KR20110024762A - 패턴 사파이어 서브스트레이트 및 이를 이용한 발광소자 - Google Patents

Abstract

(가) 발광다이오드(LED)

(나) LED에 있어서 활성층에서 발생한 빛은 극히 일부분만 발광다이오드 밖으로 빠져나오기 때문에 일반적으로 발광다이오드의 외부 양자효율은 높은 내부 양자효율에도 불구하고 20%를 넘기 어렵다.

(다) Patterned Sapphire Substrate(PSS)를 이용하여 LED 박막을 성장할 경우 활성층에서 발생한 빛이 기판에 형성된 요철에 의하여 방향이 굴절되거나 산란 되어, LED 칩 외부로 방출되는 확률이 높아져 결국 LED의 외부 양자효율이 증가하게 된다.

(라) 본 발명은 발광다이오드의 광출력을 향상시키기 위하여 상기에 설명한 기판에 요철을 형성하는 방법을 이용함에 있어서, 상기 기판에 형성하는 요철의 형태 및 배열에 관한 것으로 기존 기술이 사용하던 벌집 구조보다 광출력이 우수하고 성장도 용이한 패턴 형성에 관한 방법을 제공한다.

발광다이오드, Patterned Sapphire Substrate(PSS), 외부양자효율,

Description

패턴 사파이어 서브스트레이트 및 이를 이용한 발광소자{Patterned Sapphire Substrate and with this light-emitting diodes}

본 발명은 발광다이오드의 광출력을 향상시키기 위하여 기판에 형성하는 요철의 형태 및 배열에 관한 것이다.

LED에 있어서 활성층에서 발생한 빛의 극히 일부분만 발광다이오드 밖으로 빠져나온다. 따라서 일반적으로 발광다이오드의 외부 양자효율은 높은 내부 양자효율에도 불구하고 20%를 넘기 어렵다.

이와 같이 되는 이유는 발광다이오드를 형성하는 반도체 물질의 굴절률과 주변의 에폭시 또는 공기와의 굴절률 차이로 인하여, 발광다이오드 내부에서 발생한 빛 중에서 칩과 에폭시 또는 칩과 공기 계면의 전반사각도 보다 작은 각으로 입사되는 빛만 방출될 수 있기 때문이다. 그리고 전반사 각도보다 큰 각도로 계면에 입사된 빛은 발광다이오드 내부에서 전반사를 계속 할 수밖에 없고, 결국 내부에 다시 흡수되어 열로 바뀌게 된다. 이 문제를 해결하기 위하여, 발광다이오드 칩 표면에 거칠기를 형성하는 방법을 사용하거나, 발광다이오드 내부에 이물을 광산란점으로 집어넣고 성장하는 방법과, 기판에 요철을 형성하는 방법 등이 개발되어 사용되 고 있는데, 이와 같은 방법은 발광다이오드 내부의 광의 진행을 분산시켜, 몇 번의 반사 후에는 빛이 방출될 수 있도록 하게 함이다.

종래에 사용하던 patterned sapphire substrate(pss)의 요철은 그림 1과 같이 벌집 구조로 배치하였다. 이 pattern형태는 패턴과 패턴 사이의 공간을 최소로 할 수 있는 배열구조이다. 하지만, 패턴과 패턴 사이의 공간은 박막성장에 있어서 중요한 역할을 하는 공간으로 최소한 수um 이상의 공간이 확보되어야 하며, 이는 성장장비 또는 성장공정에 따라서 조금씩 다를 수 있다. 따라서 패턴과 패턴 사이의 공간이 수um 정도 충분히 확보되어야 하는데, 벌집 구조의 경우 패턴과 패턴 사이의 간격을 늘일 경우 전체 면적에 대한 패턴이 차지하는 비율이 급격히 감소하게 된다. 발광다이오드의 광출력은 요철의 밀도가 증가함에 따라 요철에 의한 광분산도 증가하고, 따라서 발광다이오드의 광출력도 증가하는 경향을 보인다. 하지만, 앞의 설명처럼 패턴 간의 간격이 증가하여 패턴의 밀도가 감소하면, 광출력도 감소하게 되는 단점이 있다.

패턴의 밀도도 높이면서, 초기성장에 필요한 공간도 충분히 확보하기 위하여 본 발명에서는 PSS pattern 을 형성함에 있어 기존의 벌집구조에서 그림 2와 같이 pattern 열이 직교하는 형태로 배열을 한다. 그림에서 보듯이 본 발명에 의한 배열은 pattern 사이의 공간을 최소로 하는 배열이 아니지만, 그림2에서 보듯이 pattern 을 접하여 배열을 하더라도, 패턴 사이에 충분한 빈 공간이 만들어지는 것을 알 수 있다. 이 경우 충분히 밀집하여 배열한 벌집구조에 비하여 빈 공간이 많 이 형성되어 광분산 효과가 줄어들 것으로 생각이 되지만, 성장을 위해 패턴사이에 간격을 준 벌집구조에 비하여 그림1, 2에서 비교하여 바로 알 수 있듯이 직교배열이 더 높은 패턴밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 구성을 발광소자에 적용할 경우 기존의 벌집형태의 배열에 비하여 광출력을 높일 수 있을 것이다.

또한, 기판에 요철을 형성함에 있어서, 그림 3, 4 와 같이 여러 가지 기하학적인 모양을 생각할 수 있다. 이러한 모양은 원형, 삼각형, 사각형 등으로 lithography 공정과, 식각공정의 분해능이 허락하는 한 여러 가지의 모양을 기본 모양으로 하여 기판에 배열할 수 있다.

요철의 단면의 모양 또한 광출력에 중요한 역할을 하는데, 요철의 높이가 매우 작을경우, 평면과 거의 차이가 없이 광분산 능력이 많이 떨어질 것이라는 것은 상식적으로 이해할 수 있는 요소이다. 또한, 매우 높을 경우, 성장에 어려움이 있을 것이란 것도 상식적으로 이해할 수 있다. 따라서 이러한 요철의 크기와 모양의 최적화는 광출력을 최대화하고, 원활한 성장을 위하여 필수적인 요소이다.

이러한 패턴을 이용하여 요철을 형성할 경우 무엇보다도 요철의 높이와 측면의 경사도가 중요한 역할을 한다. 발광다이오드의 내부에서 발광 되는 빛의 파장은 발광다이오드의 종류에 따라서 가시광선영역에서 다양한 파장을 가지지만, 일반적인 전구와 달리 파장의 선 폭은 30nm 이하의 거의 단일광에 가까운 발광파장을 가지게 된다. 빛의 회절과, 굴절과 산란 등은 빛과 상호작용하는 물체의 모양과 크기에 주로 영향을 받는데, 물체의 크기가 파장보다 많이 작으면, 광을 분산시키는 능력이 떨어지고, 많이 크면, 성장에 어려움이 따른다.

요철의 크기는 발광다이오드의 발광파장의 크기보다 큰 것이 유리하다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 요철의 크기는 발광다이오드의 파장과 유사한 크기 이상으로 하는 것이 좋으며, 파장이상의 크기로 하는 것은 광출력에 크게 도움이 되지 않는 것을 알 수 있다.

요철의 높이는 요철의 크기의 절반 이상으로 하는 것이 좋다. 이와 같은 요철의 크기와 높이는 더 크게 키울 수도 있지만, 요철이 크기가 클수록 평탄한 성장면을 얻도록 성장하는 시간이 길어져 불리할 뿐 아니라, 그림 6에서 볼 수 있듯이 요철의 높이가 크기에 비하여 높아질 경우 광출력이 오히려 서서히 감소함을 알 수 있으며, 적정한 요철의 높이는 요철의 크기의 0.5배에서 0.8배이다. 이와 같이 본 발명에서는 요철의 크기를 적당히 하여, 광분산도 증가시키면서, 성장에도 적합한 요철의 크기와 형태를 제공한다.

기존에 사용하던 벌집 구조의 요철 보다 요철의 밀도를 높일 수 있었으며, 광출력이 증가하였다.

본 발명을 이용한 발광다이오드 생산 공정은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.

먼저, 사파이어 기판에 Photoresist(PR) 을 도포하는 공정, 상기 기판에 lithography 공정을 통하여 pattern 을 형성하는 단계, 상기 패턴이 형성된 기판을 Reactive Ion etcher(RIE) 을 이용하여 식각하는 단계와, 상기 기판을 이용하여 metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) 공정을 이용하여 발광다이오드 구조의 박막을 형성하는 단계와, 상기 공정에서 제작된 wafer를 이용하여 발광다이오드를 만드는 fabricaton 공정과 package 공정이다.

제1도는 종래기술 pattern

제2도는 개선기술 pattern

제3도는 요철의 단면

제4도는 요철의 단면

제5도는 요철크기에 따른 발광효율

제6도는 요철의 크기와 높이 비에 따른 발광효율

Claims (1)

1. 요철이 형성된 기판과, p-형, 발광층, n-형 반도체를 포함하는 질화물계 발광 소자에 있어서, 상기 기판에 형성된 요철이 직교형태(그림2)로 배열된 발광소자.

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