KR101638738B1 - 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판 및 이를 이용한 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 구비하는 발광다이오드에 있어서, 패턴들을 구비하는 패터닝 기판을 포함하되, 상기 패턴들은 기판 상부에서 바라봤을 때 직경(d)을 가지는 원형상이고, 직경의 중심들 사이의 거리는 피치(p)이며, 단면의 형상은 높이 (h)를 갖는 extruded 형상을 제공한다.

Description

질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판 및 이를 이용한 발광다이오드 {A PATTERNED SUBSTRATE FOR GALLIUM NITRIDE-BASED LIGHT EMITTING DIODE AND THE LIGHT EMITTING DIODE USING THE SAME}

본 발명은 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판 및 이를 이용한 발광다이오드에 관한 것으로, 패터닝 기판의 패턴들의 최적화를 제공하기 위한 기술이다.

질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해, 가까운 미래에 다양한 분야에서 기존의 광원을 대체할 광원으로 기대되고 있다.

질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.

현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 낮고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다.

질화갈륨계 발광다이오드의 경우 발광다이오드 활성층에서 생성된 빛들이 반도체 내부를 벗어나 공기 중으로 방출되려면 임계각도 보다 작게 입사되어야 한다. 그러나, 반도체 물질의 굴절률이 상대적으로 높은 원인으로 인해 상당 부분의 빛들이 반도체 내부에 갖혀서 가이딩되다가 나중에 활성층에 재흡수되어 발광다이오드 소자의 광추출 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 패터닝된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate, PSS)을 이용하고자 하는 시도가 있었다. 예를 들어 한국공개특허 10-2012-0084839호는 그 일예이다.

이와 같은 패터닝된 사파이어 기판을 사용하면 갖혔던 빛들이 패턴에 의해 산란 또는 다중 반사를 통하여 반도체 외부로 재방출되는 확률을 높임으로 인해 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.

그러나, 패터닝된 기판에 관한 연구와 노력이 있었음에도 불구하고 아직 최적의 패터닝 형태, 패터닝 크기 등 개선의 여지가 많은 실정이다.

이러한 배경 하에서, 본 발명의 목적은 패터닝 기판의 패턴들의 최적화를 제공하고자 하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판에 있어서, 패턴들을 구비하는 패터닝 기판을 포함하되, 상기 패턴들은 기판 상부에서 바라봤을 때 직경(d)을 가지는 원형상이고, 직경의 중심들 사이의 거리는 피치(p)이며, 단면의 형상은 높이 (h)를 갖는 extruded 형상이며, 직경(d)/피치(p)의 범위는 2.6/3 보다 크고 3/3 보다 작거나 같은 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 제공한다.

바람직하게는, 상기 높이 (h)는 직경/2를 기준으로 좌우로 ±0.10 ㎛ 의 범위에 존재한다. 여기서 ±0.10 ㎛ 의 범위는 반도체 공정상 실제 에칭 방법으로 패턴 제작시의 공차 (tolerance)가 존재할 가능성 있기 때문이다. 더욱 바람직하게는 상기 높이 (h)는 약 (직경/2)이다.

또한, 바람직하게는, 상기 질화갈륨계 발광다이오드는 수평구조를 갖는 발광다이오드 구조이다. 이는 본 발명의 실제 실험에 있어 본 구조를 사용하였기 때문이다. 그러나, 수직구조에서도 동일하게 적용될 것으로 추측할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 구비하는 발광다이오드에 있어서, 패턴들을 구비하는 패터닝 기판을 포함하되, 상기 패턴들은 기판 상부에서 바라봤을 때 직경(d)을 가지는 원형상이고, 직경의 중심들 사이의 거리는 피치(p)이며, 단면의 형상은 높이 (h)를 갖는 extruded 형상이며, 직경(d)/피치(p)의 범위는 2.6/3 보다 크고 3/3 보다 작거나 같은 발광다이오드를 제공한다.

본 발명에 의하면, 패터닝 기판의 패턴들의 최적화를 제공할 수 있게 되어 광추출효율이 증대된 패터닝 기판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 구비하는 발광소자의 개략적인 단면도 구성이다.
도 2는 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판에 형성된 다양한 패턴의 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 각 형상의 반복 패턴 주기를 도시하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 전산모사를 실시한 결과 그래프들이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 구비하는 발광소자의 개략적인 단면도 구성이다.

본 실시예에 따른 반도체 발광소자(1)는, 사파이어 기판(10)과, 상기 사파이어 기판(10) 상에 형성된 버퍼층(20), 제1 반도체 도핑층(30), 활성층(40), 제2 반도체 도핑층(50)을 구비한다.

사파이어 기판(10)의 일면은 요철형의 복수개의 패턴들(11)이 구비되며, 상기 복수의 패턴들(11) 각각은 대략, 반원형 단면을 갖는 반구형의 볼록 형상을 갖는다. 그러나, 상기 복수의 패턴들(11) 의 형상은, 삼각형, 사각형, 육각형 등과 같은 다각형, 그리고 원 등 다양한 형상을 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 반도체 발광소자(1)에서는 제1 반도체 도핑층(30)과 제2 반도반도체 도핑층(50)은 각각이 전극(미도시함)을 통해서 외부 단자에 접속가능하게 제조됨은 공지의 방식과 동일하다. 예를 들어, 수직 방향으로 제2 반도체 도핑층(50) 및 활성층(40)의 일부 영역이 제거되는 메사 식각 공정에 의해, 제1 반도체 도핑층(30) 일부가 상부로 노출된 수평형 또는 메사형의 구조를 갖는다. 이 경우, 제2 반도체 도핑층(50) 또는 그 위에 형성될 수 있는 투명전극층(미도시함) 상에 전극 패드(미도시함)가 설치되고, 제1 반도체 도핑층(30) 상에는 전극 패드(미도시함)가 설치된다.

하지만, 본 발명이 수평형 또는 메사형 발광소자의 구조로 제한되어서는 아니 될 것이며, 각 전극이 서로 대향되는 발광소자의 상부와 하부에 설치된 수직형 발광소자도 본 발명의 범위 내에 있다.

도 2는 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판에 형성된 다양한 패턴의 형상을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 가로축(도 2에서 'Base'로 명명됨)은 패터닝 기판을 상부에서 바라보았을 때 각 패턴들의 형상을 열거하고 있다. 가로축 각각은 삼각형(triangle), 사각형(square), 육각형(hexagon), 원(circle)이다. 세로축(도 2에서 'Cross section'로 명명됨)은 패터닝 기판의 단면을 기준으로 각 패턴들의 형상을 열거하고 있다. 세로축 각각은 Extruded 형, Truncated Extruded 형, Subtracted형, truncated Subtracted형이다.

도 3은 도 2의 각 형상의 반복 패턴 주기를 도시하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 도 2의 각형(triangle), 사각형(square), 육각형(hexagon), 원(circle) 피라미드 구조 각각의 피치(p)를 정의하고 있는 도면이다.

한편, 도 2의 다양한 패턴들이 발광다이오드의 광추출 효율에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 각각의 베이스(Base)와 단면(Cross section)별 패턴구조에 대해 광선추적 전산모사를 실시하였다. 다양한 패턴 모양별 크기를 정량화하기 n이하여 패턴 베이스의 외접원 개념을 도입하였고(도 3에 도시됨), 패턴 주기 및 높이도 함께 고려하여 전산모사를 수행하였다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 전산모사를 실시한 결과 그래프들이다.

도 4는 각 베이스에 따른 발광다이오드의 상대 광추출 효율(Relative Light Extraction Efficiency, relative LEEs)을 도시하고 있다. 피치(p) 는 3 ㎛이였고, 패턴에서 외접원의 지름은 1.2 ㎛에서 3.0㎛로 변화시켜, d/p 는 0.4에서 1로 변화하도록 되었다. 패턴의 높이 h는 d/2가 되어 베이스와 슬랜트의 각은 45도로 되었다. 4개의 베이스 형상은 각기 독립적으로 판단되었고 단면모양은 Extruded 형이 고려되었다.

각각의 베이스 형상에서, 고정된 패턴 피치에 대해 LEE는 외접원의 직경에 따라 증가하였다. 즉, d=p인 경우 각 베이스의 LEE는 최대가 되었다. 이러한 결과는 예상가능한 것이었는데 구조 내부에 트랩된 광의 산란이 PSS 패턴에 의해 덮혀진 표면의 부분의 증가에 따라 증가하고 있다.

고정된 외접원의 직경에서는 원 형상(Circle)이 다른 다각형의 경우 보다 큰 LEE를 나타내었다. 이것은 원의 경우가 PSS 패턴에 의해 덮혀진 표면의 부분이 가장 넓다는 점을 의미한다. 육각형은 사각형 형상 보다 높은 LEE를 나타내고 있다.

그러나, 사각형과 육각형 형상이 삼각형 보다 PSS 패턴에 의해 덮혀진 표면의 부분이 넓음에도 불구하고, 삼각형 형상은 사각형과 육각형 형상 보다 높은 LEE를 나타내고 있다. 따라서. 원 형상과 삼각형 형상이 더욱 효과적이다.

다음으로, 4개의 단면 형상들이 고려되었다. Extruded 형, Truncated Extruded 형, Subtracted형, truncated Subtracted형이다. 발명자들은 p를 3.0㎛로 고정하고 d=p로 d도 고정하였다. non-truncated 타입에서는 패턴의 수직 높이 h=d/2로 하고 truncated type에서는 패턴의 수직 높이 h=d/4로 하였다. 도 5는 각 단면 형상에 대하여 LEE를 전산모사한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 단면 형상의 효과는 베이스 형상에 따라 달랐다. 원 형상과 삼각형상은 Extruded 형에서 가장 높고, Truncated Extruded 형, Subtracted형, truncated Subtracted형 순이었다. LEE는 원 형상의 Extruded 형에서 가장 높았다.

이러한 방식으로 발명자들은 원 형상의 Extruded 형이 가장 최적의 조건임을 발견하고, 다음으로, 수직 높이 h를 변화 시켰다. 도 6은 원 형상의 Extruded 형 PSS에 대하여 단면 수직높이에 따라서 LEE를 전산모사한 그래프이다.

3.0㎛의 피치에 2.4 ㎛에서 3.0 ㎛ 까지 다양한 외접원의 직경을 가지는 패턴들에 대하여, 단면 수직높이를 1.0 ㎛에서 2.0 ㎛로 변화시키면서 LEE를 전산모사하였다.

그 결과, 일정한 단면 수직높이에서 외접원의 직경이 증가할수록 LEE는 증가되었다. 일정한 d에서 보면, d가 2.5㎛ 이하에서는 단면 수직높이가 증가할수록 LEE가 증가한다. 그러나, 실제 에피성장에서는 패턴의 높이는 예를 들어 패터닝된 기판 상에 형성되는 반도체층들, 특히 제1 반도체 도핑층 두께 보다 적어야 한다는 조건이 있을 수 있다. d가 2.5㎛ 보다 큰 조건에서는 일정한 범위의 단면 수직높이에서 최고치를 갖는다. 예를 들어 d가 3.0㎛인 경우 LEE는 h에 따라 증가하다가 1.5㎛에서 최고치에 도달하고 그 이후에는 다시 감소된다.

한편, 상술한 전산모사 도면들은 피치가 3㎛인 상황을 예로 들어 설명하였지만, 피치가 변경되는 경우는 동일하게 적용되는 점을 발견하였다. 즉, 피치가 3㎛인 경우 직경 d가 2.7 ㎛ 혹은 2.8 ㎛ 등의 결과는, 피치가 p로 변수인 경우 d가 (d* 2.7)/3 또는 (d* 2.8)/3 와 동일한 결과를 가져왔다. 즉, 실제로 기준이 되는 것은 패턴에 대한 외접원 직경 또는 직경 자체가 아니라, 외접원 직경과 패턴 피치의 비율이다. 만약 피치가 4 ㎛ 인 경우를 상정하면, 동일한 비율대로 직경이 커지면, 모든 결과는 동일해진다는 것이다.

이를 바탕으로, 본 발명의 패터닝 기판의 바람직한 조건을 설명한다.

기본적으로 원형상이면서 extruded 형태가 가장 우수한 특성을 가짐은 이미 전술한 바와 같고, 직경/피치 (d/p)가 1에 가까워지면 광추출 효율은 좋아진다.

그러나, 직경/피치 (d/p)가 1이 될수록, planar 면적 비율 (전체 기판 표면에서 패턴이 차지하지 않는 면적 비율) 이 당연히 줄어들고, 그러면 사파이어 위에 최종적인 에피층을 성장시킬 때, 에피를 잘 성장시키는 것이 매우 어려워진다. 최근 성장 기술이 점점 발달하여, 직경/피치 (d/p)가 1로 근접하는 조건하에서도 에피층을 잘 성장 시킬 수 있는 쪽으로 기술이 진보하고 있다. 그러나, 에피층 성장에 대한 어려움을 주지 않기 위해, 만약 planar 면적비율을 일정 정도 유지하여서, 직경/피치 (d/p) 를 1 이하의 어떤 값으로 고정하는 것이 효과적일 수 있다.

한편, 직경/피치 (d/p)가 1이하의 임의의 값으로 고정하는 경우, 단면 높이 h를 이용하여 광추출 효율을 극대화할 수 있다.

먼저, 직경/피치(d/p)의 범위가(2.6/3) 값 이하인 경우는 단면 높이 height 값이 크면 클수록, 광추출 효율은 우수한 특성을 보인다. 그러나 height 이 계속 커지면, 에피 성장시, 에피 두께는 최소한 pattern height 값 이상이어야 하고, 그 이상으로 길러야 안정된 에피 특성을 얻을 수 있다.

다음으로, 2.6/3 < 직경/피치 <= 3/3 조건 하에서는 단면 높이 height = 직경/2 에서, 광추출 효율은 가장 우수한 피크가 존재하고 있다.

도 6은 그 피크의 범위를 대략적으로 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 직경/피치가 2.7/3인 경우는 height가 1.2㎛ 에서 1.5㎛의 범위에서 광추출 효율이 우수하다. 직경/피치가 2.8/3인 경우는 height가 1.2㎛ 에서 1.6㎛의 범위에서 광추출 효율이 우수하다. 직경/피치가 2.9/3인 경우는 height가 1.2㎛ 에서 1.7㎛의 범위에서 광추출 효율이 우수하다. 직경/피치가 3.0/3인 경우는 height가 1.2㎛ 에서 1.8㎛의 범위에서 광추출 효율이 우수하다.

즉, 직경/피치가 3/3에 근접할수록 height에 따른 광추출 효율이 우수한 피크 영역이 넓어지는 현상을 볼 수 있고 직경/피치가 2.6/3에 근접할수록 height에 따른 광추출 효율이 우수한 피크 영역이 좁아지는 현상이 있다. 바람직한 범위는 직경/피치가 3/3에 근접할수록 height가 1.5 기준으로 양쪽 0.3㎛까지, 직경/피치가 2.6/3에 근접할수록 height가 1.35 기준으로 양쪽 0.15㎛까지이다.

가장 바람직한 직경, 피치, 높이의 조건을 보면, 2.6/3 < 직경/피치 <= 3/3 조건 하에서는 단면 높이 height 를 직경/2 로 구현하는 것이다. 또한, 설계의 편의를 위해서 단면 높이 height가 직경/2를 기준으로 0.15 내지 0.30㎛ 정도의 마진을 가지고 제작하는 것은 가능하다. 더욱 바람직하게는, 높이 (h)는 직경/2를 기준으로 좌우로 ±0.10 ㎛ 의 범위 내에 존재한다. 여기서 ±0.10 ㎛ 의 범위는 반도체 공정상 실제 에칭 방법으로 패턴 제작시의 공차 (tolerance)가 존재할 가능성 있기 때문이다. 더욱 바람직하게는 상기 높이 (h)는 약 (직경/2)이다.

또한, 바람직하게는, 질화갈륨계 발광다이오드는 수평구조를 갖는 발광다이오드 구조이다. 이는 본 발명의 실제 전산모소를 본 구조를 사용하였기 때문이다. 그러나, 수직구조에서도 동일하게 적용될 것으로 추측할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 결함 분석 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (8)

1. 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판에 있어서,
   패턴들을 구비하는 패터닝 기판을 포함하되,
   상기 패턴들은 기판 상부에서 바라봤을 때 직경(d)을 가지는 원형상이고, 직경의 중심들 사이의 거리는 피치(p)이며,
   단면의 형상은 단면이 삼각형 형상을 가지면서, 높이 (h)를 갖는 extruded 형상이며,
   직경(d)/피치(p)의 범위는 2.6/3 보다 크고 3/3 보다 작거나 같으며,
   상기 높이 (h)는 직경/2를 기준으로 좌우로 ±0.10 ㎛ 의 범위에 존재하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 높이 (h)는 직경/2인 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 발광다이오드는 수평구조인 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판.
   
5. 질화갈륨계 발광다이오드용 패터닝 기판을 구비하는 발광다이오드에 있어서,
   패턴들을 구비하는 패터닝 기판을 포함하되,
   상기 패턴들은 기판 상부에서 바라봤을 때 직경(d)을 가지는 원형상이고, 직경의 중심들 사이의 거리는 피치(p)이며,
   단면의 형상은 단면이 삼각형 형상을 가지면서, 높이 (h)를 갖는 extruded 형상이며,
   직경(d)/피치(p)의 범위는 2.6/3 보다 크고 3/3 보다 작거나 같으며,
   상기 높이 (h)는 직경/2를 기준으로 좌우로 ±0.10 ㎛ 의 범위에 존재하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광다이오드.
   
6. 삭제
7. 제5 항에 있어서,
   상기 높이 (h)는 직경/2인 질화갈륨계 발광다이오드.
   
8. 제5 항에 있어서,
   상기 발광다이오드는 수평구조인 질화갈륨계 발광다이오드.

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