KR101580270B1 - 발광 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성되고, 복수개의 3차원 구조체를 포함하는 3차원 구조체층; 및 상기 3차원 구조체층 상에 형성된 p-형 질화갈륨 반도체층을 포함하며, 상기 복수개의 3차원 구조체 중 적어도 하나는, 원뿔, 다각형뿔, 원기둥, 다각형 기둥, 원형의 링, 다각형의 링, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상을 포함하는 발광 다이오드, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 형광체 없이 백색 표현이 가능하고 우수한 연색성 조절 및 발광 효율을 나타낼 수 있다.

Description

발광 다이오드 및 이의 제조방법{Light-emitting diodes and its manufacturing method}
본 발명은 형광체를 사용하지 않는 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주거나 또는 광원으로 사용되는 것이다.
발광 다이오드 중 백색 발광 다이오드에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있고, 상기 백색 발광 다이오드는, p-n 접합된 다이오드의 일종이며, 전압이 인가될 때 단파장 광이 방출되는 전기발광효과를 이용하는 반도체 소자이다. 백색 발광 다이오드는 백색을 나타내기 위해서 적색, 녹색, 청색 등의 빛을 조합하여 백색을 표현하는 것으로, 현재 상용화되는 백색 다이오드는 청색 발광 다이오드에 황색 형광체를 사용하는 것이 일반화되어 있다.
백색 발광 다이오드에 형광체를 사용하는 경우에 여러 가지 문제점이 발생하고 있다. 예를 들어, 형광체로 인하여 빛의 흡수와 재방출 과정을 거쳐야 하므로, 에너지 변환 과정에서 에너지 손실이 발생하고, 장시간 구동이 되어야하는 조명용 발광 다이오드인 경우에 열에너지로 인하여 형광체의 열변 현상이 발생하고 있다. 또한, 발광 다이오드에 사용되는 형광체는 수입 의존도가 높고, 특히, 원료의 가격에 민감한 것으로, 예를 들어 희토류 등의 가격이 상승할 경우에 형광체 수급에 문제가 발생할 수 있다.
또한, 형광체 없이 백색 광원을 얻는 방식으로, 세 개의 다양한 파장을 갖는 발광 다이오드 칩을 서로 조합하여 백색 발광 다이오드를 구현하는 방식이 있으나, 각각의 침이 서로 다른 동작 전압을 가해야하고, 주변의 온도에 따라 출력이 변화기 때문에, 색좌표가 달라 색재현성이 낮고, 제조비용이 높은 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저렴한 비용으로 발광 다이오드의 제작이 가능하고, 색재현성이 우수할 뿐만 아니라 형광체 없이 고효율의 백색 발광 다이오드를 제공할 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다,
본 발명의 하나의 양상은,
기판;
상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층;
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성되고, 복수개의 3차원 구조체를 포함하는 3차원 구조체층; 및
상기 3차원 구조체층 상에 형성된 p-형 질화갈륨 반도체층을 포함하며,
상기 복수개의 3차원 구조체 중 적어도 하나는,
원뿔, 다각형뿔, 원기둥, 다각형 기둥, 원형의 링, 다각형의 링, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상을 포함하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
상기 복수개의 3차원 구조체는, 상기 복수개의 3차원 구조체는 랜덤하게 배열되거나 또는 복수개의 단위 패턴이 규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 단위 패턴 중 적어도 하나는, 상기 단위 패턴 내의 상기 복수개의 3차원 구조체가, 원, 타원, 다각형, 중심점이 있는 원, 타원 및 다각형, 및 라인 중 1종 이상의 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수개의 3차원 구조체는, 상기 3차원 구조체 상에 형성된 단일 또는 복수층의 활성층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수층의 활성층은, 서로 동일하거나 또는 상이한 성장률의 활성층으로 이루어질 수 있다.
상기 활성층은, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, 및 GaInNSb 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 제1 전극층 및 상기 p-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 제2 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 다이오드는 백색을 표현할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은,
기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 복수개의 홀 패턴으로 패터닝하는 단계; 상기 홀 패턴을 통하여 복수개의 3차원 구조체를 성장시키는 3차원 구조체층을 형성하는 단계; 및 상기 3차원 구조체층 상에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 복수개의 3차원 구조체는, 원뿔, 다각형뿔, 원기둥, 다각형 기둥, 원형의 링, 다각형의 링, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상을 포함하는 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
상기 3차원 구조체층을 형성하는 단계는, 1000 ℃ 내지 1100 ℃ 및 50 torr 내지 500 torr에서 이루어질 수 있다.
상기 3차원 구조체층을 형성하는 단계는 이후에, 상기 3차원 구조체 상에 활성층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 활성층을 형성하는 단계는, 650 ℃ 내지 850 ℃온도에서 이루어질 수 있다.
상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 홀 패턴은 원 및 다각형 형상 중 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 복수개의 홀 패턴은 50 nm 내지 30 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 제1 전극층을 형성하는 단계 및 상기 p-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 제2 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 연색성 조절이 가능하고, 높은 발광 효율을 갖는 무형광 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 본 발명에 의한 발광 다이오드는, 기존의 형광체를 사용하는 발광 다이오드에 비하여 저렴한 비용으로 제조 가능하다. 또한, 기존의 형광체를 사용하는 경우보다 에너지 손실이 적고, 색재현성이 우수하다.
본 발명에 의한 발광 다이오드는, 3차원 구조체의 형태, 이들의 배열 등을 조절하여 발광하는 빛의 파장 영역을 조절할 수 있다. 즉, 단일 웨이퍼에서 넓은 대역 스펙트럼으로 발광이 가능하므로 형광체 없이 백색 표현이 가능할 뿐만 아니라 다양한 색상을 표현하는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조체층에 형성된 복수개의 3차원 구조체의 형태 및 이들의 발광에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조체층에 형성된 복수개의 3차원 구조체의 단위 패턴에 대한 개념도이다.
도 4는 상기 도 3의 단위 패턴의 배열에 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 제시한 (a) 패턴으로 제조된 발광 다이오드의 SEM 이미지 및 이의 광루미네센스를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 제시한 (b) 패턴으로 제조된 발광 다이오드의 SEM 이미지 및 이의 광루미네센스를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 제시한 (c) 패턴으로 제조된 발광 다이오드의 SEM 이미지 및 이의 광루미네센스를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 제시한 (a) 패턴으로 제조된 발광 다이오드의 광루미네센스 및 CIE 색좌표를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 형광체 없이 단일 웨이퍼 상에서 넓은 스펙트럼으로 발광 가능하고, 연색성 조절 및 백색 표현이 가능한 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 것으로, 도 1의 발광 다이오드 (100)는 기판 (110), n-형 질화갈륨 반도체층 (120), 3차원 구조체층 (130), 및 p-형 질화갈륨 반도체층 (140)을 포함한다.
기판 (110)은 사파이어 (Al2O3), Si, SiC, GaN 및 AlN 중 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 (Al2O3)이다.
n-형 질화갈륨 반도체층 (120)은 기판 (110) 상에 형성되고, 예를 들어, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, 및 GaInNSb 중 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 n-형 GaN이다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 n-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 n-형 불순물은 N, P, As, Ge, Si, Cu, Ag, Au, Sb, Bi 등일 수 있다. n-형 질화갈륨 반도체층 (120)은 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 3 ㎛ 일 수 있다. n-형 질화갈륨 반도체층의 두께가 1 ㎛ 보다 얇으면 품질이 충분히 좋지 않을 수 있고, 10 ㎛ 보다 두꺼우면 반도체층의 균열이 일어날 수 있다.
n-형 질화갈륨 반도체층 (120) 상의 적어도 일부분에 유전체층 (121)이 더 형성될 수 있다. 유전체층 (121)은 n-형 질화갈륨 반도체층 (120) 상에서 3차원 구조체가 형성되는 부분을 제외한 영역에 형성된다. 유전체층 (121)은, Al203, TiO2, TiN, SiCx, Si0x, SixNy, 및 SiOxNy 중 1종 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, SiO2, Si3N4 등일 수 있다. 유전체층 (121)은 10 nm 내지 2 ㎛ 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 100 nm 일 수 있다. 유전체 층의 두께가 10 nm 보다 얇으면 균일한 형성에 문제가 될 수 있고, 2 ㎛ 보다 두꺼우면 공정과 성장에 문제가 될 수 있다.
3차원 구조체층 (130)은 n-형 질화갈륨 반도체층 (120) 상에서 성장된 복수개의 3차원 구조체(131, 도 2 참조)를 포함한다. 3차원 구조체층 (130)은, 3차원 구조체의 형태 및 구성, 예를 들어, 이들이 배열되는 패턴, 구조체의 구성비율 등에 따라 다양한 영역의 파장으로 빛을 방출할 수 있다. 또한, 이러한 3차원 구조체의 형태 및 구성을 조절하여 원하는 빛을 표현할 뿐만 아니라 색좌표의 조절이 가능하다.
상기 복수개의 3차원 구조체 (131)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다. 도 2(a) 내지 도 2(c)는 3차원 구조체층 (130)에서 복수개의 3차원 구조체 (131)를 구성하는 3차원 구조체의 다양한 형태 및 이들의 발광에 대한 개념도이다.
복수개의 3차원 구조체 (131)는 동일하거나 또는 상이한 형태의 3차원 구조체를 포함할 수 있으며, 상기 3차원 구조체 상에 활성층(132, 도 2)이 더 형성될 수 있다. 복수개의 3차원 구조체 (131) 중 적어도 하나는, 원뿔, 다각형뿔, 원기둥, 다각형 기둥, 원형의 링, 다각형의 링, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 다각형뿔 단독; 다각형뿔과 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 다각형뿔의 조합; 다각형뿔과 다각형 기둥 형태의 조합; 다각형뿔과 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 다각형의 링의 조합; 다각형뿔, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태 다각형뿔과 다각형 기둥 형태의 조합; 등일 수 있다.
예를 들어, 도 2(a)에서 제시한 피라미드와 같은 육각뿔 단독으로 이루어진 복수개의 3차원 구조체, 도 2(b)에서 제시한 피라미드와 같은 육각뿔과 상부가 편편하게 잘린 육각뿔이 조합된 복수개의 3차원 구조체, 도 2(c)에서 제시한 피라미드와 같은 육각뿔 및 필름 형태의 사각기둥이 조합된 복수개의 3차원 구조체, 도 2(d)에서 피라미드와 같은 육각뿔 및 상부가 편편하게 잘린 육각형의 링이 조합된 복수개의 3차원 구조체 등일 수 있다.
복수개의 3차원 구조체 (131)는 상기 구조체 상에 활성층(132)이 형성되면, 3차원 구조체의 형태에 따라 각기 다른 영역대의 파장을 발광할 수 있다. 예를 들어, 도 2(a)의 복수개의 3차원 구조체는 특정 파장 영역(R1)의 빛을 방출하고, 도 2(b) 내지 도 2(d)는 다양한 형태의 3차원 구조체의 조합으로 동일하거나 상이한 다양한 파장 영역(R1 , R2, R3, R4, R5 , R6 또는/및 R7)의 빛을 방출하는 것을 확인할 수 있으며, 이에, 3차원 구조체의 면, 형태, 크기 등에 따라 발광 파장을 조절하여 백색을 표현하거나 그에 준하는 원하는 광대역 파장의 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
복수개의 3차원 구조체 (131)는 서로 동일하거나 또는 상이한 크기의 3차원 구조체로 구성되며, 보다 구체적으로, 구조체의 밑면 직경, 깊이, 높이 등이 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 예를 들어, 3차원 구조체는 50 nm 내지 30 ㎛ 밑면 직경 및/또는 50 nm 내지 10 ㎛ 높이를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 복수개의 3차원 구조체 (131)의 배열을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조체층에 형성된 복수개의 3차원 구조체의 단위 패턴에 대한 개념도이다.
도 3은 복수개의 3 차원 구조체 (131)의 단위 패턴을 평면적으로 나타낸 것으로, 상기 복수개의 3차원 구조체는, 랜덤하게 배열되거나(미도시), 또는 단위 패턴을 형성하여 배열될 수 있다.
상기 단위 패턴은, 상기 단위 패턴 내의 복수개의 3차원 구조체 중 어느 하나가, 원, 타원, 다각형, 중심점이 있는 원, 타원 및 다각형, 및 라인 중 1종 이상의 형태로 배열될 수 있다. 상기 중심점이 있는 원, 타원 및 다각형은 중심점을 원, 타원 또는 다각형으로 둘러싸인 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 3(a)에서 나타낸 반지름이 다른 2종 이상의 원으로 이루어진 동심원 형태, 도 3(b)에서 나타낸 사각형 형태, 도 3(c)에 나타낸 다이아몬드 형태, 도 3(d)에서 나타낸 육각형 형태, 도 3(e)에서 나타낸 중심점이 있는 육각형 형태, 및 도 3(f)에서 나타낸 라인 형태 등일 수 있다.
상기 단위 패턴은 동일하거나 또는 상이한 형태의 3차원 구조체로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 3(d)의 확대도에서 나타낸 육각형 형태로 이루어진 단위 패턴은, 각 꼭지점에 동일한 형태의 3차원 구조체 (a1)가 구성되고, 도 3(e)의 확대도에서 나타낸 중심점이 있는 육각형 형태로 이루어진 단위 패턴은, 각 꼭지점에 동일한 형태의 3차원 구조체 (a1)가 구성되고, 중심점에는 다른 형태의 3차원 구조체 (a2)가 구성될 수 있고, 또는 각 꼭지점 및 중심점에 서로 동일한 형태의 3차원 구조체 (a1)로 구성될 수 있다.
상기 단위 패턴에서 복수개의 3차원 구조체 배열의 간격, 각도, 형태 등은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 발광 다이오드의 적용 분야 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
도 4는 상기 도 3의 단위 패턴의 배열에 대한 개념도이다. 상기 단위 패턴은 랜덤하게 배열되거나 또는 규칙적으로 배열될 수 있다. 상기 단위 패턴은 단일 또는 2종 이상의 단위 패턴이 혼합되어 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 4(a)에 나타낸, 단위 패턴(Array 1) 및 단위 패턴(Array 2)의 혼합 배열은 이들이 랜덤하게 배열된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4(b)에 나타낸, 단위 패턴(Array 1) 및 단위 패턴(Array 2)의 혼합 배열은, 단위 패턴(Array 1) 및 단위 패턴(Array 2)이 바둑판 형태로 규칙적으로 배열된 것을 확인할 수 있다. 도 4(c)에 나타낸, 단위 패턴(Array 1) 및 단위 패턴(Array 2)의 혼합 배열은, 단위 패턴(Array 2)이 일정한 간격으로 규칙적으로 배열된 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 단위 패턴은, 나노크기의 3차원 구조체와 마이크로 크기의 3차원 구조체의 조합일 수 있다. 예를 들어, 도 4(d)에서 복수개의 3차원 구조체로 이루어진 단위 패턴(Array 1)과 마이크로 크기(a)의 3차원 구조체(S1)의 혼합 배열로, 3차원 구조체(S1)가 일정한 간격(b)으로 규칙적으로 배열되고, 이외 부분에 단위 패턴(Array 1)이 배열되는 것을 확인할 수 있다.
도 2를 참조하면, 활성층(132)은 발광 물질을 포함하고, 3차원 구조체의 형태, 예를 들어, 구조체의 면에 따라 활성층의 두께 및 함량이 변화되어 상이한 영역 대의 파장을 발광할 수 있다. 즉, 도 2(b)를 참조하면, 3차원 구조체 형태, 구조체의 상단면, 옆면 등에 따라서 상이한 파장대의 빛이 발광하는 것을 확인할 수 있다.
활성층(132)은 발광하는 빛의 파장을 조절하기 위해서, 3차원 구조체 상에 활성층의 성장시 온도에 따라 성장율을 변화시킬 수 있다. 활성층(132)은 단일 또는 복수층으로 형성될 수 있으며, 상기 복수층은 동일하거나 또는 상이한 성장율의 활성층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(132)은, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, 및 GaInNSb 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 InGaN이다.
도 1을 참조하면, p-형 질화갈륨 반도체층 (140)은 3차원 구조체층 (130) 상에 형성되며, 상기 p-형 질화갈륨 반도체에는 p-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 p-형 불순물은 Mg, B, In, Ga, Al, Tl 등일 수 있다.
본 발명에 의한 발광 다이오드는 n-형 금속 전극층 (150) 및 p-형 금속 전극층 (160)을 더 포함할 수 있으며, 도 1을 참조하면, n-형 금속 전극층 (150)은 n-형 질화갈륨 반도체층(320)의 적어도 일부분에 형성되고, n-형 금속 전극층 (150)은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, n-형 금속 전극층 (150)은 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다.
p-형 금속 전극층 (160)은 p-형 질화갈륨 반도체층 (140)의 적어도 일부분에 형성되고, p-형 금속 전극층 (160)은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함할 수 있다. p-형 금속 전극층 (160)은 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다.
n-형 금속 전극층(150 및 p-형 금속 전극층(160)은 오믹 전자로 작용하여 발광 다이오드(300)에 전류를 공급하여 전기구동이 가능하고, 30 nm 내지 200 nm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 150 nm 내지 180 nm 두께이다.
본 발명은 본 발명에 의한 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계, 3차원 구조체층을 형성하는 단계 및 p-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 다이오드의 제조방법을 나타낸 것으로, 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 백색 발광 다이오드의 제조방법을 설명한다.
n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계, 마스크층을 형성하는 단계, 패터닝하는 단계, 3차원 구조체층을 형성하는 단계, 활성층을 형성하는 단계, 및 p-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 p-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 이후에 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5(a)에서, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 언급한 기판 (110) 상의 적어도 일부분에 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용하여 n-형 질화갈륨 반도체층(120)을 형성하는 단계이며, 공정 조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 상기 언급한 바와 같다.
도 5(b)에서, 상기 마스크층을 형성하는 단계는 n-형 질화갈륨 반도체층 (120) 상의 적어도 일부분에 마스크층 (121)을 증착하는 단계이다. 상기 마스크층 (121)은 100 nm 내지 200 nm이며, 상기 언급한 유전체층의 구성성분과 동일하다.
도 5(b)에서, 상기 패터닝하는 단계는 마스크층 (121)을 리소그래피 공정을 이용하여 홀패턴으로 패터닝한다. 상기 리소그래피 공정은 디자인되는 복수개의 3차원 구조체의 배열 패턴, 3차원 구조체의 형태 등에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있으며, 예를 들어, 포토-리소그래피, 레이저 리소그래피, e-빔 리소그래피, 또는 나노-리소그래피 등을 이용할 수 있다.
상기 패터닝은 상기 언급한 복수개의 3차원 구조제의 배열 및 3차원 구조체의 형태에 따라 홀패턴을 이용하여 디자인된다. 상기 홀패턴의 직경 (a)는 3차원 구조체의 형태에 따라 적절하게 선택될 수 있고, 바람직하게는 50 nm 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 홀패턴의 원 및 다각형 중 1종 이상의 형상을 가지며, 상기 홀패턴의 하단 부분에 n-형 질화갈륨 반도체층 (120)이 노출된다.
도 5(c)에서, 상기 3차원 구조체층을 형성하는 단계는 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된 상기 홀 패턴을 통하여 복수개의 3차원 구조체 (131)를 성장시킨다. 상기 단계는 1000 ℃ 내지 1100 ℃ 및 50 torr 내지 500 torr에서 실시될 수 있다. 상기 단계는 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용할 수 있다. 복수개의 3차원 구조체 (131)는 n-형 질화갈륨 반도체층 (120)과 동일한 성분으로 이루어지고, 복수개의 3차원 구조체(131)의 형태는 상기 언급한 바와 같다.
도 5(d)에서, 상기 활성층을 형성하는 단계는 3차원 구조체 (131) 상의 적어도 일부분에 활성층 (132)을 형성한다. 상기 단계는 650 ℃ 내지 850 ℃에서 실시되고, 원하는 활성층의 성장율에 따라 상기 온도 범위는 적절하게 선택될 수 있다. 상기 활성층을 형성하는 단계는, MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy) 등을 이용할 수 있으며, 상기 활성층의 성분 및 구성은 상기 언급한 바와 같다.
도 5(e)에서, 상기 p-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, 3차원 구조체층 (130) 상에 p-형 질화갈륨 반도체층 (140)을 형성한다. 상기 단계는 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용할 수 있으며, 상기 p-형 질화갈륨 반도체층(140)의 성분 및 구성은 상기 언급한 바와 같다.
도 5(f)에서, 상기 제조방법은, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 (120) 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층 (150)을 형성하는 단계; 및 상기 p-형 질화갈륨 반도체층(140) 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층 (160)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 공정 조건은 특별히 제한하지 않는다.
본 발명에서 제시한 증착 방법 및 화합물의 성장방법은 통상적인 공정 조건을 이용하고 있을 뿐, 특별히 제한하지 않으며, 본 발명의 기술 분야에서 당업자는 본 발명의 기재 사항으로 용이하게 이해할 수 있다.
상기 제조방법은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 통상적인 발광 다이오드 제조에 적용되는 공정을 더 포함할 수 있으며, 식각공정, 전류 분산층 증착 공정, 금속 증착 공정 등일 수 있으며, 구체적인 공정 조건은 특별히 제한하지 않는다.
실시예 1
MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여, 1080 ℃에서 c-plane 사파이어 기판 상에 n-형 GaN층(3 ㎛)을 형성하였다. 이어서, PECVD을 이용하여, 350 ℃에서 Si3N4 (100 nm)를 증착하였다. 다음으로, 리소그래피 방법(Lithography Method)을 이용하여 Si3N4를 홀 패턴으로 패터닝하였다. 상기 홀 내에서 MOCVD를 이용하여 1080 ℃에서 GaN를 성장시켜, 상기 홀 패턴에서 돌출한 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체(단위 패턴 1) 및 평평한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 구조체(단위 패턴 2)를 갖는 (a) 패턴, 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체(단위 패턴 1) 및 평평한 필름 구조의 GaN 구조체를 갖는 (b) 패턴, 및 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체 및 평평한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 구조체로 이루어진 (c) 패턴을 제조하였다.
680 ℃온도에서 구조체 상에 InGaN 활성층을 형성시켜 발광 다이오드를 제조하였다. 제조된 발광 다이오드는 He-Cd 레이저, 분광기 및 광검출기로 광루미네센스를 측정하고, 상기 패턴 표면에 대한 SEM 이미지를 도 6 내지 도 8에 나타내었다.
실시예 2
(a) 패턴에서 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체(단위 패턴 1) 및 평평한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 구조체 (단위 패턴 2)의 면적 비율을 하기의 표 1과 같이 변경하여 3차원 구조체층을 형성하고, 그 위에 InGaN 활성층을 680 ℃ 및 720 ℃ 온도에서 반복하여 2층의 InGaN 활성층을 형성시켜 발광 다이오드를 제조하였다.
제조된 발광 다이오드는 He-Cd 레이저, 분광기 및 광검출기를 이용하여 광루미네센스를 측정하고, 이에 해당되는 CIE 색좌표를 스펙트럼으로부터 추출하여 도 9에 나타내었다. 또한, 각 구조체의 백색 발광 색상의 이미지를 도 9에 나타내었다.
(a)-1 (a)-2 (a)-3 (a)-4
단위 패턴 1:단위 패턴 2의 면적비 3:1 2:1 1:2 1:3
도 6 내지 도 8의 광루미네센스를 살펴보면, 3차원 구조체의 형태 및 배열 등에 따라서 발광하는 빛의 파장대가 상이한 것으로 확인할 수 있다. 또한, 도 9를 살펴보면, 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체 및 평평한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 구조체의 면적 비율에 따라 cool 백색, warm 백색 등으로 빛을 표현할 수 있음을 확인할 수 있고, 이러한 구조체의 형태, 배열 등의 조합에 의해 연색성, 발광 파장 영역 등을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 3차원 구조체층의 구조체의 형태, 이들의 조합 비율 등에 따라서 발광하는 파장 영역을 조절할 수 있고, 백색 광원의 미세 조절이 가능하다. 본 발명은 형광체 없이 백색 표현이 가능한 발광 다이오드뿐만 아니라 다양한 색상을 표현할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층;
    상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성되고, 복수개의 3차원 구조체를 포함하는 3차원 구조체층;
    상기 3차원 구조체 상에 형성된 복수층의 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성된 p-형 질화갈륨 반도체층을 포함하며,
    상기 복수개의 3차원 구조체는, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상; 을 포함하고,
    상기 복수개의 3차원 구조체는 복수개의 단위 패턴으로 배열된 것이며,
    상기 복수개의 단위 패턴은, 상기 단위 패턴 내의 상기 복수개의 3차원 구조체가, 원, 타원, 다각형, 중심점이 있는 원, 타원 및 다각형 중 1종 이상의 형태로 배열된 단위 패턴 중 2종 이상을 포함하고,
    상기 3차원 구조체의 높이는, 50 nm 내지 10 ㎛이며,
    상기 복수층의 활성층은, 상이한 성장률의 활성층으로 이루어진 것인,
    발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, 및 GaInNSb 중 1종 이상을 포함하는 것인, 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 백색을 표현하는 것인, 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 제1 전극층 및
    상기 p-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 제2 전극층을 더 포함하는 것인, 발광 다이오드.
  9. 기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 마스크층을 복수개의 홀 패턴으로 패터닝하는 단계;
    상기 홀 패턴을 통하여 복수개의 3차원 구조체를 성장시키는 3차원 구조체층을 형성하는 단계;
    상기 3차원 구조체 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 p-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 복수개의 3차원 구조체는, 평평한 상부를 갖도록 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태의 3차원 구조체 중 1종 이상; 을 포함하고,
    상기 복수개의 3차원 구조체는 복수개의 단위 패턴으로 배열된 것이며,
    상기 복수개의 단위 패턴은, 상기 단위 패턴 내의 상기 복수개의 3차원 구조체가, 원, 타원, 다각형, 중심점이 있는 원, 타원 및 다각형 중 1종 이상의 형태로 배열된 단위 패턴 중 2종 이상을 포함하고,
    상기 3차원 구조체의 높이는, 50 nm 내지 10 ㎛이며,
    상기 활성층은, 상이한 성장률의 활성층으로 이루어진 복수층으로 형성된,
    발광 다이오드의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 구조체층을 형성하는 단계는, 1000 ℃ 내지 1100 ℃ 및 50 torr 내지 500 torr에서 이루어지는 것인, 발광 다이오드의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 활성층을 형성하는 단계는, 650 ℃ 내지 850 ℃ 온도에서 이루어지는 것인, 발광 다이오드의 제조방법.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서,
    상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 제조방법.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서,
    상기 복수개의 홀 패턴은 원 및 다각형 형상 중 1종 이상인 것인, 발광 다이오드의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 복수개의 홀 패턴은 50 nm 내지 30 ㎛의 크기를 갖는 것인, 발광 다이오드의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 제1 전극층을 형성하는 단계 및
    상기 p-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 제2 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드의 제조방법.
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