KR20180092057A - 고효율 마이크로 led 구조체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 마이크로 LED 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광추출 효율을 높일 수 있는 질화물반도체를 이용한 고효율 마이크로 LED 구조체에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부와; 상기 기판부의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 n-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 p-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고, 상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성되고, 상하 두께가 하단의 반지름과 같거나 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 GaN LED 소자 자체를 마이크로미터 크기의 곡면을 가지는 렌즈형으로 제조함으로써 소자의 면을 통해 효과적으로 광을 추출할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부와; 상기 기판부의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 n-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 p-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고, 상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성되고, 상하 두께가 하단의 반지름과 같거나 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 GaN LED 소자 자체를 마이크로미터 크기의 곡면을 가지는 렌즈형으로 제조함으로써 소자의 면을 통해 효과적으로 광을 추출할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 고효율 마이크로 LED 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광추출 효율을 높일 수 있는 질화물반도체를 이용한 고효율 마이크로 LED 구조체에 관한 것이다.
질화물 반도체(GaN)는 3.4eV의 밴드갭을 갖고 있고, 화학적으로 매우 안정한 반도체 중 하나로서, 비소(As), 수은(Hg) 같은 환경 유해물질을 포함하지 않기 때문에 환경 친화적인 장점이 있다.
이와 같은 질화물 반도체를 성장하기 위하여 사파이어, SiC, Si, GaAs기판 등이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 결함을 줄이기 위하여 GaN기판 위에 GaN을 성장하는 호모 에피택시(homo epitaxy) 성장법이 주목을 받고 있지만, 상용화하기 위해서는 원가를 절감하는 노력이 필요하다.
질화물반도체를 이용한 발광다이오드는 그동안 무한한 응용 가능성으로 많은 연구가 진행되었고, 그 결과 이미 일상생활 곳곳에서 사용되고 있으나, 기존 광원들을 대체하기 위해서는 이보다 더 높은 출력을 낼 수 있는 소자가 요구되고 있는 것이 현실이다. 질화물반도체를 이용한 발광다이오드의 출력이 낮은 주된 이유는 빛을 발하는 활성영역이 포함된 층의 굴절률이 기판 및 외부 공기의 굴절률보다 높아 전반사 현상으로 인해 빛이 소자 내부에 갇혀 외부로 빠져나오지 못하고 활성영역에 다시 흡수되기 때문이다.
이러한 문제를 해결하고 높은 추출효율을 얻기 위해 여러 가지 방법이 제안되었는데, 대표적인 방법으로는 소자의 표면을 거칠게 하거나, 소자의 표면에 광자결정을 집적하거나, 다각형 모양을 가지는 미소 구조의 칩을 제작하는 방법이 있으며, 최근 소자 측면에 경사면을 만들어 경사면에 수직한 방향으로 추출하는 방법도 개발된 바 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 방법들 중 광자결정을 소자 표면에 집적하는 방법은 손쉽게 추출효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있지만, 여전히 상당한 양의 빛이 전량 표면을 통해 추출되지 못하고 평면 방향으로 진행하는 문제가 있다.
기존의 일반적인 LED의 경우 크기가 1000× 1000㎛2 이므로, 질화물반도체 에피 두께(~6㎛)에 비해 칩의 x, y 방향과 z축 방향의 aspect ratio가 너무 큰 문제가 있다. 이로 인해 경사면을 이용하는 방법은 빛이 소자의 가장자리까지 진행하는 동안 양자 우물에 재흡수되면서 전체적인 효율이 낮아지는 문제가 있다.
그러나, 칩 사이즈가 100 마이크로 이하로 작은 마이크로 LED가 최근 디스플레이의 픽셀의 새로운 광원으로 떠오르게 되고 고해상도 요구에 따라 그 사이즈가 50마이크로 이하 심지어는 10마이크로 이하로 기대되고 있다. 따라서 마이크로 LED의 xy방향 과 z축의 Aspect ratio 가 1에 가까워지고 3D 구조물을 형성할 수 있게 되었다.
또한, 최근 100 마이크로 이하크기의 마이크로 엘이디가 이슈가 되면서 극소형 LED의 연구가 이루어지고 있다. 이에 따라서 칩의 크기가 수 마이크로까지 작아지고 있으며 에피 두께 이하의 칩 크기까지 구현 가능하게 되었다. 이러한 마이크로 엘이디는 의료, 가시광통신, 조명, 디스플레이등에 다양하게 응용이 기대되며 특히 픽셀형디스플레이의 광원으로 주목되면서 차후 고효율의 마이크로 LED 광원이 요구될 것으로 기대된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 광추출 효율을 높일 수 있는 질화물반도체를 이용한 고효율 마이크로 LED 구조체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부와; 상기 기판부의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 n-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 p-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고, 상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 GaN계 에피층은 10㎛ 이하의 높이로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 기판부는 질화갈륨, 탄화규소, 실리콘, 사파이어 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 기판부는 1000㎛ 이내의 반지름과 500㎛ 이내의 높이로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 n-GaN층은 150㎛ 이내의 반지름으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 p-GaN층의 상부에는 투명한 산화물층이 더 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부와; 상기 기판부에 형성되는 본딩레이어와, 상기 본딩레이어상에 형성되는 p-전극층과, 상기 p-전극층의 상부에 형성되는 p-GaN층과, 상기 p-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 기판부의 상면과 상기 본딩레이어 내지 상기 n-GaN층의 측면을 감싸도록 형성되는 절연층과, 상기 절연층의 상부에 형성되는 p-전극과, 상기 p-전극으로부터 상기 n-GaN층의 상면으로 연장된 연결부와, 상기 연결부 및 상기 n-GaN층의 상면을 감싸도록 형성되고 상방으로 볼록하게 돌출되는 렌즈층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고, 상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 렌즈층은 에폭시, 투명한 유기물, SiO2 또는 SixNy 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부와; 상기 기판부의 상부에 형성되는 p-GaN층과, 상기 p-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 n-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고, 상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 기판부는 유리, PCB, 투명 폴리머, 사파이어, SiO2, SixNy, 절연 산화물 또는 ZnO, ITO, SnO, MgO 을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 GaN LED 소자 자체를 마이크로미터 크기의 곡면을 가지는 렌즈형으로 제조함으로써 소자의 면을 통해 효과적으로 광을 추출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제4실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제5실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제6실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 제7실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제8실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 제9실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제4실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제5실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제6실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 제7실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제8실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 제9실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체를 나타낸 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 제1실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가(1) 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 마이크로 렌즈형 마이크(1)로 엘이디는 기판부(100)와, GaN계 에피층(200)을 구비한다.
본 실시 예에서 상기 기판부(100)는 질화갈륨(GaN)으로 이루어진 것을 적용하였으나, 이와 다르게 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO) 등 투명 전도성 기판으로 이루어진 것을 적용할 수 있음은 물론이다. 그리고, 상기 기판부(100)는 1000㎛ 이내의 반지름과 500㎛ 이내의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 GaN계 에피층(200)은 하부가 넓고 상부는 좁은 형태의 상방으로 볼록한 반구형의 렌즈 형상으로 형성되고, 상하방향의 두께 즉, 높이가 하단의 반지름과 같거나 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 GaN계 반도체의 n-GaN, p-GaN, MQW 전체의 두께가 대부분 10㎛ 이내로 아주 얇게 형성되며, 기판의 두께가 보통은 500㎛ 이하, 두꺼워도 약 2mm 정도로 얇기 때문에 렌즈의 높이와, 아랫면 반지름의 종횡비(aspect ratio)를 1 이하로 만들기 위해서 GaN계 에피층(200)의 높이가 하단의 반지름과 같거나 작게 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 GaN계 에피층(200)은 그 두께가 10㎛ 이하, 바람직하게는 2~7㎛로 형성되며, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 형성된다. 이는 통상적으로 p-GaN이 500nm 이하, MQW는 100nm이하, n-GaN은 5㎛ 이하, un-GaN은 10㎛ 이하의 두께를 가지 때문에 총 두께를 10㎛ 이내로 형성한다.
이와 다르게, 사파이어나 실리콘 또는 탄화규소로 이루어지는 기판의 GaN층의 두께는 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 만들기 위해 1㎛~100㎛로 형성할 수 있음은 물론이다.
상기 GaN계 에피층(200)은 기판부(100)의 상부에 형성되는 n-GaN층(201)과, n-GaN층(201)의 상부에 형성되는 활성층(203)과, 활성층(203)의 상부에 형성되는 p-GaN층(205)을 포함한다.
상기 n-GaN층(201)은 n형 도전형 불순물(Si)이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다. 상기 GaN계 에피층(200)의 최하단부를 형성하는 n-GaN층(201)은 300㎛ 이내의 반지름으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 활성층(203)은 InGaN/GaN층이 다중으로 형성된 다중 양자 우물(MQW; Multi Quantum Well)구조를 가진다.
상기 p-GaN층(205)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성하거나, p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 상에 박막 AlGaN층을 형성한 구조를 적용할 수 있다.
상기 기판부(100)와 n-GaN층(201) 사이에는 버퍼층이 개재될 수 있으며, 이때 버퍼층은 도핑되지 않은 GaN층으로 형성될 수 있다.
상기 기판부(100)상에 GaN계 에피층(200)의 성장은 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD; metal organic chemical vapor deposition)법 등으로 성장시킬 수 있다.
한편, 도 2에는 본 발명의 제2실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부(110)와, GaN계 에피층(210)을 구비한다.
본 실시 예에서 상기 기판부(110)는 사파이어로 이루어진 것을 적용하였으나, 실리콘으로 이루어진 것을 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 GaN계 에피층(210)은 기판부(100)의 상부에 형성되는 n-GaN층(201)과, n-GaN층(201)의 상부에 형성되는 활성층(203)과, 활성층(203)의 상부에 형성되는 p-GaN층(205)을 포함한다. 그리고, n-GaN층(111n)의 상면에는 GaN계 에피층(210)의 측면 및 p-GaN층(205)의 상면을 감싸도록 절연층(113)이 형성되고, 이 절연층(113) 상에는 p-전극(115p)이 형성되어 있다. 그리고, p-GaN층(205)과 p-전극(115p) 사이에는 p-전극(115p)으로부터 p-GaN층(205)으로 전원을 공급하기 위한 투명전극(119)이 형성된다.
그리고, 상기 기판부(110)와 GaN계 에피층(210) 사이에는 n-전극층(111n)이 연속적으로 길게 형성되는데, 상기 n-전극층(111n)은 LED 구조체를 Passive matrix(PM) 방식으로 배선하기 위한 것으로서, 기판부(110)에 가로 또는 세로 방향으로 길게 형성되어 GaN계 에피층(210)의 n-GaN층(201)에 전원을 공급한다.
그리고, 상기 p-GaN층(205)의 상면 및 절연층(113)의 상면을 감싸도록 형성된 투명전극층(119)은 n-전극층(111n)과 교차하는 세로 방향 또는 가로 방향으로 연장되어 p-전극(1115p)에서 p-GaN층(205)으로 전원이 공급된다. 상기의 n-전극층(111n)과 투명전극층(119)은 서로 교차되게 연장된다.
도 3에는 본 발명의 제3실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가 도시되어 있다. 본 발명의 제3실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부(110)와, GaN계 에피층(230)을 구비한다.
상기 기판부(110)의 상면에는 n-전극층(111n)이 서로 이격되게 형성되고, n-전극층(111n) 상에는 GaN계 에피층(220)이 배치된다.
상기 GaN계 에피층(230)은 기판부(110)의 상부에 형성되는 n-GaN층(201)과, n-GaN층(201)의 상부에 형성되는 활성층(203)과, 활성층(203)의 상부에 형성되는 p-GaN층(205) 및 p-GaN층(205)의 상부에 형성되는 산화물층(207)을 포함한다. 그리고, 기판부(110)의 상부에는 절연층(113)이 p-GaN(205)층에 도달하는 높이까지 형성되고, 절연층(113)의 상부에는 p-전극(115p)이 서로 이격되게 형성되며, p-전극(115p)과 p-GaN층(205) 사이에는 p-전극(115p)에 공급되는 전원을 p-GaN층(205)으로 공급하기 위한 연결부(117)가 연장된다. 상기 연결부(117)는 p-GaN층(205)뿐만 아니라, 산화물층(207)까지 도달할 수 있게 연장된다.
상기 산화물층(207)을 제외한 나머지 층들은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 제1실시 예에 따른 마이크로 렌즈형 마이크로 LED에서 설명하고 있는 바와 동일한 구성을 적용하였으므로 중복설명은 생략한다.
상기의 산화물층(207)은 투명하면서 굴절률이 2.4 이내인 소재로 형성하되, GaN의 굴절률과 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 산화물 또는 에폭시 또는 이산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있다. 이는 GaN의 굴절률이 2.5(또는 2.4)이고, 공기가 1의 굴절률을 가지므로 GaN보다 더 큰 굴절률을 가지게 하면 생성된 빛이 밖으로 빠져나가지 못하고 다시 안으로 들어올 수 있으며, 이 중간 정도(일 예로, 2.0)의 굴절률을 가지는 산화물이나, 굴절률이 1.5인 에폭시 또는 이산화규소(SiO2) 등은 GaN LED에서 생성된 빛을 효과적으로 잘 추출할 수 있도록 돕는다.
또한, 얇은 두께(일 예로 10㎛ 이내)의 GaN계 LED를 100㎛로 크게 만들어 주면 렌즈의 종횡비(aspect ratio)가 잘 나오지 않아 납작한 모양이 될 수 있으므로 산화물 내지 에폭시, 이산화규소(SiO2 ) 등의 패시베이션(passivation)층으로 두께를 증가시켜 볼록한 렌즈모양이 되어 광 추출 효율을 더 좋게 할 수도 있다.
한편, 상기 n-전극층(111n)은 LED 구조체를 Active matrix(AM) 방식으로 배선하기 위한 것으로서, 기판부(110)에 서로 이격되게 형성되어 각 LED 구조체의 n-GaN층(201)에 각각 전원을 공급하고, 상기 연결부(117)는 n-전극층(111n)과 교차하는 방향으로 연장 및 p-GaN층(205)으로 연장되어 되어 p-GaN층(205)에 전원을 공급한다. 상기의 n-전극층(111n)과 투명전극층(109)은 가로 방향, 세로 방향으로 교차되어 있다. 또한, 도면에 도시되어 있지 않지만, 상기 기판부(110)에는 LED 구조체를 Active matrix(AM) 방식으로 배선하기 위한 TFT(thin film transistor)가 형성된다.
한편, 도 4에는 본 3에 도시된 바와 같은 고효율 마이크로 LED 구조체를 Passive matrix(PM) 방식으로 배선한 구조가 나타나 있다. 이 경우 기판부 상에 형성되는 p-전극층(111p)은 도 2에 도시된 바와 같이 라인 상으로 연장되며, 연결부(117)과 교차하는 방향으로 연장된다.
그리고, 도 5에는 본 발명의 제5실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제5실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부(110)와, GaN계 에피층(230)을 구비한다.
상기 기판부(110)는 사파이어로 이루어진 것을 적용하였으나, 실리콘, SiC, 유리기판, PCB, 폴리머 기판(PI 또는 PET), SiO2, SixNy, 절연 산화물 또는 ZnO, ITO, SnO, MgO 을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 기판부(110)의 상면에는 p-전극층(111p)이 서로 이격되게 형성되고, 각 p-전극층(111p) 상에는 GaN계 에피층(230)이 배치된다.
상기 GaN계 에피층(230)은 기판부(110)의 상부에 형성된 p-전극층(111p) 상에 배치되는 p-GaN층(205)과, p-GaN층(205)의 상부에 형성되는 활성층(203)과, 활성층(203)의 상부에 형성되는 n-GaN층(201)과, n-GaN층(201)의 상부에 형성되는 투명하면서 굴절률이 2.4 이내인 산화물층(207)을 포함한다.
상기 기판부(110)의 상부 및 p-전극층(111p)의 상부에는 유기물 및 산화물 절연층(113)이 소정 두께로 형성되어 있는데, 이때 절연층(113) p-GaN층(201)에 달하는 두께 또는 그 이상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 절연층(113) 상에는 n-GaN층(201)과 접속되는 n-전극(115n)이 GaN계 에피층(230)들 사이 사이에 형성된다. 또한, n-GaN층(201)과 n-전극(115n) 사이에는 n-GaN층(205)과 n-전극(115n)을 서로 연결하는 연결부(117)가 형성된다. 상기 연결부(117)는 n-GaN층(201) 및 산화물층(207)에 모두 접촉될 수 있게 연장된다.
상기 GaN계 에피층(230)은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 반 구형으로 형성된다.
본 실시 예에 따른 GaN계 에피층(230)은 산화물층(207)을 제외한 나머지 구성이 본 발명의 제2실시 예에 따른 GaN계 에피층(200)의 형상과 동일하나, 기판부(110)으로부터 상부로 n-GaN층(201), 활성층(203), p-GaN층(205) 순으로 배치된 것이 아닌 기판부(110)으로부터 p-GaN층(205)과, 활성층(203), n-GaN층(201) 순으로 배치된 구조 즉 역으로 배치된 구조를 가진다.
본 발명의 제5실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체에 적용된 GaN계 에피층(230)은 별도의 기판에 n-GaN층(201), 활성층(203), p-GaN(205)층을 순차로 형성하여 에피층 구조물을 형성한 뒤, 기판으로부터 반도체구조물을 분리하고, p-GaN층(205)이 본 실시 예와 같은 기판부(110)의 상면에 안치되도록 뒤집어서 이식한 것이다.
더욱 상세하게는 본 실시 예에 따른 GaN계 에피층(230)은 기판 준비단계, 반도체구조물 형성단계, 이송매개층 형성단계, 식각단계, 분리단계 및 이식단계를 통해 제조될 수 있다.
상기 기판 준비단계는 본 실시 예에서 설명하는 GaN계 에피층(230)과는 반대 구조를 가지는 에피층 구조물의 성장을 위한 메인기판과, 메인기판으로부터 분리된 에피층 구조물이 이식되는 기판부(110)를 준비한다.
상기 반도체구조물 형성단계는 메인기판상에 순차적으로 적층되는 u-Gan층, n-GaN층, 활성층, p-GaN층으로 구성되는 에피층 구조물을 형성하는 단계로서, 통상적인 GaN계 질화물 반도체 구조물의 제조공정과 대응되게 메인기판상에 도핑되지 않은 GaN층(un-GaN층)을 형성하고, un-GaN층 상에 n-GaN층을 형성하고, n-GaN층상에 활성층을 형성 및 활성층상에 p-GaN층을 형성한다.
상기 이송매개층 형성단계에서는 메인기판의 상면뿐만 아니라, 에피층 구조물의 외주면 전체를 감싸도록 형성된 폴리머로 이루어진 이송매개층을 형성한다.
상기 이송매개층으로 적용할 수 있는 물질로서 감광성 폴리머, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 접착테이프, 에폭시, 자외선 경화 및 열 경화성(일 예로, 70℃~500℃ 이내) 폴리머 혹은 10℃ 이하의 저온 및 100℃ 이상의 고온에서 접착력을 잃는 열변환 시트(접착제) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 식각단계는 플라즈마 에칭 공법으로 이송매개층의 상부를 일부 제거한다.
상기 분리단계는 메인기판으로부터 에피층 구조물 및 이송매개층을 분리하는 단계로서, 이 단계에서는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 아세트산, 질산, 염산, 황산, 불산 등 Si를 에칭(etching)할 수 있는 용액들 중 어느 하나를 포함하는 에칭용액에 기판 준비단계 내지 이송매개층 형성단계를 통해 제조된 에피층 구조물을 일정시간 동안 침지(dipping)시켜 에피층 구조물 및 이송매개층과 메인기판 경계의 결합력을 약화시켜 메인기판으로부터 에피층 구조물 및 이송매개층을 분리한다.
상기의 에칭용액으로서는 수산화칼륨(KOH) 및 불산 등을 일정한 농도로 조절할 경우, 메인기판을 제거할 수도 있고, 메인기판과 반도체구조물 사이 계면의 본딩만 끊어낼 수도 있다.
상기 이식단계에서는 상술한 바와 같은 공정을 통해 형성된 에피층의 p-GaN이 기판부의 안착되도록 이식한다. 상기의 이식단계가 완료되면 도 5에 나타난 바와 같이 기판부(110) 상에 GaN계 에피층(230)이 형성된 구조가 나타난다.
한편, 도 6에는 본 발명의 제6실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 제6실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부(110)와, GaN계 에피층(240)을 구비한다.
상기 기판부(110)의 상면에는 p-전극층(111p)이 라인 상으로 연속되게 형성되고, p-전극층(111p) 상에는 GaN계 에피층(240)이 배치된다. 상기 p-전극층(111p)은 라인 상으로 연속되게 형성된다.
상기 GaN계 에피층(240)은 상방으로 볼록한 반구형의 렌즈 형상으로 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 형성된다.
상기 GaN계 에피층(240)은 p-GaN층(205), 활성층(203), n-GaN층(201), 산화물층(207) 및 렌즈층(209)이 순차적으로 형성된다.
상기 GaN계 에피층(240)은 n-GaN층(201)의 상부에 이산화티타늄(TiO2) 인듐주석산화물(ITO)로 이루어진 산화물층(207)이 평평하게 형성되고, 그 위에 연결부(117)를 n-전극(115n)으로부터 연장하며, 산화물층(207)의 상부에 비전도성을 갖고 투명한 물질을 이용하여 상부가 볼록하게 돌출된 형태의 렌즈층(209)을 형성한 구조를 적용할 수도 있다.
상기 렌즈부(209)는 투명하면서 비전도성을 갖는 소재로 형성된다. 상기 렌즈부(209)는 일 예로, 에폭시나, 투명유기물, SiO2 또는 SixNy(일 예로, SiN2)를 적용할 수 있다. 그리고, 상기 렌즈부(209)는 굴절률이 2.4 이내인 소재로 형성할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지 않았으나, 기판부(110)와 p-전극층(111p)사이에는 기판부(110)에 대해 에피층(240)을 고정하기 위한 본딩 레이어가 더 구비된다.
상기의 렌즈부(209)를 제외한 GaN계 에피층(240)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 GaN계 에피층(230)의 구조 및 제조과정과 동일한 과정으로 형성된 것을 적용하였다.
한편, 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체의 GaN계 에피층(240)은 도 7에 도시된 바와 같이 Passive matrix 방식으로 기판부(100)에 배치할 수 있도록 기판부(100)의 상부에 서로 이격되게 형성되는 p-전극층(111p)에 설치될 수도 있다.
한편, 도 8에는 본 발명의 제8실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체가 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제8실시 예에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 기판부(110)와, GaN계 에피층(250)을 구비한다.
상기 기판부(110)의 상면에는 p-전극층(111p)이 서로 이격되게 형성되고, 각 p-전극층(111p) 상에는 GaN계 에피층(250)이 배치된다.
상기 p-전극층(111p)의 상부에는 유기물 및 산화물 절연층(113)이 소정 두께로 형성되고, 절연층(113) 상에는 n-GaN층(201)과 접속되는 n-전극(115n)이 GaN계 에피층(240)들 사이 사이에 GaN계 에피층(250)과 이격되는 위치에 형성된다.
그리고, n-전극(115n)과 후술하는 GaN계 에피층(240)의 n-GaN층(201) 사이에는 n-GaN층(201)과 n-전극(115n)을 서로 연결하는 연결부(117)가 형성된다. 상기 연결부(117)는 n-GaN층(201)의 상면까지 연장된다.
상기 GaN계 에피층(250)은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 형성된다.
상기 GaN계 에피층(250)은 기판부(110)의 상부에 형성되는 p-전극층(111p)의 상부에 형성되는 p-컨택층(205a)과, p-컨택층(205a)상에 형성되는 p-GaN층(205)과, p-GaN층(205)의 상부에 형성되는 활성층(203)과, 활성층(203)의 상부에 형성되는 n-GaN층(201)과, n-GaN층(201)의 중앙에 형성된 컨택부와, n-전극(115n)으로부터 연장되어 n-GaN층(201)의 상부에 형성된 컨택부에 연결되는 연결부(117)와, n-GaN층(201)의 상면과 컨택부 및 연결부(117)를 감싸도록 형성되고 상부가 볼록하게 형성된 렌즈부(209)를 구비한다.
상기 렌즈부(209)는 투명하면서 비전도성을 갖는 소재로 형성된다. 상기 렌즈부(209)는 일 예로, 에폭시나, 투명유기물, SiO2 또는 SixNy를 적용할 수 있다. 그리고, 상기 렌즈부(209)는 굴절률이 2.4 이내인 소재로 형성할 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 기판부(110)와 p-전극층(111p)사이에는 기판부(110)에 대해 GaNrP 에피층(250)을 고정하기 위한 본딩레이어가 더 구비된다.
본 실시 예에 따른 GaN계 에피층(250)은 별도의 기판에 n-GaN층(201), 활성층(203), p-GaN층(205), p-컨택층(205a)을 순차로 형성한 에피층 구조물을 형성한 뒤, 기판으로부터 에피층 구조물을 분리하고, p-컨택층(205a)이 본 실시 예와 같은 기판부(110)의 상면을 향하도록 뒤집어서 기판부(110)에 이식한 것이다.
더욱 상세하게는 본 실시 예에 따른 GaN계 에피층(250)은 기판 준비단계, 반도체구조물 형성단계, p-컨택층(반사층) 형성단계, 이송매개층 형성단계, 식각단계, 분리단계 및 이식단계를 통해 제조된다.
상기 기판 준비단계는 본 실시예에서 설명하는 GaN계 에피층(250)과는 반대구조의 에피층 구조물 즉, 도 2에 도시된 바와 같은 GaN계 에피층(210)의 성장을 위한 메인기판과, 메인기판으로부터 분리된 반도체구조물이 이식되는 보조기판 본 발명의 기판부(110)를 준비하는 단계이다.
상기 반도체구조물 형성단계는 메인기판에 순차적으로 적층되는 u-Gan층, n-GaN층, 활성층, p-GaN층으로 구성되는 반도체구조물을 형성하는 단계로서, 통상적인 GaN계 질화물 반도체 구조물의 제조공정과 대응되게 메인기판상에 도핑되지 않은 GaN층(un-GaN층)을 형성하고, un-GaN층 상에 n-GaN층을 형성하고, n-GaN층상에 활성층을 형성 및 활성층상에 p-GaN층을 형성한다.
상기 p-컨택층(반사층) 형성단계는 반도체구조물 형성단계에서 형성된 반도체구조물의 최상부에 위치하는 p-GaN층상에 전원 공급을 위한 p-컨택층(반사층)을 형성한다. 상기 p-컨택층(반사층)은 인듐주석산화물, 산화아연, 산화주석, 산화니켈, 산화인듐, 산화갈륨, 산화알루미늄 또는 Al, Ga, Ag, Sn, In, Zn, Co, Ni, Au를 포함하는 산화물 또는 Ni, Au, Mr, Cr, Co, Cu, Rb, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, W, Ir, Pt, La, Ce, Na, Eu 중 어느 하나로 이루어지는 단일층이나 멀티층 또는 어느 하나 이상을 포함하는 합금형태의 오믹전극으로 형성될 수 있다.
상기 이송매개층 형성단계에서는 메인기판의 상면뿐만 아니라, 에피층 구조물의 외주면 전체를 감싸도록 형성된 폴리머로 이루어진 이송매개층을 형성한다.
상기 이송매개층으로 적용할 수 있는 물질로서 감광성 폴리머, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 접착테이프, 에폭시, 자외선 경화 및 열 경화성(일 예로, 70℃~500℃ 이내) 폴리머 혹은 10℃ 이하의 저온 및 100℃ 이상의 고온에서 접착력을 잃는 열변환 시트(접착제) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 식각단계는 플라즈마 에칭 공법으로 이송매개층의 상부를 일부 제거하여 p-컨택층(반사층)의 상면이 외부로 노출되도록 식각한다.
상기 분리단계는 메인기판으로부터 에피층 구조물 및 이송매개층을 분리한다. 이 단계에서는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 아세트산, 질산, 염산, 황산, 불산 등 Si를 에칭(etching)할 수 있는 용액들 중 어느 하나를 포함하는 에칭용액에 기판 준비단계 내지 이송매개층 형성단계를 통해 제조된 반도체구조물을 일정시간 동안 침지(dipping)시켜 반도체구조물 및 이송매개층과 메인기판 경계의 결합력을 약화시켜 메인기판으로부터 반도체구조물 및 이송매개층을 분리한다.
상기의 에칭용액으로서는 수산화칼륨(KOH) 및 불산 등을 일정한 농도로 조절할 경우, 메인기판을 제거할 수도 있고, 메인기판과 반도체구조물 사이 계면의 본딩만 끊어낼 수도 있다.
상기 분리단계는 상술한 바와 다르게 에피층 구조물을 에칭용액에 침지시키지 않고, 에칭용액을 에피층 구조물과 메인기판의 경계 및 계면에 분무 또는 살포(spray)하여 분리시키는 방식을 적용할 수도 있으며, 에칭용액에 완전 침전시킨 후 분리하는 방식을 적용할 수도 있다.
상기 이식단계에서는 상술한 바와 같은 공정을 통해 형성된 반도체구조물의 p-컨택층(반사층)이 보조기판의 상면에 안착되도록 에피층 구조물을 본 발명에 따른 기판부(110)에 이식한다.
상기 이식단계는 메인기판으로부터 분리된 에피층 구조물의 최상부에 위치하는 p-컨택층(반사층)이 기판부(110)의 상면을 향하도록 뒤집어 기판부(110)보조기판의 상면에 이식한다.
상기의 이식단계가 완료되면 도 8에 나타난 바와 같은 GaN계 에피층(250)을 기판부(110)에 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체의 GaN계 에피층(250)은 도 9에 도시된 바와 같이 기판부(110)의 상면에 라인 상으로 연속적이게 p-전극층(111p)을 형성하고, 이 p-전극층(111p)상에 접속시킨 구조를 적용할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 고효율 마이크로 LED 구조체는 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100, 110 : 기판부
111 : n-전극층
113 : 절연층
115 : p-전극
117 : 연결부
119 : 투명전극층
200 : GaN계 에피층
201 : n-GaN층
203 : 활성층
205 : p-GaN층
207 : 산화물층
111 : n-전극층
113 : 절연층
115 : p-전극
117 : 연결부
119 : 투명전극층
200 : GaN계 에피층
201 : n-GaN층
203 : 활성층
205 : p-GaN층
207 : 산화물층
Claims (10)
- 기판부와;
상기 기판부의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 n-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 p-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고,
상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 GaN계 에피층은 10㎛ 이하의 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제2항에 있어서,
상기 기판부는 질화갈륨, 탄화규소, 실리콘, 사파이어 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제3항에 있어서,
상기 기판부는 1000㎛ 이내의 반지름과 500㎛ 이내의 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제3항에 있어서,
상기 n-GaN층은 150㎛ 이내의 반지름으로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 p-GaN층의 상부에는 투명한 산화물층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 기판부와;
상기 기판부에 형성되는 본딩레이어와, 상기 본딩레이어상에 형성되는 p-전극층과, 상기 p-전극층의 상부에 형성되는 p-GaN층과, 상기 p-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 n-GaN층과, 상기 기판부의 상면과 상기 본딩레이어 내지 상기 n-GaN층의 측면을 감싸도록 형성되는 절연층과, 상기 절연층의 상부에 형성되는 p-전극과, 상기 p-전극으로부터 상기 n-GaN층의 상면으로 연장된 연결부와, 상기 연결부 및 상기 n-GaN층의 상면을 감싸도록 형성되고 상방으로 볼록하게 돌출되는 렌즈층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고,
상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제7항에 있어서,
상기 렌즈층은 에폭시, 투명한 유기물, SiO2, SixNy 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 기판부와;
상기 기판부의 상부에 형성되는 p-GaN층과, 상기 p-GaN층의 상부에 형성되는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 형성되는 n-GaN층을 포함하는 GaN계 에피층;을 구비하고,
상기 GaN계 에피층은 상방으로 볼록한 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
- 제9항에 있어서,
상기 기판부는 유리, PCB, 투명 폴리머, 사파이어, SiO2, SixNy, 절연 산화물 또는 ZnO, ITO, SnO, MgO 을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마이크로 LED 구조체.
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| KR1020170017363A KR101890932B1 (ko) | 2017-02-08 | 2017-02-08 | 고효율 마이크로 led 구조체 |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2017
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101890932B1 (ko) | 2018-08-22 |
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