KR20060065869A - 고 광적출 효율 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 광적출 효율 발광 다이오드에 관한 것으로, 기판 및 P타입 반도체층에 요철 패턴을 형성하여, 소자의 계면에서 광이 전반사되는 확률을 감소시켜 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져나갈 수 있어, 결국 소자 내부에 갖혀 있는 광량이 줄어들고 광출력 효율을 높일 수 있는 우수한 효과가 있다.

전반사, 발광, 요철, 효율, 광적출

Description

고 광적출 효율 발광 다이오드 { Light emitting diode of high efficiency for light extraction }

도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨 발광 다이오드의 단면도

도 2는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 다른 단면도

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 렌즈 형상으로 요철 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드에 형성되는 요철 패턴의 형상을 도시한 단면도

도 6은 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드가 서브 마운트에 패키징되어 있는 상태를 도시한 단면도

도 7a 내지 7d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 광적출 효율을 요철 패턴의 존재 유무에 따라 비교하기 위한 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,300 : 기판 101,131 : 요철 패턴

110,310 : N타입 반도체층 120,320 : 양자 우물층

132a,132c : 돌출부 132b,132d : 요홈부

140 : N전극 150 : P전극

200 : 포토레지스트막 210 : 포토레지스트 돌출부

211 : 포토레지스트 렌즈 301,302 : 솔더

305 : 버퍼층 500 : 발광 다이오드

본 발명은 고 광적출 효율 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 및 P타입 반도체층에 요철 패턴을 형성하여, 소자의 계면에서 광이 전반사되는 확률을 감소시켜 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져나갈 수 있어, 결국 소자 내부에 갖혀 있는 광량이 줄어들고 광출력 효율을 높일 수 있는 고 광적출 효율 발광 다이오드에 관한 것이다.

최근, AlGaInN 기반의 LED(Light Emitting diode)는 휴대폰용 키패드 광원, 조명용 광원, 액정 디스플레이(LCD) 백라이트(Backlight) 등 여러 가지 응용 분야에 사용되고 있으며, 현재도 개발 중에 있다.

특히, 고 발광 효율의 발광 다이오드 제작은 초미의 관심사로 등장하고 있다.

발광 다이오드의 외부 양자 효율(External quantum efficient)은 발광 다이오드의 내부 양자 효율(Internal quantum efficient)과 광 추출 효율(Light extraction efficient)의 곱에 비례한다.

그리고, 고출력 발광 다이오드에서 광적출(Light extraction)은 소자의 발광 효율(Luminous efficiency)을 결정하는 중요한 변수로서 작용한다.

이는 낮은 광적출은 소자내 잔류 광량을 크게하고, 그 잔류광은 소자내에서 소멸하게 된다.

이런 광흡수로 인한 광손실은 발광 효율을 저하로 나타난다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨 발광 다이오드의 단면도로서, 사파이어 기판(10) 상부에 질화갈륨 버퍼층(11), N-GaN층(12), 다중 양자 우물층(Multi-quantum well, MQW)(13)와 P-GaN층(14)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 P-GaN층(14)에서 N-GaN층(12)까지 메사(Mesa)식각되어 상기 N-GaN층(12)의 일부가 노출되어 있고, 상기 P-GaN층(14) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(15)이 형성되어 있고, 상기 노출된 N-GaN층(12) 상부에 N-금속전극(16)이 형성되어 있고, 상기 전류 확산층(15) 상부에 P-금속전극(17)이 형성되어 있다.

이렇게 구성된 질화갈륨 발광 다이오드는 사파이어 기판(10) 상부에 질화갈륨 버퍼층(11), N-GaN층(12), 다중 양자 우물층(13)와 P-GaN층(14)을 MOCVD로 순차적으로 형성한 다음, 상기 P-GaN층(14)에서 N-GaN층(12)까지 메사(Mesa)식각한다.

그 후, 상기 P-GaN층(14) 상부에 전류 확산층(Current Spreading Layer)(15)을 형성한 후, 상기 노출된 N-GaN층(12) 상부에 N-금속전극(16)을 형성하고, 상기 전류 확산층(15) 상부에 P-금속전극(17)을 형성한다.

도 1과 같이 다중 양자 우물층에서 발생한 포톤(Photon)들의 상당수가 사파이어와 질화갈륨 계면에서 전반사를 일으키고, 또 사파이어와 그 외부의 공기 또는 레진(Resin)에서도 역시 전반사를 일으키게 되고, 이는 광손실로서 소자의 광 효율을 저하시키는 문제점을 야기시킨다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기판 및 P타입 반도체층에 요철 패턴을 형성하여, 소자의 계면에서 광이 전반사되는 확률을 감소시켜 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져나갈 수 있어, 결국 소자 내부에 갖혀 있는 광량이 줄어들고 광출력 효율을 높일 수 있는 고 광적출 효율 발광 다이오드를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 하부면에 제 1 요철 패턴이 형성된 기판과;

상기 기판 상부에 N타입 반도체층, 양자 우물층과 P타입 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 P타입 반도체층 상부면에 제 2 요철 패턴이 형성된 발광 구조물과:

상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 노출되는 N타입 반도체층 상부에 형성된 N전극과;

상기 발광 구조물의 P타입 반도체층 상부에 형성된 P전극으로 이루어진 고 광적출 효율 발광 다이오드가 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드의 단면도로서, 하부면에 제 1 요철 패턴(101)이 형성된 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 N타입 반도체층(110), 양자 우물층(120)과 P타입 반도체층(130)이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 P타입 반도체층(130) 상부면에 제 2 요철 패턴(131)이 형성된 발광 구조물과: 상기 P타입 반도체층(130)에서 N타입 반도체층(110)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 노출되는 N타입 반도체층(110) 상부에 형성된 N전극(140)과; 상기 발광 구조물의 P타입 반도체층(130) 상부에 형성된 P전극(150)으로 구성된다.

여기서, 상기 기판(100)과 N타입 반도체층(110) 사이에는 버퍼층이 더 구비될 수 있다.

이러한, 고 광적출 효율 발광 다이오드는 양자 우물층(120)에서 방출되는 광이 기판(100) 방향으로 방출되는 경로인 경우, 기판(100) 하부면에 형성되어 있는 제 1 요철 패턴(101)으로 전반사되지 않고 외부로 방출된다.

그리고, 양자 우물층(120)에서 방출되는 광이 P타입 반도체층(130) 방향으로 방출되는 경로인 경우, 상기 P타입 반도체층(130) 상부면에 형성되어 있는 제 2 요철 패턴(131)으로 P전극(150)에서 난반사되어, 기판(100) 하부로 출력되는 경로를 갖는다.

결국, 본 발명의 고 광적출 효율 발광 다이오드는 기판 및 P타입 반도체층에 형성된 요철 패턴에 의하여 소자의 계면에서 광이 전반사되는 확률이 줄어들게 되어, 결국, 소자 내부에 갖혀 있는 광이 줄어들게 됨으로, 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져 나올 수 있어 광 출력 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 요철 패턴(131)은 P타입 반도체층(130)의 상부면 전체를 식각하여 렌즈 형상으로 형성하거나, 도 3과 같이, P타입 반도체층(130)의 상부면 일부를 식각하여 요홈 형상으로 형성한다.

그리고, 상기 반도체층 및 양자 우물층은 AlGaInN으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 요철 패턴은, 상기 기판과 동질의 물질로 이루어지고, 상기 제 2 요철 패턴은, 상기 P타입 반도체층과 동질의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

더불어, 상기 제 1과 2 요철 패턴은 돌출부와 요홈부가 연속적으로 패터닝되어 있고, 이 돌출부와 요홈부의 단면 형상은 사각형, 반원형과 평행사변형 중 어느 하나가 바람직하다.

여기서, 단면 형상이 사각형인 경우는 입체적으로는 사각기둥과 같은 것이고, 반원형은 렌즈 형상이고, 평행사변형은 상부가 절단된 피라미드 형상 및 상부 가 절단된 원추형상을 의미한다.

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 렌즈 형상으로 요철 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도로서, 먼저, P타입 반도체층(130) 상부에 포토레지스트막(200)을 형성하고(도 4a), 상기 포토레지스트막(200)을 선택적으로 식각하여 상호 이격된 포토레지스트 돌출부(210)들로 이루어진 패턴을 형성한다.(도 4b)

그 다음, 상기 포토레지스트 돌출부(210)을 130 ~ 150도 정도의 오븐(Oven)이나 핫플레이트(Hot plate)에서 리플로(Reflow)시켜 구형 형상의 포토레지스트 렌즈(211)를 만든다.(도 4c)

마지막으로, 상기 포토레지스트 렌즈(211)가 제거될 때까지 상기 P타입 반도체층(130) 상부 전면을 식각하면, 상기 P타입 반도체층(130) 상부에는 렌즈 형상의 요철 패턴이 형성된다.(도 4d)

이 때, 상기 식각 공정은 ICP-RIE 공정을 이용하고, Ar+BCl3+Cl2 가스를 사용하며, ICP 파워는 500~800W이고, RF 바이어스는 200V, 압력은 5mTorr이다.

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드에 형성되는 요철 패턴의 형상을 도시한 단면도로서, 도 5a 및 5b에서와 같이, 기판 및 P타입 반도체층에 상호 이격된 복수개의 볼록 렌즈 형상의 돌출부(132a)들 또는 오목 렌즈 형상의 요홈부(132b)들을 형성하여 요철 패턴을 형성한다.

또한, 도 5c 및 5d와 같이, 기판 및 P타입 반도체층(130)에 상호 이격된 복수개의 상부가 절단된 피라미드 형상의 돌출부(132c)들 또는 요홈부들(132d)을 형성하여 요철 패턴을 형성한다.

도 6은 본 발명에 따른 고 광적출 효율 발광 다이오드가 서브 마운트에 패키징되어 있는 상태를 도시한 단면도로서, 본 발명의 발광 다이오드(500)의 N전극(140)과 P전극(150)은 솔더(301,302)와 같은 전기적 본딩 수단에 의하여 서브마운트 기판(300)에 플립칩(Flip chip) 본딩된다.

그러므로, 발광 다이오드(500)에서 생성된 광은 기판 방향으로 방출되게 된다.

도 7a 내지 7d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 광적출 효율을 요철 패턴의 존재 유무에 따라 비교하기 위한 단면도로서, 먼저, 도 7a, 도7b와 도 7d의 각 발광 다이오드는 기판(300) 상부에 N타입 반도체층(310), 양자 우물층(320)과 P타입 반도체층(330)을 순차적으로 적층하고, 상기 P타입 반도체층(330) 상부에 P전극(340)을 형성한 것이고, 도 7c의 발광 다이오드는 기판(300)과 N타입 반도체층(310) 사이에 버퍼층(305)이 더 형성된 구조이다.

이 때, 각 발광 다이오드에 전류를 주입하여 상기 양자 우물층(320)에서 발생된 광의 광적출 효율을 "LightTools"라는 시뮬레이터를 사용하여 측정하였다.

도 7a와 같이, 발광 다이오드의 에피(Epi)층에 요철 패턴을 형성하지 않은 경우는 광적출 효율이 29.7%이고, 도 7b와 같이, 기판의 하부면에 요철 패턴을 형성한 경우는 40.8%이고, 기판의 상부면 및 하부면에 요철 패턴을 형성한 경우는 76.7%이고, 기판의 하부면 및 P타입 반도체층 상부면에 요철 패턴을 형성한 경우는 81.8%로, 본 발명의 발광 다이오드는 가장 광적출 효율이 가장 높게 측정되었다. 참고로, 도 7a와 같이, 요철 패턴의 폭(W)는 4㎛이고, 높이(H)는 1㎛이다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 기판 및 P타입 반도체층에 요철 패턴을 형성하여, 소자의 계면에서 광이 전반사되는 확률을 감소시켜 더 많은 양의 광이 소자로부터 빠져나갈 수 있어, 결국 소자 내부에 갖혀 있는 광량이 줄어들고 광출력 효율을 높일 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

1. 하부면에 제 1 요철 패턴이 형성된 기판과;

   상기 기판 상부에 N타입 반도체층, 양자 우물층과 P타입 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 P타입 반도체층 상부면에 제 2 요철 패턴이 형성된 발광 구조물과:

   상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 노출되는 N타입 반도체층 상부에 형성된 N전극과;

   상기 발광 구조물의 P타입 반도체층 상부에 형성된 P전극으로 이루어진 고 광적출 효율 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 2 요철 패턴은,

   상호 이격된 복수개의 볼록 렌즈 형상의 돌출부들, 오목 렌즈 형상의 요홈부들, 상부가 절단된 피라미드 형상의 돌출부들과 상부가 절단된 피라미드 형상의 요홈부들 중 선택된 어느 하나로 패터닝되어 있는 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어 기판이고,

   상기 제 1 요철 패턴은,

   상기 기판과 동질의 물질로 이루어지고,

   상기 제 2 요철 패턴은,

   상기 P타입 반도체층과 동질의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1과 2 요철 패턴은,

   돌출부와 요홈부가 연속적으로 패터닝되어 있고, 이 돌출부와 요홈부의 단면 형상은 사각형, 반원형과 평행사변형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반도체층 및 양자 우물층은,

   AlGaInN으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기판과 N타입 반도체층 사이에는,

   버퍼층이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 고 광적출 효율 발광 다이오드.

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