KR20110090371A - 발광다이오드 칩 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드 칩 및 그 제조방법에 관한 것으로, 발광다이오드 칩을 구성하는 사파이어 기판의 상,하부면에 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 패턴을 형성함과 더불어, 고분자 박막층인 에피층 상에 광 추출 효율을 향상시키기 위한 새로운 광 추출층을 증착하고, 상기 광 추출층에 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 패턴을 형성하여 광 추출 효율 및 열 방출 성능을 향상시키고, 전기적 성능 저하를 방지할 수 있도록 한 것이다.
Description
본 발명은 발광다이오드 칩과 이 발광다이오드 칩을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 칩을 구성하는 사파이어 기판의 상,하부면에 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 패턴을 형성함과 더불어, 고분자 박막층인 에피층 상에 광 추출 효율을 향상시키기 위한 새로운 광 추출층을 증착하고, 상기 광 추출층에 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 패턴을 형성하여 광 추출 효율 및 열 방출 성능을 향상시키고 전기적 성능의 저하를 방지할 수 있는 발광다이오드 칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 발광다이오드의 수요는 날이 갈수록 증가되고 있으며, 질화물계 반도체를 기반으로 본격적인 발광다이오드 응용시대가 도래하게 되었다. 발광다이오드는 반도체의 빠른 처리속도와 낮은 전력소모 등 장점을 가지고 있고 환경 친화적이면서도 에너지 절약효과가 높아 저탄소 녹색 성장의 국가 전략제품으로 꼽히고 있다. 발광다이오드는 그 효율성에 있어서 기존의 조명을 대체 할 정도의 밝기와 수명을 가지고 있으며 이러한 장점에 대한 신뢰성을 높이는 것이 가장 핵심요소로 부각되고 있다.
이러한 발광다이오드는 지지대 역할을 하는 사파이어 기판과, 전자를 전달하는 n형 GaN층, 전자와 정공이 만나서 에너지 밴드갭 만큼의 에너지에 해당하는 파장의 광자를 생성하는 MQW층, 정공을 전달하는 p형 GaN층, 빛이 투과할 수 있고 전기를 전달하는 투명전극층 등의 구조로 되어 있다.
발광다이오드는 효율성에 있어서 크게 발광다이오드 내부에서 얼마만큼의 광자가 생성되는지를 나타내는 내부양자효율과, 생성된 광자들이 외부로 나오게 되는 정도를 나타내는 외부양자효율, 광 추출 효율로 나눌 수 있는데, 에피층을 증착시에 쓰이는 재료들의 순도와 증착된 정렬 정도에 따라 내부양자효율은 이미 결정이 되며, 광 추출 효율의 경우에는 발광다이오드의 성능 및 신뢰성에 있어서 중요한 역할을 차지하지만 아직까지 발전이 미흡한 실정이다.
첨부된 도면을 참조하여 종래에 사용되고 있는 일반적인 발광다이오드 칩의 구조에 대해 좀 더 상세히 설명을 하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 발광다이오드의 칩의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 지지대 역할을 하며 상부면에 요철패턴(1a)이 형성된 사파이어 기판(1)과, 상기 사파이어기판(1) 상부에 MOCVD를 이용하여 증착되는 n-GaN 층(2), MQW층(3), P-GaN 층(4), 투명한 ITO 전극층(5)으로 이루어진 고분자 박막층인 에피층(6)과, 상기 에피층(6) 위에 형성되는 전극패드(7, 8)로 이루어지며, 상기 에피층(6)은 에폭시 등의 봉지재(미도시)에 의해 외부로부터 밀봉되어 보호된다.
여기서, 상기 사파이어 기판(1)의 상부면에 형성되는 요철패턴(1a)은, MOCVD를 이용하여 사파이어 기판(1)의 상부면에 고분자 물질을 수마이크로 높이로 박막증착을 하고, 그 위에 포토 리소그래피(Photo Lithography) 또는 E-beam Lithography를 이용하여 만들어진다.
그런데, 상술한 것과 같은 종래의 발광다이오드 칩은 사파이어 기판(1) 상에 요철패턴(1a)을 형성시키기 위한 고분자층을 증착하고 그 위에 패턴을 형성하기 때문에 공정 수행 중 오염의 위험이 있으며, 여러 단계를 거치게 되므로 공정이 복잡해지는 문제점을 가지고 있다.
또한, 종래의 발광다이오드칩은 사파이어 기판(1)의 상부면에만 요철패턴이 형성되어 있으므로, 광 추출 효율 및 열 방출 효율이 낮은 문제가 있다.
이러한 광 추출 효율 및 열 방출 효율을 향상시키기 위한 목적으로 상기 에피층(6)의 상부인 투명전극층(5) 또는 p-GaN층(4)에 요철패턴을 형성하는 구조가 제시되었으나, 이 구조는 요철패턴을 형성함으로 인해 발생하는 파손 부위에서의 전기적성질의 저하와 전류퍼짐현상, 주변과의 굴절률차로 인한 회절 한계의 문제점을 가지고 있어 광효율을 저하시키는 문제를 유발한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 사파이어 기판의 상,하부면에 요철 패턴을 형성하고, 고분자 박막층인 에피층에 광 추출 효율을 향상시키기 위한 새로운 광 추출층을 증착하여 이 광 추출층에 요철 패턴을 형성함으로써 광 추출 효율 및 열 방출 성능을 향상시킴과 더불어 전기적성질의 저하와 전류퍼짐현상 등을 방지할 수 있는 발광다이오드 칩을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 사파이어 기판의 상,하부면 및/또는 광 추출층에 요철 패턴을 형성함에 있어서 공정을 단순화시킬 수 있으며, 공정 수행 중 오염의 가능성을 대폭 줄일 수 있는 발광다이오드 칩의 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 범주에 따르면, 상부면에 요철패턴이 형성된 기판과; 상기 기판의 상부면에 순차적으로 증착되는 복수의 고분자 물질층으로 이루어진 에피층과; 상기 에피층을 외부로부터 밀봉시키는 봉지재 및; 상기 에피층의 상부에 형성되며, 에피층의 굴절률과 상기 봉지재 또는 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료로 이루어진 광 추출층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩이 제공된다.
본 발명의 다른 한 범주에 따르면, 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 기판의 상부면에 요철패턴을 형성하는 제1단계와; 상기 기판의 상부면에 복수의 고분자 물질층을 순차적으로 증착하여 에피층을 형성하는 제2단계와; 상기 에피층의 상부면에 에피층의 굴절률과 봉지재 또는 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료로 광 추출층을 증착시키는 제3단계를 포함하여 구성된 발광다이오드 칩의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 발광다이오드 칩의 기판의 상부면과 하부면에 요철패턴이 형성되므로 기판에서의 광 추출 효율 및 열 방출 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 에피층의 상부에 광 추출층이 형성되고, 이 광 추출층에 요철패턴이 형성되므로, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 기존의 에피층에 요철패턴을 형성함으로 인해 발생하는 전기적성질의 저하와 전류퍼짐현상, 주변과의 굴절률차로 인한 회절 한계의 문제점 등을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 발광다이오드 칩 제조방법에 따르면, 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식을 이용하여 상기 기판의 상부면과 하부면, 광 추출층에 요철패턴을 형성할 수 있으므로 공정을 단순화시킬 수 있으며, 공정 수행 중 오염의 가능성을 대폭 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 발광다이오드 칩의 구성의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 칩의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발광다이오드 칩의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 발광다이오드 칩의 사파이어 기판에 요철패턴을 형성하는 공정의 일례를 순차적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 칩의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발광다이오드 칩의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 발광다이오드 칩의 사파이어 기판에 요철패턴을 형성하는 공정의 일례를 순차적으로 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광다이오드 칩 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 칩의 구성을 나타낸 것으로, 발광다이오드 칩은 사파이어 기판(10)과; 상기 사파이어 기판(10)의 상부면에 순차적으로 증착되는 n-GaN 층(21), MQW층(22), P-GaN 층(23), ITO 전극층(24)으로 이루어진 고분자 박막층인 에피층(20)과; 상기 에피층(20)의 상부면에 증착되는 광 추출층(30)과; 상기 에피층(20) 위에 형성되는 전극패드(41, 42) 및; 상기 에피층(20) 등을 밀봉하여 외부로부터 보호하는 봉지재(미도시) 등으로 구성된다.
상기 에피층(20)을 형성하는 n-GaN 층(21)은 전자를 전달하는 기능을 하며, 상기 MQW층(22)은 활성층으로서 전자와 정공이 만나서 에너지 밴드갭 만큼의 에너지에 해당하는 파장의 광자를 생성하며, P-GaN 층(23)은 정공을 전달하는 기능을 한다. 그리고, ITO 전극층(24)은 빛이 투과할 수 있는 투명전극층으로서 전기를 전달하는 기능을 한다.
상기 사파이어 기판(10)의 상부면과 하부면 각각에는 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 요철패턴(11, 12)이 형성된다. 상기 사파이어 기판(10)의 상부에 형성되는 요철패턴(11)은 상기 MQW층(22)에서 생성된 광자가 전반사 또는 난반사되게 함으로써 광 손실을 방지하는 기능을 하며, 하부에 형성되는 요철패턴(12)은 면적을 증대시킴으로써 열 방출량을 증대시키는 기능을 한다. 상기 요철패턴(11, 12)들은 반구형이나 돔형, 또는 원기둥형, 다각기둥형, 원추형, 다각뿔형, 다단형 등으로 이루어질 수 있으며, 사파이어 기판(10)의 상부면과 하부면에 대체로 일정한 간격으로 형성될 수도 있지만, 불규칙적인 간격으로 형성될 수도 있다. 이 실시예에서는 사파이어 기판(10)의 상부면에 반구형의 요철패턴(11)이 일정 간격으로 형성되고, 사파이어 기판(10)의 하부면에 원기둥형의 요철패턴(12)이 일정 간격으로 형성된 것을 제시한다.
그리고, 상기 광 추출층(30)은 상기 ITO 전극층(24) 또는 P-GaN 층(23)의 굴절률과, 상기 봉지재(미도시) 또는 공기 사이의 굴절률을 갖는 재료로 이루어지는데, 이와 같이 구성하면, 에피층(20)과 이 에피층(20)의 상부면에 접하는 물질 간의 굴절률 차이를 줄일 수 있으며, 이에 따라 반사율을 줄일 수 있어 광 추출 효율이 향상되는 이점이 있다.
또한, 상기 광 추출층(30)의 상부면에는 광 추출 효율을 더욱 증대시키기 위한 요철패턴(31)이 형성되는데, 이 요철패턴(31) 역시 상기 사파이어 기판(10)의 요철패턴(11, 12)들과 마찬가지로 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 만들어지며, 반구형이나 돔형, 또는 원기둥형, 다각기둥형, 원추형, 다각뿔형, 다단형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 3과 도 4를 참조하여 상기 발광다이오드 칩을 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 3에 도시한 것과 같이, 상기 발광다이오드 칩을 제조하는 공정은 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 사파이어 기판(10)(도 2참조)의 상부면과 하부면에 요철패턴(11, 12)(도 2참조)을 형성하는 단계(단계 S1)와, 상기 사파이어 기판(10)의 상부면에 복수의 고분자 물질층을 순차적으로 증착하여 에피층(20)(도 2참조)을 형성하는 단계(단계 S2)와, 상기 에피층(20)의 상부면에 상기 광 추출층(30)(도 2참조)을 증착시키는 단계(단계 S3), 상기 광 추출층(30)의 상부면에 요철패턴(31)(도 2참조)을 형성하는 단계(단계 S4)로 이루어진다.
도 4를 참조하여, 상기 사파이어 기판(10)의 상부면에 요철패턴(11)을 형성하는 공정에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 먼저, 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 요철패턴(11)을 형성하기 위하여, 상기 요철패턴(11)과 대응하는 성형패턴(P)을 갖는 스탬프(S)를 제작한다. 상기 스탬프(S)는 실리콘과 같이 빛이 투과할 수 있는 투명한 재료로 만들어지며, 스탬프(S)의 성형패턴(P)은 E-beam 리소그래피 또는 포토 리소그래피 등을 이용하여 만들어진다.
상기와 같이 스탬프(S)가 제작되면, 도 4의 (A)에 도시된 것과 같이, 사파이어 기판(10)의 상부면에 액상의 포토레지스트(R)를 도포한다. 이어서, 도 4의 (B)에 도시한 것과 같이, 상기 스탬프(S)를 상기 포토레지스트(R) 상에 가압한 다음, 자외선(UV)을 조사하여 상기 포토레지스트(R)를 경화시킨다. 이 때, 상기 포토레지스트(R)가 광경화성이 아닌 열경화성인 경우 포토레지스트에 열을 가함으로써 경화시킨다.
이어서, 도 4의 (C)에 도시된 것과 같이 스탬프(S)를 제거하면 사파이어 기판(10)의 상부면에 경화된 포토레지스트가 남게 된다. 이 상태에서 도 4의 (D)에 도시한 것처럼 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 E-beam 에칭을 이용하여 잔여층을 제거하여 도 4의 (E)에 도시된 것과 같은 원하는 크기와 형태의 요철패턴(11)만 남긴다.
전술한 것과 동일한 방식으로 사파이어 기판(10)의 하부면에도 원하는 형태와 크기의 요철패턴(12)을 형성한다.
상술한 것과 같이 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식으로 사파이어 기판(10)의 상부면과 하부면에 요철패턴(11, 12)이 형성되면, 상기 사파이어 기판(10)의 상부면에 유기금속화학증착(MOCVD) 등을 이용하여 n-GaN 층(21), MQW층(22), P-GaN 층(23), ITO 전극층(24), 광 추출층(30)을 차례로 증착시킨다(단계 S2, S3).
이어서, 전술한 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 상기 광 추출층(30)의 상부면에 요철패턴(31)을 형성한다(단계 S4).
이 후, 에피층(20) 상에 전극패드(41, 42)을 형성하고, 봉지재(미도시)로 밀봉하여 발광다이오드 칩을 완성한다.
이와 같이 본 발명의 발광다이오드 칩은 사파이어 기판(10)의 상부면과 하부면에 요철패턴(11, 12)이 형성되므로 사파이어 기판(10)에서의 광 추출 효율 및 열 방출 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 에피층(20)의 상부에 광 추출층(30)이 형성되고, 이 광 추출층(30)에 요철패턴(31)이 형성되므로, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 에피층(20)에 요철패턴을 형성함으로 인해 발생하는 전기적성질의 저하와 전류퍼짐현상, 주변과의 굴절률차로 인한 회절 한계의 문제점 등을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 발광다이오드 칩의 제조방법에 따르면, 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography) 방식을 이용하여 사파이어 기판(10) 및 광추출층(30)에 요철패턴(31)들을 형성할 수 있으므로 공정을 단순화시킬 수 있으며, 공정 수행 중 오염의 가능성을 대폭 줄일 수 있는 이점이 있다.
10 : 사파이어 기판 11, 12 : 요철패턴
20 : 에피층 21 : n-GaN 층
22 : MQW층 23 : P-GaN 층
24 : ITO 전극층 30 : 광 추출층
31 : 요철패턴 41, 42 : 전극패드
S : 스탬프 R : 포토레지스트
P : 성형패턴
20 : 에피층 21 : n-GaN 층
22 : MQW층 23 : P-GaN 층
24 : ITO 전극층 30 : 광 추출층
31 : 요철패턴 41, 42 : 전극패드
S : 스탬프 R : 포토레지스트
P : 성형패턴
Claims (8)
- 상부면에 요철패턴이 형성된 기판과;
상기 기판의 상부면에 순차적으로 증착되는 복수의 고분자 물질층으로 이루어진 에피층과;
상기 에피층을 외부로부터 밀봉시키는 봉지재 및;
상기 에피층의 상부에 형성되며, 에피층의 굴절률과 상기 봉지재 또는 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료로 이루어진 광 추출층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩. - 제1항에 있어서, 상기 광 추출층의 상부면에는 나노임프린트 리소그래피(NIL) 방식에 의해 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 기판의 하부면에도 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩.
- 제3항에 있어서, 상기 기판의 상부면과 하부면에 형성되는 요철패턴은 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩.
- 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 기판의 상부면에 요철패턴을 형성하는 제1단계와;
상기 기판의 상부면에 복수의 고분자 물질층을 순차적으로 증착하여 에피층을 형성하는 제2단계와;
상기 에피층의 상부면에 에피층의 굴절률과 봉지재 또는 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료로 광 추출층을 증착시키는 제3단계를 포함하여 구성된 발광다이오드 칩의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 제1단계에서 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)를 이용하여 기판의 하부면에도 요철패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 제3단계에서 광 추출층의 상부면에 요철패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 광 추출층의 요철패턴은 나노임프린트 리소그래피(NIL: nanoimprint Lithography)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩의 제조방법.
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