KR101233234B1

KR101233234B1 - 내재전극에 메탈 콜로이드가 채워진 발광다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101233234B1
Application number: KR1020110091199A
Authority: KR
Inventors: 홍창희; 강지혜; 박영재
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-02-14

Abstract

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판을 가로질러 버퍼층과 n-층에 걸쳐 하나 이상의 내재전극을 위한 공간을 형성하고 그 내부에 메탈 콜로이드를 채워넣어 n-층 전류확산 특성을 개선하고 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 내재전극에 메탈 콜로이드가 채워진 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

내재전극에 메탈 콜로이드가 채워진 발광다이오드 및 그 제조방법{Light emitting diode filled metal colloid in embedded electrode and fabrication method thereof}

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판을 가로질러 버퍼층과 n-층에 걸쳐 하나 이상의 내재전극을 위한 공간을 형성하고 그 내부에 메탈 콜로이드를 채워넣어 n-층 전류확산 특성을 개선하고 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 내재전극에 메탈 콜로이드가 채워진 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 11은 종래의 질화물 반도체를 이용한 발광다이오드의 구조를 보인 단면도로서, 전극이 모두 윗면에 형성된 전류 주입 방식 발광다이오드의 구조이다.

이러한 발광다이오드의 구조는 n-전극(26) 및 p-전극(27)에 의해 생성된 전자와 정공이 활성층(23)으로 확산되는데, 이때 전류가 p-전극(27)에서 n-전극(26)까지의 최단 거리인 메사 구조물 측면을 따라 주로 흐르기 때문에 전자와 정공이 활성층(23)에 고르게 확산 되지 않아 발광 효율이 낮으며, 이를 해소하기 위한 방안으로서 p-층(24)상에서의 전류확산을 활성화시키는 방법과 n-층(23)에서의 전류확산을 활성화시키는 방법이 시도되어 왔다.

또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0700529호의 전류 확산층을 구비한 '발광다이오드 및 그 제조방법'은 n-콘택층의 측면 전류 확산 특성을 개선하기 위해 높은 전도도의 물질을 n-콘택층 내부에 형성하도록 함으로써, 측면 전류 확산 특성을 개선하면서 상기 높은 전도도의 물질이 특정 방향으로 광을 집중시키거나 광을 투과시키는 등의 광 효율을 높이는 역할도 할 수 있다.

그러나, 이는 내부에 형성되는 전류확산패턴만으로는 n-전극으로부터 각각의 개별 패턴으로의 전류주입(current injection)이 고르게 이루어질 수 없다는 문제점을 갖는다. 또한, 전류확산패턴을 만들기 위해서 추가로 마스크를 필요로 하는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0700529호(2007.03.21)

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 기판을 가로질러 버퍼층과 n-층에 걸쳐 형성된 하나 이상의 내재전극을 위한 공간을 형성하고 그 내부에 메탈 콜로이드를 채워넣어 n-층 전류확산 특성을 개선하고 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키는 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판과, 기판상에 형성된 버퍼층과, 버퍼층에 형성된 n-층과, n-층상에 형성된 n-전극과, 기판을 가로질러 버퍼층과 n층에 걸쳐 형성되고 메탈로 채워진 내재전극과, 내재전극의 일단 또는 양단에 형성되며, 하나 이상의 메탈아일랜드와, 하나 이상의 메탈아일랜드와 n-전극을 연결하는 확장전극을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판을 준비하는 단계, 기판상에 실리콘옥사이드층을 형성하는 단계, 실리콘옥사이드층을 식각하여 기판을 가로지르는 내재전극용 패턴과 내재전극에 연결된 하나 이상의 메탈아일랜드용 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 버퍼층을 형성하는 단계, 버퍼층에 n-층, 활성층, p-층을 형성하는 단계, 내재전극용 패턴과 메탈아일랜드용 패턴을 이루는 실리콘옥사이드를 식각하는 단계, n-층과 p-층 위에 각각의 확장전극을 포함하는 n-전극과 p-전극을 형성하는 단계, 메탈아일랜드용 옥사이드 패턴이 식각되어 형성된 홀(구멍)을 노출되는 PR 패턴을 형성하는 단계, 메탈아일랜드용 패턴과 내재전극용 패턴이 식각된 공간으로 메탈 콜로이드를 채우는 단계, 및 PR 패턴을 제거하고, 열처리하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 발광다이오드에 내재전극을 형성하고 그 내부에 메탈 콜로이드를 채워 넣어 n-층 수평방향 전류확산(current spreading) 특성을 개선하고, 발광다이오드의 광추출 효율을 향상(high light extraction efficiency)시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예인 발광다이오드의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예인 발광다이오드의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예인 발광다이오드의 공정순서도,
도 4는 발광다이오드에 메탈 콜로이드를 채워 넣는 개요도,
도 5는 성장 후 옥사이드 패턴을 식각하여 형성한 홀(구멍)상에 형성된 PR 패턴에 의해 선택적으로 PR 패턴이 없는 부분만 메탈 콜로이드가 채워진 SEM 사진,
도 6은 본 발명의 실시예인 발광다이오드의 내재전극용 패턴이 식각된 공간으로 Ag 콜로이드가 채워지기 전, 후의 SEM 사진,
도 7은 본 발명의 실시예인 발광다이오드의 식각된 내재전극용 패턴 내부에 Ag 콜로이드가 채우기 전(a), 채운 후(b) 및 열처리한 후(c)의 광학현미경 사진,
도 8는 Ag 박막과 Ag 콜로이드의 반사도 그래프,
도 9는 Air-bar를 이용한 공정 순서도,
도 10은 두꺼운 실리콘옥사이드 패턴을 이용한 공정 순서도,
도 11은 종래의 발광다이오드의 단면도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 각 도면의 각 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지가 아닌 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략되었다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예인 발광다이오드는 기판(1)과, 기판(1) 상에 형성된 버퍼층(5)과, 버퍼층(5)에 형성된 n-층(6)과, n-층(6) 상에 형성된 n-전극(10)과, 기판(1)을 가로질러 버퍼층(5)과 n-층(6)에 걸쳐 형성된 하나 이상의 내재전극(14)과, 내재전극(14)의 일단 또는 양단에 형성된 하나 이상의 메탈아일랜드(15)와, 하나 이상의 메탈아일랜드(15)와 n-전극(10)을 연결하는 확장전극(9)을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예인 발광다이오드는 내재전극(14)에 메탈 콜로이드(13)(도 4참조)가 채워질 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예로서의 제조공정은 기판(1)을 준비하는 단계, 기판(1) 상에 실리콘옥사이드층(2)을 형성하는 단계, 실리콘옥사이드층(2)을 식각하여 기판(1)을 가로지르는 내재전극용 패턴(3)과 내재전극에 연결된 하나 이상의 메탈아일랜드용 패턴(4)을 형성하는 단계, 기판(1) 상에 버퍼층(5)을 형성하는 단계, 버퍼층(5)에 n-층(6), 활성층(7), p-층(8)을 형성하는 단계, 내재전극용 패턴(3)과 메탈아일랜드용 패턴(4)을 이루는 실리콘옥사이드층(2)을 식각하는 단계, n-층(6)과 p-층(8) 위에 각각의 확장전극(9)을 포함하는 n-전극(10)과 p-전극(11)을 형성하는 단계, 메탈아일랜드용 옥사이드 패턴(4) 위로 형성된 홀(구멍)이 노출되는 PR 패턴(12)을 형성하는 단계, 메탈아일랜드용 패턴(4)과 내재전극용 패턴(3)이 식각된 공간으로 Ag 콜로이드(13)를 채우는 단계 및 PR 패턴(12)을 제거하고, 열처리하는 단계를 포함한다.

먼저 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 기판(1)을 준비한다. 기판(1)은 사파이어(Al₂O₃) 기판, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 및 갈륨 인화물(GaP) 기판, LiAlO₂ 기판, LiGaO₂ 기판 중의 어느 하나를 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 사파이어 기판을 사용한다.

이후, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(1) 위에 옥사이드층(2)을 형성한다. 옥사이드층(2)은 산화물 계열(예: XOy 또는 X₂Oy의 형태, X는 Ba, Be, Ce, Cr, Er, Ga, In, Mg, Ni, Si, Sc, Ta, Ti, Zn, Zr중 어느 하나 이고 Y는 0<y≤9)인 물질을 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식, E-Beam 또는 스퍼터링(Sputtering) 방식으로 증착시켜 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 실리콘옥사이드(SiO₂)층(2)을 적층한다.

이후, 도 3의(c)에 도시된 바와 같이 PR 패턴(30)을 형성한다.

다음으로, 실리콘옥사이드층(2)을 에칭(etching)하여 기판(1)을 가로지르는 내재전극용 패턴(3)과 내재전극에 연결된 하나 이상의 메탈아일랜드용 패턴(4)을 형성한다(도 3의 (d) 참조).

그리고, 기판(1) 상에 버퍼층(5)을 형성하고, 버퍼층(5)에 n-층(6), 활성층(7), p-층(8)을 적층한다(도 3의 (e) 참조).

이후, 도 3의 (f)에 도시된 바와 같이 내재전극용 패턴(3)과 메탈아일랜드용 패턴(4)을 이루는 실리콘옥사이드층(2)을 식각한다. 이때, 내재전극용 패턴이 식각된 공간은 도 9 또는 도 10과 같은 형태로 형성될 수 있다.

도 9는 Air-bar를 이용한 공정 순서도이고, 도 10은 두꺼운 실리콘옥사이드 패턴을 이용한 공정 순서도이다.

도 9의 프리즘형태는 내재전극용 패턴(3)을 1차 식각한 다음, 내재전극용 패턴(3)이 식각된 공간에 KOH용액을 적용하여 반도체층을 식각하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 이에 비해 도 10은 내재전극용 패턴을 두껍게 형성함으로써 내재전극용 패턴이 식각되면 추가적인 반도체층의 식각없이도 내재전극으로서의 특성을 충분히 갖출 수 있을 만큼의 공간이 확보됨을 보여준다.

다음으로, n-층(6)과 p-층(8) 위에 각각의 확장전극(9)을 포함하는 n-전극(10)과 p-전극(11)을 형성한다(도 3의 (g) 참조).

그리고, 메탈아일랜드용 옥사이드 패턴(4)이 식각되어 형성된 홀(구멍)이 노출되는 PR 패턴(12)을 형성한다(도 3의 (h) 및 도 5의 SEM사진 참조)

이후, 도 3의 (i)에 도시된 바와 같이, 메탈아일랜드용 패턴(4)과 내재전극용 패턴(3)이 식각된 공간으로 메탈 콜로이드(13)를 채운다. 메탈 콜로이드는 n-형 반도체와 오믹 컨텍을 하는 물질로서 Ag, Al, Au, B, Be, Bi, C, Cr, Co, Cu, Fe, In, Ir, Mg, Mo, Nb, Ni, Pb, Pd, Si, Sn, Ti, W, Zn중에서 어느 하나 또는 둘 이상이고, spray method, gas evaporation, pulsed laser deposition, solvothermal synthesis, Penchini method, co-precipitation method 등으로 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 Ag 콜로이드를 사용한다.(도 3의 (j) 및 도 6의 SEM 사진 참조)

도 4에 도시된 도면을 참조하면, Ag 콜로이드(colloid)를 채우는 방법은 먼저 물(water)과 섞인 Ag 콜로이드 4% 용액(Ag colloid 4%/water)속에 발광다이오드를 담군 후, 초음파(ultrasonic)로 5분간 흔들거나, 또는 2000rpm/20s의 스핀 코팅(spin coating) 처리를 하거나, 두 가지를 병행한다. 이후, 밖으로 꺼내서 PR 패턴(15)을 제거하고(lift-off) 열처리(annealing)를 공기중에서 600℃/2min 동안 실시한다.

도 8은 Ag 박막과 Ag 콜로이드에 의한 반사도 차이를 보여준다. 약 460 nm의 파장에서 Ag 콜로이드는 약 70%의 반사도를 보여준다. 추가적인 박막성장공정(E-BEAM, Thermal evaporation 등)을 적용하지 않고, 추가적인 박막성장공정에 의한 Ag 박막의 82%의 반사도 대비보다 간단한 공정으로 Ag 콜로이드를 적용하여 70%의 반사도를 가지므로 전류확산효과에 더하여 반사율에 의한 광추출 효율의 추가적 증가를 실현할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

1: 기판;
5: 버퍼층
6: n-층
9: 확장전극
10: n-전극
14: 내재전극
15: 메탈아일랜드

Claims

기판;
상기 기판상에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층에 형성된 n-층;
상기 n-층상에 형성된 n-전극;
상기 기판을 가로질러 버퍼층과 n-층에 걸쳐 형성되고 메탈로 채워진 내재전극;
상기 내재전극의 일단 또는 양단에 형성되는 하나 이상의 메탈아일랜드;
상기 하나 이상의 메탈아일랜드와 상기 n-전극을 연결하는 확장전극;을 포함하는 발광다이오드.
제1항에 있어서,
상기 메탈이 콜로이드의 형태로 채워진 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서,
상기 내재전극에 채워진 메탈은, n-형 반도체와 오믹컨텍을 하는 물질로서 Ag, Al, Au, B, Be, Bi, C, Cr, Cu, Fe, In, Ir, Mg, Mo, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, W, Zn중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서,
상기 내재전극의 단면이 삼각형인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서,
상기 내재전극의 단면이 사각형인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판상에 실리콘옥사이드층을 형성하는 단계;
상기 실리콘옥사이드층을 식각하여 기판을 가로지르는 내재전극용 패턴과 상기 내재전극에 연결된 하나 이상의 메탈아일랜드용 패턴을 형성하는 단계;
상기 기판상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층에 n-층, 활성층, p-층을 형성하는 단계;
상기 내재전극용 패턴과 메탈아일랜드용 패턴을 이루는 실리콘옥사이드를 식각하는 단계;
상기 n-층과 p-층 위에 각각의 확장 전극을 포함하는 n-전극과 p-전극을 형성하는 단계;
상기 메탈아일랜드용 옥사이드 패턴이 식각되어 형성된 홀(구멍)을 노출되는 PR 패턴을 형성하는 단계;
상기 메탈아일랜드용 패턴과 내재전극용 패턴이 식각된 공간으로 메탈 콜로이드를 채우는 단계; 및
상기 PR 패턴을 제거하고, 열처리하는 단계;를 포함하는 발광다이오드의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 메탈 콜로이드를 채우는 단계에서, 초음파를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 메탈 콜로이드를 채우는 단계에서, 스핀코팅을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.