KR101434318B1 - Method for manufacturing of nitride-based led - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법은, 질화물계 반도체 층의 TCO층 표면에 IZO층을 증착하는 단계; 질화물계 반도체 층의 상부에 산화아연을 나노물을 형성하기 위하여 표면처리하는 단계; 및 표면처리된 반도체 층의 표면에 산화아연으로 이루어진 나노물질을 형성하는 단계를 포함하여, Seed 층 없이 높은 밀도의 ZnO 나노구조를 성장할 수 있는 효과가 있고, 또한 90도 이하의 낮은 온도에서 ZnO 나노구조를 성장하므로 LED 열 충격 없이 성장이 가능하여 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.The method of manufacturing a nitride-based light emitting diode according to the present invention includes: depositing an IZO layer on a surface of a TCO layer of a nitride-based semiconductor layer; A step of surface-treating zinc oxide on the nitride-based semiconductor layer to form nanoparticles; And a step of forming a nanomaterial made of zinc oxide on the surface of the surface-treated semiconductor layer. The ZnO nanostructure can be grown at a high density without seeding layer, It is possible to grow the LED without thermal shock, thereby increasing the light extraction efficiency of the light emitting diode.
Description
본 발명은 질화물계 발광다이오드 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화아연 나노구조의 밀도를 높일 수 있는 TCO(transparent conductive oxide)층을 제작하고, TCO층의 아연 조성비를 제어하여 표면으로 갈수록 아연의 농도를 높여 고밀도의 산화아연 나노구조를 성장할 수 있도록 하여 발광 다이오드의 높은 광추출 효율을 얻을 수 있는 질화물계 발광다이오드 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a nitride-based light emitting diode, and more particularly, to a method for manufacturing a nitride-based light emitting diode, which comprises preparing a transparent conductive oxide (TCO) layer capable of increasing the density of zinc oxide nanostructures and controlling the zinc composition ratio of the TCO layer, The present invention relates to a method of manufacturing a nitride-based light emitting diode capable of obtaining a high light extraction efficiency of a light emitting diode by increasing the concentration of the zinc oxide nanostructure.
최근, 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 액정의 백라이트, 휴대폰, 옥외 전광판, 휴대폰, 자동차 등 실내,외 조명 등 많은 분야에서 적용되고 있고 그 적용영역도 확대일로에 있어, 활발히 연구되고 있다.In recent years, light emitting diodes (LEDs) are being applied in many fields such as liquid crystal backlights, mobile phones, outdoor display boards, mobile phones, automobiles, and indoor and outdoor lighting, and their applications are being actively studied.
특히, 밴드갭이 넓은 질화갈륨계 화합물 반도체로 제조된 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템에의 적용이 가능하여, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체조명(solid-state lighting)용 광원으로 사용될 것으로 기대되고 있다. In particular, a gallium nitride based light emitting diode made of a gallium nitride compound semiconductor having a wide bandgap has a high energy conversion efficiency, a long life, a high light directivity, a low voltage drive, a preheating time and a complicated drive circuit It can be applied to various types of high-quality lighting systems, and can be used as a light source for solid-state lighting to replace conventional light sources such as incandescent lamps, fluorescent lamps, and mercury lamps in the near future .
이러한 질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.The gallium nitride-based light emitting diode needs to be excellent in thermal stability in order to be used as a white light source in place of a conventional mercury lamp or fluorescent lamp, and to emit high output light even at low power consumption.
질화갈륨계 반도체는 대기와 큰 굴절률 차이를 나타내는데 이와 같은 큰 굴절률의 차이는 발광다이오드의 활성층 영역에서 방출된 빛이 외부로 빠져나가지 못하고 발광다이오드 내부에서 전반사되도록 하며, 전반사된 빛은 내부에서 재흡수되어 광 출력의 효율을 저하시키는 요인이 된다.The gallium nitride based semiconductor exhibits a large difference in refractive index between the atmosphere and the large difference in refractive index such that light emitted from the active layer region of the light emitting diode does not escape to the outside and is totally reflected within the light emitting diode, Which causes a decrease in efficiency of light output.
이러한 효율 저하의 문제를 해결하기 위해, 반도체층 표면에 반구형이나 피라미드형과 같은 나노 스케일의 패턴을 형성하여 전반사가 일어나는 것을 방지함으로써 활성층에서 발생한 빛이 최소한의 손실로 외부로 방출되도록 하는 방법이 알려져 있다.In order to solve such a problem of efficiency deterioration, a method of forming a nanoscale pattern such as hemispherical or pyramidal pattern on the surface of a semiconductor layer to prevent total reflection, thereby causing light generated in the active layer to be emitted to the outside with minimal loss have.
특히, 발광 다이오드 분야에서는 광 효율의 향상을 위해 칩 레벨에서 ITO에 표면 거칠기를 부여하는 방법이 제시되었으나, ITO의 상부에 형성되는 전극 패드와의 물리적 접합성과 재현성의 확보의 곤란함으로 인해 다소의 문제가 발생하고 있다. In particular, in the field of light emitting diodes, a method of imparting surface roughness to ITO at a chip level has been proposed in order to improve light efficiency. However, due to the difficulty in securing physical bonding and reproducibility with the electrode pad formed on the ITO, .
이를 해결하기 위해 산화아연을 수열합성법으로 ITO 표면에 성장하는 방법들 제시하고 있다. 하지만 ITO 표면에 고밀도의 산화하연 나노구조를 제작하기 위해 사용하는 Seed층의 낮은 결정도 때문에 단결정의 산화아연 나노막대에 의한 광 추출효율 증가율이 떨어지는 문제가 발생하고 있다.To solve this problem, zinc oxide is grown on the surface of ITO by hydrothermal synthesis. However, due to the low crystallinity of the Seed layer used to fabricate the high-density oxide bottom nano structure on the ITO surface, there is a problem that the rate of increase in the light extraction efficiency due to the single crystal zinc oxide nanorods is low.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 산화아연 나노구조의 밀도를 높일 수 있는 TCO(transparent conductive oxide)층을 제작하고, TCO층의 아연 조성비를 제어하여 표면으로 갈수록 아연의 농도를 높여 고밀도의 산화아연 나노구조를 성장할 수 있도록 하여 발광 다이오드의 높은 광추출 효율을 얻을 수 있는 질화물계 발광다이오드 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention proposes a method of fabricating a transparent conductive oxide (TCO) layer for increasing the density of zinc oxide nanostructures and controlling the zinc composition ratio of the TCO layer to increase the zinc concentration toward the surface, And a method of manufacturing a nitride-based light emitting diode capable of obtaining a high light extraction efficiency of a light emitting diode by allowing the zinc oxide nanostructure to grow.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법, 질화물계 반도체 층의 TCO층 표면에 IZO층을 증착하는 단계; 질화물계 반도체 층의 상부에 산화아연을 나노물을 형성하기 위하여 표면처리하는 단계; 및 표면처리된 반도체 층의 표면에 산화아연으로 이루어진 나노물질을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nitride-based light emitting diode, including: depositing an IZO layer on a surface of a TCO layer of a nitride-based semiconductor layer; A step of surface-treating zinc oxide on the nitride-based semiconductor layer to form nanoparticles; And forming a nanomaterial made of zinc oxide on the surface of the surface-treated semiconductor layer.
본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법은 Seed 층 없이 높은 밀도의 ZnO 나노구조를 성장할 수 있는 효과가 있고, 또한 90도 이하의 낮은 온도에서 ZnO 나노구조를 성장하므로 LED 열 충격 없이 성장이 가능하여 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.The method of manufacturing a nitride-based LED according to the present invention has the effect of growing a ZnO nanostructure having a high density without a Seed layer and growing a ZnO nanostructure at a temperature as low as 90 degrees or less, The light extraction efficiency of the light emitting diode can be increased.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법에 따른 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법에 의해 제조되는 발광다이오드를 설명하기 위한 IZO 층의 Zn의 조성비 제어모식도,
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법에 의해 ITO 층과 산화아연이 증착된 IZO층을 도시한 도면, 및
도 4는 ITO층 깊이별 아연(Zn)의 밀도와 인듐(In)의 밀도를 도시한 도면이다.
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nitride-based LED according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view for controlling the Zn composition ratio of the IZO layer for explaining the light emitting diode manufactured by the nitride-based light emitting diode manufacturing method according to the present invention,
FIG. 3 is a view showing an IZO layer on which an ITO layer and zinc oxide are deposited by a method of manufacturing a nitride-based light emitting diode according to the present invention, and FIG.
4 is a graph showing the density of zinc (Zn) and the density of indium (In) for each ITO layer depth.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concept of the term appropriately in order to describe its own invention in the best way. The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법에 따른 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nitride-based LED according to the present invention.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드 제조방법은 상부층인 IZO층을 증착하는 단계를 수행한다(S10).First, as shown in FIG. 1, a nitride-based light emitting diode manufacturing method according to the present invention performs a step of depositing an IZO layer as an upper layer (S10).
상기 'S10'단계에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 질화물계 발광다이오드의 하부의 사파이어 기판을 기준으로 적층되는 복수의 층 중, 상단부의 p-GaN층 표면에 TCO층을 형성시키기 위하여 IZO층을 증착하게 되는데, 상기 IZO 층의 증착시, 복수의 증착 타겟 재료를 사용하여 두 재료가 섞이는 성분 비율을 가변감쇄기를 사용하여 시간에 따라서 변할 수 있게 하는 PLD(Pulsed Laser Deposition)공법을 이용한다.2, in order to form a TCO layer on the upper surface of the p-GaN layer among a plurality of layers stacked on the sapphire substrate under the nitride-based LED, as shown in FIG. 2, an IZO layer A PLD (Pulsed Laser Deposition) method is used in which, when the IZO layer is deposited, a plurality of deposition target materials are used to change the ratio of components in which the two materials are mixed with each other using a variable attenuator.
이는, 종래의 수열합성법으로 ZnO 나노구조를 만들어 Seed층을 ITO 기판에 형성한 후, ZnO나노구조를 성장시키는 것이 일반적인데, 이때 Seed층의 낮은 결정도 때문에 단결정의 산화아연 나노막대에 의한 광 추출효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해서이다.It is common to form a ZnO nanostructure by a conventional hydrothermal synthesis method to form a Seed layer on an ITO substrate and then to grow a ZnO nanostructure. At this time, due to low crystallinity of the Seed layer, light extraction by a single crystal zinc oxide nanorod In order to solve the problem of low efficiency.
한편, 'S10'단계에서 상술한 바와 같이 PLD 공법으로 IZO 나노 구조를 성장시킴으로 인해, 도 3에 도시된 바와 같이 seed층 없이 IZO층에 높은 밀도의 ZnO나노구조를 형성할 수 있으며, 이를 통해 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.3, the ZnO nanostructure can be formed in the IZO layer without the seed layer by growing the IZO nanostructure by the PLD method as described above in the step S10. As a result, The light extraction efficiency of the diode can be increased.
여기서, 상기 산화아연 나노막대는 직경 10nm~20nm이고, 길이는 10nm~20nm인 것이 바람직하다.The zinc oxide nanorods preferably have a diameter of 10 nm to 20 nm and a length of 10 nm to 20 nm.
참고로, 도 3는 ITO 층과 산화아연이 증착된 IZO층을 도시한 도면이다. 3 is a view showing an IZO layer on which an ITO layer and zinc oxide are deposited.
또한, 'S10'단계에서 PLD 공법으로 IZO 나노 구조를 성장시킴으로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이 ITO 표면층에서는 아연(Zn)의 밀도가 높고, 인듐(In)의 밀도가 낮으며, 반대로, 내부층으로 들어갈수록 아연(Zn)의 밀도가 낮아지고, 인듐(In)의 밀도가 높아지게 된다.4, the density of zinc (Zn) is high and the density of indium (In) is low in the ITO surface layer. On the other hand, the density of indium (In) As the layer enters, the density of zinc (Zn) decreases and the density of indium (In) increases.
그래서 표면의 ZnO가 성장 할 수 있는 아연(Zn)의 핵성장 위치가 증가하여 ITO 표면층에 비해 높은 밀도의 ZnO 나노 구조가 성장된다.Therefore, the nucleation position of zinc (Zn) which can grow on the surface of ZnO is increased, and ZnO nanostructure having higher density than that of ITO surface layer is grown.
여기서, 도 4는 ITO층 깊이별 아연(Zn)의 밀도와 인듐(In)의 밀도를 도시한 도면이다.Here, FIG. 4 is a graph showing the density of zinc (Zn) and the density of indium (In) for each ITO layer depth.
상술한 PLD 공법에 대하여 설명하면, IZO 증착 시 PLD 장비를 이용하여 표면에 가까워질수록 Zn 조성비를 늘려 수열합성법을 이용하여 산화아연 나노구조가 성장될 수 있는 핵성장 밀도를 증가시키게 된다.The PLD method described above will increase the nucleation density of zinc oxide nanostructures by using hydrothermal synthesis method by increasing the Zn composition ratio as the surface is closer to the surface by PLD equipment in IZO deposition.
상술한 PLD 공정에서 ITO와 ZnO 타겟으로 들어가는 레이저 빔의 출력을 가변감쇄기를 사용하여 시간에 따라 각기 적절히 조절함으로써 증착되는 필름의 조성이 ITO에서 ZnO로 점진적으로 바뀌도록 증착할 수 있다. In the PLD process described above, the output of the laser beam entering the ITO and ZnO target can be appropriately controlled with time using a variable attenuator so that the composition of the deposited film is gradually changed from ITO to ZnO.
이때, 상기 ZnO 증착 시 챔버 내의 압력과 기판의 온도는 3 mTorr 와 23도로 맞춘 후 증착할 수 있다. At this time, when the ZnO is deposited, the pressure in the chamber and the temperature of the substrate can be adjusted to 3 mTorr and 23 degrees, respectively.
상기 'S10'단계 이후, 상기 'S10'단계에서 IZO 층이 증착된 질화물계 반도체 층의 상부에 산화아연 나노 구조물을 형성하기 위하여 표면처리 단계를 수행한다(S20).After step 'S10', the surface treatment step is performed to form a zinc oxide nanostructure on the nitride based semiconductor layer on which the IZO layer is deposited in step 'S10'.
상기 표면처리는 유기물을 제거한 시편을 UV/오존 클린너(wavelength: 256nm, 28mW/Cm2)로 10분간 이루어진다.The surface treatment is performed for 10 minutes using a UV / ozone cleaner (wavelength: 256 nm, 28 mW / cm 2 ) with the organic material removed.
상기 'S20'단계 이후, 상기 반도체층 표면에 산화아연(ZnO)으로 이루어진 나노물질을 형성하는 단계를 수행한다(S30).After the step 'S20', a step of forming a nanomaterial made of zinc oxide (ZnO) on the surface of the semiconductor layer is performed (S30).
즉, 상기 'S30'단계에서 발광소자를 오토클레이브에 투입하고 산화아연 형성용 수용액을 사용하여 수열합성법으로 상기 'S20'단계에서 표면처리된 질화물계 반도체층 표면에 산화아연으로 이루어진 나노 구조물을 형성하는 단계가 수행된다. That is, in step S30, the light emitting device is introduced into the autoclave and a nanostructure of zinc oxide is formed on the surface of the nitride-based semiconductor layer surface-treated in step S20 by hydrothermal synthesis using an aqueous solution for zinc oxide formation Is performed.
이때, 상기 오토클레이브의 산화아연 합성온도는 60℃~200℃인 것이 바람직하다.At this time, the zinc oxide synthesis temperature of the autoclave is preferably 60 ° C to 200 ° C.
또한, 상기 산화아연 형성용 수용액은 아연염과 헥사메틸렌테트라아민로 구성되는 것이 바람직한데, 여기서 상기 아연염과 헥사메틸렌테트라아민의 몰 비율은 2:1~1:2인 것을 특징으로 한다.The aqueous solution for zinc oxide formation is preferably composed of a zinc salt and hexamethylenetetramine, wherein the molar ratio of the zinc salt to hexamethylenetetramine is 2: 1 to 1: 2.
특히, 상기 아연염과 헥사메틸렌테트라아민 수용액의 몰 농도는 0.0001M~1M인 것이 바람직하다.In particular, the molar concentration of the zinc salt and the hexamethylenetetramine aqueous solution is preferably 0.0001M to 1M.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
Claims (6)
(b) 상기 IZO층 표면을 표면처리하는 단계; 및
(c) 표면 처리된 상기 IZO층의 표면에 산화아연(ZnO)으로 이루어진 나노물질을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
(a) depositing an IZO layer on the surface of the p-GaN layer to form a TCO layer on the nitride-based semiconductor layer;
(b) surface-treating the surface of the IZO layer; And
(c) forming a nanomaterial made of zinc oxide (ZnO) on the surface of the surface-treated IZO layer.
상기 `(a)`단계에서
상기 IZO층의 증착 시, 복수의 증착 타겟 재료가 섞이는 성분 비율이 필름의 두께 방향으로 점진적으로 변하게 하는 PLD (Pulsed Laser Deposition)공법을 사용하되, 타겟 재료들로 ITO와 ZnO를 이용함으로써 아연조성비가 제어되도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
The method according to claim 1,
In the `(a)` step
A PLD (Pulsed Laser Deposition) method is used in which the ratio of components in which a plurality of deposition target materials are mixed is gradually changed in the thickness direction of the film during the deposition of the IZO layer. By using ITO and ZnO as target materials, Wherein the nitride-based light-emitting diode is fabricated by a method comprising the steps of:
상기 `(a)`단계에서
상기 TCO층의 표면으로 갈수록 아연 조성비가 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
The method according to claim 1,
In the `(a)` step
Wherein the composition ratio of zinc is increased toward the surface of the TCO layer.
상기 `(b)`단계에서
상기 표면처리는 UV 또는 오존을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
The method according to claim 1,
In the `(b)` step
Wherein the surface treatment is performed using UV or ozone.
상기 `(c)`단계에서,
상기 표면처리된 반도체를 오토클레이브에 투입하고 산화아연 형성용 수용액을 사용하여 수열합성법으로 표면에 산화아연으로 이루어진 나노물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
The method according to claim 1,
In the `(c)` step,
Wherein the surface-treated semiconductor is put into an autoclave and a nanomaterial made of zinc oxide is formed on the surface by hydrothermal synthesis using an aqueous solution for zinc oxide formation.
상기 산화아연 형성용 수용액은 아연염과 헥사메틸렌테트라아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the aqueous solution for forming zinc oxide comprises a zinc salt and hexamethylenetetramine.
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2013
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