KR20110094976A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 발광 소자는, 기판 상에 서로 다른 전도성 타입의 제1 및 제2반도체 물질층, 제1 및 제2반도체 물질층 사이에 위치되며 광이 발생되는 활성층을 포함하는 적층 구조물 및 적층 구조물에 대해 비 평행면을 가져 난반사를 유도하고 내부 전반사를 줄이도록 된 자기 조립 폴리머 패턴을 구비한다.
Description
광 추출 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체를 이용한 전자산업은 그린(Green) 산업의 발전과 성장에 부합하는 분야로 기대를 모으고 있다. 특히 질화물 반도체 중 하나인 GaN의 경우, 발광 소자(LED)를 포함한 고출력 전자부품 소자의 핵심 소자인 적색, 녹색 및 청색 발광 소자 중 청색 발광 소자의 제조에 널리 상용되고 있다. 이는 기존의 청색 영역의 빛을 내는 발광 소자의 반도체 물질인 징크 세레나이드(ZnSe) 보다, GaN를 이용한 청색 발광 다이오드가 GaN의 뛰어난 물리, 화학적 특성 때문에 휘도와 수명, 그리고 내부 양자효율이 우수하기 때문이다. 또한 GaN는 직접 천이형의 밴드갭 구조를 가지면서 In 이나 Al의 합금을 통해 대략 1.9 ~ 6.2 eV 까지 밴드갭 조절이 가능하므로, 광소자로서의 이용 가치가 매우 크다. 또한 항복 전압이 높고, 고온에서도 안정하기 때문에 기존의 재료들로는 구현하지 못하는 고출력 소자나 고온 전자 소자 등 여러 분야에 유용하다. 예를 들어 풀 칼라 디스플레이(Full color display)를 이용한 대형 전광판이나, 신호등, 광기록 매체의 광원, 자동차 엔진의 고출력 트랜지스터 등에 이용될 수 있다.
종래 GaN 기반의 광 소자, 예를 들어 질화물 반도체 발광 소자는 일반적으로 2차원 구조의 박막 형태로 구현되었다. 반도체 발광 소자는 전력 소모가 상대적으로 적으면서도 밝기가 밝아 고효율, 친환경적인 광원으로서 디스플레이, 광통신, 자동차, 일반 조명 등 다양한 분야에 사용된다.
발광 소자에서 발광효율은 내부 양자 효율(internal quantum efficiency), 외부 양자 효율(external quantum efficiency) 등에 의해 주로 결정된다.
내부 양자 효율은 발광 소자에 주입되는 전자들에 대해 얼마나 많은 광자가 만들어지는가에 대한 특성 값으로, 이는 반도체 물질의 품질과 활성 영역에 대한 설계에 의해 결정될 수 있다. 외부 양자 효율은 생성된 광자가 발광 소자 밖으로 빠져 나오는 양에 대한 비율인 추출 효율(extraction efficiency)에 해당한다.
일반적인 2차원 구조의 발광소자의 이론적 내부 양자 효율이 거의 100%에 가깝지만 외부 양자 효율은 대략 3 ∼30% 정도 밖에 되지 못한다. 이는 발광 소자의 발광 활성층에서 발생되는 광이 반도체물질과 공기의 큰 굴절율 차이에 의해 일어난다.
2차원 구조의 질화물 반도체 발광 소자의 경우 소자 내부에서 발광된 광이 소자 외부로 나오기 위한 특정한 임계각이 존재하게 된다. 공기(nair=1), 에폭시(nepoxy=1.5), 사파이어(nsapphire=1.77) 등에 비해, GaN의 경우 굴절율이 약 2.5 정도로 큰 값을 가지기 때문에 다중 양자우물층 구조(MQW)의 활성층에서 생성된 광이 소자 외부로 빠져나갈 수 있는 임계각은 각각 GaN/공기=23˚, GaN/에폭시=37˚, GaN/사파이어=45˚ 로 매우 한정적이다. 따라서 임계각보다 큰 각도로 입사하는 광들은 소자 내부에서 흡수될 때까지 계속 전반사 되어 소자의 발열로 연결되기 때문에 기존의 2 차원 구조의 질화물 반도체 발광 소자는 대략 최대 8% 정도로 낮은 외부 양자 효율을 가진다. 이러한 2 차원 구조의 질화물 반도체 발광 소자의 한계를 극복하기 위해서 전반사를 효과적으로 줄이려는 연구가 진행되고 있다.
PEC 식각(photon enhanced chemical etching)을 이용하여 질화물 반도체의 표면에 굴곡을 주는 방법, 질화물 반도체 표면에 광자결정(photonic crystal)을 쌓고 이에 사진석판 기술로 나노단위의 패터닝하는 방법, 식각 마스크로 이용하여 p-GaN층 표면에 인위적으로 마이크로 단위의 굴곡 또는 패턴을 형성하는 방법 등이 외부 양자 효율 증가를 위해 사용되고 있는 기술이다.
그러나, 상기의 방법들은 모두 기판 상에 마스크층을 형성하고 이들을 패터닝하는 과정을 거쳐야 하는 등 공정이 상당히 복잡하다. 또한 거칠기 또는 굴곡을 주기 위해서 건식 식각을 주로 하게 되는데 식각 후 반도체 표면에 공공(vacancy), 불순물(impurity), 건식 식각 잔류물, 물리적 피해 등과 같은 결함들이 발생하여 소자 효율성이 감소된다. 더구나 건식 식각에 의한 비화학양론적인(nonstoichiometric) 표면이 형성되어 소자의 신뢰성이 저하될 뿐만 아니라 소자의 수명이 단축될 수 있다.
외부 양자 효율을 증가시킬 수 있도록 폴리머 물질의 자발적 패턴 형성을 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, 기판 상에 서로 다른 전도성 타입의 제1 및 제2반도체 물질층, 상기 제1 및 제2반도체 물질층 사이에 위치되며 광이 발생되는 활성층을 포함하는 적층 구조물; 및 상기 적층 구조물에 대해 비 평행면을 가져 난반사를 유도하고 내부 전반사를 줄이도록 된 자기 조립 폴리머 패턴;을 구비한다.
상기 제1반도체 물질층은 n형-질화 갈륨 층, 상기 제2반도체 물질층은 p형-질화 갈륨 층이고, 상기 활성층은 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 적층 구조물은 상기 제2반도체 물질층 상에 투명 전극층;을 더 포함할 수 있다.
상기 자기 조립 폴리머 패턴은 상기 투명 전극층 상에 형성되며, 상기 기판 상에, 상기 제1반도체 물질층, 활성층, 제2반도체 물질층, 투명 전극층, 자기 조립 폴리머 패턴 순서로 위치될 수 있다.
상기 적층 구조물은 상기 기판과 제1반도체 물질층 사이에 완충층;을 더 구비할 수 있다.
상기 자기 조립 폴리머 패턴은 상기 적층 구조물 상에 곡면 형태의 비 평행면을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자를 제조하기 위하여, 상기 적층 구조물이 형성된 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 웨이퍼 상에 이 웨이퍼에 접하는 위치에서 바깥으로 갈수록 이 웨이퍼와의 간격이 점점 벌어지는 면을 가지는 물체를 위치시킨 상태에서, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액을 상기 웨이퍼 상에 도포하여, 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 물체는 포인트나 라인 형태로 상기 적층 구조물과 접하도록 마련될 수 있다.
상기 폴리머 용질은 PVC, PMMA, PC, PET 및 스티렌 혼성 폴리머(styrene copolymer) 중 어느 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
상기 용매는 NMP(n-methyl 9pyrolidone), PMA(Propylene glycol monomethyl ether acetate), DBE(Dibasic ester), DMC(Dimethyl carbonate) 및 CYCLOHEXANE(Cyclohexane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법에 따르면, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액을 이용하여, 발광 소자의 적층 구조물 상에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하므로, 소자의 신뢰성 저하나 수명 단축을 초래할 수 있는 식각 과정 없이 결정성이 우수하고 외부 양자 효율을 증가된 발광 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 사시도를 보여준다.
도 2는 도 1의 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 과정을 개략적으로 보여준다.
도 8 및 도 9는 도 4의 적층 구조물이 형성된 웨이퍼의 일부 영역을 확대하여 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 과정에 사용될 수 있는 물체의 다른 예를 보여준다.
도 11a는 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하지 않은 발광 소자를 보여준다.
도 11b 및 도 11c는 자기 조립 폴리머 패턴을 형성한 발광 소자를 보여준다.
도 12는 발광 소자의 적층 구조물 상에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하였을 때, 발광 소자 구동시 활성층에서 발생한 광의 이동 경로를 개략적으로 보여준다.
도 13은 기존의 발광 소자(general LED)와 본 발명의 실시예에 따른 자기 조립 폴리머 패턴이 형성된 발광 소자(Self patterned LED)의 광출력 파워를 측정한 결과를 비교하여 보여준다.
도 2는 도 1의 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 과정을 개략적으로 보여준다.
도 8 및 도 9는 도 4의 적층 구조물이 형성된 웨이퍼의 일부 영역을 확대하여 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 과정에 사용될 수 있는 물체의 다른 예를 보여준다.
도 11a는 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하지 않은 발광 소자를 보여준다.
도 11b 및 도 11c는 자기 조립 폴리머 패턴을 형성한 발광 소자를 보여준다.
도 12는 발광 소자의 적층 구조물 상에 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하였을 때, 발광 소자 구동시 활성층에서 발생한 광의 이동 경로를 개략적으로 보여준다.
도 13은 기존의 발광 소자(general LED)와 본 발명의 실시예에 따른 자기 조립 폴리머 패턴이 형성된 발광 소자(Self patterned LED)의 광출력 파워를 측정한 결과를 비교하여 보여준다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세한 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 구성요소를 나타내며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명 및 도시의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 사시도를 보여주며, 도 2는 도 1의 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발광 소자는 기판(10) 상의 적층 구조물과, 이 적층 구조물 상에 이 적층 구조물에 대해 비 평행면을 가져 난반사를 유도하고 내부 전반사를 줄이도록 형성된 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 포함한다. 적층 구조물은, 서로 다른 전도성 타입의 제1 및 제2반도체 물질층(30)(50)과 그 사이에 위치되며 광이 발생되는 활성층(40)을 포함한다. 제2반도체 물질층(50) 상에는 투명 전극층(60)이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(10) 상에는 제1반도체 물질층(30), 활성층(40), 제2반도체 물질층(50), 투명 전극층(60), 자기 조립 폴리머 패턴(70) 순으로 위치된다. 상기 기판(10)과 제1반도체 물질층(30) 사이에는 완충층(20)을 더 구비할 수 있다.
상기 기판(10)으로는 비전도성 기판 또는 전도성 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 사파이어(Sapphire), 실리콘(Silicon), 실리콘 카바이드(SiC) 등을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
기판(10)으로 비전도성 기판을 사용하는 경우, 발광 소자는 도 1 및 도 2에서와 같이, 제1전극 패드(81) 예컨대, n형 전극 패드를 제1반도체 물질층(30) 상에 구비하거나, 기판(10) 등을 제거하고, 제1반도체 물질층(30) 저면 등에 구비할 수 있다. 기판(10)으로 전도성 기판(10)을 사용하는 경우, 발광 소자는 제1전극 패드(81)를 도 1 및 도 2에서와 같이 제1반도체 물질층(30) 상 등에 구비하거나, 도 3에서와 같이 기판(10) 저면에 구비할 수 있다.
상기 완충층(buffer layer: 20)은 기판(10)과 질화 갈륨 사이의 격자 상수 차이와 열평형 계수 차이를 보정해주기 위한 것으로, ZnO, BN, AlN, GaN, AlGaN 등을 사용할 수 있다.
상기 제1반도체 물질층(30)은 질화물 반도체 물질, 예를 들어 n형-질화 갈륨(n-GaN)층, 제2반도체 물질층(50)은 질화물 반도체 물질 예를 들어 p형-질화 갈륨(p-GaN)층을 구비할 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 제1반도체 물질층(30)은 n 도핑을 위하여 불순물을 순차적으로 증가시키거나 줄이면서 성장시킨 n형 질화 갈륨 단수층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 제2반도체 물질층(50)은 낮은 오믹 컨택(ohmic contact) 저항과 높은 홀 농도를 가지도록 예를 들어, Mg 농도를 순차적으로 줄이거나 늘리며 단층 또는 여러층으로 성장시켜 형성될 수 있다. 도 1 내지 도 3에서는 제2반도체 물질층(50)이 Mg 농도를 달리한 두층의 p형 질화 갈륨층(50a)(50b)로 형성된 예를 보여준다.
활성층(40)은 전자-정공 재결합에 의해 광이 발생되는 층으로, 질화물 반도체층 예를 들어, InGaN 기반의 질화물 반도체층으로 이루어지며, 밴드갭 에너지를 제어함으로써 그 발광 파장 대역이 조절된다. 예를 들어, InGaN층에서의 In 몰분율을 조절하여 발광 파장을 조절할 수 있다.
상기 활성층(40)은 양자우물층과 장벽층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(40)은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN 등으로 이루어진 양자우물층과 장벽층을 포함할 수 있다. 양자우물층은 단일 양자우물층(single quantum well) 또는 다중양자우물층(multi quantum well)을 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 활성층(40)은, 적어도 두 개의 층이 서로 다른 In 함량을 갖는 복수의 In1-xGaxN(0<x≤1)층과 복수의 In1-xGaxN(0<x≤1) 장벽층(barrier)들이 교대로 적층된 다중 양자 우물 (multi quantum well)구조를 가질 수 있다.
상기 완충층(20), 제1반도체 물질층(30), 활성층(40), 제2반도체 물질층(50) 등은 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxy; MBE), 수소화합물 기상 결정 성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 등의 방법으로 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 황산과수 처리된 전도성 기판(10) 상에 MOCVD로 완충층(20), 제1반도체 물질층(30: n-GaN층), 활성층(40 :In1-xGaxN(0<x≤1)층), 제2반도체 물질층(50: 2 단계의 p-GaN층)을 순서대로 증착할 수 있다. 이때의 증착 온는 대략 900~1100℃, V/III 족 반도체 물질 비율 대략 500~2000, 대략 100~400 mbar 압력 조건하에서 증착 공정을 수행할 수 있다.
상기 투명 전극층(60)은, 광 투과율 향상과 전류 확산을 용이하게 하고 오믹컨텍 저항을 줄이도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극층(60)은 대략 200~600nm 두께로 ITO를 전자빔 증발(e-beam evaporation) 방식으로 증착할 수 있다. 이때, 증착은 5×10-5 mbar에서 이루어지고, 그 후 400~500℃ 에서 열처리를 하여 오믹 컨택(ohmic contact)을 이루도록 할 수 있다.
기판(10) 저면 또는 제1반도체 물질층(30) 일측에는 제1전극 패드(81), 투명 전극층(60) 일측에는 제2전극 패드(85)가 형성될 수 있다. 제1반도체 물질층(30)이 n형, 제2반도체 물질층(50)이 p형인 경우, 상기 제1전극 패드(81)는 n형 전극 패드, 제2전극 패드(85)는 p형 전극 패드일 수 있다. 제1 및 제2전극 패드(81)(85)는 활성층(40)에 전자 및 정공을 주입하기 위해 외부 전원 공급부와 연결된다. 제1 및 제2전극 패드(81)(85)는, Au, Cu, Ni, Ag, Cr, W, Al, Pt, Sn, Pb, Fe, Ti, Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하거나 ITO, ZrB, ZnO, InO, SnO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2전극 패드(81)(85)는 Ni/Au 등의 다층 구조로 형성될 수 있다.
이상에서 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 적층 구조물은 예시적으로 보인 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자가 이러한 적층 구조물 구조에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1반도체 물질층(30), 활성층(40) 및 제2반도체 물질층(50)은 포함하면서, 완충층(20) 및 투명 전극층(60) 중 적어도 어느 하나를 구비하지 않는 구조이거나, 또 다른 층들이 추가된 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2반도체 물질층(30)(50) 각각이 단층 또는 복수층 구조로 형성될 수 있다.
한편, 상기 적층 구조물 (투명 전극층(60)을 구비하는 구조인 경우, 이 투명 전극층(60)) 상에는 발생된 광의 외부 추출 효율 즉, 외부 양자 효율을 증대시키도록 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된다.
자기 조립 폴리머 패턴(70)은, 적층 구조물에 대해 비 평행면 예컨대, 곡면 형태의 비 평행면(71)을 가져 난반사를 유도하고 내부 전반사를 줄이도록 형성될 수 있다.
투명 전극층(60)을 구비하는 경우, 자기 조립 폴리머 패턴(70)은 투명 전극층(60)의 상면에 대해 비 평행면 예컨대, 곡면 형태의 비 평행면(71)을 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자가 도 1 내지 도 3에 도시된 구조의 적층 구조물을 가지는 경우에는, 기판(10)상에, 완충층(20), 제1반도체 물질층(30), 활성층(40), 제2반도체 물질층(50), 투명 전극층(60), 자기 조립 폴리머 패턴(70) 순서로 위치될 수 있다.
상기 자기 조립 폴리머 패턴(70)은, 공정 중에 상부면이 비 평행면(71) 예컨대, 곡면 형태의 비 평행면(71)이면서, 단일 발광 소자 칩의 견지에서, 도 1의 사시도로부터 알 수 있는 바와 같이, 불연속적인 다수의 로드 형태로 형성될 수 있다. 도 1 내지 도 3에서는 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 곡면 형태의 비 평행면(71)을 구비하는 경우를 보여주는데, 비 평행면(71)의 형태는 다양하게 달라 질 수 있다.
상기와 같이 발광 소자의 외부 양자 효율 즉, 반도체 물질층 또는 투명 전극층(60) 물질과 공기 사이의 굴절율 차이에 의한 내부 전반사를 억제하도록 특정한 각도 또는 곡면을 가지는 형태의 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성함으로써, 난반사를 유도하고 외부로 광의 방출을 용이하게 할 수 있다.
이러한 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성하기 위하여, 폴리머 용질로는 예를 들어, PVC, PMMA, PC, PET 및 스티렌 혼성 폴리머(styrene copolymer) 중 어느 하나 또는 그 조합 물질을 사용할 수 있다. 용매로는 NMP(n-methyl 9pyrolidone), PMA(Propylene glycol monomethyl ether acetate), DBE(Dibasic ester), DMC(Dimethyl carbonate) 및 CYCLOHEXANE(Cyclohexane) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자에 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성하는 과정을 개략적으로 보여준다.
먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자를 이루는 적층 구조물이 형성된 웨이퍼(100)를 준비한다. 도 8 및 도 9는 도 4의 적층 구조물이 형성된 웨이퍼(100)의 일부 영역을 확대하여 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 8에서는 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 적층 구조물이 어레이를 이루도록 형성된 예를 보여준다. 적층 구조물은 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 바와 같이, 기판(10)(제조 과정에서는 실질적으로는 웨이퍼) 상에 완충층(20), 제1반도체 물질층(30), 활성층(40), 제2반도체 물질층(50), 투명 전극층(60)을 포함하는 층 구조를 가질 수 있다. 적층 구조물은, 제1반도체 물질층(30), 활성층(40) 및 제2반도체 물질층(50)은 포함하면서, 완충층(20) 및 투명 전극층(60) 중 적어도 어느 하나를 더 구비하거나, 또 다른 층들이 추가될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2반도체 물질층(30)(50) 각각이 단층, 또는 복수층 구조로 형성될 수도 있다.
발광 소자 제조 과정에서는, 실질적으로, 다수의 발광 소자를 웨이퍼에 2차원 어레이 형태로 제조한 상태에서, 발광 소자를 단일 발광소자 칩 단위 또는 원하는 개수의 발광소자를 포함하는 칩 단위로 절단하여 단품의 발광소자를 만든다. 도 8 및 도 9는 제1전극 패드(81) 및 제2전극 패드(85)는 형성하지 않은 상태를 보여준다. 이 제1전극 패드(81) 및 제2전극 패드(85)는, 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성한 후 형성될 수 있다. 물론, 제1전극 패드(81) 및 제2전극 패드(85)를 형성한 상태에서 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성할 수도 있다.
다시 도 4를 참조하면, 발광 소자를 이루는 적층 구조물이 형성된 웨이퍼(100)를 준비한 상태에서, 도 5에서와 같이, 웨이퍼(100) 상에 이 웨이퍼에 접하는 위치에서 바깥으로 갈수록 이 웨이퍼와의 간격이 점점 벌어지는 면(111a)을 가지는 물체(110)를 위치시킨다. 그리고, 도 6에서와 같이, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액(120)을 상기 웨이퍼(100) 상에 도포한다.
그러면, 사용된 폴리머 물질의 자기 조립 특성에 의해, 도 7에서와 같이 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된다.
여기서, 전술한 바와 같이, 폴리머 용질로는 예를 들어, PVC, PMMA, PC, PET 및 스티렌 혼성 폴리머(styrene copolymer) 중 어느 하나 또는 그 조합 물질을 사용할 수 있다. 또한, 용매로는 NMP(n-methyl 9pyrolidone), PMA(Propylene glycol monomethyl ether acetate), DBE(Dibasic ester), DMC(Dimethyl carbonate) 및 CYCLOHEXANE(Cyclohexane) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 물체(110)는 포인트나 라인 형태로 웨이퍼(100)의 적층 구조물이 형성된 면(100a)에 접하며, 상기 면(100a)에 접하는 위치에서 바깥으로 갈수록 이 웨이퍼와의 간격이 점점 벌어지는 면(111a)을 가진다. 도 5 및 도 6에서는 상기 물체(110)가 볼록 렌즈(111)로서, 적층 구조물이 형성되어 있는 면(100a)에 포인트 형태로 접하는 예를 보여준다. 상기 물체(110)로 도 10에 보여진 바와 같은 삼각 기둥(115)을 사용하여 웨이퍼(100)적층 구조물이 형성되어 있는 면(100a)에 라인 형태로 접하도록 할 수도 있다. 도 10에서 참조번호 117로 표기된 삼각 기둥(115)의 모서리 라인이 적층 구조물이 형성된 면(100a)에 접하도록 삼각 기둥(115)을 위치시킬 수 있다. 이외에도 상기 물체(100)로 실린더(미도시) 등을 사용하여 적층 구조물이 형성되어 있는 면에 라인 형태로 접하도록 할 수도 있다. 또한, 상기 물체(100)로 포인트 형태로 접하는 것으로, 볼록 렌즈(111) 이외의 다양한 형상을 가지는 물체를 적용할 수 있다.
물체(110)가 포인트 형태로 웨이퍼(100)의 적층 구조물이 형성되어 있는 면(100a)에 접하는 경우, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액(120)을 웨이퍼(100) 상에 도포하면, 상기 접하는 포인트 위치를 기준으로 동심원 상의 물결 무늬 형태로 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된다.
또한, 물체(110)가 라인 형태로 웨이퍼(100)의 적층 구조물이 형성되어 있는 면(100a)에 접하는 경우, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액(120)을 웨이퍼(100) 상에 도포하면, 상기 접하는 라인 위치를 기준으로 라인 상의 물결 무늬 형태로 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된다.
이때, 사용된 폴리머 물질의 자기 조립 특성에 의해 동심원 상 또는 라인 상의 물결 무늬에서 예를 들어, 마루가 위치되는 부분에는 폴리머 물질이 존재하고, 골이 위치되는 부분에는 폴리머 물질이 존재하지 않는 방향(혹은 그 반대 방향)으로 폴리머 물질들이 모아져, 자기 조립 폴리머 패턴(70)은, 불연속적으로 다수의 로드가 대략적으로 나란히 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 폴리머 물질의 자기 조립 특성에 의해 자기 조립 폴리머 패턴(70)은 예를 들어, 곡면 형태의 비 평행면(71)을 가지게 된다. 물론, 자기 조립 폴리머 패턴(70)의 비 평행면(71)은 곡면 외의 형태를 가질 수도 있다.
동심원 상의 물결 무늬 형태로 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된다 해도, 발광 소자를 이루는 단일 칩 단위에서는, 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 다수의 로드가 불연속적으로 대략적으로 나란히 배열된 구조를 가지게 된다.
따라서, 도 1 내지 도 3, 도 7에 도시한 바와 같은 구조의 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 얻어질 수 있다.
자기 조립 폴리머 패턴(70)은, 폴리머 용질과 용매와의 혼합 비율에 따라 제조 될 수 있으며, 패턴의 크기 즉, 로드의 폭은 대략 0.1 ~ 20 ㎛, 패턴의 높이 즉, 로드의 두께는 대략 0.01 ~ 20 ㎛로 제조 될 수 있다. 자기 조립 폴리머 패턴(70)의 패턴 모양과 패턴 사이의 간격은 물체(110)의 모양에 의하여 좌우되는데, 이는 웨이퍼(100)의 적층 구조물이 형성된 면(100a)과 물체(110)의 접점 부근에 모세관 현상에 의해 용액(120)이 안쪽으로 빨려 들어가기 때문이다. 때문에 물체(110)의 모양은 최대한 모세관 현상을 최대한 증가시킬 수 있는 모양으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 상기 물체(110)로 반지름이 약 1 ㎝인 볼록 렌즈를 사용할 수 있다.
도 11a는 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성하지 않은 발광 소자를 보여준다. 도 11b 및 도 11c는 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성한 발광 소자를 보여준다. 도 11a 내지 도 11c에서는 웨이퍼에 도 1 및 도 2에 대응하는 구조의 발광 소자를 어레이로 형성하고 칩 단위로 발광 소자를 절단하기 전 상태를 보여준다. 도 3에 대응하는 구조로 형성한 발광 소자의 경우에는 도 11a 내지 도 11c에서 제1전극 전극(81)이 보여지지 않는다.
도 11b 및 도 11c를 비교하면, 칩 단위의 발광 소자를 살펴볼 때, 라인 형태의 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 반복되어 있으면서, 패턴의 모양과 넓이 그리고 패턴 사이의 간격이 서로 다름을 알 수 있다. 도 11b 및 도 11c의 자기 조립 폴리머 패턴(70)은 반지름이 다른 적어도 웨이퍼(100)를 향하는 일면이 볼록한 렌즈를 사용하여 형성된 것이다.
도 11b 및 도 11c는, 자기 조립 폴리머 패턴(70)의 모양과 넓이 그리고 패턴 사이의 간격은 폴리머 용질과 용매와의 혼합 비율 또는 렌즈의 반지름과 모양에 따라 조절 될 수 있음을 보여준다. 또한 발광 소자 칩과의 방위 관계를 조절하여 패턴을 형성함으로써, 발광다이오드 표면에 보다 많은 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성 할 수 있음을 보여준다.
도 12는 발광 소자의 적층 구조물 상에 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 형성하였을 때, 발광 소자 구동시 활성층(40)에서 발생한 광의 이동 경로를 개략적으로 보여준다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 굴절율 차이에 의하여 외부와 발광 소자의 적층 구조물의 상면 예컨대, 투명 전극층(60)의 상면 사이에서 내부 전반사가 일어나지만, 자기 조립 폴리머 패턴(70)에 들어온 광들은 패턴 표면에서의 난반사와 특정한 각이나 곡면을 가지는 패턴으로 인하여 여러 각도로 굴절하여, 내부 전반사가 일어나지 않는 투과가 가능한 임계각 범위내에 부합하는 광들의 생성을 유도한다. 따라서, 기존의 자기 조립 폴리머 패턴(70)을 가지지 않는 발광 소자 보다 더 많은 광이 외부로 방출될 수 있다.
도 13은 기존의 발광 소자(general LED)와 본 발명의 실시예에 따른 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된 발광 소자(Self patterned LED)의 광출력 파워를 측정한 결과를 비교하여 보여준다.
도 13으로부터, 자기 조립 폴리머 패턴(70)이 형성된 발광 소자(Self patterned LED)가 보다 향상된 광출력 파워를 보임을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법에 따르면, 발광 소자를 형성한 후, 이를 식각하거나 연마하여 마이크로 로드 또는 패턴을 형성하는 것이 아니기 때문에, 식각이나 연마 공정 시 발생하는 물리적 피해를 최소한으로 할 수 있다. 이에 따라 발광 소자 특성의 균일성을 유지함과 아울러 발광 소자의 품질을 높여 신뢰성 향상에 도움이 될 수 있다. 또한 발광 소자의 광효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나타낼 수 있는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라서 결정되기 때문에 향상된 내부양자 효율을 가지는 소자를 얻을 수 있다.
또한, 반도체 물질층 상부의 평탄한 표면에 전극층 예컨대, 투명 전극층이 형성되는 경우에, 일부의 광자가 반도체 물질층과 전극층 간의 굴절율 차이에 의하여 계면에서 투과하지 못하고 반사되어 나오며, 임계각보다 큰 각도로 활성층에서 방출된 광은 전극층과 외부와의 경계에서 전반사 되어 외부로 투과하지 못한다. 하지만, 전극층 상에 요철 즉, 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 경우에, 표면의 요철이 광의 임계각을 변화시키고 난반사를 유도함으로써 보다 용이하게 광을 외부로 추출할 수 있게 돕는다. 따라서 활성층에서 발생한 광이 내부 전반사 되지 않고 발광 소자의 외부로 방출될 확율이 높아져 외부 양자 효율이 현저하게 향상될 수 있다.
Claims (10)
- 기판 상에 서로 다른 전도성 타입의 제1 및 제2반도체 물질층, 상기 제1 및 제2반도체 물질층 사이에 위치되며 광이 발생되는 활성층을 포함하는 적층 구조물; 및
상기 적층 구조물에 대해 비 평행면을 가져 난반사를 유도하고 내부 전반사를 줄이도록 된 자기 조립 폴리머 패턴;을 구비하는 발광 소자. - 제1항에 있어서, 상기 제1반도체 물질층은 n형-질화 갈륨 층, 상기 제2반도체 물질층은 p형-질화 갈륨 층이고,
상기 활성층은 질화물 반도체층을 포함하는 발광 소자. - 제2항에 있어서, 상기 적층 구조물은 상기 제2반도체 물질층 상에 투명 전극층;을 더 포함하며,
상기 자기 조립 폴리머 패턴은 상기 투명 전극층 상에 형성되며,
상기 기판 상에, 상기 제1반도체 물질층, 활성층, 제2반도체 물질층, 투명 전극층, 자기 조립 폴리머 패턴이 순으로 위치되는 발광 소자. - 제3항에 있어서, 상기 적층 구조물은 상기 기판과 제1반도체 물질층 사이에 완충층;을 더 구비하는 발광 소자.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조립 폴리머 패턴은 상기 적층 구조물 상에 곡면 형태의 비 평행면을 가지도록 형성되는 발광 소자.
- 청구항 1항 내지 4항 중 어느 한 항의 발광 소자를 제조하기 위하여,
상기 적층 구조물이 형성된 웨이퍼를 준비하는 단계;
상기 웨이퍼 상에 이 웨이퍼에 접하는 위치에서 바깥으로 갈수록 이 웨이퍼와의 간격이 점점 벌어지는 면을 가지는 물체를 위치시킨 상태에서, 폴리머 용질과 용매를 혼합한 용액을 상기 웨이퍼 상에 도포하여, 자기 조립 폴리머 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 물체는 포인트나 라인 형태로 상기 적층 구조물과 접하도록 된 발광 소자 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 폴리머 용질은 PVC, PMMA, PC, PET 및 스티렌 혼성 폴리머(styrene copolymer) 중 어느 하나 또는 그 조합을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 용매는 NMP(n-methyl 9pyrolidone), PMA(Propylene glycol monomethyl ether acetate), DBE(Dibasic ester), DMC(Dimethyl carbonate) 및 CYCLOHEXANE(Cyclohexane) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 용매는 NMP(n-methyl 9pyrolidone), PMA(Propylene glycol monomethyl ether acetate), DBE(Dibasic ester), DMC(Dimethyl carbonate) 및 CYCLOHEXANE(Cyclohexane) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100798863B1 (ko) * | 2006-06-28 | 2008-01-29 | 삼성전기주식회사 | 질화갈륨계 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법 |
| KR20090101604A (ko) * | 2008-03-24 | 2009-09-29 | 송준오 | 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 |
| KR20090123817A (ko) * | 2008-05-28 | 2009-12-02 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 광자결정 구조체를 구비한 발광소자 |
| KR20100015237A (ko) * | 2008-08-04 | 2010-02-12 | 한양대학교 산학협력단 | 높은 균일도를 가진 무기 나노입자의 제조방법 |
-
2010
- 2010-02-18 KR KR1020100014738A patent/KR101652792B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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