KR20140036396A - 다공성 투명 전극을 포함하는 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

다공성 투명 전극을 포함하는 발광 다이오드 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20140036396A
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 상기 발광 다이오드는, 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 포함하는 발광 구조체; 상기 상부 반도체층 상에 위치하는 제1 투명 전극층; 및 상기 제1 투명 전극층 상에 위치하고, 내부에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 포함한다. 이에 따라, 발광 다이오드의 내부 전반사가 최소화되어 광 추출 효율이 개선되고, 단순하고 공정 적용성이 높은 방법으로 높은 효율의 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

Description

다공성 투명 전극을 포함하는 발광 다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE COMPRISING POROUS TRANSPARENT ELECTRODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 투명 전극을 포함하여 광 추출 효율이 개선된 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합에 전압을 인가하면 n영역에 있는 전자가 p영역의 정공과 만나서 재결합할 때에 빛을 방출하는 원리를 이용하여 전류를 직접 빛으로 변환시키는 소자이다. 이러한 발광 다이오드는 에너지 변환 효율이 좋고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 좋고, 저전압 구동이 가능할 뿐만 아니라, 예열 시간이나 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에도 강하기 때문에, 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 차세대 광원으로 주목받고 있다.
발광 다이오드의 발광 효율은 내부 양자 효율(internal quantum efficiency), 광 추출 효율(extraction efficiency) 에 의해 주로 결정된다. 특히 광 추출 효율은 활성층에서 방출된 광자들이 발광다이오드 외부, 즉 자유 공간으로 방출되는 비율을 의미하는데, 이러한 광 추출 효율이 낮은 경우 소자의 내부 양자 효율이 높다고 하더라도 자유 공간으로 빠져나오는 광자의 수가 적어지게 되므로 발광 다이오드의 실제 광원으로서의 효율은 크게 떨어지게 된다.
종래의 발광다이오드를 보면, 광이 자유 공간으로 빠져나오는 경로인 GaN계 기판(nGaN=2.4), 사파이어 기판(nsapphire=1.77), ITO 전극(nITO=1.9)등과 공기(nair=1.0)간 계면의 굴절률 차이로 인한 내부 전반사가 발생하여 상당한 양의 빛이 포획(trapped)되어 광 추출 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다.
예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 활성층(101)에서 방출된 광(L1, L2)은 상부 반도체층(103) 및 투명 전극(105)을 통과하여 외부로 방출된다. 이때, 상부 반도체층(103)이 p형 GaN로 형성되고, 투명 전극(105)이 ITO로 형성되면, 굴절률 차이로 인해 계면에서 빛이 굴절된다. 이 경우, 투명 전극(105)과 공기의 계면을 통과하는 광의 각이 임계각 이하인 경우 L1과 같이 외부로 빠져나가지만, 임계각 이상이 되면 L2와 같이 외부로 빠져나가지 못하고 내부에 포획된다. 따라서, 상당 비율의 광이 내부 전반사 현상으로 인해 외부로 빠져나가지 못하게 되고, 이에 따라 발광 다이오드의 광 추출 효율이 현저하게 감소된다.
이와 같은 상기의 내부 전반사 현상을 효과적으로 줄이고 광 추출 효율을 높이기 위해, 소자를 에칭하여 빛이 방출되기 쉬운 구조를 만들거나, LED칩 구조를 바꾸거나, 반사판을 제거하거나, 또는 투명 전극 표면을 가공하는 등 여러 기술들이 연구 개발되어 왔다.
예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 투명 전극(106) 상면을 패터닝하여 투명 전극(106)과 공기 간의 계면에서의 전반사를 최소화시키는 방법이 종래에 사용되었다. 이와 같이 투명 전극(106) 상면에 패턴(106a)을 형성하게 되면, 계면에서의 전반사가 현저하게 감소될 수 있을 뿐만 아니라, 한번 전반사되더라도 이 후 다시 계면에 도달한 빛은 전반사될 때의 각과는 다른 각도로 계면에 도달하게 되어 외부로 빠져나가게 될 확률이 높아진다. 따라서 도 1b에 도시된 바와 같이, L1 및 L2 모두 외부로 방출될 수 있어서 도 1a의 발광 다이오드에 비해 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
그러나 상기의 종래 기술들은 투명 전극층 표면을 패터닝하기 위하여 전자선 리소그래피 등과 같은 공정을 이용하므로, 대면적화가 어렵고 공정단가를 상승시키는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 전자선 리소그래피와 같이 높은 에너지를 이용하여 투명 전극층 표면을 패터닝하게 되면 발광 다이오드의 반도체층에도 손상을 줄 수 있어서, 발광 다이오드의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 투명 전극 내에 에어갭을 형성하는 기술이 종래에 이용되었다. 그러나 리소그래피 공정을 이용하여 에어갭을 형성하는 종래의 경우, 포토리소그래피를 이용하여 원하는 화소의 위치를 에칭한 후 다시 포토레지스트를 도포한 뒤, 투명 전극을 다시 형성한 후 스트리퍼를 이용하여 포토레지스트를 제거하여 에어갭을 형성하였다. 이러한 종래 기술은 에칭 등의 추가적인 공정이 필요하며, 열적 안정성이 부족한 포토레지스트 상에 투명 전극을 형성하기 때문에 우수한 특성의 결화 온도 이상에서 형성된 투명전극을 얻기 어려운 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광의 내부 전반사 현상이 효과적으로 감소되어 광 추출 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 광 추출 효율이 개선된 발광 다이오드 제조 방법으로서 단순하고 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 손상이 최소화되어 신뢰성이 높은 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는, 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 포함하는 발광 구조체, 상기 상부 반도체층 상에 위치하는 제1 투명 전극층, 및 상기 제1 투명 전극층 상에 위치하고, 내부에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 포함한다.
이에 따라면, 상기 발광 다이오드는 내부에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 포함함으로써 내부 전반사가 현저히 감소되어 광 추출 효율을 개선되는 효과를 제공한다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 에어갭이 상호 연결되거나 또는 상호 분리되고, 상기 에어갭 내부는 공기가 충진되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 에어갭이 원형 또는 육각형 모양의 단면을 가질 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드는, 상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층이 ITO, ZnO, AZO, 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 발광 다이오드는, 상기 제2 투명 전극층 상에 위치하며 상기 상부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및 상기 하부 반도체층의 상면 일부 영역이 노출되고, 상기 노출된 영역 상에 위치하며 상기 하부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
이와 달리, 상기 발광 다이오드는, 상기 제2 투명 전극층 상에 위치하며 상기 상부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및 상기 하부 반도체층 아래에 위치하며 상기 하부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체를 형성하고, 상기 상부 반도체층 상에 제1 투명 전극층을 형성하고, 상기 제1 투명 전극층 상에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 제2 투명 전극층을 형성하는 것은, 나노 구조체를 포함하는 예비 제2 투명 전극층을 상기 제1 투명 전극층 상에 형성하고, 상기 나노 구조체를 제거하여 에어갭을 형성하는 것을 포함한다.
이와 같은 발광 다이오드 제조 방법에 따르면, 예비 제2 투명 전극층에 포함된 나노 구조체를 제거하여 에어갭을 형성하므로 다공성 투명 전극층을 형성하는 것이 용이하게 되는 효과를 제공한다. 또한 나노 구조체의 밀도를 조절하여 제2 투명 전극층의 굴절률을 용이하게 조절할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 예비 제2 투명 전극층은 상기 나노 구조체가 혼합된 졸-겔로 형성될 수 있다.
나아가, 상기 예비 제2 투명 전극층을 형성하는 것은, 상기 제1 투명 전극 상에 상기 졸-겔을 도포하여 형성하는 것일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 졸-겔은 스핀 코팅 공정으로 상기 제1 투명 전극 상에 도포될 수 있다.
이와 같은 발광 다이오드 제조 방법에 따르면, 제2 투명 전극층 형성 공정이 단순화될 수 있고, 또한 대면적에 적용할 수 있는 제2 투명 전극층 형성 공정을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 에어갭을 형성하는 것은 하소 공정을 이용하여 상기 나노 구조체를 제거하여 형성하는 것일 수 있다.
나아가, 상기 하소 공정은 열처리에 의한 기화 방식 공정 또는 수용액에 의한 용해 방식 공정을 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 나노 구조체는 직경이 0.1 내지 3 um인 구형의 나노 물질일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 나노 구조체는 서로 다른 직경을 갖는 적어도 2종의 나노 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 구조체는 폴리스티렌 및 유기화합물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있고, 나아가 상기 열처리는 진공 또는 질소 분위기로 300-600℃의 온도에서 수행할 수 있다.
이러한 열처리 공정을 통해서 제1 및 제2 투명 전극층의 전기전도도를 개선시킬 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 제1 투명 전극층, 제2 투명 전극층, 상부 반도체층 및 활성층의 일부 영역을 식각하여 상기 하부 반도체층의 상면 일부 영역을 노출시키고, 상기 제2 투명 전극층 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 하부 반도체층의 일부 노출된 영역 상에 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 상기 하부 반도체층 아래에 제2 전극을 형성하고, 상기 제2 투명 전극층 상에 제1 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 발광 다이오드는, 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극을 포함함으로써 방출된 광의 내부 전반사 현상이 효과적으로 감소되어 광 추출 효율이 개선되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명의 발광 다이오드 제조 방법은, 단순하고 경제적인 제2 투명 전극 형성 공정을 제공하며, 대면적에 에어갭을 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공한다. 더욱이, 본 발명은, 발광 다이오드의 식각 손상이 최소화되고, 투명 전극의 특성이 향상되어 발광 다이오드의 신뢰성이 개선될 수 있는 효과를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 발광 다이오드의 광 추출 효율 저하 현상을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 투명 전극에 의해 광 추출 효율이 증가되는 원리를 설명하기 위한 도식적인 단면도들이다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 투명 전극 내에 형성된 에어갭을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들 및 실험예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들 및 실험예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 하나의 구성요소와 다른 구성요소의 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2 투명 전극에 의해 광 추출 효율이 증가되는 원리를 설명하기 위한 도식적인 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 발광 다이오드는, 기판(10), 하부 반도체층(21)과 활성층(23) 및 상부 반도체층(25)을 포함하는 발광 구조체(20), 제1 투명 전극층(31), 제2 투명 전극층(33)을 포함한다. 나아가, 발광 다이오드는 제1 전극(41) 및 제2 전극(43)을 더 포함한다.
기판(10)은 발광 구조체(20)가 성장될 수 있는 성장기판일 수 있다. 기판(10)의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어 기판, SiC 기판, 스피넬 기판, Si 기판, 또는 질화갈륨계 기판일 수 있다. 나아가, 기판(10)은, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이, 상면에 소정의 패턴을 가질 수 있다.
또한, 기판(10) 상에 버퍼층(도시하지 않음)이 더 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층은 후술할 발광 구조체(20)가 성장될 수 있도록 하는 핵층 역할을 할 수 있고, 또한 발광 구조체(20) 각 반도체층(21, 23, 25)의 결정성을 향상시키는 역할도 할 수 있다.
발광 구조체(20)는 기판(10) 상에 위치한다. 발광 구조체(20)는 하부 반도체층(21), 활성층(23), 및 상부 반도체층(25)을 포함하며, 상기 활성층(23)은 하부 반도체층(21)과 상부 반도체층(25) 사이에 위치한다. 여기서 상부 반도체층(25) 및 하부 반도체층(21)은 서로 다른 도전형 반도체이다. 예를 들어, 본 실시예에서 상부 반도체층(25)은 p형 반도체층이고, 하부 반도체층(21)은 n형 반도체층이나, 그 반대일 수도 있다. 또한, 활성층(23)에서 방출된 광이 반사되어 상면으로 방출되도록, 발광 구조체(20) 아래에 반사기(도시하지 않음)가 더 형성될 수 있다.
하부 반도체층(21), 활성층(23), 및 상부 반도체층(25)은 질화물계 화합물 반도체 물질(예컨대, (Al, Ga, In)N)로 형성될 수 있다. 하부 반도체층(21) 및 상부 반도체층(25)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, 하부 반도체층(21) 및/또는 상부 반도체층(25)은 콘택층(contact layer)과 클래드층(clad layer)을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층(superlattice layer)을 포함할 수 있다. 활성층(23)은 발광층과 베리어층을 포함하는 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조(MQW)로 형성할 수 있다. 또한, 활성층(23)이 필요로하는 파장의 광을 방출하도록, 예컨대 청색광 또는 자외선을 방출하도록 조성원소 및 조성비가 조절된 질화물계 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
발광 구조체(20)의 반도체층들(21, 23, 25)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 하부 반도체층(21)의 일부 영역이 노출되도록 패터닝될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 활성층(23) 및 상부 반도체층(25)이 메사 구조를 갖도록 패터닝된다.
제1 투명 전극층(31)은 상부 반도체층(25) 상에 위치한다. 제1 투명 전극(31)은 발광 다이오드에 전달되는 전류를 분산시켜 발광 면적을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 제1 투명 전극층(31)은 도전성 재료로 형성될 수 있고, 예컨대 ITO, ZnO, AZO, 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
제2 투명 전극층(33)은 제1 투명 전극층(31) 상에 위치한다. 제2 투명 전극층(33)은 도전성 재료로 형성될 수 있고, 예컨대 ITO, ZnO, AZO, 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 또한 제2 투명 전극층(33)은 제1 투명 전극층(31)과 동일한 물질로 형성되거나 또는 이종 물질로 형성될 수 있다. 나아가 제2 투명 전극층(33)은 제1 투명 전극층(31)과 동일한 굴절률을 갖도록 형성되거나 또는 다른 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 제2 투명 전극층(33)의 형성 물질 및 굴절률을 조절함으로써 발광 다이오드의 내부 전반사 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 제2 투명 전극층(33)은 내부에 에어갭(33a)을 포함할 수 있다. 에어갭(33a)은 제2 투명 전극층(33) 내에 형성되어 있으며, 에어갭(33a) 내부는 공기가 충진되도록 형성된다. 이와 같은 에어갭(33a)은 도 2에 도시된 바와 같이 상호 분리되어 형성될 수 있고, 또는 상호 연결되도록 형성될 수도 있다. 에어갭(33a)은 단면이 원형 또는 육각형 모양으로 형성될 수 있다. 에어갭(33a)의 크기(예컨대, 직경)는 제2 투명 전극의 굴절률을 고려하여 선택될 수 있으며, 예컨대, 0.1 내지 3 ㎛로 형성될 수 있다. 또한, 에어갭(33a)이 제2 투명 전극층(33)에 포함되는 밀도를 조절하여 제2 투명 전극(33)의 굴절률을 조절할 수 있다. 이와 같이, 에어갭(33a)의 크기 및 밀도를 조절함으로써 제2 투명 전극층(33)의 굴절률을 용이하게 조절할 수 있다.
에어갭(33a)을 포함하는 제2 투명 전극층(33)이 제1 투명 전극(31) 상에 위치함으로써, 본 발명의 발광 다이오드의 내부 전반사 현상을 최소화 시킬 수 있다. 도 3은 제2 투명 전극층(33)을 포함하지 않는 발광 다이오드와 이를 포함하는 발광 다이오드의 활성층(23)에서 방출된 광의 경로를 도식적으로 나타낸다. 먼저 도 3의 (a)를 참조하면, 활성층(23)으로부터 방출된 광(L5)은 상부 반도체층(25)과 제1 투명 전극(31)의 계면에서 임계각 이상의 입사각(Θ)으로 입사되는 경우 전반사되어 외부로 빠져나가지 못하여 발광 다이오드의 광 추출 효율이 감소된다. 반면, 도 3의 (b)를 참조하면, 활성층(23)으로부터 방출된 광(L6)은 도 3 (a)의 L5와 같은 입사각(Θ)으로 상부 반도체층(25)과 제1 투명 전극(31)의 계면에 입사되더라도, 제2 투명 전극(33) 내의 에어갭(33a)에 의하여 전반사 되지 않고 외부로 방출될 수 있다. 이와 같이 에어갭(33a)은 임계각 이상의 각으로 광이 입사되더라도 광에 대하여 모멘텀을 주어 빛을 방향을 바꿀 수 있어서, 광이 발광 다이오드 외부로 방출될 확률을 크게 증가 시킴으로써 광 추출 효율을 개선시킨다.
다시 도 2를 참조하면, 한편, 본 실시예의 발광 다이오드는 상부 반도체층(25) 상에 위치하는 제1 전극(41) 및 상기 하부 반도체층(21)이 노출된 영역 상에 위치하는 제2 전극(43)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전극(41)은 상부 반도체층(25)에 전기적으로 접속되고, 상기 제2 전극(43)은 상기 하부 반도체층(21)에 전기적으로 접속되도록 오믹 접촉 될 수 있다.
본 실시예는 수평형 발광 다이오드를 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 수직형 발광 다이오드에도 응용될 수 있다. 예를 들어, 수직형 발광 다이오드의 상부 반도체층에 에어갭을 포함하는 투명 전극층을 형성하여 발광 다이오드의 내부 전반사를 최소화하여 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저 도 4를 참조하면, 기판(10) 상에 하부 반도체층(21), 활성층(23) 및 상부 반도체층(25)을 성장시켜 발광 구조체(20)를 형성한다(S1). 발광 구조체(20)의 각 층들(21, 23, 25)은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE와 같은 기술을 사용하여 성장될 수 있다. 또한, 발광 구조체(20)의 각 층들(21, 23, 25)을 성장시키기 전에 기판 상에 버퍼층(도시하지 않음)을 성장시키는 것을 더 수행할 수 있다.
하부 반도체층(21)과 상기 상부 반도체층(25)은 서로 다른 도전형으로, 예컨대, 하부 반도체층(21)은 n형 도전형 반도체층이고 상부 반도체층(25)은 p형 도전형 반도체층으로 성장될 수 있다. 또는 이와 반대일 수도 있다.
그 다음, 상부 반도체층(25) 상에 제1 투명 전극층(31)을 형성한다(S2). 제1 투명 전극층(31)은 전자빔 증발(e-beam evaporation), 스퍼터링, 열 증착 공정과 같은 증착 공정 및 리프트 오프 공정을 통해서 형성될 수 있다. 이때, 투명 전극(27)은 ITO, ZnO, AZO 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다.
이후, 제2 투명 전극층(33)을 형성하기 위하여, 나노 구조체(33a')가 혼합된 졸-겔 물질을 형성한다(S3). 상기 졸-겔 물질은 ITO, ZnO, AZO 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물과 나노 구조체(33a')를 를 혼합하여 형성한다. 나노 구조체(33a')는 직경이 0.1 내지 3 ㎛인 구형의 나노 물질일 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 크기의 나노 물질을 포함하는 나노 구조체(33a')를 졸-겔 물질에 혼합함으로써, 졸-겔 물질로부터 형성된 제2 투명 전극층(33) 내부의 에어갭(33a)의 크기를 용이하게 조절할 수 있으며 그에 따라 제2 투명 전극층(33)의 굴절률을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 나노 구조체(33a')는 서로 다른 직경을 갖는 적어도 2종의 나노 물질을 포함할 수도 있으며, 나노 구조체(33a')는 폴리스티렌 및 유기화합물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 하소(calcination) 공정을 선택적으로 이용하여 나노 구조체(33a')를 제거할 수 있다.
다음, 도 6을 참조하면, 상기 졸-겔 물질을 제1 투명 전극층(31) 상에 도포하여 예비 제2 투명 전극층(33')을 형성한다(S4). 예비 제2 투명 전극층(33')은 졸-겔 물질을 스핀 코팅 공정으로 도포하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 도포 공정이 이용될 수 있다. 이와 같이, 예비 제2 투명 전극층(33')이 증착 공정이 아닌 스핀 코팅 공정으로 도포되어 형성되므로써, 제조 단가가 절약될 수 있고 그 시간이 단축될 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 도 6의 발광 다이오드에 대하여 하소 공정을 수행하여 제2 투명 전극층(33)을 형성한다(S5). 이러한 하소 공정은 열처리에 의한 기화 방식 공정 또는 톨루엔과 같은 수용액에 의한 용해 방식 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 하소 공정은 나노 구조체(33a')에 따라 선택적으로 이용될 수 있다. 톨루엔 수용액을 이용한 하소 공정으로 나노 구조체(33a')를 제거하는 경우, 플라즈마 처리를 통해 나노 구조체(33a')의 크기를 줄인 후에 하소 공정을 수행할 수 있다. 이 경우 나노 구조체(33a')의 크기가 줄어든 영역에 톨루엔 용액이 쉽게 침투할 수 있어, 하소 공정 시간이 단축될 수 있고 효과적으로 나노 구조체(33a')가 제거될 수 있다.
하소 공정에 따라 제1 투명 전극층(31) 상에 도포되어 형성된 예비 제2 투명 전극층(33')에 포함된 나노 구조체(33a')가 제거되고, 이에 따라 나노 구조체(33a')가 제거된 영역에 에어갭(33a)이 형성된다. 도 8의 (a) 및 (b)는 본 실시예의 하소 공정에 따라 형성된 에어갭(33a)의 상면 및 단면 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여준다.
이와 같이, 에어갭(33a) 형성에 하소 공정을 이용함으로써, 상술한 종래의 에어갭 형성 방법에 비하여 그 단순한 공정으로 에어갭(33a)을 형성할 수 있고, 공정 단가가 절약될 수 있으며, 열적안정성이 부족한 포토레지스트를 사용하지 않아서 제조된 투명 전극의 특성이 향상되어 발광 다이오드의 신뢰성 및 특성이 개선될 수 있다. 뿐만 아니라, 전자서 리소그래피 패터닝과 같은 공정을 이용하지 않고 에어갭(33a)을 형성할 수 있으므로, 대면적 웨이퍼에 공정을 적용할 수 있는 효과가 있다.
제1 투명 전극층(31)과 제2 투명 전극층(33)이 형성된 이후, 이들 투명 전극층(31, 33)에 대한 열처리 공정을 더 수행할 수 있다. 열처리 공정을 통해서 투명 전극들(31, 33)의 전기 전도도를 개선시킬 수 있다. 열처리 공정은 진공 또는 질소 분위기에서 수행될 수 있으며, 300-600℃의 온도로 수행될 수 있다.
다음으로, 제2 투명 전극층(33), 제1 투명 전극층(31), 상부 반도체층(25) 및 활성층(23)의 일부 영역을 식각하여 하부 반도체층(21)의 일부가 노출되도록 메사를 형성한다. 이 후, 제2 투명 전극층(33) 상에 제1 전극(41)을 형성하고, 하부 반도체층(21)의 일부가 노출된 영역에 제2 전극(43)을 형성하면 도 2의 발광 다이오드가 제공된다.
본 실시예에서 수평형 발광 다이오드의 제조 방법을 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 수직형 발광 다이오드의 제조 방법에도 적용될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (19)

  1. 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 포함하는 발광 구조체;
    상기 상부 반도체층 상에 위치하는 제1 투명 전극층; 및
    상기 제1 투명 전극층 상에 위치하고, 내부에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어갭은 상호 연결되거나 또는 상호 분리되고, 상기 에어갭 내부는 공기가 충진되도록 형성된 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어갭은 원형 또는 육각형 모양의 단면을 갖는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층은 ITO, ZnO, AZO, 및 IZO에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 투명 전극층 상에 위치하며 상기 상부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및
    상기 하부 반도체층의 상면 일부 영역이 노출되고, 상기 노출된 영역 상에 위치하며 상기 하부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 투명 전극층 상에 위치하며 상기 상부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극, 및
    상기 하부 반도체층 아래에 위치하며 상기 하부 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 발광 다이오드.
  7. 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체를 형성하고,
    상기 상부 반도체층 상에 제1 투명 전극층을 형성하고,
    상기 제1 투명 전극층 상에 에어갭을 포함하는 제2 투명 전극층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 제2 투명 전극층을 형성하는 것은,
    나노 구조체를 포함하는 예비 제2 투명 전극층을 상기 제1 투명 전극층 상에 형성하고,
    상기 나노 구조체를 제거하여 에어갭을 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 예비 제2 투명 전극층은 상기 나노 구조체가 혼합된 졸-겔로 형성된 발광 다이오드 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 예비 제2 투명 전극층을 형성하는 것은,
    상기 제1 투명 전극 상에 상기 졸-겔을 도포하여 형성하는 것인 발광 다이오드 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 졸-겔은 스핀 코팅 공정으로 상기 제1 투명 전극 상에 도포되는 발광 다이오드 제조 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 에어갭을 형성하는 것은 하소 공정을 이용하여 상기 나노 구조체를 제거하여 형성하는 것인 발광 다이오드 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하소 공정은 열처리에 의한 기화 방식 공정 또는 수용액에 의한 용해 방식 공정을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 나노 구조체는 직경이 0.1 내지 3 ㎛인 구형의 나노 물질인 발광 다이오드 제조 방법.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 나노 구조체는 서로 다른 직경을 갖는 적어도 2종의 나노 물질을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 나노 구조체는 폴리스티렌 및 유기화합물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  16. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층을 열처리하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 열처리는 진공 또는 질소 분위기로 300-600℃의 온도에서 수행하는 발광 다이오드 제조 방법.
  18. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층, 제2 투명 전극층, 상부 반도체층 및 활성층의 일부 영역을 식각하여 상기 하부 반도체층의 상면 일부 영역을 노출시키고,
    상기 제2 투명 전극층 상에 제1 전극을 형성하고,
    상기 하부 반도체층의 일부 노출된 영역 상에 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  19. 청구항 7에 있어서,
    상기 하부 반도체층 아래에 제2 전극을 형성하고,
    상기 제2 투명 전극층 상에 제1 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.

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