 13, after the insulating
도 14를 참조하면, 상기 외부로 노출된 소자층의 금속층(203)과 전기적으로 수직 연결되고, 다시 외부의 전극 패드에 연결된 금속배선층(502)을 적층시킨다. 이때 상기 금속배선층은 n-GaN 컨택(202) 영역 내의 제 1 금속층과 n-GaN 컨택(202) 영역 바깥의 제 2 금속층을 구별하여 연결한다. 즉, 도 14의 제 1 금속배선(502a)과 제 2 금속배선(502b)은 단위 발광다이오드의 두 개의 금속층(제 1 금속층, 제 2 금속층)과 각각 연결되며, 복수의 단위 발광다이오드 소자(복수 소자영역)로부터 제 1 금속배선과 제 2 금속배선이 공통으로 연결되어, 하나의 금속패드를 이루게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속배선으로 크롬/금의 금속층을 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Referring to FIG. 14, a
도 15를 참조하면, 상기 금속배선(502)가 적층된 플렉서블 기판상에 패시베이션층(503)이 적층된다. 본 발명은 상술한 바와 같이 외부로 빛을 발생시키는 기능을 수행하는 발광다이오드인 바, 상기 패시베이션층은 SU8, PI, PU, 테프론 등과 같은 투명 물질인 것이 바람직하다. 패시베이션층(503) 적층 후 복수의 단위소자로부터의 금속배선(502)들과 공통으로 연결된 금속패드 일부를 외부로 노출시켜, 전력을 상기 단위소자들에 공급할 수 있게 하였다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 패시베이션층은 테프론인 PTFE을 사용하였으며, 직접 도포, 스핀코팅, 바코팅 등의 다양한 방법으로 코팅되며, 상온 경화, 고온 경화 보두 가능하였다. 이상의 공정으로 질화갈륨 발광다이오드 소자의 기본 발광 구조가 완성된다. Referring to FIG. 15, a
이후, 청색광을 발광하는 질화갈륨 발광다이오드로부터 백색광을 얻기 위한 형광체층이 도포되는데, 이는 도 16에 예시된다. 하지만 노란색의 형광체층 적층은 디스플레이와 같은 전자기기에 사용되는 경우, 필요한 단계로서, 단순한 바이오 센서의 광원으로 사용되는 경우, 하기 도 16의 단계는 생략될 수 있다.Thereafter, a phosphor layer for obtaining white light from a gallium nitride light emitting diode emitting blue light is applied, which is illustrated in FIG. However, the yellow phosphor layer stack is a necessary step when used in an electronic device such as a display, and when used as a light source of a simple biosensor, the step of FIG. 16 may be omitted.
도 16을 참조하면, 상기 패시베이션층(503) 상에 백생광을 형성하기 위한 형광체층(504)이 도포되며, 상기 형광체층(504)은 상기 질화갈륨 발광다이오드를 모두 커버하는 범위로 도포된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 형광층(504)으로 YAG:Ce 형광체를 사용하였으며, 투명한 본드와 에폭시를 섞어 상기 패시베이션층(503) 상에 코팅한 후, 100도에서 10분 정도 경화하는 방식으로 제조하였다. 도 16의 단계를 통하여, 플렉서블 질화갈륨 백색 발광다이오드가 제조되며, 도 16의 단계를 생략하는 경우에도 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드가 제조될 수 있으며, 이 경우 청색을 발광하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드가 제조된다. Referring to FIG. 16, a
이상의 공정을 통하여, 플렉서블 기판(500) 상에 하나 이상의 질화갈륨 발광다이오드 단위소자가 구비된 형태의 발광다이오드가 제조된다. 특히 플렉서블의 가요성에 기인하여, 종래의 질화갈륨 발광다이오드의 한계로 지적받았던 기판의 부정합, 고정성 등을 효과적으로 극복한다. Through the above process, one or more gallium nitride light emitting diode unit devices are provided on the
도 17은 본 발명에 따라 제조된 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드의 피크 파장 변화의 측정 결과이다.17 is a result of measuring a peak wavelength change of a flexible gallium nitride light emitting diode manufactured according to the present invention.
도 17을 참조하면, 실리콘 기판에서 제조된 발광다이오드(종래기술)의 파장별 강도 특성과 플렉서블 기판에서 제조된 발광다이오드의 특성이 사실상 일치함을 알 수 있다. Referring to FIG. 17, it can be seen that the intensity-specific intensity characteristics of the light emitting diodes (prior art) manufactured on the silicon substrate are substantially identical to those of the light emitting diodes manufactured on the flexible substrate.
도 18과 19는 굽힘과 폄을 반복하는 테스트(벤딩 테스트)에 대한 사진과 이에 따른 I-V 특성 결과이다.18 and 19 are photographs and repeated I-V characteristics results for a test (bending test) which repeats bending and bending.
도 18과 19를 참조하면, 굽힘과 폄을 반복하여 2000회 실시한 경우에도, 우수한 I-V 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이것은 본 발명에 따라 제조된 질화갈륨이 평평한 구조뿐만 아니라, 플렉서블 구조에서도 사용될 수 있음을 실험적으로 증명한다.Referring to Figs. 18 and 19, it can be seen that excellent I-V characteristics are exhibited even after repeated bending and 2000 times. This experimentally demonstrates that gallium nitride prepared according to the present invention can be used not only in flat structures but also in flexible structures.
도 20은 벤딩 반경(구부러짐 정도)에 따른 피크 파장의 변화 결과를 나타낸다. 20 shows the result of change in peak wavelength according to bending radius (degree of bending).
도 20을 참조하면, 벤딩 반경의 편차에도 불구하고, 일정한 피크 파장을 나타내는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 20, it can be seen that despite the deviation of the bending radius, it exhibits a constant peak wavelength.
도 21은 형광체층(504) 적층 후 얻어지는 백색광 LED의 PL(광형광) 측정 결과이다.Fig. 21 is a result of measuring PL (optical fluorescence) of the white light LED obtained after the
도 21을 참조하면, 충분한 수준의 백색광이 얻어지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 21, it can be seen that a sufficient level of white light is obtained.
본 발명에 따른 플렉서블 발광다이오드는 광원으로 기능할 뿐만 아니라, 다양한 선세로서 사용가능하다. The flexible light emitting diode according to the present invention not only functions as a light source, but also can be used as various predecessors.
예를 들면, 도 22는 본 발명에 따른 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드를 바이오 센싱에 이용되는 예를 설명하는 도면으로, 전립선암 항체를 이용, 항원(PSA, phospateso antigen)을 센싱하는 예를 나타낸다. For example, FIG. 22 is a view illustrating an example in which a flexible gallium nitride light emitting diode according to the present invention is used for biosensing, and illustrates an example of sensing an antigen (PSA, phospateso antigen) using a prostate cancer antibody.
도 22를 참조하면, 먼저 항체에 금 나노입자(NP)를 붙였으며, 상기 금 나노입자(NP)은 빛의 통과를 막는 역할을 한다. 이후, 항체(Antibody)가 고정된 유리 기판에 검출하고자 하는 항원(PSA)을 흘린다. 이에 따라 항원-항체간 특이 결합을 하게 되고 이후, 상기 기판을 세척한 후 다시 금 나노 파티클이 결합된 상기 항체를 다시 결합시켜 항체-항원-금 나노입자 결합 항체의 구조를 형성시킨다.Referring to Figure 22, first attached gold nanoparticles (NP) to the antibody, the gold nanoparticles (NP) serves to block the passage of light. Thereafter, the antigen (PSA) to be detected is flowed onto the glass substrate to which the antibody is fixed. Accordingly, the antigen-antibody specific binding is performed, and then, the substrate is washed and then the gold nanoparticles are bound again to form the structure of the antibody-antigen-gold nanoparticle binding antibody.
이후 유리기판 아래의 플렉서블 발광다이오드로부터 발생하는 빛이 상기 유리기판을 투과하게 되는데, 만약, 항원의 농도가 커질수록 항원에 결합하는 금 나노입자 결합 항체의 농도 또한 증가하므로, 빛의 세기가 감소하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 플렉서블 발광다이오드는 바이오 물질이 검출되는 투명 기판 기반의 바이오 센서 아래에 위치한다. Thereafter, light generated from the flexible light emitting diode under the glass substrate passes through the glass substrate. If the antigen concentration increases, the concentration of the gold nanoparticle-binding antibody that binds to the antigen also increases, so that the light intensity decreases. do. That is, the flexible light emitting diode according to the present invention is positioned under the transparent substrate-based biosensor in which the biomaterial is detected.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 시스템의 구조이고, 도 24는 도 23의 바이오 센서 시스템을 이용, PSA 농도 증가에 따른 빛의 강도 감소를 증명하는 그래프이다.FIG. 23 is a structure of a biosensor system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a graph illustrating a decrease in light intensity according to an increase in PSA concentration using the biosensor system of FIG. 23.
도 23을 참조하면, 바이오 물질의 특이적 결합이 일어나는 투명기판(710)이 개시된다. 이때 상기 바이오 물질의 특이적 결합에는 금속 나노입자의 결합이 동시에 수반된다. Referring to FIG. 23, a
상기 투명기판(710) 아래에는 소정 간격으로 이격되거나, 또는 상기 투명기판(710)과 밀착 결합된 플렉서블 발광다이오드(720)가 개시되며, 상기 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드(720)는 상술한 방식에 따라 제조되며, 특히 별도의 형광체층이 적층되지 않은 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드가 사용되었다. A flexible
상기 투명기판(710) 위쪽에는 상기 투명기판(710)과 소정 간격으로 이격된 광 검출부(730)가 개시된다. 본 발명에서 상기 광 검출부(730)는 플렉서블 발광다이오드(720)로부터 조사되는 빛의 세기 변화를 측정하며, 빛의 세기 변화는 상기 투명기판(710)에서 진행되는 금속 나노입자의 결합 수준에 따라 결정된다.A
도 24를 참조하면, PSA 농도 증가에 따라 빛의 강도가 감소되며, 도 24의 그래프에서는 농도에 따른 PL데이터 면적 감소를 나타내었다. Referring to FIG. 24, light intensity decreases with increasing PSA concentration, and the graph of FIG. 24 shows a decrease in PL data area according to the concentration.
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 첨부하는 특허청구범위에 의하여 결정되며, 전술한 실시 예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the scope of the present invention is determined by the appended claims and should not be construed as being limited to the embodiments described above.
또한, 당업자에게 자명하고 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 본질에서 벗어나지 않는, 변경, 개량 내지 수정된 기술도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해된다. It is also clearly understood that modifications, improvements or modifications are also included in the scope of the invention, which will be apparent to those skilled in the art and which do not depart from the spirit of the invention as set forth in the claims.
Claims (21)
상기 소자층 상에 금속층을 적층하여 오믹(Ohmic) 컨택을 형성하는 단계;
상기 금속층을 포함하는 상기 질화갈륨 발광다이오드의 소자영역을 실리콘 희생기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및
상기 소자층 상에 투명 패시베이션층을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.Stacking a gallium nitride light emitting diode device layer on a silicon substrate;
Stacking a metal layer on the device layer to form an ohmic contact;
Separating the device region of the gallium nitride light emitting diode including the metal layer from a silicon sacrificial substrate and transferring the same to a flexible substrate; And
Flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method comprising the step of coating a transparent passivation layer on the device layer.
상기 소자영역의 소자층은 상기 소자영역 외의 소자층과 브릿지 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 1,
The device layer of the device region is a flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method, characterized in that connected to the device layer other than the device region in a bridge structure.
상기 소자층은 상기 실리콘 기판에 순차적으로 적층된 AlN/n-GaN/p-GaN 구조인 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 1,
And the device layer has an AlN / n-GaN / p-GaN structure sequentially stacked on the silicon substrate.
상기 금속층은 상기 소자영역 내에 2개 구비되며, 이 중 하나는 식각된 n-GaN 상에, 나머지 하나는 p-GaN 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 3,
Two metal layers are provided in the device region, one of which is on an etched n-GaN and the other on p-GaN.
상기 소자층을 식각하여, n-GaN을 외부로 노출시키는 단계;
상기 노출된 n-GaN과 p-GaN 상에 각각 제 1 금속층 및 제 2 금속층을 적층하여 오믹(Ohmic) 컨택을 형성하는 단계;
제 1 금속층 및 제 2 금속층을 포함하는 상기 질화갈륨 발광다이오드의 소자영역을 정의하고, 상기 소자영역 외부의 실리콘 기판을 외부로 노출시키는 단계;
상기 소자영역의 소자층을 상기 실리콘 기판으로부터 분리하여, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및
상기 소자층 상에 투명 패시베이션층을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.Stacking a device layer having an AlN / n-GaN / p-GaN structure of a gallium nitride light emitting diode on a silicon substrate;
Etching the device layer to expose n-GaN to the outside;
Stacking a first metal layer and a second metal layer on the exposed n-GaN and p-GaN, respectively, to form an ohmic contact;
Defining a device region of the gallium nitride light emitting diode including a first metal layer and a second metal layer, and exposing a silicon substrate outside the device region to the outside;
Separating the device layer of the device region from the silicon substrate, and transferring the device layer to the flexible substrate; And
Flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method comprising the step of coating a transparent passivation layer on the device layer.
상기 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 균일 높이의 지지금속층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the method is
And stacking a support metal layer having a uniform height on the first metal layer and the second metal layer.
상기 소자영역의 소자층은 상기 소자영역 외의 소자층과 브릿지 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 8,
The device layer of the device region is a flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method, characterized in that connected to the device layer other than the device region in a bridge structure.
상기 전사는 폴리디메틸실록산층을 상기 지지금속층에 접합시킨 후, 상기 플렉서블 기판에 이를 옮기는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 9,
The transfer is performed by bonding a polydimethylsiloxane layer to the support metal layer, and then transferring it to the flexible substrate.
상기 전사에 의하여, 상기 브릿지 구조가 끊어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 10,
The bridge structure is broken by the transfer method, characterized in that the flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method.
상기 방법은 상기 전사 후 상기 지지금속층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.12. The method of claim 11,
The method further comprises the step of removing the support metal layer after the transfer method of manufacturing a flexible gallium nitride light emitting diode.
상기 방법은 상기 지지금속층 제거 후, 상기 제 1 금속층 및 제 2 금속층과 각각 연결되는 제 1 금속배선층 및 제 2 금속배선층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.13. The method of claim 12,
And removing the supporting metal layer, and stacking a first metal wiring layer and a second metal wiring layer connected to the first metal layer and the second metal layer, respectively.
상기 소자영역은 복수 개이며, 상기 제 1 금속배선층 및 제 2 금속배선층은 상기 복수 개 소자영역의 소자층과 공통으로 연결된 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법.The method of claim 13,
And a plurality of device regions, wherein the first metal wiring layer and the second metal wiring layer are connected in common to the device layers of the plurality of device regions.
상기 제 1 및 제 2 금속배선층은 상기 제 1 및 제 2 금속층 상에 적층된 절연층 상에 적층되며, 상기 제 1 및 제 2 금속층은 상기 제 1 및 제 2 금속배선층과 전기적으로 수직 연결되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드 제조방법. The method of claim 14,
The first and second metal wiring layers are stacked on an insulating layer laminated on the first and second metal layers, and the first and second metal layers are electrically connected to the first and second metal wiring layers. Flexible gallium nitride light emitting diode manufacturing method characterized in that.
상기 바이오 센서는 상기 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드로부터의 빛을 이용, 용액 내에서 바이오 물질을 센싱하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.18. The method of claim 17,
Wherein the biosensor senses a biomaterial in a solution by using light from the flexible gallium nitride light emitting diode.
바이오 물질간의 결합이 이루어지는 투명기판;
상기 투명기판에 빛을 조사하는 제 16항의 플렉서블 질화갈륨 발광다이오드;
상기 투명기판을 관통하는 빛의 세기를 검출하기 위한 광 검출부를 포함하며, 여기에서 상기 바이오 물질간의 결합에 따라 상기 투명기판에 금속 나노입자가 결합되는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 발광다이오드를 이용한 바이오 센서.A biosensor for sensing a biomaterial in a solution by using light from a flexible gallium nitride light emitting diode,
A transparent substrate on which biomaterials are bonded;
A flexible gallium nitride light emitting diode according to claim 16 for irradiating light onto the transparent substrate;
And a light detector for detecting the intensity of light passing through the transparent substrate, wherein the metal nanoparticles are coupled to the transparent substrate according to bonding between the biomaterials. .
상기 금속 나노입자 결합에 따라 상기 빛의 세기가 감소하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 발광다이오드를 이용한 바이오 센서.20. The method of claim 19,
Bio light sensor using a flexible light emitting diode, characterized in that the intensity of the light decreases in accordance with the metal nanoparticle bond.
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