KR20060101601A - 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체층을 성장하기 위한 기초기판으로 사용하는 사파이어 기판의 하부면에 요홈과 홈을 형성하고, 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 반사율이 좋은 금속을 증착하여, 발광 다이오드의 하부로 발광된 빛의 경로 및 탈출 입사각을 바꾸어, 광추출 효율을 향상시킨 고휘도/고출력 발광다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드, 질화물 반도체, 사파이어 기판, 요홈, 고휘도, 고출력

Description

질화물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 {GaN-based light emitting diode and Manufacturing method of the same}
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 발광 다이오드에서 발생한 광의 탈출 입사각을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 발광 다이오드에서 발생한 광의 탈출 입사각을 예시적으로 도시한 것이다.
*도면부호 설명*
10 사파이어 기판
11 제1 도전층 (n-형)
12 활성층
13 제2 도전층 (p-형)
21 투명 전극
22 제1 전극
23 제2 전극
40 요홈
30 반사막
본 발명은 질화물반도체의 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 사파이어 기판에 요홈을 형성함으로서, 발광다이오드에서 형성된 광의의 탈출 입사각을 변화시켜 광 추출 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 전류를 빛을 변환하는 발광 소자 중 하나이다. 발광 다이오드는 p-n 접합한 구조를 갖고 있으며 발광다이오드에 전류를 인가하면 전류가 광으로 변환되어 빛을 발광하게 된다. 발광다이오드에서 발광되는 빛은 반도체 재료에 따라 적외선부터 자외선 영역까지 가능하며, 최근에는 반도체를 이용하여 가시광선 영역인 적색, 백색, 청색의 발광 다이오드가 모두 가능하게 되어 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용 장치에 널리 이용되기 시작하고 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광다이오드의 단면을 도시한 것이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 청색 발광 다이오드의 질화물 반도체층은 주로 질화물 반도체와 격자상수가 유사한 사파이어 기판(10)위에 성장되는 것이 일반적이다.
발광다이오드에서 생성된 빛은 임계각보다 작을때 반도체 발광다이오드로부터 공기중으로 방출되는데, 방출될 확률은 반도체의 굴절율과 공기의 굴절율과의 차에 의한 임계각에 의해서 결정된다. 그러나 질화물 반도체와 공기와의 굴절율은 그 차이가 커 질화물 반도체의 임계각은 23°밖에 되지 않는다. 따라서 질화물 반도체에서 생성된 빛은 공기중으로 방출되지 못하고 대부분 발광다이오드 내부에서 소멸되어 열로 변환된다.
그러므로 발광다이오드의 추출효율은 높여주기 위해서는 광의 탈출 확률을 높여주어야 하며, 반도체와 공기사이에 중간 굴절율을 갖는 물질을 삽입하거나 빛의 경로를 변화시켜 주어야 한다.
도 2는 종래의 발광 다이오드에서 발생한 광자의 탈출 입사각을 예시적으로 도시한 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체층에서 생성된 광은 그 성질에 의해 모든 방향으로 진행하게 된다. 상기 발광 다이오드의 상부면으로 발광된 빛의 일부는 투명 전극을 통해 외부로 방출되고 굴절율 차에 의해서 임계각보다 크게 입사하는 빛은 다시 내부로 진행하게 되어 소멸된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드에서는 발광시에 탈출 입사각이 임계각보다 작은 빛만 외부로 방출될 수 있으며, 그 외 임계각보다 큰 탈출 입사각을 가지는 빛은 전반사로 인해 질화물 반도체층안에 갇혀 외부로 방출될 수 없었다. 상기 질화물 반도체는 굴절률이 1.5로써, 1의 굴절률을 가지는 공기보다 굴절률이 크기 때문에, 임계각이 약 23°로서 상당히 작다. 따라서 상기 질화물 반도체층에서 생성된 빛은 탈출 입사각이 23°보다 작아야 외부로 방출 될 수 있으며, 이보다 큰 탈출 입사각을 가진 빛은 외부로 방출될 수 없었다.
또한 발광 다이오드의 상부면이 아닌 다른 곳으로 발광된 빛은 경로를 변경시키고, 탈출 입사각을 변화시켜야 외부로 방출될 수 있는데, 종래에는 사파이어 기판을 가공하기가 어려웠기 때문에, 사파이어 기판을 평탄하게 할 수 밖에 없었다. 따라서 빛의 탈출 입사각이 임계각보다 큰 경우, 평탄한 사파이어 기판에 반사된 빛은 탈출 입사각은 변화되지 않으므로, 내부반사에 의해 빛이 손실되어 발광 다이오드의 광 추출 효율이 향상될 수 없었다.
또한 상기 사파이어 기판은 열전도도가 좋지 않아, 질화물 반도체층에서 생성된 열을 외부로 방출하지 못하여, 상기 발광 다이오드에 대 전류를 인가하기 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점으로 인해 고품질의 발광다이오드를 만드는데 많은 제약이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 습식식각 기술을 이용하여 사파이어 기판의 하부면에 요홈을 형성하고, 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 높은 반사막을 형성함으로서, 광 추출효율이 개선된 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 사파이어 기판위에 제1 도전층, 활성층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층이 위치하고, 상기 제1 도전층위에는 제1 전극이 형성되고, 제 2 도전층 위에는 투명 전극 및 제2 전극을 형성한 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 사파이어 기판의 하부면에 적어도 하나 이상의 요홈을 형성하고, 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 접하도록 반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제안한다.
상기 발광 다이오드의 요홈은 상부의 단면적이 하부의 단면적보다 작은 것이 바람직하며, 다각뿔형, 원뿔형, 다각뿔대형, 원뿔대형 중 적어도 어느 하나의 모양인 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 사파이어 기판의 하부면에 요홈을 하나 이상 형성할 때, 상기 요홈은 x 방향 및 y 방향으로 균일하게 배열되는 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드의 질화물 반도체층은 제2 도전층 위에 터널링층을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 사파이어 기판 위에 성장되는 질화물 반도체층은 Inx(GayAl1-y)N이며, 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0인 것이 바람직하다. 상기 제1 도전층은 Si를 도핑한 n-형 질화물 반도체이고, 상기 제2 도전층은 Mg를 도핑한 p-형 질화물 반도체인 것이 더욱 바람직하다.
상기 발광 다이오드의 투명 전극은 NiAu, Pt, ITO, ZnO중 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 전극은 Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 제2 전극은 Pt/Au, Cr/Ni/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한 상기 반사막은 Ti/Al, Al, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드는 추가적으로 SiO, SiN중 어느 하나 이상으로 패시베이션을 형성하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 a. 사파이어 기판 위에 제1 도전층, 발광층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층을 성장시키는 단계; b. 상기 제2 도전층위에 투명 전극을 형성하는 단계; c. 상기 제1 도전층을 노출하고, 상기 노출된 제1 도전층 위에 제1 전극을 형성하는 단계; d. 상기 투명 전극 위에 제2 전극을 형성하는 단계; e. 상기 사파이어 기판을 연마하는 단계; f.상기 연마된 사파이어 기판을 식각하여 상기 사파이어 기판에 요홈을 형성하는 단계; 및 g. 상기 요홈이 형성된 사파이어의 하부에 반사막을 증착하는 단계; 를 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제안한다.
상기 발광 다이오드의 제조방법 중 상기 e 단계 및 f 단계에서의 사파이어의 식각은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 것이 바람직하며, 또한 상기 반사막은 Ti/Al, Al, Rh, Pd, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나를 증착하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 요홈은 다각뿔형, 원뿔형, 다각뿔대형, 원뿔대형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 발광 다이오드의 제조방법은 상기 g 단계를 수행한 후에, SiO, SiN 중 어느 하나 이상으로 상기 질화물 반도체층을 패시베이션하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 사파이어 기초기판 위에 제1 도전층, 활성층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층을 성장시키고, 상기 질화물 반도체층 위에 투명 전극, 제1 전극, 제2 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어, 상기 사파이어 기초 기판의 하부면에 요홈을 형성시키고, 상기 요홈을 형성시킨 사파이어 기판의 하부면에 반사막을 증착시킴으로서, 발광 다이오드의 하부면에 반사되는 빛의 탈출 입사각을 변화시킬 수 있도록 한 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안한다.
도 5는 본 발명의 질화물 반도체 발광 다이오드에서 발광된 빛의 탈출 입사 각을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드의 상부로 발광된 빛은 탈출 입사각이 임계각보다 작을 경우 주로 투명 전극을 통해 외부로 방출된다. 또한 발광 다이오드의 하부로 발광된 빛은 사파이어 기판의 하부에 형성된 요홈에 의해 탈출 입사각이 변화하게 되며, 또한 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 접하도록 형성된 반사막에 의해 반사율을 높혔다.
상기 요홈을 형성한 사파이어 기판을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 경우에는, 상기 질화물 반도체에서 생성된 빛의 탈출 입사각을 상기 임계각보다 작은 각을 가지도록 탈출 입사각을 변화시켜, 발광 다이오드의 광 추출 효율이 개선되도록 하였다.
제1 실시예
도 3(a)는 본 발명의 제1 실시예로서 원뿔대형 요홈을 가지는 발광 다이오드의 단면도이며, 도 3(b)는 상기 발광 다이오드를 위에서 바라본 평면도이며, 도 3(c)는 상기 발광 다이오드의 저면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제 1 실시예는 사파이어 기초기판(10), 제1 도전층(11), 활성층(12), 제2 도전층(13)을 포함하는 질화물 반도체층(11, 12, 13), 투명 전극(21), 제1 전극(22) 및 제2 전극(23)을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어, 상기 사파이어 기판(10)의 하부면에 요홈(40)이 형성되어 있고, 상기 요홈(40)을 형성한 사파이어 기판(10)의 하부면에 반사막(30)이 구성된 발광 다이오드이다. 상기 요홈(40)은 다각뿔, 원뿔, 다각뿔대, 원뿔대 중 어느 하나의 모양을 가지며, 탈 출 입사각의 변화를 위하여 다각뿔이나 원뿔 모양인 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드를 제조하기 위하여, 430㎛ 정도의 두께의 사파이어 기판 (10)위에, 제1 도전층(11), 활성층(12), 제2 도전층(13)의 Inx(GayAl1-y)N 질화물 반도체층을 성장시킨다. 상기 질화물 반도체층은 터널링층(14)을 추가적으로 포함할 수 있으며, 상기 터널링층은 제2 도전층(13)위에 위치한다. 질화물 반도체층의 각층(11, 12, 13, 14) 마다 AlGaN, InGaN, AlGaInN 등으로 형성할 수 있다. 질화물계 반도체의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 이다. 상기 질화물 반도체층(Inx(GayAl1-y)N) 은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 성장하며, 또는 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장(hydride vapor phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)를 이용하여 성장할 수도 있다.
제1 도전층(11)은 Si으로 도핑한 n-형 질화물 반도체이고, 제2 도전층(13)은 Mg으로 도핑한 p-형 질화물 반도체로 형성하거나, 또는 그 반대로 할 수도 있다. 도핑농도는 반도체 비저항이 1x10-1Ωcm이하가 되는 것이 바람직하다. 특히, 활성층(12)의 경우 Inx(GayAl1-y)N의 장벽층과 Inx(GayAl1-y)N의 우물층으로 이루어진 단일 양자 우물 구조 또는, 다중 양자 우물 구조로 구성되고, 우물층, 장벽층중 적어도 하나의 층 이상에 Si을 도핑 할 수도 있으며, In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~1.8eV) 밴드갭을 갖는 장파장에서부터 AlN(~6.4eV) 밴드갭을 갖는 단파 장의 발광다이오드까지 자유롭게 제작할 수 있다.
상기 터널링층은 전류가 잘 통하도록 얇고 가능한 높은 도핑농도로 도핑하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 x 1019/㎤ 의 농도로 도핑할 수 있다. 또한 상기 터널링층은 Si으로 도핑하는 것이 바람직하다.
사파이어 기판(10)위에 질화물 반도체 성장을 성장한 후, 상기 제2 도전층(13) 위에 투명 전극(21)을 형성한다. 상기 투명 전극(21)은 NiAu, ITO(Indium Tin Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 중 적어도 어느 하나를 질화물 반도체 표면에 증착하여 형성한다. 상기 ITO 또는 ZnO 투명 전극(21)은 광 투과도나, 전류확산을 용이하게 하는데 유리하며, 광 추출 효율을 높이기 위하여 상기 투명 전극(21)의 두께는 발광파장의 1/4n 또는 3/4n이 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 n은 반도체 박막의 유효굴절율이다.
이후, 제1 전극(22)을 형성하기 위하여, 투명 전극(21), 제2 도전층(13), 활성층(12)의 일부분을 식각하여, 제1 도전층(11)의 일부를 노출시킨다. 상기 노출된 제1 도전층(11)과 금속간에 오믹접촉이 되도록 Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au중 어느 하나의 구조로 증착한 후, 질소, 수소, Ar을 포함하는 분위기에서 열처리 공정을 수행하여 제1 전극(22)을 형성한다.
제2 전극(23)은 투명 전극(21) 바로 위에 Pt/Au, Cr/Ni/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au 중 어느 하나를 증착하여 질소, 수소, Ar을 포함하는 분위기에서 열처리함으로서 형성한다.
상기의 공정을 마친 후에는, 칩의 크기를 줄이기 위하여, 사파이어 기판(10)을 연마하여 상기 사파이어 기판(10)의 두께를 얇게 한다. 사파이어 기판(10)을 얇게 하기 위하여 기계적 연마 또는 습식식각을 수행할 수 있다. 상기 기계적 연마는 다이아몬드 분말을 이용하여 연마하는 방법이다. 또한 상기 습식식각은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액으로 식각하며, 식각이 빠르게 진행되도록 하기 위하여 인산의 농도를 높이거나 온도를 높이는 것이 바람하다.
이후에, 도 3(c)에 도시한 바와 같이, 얇게 연마된 사파이어 기판(10)의 하부면에 SiO2를 증착하고 상기 SiO2를 일부 식각하여 요홈(40)을 형성하기 위한 식각 패턴을 형성한다. 상기 식각 패턴은 제약을 받지 않으나 사파이어(10)가 노출된 부분이 원형이거나 다각형일 수 있다. 이후 상기 노출된 사파이어(10)를 식각하여 요홈(40)을 형성한다. 상기 식각은 습식 식각으로 수행하는 것이 요홈(40)의 형태를 위하여 바람직하다.
이미 상술한 바와 같이, 빛의 입사각을 크게 변화시켜 주기 위하여, 상기 요홈(40)은 사파이어(10)의 하부면에서 상부면으로 갈수록 상기 요홈(40)의 단면적이 좁아지는 형태인 것이 바람직하다. 상기 서술한 요홈의 형태에 대한 예시로는 원뿔형, 다각뿔형, 원뿔대 또는 다각뿔대를 들 수 있다. 빛의 탈출 입사각을 큰 변화를 확보하기 위하여, 요홈의 상단은 뾰족한 것이 바람직하다. 또한 요홈(40)의 깊이는 질화물 반도체층에서 발생된 열을 방출하기가 용이하도록 깊게 하는 것이 바람직하 나, 특별한 제약을 받지 않는다.
빛이 사파이어(10)의 면에 닿아 반사되면서 효율이 줄어드는 것을 줄이기 위하여, 상기 요홈(40)을 형성한 사파이어(10)의 하부면에 반사막(30)을 형성한다. 반사막(30)은 반사율이 좋을수록 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Ti/Al, Al, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나를 선택하여 증착하여 형성할 수 있다.
이후에, 사파이어 기판을 스크라이빙하여 소자를 분리하면 발광다이오드의 제조가 완료된다.
제2 실시예
도 4(a)는 본 발명의 제2 실시예로서, 복수개의 요홈을 가지는 발광 다이오드의 단면도이며, 도 4(b)는 제2 실시예의 평면도이고, 도 4(c)는 저면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제2 실시예는 사파이어 기초기판(10), 제1 도전층(11), 활성층(12), 제2 도전층(13)을 포함하는 질화물 반도체층, 투명 전극(21), 제1 전극(22) 및 제2 전극(23)을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드로서, 상기 사파이어 기판(10)의 하부면에 복수개의 요홈(40)이 형성되어 있고, 상기 복수개의 요홈(40)을 형성한 사파이어 기판(10)의 하부면에 반사막(30)이 구성된 발광 다이오드이다. 상기 복수개의 요홈(40)은 그 각각의 모양이 다각뿔, 원뿔, 다각뿔대, 원뿔대 중 어느 하나가 되도록 형성하며, 효과적인 탈출 입사각의 변화를 위하여 다각뿔이나 원뿔 모양인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 제2 실시예를 실시하기 위하여, 사파이어 기초 기판 위에 제1 도전층, 활성층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층을 성장시킨다. 상기 질화물 반도체층에 대한 상세한 설명 및 질화물 반도체층의 성장하는 방법은 상기 제1 실시예에 이미 설명한 바와 동일하다. 상기 질화물 반도체층은 터널링층을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이 또한 상기 제1 실시예에 설명한 바와 동일하다.
사파이어 기판(10)위에 질화물 반도체 성장을 성장한 후, 상기 제2 도전층(13) 위에 투명 전극(21)을 형성한다. 상기 투명 전극(21)은 NiAu, Pt, ITO(Indium Tin Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 중 적어도 어느 하나를 질화물 반도체 표면에 증착하여 형성한다. 상기 ITO 또는 ZnO 투명 전극(21)은 광 투과도나, 전류확산을 용이하게 하는데 유리하며, 광 추출 효율을 높이기 위하여 상기 투명 전극(21)의 두께는 발광파장의 1/4n 또는 3/4n이 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 n은 반도체 박막의 유효굴절율이다.
이후, 제1 전극(22)을 형성하기 위하여, 투명 전극(21), 제2 도전층(13), 활성층(12)의 일부분을 식각하여, 제1 도전층(11)의 일부를 노출시킨다. 상기 노출된 제1 도전층(11)과 금속간에 오믹접촉이 되도록 Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au중 어느 하나의 구조로 증착한 후, 질소, 수소, Ar을 포함하는 분위기에서 열처리 공정을 수행하여 제1 전극(22)을 형성한다.
제2 전극(23)은 투명 전극(21) 바로 위에 Pt/Au, Cr/Ni/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au 중 어느 하나를 증착하여 질소, 수소, Ar을 포함하는 분위기에서 열처리함으로서 형성한다.
상기의 공정을 마친 후에는, 칩의 크기를 줄이기 위하여, 사파이어 기판(10)을 연마하여 상기 사파이어 기판(10)의 두께를 얇게 한다. 사파이어 기판(10)을 얇게 하기 위하여 기계적 연마 또는 습식식각을 수행할 수 있다. 상기 기계적 연마는 다이아몬드 분말을 이용하여 연마하는 방법이다. 또한 상기 습식식각은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액으로 식각하며, 식각이 빠르게 진행되도록 하기 위하여 인산의 농도를 높이거나 온도를 200℃ 이상으로 높이는 것이 바람하다.
이후에, 도 4(c)에 도시한 바와 같이, 얇게 연마된 사파이어 기판(10)의 하부면에 SiO2를 증착하고 상기 SiO2의 일부를 식각하여 요홈(40)을 형성하기 위한 식각 패턴을 형성한다. 제2 실시예에서 상기 식각 패턴의 사파이어(10)가 노출된 부분은 복수개의 원형 또는 다각형이 x 및 y 방향으로 배열되어 형성된다. 상기 식각 패턴은 상기 원형 또는 다각형이 일정한 간격으로 나열되도록 구성될 수 있고, 또는 불규칙적으로 형성되도록 할 수도 있으므로, 식각 패턴의 배열에 있어 특정한 제한은 없다. 이후 상기 노출된 사파이어(10)를 식각하여 복수개의 요홈(40)을 형성한다. 상기 식각은 습식 식각으로 수행하는 것이 각각의 요홈(40) 형태를 위하여 바람직하다.
이미 제1 실시예에서 언급한 바와 같이, 상기 복수개의 요홈(40)은 사파이어(10)의 하부면에서 상부면으로 갈수록 상기 요홈(40)의 단면적이 좁아지는 형태인 것이 바람직하다. 이에 제2 실시예에서 제안하는 각각의 요홈의 형태에 대한 예시 로는 원뿔형, 다각뿔형, 원뿔대 또는 다각뿔대를 들 수 있다. 복수개의 요홈 상단은 빛의 탈출 입사각을 큰 변화를 확보하기 위하여, 뾰족한 것이 바람직하므로, 각각의 요홈의 모양은 원뿔형 또는 다각뿔형인 것이 더욱 바람직하다. 또한 각각의 요홈(40) 깊이는 질화물 반도체층에서 발생된 열을 방출하기가 용이하도록 깊게 하는 것이 바람직하나, 특별한 제약을 받지 않는다.
빛이 사파이어(10)의 면에 닿아 반사되면서 효율이 줄어드는 것을 줄이기 위하여, 상기 요홈(40)을 형성한 사파이어(10)의 하부면에 반사막(30)을 형성한다. 반사막(30)은 반사율이 좋을수록 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Ti/Al, Al, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나를 선택하여 증착하여 형성할 수 있다.
이후에, 사파이어 기판을 브레이킹하여 소자를 분리하면 발광다이오드 제작이 완료된다. 브레이킹 라인은 요홈을 형성할 때 동시에 습식식각으로 형성하는 것이 원가절감을 위하여 바람직하다.
본 발명에서 제안하는 발광다이오드는, 도 5에 도시한 바와 같이, 사파이어 하부면에 적어도 하나 이상의 요홈을 형성함으로서, 빛의 경로를 변화시켜 임계각을 벗어나도록 하는 효과가 있어, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높일 수 있다. 또한 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 반사율이 우수한 금속막을 증착함으로서, 사파이어 기판쪽으로 발광하는 빛을 반사시켜 발광 다이오드의 상부로 발광하도록 방향을 바꾸어 주어, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 사파이어 기판의 두께를 얇게 하고, 또한 사파이어 기판의 하부 면에 요홈을 형성하고 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 금속을 증착하여, 상기 열이 생성되는 반도체층의 가까이에 열 전도도가 좋은 금속이 위치하게 하고, 열이 방출되는 부분과 외부와 접촉하는 면적을 넓혀서, 발광다이오드에서 나오는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 사파이어 기판의 하부면에 단수개 또는 복수개의 요홈을 형성하고, 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 반사막을 형성함으로서, 빛의 경로를 변화시키고, 빛의 탈출 입사각이 임계각보다 작은 값을 가지도록 하여, 광 추출효율을 증가시킬 뿐만 아니라, 열전도도를 양호하게 하여 고휘도/고출력 발광다이오드인 장점이 있다.

Claims (17)

  1. 사파이어 기판위에 제1 도전층, 활성층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층이 위치하고, 상기 제1 도전층위에는 제1 전극이 형성되고, 제 2 도전층 위에는 투명 전극 및 제2 전극을 형성한 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 하부면에 적어도 하나 이상의 요홈을 형성하고, 상기 요홈을 형성한 사파이어 기판의 하부면에 접하도록 반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 요홈은 상부의 단면적이 하부의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 요홈은 다각뿔형, 원뿔형, 다각뿔대형, 원뿔대형 중 적어도 어느 하나의 모양인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 하부면에 요홈을 하나 이상 형성할 때, 상기 요홈은 x 방향 및 y 방향으로 균일하게 배열되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체층은 제2 도전층 위에 터널링층을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제 1항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 위에 성장되는 질화물 반도체층은 Inx(GayAl1-y)N이며, 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전층은 Si를 도핑한 n-형 질화물 반도체이고, 상기 제2 도전층은 Mg를 도핑한 p-형 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 투명 전극은 NiAu, Pt, ITO, ZnO중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Pt/Au, Cr/Ni/Au, Ni/Al/Ti/Au, Ni/Al, Ti/Ni/Ti/Au, Ti/Ni/Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 반사막은 Ti/Al, Al, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 추가적으로 SiO, SiN중 어느 하나 이상으로 패시베이션을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  13. a. 사파이어 기판 위에 제1 도전층, 발광층, 제2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층을 성장시키는 단계;
    b. 상기 제2 도전층위에 투명 전극을 형성하는 단계;
    c. 상기 제1 도전층을 노출하고, 상기 노출된 제1 도전층 위에 제1 전극을 형성하는 단계;
    d. 상기 투명 전극 위에 제2 전극을 형성하는 단계;
    e. 상기 사파이어 기판을 연마하는 단계;
    f.상기 연마된 사파이어 기판을 식각하여 상기 사파이어 기판에 요홈을 형성하는 단계; 및
    g. 상기 요홈이 형성된 사파이어의 하부에 반사막을 증착하는 단계;
    를 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 e 단계 및 f 단계에서의 사파이어의 식각은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 반사막은 Ti/Al, Al, Rh, Pd, Ti/Al/Ti/Au, Ag, Ti/Ag중 어느 하나를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 요홈은 다각뿔형, 원뿔형, 다각뿔대형, 원뿔대형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 g 단계를 수행한 후에, SiO, SiN 중 어느 하나 이상으로 상기 질화물 반도체층을 패시베이션하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
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