KR20120084838A - 발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조된 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건식에칭 시 나노구조체와 반도체층 간의 에칭속도(에칭비) 차이를 이용하여 건식에칭 조건의 변화를 통해 반도체층에 생성되는 요철부의 경사각을 조절함으로써, 광 추출 효율이 향상된 발광다이오드를 제조하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 발광다이오드에 관한 것이다.
본 발명은 제1 반도체층 상에 활성층 및 제2 반도체층이 순차적으로 형성된 발광다이오드의 제조방법으로서, 상기 제2 반도체층 상에 나노구조체를 코팅하는 단계와, 상기 나노구조체를 마스크로 이용하여 상기 제2 반도체층과 함께 건식에칭하여 상기 제2 반도체층에 요철부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 나노구조체는 상기 제2 반도체층에 비해 건식에칭이 용이한 물질을 사용하고, 상기 제2 반도체층과 나노구조체 사이의 에칭속도 차이를 고려하여 건식에칭 조건을 설정함으로써, 상기 제2 반도체에 생성된 요철부의 측면 경사각을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조된 발광다이오드 {METHOD OF MANUFACTURING LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DIODE MANUFACURED BY THE METHOD}

본 발명은 발광다이오드의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건식에칭을 통해 발광다이오드의 상부 반도체층 상에 나노구조체를 형성함에 있어서 마스크 재료에 맞춘 건식에칭 공정조건의 조절을 통해, 발광다이오드의 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 방법과 이 방법에 의해 제조된 발광다이오드에 관한 것이다.

백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환효율이 좋고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 좋고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템을 구현하기에 용이하여, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.

이러한 질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 광범위하게 사용되기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력의 빛을 발할 수 있어야 한다.

현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 낮고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다.

이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용을 위해 개발된 소자가 수직구조 발광다이오드인데, 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점이 있다. 수직구조 발광다이오드는 작은 전류 확산 저항으로 인해 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있기 때문에 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있고, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다. 이에 따라 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 증가하므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것으로 전망되고 있다.

질화갈륨계 수직형 발광다이오드에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분은 소자 상부의 n형 반도체층이다. 매끄러운 평면으로 이루어진 n형 반도체층의 굴절률과 대기의 굴절률에는 큰 차이가 있기 때문에, 도 1a에 도시된 바와 같이 대기/반도체층 계면에서 일어나는 전반사가 발생하여 활성층에서 발생한 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다. 따라서 도 1b와 같이 반도체층 표면에 대기/반도체층 계면에서의 전반사 임계각에 해당하는 23.5°의 각도를 가지는 나노구조물을 인위적으로 형성하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져나오게 하는 것이 필요하다.

이를 위해 종래에는 n형 반도체 표면을 KOH, NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 습식에칭을 통해 n형 반도체 표면에 피라미드 형태의 나노구조물을 형성함으로써, 발광다이오드의 광추출을 크게 개선하고 있다.

그런데, 습식에칭을 이용한 피라미드 구조물 형성 방법의 경우, 습식에칭 과정 중에 n형 전극, 전도성 기판, 발광다이오드 메사 구조 등이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막의 형성이 요구될 뿐 아니라, 습식에칭 과정을 통해서는 기술적으로 대면적의 나노구조물 균일하게 형성하기 어려운 문제점이 있다.

또한 질화갈륨 반도체 표면의 습식에칭을 이용하여 생성되는 피라미드 형상 나노구조물은 도 2에서처럼 약 32^o의 각도를 갖는데, 습식 에칭을 통해서는 나노구조물의 크기를 조절할 수는 있으나 각도 조절이 불가능하기 때문에 나노구조물의 경사각 조절을 통한 광 추출 효율의 극대화에는 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 건식에칭을 사용하여 습식에칭에 따른 문제점을 극복할 수 있을 뿐 아니라 발광다이오드를 구성하는 반도체층 상에 형성되는 나노구조물의 측면 경사각을 효과적으로 제어할 수 있어, 광 추출 효율이 극대화된 패턴을 형성할 수 있는 발광다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 광 추출에 매우 효과적인 패턴이 형성된 발광다이오드를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 제1 반도체층 상에 활성층 및 제2 반도체층이 순차적으로 형성된 발광다이오드의 제조방법으로서, 상기 제2 반도체층 상에 나노구조체를 코팅하는 단계와, 상기 나노구조체를 마스크로 이용하여 상기 제2 반도체층과 함께 건식에칭하여 상기 제2 반도체층에 요철부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 나노구조체는 상기 제2 반도체층에 비해 건식에칭이 용이한 물질을 사용하고, 상기 제2 반도체층과 나노구조체 사이의 에칭속도 차이를 고려하여 건식에칭 조건을 조절함으로써, 상기 제2 반도체에 생성된 요철부의 측면 경사각을 조절하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 나노구조체는 실리카(SiO₂), ZnO, 알루미늄 산화물, MgO, TiO₂, SnO₂, 리튬 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 나노구조체는 구 모양일 수 있으며, 이때 상기 구 모양의 나노구조체는 서로 다른 직경을 갖는 2 종 이상의 것이 혼합된 것일 수 있으며, 상기 구 모양의 나노구조체의 직경은 100nm ~ 3㎛인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 건식에칭 조건은 에칭시간일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 건식에칭 전에 상기 제2 반도체 표면을 표면처리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 요철부를 형성한 후에 상기 요철부 상에 추가로 나노선 또는 나노막대를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 제2 반도체층은 n-face를 갖는 n형일 수 있다.

또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상기한 방법으로 발광다이오드로서, 상기 요철부는 원추형 또는 절두원추형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 원추형 또는 절두원추형 요철부의 측면과 상기 제2 반도체층의 법선방향 사이의 각도는 30°이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체의 패터닝 기술을 적용하게 되면 종래의 평편한 n형 반도체 표면을 가지는 수직 발광다이오드에 비해 광출력을 3 배 이상 증가시킬 수 있으며, 종래에 광추출에 가장 효과적이라고 알려진 습식에칭에 의한 것과 동등한 결과를 얻을 수 있기 때문에, 고출력 발광다이오드에 적합하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 현재 널리 사용되고 있는 질화물갈륨계 발광다이오드의 제조공정에 즉시 적용할 수 있고, 수직형뿐만 아니라 수평형 발광 다이오드 구조에도 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 제조단가가 높으며 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그라피 패터닝을 사용하지 않고, 건식 에칭 조건 변화에 의해 다양한 형태의 나노구조물을 형성할 수 있는 특징이 있어, 대면적 적용, 제조단가의 절감, 공정시간 단축 등의 효과를 얻을 수 있다,

도 1은 본 발명에서 형성한 반도체/대기 계면에서의 전반사와 이를 효과적으로 제거하기 위해 전반사 임계각에 해당하는 표면 구조물을 형성하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 가장 대표적인 습식에칭에 의해 형성된 피라미드 나노구조물의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 건식에칭 시 에칭시간에 따라 서로 다른 경사각을 갖는 다양한 형태의 나노구조물 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 편평한 발광다이오드 표면과, 이 발광다이오드 표면에 구형 실리카 나노구조물을 코팅한 상태를 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 n형 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드 표면에 에칭 시간을 각각 4분, 5분, 6분 및 7분으로 다르게 할 경우 서로 다른 경사각을 갖는 요철부가 형성된 상태를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6a, 6b 및 6c는 각각 n형 반도체층에 요철부를 형성하지 않은 수직형 발광다이오드, 본 발명의 실시예 1에 따라 도 5의 원추형의 요철부(4분 건식에칭한 것)를 형성한 수직형 발광다이오드, 및 습식에칭을 통해 도 2와 같은 피라미스 형상의 요철부를 형성한 발광다이오드의 광학현미경 사진이다.
도 7은 도 6a, 6b 및 6c와 같이 제조한 발광다이오드의 전기 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에서의 n형 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드의 반도체 표면에 원추형 요철부를 형성한 후, 원추형 요철부의 골 사이에 추가적으로 나노선 또는 나노막대 형성한 상태를 모식적으로 설명하는 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소 및 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, '구(sphere) 모양'이란 한 점에서 같은 거리에 있는 모든 점으로 이루어진 입체 모양이라는 수학적 정의의 구뿐 아니라, 외견상 둥글게 생긴 형상의 것을 모두 포괄하는 것을 의미하며, '나노구조체'란 크기 10㎛ 이하의 구조체를 의미한다.

도 1은 본 발명에서 형성한 원뿔 모양의 표면 구조물을 이용해 발광다이오드의 광 추출 효율 향상을 설명하기 위한 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 매끈한 표면의 반도체 기판의 경우, 질화갈륨 반도체 기판의 굴절률(n~2.5)과 대기의 굴절률(n=1)이 크게 다르기 때문에 전반사에 대한 임계각이 23.5°에 불과하다. 이에 따라 반도체 내부에서 발생한 빛의 상당 부분이 외부로 빠져나오지 못하고, 내부에서 소멸하여 광 추출 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 비해 도 1b와 같이 반도체 표면에 임계각에 해당하는 각도를 가지는 원뿔 형태의 구조물을 형성할 경우, 내부에서 발생한 빛이 대기 중으로 방출될 확률이 급격하게 증가하여 발광다이오드의 광 추출 효율을 크게 향상시킬 수 있으므로, 본 발명자들은 반도체 기판의 표면에 균일한 원뿔형 형상을 구현할 수 있는 반도체 표면의 패터닝 방법을 개발하게 되었다.

본 발명에 따른 발광다이오드의 패터닝 형성공정은, 크게 반도체 표면상에 구형 나노구조체 코팅 공정과, 건식에칭 공정을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 실시예에서는 수직형 발광다이오드를 사용하였으나, 수평형 발광다이오드도 사용될 수 있다. 수직형 발광다이오드는 하부에서 순서대로, 전도성기판, p형 반도체층(제1 반도체층)과 접속하며 발생한 빛을 반사할 수 있는 전극, p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층(제2 반도체층)이 순차적으로 형성되어 있고, p형과 n형 반도체층은 모두 질화갈륨으로 이루어진 것을 사용하였다.

먼저, 상기 수직형 발광다이오드의 n형 반도체층 표면에 실리카(SiO₂)로 이루어진 직경 500nm의 구형 나노구조체(입자)를 균일한 단일층이 형성되도록 코팅한다. 본 발명의 실시예에서는 구형 나노구조체로 실리카 입자를 사용하였으나, 실리카와 다른 에칭비를 필요로 할 경우에는 유리 또는 금속 산화물로 이루어진 나노구조체를 사용할 수도 있다.

이어서, 균일하게 도포된 실리카 나노구조체를 마스크로 활용하여 에칭조건을 조절하여 나노구조체와 n형 반도체층을 함께 건식에칭하며, 이때 실리카 나노구조체와 n형 질화갈륨 반도체층의 에칭속도의 차이를 고려하여 에칭조건을 설정함으로써, n형 질화갈륨 반도체층 상에 형성되는 요철부의 측면 경사각을 조절한다.

도 3a 내지 도 3d는 건식에칭 과정을 통해 n형 반도체층 상에 형성되는 요철부의 형상 변화의 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 즉, n형 반도체층 상에 구형 나노구조체를 코팅한 후 건식에칭을 실시하게 되면 에칭이 진행됨에 따라 n형 반도체층 상에 형성되는 요철부의 측면 경사각이 변하며, 본 발명은 나노구조체와 n형 반도체층 간의 에칭속도의 차이를 고려하여 에칭조건을 설정함으로써 습식에칭으로는 구현하기 어려운 30°이하의 경사각을 갖는 요철부를 형성하는데 특징이 있다.

한편, 건식에칭 방법은 마스크로 사용하는 나노구조체와 n형 반도체층을 함께 에칭할 수 있는 방법이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 에칭장비(etcher)를 이용하여 건식에칭을 수행하였다.

[실시예 1]

스핀 코터를 이용하여 먼저 직경 500nm의 구형 실리카 나노구조체를 기판에 떨어뜨려 놓은 후 나노구조체들이 기판에서 분산될 수 있도록 1분 정도를 유지한 후 스핀 코팅을 시작한다. 스핀 코팅은 단계별로 시작하면 먼저 200rpm에서 1분간 스핀 코팅을 한 후 800rpm에서 30초 마지막으로 1200rpm에서 10초간 코팅을 하여 준다.

도 4a는 패터닝 전의 평편한 n형 반도체 표면을 나타내고 있으며 도 4b는 수직 발광다이오드 표면에 스핀 코팅 방법으로 형성된 구 모양의 실리카 재질의 나노구조체를 보여주는 사진이다. 도 4b를 통해 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해 구 모양의 나노구조체가 균일하게 n형 반도체 표면에 형성되었음을 확인할 수 있다.

이와 같이 구형 실리카 나노구조체가 균일하게 코팅되어 있는 기판을 ICP(Inductive Coupled Plasma) 에칭장비를 이용하여 건식에칭을 한다. 건식에칭은 Cl₂와 BCl₃가스를 7:3비율로 혼합하여 사용을 하며 이때 플라즈마 파워는 약 300Watt에서 척바이어스(chuck bias) -300Volt를 이용해 에칭하였다.

도 5는 구형 실리카 나노구조체가 균일하게 코팅되어 있는 기판을 ICP(Inductive Coupled Plasma) 에칭장비를 이용하여 건식에칭 시간을 각각 4분, 5분, 6분, 7분으로 달리하여 형성한 n형 반도체층에 형성된 원뿔 형상의 요철부를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 5에서 확인되는 바와 같이, 에칭 시간이 증가함에 따라 형성되는 요철부의 형상이 절두 원추형에서 원추형으로 변하며, 원추형 요철부의 측면과 n형 반도체층의 법선방향이 이루는 각도(이하, '경사각'이라 함)도 28.7°에서 44°로 변화하는 것을 보여준다. 이와 같은 경사각의 변화는 실리카 나노구조물과 질화물갈륨계 반도체 기판의 건식에칭에 대한 에칭속도(에칭비)가 서로 다른데 기인하는 것으로 보인다.

이와 같이 n형 반도체층에 원추형 요철부를 형성한 후, Cr/Au을 전자선증착법을 이용하여 n형 전극을 형성하였다.

도 6a, 6b 및 6c는 각각 n형 반도체층에 요철부를 형성하지 않은 수직형 발광다이오드, 본 발명의 실시예 1에 따라 도 5의 원추형의 요철부(4분 건식에칭한 것)를 형성한 수직형 발광다이오드, 및 습식에칭을 통해 도 2와 같은 피라미스 형상의 요철부를 형성한 발광다이오드의 광학현미경 사진이다.

도 7은 도 6a, 6b 및 6c와 같이 제조한 발광다이오드의 전기 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따라 n형 반도체 표면에 균일한 원추형의 요철부를 형성한 경우, 평편한 n형 반도체에 비하여 광 출력이 약 3배 이상 증가할 수 있음이 확인될 뿐 아니라, 습식에칭에 의해 피라미드 형상의 요철부를 형성한 수직형 발광다이오드보다 더 높은 광출력 특성을 나타냄이 확인된다. 즉, 본 발명에 의하면 건식에칭을 사용함으로써, 습식에칭을 통한 요철부 형성방법이 갖는 문제점을 해결할 수 있을 뿐 아니라, 습식에칭을 사용한 발광다이오드와 비교할 때 동등 이상의 광 추출 효율을 얻을 수 있는 발광다이오드를 제조할 수 있게 된다.

[실시예 2]

도 8은 본 발명에서의 n형 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드의 반도체 표면에 원추형 요철부를 형성한 후, 원추형 요철부의 골 사이에 추가적으로 나노선 또는 나노막대 형성한 상태를 모식적으로 설명하는 도면이다.

나노선 및/또는 나노막대를 성장시키는 방법으로는, 대면적 성장이 가능한 수열합성법을 사용할 수 있다. 구체적으로, Zn 이온의 전구체인 질산아연6수화물(Znic nitrate hexahydrate)과 OH 이온 전구체인 Hexame(HMT)을 탈이온수에 첨가하여 반응 수용액을 만든다. 그리고 상기 원추형 요철부가 형성된 발광다이오드 기판을 상기 반응 수용액에 침지하여 70℃에서 3시간 동안 합성시키면 도 8과 같이 원추형 요철부 사이에 나노선 및/또는 나노막대가 형성된다. 이와 같이 추가로 나노선 및/또는 나노막대를 형성할 경우, 발광다이오드의 발광층에서 생성된 빛이 다중 산란에 의해 대기 중으로 방출될 확률이 증가하여 광 추출 효율이 보다 증가할 수 있다.

Claims (12)

1. 제1 반도체층 상에 활성층 및 제2 반도체층이 순차적으로 형성된 발광다이오드의 제조방법으로서,
   상기 제2 반도체층 상에 나노구조체를 코팅하는 단계와,
   상기 나노구조체를 마스크로 이용하여 상기 제2 반도체층과 함께 건식에칭하여 상기 제2 반도체층에 요철부를 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 나노구조체는 상기 제2 반도체층에 비해 건식에칭이 용이한 물질을 사용하고, 상기 제2 반도체층과 나노구조체 사이의 에칭속도 차이를 고려하여 건식에칭 조건을 설정함으로써, 상기 제2 반도체에 생성된 요철부의 측면 경사각을 조절하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 반도체층은 질화갈륨으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 나노구조체는 실리카(SiO₂), ZnO, 알루미늄 산화물, MgO, TiO₂, SnO₂, 리튬 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 나노구조체는 구 모양인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 건식에칭 조건은 에칭시간인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 건식에칭 전에 상기 제2 반도체 표면을 표면처리하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 요철부에 추가로 나노선 또는 나노막대를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 반도체층이 n-face를 갖는 n형인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 구 모양의 나노구조체는 서로 다른 직경을 갖는 2 종 이상의 것이 혼합된 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
10. 제 4 항에 있어서,
    상기 구 모양의 나노구조체의 직경은 100nm ~ 3㎛인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조되는 발광다이오드로서, 상기 요철부는 원추형 또는 절두원추형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 원추형 또는 절두원추형 요철부의 측면과 상기 제2 반도체층의 법선방향 사이의 각도는 30°이하인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.

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