KR20090071088A

KR20090071088A - 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090071088A
Application number: KR20070139290A
Authority: KR
Inventors: 한해욱; 조민수; 문기원; 윤지수
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-01
Also published as: KR101426288B1

Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 제 1 또는 제 2 도전층 상에 다수의 회절 홈을 형성하여 광결정층을 마련하고, 빛의 공진 공동을 제공하는 범위 내에서 제 1 도전층과 제 2 도전층의 두께를 최대한 얇게 설계하여 적용함으로써 마이크로 공진기를 형성하여 광추출효율이 극대화된 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 서브마운트 기판; 상기 서브마운트 기판 상에 형성되며 반사 특성을 갖는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 도전층; 상기 제 1 도전층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 상부에 다수의 회절 홈으로 구성된 광결정층이 형성된 제 2 도전층; 상기 제 2 도전층 상에 형성된 제 2 전극; 에 의해 달성되며, 상기 제 1 도전층, 제 2 도전층과 활성층은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 가진다. 여기서, 상기 제 1 도전층과 제 2 도전층과 활성층의 각 두께 및, 회절홈의 주기, 폭, 깊이는 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 광추출효율이 극대화 되도록 형성된다.

발광 다이오드, 광추출효율, 광결정, 마이크로 공진기

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 광결정과 마이크로 공진기가 형성됨으로써 광추출효율이 극대화된 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 발광 다이오드는 극소형, 저소비 전력구동, 빠른 반응속도 등의 특징으로 인해 그 응용범위가 점차 넓어지고 있는 추세에 있다. 이에 따라 발광 다이오드는 액정표시장치용 백라이트를 비롯하여 대형 전광판, 교통 신호등, 가전 제품, 의료 및 수술장비 등에 널리 이용되고 있다.

이러한 발광 다이오드는(light emitting diode : LED)는 반도체 발광 다이오드와 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode : OLED)로 나눌 수 있다. 반도체 발광 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체, 그리고 빛을 방출하는 발광층으로 이루어져 있으며, 유기 발광 다이오드는 전자 운송층, 정공 운송층, 그리고 빛을 방출하는 발광층으로 이루어져 있다. 이러한 발광 다이오드들은 전류 주입에 의해 전자와 정공이 결합되고 이로 인해 빛이 발생되며 발생된 빛을 외부로 방출시키 는 발광 소자이다. 상기 발광 다이오드에서 발광되는 빛의 파장은 발광 다이오드를 구성하는 반도체 재료의 밴드갭(bandgap) 혹은 유기 물질의 종류에 의해 결정된다. 따라서, 발광 다이오드의 제조 시에 원하는 빛의 파장에 따라 반도체 재료 혹은 유기물을 적절히 선택하게 된다.

최근, 질화물계 반도체의 제조 기술의 발달에 따라 기존의 갈륨비소(GaAs)를 이용한 적색 발광 다이오드에 이어서, 질화갈륨(GaN)의 청색, 녹색 발광 다이오드의 개발이 완료되어 널리 상용화되고 있으며 유기 발광 다이오드 또한 상용화가 진행되고 있다.

이하, 종래의 일반적인 발광 다이오드에 대한 한가지 예로 질화물계(GaN) 반도체를 재료로 하여 제조된 발광 다이오드에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 발광 다이오드는 사파이어 기판(7)의 상부에 n형 반도체층(4)과 활성층(3) 및 p형 반도체층(1)이 순차적으로 형성되며, 상기 p형 반도체층(1)에서 상기 n형 반도체층(4)의 일부까지 메사(mesa) 식각된다. 그리고, 상기 메사 식각된 n형 반도체층(4)의 상부에는 n전극(5)이 형성되며, p형 반도체층(1)의 상부에는 p전극(2)이 형성된다. 여기서, 상기 n형 반도체층(4)과 p형 반도체층(1)은 질화물계 반도체로 형성된다.

상기와 같은 구성을 가지는 종래의 일반적인 발광 다이오드는 질화물계 반도체를 재료로 하여 제조되므로 굴절률이 높은 특징을 가진다. 따라서, 활성층(3)에서 발생한 빛은 굴절률이 높은 발광 다이오드의 내부로부터 굴절률이 낮은 외부환경(예 : 공기 중)으로 방출되는 과정에서, 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛은 전 반사에 의해 발광 다이오드의 외부로 방출되지 못하게 되며, 이와 같이 발광 다이오드 내부에서 전반사된 빛은 발광 다이오드 내부에서 흡수, 감쇄되거나 열로 전환되는 등의 문제가 발생하여 발광 다이오드의 광추출효율이 낮아지게 된다.

그리고, 상기와 같은 구성을 가지는 종래의 일반적인 발광 다이오드는 n전극(5)의 형성을 위해 메사 식각하는 영역을 확보하기 위하여 n형 반도체(4)의 두께가 두꺼워야하므로, 활성층(3)에서 발생한 빛은 상기 발광 다이오드의 내부로 이동하는 과정에서 발광 다이오드를 이루는 물질에 의해 많은 양이 손실됨으로써 발광 다이오드의 광추출효율이 낮아지는 문제점이 발생한다.

이와 같이 활성층(3)에서 발생하는 빛이 발광 다이오드의 내부에서 전반사되거나 발광 다이오드의 내부를 이동하는 과정에서 손실되어 광추출효율이 낮아지게 되는 문제점은 질화물계 발광 다이오드뿐만 아니라 질화물계 반도체 외에 다른 재료를 기반으로 하여 제조된 발광 다이오드에서도 문제가 되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제 1 또는 제 2 도전층 상에 다수의 회절 홈을 형성하여 광결정층을 마련하고, 빛의 공진 공동을 제공하는 범위 내에서 제 1 도전층과 제 2 도전층의 두께를 최대한 얇게 설계하여 적용함으로써 마이크로 공진기를 형성하되, 광결정 효과와 마이크로 공진기 효과의 상호작용을 고려하여 각 구조를 최적화함으로써 광추출효율이 극대화된 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드는, 서브마운트 기판; 상기 서브마운트 기판 상에 형성되며 반사 특성을 갖는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 도전층; 상기 제 1 도전층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 상부에 다수의 회절 홈으로 구성된 광결정층이 형성된 제 2 도전층; 상기 제 2 도전층 상에 형성된 제 2 전극; 을 포함하여 구성되며, 상기 제 1 도전층, 제 2 도전층과 활성층은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 가진다. 여기서, 상기 제 1 도전층, 제 2 도전층과 활성층의 구체적인 두께, 그리고 광결정을 이루는 회절홈의 주기, 폭, 깊이는 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 유한차분시간영역법(finite difference time domain method)과 같은 수치해석 수단을 이용하여 광추출효율이 극대화 되도록 설계된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광 다이오드의 제조 방법은, 발광 다이오드 성장용 기판을 준비하는 단계; 상기 발광 다이오드 성장용 기판 상에 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층을 순차적으로 형성하되, 상기 활성층과 제 2 도전층은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 갖도록 형성하는 단계; 상기 제 2 도전층 상에 반사 특성을 갖는 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 발광 다이오드 성장용 기판을 제거하고, 상기 제 2 전극의 하부에 서브마운트 기판을 형성하는 단계; 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께가 되도록 제 1 도전층을 식각하는 단계; 상기 제 1 도전층의 상부에 다수의 회절 홈으로 구성된 광결정층을 형성하는 단계; 상기 제 1 도전층의 상부에 제 1 전극을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드는, 제 1 또는 제 2 도전층 상에 다수의 회절 홈이 형성된 광결정이 마련되므로 활성층에서 발생하는 빛이 상기 광결정에서 회절되어 많은 양의 빛이 발광 다이오드의 외부로 방출되므로 광추출효율이 증대되는 장점이 있다. 특히, 활성층에서 발생하는 빛 중에 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛의 경로를 제어하여 발광 다이오드의 외부로 방출하는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제 1 도전층과 제 2 도전층은 활성층에서 발생하는 빛의 공진 공동을 제공하는 범위 내에서 최소의 두께를 가지도록 설계된 마이크로 공진기를 이룸으로써, 광추출효율이 최대화됨과 동시에 발광 다이오드의 전체 두께가 최소화되는 장점이 있다. 특히, 활성층에서 발생하는 빛 중에 임계각보다 작은 각으로 진행하는 빛의 보강 간섭이 일어나므로 발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 양을 증가시키는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 활성층에서 발생하는 빛 중에 임계각보다 작은 각으로 진행하는 빛과 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛 모두를 발광 다이오드의 외부로 효율적으로 방출시켜 광추출효율을 극대화하는 장점이 있다.

그리고, 상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드는 상기 광결정 효과와 마이크로 공진기 효과의 상호작용을 고려하여 광결정과 마이크로 공진기 구조가 각각 최적화되도록 형성되므로 발광 다이오드의 광추출효율이 최대화되는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하겠다.

먼저, 도 2 내지 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성에 대하여 설명하겠다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광 다이오드는, 서브마운트 기판(106); 상기 서브마운트 기판(106) 상에 형성되며 반사 특성을 갖는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 도전층; 상기 제 1 도전층 상에 형성된 활성층(103); 상기 활성층(103) 상에 형성되며, 상부에 다수의 회절 홈(104a)으로 구성된 광결정층이 형성된 제 2 도전층; 상기 제 2 도전층 상에 형성된 제 2 전극; 을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제 1 도전층, 제 2 도전층과 활성층(103)은 활성층(103)에서 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 가진다.

그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명함에 있어서, 상기 제 1 도전층은 p형 반도체층(101)이며 제 1 전극은 p전극(102)이고, 제 2 도전층은 n형 반도체층(104)이며 제 2 전극은 n전극(105)인 것을 그 예로 한다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 제 1 도전층은 n형 반도체층이 되며 제 1 전극은 n전극이 되고 제 2 도전층은 p형 반도체층이 되며 제 2 전극은 p전극이 되는 등 다양한 변경이 가능할 것이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 각 구성요소에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 상기 서브마운트(submount) 기판(106) 상에는 솔더(108) 및 p전극(102) 및 p형 반도체층(101)이 차례로 형성되어 있다.

상기 p형 반도체층(101)은 질화물계(GaN) 반도체로 형성되며, p전극(102)은 은(Ag)과 알루미늄(Al) 및 은(Ag)의 합금과 알루미늄(Al)의 합금 등 반사율이 높은 금속으로 형성된다.

그리고, 도 2를 참조하면, 상기 p형 반도체층(101) 상에는 활성층(103)이 형성되며, 그 중심은 공진기 내부에 빛의 세기가 최대인 곳에 위치한다.

상기 활성층(103)은 발광 다이오드에 있어서 빛을 방출하는 부분으로서, p전극(102)을 통하여 p형 반도체층(101)에 전원을 인가하고 n전극(105)을 통하여 n형 반도체층(104)에 전원을 인가하면 p형 반도체층(101)과 n형 반도체층(104)으로부터 각각 정공과 전자들이 상기 활성층(103)으로 주입되어 재결합함으로써 활성층(103)에서 빛을 방출하게 된다.

도 2를 참조하면, 상기 활성층(103)의 상부에는 질화물계(GaN) 반도체로 형성된 n형 반도체층(104)이 형성되며, n형 반도체층(104)의 상부에는 다수의 회절 홈(104a)이 형성되어 광결정층이 마련된다.

이와 같은 p형 반도체층(101), n형 반도체층(104)과 활성층(103)은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께(d1, d2, d3)를 가지도록 형성되며, 그 두께(d1, d2, d3)가 아래의 수학식 1을 만족하도록 형성된다.

상기 수학식 1에서, Φ1은 제 1 전극, 즉 p전극(102)의 반사율에 의한 위상변화이고, Φ2는 광결정층의 반사에 의한 위상변화이며, λ는 활성층(103)에서 발생하는 빛의 파장이며, η는 발광 다이오드의 굴절률이며, r은 매개변수로서 0보다 크고 1보다 작거나 1과 같은 범위 내에서 설정되고, m은 정수(0, ±1, ±2, ±3, ...)이다. 여기서, 상기 r과 m은 광추출효율이 최대가 될 수 있는 범위 내에서 설정된다.

그리고, 상기 수학식 1의 Φ2는 광결정층을 이루는 회절홈(104a)의 주기(L), 폭(a), 깊이(H)에 의해 결정되는 값이며, 상기 회절홈(104a)의 주기(L)는 아래의 수학식 2를 만족하도록 형성된다.

상기 수학식 2에서 λ는 활성층(103)에서 발생하는 빛의 파장이며, η는 발광 다이오드의 굴절률이다.

도 2를 참조하면, 상기 n형 반도체층(104)의 상부에 형성된 다수의 회절 홈(104a)은 n형 반도체층(104)의 상면으로부터 소정 깊이만큼 오목한 형상으로 파인 형상을 가진다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드에 형성된 회절 홈(104a)은 직육면체 형상의 공간인 것을 그 예로 하였지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회절 홈(104a)의 형상은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 원기둥 형상의 공간 등 다양한 예가 가능할 것이다.

상기 n형 반도체층(104)의 상부에 형성된 다수의 회절 홈(104a)의 주기(L), 폭(a), 깊이(H)는, 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 유한차분시간영역법(finite difference time domain method)과 같은 수치해석 수단을 이용하여 광추출효율이 극대화 되도록 설정된다. 특히, 상기 다수의 회절홈(104a)의 주기(L)는 상기에 언급한 바와 같이 상기 수학식 1을 만족하는 동시에 수학식 2를 만족하도록 설정된다.

상술한 바와 같은 조건을 만족하도록 설계된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광 다이오드는, 활성층(103)에서 발생하는 빛 중에 임계각보다 작 은 각으로 진행하는 빛과 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛 모두 발광 다이오드의 외부로 방출되어 그 양이 최대화되는데, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 최적화된 조건을 만족하도록 설계된 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드는, 반사율이 높은 금속으로 형성된 p전극(102)이 n형 반도체층(104)의 상부 표면과 함께 공진기를 이룸과 동시에 최적화 설계된 두께에 의해 빛의 보강 간섭이 이루어지는 마이크로 공진기 효과에 의해 광추출효율이 최대화된다. 특히, 활성층(103)에서 발생하는 빛 중에서 임계각보다 작은 각으로 진행하는 빛이 마이크로 공진기 효과에 의해 보강 간섭이 일어남으로써 외부로 방출되는 양이 최대화된다. 또한, p형 반도체층(101)과 n형 반도체층(104)의 두께가 얇으므로 활성층(103)에서 발생한 빛이 발광 다이오드의 내부를 진행하는 과정에서 흡수 손실되는 양이 최소화되어 광추출효율이 최대화된다.

그리고, 상술한 바와 같이 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 최적화된 조건을 만족하도록 설계된 회절 홈(104a)으로 구성된 광결정층이 마련된 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드는, 활성층(103)으로부터 방출되는 빛이 상기 광결정에 도달하였을 때 광결정에 의해 회절되어 경로가 변환되는 광결정 효과에 의해 발광 다이오드의 외부로 방출되는 양이 최대화되어 광추출효율이 최대화된다. 특히, 활성층(103)에서 발생하는 빛 중에서 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛이 전반사되지 않고 광결정에 의해서 회절됨으로써 발광 다이오드의 외부로 방출되는 빛의 양이 최대화된다.

이와 같이 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 최적화된 조건을 만족하도록 설계된 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드는, 활성층(103)에서 발생하는 빛 중에서 임계각보다 작은 각으로 진행하는 빛은 물론이고 임계각보다 큰 각으로 진행하는 빛은 상기 두 효과에 의해 효율적으로 발광 다이오드의 외부로 방출되므로 양이 최대화되어 광추출효율이 극대화되는 장점이 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 발광 다이오드가 광추출효율에 있어서 어느 정도의 향상 효과가 있는지 증명하기 위하여, 세 개의 비교예와 함께 아래의 표 1에 나타내었다. 그리고, 도 3에는 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드를 비롯하여 세 개의 비교예에 따른 질화물계 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장에 따른 광추출효율을 나타내었으며, 도 4에는 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드를 비롯하여 세 개의 비교예에 따른 질화물계 발광 다이오드의 광추출효율을 비교예1을 기준으로 하여 상대적인 값으로 나타내었다. 표 1은 아래와 같다.

	d1(㎚)	d2(㎚)	L(㎚)	광추출효율(%)	상대적 광추출효율
비교예1	250	-	-	약 5	100
비교예2	250	-	250	약 17	340
비교예3	220	185	-	약 37	740
본 발명	220	220	400	약 72	1420

이하, 표 1을 비롯하여 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드의 광추출효율에 대하여 설명하겠다.

상기 표 1 및 도 3과 도 4에 나타낸 비교예1은 도 1을 참조하여 상기에 설명한 종래의 일반적인 질화물계 발광 다이오드이며, 비교예2는 상기 비교예1에서 p형 반도체층의 상부에 광결정만을 형성한 기존의 질화물계 발광 다이오드이며, 비교예3은 마이크로 공진기 구조만을 형성한 기존의 발광 다이오드이며, 본 발명은 상술한 바와 같이 마이크로 공진기 효과와 광결정 효과의 상호작용을 고려하여 설계된 발광 다이오드이다.

상기 표 1에서 본 발명의 데이터(d1, d2, L)는 상기에 언급한 조건(수학식 1, 수학식 2)을 만족하는 p형 반도체층(101)의 두께(d1) 및 n형 반도체층(104)의 두께(d2) 및 n형 반도체층(104)의 상부에 형성된 광결정을 이루는 회절 홈(104a)의 주기(L) 중에서 광추출효율이 대폭 증가되도록 설계된 값이다. 그리고, 상기 표 1에서 비교예2의 데이터(d1, L)는 비교예2에 따른 발광 다이오드의 광추출효율이 대폭 증가되도록 설계된 p형 반도체층의 두께(d1) 및 p형 반도체층의 상부에 형성된 회절 홈의 주기(L)이며, 상기 표 1에서 비교예3의 데이터(d1, d2)는 비교예3에 따른 발광 다이오드의 광추출효율이 대폭 증가되도록 설계된 p형 반도체층의 두께(d1) 및 n형 반도체층의 두께(d2)이다.

상기 표 1 및 도 3에는 광추출효율이 대폭 증가되도록 설계된 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드 및 비교예1 내지 비교예3에 따른 질화물계 발광 다이오드의 실제 광추출효율(%)을 나타내었는데, 이를 참조하면 본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드의 실제 광추출효율은 약 72%이며, 비교예1 및 비교예2 및 비교예3에 따른 질화물계 발광 다이오드 각각의 실제 광추출효율은 약 5%, 약 17%, 약 37%임 을 알 수 있다. 여기서, 상기 실제 광추출효율(%)은 활성층에서 발생한 빛 전체를 100%라고 가정하였을 때 발광 다이오드의 외부로 방출된 빛의 양을 퍼센트(%)로 나타낸 것이다.

그리고, 상기 표 1 및 도 4에는 광추출효율이 대폭 증가되도록 설계된 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 비교예1 내지 비교예3에 따른 발광 다이오드의 상대적 광추출효율(%)을 나타내었는데, 이를 참조하면 본 발명에 따른 발광 다이오드의 광추출효율은 상기 비교예1에 비교하여 14.2배이며, 상기 비교예2에 비교하여 약 4.2배이고, 상기 비교예3에 비교하여 약 1.9배임을 알 수 있다.

즉, 상기와 같이 광결정 효과와 마이크로 공진기 효과의 상호작용을 고려하여 최적 설계된 두께(d1, d2)를 가지는 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(104)이 형성되고, n형 반도체층(104) 상에 광결정 효과와 마이크로 공진기 효과의 상호작용을 고려하여 최적 설계된 주기(L)를 가지는 회절 홈(104a)이 형성되어 광결정을 이루는 본 발명에 따른 발광 다이오드는, 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 일반적인 발광 다이오드(비교예1)를 비롯하여, 상기 종래의 일반적인 발광 다이오드의 p형 반도체층상에 광결정만이 형성된 기존의 발광 다이오드(비교예2) 및, 상기 종래의 일반적인 발광 다이오드에 마이크로 공진기 구조가 형성된 기존의 발광 다이오드(비교예3)에 비하여 월등히 높은 광추출효율을 가진다.

이하, 도 5a 내지 5f를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광 다이오드의 제조 방법에 대하여 설명하겠다.

먼저, 발광 다이오드 성장용 기판(107)을 준비한다.

그 다음, 도 5a에 도시한 바와 같이 상기 발광 다이오드 성장용 기판(107) 상에 n형 반도체층(104), 활성층(103), p형 반도체층(101)을 순차적으로 형성한다. 이때, 상기 n형 반도체층(104)과 p형 반도체층(101)은 질화물계(GaN) 반도체를 재료로 하여 형성되며, 특히 p형 반도체층(101)과 활성층(103)은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공할 수 있는 두께(d1, d3)를 갖도록 형성된다. 즉, p형 반도체층(101)과 활성층(103)은 그 두께(d1, d3)가 상기에서 언급한 수학식 1을 만족하도록 형성된다.

상기와 같이 발광 다이오드 성장용 기판(107) 상에 n형 반도체층(104)과 활성층(103)과 p형 반도체층(101)을 형성하는 방법은, 유기 금속 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD) 등 다양한 방법을 이용하여 이루어질 수 있다.

그 다음, 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 p형 반도체층(101) 상에 p전극(102)을 형성한다. 이때, p전극(102)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 은(Ag)의 합금, 알루미늄(Al)의 합금 등 반사율이 높은 금속으로 형성된다.

그 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 발광 다이오드 성장용 기판(107)을 제거하고, 상기 p전극(102)의 하부에는 솔더(108)를 이용하여 서브마운트 기판(106)을 본딩한다. 이때, 발광 다이오드 성장용 기판(107)은 레이저 리프트 오프(laser lift off) 방법을 이용하여 제거된다.

그 다음, 상기 n형 반도체층(104)을 식각하되, 도 5d에 도시한 바와 같이 상기 n형 반도체층(104)이 활성층(103)에서 발광되는 빛의 공진 공동을 제공할 수 있는 두께(d2)를 갖도록 형성한다. 즉, 상기 n형 반도체층(104)은 그 두께(d2)가 상기에서 언급한 수학식 1을 만족하도록 형성된다. 이때, 상기 n형 반도체층(104)을 식각하는 방법은 습식 식각 또는 건식 식각 등의 방법 등 다양한 방법이 이용될 수 있다.

그 다음, 도 5e에 도시한 바와 같이 상기 n형 반도체층(104)의 상부에 다수의 회절 홈(104a)으로 이루어진 광결정을 형성한다. 이때, 상기 회절 홈(104a)의 주기(L), 폭(a), 깊이(H)는 수학식 1을 만족하도록 설정되며, 특히 회절 홈(104a)의 주기(L)는 상기에서 언급한 수학식 2를 만족하도록 설정된다.

여기서, 상기 n형 반도체층(104)의 상부에 형성되는 회절 홈(104a)은, 상기 n형 반도체층(104)의 상부에 감광막을 도포한 후 상기 감광막을 마스크를 통해 선택 노광한 후에 노광된 영역 혹은 노광되지 않은 영역을 제거함으로써 감광막을 패터닝하고, 이후에 상기 패터닝된 감광막을 마스크로 적용하여 n형 반도체층(104)을 선택적으로 식각함으로써 형성하는 등 다양한 방법을 이용하여 형성된다.

그 다음, 도 5f에 도시한 바와 같이 상기 n형 반도체층(104)의 상부에 n전극(105)을 형성한다.

이로써 광추출효율이 극대화된 본 발명에 따른 발광 다이오드를 얻는다.

본 발명을 설명함에 있어서 다양한 발광 다이오드 중에서 반도체 발광 다이오드를 일 예로 하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명은 유기 발광 다이오드에 적용되는 등 다양한 예가 가능할 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 발광 다이오드를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 단면도.

도 3은 도 2의 발광 다이오드를 비롯하여 세 개의 비교예에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장에 따른 광추출효율을 나타낸 그래프.

도 4는 도 2의 발광 다이오드를 비롯하여 세 개의 비교예에 따른 발광 다이오드의 광추출효율을 비교예1을 기준으로 하여 상대적인 값으로 나타낸 그래프.

도 5a 내지 도 5f는 도 2의 발광 다이오드를 제조하는 단계를 나타낸 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

101 : p형 반도체층 102 : p전극

103 : 활성층

104 : n형 반도체층 104a : 회절 홈

105 : n전극 106 : 서브마운트 기판

107 : 발광 다이오드 성장용 기판 108 : 솔더

Claims

서브마운트 기판;

상기 서브마운트 기판 상에 형성되며 반사 특성을 갖는 제 1 전극;

상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 도전층;

상기 제 1 도전층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며, 상부에 다수의 회절 홈으로 구성된 광결정층이 형성된 제 2 도전층;

상기 제 2 도전층 상에 형성된 제 2 전극;

을 포함하여 구성되며,

상기 제 1 도전층,제 2 도전층, 활성층은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전층의 두께(d1), 제 2 도전층의 두께(d2), 활성층의 두께(d3)는
를 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드. (여기서, Φ1은 제 1 전극의 반사율에 의한 위상변화이고, Φ2는 광결정층의 반사에 의한 위상변화이며, λ는 활성층에서 발생하는 빛의 파장이며, η는 발광 다이오드의 굴절률이며, r은 매개변수이고, m은 정수(0, ±1, ±2, ±3, ...)이다.)
제 2 항에 있어서, 상기 r은 0 보다 크고 1 보다 작거나 1과 같은 범위 내에서 설정된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 2 항에 있어서, 상기 φ2는 광결정층을 이루는 회절홈의 주기(L), 폭, 깊이에 의해 결정되며,

상기 회절홈의 주기(L)는
를 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전층은 p형 반도체 또는 n형 반도체 중 어느 하나이며, 상기 제 2 도전층은 p형 반도체 또는 n형 반도체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도전층은 질화물계(GaN) 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 그 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
발광 다이오드 성장용 기판을 준비하는 단계;

상기 발광 다이오드 성장용 기판 상에 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층을 순차적으로 형성하되, 상기 활성층과 제 2 도전층은 발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께를 갖도록 형성하는 단계;

상기 제 2 도전층 상에 반사 특성을 갖는 제 2 전극을 형성하는 단계;

상기 발광 다이오드 성장용 기판을 제거하고, 상기 제 2 전극의 하부에 서브마운트 기판을 형성하는 단계;

발광되는 빛의 공진 공동을 제공하는 두께가 되도록 제 1 도전층을 식각하는 단계;

상기 제 1 도전층의 상부에 다수의 회절 홈으로 구성된 광결정층을 형성하는 단계;

상기 제 1 도전층의 상부에 제 1 전극을 형성하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 제 1 도전층의 두께(d1), 제 2 도전층의 두께(d2), 활성층의 두께(d3)는
를 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법. (여기서, Φ1은 제 1 전극의 반사율에 의한 위상변화이고, Φ2는 광결정층의 반사에 의한 위상변화이며, λ는 활성층에서 발생하는 빛의 파장이며, η는 발광 다이오드의 굴절률이며, r은 매개변수이고, m 은 정수(0, ±1, ±2, ±3, ...)이다.)
제 9 항에 있어서, 상기 r은 0 보다 크고 1 보다 작거나 1과 같은 범위 내에서 설정된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 φ2는 광결정층을 이루는 회절홈의 주기(L), 폭, 깊이에 의해 결정되며,

상기 회절홈의 주기(L)는
를 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 제 1 도전층은 p형 반도체 또는 n형 반도체 중 어느 하나이며, 상기 제 2 도전층은 p형 반도체 또는 n형 반도체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도전층은 질화물계(GaN) 반 도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 그 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.