KR101288367B1 - 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 N형 반도체층, P형 반도체층 및 상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함하는 반도체 발광 구조물, 상기 활성층에서 생성된 광이 출사되는 광방출면에 형성된 광파장 필터 및 상기 광파장 필터 상에 형성되어 있으며 상기 활성층에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 파장 변환층을 포함하여 구성되고, 상기 광파장 필터는 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 상기 파장 변환층에서 발생한 상기 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형광손실을 크게 줄임으로써 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency)을 크게 향상시킬 수 있음과 동시에 원하는 백색광에 필요한 형광을 발생시키기 위한 청색 LED의 광속을 낮출 수 있으므로 벽플러그 효율(wall-plug efficiency)을 상당히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법 {WHITE LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광파장 필터를 집적한 백색광 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청색 발광소자와 황색 형광체(phosphor)의 조합으로 만들어지는 백색광 발광 다이오드에 청색 파장에 대한 투과도가 크면서 황색 파장에 대한 반사도가 큰 광파장 필터를 집적하여 형광 변환 효율을 높임으로써, 결과적으로 벽플러그 효율(wall-plug efficiency)을 높일 수 있는 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체발광소자 (light-emitting diode, LED)는 반도체 P-N 접합에 전위차를 인가하여 P-N 접합 근처나 활성층에서 전자와 홀의 결합을 형성시켜 빛을 방출하는 소자이다. 최근 질화물 반도체 계열의 청색 및 녹색 LED와 InGaAlP를 이용한 적색 및 호박색 LED의 발광 효율이 급속히 증가되면서 기존의 디스플레이 위주의 사용 범위를 뛰어 넘어 조명으로 사용하고자 하는 노력이 전세계적으로 급속히 확산되고 있는 추세이다. LED 광원은 기존의 광원에 비해 극소형이며, 소비전력이 적고(1/10), 수명이 기존의 전구에 비해 10배 이상이며, 빠른 반응속도로 기존의 광원에 비해 매우 우수한 특성을 지닌다. 더불어 자외선과 같은 유해파 방출이 없고, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않는 친환경적인 고체소자이다. 특히 1997년 12월 채택된 교토 의정서를 통해 이산화탄소 가스 방출량을 줄이자는 노력이 전 세계적으로 확산됨에 따라 일본과 미국을 포함한 각국이 에너지 절약에 심혈을 기울이고 있으며 이러한 배경에서 LED가 차세대 광원으로 서서히 두각을 나타내면서 LED 기반의 차세대 조명시장이 급성장 하고 있다. 특히 백색 LED는 이미 백열전등을 대체하고 있으며, 향후 형광등을 대체할 수 있을 것으로 예측된다.
LED 소자의 제작 공정은 유기금속 화학 기상 증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)을 사용하여 성장시킨 질화물계(AlGaInN), 아세나이드계(AlGaAs), 또는 포스파이드계(AlGaInP) 반도체를 사용하여 진행된다. GaN의 경우에는 동종 기판이 없기 때문에 주로 사파이어나 SiC위에 성장된다. 공정은 단위소자 영역을 정의한 후 건식에칭을 이용하여 소자를 분리한 후 N형 오믹 전극, P형 오믹 전극을 증착하는 순으로 이루어진다. 위와 같은 공정을 거처 제작된 청색 LED의 P형 패드와 N형 패드에 전압을 인가함으로써 LED가 전계발광(electroluminescence)을 하게 된다. 일반적으로 P형 오믹 전극으로 전도성과 가시광선 파장의 투과성이 우수한 ITO(Indium Tin Oxide)가 널리 사용된다.
LED에서는 반도체의 밴드갭에 해당하는 특정 파장의 빛을 방출한다. 특정 파장, 즉 한가지 색의 빛으로부터 백색광을 얻는 방법으로는 크게 (i) 적색 - 녹색 - 청색 LED 등 각기 다른 파장의 빛을 발생시키는 여러 LED의 조합과, (ii) 청색 또는 UV LED와 청색 또는 UV 파장의 빛을 흡수해서 긴 파장 영역의 형광을 발생시키는 형광체(phosphor)의 조합, 그리고 (iii) 상기 방법 (i)과 방법 (ii)의 조합을 이용하는 방법이 있다. 상기 방법 (i), 즉, 여러 개의 칩을 이용한 백색 LED의 구현은 각각 칩마다 동작 전압이 상이하며, 주변 온도에 따라 각 칩의 출력이 변하여 색 좌표가 달라지는 현상 등의 문제를 가지고 있어 백색 LED의 구현보다는 다양한 색상의 연출을 필요로 하는 특수 조명 목적에 적합하다. 산업적으로 가장 널리 쓰이는 방법은 방법 (ii)로 청색 LED로부터 얻어지는 청색광과 그 빛의 일부를 이용하여 Y3Al5O12:Ce3 +(YAG:Ce) 형광 소재를 여기시켜 얻어지는 황색광을 사용한다. 상기 방법은 백색광의 효율이 높고, 단일칩 백색광 LED를 구현할 수 있다는 장점으로 인해 현재 상용화된 백색광 LED의 90% 이상이 이 방법 (ii)를 사용하여 제작된다.
청색 LED와 형광체의 조합을 이용한 백색광 LED의 경우, 청색광의 일부가 형광체를 여기시켜 형광을 발생시키고, 흡수되지 않은 청색과 형광의 조합이 백색광을 만든다. 이 때, 형광체에서 발생하는 형광은 등방발광(isotropic emission)을 하기 때문에 무작위하게 사방으로 퍼져나간다. 즉, 50% 이상의 형광이 청색 LED 방향으로 입사하게 되며, 이 중 상당 부분이 청색 LED 반도체 또는 패키징 물질에 흡수되어 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency, PCE)이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 이에 따라 백색광에 필요한 형광을 발생시키기 위해서는 청색 LED의 광속이 커져야 하므로 벽플러그 효율(wall-plug efficiency)도 감소하게 되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2009-0117002호
본 발명은 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency, PCE)을 향상시킬 수 있는 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 청색 LED와 형광 물질 사이에 청색 파장 대역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장 대역에 대해서는 높은 반사도를 지니는 광파장 필터를 집적하여, 청색 LED 방향으로 등방발광(isotropic emission)하는 50% 이상의 형광을 반사시켜서 백색광의 생성에 이용함으로써, 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency, PCE)과 그에 따른 벽플러그 효율(wall-plug efficiency)을 향상시킬 수 있는 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드는 N형 반도체층, P형 반도체층 및 상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함하는 반도체 발광 구조물, 상기 활성층에서 생성된 광이 출사되는 광방출면에 형성된 광파장 필터 및 상기 광파장 필터 상에 형성되어 있으며 상기 활성층에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 파장 변환층을 포함하여 구성되고, 상기 광파장 필터는 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 상기 파장 변환층에서 발생한 상기 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파와 상기 파장 변환층에서 발생하는 상기 제2 전자기파의 조합에 의해 백색광이 생성되어 출사되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 제1 파장 대역은 400nm 이상 500nm 이하이고, 상기 제2 파장 대역은 500nm 이상 700nm 이하이고, 상기 파장 변환층은 상기 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파를 흡수하여 상기 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파로 변환시키는 형광체층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 광파장 필터는 TiOx, SiC, GaN, ZnO, GaP, SiNx, ZrO2, AlN, Al2O3, MgO, SiO2, CaF2, MgF2, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn1 - xMgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 광파장 필터는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층 및 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 광파장 필터는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층과 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층이 반복적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기1 굴절률을 갖는 제1 물질층과 상기2 굴절률을 갖는 제2 물질층은 투명 전도성 산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층은 경사각 증착법을 이용하여 서로 다른 기공도를 갖는 다공성 나노 구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 제1 물질층을 형성하기 위한 제1 물질과 상기 제2 물질층을 형성하기 위한 제2 물질의 플럭스 선과 상기 광방출면의 수선이 이루는 각도인 경사각과, 상기 광방출면의 회전 속도 및 상기 광방출면의 회전 방향중 적어도 하나를 조절하여 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조의 형상이 조절된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조는 나노 헬릭스(nano helix), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(oblique nano rod), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 N형 반도체층, 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층은 질화물계 반도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 적층하여 반도체 발광 구조물을 형성하는 반도체 발광 구조물 형성단계, 상기 활성층에서 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 증착물질의 플럭스 선이 상기 광방출면의 수선에 대해 경사각을 갖도록 증착하는 방식인 경사각 증착법을 이용하여 광파장 필터를 형성하는 광파장 필터 형성단계 및 상기 활성층에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 파장 변환층을 상기 광파장 필터 상에 형성하는 파장 변환층 형성단계를 포함하여 구성되고, 상기 광파장 필터 형성단계에서 형성되는 광파장 필터는 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 상기 파장 변환층에서 발생한 상기 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파와 상기 파장 변환층에서 발생하는 상기 제2 전자기파의 조합에 의해 백색광이 생성되어 출사되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제1 파장 대역은 400nm 이상 500nm 이하이고, 상기 제2 파장 대역은 500nm 이상 700nm 이하이고, 상기 파장 변환층은 상기 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파를 흡수하여 상기 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파로 변환시키는 형광체층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 광파장 필터는 TiOx, SiC, GaN, ZnO, GaP, SiNx, ZrO2, AlN, Al2O3, MgO, SiO2, CaF2, MgF2, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn1 - xMgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 광파장 필터 형성단계는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층을 형성하는 제1 물질층 형성단계 및 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층을 형성하는 제2 물질층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 광파장 필터 형성단계에서, 상기 제1 물질층 형성단계와 상기 제2 물질층 형성단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 광파장 필터 형성단계에서, 상기 제1 물질층을 형성하기 위한 증착물질인 제1 물질 또는 상기 제2 물질층을 형성하기 위한 증착물질인 제2 물질의 플럭스 선과 상기 광방출면의 수선이 이루는 각도인 경사각과, 상기 광방출면의 회전 속도 및 상기 광방출면의 회전 방향중 적어도 하나를 조절하여 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조의 형상을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 광파장 필터 형성단계에서, 상기 경사각은 90도 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조는 나노 헬릭스(nano helix), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(oblique nano rod), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 N형 반도체층, 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층은 질화물계 반도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency, PCE)을 향상시킬 수 있는 백색광 발광 다이오드 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 청색 LED와 형광 물질 사이에 청색 파장 대역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장 대역에 대해서는 높은 반사도를 지니는 광파장 필터를 집적하여, 청색 LED 방향으로 등방발광(isotropic emission)하는 50% 이상의 형광을 반사시켜서 백색광의 생성에 이용하여 형광손실을 크게 줄임으로써 형광변환효율(Phosphor conversion efficiency)을 크게 향상시킬 수 있음과 동시에 원하는 백색광에 필요한 형광을 발생시키기 위한 청색 LED의 광속을 낮출 수 있으므로 벽플러그 효율(wall-plug efficiency)을 상당히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 플립칩(flip chip) 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예예 따른 수직형 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 박막 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 포함된 광파장 필터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 청색 파장 영역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장에 대해서는 높은 반사도를 가지는 광파장 필터의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 다공성 나노 구조를 갖는 광파장 필터를 형성하는 경사각 증착법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 경사각 증착법에서의 경사각에 따른 ITO 박막의 공극률과 굴절률의 변화를 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 필터의 특성을 계산한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 ITO 광파장 필터를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 필터의 특성을 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 필터를 청색 LED에 집적했을 때 청색 LED에서 나오는 청색광의 세기 대비 형광 세기의 변화를 측정한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 14 내지 도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 공정 단면도들이다.
본 발명의 실시 예를 설명하기 전에 본 발명의 기본적인 원리에 대하여 설명한다.
본 발명은 청색 LED와 형광 물질 사이에 청색 파장 영역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장에 대해서는 높은 반사도를 지니는 광파장 필터를 집적하여 종래의 문제를 해결하고자 한다. 광파장 필터는 청색 LED의 P형 오믹 전극의 역할을 동시에 수행하므로 광파장 필터를 위한 공간을 따로 필요로 하지 않으며 기존 소자의 구조를 변화시키지 않고 집적할 수 있는 장점을 가진다.
광파장 필터는 기본적으로 고굴절률 박막과 저굴절률 박막 조합을 여러층 적층하는 구조이다. 광파장 필터의 성능과 이용 파장 대역은 고굴절률 박막 및 저굴절률 박막의 굴절률 차이와 각 층의 두께에 의해 결정된다. 본 발명에서는 광파장 필터의 물질로 전도성 투명 산화물인 ITO를 포함하는 물질을 사용할 수 있다. 따라서, 광파장 필터의 역할 뿐만 아니라 청색 LED의 P형 오믹 전극의 역할도 함께 수행하므로, 일반적으로 P형 오믹 전극으로 사용되는 ITO가 가지는 투명 전도성 물질의 장점을 살릴 수 있다.
본 발명에서는 광파장 필터의 제조방법 중 하나로 경사각 증착법을 이용할 수 있다. 경사각 증착법은 기판의 수선과 증착물질의 플럭스 선 방향 사이에 일정한 경사각을 두고 증착을 하는 방법으로서, 증착물질의 표면 확산과 초기증착물질로 인해 생기는 그림자 효과(self shadowing effect)로 인해 나노 구조의 기공도가 높은 박막을 형성시킬 수 있다. 경사각 증착법에서는 경사각이 커질수록 기공도가 높은 박막을 얻을 수 있으므로, 굴절률이 낮은 박막을 형성할 수 있다. 즉, 경사각을 조절함으로써, 박막 물질의 굴절률을 원래 물질의 굴절률과 공기의 굴절률 사이에서 자유롭게 조절할 수 있다. 본 발명에서는 동일한 물질, 예를 들면 전도성 투과성 산화물인 ITO로 이루어진 전도성 광파장 필터의 제작을 포함한다. 광파장 필터로써의 역할에 필요한 굴절률 명암(refractive-index contrast)은 경사각을 조절함으로써 얻을 수 있다. 경사각 증착법은, 전자빔 증착, 스퍼터 증착법, 펄스드 레이저 증착법 등과 같은 반도체 마이크로 소자 제작에 널리 쓰이는 물리 증착법을 이용할 수 있기 때문에, 소자의 소형화, 집적화, 어레이화 공정의 단순화, 대면적화에 매우 적합하므로, 광파장 필터를 LED에 집적하는데 매우 적합한 방법이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평형 발광 다이오드는 기판(100), N형 반도체층(200), N형 오믹 전극(300), 활성층(400), P형 반도체층(500), P형 오믹 전극(600) 광파장 필터(700) 및 파장 변환층인 형광체층(800)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광파장 필터를 포함하는 백색광 LED는, 수평형 구조 LED 뿐만 아니라, 도 2에 나타낸 수평형 플립칩 LED 구조, 도 3에 나타낸 수직형 LED 구조 및 도 4에 나타낸 수직형 박막 LED 구조에도 적용될 수 있다.
기판(100)은 청색 LED를 위한 GaN의 에피 성장을 위한 기판으로써 구체적으로 사파이어, 실리콘, 단결정 GaN 등을 포함한다.
N형 반도체층(200), 활성층(400) 및 P형 반도체층(500)은 반도체 나노 구조물을 구성하며, 질화물계 반도체로 이루어질 수 있다. 이하에서는 N형 반도체층(200), 활성층(400) 및 P형 반도체층(500)이 질화물계 반도체로 이루어진 경우를 예로 들어 설명한다.
N형 반도체층(200) 및 P형 반도체층(500)은 AlxInyGa1 -x- yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지고, 각각 N형 불순물 및 P형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN으로 구성된다. 또한, N형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, P형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다. N형 및 P형 반도체층(200, 500)은 질화물 반도체층 성장에 관하여 공지된 공정을 이용할 수 있으며, 예컨대, 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등이 이에 해당한다.
활성층(400)은 전자와 정공이 재결합하여 발광하도록 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 반복 적층된 구조를 갖는다. 이 경우, 양자장벽층은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1)으로 이루어지며, 양자우물층은 InzGa1 - zN(0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다.
N형 반도체층(200) 및 P형 반도체층(500) 사이에 전자차단층(electron blocking layer, EBL)을 구비할 수 있다. 이 전자차단층은 AlxGa1 -xN(0<x≤1)으로 이루어져 높은 에너지 준위를 가짐으로써 전자의 오버플로잉(overflowing)을 방지할 수 있다.
P형 오믹 전극(600)에는 ITO(Indium-Tin Oxide), ZnO (Zinc Oxide) 등의 투명전도산화막층을 사용하거나 두께가 20nm 이하의 단일층 금속 또는 다층 금속을 사용할 수 있다. 후술하는 광파장 필터(700)가 P형 오믹 전극(600)의 기능을 수행할 수도 있으며, 이 경우에는 P형 오믹 전극(600)이 생략될 수 있다.
파장 변환층인 형광체층(800)은 광파장 필터(700) 상에 형성되어 있으며 활성층(400)에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 기능을 수행한다.
제1 파장 대역은 400nm 이상 500nm 이하이고, 제2 파장 대역은 500nm 이상 700nm 이하로 설정될 수 있으며, 형광체층(800)은 활성층(400)에서 발생하는 400nm 이상 500nm 이하의 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파를 흡수하여 500nm와 700nm 사이의 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파로 변환시킨다. 이에 따라, 활성층에서 생성된 제1 전자기파와 파장 변환층인 형광체층(800)에서 발생하는 제2 전자기파의 조합에 의해 백색광이 생성되어 외부로 출사된다.
광파장 필터(700)는 활성층(400)에서 생성된 광이 출사되는 광방출면에 형성되어 있으며, 활성층(400)에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 파장 변환층인 형광체층(800)에서 발생한 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높도록 구성된다.
광파장 필터(700)는 도 5에 나타낸 바와 같이 낮은 굴절율을 가지는 제1 물질층(700a)과 높은 굴절율을 가지는 제2 물질층(700b)을 순차적으로 증착하여 형성하며, 도 6에 나타낸 바와 같이 청색 파장에 대해서는 높은 투과율을 가지고 황색 파장에 대해서는 높은 반사율을 가지는 것을 특징으로 한다. 광파장 필터(700)는 TiOx, SiC, GaN, ZnO, GaP, SiNx, ZrO2, AlN, Al2O3, MgO, SiO2, CaF2 및 MgF2 등과 투명-전도성 산화물인 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn1 - xMgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 조합으로 형성된 것을 특징으로 한다.
광파장 필터(700)를 구성하는 낮은 굴절율을 가지는 제1 물질층(700a)과 높은 굴절율을 가지는 제2 물질층(700b)은 경사각 증착법(Oblique Angle Deposition, OAD)을 이용하여 증착할 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 경사각 증착법은 증착하려는 물질의 플럭스 선과 기판의 상면에 대한 수선이 소정의 경사각(θ)을 이룬 상태로 증착하는 방법으로, 경사각(θ)은 90도 미만이며, 바람직하게는 10도 보다 크고 90도 보다 작다. 이 경우, 초기에 기판의 상면에 형성되는 섬(island) 형태의 초기증착물질의 뒷면에 그림자 영역이 형성되며, 이후에 증착되는 물질은 그림자 영역에는 증착이 되지 않고, 초기증착물질 위에만 증착되므로, 나노 막대(nano rod) 형태를 갖는 다공성 박막이 형성된다.
경사각 증착법으로 증착된 박막의 기공도 및 굴절률은 경사각에 따라 결정된다. 경사각을 증가시키면, 같은 물질을 증착해도 형성되는 박막의 기공도가 커지게 되며, 이로 인해 박막의 굴절률이 낮아지게 된다. 따라서 동일한 물질로 굴절률이 각각 다른 다층 박막을 형성할 수 있다. 도 8은 투명-전도성 산화물인 ITO를 경사각 증착법으로 증착했을 때, 경사각에 따른 기공도의 변화와 굴절률의 변화를 나타낸다.
경사각 증착법으로 박막을 형성할 때, 기판의 회전 속도와 방향 및 경사각 변화에 따라 형성된 나노 헬릭스(nano helix), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(oblique nano rod), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 어느 하나의 형상의 다공성 나노 구조로 구현될 수 있다. 경사각 증착법의 구체적인 방식으로는 물리증착법인 전자빔 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 펄스드 레이저 증착법을 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 사용한 '다공성 나노 구조'의 의미는 협의의 다수의 구멍이 형성된 구조를 의미하는 것이 아니라, 광의로 유체가 통과할 수 있는 투과성 구조를 의미하는 것임을 밝혀둔다.
이하에서는 수평형 발광 다이오드를 예로 들어, 앞서 상세히 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드와 중복되는 설명을 가급적 지양하면서 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 설명한다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 14 내지 도 19는 그 공정 단면도들이다.
도 13 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법은 반도체 발광 구조물 형성단계(S10), 광파장 필터 형성단계(S20) 및 파장 변환층 형성단계(S30)를 포함하여 구성된다.
도 13, 도 14 및 도 15를 참조하면, 반도체 발광 구조물 형성단계(S10)에서는, 기판(100) 상에 N형 반도체층(200), 활성층(400) 및 P형 반도체층(500)을 적층하고, N형 반도체층(200), 활성층(400) 및 P형 반도체층(500)의 측면 일부를 메사 식각(mesa etching)하여 반도체 발광 구조물을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 16을 참조하면, 반도체 발광 구조물을 구성하는 P형 반도체층(500) 상에 P형 오믹 전극(600)을 형성하는 과정이 수행된다. 후술하는 광파장 필터(700)가 P형 오믹 전극(600)의 기능을 수행할 수도 있으며, 이 경우에는 P형 오믹 전극(600)을 형성하는 과정은 생략될 수 있다.
다음으로 도 7, 도 13 및 도 17을 참조하면, 광파장 필터 형성단계(S20)에서는, 활성층(400)에서 생성된 광이 출사되는 광방출면인 P형 오믹 전극(600) 상에 증착물질의 플럭스 선이 광방출면의 수선에 대해 경사각을 갖도록 증착하는 방식인 경사각 증착법을 이용하여 광파장 필터(700)를 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 13 및 도 18을 참조하면, 파장 변환층 형성단계(S30)에서는, 활성층(400)에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 파장 변환층 즉, 형광체층(800)을 광파장 필터(700) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
광파장 필터 형성단계(S20)에서 형성되는 광파장 필터(700)는 활성층(400)에서 생성된 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 파장 변환층(800)에서 발생한 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높도록 설정된다.
예를 들어, 제1 파장 대역은 400nm 이상 500nm 이하이고, 제2 파장 대역은 500nm 이상 700nm 이하로 설정될 수 있으며, 활성층(400)에서 생성된 제1 전자기파와 파장 변환층(800)에서 발생하는 제2 전자기파의 조합에 의해 백색광이 생성되어 외부로 출사된다.
예를 들어 도 5를 추가적으로 참조하면, 광파장 필터 형성단계(S20)는 낮은 굴절률을 갖는 제1 물질층(700a)을 형성하는 제1 물질층 형성단계 및 높은 굴절률을 갖는 제2 물질층(700b)을 형성하는 제2 물질층 형성단계를 포함하거나, 이들 단계를 반복적으로 수행하도록 구성될 수 있다.
앞서 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드를 설명하는 과정에서 설명한 바 있지만, 광파장 필터 형성단계(S20)에서, 제1 물질층(700a)을 형성하기 위한 증착물질인 제1 물질 또는 제2 물질층(700b)을 형성하기 위한 증착물질인 제2 물질의 플럭스 선과 광방출면의 수선이 이루는 각도인 경사각과, 광방출면의 회전 속도 및 광방출면의 회전 방향중 적어도 하나를 조절하여 제1 물질층(700a)과 상기 제2 물질층(700b)이 갖는 다공성 나노 구조의 형상을 조절할 수 있다. 경사각은 90도 미만으로 설정될 수 있다.
도 19는 N형 오믹 전극을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.
이상의 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법에서, 광파장 필터(700)는 투명-전도성 산화물인 ITO를 사용하였다. ITO 증착 시 경사각은 0도와 80도로 설정하여, 필터링에 필요한 굴절률명암(refractive-index contrast)을 얻을 수 있었다. 경사각이 0도일 때는 고굴절률을 갖는 ITO층, 경사각이 80도 일 때는 저굴절률을 갖는 ITO층 얻을 수 있었다. 본 실시예에서 광파장 필터(700)는 필터의 역할 이외에도 P형 오믹 전극(600)의 역할을 수행할 수 있다. 오믹 접합의 형성을 위해 P형 GaN과 닿는 면에 0도로 ITO를 30nm 두께로 증착하여 다공성 필름이 먼저 증착되었을 때 발생할 수 있는 전기전도도 문제를 사전에 예방할 수 있다. 이후, ITO를 경사각 80도로 계산된 두께만큼 증착한 후에 ITO를 경사각 0도에서 계산된 두께만큼 증착하며, 위 두 과정을 반복하여 고굴절률-저굴절률 적층 구조를 갖는 광파장 필터(700)를 제조할 수 있다. 이 경우 광파장 필터(700)는 전도성을 가지며, ITO가 P형 GaN(500)의 P형 오믹 전극(600)으로 사용되므로, 다중 기능 광파장 필터(700)로 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제조된 광파장 필터를 집적한 발광 다이오드의 특성을 계산하고 측정한 결과는 다음과 같다.
도 9에 상기한 바와 같이 ITO층의 굴절률을 경사각 증착법으로 조절하여 굴절률 명암을 얻을 경우 계산된 반사도의 변화를 도시하였다. 기존의 ITO와 P형 오믹 전극(600)만 있을 경우에 비해, 3층, 5층, 7층 광파장 필터(3 layer CSF, 5 layer CSF, 7 layer CSF)를 적용했을 경우에 청색 파장 영역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장에 대해서는 높은 반사도를 가짐을 알 수 있다. 광파장 필터를 이루는 층의 수가 많아질수록 청색 파장 영역에서의 투과도와 황색 파장에서의 반사도가 높아짐을 알 수 있는데, 이는 청색 LED와 황색 형광체로 이루어진 백색광 LED 소자에서 형광체 변환 효율이 높아져서 백색광 LED의 효율이 높아질 수 있음을 의미한다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예로 제작된 3층, 5층, 7층 광파장 변환 필터의 주사전자현미경 사진이다. 경사각 증착법으로 고굴절률 물질 증착에는 0도의 경사각을, 저굴절률 물질 증착에는 80도의 경사각을 적용하여 굴절률 명암을 얻었다. 저굴절률층과 고굴절률층 사이에 계면이 명확하며, 전자선증착방식을 이용한 경사각 증착법으로 각 층의 두께와 굴절률을 정확하게 조절하였다.
도 11에 상기한 바와 같이 ITO의 굴절률을 경사각 증착법으로 조절하여 굴절률 명암을 얻은 도 10에 제시된 광파장 필터에서 측정한 반사도의 파장에 대한 변화를 도시하였다. 기존의 ITO와 P형 오믹 전극(600)만 있을 경우에 비해, 3층, 5층, 7층 광파장 필터를 적용했을 경우에 실제로 청색 파장 영역에 대해서는 높은 투과도를 가지고, 황색 파장에 대해서는 높은 반사도를 가짐을 보이며, 광파장 필터를 이루는 층의 수가 많아질수록 청색 파장 영역에서의 투과도와 황색 파장에서의 반사도가 높아짐을 알 수 있다. 이는 청색 LED와 황색 형광체로 이루어진 백색광 LED 소자에서 형광체 변환 효율이 높아져서, 백색광 LED의 효율이 높아질 수 있음을 의미한다.
도 12에 광파장 필터를 집적한 백색광 발광 다이오드에서 측정한 스펙트럼을 나타내었다. 광파장 필터를 적용하였을 경우에 황색 스펙트럼의 세기가 증가함을 알 수 있다. 또한, 광파장 필터를 이루는 층의 수가 높아질수록 황색 스펙트럼의 세기가 증가한다. 이는 광파장 필터의 적용으로 인해, 청색 파장 영역에서의 투과도와 황색 파장에서의 반사도가 높아짐에 기인한다. 이로써, 본 발명에서 제시한 광파장 필터가 백색광 발광 다이오드에서 형광체 변환 효율의 증가에 큰 역할을 함을 보였으며, 이는 백색광 발광 다이오드의 벽플러그 효율(Wall-plug efficiency)의 증가로 이어짐이 자명하다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 : 기판
200 : N형 반도체층
300 : N형 오믹 전극
400 : 활성층
500 : P형 반도체층
600 : P형 오믹 전극
700 : 광파장 필터
800 : 형광체층
900 : 솔더링 범프
1000 : 제2종 기판 또는 PCB

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  12. 발광 다이오드 제조방법에 있어서,
    N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 적층하여 반도체 발광 구조물을 형성하는 반도체 발광 구조물 형성단계;
    상기 활성층에서 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 증착물질의 플럭스 선이 상기 광방출면의 수선에 대해 경사각을 갖도록 증착하는 방식인 경사각 증착법을 이용하여 광파장 필터를 형성하는 광파장 필터 형성단계; 및
    상기 활성층에서 생성된 광인 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파에 의해 여기되어 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파를 발생시키는 파장 변환층을 상기 광파장 필터 상에 형성하는 파장 변환층 형성단계를 포함하여 구성되고,
    상기 광파장 필터 형성단계에서 형성되는 광파장 필터는 상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파에 대해 투과율이 높으며, 상기 파장 변환층에서 발생한 상기 제2 전자기파에 대해서는 반사율이 높으며,
    상기 광파장 필터를 형성하는 물질은 투명 전도성 물질로 이루어지고,
    상기 광파장 필터는 P형 오믹 전극의 역할을 수행하며,
    상기 경사각 증착법을 이용하여 광파장 필터를 형성하기 전에, P형 접합을 위해 상기 P형 반도체층과 접하는 면에는 경사각을 0도로 하여 소정 두께로 광파장 필터 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 활성층에서 생성된 상기 제1 전자기파와 상기 파장 변환층에서 발생하는 상기 제2 전자기파의 조합에 의해 백색광이 생성되어 출사되는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 파장 대역은 400nm 이상 500nm 이하이고,
    상기 제2 파장 대역은 500nm 이상 700nm 이하이고,
    상기 파장 변환층은 상기 제1 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제1 전자기파를 흡수하여 상기 제2 파장 대역에서 최대 세기를 갖는 제2 전자기파로 변환시키는 형광체층인 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광파장 필터는 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn1-xMgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 광파장 필터 형성단계는
    제1 굴절률을 갖는 제1 물질층을 형성하는 제1 물질층 형성단계; 및
    상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층을 형성하는 제2 물질층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광파장 필터 형성단계에서,
    상기 제1 물질층 형성단계와 상기 제2 물질층 형성단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 광파장 필터 형성단계에서,
    상기 제1 물질층을 형성하기 위한 증착물질인 제1 물질 또는 상기 제2 물질층을 형성하기 위한 증착물질인 제2 물질의 플럭스 선과 상기 광방출면의 수선이 이루는 각도인 경사각과, 상기 광방출면의 회전 속도 및 상기 광방출면의 회전 방향중 적어도 하나를 조절하여 상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조의 형상을 조절하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광파장 필터 형성단계에서,
    상기 경사각은 90도 미만인 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층이 갖는 다공성 나노 구조는 나노 헬릭스(nano helix), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(oblique nano rod), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 N형 반도체층, 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층은 질화물계 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
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