KR20090098935A - 발광 소자의 나노 사파이어 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자에 대한 것으로 기판의 간단한 구조 변경을 통하여 발광층에서 생성된 빛의 외부추출효율을 증가시켜 고효율을 갖는 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 의하면 기판(1)의 간단한 구조 변경을 위하여 3D 구조의 나노사이즈 패턴을 소프트리쏘를 이용하여 형성하고 이를 이용하여 식각 하여 줌으로써 발광효율을 최대화 할 수 있는 형태의 기판을 만들 수 있다.

발광소자, 미세구조, 소프트리쏘, 질화물계 반도체

Description

발광 소자의 나노 사파이어 기판 및 이의 제조방법{Nano Sapphire Substrate of Light Emitting Diodes and Method of Manufacturing Thereof}

본 발명은 발광소자용 사파이어 기판, 실리콘카바이드 기판 , 실리콘 기판상에 3D 나노싸이즈 입체구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소프트 리쏘방법을 사용하여 생산성 및 품질을 높히면서 비용을 낮추,고 아울러 후속공정인 에칭공정과 질화막형성 공정에 버든(Burden)을 최소화하여 생산성을 높이는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 나노임프린트 방법중에 하나인 소프트리쏘 방법은 대면적화 기술이 필요한 수 마이크로급의 액정표시장치(LCD)나 단순하고 반복적인 패턴이 필요한 부분에 적용하여 사용되는 레진을 박리 나 제거 없이 사용하였으나, 발광소자측면에서는 에칭 이후에 레진이 잔류할 경우 질화물막 성장의 어려움이나 발광소자 효율과 수율 측면에서는 적용이 불가능하고, 아울러 또 습식 에칭방법이나 ICP,RIE,Ion beam,E-beame을 이용한 건식에칭방법에 있어 기존의 레진은 사용이 불가능하였으나 3D구조 패턴 형성시 에칭에 견딜수 있고 또 쉽게 제거 내지는 박리가 가능하다.본 발명에 사용되는 3D 패턴 레진을 이용하여 기존 발광소자 기판상에 직 접 3D 구조가 형성된 마스터(혹은 스탬프)를 사용하여 UV 광경화성 또는 열경화성 수지를 스핀코팅방법이나 슬릿코팅 방법에 의하여 기판에 도포한후 마스터를 기판상에 콘택하여 UV광 또는 열을 인가함으로써 레진의 3D형태를 구현해 낸다. 이 레진에 습식 에칭방법이나 또는 ICP, RIE, Ion beam,E-beam 같은 건식에칭방법을 사용하여 기판상에 나노싸이즈의 3D패턴을 제작하는 기술로 이루어져 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 나노 사이즈의 미세 구조가 형성된 기판을 이용하여 발광소자를 제작 함으로써 결함 감소와 광의 산란증가로 인한 휘도 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있다. 또한 광 추출 효율 향상에 제일 유리한 형태의 모양을 갖게 하기 위하여 3D 구조를 갖는 패턴을 형성 하고 식각하는 기술을 적용 하였다.

상기한 목적의 달성을 위하여, 본 발명에서 제안하는 발광소자는 기판위에 소프트리쏘방법을 이용하여 3D 구조를 갖는 나노 사이즈 패턴을 형성한다. 이렇게 형성된 구조물 위에 유기화학기상증착법에 의하여 형성된 n형 도핑층(2), 활성층(8), p형 도핑층(6)을 형성 시킨다. 도 1은 본 발명에 대한 공정 플로우 챠트로 사파이어 기판 위에 감광성 레진( photodielectric resin)을 도포 하고 3D 구조가 형성 되어 있는 마스터를 사용하여 소프트리쏘 공정을 진행 한다. 이 공정을 통하여 식각 후에도 광 추출 효율이 뛰어난 렌즈 형태의 구조를 갖도록 하기 위하여 2단 혹은 그 이상의 여러개의 단을 갖는 패턴 구조를 갖도록 형성 한다.이후에, 사파이어 기판을 식각 하기 위한 방법으로는 일반적인 습식식각 방식이나, 포토케미칼식각방법, ICP, RIE, Ion Milling과 같은 건식 식각방식을 이용하여 나노 구조를 형성한 다음, 그 위에 GaN와는 다른 굴절계수를 가지는 AlGaN층(54)을 성장하고, 그 위에 GaN(55)를 성장한 다음, 발광부에 해당되는 p-n접합 구조를 성 장하게 된다. 이 역시 같은 원리를 가지며, 빛을 효과적으로 굴절 또는 산란 시킬 수 있다. 도 2는 나노사이즈 구조물을 형성하는 것에 대한 설명이다. 3D 구조의 마스터를 사용하여 패터닝 공정을 진행 하게 되면 기존의 방법에 비하여 균일도와 공정 시간을 단축 시킬 수 있어 생산성 향상에 효과를 가져오게 되며, 쉽게 계단형 패턴을 얻을 수 있다. 이러한 계단형 패턴을 이용하여 식각을 진행 하면, 위의 레진들이 같이 식각 되어 지면서 렌즈 형태의 사파이어 기판을 갖게 된다. 또한, 식각 깊이를 좀더 깊게 하기 위하여서, 레진 대신 메탈 (Cr, Au, Ni...)등을 증착한 후 lift-off 공정을 통하여 메탈 마스크를 이용하여 식각을 진행 할 수 도 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면 본 발명에 의한 반도체 발광 소자는 기판(1) 상에 n형 도핑층(2), 활성층(8), p형 도핑층(6) 및 p 전극(7), n 전극(3)을 갖추고 있다. 또한, 이러한 나노사이즈 구조물을 사파이어 기판 뿐만 아니라, n형 도핑층이나, p형 도핑층 등에 형성 하여도 동일한 광추출의 향상 효과를 볼 수 있다.

본 발명에 의하면 미세구조가 형성된 기판을 이용하여 실제 발광층의 면적을 증가 시키며, 도 4에서는 이러한 미세 구조를 사용할 경우 휘도 향상이 되는것에 대한 전산 모사 결과를 보여 준다. 기존의 마이크로 단위의 구조물에 비하여 사이즈가 작아지면서 광추출 효율이 증대 함을 확인할 수 있다. 또한 기존의 사파이어 기판을 사용하는 것 에 비하여 결함이 적은 고품위의 질화물 반도체를 얻을 수 있어 소자의 신뢰성 향상도 기대 할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1.의 공정순서에서 보여지는 것처럼 발광소자로 쓰여지는 가장 일반적인 사파이어 기판위에 도포되는 레진은 3D구조로 패턴 되어지는 것이 가능한 것을 특징으로 하고, 습식에칭이나 건식에칭에서 하드마스크나 메탈마스크 처럼 견디어 지는 것을 특징으로 한다.

또 에칭 후에 드라이 애쉬장비나 습식방법으로 쉽게 제거되고 클리닝되는 특징을 갖고 있다.

이렇게 형성된 3D패턴 구조는 후속공정인 질화막의 품질을 높혀 발광효율 개선 및 수율을 높힐 수 있다.

현재 LED의 발광효율을 높히는데 있어 소프트리쏘를 이용한 나노싸이즈의 3D패턴을 갖는 구조가 기판상에 형성되어 지면, 소프트리쏘가 갖는 장점인 생산성, 품질우위적인 측면과 또 기존의 장비 구성상 있을 수 밖에 없는 포토장비(스테퍼,콘택얼라이너 )와 현상액의 코팅,현상과 박리를 하는 트랙장비가 발광소자를 제작 하는데 필요없게 되어 발광소자팹의 가동효율성 생산성향상등의 효과가 일어나게 되고, 우리나라가 발광소자측면에 있어 세계최고의 생산성과 효율을 확보하는 경쟁력의 근간이 될 수 있다.

도 1은 본 발명에 다른 플로우 차트

도 2는 3D 구조를 이용하여 사파이어 기판을 형성하는 것을 개략적으로

나타낸 도면.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자의 구조를

개략적으로 나타낸 단면도.

도 4은 나노구조에 의하여 광추출 효율이 향상 된는것을 보여주는

전산모사 결과

Claims (4)

1. 기판에 나노 구조를 형성하여 광 추출 효율을 향상 시킨 발광소자
2. 청구항 1에 있어서, 나노구조를 형성 하기 위하여 3D 소프트리쏘 방법을 사용하며, 형성된 패턴은 계단형의 구조를 갖는 발광소자.
3. 청구항 2에 있어서, 소프트리쏘를 위하여 사용되는 스탬프는 3D 구조를 갖는 발광소자.
4. 나노 구조가 형성 되는 면은 반도체 층이 형성 되기 전인 기판, n형 반도체, p형 반도체층 등 광이 지나가는 모든 부분에 형성 되어지는 발광소자.

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