KR20040033184A - 고효율 광방출 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

고효율 광방출 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광방출 다이오드 및 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 여기서 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 n형 전극 및 상기 p형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 p형 전극을 구비하되, 적어도 상기 활성층의 광이 방출되는 표면은 비평면으로써 연속된 곡면인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드 및 그 제조방법을 제공한다. 이러한 본 발명을 이용하면, 활성층 표면에서 활성층 내부로 전반사되는 광량을 줄일 수 있고, 그 결과 활성층의 광방출률이 종래보다 훨씬 높아지기 때문에 외부에서 측정되는 총광량이 증가되며, 광방출 방향의 균일도도 증가시킬 수 있다. 그리고 상기 웨이브 형상과 관련하여 별도의 공정이 추가되지 않는 이점이 있다.

Description

고효율 광방출 다이오드 및 그 제조방법{Light Emitting Diode having high efficiency and method for manufacturing the same}
본 발명은 광방출 다이오드(LED) 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 자세하게는 굴절률이 다른 경계면에서의 내부전반사율을 감소시켜 전체 광방출 효율을 높일 수 있는 광방출 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드는 p-반도체층과 n-반도체층 간 계면의 P/N접합부에서 일어나는 전자와 정공의 결합에 의한 광방출을 이용하는 것으로서 이때에 방출되는 빛은 특정한 방향성이 없는 자발적 방출(Spontaneous Emission)이다. 따라서 p-n 접합부를 이루는 면에서 모든 방향으로 빛이 방출되게 된다. 그러나 실질적으로는 반도체층의 결함 등에 의해 광이 흡수되기 때문에, 상기 p-n접합부를 이루는 면에 수직한 방향으로 방출되는 광의 양은 상기 p-n접합부의 계면을 따라 방출되는 광보다 적다.
도 1은 종래 기술에 의한 광방출 다이오드의 일예를 보여준다. 이를 참조하면, 기판(10) 상에 n형 화합물 반도체층(12)이 형성되어 있다. n형 화합물 반도체층(12)의 일부 영역은 나머지 영역보다 위쪽으로 소정의 두께만큼 돌출되어 있다. 따라서, n형 화합물 반도체층(12)의 상기 돌출된 부분과 나머지 부분사이에는 돌출된 정도만큼 단차가 존재한다. n형 화합물 반도체층(12)의 상기 돌출된 부분의 상부 전면에 광이 방출되는 활성층(14)을 비롯해서 p형 화합물 반도체층(16)이 순차적으로 형성되어 있다. p형 화합물 반도체층(16)의 일부 영역 상에 p형 전극(18)이 형성되어 있고, n형 화합물 반도체층(12)의 상기 돌출된 부분의 둘레에 n형 전극(20)이 형성되어 있다.
이러한 종래 기술에 의한 광방출 다이오드에서, 활성층(14)의 굴절률은 그 둘레의 공기층의 굴절률보다 크기 때문에, 활성층(14) 내부에서 외부로 방출되는 광은 활성층(14)의 경계면에서 활성층(14) 내부로 반사된다. 이에 따라, 종래 기술에 의한 광방출 다이오드의 광방출 효율이 낮아지게 된다.
이를 개선하기 위해, 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 광방출면을 경사지게 형성하는 방법이나 활성층(14)의 안쪽에서 경계면으로 갈수록 굴절률이 점차 작아지게 하는 방법이 대표적이다. 그러나 이러한 방법들은 공정의 복잡하고, 추가 공정이 발생하는 등의 문제를 갖고 있기 때문에 경제적이지 못하다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 내부 반사를 줄여 광방출 효율을 높일 수 있는 광방출 다이오드를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 광방출 다이오드의 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 LED의 개략적 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 고효율의 LED를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 LED의 스트라이프형 요철부의 윤곽 일부를 보여주는 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
40:LED 42:기판
44:n형 화합물 반도체층(예:n-GaN) 46:활성층
48:p형 화합물 반도체층(예:p-GaN) 50:p형 전극
52:n형 전극
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 화합물 반도체층과, 상기 n형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 n형 전극 및 상기 p형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 p형 전극을 구비하되, 적어도 상기 활성층의 광이 방출되는 표면은 비평면으로써 연속된 곡면인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드를 제공한다.
상기 연속된 곡면은 소정의 주기(P)와 깊이(D)를 갖는 웨이브(wave) 형상이다. 상기 주기(P)와 깊이(D)의 비율은 적어도 2:1 이상으로 바람직하게는 5:1이다.
상기 n형 화합물 반도체층의 일부 영역은 소정의 두께만큼 위로 돌출되어 있고, 상기 활성층 및 p형 화합물 반도체층은 상기 n형 화합물 반도체층의 상기 돌출된 영역 상에 순차적으로 적층되어 있다.
상기 활성층의 표면 형상은 상기 n형 화합물 반도체층의 돌출된 영역 및 상기 p형 화합물 반도체층의 측면으로 확장되어 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 n형 화합물 반도체층, 활성층으로 사용될 화합물 반도체층 및 p형 화합물 반도체층을 순차적으로 형성한 다음, 이들을 상기 n형 화합물 반도체층의 소정 두께가 제거될 때까지 역순으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 n형 화합물 반도체층 및 p형 화합물 반도체층에 각각 n형 및 p형 전극을 형성하는 광방출 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 패터닝 단계는 상기 p형 화합물 반도체의 소정 영역 상에 둘레가 연속된 곡면인 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 p형 화합물 반도체층의 전면을 식각하는 단계 및 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함한다.
이 과정에서, 상기 감광막 패턴은 상기 연속된 곡면이 소정의 주기(P)와 깊이(D)를 갖는 웨이브(wave) 형상이 되도록 형성하되, 상기 주기(P)와 깊이(D)의 비율이 2:1 이상 바람직하게는 5:1이 되도록 형성한다.
이러한 본 발명을 이용하면, 활성층 표면에서 활성층 내부로 전반사되는 광량을 줄일 수 있고, 그 결과 활성층의 광방출률이 종래보다 훨씬 높아지기 때문에 외부에서 측정되는 총광량이 증가되며, 광방출 방향의 균일도도 증가시킬 수 있다. 그리고 상기 웨이브 형상과 관련하여 별도의 공정이 추가되지 않는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 광방출 다이오드을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하면서 아울러 그 제조 방법도 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 광방출 다이오드(40)는 기판(42)상에 형성된 여러 요소들로 구성된다.
구체적으로, 기판(42) 상에 n형 화합물 반도체층(44)이 형성되어 있다. n형 화합물 반도체층(44)의 일부 영역은 위로 소정의 두께만큼 돌출되어 있다. 따라서, n형 화합물 반도체층(44)의 돌출된 영역(44a)과 나머지 영역(44b)사이에 돌출된 영역(44a)의 두께에 해당하는 단차(step)가 존재하게 된다. n형 화합물 반도체층(44)의 돌출된 영역(44a) 상에, 바람직하게는 전면에 순차적으로 형성된 활성층(46) 및 p형 화합물 반도체층(48)이 존재한다. p형 화합물 반도체층(48)의 일부영역 상에 p형 전극(50)이 형성되어 있고, n형 화합물 반도체층(44)의 돌출되지 않은 나머지 영역(44b) 상에 n형 전극(52)이 형성되어 있다.
이와 같은 구성에서, 활성층(46)과 그 둘레를 감싸는 물질층, 예를 들면 공기층은 광학적 굴절률이 다르기 때문에, 활성층(46)에서 방출된 광의 일부는 활성층(46)과 상기 물질층의 경계면에서 반사된다. 상기 경계면에서 반사되는 광량이 많을수록 광방출 다이오드(40)의 광 방출량이 작아지기 때문에, 광방출 다이오드(40)의 휘도가 떨어지게 된다. 또한, 상기 경계면에서 반사된 광은 활성층(46) 내부로 반사되어 활성층(46)을 구성하는 반도체 물질에 흡수될 확률이 높아진다. 상기 경계면에서 반사된 광이 활성층(46)을 구성하는 반도체 물질에 흡수되면 대부분이 열로 전환되기 때문에, 광방출 다이오드(40)의 온도가 높아지게 되고, 그 결과 동작 효율이 떨어지게 될 수 있다.
본 발명자는 이러한 결과가 활성층(46)의 상기 물질층과 접촉되는 경계면, 곧 상기 물질층과 접촉되는 활성층(46)의 표면 형태와 밀접한 관계가 있다고 보고, 활성층(46)의 표면에 요철을 형성한 경우(이하, 제1 경우라 한다)와 활성층(46)의 표면을 기존과 같이 평평하게 한 경우(이하, 제2 경우라 한다)에 대한 시뮬레이션을 실시하였다. 상기 시뮬레이션은 상기 제1 및 제2 경우에 따라 변화를 수식적으로 풀어 최적의 표면 형상을 찾는 방법을 이용하였다. 특히, 상기 제1 경우, 활성층(46) 둘레의 표면을 따라 형성된 요철의 주기와 깊이에 따른 변화를 수식적으로 풀어 최적의 표면 형상을 찾았다.
상기 제1 경우에서 본 발명자는 활성층(46) 표면에 단순한 요철을 형성하는 대신, 도 2에 도시한 바와 같이, 둘레의 물질층과 접촉되는 활성층(46) 표면이 연속된 웨이브(wave) 형상이 되게 하였다. 도 3은 웨이브 형상으로 형성된 활성층(46) 표면의 일부를 나타낸 것으로, 활성층(46) 위쪽에서 본 것이다. 활성층(46) 표면의 웨이브 형상은 활성층(46) 상하로 확장될 수 있는데, 예를 들면 아래로는 n형 화합물 반도체층(44)의 돌출된 영역(44a)의 표면으로, 위로는 p형 화합물 반도체층(48)의 표면으로 각각 확장될 수 있다.
활성층(46) 표면의 웨이브 형상은 광방출 다이오드(40)의 메사를 제작하기 위한 건식식각에 사용되는 마스크의 디자인을 변경함으로써 형성하는 것이 가능하다. 곧, 상기 건식식각에서 둘레가 상기한 웨이브 형상으로 디자인된 마스크를 사용함으로써, 활성층(46), n형 화합물 반도체층(44)의 돌출된 영역(44a) 및 p형 화합물 반도체층(48) 둘레의 표면을 웨이브 형상으로 형성할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 마스크는 p형 화합물 반도체의 소정 영역 상에 형성되는 감광막 패턴이기 때문에, p형 화합물 반도체 상에 감광막을 형성한 다음, 이를 패터닝하는 감광막 패턴을 형성하는 과정에서, 둘레가 연속된 곡면이 되도록 감광막 패턴을 형성함으로써 상기한 마스크를 형성할 수 있다. 이때, 상기 감광막 패턴은 그 둘레 표면이 하기한 시뮬레이션 결과를 만족하는 연속된 곡면이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 마스크, 곧 상기 감광막 패턴을 형성한 다음, 이를 식각 마스크로 사용하여 상기 p형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차적으로 식각하고, n형 화합물 반도체층의 소정 두께를 제거한다. 그리고 상기 감광막 패턴을 제거함으로써, 도 2에 도시한 바와 같은 형태의 n형 화합물 반도체층(44)의 돌출된 영역(44a), 활성층(46) 및 p형 화합물 반도체층(48)이 형성된다.
상기 시뮬레이션에 대한 설명을 계속하면, 상기 제1 및 제2 경우에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
곧, 활성층(46) 둘레의 표면이 단순한 요철 형태일 때보다 조화함수(harmonic function) 형태의 웨이브 형상일 때, 활성층(46)에서 방출된 광의 활성층(46) 표면 투과율이 증가함을 알 수 있었고, 특히 활성층(46)의 광이 방출되는 표면이 도 3에 도시한 바와 같은 웨이브 형상인 경우, 주기(P)와 깊이(D)가 1:1일 때보다 그 이상(예컨대 2:1 이상)일 때, 바람직하게는 5:1 정도일 때(예를 들면, 주기(P)가 20㎛이고, 깊이(D)가 4㎛일 때) 활성층(46) 표면에서 내부 반사율이 가장 낮았다. 이것은 상기 바람직한 비에서 광방출 다이오드(40)의 광방출률이 가장 높다는 것을 의미한다.
상기 시뮬레이션에서 활성층(46)의 광 방출 표면이 주기(P):깊이(D)가 5:1인 웨이브 형상일 때, 활성층(46)에서 발생된 광의 활성층(46) 표면 투과율, 곧 방출률은 9％ 정도 향상되었다. 또한, 방출되는 광은 활성층(46)의 표면이 평평한 형태일 때보다 2배정도 넓게 분포하였다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 리지형(ridge type) 광방출 다이오드에도 본 발명의 기술적 사상을 적용할 수 있을 것이다. 또한, 리지형이 아니면서 n형 전극이 기판의 저면에 부착된 광방출 다이오드에도 본 발명의 기술적 사상을 적용할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 광방출 다이오드는 적어도 활성층의 광이 방출되는 표면이 웨이브 형상이기 때문에, 활성층 표면에서 활성층 내부로 전반사되는 광량을 줄일 수 있고, 그 결과 활성층의 광방출률이 종래보다 훨씬 높아지기 때문에 외부에서 측정되는 총광량이 증가되며, 광방출 방향의 균일도도 증가시킬 수 있다. 그리고 상기 활성층 표면의 웨이브 형상은 통상의 광소자를 제작하는데사용되는 마스크 둘레 형상을 웨이브 형상으로 디자인한 다음, 이를 이용하여 상기 활성층을 구성하는 물질층을 식각함으로써 형성되기 때문에, 상기 웨이브 형상과 관련하여 별도의 공정이 추가되지 않는다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 n형 화합물 반도체층;
    상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 화합물 반도체층;
    상기 n형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 n형 전극; 및
    상기 p형 화합물 반도체층과 접촉되도록 구비된 p형 전극을 구비하되,
    적어도 상기 활성층의 광이 방출되는 표면은 비평면으로써 연속된 곡면인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연속된 곡면은 소정의 주기(P)와 깊이(D)를 갖는 웨이브(wave) 형상인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 주기(P)와 깊이(D)의 비율은 5:1인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 n형 화합물 반도체층의 일부 영역은 소정의 두께만큼 위로 돌출되어 있고, 상기 활성층 및 p형 화합물 반도체층은 상기 n형 화합물 반도체층의 상기 돌출된 영역 상에 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 활성층의 표면 형상은 상기 n형 화합물 반도체층의 돌출된 영역 및 상기 p형 화합물 반도체층의 측면으로 확장된 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드.
  6. 기판 상에 n형 화합물 반도체층, 활성층으로 사용될 화합물 반도체층 및 p형 화합물 반도체층을 순차적으로 형성한 다음, 이들을 상기 n형 화합물 반도체층의 소정 두께가 제거될 때까지 역순으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 n형 화합물 반도체층 및 p형 화합물 반도체층에 각각 n형 및 p형 전극을 형성하는 광방출 다이오드의 제조방법에 있어서,
    상기 패터닝 단계는,
    상기 p형 화합물 반도체의 소정 영역 상에 둘레가 연속된 곡면인 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 p형 화합물 반도체층의 전면을 식각하는 단계; 및
    상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광방출다이오드 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 감광막 패턴은 상기 연속된 곡면이 소정의 주기(P)와 깊이(D)를 갖는 웨이브(wave) 형상이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 주기(P)와 깊이(D)의 비율은 5:1인 것을 특징으로 하는 광방출 다이오드 제조방법.
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