KR20100041138A - 광자 결정과 경사진 측벽이 집적된 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광자결정과 경사진 측벽을 동시에 탑재하는 발광 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.

상기 발광 다이오드는 레이저 홀로그래피와 건식식각방법으로 2차원 광자결정구조가 집적된 사파이어 기판을 제작하고, 그 위에 청색발광 GaN LED 구조를 성장시킨 다음, 리플로우(reflow)하여 보호층을 반구면 형상으로 성형하고, ICP (Inductively Coupled Plasma) 에칭 공정을 거쳐 경사진 측벽을 형성하게 된다.

상기 본 발명에 따른 발광 다이오드는 2차원 광자결정 및 측벽경사면을 동시에 탑재함으로써 높은 면 추출효율을 가지게 된다.

발광 다이오드, 광자 결정, 측벽 경사면

Description

광자 결정과 경사진 측벽이 집적된 발광 다이오드 및 그 제조방법{GaN light-emitting diode with monolithically integrated photonic crystals and angled sidewall deflectors And method of thereof}

본 발명은 광자결정과 경사진 측벽을 동시에 탑재함으로써 높은 면추출 효율을 가지는 발광 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.

질화물 반도체(GaN)는 3.4eV의 넓은 벤드갭을 갖고 있고 화학적으로 매우 안정하여 단단한 반도체 물질 중에 하나이며 비소(As), 수은(Hg) 같은 환경 유해물질을 포함하지 않기 때문에 환경 친화적인 물질이다. 특히, 질화물 반도체는 전자 친화력이 강하여 광학적 특성은 물론, 전자 이동도, 전자포화 속도 및 전계파괴 전압 특성이 우수하여 광ㆍ전자 소자응용에 많은 관심을 불러 일으키고 있는 반도체 물질이다. 질화물 반도체를 성장하기 위하여 사파이어, SiC, Si, GaAs기판 등이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 결자결함을 줄이기 위하여 GaN기판 위에 GaN을 성장하는 호모 에피탁시(homo epitaxy) 성장법이 주목을 받고 있지만, 상용화하기 위해서 는 원가를 절감하는 노력이 필요하다.

이와 같이, GaN를 이용한 발광다이오드는 그 동안 무한한 응용 가능성으로 많은 연구가 진행되었고, 그 결과 이미 일상생활 곳곳-교통신호등, 자동차의 헤드라이트/브레이크등, 야외 대형 전광판, LCD backlight, 일반 조명-에서 사용되고 있다. 그러나 기존 광원들을 대체하기 위해서는 이보다 더 높은 출력을 낼 수 있는 소자가 요구되고 있는 것이 현실이다 [1]. 출력이 향상되지 못하는 주된 이유는 빛을 발하는 활성영역이 포함된 층 (GaN, n~2.5)의 굴절률이 기판(사파이어, n~1.7) 및 외부 (공기, n=1)의 굴절률보다 높아 전반사 현상으로 인해 빛이 소자 내부에 갇혀 외부로 빠져 나오지 못하고 활성영역에 다시 흡수되기 때문이다 [2].

이러한 GaN LED의 고유의 문제를 해결하고 높은 추출효율을 얻기 위해 여러 가지 방법이 제안되었는데, 대표적인 방법으로는 소자 표면을 거칠게 하거나 [3-5], 주기적인 2차원 광자결정을 소자표면에 집적하거나 [6-9], 미세 패턴을 한 사파이어 기판 위에 소자를 제작하여 전반사 현상을 피하는 방법이 있으며 [10-12], 최근 소자 측면에 마이크로미터 크기의 경사면을 만들어 공기-GaN-사파이어 도파로를 따라 진행하는 빛들을 면에 수직한 방향으로 추출하는 방법도 개발된 바 있다 [13-14]. 또한, 전반사효과를 역으로 이용하여 개선된 표면발광효율을 갖는, 경사진 측벽 반사면을 갖는 III-나이트라이드 에피레이어를 구비한 발광다이오드 (특허출원 제10-2007-0095962호)에 대해서도 보고된 바 있다.

2차원 광자결정을 소자 표면에 집적하는 방법은 손쉽게 추출효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있지만, 여전히 상당한 양의 빛이 전량 표면을 통해 추출되지 못하 고 평면 (in-plane) 방향으로 진행하는 문제가 있다.

이와 달리 측벽 경사면을 이용하는 방법은 일반적인 LED 제작방법과 크게 다르지 않을 뿐만 아니라 방사 패턴을 조절할 수 있고, 소자에서 발생한 열의 발산이 용이해 고전력 소자를 제작에 유리한 플립칩 기술에 변형없이 바로 적용할 수 있는 장점이 있는 반면, 빛이 소자의 가장자리까지 도파되는 동안 양자우물에 의한 재흡수가 전체적인 효율을 낮추는 요인이 되고 있다.

이에, 본 발명자들은 GaN LED 소자에 마이크로미터와 나노미터 크기의 서로 다른 특색의 구조를 동시에 삽입함으로써 소자의 면을 통해 효과적으로 빛을 추출할 수 있음을 확인하고, 상기 서브마이크로 크기의 이차원 광자결정 구조와 마이크로 크기의 경사진 측벽 반사면을 동시에 탑재한 높은 면추출효율의 청색 LED 구조에 관한 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 서브마이크로 크기의 이차원 광자결정 구조와 마이크로 크기의 경사진 측벽 반사면을 동시에 탑재하여, 높은 면추출 효율을 갖는 청색 LED 구조 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 먼저 레이저 홀로그래피와 건식 식각 방법으로 2차원 광자결정 구조가 집적된 사파이어 기판을 제작하였고, 그 위에 MOCVD 방법으로 청색발광 GaN LED 구조를 성장하였다. 이후 LED 메사(mesa) 구조 제작 과정에서 PR 리플로우 (reflow)와 ICP (Inductively Coupled Plasma) 에칭을 통하여 GaN 에피레이어 측면에 경사진 측벽 반사면이 집적된 LED를 제작하였다. 이 소자의 총 발광량은 일반적인 소자에 비해 100mA에서 약 2배 향상되었으며, 적분구를 통해 측정한 발광 패턴은 수직방향으로 더 강조되어 수직방향으로는 발광세기가 약 2.5배 향상되었음을 확인할 수 있었다.

이하 본 발명을 자세히 설명한다.

본 발명의 제 1견지에 의하면 본 발명은,

지지기판 표면에 광자 결정이 집적되고, 상기 광자 결정이 집적된 지지기판의 상면에 GaN계 에피층을 구비하며, 상기 GaN계 에피층은 측벽에 20-40ㅀ범위 내의 경사각을 갖는 경사진 반사면을 가짐을 특징으로 하는 광자결정과 경사진 측벽이 집적된 GaN계 발광다이오드를 제공한다.

상기 본 발명에 따른 발광 다이오드는 광자결정이 집적된 지지기판 상에 GaN계 에피층을 구비하고, 상기 GaN계 에피층의 끝단 측벽에는 에피층(epilayer) 전체 두께에 대해 경사진 반사면이 형성되도록 하여, 광자결정과 경사진 반사면을 모두 탑재하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 발광 다이오드는, 광자결정을 이용하여 산란을 유도할 뿐만 아니라, 기판쪽으로 미처 빠져나오지 못하고 소자의 평면상으로 유도되는 남은 빛들이 경사면에 반사되어 기판쪽으로 효과적으로 추출될 수 있게 되어 면추출 효율이 높아지도록 한 것이다. 이 때 상기 GaN계 에피층에 형성된 경사진 반사면의 경사각은 25-35° 범위 내인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 광자 결정은 주기 200~1000 nm, 직경 100~500 nm 이고, 높이가 50~500 nm인 반구면 형태의 기둥 구조인 것이 바람직하다. 이와 같은 반구 형태의 기둥 구조는 그 상부에 GaN 박막을 성장할 때 쉽게 평탄화되는 장점이 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 제작된 2차원 사파이어 광자결정은 격자 계수가 500nm이고, 기둥의 직경과 높이는 대략 230nm와 125nm 이었다 (도 1(b),(c) 참고).

또한, 본 발명에 있어서 상기 GaN계 에피층은 n-전극의 상부에 p-전극이 형성된 구조이고, 더욱 바람직하게는 상기 GaN계 에피층은 순서대로 도핑되지 않은 GaN층, n-GaN층, u-GaN층, 다중양자우물 및 p-InGaN층으로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서는, 2차원 광자결정이 집적된 사파이어 기판위에 청색 발광 LED 구조를 metal-organic chemical-vapor-deposition (MOCVD)기술을 이용하여 기판부터 LT 핵형성 층 (25 nm), 도핑되지 않은 GaN 층 (1500 nm), n-GaN 층 (2800 nm), u-GaN 층 (250 nm), 5층의 InGaN/GaN 초격자 (20 nm), 5층의In_0.16Ga_0.84N/In_0.01Ga_0.99N 다중양자우물 (50 nm), p-InGaN 층(140 nm), 박막 n-InGaN 층 (2 nm)로 구성되도록 성장시켰다. 따라서, 상기 GaN계 에피층의 총 두께는 1-10㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 사용하는 지지기판으로는 통상 입수가능한 사파이어, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 첨정석(MgAl₂O₄), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO)등을 모두 사용할 수 있으나, 이중에서 특히 사파이어와 같이 GaN에 비하여 굴절율이 낮은 것을 특징으로 하는 기판 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제2견지에 의하면 본 발명은,

지지기판의 표면에 광자 결정을 집적하는 제1단계; 상기 광자 결정이 집적된 지지기판의 상면에 GaN계 에피층을 성장시키는 제2단계; 및 상기 GaN계 에피층의 상부에 보호층을 형성하고, 리플로우 시킨 후, ICP-RIE 방법으로 식각하여 상기 GaN계 에피층의 측벽에 경사진 반사면을 형성하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광자결정과 경사진 측벽이 집적된 GaN계 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.

상기 본 발명의 발광다이오드의 제조에 있어서 사용가능한 지지기판으로는 통상 입수가능한 사파이어, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 첨정석(MgAl2O4), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO)등을 모두 사용할 수 있다.

본 발명의 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제1단계는 이중 층 하드 마스크(double layer hard mask) 층을 증착하고 레이저 홀로그래피 방법으로 광자 결정 패턴을 형성하고, ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)방법으로 식각하여 지지기판의 표면에 광자결정을 집적할 수 있으며, 이 때, 광자 결정은 주기 200~1000 nm, 직경 100~500 nm 이고, 높이가 50~500 nm 인 반구면 형태의 기둥 구조가 되도록 집적하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서는, 사파이어 기판에 SiO₂와 Cr으로 이루어진 이중 층 하드 마스크 층을 증착하고 여기에 레이저 홀로그래피 방법으로 사각 격자의 2차원 광자 결정 기둥 (pillar) 패턴을 형성한 후 ICP-RIE 방법으로, 희생층으로 사용되는 SiO₂ 층이 모두 제거될 때까지 식각하여 반구 형태의 서브마이크로 크기의 기둥 구조가 되도록 제작하였다.

본 발명의 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제2단계의 GaN계 에피층의 성장은 금속-유기 화합물-증기-증착 (MOCVD, metal-organic chemical-vapor-deposition)방법으로 성장시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 GaN계 에피층은 기판부터 LT 핵형성층, 도핑되지 않은 GaN층, n-GaN층, u-GaN층, 다층의 InGaN/GaN 초격자, 다중양자우물 및 p-InGaN층으로 성장시킨다. 이 때 상기 GaN계 에피층의 총 두께가 1-10 ㎛ 가 되도록 성장시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제3단계의 GaN계 에피층의 상부의 보호층으로는 통상 사용가능한 포토리지스트, 폴리이미드, 기타 폴리머 등을 사용할 수 있으며, 이중에서 본원 발명에 사용하기에는 패터닝을 동시에 수행할 수 있는 포토리지스트가 가장 바람직하다.

그런 다음 리플로우 공정을 통해 보호층을 성형하는데, 일반적으로 폴리머 계열의 물질은 특정 전이온도보다 높은 온도에서는 점성이 낮아져 쉽게 흐르게 되는 반면에 리플로우 공정을 수행하면 기판 표면에 작용하는 표면장력의 효과에 의해 넓게 퍼지는 대신 일반적으로 반구 혹은 구면의 일부의 형태로 성형이 된다.

이어서 ICP-RIE 공정을 거쳐 보호층의 상단부 측면 반구면 형상을 이어받도록 GaN계 에피층의 측벽에 경사진 반사면을 형성한 다음, 남아있는 상기 보호층을 제거하여 GaN계 에피층을 노출시킴으로써 경사진 측벽 반사면을 갖는 발광 다이어드 구조를 제조하게 된다. 이때 남아있는 상기 보호층은 습식, 혹은 건식 식각 등 통상 이용가능한 방법에 의해 제거될 수 있다.

이때 상기 지지기판과 GaN계 에피층 사이에 형성된 측벽 경사면의 각은 포토리지스트의 두께, 리플로우 온도, 식각 조건 등에 따라 조절 가능하나, 20-40° 범위 내인 것이 바람직하며, 25-35°범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또한, 경사진 반사면으로 구성되는 측벽은 GaN계 에피층 전체 두께에 대해 형성되는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 두께를 달리할 수 있다. 또한, 경사진 반사면은 소자의 네 측벽 말단에 모두 형성하는 것이 가장 바람직하나, 필요에 따라서는 일부에만 측벽을 형성할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 두꺼운 포토리지스트를 이용하여 LED 메사 (mesa)를 패터닝한 후 유리전이 온도 이상에서 리플로우시킨 후 이를 마스크로 하여 사파이어 기판이 드러날 때까지 ICP 방법으로 식각하여, 28ㅀ의 경사각을 가지 도록 제작하였다.

상기 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 광자결정과 경사진 측벽을 동시에 탑재하는 발광 다이오드는, 광자결정을 이용하여 산란을 유도할 뿐만 아니라, 기판쪽으로 미처 빠져나오지 못하고 소자의 평면상으로 유도되는 남은 빛들이 경사면에 반사되어 기판쪽으로 효과적으로 추출될 수 있게 된다. 따라서 본 발명의 발광다이오드는 광자결정과 경사진 측벽을 탑재하지 않은 소자에 비하여 기판 쪽으로 추출되는 빛의 세기가 약 2배 가량 증가하고, 상기 추가로 추출된 빛의 33%가 광자결정을 통하여, 빛의 67%는 측벽 반사면을 통해 증가되는 것으로 확인되었다. 또한, 원거리장의 측정 결과, 광자결정과 경사진 측벽을 탑재하지 않은 소자에 비하여 모든 방향에서 더 강한 발광 세기를 보이며 특히 소자면의 수직방향으로의 발광강도는 2.5배 정도 향상된다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, GaN LED 소자에 마이크로미터 크기의 경사진 측벽 반사면과 나노미터 크기의 광자 결정 구조를 동시에 삽입함으로써 소자의 면을 통해 효과적으로 빛을 추출할 수 있어, 높은 면추출 효율의 청색 LED 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

이하에서 본 발명의 실시예를 상술하고자 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발 명을 한정하는 것이 아니다.

<실시예 1> 광자결정과 경사진 측벽이 동시에 집적된 LED 소자 구조의 제조

1-1 사파이어 기판 상에 광자 결정 구조 식각

먼저, 사파이어 기판에 SiO₂와 Cr으로 이루어진 이중 층 하드 마스크(double layer hard mask) 층을 증착하고 여기에 레이저 홀로그래피 방법으로 사각 격자의 2차원 광자 결정 기둥 (pillar) 패턴을 형성한 후 ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 방법으로 사파이어 기판에 반구 형태의 사파이어 광자결정 구조를 제작하였다.

2차원 광자 결정 패턴을 대면적, 대량으로 만들기 위해 홀로그래피 방법을 사용하였다 [8, 16]. 하나의 325-nm He-Cd 레이저에서 나오는 두 간섭성의 평면파를 결합하여 서로 간섭하여 선 격자들을 기판에 제작하고, 두번째 노광 전에 샘플을 90도 회전시켜 두번째 노광을 시킴으로써 2차원 사각격자의 광자 결정 패턴을 얻을 수 있다. 자세한 홀로그래피 공정은 이전의 GaN LED의 표면에 광자 결정을 집적시킨 연구에서 찾을 수 있다 [8].

상기 반구 형태의 서브마이크론 크기의 구조는 ICP-RIE 식각과정에서 희생층으로 사용되는 SiO₂ 층이 모두 제거될 때까지 식각하여 제작할 수 있는데, 이와 같은 반구 형태의 기둥 구조는 그 상부에 GaN 박막을 성장할 때 쉽게 평탄화되는 장점이 있다 [15].

상기의 방법으로 제작된 2차원 사파이어 광자결정의 SEM (scanning electron microscope) 사진을 도 1 (b),(c)에 나타내었다. 사각 격자 광자 결정은 격자 계수가 500nm이고, 반면에 기둥의 직경과 높이는 대략 230nm와 125nm 이었다.

1-2 기판 성장

상기 실시예 1-1에서 준비된 2차원 광자결정이 집적된 사파이어 기판위에 청색 발광 LED 구조를 metal-organic chemical-vapor-deposition (MOCVD)기술을 이용하여 성장시켰다.

이는 기판부터 LT 핵형성 층 (25 nm), 도핑되지 않은 GaN 층 (1500 nm), n-GaN 층 (2800 nm), u-GaN 층 (250 nm), 5층의 InGaN/GaN 초격자 (20 nm), 5층의In_0.16Ga_0.84N/In_0.01Ga_0.99N 다중양자우물 (50 nm), p-InGaN 층(140 nm), 박막 n-InGaN 층 (2 nm)로 구성된다. 직접적인 비교를 위하여 상기 MOCVD 성장 시 전술한 패턴된 기판과 함께 평평한 사파이어 기판도 함께 탑재하여 대조군 시료를 동시에 확보하였다.

1-3 측면 경사면의 형성

상기 패턴 된 기판위에 LED구조를 성장시킨 샘플에 측면 경사면을 제작하기 위해 두꺼운 포토리지스트를 이용하여 LED 메사 (mesa)를 패터닝한 후 유리전이 온도 이상에서 리플로우시킨 후 이를 마스크로 하여 사파이어 기판이 드러날 때까지 ICP 방법으로 식각하였다. 이렇게 제작된 측벽 경사면의 각은 포토리지스트의 두께, 리플로우 온도, 식각 조건 등에 따라 조절 가능하나, 최적 각도로 알고 있는 30°정도를 목표로 제작하였다.

이후 LED 소자 공정은 일반 플립칩 GaN LED 공정에 준하여 진행하였다. 아울러 평평한 기판에 성장한 대조군 웨이퍼에 대해서는 측벽 경사면이 없으며 일반 GaN LED 구조에 준하여 p-GaN 메사 높이를 700 nm 정도로 얕게 제작하였다. P 전극은 Ag 기반의 반사전극을 이용함으로써 빛을 기판 쪽으로 효과적으로 추출하도록 하였다.

제작된 경사진 측벽의 LED 소자에 대한 SEM 사진은 도 1의 (d)와 (e)에 나타내었다. SEM으로 확인한 소자의 측벽 경사각은 약 28°임을 확인할 수 있었다.

또한, 본 실시예에 따라 제조된 광자결정과 경사진 측벽이 동시에 집적된 LED 소자 구조의 개략도는 도 1 (a)에 나타낸 바와 같다.

<실시예 2> 소자의 특성 측정

상기 실시예 1을 통하여 제작된 LED 샘플은 직류전류와, 소자의 측정은 개별 패키징되지 않은 웨이퍼상에서 이루어졌으며 상온에서 실험이 수행되었다. 또한 빛 이 사파이어 기판 쪽으로 추출되는 구조이므로 기판의 뒷면을 연마하였다.

2-1 적분구를 이용하여 동작전류에 따른 소자의 발광 세기(a)와 수직방향에서의 스펙트럼을 측정한 결과(b)는 도 2와 같다.

도 2(a)를 참고하면, 100mA의 전류를 흘려주었을 때 사파이어 기판 쪽으로 추출되는 빛의 세기는 대조군 소자 대비 약 2.0 배로 증가함을 알 수 있다. 아울러 대조 샘플과 비교해 광자결정과 측벽 경사면이 집적된 소자의 발광 스펙트럼에서 Fabry-Perot 진동에 대한 존재가 매우 미약한데, 이는 GaN-사파이어 계면에 집적된 2차원 광자결정이 효과적으로 F-P 진동을 억제하고 있으며, 따라서 발광증가분은 면에 수직한 방향으로 방출된 빛이 아닌, 즉 수평방향으로 진행하던 빛이 그 원인임을 의미하고 있다.

2-2 또한, 도 3(a)는 LED 소자에 대한 근접장 CCD 이미지이다. 대조군 소자(b)와는 달리 측벽 반사면이 있는 부분에서 빛이 아주 강하게 발광함을 확인할 수 있다. 이는 광자결정을 이용한 산란 유도에도 불구하고 기판쪽으로 미처 빠져나오지 못하고 소자의 평면상으로 유도되는 남은 빛들이 경사면에 반사되어 기판쪽으로 효과적으로 추출되고 있음을 의미한다.

광자결정과 측벽 반사면의 기여도를 분석하기 위하여 2차원 이미지의 광자결정 영역과 측벽경사면 영역의 픽셀 값을 나누어 적분한 결과 대조군 전체의 세기 (I_ref) 대비 광자결정영역과 측벽 반사면 영역에서 약 1.5 I_ref , 1.0 I_ref 의 세기를 보였다. 즉, 추가로 추출된 빛의 33%는 광자결정을, 67%는 측벽 반사면을 통해 증가되었음을 알 수 있다.

2-3 또한, 소자의 발광각 분포를 보기 위해 원거리장을 측정하였다. 도 4에서와 같이 2차원 광자결정과 측면 경사면이 집적된 소자의 경우 대조군 소자보다 모든 방향에 대해 더 강한 발광세기를 보였다.

특히 소자 면에 수직한 방향으로의 발광 강도는 대조군 소자에 비하여 대략 2.5배 정도의 향상을 보이고 있는데, 이는 소자의 수직한 방향에서 측정한 스펙트럼 결과 (도 2(b))와 잘 일치한다.

한편 도 4(a)에서 보는 바와 같이 정규화한 원거리 패턴을 비교하면, 대조군 소자에 비하여 PC-ASD LED로부터 발광되는 빛의 패턴이 면에 수직한 방향으로 좀더 강조됨을 확인할 수 있다.

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도 1(a)는 본 발명의 광자결정과 경사진 측벽이 동시에 집적된 LED 소자(PC+ASD LED, GaN Light-Emitting Diode with Photonic Crystals and Angled Sidewall Deflectors)의 개략도이고, 도 1(b), (c)는 GaN 에피층 성장 전에 2차원 사파이어 광자결정이 배열된 모양 ((b): Top view, (c): angled view)을 나타낸 것이고, 도 1(d), (e)는 제작된 경사진 측벽의 LED 소자에 대한 SEM 사진이다.

도 2는 적분구를 이용하여 동작전류에 따른 소자의 발광 세기(a)와 전류가 50mA 일 때 수직방향에서의 표면 방출 스펙트럼(b)을 측정한 결과이다.

도 3은 동작전류 (I=50mA)에서, 본 발명의 LED 소자(a) 및 대조군 LED (reference LED) 소자에 대한 근접장 CCD 이미지이다.

도 4(a)는 본 발명의 LED 소자 및 대조군 LED 소자의 원거리 방사 패턴을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 LED 소자의 방출각에 따른 세기 향상 요소를 나타낸 것이다.

Claims (13)

1. 지지기판 표면에 광자 결정이 집적되고, 상기 광자 결정이 집적된 지지기판의 상면에 GaN계 에피층을 구비하며, 상기 GaN계 에피층은 측벽에 20-40°범위 내의 경사각을 갖는 경사진 반사면을 가짐을 특징으로 하는 광자결정과 경사진 측벽이 집적된 GaN계 발광다이오드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광자 결정은 주기 200~1000 nm, 직경 100~500 nm 이고, 높이가 50~500 nm인 반구면 형태의 기둥 구조인 것을 특징으로 하는 GaN계 발광다이오드.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지기판으로는 사파이어, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 첨정석(MgAl2O4), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 GaN계 발광다이오드.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 GaN계 에피층은 n-전극의 상부에 p-전극이 형성된 구조이고, 상기 GaN계 에피층의 총두께는 1-10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 GaN계 발광다이오드.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 GaN계 에피층은 도핑되지 않은 GaN층, n-GaN층, u- GaN층, 다중양자우물 및 p-InGaN층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 GaN계 발광다이오드.
6. 지지기판의 표면에 광자 결정을 집적하는 제1단계;

   상기 광자 결정이 집적된 지지기판의 상면에 GaN계 에피층을 성장시키는 제2단계; 및

   상기 GaN계 에피층의 상부에 보호층을 형성하고, 리플로우 시킨 후, ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 방법으로 식각하여 상기 GaN계 에피층의 측벽에 경사진 반사면을 형성하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광자결정과 경사진 측벽이 집적된 GaN계 발광다이오드의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1단계는 이중 층 하드 마스크(double layer hard mask) 층을 증착하고 레이저 홀로그래피 방법으로 광자 결정 패턴을 형성하고, ICP-RIE 방법으로 식각하여 지지기판의 표면에 광자결정을 집적하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제1단계의 광자 결정은 주기 200~1000 nm, 직경 100~500 nm 이고, 높이가 50~500 nm 인 반구면 형태의 기둥 구조가 되도록 집적하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제2단계의 GaN계 에피층의 성장은 금속-유기 화합물-증기-증착 (MOCVD, metal-organic chemical-vapor-deposition)방법으로 성장시킴을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 GaN계 에피층은 기판부터 LT 핵형성층, 도핑되지 않은 GaN층, n-GaN층, u-GaN층, 다층의 InGaN/GaN 초격자, 다중양자우물 및 p-InGaN층으로 성장시킴을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 제2단계는 GaN계 에피층의 총 두께가 1-10 ㎛ 이 되도록 성장시킴을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 제3단계는 상기 GaN계 에피층의 측벽에 20-40°범위 내의 경사각을 가지는 경사진 반사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 지지기판으로는 사파이어, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 첨정석(MgAl2O4), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

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