KR20100097179A - 표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드 - Google Patents

표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드 Download PDF

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홍 쫑
아누라그 티야기
케네쓰 제이. 뱀폴라
제임스 에스. 스펙
스티븐 피. 덴바스
슈지 나카무라
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더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

III족-질화물 발광 다이오드 및 그 제조 방법이 개시된다. 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성 또는 비극성 평면의 적어도 하나의 표면은 텍스쳐되고, 이에 따라 광 추출을 증가시키기 위하여 텍스쳐된 표면이 형성된다. 이러한 텍스쳐를 수행하는 것은 플라즈마-도움 화학 식각, 식각이 후속되는 포토리소그래피에 의하여 수행되거나, 또는 식각이 후속되는 나노-임프린팅에 의하여 수행될 수 있다.

Description

표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드{High light extraction efficiency nitride based light emitting diode by surface roughening}
본 발명은 발광 다이오드들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드에 관한 것이다.
<관련출원들에 대한 상호참조>
본 출원은 동시 계류중(co-pending)이고 공통 양도된(commonly-assigned), 홍 종(Hong Zhong), 아누라그 티아기(Anurag Tyagi), 케네스 밤폴라(Kenneth J. Vampola), 제임스 스펙(James S. Speck), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars) 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2007년 11월 30일 출원된 미국임시특허출원 제60/991,617호의 "표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드(HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY NITRIDE LIGHT EMITTING DIODE BY surface ROUGHENING)" (대리인 관리(DOCKET)번호 제30794.258-US-Pl(2008-277-1)호)의 미국법 제35호(특허법) 제119조(e)에 의거한 이익을 주장한다. 상기 출원은 본 명세서의 참조로서 결합된다.
(유의 사항: 본 명세서는 명세서의 전체에 걸쳐서 대괄호, 즉 [x] 내에 표시된 하나 또는 그 이상의 참조 번호들에 의하여 표시된 바와 같은 다른 많은 공개 문헌들을 참조한다. 이러한 참조 번호들에 따라서 배열된 다른 공개 문헌들의 목록은 "참조 문헌들"로 표시된 구역에서 찾을 수 있다. 이러한 공개 문헌들 각각은 본 명세서와 참조로서 결합된다.)
갈륨 질화물(gallium nitride, GaN)계 광폭 밴드 갭 반도체 발광 다이오드들이 약 15년간 사용되어 왔다. 발광 다이오드의 발전의 진행은 발광 다이오드 기술에 있어서 많은 변화들을 가져왔고, 예를 들어 풀 칼라 발광 다이오드 디스플레이들의 구현, 발광 다이오드 신호등들, 백색 발광 다이오드들 등이 있다.
고효율 백색 발광 다이오드들은 형광 램프들을 대체할 가능성으로 많은 관심을 받아왔다. 백색 발광 다이오드들의 발광 효율(130 내지 150 lumens/watt [1])은 종래의 형광 램프들(75 lumens/watt)을 이미 압도하고 있다. 그럼에도 불구하고, 현재의 상업적으로 이용가능한 부르자이트(wurzite) 질화물계 발광 다이오드들은 [0001] c-극성 성장 방위를 위하여 다중 양자 우물들(multi-quantum well, MQW) 내의 극성-관련 전기장들의 존재에 의하여 특징된다. 이종 계면들에서의 자발적이고 압전형인 극성의 불연속성은, 캐리어 분리(양자 구속 스타크 효과(quantum confined Stark effect, QCSE))를 야기하고 양자 우물들 내에 방사상의 재결합율을 감소시키는, 양자 우물들 내에 내부 전기장들을 형성한다[2-5].
이러한 극성-관련 효과들을 감소시키기 위하여, 비극성 평면들, 비즈(viz), (1-100) m-면 또는 (11-20) a-면 상에 III족-질화물 소자들을 성장시키는 것이 보고되어 있다[6-7]. 이러한 효과들은 감소시키고 가능한 경우 제거하기 위한 다른 시도는 c-방향에 대하여 경사진 결정 평면들, 즉, 반극성 평면들 상에 III족-질화물 소자들을 성장시키는 것이다. (10-1-1), (10-1-3), (11-22) 및 다른 평면을 포함하는 다른 반극성 평면들 상에 성장한 소자들이 또한 보고되어 있다[8-10]. 이러한 평면들은 c-면 III족-질화물 물질들과 비교하여 이종 구조들 내의 극성 불연속을 감소시킨다. 또한, c-면으로부터 45도까지 방위된 반극성 평면들에 대하여, InGaN/GaN 이종 구조들 내에 극성 불연속이 없다[5]. 최근에는, 고품질 프리스탠딩 GaN 기판들의 출현과 함께, 비극성 m-면, 반극성 (10-1-1), 및 (11-22) 프리스탠딩 GaN 기판들 상의 407 nm 내지 513 nm 범위의 피크 발광 파장들을 가지는 고특성 비극성 및 반극성 발광 다이오드들이 보고되어 있다. 이러한 발광 다이오드들의 특성들은 표 1에 정리되어 있다[11-15]. 이러한 소자들은 양자 우물들 내의 극성-관련 전기장들을 크게 감소시키며, 발광 다이오드 내의 더 두꺼운 양자 우물들을 가질 수 있고, 이는 고전류 하에서 동작하는 소자들에 매우 중요하다고 알려져 있다. 따라서, 비극성 및 반극성 방위된 GaN 기판들 상에 성장한 발광 다이오드들은 상업적으로 유용한 고상 조명 어플리케이션들에 대한 큰 가능성을 가지며, 고품질 프리스탠딩 GaN 기판들이 더 유용하도록 상업적으로 가능성이 있다.
최근 보고된 반극성 및 비극성 발광 다이오드들의 성능 요약
피크 방출 파장 결정방위 20mA 구동 전류에서의 출력 전력 20mA 구동 전류에서의 외부 양자 효율
407 nm (자색-청색)
411 nm (자색-청색)		 비극성 m-면
반극성 (10-1-1) 평면 		23.7 mW,
20.58 mW		 38.9%,
33.9%
444 nm (청색) 반극성 (10-1-1) 평면 16.21 mW
(펄스 동작하에서,
10% 듀티 사이클)		 29%
(펄스 동작하에서,
10% 듀티 사이클)
489 nm (청색-녹색) 반극성 (11-22) 평면 9 mW
(펄스 동작하에서,
10% 듀티 사이클)		 18%
(펄스 동작하에서,
10% 듀티 사이클)
516 nm (녹색) 반극성 (11-22) 평면 5 mW 10.5%
발광 다이오드의 효율을 증가시키기 위한 현재의 기술들은 두 가지의 구분된 카테고리들로 나누어진다. 이들은 내부 양자 효율을 증가시키거나 또는 추출 효율을 증가시키는 것이다.
결정 품질 및 에피택셜 층 구조에 의하여 결정되는 내부 양자 효율의 증가는 다소 어려울 수 있다. 청색 발광 다이오드들을 위한 통상적인 내부 양자 효율 수치는 70% 초과이고[16], 낮은 전위 GaN 기판 상에 성장한 자외선 발광 다이오드는 최근 80% 정도로 높은 내부 양자 효율을 나타내고 있다[17]. 이러한 수치들은 개선될 여지가 매우 적을 수 있고, 특히 고품질 프리스탠딩 GaN 기판들 상에 성장한 비극성 및 반극성 방위 소자들에 대하여 그러하다.
반면, 광 추출 효율을 개선하는 것은 많은 여지가 있다. 베어 칩 질화물계 발광 다이오드에 있어서, GaN (n = 2.5) 및 공기 (n = 1)의 굴절률 사이의 다소 큰 차이 때문에, 광탈출 원뿔(light escape cone)의 각도는 단지 23도이고, 이에 따라 4.18% 정도로 낮은 미약한 광 추출 효율을 야기한다[18]. 상기 탈출 원뿔 외측의 광은 소자의 내부에서 반복적으로 반사되고, 최종적으로 활성 영역과 전극들에 의하여 흡수된다.
표면 거칠기 공정은 광의 내부 손실을 매우 감소시키고 소자로부터 광 탈출을 증가시키도록 사용될 수 있다. 도 1은 표면을 거칠게한 발광 다이오드의 단면도이다. 상기 발광 다이오드는, n-형 전극(10), n-형 III족-질화물층(11), III족-질화물 활성 영역(12), p-형 III족-질화물층(13) 및 금-주석 본딩(15)을 통하여 실리콘 서브-마운트(sub-mount)(16)에 본딩된 p-형 전극(14)을 포함한다. 포토-강화 화학(photo-enhanced chemical, PEC) 식각은, 질소-면(N-면) GaN 표면인 n-형 층(11)의 후면(17)을 거칠게하기 위하여 사용된다. 화살표(18)는 상기 발광 다이오드에 의하여 방출된 광의 가능한 궤적을 나타낸다. 매끈한 표면을 가지고 다른 것은 동일한 소자와 비교하여, 표면이 거칠게된 발광 다이오드는 출력 전력의 130% 증가가 측정되었다[19].
PEC 식각에 의하여 표면을 거칠게하는 것이 질화물계 발광 다이오드로부터 광 추출을 개선하기 위하여 필수 불가결한 것이라고 하여도, 이러한 기술의 효율성은 거칠게될 표면, 특히, c-극성 [0001] GaN의 질소 표면의 결정 방위 및 극성에 크게 의존한다[21]. 결과적으로, PEC 식각은 a-면 (11-20), 비극성 m-면 (1-100), 및 대부분의 반극성 표면들을 포함하는 다른 GaN 결정 방위들의 표면과 극성에 적용되지 못할 수 있다. 표면을 거칠게 하기 위한 수단의 부족은 더 높은 추출 효율 및 이에 따른 더 높은 전체 효율을 구현하기 위하여 비극성 및 반극성 발광 다이오드들에 대한 주 장애물이 되며, 따라서 개선된 거칠기 기술은 이러한 요구를 달성하기 위하여 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 표면을 거칠게하여 높은 광 추출 효율을 갖는 질화물계 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명은 질화물계 발광 다이오드로부터 광 추출 효율을 증가시키기 위한 방법을 개시하며, 상기 방법은 포토리소그래피 및 플라즈마-도움 화학 건식 식각을 포함한다. 광 추출의 증가를 통하여, 이에 따른 효율의 개선이 기대된다. 본 발명의 가장 현저한 장점들 중의 하나는, 비극성 및 반극성 방위들을 따라서 성장한 막들을 포함하는 질화물계 발광 다이오드로부터 광 추출 효율을 상당히 증가시키는 것이다. 또한, 본 발명은 포토 결정을 이용하는 것과 같은 다른 광 추출 증가 기술과 비교하여 더 간단하다. 더 중요한 점은, 간단한 광 추출 증가 기술인 광 강화 화학 식각과는 다르게, 본 발명은 결정 구조에 무관하게 어떠한 질화물 반도체 표면에 적용될 수 있도록 더 다목적이라는 것이다.
따라서, 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여, 또한 본 명세서를 읽고 이해함에 따라 명확해지는 다른 한계들을 극복하기 위하여, 본 발명은 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법을 개시한다. 상기 방법은, 텍스쳐된 표면을 형성하기 위하여, 상기 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성 또는 비극성 평면의 적어도 하나의 표면을 텍스쳐링하는 단계를 포함하고, 상기 텍스쳐링하는 단계는 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 수행된다. 상기 텍스쳐링하는 단계는 상기 식각이 후속되는 포토리소그래피에 의하여 수행되거나, 상기 텍스쳐된 표면은 상기 식각이 후속되는 나노-임프린팅을 이용하여 형성된다. 상기 발광 다이오드의 활성 영역에 의하여 방출된 광은 상기 텍스쳐된 표면으로부터 대부분 추출된다.
상기 텍스쳐링하는 단계는, (1) 적어도 하나의 측벽을 가지는 적어도 하나의 형상을 생성하는 단계로서, 상기 측벽은 상기 형상의 내부로부터 입사된 적어도 하나의 광선을 반사하고 전달하는 상기 형상을 생성하는 단계; 및 (2) 상기 광선이 반사될 때마다 상기 측벽에 수직한 표면에 대한 상기 광선의 입사 각도가 감소하도록 상기 측벽을 경사지게 하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 측벽을 경사지게하는 단계는, 상기 광선의 입사 각도가 임계 각도보다 작은 경우에는, 상기 측벽을 통한 상기 광선의 전달이 증가되고, 상기 광선의 입사 각도가 임계 각도와 적어도 동일한 경우에는, 상기 측벽에 의하여 상기 광선이 반사된다.
본 발명은 III족-질화물 발광 다이오드의 발광 방법을 더 개시한다. 상기 발광 방법은 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성 또는 비극성 평면의 적어도 하나의 텍스쳐된 표면으로부터 광을 발광하는 단계를 포함하고, 상기 텍스처는 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 수행된다.
본 발명은 III족-질화물 발광 다이오드를 더 개시한다. 상기 발광 다이오드는, n-형 III족-질화물; p-형 III족-질화물; 광을 방출하고 상기 n-형 III족-질화물과 상기 p-형 III족-질화물 사이에 형성된 III족-질화물 활성층; 상기 n-형 III족-질화물 상에 위치하고 외부 매질과 함께 계면을 형성하는 III족-질화물 광 추출 표면;을 포함하고, 상기 III족-질화물 광 추출 표면은 상기 계면에서 외부 매질 공기로 상기 광을 전달하고 상기 계면에서 상기 광을 반사하는 적어도 하나의 경사진 측벽을 가지는 형상들을 포함하고, (1) 상기 형상들 내에서 이어진 반사들이 수행된 후에, 상기 반사된 광은 상기 계면에 대하여 증가된 입사 각도를 가지고, 또한 결과적으로 상기 외부 매질에 전달되는 증가된 기회를 가지고, (2) 상기 n-형 III족-질화물, 상기 p-형 III족-질화물, 및 상기 III족-질화물 활성층은 반극성 또는 비극성 층들이다. 상기 외부 매질은 III족-질화물에 비하여 작은 굴절률을 가지는 매질일 수 있고, 예를 들어 공기 또는 진공일 수 있다.
본 발명의 두드러진 장점은 비극성 및 반극성 방위들을 따라서 성장한 발광 다이오드들을 포함하는 질화물계 발광 다이오드로부터 광 추출 효율을 상당히 증가시키는 것이다. 또한, 본 발명은 광자 결정을 사용하는 것과 같은 다른 광 추출 증가 기술들과 비교하여 더 간단하다. 더 중요한 점은, 간단한 광 추출 증가 기술인 광 강화 화학 식각과는 다르게, 본 발명은 결정 구조들에 무관하게 어떠한 질화물 반도체 표면(들)에 적용될 수 있도록 더 다목적이라는 것이다. 본 발명은 고 전력 및 고효율 발광 다이오드들을 가능하게 한다.
도면들에서 동일한 부재 번호들은 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 지칭한다.
도 1은 광 강화(photo-enhanced) 화학 식각에 의하여 거칠게된 후면을 가지는 (Al, Ga, In)N 발광 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 거칠게된 후면을 가지고 매달린 모양을 가지는 (Al, Ga, In)N 발광 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 3a은 거칠게한 후의 GaN 표면의 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진이다.
도 3b는 거칠게한 후의 GaN 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 원뿔 형상으로부터 탈출한 광의 진행을 도시한다.
도 5는 거칠게한 후의 GaN 표면의 광학현미경 사진이다.
도 6은 원뿔 형상을 도시한다.
도 7은 높은 광 추출 효율 발광 다이오드 구조를 제조하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 광 강화 화학 식각에 의하여 거칠게된 반극성 (11-22) GaN 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명에 따라 거칠게된 후면을 가지는 플립칩 설계의 (Al, Ga, In)N 발광 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따라 거칠게된 후면 및 형상화된 아연 산화물에 본딩된 p-형 III족-질화물층 또는 투명 전도층을 가지는 플립칩 설계의 (Al, Ga, In)N 발광 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 발명의 방법을 도시하는 흐름도이다.
하기의 바람직한 실시예의 설명에 있어서, 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부된 도면들을 참조하기로 한다. 이러한 도면들은 본 발명이 구현될 수 있는 특정한 실시예를 도시하는 방식으로 도시되어 있다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다른 실시예들도 구현가능하며, 구조적 변화들이 가능함을 이해할 수 있다.
기술적 설명
본 발명은 질화물계 발광 다이오드로부터의 광 추출 효율을 증가시키는 기술을 개시하고, 포토리소그래피 및 플라즈마-도움 화학 건식 식각을 포함한다. 광 추출의 증가를 통하여, 이에 따른 효율의 개선이 기대된다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 발광 다이오드의 성장의 맨 앞측에 대한 반대 면의 프리스탠딩 GaN 기판 표면은 거칠게된다. 소자가 제조된 후에, 이어서 상기 발광 다이오드는 형상화된 광학 요소 내에 위치한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 매달린 모양 내에 패키지되고 표면이 거칠게된 발광 다이오드(light emitting diode, LED)을 개략적으로 도시한다. 상기 발광 다이오드는, p-형 금속 전극(20), 반투명 p-형 전극(21), p-형 III족-질화물층(22), III족-질화물 활성 영역(23), n-형 III족-질화물층(24), 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 표면 거칠기가 수행되고 양면 연마된 프리스탠딩(freestanding) GaN 기판(25), 금속 헤더(26), 금속 와이어(27)(p-전극(20)에 연결됨), 금속 와이어(28)(n-형 금속 전극(29)에 연결됨), 및 자신의 내부에 상기 발광 다이오드 칩을 엔캡슐레이트하는 실리콘(silicone) 몰드(30)를 포함한다. 화살표(31)는 상기 발광 다이오드에 의하여 방출된 광의 가능한 궤적을 표시한다.
식각 마스크를 정의한 후에, GaN 기판(25)의 후면 표면(32) 상에 플라즈마-도움 화학 식각이 수행된다. 염소계 및 불소계 가스 및 다른 가스들을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 부식 가스들의 특정한 비율을 가지고, 특정한 챔버 압력 및 플라즈마 전력들 하에서, 플라즈마-도움 화학 식각은 경사진 측벽들에 의하여 특징화된 형상들(features)을 가지는 마스크되지 않은 영역을 정의한다. 결과적으로, 표면(32)은 표면(32)의 대부분에 축적된 원뿔 형상들의 형성을 통하여 거칠게 된다. 운석 분화구와 유사한 오목부는 적절한 식각 조건들, 식각 시간, 및 식각 마스크들의 물질의 사용의 조합의 결과로서 각각의 원뿔 형상의 표면 상에 형성될 수 있다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)에 의하여 수행되며, 예시적인 거칠게하는 공정의 식각 조건들은 염소계 및 불소계 가스들의 특정한 비율(10:1 내지 150:1), 100 Watt 내지 1000 Watt 범위의 적절한 ICP 전력, 10 Watt 내지 500 Watt 범위의 원하는 바이어스 전력, 및 적절한 챔버 압력(1 내지 50 Pascal)을 포함한다.
도 3a는 원형 식각 마스크(직경이 2 마이크론 및 중심 사이의 거리가 8 마이크론)를 사용하여, 예시적인 거칠게하는 공정을 30분 처리한 후의 GaN 표면의 주사전자현미경 사진이다. 도 3b는 동일한 샘플의 단면의 주사전자현미경 사진이다. 도 3a 및 도 3b는 상기 표면의 대부분에 축적되는 원뿔 형상들(33)(경사진 측벽들(34)을 가짐)의 형성을 통하여 상기 표면을 거칠게하는 방식을 도시하고, 각각의 원뿔 형상(33)의 상측에 오목부(35)를 형성하는 방식을 도시한다.
원뿔 형상들(또는 상측이 절단된 원뿔 형상들)은 광 추출에 도움이 되는 것으로 알려져 있다[20]. 도 4는 원뿔 형상(40, 33)으로부터 탈출한 광의 진행을 도시한다. 형상-공기 경계(42)에서 입사된 광선(41)은 질화물 반도체-공기 경계(또는 형상-공기 경계, 42)를 통하여 전달되거나(점선 화살표(43)), 또는 경계(42)에 의하여 반사된다(실선 화살표(44)). 반사된 광선들(44)의 대부분은, 반도체-공기 계면(또는 형상-공기 계면, 42)에서 입사 각도(90도 내지 θ)의 증가를 야기하는 형상(40) 내부의 반사(45)가 후속하여 수행된 후에, 형상-공기 계면(42)에서 거의 수직으로 입사됨에 따라 원뿔(40)로부터 최종적으로 탈출(46)할 수 있다. 상술한 바와 같이, 형상-공기 경계(42) 및 반도체-공기 계면은 균등물이다. 광선들(41)은 활성 영역으로부터 시작되고, 예를 들어 형상(40)은 질화물의 n-형 층을 가지는 계면(47)을 통상적으로 가질 수 있다.
도 5는 거칠게한 표면의 광학현미경 사진이다. 색상이 없고 어두운 표면은 거칠게한 공정의 결과이고, 공기 및 GaN의 경계에서 산란된 광에 기인할 수 있고, 이러한 표면은 일반적으로 매끄럽고 "거울-같은" 대응물에 비하여 더 우수한 광 추출 특성들을 가진다[19].
도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 원뿔 형상들(60)의 갯수 밀도와 측벽 경사각(61), 원뿔 지름들(62, 63), 및 원뿔의 높이(64)를 포함하는 거칠게된 형상들(60)의 모양들은 적절한 식각 마스크들과 적절한 식각 조건들을 사용하여 최적의 광 추출을 위하여 조정될 수 있다. 플라즈마-도움 화학 식각은 비-평형 공정임을 유의하여야 하며, 따라서 이러한 거칠게하는 공정은 그들의 결정 방위들 및 극성에 무관하게 어떠한 질화물 반도체 표면들 상에 적용될 수 있다.
이러한 설계와 함께, 활성 영역 내에서 생성된 광은 상기 다이의 양측면들로부터 효과적으로 탈출할 수 있다. 상기 기판을 향하여 전달되는 광의 추출 효율은 상당히 증가될 수 있고, 이는 표면 거칠기에 기인한다. 결과적으로, 출력 전력의 개선이 기대된다.
제조 공정들
도 7은 본 발명의 공정 단계들을 도시한다.
블록 70은, 예를 들어 유기금속 화학 기상증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)에 의하여 양면 연마된 프리스탠딩 GaN 기판 상에 에피택셜 층들을 성장하는 단계를 도시하고, 이에 따라 샘플을 생성한다.
블록 71은 p-형 도판트들의 활성화(p-형 활성화)를 위하여 상기 샘플을 어닐링하는 단계를 도시한다.
블록 72는 플라즈마-도움 화학 식각을 통하여 표면을 거칠게하는 단계를 도시한다.
블록 73은 용매들과 산들을 이용하여 상기 거칠게된 샘플을 세정하는 단계(샘플을 세정함)을 도시한다.
블록 74는 p-형 전극 (상기 p-형 층 상에), 예를 들어 니켈 및 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 반투명 전극을 증착하는 단계를 도시한다.
블록 75는, 예를 들어 염소계 건식 식각을 이용하여 메사 영역을 정의하는 단계를 도시한다.
블록 76은 p-형 및 n-형 금속 패드들을 증착하는 단계, 예를 들어 티타늄, 알루미늄, 니켈, 금 n-형 전극 및 p-형 전극들을 증착하는 단계를 도시한다.
블록 77은 예를 들어 매달린 모양 내에 상기 발광 다이오드를 패키지하는 단계를 도시한다.
가능한 변형들과 변화들
상기 발광 다이오드는 극성 c-면 (0001) (Al, Ga, In)N, 비극성 a-면 (11-20) 및 m-면 (1-100) (Al, Ga, In)N, 또는 반극성 (Al, Ga, In)N을 포함할 수 있고, 반극성은 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수들, 및 0이 아닌 l 밀러 지수{hijl}를 가지는 다양한 평면들을 지칭한다.
또한, 프리스탠딩 및 벌크 GaN 기판들 뿐만 아니라, 상기 발광 다이오드는, 예를 들어, 사파이어, 실리콘 탄화물, 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 인듐 포스파이드, 또는 스피넬(spinel) 웨이퍼와 같은 외부 기판 상에 성장될 수 있고, 예를 들어 레이저 리프트-오프(laser lift-off)와 같은 기술들이 상기 기판 및 상기 질화물 반도체를 분리하도록 사용될 수 있고, 이에 따라 거칠게하는 공정이 수행될 수 있다.
거칠게할 표면의 결정 방위가 반극성 (11-22) 방위의 GaN 표면인 경우에는, 표면을 거칠게하는 것은 광 강화 화학 식각 공정에 의하여 수행될 수 있다. 상기 거칠게한 표면은 c-극성 (0001) GaN 표면 및 m-면 [1-100] GaN 표면들로 구성된 하나 또는 그 이상의 삼각형 피라미드들에 의하여 덮일 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같다.
이러한 거칠게하는 기술은 바람직한 실시예에 의하여 개시된 구조들 외에도 다양한 높은 광 추출 효율 발광 다이오드 구조들에 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 높은 광 추출 효율 발광 다이오드를 개략적으로 도시한다. 상기 발광 다이오드는, 플립-칩 구조에 있어서, 본 발명에 의하여 거칠게된(92) 프리스탠딩 GaN 기판(91), n-형 III족-질화물(93), n-형 전극(94), III족-질화물 활성 영역(95), p- type III족-질화물층(96), p-형 전극 및 광 반사기(97), 및 호스트 서브-마운트(98)를 포함한다. 화살표(99)는 상기 발광 다이오드에 의하여 발광된 광의 가능한 궤적을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 높은 광 추출 효율 발광 다이오드를 개략적으로 도시한다. 상기 발광 다이오드는 n-형 III족-질화물층(1001), III족-질화물 활성 영역(1002), p-형 III족-질화물층(1003), n-형 전극(1004), 및 호스트 서브-마운트(1005)를 포함한다. 프리스탠딩 GaN 기판(1007)의 후면(1006)은 본 발명에 따라 거칠게된다. p-형 III족-질화물층(1003)에 인접하여 p-형 전극을 가지는 n-형 아연 산화물(ZnO) 원뿔-모양 요소(1008)가 위치하고, p-형 층(1003)을 향하여 활성층(1002)에 의하여 발광된 광(1009a)의 광 추출을 개선할 수 있다. 화살표(1009a, 1009b)는 상기 발광 다이오드의 활성 영역(1002)으로부터 발광된 광의 가능한 궤적을 나타낸다. 외부 매질(1010)이 또한 도시되어 있다.
도 11은 III족-질화물 발광 다이오드를 제조하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
블록 1100은 텍스쳐된 표면(1006)을 형성하기 위하여 상기 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성 또는 비극성 평면의 적어도 하나의 표면을 텍스쳐링(texturing)하는 단계를 도시한다. 상기 텍스쳐링하는 단계는 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 수행된다. 상기 텍스쳐링하는 단계는 상기 식각이 후속되는 포토리소그래피에 의하여 수행될 수 있다. 텍스쳐된 표면(1006)은 상기 식각이 후속되는 나노-임프린팅(nano-imprinting)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 발광 다이오드의 활성 영역에 의하여 발광된 광은 텍스쳐된 표면(1006)으로부터 대부분 추출될 수 있다. 블록 1100의 상기 텍스쳐링하는 단계는 하기의 단계들을 더 포함할 수 있다(또한 도 4에 도시됨):
(1) 블록 1101: 적어도 하나의 측벽(42)을 가지는 적어도 하나의 형상(40)을 생성하는 단계로서, 상기 측벽은 상기 형상(40)의 내부로부터 입사된 적어도 하나의 광선(41)을 반사(44)하고 전달(43, 46)하는 상기 형상을 생성하는 단계; 및
(2) 블록 1102: 상기 광선이 반사(44)될 때마다 상기 측벽(42)에 수직한 표면에 대한 상기 광선(44)의 입사 각도(θ)가 감소하도록 하고, (a) 상기 광선의 입사 각도(θ)가 임계 각도(θc)보다 작은 경우에는, 상기 측벽(42)을 통한 상기 광선의 전달(46)이 증가되도록 하고, (b) 상기 광선(41, 44)의 입사 각도(θ)가 임계 각도(θc)와 적어도 동일한 경우에는, 상기 측벽(42)에 의하여 상기 광선이 적어도 부분적으로 반사(44)되도록 상기 측벽을 경사지게 하는 단계;를 포함한다. 임계 각도(θC)는 전체 내부 반사가 발생하는 θC = arcsin (nexternal/ninternal)이며, nexternal는 외부 매질(1015)의 굴절률이고, ninternal은 내부 매질, 즉 형상(40)의 굴절률이다. 표면 수직(n)은 측벽(42)에 대하여 수직인 가상 선이다.
블록 1103 (도 4 및 도 10에 도시됨)은 도 11의 방법을 이용하여 제조된 소자를 나타낸다. 상기 소자는 III족-질화물 발광 다이오드일 수 있고, 상기 소자는, n-형 III족-질화물(1001); p-형 III족-질화물(1003); n-형 III족-질화물(1001) 과 p-형 III족-질화물(1003) 사이에 형성되고 광(1009a, 1009b)을 발광하는 III족-질화물 활성층(1002); 기판(1007) 상에 또는 n-형 III족-질화물(1001) 상에 위치하고, 외부 매질(1010)과 계면을 형성하는 III족-질화물 광 추출 표면(1006)을 포함한다. III족-질화물 광 추출 표면(1006)은 상기 계면에서 외부 매질(1010) 내로 광(1009b)을 전달하고 상기 계면에서 상기 광을 반사하는 적어도 하나의 경사진 측벽(42)을 가지는 형상들(40)을 가진다. (1) 형상들(40) 내에서 후속의 반사들이 수행된 후에, 반사된 광(44)은 계면(42)에 대하여 증가된 입사 각도(90도 내지 θ)를 가지고, 또한 결과적으로 외부 매질(1010)에 전달(1009b)되는 증가된 기회를 가지고, (2) n-형 III족-질화물(1001), p-형 III족-질화물(1003), 및 III족-질화물 활성층(1002)은 반극성 또는 비극성 층들이다. 외부 매질(1010)은 통상적으로 상기 III족-질화물에 비하여 작은 굴절률을 가지는 매질이고, 예를 들어 공기 또는 진공이다.
상술한 바와 같이, III족-질화물들은 III-족 질화물들, 또는 질화물들, 또는 (Al,Ga,In, B)N, 또는 Al(1-x-y)InyGaxN (여기에서 0 < x < 1 및 0 < y < 1)을 지칭할 수 있다.
장점들 및 개선점들
본 발명의 두드러진 장점은 비극성 및 반극성 방위들을 따라서 성장한 발광 다이오드들을 포함하는 질화물계 발광 다이오드로부터 광 추출 효율을 상당히 증가시키는 것이다. 또한, 본 발명은 광자 결정을 사용하는 것과 같은 다른 광 추출 증가 기술들과 비교하여 더 간단하다. 더 중요한 점은, 간단한 광 추출 증가 기술인 광 강화 화학 식각과는 다르게, 본 발명은 결정 구조들에 무관하게 어떠한 질화물 반도체 표면(들)에 적용될 수 있도록 더 다목적이라는 것이다. 본 발명은 고 전력 및 고효율 발광 다이오드들을 가능하게 한다.
참조 문헌들
하기의 참조 문헌들은 본 명세서에 참조로서 결합된다.
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2. Appl. Phys. Lett., 69(27), pp. 4188-2190 (1996).
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4. Phys. Status Solidi B, 216(1), pp. 391-398 (1999).
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7. Jpn. J. Appl. Phys. 42, pp. L1039-1040 (2003).
8. Appl. Phys. Lett., 87, pp. 231110-231110-3 (2005).
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10. J. Appl. Phys., 100, pp. 113109-113109-5 (2006).
11. Jpn. J. Appl. Phys., 46, pp. L154-L157 (2007).
12. Jpn. J. Appl. Phys., 46, pp. L129-L131 (2007).
13. Appl. Phys. Lett., 90, pp. 233504-233504-3 (2007).
14. Electronics Lett., 43. No. 15 (2007).
15. Phy. Status Solidi (RRL), 1, No. 4, pp. 162-164 (2007).
16. Phys. Stat. Sol. (a) 178, pp. 331 (2000).
17. "Light-Emitting Diodes" (2nd Edition), Cambridge, pp. 93
18. Appl. Phys. Lett., 79, pp. 711-714 (2001).
19. Appl. Phys. Lett., 84(6), pp. 855-858 (2004).
20. J. Crys. Grow., 298, pp. 703-705 (2007).
21. "Highly Selective PEC Etching of GaN Device structures," pp. 80-90 (2004)
결론
이는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 대한 결론이다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 상술한 설명은 이해와 설명을 위한 목적으로서 개시되어 있다. 개시된 정확한 형상으로 본 발명을 배제하거나 한정하려는 목적이 아님을 유의한다. 많은 변형들과 변화들이 상술한 가르침 내에서 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 상세한 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 하기에 첨부된 청구항들에 의하여 한정된다.
10: n-형 전극, 11: n-형 III족-질화물층, 12: III족-질화물 활성 영역,
13: p-형 III족-질화물층, 14: p-형 전극, 15: 금 주석 본딩,
16: 실리콘 서브-마운트, 17: 후면, 18: 화살표,
20: p-형 금속 전극, 21: 반투명 p-형 전극, 22: p-형 III족-질화물층,
23: III족-질화물 활성 영역, 24: n-형 III족-질화물층, 25: GaN 기판,
26: 금속 헤더, 27: 금속 와이어, 28: 금속 와이어, 29: n-형 금속 전극,
30: 몰드, 31: 화살표, 32: 후측 표면,
40: 원뿔 형상, 41: 광선, 42: 형상-공기 경계, 43: 점선 화살표,
44: 실선 화살표, 45: 반사, 46: 탈출, 47: 계면,
60: 원뿔 형상, 61: 측벽 경사각, 62, 63: 원뿔 지름, 64: 원뿔의 높이

Claims (9)

  1. III족-질화물 발광 다이오드(light emitting diode, LED)의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은,
    텍스쳐된(textured) 표면을 형성하기 위하여, 상기 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성(semipolar) 또는 비극성(nonpolar) 평면의 적어도 하나의 표면을 텍스쳐링(texturing)하는 단계를 포함하고,
    상기 텍스쳐링하는 단계는 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스쳐링하는 단계는 상기 식각이 후속되는 포토리소그래피에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스쳐된 표면은 상기 식각이 후속되는 나노-임프린팅(nano-imprinting)을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 활성 영역에 의하여 방출된 광은 상기 텍스쳐된 표면으로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스쳐링하는 단계는
    (1) 적어도 하나의 측벽을 가지는 적어도 하나의 형상(feature)을 생성하는 단계로서, 상기 측벽은 상기 형상의 내부로부터 입사된 적어도 하나의 광선을 반사하고 전달하는 상기 형상을 생성하는 단계; 및
    (2) 상기 광선이 반사될 때마다 상기 측벽에 수직한 표면에 대한 상기 광선의 입사 각도가 감소하도록 하고,
    (a) 상기 광선의 입사 각도가 임계 각도보다 작은 경우에는, 상기 측벽을 통한 상기 광선의 전달이 증가되도록 하고,
    (b) 상기 광선의 입사 각도가 임계 각도와 적어도 동일한 경우에는, 상기 측벽에 의하여 상기 광선이 반사되도록,
    상기 측벽을 경사지게 하는 단계;
    를 더 포함하는 III족-질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  6. 발광 다이오드의 III족-질화물층의 반극성 또는 비극성 평면의 적어도 하나의 텍스쳐된 표면으로부터 광을 발광하는 단계를 포함하고,
    상기 텍스처는 플라즈마-도움 화학 식각에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드의 발광 방법.
  7. (a) n-형 III족-질화물;
    (b) p-형 III족-질화물;
    (c) 광을 방출하고 상기 n-형 III족-질화물과 상기 p-형 III족-질화물 사이에 형성된 III족-질화물 활성층; 및
    (d) 상기 n-형 III족-질화물 상에 위치하고 외부 매질과 함께 계면을 형성하는 III족-질화물 광 추출 표면;
    을 포함하고,
    상기 III족-질화물 광 추출 표면은 상기 계면에서 외부 매질 공기로 상기 광을 전달하고 상기 계면에서 상기 광을 반사하는 적어도 하나의 경사진 측벽을 가지는 형상들을 포함하고,
    (1) 상기 형상들 내에서 후속의 반사들이 수행된 후에, 상기 반사된 광은 상기 계면에 대하여 증가된 입사 각도를 가지고, 또한 결과적으로 상기 외부 매질에 전달되는 증가된 기회를 가지고,
    (2) 상기 n-형 III족-질화물, 상기 p-형 III족-질화물, 및 상기 III족-질화물 활성층은 반극성 또는 비극성 층들인 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 매질은 III족-질화물에 비하여 작은 굴절률을 가지는 매질인 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 매질은 공기 또는 진공인 것을 특징으로 하는 III족-질화물 발광 다이오드.
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