KR20140133662A - 투명 전극을 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 투명 전극; 및 상기 투명 전극 표면에 위치하는 나노 구조물을 포함하고, 상기 나노 구조물의 적어도 일부분은 상기 투명 전극에 묻힌다. 이에 따라, 광 추출 효율이 개선된 발광 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 표면에 나노 구조체가 형성된 투명 전극을 포함하는 발광 소자 및 그 제조 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 무기 반도체 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 의미한다. 광 추출 효율이 낮으면, 활성층에서 방출된 광자들 중 자유 공간으로 빠져나오는 광자의 수가 적어지게 되므로, 발광 다이오드의 실제 광원으로서의 효율은 크게 떨어지게 된다.
일반적으로 발광 다이오드에 있어서, 활성층에서 방출된 광은 자유 공간으로 빠져나오기까지 복수의 반도체층들, 투명 전극, 또는 기판을 통과하여 외부로 방출된다. 예를 들어, 활성층에서 방출된 광은 GaN계 반도체층(nGaN=2.4), 사파이어 기판(nsapphire=1.8), ITO 전극(nITO=1.9)등과 같은 물질을 통과하여 외부로 방출된다. 상기 발광 다이오드를 이루는 물질들과 공기(nair=1.0)간의 굴절률 차이로 인하여 계면에서 내부 전반사가 발생한다. 따라서, 상당한 양의 빛이 발광 다이오드 내에 포획(trapped)되어 광 추출 효율이 크게 떨어지는 문제가 있다.
이와 같은 내부 전반사를 감소시키기 위하여, 발광 다이오드 표면을 가공하여 소정의 패턴을 형성하거나 거칠기를 증가시키는 기술이 알려져 있다. 예를 들어, n형 반도체층 표면에 광 추출 면을 갖는 발광 다이오드에 있어서, n형 반도체층 표면을 KOH 및/또는 NaOH를 포함하는 용액으로 습식 식각하여 나노 구조물을 형성하여 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 그러나, 습식 식각을 이용하여 반도체층 표면 거칠기를 증가시키는 경우, 발광 다이오드의 다른 부분이 손상되지 않도록 보호층을 형성하는 공정이 추가로 요구되고, 또한, 나노 구조물을 표면에 전반적으로 비교적 균일하게 형성하기 어렵다. 따라서, 습식 식각을 이용하여 표면 거칠기를 증가시키는 공정은 대면적에 적용하기 어려워 생산성이 떨어지고, 또한, n형 반도체층 표면을 노출시키기 위하여 성장 기판을 분리하는 공정이 추가로 요구된다.
따라서, 광 추출 면에 투명 전극이 형성된 발광 다이오드에서도, 투명 전극의 표면을 가공하여 광 추출 효율을 증가시키는 방법이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 투명 전극 표면을 광 추출면으로 갖는 발광 소자에 있어서, 광 추출 효율이 개선된 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 발광 소자의 광 추출 효과를 증가시키기 위한 나노 구조물 제조 방법 및 광 추출 효율이 증가된 발광 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 투명 전극; 및 상기 투명 전극 표면에 위치하는 나노 구조물을 포함하고, 상기 나노 구조물의 적어도 일부분은 상기 투명 전극에 묻힐 수 있다.
상기 투명 전극은 ITO를 포함할 수 있다.
나아가, 상기 나노 구조물은 In2O3를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물은 모서리를 가질 수 있고, 상기 모서리의 길이는 300nm이하일 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조물은 복수 개로 형성될 수 있으며, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 투명 전극 표면에 무작위로 배열될 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물 중 적어도 일부는 육면체 형태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법은, 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조체를 형성하고; 상기 반도체 적층 구조체 상에 투명 전극을 형성하고; 상기 투명 전극 표면에 나노 구조물을 형성하는 것을 포함하고, 상기 나노 구조물의 적어도 일부분은 상기 투명 전극에 묻힐 수 있다.
상기 나노 구조물을 형성하는 것은, 상기 투명 전극을 그 표면으로부터 소정 두께로 식각하고, 상기 투명 전극을 유기물 수용액에 침지시켜, 나노 구조물을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 투명 전극은 ITO를 포함할 수 있다.
나아가, 상기 투명 전극을 소정 두께로 식각하는 것은, 집속 이온빔(FIB)을 이용하여 식각하는 것을 포함할 수 있다.
상기 집속 이온빔의 조사 에너지는 1 내지 8KeV이고, 상기 소정 두께는 5nm 이하일 수 있다.
또한, 상기 유기물 수용액은 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 나노 구조물은 모서리를 갖고, 상기 모서리의 길이는 300nm 이하일 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조물은 복수 개로 형성될 수 있으며, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 투명 전극 표면에 무작위로 배열되도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물 중 적어도 일부는 육면체 형태로 형성될 수 있다.
한편, 상기 유기물 수용액에서 헥사메틸렌테트라민의 농도는 0.0001 내지 1M일 수 있다.
또한, 상기 투명 전극은 상기 유기물 수용액에 90 내지 200 ℃의 온도에서 5 내지 24 시간 동안 침지될 수 있다.
상기 나노 구조물은 In2O3를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제좁 방법은, 상기 반도체 적층 구조체를 부분적으로 식각하여 메사를 형성하고, 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 것을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 투명 전극은 상기 메사 상에 적어도 부분적으로 형성될 수 있으며, 상기 제조 방법은, 상기 나노 구조물을 형성하기 전에, 상기 메사의 측면을 덮는 마스크를 형성하는 것을 더 포함하는 발광 소자 제조 방법.
본 발명에 따르면, 투명 전극 표면에 나노 구조물이 형성됨으로써, 발광 소자의 광 추출 효율이 개선될 수 있다. 특히, 상기 투명 전극과 나노 구조물이 유사한 물질로 형성되어, 광 추출 효율이 더욱 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 발광 소자 제조 방법에 따르면, 투명 전극 표면에 나노 구조물을 보다 간단하고, 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 특히, 상기 나노 구조물 형성 방법은 대면적에도 적용할 수 있어서, 발광 소자의 광 추출 효율을 증가시키기 위한 구조를 용이하게 형성하는 방법이 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극 및 나노 구조물을 도시하는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극 및 나노 구조물을 도시하는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도 및 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극 및 나노 구조물을 도시하는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 1a를 참조하면, 본 실시예의 발광 소자는 기판(110), 반도체 적층 구조체(120), 투명 전극(130), 나노 구조물(135)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는 제1 전극(141) 및 제2 전극(143)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체층들(121, 123, 125)을 성장시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 실리콘 기판, 질화갈륨 기판, 질화알루미늄 기판 등일 수 있다. 특히, 본 실시예에 있어서, 상기 기판(110)은 패터닝된 사파이어 기판(PSS) 또는 질화갈륨 기판일 수 있다.
또한, 기판(110)은 생략될 수도 있으며, 반도체층들(121, 123, 125)을 지지하는 기판일 수도 있다. 예를 들어, 기판(110)은 반도체층들(121, 123, 125)이 성장된 후, 성장 기판이 제거된 위치에 별도로 부착된 지지 기판일 수도 있다.
한편, 상기 발광 소자는 기판(110)과 반도체 적층 구조체(120) 사이에 위치하는 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은, 예를 들어, (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있으며, 상대적으로 저온에서 성장된 층일 수 있다. 상기 버퍼층은 반도체층들(121, 123, 125)이 단결정으로 성장될 수 있도록 기능하는 핵층 역할을 할 수 있으며, 반도체층(121, 123, 125)의 결정성을 향상시키는 기능을 할 수 있다.
반도체 적층 구조(120)는 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(121)은 기판(110) 상에 위치할 수 있으며, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 성장되어 형성된 것일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있고, 예를 들어, (Al, Ga, In)N을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있으며, 나아가, 초격자층을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(121)은 Si와 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 반도체층일 수 있다.
제2 도전형 반도체층(125)은 제1 도전형 반도체층(121) 상에 위치할 수 있으며, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 성장되어 형성된 것일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(125)은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있고, 예를 들어, (Al, Ga, In)N을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(125)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있으며, 나아가, 초격자층을 포함할 수도 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(125)은 Mg와 같은 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체층일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층(125)은 p형 반도체층인 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 반대의 도전형을 가질 수도 있다.
활성층(123)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 125) 사이에 개재될 수 있다. 활성층(123)은 다중양자우물 구조(MQW)를 포함할 수 있으며, 상기 다중 양자우물구조를 이루는 반도체층들이 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록, 상기 반도체층들을 이루는 원소 및 그 조성이 조절될 수 있다. 예를 들어, 활성층(123)의 우물층은 InxGa(1-x)N (0≤x≤1)과 같은 삼성분계 반도체층일 수 있고, 또는 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1)과 같은 사성분계 반도체층일 수 있으며, 이때, x 또는 y의 값을 조정하여 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록 할 수 있다.
한편, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 발광 구조체(20)의 제2 도전형 반도체층(125)과 활성층(123)이 부분적으로 제거되어 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(125)과 활성층(123)이 부분적으로 제거되어 메사를 이룰 수 있고, 따라서, 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층(121)의 일부분이 노출될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)이 노출된 영역의 형태, 크기, 및 위치는 도시된 바에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
투명 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125) 상에 위치하며, 투명 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125)의 상면에 전체적으로 형성될 수 있다. 투명 전극(130)은 광 투과성 및 도전성을 가질 수 있으며, 주입된 전류가 제2 도전형 반도체층(125)의 전면에 퍼질 수 있도록 하는 전류 분산 기능을 할 수 있다.
또한, 투명 전극(130)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 투명 전극(130)의 두께는 광흡수성, 시트 저항 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극(130)의 두께는 1㎛ 이하일 수 있고, 나아가, 10nm 내지 500nm 범위 내의 두께일 수 있다.
한편, 투명 전극(130)에 있어서, 제2 전극(143)이 위치하는 영역 아래의 투명 전극(130)의 두께와 이를 제외한 다른 영역의 두께가 서로 다를 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 전극(143)이 위치하는 영역 아래의 투명 전극(130)의 두께가 이를 제외한 다른 영역의 투명 전극(130)의 두께보다 클 수 있다. 이때, 투명 전극(130) 간의 두께 차이는 약 5nm 일 수 있다.
나노 구조물(135)은 투명 전극(130)의 표면에 위치할 수 있다. 상기 나노 구조물(135)은 복수 개로 형성될 수 있으며, 투명 전극(130)의 표면에 전체적으로 무작위하게 배열될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 나노 구조물(135)들 중 적어도 일부는 그것의 적어도 일부분이 투명 전극(130)에 묻힌 형태로 형성될 수 있다.
나노 구조물(135)은 In2O3를 포함할 수 있으며, 또한, ITO를 포함할 수도 있다. 이에 따라, 나노 구조물(135)은 투명 전극(130)과 일체로 형성될 수 있다. 나노 구조물(135)은 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있으며, 예를 들어, 육면체 형태를 가질 수 있고, 가장 긴 모서리의 길이가 300nm이하 일 수 있다. 또한, 나노 구조물(135)들은 일정하지 않은 크기 및 형태로 형성될 수 있으며, 따라서, 투명 전극(130)의 표면에 규칙적이거나 균일하지 않은 요철 패턴이 형성된 것과 유사한 형태로 투명 전극(130)의 표면이 구성되도록 할 수 있다. 다만, 나노 구조물(135)의 크기 및 형태가 상술한 내용에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(130) 및 나노 구조물(135)을 도시하는 전자주사현미경(SEM) 사진이다. 도 2를 참조하면, 나노 구조물(135)들은 투명 전극(130) 표면에 적어도 일부가 묻힌 형태로 형성되어 있다. 또한, 도 2의 나노 구조물(135)들 중 적어도 일부는 육면체 형태를 가지며, 그 크기 또한 300nm 이하로 형성된다.
본 실시예에 따른 발광 소자는 투명 전극 표면(130)에 형성된 나노 구조물(135)들을 포함함으로써, 광의 내부 전반사를 감소시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 나노 구조물(135)은 투명 전극(130)과 유사하거나 동일한 물질을 포함하며, 그 일부가 투명 전극(130)에 묻힌 형태로 형성될 수 있으므로, 나노 구조물(135)과 투명 전극(130) 간의 계면에서는 전반사가 거의 일어나지 않는다. 또한, 투명 전극(135) 표면에 나노 구조물(135)이 형성되어 있으므로, 활성층(123)에서 방출된 광의 입사각을 다양하게 할 수 있다. 즉, 나노 구조물(135)은 광의 다중 산란을 유도할 수 있어서, 광이 투명 전극(135)의 표면에서 전반사되어 발광 소자의 내부에서 소멸될 확률을 크게 낮출 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(143)은 각각 제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(123) 상에 위치할 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 제2 전극(143)은 투명 전극(130) 상에 위치할 수 있으며, 다른 영역에 비해 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 투명 전극(130)의 영역 상에 위치할 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(143)은 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속은 Au, Al 등을 포함할 수 있으며, 통상의 기술자에게 알려진 다양한 금속을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(141, 143)은 각각 제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 외부 전원과 연결되어 발광 소자를 전기적으로 연결하는 기능을 할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)을 포함하는 발광 구조체(120)를 형성하고, 이어서, 제2 도전형 반도체층(125) 상에 투명 전극(130)을 형성한다.
기판(110)은 도 1a 및 1b를 참조하여 설명한 바와 대체로 유사하며, 본 실시예에서 상기 기판(110)은 사파이어 기판 또는 질화갈륨 기판일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 등의 방법으로 기판(110) 상에 성장될 수 있다. 또한, 상기 제조 방법은, 발광 구조체(120)를 형성하기 전에, 기판(110) 상에 버퍼층(미도시)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 발광 구조체(120) 및 버퍼층은 도 1a 및 1b를 참조하여 설명한 바와 대체로 유사하므로, 이하 상세한 설명은 생략한다.
투명 전극(130)은 ITO를 포함할 수 있으며, 증착 등의 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 전극(130)은, 0 내지 50sccm 범위의 산소 분위기 및 20 내지 300℃의 온도 범위에서 전자선증착(e-beam evapoartion)을 이용하여 제2 도전형 반도체층(125) 상에 ITO를 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 상기 제조 방법은 투명 전극(130)을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다. 열처리를 통해 투명 전극(130)의 시트 저항을 낮출 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어, 약 600torr의 N2 분위기 및 200 내지 600℃의 온도 범위에서 약 1 내지 2분간 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 투명 전극(130), 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 부분적으로 제거하여, 제1 도전형 반도체층(121)의 상면 일부를 노출시킨다. 이에 따라, 활성층(123), 제2 도전형 반도체층(125) 및 투명 전극(130)을 포함하는 메사가 형성될 수 있으며, 메사의 측면이 노출될 수 있다. 나아가, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(121) 역시 부분적으로 제거되어, 상기 메사는 제1 도전형 반도체층(121)의 일부분을 더 포함할 수 있다.
투명 전극(130), 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)은, 예를 들어, 건식 식각을 이용하여 부분적으로 제거될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 투명 전극(130)을 먼저 형성한 후, 메사를 형성하는 것으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 투명 전극(130)을 형성하기 전에 메사를 형성하고, 제2 도전형 반도체층(125) 상에 투명 전극을 형성할 수도 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 메사의 측면 및 노출된 제1 도전형 반도체층(121)의 상면을 덮는 마스크(220)를 형성한다. 나아가, 상기 마스크(220)는 투명 전극(130)의 상면 일부분을 더 덮도록 형성될 수 있다. 투명 전극(130) 상면 일부분에 마스크(220)가 형성된 부분은 제2 전극(143) 형성 영역일 수 있다.
마스크(220)는 포토레지스트일 수 있으며, 후술하는 공정에서 마스크(220)에 덮인 부분이 식각되는 것을 방지할 수 있다. 이와 관련하여 후술하여 상세하게 설명한다.
도 6을 참조하면, 투명 전극(130)의 일부분을 그 표면으로부터 소정 두께(T)로 식각한다.
투명 전극(130을 소정 두께(T) 식각하는 것은 집속 이온빔(Focused Ion Beam; FIB)을 이용할 수 있다. 구체적으로 예를 들어 설명하면, 액체금속소스로부터 발생한 이온을 집속시켜 이온빔을 투명 전극(130) 표면에 조사한다. 상기 액체금속소스는 갈륨을 포함할 수 있고, 이에 따라, 상기 이온빔은 감륨 이온빔일 수 있다. 이온빔에 의해 투명 전극(130)의 표면에서 스퍼터링 현상이 발생하고, 이에 따라, 투명 전극(130)의 표면이 소정 두께(T)로 식각될 수 있다. 이때, 조사된 이온빔은 투명 전극(130)을 투과하지 않는 것이 바람직하고, 이에 따라, 이온빔에 의해 제2 도전형 반도체층(125)에는 손상이 가해지지 않을 수 있다.
또한, 집속 이온빔에 의해 식각된 투명 전극(130)의 표면은 스퍼터링 현상 등에 의해 미세한 요철이 형성될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극(130)이 ITO를 포함하는 경우, 이온빔이 조사된 영역의 ITO의 구조가 무작위하게 배열될 수 있다.
투명 전극(130)의 표면이 식각되는 소정 두께(T)는 조사되는 이온빔의 에너지 및 이온빔 조사 시간 등을 조절하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 집속 이온빔은 1 내지 16 KeV의 에너지를 가질 수 있고, 바람직하게는 1 내지 8 KeV의 에너지를 가질 수 있다. 또한, 상기 소정 두께(T)는 5nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 2nm 이하일 수 있다.
한편, 마스크(220)에 덮인 부분인 투명 전극(130)의 일부, 노출된 제1 도전형 반도체층(121) 상면, 및 메사의 측면은 집속 이온빔을 조사하는 과정에서도 식각되지 않을 수 있다. 따라서, 집속 이온빔에 의해 반도체층들(121, 123, 125)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 스퍼터링된 입자들이 흡착되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 투명 전극(130)의 표면을 유기물 수용액에 침지시켜, 나노 구조물(135)을 형성한다. 나노 구조물(135)은 투명 전극(130)이 소정 두께(T)로 식각된 부분 표면 상에 형성될 수 있다.
투명 전극(130)의 표면을 유기물 수용액에 침지시키면, 소정의 화학반응 등을 통해서 투명 전극(130) 표면에 나노 구조물(135)이 형성될 수 있다. 상기 소정의 화학반응은 수열합성법을 이용하는 것일 수 있다. 구체적으로 예를 들어 설명하면, 투명 전극(130)이 ITO를 포함하는 경우, 투명 전극(130)을 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine; HMTA)을 포함하는 수용액에 침지시키면, 수산화 인듐(In(OH)3) 또는 수산화 산화인듐(InOOH)과 같은 전구체가 형성되고, 일정 시간동안 탈수 및 소성을 거쳐 In2O3를 포함하는 나노 구조물(135)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 유기물 수용액은 HMTA를 10mM 내지 1M의 농도로 포함할 수 있고, 투명 전극(130)이 침지되는 시간은 5 내지 24 시간 내일 수 있으며, 침지되는 동안의 온도는 90 내지 250℃, 더욱 바람직하게는 90 내지 200℃일 수 있다.
이에 따라, 가장 긴 모서리의 길이가 300nm이하이며, 적어도 일부는 육면체 형상인 나노 구조물(135)이 투명 전극(130) 표면에 형성될 수 있다. 또한, 나노 구조물(135)은 투명 전극(130) 표면에 무작위하게 배열될 수 있고, 나노 구조물(135)의 적어도 일부는 투명 전극(130)에 묻힌 형태로 형성될 수 있다.
한편, 마스크(220)에 덮인 부분에는 나노 구조물(135)이 형성되지 않는다. 마스크(220)를 형성한 후, 나노 구조물(135)의 제조 공정을 수행함으로써, 제2 전극(143) 형성 영역 아래의 투명 전극(130) 표면에는 나노 구조물(135)이 형성되지 않을 수 있고, 또한, 반도체층들(121, 123, 125) 표면 및 측면에 나노 구조물(135)이 흡착되거나 성장되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 나노 구조물(135)이 반도체층들(121, 123, 125) 상에 형성되어 발생할 수 있는 발광 소자의 불량을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 투명 전극(130)을 소정 두께 식각한 후, 유기물 수용액을 이용하여 표면에 나노 구조물(135)을 형성할 수 있다. 따라서, 종래에 광 추출 효율을 개선하기 위하여 패터닝 등을 이용하는 것과 달리, 유기물 수용액을 이용하여 보다 간단하게 표면에 나노 스케일의 요철을 형성할 수 있다. 또한, 나노 구조물(135)을 형성하기 위하여 투명 전극(130)을 유기물 수용액에 침지시키기만 하면 되므로, 나노 구조물(135) 형성이 용이하며, 대면적에도 쉽게 적용할 수 있다.
이어서, 마스크(220)를 제거하고, 노출된 제1 도전형 반도체층(121) 상면 및 투명 전극(1330)의 나노 구조물(135)이 형성되지 않은 영역 상에 각각 제1 및 제2 전극(141, 143)을 형성한다. 이에 따라, 도 1a 및 도 1b에 도시된 발광 소자가 제공된다.
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 (20)
- 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조체;
상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 투명 전극; 및
상기 투명 전극 표면에 위치하는 나노 구조물을 포함하고,
상기 나노 구조물의 적어도 일부분은 상기 투명 전극에 묻힌 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 투명 전극은 ITO를 포함하는 발광 소자. - 청구항 2에 있어서,
상기 나노 구조물은 In2O3를 포함하는 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노 구조물은 모서리를 갖고,
상기 모서리의 길이는 300nm이하인 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노 구조물은 복수 개로 형성되며,
상기 복수의 나노 구조물은 상기 투명 전극 표면에 무작위로 배열된 발광 소자. - 청구항 5에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물 중 적어도 일부는 육면체 형태인 발광 소자. - 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조체를 형성하고;
상기 반도체 적층 구조체 상에 투명 전극을 형성하고;
상기 투명 전극 표면에 나노 구조물을 형성하는 것을 포함하고,
상기 나노 구조물의 적어도 일부분은 상기 투명 전극에 묻힌 발광 소자 제조 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 나노 구조물을 형성하는 것은,
상기 투명 전극을 그 표면으로부터 소정 두께로 식각하고,
상기 투명 전극을 유기물 수용액에 침지시켜, 나노 구조물을 형성하는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 투명 전극은 ITO를 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 투명 전극을 소정 두께로 식각하는 것은, 집속 이온빔(FIB)을 이용하여 식각하는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 집속 이온빔의 조사 에너지는 1 내지 8KeV이고, 상기 소정 두께는 5nm 이하인 발광 소자 제조 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 유기물 수용액은 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 나노 구조물은 모서리를 갖고, 상기 모서리의 길이는 300nm 이하인 발광 소자 제조 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 나노 구조물은 복수 개로 형성되며,
상기 복수의 나노 구조물은 상기 투명 전극 표면에 무작위로 배열되도록 형성되는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물 중 적어도 일부는 육면체 형태로 형성되는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 유기물 수용액에서 헥사메틸렌테트라민의 농도는 0.0001 내지 1M인 발광 소자 제조 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 투명 전극은 상기 유기물 수용액에 90 내지 200 ℃의 온도에서 5 내지 24 시간 동안 침지되는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 나노 구조물은 In2O3를 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 반도체 적층 구조체를 부분적으로 식각하여 메사를 형성하고, 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 것을 더 포함하는 발광 소자 제조 방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 나노 구조물을 형성하기 전에, 상기 메사의 측면을 덮는 마스크를 형성하는 것을 더 포함하고,
상기 투명 전극은 상기 메사 상에 적어도 부분적으로 형성되는 발광 소자 제조 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |