KR101300805B1 - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 발광 다이오드의 광추출 영역의 상부 접촉층에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 가져 내부반사를 줄이는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층; 상기 하부 접촉층 상단에 형성되고 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 가지는 활성층; 및 상기 활성층 상단에 형성되고 p형 또는 n형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 상부 접촉층; 을 포함하고, 상기 상부 접촉층 또는 하부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층; 상기 하부 접촉층 상단에 형성되고 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 가지는 활성층; 및 상기 활성층 상단에 형성되고 p형 또는 n형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 상부 접촉층; 을 포함하고, 상기 상부 접촉층 또는 하부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 가지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광 다이오드의 광추출 영역의 상부 접촉층에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 가지는 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 발광 다이오드의 경우 내부양자 효율은 거의 100% 에 이르지만( I. Schnitzer 외 4명, Appl. Phys. Lett. 78, 3379) 실제 소자 밖으로 나오는 외부양자효율은 30% 이하이다(M. G. Craford, Semiconductor and semimetals, 64 (Academic press, 2000)). 이것은 다중양자우물 구조에서 생성된 빛이 소자 밖으로 나올 때 소자와 공기사이의 계면에서 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사에 기인한다. 이러한 물리적인 현상으로 인해 종래의 발광 다이오드에서의 광추출 효율은 매우 낮다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, p형 질화갈륨에 마스크없이 비선택 식각공정을 통하여 표면거칠기를 형성시켜 윗면으로 진행하는 빛이 거친 표면에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다. 그리고 p형 질화갈륨을 마스크를 사용하여 건식 식각하여 돌출부를 형성시킴으로써 윗면으로 진행하는 돌출부에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다. 그리고, 미국 특허 US 6,842,403호에서는 발광 다이오드의 p형 질화갈륨 표면에 주기적인 굴절률의 차이를 줌으로써 포토닉 밴드갭이 형성된 광결정을 만들어줌으로써 빛의 광추출 효율을 향상시킨 예가 있다.
하지만, 이러한 기술은 특정한 각도의 빛은 다시 안으로 들어가 활성층이나 에피의 결점 등에 재흡수 되는 문제점이 생길 수 있다. 이에 대한 해결책으로 본 발명은 상기의 기술들과 같이 단순히 광추출 효율을 높이기 위해서 임계각을 넓히려는 기술보다는 굴절률 차이 때문에 생기는 Fresnel 반사를 줄여 빛이 밖으로 빠져나올 때 내부반사를 줄이고 밖으로 바로 빠져나올 수 있는 무반사 구조층을 만드는데 있다. 하지만, 이를 이용한 LED 효율 향상에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있고 특히, 최근 이슈가 되는 수직형 발광다이오드에는 적용된 예가 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 발광 다이오드의 광추출 영역인 상부 접촉층, 하부 접촉층 또는 기판 중 어느 하나 이상의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 가져 내부반사를 줄이는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판의 상면에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층; AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 가지는 활성층; 및 상부 접촉층; 을 포함하고, 상기 상부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 가지며, 상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 무반사 구조층은, 발광 다이오드의 발광파장보다 작은 크기를 가지고 굴절율이 점점 작아지는 멀티층, 발광파장보다 작은 주기의 피라미드 구조의 나노콘, 나노로드, 나노팁 또는 나노스피어 중 어느 하나의 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 하부접촉층 하단에 산화알루미늄, 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO) 또는 금속 중 어느 하나로 이루어진 기판; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 하부 접촉층, 활성층 및 상부 접촉층이 성장된 후 상기 기판에서 분리된 경우에는 하부 접촉층, 상부 접촉층 또는 기판 중 하나 이상의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 가지며, 상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 무반사 구조층은, 질화갈륨 등 3족 또는 4족 성분계와 산화아연, 아이티오(ITO), 산화주석 및 산화마그네슘 등의 산화물 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, (a) 기판의 상면에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층을 형성하는 과정; (b) 상기 하부 접촉층 상면에 활성층을 성장시키는 과정; (c) 상기 활성층 상면에 상부 접촉층을 성장시키는 과정 및 (d) 상기 상부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 형성시키는 과정을 포함하고, 상기 하부 접촉층, 활성층 및 상부 접촉층이 성장된 후 기판에서 분리된 경우에는 하부 접촉층, 상부 접촉층 또는 기판 중 하나 이상의 바깥부에 발광 파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 형성시키는 과정을 더 포함하며, 상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, 상기 (d) 과정은, 이 빔(E-beam) 리소그라피를 이용하는 방법, 레이저 광의 홀로그램을 이용하는 방법 또는 나노 임프린트를 이용하는 방법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 발광 다이오드의 광추출 영역인 상부 접촉층, 하부 접촉층 또는 기판 중 어느 하나 이상의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층을 포함하여 빛의 내부반사를 줄여서 종래보다 광추출효율이 향상된다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드의 구성도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티층을 가지는 발광다이오드의 구성도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 무반사 구조층의 일예시도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 계단식 원통형 무반사 구조층의 일예시도.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 피라미드형 무반사 구조층의 일예시도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 제조방법의 흐름도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티층을 가지는 발광다이오드의 구성도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 무반사 구조층의 일예시도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 계단식 원통형 무반사 구조층의 일예시도.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 피라미드형 무반사 구조층의 일예시도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 제조방법의 흐름도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(100) 및 그 제조방법에 관하여 도 1 내지 도 6 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드(100)의 구성도로서, 도시된 바와 같이 발광 다이오드(100)는 기판(10)에 하부 접촉층(110), 활성층(120) 및 상부 접촉층(130)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(10)은 산화알루미늄(사파이어), 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO) 또는 금속 중 어느 하나로 이루어지며, 기판(10)의 일측면에 발광 다이오드(100)를 형성하고 발광 다이오드(100)가 형성된 후 발광 다이오드(100)와 분리될 수 있다.
상기 하부 접촉층(110)은 상기 기판(10)의 일측면에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진다.
상기 활성층(120)은 상기 하부 접촉층(110) 상단에 형성되고 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 가진다.
상기 상부 접촉층은 상기 활성층(120) 상단에 형성되고 p형 또는 n형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진다.
또한, 상기 상부 접촉층(130) 또는 하부 접촉층(110)의 바깥부는 일실시예로 도 2 또는 도 3 에 나타난 바와 같이, 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층(133) 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층(131)을 포함한다. 그리고, 기판이 결합한 경우에는 기판(10)의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층(133) 또는 발광파장보다 작은 주기의 무반사 구조층(131)을 가질 수 있다.
상기 무반사 구조층(131)은 발광파장보다 작은 주기의 서브웨이브랭스 그레이팅(Subwavelength Grating) 구조로 개별 구조가 피라미드 구조의 나노콘, 나노로드, 나노팁 또는 나노스피어 등 다양한 형태로 된 무반사 구조층(131)를 가질 수 있다. 이때, 무반사 구조층(131)는 질화갈륨 등 3족 또는 4족 성분계와 산화아연, 아이티오(ITO), 산화주석 및 산화마그네슘 등의 산화물 중 어느 하나로 이루어지고, 반사율 특성은 rigorous coupled-wave analysis(RCWA) 방법으로 계산될 수 있다.
상기 멀티층(133)은 발광파장보다 작은 두께를 가지는 다수의 층을 포함하고 각각의 층은 점차적으로 굴절률을 달리한다.
일반적으로, 발광 다이오드(100)의 발광파장은 적색파장은 700nm, 녹색파장은 520nm, 청색파장은 450nm이므로 무반사 구조층(131)은 발광파장인 수백 nm보다 작은 크기를 가진다. 이때, 상기 무반사 구조층(131)은 모스아이(Moth eye) 형태로 도 3 에 나타난 바와 같이 단순한 원통형 구조가 반복된 형태를 가질 수 있고, 도 4 또는 도 5 에 나타난 바와 같이 계단식 원통형 또는 피라미드형 구조가 반복된 형태를 가질 수도 있을 뿐만 아니라, 발광 파장과 상부 접촉층(130) 또는 하부 접촉층(110)의 종류, 상황에 따라 다양하게 변형이 가능하다.
따라서, 상기 무반사 구조층(131)은 굴절률 차이 때문에 생기는 프레넬 반사(fresnel reflection)를 줄여서 빛이 밖으로 빠져나올 때 내부반사를 하지 않고 밖으로 바로 빠져나올 수 있도록 하여 광추출 효율을 높이는 효과가 있다.
이하에서는 상기 구성으로 이루어진 발광 다이오드(100)의 제조방법에 대해서 설명 하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드(100) 제조방법의 흐름도로서, 도시된 바와 같이 기판(10)에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층(110), 활성층(120) 및 상부 접촉층(130)을 순차적으로 성장시키는 과정(S100) 및 상기 상부 접촉층(130)의 외부 표면에 발광파장보다 작은 주기로 반복 형성된 무반사 구조층(131)을 형성시키는 과정(S200)을 포함한다. 여기서 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심에서 중심까지의 거리이다.
구체적으로, 상기 S100 과정은 기판(10)에 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층(110), 활성층(120) 및 상부 접촉층(130)을 순차적으로 성장시킨다. 이때 하부 접촉층(110), 활성층(120) 및 상부 접촉층(130)은 성장된 후 기판(10)으로부터 분리될 수 있다.
상기 기판(10)에서 분리된 경우에 상기 S200 과정은 하부 접촉층(110), 상부 접촉층(130) 또는 기판(10) 중 하나 이상의 바깥부에 발광 파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층(133) 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층(131)을 형성시킨다. 이때, 이 빔(E-beam) 리소그라피를 이용하는 방법, 레이저 광의 홀로그램을 이용하는 방법 또는 나노 임프린트를 이용하는 방법 등 다양한 방법으로 발광파장보다 작은 크기의 무반사 구조층(131)을 형성할 수 있다.
상기 기판(10)에서 분리된 경우에 상기 S200 과정은 하부 접촉층(110), 상부 접촉층(130) 또는 기판(10) 중 하나 이상의 바깥부에 발광 파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층(133) 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층(131)을 형성시킨다. 이때, 이 빔(E-beam) 리소그라피를 이용하는 방법, 레이저 광의 홀로그램을 이용하는 방법 또는 나노 임프린트를 이용하는 방법 등 다양한 방법으로 발광파장보다 작은 크기의 무반사 구조층(131)을 형성할 수 있다.
삭제
상기 무반사 구조층(131)은 굴절률 차이 때문에 생기는 프레넬 반사(fresnel reflection)를 줄여서 빛이 밖으로 빠져나올 때 내부반사를 하지 않고 밖으로 바로 빠져나올 수 있도록 하여 광추출 효율을 높이는 효과가 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 기판 100 : 발광 다이오드
110 : 하부 접촉층 120 : 활성층
130 : 상부 접촉층 131 : 무반사 구조층
133 : 멀티층
110 : 하부 접촉층 120 : 활성층
130 : 상부 접촉층 131 : 무반사 구조층
133 : 멀티층
Claims (7)
- 기판의 상면에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층;
AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 가지는 활성층; 및
상부 접촉층; 을 포함하고,
상기 상부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 가지며,
상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것인,
발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조는 피라미드 구조이고,
상기 피라미드 구조는 나노콘, 나노로드, 나노팁 또는 나노스피어 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하부 접촉층, 활성층 및 상부 접촉층이 성장된 후 상기 기판에서 분리된 경우에는 하부 접촉층, 상부 접촉층 또는 기판 중 하나 이상의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 가지며,
상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것인,
발광 다이오드.
- 삭제
- (a) 기판의 상면에 n형 또는 p형 AlxGayInzN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 하부 접촉층을 형성하는 과정;
(b) 상기 하부 접촉층 상면에 활성층을 성장시키는 과정;
(c) 상기 활성층 상면에 상부 접촉층을 성장시키는 과정 및
(d) 상기 상부 접촉층의 바깥부에 발광파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 형성시키는 과정을 포함하고,
상기 하부 접촉층, 활성층 및 상부 접촉층이 성장된 후 기판에서 분리된 경우에는 하부 접촉층, 상부 접촉층 또는 기판 중 하나 이상의 바깥부에 발광 파장보다 작은 두께를 가지고 점차적으로 굴절률을 달리한 멀티층 또는 개별 구조가 주기적으로 반복 형성된 무반사 구조층을 형성시키는 과정을 더 포함하며,
상기 무반사 구조층의 상기 개별 구조의 반복 형성 주기는 인접하는 개별 구조의 중심과 중심 사이의 거리이며, 상기 반복 형성 주기는 발광파장보다 작은 것인,
발광 다이오드 제조 방법. - 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020110054749A KR101300805B1 (ko) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110054749A KR101300805B1 (ko) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20120135821A KR20120135821A (ko) | 2012-12-17 |
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| KR1020110054749A KR101300805B1 (ko) | 2011-06-07 | 2011-06-07 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
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| KR (1) | KR101300805B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100446596B1 (ko) * | 1997-05-07 | 2004-11-16 | 삼성전기주식회사 | 면발광다이오드및그제조방법 |
| JP2007529893A (ja) * | 2004-03-17 | 2007-10-25 | エピプラス・カンパニー・リミテッド | 無反射処理された高効率発光ダイオード素子 |
| KR100964811B1 (ko) * | 2008-09-29 | 2010-06-22 | 주식회사 에피밸리 | 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법 |
-
2011
- 2011-06-07 KR KR1020110054749A patent/KR101300805B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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