KR101721846B1 - 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이 - Google Patents

디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, GaN 기판 상에 유전체마스크층을 형성하는 제1단계와, 상기 유전체마스크층을 패터닝하여 상기 GaN 기판의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀이 구비된 나노패턴을 형성하는 제2단계와, 상기 나노패턴의 패턴홀에 의해 일부 영역이 노출된 상기 GaN 기판 상에 n-GaN 층을 선택적으로 성장시킨 후, 활성층 및 p-GaN 층을 순차적으로 선택적으로 성장시켜, 상기 패턴홀 당 하나의 단위 LED구조체를 형성하는 제3단계와, 상기 GaN 기판 상에 n형전극을 형성하고, 상기 단위 LED구조체 사이에 산화물을 증착하는 제4단계 및 상기 p-GaN 층 상에 p형전극을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이를 기술적 요지로 한다. 이에 의해, 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 초소형 발광 다이오드 어레이를 제조할 수 있으며, 기존의 탑다운(top-down) 방식이 아닌 바텀업(bottom-up) 방식으로 간단하고 쉬운 공정으로 LED를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이{manufacturing method of micro GaN LED array and micro GaN LED array thereby}
본 발명은 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 바텀업(bottom-up) 방식을 이용하여 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 관한 것이다.
일반적으로, 소형 디스플레이를 위한 표시장치는 일반적으로 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 방법으로 제조되고 있으나, 낮은 수율 및 공정 비용이 높고, 내열 특성이 낮은 문제점이 있다.
이러한 소형 디스플레이는 최근 모바일 또는 웨어러블(wearable) 소자에 대한 요구가 증가됨에 따라 그 수요가 점차 증가되고 있으며, 이런 요구에 맞춰 능동 발광이 가능한 OLED 또는 LED를 디스플레이의 단위 화소로 사용하기 위한 시도들이 있다.
그러나, OLED는 모듈 제작을 위한 수율, 열화특성이 낮은 편이며, 극한 환경에서는 디스플레이 특성이 저하되어 소형 디스플레이 모듈로써 안정적인 구동이 어려운 문제점이 있다.
반면, 질화물 반도체 발광다이오드를 이용한 LED 어레이는 제조단가 하락 및 공정 수율이 지속적으로 상승되고 있고, 내충격, 내열성이 우수할 뿐 아니라 극한 환경에 대한 저항성이 우수한 특성을 보이고 있어 어떠한 환경에서도 안정적으로 발광특성을 구현할 수 있는 특징을 가지고 있다.
또한, 공정 기술의 향상에 따라 질화물 반도체 발광다이오드를 수십 마이크로 이하의 단위 픽셀로 구성하는 발광다이오드 어레이의 구현이 용이하여, 모바일 또는 웨어러블 소자를 위한 우수한 특성을 갖는 소형 디스플레이 표시장치들을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 LED 에피탁시 공정을 이용하여 마이크로 크기 이하의 LED 칩 어레이를 구현하는 공정 모식도를 나타낸 것이고, 도 2는 이러한 단위 LED 칩의 구조를 나타낸 것이다.
이러한 공정은 두꺼운 GaN 에피 웨이퍼를 수십~수백 마이크로 크기로 에칭하여 LED의 크기를 정의하고 미세한 패턴을 이용하여 전극을 증착해야 하는 탑다운(top-down) 방식의 공정으로 진행되게 된다.
그러나, 이러한 탑다운 방식의 공정은 에칭 공정 중 에칭 단면의 정확한 경계를 구현하기 어려우며, 미세한 패턴 위에 전극의 정렬 및 제어가 어렵고, 여러 단계의 단위 공정을 거치게 되어, 에칭 단면의 형상 불량, 패턴 정렬 불량이 발생하게 된다.
또한, 에칭 공정에서 발생되는 플라즈마에 의한 손상 및 표면 전하로 공정 불량을 야기하고, 이로 인해 소자의 특성을 저하시키는 결과를 초래하게 될 뿐만 아니라, 전체적으로 공정이 복잡하여 수율을 감소시키게 된다.
즉, 탑다운 방식의 복잡하고 어려운 공정으로 인하여 소형 디스플레이에서 LED를 기본 단위 화소로 사용하는데 어려움이 있으며, 보다 간단하고 쉬운 공정을 통한 능동 발광 다이오드 어레이에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바텀업(bottom-up) 방식을 이용하여 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, GaN 기판 상에 유전체마스크층을 형성하는 제1단계와, 상기 유전체마스크층을 패터닝하여 상기 GaN 기판의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀이 구비된 나노패턴을 형성하는 제2단계와, 상기 나노패턴의 패턴홀에 의해 일부 영역이 노출된 상기 GaN 기판 상에 n-GaN 층을 선택적으로 성장시킨 후, 활성층 및 p-GaN 층을 순차적으로 선택적으로 성장시켜, 상기 패턴홀 당 하나의 단위 LED구조체를 형성하는 제3단계와, 상기 GaN 기판 상에 n형전극을 형성하고, 상기 단위 LED구조체 사이에 산화물을 증착하는 제4단계 및 상기 p-GaN 층 상에 p형전극을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법 및 그에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층이 최상층으로 성장된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층을 성장하거나, 도핑농도가 서로 다른 n-GaN 층을 복수개로 성장한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층과 InAlGaN/n-GaN 층을 반복하여 성장한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 활성층은, InGaN인 것이 바람직하며, 상기 유전체마스크층은, 산화물 또는 질화물 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노패턴은, 원형 또는 다각형 형상의 패턴홀로 구현되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 나노패턴의 패턴홀은, 사각형 또는 벌집형태로 배치되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 나노패턴의 패턴홀은, 그 직경 또는 간격의 조절에 의해 해상도가 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단위 LED구조체는, MOCVD 방법에 의해 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 단위 LED구조체는, 피라미드 형태, 막대기 형태 및 사다리꼴 형태 중 어느 하나로 구현되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2단계 이후에 n-GaN 층을 성장시킨 후, 상기 나노패턴의 패턴홀 상측 영역에 패터닝된 제2유전체마스크층을 형성하여 상기 n-GaN 층의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀이 구비된 제2나노패턴을 형성하여, 상기 제2나노패턴이 형성된 상기 n-GaN 층 상에 상기 패턴홀 당 하나의 상기 제3단계의 단위 LED구조체를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단위 LED구조체가 독립적으로 동작하도록 상기 n형전극 및 p형전극의 배선을 설계하는 것이 바람직하다.
본 발명은 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 초소형 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 기존의 탑다운(top-down) 방식이 아닌 바텀업(bottom-up) 방식으로 간단하고 쉬운 공정으로 LED를 제조할 수 있는 효과가 있다.
이러한 바텀업 방식의 LED 제조 방법은 에칭 공정의 어려움을 피할 수 있을 뿐만 아니라 에칭 공정에서 발생되는 플라즈마 손상 및 표면 전하 특성을 개선해 공정 수율을 높이고 LED의 동작 특성을 개선시키는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 마이크로 싸이즈 이하의 LED를 소형 디스플레이의 단위 화소로 사용하여 웨어러블 소자의 디스플레이 표시 모듈 또는 스마트 안경의 디스플레이 표시 모듈로 사용이 가능한 효과가 있다.
기존의 OLED나 LCoS에 비해 장치의 구동에서 내충격성, 내열성 등 극한 환경에서도 적용 가능한 소형 디스플레이 모듈을 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 1 - 종래의 LED 에피탁시 공정을 이용하여 마이크로 크기 이하의 LED 칩 어레이를 구현하는 공정을 나타낸 모식도.
도 2 - 도 1의 공정에 의한 단위 LED 칩의 구조를 나타낸 모식도.
도 3 - 본 발명에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법에 대한 모식도.
도 4 내지 도 6 - 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 모식도((a)측단면도, (b)정면도).
도 7 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 모식도.
도 8 - 도 2의 실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 측면도 및 정면도.
본 발명은 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 초소형 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 기존의 탑다운(top-down) 방식이 아니라, 바텀업(bottom-up) 방식으로 간단하게 LED를 제조하는 것이다.
이러한 바텀업 방식의 LED 제조 방법은 에칭 공정의 어려움을 피할 수 있을 뿐만 아니라 에칭 공정에서 발생되는 플라즈마 손상 및 표면 전하 특성을 개선해 공정 수율을 높이고 LED의 동작 특성이 개선된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법에 대한 모식도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 모식도((a)측단면도, (b)정면도)이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 모식도이며, 도 8은 도 2의 실시예에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 측면도 및 정면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법은, GaN 기판(10) 상에 유전체마스크층(20)을 형성하는 제1단계와, 상기 유전체마스크층(20)을 패터닝하여 상기 GaN 기판(10)의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀(31)이 구비된 나노패턴(30)을 형성하는 제2단계와, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31)에 의해 일부 영역이 노출된 상기 GaN 기판(10) 상에 n-GaN 층(41)을 선택적으로 성장시킨 후, 활성층(42) 및 p-GaN 층(43)을 순차적으로 선택적으로 성장시켜, 상기 패턴홀(31) 당 하나의 단위 LED구조체(40)를 형성하는 제3단계와, 상기 GaN 기판(10) 상에 n형전극(50)을 형성하고, 상기 단위 LED구조체(40) 사이에 산화물(70)을 증착하는 제4단계 및 상기 p-GaN 층(43) 상에 p형전극(60)을 형성하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 의해 바텀업(bottom-up) 방식으로 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체(40)를 기판 전면에 배열시킨 초소형 발광 다이오드 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
먼저, GaN 기판(10) 상에 유전체마스크층(20)을 형성한다.(제1단계)
상기 GaN 기판(10)은 베이스 기판 상에 일반적으로 n형으로 도핑된 GaN 층을 성장하여 얻는 것으로서, 구체적으로는 MOCVD 공정에 의해 c-plane 사파이어 베이스 기판 상에 저온에서 GaN 버퍼층을 성장시킨 후, 고온에서 n형으로 도핑된 GaN 층을 성장하여 얻는다
상기 베이스 기판은 Si, GaN, GaAs, Sapphire, SiC, Glass 중 어느 하나의 재질로 형성되며, 절연체 베이스 기판 또는 반도체 베이스 기판 등 다양한 기판을 사용할 수 있다. 본 발명의 일실시예로는 베이스 기판으로 c-plane 사파이어를 사용한다.
또한, 발광효율을 보다 향상시키기 위해, 상기 GaN 기판(10)은 u-GaN 상층에 n-GaN 층(41)이 최상층으로 성장된 것을 사용하거나, u-GaN 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층을 성장하거나, 도핑농도가 서로 다른 u-GaN/n-GaN 층을 반복하여 성장한 것을 사용하거나, u-GaN 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층과 InAlGaN/n-GaN 층을 반복하여 성장한 것을 사용할 수 있다.
즉, u-GaN 층을 기반으로 하여, n-GaN 층을 GaN 기판(10)의 최상층에 형성하거나, 또는 n-GaN 성장 중에 u-GaN/n-GaN 층과 같이 도핑하지 않은 층과 n-도핑이 된 층 또는 도핑농도가 서로 다른 n-GaN 층을 복수 개로 성장시킨 것을 사용하거나, 또는 n-GaN 성장 중에 도핑농도가 다른 GaN의 구조(u-GaN/n-GaN 층)와 추가적으로 InAlGaN/n-GaN 층의 형태로 짝을 이루는 초격자 구조가 삽입된 형태의 GaN 기판(10)을 사용할 수 있다.
상기 유전체마스크층(20)은 상기 GaN 기판(10) 상에 형성되는 것으로서, 일반적인 물리, 화학적 증착법을 이용하여 박막으로 형성된 후, 패터닝하여 형성된다. 상기 유전체마스크층(20)은 패터닝을 위한 건식 또는 습식 식각 공정시에도 안정적인 물질을 사용하며, 예컨대 SiO2, TiO2와 같은 산화물(70) 또는 SiN, TiN과 같은 질화물을 사용한다.
그리고, 상기 유전체마스크층(20)의 패터닝은 상기 GaN 기판(10)의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀(31)이 구비된 나노패턴(30)을 형성하는 것으로서, 포토리소그래피, 나노임프린트 등의 방법을 사용하여 형성하며, 후술할 단위 LED구조체(40)의 직경과 간격을 고려하여 나노패턴(30)을 형성한다.(제2단계)
이러한 유전체마스크층(20)의 패터닝은 도 3에 도시된 바와 같이, GaN 기판(10) 상층에 SiO2를 증착하고, PMMA와 같은 고분자층 및 임프린트 레진층을 차례로 형성하고, 임프린팅 후 임프린트 레진층 및 PMMA 고분자층을 식각하여 SiO2까지 식각하고, 최종 PMMA를 제거함으로써, GaN 기판(10) 상층에 유전체마스크층(SiO2)(20)으로 이루어진 나노패턴(30)을 형성하는 것이다.
일반적으로 유전체마스크층(20)으로 이루어진 나노패턴(30)은 GaN 기판(10)의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀(31) 형태로 구현되는 것으로서, 후술할 n-GaN 층의 선택적 성장을 도모하기 위한 것으로서, 나노패턴(30)의 설계를 통해 디스플레이 장치의 해상도를 결정할 수 있다.
상기 나노패턴(30)은 원형 또는 삼각형, 사각형, 육각형과 같은 다각형 형상의 패턴홀(31)이 사각형 또는 벌집형태로 규칙적으로 배치되는 형태를 이루며, 이러한 패턴홀(31)의 배치형태는 디스플레이의 이미지 구현에 적합하도록 설계된다.
또한, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31)의 직경은 수십 나노~천 마이크로 크기 이하로 형성되고, 그 간격은 수십 나노~수천 마이크로 크기 이하로 형성되어, 그 직경 또는 간격을 조절하여 디스플레이의 픽셀의 해상도를 조절하거나, 해상도에 맞추어 그 직경 또는 간격을 조절하여 형성한다.
즉, 기존의 방식인 에피웨이퍼를 성장한 후 에칭 공정을 수행하는 것이 아니라, GaN 기판(10) 상에 디스플레이의 해상도에 맞추어 유전체마스크층(20)의 패터닝을 한 후, n-GaN 층(41), 활성층(42) 및 p-GaN 층(43)을 순차적으로 선택적으로 성장시키게 되면, 나노~마이크로 크기의 단위 LED구조체(40)가 배열된 어레이를 완성하게 되는 것이다.
다음으로, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31)에 의해 일부 영역이 노출된 상기 GaN 기판(10) 상에 n-GaN 층(41)을 선택적으로 성장시킨 후, 활성층(42) 및 p-GaN 층(43)을 순차적으로 선택적으로 성장시켜, 상기 패턴홀(31) 당 하나의 단위 LED구조체(40)를 형성하는 것이다.(제3단계)
즉, 나노패턴(30)을 이루는 유전체마스크층(20)이 형성된 GaN 기판(10) 상에 n-GaN 층(41)을 선택적으로 성장시켜, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31)에 대응하여 단위 LED구조체(40)를 형성시키는 것으로, n-GaN을 연속적으로 성장시켜 p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41)이 되게 되며, 패턴홀(31) 당 하나의 p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41)과 같은 구조체를 형성하게 되는데, 이를 본 발명에서는 단위 LED구조체(40)라고 한다.
이러한 단위 LED구조체(40)는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 피라미드 형태, 막대기 형태, 사다리꼴 형태 등 다양한 형태로 구현할 수 있다. 이는 여러 가지 공정 변수를 조절함으로써, 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 이러한 단위 LED구조체(40)의 형태에 따라서 발광면적을 조절하거나, 발광되는 빛의 방향성을 조절할 수 있게 된다.
여기에서, 상기 단위 LED구조체(40)는, 나노패턴(30)의 패턴홀(31)의 형태에 따라 나노막대 형태로 성장하게 되는데, 일반적으로 n-GaN 층(41)은 패턴홀(31) 상측으로 밑면이 육각형인 육각뿔 형태의 나노막대가 성장되면서, 패턴홀(31) 주변으로 점차 수평방향으로 성장하게 된다. 본 발명에서는 나노패턴(30)의 패턴홀(31) 당 하나의 단위 LED구조체(40)를 형성하는 것으로서, 수평방향으로 성장시키더라도 인접하는 패턴홀(31)에 형성되는 LED구조체와는 접하지 않도록 한다.
그리고, 상기 n-GaN 층(41) 상에 활성층(42)이 형성되게 되고, 상기 활성층(42)은 n-GaN 층(41)과 동일한 구조로 성장하게 되며, 활성층(42)을 포함하는 LED구조체는 일반적으로 p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41) 형태로 구현된다.
즉, 상기 활성층(42)을 포함하는 단위 LED구조체(40)는, p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41)을 GaN 기판(10) 상층에 성장시키고, n형전극(50)은 PR 마스크 형성 후, 식각하여 n-GaN 층(41)과 접합되도록 하며, p형전극(60)은 활성층(42) 상부의 p-GaN 층(43)과 접합되도록 한다.
여기에서, 상기 활성층(42)으로는, InGaN이 사용되며, 그 유효 조성물은 In과 Ga가 되므로, 유효 조성물의 많고 적음에 따라 활성층(42)의 발광파장을 조절할 수 있다.
InGaN 활성층의 경우, InxGa1-xN(0<x≤0.5)의 형태로 조성물의 함량이 제어되게 되며, Ga이 활성층에 적게 포함되게 되면 In이 그 보다 더 많게 포함되게 된다. 일반적으로, In 함량이 많아지면 발광파장이 길어지게 되어 황색광 쪽으로 발광을 하게 된다.
그리고, 상기 GaN 기판(10) 상에 n형전극(50)을 형성하고, 상기 단위 LED구조체(40) 사이에 산화물(70)을 증착한다.(제4단계)
즉, p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41)을 GaN 기판(10) 상층에 성장시키고, n형전극(50)은 PR 마스크 형성 후, 식각하여 GaN 기판(10)(최상층이 n-GaN 층)과 접합되도록 하며, p형전극(60)은 활성층(42) 상부의 p-GaN 층(43)과 접합되도록 한다.
그리고, 상기 단위 LED구조체(40) 사이에는 산화물(70)을 증착하여, 단위LED구조체 간의 간섭을 최소화하고 절연시키도록 한다. 특히, 블랙메탈로 CrO2를 성장시켜, LED의 발광 시인성이 향상되도록 하는 것이다.
즉, 상기 산화물(70)은 상기 단위 LED구조체(40)의 발광파장에 따른 콘트라스트를 향상시키기 위한 것으로서, 각 단위 LED구조체(40) 간의 광 누설에 의한 콘트라스트 및 색 순도의 저하를 방지하는 역할을 하는 것이다.
그리고, 상기 p-GaN 층(43) 상에 p형전극(60)을 형성하게 되면(제5단계), 발광 다이오드 구조가 완성되게 된다.
즉, 상기 활성층(42)을 포함하는 단위 LED구조체(40)는, p-GaN 층(43)/활성층(42)/n-GaN 층(41)을 GaN 기판(10) 상층에 성장시키고, n형전극(50)은 PR 마스크 형성 후, 식각하여 n-GaN 층(41)과 접합되도록 하며, p형전극(60)은 활성층(42) 상부의 p-GaN 층(43)과 접합되도록 형성하는 것이다.
이러한 상기 단위 LED구조체(40)는 각각 독립적으로 동작하도록 상기 n형 전극 및 p형전극(60)의 배선을 설계할 수 있다.
또한, 상기의 단위 LED구조체(40)는 절연체 베이스 기판을 사용한 경우에는 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 n형전극이 전면전극으로 배치되며, 반도체형 베이스 기판을 사용한 경우에는 n형전극이 베이스 기판 배면에 형성되는 배면전극으로 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제2단계 이후에 n-GaN 층(41)을 성장시킨 후, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31) 상측 영역에 패터닝된 제2유전체마스크층(80)을 형성하여 상기 n-GaN 층(41)의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀(91)이 구비된 제2나노패턴(90)을 형성하여, 상기 제2나노패턴(90)이 형성된 상기 n-GaN 층(41) 상에 상기 패턴홀(91) 당 하나의 상기 제3단계의 단위 LED구조체(40)를 형성할 수도 있다.
이는 n-GaN 층(41)의 결정성을 향상시키기 위해 다층의 유전체마스크층을 적용하는 것이다.
구체적으로는, 상기 GaN 기판(10) 상에 유전체마스크층(20)을 형성하고, 이를 패터닝하여 패턴홀(31)이 형성된 나노패턴(30)을 형성한 후, 상기 패턴홀(31) 상측 영역에 n-GaN 층(41)을 성장시키게 된다. 이 경우, n-GaN 층(41)은 패턴홀(31) 상측 영역에서 선택적으로 성장하게 되는데, ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth) 기법을 이용하여 n-GaN에 존재하는 결함을 줄일 수 있게 되는 것이다.
그리고, n-GaN 층(41)이 수직 및 수평성장에 의해 나노패턴(30)의 전 영역에 성장되고 나면, 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31) 상측 영역에 패터닝된 제2유전체마스크층(80)을 형성하여 상기 n-GaN 층(41)의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀(91)이 구비된 제2나노패턴(90)을 형성하고, 상기 제2나노패턴(90)이 형성된 상기 n-GaN 층(41) 상에 상기 패턴홀(91) 당 하나의 상기 제3단계의 단위 LED구조체(40)를 형성할 수도 있다.
이에 의해 다층의 유전체마스크층을 형성하여, 첫 번째 패터닝된 유전체마스크층(20)에 의해 패턴홀(31) 영역에서 n-GaN 결함이 전이되게 되고, 제2유전체마스크층(80)에 의해 n-GaN 층(41)에 존재하는 상기 결함이 트랩(trap)되며(도 7), 제2유전체마스크층(80)의 제2나노패턴(90)의 패턴홀(91) 영역에서는 결함이 없는 n-GaN 층(41)이 성장되게 되며, 활성층(42), p-GaN 층(43)을 순차적으로 선택적으로 성장시켜서 단위 LED구조체(40)를 형성하여, GaN 기반 모듈의 특성을 개선하게 된다.
도 8은 도 2의 실시예에 따른 LED구조체 어레이에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 측면도 및 정면도로서, n-GaN/u-GaN 기판 상에 p-GaN/InGaN/n-GaN을 순차적으로 상기 나노패턴(30)의 패턴홀(31) 영역 상에 형성한 것이다.
이와 같이 본 발명은, 질화물계 반도체를 기반으로 한 선택적 성장을 통하여 단위 LED구조체를 기판 전면에 배열시킨 초소형 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 기존의 탑다운(top-down) 방식의 LED를 제조하는 것이 아니라, 바텀업(bottom-up) 방식으로 LED를 제조하여, 공정 과정이 간단하여 공정 수율을 높이고 LED의 동작 특성을 개선시키는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 n-GaN 층 성장을 위해 동종 또는 이종 기판 위에 마이크로~나노 크기의 패턴홀을 갖는 유전체마스크층을 형성하고, 선택적 성장법을 이용해 n-GaN 층을 재성장할 경우 육각형 피라미드 형태, 막대기 형태 또는 사다리꼴 형태의 n-GaN 층이 성장하게 된다.
이를 기반으로 n-GaN 층, 발광을 위한 InGaN 계열의 활성층과 p-GaN 층을 순차적으로 성장시켜 각각의 육각형 피라미드 형태, 막대기 형태, 사다리꼴 형태 기반의 LED를 기판 전면에 배열시킨 발광 다이오드 어레이를 형성하는 것이다.
이러한 어레이에서 각각의 LED는 디스플레이 단위 화소를 구현할 수 있는 단위셀로 탑다운(top-down) 방식의 에칭 공정을 피해 공정 구현이 수월하고, 초소형 질화물계 발광 다이오드를 제공할 수 있어, 웨어러블 소자의 디스플레이 표시 모듈 또는 스마트 안경의 디스플레이 표시 모듈로 제조가 가능한 장점이 있다.
10 : GaN 기판 20 : 유전체마스크층
30 : 나노패턴 31 : 패턴홀
40 : 단위 LED구조체 41 : n-GaN 층
42 : 활성층 43 : p-GaN 층
50 : n형전극 60 : p형전극
70 : 산화물 80 : 제2유전체마스크층
90 : 제2나노패턴 91 : 패턴홀

Claims (15)

  1. GaN 기판 상에 유전체마스크층을 형성하는 제1단계;
    상기 유전체마스크층을 패터닝하여 상기 GaN 기판의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀이 구비된 나노패턴을 형성하는 제2단계;
    상기 나노패턴의 패턴홀에 의해 일부 영역이 노출된 상기 GaN 기판 상에 n-GaN 층을 선택적으로 성장시킨 후, 활성층 및 p-GaN 층을 순차적으로 선택적으로 성장시켜, 상기 패턴홀 당 하나의 단위 LED구조체를 형성하는 제3단계;
    상기 GaN 기판 상에 n형전극을 형성하고, 상기 단위 LED구조체 사이에 산화물을 증착하는 제4단계; 및
    상기 p-GaN 층 상에 p형전극을 형성하는 제5단계;를 포함하여 이루어지고,
    상기 제2단계 이후에 n-GaN 층을 성장시킨 후, 상기 나노패턴의 패턴홀 상측 영역에 패터닝된 제2유전체마스크층을 형성하여 상기 n-GaN 층의 일부 영역을 노출시키는 패턴홀이 구비된 제2나노패턴을 형성하여, 상기 제2나노패턴이 형성된 상기 n-GaN 층 상에 상기 패턴홀 당 하나의 상기 제3단계의 단위 LED구조체를 형성하는 것을 특징으로 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층이 최상층으로 성장된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층을 성장하거나, 도핑농도가 서로 다른 n-GaN 층을 복수개로 성장한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 GaN 기판은 u-GaN 층 상층에 n-GaN 층을 성장하는 도중에 u-GaN/n-GaN 층과 InAlGaN/n-GaN 층을 반복하여 성장한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 활성층은,
    InGaN인 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 유전체마스크층은,
    산화물 또는 질화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 나노패턴은,
    원형 또는 다각형 형상의 패턴홀로 구현되는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 나노패턴의 패턴홀은,
    사각형 또는 벌집형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 나노패턴의 패턴홀은,
    그 직경 또는 간격의 조절에 의해 해상도가 조절되는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 단위 LED구조체는,
    MOCVD 방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 단위 LED구조체는,
    피라미드 형태, 막대기 형태 및 사다리꼴 형태 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광 다이오드 어레이의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서, 상기 단위 LED구조체가 독립적으로 동작하도록 상기 n형전극 및 p형전극의 배선을 설계하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광다이오드 어레이의 제조방법.
  14. 제 1항 내지 제 11 및 제 13항 중의 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 디스플레이용 초소형 질화물계 발광다이오드 어레이.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 단위 LED구조체는,
    절연체 베이스 기판을 사용한 경우에는 n형전극이 전면전극으로 배치되며,
    반도체형 베이스 기판을 사용한 경우에는 n형전극이 배면전극으로 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 초소형 질화물계 발광다이오드 어레이.
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