KR102172365B1 - 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 형성되며, n형 도펀트로 도핑된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층의 상부에 형성되며, 다중양자우물 구조를 갖는 활성층; 상기 활성층의 상부에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 금속 나노 패턴층을 포함하고, 상기 금속 나노 패턴층은 절연막 및 금속 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED를 제공한다.

Description

파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법{Light Emitting Diode Having Wavelength Conversion with Metal Nano Pattern Layer and Method Thereof}
본 발명은 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로, 발광 다이오드(또는, LED(Light Emitting Diode))는 풀 컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호 시스템 및 광통신 기기의 광원으로 널리 사용되고 있다. 이러한 LED는 활성층에서 발생하는 전자 및 정공의 재결합 원리에 의해 빛을 생성하고 방출시킨다.
LED의 광 효율인 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)은 내부양자효율(Internal Quantum Efficiedncy, IQE)과 광 추출 효율의 곱에 의해 결정된다. 외부 양자 효율을 높이기 위해서는 내부 양자 효율과 광 추출 효율 중 어느 하나를 향상시켜야 하는데, 이 중에서도 특히, LED의 광 추출 효율 향상을 위한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다.
LED의 재료로는 대표적으로, GaN(Gallium Nitride, 또는, 질화갈륨), AlN(Aluminum Nitride, 또는, 질화알루미늄) 및 InN(Indium Nitride, 또는, 질화인듐) 등과 같은 Ⅲ-V족 질화물계 LED가 있으며, 질화물계 LED는 직접 천이형의 큰 에너지 밴드 갭(Band Gap)을 가지고 있으므로, 질화물의 조성에 따라 거의 전(全)파장 영역의 빛을 얻을 수 있다.
이러한 질화물계 LED는 재료의 굴절률 문제로 인하여 낮은 광 추출 효율을 나타낸다. 이는, GaN의 굴절률(약 2.4)과 공기의 굴절률(약 1.0)의 차이가 크기 때문에, LED에서 발생된 빛의 상당 부분이 전반사되어 외부로 방출되지 못하고, 소자 내에서 흡수 소멸되기 때문이다.
질화물계 LED의 낮은 발광효율을 개선하기 위하여, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 이용하여 LED의 발광효율을 개선할 수 있다.
한편, 자외선(UV) 영역의 파장을 발광하는 질화물계 LED는, 사파이어 기판 상에 에피택시(Epitaxy) 반도체층을 성장시킬 때, 활성층의 다중양자우물(Multiple Quantum Well, MQW)의 농도를 조절함으로써 제조된다. 이에 따라, LED로부터 발광되는 빛의 파장은 변환된다. 그러나 이와 같은 방법을 이용하여 LED를 제조하는 것은 공정이 복잡할뿐만 아니라, 광의 일부가 기판의 굴절률에 기인한 내부 전반사에 의해 외부로 방출되지 못하며, 광 추출 효율 및 외부 양자 효율의 저하를 야기한다는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는, 광 추출 효율을 향상시키고, 방출되는 빛의 파장을 변환시키는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판; 상기 기판 위에 형성되며, n형 도펀트로 도핑된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층의 상부에 형성되며, 다중양자우물 구조를 갖는 활성층; 상기 활성층의 상부에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 금속 나노 패턴층을 포함하고, 상기 금속 나노 패턴층은 절연막 및 금속 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기판은, GaAs, GaN, SiC, ZnC, Si 또는 사파이어 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 반도체층은, n형 GaN으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 활성층은, 우물층과 장벽층이 교대로 한번 또는 그 이상 적층되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 반도체층은, p형 GaN으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 절연막은, SiO2, TiO2, ZrO2, 또는 Al2O3 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 금속 입자층은, Ni, Au 및 Ag 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 금속 입자층은, 상기 금속 입자층을 구성하는 금속 입장의 종류에 따라, 서로 다른 대역의 파장을 갖는 빛을 방출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 금속 나노 패턴층을 포함하는 LED 제조과정에 있어서, 기판, 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 반도체층을 준비하는 준비과정; 상기 제2 반도체층의 상면에 나노 입자를 증착시키는 나노 입자 증착과정; 상기 나노 입자를 정렬시켜, 나노 입자층을 형성시키는 나노 입자층 형성과정; 상기 나노 입자층이 형성된 제2 반도체층의 상면에 절연막을 증착시키는 절연막 증착과정; 상기 나노 입자층 및 상기 절연막이 형성된 상기 제2 반도체층의 상면에 금속 입자층을 증착시키는 금속 입자층 증착과정; 및 상기 제2 반도체층의 상면에 증착된 나노 입자층을 제거하는 나노 입자층 제거과정을 포함하는 금속 나노 패턴층을 포함하는 LED 제조과정을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 나노 입자는, 점성이 있는 액체 상태의 폴리스티렌(Polystyrene)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 나노 입자는, 열에 의해 큐어링(Curing)되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 나노 입자층은, 기 설정된 형태로 상기 제2 반도체층의 상면에 배열되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 발광 다이오드의 표면에 금속 나노 입자 패턴층을 형성시켜, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 발광 다이오드의 표면에 금속 나노 입자 패턴층을 형성시킴으로써, 방출되는 빛의 파장을 변환시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 패턴층을 포함하는 LED에 전극을 결합시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드의 표면을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 입자층을 구성하는 금속 입자의 종류에 따른 발광 다이오드의 광 강도를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 입자층을 구성하는 금속 입자의 종류에 따른 발광 다이오드의 TRPL 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 표면에 나노 입자를 증착하는 과정을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, LED(110, 또는, 발광 다이오드) 표면에 나노 입자(120)가 증착된다. 여기서, LED(110)는 기판(112), 제1 반도체층(114), 활성층(116) 및 제2 반도체층(118)을 포함한다.
기판(112) 상에는 순서대로 제1 반도체층(114), 활성층(116) 및 제2 반도체층(118)이 성장된다. 기판(112)은 사파이어(Sapphire)로 구성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, GaAs, GaN, SiC, ZnC 또는 Si 등으로 구성될 수도 있다.
제1 반도체층(114)은 N형 GaN으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 반도체층(114)은 에피택시(Epitaxy), 화학증착방법(CVD), 스퍼터링(Sputtering), 유기금속기상성장법(MOCVD) 또는 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 기판(112) 상에 형성될 수 있다.
활성층(116)은 제1 반도체층(114)에서 생성된 전자와 제2 반도체층(118)에서 생성된 정공이 만나 재결합하는 층으로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 생성된다. 활성층(116)은 복수 개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(Multiple Quantum Well, MQW)구조로 구현될 수 있다. 활성층(116)이 다중양자우물(MQW) 구조로 구현됨에 따라, 에너지 밴드가 서로 다른 우물층과 장벽층이 교대로 한번 또는 그 이상 적층되는 구조를 갖는다. 이에, 활성층(116)은 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 등의 반도체 물질 중 적어도 두 가지 재질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제2 반도체층(118)은 P형 GaN으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제2 반도체층(118)은 에피택시(Epitaxy), 화학증착방법(CVD), 스퍼터링(Sputtering), 유기금속기상성장법(MOCVD) 또는 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 활성층(116) 상에 형성될 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 LED(110)는 ITO 투명 전극이 증착되지 않은 상태에서 세정 과정을 거친다. 세정 과정은 다음과 같다. LED(110)는 80℃의 RCA 용액에 의해 약 5분 정도 세정된다. 여기서, RCA 용액은 NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5의 비율로 구성될 수 있다.
세정이 완료된 LED(110)의 제2 반도체층(118)의 상면에 나노 입자(120)가 증착된다. 여기서, 나노 입자(120)는 점성이 있는 액체 상태의 폴리스티렌(Polystyrene)으로 구성될 수 있으며, 스핀코팅(Spin Coating) 방식이나 드롭(Drop) 방식에 의해 제2 반도체층(118)의 상면에 증착된다.
나노 입자(120)의 크기는 약 200㎚ 정도로 구성될 수 있으며, 나노구체(Nanosphere)의 형태로 구현될 수 있다. 나노 입자(120)는 약 10wt%(1.05g/㎤)의 농도로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 표면에 나노 입자층을 형성시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전술한대로, 나노 입자(120)는 점성이 있는 액체 상태이므로, 이러한 점성을 제거하기 위해 열에 의해 큐어링(Curing)된다. 열에 의해 나노 입자(120)의 점성이 제거됨에 따라, 제2 반도체층(118)의 상면에는 단일층 형태의 나노 입자층(210)이 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자층이 형성된 LED 표면에 절연막을 증착시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 나노 입자층(210)이 형성된 제2 반도체층(118)의 상면에 절연막(310)이 증착된다. 절연막(310)은 SiO2로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 금속보다 높은 에너지 밴드갭 및 융점을 갖는 TiO2, ZrO2, 또는 Al2O3로 구성될 수도 있다. 절연막(310)은 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering) 또는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD) 방식에 의해 나노 입자층(210)이 형성된 제2 반도체층(118)의 상면에 증착될 수 있으며, 이때, 증착된 절연막(310)의 두께는 약 5㎚ 정도로 구성될 수 있다. 절연막(310)은 나노 입자층(210)을 둘러싸며, 나노 입자층(210) 사이에 형성된 빈 공간(125)에 증착되는 형태로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자층 및 절연막이 형성된 LED 표면에 금속 입자층을 증착시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 나노 입자층(210) 및 절연막(310)이 형성되어 있는 제2 반도체층(118)의 상면에 금속 입자층(410)이 형성된다. 여기서, 금속 입자층(410)은 Ni, Au 또는 Ag 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 금속 입자층(410)은 나노 입자층(210) 및 절연막(310)이 형성되어 있는 제2 반도체층(118)의 상면에 Ni, Au 또는 Ag 중 어느 하나의 금속 입자가 증착됨에 따라 형성된다. 이때, Ni, Au 또는 Ag 중 어느 하나의 금속 입자는 전자빔 증발 시스템(Electron-beam Evaporation System) 또는 열 증발장치(Thermal Evaporator)에 의해 나노 입자층(210) 및 절연막(310)이 형성되어 있는 제2 반도체층(118)의 상면에 증착될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 금속 입자층(410)은 약 10㎚ 정도의 두께로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 표면의 나노 입자층을 제거하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 반도체층(118)의 상면에는 나노 입자층(210)이 제거됨에 따라, 금속 나노 패턴층(510)이 형성된다. 여기서, 금속 나노 패턴층(510)은 박막층(310) 및 금속 입자층(410)을 포함한다. 금속 나노 패턴층(510)을 형성시키기 위해서, 제2 반도체층(118) 상면에 형성된 나노 입자층(210)은 나노구체 리소그래피(Nanosphere lithography) 공정에 의해 제거되며, 이에 따라, LED(110)는 NMP(1-메틸(Methyl)-2-Pyrrolidone(피롤리돈)) 용매에 의해 약 4시간 동안 세정된다. 나노 입자층(210)이 제거된 LED(110)는 아세톤 및 IPA(Isopropyl Alcohol, 또는, 이소프로필 알코올) 용액에 의해 세정된 후, N2 가스에 의해 건조된다.
이와 같은 제조방법에 의해 금속 나노 패턴층(510)이 형성된 LED(110)의 구체적인 효과에 대해서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 패턴층을 포함하는 LED에 전극을 결합시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 금속 나노 패턴층(510)을 포함하는 LED(110)의 제1 반도체층(114)은 기 설정된 깊이로 식각된다. 기 설정된 깊이로 식각된 제1 반도체층(114)의 상면에는 n형 전극(610)이 도포된다. 제2 반도체층(118)의 상면에는 p형 전극(620)이 도포된다. n형 전극(610) 및 p형 전극(620)이 도포된 금속 나노 패턴층(510)을 포함하는 LED(110)는 서브 기판(630)에 본딩된다. 서브 기판(630)의 상면에는 전극패드(640)가 결합되어 있으며, n형 전극(610) 및 p형 전극(620)은 전극패드(640)에 본딩된다. 이때, n형 전극(610) 및 p형 전극(620)은 솔더(Solder)에 의해 전극패드(640)에 결합될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 금속 나노 패턴층(510)을 포함하는 LED(110)는 전극 와이어(650)에 의해 서브 기판(630)과 전기적으로 연결된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드의 표면을 촬영한 사진이다.
도 7(a)는 나노 입자층(210) 사이의 빈 공간(125)에 절연막(310) 및 금속 입자층(410)이 증착되어 있는 제2 반도체층(118)의 상면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이고, 도 7(b)는 나노 입자층(210)이 제거됨에 따라, 금속 나노 패턴층(510)이 형성된 제2 반도체층(118)의 상면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 7(a)를 참조하면, 나노 입자층(210)은 제2 반도체층(118)의 상면에 기 설정된 형태로 배열된다. 나노구체 리소그래피 공정에 의해 나노 입자층(210)이 제거됨에 따라, 도 6(b)와 같이 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 패턴층(510)이 형성된다. 이러한 금속 나노 패턴층(510)을 갖는 LED(110)의 표면에서는 국부화된 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 현상이 발생한다. 여기서, 플라즈몬(Plasmon)은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 의미한다. 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)은 평평한 표면에 입사된 빛에 의해 들뜬 상태가 된 표면 플라즈몬의 상태로서, 나노미터 크기의 금속 구조에서 발생한 표면 플라즈몬을 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이라 한다. 즉, 금속 나노 패턴층(510)에 의해 LED(110)의 표면에서는 국부화된 플라즈몬 공명 현상(LSPR)이 유발되며, 이에 의해, LED(110)의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 입자층(410)은 Ni, Ag 또는 Au 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 금속 입자층(410)을 구성하는 금속 입자의 종류에 따라, LED(110)가 갖는 효과는 달라질 수 있으며, 이에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 후술하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 입자층을 구성하는 금속 입자의 종류에 따른 발광 다이오드의 광 강도를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 입자층을 구성하는 금속 입자의 종류에 따른 발광 다이오드의 TRPL 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 금속 나노 패턴층(510)이 형성되지 않은 LED(Ref.)와 비교하였을 때, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 모두 광발광 강도(Photoluminescence Intensity, PL Intensity)가 LED(Ref.)에 비해 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 광발광 강도는 금속 나노 패턴층(510)이 형성되지 않은 LED(Ref.) 대비 238% 증가하였고, Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 광발광 강도는는 금속 나노 패턴층(510)이 형성되지 않은 LED(Ref.) 대비 178% 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, Ag를 포함하는 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 광발광 강도는 금속 나노 패턴층(510)이 형성되지 않은 LED(Ref.) 대비 14.8% 증가한 것을 알 수 있다.
한편, 금속 입자층(410)을 구성하는 금속 입자의 종류에 따라, LED(110)의 파장이 변환된다. 배경기술에서 언급하였듯이, 질화물계 자외선(UV) LED는 사파이어 기판 상에 에피택시(Epitaxy) 반도체층을 성장시킬 때, 다중양자우물(Multiple Quantum Well, MQW)의 농도를 조절함으로써 LED로부터 발광되는 빛의 파장을 변환시킨다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 LED(110)는 표면에 금속 나노 패턴층(510)이 형성되는 것 만으로도, 자외선 대역의 파장에 가까운 빛을 발광시킨다. 보다 구체적으로 설명하면, Ag 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 파장은 금속 나노 패턴층(510)이 형성되지 않은 LED(Ref.)와 비교했을 때, 단파장 방향으로 약 13㎚정도 이동된 것을 확인할 수 있다. 이는, LED(110) 표면에 금속 나노 패턴층(510)이 형성되는 것만으로, 파장 변환이 가능하다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 패턴층(510)을 포함하는 LED(110)는 광 추출 효율을 향상시킬뿐만 아니라, 파장을 변환시키는 효과를 갖는다.
도 9를 참조하면, 금속 입자층(410)을 구성하는 금속 입자의 종류에 따른 TRPL(Time-resolved Photoluminescence) 스펙트럼을 확인할 수 있다. 여기서, TRPL은 자연 방출 광의 시간에 따른 광 출력의 변화를 측정하는 방식으로서, 시분해형광분광기(High Sensitivity Spectrofluorometer with TCSPC)에 의해 측정될 수 있다. 시분해형광분광기는 발광체 물질에 대하여 고감도로 UV(자외선)-Vis(가시광선)-NIR(근적외선) 영역에서 형광 및 인광을 측정할 수 있으며, Pulsed Nano LED와 Pulsed Laser Diode를 광원으로 하여, TCSPC(Time Correlated Single Photon Counting) 방법을 이용함으로써, 물질의 형광 및 인광의 소멸시간(Decay Time, 또는, Life Time)을 수 Pico(sec) 범위까지 측정할 수 있다.
이와 같은 측정 방법에 따르면, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)가 금속 나노 패턴층(510)을 포함하지 않는 LED(Ref.)보다 Decay Time이 더 짧게 나타난다. 이는, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)에서 플라즈몬 현상이 발생했다는 것을 의미한다. 보다 구체적으로 설명하면, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 전자의 이동거리가 금속 나노 패턴층(510)을 포함하지 않는 LED(Ref.)에 비해 상대적으로 짧아졌다는 것은 금속 입자층(410)에 의해 전자의 농도가 증가하였다는 것을 의미한다. 통상적으로, 플라즈몬 현상은 전자의 농도가 증가함에 따라 전자와 이온의 충돌에 의해 발생한다. 즉, Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 Decay Time이 금속 나노 패턴층(510)을 포함하지 않는 LED(Ref.)에 비해 더 짧다는 것은 Ag로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110), Au로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110) 및 Ni로 구성된 금속 입자층(410)을 갖는 LED(110)의 전자의 농도가 증가함으로써, 플라즈몬 현상이 발생했다는 의미로 해석할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 순서도이다.
파장을 변환시키는 금속 나노 패턴층을 갖는 발광 다이오드를 제조하는 과정에 대해서는 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하였기 때문에, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
에피택셜 구조를 갖는 LED(110)가 준비된다(S1010).
LED(110) 표면에 나노 입자(120)가 증착된다(S1020).
LED(110) 표면에 나노 입자층(210)이 형성된다(S1030).
나노 입자층(210)이 형성된 LED(110) 표면에 절연막(310)이 증착된다(S1040).
나노 입자층(210) 및 절연막(310)이 형성된 LED(110) 표면에 금속 입자층(410)이 증착된다(S1050).
LED(110) 표면의 나노 입자층(210)이 제거된다(S1060).
도 10에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 10에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 10에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)를 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: LED
112: 기판
114: 제1 반도체층
116: 활성층
118: 제2 반도체층
120: 나노입자
125: 빈 공간
210: 나노 입자층
310: 절연막
410: 금속 입자층
510: 금속 나노 패턴층
610: n형 전극
620: p형 전극
630: 서브 기판
640: 전극패드
650: 전극 와이어

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  9. 금속 나노 패턴층을 포함하며 전극에 결합되는 LED를 제조방법에 있어서,
    기판, 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 반도체층을 준비하는 준비과정;
    상기 반도체층을 NH4OH, H2O2 및 H2O가 기 설정된 비율로 구성된 용액으로 기 설정된 시간동안 세정하는 세정과정;
    상기 제2 반도체층의 상면에 점성을 갖는 액체 상태의 나노 입자를 증착시키는 나노 입자 증착과정;
    상기 나노 입자를 정렬시킨 후, 열을 이용해 큐어링(Curing)시켜 점성을 제거하여 단일층 형태의 나노 입자층을 형성시키는 나노 입자층 형성과정;
    상기 나노 입자층이 형성된 제2 반도체층의 상면에 절연막을 증착시키는 절연막 증착과정;
    상기 나노 입자층 및 상기 절연막이 형성된 상기 제2 반도체층의 상면에 금속 입자층을 증착시키는 금속 입자층 증착과정;
    상기 제2 반도체층의 상면에 증착된 나노 입자층을 제거하는 나노 입자층 제거과정;
    상기 나노 입자층 제거과정을 거친 후, NMP 용매 또는 아세톤과 IPA(Isopropyl Alcohol) 용액에 기 설정된 시간동안 세정한 후, 질소 가스에 의해 건조되는 건조과정;
    상기 제1 반도체층을 기 설정된 깊이로 식각하는 식각과정;
    기 설정된 깊이로 식각된 제1 반도체층의 상면에 n형 전극을 도포하는 제1 도포과정;
    제2 반도체층의 상면에 p형 전극을 도포하는 제2 도포과정;
    상기 n형 전극 및 상기 p형 전극이 도포된 LED를 서브 기판에 본딩하는 본딩과정; 및
    LED를 전극 와이어로 상기 서브 기판과 전기적으로 연결시키는 연결과정을 포함하고,
    상기 절연막은 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering) 또는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD) 방식에 의해 상기 나노 입자층이 형성된 제2 반도체층의 상면에 증착되고,
    상기 절연막은 상기 나노 입자층을 둘러싸며, 상기 나노 입자층 사이에 형성된 빈공간에 증착되고,
    상기 서브 기판의 상면에는 전극패드가 결합되어 있고,
    상기 n형 전극 및 상기 p형 전극은 솔더(Solder)에 의해 상기 전극패드에 본딩되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴층을 포함하는 LED 제조방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105409015A (zh) 2013-08-06 2016-03-16 皇家飞利浦有限公司 具有用于各向异性发射的等离子体天线阵列的固态光照设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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"Converting plasmonic light scattering~" Nanoscale Horizons (2018.11.29.)
"Enhancement of light extraction~" Appl. Phys. Lett. 91, 221107 (2007)

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