KR20080023488A

KR20080023488A - 발광 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20080023488A
Application number: KR20060087435A
Authority: KR
Inventors: 김혜원; 최영호; 이범석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-14

Abstract

본 발명은 광 결정 및 메탈 그레이팅을 함께 적용하여 광효율을 향상시킬 수 있는 구조를 채용한 발광 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 발광 소자는, 발광층을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성된 광 결정 패턴; 및 상기 광 결정 패턴 사이에 형성된 메탈 그레이팅; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

광 결정, 메탈 그레이팅, 발광 소자, 광 효율

Description

발광 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting deivce with enhanced light emitting efficiency and menufacturing method of the same}

도1a 내지 도1d는 종래의 광 결정(photonic crystal) 형성 방법을 나타낸다.

도2a 내지 도2e는 종래의 메탈 그레이팅 형성 방법을 나타낸다.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법을 나타낸다.

도4a 내지 도4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법을 나타낸다.

도5는 도3a 내지 도3e의 제조 방법으로 제조한 발광 소자의 사시도를 나타낸다.

※도면의 주요 부분에 대한 설명※

31,41 : p타입층 32,42 : 발광 소자

33,43 : n타입층 34,45 : 포토레지스트

35,46 : 메탈층 44 : 투명 전극층

본 발명은 광효율이 향상된 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광 결정 및 메탈 그레이팅을 이용하여 광효율을 향상시킬 수 있는 구조를 채용한 발광 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 광 결정(photonic crystal) 구조 또는 메탈 그레이팅을 이용하여 LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic LED) 등 발광소자의 효율을 향상시키는 연구가 활발히 진행중이며, 괄목할 만한 결과들이 나타나고 있다.

광 결정은 광학적인 성질을 이용하여 색깔을 표현할 수 있도록 형성한 구조로써, 광 결정을 이용하면 광효율을 높이거나, 색소를 사용하지 않고도 색을 표현할 수 있다.

메탈 그레이팅은 발광 소자의 발광 표면에 일정한 메탈 격자를 형성하여 주는 것으로써, 발광 소자에 메탈 그레이팅을 형성하면 발광 효율을 향상시킬 수 있다는 연구가 보고된 바 있다.

광 결정 및 메탈 그레이팅은 반도체 공정의 발달로 인해 나노 스케일의 패터닝이 가능해지면서, 해당 기술을 이용한 효율향상 및 대량생산까지 고려되고 있는 추세이다.

도1a 내지 도1d는 종래의 광 결정(photonic crystal) 형성 방법을 나타낸다. 먼저 2차원 광 결정을 형성하기 위해서는 리소그래피와 현상 및 에칭 과정이 순차적으로 진행되어야 한다.

도1a와 같이, 유전물질로 이루어진 기판(11)에 포토레지스트(12)를 도포하고, 노광 현상을 거쳐 포토레지스트(12)를 패터닝한다(도1b). 드라이 에칭 공정을 통해 기판을 패터닝하고(도1c), 포토레지스트(12)를 박리하면, 광 결정이 형성된다(도1d)

도2a 내지 도2e는 종래의 메탈 그레이팅 형성 방법을 나타낸다. 포토리소그래피 공법으로 소정 기판 또는 베이스 구조에 메탈 패턴을 형성하기 위해서는, 광 결정 형성 공정과 마찬가지로, 메탈 증착 공정, 노광, 현상 공정 및 드라이 에칭 공정이 요구된다.

도2a와 같이 우선 베이스 기판(21)에 메탈층(22) 스퍼터나 증발기(evaporator) 등으로 증착을 한 후에, 포토레지스트(23)를 도포한 다음(도2b), 노광, 현상 공정을 통해 포토레지스트(23)를 패터닝하고(도2c), 에칭으로 메탈층(22)을 패터닝한다. 그리고 나서, 포토레지스트(23)를 박리한다(도2d).

포토리소그래피 외에도 나노 임프린팅, 이-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 주기적인 메탈 그레이팅 패턴을 형성할 수 있다.

상술한 광결정이나, 메탈 그레이팅은 각각 발광 소자에 적용하였을 경우에, 발광 효율이 개선되는 것으로 확인되었으나, 이들을 결합한 구조를 채용하면 발광 효율을 더욱더 개선할 수 있다.

본 발명은 2차원 광 결정 구조와 메탈 그레이팅 구조를 결합한 구조를 발광 소자에 적용함으로써 광 효율을 높일 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 발광층을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성된 광 결정 패턴; 및 상기 광 결정 패턴 사이에 형성된 메탈 그레이팅을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법은, 발광층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판에 광 결정 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판에 메탈층을 증착하는 단계; 및 상기 메탈층 중 광 결정 패턴의 상부에 형성된 메탈층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자는, 발광층을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 적층되며, 광 결정 패턴이 형성된 투명 전극층; 및 상기 투명 전극층의 광 결정 패턴 사이에 형성된 메탈 그레이팅을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법은, 발광층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 상부에 투명 전극층을 적층하는 단계; 상기 투명 전극층에 광 결정 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판에 메탈층을 증착하는 단계; 및 상기 메탈층 중 광 결정 패턴의 상부에 형성된 메탈층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.

LED 등의 발광 소자는 n타입과, p타입의 물질을 접합시켜, 전극을 가함으로써, 그 접점 부분에서 홀과, 전자의 결합이 발생하면서 발광을 하게 된다.

도3a와 같이, 발광 물질 예컨대, 적색 또는 녹색 LED에 사용되는 GaP의 p타입층(31)과 n 타입층(33)이 형성된 반도체 기판을 준비한다. p타입층(31)과 n타입층(33)이 만나는 경계부분에는 발광층(32)이 형성된다. 이러한 발광소자에 사용되는 반도체 기판으로는 GaP등의 재료를 성장시킨 에픽택셜(epitaxial) 웨이퍼를 사용할 수 있다. 실시예에 따라서, p타입층을 상부에 배치하고, n타입층을 하부에 배치할 수도 있다. 준비된 반도체 기판 위에 포토레지스트(34)를 도포한다.

도3b에서, 노광 및 현상 공정을 통해 포토레지스트(34)를 패터닝한다.

도3c에서, 드라이 에칭으로 p타입층(31)을 패터닝하여, p타입 GaP으로 구성되며, 광효율을 높일 수 있는 광결정 패턴을 형성시킨다.

도3d에서, 메탈층(35)을 증착한다. 메탈층(35)으로는 Au, Al, Cu 등을 사용할 수 있으며, 빛을 투과시킬 수 있도록 50nm 이하로 얇게 증착한다. 메탈층(35) 증착 시에는 스퍼터나 이빔(E-beam) 증발기(evaporator) 등을 사용할 수 있다.

도3e에서, 기판을 알칼리성 현상액, 예컨대, NaOH 용액에 디핑(dipping)하여 포토레지스트(34)를 제거한다. 포토레지스트(34)가 제거되면서, 기판의 양각 부분, 즉 광 결정 패턴의 상부에 형성되어 있던 메탈 그레이팅도 함께 리프트오프(lift-off)되어 제거된다.

메탈 그레이팅 패턴(35)의 두께는 빛을 투과할 수 있을 정도로 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대 약 10nm~500nm 이내로 한다. n타입층(33)에 형성되는 광 결정 패턴의 피치는 약 300nm ~ 10um 정도로 일정한 주기를 갖는 연속된 기둥들의 패턴이다.

도5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 결정 패턴과 메탈 그레이팅 패턴이 함께 형성된 발광 소자는 발광층(32)에서 발생하는 광을 보다 효율적으로 추출하여 내보내게 된다. 메탈 그레이팅은 발광 소자의 표면 전반을 덮고 있게 되어 전극(미도시)으로부터 오는 전류를 발광층(32)까지 전달하는데 도움을 주게 되며, 얇게 형성되기 때문에 빛을 투과할 수 있다.

종래의 발광 소자는 전극을 형성하기 위해 n타입층(33), 즉 발광층(32)의 상부층에 전극 패드를 형성하여야 하지만, 본 발명에 따른 발광 소자는 메탈 그레이팅 패턴(35) 자체가 전극 역할을 할 수 있기 때문에, 전극 패드를 따로 형성할 필 요도 없고, 따라서 전극 패드 때문에 광 효율이 감소되지도 않는다.

또한, 메탈 그레이팅 패턴(35) 전체가 전극의 역할을 하기 때문에, n타입층(33)과의 접촉 면적이 넓어서, 전류 확산 효율도 더 높일 수 있다.

도4a에 도시된 바와 같이, 발광 물질 예컨대, 블루 LED에 사용되는 GaN의 p타입층(41)과 n타입층(43)이 형성된 반도체 기판을 준비한다. p타입층(41)과 n타입층(43)이 만나는 경계부분에는 발광층(42)이 형성된다. 이러한 발광소자에 사용되는 반도체 기판으로는 GaN등의 재료를 성장시킨 에피택셜(epitaxial) 웨이퍼를 사용할 수 있다. GaN는 그 자체로서는 에피택셜 법으로 성장시켜 웨이퍼를 형성할 수 없으므로, 사파이어 등의 절연체를 기반으로 하고 그 위에 GaN를 성장시키는 것이 바람직하다. 실시예에 따라서, p타입층을 상부에 배치하고, n타입층을 하부에 배치할 수도 있다. 준비된 반도체 기판 위에 투명 전극층(44)을 적층하고, 그 위에 포토레지스트(45)를 도포한다. 투명 전극층(44)으로는 ITO 또는 IZO를 사용할 수 있다.

도4b에서, 노광 및 현상 공정을 거쳐 포토레지스트(45)를 패터닝한다.

도4c에서, 드라이 에칭으로 투명 전극층(44)을 패터닝하여, 광 결정 구조를 패터닝한다.

도4d에서, 메탈층(46)을 증착한다. 도3d에서와 마찬가지로, 메탈층(46)으로 는 Au, Al, Cu 등을 사용할 수 있으며, 빛을 투과시킬 수 있도록 50nm 이하로 얇게 증착한다. 메탈층(46) 증착 시에는 스퍼터나 이빔(E-beam) 증발기(evaporator) 등을 사용할 수 있다.

도4e에서, 기판을 알칼리성 현상액, 예컨대, NaOH 용액에 디핑(dipping)하여 포토레지스트(45)를 제거한다. 포토레지스트(45)가 제거되면서 광 결정 패턴의 상부에 형성되어 있던 메탈 그레이팅도 함께 리프트오프(lift-off)되어 제거된다.

이상에서와 같이 본 발명은 2차원 광결정 패터닝을 발광소자에 적용함과 동시에 전류확산을 용이하게 하는 metal grating, 즉 metal layer에 주기적인 구멍을 뚫은 구조를 형성하는 방법이며, 이를 통해 발광소자의 광방출 효율을 극대화 하고자 하는데 있다.

본 발명에 따른 발광 소자는 전극 패드를 따로 형성할 필요도 없고 따라서 전극 패드 때문에 광 효율이 감소되지도 않는다.

또한, 본 발명에 따른 발광 소자에서 메탈 그레이팅 패턴 전체가 전극의 역할을 하기 때문에, 반도체 층과의 접촉 면적도 넓어서 전류 확산 효율을 더 높일 수 있다.

Claims

발광층을 포함하는 반도체 기판;

상기 반도체 기판에 형성된 광 결정 패턴; 및

상기 광 결정 패턴 사이에 형성된 메탈 그레이팅;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 반도체 기판은 n타입 반도체 층과, p타입 반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 포함하고, 상기 광 결정 패턴은 상기 n타입 및 p타입 반도체 층 중 상부층에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 반도체 기판은 GaP인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
발광층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;

상기 반도체 기판에 광 결정 패턴을 형성하는 단계;

상기 기판에 메탈층을 증착하는 단계; 및

상기 메탈층 중 광 결정 패턴의 상부에 형성된 메탈층을 제거하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 광 결정 패턴을 형성하는 단계는,

상기 기판에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

상기 상부층을 드라이 에칭하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 메탈층을 제거하는 단계는,

상기 포토레지스트를 알칼리 용액으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
발광층을 포함하는 반도체 기판;

상기 반도체 기판 위에 적층되며, 광 결정 패턴이 형성된 투명 전극층; 및

상기 투명 전극층의 광 결정 패턴 사이에 형성된 메탈 그레이팅;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제7항에 있어서,

상기 반도체 기판은 제n타입 반도체 층과, p타입 반도체층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제7항에 있어서,

상기 반도체층은 GaN인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
발광층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;

상기 반도체 기판의 상부에 투명 전극층을 적층하는 단계;

상기 투명 전극층에 광 결정 패턴을 형성하는 단계;

상기 기판에 메탈층을 증착하는 단계; 및

상기 메탈층 중 광 결정 패턴의 상부에 형성된 메탈층을 제거하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 광 결정 패턴을 형성하는 단계는,

상기 기판에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

상기 상부층을 드라이 에칭하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 메탈층을 제거하는 단계는,

상기 포토레지스트를 알칼리 용액으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징 으로 하는 발광 소자 제조 방법.