KR101428052B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 발광 구조물; 상기 발광 구조물에 형성된 제 1 및 제 2전극; 상기 발광 구조물 위에 전도성 고분자를 이용한 투명전극층을 포함한다.
LED, 반도체, 발광소자, 전도성 고분자, 투명전극층
Description
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다. 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
본 발명의 실시 예는 전도성 고분자로 투명전극층을 형성할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 전도성 고분자로 이루어진 투명전극층 위에 러프니스를 형성시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 발광 구조물; 상기 발광 구조물에 형성된 제 1 및 제 2전극; 상기 발광 구조물 위에 전도성 고분자를 이용한 투명전극층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 기판 위에 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2도전성 반도체층에서 제 1도전성 반도체층의 일부까지 메사 에칭하는 단계; 상기 제 2도전성 반도체층의 일측에 제 2전극을 형성하는 단계; 상기 제 2도전성 반도체층의 타측에 전도성 고분자를 이용한 투명전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 전도성 고분자를 이용하여 러프니스를 갖는 투명 전극층을 형성함으로써, 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 투명전극층을 전도성 고분자로 형성함으로써, 투명전극층의 제조 공정 에 걸리는 시간을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 금속 재질의 투명전극층에 비하여 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(112), 발광 구조물(115), 제 1 및 제 2전극(161,163), 전도성 고분자를 이용한 투명 전극층(150)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 필요에 따라 제거될 수도 있다.
상기 기판(110) 위에는 버퍼층(112)이 형성된다. 이러한 버퍼층(112)은 상기 기판(110)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등이 선택적으로 이용하여 소정 두께((예 ; 150~1000Å)로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(112) 위에는 언도프드 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층은 undoped GaN 등으로 구현될 수 있다. 상기 기판(110) 위에는 상기 버퍼층(112) 및 언도프드 반도체층(미도시) 중 적어도 하나의 층만 존재하거나, 또는 두 층 모두가 존재하지 않을 수도 있다.
상기 버퍼층(112) 위에는 발광 구조물(115)이 형성된다. 상기 발광 구조물(115)은 적어도 제 1도전성 반도체층(120), 활성층(130), 및 제 2도전성 반도체 층(140)을 포함한다. 이러한 발광 구조물(115)은 실시 예의 기술적 범위 내에서 p-n접합, n-p 접합, p-n-p 접합, n-p-n 접합 등으로 변경될 수 있고, 각 층의 위 또는 아래에 다른 물질층이 추가될 수 있으며, 이러한 요소들의 적층 구조로 한정하지는 않는다.
상기 제 1도전성 반도체층(120)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 물질로 구현될 수 있는 데, 예컨대 3족 원소와 5족 원소의 결합으로 이루어지는 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN 등에서 선택되는 n형 반도체층일 수 있으며, 상기 n형 반도체층에는 n형 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전성 반도체층(120) 위에는 상기 활성층(130)이 형성된다. 상기 활성층(130)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는다. 상기 활성층(130)의 위 또는/및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 클래드층은 AlGaN층으로 구현될 수 있다.
상기 활성층(130) 위에는 제 2도전성 반도체층(140)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(140)은 예컨대, p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg)가 도핑된다. 이러한 제 2도전성 반도체층(140) 위에는 제 3도전성 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있다.
상기 제 1도전성 반도체층(120)의 일측에는 제 1전극(161)이 형성되며, 상기 제 2도전성 반도체층(140) 위에는 제 2전극(163)이 형성된다.
상기 제 2도전성 반도체층(140) 위에는 투명 전극층(150)이 형성된다. 상기 투명전극층(150)은 전도성 폴리머와 같은 전도성 고분자로 형성된다. 여기서, 전도성 고분자(intrinsically conductive polymer)의 예로서, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(p-phenylene vinylene), thiophene(C4H4S)계 유도체(ex, 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT)) 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 전도성 폴리머에는 N형 또는 P형으로 도핑할 수 있는 도펀트를 첨가할 수 있다.
이러한 투명전극층(150)에 전도성 폴리머를 도포함으로써, 광투과성 특성을 갖고, 도 2 및 도 3과 같은 러프니스(152,154)가 형성된다. 도 2의 러프니스(152)는 표면에 일정한 주기(T)로 형성되거나, 도 3의 러프니스(154)는 투명 전극층 표면에 불규칙적인 크기 및 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 투명전극층(150)은 제 2전극(163) 영역에 국부적으로 집중되는 전자(electron)를 넓은 면적으로 퍼지게 하는 역할을 하게 된다. 즉, 활성층(130)에서 제 2전극(163) 방향으로 전자가 흘러가는 데, 이때 투명전극층(150)이 제 2전극(163)으로 직접 흘러가는 전자를 넓게 분산시켜 주어, 활성층의 발광 효율을 개선시켜 주게 된다.
도 4는 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 기판(110) 위에 버퍼층(112)을 형성하고, 상기 버퍼층(112) 위에 발광구조물(115)인 제 1도전성 반도체층(120), 활성층(130) 및 제 2도전성 반도체층(140)을 형성하게 된다(S101).
상기 제 2도전성 반도체층(140)의 일부 영역을 제 1도전성 반도체층(120)이 노출될 때까지 메사 에칭을 수행하게 된다(S102). 상기 노출된 제 1도전성 반도체 층(120) 위에 제 1전극(161)을 형성하고, 제 2도전성 반도체층(140) 위에 제 2전극(163)을 형성하게 된다(S103). 즉, 발광 구조물(115) 위에 전극(161,163)을 형성한 후 투명 전극층(150)을 형성하는 과정을 진행하게 된다.
이러한 발광 다이오드 칩 구조에 대해 후 처리 공정을 수행하여 개별 칩 크기로 가공하게 된다(S104). 여기서, 상기 후 처리 공정은 램핑(Lapping) 및 폴리싱(polishing) 공정을 통해 기판(110) 하부를 소정 두께로 연마하고, 스크라이빙(scribing) 및 브레이킹(breaking) 공정을 통해 기판(110)을 일정 칩 크기로 절단하게 된다.
상기 램핑(lapping)은 기판(110) 하부를 램핑 공정으로 깍아내고, 그 램핑된 면을 연마(polishing)하여 매끄럽게 만든다. 여기서, 상기 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), ICP/RIE 건식 식각, 사파이어(Al2O3) 가루를 이용한 기계적 연마 또는 산(HCl), 질산(HNO3), 염화갈륨(KOH), NaOH 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 및 알루에치(4H3PO4+4CH3COOH+HNO3+H2O) 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식 식각에 의하여 진행한다. 이때, 기판(110)의 두께는 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으나, 너무 얇으면 기판이 휠 염려가 있고 취급하기가 어려우므로 약 20um~400um(더욱, 바람직하게는 50um~150um) 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 스크라이빙 공정은 레이저 스크라이빙 공정 또는 팁(tip) 스크라이빙 공정으로 이용할 수 있으며, 칩의 기판부터 또는 칩의 제 2도전성 반도체층부 터 스크라이빙을 수행하게 된다. 이러한 후 처리 공정은 그 기술 범위내에서 변경 가능하며, 상기한 내용으로 한정하지는 않는다.
이러한 개별 발광 다이오드 칩의 제 2도전성 반도체층(140) 위에 전도성 고분자를 이용한 투명 전극층(150)을 형성하게 된다(S105). 이때 투명 전극층(150)은 제 2전극(163)이 형성되지 않는 영역에 러프니스하게 형성됨으로써, 광도를 향상시켜 줄 수 있다.
여기서, 상기와 같이 전극(161,163)을 형성한 후 투명전극층(150)을 형성하거나, 투명전극층(150)을 형성한 후 전극(161,163)을 형성할 수 있다. 상기 투명전극층(150)을 형성한 다음 전극(161,163)을 형성하는 경우 투명전극층(150)의 재질인 전도성 고분자의 중합 형태가 온도에 의해 변화되지 않는 범위 내에서 수행될 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 투명전극층의 형성 과정을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 전도성 폴리머 용액과 도펀트를 혼합하게 된다(S111). 여기서, 상기 전도성 폴리머의 용매는 전도성 폴리머를 용해시킬 수 있는 용매로서 화학식에 -OH기가 포함된 유기 용매를 이용하게 된다. 이러한 전도성 폴리머의 용해도에 따라 반응에 참여하는 고분자의 물질의 양이 달라지게 된다. 여기서, 상기 유기 용매는 전도성 폴리머 또는 도펀트를 용해할 수도 있다.
상기 도펀트는 폴리머 용액에 도핑 정도를 조절하는 물질로서, 그 도펀트에 의해 네거티브 또는 포지티브 도핑 용액으로 이용될 수 있다.
여기서, 폴리머 용액인 전도성 고분자의 예로서, Polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(p-phenylene vinylene), polythiophene(C4H4S)계 유도체(ex, 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT)) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 도펀트는 Iron-p-toluenesulfonate(Fe(0Ts)3) 및 iodine(I2) 중에서 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 유기 용매는 전도성 폴리머나 도펀트의 용해를 위해 사용되는 것으로서, -0H기가 포함된 용매를 이용하게 되는 데, 예를 들면, 하기 표1과 같다.
| Solvents | Chemical Formula |
Dielectric Constant |
Boiling Point (℃) |
Molecular Weight (g/mol) |
| Methanol | CH3OH | 32.6 | 65 | 32 |
| Ethanol | CH3CH2OH | 24.3 | 78 | 46.1 |
| n-Butanol | CH3(CH2)3OH | 7.8 | 118 | 74.1 |
| Hexanol | CH3(CH2)5OH | 13.3 | 154 | 102.2 |
| Acetone | CH3COCH3 | 20.7 | 56 | 58.1 |
| Methyl Ethyl Ketone | CH3CH2COCH3 | 18.4 | 80 | 72.1 |
상기 혼합된 재료를 잉크 제트 도팅(Ink zet dotting) 방식으로 제 2도전성 반도체층 위에 도포하여 준다(S113). 이후, 중합(polymerization)시켜 주게 된다(S115). 이때 중합 과정은 150~200℃ 이내에서 중합하게 되며, 이때 알코올 용매가 기화되면서 폴리머와 도펀트가 반응하여 중합체가 된다. 여기서, 중합 과정은 알코올 용매의 특성에 의해 변경될 수 있다.
이때, 상기 도펀트에 고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌(polyethylene)을 혼합하여 중합 반응의 반응기로 사용하여 중합 속도를 조절할 수도 있다. 이러한 도펀트에 혼합된 고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌은 임의적으로 러프니스를 생성하지 않더라도 투명전극층 표면에 러프니스를 생성시켜 줄 수 있다. 또한 상기에서는 잉크 제트 도팅 방식을 이용하였으나, 혼합된 용액을 프린팅 방식(예: 스크린 프린트 방식)을 이용하여 인쇄할 수도 있다.
그리고, 상기 중합 과정이 끝나면 반응에 참여하지 않은 도펀트를 DI 워터(deionized water)로 세정하여 제거하고(S117), 건조(Drying)시켜 준다(S119). 이에 따라 제 2도전성 반도체층(또는 제 3도전성 반도체층) 위의 제 2전극 영역을 제외한 표면에 투명전극층이 형성될 수 있다.
이와 같이, 전도성 고분자를 잉크 제트 도팅 방식으로 도포하여 투명전극층을 형성해 줌으로써, 러프니스를 동시에 형성할 수 있다. 또한 기존에 세라믹이나 금속을 사용하여 제조하는 것보다 제조 시간 및 이용 장비에 대한 손실을 제거할 수 있다. 또한 도핑 정도가 높은 전도성 고분자는 ITO와 같은 시트 저항을 가지므로, 상기 전도성 고분자로 형성되는 투명전극층은 국부적으로 입력되는 전자(Electron)를 넓은 면적으로 퍼지게 하여, ESD 내성이 개선될 수 있으며, 발광 효율을 개선시켜 주게 된다.
상기한 전도성 고분자로 이루어지는 투명전극층은 반도체 발광소자의 발광구조물의 위 또는 아래에 배치될 수 있으며, 이러한 위치에 대해 한정하지는 않는다. 또한 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 pn 접합 구조 또는 np 접합 구조, npn 또는 pnp 등의 구조로 형성할 수도 있다. 본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 투명전극층의 러프니스 예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 플로우 챠트.
도 5는 도 4의 투명전극층의 형성 과정을 나타낸 플로우 챠트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 발광소자 110 : 기판
112 : 버퍼층 115 : 발광 구조물
120 : 제 1도전성 반도체층 130 : 활성층
140 : 제 2도전성 반도체층 150 : 투명전극층
161 : 제 1전극 163 : 제 2전극
Claims (18)
- 복수의 반도체층을 포함하는 발광 구조물;상기 발광 구조물에 형성된 제 1 및 제 2전극; 및상기 발광 구조물 위에 전도성 고분자를 갖는 투명전극층을 포함하며,상기 전도성 고분자는 전도성 폴리머와 도펀트의 중합체를 포함하고,상기 도펀트는 Iron-p-toluenesulfonate(Fe(0Ts)3) 및 iodine(I2) 중에서 선택적으로 포함하고,상기 발광 구조물은 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하고,상기 제 2도전성 반도체층 위에는 제 2전극 및 투명 전극층이 배치되고,상기 투명전극층의 표면은 규칙적 또는 불규칙적인 패턴의 러프니스가 형성되고,상기 제 2전극은 상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 투명 전극층 중 적어도 하나의 층과 접촉하며 배치되는 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 전도성 폴리머는 Polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, PPV(poly(p-phenylene vinylene)), polythiophene(C4H4S)계 유도체 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 폴리머는 -OH기가 포함된 화학식을 갖는 유기 용매에 용해되며, 상기 유기 용매는 Methanol, Ethanol, n-Butanol, Hexanol, Acetone, Methyl Ethyl Ketone 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 도펀트에는 고밀도 또는 저밀도 폴리에틸렌을 포함하는 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,제1전극은 상기 제1도전성 반도체층 위에 배치되며,상기 투명 전극층은 상기 제 2전극으로 전달되는 전자를 분산시켜 주는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1도전성 반도체층은 n형 반도체층이며,상기 제2도전성 반도체층은 p형 반도체층인 반도체 발광소자.
- 기판 위에 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계;상기 제 2도전성 반도체층에서 제 1도전성 반도체층의 일부까지 메사 에칭하는 단계;상기 제 2도전성 반도체층의 일측에 제 2전극을 형성하는 단계;상기 제 2도전성 반도체층의 타측에 전도성 고분자를 이용한 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 투명전극층 형성 단계는, 전도성 폴리머 용액에 도펀트를 혼합하는 단계; 상기 도펀트가 첨가된 전도성 폴리머 용액을 제 2도전성 반도체층의 타측에 형성하는 단계; 상기 형성된 전도성 폴리머 용액을 중합 반응을 통해 전도성 폴리머와 도펀트를 중합시켜 주는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 투명전극층의 표면은 러프니스하게 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제13항에 있어서,상기 중합 반응이 끝나면 워싱액으로 상기 중합 반응에 참여하지 않는 도펀트를 제거하고, 건조시키는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제13항에 있어서,상기 도펀트에는 저밀도 또는 고밀도의 폴리에틸렌이 혼합되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제13항에 있어서,상기 도펀트가 첨가된 폴리머 용액은 잉크 제트 도팅 방식 또는 프린팅 방식으로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제13항에 있어서,상기 전도성 폴리머는 Polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, PPV(poly(p-phenylene vinylene)), polythiophene(C4H4S)계 유도체 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 도펀트는 Iron-p-toluenesulfonate(Fe(0Ts)3) 및 iodine(I2) 중에서 선택적으로 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제13항에 있어서,상기 전도성 폴리머 용액은 전도성 폴리머와 상기 전도성 폴리머의 용해를 위해 -OH기가 포함된 화학식을 갖는 유기 용매를 포함하며,상기 유기 용매는 Methanol, Ethanol, n-Butanol, Hexanol, Acetone, Methyl Ethyl Ketone 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
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