KR101148444B1 - 백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

칩 제조 공정에서 나노구조 패턴을 형성하여 안정적으로 백색 발광을 유지할 수 있는 백색 나노 발광다이오드가 제시된다. 상기 백색 나노 발광다이오드는 사파이어 기판, 상기 사파이어 기판 상에 적층되는 n-GaN층, 상기 n-GaN층 상에 적층되는 녹색 MQW층, 및 상기 녹색 MQW층 상에 적층되는 p-MQW층을 포함하고, 상기 n-GaN층 상에 돌출영역과 미돌출영역으로 이루어지는 나노구조 패턴을 형성함을 특징으로 한다. 상기 백색 나노 발광다이오드에 의하면, 상기 돌출영역 상면과 측면에 적층된 녹색 MQW층의 두께 차이로 인해 상기 돌출영역의 상면은 녹색광을 발광하고 상기 돌출영역의 측면은 적색광을 발광하여 상기 녹색광과 적색광의 혼합에 의해 백색광을 안정적으로 발광할 수 있는 효과가 있다.

발광다이오드, 나노구조, 백색 발광.

Description

백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조 방법 {White Nano Light Emitting Diode and Method for Making the Same}

본 발명은 백색 발광다이오드에 관한 것으로, 구체적으로 칩 공정 전단계인 에피 상태에서 나노구조를 형성하고 녹색 MQW를 나노구조 상에 성장시켜 나노구조의 상면과 측면의 MQW 두께 차이를 이용하여 백색 발광을 구현할 수 있는 백색 나노 발광다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다. 질화갈륨(GaN)은 청색 발광다이오드 소자를 제조하는 화합물로 각광받고 있다.

반도체를 이용한 백색 발광다이오드는 수명이 길고, 소형화가 가능하며 저전압으로 구동이 가능하다는 특징으로 인해 기존의 발광소자를 대체할 수 있는 차세대 발광다이오드 중 하나로써 각광받고 있다.

이러한 백색 발광다이오드를 제조하는 기존의 방법으로는 삼색(적색, 녹색, 청색) 발광다이오드를 모두 사용하는 방법이 있으나, 이는 제조 비용이 고가이고, 구동회로가 복잡하기 때문에 제품의 크기가 커진다는 단점을 가진다.

또한 청색의 파장을 가지는 InGaN계 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 조합한 백색 발광다이오드가 실용화되어 있으나, 이는 청색 발광다이오드에서 발생하는 청색광의 일부가 황록색 형광체를 여기시켜 황록색을 발생시키게 되며, 상기 청색과 황록색이 합성되어 백색을 발광시키는 원리로 이루어져 있다.

그러나, 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 조합한 백색 발광다이오드의 빛은 가시광선 영역의 일부 스펙트럼만을 가지고 있기 때문에 연색지수(color rendering index)가 낮고, 이에 따라 색표현이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있으며, 여기 광원으로 사용되는 청색 발광다이오드의 파장이 450nm이기 때문에 칩 효율이 떨어져서 전체적으로 백색 발광다이오드의 발광효율이 낮아진다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예 중 일부에 따른 목적은, 백색을 구현하기 위해 삼색 타입의 발광다이오드나 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 이용하는 방법이 아닌 새로운 백색 구현 방법을 제시하고자 하며, 나노구조를 형성하여 상기 나노구조의 상면과 측면의 두께 차이를 이용하여 백색을 발광할 수 있는 백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예 중 일부에 따른 다른 목적은, 패키지 시 형광체를 도포하는 방법이 아닌 칩 제조 공정에서 나노구조 패턴을 이용하여 안정적으로 백색 발광을 유지할 수 있는 백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드는, 사파이어 기판, 상기 사파이어 기판 상에 적층된 n-GaN층, 상기 n-GaN층 상에 적층된 MQW층 및 상기 MQW층 상에 적층된 p-GaN층을 포함하고, 상기 n-GaN층은 돌출영역과 미돌출영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 설명하면, 상기 n-GaN층은 n-형 반도체층으로써 돌출영역과 미돌출영역을 갖는 요철부를 구비하며, 상기 요철부의 상면과 측면에 적층되는 활성층인 MQW층은 상면와 측면에 적층되는 두께가 서로 다르기 때문에 상기 요철부의 상면과 측면에서 서로 다른 파장의 빛이 구현될 수 있다.
상기와 같이 적층된 활성층은, 상기 요철부의 돌출영역의 상면에 적층된 제1 영역, 상기 요철부의 돌출영역의 측면에 적층된 제2 영역, 및 상기 요철부의 미돌출영역에 적층된 제3 영역으로 구분될 수 있다.
한편, 상기 요철부의 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역에서 활성층의 두께가 달라지면, 활성층에 함유된 Ga과 In(인듐)의 조성이 틀려지기 때문에 색상이 서로 다르게 생성될 수 있다. 즉, 상기 활성층인 MQW층의 면적과 In의 조성이 상기 요철부의 각 영역에서 서로 틀려지게 됨으로써, 각 영역에서 발생되는 빛의 파장이 서로 다르게 발생될 수 있다.

바람직하게, 상기 MQW층은 녹색 MQW로 이루어질 수 있다.

상기 돌출영역과 미돌출영역은 나노구조마스크에 의해 식각 형성되어, 상기 n-GaN층은 상기 돌출영역과 미돌출영역에 의한 나노구조 패턴을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 돌출영역과 미돌출영역은 각각 복수 개 형성되어, 상기 n- GaN층의 상기 돌출영역과 미돌출영역에 의한 나노구조 패턴은 상기 n-GaN층 표면 전반에 걸쳐 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 돌출영역은 원기둥 형상이 될 수 있고, 상기 돌출영역 표면 전반에 상기 MQW층이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드 제조방법은, 사파이어 기판을 제공하는 단계, 상기 사파이어 기판 상에 n-GaN층을 성장시키는 단계, 상기 n-GaN층 상에 돌출영역과 미돌출영역을 형성하는 단계, 상기 n-GaN층 상에 MQW층을 성장시키는 단계, 및 상기 MQW층 상에 p-GaN층을 성장시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 n-GaN층 상에 돌출영역과 미돌출영역을 형성하는 단계는, 나노구조마스크에 의한 식각에 의해 이루어지며, 상기 식각에 의해 상기 n-GaN층은 나노 구조 패턴을 가질 수 있다.

상기 MQW층은 녹색 MQW로 이루어질 수 있고, 상기 돌출영역의 상면과 측면에 적층된 상기 녹색 MQW층의 두께 차이로 인해, 상기 돌출영역 상면은 녹색광을 발광하고, 상기 돌출영역의 측면은 적색광을 발광하여서 상기 녹색광과 적색광의 혼합에 의해 백색광을 발광할 수 있다.

바람직하게, 상기 p-GaN층 상에 투명전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조방법에 의하면, 삼색 타입 발광다이오드에 의한 방법이나 청색 발광 다이오드에 황록색 형광 체를 이용하는 방법이 아닌 새로운 백색 구현 방법을 제시하며, 나노 구조를 이용하여 백색을 발광할 수 있어서 소형화가 가능하고 발광효율과 색표현이 우수하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드 및 이의 제조방법에 의하면, 칩 제조 공정에서 나노구조 패턴을 이용하여 안정적으로 백색 발광을 유지할 수 있다는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광 다이오드의 측단면을 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 백색 나노 발광 다이오드(10)는 활성영역에 나노구조 패턴을 형성하고 형광절연층을 삽입하는 것을 특징으로 하는데, 구체적으로, 사파이어 기판(100), n-GaN층(200), MQW(Multi Quantum Well; 다중양자정호)층(300), p-GaN층(400) 및 투명전극(500)을 포함한다. 특히, 백색 나노 발광 다이오드(10)는 n-GaN층(200) 상에 나노구조 패턴을 형성한다.

사파이어 기판(100) 상에 n-GaN층(200)이 적층되는데, 상기 n-GaN층(200) 상에는 나노구조 패턴이 형성된다. 구체적으로, 사파이어 기판(100) 상에 성장된 n-GaN층(200)에 나노구조마스크를 이용하여 식각을 하게 되며, 이러한 식각에 의해 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)으로 이루어지는 나노구조 패턴이 형성될 수 있다.

나노구조 패턴이 형성된 n-GaN층(200) 상에는 MQW(300)층이 적층될 수 있다. MQW층(300)은 청색, 녹색, 적색 MQW 중 어느 하나일 수 있으나, 백색 발광을 구현하기 위해, 상기 MQW층(300)은 녹색 MQW로 이루어는 것이 바람직하다.

상기 녹색 MQW층(300) 상에는 p-GaN층(400)이 적층되고, p-GaN층(400) 상에는 다시 투명전극이 제공될 수 있다.

도 2는 n-GaN층(200) 상에 형성된 나노구조 패턴을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 도시한 이미지이고, 도 3은 상기 나노구조 패턴을 형성하는 돌출영역(210)의 확대 구성도이다.

도 2를 참조하여, n-GaN층(200)에 형성된 나노구조 패턴은 나노(nano) 크기를 가지는 매우 미세한 구조이다. 상기 나노구조 패턴은 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)으로 구성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, n-GaN층(200) 상에는 이러한 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)은 각각 복수 개가 형성될 수 있는데, 더욱 자세하게는, 상기 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)은 나노 단위 크기를 가지므로 그 수는 매우 많다 할 것이다.

도 3을 참조하여, 상기 돌출영역(210)은 상면(212)과 측면(214)을 포함하는 원기둥 형상일 수 있다. 그러나, 돌출영역(210)의 형상은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 일정 영역의 상면과 측면을 구비하는 것이라면 어느 형상이라도 가능하다. 예를 들어, 돌출영역(210)은 다각 기둥 형상, 원뿔 형상, 반구 형상 등으로 구성될 수 있다.

상기 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)으로 이루어지는 나노구조 패턴 상에 녹색 MQW층(300)이 도포되는데, 나노구조 패턴의 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)의 구조적 형상에 의하여 녹색 MQW층(300)은 두께 차이를 가지고 n-GaN층(200) 상에 적층된다.

나노구조 패턴의 돌출영역(210)에 녹색 MQW층(300)이 도포되면, 원기둥 모양의 돌출영역(210)은 활성영역으로서, 상면(212)뿐만 아니라 측면(214)에서도 발광이 이루어진다.

나노구조 패턴의 돌출영역(210)의 상면(212)에서는 녹색광(G)의 발광이 이루어지고, 측면(214)에서는 적색광(R)의 발광이 이루어진다. 상면(212)에서의 상기 녹색광(G)과 측면(214)에서의 적색광(R)이 혼합하게 되면서, 백색의 빛이 구현될 수 있다.

다시 말해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드(10)는 n-GaN층(200) 상에 형성된 나노구조 패턴 상에 형성된 녹색 MQW(300) 활성층을 성장시키게 되므로, 나노구조 패턴의 상면과 측면의 두께 차이로 인해 백색 발광을 안정적으로 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광 다이오드(10)의 제조 방법을 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하여, 백색 나노 발광다이오드(10)를 제조하기 위해서, 사파이어 기판(100)을 제공하고, 상기 사파이어 기판(10) 위에 n-GaN층(200)을 성장시킨다(S610, 620).

상기 n-GaN층(200)에 나노구조 패턴을 형성하기 위해서 나노구조마스크를 이용하여 식각을 실시하며, 이에 의해서 n-GaN층(200) 상에 돌출영역(210)과 미돌출영역(220)을 가지는 나노구조 패턴이 형성된다. 상술한 바와 같이, 상기 원기둥 형상일 수 있는 돌출영역(210)은 일정 면적을 가지는 상면(212)과 측면(214)을 가지게 된다(S630).

나노구조 패턴이 형성된 n-GaN층(200) 상에는 녹색 MQW층(300)을 성장시킨다. 이 때, n-GaN층(200) 상에 형성된 나노구조 패턴에 의해 녹색 MQW층(300)은 두께 차이가 생기게 된다(S640).

상기 녹색 MQW층(300) 상에 다시 p-GaN층(400)을 성장시키고, 그 위에 투명전극(500)을 배치함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드(10)의 제조가 완료된다(S650, S660).

상술한 바와 같이, 나노구조 패턴의 돌출영역(210) 상면(212)과 측면의 두께 차이를 이용하여 백색 발광을 구현할 수 있다.

이렇게 제조된 백색 나노 발광다이오드(10)는 조명용, 산업용 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 즉, 백색 나노 발광다이오드(10)는 모바일용 및 LCD 백라이 트, 자동차, 조명에 이르기까지 다양한 분야에서 이용될 수 있다.

또한, 기존에는 삼색(R,G,B) 발광다이오드를 이용하거나 청색 발광다이오드에 황록색 형광체를 이용한 백색 발광다이오드를 제조하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드(10)는 칩 상태에서 제조할 수 있으므로 패키지 공정에서 발생할 수 있는 열에 따른 색 변화를 개선할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드의 측단면을 도시한 구조도이다;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드의 나노구조 패턴을 주사전자현미경을 이용하여 확대한 이미지이다;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드의 나노구조 패턴을 구성하고 있는 돌출영역의 확대 구성도이다;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 나노 발광다이오드의 제조 방법을 도시한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 백색 나노 발광다이오드 100 : 사파이어 기판

200 : n-GaN층 210 : 돌출영역

220 : 미돌출영역 212 : 돌출영역 상면

214 : 돌출영역 측면 300 : 녹색 MQW층

400 : p-GaN층 500 : 투명 전극

G : 녹색광 R : 적색광

Claims (10)

1. n-형 반도체층;

   상기 n-형 반도체층 상에 적층되는 활성층; 및

   상기 활성층 상에 적층되는 p-형 반도체층;

   을 포함하며,

   상기 n-형 반도체층은 요철부를 구비하고, 상기 요철부의 상면으로 적층되는 활성층의 두께와 측면으로 적층되는 활성층의 두께가 달라 상기 요철부의 상면과 측면에서 서로 다른 파장의 빛이 구현되는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 요철부는 나노구조마스크에 의해 식각 형성된 돌출영역과 미돌출영역을 포함하고, 상기 n-형 반도체층은 상기 요철부에 의해 나노구조 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 활성층은 녹색 MQW층인 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
4. 제2항에 있어서,

   상기 n-형 반도체층은 n-GaN을 포함하고, 상기 p-형 반도체층은 p-GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
5. 제2항에 있어서,

   상기 돌출영역과 미돌출영역은 각각 복수 개 형성되어, 상기 n-형 반도체층의 상기 돌출영역과 미돌출영역에 의한 나노구조 패턴은 상기 n-형 반도체층 표면 전반에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
6. 제2항에 있어서,

   상기 돌출영역은 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드.
7. 사파이어 기판을 제공하는 단계;

   상기 사파이어 기판 상에 n-GaN층을 성장시키는 단계;

   상기 n-GaN층 상에 식각하여 돌출영역과 미돌출영역을 형성하는 단계;

   상기 n-GaN층 상에 MQW층을 성장시키는 단계; 및

   상기 MQW층 상에 p-GaN층을 성장시키는 단계;

   를 포함하며,

   상기 MQW층을 성장시키는 단계는 상기 돌출영역의 상면으로 적층되는 MQW의 두께와 측면으로 적층되는 MQW의 두께를 다르게 하고, 이에 따라 상기 돌출영역의 상면과 측면에서 서로 다른 파장의 빛이 구현되도록 하는 백색 나노 발광다이오드 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 n-GaN층 상에 돌출영역과 미돌출영역을 형성하는 단계는,

   나노구조마스크에 의한 식각에 의해 이루어지며, 상기 식각에 의해 상기 n-GaN층은 나노 구조 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드 제조방법.
9. 삭제
10. 제7항 또는 제8항에 있어서,

    상기 p-GaN층 상에 투명전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 나노 발광다이오드 제조방법.

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