KR20130055852A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 금속 기판, 상기 금속 기판 상에 형성된 시드층, 상기 시드층 상에 형성된 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 포함하여 구성되고, 상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시킴으로써, 금속 기판의 우수한 열전도도로 인해 발광다이오드의 방열 특성을 향상시킬 수 있고, 기판의 대면적화가 용이하며, 제조 단가가 사파이어 또는 반도체 기판에 비해 매우 저렴하여 발광 다이오드의 제조 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있고, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시키는 과정에서의 기능층들 간의 격자 불일치 즉, 격자 부정합을 줄여 성장되는 기능층의 내부 결함을 줄임으로써, 발광 다이오드의 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 금속 기판, 상기 금속 기판 상에 형성된 시드층, 상기 시드층 상에 형성된 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 포함하여 구성되고, 상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 한다.
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Description
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 저비용으로 기판 대면적화가 용이하며, 열전도도가 우수한 금속(metal) 기판을 반도체 발광다이오드 에피층 성장을 위한 기판으로 사용한 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명 (solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.
질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 작고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 부도체이며 열전도도가 나쁜 사파이어 기판 위에 성장되기 때문에 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있으며, 또한 대면적화가 어려우며 기판 비용이 비싼 문제점이 있다.
한편, 인바(INVAR) 합금강판, 스테인리스강판, 아연도금강판, 주석도금강판과 같이 Fe와 C를 포함하는 강철(steel) 및 Ni, Cr, Cu 등의 금속 기판은 열 전도도와 전기 전도도가 높아 질화갈륨계 반도체에서 고전류 주입 시 발생하는 열의 배출에 유리하다. 더욱이, 철강을 베이스로 하는 기판은 저비용으로 대량생산이 가능하기 때문에 소자의 제조원가를 낮추는데도 큰 장점이 있다. 그런데, 비정질(amorphous) 또는 다결정(polycrystalline) 금속 기판 상에 고품위의 반도체 발광다이오드 에피층을 성장하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 우수한 열전도도를 갖는 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시킴으로써, 발광다이오드의 방열 특성을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 금속 기판을 이용하여 기판의 대면적화가 용이하며, 발광 다이오드의 제조 단가를 획기적으로 줄이는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시키는 과정에서의 기능층들 간의 격자 불일치 즉, 격자 부정합을 줄여 성장되는 기능층의 내부 결함을 줄임으로써, 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 절연층 패턴을 통한 난반사를 이용하여 발광 다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드는 금속 기판, 상기 금속 기판 상에 형성된 시드층, 상기 시드층 상에 형성된 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 포함하여 구성되고, 상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 상기 시드층 상에 패턴화되어 형성되어 있으며, 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 상기 버퍼층 상에 패턴화되어 형성되어 있으며, 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 n형 반도체층은 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장되어 있고, 상기 활성층은 상기 n형 반도체층 상에 형성되어 있고, 상기 p형 반도체층은 상기 활성층 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 n형 반도체층은 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면 상에 형성되어 있고, 상기 활성층은 상기 n형 반도체층의 측면에 형성되어 있고, 상기 p형 반도체층은 상기 활성층의 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속 기판은 비정질 또는 다결정질이고, 상기 시드층과 상기 버퍼층 및 상기 발광 구조체는 결정질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 상기 금속 기판 상에 형성되어 상기 금속 기판으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 확산 방지층은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속 기판은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 시드층은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 시드층의 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서, 상기 버퍼층은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 금속 기판 상에 시드층을 형성하는 시드층 형성단계, 상기 시드층 상에 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계 및 상기 버퍼층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 형성하는 발광 구조체 형성단계를 포함하여 구성되고, 상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 상기 시드층 상에 형성하는 절연층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 버퍼층 형성단계에서, 상기 버퍼층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 시드층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 상기 버퍼층 상에 형성하는 절연층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 발광 구조체 형성단계에서, 상기 n형 반도체층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 형성하고, 상기 활성층을 상기 n형 반도체층 상에 형성하고, 상기 p형 반도체층을 상기 활성층 상에 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 발광 구조체 형성단계에서, 상기 n형 반도체층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면 상에 형성하고, 상기 활성층을 상기 n형 반도체층의 측면에 형성하고, 상기 p형 반도체층을 상기 활성층의 측면에 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 금속 기판은 비정질 또는 다결정질이고, 상기 시드층과 상기 버퍼층 및 상기 발광 구조체는 결정질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 상기 시드층 형성단계 이전에, 상기 발광 구조체를 성장시키는 과정에서 상기 금속 기판으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층을 상기 금속 기판 상에 형성하는 확산 방지층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 확산 방지층은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 금속 기판은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 시드층은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 시드층의 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 버퍼층은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시킴으로써, 금속 기판의 우수한 열전도도로 인해 발광다이오드의 방열 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 기판을 이용하기 때문에, 기판의 대면적화가 용이하며, 제조 단가가 사파이어 또는 반도체 기판에 비해 매우 저렴하여 발광 다이오드의 제조 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시키는 과정에서의 기능층들 간의 격자 불일치 즉, 격자 부정합을 줄여 성장되는 기능층의 내부 결함을 줄임으로써, 발광 다이오드의 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 절연층 패턴을 통한 난반사에 의해 발광 다이오드의 광추출 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 18은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 19 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 18은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 19 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드는 금속 기판(10), 확산 방지층(20), 시드층(30), 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100)를 포함하여 구성된다.
금속 기판(10)은 발광 다이오드를 구성하는 각 기능층들이 성장되는 베이스로서의 기능과 이들을 구조적으로 지지하는 기능을 수행한다.
이러한 금속 기판(10)은 열전도도와 전기 전도도가 우수하기 때문에, 발광 다이오드 구동과정에서 고전류가 인가되는 경우 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 효과가 있다. 또한 금속 기판(10)을 철강을 베이스로 제작하게 되면 저가격으로 대량생산이 가능해지기 때문에, 발광 다이오드의 제조비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
다만, 금속 기판(10)은 비정질(amorphous) 또는 다결정질(polycrystalline)이고, 이 금속 기판(10) 상에 성장되어야할 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)을 포함하는 발광 구조체(100)는 결정질(crystalline)이기 때문에, 금속 기판(10)과 발광 구조체(100) 사이의 격자 구조가 일치하지 않는다. 이러한 격자 부정합으로 인하여 금속 기판(10)에 발광 구조체(100)를 성장시키는 것이 어려운 문제점이 있다. 본 발명의 제1 실시 예는 이러한 문제점을 발광 구조체(100)와 유사한 결정질 구조를 갖는 시드층(30)과 버퍼층(50)을 적용하여 해결하였으며, 이에 대해서는 후술한다.
예를 들어, 이러한 금속 기판(10)은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 이들 이외에도 열전도도와 전기 전도도가 우수하면, 금속 기판(10)의 재료로 채택될 수 있다.
금속 기판(10)에 후술하는 확산 방지층(20), 시드층(30), 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100)를 형성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나, 이하에서는 에피텍셜 성장(epitaxial growth)을 예로 들어 설명한다.
확산 방지층(20)은 금속 기판(10) 상에 형성되어 있으며, 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 물질로 구성된다. 즉, 확산 방지층(20)은 고온에서 발광 다이오드를 구성하는 각 기능층들을 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터 기능층들로의 불순물의 확산을 방지하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 이러한 확산 방지층(20)은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 이들 이외에도 불순물 확산을 억제할 수 있으면, 확산 방지층(20)의 재료로 채택될 수 있다.
시드층(30)은 확산 방지층(20) 상에 형성되어 있으며, 버퍼층(50)을 성장시키기 위한 시드(seed)의 기능을 수행한다. 이러한 시드층(30)은 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상에 결정성을 가지는 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100)를 성장시키기 위한 기능층으로서, 그 기능을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
앞서 설명한 바 있지만, 발광 다이오드에 열전도도와 전기 전도도가 우수한 금속 기판(10)을 사용할 경우, 고전류 주입 시 방생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 장점이 있다.
그러나 금속 기판(10)과 발광 다이오드 에피층 즉, 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100) 사이의 격자 부정합으로 인해, 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상에 높은 결정성을 요구하는 발광 다이오드 에피층을 직접 성장시키기는 어렵다. 따라서, 발광 다이오드 에피층을 성장시키기 위해 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상부에 반도체 발광다이오드 에피층의 물질과 유사한 결정 구조를 가지는 금속 또는 질화물의 시드층(30)을 형성한다.
예를 들어, 이러한 시드층(30)은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있으며, 그 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것이 바람직하다.
버퍼층(50)은 시드층(30) 상에 형성되어 있으며, 비정질 또는 다결정질을 갖는 금속 기판(10)과 결정질의 발광 구조체(100) 간의 격자 부정합을 줄임으로써, 버퍼층(50) 상에 성장되는 발광 구조체(100)의 결정 내부의 결함을 줄이는 기능을 수행한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1 실시 예에 있어서, 에피텍셜 성장 방식으로 금속 기판(10) 상에 발광 다이오드를 형성하기 위해서는 발광 다이오드를 구성하는 각 기능층들을 쌓아 올려야하는데, 이때, 각 기능층은 그 아래에 위치하는 기능층의 결정성을 이어받아 성장하게 된다. 만약, 상하 기능층 사이의 격자 불일치 즉, 격자 부정합의 정도가 크면, 성장되는 기능층의 결정 내부에 생성된 결함의 수가 증가하게 된다. 이 결정 내부의 결함은 전자와 정공의 재결합 과정에서 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하기 때문에, 발광 다이오드의 발광 효율을 저하시키는 주요한 요인으로 작용한다.
따라서 본 발명의 제1 실시 예에서는, 시드층(30) 상부에 버퍼층(50)을 형성하여 시드층(30)의 결정성을 이용하여 고품위의 버퍼층(50)을 성장시키고, 버퍼층(50) 상부에 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)으로 구성되는 발광 구조체(100)를 성장시킴으로써, 결정 내부의 결함이 최소화된 고품위의 반도체 발광다이오드 에피층을 얻을 수 있게 되는 것이다.
예를 들어, 이러한 버퍼층(50)은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
발광 구조체(100)는 버퍼층(50) 상에 형성되어 있으며 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)으로 이루어진다. 예를 들어, 발광 구조체(100)를 구성하는 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 GaN과 같은 질화물계 반도체로 구성될 수 있다.
이하에서는 가급적 제1 실시 예와의 중복되는 설명을 피하면서 제2 내지 제4 실시 예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드는 제1 실시 예와 비교하여 절연층(40)이 추가된 점에 특징이 있다.
즉, 절연층(40)이 패턴화되어 시드층(30) 상에 형성되어 있다. 이러한 절연층(40)은 발광 구조체(100)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(120)에서 생성된 광을 산란시켜 외부로 반사시킴으로써 발광 다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
즉, 시드층(30) 상부에 패턴을 가지는 절연층(40)을 형성한 후, 절연층(40) 패턴 사이에 노출되어 있는 시드층(30)의 표면에서 버퍼층(50)을 성장시킬 경우, 버퍼층(50)이 에피텍셜 측면 과성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)에 의해 낮은 결정 결함과 함께 우수한 에피텍셜 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 절연층(40) 패턴에 의한 광산란 효과에 의해 추가적인 광추출 효율 향상을 얻을 수 있다. 버퍼층(50)의 특성 향상은 발광 구조체(100)의 특성 향상으로 이어진다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드는 제2 실시 예와 비교하여 절연층(60)이 형성된 위치와 발광 구조체(200)의 형상에 있어서 차이가 있다.
즉, 절연층(60)이 버퍼층(50) 상에 패턴화되어 형성되어 있다. 이러한 절연층(60)은 발광 구조체(200)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(220)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
또한, 발광 구조체(200)를 구성하는 n형 반도체층(210)은 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장되어 있고, 활성층(220)은 n형 반도체층(210) 상에 형성되어 있고, p형 반도체층(230)은 활성층(220) 상에 형성되어 있다. 즉, 발광 구조체(200)는 일종의 피라미드 형태의 나노 구조를 갖는다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제3 실시 예에서와 같이, 피라미드 구조의 발광 구조체(200)를 형성할 경우, 측면에 형성되는 활성층(220)에서는 압전 분극(piezoelectric polarization)의 효과가 감소하기 때문에 주입 전류 증가 시 발생하는 효율 저하(efficiency droop)현상을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 나노구조에 의해 추가적인 패터닝 공정 없이 광추출 효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 압전 분극이란 발광 구조체에 상하 방향으로 가해지는 응력에 의해 발생하는 분극이다. 이러한 압전 분극은 정전기장(electrostatic field)을 유발하고, 이 정전기장은 에너지 밴드 구조를 변화시켜 전자와 정공의 분포를 왜곡시켜 내부양자효율이 저하를 초래한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드는 제2 실시 예와 비교하여 절연층(60)이 형성된 위치와 발광 구조체(300)의 형상에 있어서 차이가 있다.
즉, 절연층(60)이 버퍼층(50) 상에 패턴화되어 형성되어 있다. 이러한 절연층(60)은 발광 구조체(300)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(320)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
또한, 발광 구조체(300)를 구성하는 n형 반도체층(310)은 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면 상에 형성되어 있고, 활성층(320)은 n형 반도체층(310)의 측면에 형성되어 있고, p형 반도체층(330)은 활성층(320)의 측면에 형성되어 있다. 즉, 발광 구조체(300)는 일종의 나노 로드(nano rod)구조를 갖는다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제4 실시 예와 같이, 나노 로드 구조의 발광 구조체(300)를 형성할 경우, 측면에 형성되는 활성층(320)은 압전 분극의 효과가 없은 무분극 특성을 가지기 때문에 주입 전류 증가 시 발생하는 효율 저하(efficiency droop)현상을 억제할 수 있을 뿐 만 아니라, 나노구조에 의해 추가적인 패터닝 공정 없이 광추출 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
먼저 도 5를 참조하면, 확산 방지층 형성단계에서는, 후술하는 발광 구조체(100)를 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층(20)을 금속 기판(10) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
금속 기판(10)은 발광 다이오드(100)를 구성하는 각 기능층들이 성장되는 베이스로서의 기능과 이들을 구조적으로 지지하는 기능을 수행한다.
이러한 금속 기판(10)은 열전도도와 전기 전도도가 우수하기 때문에, 발광 다이오드 구동과정에서 고전류가 인가되는 경우 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 효과가 있다. 또한 금속 기판(10)을 철강을 베이스로 제작하게 되면 저가격으로 대량생산이 가능해지기 때문에, 발광 다이오드의 제조비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
다만, 금속 기판(10)은 비정질(amorphous) 또는 다결정질(polycrystalline)이고, 이 금속 기판(10) 상에 성장되어야할 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)을 포함하는 발광 구조체(100)는 결정질(crystalline)이기 때문에, 금속 기판(10)과 발광 구조체(100) 사이의 격자 구조가 일치하지 않는다. 이러한 격자 부정합으로 인하여 금속 기판(10)에 발광 구조체(100)를 성장시키는 것이 어려운 문제점이 있다. 본 발명의 제1 실시 예는 이러한 문제점을 발광 구조체(100)와 유사한 결정질 구조를 갖는 시드층(30)과 버퍼층(50)을 적용하여 해결하였으며, 이에 대해서는 후술한다.
예를 들어, 이러한 금속 기판(10)은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 이들 이외에도 열전도도와 전기 전도도가 우수하면, 금속 기판(10)의 재료로 채택될 수 있다.
금속 기판(10)에 후술하는 확산 방지층(20), 시드층(30), 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100)를 형성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나, 이하에서는 에피텍셜 성장(epitaxial growth)을 예로 들어 설명한다.
금속 기판(10) 상에 형성되는 확산 방지층(20)은 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 물질로 구성된다. 즉, 확산 방지층(20)은 고온에서 발광 다이오드를 구성하는 각 기능층들을 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터 기능층들로의 불순물의 확산을 방지하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 이러한 확산 방지층(20)은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 이들 이외에도 불순물 확산을 억제할 수 있으면, 확산 방지층(20)의 재료로 채택될 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 시드층 형성단계에서는, 확산 방지층(20) 상에 시드층(30)을 형성하는 과정이 수행된다.
확산 방지층(20) 상에 형성되는 시드층(30)은 버퍼층(50)을 성장시키기 위한 시드(seed)의 기능을 수행한다. 이러한 시드층(30)은 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상에 결정성을 가지는 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100)를 성장시키기 위한 기능층으로서, 그 기능을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
앞서 설명한 바 있지만, 발광 다이오드에 열전도도와 전기 전도도가 우수한 금속 기판(10)을 사용할 경우, 고전류 주입 시 방생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 장점이 있다.
그러나 금속 기판(10)과 발광 다이오드 에피층 즉, 버퍼층(50) 및 발광 구조체(100) 사이의 격자 부정합으로 인해, 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상에 높은 결정성을 요구하는 발광 다이오드 에피층을 직접 성장시키기는 어렵다. 따라서, 발광 다이오드 에피층을 성장시키기 위해 비정질 또는 다결정질의 금속 기판(10) 상부에 반도체 발광다이오드 에피층의 물질과 유사한 결정 구조를 가지는 금속 또는 질화물의 시드층(30)을 형성한다.
예를 들어, 이러한 시드층(30)은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있으며, 그 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것이 바람직하다.
다음으로 도 7을 참조하면, 버퍼층 형성단계에서는, 시드층(30) 상에 버퍼층(50)을 형성하는 과정이 수행된다.
시드층(30) 상에 형성되는 버퍼층(50)은 비정질 또는 다결정질을 갖는 금속 기판(10)과 결정질의 발광 구조체(100) 간의 격자 부정합을 줄임으로써, 버퍼층(50) 상에 성장되는 발광 구조체(100)의 결정 내부의 결함을 줄이는 기능을 수행한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1 실시 예에 있어서, 에피텍셜 성장 방식으로 금속 기판(10) 상에 발광 다이오드를 형성하기 위해서는 발광 다이오드를 구성하는 각 기능층들을 쌓아 올려야하는데, 이때, 각 기능층은 그 아래에 위치하는 기능층의 결정성을 이어받아 성장하게 된다. 만약, 상하 기능층 사이의 격자 불일치 즉, 격자 부정합의 정도가 크면, 성장되는 기능층의 결정 내부에 생성된 결함의 수가 증가하게 된다. 이 결정 내부의 결함은 전자와 정공의 재결합 과정에서 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하기 때문에, 발광 다이오드의 발광 효율을 저하시키는 주요한 요인으로 작용한다.
따라서 본 발명의 제1 실시 예에서는, 시드층(30) 상부에 버퍼층(50)을 형성하여 시드층(30)의 결정성을 이용하여 고품위의 버퍼층(50)을 성장시키고, 버퍼층(50) 상부에 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)으로 구성되는 발광 구조체(100)를 성장시킴으로써, 결정 내부의 결함이 최소화된 고품위의 반도체 발광다이오드 에피층을 얻을 수 있게 되는 것이다.
예를 들어, 이러한 버퍼층(50)은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 발광 구조체 형성단계에서는, 버퍼층(50) 상에 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)으로 이루어진 발광 구조체(100)를 형성하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 발광 구조체(100)를 구성하는 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 GaN과 같은 질화물계 반도체로 구성될 수 있다.
이하에서는 가급적 본 발명의 제1 실시 예와의 중복되는 설명을 피하면서 제2 내지 제4 실시 예를 설명한다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다. 도 9 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법은 제1 실시 예와 비교하여 절연층(40)이 추가된 점에 특징이 있다.
먼저 도 9를 참조하면, 확산 방지층 형성단계에서는, 후술하는 발광 구조체(100)를 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층(20)을 금속 기판(10) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 10을 참조하면, 시드층 형성단계에서는, 확산 방지층(20) 상에 시드층(30)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 11을 참조하면, 절연층 형성단계에서는, 발광 구조체(100)의 결정 결함을 줄이고 활성층(120)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층(40)을 시드층(30) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
이러한 시드층(30) 상에 패턴화되어 형성되는 절연층(40)은 발광 구조체(100)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(120)에서 생성된 광을 산란시켜 외부로 반사시킴으로써 발광 다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
다음으로 도 12를 참조하면, 버퍼층 형성단계에서는 절연층(40)을 구성하는 패턴들 사이의 시드층(30)의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 버퍼층(50)형성하는 과정이 수행된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
즉, 시드층(30) 상부에 패턴을 가지는 절연층(40)을 형성한 후, 절연층(40) 패턴 사이에 노출되어 있는 시드층(30)의 표면에서 버퍼층(50)을 성장시킬 경우, 버퍼층(50)이 에피텍셜 측면 과성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)에 의해 낮은 결정 결함과 함께 우수한 에피텍셜 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 절연층(40) 패턴에 의한 광산란 효과에 의해 추가적인 광추출 효율 향상을 얻을 수 있다. 버퍼층(50)의 특성 향상은 발광 구조체(100)의 특성 향상으로 이어진다.
다음으로 도 13을 참조하면, 발광 구조체 형성단계에서는, 버퍼층(50) 상에 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)으로 이루어진 발광 구조체(100)를 형성하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 발광 구조체(100)를 구성하는 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 GaN과 같은 질화물계 반도체로 구성될 수 있다.
도 14 내지 도 18은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다. 도 14 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법은 제2 실시 예와 비교하여 절연층(60)이 형성된 위치와 발광 구조체(200)의 형상에 있어서 차이가 있다.
먼저 도 14를 참조하면, 확산 방지층 형성단계에서는, 후술하는 발광 구조체(200)를 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층(20)을 금속 기판(10) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 15를 참조하면, 시드층 형성단계에서는, 확산 방지층(20) 상에 시드층(30)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 16을 참조하면, 버퍼층 형성단계에서는, 시드층(30) 상에 버퍼층(40)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 17을 참조하면, 절연층 형성단계에서는, 발광 구조체(200)의 결정 결함을 줄이고 활성층(220)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층(60)을 버퍼층(50) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
즉, 버퍼층(50) 상에 패턴화되어 형성되는 절연층(60)은 발광 구조체(200)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(220)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
다음으로 도 18을 참조하면, 발광 구조체 형성단계에서는, 1) n형 반도체층(210)을 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 형성하고, 2) 활성층(220)을 n형 반도체층(210) 상에 형성하고, 3) p형 반도체층(230)을 활성층(220) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
발광 구조체(200)를 구성하는 n형 반도체층(210)은 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장되어 있고, 활성층(220)은 n형 반도체층(210) 상에 형성되어 있고, p형 반도체층(230)은 활성층(220) 상에 형성되어 있다. 즉, 발광 구조체(200)는 일종의 피라미드 형태의 나노 구조를 갖는다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제3 실시 예에서와 같이, 피라미드 구조의 발광 구조체(200)를 형성할 경우, 측면에 형성되는 활성층(220)에서는 압전 분극(piezoelectric polarization)의 효과가 감소하기 때문에 주입 전류 증가 시 발생하는 효율 저하(efficiency droop)현상을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 나노구조에 의해 추가적인 패터닝 공정 없이 광추출 효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 압전 분극이란 발광 구조체에 상하 방향으로 가해지는 응력에 의해 발생하는 분극이다. 이러한 압전 분극은 정전기장(electrostatic field)을 유발하고, 이 정전기장은 에너지 밴드 구조를 변화시켜 전자와 정공의 분포를 왜곡시켜 내부양자효율이 저하를 초래한다.
도 19 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다. 도 19 내지 도 23을 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발광 다이오드 제조방법은 제2 실시 예와 비교하여 절연층(60)이 형성된 위치와 발광 구조체(300)의 형상에 있어서 차이가 있다.
먼저 도 19를 참조하면, 확산 방지층 형성단계에서는, 후술하는 발광 구조체(300)를 성장시키는 과정에서 금속 기판(10)으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층(20)을 금속 기판(10) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 20을 참조하면, 시드층 형성단계에서는, 확산 방지층(20) 상에 시드층(30)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 21을 참조하면, 버퍼층 형성단계에서는, 시드층(30) 상에 버퍼층(50)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 22를 참조하면, 절연층 형성단계에서는, 발광 구조체(200)의 결정 결함을 줄이고 활성층(220)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층(60)을 버퍼층(50) 상에 형성하는 과정이 수행된다.
즉, 버퍼층(50) 상에 패턴화되어 형성되는 절연층(60)은 발광 구조체(300)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(220)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
다음으로 도 23을 참조하면, 발광 구조체 형성단계에서는, 1) n형 반도체층(310)을 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면 상에 형성하고, 2) 활성층(320)을 n형 반도체층(310)의 측면에 형성하고, 3) p형 반도체층(330)을 활성층(320)의 측면에 형성하는 과정이 수행된다.
제4 실시 예에 따르면, 절연층(60)이 버퍼층(50) 상에 패턴화되어 형성된다. 이러한 절연층(60)은 발광 구조체(300)의 결정 결함을 줄이고, 활성층(320)에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.
또한, 발광 구조체(300)를 구성하는 n형 반도체층(310)은 절연층(60)을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층(50)의 노출면 상에 형성되어 있고, 활성층(320)은 n형 반도체층(310)의 측면에 형성되어 있고, p형 반도체층(330)은 활성층(320)의 측면에 형성되어 있다. 즉, 발광 구조체(300)는 일종의 나노 로드(nano rod)구조를 갖는다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제4 실시 예와 같이, 나노 로드 구조의 발광 구조체(300)를 형성할 경우, 측면에 형성되는 활성층(320)은 압전 분극의 효과가 없은 무분극 특성을 가지기 때문에 주입 전류 증가 시 발생하는 효율 저하(efficiency droop)현상을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 나노구조에 의해 추가적인 패터닝 공정 없이 광추출 효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시킴으로써, 금속 기판의 우수한 열전도도로 인해 발광다이오드의 방열 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 기판을 이용하기 때문에, 기판의 대면적화가 용이하며, 제조 단가가 사파이어 또는 반도체 기판에 비해 매우 저렴하여 발광 다이오드의 제조 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 기판에 발광 다이오드를 구성하는 에피층들을 성장시키는 과정에서의 기능층들 간의 격자 불일치 즉, 격자 부정합을 줄여 성장되는 기능층의 내부 결함을 줄임으로써, 발광 다이오드의 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 절연층 패턴을 통한 난반사에 의해 발광 다이오드의 광추출 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 금속 기판
20: 확산 방지층
30: 시드층
40, 60: 절연층
50: 버퍼층
100, 200, 300: 발광 구조체
110, 210, 310: n형 반도체층
120, 220, 320: 활성층
130, 230, 330: p형 반도체층
20: 확산 방지층
30: 시드층
40, 60: 절연층
50: 버퍼층
100, 200, 300: 발광 구조체
110, 210, 310: n형 반도체층
120, 220, 320: 활성층
130, 230, 330: p형 반도체층
Claims (25)
- 발광 다이오드에 있어서,
금속 기판;
상기 금속 기판 상에 형성된 시드층;
상기 시드층 상에 형성된 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 포함하고,
상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 시드층 상에 패턴화되어 형성되어 있으며, 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 버퍼층 상에 패턴화되어 형성되어 있으며, 상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제3 항에 있어서,
상기 n형 반도체층은 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장되어 있고,
상기 활성층은 상기 n형 반도체층 상에 형성되어 있고,
상기 p형 반도체층은 상기 활성층 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제3 항에 있어서,
상기 n형 반도체층은 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면 상에 형성되어 있고,
상기 활성층은 상기 n형 반도체층의 측면에 형성되어 있고,
상기 p형 반도체층은 상기 활성층의 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 금속 기판은 비정질 또는 다결정질이고, 상기 시드층과 상기 버퍼층 및 상기 발광 구조체는 결정질인 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제6 항에 있어서,
상기 금속 기판 상에 형성되어 상기 금속 기판으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제7 항에 있어서,
상기 확산 방지층은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 금속 기판은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 시드층은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 제10 항에 있어서,
상기 시드층의 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것을 특징으로 하는, 발광다이오드. - 제1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드. - 발광 다이오드 제조방법에 있어서,
금속 기판 상에 시드층을 형성하는 시드층 형성단계;
상기 시드층 상에 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계; 및
상기 버퍼층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광 구조체를 형성하는 발광 구조체 형성단계를 포함하고,
상기 버퍼층은 상기 금속 기판과 상기 발광 구조체 간의 격자 부정합을 줄이는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 상기 시드층 상에 형성하는 절연층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제14 항에 있어서,
상기 버퍼층 형성단계에서,
상기 버퍼층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 시드층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 발광 구조체의 결정 결함을 줄이고 상기 활성층에서 생성된 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시키는 패턴화된 절연층을 상기 버퍼층 상에 형성하는 절연층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제16 항에 있어서,
상기 발광 구조체 형성단계에서,
상기 n형 반도체층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면으로부터 에피텍셜 측면 과성장시켜 형성하고,
상기 활성층을 상기 n형 반도체층 상에 형성하고,
상기 p형 반도체층을 상기 활성층 상에 형성하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제16 항에 있어서,
상기 발광 구조체 형성단계에서,
상기 n형 반도체층을 상기 절연층을 구성하는 패턴들 사이의 버퍼층의 노출면 상에 형성하고,
상기 활성층을 상기 n형 반도체층의 측면에 형성하고,
상기 p형 반도체층을 상기 활성층의 측면에 형성하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 금속 기판은 비정질 또는 다결정질이고, 상기 시드층과 상기 버퍼층 및 상기 발광 구조체는 결정질인 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제19 항에 있어서,
상기 시드층 형성단계 이전에, 상기 발광 구조체를 성장시키는 과정에서 상기 금속 기판으로부터의 불순물의 확산을 방지하기 위한 도전성을 갖는 확산 방지층을 상기 금속 기판 상에 형성하는 확산 방지층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제20 항에 있어서,
상기 확산 방지층은 Cr, Ru, Pt, Ni, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ti, Ta, 루테늄산화물(RuOx), 니켈산화물(NiOx), 이리듐산화물(IrOx), 로듐산화물(RhOx), 니오븀산화물(NbOx), 타이타늄산화물(TiOx), 탈륨산화물(TaOx) 및 크롬산화물(CrOx, x는 0.1~0.9)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 금속 기판은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 시드층은 Ti, Ni, Pt, Pd, Cr, CrN, TiN 및 BN으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법. - 제23 항에 있어서,
상기 시드층의 두께는 50nm 이상 1000nm 이하인 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 버퍼층은 AlN, GaN, InN, Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, InAs, 그래핀(Graphene), GaP, InP 및 ZnTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드 제조방법.
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| CN114335274A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-04-12 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管的外延结构及其制备方法 |
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