KR20110117856A - 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법을 개시한다.
발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층; 상기 제 1 전도층상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴; 상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 배치된 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴; 상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층; 및 상기 제 1 및 제 2 전도층과 각각 전기적으로 연결된 전극들;을 포함할 수 있다.
발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층; 상기 제 1 전도층상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴; 상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 배치된 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴; 상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층; 및 상기 제 1 및 제 2 전도층과 각각 전기적으로 연결된 전극들;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 나노 격벽으로 이루어진 활성 패턴을 구비한 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날, 발광다이오드(Light Emitting Diode) 소자는 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(blue)과 백색(white) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, 발광다이오드 소자는 디스플레이 및 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다.
일반적으로, 발광다이오드 소자는 우수한 물리적 및 화학적 특성을 갖는 질화물 반도체로 이루어지고 있다. 이와 같은 질화물계 반도체는 기판상에 질화물계 반도체물질을 성장시킴으로써 형성할 수 있다. 이때, 기판과 질화물계 반도체 물질간의 격자 부정합으로 인하여 발광다이오드 소자는 많은 결정 결함을 가질 수 있다. 이러한 결함은 발광다이오드 소자의 신뢰성 및 광효율을 저하시킬 수 있다.
또한, 대부분의 발광다이오드 소자의 내부에서 발생된 광은 반도체와 공기 등의 계면에서 임계각에 의한 반사에 의해 발광다이오드 소자의 내부에 갇히게 된다. 즉, 이와 같은 발광다이오드 소자 내부의 전반사로 인해, 발광다이오드 소자의 광출력이 줄어드는 문제점이 있었다.
따라서, 발광다이오드 소자의 결함을 개선하며 발광다이오드 소자의 광출력을 향상시키기 위한 새로운 기술 개발이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명은 종래 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 나노 격벽으로 이루어진 활성 패턴을 포함하는 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법이 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 발광다이오드 소자를 제공하는 것이다. 상기 발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층; 상기 제 1 전도층상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴; 상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 배치된 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴; 상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층; 및 상기 제 1 및 제 2 전도층과 각각 전기적으로 연결된 전극들;을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 배치된 투명 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 격벽들 사이에 배치된 충진 구조물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 충진 구조물은 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 제 2 전도층상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 충진 구조물은 상기 제 2 전도층의 적어도 일끝단면을 덮도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 배치된 투명 전극을 포함하며, 상기 충진 구조물은 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 투명전극상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 충진 구조물은 도전물질 또는 절연물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 충진 구조물은 상기 나노 격벽의 굴절률보다 높고 상기 제 2 전도층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
또한, 상기 충진 구조물은 상기 활성 패턴으로부터 방출된 광의 파장을 변환시키는 형광물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 나노 격벽의 단면 구조는 직사각형, 마름모형, 사다리꼴형 및 역사다리꼴형의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체 패턴은 SiO2 및 SiNx 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 활성 패턴은 상기 나노 격벽과 상기 제 2 전도층 사이에 개재된 우물층과 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성 패턴은 상기 나노 격벽과 상기 제 2 전도층사이에 개재된 우물층 및 Al을 포함한 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. 상기 제조방법은 기판상에 제 1 전도층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전도층상에 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴을 형성하는 단계; 상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴을 형성하는 단계; 상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 제 2 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 전도층과 전기적으로 연결된 전극들을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전도층을 형성하는 단계 이후에, 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 제 2 전도층상에 충진 구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 전도층을 형성하는 단계 이후에, 상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 투명 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 투명전극을 형성하는 단계 이후에, 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 투명전극상에 충진 구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 발광다이오드 소자는 크기가 작아짐에 따라, 결정 결함을 감소시킬 수 있어 발광다이오드 소자의 신뢰성 및 광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 발광다이오드 소자는 나노 격벽으로 이루어진 활성 패턴을 구비함에 따라, 발광 면적을 증가시킬 수 있어, 광출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 발광다이오드 소자는 나노 격벽으로 이루어진 활성 패턴을 구비함에 따라, 용이하게 다파장 발광다이오드 소자로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 발광다이오드 소자는 나노 격벽의 외측면을 따라 제 2 전도층을 구비함에 따라, 활성 패턴의 모든 면에서 전자와 정공의 재결합이 발생하므로, 광출력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 발광다이오드 소자는 나노 격벽 사이에 충진 구조물을 구비함에 따라, 구조 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 발광다이오드 소자의 충진 구조물을 형광체 물질로 형성함에 따라, 다양한 파장의 광을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 발광다이오드 소자의 충진 구조물을 일정할 굴절률을 갖는 물질로 형성함에 따라, 외부로의 광출력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 다른 형태를 갖는 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 다른 형태를 갖는 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 발광다이오드 소자의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광다이오드 소자의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 기판(100)상에 배치된 제 1 전도층(110), 유전체 패턴(120), 나노 격벽(130)으로 이루어진 활성 패턴, 제 2 전도층(140) 및 전극(160, 170)들을 포함한다.
제 1 전도층(110)은 기판(100)상에 배치되어 있다. 제 1 전도층(110)은 n-GaN층 또는 n-GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있다.
유전체 패턴(120)은 제 1 전도층(110)상에 배치되어 있다. 유전체 패턴(120)은 후술 될 나노 격벽(130)의 형성을 위한 영역을 정의하는 역할을 한다. 이를 위해, 유전체 패턴(120)은 제 1 전도층(110)을 노출하는 다수의 개구(121)를 구비할 수 있다. 이때, 개구(121)의 너비는 나노 사이즈를 가질 수 있다. 또한, 개구(121)의 형태는 스트라이프 형태를 가질 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니며, 도트 형태를 가질 수도 있다. 여기서, 개구(121)는 후술 될 나노 격벽(130)의 형성을 위한 영역을 정의하는 역할을 한다.
또한, 유전체 패턴(120)은 제 1 전도층(110)과 제 2 전도층(140)을 서로 절연하는 역할을 한다. 이를 위해, 유전체 패턴(120)은 절연물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 유전체 패턴(120)은 SiO2 및 SiNx 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
활성 패턴은 다수의 나노 격벽(130)을 포함한다. 이때, 나노 격벽(130)과 같은 나노 구조는 기존의 박막형에 비해 크기가 작으므로 결정결함을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 스트레스 완화가 가능하며 내부 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 나노구조는 구조적으로 적출효율(extraction efficiency)을 높일 수 있어, 발광다이오드 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 나노 격벽(130)으로 이루어진 활성패턴은 발광다이오드 소자의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 나노 격벽(130)과 같은 나노 구조는 크기를 조절함으로써 발광파장을 조절할 수 있다. 이에 따라, 활성패턴을 이루는 나노 격벽(130)들의 크기를 제어함으로써 용이하게 다파장 발광다이오드 소자로 활용할 수 있다.
여기서, 나노 격벽(130)은 유전체 패턴(120)에 구비된 각 개구(121)에 배치된다. 즉, 나노 격벽(130)은 유전체 패턴(120)으로부터 정의된 영역의 제 1 전도층(110)상에 배치된다. 이로써, 나노 격벽(130)은 나노 사이즈의 너비를 갖는 격벽의 형상을 가질 수 있다. 나노 격벽(130)은 InxGax -1N(0＜x≤1)의 단일층으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 나노 격벽(130)은 InGaN층 또는 AlGaN층으로 이루어질 수 있다.
나노 격벽(130)의 단면구조는 직사각형의 기둥형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 나노 격벽(130)의 형상을 한정하는 것은 아니며 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 나노 격벽(130)의 다른 형태의 단면 구조는 마름모형, 사다리꼴형 및 역사다리꼴형의 기둥 형상을 가질 수도 있다.
활성 패턴은 나노 격벽(130)상에 배치된 우물층과 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 포함할 수 있다. 여기서, 우물층을 형성하는 재질의 예로서는 InxGax -1N(0＜x≤1)일 수 있다. 또한, 장벽층을 형성하는 재질의 예로서는 GaN일 수 있다. 또는 장벽층을 형성하는 재질의 예로서는 Al을 포함한 GaN일 수도 있다.
제 2 전도층(140)은 나노 격벽(130)의 외주면을 따라 배치된다. 이에 따라, 나노 격벽(130)은 제 2 전도층(140)에 의해 감싸지게 되므로, 나노 격벽(130)의 모든 면에서 전자와 정공의 재결합이 진행될 수 있어, 즉 발광 면적을 향상시킬 수 있으므로, 발광다이오드 소자의 광출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 2 전도층(140)의 끝단부는 유전체 패턴(120)상에 배치된다. 이로써, 제 2 전도층(140)과 제 1 전도층(110)은 유전체 패턴(120)에 의해 서로 절연될 수 있다. 또한, 활성 패턴이 다중양자우물 구조가 더 포함될 경우, 나노 격벽(130)과 제 2 전도층(140) 사이에 다중양자우물 구조가 구비될 수 있다.
제 2 전도층(140)은 p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN으로 이루어질 수 있다.
전극(160, 170)들은 제 1 전도층(110)과 제 2 전도층(140)과 각각 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 전극(160, 170)을 포함할 수 있다.
이에 더하여, 발광다이오드 소자는 제 2 전도층(140)상에 배치된 투명전극(150)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 투명전극(150)은 기판(100)상에 개별적으로 분리되어 구비된 제 2 전도층(140)을 서로 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있다. 또한, 투명전극(150)은 제 2 전도층(140)의 외주면을 따라 배치되어, 제 2 전도층(140)의 모든 면으로 전류를 균일하게 확산시킬 수 있다. 즉, 투명전극(150)은 전류 주입 면적을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 여기서, 투명전극(150)을 형성하는 재질의 예로서는 ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 TCO(Transparent Conductive Oxide)등일 수 있다.
이때, 제 1 전극(160)은 투명전극(150), 제 2 전도층(140) 및 유전체 패턴(120)의 일부 영역을 식각하여 노출된 제 1 전도층(110)상에 배치될 수 있다. 또한, 제 2 전극(170)은 투명전극(150)상에 배치됨으로써, 수평구조의 발광다이오드 소자가 형성될 수 있다. 여기서, 기판(100)은 사파이어 기판 및 실리콘 카바네이트(SiC) 기판과 같은 이종 기판 또는 질화물 기판과 같은 동종 기판일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서 활성 패턴은 나노 격벽을 구비함에 따라 광방출을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 2 전도층을 나노 격벽의 외주면을 따라 배치되어, 나노 격벽의 전체면에서 발광될 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 다른 형태를 갖는 실시예의 단면도이다. 여기서, 제 1 및 제 2 전극의 형태를 제외하고 앞서 설명한 발광다이오드 소자와 동일한 구성을 구비하며, 반복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 기판(260)상에 배치된 제 1 전도층(110)과 제 1 전도층(110)상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 제 1 전도층(110)을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴(120), 각 개구의 제 1 전도층(110)상에 배치된 나노 격벽(130)을 포함하는 활성 패턴 및 유전체 패턴(120)에 의해 제 1 전도층(110)과 절연되며, 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층(140)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 2 전도층(140)의 외주면을 따라 투명전극(150)이 더 배치될 수 있다.
이에 더하여, 기판(260)은 도전성 기판으로 제 1 전극의 역할을 할 수 있다. 여기서, 도면에는 도시되지 않았으나, 기판(260)과 제 1 전도층사이에 도전 접합층이 더 구비될 수 있다. 또한, 투명전극(150)상에 제 2 전극(170)이 더 구비되어, 발광다이오드 소자는 수직형 구조의 발광다이오드 소자로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다. 여기서, 충전 구조물을 제외하고 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 동일한 구성을 구비한다. 따라서, 제 1 실시예와 반복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층(110)과 제 1 전도층(110)상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 제 1 전도층(110)을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴(120), 각 개구의 제 1 전도층(110)상에 배치된 나노 격벽(130)을 포함하는 활성 패턴, 유전체 패턴(120)에 의해 제 1 전도층(110)과 절연되며, 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층(140) 및 제 1 및 제 2 전도층(110, 140)과 각각 전기적으로 연결된 전극(160, 170)들을 포함할 수 있다.
여기서, 나노 격벽(130)사이에 충진 구조물(180)이 더 배치될 수 있다. 즉, 충진 구조물(180)은 서로 이웃한 나노 격벽(130)들 사이의 유전체 패턴(120)과 대응된 투명전극(150)상에 배치될 수 있다. 이때, 충진 구조물(180)은 외압에 의한 나노 격벽(130)들의 붕괴를 방지하는 지지체의 역할을 할 수 있다.
또한, 충진 구조물(180)은 절연물질 또는 도전물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 절연물질은 아크릴계 수지, 이미드계 수지, 실리콘계 수지, SOG(Spin On Glass) 및 에폭시계 수지등으로 이루어질 수 있다. 또한, 도전물질은 ITO 또는 메탈로 이루어질 수 있다. 여기서, 충진 구조물(180)이 도전물질로 이루어질 경우, 제 2 전도층(140)으로의 정공확산에 더 유리할 수 있다.
또한, 충진 구조물(180)은 일정한 굴절률을 가질 수 있다. 여기서, 충진 구조물(180)은 나노 격벽(130)의 굴절률보다 높고 투명전극(150)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 충진 구조물(180)의 굴절률은 공기의 굴절율과 투명전극(150)의 굴절률 사이일 수 있다. 예컨대, 충진 구조물(180)의 굴절률의 범위는 1 내지 2.5를 가질 수 있다. 이때, 충진 구조물(180)을 형성하는 재질의 예로서는 실리콘계 수지, SU-8(에폭시계 감광성 수지) 및 SOG(Spin On Glass)로 이루어질 수 있다. 이로써, 활성 패턴으로부터 형성된 광은 투명전극(150)을 통과하여 방출된 후, 다시 이웃한 나노 격벽(130)을 덮고 있는 제 투명전극(150)에 의해 입사되지 않고 반사되어 외부로 방출될 수 있다. 즉, 충진 구조물(180)은 활성 패턴으로부터 형성된 광을 외부로 효율적으로 방출시키는 역할을 할 수 있어, 발광다이오드 소자의 광출력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 충진 구조물(180)은 활성 패턴으로부터 발생된 광의 파장 변환을 위한 형광 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 형광물질은 황색, 적색 및 녹색 중 어느 하나로 변환시키는 형광체일 수 있다. 여기서, 백색 발광다이오드 소자를 형성하길 원할 경우, 발광다이오드 소자의 활성 패턴으로부터 청색 광을 발생시킬 경우, 형광물질은 황색 발광의 형광물질을 사용할 수 있다. 이로써, 발광다이오드 칩은 별도의 형광 몰드재를 구비하지 않고, 발광다이오드 소자를 이루는 충진 구조물(180)의 재질에 따라 백색 발광다이오드 칩 또는 적, 녹 및 청색 발광다이오드 칩을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 나노 격벽들 사이에 충진 구조물을 두어 나노 격벽의 붕괴등을 방지할 수 있는 안정한 구조의 발광다이오드 소자를 형성할 수 있다.
또한, 충진 구조물의 재질 변경을 통해, 발광다이오드 소자의 발광 특성을 조절하거나, 광출력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다. 여기서, 충전 구조물을 제외하고 앞서 설명한 제 2 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 동일한 구성을 구비한다. 따라서, 제 2 실시예와 반복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층(110)과 제 1 전도층(110)상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 제 1 전도층(110)을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴(120), 각 개구의 제 1 전도층(110)상에 배치된 나노 격벽(130)을 포함하는 활성 패턴, 유전체 패턴(120)에 의해 제 1 전도층(110)과 절연되며, 나노 격벽(130)의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층(140), 제 1 및 제 2 전도층(110, 140)과 각각 전기적으로 연결된 전극(160, 170)들 및 나노 격벽(130)들 사이에 배치된 충진 구조물(180)을 포함할 수 있다.
여기서, 충진 구조물(180)은 나노 격벽(130)을 지지하기 위하여 제 2 전도층(140)이 형성된 나노 격벽(130)들 사이에 충진될 수 있다. 즉, 충진 구조물(180)은 서로 이웃한 나노 격벽(130)들 사이의 유전체 패턴(120)과 대응된 제 2 전도층(140)상에 배치될 수 있다. 이때, 충진 구조물(180)은 적어도 제 2 전도층(140)의 상면을 노출하도록 형성된다. 여기서, 충진 구조물(180) 및 노출된 제 2 전도층(140)상에 투명전극(150)이 더 배치되어, 제 2 전도층(140)과 투명전극(150)은 전기적으로 연결될 수 있다.
충진 구조물(180)은 앞서 설명한 제 2 실시예에서와 같이, 재질 변경으로 인해 나노 격벽(130)을 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 광 출력을 향상시키거나 발광 특성을 조절하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 충진 구조물(180)이 광 출력을 향상시키기 위해서, 충진 구조물(180)은 나노 격벽(130)의 굴절률보다 높고 제 2 전도층(140)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 충진 구조물(180)의 굴절률은 공기의 굴절율과 제 2 전도층(140)의 굴절률 사이일 수 있다. 예컨대, 충진 구조물(180)의 굴절률의 범위는 1 내지 2.5를 가질 수 있다. 이때, 충진 구조물(180)을 형성하는 재질의 예로서는 실리콘계 수지, SU-8(에폭시계 감광성 수지) 및 SOG(Spin On Glass)로 이루어질 수 있다.
이로써, 충진 구조물(180)은 활성 패턴으로부터 형성된 광을 외부로 효율적으로 방출시키는 역할을 할 수 있어, 발광다이오드 소자의 광출력을 더욱 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 충진 구조물은 제 2 전도층상에 배치되어 나노 격벽의 붕괴를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 단면도이다.
여기서, 충전 구조물의 형태를 제외하고 앞서 설명한 제 3 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 동일한 구성을 구비한다. 따라서, 제 3 실시예와 반복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 기판상에 배치된 제 1 전도층(110)과 제 1 전도층(110)상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 제 1 전도층(110)을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴(120), 각 개구의 제 1 전도층(110)상에 배치된 나노 격벽(130)을 포함하는 활성 패턴, 유전체 패턴(120)에 의해 제 1 전도층(110)과 절연되며, 나노 격벽(130)의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층(140), 제 1 및 제 2 전도층(110, 140)과 각각 전기적으로 연결된 전극(160, 170)들 및 나노 격벽(130)들 사이에 배치된 충진 구조물(180)을 포함할 수 있다.
여기서, 충진 구조물(180)은 제 2 전도층(140)의 적어도 일끝단면, 즉 외부로 노출된 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 이때, 충진 구조물(180)은 절연물질, 예컨데 아크릴계 수지, 이미드계 수지, 실리콘계 수지, SOG(Spin On Glass) 및 에폭시계 수지등으로 이루어질 수 있다. 이로써, 충진 구조물(180)은 투명전극(150)과 제 2 전극(170) 또는 제 1 전극(160)과 제 2 전극(170)간에 발생할 수 있는 쇼트 불량을 방지할 수 있다. 즉, 충진 구조물(180)은 서로 상반된 두 전극간을 절연시키는 역할을 할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 발광다이오드 소자를 제조하기 위해, 먼저 기판(100)상에 제 2 전도층(140)을 형성한다. 기판(100)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기 위한 적절한 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 기판(100)은 사파이어 기판 및 실리콘카바네이트(SiC) 기판과 같은 이종 기판 또는 질화물 기판과 같은 동종 기판일 수 있다.
제 2 전도층(140)은 n-GaN층 또는 n-GaN/AlGaN층으로 형성할 수 있다. 여기서, 제 2 전도층은 MOCVD 및 MBE 공정과 같은 증착 공정을 통해 형성할 수 있다.
이후, 제 2 전도층(140)상에 유전체 패턴(120)을 형성한다. 유전체 패턴(120)은 제 2 전도층(140)을 노출하는 다수의 개구(121)를 구비한다. 이때, 각 개구(121)는 나노 사이즈의 너비를 가질 수 있다.
여기서, 유전체 패턴(120)을 형성하기 위해, 유전체막을 형성한다. 유전체막은 SiO2 및 SiNx 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 유전체막은 화학기상증착법을 통해 형성할 수 있다. 유전체막을 형성한 후, 드라이 필름이나 포토레지스트층을 이용한 노광, 현상 및 식각공정을 거쳐 유전체 패턴(120)을 형성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 유전체 패턴(120)에 의해 정의된 제 1 전도층(110), 즉 개구상의 제 1 전도층(110)상에 나노 격벽(130)을 성장시킨다. 이때, 나노 격벽(130)은 개구와 대응된 나노 사이즈의 너비를 가질 수 있다. 여기서, 나노 격벽(130)은 InxGax -1N(0＜x≤1)의 단일층으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 나노 격벽(130)은 InGaN층 또는 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 나노 격벽(130) 형성방법의 예로서는 MOCVD법을 통해 형성될 수 있다.
이로써, 나노 격벽(130)으로 이루어진 활성 패턴을 형성할 수 있다.
이에 더하여, 나노 격벽(130)상에 배치된 우물층과 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 형성할 수 있다. 여기서, 우물층을 형성하는 재질의 예로서는 InxGax -1N(0＜x≤1)일 수 있다. 또한, 장벽층을 형성하는 재질의 예로서는 GaN일 수 있다. 또는 장벽층을 형성하는 재질의 예로서는 Al을 포함함 GaN일 수도 있다.
도 9를 참조하면, 나노 격벽(130)의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층(140)을 형성할 수 있다. 제 2 전도층(140)은 p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN으로 형성할 수 있다. 여기서, 제 2 전도층(140)은 MOCVD 및 MBE 공정과 같은 증착 공정을 통해 형성할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 제 2 전도층(140)이 형성된 나노 격벽(130)들 사이에 충진 구조물(180)을 더 형성할 수 있다. 충진 구조물(180)은 절연물질, 도전물질, 형광물질 및 일정한 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 제 2 전도층(140)을 외주면을 따라 투명전극(150)을 더 형성할 수 있다. 투명전극(150)은 ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 TCO(Transparent Conductive Oxide)등으로 형성할 수 있다. 투명전극(150)은 진공증착법 또는 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있다.
이후, 투명전극(150), 제 2 전도층(140), 유전체 패턴(120)의 일부를 식각하여, 제 1 전도층(110)의 일부를 노출한 후, 도전막을 형성한다. 여기서, 도전막은 Ti, Ni, Al, Cr 및 Au등으로 형성할 수 있다.
이후, 도전막을 포토리소그래피 방법을 통해 식각함으로써, 노출된 제 1 전도층(110)상에 배치된 제 1 전극(160)과 투명전극(150)상에 배치된 제 2 전극(170)을 형성할 수 있다.
앞서, 충진 구조물(180)은 제 2 전도층(140)을 형성한 후에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 예컨대, 충진 구조물(180)은 투명전극(150)을 형성한 후에 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서, 수평 구조 발광다이오드 소자의 제조 방법으로 한정하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수직 구조 발광다이오드 소자의 제조도 가능할 것이므로, 본 발명의 실시예에서 생략하기로 한다.
100, 260 : 기판
110 : 제 1 전도층
120 : 유전체 패턴
130 : 나노 격벽
140 : 제 2 전도층
150 : 투명전극
160 : 제 1 전극
170 : 제 2 전극
180 : 충진 구조물
110 : 제 1 전도층
120 : 유전체 패턴
130 : 나노 격벽
140 : 제 2 전도층
150 : 투명전극
160 : 제 1 전극
170 : 제 2 전극
180 : 충진 구조물
Claims (17)
- 기판상에 배치된 제 1 전도층;
상기 제 1 전도층상에 배치되며, 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴;
상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 배치된 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴;
상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 배치된 제 2 전도층; 및
상기 제 1 및 제 2 전도층과 각각 전기적으로 연결된 전극들;
을 포함하는 발광 다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 배치된 투명 전극을 포함하는 발광다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노 격벽들 사이에 배치된 충진 구조물을 포함하는 발광다이오드 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 충진 구조물은 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 제 2 전도층상에 형성된 발광다이오드 소자.
- 제 4 항에 있어서,
상기 충진 구조물은 상기 제 2 전도층의 적어도 일끝단면을 덮도록 형성하는 발광다이오드 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 배치된 투명 전극을 포함하며, 상기 충진 구조물은 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 투명전극상에 형성된 발광다이오드 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 충진 구조물은 도전물질 또는 절연물질로 이루어진 발광다이오드 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 충진 구조물은 상기 나노 격벽의 굴절률보다 높고 상기 제 2 전도층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 발광다이오드 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 충진 구조물은 상기 활성 패턴으로부터 방출된 광의 파장을 변환시키는 형광물질로 이루어진 발광다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노 격벽의 단면 구조는 직사각형, 마름모형, 사다리꼴형 및 역사다리꼴형의 형태를 갖는 발광다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유전체 패턴은 SiO2 및 SiNx 중 어느 하나로 형성된 발광다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 활성 패턴은 상기 나노 격벽과 상기 제 2 전도층사이에 개재된 우물층과 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 포함하는 발광다이오드 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 활성 패턴은 상기 나노 격벽과 상기 제 2 전도층사이에 개재된 우물층 및 Al을 포함한 장벽층으로 이루어진 다중양자우물 구조를 더 포함하는 발광다이오드 소자.
- 기판상에 제 1 전도층을 형성하는 단계;
상기 제 1 전도층상에 나노 사이즈의 너비를 가지며 상기 제 1 전도층을 노출하는 다수의 개구를 갖는 유전체 패턴을 형성하는 단계;
상기 각 개구의 상기 제 1 전도층상에 나노 격벽을 포함하는 활성 패턴을 형성하는 단계;
상기 유전체 패턴에 의해 상기 제 1 전도층과 절연되며, 상기 나노 격벽의 외주면을 따라 제 2 전도층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 전도층과 전기적으로 연결된 전극들을 형성하는 단계;
를 포함하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 전도층을 형성하는 단계 이후에, 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 제 2 전도층상에 충진 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 전도층을 형성하는 단계 이후에, 상기 제 2 전도층의 외주면을 따라 투명 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 투명전극을 형성하는 단계 이후에, 서로 이웃한 상기 나노 격벽들 사이의 상기 유전체 패턴과 대응된 상기 투명전극상에 충진 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9461205B2 (en) | 2013-10-14 | 2016-10-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nanostructure semiconductor light emitting device |
| WO2020105362A1 (ja) * | 2018-11-20 | 2020-05-28 | ソニー株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
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2010
- 2010-04-22 KR KR1020100037323A patent/KR20110117856A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US9461205B2 (en) | 2013-10-14 | 2016-10-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nanostructure semiconductor light emitting device |
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| US12126142B2 (en) | 2018-11-20 | 2024-10-22 | Sony Group Corporation | Nitride semiconductor laser device and method of manufacturing nitride semiconductor laser device |
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