KR20100059820A - ｐ-타입 표면을 가지는 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20100059820A
KR20100059820A KR1020107004214A KR20107004214A KR20100059820A KR 20100059820 A KR20100059820 A KR 20100059820A KR 1020107004214 A KR1020107004214 A KR 1020107004214A KR 20107004214 A KR20107004214 A KR 20107004214A KR 20100059820 A KR20100059820 A KR 20100059820A
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light
led
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겐지 이소
히로쿠니 아사미즈
마코토 사이토
히토시 사토
스티븐 피 덴바스
슈지 나카무라
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

p-타입 표면에서 광 추출을 증가시키기 위하여 투명한 서브마운트 물질을 수반하여 본딩된 LED의 상기 p-타입 표면을 포함하는 (Al,Ga,In)N-계 발광 다이오드(LED)로서, 상기 LED는 기판이 없는 멤브레인이다.

Description

ｐ-타입 표면을 가지는 발광 다이오드{Light emitting diodes with a p-type surface}
본 발명은 발광 다이오드(LED)들로부터의 광 추출에 관한 것이며, 그리고 더욱 상세하게는 LED 소자층 구조체 및 이의 형성방법에 관한 것이다.
(주의: 본원은 브라켓 내에 하나 또는 그 이상의 참조번호들, 예를 들어, [x], 에 의해 명세서에 걸쳐 언급되는 것처럼 많은 다양한 간행물들을 참조한다. 이러한 참조번호들에 따라 나열된 이러한 다양한 간행물들의 목록은 아래에 "참조문헌들"이라는 명칭의 섹션에서 찾을 수 있다. 이러한 간행물들의 각각은 여기에서 인용되어 통합된다.)
갈륨 질화물(GaN), 그리고 알루미늄 및 인듐을 포함하는 갈륨 질화물의 삼원 및 사원 화합물들(AlGaN, InGaN, AlInGaN)은 지난 10년에 걸쳐 넓은 밴드 갭 반도체 발광 다이오드의 제조분야에서 잘 확립되어 왔다. 이러한 화합물들은 여기에서 III족 질화물들, 또는 III-질화물들, 또는 그냥 질화물들로 언급되거나 또는 (Al,B,Ga,In)N의 명명법에 의해 언급된다. 이러한 화합물들로부터 만들어진 소자들은 분자 빔 에피택시(MBE), 금속유기 화학적 기상 증착(MOCVD), 및 수소화물 기상 에피택시(HVPE)을 포함하는 성장 기술들을 사용하여 일반적으로 에피택셜 성장된다.
III-질화물계 LED 발전의 진행은 풀-컬러 LED 디스플레이들, LED 교통 신호들, 백색 LED들등의 구현과 더불어, LED 기술에서 큰 변화들을 초래하였다. 최근에, 고효율의 백색 LED들은 형광 램프들의 가능한 대체물로서 많은 관심을 받아왔다. 그럼에도 불구하고, 효율에서 많은 개선이 요구되고 있다.
LED 효율을 개선하기 위하여 두 가지의 주요한 접근 방법들이 있다. 첫번째 방법은 내부 양자 효율을 증가시키는 것을 포함하는데, 이것은 결정 수준과 에피택셜 층 구조체에 의해 결정되며, 두 번째 방법은 광 추출 효율을 증가시키는 것을 포함한다. c-면 III-질화물 청색 LED들에 대한 일반적인 내부 양자 효율은 70% 이상이다[1]. 낮은 전위의 GaN 기판 상에 성장된 자외선(UV) LED는 최근에 약 80%의 내부 양자 효율 값을 나타내었다[2]. c-면 III-질화물 LED들의 경우에서 이러한 값들의 개선을 위한 여지는 거의 없다.
반면에, 광 추출 효율을 개선하기 위한 여지는 충분히 있다. 다음과 같은 내용을 포함하는 많은 이슈들이 광의 내부 손실을 제거하는데 있어서 언급될 수 있다: 높은 반사 거울(들), 거친 표면과 같은 낮은 반사 표면(들), 높은 열 분산 구조체 등의 사용하는 것.
LED 구조체는 광이 방출되는 양에 영향을 미친다. LED의 전면으로부터 광 출력 파워를 증가시키기 위하여, 통상적인 LED들은 기판의 후면 상에 배치되는 거울, 또는 리드 프레임 상에 거울 코팅이 일반적으로 구비될 수 있다. 그러나, 이러한 반사된 광은 방출된 광의 광자 에너지는 AlInGaN 다중 양자 우물들(MQWs)들과 같은, 발광 물질들의 밴드 갭 에너지와 거의 동일하기 때문에 LED의 활성 영역에 의해 재흡수된다. 활성 영역에 의해 방출된 광의 이러한 재흡수 때문에, LED의 효율 또는 순 출력 파워는 감소된다[3, 4].
따라서, LED의 높은 출력 파워 효율을 구현하기 위하여, 광의 재흡수가 최소화되는 소자 구조체들이 요구된다. 본 발명은 이러한 요구를 만족한다.
본 발명은 III-질화물 발광 다이오드(LED)의 소자 구조체를 설명하며, 여기에서 광은 형상을 가지는 광학적 요소에 들어가고 후속적으로 공기로 추출되기 전에 상기 LED의 두 표면들로부터 추출될 수 있다. 특히, 본 발명은 LED 칩의 p-타입 쪽 표면에서 광 반사를 제거함으로써 LED 활성 영역에서 광의 재흡수를 최소화한다.
방출된 광의 내부 흡수를 최소화하는 것을 돕고 그리고 p-타입 층 쪽으로부터 광을 추출하기 위하여, 인듐-주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO2), 티타늄 산화물(TiO2)과 같은(그러나 여기에 한정되지는 않는), 투명한 도전성 물질들이 p-타입 반도체 층에 대하여 오믹 전극으로서 사용된다. 추가적으로, LED는 글래스, Zn2O, Ga2O3, 사파이어, 또는 유기 폴리머와 같은(그러나 여기에 한정되지는 않는), 투명한 기판 물질에 본딩되는 플립칩일 수 있다.
내부 광 반사를 방지하고 n-타입 층 쪽으로부터 광을 산란시키기 위하여, n-GaN 표면은 화학적 식각에 의하여 거칠게 된다. LED 구조체가 벌크 GaN 외에 기판 물질 상에 성장된다면, 상기 n-GaN 표면은 레이저 리프트-오프(LLO) 기술 또는 기판의 습식 식각에 의하여 제공될 필요가 있다. 대안적으로, 상기 LED 구조체는 c-면 벌크 GaN 웨이퍼 상에 성장될 수 있다.
본 발명은 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체 및 상기 p-타입 층에 가까운(near) 상기 LED 구조체의 제1 표면에 상기 제1 표면에서 광 추출이 증가되도록 본딩되는 투명한 서브마운트 물질을 포함하는 발광 소자를 개시하며, 여기에서 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시킨다.
상기 제1 표면은 p-타입 표면일 수 있다. 상기 제1 표면은 상기 p-타입 층 상의 p-타입 전극의 p-타입 표면일 수 있으며, 그리고 상기 p-타입 전극은 상기 LED 구조체에 의해 방출되는 광에 투명할 수 있다. 상기 투명한 서브마운트 물질은 투명한 글루층을 사용하여 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면에 본딩될 수 있다.
상기 투명한 서브마운트 물질은 전기적으로 도전성일 수 있다. 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 p-타입 층에 대하여 오믹 전극일 수 있다. 상기 투명한 서브마운트 물질은 전기적으로 절연성일 수 있다.
상기 LED 구조체 내부에서 발생하는 상기 광의 반사들은 완전한(total) 내부 반사들일 수 있으며 그리고 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면에서 상기 내부 전반사들을 감소시키는 굴절률을 가질 수 있으며, 따라서 이에 의하여 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면을 지나서 상기 투명한 서브마운트 물질의 방향으로(into) 상기 광의 추출을 증가시킨다.
상기 n-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제2 표면은 상기 LED 구조체의 상기 제2 표면으로부터 광 추출을 개선하기 위하여 텍스쳐될 (textured) 수 있다. 상기 제2 표면은 N-표면을 가질 수 있다. 상기 LED 구조체의 상기 제2 표면은 상기 LED 구조체가 기판 상에 성장되는 상기 기판을 제거한 후에 노출될 수 있다. 상기 LED 구조체는 기판이 없는 멤브레인(substrate-less membrane)일 수 있다.
본 발명은 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체를 형성하는 단계 및 상기 p-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제1 표면에 상기 제1 표면에서 광 추출이 증가되도록 투명한 서브마운트 물질을 본딩하는 단계를 포함하는 발광 소자의 형성방법을 추가적으로 개시하며, 여기에서 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시킨다.
본 발명은 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체로부터 광을 방출(emit)하는 단계 및 상기 p-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제1 표면에 본딩된 투명한 서브마운트 물질을 통하여 상기 LED 구조체로부터 상기 광을 추출하는 단계를 포함하는 발광 소자로부터의 광 추출을 증가시키는 방법을 추가적으로 개시하며, 여기에서 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시킨다.
본 발명에 따르면 광 추출 효율이 개선되어 LED 효율이 개선된다.
동일한 참조번호들은 명세서 전체에 걸쳐 해당하는 부분들을 나타내는 도면들을 이제 참조한다:
도1a, 1b, 1c 및 도 1d는 투명한 LED들의 개념도들이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 프로세싱 단계들을 도해하는 플로우차트이다.
도3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e, 및 도 3f는 투명한 p-전극을 통하여 투명한 기판에 본딩되는, n-GaN 표면이 거친, LED들을 형성하는 단계들을 추가적으로 도해하는데, 여기에서 LED 구조체는 금속 p-타입 패드, p-타입 전극, GaN-계 LED 멤브레인, 사파이어 기판, 투명한 글루, 투명한 서브마운트 및 n-타입 전극을 포함한다.
도 4a 및 4b는 십자 형상의 n-전극을 수반한 GaN의 N-면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진들이며, 여기에서 상기 LED는 글래스 서브마운트 상에 본딩되며, 도 4b는 화학적으로 식각된 N-면 GaN 표면이 복수개의 육각형 형상의 원뿔들을 포함하는 것을 도시하며, 도 4a는 200미크론의 스케일 바를 가지며, 그리고 도 4b는 10 미크론의 스케일 바를 가진다.
도 5는 본 발명의 투명한 LED로부터 전기장 발광(EL) 스펙트럼을 도시하며, 여기에서 전기장 발광은 상기 EL의 파장의 함수로서 플롯된다.
도 6은 상온에서 상방향 EL 출력 파워 대 DC 주입 전류(L-I) 특성들의 그래프이며, 여기에서 20mA에서의 출력 파워는 17.7 mW 이었다.
관련된 출원과의 크로스 -참조( CROSS - REFERENCE TO RELATED APPLICATION )
본원은 "광 추출 효율을 증가시키기 위하여 투명한 서브마운트에 본딩되는 P-타입 표면을 가지는 발광 다이오드(LIGHT EMITTING DIODES WITH A P-TYPE SURFACE BONDED TO A TRANSPARENT SUBMOUNT TO INCREASE LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY)"의 명칭으로 Kenji Iso, Hirokuni Asamizu, Makoto Saito, Hitoshi Sato, Steven P. DenBaars, 및Shuji Nakamura에 의하여 2007년 7월 26일에 출원되고, 변리사 관리번호 30794.239-US-P1 (2007-670)이며, 동시계류중이고 공동 양도된 미국 임시 특허 출원 일련번호 60/952,044 에 대하여 35 U.S.C. 섹션 119(e) 의 이익을 주장하며, 상기 미국 임시 출원은 여기에서 인용되어 통합된다.
본원은 다음의 동시 계류중이며 공동 양도된 출원과 관련된다:
"표면 거칠기를 통한 고효율 갈률 질화물계 발광 다이오드들(HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING)" 의 명칭으로 Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn L. Hu, 및 Shuji Nakamura 에 의하여 2006년 6월 7일 에 출원되고, 변리사 관리번호 30794.108-US-WO (2004-063)인, 미국 유틸리티 특허 출원 일련번호 10/581,940, 그리고 상기 미국 유틸리티 특허 출원은 "표면 거칠기를 통한 고효율 갈률 질화물계 발광 다이오드들(HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING)" 의 명칭으로 Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn L. Hu, 및 Shuji Nakamura 에 의하여 2003년 12월 9일 에 출원되고, 변리사 관리번호 30794.108-WO-01 (2004-063)인, PCT 국제 특허 출원 일련번호 PCT/US2003/039211 에 대하여 35 U.S.C. §365 하의 이익을 주장하며
상기 두 개의 출원들은 여기에서 인용되어 통합된다.
바람직한 실시예의 다음의 설명에서, 여기의 일부를 형성하는 첨부된 도면들이 참조되며, 상기 도면들에서 발명이 실시될 수 있는 특정한 실시예의 도해의 방법으로서 도시된다. 다른 실시예들이 사용될 수 있으며 그리고 구조적인 변화들이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 가능하다.
개관( Overview )
본 발명은 투명한 전극(들)을 수반한 GaN 계 LED들의 p-타입 콘택 층에 투명한 기판 물질을 본딩함으로써 추출 효율을 증가시키는 방법을 제공한다. 이러한 구조체는 LED 내에 반복되어 발생하는 광 반사들을 감소시키고 따라서 LED로부터 더 많은 광을 추출한다.
기술적 설명( Technical Description )
LED 구조체
도 1a, 1b, 1c 및 도 1d는 투명한 LED들의 개념도들이다. 도 1a에서 LED는 n-타입 전극(30), n-타입 층(32), 활성 영역(34), p-타입 층(36), 부분적인 금속 패드(40)를 수반한 p-타입 투명한 전극(38), 및 전류 차단층(42)을 포함하며, 여기에서 p-타입 전극(38)은 투명한 글루층(44)에 의해 절연성이고 투명한 서브마운트(46)에 본딩된다.
도 1b에서 LED는 n-타입 전극(30), n-타입 층(32), 활성 영역(34), p-타입 층(36), 부분적인 금속 패드(40)를 수반한 p-타입 투명한 전극(38), 및 전류 차단층(42)을 포함하며, 여기에서 p-타입 전극(38)은 절연성이고 투명한 서브마운트(46)에 직접 본딩된다.
도 1c에서 LED는 n-타입 전극(30), n-타입 층(32), 활성 영역(34), p-타입 층(36), p-타입 투명한 전극(38), 및 전류 차단층(42)을 포함하며, 여기에서 p-타입 전극(38)은 전기적으로 도전성이며 투명한 글루층(48)에 의해 부분적인 금속 패드(52)를 수반한 전기적으로 도전성이고 투명한 서브마운트(50)에 본딩된다.
도 1d에서 LED는 n-타입 전극(30), n-타입 층(32), 활성 영역(34), p-타입 층(36), p-타입 투명한 전극(38), 및 전류 차단층(42)을 포함하며, 여기에서 p-타입 전극(38)은 전기적으로 도전성이고 투명한 서브마운트(50)에 직접 본딩된다.
각각의 경우에서, n-타입 층(32), 활성 영역(34) 및 p-타입 층(36)은 (B, Al, Ga, In)N 합금을 포함할 수 있다. 화학적 식각 방법은 n-타입 층(32)의 표면(54b)을 거칠게 하도록(54a) 사용될 수 있다. 거칠게 하는 단계(54a) 이전에, n-타입 GaN 표면(54b)은 레이저 리프트 오프 (LLO) 기술에 의해 노출될 필요가 있거나 대안적으로, 상기 LED 구조체는 벌크 GaN 웨이퍼(미도시) 상에 성장될 수 있다. 활성 영역(34)으로부터 거칠게 된 n-타입 GaN 표면(54a)을 향하여 방출된 광(56)은 상기 표면(54a)에 의해 산란되는데, 이것은 광(56)을 활성 영역(34)으로 다시 반사시키지 않는다. p-타입 전극(38)은 활성 영역(34)에 의해 방출된 광(62)의 투명한 서브마운트 (50 또는 46)를 향한 광 추출(60)을 증가시키고 광 흡수를 감소시키기 위하여 높은 투과도의 특성을 가지며, 따라서 광(62)의 반사(들)(64)을 감소시킨다.
프로세싱 단계들( Processing Steps )
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 프로세싱 단계들을 도해하는 플로우차트이다.
블록66은 금속유기 화학적 기상 증착(MOCVD)에 의해 c-평면 사파이어 기판 상에 Ga-면 에피택셜 층들을 성장시키는 단계를 나타내며, 따라서 LED 구조체와 같은 샘플을 형성한다.
블록 68은 상기 MOCVD 이후에, p-타입 활성을 위하여 상기 샘플을 어닐링하는 단계를 나타낸다.
블록70은 매우 투명한 p-GaN 콘택을 형성하기 위하여 상기 샘플 상에 p-타입 오믹 콘택 형성 공정과 같은, p-타입 금속배선(metallization)을 수행하는 단계를 나타낸다.
블록72는 상기 샘플 상에 두꺼운 금속 패드 층들을 증착, 예를 들어 금(Au)을 증착하는 단계를 나타낸다.
블록 74는 상기 샘플을 플립핑하고 상기 샘플을 투명한 서브마운트(도 1a 내지 1d 에서의 46, 50)에 본딩하는 단계를 나타낸다. 서브마운트(46, 50)은 해당하는 광 파장에 대하여 광학적 투명도를 필요로 한다. 전기적으로 도전성의 물질 및 절연성의 물질 모두 이러한 서브마운트를 위하여 사용된다. 전기적으로 도전성의 서브마운트(50)에 대하여, 어떠한 예들은, 인듐-주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO2), 티타늄 산화물(TiO2), 및 전기적으로 도전성의 폴리머를 포함하지만, 이러한 물질들로 한정되지는 않는다. 절연성의 서브마운트(46)에 대하여, 어떠한 예들은, 실리콘 산화물(Silicon oxide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리 메틸 메타크릴산염 (Poly methyl methacrylate), 폴리 메틸 아크릴산염 (Poly methyl acrylate), MS 수지 (methyl methacrylate)-(styrene) 혼성 중합체, 폴리프로필렌 (polypropylene), ABS 수지 (Acrylonitrile)-(Butadiene)-(Styrene) 혼성 중합체, 폴리스티렌 (polystyrene), 에폭시 수지, 폴리술폰 (polysulfone), 폴리에테르술폰 (polyethersulfone), 나일론 수지, 폴리에틸렌 테레프탈산염 (polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌 테레프탈산염 (polypropylene terephthalate) 및 폴리부틸렌 테레프탈산염 (polybutylene terephthalate)을 포함하지만, 이러한 물질들로 한정되지는 않는다. 상기 샘플은 서브마운트를 퓨즈/용융하거나 또는 폴리머와 같은 투명한 글루를 사용하여 서브마운트(46, 50)에 본딩된다.
블록 76은 사파이어 기판의 후면을 통하여 크립톤 불화물(KrF) 엑시머 레이저 광(248nm)을 사용하여 상기 샘플의 사파이어 기판을 조사함으로써 LLO 공정을 수행하는 단계를 나타내며, 그 결과 GaN/사파이어 기판 계면에서 GaN 의 국부적인 분해를 유발한다. 구체적으로 설명하면, 상기 샘플 상에 KrF 엑시머 레이저 스폿을 래스터링(rastering)함으로써, GaN-계 LED 멤브레인이 투명한 서브마운트로 전이(transfer)된다.
블록 78은 상기 샘플 상에 KrF 레이저를 래스터링한 이후에, 상기 샘플로부터 상기 사파이어 기판을 탈착(debond)하는 단계를 나타낸다.
블록 80은 염산(HCl) 용액을 사용하여 상기 샘플의 분리된 GaN 표면 상에 임의의 잔류 Ga의 작은 방울(droplet)들을 제거하는 단계를 나타낸다.
블록 82는 칼륨 수산화물(KOH)의 전해액 용액에 상기 샘플을 침지함으로써 화학적 식각을 하는 단계를 나타내며, 이러한 방식으로 상부 표면이 거칠게 된다. 상기 표면을 거칠게 하는 이러한 단계는 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나 거칠게 된 표면은 상기 LED 내부에서 반복적으로 발생하는 광 반사들을 감소시키며, 그리고 따라서 상기 LED로부터 더 많은 광을 추출한다.
블록 84는 건식 식각 방법을 사용하여 상기 샘플의 상기 투명한 기판 상에 각각의 소자를 분리하는 단계를 나타낸다.
블록 86은 n-타입 콘택으로서 전극 또는 상기 샘플의 노출된 N-면 GaN 상의 전극을 증착하는 단계를 나타낸다.
블록 88은 다이싱(dicing) 또는 클리빙(cleaving) 방법을 사용하여 상기 샘플을 다이들로 나누는 단계를 나타낸다.
블록 90은 와이어 본딩 및 수지로 밀봉함으로써 상기 다이를 엔캡슐레이션하여 패키징하는 단계를 나타낸다.
도3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e, 및 도 3f는 투명한 p-전극(94)를 통하여 투명한 기판(92)에 본딩되는 LED들을 형성하는 단계들을 추가적으로 도해하는데, 여기에서 LED 구조체는 금속 p-타입 패드(100), p-타입 전극(94), GaN-계 LED 멤브레인(102), 사파이어 기판(104), 투명한 글루(106), 투명한 서브마운트(92) 및 n-타입 전극(108)을 포함할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 도 3a는 LED(102) 상에 투명한 p-타입 전극(94) 및 금속 p-타입 패드 전극(100) 증착 이후의 결과물들을 도시하며, 그리고 도 3b는 LED(102) 가 투명한 글루(106)을 통하여 투명한 기판(92) 상에 본딩된 이후의 결과물들을 도시한다. 도 3c는 LLO에 의해 사파이어 기판(104) 제거 이후의 결과물들을 도시하며, 도 3d는GaN 표면(98)을 거칠게 하는 단계(96) 이후의 결과물들을 도시하며, 도 3e는 소자 분리 이후의 결과물들을 도시하며 그리고 도 3f는 n-타입 전극(108) 증착 이후의 결과물들을 도시한다.
가능한 변형들 및 변경들( Possible Modifications and Variations )
비록 GaN 소자들이 이러한 상세한 설명 전체에 걸쳐 언급되고 있지만, 당업자들은 다른 III족 질화물 소자들, 예를 들어, (Al,B,Ga,In)N 소자들이 또한 제공될 수 잇다는 것을 이해할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 III-질화물 소자들에 한정되지 않으며 그리고 GaP, GaAs, 또는 유기계 LED들과 같은 다른 LED들과 같이 또한 사용될 수 있다.
현재, III-질화물 소자들은 또한 SiC 및 Si 기판들 상에 성장될 수 있다. III-질화물-계 LED가 SiC 또는 Si 상에 성장된다면, 통상적인 건식 식각 또는 습식 식각은 LLO 공정 대신에 상기 기판을 제거할 수 있다. 벌크 III-질화물 기판을 사용함으로써, LLO 공정이 제거될 수 있다.
실험 결과들
본 발명에서 수행된 실험들에서, Ga-면 에피택셜 층들은 MOCVD에 의해 c-면 사파이어 기판 상에 성장된다. 상기 구조체는 4㎛ 두께의 Si이 도핑된 GaN 층들, 6-주기 GaN/InGaN 다중-양자-우물(MQW), 15nm 두께의 도핑되지 않은 A10.15Ga0 .85N 층, 및 0.2㎛ 두께의 Mg이 도핑된 GaN을 포함한다. 상기 LED 구조체의 결정 성장 이후에, 상기 샘플은 p-타입 활성을 위하여 어닐링되었으며 그리고 후속적으로 p-타입 금속배선 공정이 수행되었다. 150nm 두께의 원형의 SiO2 전류 차단층이 전자 빔(e-beam) 증발기를 사용하여 증착되었다. 인듐 주석 산화물(ITO) 전극은 SnO2 내에 In2O3- 10 wt % 타겟을 사용함으로써 증착되었으며, 그리고 후속적으로 Mg가 도핑된 p-GaN층에 대하여 콘택 저항을 감소시키고, 면저항을 감소시키고, 그리고 막 투명도를 증가시키기 위하여 소결되었다. 그 다음에, Ni/Au 본딩 패드들 조각의 어레이가 통상적인 증착 및 리프트-오프 기술에 의해 형성되었다. 웨이퍼가 플립핑되고 에폭시 수지를 사용함으로써 글래스 서브마운트에 본딩되었으며, 그리고 충분하게 건조되었다. KrF 레이저(248nm 파장에서 방출하는)가 레이저 리프트 오프(LLO) 공정에 대하여 사용되었으며, 여기에서 레이저 광은 상기 투명한 사파이어 기판을 통하여 전달되었으며 GaN 에피택셜층과 상기 사파이어 사이의 계면에서 흡수되었으며, 후속적으로 상기 GaN의 분해를 초래하였다. 상기 샘플 상에 KrF 레이저를 래스터링한 이후에, 상기 사파이어 기판은 LED 에피층으로부터 탈착되었다. 상기 n-GaN 표면 상에 잔류하는 Ga의 작은 방울들은 농축된 HCl 용액에 의해 제거되었다. n-GaN 표면을 거칠게 하는 것을 구현하기 위하여, 상기 샘플은 가열된 농축 KOH 용액에서 식각되었다. 다음에, 반응성 이온 식각(RIE)이 각각의 소자를 그 인접한 소자들로부터 분리하고 동시에 LED 에피층 아래의 Ni/Au 패드층을 노출하기 위하여 수행되었다. 다음에, n-콘택 금속들(Ti/Al/Au, 예를 들어, Ti 와 Au 사이에 개재된 Al, 여기에서 Ti는 10nm의 두께를 가지며, Al은 50nm의 두께를 가지며 그리고 Au는 300nm의 두께를 가진다)이 상기 거칠게 된 n-GaN 표면 상에 증착되었다. 다이싱 또는 클리빙 방법을 사용하여 상기 샘플을 다이들로 분리한 이후에, 금-와이어 본딩이 수행되었다. 최종적으로 실리콘(silicone) 수지가 램프 및 리드 프레임 어셈블리를 형성하기 위하여 적용되었으며, 그리고 상기 어셈블리는 상기 실리콘 수지를 큐어링하기 위하여 오븐(oven)에 배치되었다.
도 4a 및 4b는 십자 형상의 n-전극(108)을 수반한 GaN의 N-면(98)의 주사 전자 현미경(SEM) 사진들이며, 여기에서 상기 LED는 글래스 서브마운트(92) 상에 본딩된다. 도 4b는 복수개의 육각형 형상의 원뿔(110)을 포함하는 화학적으로 식각된 N-면 GaN 표면을 도시한다.
투명한 LED로부터 전기장 발광(electroluminescence, EL)이 도 5에서 도시된다. 상온에서 12 A/cm2 DC 의 순방향 전류 밀도에서 측정이 수행되었다. 도 5에서는 세로 모드(longitudinal mode)가 관찰되지 않았다. 이것은 투명한 서브마운트 및 복수개의 육각형 형상의 원뿔들이 수직의 GaN 공동에서 공진을 억제하는 것을 의미한다.
도 6은 상온에서 상방향 EL 출력 파워 대 DC 주입 전류(L-I) 특성들의 그래프이다. 20mA에서의 출력 파워는 17.7 mW 이었다.
요약( Summary )
요약하면, 투명한 서브마운트 및 복수개의 육각형 형태의 원뿔들이 추출 효율을 증가시키기 위한 목적으로 GaN 계 LED의 대향하는 쪽들 또는 표면들에 적용된다. 이것은 광의 재흡수 없이 발광 다이오드의 p-GaN 면 및 n-GaN 면으로부터 광 추출을 가능하게 하며, 따라서 광 추출 효율을 증가시킨다. 여기에서 설명된 기술은 단순하며 복잡한 가공처리를 필요하지 않는다는 점에서 주목할 만하다.
예를 들어, 도 1a 내지 도 1d 그리고 도 3a 내지 도 3f는 적어도 하나의 p-타입 층(36) 및 적어도 하나의 n-타입 층(32) 사이에 위치하는 (광(56, 62)을 방출하기 위한) 활성층(34)을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체(102); 및 상기 p-타입 층(36)에 가까운(near) 상기 LED 구조체(102)의 제1 표면(또는 쪽(side))(예를 들어, 112a, 112b, 또는 112c)에 상기 제1 표면(또는 쪽)(예를 들어, 112a, 112b, 또는 112c)에서 광 추출(60)이 증가되도록 본딩되는 투명한 서브마운트 물질(46, 50, 또는 92)을 포함하는 발광 소자를 도해하며, 여기에서 상기 투명한 서브마운트 물질(예를 들어 46, 50, 또는 92)은 상기 LED 구조체(102)에 의해 방출(emit)되는 광(56, 62)에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체(102) 내부에 발생하는 광(62)의 반사들(64)을 감소시킨다.
p-타입 층(36), 활성층(34), 및 n-타입 층(32)은, 예를 들어, III-질화물 화합물들을 포함할 수 있다.
제1 표면(112a)은 투명한 서브마운트 물질(46 또는 50)과 접촉(contact)할 수 있거나 또는 결합(interface)될 수 있는 p-타입 표면일 수 있다. 제1 표면(112a)은 p-타입 층(36)에 가까운 특정한 표면에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 표면(112a)은 p-타입 층(36)의 p-타입 표면(112b)일 수 있다. 예를 들어, 제1 표면(112a)은 p-타입 층(36) 상의 p-타입 전극(38)의 p-타입 표면(112c)일 수 있으며, 그리고 상기 p-타입 전극(38)은 LED 구조체(102)에 의해 방출되는 광(56, 62)에 투명할 수 있다.
투명한 서브마운트 물질(50 또는 46)은 투명한 글루층(48)을 사용하여 LED 구조체(102)의 제1 표면(112c)에 본딩될 수 있다. p-타입 전극(38) 은 투명한 서브마운트 물질(50 또는 46)과 경계면을 형성할 수 있다.
투명한 서브마운트 물질(50)은 전기적으로 도전성일 수 있다. 투명한 서브마운트 물질(50)은 p-타입 층(36)에 대하여 오믹 전극일 수 있으며, 그리고 따라서 상기 투명한 서브마운트는 p-타입 층(36) 및/또는 p-타입 전극(38)에 전기적으로 연결될 수 있다.
투명한 서브마운트 물질(46)은 전기적으로 절연성일 수 있다. LED 구조체(102) 내부에서 발생하는 광(62)의 반사(들)(64)은 완전한(total) 내부 반사(들)일 수 있으며 그리고 투명한 서브마운트 물질(46)은 LED 구조체(102)의 제1 표면(112a, 112b, 또는 112c)에서 상기 내부 전반사(들)을 감소시키는 굴절률을 가질 수 있으며, 따라서 LED 구조체(102)의 제1 표면(112a, 112b, 또는 112c)으로부터 상기 LED를 떠나기 위하여 투명한 서브마운트(46 또는 50)의 방향으로(into) 광(62)의 추출(60)을 증가시킨다.
n-타입 층(32)에 가까운 LED 구조체(102)의 제2 표면(또는 쪽)(98)은 LED 구조체(102)의 제2 표면(또는 쪽)(98)으로부터 활성층(34)에 의해 방출되는 광(56)의 추출을 (표면을 거칠게 하는 작업이 없을 경우와 비교하여) 개선하기 위하여 텍스쳐될(textured) 수 있다(예를 들어, 표면이 거칠게 될 수 있다). 예를 들어, 제2 표면(98)은 텍스쳐된 n-타입 표면(96, 54a)일 수 있다. 제2 표면(98)은 N-표면을 가질 수 있다. 제2 표면(98)의 N-표면은 레이저 리프트 오프 (LLO) 기술에 의해 제공될 수 있다.
비록 일반적으로 제2 표면(98)은 LED 구조체(102)가 그 상에 성장되는 기판(104) (상기 기판(104)은 예를 들어, III-질화물 성장에 적합한 임의의 기판일 수 있다)을 제거한 이후에 또는 제거에 의해 노출되는 LED 구조체(102)의 표면(98)일지라도, LED 구조체(102)는 임의의 적합한 기술을 사용하여 제공되는 기판이 없는, 예를 들어 LED 멤브레인 또는 막일 수 있다. 기판(104)이 GaN 기판인 경우, 제2 표면(또는 쪽)(98)은 기판(104)의 표면(114)일 수 있으며, 그리고 기판(104)은 얇아질 수 있다. 따라서, 제2 표면(예를 들어 98, 114, 또는 54b)은 n-타입 층(32)에 가까운 특정한 표면으로 한정되지 않는다-예를 들어, 표면(98)은 n-타입 층(32)의 표면(54b), LED 구조체(102)의 표면(98) 또는 기판(104)의 표면(114)일 수 있다.
도 3a 내지 3f는 LED 구조체(102)의 제1 면(112a)을 투명한 서브마운트 (92)에 부착(예를 들어 본딩) 또는 광학적으로 커플링하는 단계를 포함하는 III-질화물 계 LED (예를 들어 GaN 계)를 형성하기 위한 방법을 도해한다.
LED 구조체(102)는 임의의 배향으로 성장될 수 있으며, 예를 들어, 기판(104) 상에 Ga-면 배향으로 성장될 수 있으며, 그 결과 상기 LED의 n-타입 층은 N-면을 가지고, 상기 제2 면(98)은 N-면이며, 그리고 상기 제1 면(112a)은 Ga 면이다.
참조문헌들
다음의 참조문헌들은 여기에서 인용되어 통합된다:
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결론( Conclusion )
이것은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 종결한다. 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 앞에서의 설명은 도해 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이것은 총망라하거나 또는 개시된 정확한 형태로 발명을 한정하기 위하여 의도되는 것은 아니다. 많은 변형들 및 변경들이 앞에서의 기술적 사상의 견지에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않으며, 그러나 여기에 첨부된 특허청구범위에 의해 어느 정도 한정된다는 것이 의도된다.
30; n-타입 전극
32; n-타입 층
34; 활성 영역
36; p-타입 층
40; 부분적인 금속 패드
38; p-타입 투명한 전극
42; 전류 차단층
44; 투명한 글루층
46; 투명한 서브마운트

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체; 및
    상기 p-타입 층에 가까운(near) 상기 LED 구조체의 제1 표면에 상기 제1 표면에서의 광 추출이 증가되도록 본딩되는 투명한 서브마운트(submount) 물질;을 포함하고,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 p-타입 표면인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 p-타입 층 상의 p-타입 전극의 p-타입 표면이며, 그리고 상기 p-타입 전극은 상기 LED 구조체에 의해 방출되는 광에 투명한 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 투명한 글루층(glue layer)을 사용하여 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면에 본딩되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 전기적으로 도전성인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 p-타입 층에 대하여 오믹(ohmic) 전극인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 전기적으로 절연성인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LED 구조체 내부에서 발생하는 상기 광의 반사들은 내부 전반사(total internal reflection)들이며 그리고 상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면에서 상기 내부 전반사들을 감소시키는 굴절률을 가지며, 따라서 상기 LED 구조체의 상기 제1 표면을 지나서 상기 투명한 서브마운트 물질 내부로의(into) 상기 광의 추출을 증가시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 n-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제2 표면은 상기 LED 구조체의 상기 제2 표면으로부터 광 추출을 개선하기 위하여 텍스쳐된 (textured) 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 표면은 N-면을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 LED 구조체의 상기 제2 표면은 상기 LED 구조체가 성장되었던 기판을 제거한 후에 노출되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 LED 구조체는 기판이 없는 멤브레인(substrate-less membrane)인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 p-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제1 표면에 상기 제1 표면에서의 광 추출이 증가되도록 투명한 서브마운트 물질을 본딩하는 단계;를 포함하고,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 형성방법.
  14. 적어도 하나의 p-타입 층 및 적어도 하나의 n-타입 층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 다이오드(LED) 구조체로부터 광을 방출(emit)하는 단계; 및
    상기 p-타입 층에 가까운 상기 LED 구조체의 제1 표면에 본딩된 투명한 서브마운트 물질을 통하여 상기 LED 구조체로부터 상기 광을 추출하는 단계;를 포함하고,
    상기 투명한 서브마운트 물질은 상기 LED 구조체에 의해 방출(emit)되는 광에 투명하며 그리고 상기 LED 구조체 내부에 발생하는 광의 반사들을 감소시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자로부터의 광 추출을 증가시키는 방법.
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