KR20100011835A - 고효율 발광 다이오드용 기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

고효율 발광 다이오드용 사파이어 기판(100)의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 방법은 (a) 기판(110) 상에 실리콘 산화물 졸 층(120)을 형성하는 단계; (b) 소정의 패턴을 갖는 몰드(130)로 실리콘 산화물 졸 층(120)을 나노 임프린팅 하여 기판(110) 상에 실리콘 산화물 겔 패턴(140)을 형성하는 단계; 및 (c) 실리콘 산화물 겔 패턴(140)을 어닐링 하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 나노 임프린트 공정을 사용하여 사파이어 기판을 패터닝함으로써 포토리소그래피 공정을 사용하는 기존의 방법보다 공정 단계를 줄일 수 있으며, 이에 따른 공정 비용의 절감과 수율의 향상을 도모할 수 있다.

발광 다이오드, 광 방출 효율, 나노 임프린트, 용매

Description

고효율 발광 다이오드용 기판의 제조방법{Method For Fabricating Substrate For High Efficiency Light Emitting Diode}

본 발명은 고효율 발광 다이오드용 기판의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 제조 공정 단계를 줄여 제조 비용이 절감되고 수율이 향상되면서 동시에 광 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광 다이오드용 사파이어 기판의 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 기존의 형광등, 백열등 등의 조명 장치에 비해서 수명이 길고 전력 소모가 적으며 친환경적인 장점이 있어 미래의 조명용 광원으로 주목 받고 있다.

특히, 넓은 밴드갭을 가지는 질화물계 발광 다이오드는 녹색에서 청색, 근자외선 영역대의 빛을 발광할 수 있는 장점이 있어 LCD 및 휴대폰 백라이트, 자동차용 조명, 교통신호등 등으로 응용 분야가 크게 확대되고 있는 추세에 있다.

그러나, 이러한 수요를 충족시킬 만큼 질화물계 발광 다이오드는 충분한 성능의 개선이 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 이는 주로 발광 다이오드의 외부 광 방출 효율이 낮은 데에 기인한다.

질화물계 발광 다이오드의 광 방출 효율이 낮은 이유는 발광 다이오드의 활성층(발광층)에서 생성된 광이 외부로 방출될 수 있는 임계각의 범위가 발광 다이오드를 구성하는 층들의 굴절률의 차이로 인하여 매우 한정되기 때문이다. 따라서, 임계각 범위를 벗어난 대부분의 광은 외부로 진행하지 못하고 발광 다이오드 내부에서 흡수될 때까지 계속 전반사 됨으로써 결과적으로 광 방출 효율을 불과 수 %로 낮추게 되며 이는 발광 다이오드의 발열로 연결되는 또 다른 문제를 야기시킨다.

이와 같은 질화물계 발광 다이오드의 한계를 극복하기 위하여 p-GaN 층 또는 투명 전극층에 소정의 패턴을 삽입하여 광의 난반사를 통하여 전반사를 효과적으로 줄이려는 시도가 있어 왔다. 특히 일정한 크기의 패턴이 규칙적으로 조밀하게 배열되어 있는 서브 마이크론급의 광결정 패턴을 발광 다이오드에 도입하는 경우 광 방출 효율이 크게 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 시도는 발광 다이오드의 전체적인 제작 공정, 생산 산수율, 경제성 등을 고려했을 때 실제 상용화하기에 무리가 있다.

최근에는 이에 대한 대안으로 발광 다이오드의 기판으로 패턴화된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate; PSS)을 사용하여 광을 난반사시켜서 광 방출 효율을 개선시키려는 연구가 주목을 받고 있다. 원래 발광 다이오드에서 PSS는 사파이어 기판과 GaN 에피층과의 격자 불일치(lattice mismatch)에 따른 전위 밀도를 감소시켜 내부 양자 효율을 증가시키는 것을 목적으로 개발된 기술이지만, PSS를 사용하게 되면 광 추출 효율 역시 향상시킬 수 있으며 상용화가 가능하다는 점 등 이 알려지면서 현재 이와 관련한 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나, 현재까지 PSS 제조 과정 즉 사파이어 기판에 소정의 패턴을 형성하는 과정은 통상적으로 반도체 집적회로 제조시 사용되는 포토리소그래피 공정을 통하여 제조되고 있으나, 일반적으로 포토리소그래피 공정은 비용이 많이 드는 공정으로서 그 결과 발광 다이오드의 제조 단가가 비싸지고 경제성이 현저히 떨어지는 문제점이 지적되어 왔다. 특히, 발광 다이오드의 광 방출 효율의 향상을 위해서는 사파이어 기판에 서브 마이크론급 패턴을 형성시켜야 하는데, 서브 마이크론급의 해상도를 위한 포토리소그래피 공정은 공정 장비 가격이 워낙 고가이기 때문에, 이를 대신하여 서브 마이크론급 패턴을 갖는 사파이어 기판을 경제적으로 제작할 수 있는 방법의 필요성이 대두되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 나노 임프린트 공정을 사용함으로써 제조 공정이 간단하여 제조 비용 절감과 수율 향상이 가능한 발광 다이오드용 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 서브 마이크론급 패턴을 형성하여 광 방출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 발광 다이오드용 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전면적에 걸쳐 서브 마이크론급 패턴을 균일하게 형성할 수 있는 발광 다이오드용 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 양산화가 가능한 발광 다이오드용 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고효율 발광 다이오드용 기판의 제조방법은 (a) 기판 상에 실리콘 산화물 졸 층을 형성하는 단계, (b) 소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 실리콘 산화물 졸 층을 나노 임프린팅 하여 상기 기판 상에 실리콘 산화물 겔 패턴을 형성하는 단계, 및 (c) 상기 실리콘 산화물 겔 패턴을 어닐링 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판은 사파이어일 수 있다.

상기 실리콘 산화물 졸 층은 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 포함할 수 있다.

상기 (b)에서 나노 임프린팅 압력은 1 내지 10 atm, 나노 임프린팅 온도는 100 내지 200℃일 수 있다.

상기 (c)에서 어닐링 온도는 300 내지 1,000℃일 수 있다.

상기 몰드는 고분자 재질의 몰드일 수 있다.

본 발명에 따르면, 나노 임프린트 공정을 이용하여 사파이어 기판에 소정의 패턴을 형성함으로써 발광 다이오드의 제조 단가가 절감되고 생산 수율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 나노 임프린트 공정을 이용하여 사파이어 기판에 서브 마이크론급 패턴을 균일하게 형성함으로써 발광 다이오드의 광 방출 효율이 현저하게 향상되는 효과가 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.

따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 기판의 제조방법의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명에서는 졸-겔법(sol-gel)과 나노 임프린트법을 이용하여 실리콘 산화물 재질의 서브 마이크론급 패턴(즉, 수십 내지 수백 나노미터 범위의 패턴)을 갖는 사파이어 기판을 제조하는 것을 특징적 구성으로 한다.

먼저, 도 1a를 참조하면, 발광 다이오드용 기판(110) 상에 실리콘 산화물 졸 층(120)을 형성한다.

기판(110)은 사파이어를 포함하는 것이 바람직하며 이하에서는 사파이어 기판을 예시로 하여 설명하기로 한다.

실리콘 산화물 졸 층(120)은 실리콘 산화물 졸을 제작한 후 이를 스핀 코팅하여 형성하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 실리콘 산화물 졸은 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 용매에 녹여서 제작한다. 이때, 에탄올, 메탄올 및 DMF(dimethylformamide) 등과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다. 실리콘 산화물 졸의 스핀 코팅 조건은 회전 속도 500 내지 8,000 rpm, 회전 시간 1분 정도인 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1a를 참조하면, 소정의 패턴이 형성되어 있는 몰드(130)를 준 비한다.

몰드(130)의 제조 과정은 다음과 같은 통상적인 방법을 따르면 된다. 즉, 소정의 기판 상에 감광성 수지층을 도포한 후 전자빔 리소그래피나 레이저 간섭 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행하여 소정의 패턴을 형성함으로써 몰드(130)를 제조한다. 몰드(130)의 재질은 PDMS, h-PDMS, PVC 등과 같은 고분자인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이, PSS(patterned sapphire substrate)의 제조 목적이 발광 다이오드에서 광의 난반사에 의해 광 방출 효율이 증가되도록 사파이어 기판(110) 상에 요철 구조를 도입하는 것임을 고려할 때, 몰드(130) 상에 제조되는 패턴은 복수개의 볼록부와 오목부를 포함하도록 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 광의 난반사에 의한 광 방출 효율의 향상치는 패턴의 크기, 형상, 주기 등에 따라서 크게 달라지는 것임을 고려할 때, 몰드(120) 상에 제조되는 패턴은 서브 마이크론급의 크기의 볼록부와 오목부를 포함하도록 제조되는 것이 바람직하다. 몰드(130) 상에 형성되는 패턴의 형상은 정사각형, 직사각형, 사다리꼴 등으로 다양하게 선택할 수 있다.

이와 같이 실리콘 산화물 졸 층(120)이 형성된 사파이어 기판(110)과 소정의 패턴이 형성된 몰드(130)의 준비가 완성된 후 실제 나노 임프린트 공정이 진행된다.

도 1b에 도시한 바와 같이, 실리콘 산화물 졸 층(120)이 형성된 사파이어 기판(110)과 소정의 패턴이 형성된 몰드(130)를 서로 대응시킨다. 이때, 나노 임프 린트 공정에 의해 정확한 패턴의 전사가 이루어지기 위해서는 정렬(alignment) 과정이 필요할 수 있다. 나노 임프린트 과정은 100 내지 200℃의 온도 하에서 기판(110)과 몰드(130)간에 1 내지 10atm의 압력을 인가하면서 진행하는 것이 바람직하다.

이러한 나노 임프린트 과정을 통해 몰드(130)에 형성된 패턴이 실리콘 산화물 졸 층(120)에 임프린트(전사)된다. 이때, 실리콘 산화물 졸 층(120)에 몰드(130)의 패턴(121, 122)이 반전되어 나타난다. 다시 말하여, 몰드(130)의 양각(볼록부)은 실리콘 산화물 졸 층(120)에서 음각(오목부)이 되고 몰드(130)의 음각(오목부)은 실리콘 산화물 졸 층(120)에서 양각(볼록부)이 된다.

한편, 나노 임프린트 과정 중에 인가되는 열에 의하여 실리콘 산화물 졸 중의 용매가 기화되어 실리콘 산화물 졸은 실리콘 산화물 겔(gel)이 된다. 본 발명에서는 고분자 재질의 몰드를 사용하기 때문에 기화된 용매가 고분자 몰드에 용이하게 완전히 흡수될 수 있다. 도 1c에 도시한 바와 같이, 나노 임프린트 과정이 종료된 후 몰드(130)를 사파이어 기판(110)으로부터 제거하면 사파이어 기판(110) 상에는 실리콘 산화물 겔 패턴(140)이 남게 된다.

또한, 나노 임프린트 수행시 몰드(130)의 패턴의 높이와 실리콘 산화물 졸 층(120)의 두께의 차이에 따라 사파이어 기판(110) 상에는 잔여층(미도시)이 남게 되는 경우도 있다. 잔여층은 실리콘 산화물 졸 층(120)의 두께가 몰드(130)의 패턴의 높이보다 두꺼운 경우에 생기게 마련이다. 잔여층은 사파이어 기판(110) 상에 GaN 막을 성장시킬 때에 방해가 되는 것이므로 반드시 식각하여 제거해야 한다. 잔여층의 식각 방법으로는 이방성 식각이 가능한 반응성 이온 식각(reactive ion etching)법을 사용하는 것이 바람직하다. 잔여층의 재질은 실리콘 산화물이므로 식각 가스로는 플루오린(F)를 포함하는 가스를 사용하면 된다. 다만, 본 발명에서는 스핀 코팅법으로 실리콘 산화물 졸 층(120)을 형성할 때 회전 속도(rpm)를 조절하여 간편하게 실리콘 산화물 졸 층(120)의 두께가 몰드(130)의 패턴의 높이보다 작게 되도록 할 수 있어서 애초에 잔여층의 생성을 억제할 수 있다.

다음으로, 도 1d를 참조하면, 실리콘 산화물 겔 패턴(140)을 어닐링한다. 어닐링 온도는 300 내지 1,000℃인 것이 바람직하다. 이로써 최종적으로 전면적에 걸쳐 균일하게 서브 마이크론급의 실리콘 산화물 패턴(150)이 형성된 사파이어 기판(100), 즉 PSS(patterned sapphire substrate)가 완성된다.

도 2는 도 1의 방법으로 제조된 PSS를 적용한 발광 다이오드(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(10)는 PSS(100), n-GaN층(200), 활성층(300), n 전극층(400), p-GaN층(500), 투명 전도층(600), p 전극층(70)을 포함하여 구성된다. 발광 다이오드의 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같은 고효율 발광 다이오드용 사파이어 기판의 제조방법은 다음과 같은 이점이 있다.

(i) 기존의 PSS 제조방법에서는 통상적인 포토리소그래피 공정을 사용하여 사파이어 기판 상에 소정 물질의 패턴을 형성하여 왔는바 포토리소그래피 공정은 기본적으로 증착, 사진, 식각의 3 단계가 필요한데 비하여, 본 발명은 나노 임프린 트와 어닐링의 2 단계를 통하여 PSS를 제조함으로써 제조 과정이 간단하여 제조 단가가 절감되고 생산 수율이 향상되는 이점이 있다.

(ii) 또한, 본 발명은 나노 임프린트 공정을 이용하여 사파이어 기판에 서브 마이크론급 패턴을 균일하게 형성함으로써 발광 다이오드의 광 방출 효율이 현저하게 향상되는 이점이 있다. 특히 사파이어 기판은 기판의 곡률(curvature)이 크기 때문에 기존의 포토리소그래피 공정을 이용하는 경우 DOF(depth of focus)를 맞추기가 어려워서 사파이어 기판 전면적에 걸쳐서 균일한 나노 스케일의 패턴을 형성할 수 없는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에서는 나노 임프린트법을 사용함으로써 사파이어 기판 전면적에 걸쳐서 균일하게 나노 스케일의 패턴을 형성할 수 있는 이점이 있다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 기판의 제조방법의 구성을 나타내는 도면.

도 2는 도 1의 방법으로 제조된 사파이어 기판을 적용한 발광 다이오드의 구성을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: PSS

110: 사파이어 기판

120: 실리콘 산화물 졸 층

130: 몰드

140: 실리콘 산화물 겔 패턴

150: 실리콘 산화물 패턴

Claims (7)

1. 고효율 발광 다이오드용 기판의 제조 방법으로서,

   (a) 기판 상에 실리콘 산화물 졸 층을 형성하는 단계;

   (b) 소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 실리콘 산화물 졸 층을 나노 임프린팅 하여 상기 기판 상에 실리콘 산화물 겔 패턴을 형성하는 단계; 및

   (c) 상기 실리콘 산화물 겔 패턴을 어닐링 하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 실리콘 산화물 졸 층은 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 (b)에서 나노 임프린팅 압력은 1 내지 10 atm, 나노 임프린팅 온도는 100 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 (c)에서 어닐링 온도는 300 내지 1,000℃인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 몰드는 고분자 재질의 몰드인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광 다이오드.

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