KR20110119215A - 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법 및 이 방법을 이용하여 제조되는 고광도 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드(LED) 상부의 절연층 또는 절연층 위의 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성시킴으로서 LED chip의 큰 방사특성으로 인해 손실되던 광의 방사각도를 임의로 조절하여 발광 효율을 높이기 위한 고광도 발광다이오드의 제조방법 및 이 방법을 이용하여 제조되는 고광도 발광다이오드를 개시한다. 이와 같은 본 발명은 기본적인 발광다이오드의 제작 공정에 추가 적용이 가능하고, 공정이 매우 간단하며, 낮은 제조비용으로 제작이 가능한 효과와 함께 원하는 목표 발광다이오드의 발광 형태와 여기에 포함되는 파장 대역폭에 따른 특화된 회절광학소자(DOE) 패턴을 적용하여 발광다이오드의 제품별 용도에 맞는 고광도 발광다이오드의 제작이 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 발광다이오드(LED) 상부의 절연층 또는 절연층 위에 형성된 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements)를 형성하여 발광다이오드에서 나오는 광의 방사각도를 줄임으로써 광의 손실을 막아 발광 효율을 높이기 위한 고광도 발광다이오드의 제조방법 및 이 방법을 이용하여 제조되는 고광도 발광다이오드에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode; LED)는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고 진동에 강한 특성을 보인다. 이러한 발광다이오드는 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 우수한 특성을 갖기 때문에 표시 소자 및 디스플레이 장치의 백라이트로 이용되고 있으며, 최근에는 LCD와 같은 대형 디스플레이 장치의 광원 및 조명용으로 그 활용도가 점차 넓어지고 있다.
반도체 발광다이오드에 있어서, 질화물계 반도체 물질은 가시광선 및 UV 영역에 대해서 우수한 발광 특성을 보이고 있으며, 고출력, 고주파 전자 소자에도 사용된다.
도 1은 일반적인 발광다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 발광다이오드는 기판(10)상에 순차적으로 형성된 버퍼층(11), n형 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 반도체층(14)을 포함한다. 활성층(13)의 상부 및 하부에 각각 형성된 p형 및 n형 반도체층(14, 12)은 활성층(13)에 전류를 공급하여 발광하도록 한다. 발광다이오드의 반도체층에서 생성된 빛은 칩의 모든 면으로부터 방출되고, 발광 효율은 일반적으로 광의 임계각에 의하여 결정된다. 미설명 부호 15, 16은 p형, n형 전극이고, 17은 발광렌즈를 나타낸 것이다.
종래 발광다이오드는 반도체층에서 생성된 광자의 많은 양이 발광다이오드의 외부로 방출되지 못하고 내부에서 전반사를 일으키면서 순환되어 흡수되고, 외부로 빠져나온 광자 또한 120ㅀ~140ㅀ의 넓은 방사각을 갖기 때문에 상층부의 형광체 등에서 2차 여기할 경우 역시 많은 내부 전반사를 일으키며 흡수되는 문제점이 있다. 발광다이오드의 발광 효율을 증대시키기 위해서는 발광다이오드로부터 방출되는 빛이 외부로 최대한 방출되도록 하여 발광 효율을 높여야 한다. 발광 효율을 높이는 방법 중의 하나로 한국특허 제 10-898976호에 게재된 방법은 반도체층의 광 출사면 상에 감광층을 형성하고, 형성된 감광층에 위상차이가 있는 다수의 레이저 광을 조사하여 감광층을 현상함으로써 광 출사면에 쐐기 모양의 홀로그램 패턴을 형성시키는 방법이 있다.
한국특허 제 10-898976호에 게재된 방법은 발광다이오드로부터 발생된 빛 중에서 내부에서 나오지 못하고 소멸되는 빛의 함량을 줄여주는 효과는 있으나, 제조공정이 복잡하고 제조비용이 상승하는 단점이 있다. 광 출사면 상에 감광층을 형성하고, 형성된 감광층에 위상차이가 있는 다수의 레이저 광을 조사하여 감광층을 현상하는 홀로그래피 공정은 각각의 칩에 홀로그램을 기록하는 과정이 추가되어 발광다이오드의 제조공정이 복잡하고 이에 따라 제조비용이 상승하는 단점이 있다. 또한 감광층의 특성상 내구성이 약하여 고온의 표면을 갖는 발광 소자에는 적합하지 않다.
발광 효율을 높이는 방법 중 또 다른 방법은 발광다이오드의 상부에 마이크로 렌즈나 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 형성하는 방법이 제안되었다. 또한 LED chip package에서 나온 빛을 외부에서 렌즈나 원형 거울을 형성시켜 2차적으로 빛을 모아주는 방법이 있다.
발광다이오드 상부에 마이크로 렌즈나 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 형성하는 방법은 렌즈의 구현이 어렵고, 제조비용이 상승하여 활용도가 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 발광다이오드(LED)의 절연층 또는 절연층 위에 형성된 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE)를 형성하여 발광다이오드에서 나오는 광의 방향을 조절하여 상층에 형성될 형광체나 렌즈 등에서의 내부 전반사를 줄임으로써 발광 효율을 높이기 위한 회절광학소자를 개발하고, 이를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법 및 이 방법을 이용하여 제조되는 고광도 발광다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따른 고광도 발광다이오드의 제조방법은, 기판 상에 발광층을 형성하는 단계; 상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 제1, 제2전극을 형성하는 단계; 및 상기 발광층 상부에 절연층으로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서 회절광학소자 패턴의 형성은, 상기 발광층의 발광영역에만 절연층을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 임프린트용 고분자 화합물을 도포하는 단계; 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 상기 고분자 화합물에 임프린트 공정을 수행하는 단계; 상기 임프린트된 고분자 화합물을 마스크로 건식식각하여 상기 절연층에 최종 회절광학소자(DOE) 패턴을 형성시키는 단계로 진행된다.
그리고, 상기 회절광학소자 패턴을 형성하는 공정은, 상기 절연층의 표면이 드러나도록 상기 고분자 화합물을 1차로 건식식각 하는 공정과, 상기 남은 고분자 화합물을 마스크로 상기 절연층을 2차로 건식식각하는 공정과, 상기 고분자 화합물을 제거하는 공정으로 진행된다.
상기 건식식각 깊이는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴이 2층 구조를 갖는 경우 두 층 사이의 위상차가 π, 4층 구조를 갖는 경우에는 π/2가 되도록 에칭 깊이를 결정한다.
그리고, 상기 절연층으로 구성된 상기 회절광학소자 패턴은 상기 제1, 제2전극을 형성하기 전 단계에 형성하는 것을 더 포함한다.
상기 발광다이오드에 회절광학소자(DOE) 패턴을 형성시키기 위한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고광도 발광다이오드의 제조방법은, 기판 상에 발광층을 형성하는 단계; 상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 제1, 제2전극을 형성하는 단계; 상기 발광층 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층 상부에 고분자 화합물로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 회절광학소자 패턴의 형성은, 상기 절연층이 형성된 상부에 임프린트용 고분자 화합물을 도포한 후 1차 경화(curing)시키는 단계; 상기 절연층 상부에만 남도록 고분자 화합물을 형성하는 단계; 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 상기 고분자 화합물에 임프린트 공정을 수행한 후 2차 경화시키는 단계로 진행된다.
그리고, 상기 절연층 상부에만 남도록 상기 고분자 화합물을 형성하는 단계는, 상기 경화된 임프린트용 고분자 화합물 위에 패터닝된 포토레지스트(PR; photoresist)를 도포하는 단계; 상기 절연층 상부에만 남도록 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 상기 고분자 화합물을 제거하는 단계로 진행된다.
상기 고분자 화합물로 구성된 상기 회절광학소자 패턴은 상기 제1, 제2전극을 형성하기 전 단계에 형성하는 것을 더 포함한다.
상기의 제조방법으로 형성된 본 발명의 일실시예에 따른 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드는 기판의 발광영역 상에 형성된 발광층; 상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 형성된 제1, 제2전극; 및 상기 발광층 상부에 절연층으로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 다른 구성 예는 기판의 발광영역 상에 형성된 발광층; 상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 형성된 제1, 제2전극; 상기 발광층 상부에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상부에 고분자 화합물로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법 및 이 방법을 이용하여 제조되는 고광도 발광다이오드는 기본적인 발광다이오드의 제작 공정에 추가 적용이 가능하고, 공정이 매우 간단하며, 낮은 제조비용으로 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 원하는 목표 발광다이오드의 발광 형태와 여기에 포함되는 파장과 대역폭에 따른 특화된 회절광학소자(DOE) 패턴을 적용하여 발광다이오드의 제품별 용도에 맞는 고광도 발광다이오드의 제작이 가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 발광다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 절연층에 형성되는 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 절연층 위의 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
도 4는 CGH 기법을 이용하여 DOE 패턴 설계하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 구조 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 구조 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 절연층에 형성되는 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 절연층 위의 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
도 4는 CGH 기법을 이용하여 DOE 패턴 설계하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 구조 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 구조 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조 방법을 바람직한 실시예별로 나누어 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명은 반도체 발광다이오드에 있어서 발광다이오드의 발광영역에 발광다이오드의 특성을 고려하여 패턴의 간격과 높이가 미리 설계된 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성함으로써, 발광다이오드의 발광영역에서 방출되는 광의 진행방향을 모아줄 뿐만 아니라 필요에 따라 광의 방향을 조절하여 발광다이오드의 발광 효율을 개선하고 발광 특성을 임의로 조절하고자 하는 것이다.
제1실시예
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 절연층에 형성되는 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 기판(21)상에 버퍼층(22)과 발광층, 즉 n형 반도체층(23), 활성층(24) 및 p형 반도체층(25)을 순차적으로 형성한다. 이때, 기판(21)은 발광다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판(21)을 사용한다. 미설명 부호 '26'과 '27'은 각각 p형인 제1전극과 및 n형인 제2전극을 나타낸 것이다.
버퍼층(22)은 기판(21) 상에 결정 성장시 기판과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로, 반도체 재료인 GaN, InN 또는 AlN을 포함하여 형성할 수 있다. n형 반도체층(23)은 전자가 생성되는 층으로, n형 화합물 반도체층과 n형 클래드층으로 형성될 수 있다. p형 반도체층(25)은 정공이 생성되는 층으로, p형 클래드층과 p형 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 활성층(24)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어질 수 있다. 활성층(24)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(24)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 물질층들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PCVD; Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다.
다음에, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 발광층을 포함한 기판(21) 전면에 SiO2와 같은 절연층(28)을 도포한 후, 상기 절연층(28)을 선택적으로 사진 식각하여 발광다이오드의 발광영역에만 절연층(28)이 남도록 한다.
이후에, 도 2c에 도시한 바와 같이, 기판(21) 전면에 레진과 같은 임프린트용 고분자 화합물(29)을 도포한다.
다음에, 도 2d에 도시한 바와 같이, 발광다이오드의 발광 파장과 방사각도에 맞춰 수직 또는 수평방향으로 광을 모으도록 설계된 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프(30)를 이용하여 임프린트 공정을 수행한다.
도 2e는 이와 같이 임프린트 후 고분자 화합물(29)에 형성된 패턴(29a)을 나타낸 도면이다.
이후에, 도 2f에 도시한 바와 같이, 건식식각(dry etching) 공정을 통해 절연층(28)에 최종 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)을 형성시켜 구현된다.
이때, 최종 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)을 형성하는 공정은, 절연층(28)의 표면이 드러나도록 요철 형상의 패턴(29a)을 1차로 건식식각 하는 공정과, 남은 패턴(29a)을 마스크로 드러난 절연층(28)을 2차로 건식식각하는 공정과, 상기 패턴(29a)을 제거하는 공정으로 진행된다.
상기에서 스탬프(30)는 차후에 발광영역에서 나오는 빛의 방향을 바꿀 수 있도록 하기 위해서 DOE 패턴의 깊이를 한 가지 이상 다양한 것을 사용한다. 이와 같이 DOE 패턴의 깊이가 한 가지 이상인 스탬프(30)를 사용하면, 도 2f에서와 같이, 최종 회절광학소자 패턴(28a)도 다양한 깊이를 갖고 형성된다.
상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은 이에 한정되지 않고, 제1, 제2전극(26, 27)을 형성하기 전 단계에서 절연층(28)에 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)을 형성시킬 수도 있다. 즉, 발광다이오드의 제1, 제2전극(26, 27)과 회절광학소자 패턴(28a)의 제조순서는 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경될 수도 있다.
상기와 같은 제조공정을 통해 형성된 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드는 도 5에 도시한 바와 같이, 기판(21)상에 버퍼층(22)과 발광층, 즉 n형 반도체층(23), 활성층(24) 및 p형 반도체층(25)이 순차적으로 형성되어 있다. 이때, 상기 발광층과 버퍼층(22) 상에 각각 형성된 미설명 부호 '26'과 '27'은 각각 p형인 제1전극과 n형인 제2전극을 나타낸 것이다.
그리고, 발광층 중, 상기 p형 반도체층(25) 상부의 발광영역에는 절연층으로 구성된 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)이 형성되어 있다. 이때, 절연층으로 구성된 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)은 다양한 깊이를 갖고 형성된다.
이와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 발광다이오드는, 절연층으로 회절광학소자(DOE) 패턴을 형성한 것에 그 특징이 있는 것으로, 광의 임계각을 변화시켜 보다 용이하게 광을 추출할 수 있게 하고, 추출된 광은 회절광학소자(DOE) 패턴(28a)의 동작 기능에 의해 수직 또는 사선으로 방사될 수 있다.
제2실시예
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 절연층 위의 임프린트용 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE) 패턴 형성 과정을 보여주기 위한 공정 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(31)상에 버퍼층(32)과 발광층, 즉 n형 반도체층(33), 활성층(34) 및 p형 반도체층(35)을 순차적으로 형성한다. 이때, 기판(31)은 발광다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판(31)을 사용한다. 미설명 부호 '36'과 '37'은 각각 p형인 제1전극과 및 n형인 제2전극을 나타낸 것이다.
버퍼층(32)은 기판(31) 상에 결정 성장시 기판과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로, 반도체 재료인 GaN, InN 또는 AlN을 포함하여 형성할 수 있다. n형 반도체층(33)은 전자가 생성되는 층으로, n형 화합물 반도체층과 n형 클래드층으로 형성될 수 있다. p형 반도체층(35)은 정공이 생성되는 층으로, p형 클래드층과 p형 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 활성층(34)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어질 수 있다. 활성층(34)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(34)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 물질층들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PCVD; Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다.
다음에, 상기 결과물 전면에 SiO2와 같은 절연층(38)을 도포한 후, 상기 절연층(38)을 선택적으로 사진 식각하여 발광다이오드의 발광영역에만 절연층(38)이 남도록 한다.
이후에, 도 3b에 도시한 바와 같이, 절연층(38)이 형성된 상부에 레진과 같은 임프린트용 고분자 화합물(39)을 도포한 후 임프린트가 가능할 정도로 1차 경화(curing)시킨다.
다음에, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 경화된 임프린트용 고분자 화합물(39) 위에 포토레지스트(PR; photoresist)(40)를 도포한다. 그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 포토리소그래피 공정으로 발광영역 상부에만 남도록 포토레지스트(40)를 패터닝한다.
이후에, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트(40)를 마스크로 절연층(38) 위의 임프린트용 고분자 화합물(39)만 남도록 나머지 임프린트용 고분자 화합물(39)을 제거한다. 그리고, 패터닝된 포토레지스트(40)를 제거한다.
다음에, 도 3e에 도시한 바와 같이, 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프(41)를 이용하여 임프린트 공정을 수행한다. 이후에, 완전 경화를 위해 2차 경화를 수행하여 도 3f에 도시한 바와 같이, 절연층(38) 위에 투명 고분자 화합물로 이루어진 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)을 형성시킨다.
상기에서 스탬프(41)는 차후에 발광영역에서 나오는 빛의 방향을 바꿀 수 있도록 하기 위해서 DOE 패턴의 깊이가 여러 가지인 것을 사용한다. 이와 같이 DOE 패턴의 깊이가 여러 가지인 스탬프(41)를 사용하면, 도 3f에서와 같이, 최종 회절광학소자 패턴(39a)도 다양한 깊이를 갖고 형성된다.
상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은 이에 한정되지 않고, 제1, 제2전극(36, 37)을 형성하기 전 단계에서 절연층(38) 상부의 투명 고분자 화합물(39)에 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)을 형성시킬 수도 있다. 즉, 상기 제1, 제2전극(36, 37)과 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)의 제조순서는 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경될 수도 있다.
상기 제조공정을 통해 형성된 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드는 도 6에 도시한 바와 같이, 기판(31)상에 버퍼층(32)과 발광층, 즉 n형 반도체층(33), 활성층(34) 및 p형 반도체층(35)이 순차적으로 형성되어 있다. 미설명 부호 '36'과 '37'은 각각 p형인 제1전극과 및 n형인 제2전극을 나타낸 것이다.
그리고, 상기 p형 반도체층(35) 상부의 발광영역에는 절연층(38)이 구비되어 있고, 상기 절연층(38)의 상부에는 고분자 화합물로 구성된 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)이 형성되어 있다. 이때, 고분자 화합물로 구성된 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)은 다양한 깊이를 갖고 형성된다.
이와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 발광다이오드는, 고분자 화합물에 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)을 형성한 것에 그 특징이 있는 것으로, 광의 임계각을 변화시켜 보다 용이하게 광을 추출할 수 있게 하고, 추출된 광은 회절광학소자(DOE) 패턴(39a)의 동작 기능에 의해 수직 또는 사선으로 방사될 수 있다.
상기와 같은 발광다이오드의 발광영역에 형성되는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴은 발광영역의 중심파장과 대역폭 및 방사패턴을 고려하여 설계되며, CGH(Computer Generated Hologram)기법을 이용하여 2층 또는 다층구조로 만들어진다.
도 4는 CGH 기법을 이용하여 DOE 패턴을 설계하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a를 이용하여 보다 상세히 설명하면, 발광다이오드의 광원에 포함된 전체 가시광선 영역의 파장에 대해 중심파장 λ가 [식1]의 회절공식에 의해 패턴간격 p를 가질 때 절연층의 두께 D를 지난 영상면(image plane)에서 각 패턴의 경로차가 파장의 정수배가 되는 회절각 θ인 지점에서 모이게 된다. 회절광학소자(DOE)에 입사되는 각 파장의 위상과 도 4b와 같이 경로차가 파장의 정수배가 되는 지점의 목표영상(target image)을 결정하여 각 패턴 사이의 간격 p를 결정한다.
이 때 영상면을 포함하는 목표영상의 크기는 단일 화소의 크기와 동일하도록 설정하며, m은 회절차수로 다층 구조에서는 1이며, 본 발명에서는 목표영상이 대칭구조를 가지므로 2층 구조의 패턴 설계로도 동일한 동작을 수행한다. 이렇게 계산된 목표영상과 패턴의 크기, 광원으로부터 DOE에 도달하는 공간별 파장의 위상, 그리고 재생상의 위치를 고려하여 CGH 기법으로 도 4c와 같은 홀로그램 패턴을 만든다.
이렇게 설계된 CGH 패턴은 포토마스크로 만든 후 노광 및 에칭 공정을 거치면서 발광다이오드에 패턴을 형성하기 위한 스탬프로 만들어진다. 스탬프 제작을 위한 에칭 깊이는 [식2]와 같이 발광다이오드에서 절연층의 굴절률 n0와 절연층 이후에 형성될 층의 굴절률 n1을 고려하여 형성될 층의 수(2N)에 따라 각 층의 위상차가 π/2(N-1)이 되도록 파장 λ를 고려하여 제작한다. 예로, 2층 구조를 갖는 경우 두 층 사이의 위상차가 π, 4층 구조를 갖는 경우에는 π/2가 되도록 스탬프의 에칭 깊이를 결정한다.
발광다이오드의 발광 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나타낼 수 있는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라서 결정되며, 외부 양자 효율의 경우 활성층에서 생성되는 광자가 발광다이오드의 외부로 나오는 정도에 따라서 결정된다. 발광다이오드의 반도체층 상부의 평탄한 표면에 전극층이 형성되는 경우에, 일부의 광자가 반도체층과 전극층 간의 그 계면에서 투과하지 못하고 반사되어 나오며, 임계각보다 큰 각도로 반도체층서 방출된 광은 계면에서 전반사되어 외부로 투과하지 못한다.
그러나 본 발명에서와 같이 반도체층의 발광영역에 발광다이오드의 발광 특성을 고려하여 미리 설계된 회절광학소자(DOE) 패턴을 형성하는 경우에, 표면의 회절광학소자(DOE) 패턴이 광의 임계각을 변화시켜 보다 용이하게 광을 추출할 수 있게 하여 반도체층에서 발생한 광이 전반사되지 않고 발광다이오드의 외부로 방출될 확률이 높아져 외부 양자 효율을 현저하게 향상시키며, 외부로 방출된 광을 수직 방향으로 모아줌으로써 형광체와 같은 상층부에서의 내부 전반사를 줄일 수 있어 발광 효율을 향상시키게 된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.
Claims (11)
- 기판 상에 발광층을 형성하는 단계;
상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 제1, 제2전극을 형성하는 단계; 및
상기 발광층의 발광영역 상부에 절연층으로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성하는 단계를 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 회절광학소자 패턴의 형성은,
상기 발광층의 발광영역에만 절연층을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 임프린트용 고분자 화합물을 도포하는 단계;
다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 상기 고분자 화합물에 임프린트 공정을 수행하는 단계;
상기 임프린트된 고분자 화합물을 마스크로 건식식각하여 상기 절연층에 최종 회절광학소자(DOE) 패턴을 형성시키는 단계로 진행됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 회절광학소자 패턴을 형성하는 공정은,
상기 절연층의 표면이 드러나도록 상기 고분자 화합물을 1차로 건식식각 하는 공정과,
상기 남은 고분자 화합물을 마스크로 상기 절연층을 2차로 건식식각하는 공정과,
상기 고분자 화합물을 제거하는 공정으로 진행됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 건식식각 깊이는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴이 2층 구조를 갖는 경우 두 층 사이의 위상차가 π, 4층 구조를 갖는 경우에는 π/2가 되도록 에칭 깊이를 결정함을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 절연층으로 구성된 상기 회절광학소자 패턴은 상기 제1, 제2전극을 형성하기 전 단계에 형성하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 기판 상에 발광층을 형성하는 단계;
상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 제1, 제2전극을 형성하는 단계;
상기 발광층의 발광영역 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층 상부에 고분자 화합물로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴을 형성하는 단계를 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 회절광학소자 패턴의 형성은,
상기 절연층이 형성된 상부에 임프린트용 고분자 화합물을 도포한 후 1차 경화(curing)시키는 단계;
상기 절연층 상부에만 남도록 고분자 화합물을 형성하는 단계;
다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE) 패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 상기 고분자 화합물에 임프린트 공정을 수행한 후 2차 경화시키는 단계로 진행됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 절연층 상부에만 남도록 상기 고분자 화합물을 형성하는 단계는,
상기 경화된 임프린트용 고분자 화합물 위에 패터닝된 포토레지스트(PR; photoresist)를 도포하는 단계;
상기 절연층 상부에만 남도록 포토레지스트를 패터닝하는 단계;
상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 상기 고분자 화합물을 제거하는 단계로 진행됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 고분자 화합물로 구성된 상기 회절광학소자 패턴은 상기 제1, 제2전극을 형성하기 전 단계에 형성하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드의 제조방법. - 기판의 발광영역 상에 형성된 발광층;
상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 형성된 제1, 제2전극; 및
상기 발광층의 발광영역 상부에 절연층으로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴이 구비됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드. - 기판의 발광영역 상에 형성된 발광층;
상기 발광층 및 상기 기판의 일측에 형성된 제1, 제2전극;
상기 발광층의 발광영역 상부에 형성된 절연층; 및
상기 절연층 상부에 고분자 화합물로 구성된 다양한 깊이를 갖는 회절광학소자(DOE; diffractive optical elements) 패턴이 구비됨을 특징으로 하는 회절광학소자를 적용한 고광도 발광다이오드.
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