KR101270056B1 - 반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자 - Google Patents

반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 특히 본 발명은 도전성 반도체층을 형성하는 단계, 상기 도전성 반도체층 아래에 서로 다른 굴절률을 가지는 적어도 두 개의 접촉층이 적어도 일면에서 동일 높이를 가지도록 형성되는 접촉층을 마련하는 단계, 상기 접촉층 아래에 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 수직구조의 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법과 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물 및 이를 채용하는 발광 다이오드 소자의 구성을 개시한다.

Description

반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자{Manufacturing Method For Structure of Reflector And Structure of Reflector Manufactured by the method, and Light Emitted Diode adopting the same}
본 발명은 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 특히 반사 특성과 광추출 효율을 개선할 수 있도록 지원하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다. 여기서 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다. 상술한 질화물 반도체 재료는 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
도 1은 종래 수직구조 LED의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 수직구조 LED(1)는 전도성 지지기판(16), 반사막(15), p형 질화갈륨층(14), 활성층(13), N형 질화갈륨층(12) 및 N형 전극(11)을 포함할 수 있다.
여기서 반사막(15)은 고효율 수직구조 LED를 제작하기 위해 p형 질화갈륨층(14)과 전도성 지지기판(16) 사이에 배치될 수 있다. 활성층(13)에서 방출된 빛은 p형 질화갈륨층(14)을 통과한 후 반사막(15) 상에서 반사되어 LED(1)의 광효율을 개선시킬 수 있다. 그러나 반사막(15)에서 충분히 반사가 된다하더라도 임계각보다 큰 입사각으로 LED(1)의 표면에 반사되는 빛은 LED(1) 내부로 전반사되어 사라지게 된다. 즉 종래의 LED(1)는 높은 반사도를 갖는 반사막을 채용함에도 불구하고 광추출 효율을 높이는데 한계가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 LED(1) 표면에 거칠기를 주어 광추출 효율을 높이는 기술들이 도입된바 있다.
거칠기 적용 기술은 LED(1)의 n형 질화갈륨층(12)과 표면과 반사막(15)과 대면되는 p형 질화갈륨층(14)의 표면에 거칠기를 적용하는 방식이 있으나 발광소자의 광추출 효율이 여전히 낮은 문제점 있어 고효율 발광 다이오드 소자 적용을 위해서는 보다 발전된 형태의 기술 개발이 요구되고 있다.
일본등록특허 3739951 B2, 2005년 04월 26일 등록 (명칭:반도체용 광소자 및 그 제조 방법)
따라서 본 발명의 목적은 반사도와 광추출 효율을 최적화할 수 있도록 지원함으로써 고효율의 LED를 제공할 수 있는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도전성 반도체층을 형성하는 단계, 상기 도전성 반도체층 아래에 서로 다른 굴절률을 가지는 적어도 두 개의 접촉층이 적어도 일면에서 동일 높이를 가지도록 형성되는 접촉층을 마련하는 단계, 상기 접촉층 아래에 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법의 구성을 개시한다.
여기서 상기 반사막을 형성하는 단계에서, 상기 접촉층과 접하는 상기 반사막의 계면을 평평하게 형성할 수 있다.
상기 서로 다른 두 종류의 물질들의 굴절률 차이는 0.05 이상이 될 수 있다.
상기 접촉층을 마련하는 단계는 일정 두께와 면을 가지는 제1 접촉층을 마련하는 단계, 상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 일정한 패턴과 일정한 배열로 배치하거나, 상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 일정 패턴과 또는 랜덤한 배열로 배치하거나, 상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 다양한 패턴이 랜덤한 배열로 배치하는 제2 접촉층 형성 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2 접촉층 형성 단계는 상기 제1 접촉층의 두께와 동일한 두께 또는 보다 작은 두께를 가지며 형성되고, 상기 제1 접촉층의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 부분적으로 노출되도록 마련될 수 있다.
상기 제1 접촉층 및 제2 접촉층 중 적어도 하나는 GaN, ITO, ZnO, AZO, IZO, IAZO, SiO2, TiO2, Ta2O3, MgO, ZrO의 조합으로 구성될 수 있다.
상기 접촉층의 두께는 1 ~ 500nm 이고, 상기 제2 접촉층의 각 패턴 크기는 1nm ~ 500μm이 될 수 있다.
상기 접촉층 형성 단계는 상기 도전성 반도체층에 제1 접촉층을 마련하고 제2 접촉층에 해당하는 마스킹 후 플라즈마 처리나 열처리를 통하여 제2 접촉층에 해당하는 제1 접촉층의 일부의 굴절률 특성을 변경하는 단계, 상기 도전성 반도체층에 제1 접촉층을 마련하고 제2 접촉층에 해당하는 영역을 식각하여 제거한 후 제거된 영역에 제2 접촉층에 해당하는 물질을 도포하여 형성하는 단계 중 어느 하나의 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 상기 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물의 구성을 개시한다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물, 상기 반사막 구조물 아래에 형성되는 전도성 지지기판, 상기 반사막 구조물의 도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하는 발광 다이오드 소자의 구성을 개시한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 발광 다이오드 소자의 반사막 구조의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의하여 제조된 반사막 구조물과, 이를 채용하는 발광 다이오드 소자에 따르면, 본 발명은 보다 최적화된 반사도와 광추출 효율을 제공할 수 있으며, 특히 광추출 효율을 극대화할 수 있다.
이에 따라 본 발명은 보다 높은 효율의 발광 효율을 가지는 LED를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 수직구조의 LED 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 수직구조의 LED 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 수직구조의 LED에서의 광 변환 특성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반사막 구조의 단면을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반사막 구조의 단면을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 접촉층 전면의 제1 형태를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 접촉층 전면의 제2 형태를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 접촉층 전면의 제3 형태를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 반사막 구조 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반사막 구조 제조를 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반사막 구조 제조를 설명하기 위한 도면.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 접촉층의 형태 정의를 위한 도면.
도 13은 접촉층의 두께에 따른 광추출 효율에 대한 전산모사 결과를 나타낸 도면.
도 14는 복수의 접촉층 중 특정 접촉층의 filling factor에 따른 광추출 효율에 대한 전산모사 결과를 나타낸 도면.
도 15는 접촉층들 간의 굴절률 차이에 따라 광추출 효율에 대한 전산모사 결과를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성 요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 따라서 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 다이오드 소자(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 접촉층을 포함하는 반사막 구조에서의 반사 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 발광 다이오드 소자(100)는 발광 구조물(130), 접촉층(106), 반사막(107) 및 전도성 지지기판(108)을 포함한다. 이와 같은 구조의 본 발명의 발광 다이오드 소자(100)는 접촉층(106)이 굴절률 특성이 다른 적어도 두 개의 물질들이 서로 교합되어 형성되데 접촉되는 전후면이 평평하게 마련되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 본 발명은 접촉되는 평평한 면을 통하여 반사도 저하 발생 없이 공간적 차이를 가지는 접촉층(106)을 통한 광추출 효율을 개선을 지원할 수 있다.
상기 발광 구조물(130)은 제1 전극(101), 제1 도전성 반도체층(102), 활성층(103), 제2 도전성 반도체층(105)을 포함하며, 두 개의 도전성 반도체층(102,105) 사이에 활성층(103)이 개재된 구성으로 이루어진다.
상기 제1 도전성 반도체층(102)의 표면 일부 영역 또는 전체 영역에 대해 소정의 식각 방법으로 거칠기를 형성해 줄 수 있다. 그리고 상기 제1 도전성 반도체층(102)의 표면에는 도시된 바와 같이 제 1전극(101)이 형성될 수 있다. 여기서 상기 거칠기 구조는 반드시 형성하지 않을 수도 있으며, 이에 따라 본 발명의 발광 다이오드 소자(100)가 상기한 거칠기 형상이나 구조로 한정되지는 않을 것이다. 상기 제1 도전성 반도체층(102)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 n형 반도체층은 GaN층, AlGaN층, InGAN층 등과 같은 GaN계 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제1 도전성 반도체층(102)의 아래에는 활성층(103)이 형성된다. 상기 활성층(103)은 제1 도전성 반도체층(102) 위에 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다.
상기 활성층(103) 아래에는 제2 도전성 반도체층(105)이 형성된다. 상기 제2 도전성 반도체층(105)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN층, AlGaN층, InGaN층 등과 같은 GaN계 화합물 반도체 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기의 제2 도전성 반도체층(105)의 아래에는 제 3도전성 반도체층(미도시)을 형성할 수도 있다. 여기서 제 3도전성 반도체층은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 또한 실시 예에서는 제1 도전성 반도체층(102)이 p형 반도체층이고, 제2 도전성 반도체층(105)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있으며, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.
제2 도전성 반도체층(105) 아래에는 접촉층(106)이 배치될 수 있다. 상기 접촉층(106)은 제2 도전성 반도체층(105)과 반사막(107) 사이에 배치되어 외부로부터 입사되는 광의 난반사 효과를 극대화하면서도 제2 도전성 반도체층(105) 표면 및 반사막(107) 표면과 평평하게 접촉된다. 이를 위하여 상기 접촉층(106)은 전후면이 평평하게 마련되데 서로 다른 굴절률을 가지는 적어도 두 개의 영역이 규칙적으로 또는 비규칙적으로 교합되어 마련될 수 있다. 도시된 도면에서 접촉층(106)은 두 개의 접촉층(110, 120)이 서로 교번되도록 배치되는 것을 도시하였으나, 본 발명의 접촉층(106)은 보다 다양한 형태로 구성이 가능하다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 접촉층(106) 아래 또는 발광 구조물(130) 아래에는 반사막(107)이 형성된다. 상기 반사막(107)은 입사되는 파장을 반사시키기 위해 배치된다. 특히 반사막(107)은 특정 파장대의 광을 집중적으로 반사시키기 위하여 특정 두께의 매질로 구성될 수 있으며, 또한 전 영역대 파장의 광을 반사시키기 위한 또 다른 특정 두께의 특정 매질로 구성될 수 도 있다. 이와 같이 반사막(107) 매질의 특성 및 두께 특성 등은 발광 다이오드 소자(100)의 파장 대역에 따라 달라질 수 있다. 이때 상기 반사막(107)은 활성층(103)의 발광 영역(또는 활성층 영역)과 동일한 크기로 형성될 수 있으며 이를 통하여 반사특성을 극대화함으로써 외부 발광효율을 개선시켜 줄 수 있다. 이러한 반사막(107)은 반사율이 높은 물질, 예컨대 Al, Ag, Cr, Pd, Pt, Co, Hf, Ti, Ni 및 W 등으로 이루어질 수 있다. 특히 본 발명의 반사막(107)은 Ag, Al, Ag 합금, Al 합금 등이 될 수 있다. 또한 접촉층(106)과 접하는 반사막(107)의 계면은 반사도가 저하되지 않도록 평평하게 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전도성 지지기판(108)은 구리 또는 금으로 이루어질 수 있으며, 구리에 도금이나 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 즉 상기 전도성 지지기판(108)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, Ge 기판 또는 금속층 등을 사용할 수 있다. 여기서 상기 금속층은 전해 도금, 무전해 도금, 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명의 발광 다이오드 소자(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 접촉층(106)이 발광 구조물(130)과 반사막(107) 사이에 배치되데 평평한 구조를 채용하여 배치됨으로써 반사도 저하 없이 일정한 반사효율을 유지할 수 있으며 또한 접촉층(106)을 서로 다른 굴절률을 가지는 물질들을 이용하여 일정한 패턴으로 또는 랜덤한 형태로 마련함으로써 난반사를 일으키도록 하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있도록 지원한다. 이때 접촉층(106)을 형성하는 서로 다른 두 종류의 물질들의 굴절률 차이는 0.05 이상일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조 중 접촉층(106)이 배치되는 부분만을 포함한 반사막 구조물을 나타낸 도면이다.
도 4는 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반사막 구조물은 발광 구조물(130)의 구성 중 일부 예를 들면 제2 도전성 반도체층에 해당하는 p형 질화갈륨층(105), 접촉층(106) 및 반사막(107)을 포함하여 구성될 수 있다.
p형 질화갈륨층(105)은 앞서 언급한 바와 같이 발광 구조물(130)의 제2 도전성 반도체층(105)에 해당할 수 있다. 이러한 p형 질화갈륨층(105)은 접촉층(106)과 접촉되는 면이 평평하게 되도록 전처리될 수 있다.
반사막(107)은 접촉층(106)을 통하여 p형 질화갈륨층(105) 아래에 배치되는 구성이다. 이러한 반사막(107)은 접촉층(106)을 투과하는 광을 반사시킴과 아울러 접촉층(106)과의 접촉면을 통하여 광이 난반사되도록 지원한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 접촉층(106)은 제1 접촉층(110)이 일정 두께를 가지며 형성되데 제1 접촉층(110)의 상면은 p형 질화갈륨층(105)에 전체가 접촉되도록 배치된다. 한편 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110)의 두께보다 얇은 두께를 가지며 제1 접촉층(110) 일측에 형성될 수 있다. 특히 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110)의 후면이 부분적으로 노출되도록 일정 패턴을 가지며 형성되거나, 일정 패턴이 정렬되어 배치되거나, 다양한 모양의 구성이 다양한 형상으로 배치될 수 있다.
결과적으로 본 발명의 접촉층(106)은 일정 두께를 가지는 제1 접촉층(110) 내측에 보다 작은 두께를 가지는 제2 접촉층(120)이 부분적으로 배치되어 제1 접촉층(110)의 후면 즉 반사막(107)과 대면되는 면이 부분적으로 접촉되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 구조의 접촉층(106)은 p형 질화갈륨층(105)을 투과하여 전달된 광에 대하여 제2 접촉층(120) 사이의 공간적 차이를 이용하여 광의 산란성을 증대시키고, 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)이 동시에 나란하게 배치되는 면과 반사막(107)의 접촉면을 평평하게 유지하여 반사도 저하 없이 양호한 반사효율을 유지할 수 있도록 지원한다.
이와 같은 구조의 접촉층(106) 형성을 위하여 일정 두께의 제1 접촉층(110)을 구성하는 물질을 p형 질화갈륨층(105) 상에 형성한다. 그리고 제1 접촉층(110)의 일정 두께보다 작은 두께를 가지는 제2 접촉층(120)이 제1 접촉층(110) 내에 형성되도록 제1 접촉층(110) 중 반사막(107) 방향으로 노출된 면의 일정 부분들을 플라즈마 처리하거나 열처리하여 굴절률 특성을 변경하도록 작업함으로써 마련할 수 있다. 여기서 제2 접촉층(120) 패턴 형성을 위하여 플라즈마 처리 또는 열처리 이전에 제1 접촉층(110) 상에 제2 접촉층(120)에 대응하는 패턴의 포토레지스트를 마련할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조 중 접촉층(106)이 배치되는 부분만을 포함한 반사막 구조물이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반사막 구조물은 p형 질화갈륨층(105), 접촉층(106) 및 반사막(107)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 p형 질화갈륨층(105)과 상기 반사막(107)은 앞서 도 4에서 설명한 구성과 동일한 구성임으로 그에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 접촉층(106)은 이전 실시 예와 동일하게 p형 질화갈륨층(105)과 반사막(107) 사이에 배치된다. 이러한 접촉층(106)은 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)으로 구성될 수 있다. 특히 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110) 상에 부분적으로 형성되데 p형 질화갈륨층(105)과 접촉되는 제1 접촉층(110) 상에 부분적으로 형성될 수 있다. 이에 따라 제1 접촉층(110) 또한 제2 접촉층(120)에 의하여 부분적으로 p형 질화갈륨층(105)의 표면과 접촉될 수 있다. 그리고 제1 접촉층(110)의 타면 즉 반사막(107)과 대면되는 면은 고르게 마련될 수 있고, 반사막(107)과 전면이 접촉될 수 있다.
이를 위하여 제1 접촉층(110)은 제2 접촉층(120)의 두께보다 큰 두께를 가지며 형성될 수 있으며, 결과적으로 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110)의 내측에 형성되데 p형 질화갈륨층(105) 방향으로 부분적으로 접촉되도록 형성될 수 있다. 이를 위하여 p형 질화갈륨층(105)을 마련하고, p형 질화갈륨층(105) 상에 제2 접촉층(120)을 우선적으로 형성하도록 작업할 수 있다. 이때 제2 접촉층(120)이 일정 패턴을 가지도록 형성하기 위하여 제2 접촉층(120)에 해당하는 물질을 p형 질화갈륨층(105) 상에 부분적으로 형성하는 작업을 수행한다. 이후 제2 접촉층(120)과 부분적으로 노출된 p형 질화갈륨층(105)을 덮는 제1 접촉층(110)을 형성함으로써 상술한 접촉층(106) 형태의 구조물을 마련할 수 있다.
도 6은 도 3의 A-A` 절단선을 따라 절단한 접촉층 단면의 다양한 형태 중 제1 형태를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 접촉층(106)은 일정 면적의 제1 접촉층(110) 사이에 일정 패턴을 가지는 제2 접촉층(120)이 일정 배열을 가지며 배치되어 구성될 수 있다. 이때 제2 접촉층(120)은 도시된 바와 같이 원형 형상의 패턴으로 구성될 수 있다. 또한 본 발명의 제2 접촉층(120)은 설계자의 의도에 따라 다양한 형상의 패턴 예를 들면, 삼각형, 사각형, 육각형, 등을 포함하는 다각형 형상으로도 구성이 가능하다. 여기서 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110)을 구성하는 물질의 일정 부분을 물질 특성을 변경하여 형성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 접촉층(106)은 제1 접촉층(110)을 마스킹하는 형태에 따라 다양한 형상의 제2 접촉층(120)을 형성할 수 있다.
한편 제2 접촉층(120)을 구성하는 각 패턴들은 일정 간격을 가지며 배치될 수 있다. 특히 제1 접촉층(110) 사이에 형성되는 제2 접촉층(120)의 각 패턴들의 간격은 입사되는 광의 반사 효율 및 난반사 특성을 최적화할 수 있는 형태로 마련될 수 있다. 또한 제2 접촉층(120)의 각 패턴의 크기 또는 직경 또한 반사 효율 및 난반사 특성을 최적화할 수 있는 형태로 실험적으로 선택될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 도 3의 A-A` 절단선을 따라 절단한 접촉층 단면의 다양한 형태 중 제2 형태를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 접촉층(106)은 일정 면을 가지는 제1 접촉층(110)과 제1 접촉층(110) 사이에 랜덤하게 배치되는 동일 모양의 패턴들이 배치될 수 있다. 이와 같은 구조의 본 발명의 접촉층(106)은 제1 접촉층(110) 상에 동일 모양의 패턴들을 랜덤하게 형성하여 제2 접촉층(120)을 형성함으로써 난반사 특성을 개선시키도록 지원할 수 있다.
상술한 구조의 접촉층(106) 형성을 위해서 제2 접촉층(120)에 대응하는 랜덤 구조의 마스크를 사전에 제작하고 이를 기반으로 제1 접촉층(110) 사이에 제2 접촉층(120)을 형성할 수 있다. 또는 상기 접촉층(106)은 제2 접촉층(120)을 구성하는 물질 및 제1 접촉층(110)을 구성하는 물질을 믹싱하되 제2 접촉층(120)이 제1 접촉층(110) 사이에 무질서하게 배치되도록 믹싱하여 구성할 수 있다.
도 8은 도 3의 A-A` 절단선을 따라 절단한 접촉층 단면의 다양한 형태 중 제3 형태를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 접촉층(106)은 제1 접촉층(110)과, 제1 접촉층(110) 사이에 배치되데 동일한 전면 및 후면 적어도 하나를 가지도록 마련되는 제2 접촉층(120)을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 구성의 접촉층(106)은 제2 접촉층(120)이 제1 접촉층(110)과 동일한 두께를 가지며 형성되거나 또는 제1 접촉층(110)보다 작은 두께를 가지며 형성될 수 있다. 특히 본 발명의 제1 접촉층(110) 사이에 형성되는 제2 접촉층(120)은 패턴들이 크기나 형태가 다양하게 형성될 수 있으며, 각 패턴들의 배치 또한 랜덤하게 배치될 수 있다. 이러한 본 발명은 반사막(107)과 접촉층(106)과의 접촉 상태는 평평한 접촉 상태를 유지하여 반사도 저하를 방지하면서 무작위한 제2 접촉층(120)의 형성을 통하여 난반사 특성 즉 광추출 효율을 극대화하도록 지원할 수 있다.
상술한 접촉층(106)은 제1 접촉층(110) 상에 제2 접촉층(120) 물질을 다양한 크기와 형태 및 위치로 도포하고 압착 등을 통하여 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)이 동일 높이를 가지도록 형성할 수 있다. 또는 제1 접촉층(110) 상에 랜덤한 형태의 패턴들이 랜덤한 형태로 위치한 마스크를 마련한 후 제1 접촉층(110) 상에 배치하고, 플라즈마 처리나 열처리 등을 통하여 제2 접촉층(120)을 형성하여 본 발명의 접촉층(106)을 형성할 수 도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반사막 구조물에서 접촉층(106)의 형태는 다양한 형상과 다양한 형태로 마련될 수 있다. 특히 본 발명의 접촉층(106)은 제1 접촉층(110) 및 제2 접촉층(120)이 배치되어 궁극적으로 제조되는 형태가 전후면이 평평한 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 반사막 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명에 앞서 본 발명의 반사막 구조물 제조 방법은 발광 다이오드 소자의 제조 방법 중 접촉층이 형성되는 위치의 전후면을 포함하는 층들을 배치하는 방법에 대한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 반사막 구조물 제조 방법은 먼저 901 단계에서와 같이 p형 질화갈륨층(105)을 마련한다. 여기서 상기 p형 질화갈륨층(105)은 발광 구조물(130)에 포함된 형태로 마련될 수 있으며 이에 따라 p형 질화갈륨층(105)은 발광 구조물(130)의 각 구성들을 포함하는 제1 도전성 반도체층(102), 활성층(103), 제2 도전성 반도체층(105)을 포함한 형태 중 제2 도전성 반도체층(105)이 될 수 있다.
p형 질화갈륨층(105)이 마련되면 903 단계에서 p형 질화갈륨층(105)의 전처리를 수행한다. 즉 이 단계에서 접촉층(106)과 대면되는 p형 질화갈륨층(105)의 면을 평평하고 균일하게 되도록 작업할 수 있다.
다음으로 p형 질화갈륨층(105)의 표면 처리가 완료되면, 905 단계에서 제1 접촉층(110)을 전처리된 p형 질화갈륨층(105) 상에 형성한다. 이때 제1 접촉층(110) 형성은 잉크젯 방식이나 스퍼터링 방식 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 제1 접촉층(110)의 물질은 금속계열로서 GaN, Ni, Pt, Pd, Rh, Cu 등이 사용될 수 있으며, 산화물계열로서 ITO, ZnO, AZO, IZO, IAZO, SiO2, TiO2, Ta2O3, MgO, ZrO ITO, ZnO, AZO, IZO 등이 이용될 수 있다. 여기서 제1 접촉층(110)은 1~500nm 두께를 가지며 형성될 수 있다.
다음으로 907 단계에서 제1 접촉층(110) 상에 패터닝을 수행한다. 여기서 상기 907 단계의 패터닝 단계는 제2 접촉층(120) 형성 방법에 따라 생략될 수 도 있다. 즉 예를 들어 제1 접촉층(110) 상에 제2 접촉층(120) 물질을 도포한 후 압착하거나 열처리하는 방식 등을 이용하여 접촉층(106)을 형성하는 경우에는 패터닝 과정이 생략될 수 있다. 여기서 제2 접촉층(120)은 상술한 제1 접촉층(110)의 물질 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 특히 제2 접촉층(120)은 반사막 구조물 제조 방법에 따라 제1 접촉층(110)과 동일한 물질로 구성된 후 열처리나 플라즈마 처리에 의하여 물질 특성이 변경되어 형성될 수 있다. 또는 제2 접촉층(120)은 제1 접촉층(110)과 다른 물질로 구성되어 제1 접촉층(110) 사이사이에 식각 등의 방식을 이용하여 배치될 수도 있다. 상술한 제2 접촉층(120)의 패턴 크기는 1~500um 크기로 형성될 수 있다.
다음으로 909 단계에서 제2 접촉층(120)을 제1 접촉층(110)이 부분적으로 노출되도록 형성할 수 있다. 이를 위하여 앞서 언급한 바와 같이 제1 접촉층(110)의 일부를 식각한 후 제2 접촉층(120)을 형성하거나 제1 접촉층(110)의 일부를 열처리나 플라즈마 처리하여 굴절률 특성이 변경되도록 작업할 수 있다. 이때 제2 접촉층(120)의 형상은 앞서 언급한 바와 같이 해당 발광 다이오드 소자(100)의 특성 및 파장 특성 등에 따라 다양한 형상과 크기 및 패턴들의 간격을 가지며 형성될 수 있다.
다음으로 911 단계에서 접촉층(106) 상에 반사막(107)을 형성한다.
상술한 과정을 통하여 본 발명의 반사막 구조물을 형성함으로써 p형 질화갈륨층(105)과 반사막(107) 사이에 서로 대면되는 면이 평평하며 굴절률이 상이한 제1 및 제2 접촉층들(110, 120)이 서로 일정 부분씩 각 면에 접촉되도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 반사막 구조물은 반사 특성 저하를 방지하면서 난반사 효과를 개선하여 광추출 효율을 증대시킬 수 있다.
도 10은 도 9의 909 단계에서 제2 접촉층을 형성하는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반사막 구조물 제조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반사막 구조물 제조 방법은 먼저, S101 단계에서 p형 질화갈륨층(105)을 마련한다. 이 p형 질화갈륨층(105)은 앞서 설명한 바와 같이 발광 구조물(130)의 일부가 될 수 있으며, 이에 따라 p형 질화갈륨층(105)은 발광 구조물(130)로 대체되거나 발광 구조물(130)의 특성에 따라 다른 특성 층 예를 들면 n형 질화갈륨층으로 대체될 수 있다. 한편 S101 단계에서 p형 질화갈륨층(105)의 표면을 전처리하여 평평하게 되도록 작업한다. 다음으로 S103 단계에서 전처리된 p형 질화갈륨층(105) 상에 제1 접촉층(110)을 형성한다.
그리고 S105 단계에서 제1 접촉층(110) 상에 포토레지스트 패턴(200)을 제2 접촉층(120)에 대응하는 패턴으로 형성한다. 이를 위하여 포토레지스트를 제1 접촉층(110)에 일정 두께로 도포하고, 노광과 식각을 통하여 제2 접촉층(120)에 대응하는 포토레지스트 패턴(200)이 제1 접촉층(110) 상에 남도록 작업할 수 있다.
다음으로 S107 단계에서 포토레지스트 패턴(200)이 형성된 제1 접촉층(110)을 플라즈마 처리 또는 열처리를 수행하여 노출된 제1 접촉층(110)의 물질 특성을 변환하여 제2 접촉층(120)을 형성함으로써 접촉층(106)을 형성한다.
제2 접촉층(120) 형성이 완료되면, 다음으로 S109 단계에서 포토레지스트 패턴(200)을 접촉층(106)으로부터 제거한 후 S111 단계에서 접촉층(106) 상에 반사막(107)을 형성하여 반사막 구조물을 형성할 수 있다.
한편 상기 반사막 구조물 형성 이후 발광 다이오드 소자(100) 형성을 위해서 반사막(107) 상이 전도성 지지기판(108)을 추가로 마련하는 과정이 더 포함될 수 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(105) 형성 과정은 발광 구조물(130) 형성 과정으로 대체될 수 있다.
도 11은 도 9의 909 단계에서 제2 접촉층을 형성하는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반사막 구조물 제조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 먼 S201 단계에서 p형 질화갈륨층(105)을 마련한 후 전처리 과정을 수행하고, S203 단계에서 p형 질화갈륨층(105) 상에 제1 접촉층(110)을 형성한다. 다음으로 S205 단계에서 제1 접촉층(110) 상이 제2 접촉층(120)에 대응하는 포토레지스트 패턴(200)을 형성한다. 이러한 S201 단계 내지 S205 단계는 앞서 설명한 S101 단계 내지 S105 단계와 동일함으로 그에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로 S207 단계에서 식각액을 이용하여 제1 접촉층(110)의 일부 영역을 식각한다. 이 과정에서 제1 접촉층(110) 만이 식각되도록 건식 식각과 습식 식각을 번갈아 사용하거나 습식 식각만을 수행할 수 있다.
다음으로 S209 단계에서 식각되어 빈 제1 접촉층(110) 사이에 제2 접촉층(120)에 해당하는 물질을 도포한다. 이후 S211 단계에서 포토레지스트 패턴(200)을 제거함으로써 포토레지스트 패턴(200) 상에 도포된 제2 접촉층 물질도 함께 제거함으로써 접촉층(106) 만이 p형 질화갈륨층(105)에 남도록 작업한다.
이후 S213 단계에서 접촉층(106) 상에 반사막(107)을 형성한다.
상술한 과정을 통하여 본 발명의 접촉층(106)은 서로 다른 물질로 제1 접촉층(110) 및 제2 접촉층(120)을 형성함으로써 난반사 특성과 반사 특성을 확보할 수 있다. 이때 사용되는 물질들은 앞서 설명한 다양한 물질 중 어느 하나가 될 수 있으며, 발광 다이오드 소자(100)의 파장 특성에 따라 선택적으로 취사될 수 있다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 반사막 구조물의 형태에 대하여 다양한 실험 평가를 수행한 결과를 설명하기 위한 도면이다. 특히 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 접촉층 구조 중 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)이 일정 패턴으로 형성되는 구조를 나타낸 도면이다.
설명에 앞서, 이하 FDTD simulation을 이용하여 수직구조 LED의 광추출 효율의 전산모사 결과를 설명하기로 한다. 그리고 본 발명의 반사막 구조물의 특성 검사를 위하여 도 12에 도시된 바와 같이 일정한 패턴 형상으로 배열된 제2 접촉층(120)이 제1 접촉층(110) 사이에 형성된 접촉층(106)을 기준으로 설명하기로 한다. 즉 제2 접촉층(120)은 원기둥 형태를 가지며 일정 배열 주기로 정사각형 형태의 배열을 가지는 구조를 기준으로 하며 제2 접촉층(120)의 배열 주기를 lc 패턴의 지름을 a, 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)의 두께를 t로 정의하기로 한다.
도 13은 제1 접촉층(110) 및 제2 접촉층(120)의 두께 t에 따른 광추출 효율을 나타낸 도면이다. 여기서 접촉층(106)을 구성하는 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)의 굴절률 차이는 0.5이며, 제2 접촉층(120)의 filling factor(a/lc)는 0.6이다.
도 13을 참조하면, 접촉층(106)의 두께 t가 0인 경우에는 접촉층(106)이 없는 형태이다. 즉 접촉층(106)이 없이 p형 질화갈륨층(105)과 반사막(107)이 직접적으로 접촉되는 구조가 될 수 있다. 도시된 그래프에서 Y축은 광추출 효율이며, X축은 두께 (단위 nm)이다.
해당 도면에서 알 수 있듯이, 접촉층(106)의 두께가 증가함에 따라 광추출 효율은 증가하는 경향을 나타낸다. 특히 접촉층(106)의 두께가 파장/(4*굴절률)이 되는 두께에서 더 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 이에 따라 상기 접촉층(106)의 두께는 해당 발광 다이오드 소자(100)의 파장에 따라 최적화를 위한 두께 조절을 통하여 달라질 수 있을 것이다.
도 14는 제2 접촉층(120)의 filling factor(a/lc)에 따른 광추출 효율을 나타낸 도면이다. 여기서 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120) 간의 굴절률 차이는 0.5이며, 제1 접촉층 및 제2 접촉층(120)의 두께가 100nm 일 때를 기준으로 한 것이다.
그리고 도 14에 나타낸 바와 같이 제2 접촉층(120)의 지름(diameter)은 각각 300nm, 500nm, 700nm에 대해 계산한 것이다. 도면에서 Y축은 광추출 효율이며, X축은 filling factor이다.
도시된 바와 같이 광추출 효율은 접촉층(106)의 지름에 따라 달라지는 현상을 나타낸다. 즉 접촉층(106)의 지름에 따라 filling factor 최적화가 요구될 수 있다. 예를 들어 지름이 500nm인 경우 광추출 효율 증대를 위하여 filling factor를 증가시키는 방향으로 제2 접촉층(120)의 패턴들의 배치를 수행하는 것이 바람직할 것이다. 그러나 도시된 바와 같이 제2 접촉층(120)의 지름 크기에 따라 filling factor가 증가하는 경우 광추출 효율이 감소하는 결과가 도출됨으로 지름 크기에 따라 최적화 작업이 요구된다.
도 15는 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120) 굴절률 차이에 따른 광추출 효율을 나타낸 도면이다. 여기서 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)의 두께 t는 100nm 일 때이며, 제2 접촉층(120)의 filling factor는 0.6 일 때인 경우이다. 도면에서 Y축은 광추출 효율, X축은 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)의 굴절률 차이를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 접촉층(106)의 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120) 간의 굴절률 차이가 커짐에 따라 광추출 효율이 증가함을 알 수 있다. 그리고 이렇게 증가하는 광추출 효율은 일정 값에서 포화(saturation)되는 경향을 나타내고 있다. 즉 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)이 0.4 이상 특히 0.5 정도 이상인 경우 광추출 효율이 포화되고 있다. 이에 따라 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120)으로 구성되는 접촉층(106)이 p형 질화갈륨층(105)과 대면되거나 또는 반사막(107) 측에 대면되는 형태에서 적어도 일면의 굴절률이 0.5 부근의 값이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편 상술한 설명에서는 p형 질화갈륨층(105) 및 반사막(107) 사이에 형성되는 접촉층(106)이 굴절률이 다른 제1 접촉층(110)과 제2 접촉층(120) 두 개의 구성이 서로 혼합되어 형성되는 것을 기준으로 설명하였지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명의 접촉층(106)은 두 개 이상의 굴절률이 다른 접촉층들로 구성될 수 도 있다. 즉 본 발명의 접촉층(106)은 적어도 두 개의 굴절률이 다른 물질들의 혼합된 형태로 구성되데 상하면에 각 굴절률이 다른 물질들의 표면이 노출됨으로서 반사막(107) 전면에 공간적 굴절률 차이가 발생하도록 형성될 수 있다. 이때 노출되는 상하면은 반사도 저하를 방지하기 위하여 평평하게 형성될 수 있다. 이러한 구조의 본 발명의 반사막 구조는 입사되는 광의 입사각과 반사각이 반사막(107) 전면에 형성된 공간적인 굴절률 차이로 인하여 달라질 수 있으며, 결국 임계각보다 큰 각을 가지는 빛이 반사막(107) 상에서 반사가 일어나게 되는 상황에서 임계각이 큰 경로로 변경되어 난반사(Scattering or Diffraction)가 발생하게 된다. 따라서 본 발명의 반사막 구조 및 이를 채용하는 발광 다이오드 소자(100)는 광추출 효율을 기존에 비하여 개선할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 설명하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 발광 다이오드 소자 101 : 제1 전극
102 : 제1 도전성 반도체층 103 : 활성층
105 : 제2 도전성 반도체층, p형 질화갈륨층
106 : 접촉층 107 : 반사막
108 : 전도성 지지기판 110 : 제1 접촉층
120 : 제2 접촉층 130 : 발광 구조물

Claims (10)

  1. 도전성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 도전성 반도체층 아래에 서로 다른 굴절률을 가지는 적어도 두 개의 접촉층이 적어도 일면에서 동일 높이를 가지도록 형성되는 접촉층을 마련하는 단계;
    상기 접촉층 아래에 반사막을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 접촉층을 마련하는 단계는
    일정 두께와 면을 가지는 제1 접촉층을 마련하는 단계;
    상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 일정한 패턴과 일정한 배열로 배치하거나, 상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 일정 패턴과 랜덤한 배열로 배치하거나, 상기 제1 접촉층 사이사이에 배치하되 제2 접촉층을 다양한 패턴이 랜덤한 배열로 배치하는 제2 접촉층 형성 단계; 를 포함하며,
    상기 접촉층 형성 단계는
    상기 도전성 반도체층에 제1 접촉층을 마련하고 제2 접촉층에 해당하는 마스킹 후 플라즈마 처리나 열처리를 통하여 제2 접촉층에 해당하는 제1 접촉층의 일부의 굴절률 특성을 변경하는 단계;
    상기 도전성 반도체층에 제1 접촉층을 마련하고 제2 접촉층에 해당하는 영역을 식각하여 제거한 후 제거된 영역에 제2 접촉층에 해당하는 물질을 도포하여 형성하는 단계;
    중 어느 하나의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사막을 형성하는 단계에서,
    상기 접촉층과 접하는 상기 반사막의 계면을 평평하게 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층을 형성하는 서로 다른 두 종류의 물질들의 굴절률 차이는 0.05 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 접촉층 형성 단계는
    상기 제1 접촉층의 두께와 동일한 두께 또는 보다 작은 두께를 가지며 형성되고, 상기 제1 접촉층의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면에 부분적으로 노출되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접촉층 및 제2 접촉층 중 적어도 하나는
    GaN, ITO, ZnO, AZO, IZO, IAZO, SiO2, TiO2, Ta2O3, MgO, ZrO의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층의 두께는 1 ~ 500nm 이고,
    상기 제2 접촉층의 각 패턴 크기는 1nm ~ 500μm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 반사막 구조물.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법으로 제조된 반사막 구조물;
    상기 반사막 구조물 아래에 형성되는 전도성 지지기판;
    상기 반사막 구조물의 도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
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