KR101576471B1 - 고출력 적색 발광다이오드의 제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력 적색 발광다이오드의 제작방법에 관한 것으로서, 나노 스케일로 표면 요철을 형성하여 광추출 효율을 증대시키는 적색 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 박막 상층에 유전체 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 유전체 마스크층 상층에 고분자층을 형성하는 단계와, 상기 고분자층 상층에 감광성 금속유기물 전구체층을 형성하는 단계와, Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 준비하는 단계와, 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프로 가압하고, 빛 조사 또는 가열 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 경화하여 금속산화박막패턴층을 형성하는 단계와, 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 상기 금속산화박막패턴층으로부터 제거하는 단계와, 상기 금속산화박막패턴층, 고분자층 및 유전체 마스크층을 건식식각마스크로 이용하여 상기 박막을 건식식각하는 단계와, 잔류된 유전체 마스크층을 제거하는 단계 및 상기 제거된 유전체 마스크층 영역 일부에 리프트오프 공정에 의해 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해, 적색 발광다이오드의 제조시 나노임프린트 공정과 건식식각을 이용하여 박막의 표면에 대면적의 균일한 표면요철을 형성하여 나노러프닝(nano-roughening)을 유도하여 광추출 효율이 향상된 적색 발광다이오드를 제공하는 이점이 있다.

Description

고출력 적색 발광다이오드의 제작방법{manufacturing method of high power Red Light-Emitting Diodes}
본 발명은 고출력 적색 발광다이오드의 제작방법에 관한 것으로서, 특히 적색 발광다이오드의 제조시 나노임프린트 공정과 건식식각을 이용하여 박막의 표면에 대면적의 균일한 표면요철을 형성하여 나노러프닝(nano-roughening)을 유도하여 적색 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키기 위한 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
최근 발광 빛의 발광 효율이 좋고, 소비전력이 적으며, 램프 수명이 긴 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)에 대한 관심이 증가하고 있다.
일반적으로 발광다이오드는 광 추출 효율을 증가시키기 위해 PSS(Patterned Sapphire Substrate) 표면가공기술, p-GaN Roughess 성장기술, PBG(Photonic Band Gap) 기술, 수직형 구조를 통한 전류 확산 개선, 발광다이오드 소자 하부에 반사막 삽입, 발광다이오드 소자 표면의 요철화 등과 같은 기술이 연구되어 지고 있다
본 발명은 광 추출 효율을 향상시키고자 발광다이오드 소자 표면의 요철화에 대한 것으로서, 습식 식각, 포토레지스트(Photoresist) 또는 건식식각을 통해 발광다이오드 소자 최상부 층에 요철 패턴을 형성하는 기술이 있다.
한국등록특허 제 10-0735488호는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판 상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층, 요철 형성층을 순서대로 형성하고, 감광막 패턴을 식각 마스크로 요철 형성층을 선택적으로 습식 식각하여, p형 질화갈륨층 상에 표면 요철을 형성하는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것이나, n-AlGaInP 또는 p-AlGaInP 반도체층의 극성과 결정면에 따른 에치-레이트(etch-rate) 차이에 의해 요철 구조가 기울어져 형성되어 광 추출 효율이 그다지 개선되지 않은 단점이 있다.
또한, 습식 식각용액으로 HCl, H3PO4, H2O2, NH4OH, H2O 중 어느 하나 이상을 혼합하여 AlGaInP층의 러프닝(roughening)을 하고 있으나, 에칭되는 영역이 랜덤(random)한 형태로 분포하여, 박막 전체에 균일하게 러프닝이 이루어지지 않아 광 추출 효율이 떨어지며, 재현성이 낮은 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 "임프린트 스탬프를 이용한 발광다이오드 소자의 제조 방법"(등록번호 10-1294000)에 대한 기술을 출원한 바 있다.
이는 기판 또는 박막 상면에 임프린트 레진층(Imprint resin)을 형성하고, 임프린트 레진층을 다각뿔 또는 원뿔 중 어느 하나의 형태로 형성된 나노 요철 패턴을 포함하는 임프린트 스탬프(Imprint stemp)로 가압 및 건식식각하고, n형 반도체층 또는 p형 반도체층 상부에 다각뿔 또는 원뿔 중 어느 하나의 형태를 포함하는 나노요철 패턴을 형성하여, 광 추출 효율을 증가시키고자 하는 기술이다.
그러나, 상기 종래 기술은 건식식각 마스크층으로 임프린트 레진층을 사용하므로, 식각 선택비가 낮고 균일한 러프닝이 되지 않아 광 추출 효율의 개선에 미흡하다.
본 발명은 상기 필요성에 의해 도출된 것으로서, 적색 발광다이오드의 제조시 나노임프린트 공정과 건식식각을 이용하여 박막의 표면에 대면적의 균일한 표면요철을 형성하여 나노러프닝(nano-roughening)을 유도하여 적색 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키기 위한 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 나노 스케일로 표면 요철을 형성하여 광추출 효율을 증대시키는 적색 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 박막 상층에 유전체 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 유전체 마스크층 상층에 고분자층을 형성하는 단계와, 상기 고분자층 상층에 감광성 금속유기물 전구체층을 형성하는 단계와, Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 준비하는 단계와, 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프로 가압하고, 빛 조사 또는 가열 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 경화하여 금속산화박막패턴층을 형성하는 단계와, 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 상기 금속산화박막패턴층으로부터 제거하는 단계와, 상기 금속산화박막패턴층, 고분자층 및 유전체 마스크층을 건식식각마스크로 이용하여 상기 박막을 건식식각하는 단계와, 잔류된 유전체 마스크층을 제거하는 단계 및 상기 제거된 유전체 마스크층 영역 일부에 리프트오프 공정에 의해 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
여기에서, 유전체 마스크층을 형성하는 단계는, 상기 유전체 마스크층 상층에 포토리소그래피와 건식식각 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층에 마이크로패턴을 형성하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 유전체 마스크층을 형성하는 단계는, 상기 박막 상층에 포토리소그래피에 의한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 그 상층에 유전체 마스크층의 증착 후 포토레지스트 패턴을 제거를 통한 리프트오프 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층에 마이크로패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 박막은 n-AlGaInP, p-AlGaInP, n-AlInP, p-AlInP, n-GaInP, p-GaInP, n-GaP 및 p-GaP 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 유전체 마스크층은, SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자층은, PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PVA(Polyvinyl Alcohol), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Polyether, Polyimide 및 LOR(Lift-Off Resist) 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속유기물 전구체를 구성하는 금속 원소는, 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si), 인듐(In), 황(S), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 스칸듐(Sc), 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 비소(As), 셀레늄(Se), 루비듐(Rb), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 가돌리늄(Gd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 납(Pb), 비스무스(Bi), 폴로늄(Po) 및 우라늄(U)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속유기물 전구체를 구성하는 유기물 리간드는, 에틸헥사노에이트(ethylhexanoate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 디알킬디티오카바메이트(dialkyldithiocarbamates), 카르복실산(carboxylic acids), 카르복실레이트(carboxylates), 피리딘(pyridine), 디아민(diamines), 아르신(arsines), 디아르신(diarsines), 포스핀(phosphines), 디포스핀(diphosphines), 부톡사이드(butoxide), 이소프로팍사이드(isopropoxide), 에톡사이드(ethoxide), 클로라이드(chloride), 아세테이트(acetate), 카르보닐(carbonyl), 카르보네이트(carbonate), 하이드록사이드(hydroxide), 아레네스(arenas), 베타-디케토네이트(beta-diketonate), 2-니트로벤잘디하이드(2-nitrobenzaldehyde), 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate), 모노에탄올라민 (Monoethanolamine) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
또한, 상기 금속유기물 전구체 조성물은 용매로서 헥산, 4-메틸-2-펜타논(4-methyl-2-pentanone), 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), N-메틸피롤리돈, 아세톤, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 테칸, 노난, 옥탄, 헵탄, 펜탄 및 2-메톡시에탄올(e-methoxyethanol)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이다.
한편, 상기 금속유기물 전구체층에 빛 조사시 조사 시간은 1초 내지 5시간인 것이 바람직하며, 상기 금속유기물 전구체층 가열시 가열 온도는 30℃ 내지 300℃이며, 가열 시간은 1초 내지 5시간인 것이 바람직하다.
또한, 상기 건식식각은, BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용하며, 상기 가스에 N2, Ar 및 He 중에서 선택되는 적어도 하나의 불활성 가스를 더 포함시켜 사용하는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 적색 발광다이오드의 제조시 나노임프린트 공정과 건식식각을 이용하여 박막의 표면에 대면적의 균일한 표면요철을 형성하여 나노러프닝(nano-roughening)을 유도하여 광추출 효율이 향상된 적색 발광다이오드를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 적색 발광다이오드의 제작방법에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 n-AlGaInP 층이 나노러프닝(nano-roughening)된 적색 발광다이오드(red-LED) 구조의 모식도 및 SEM 사진을 나타낸 도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 감광성 금속유기물 전구체층을 사용한 나노임프린트 패턴에 대한 SEM 사진을 나타낸 도.
도 4 - 종래의 습식식각에 의해 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드의 구조 모식도(WET-LED).
도 5 - 종래 기술(FLAT-LED(n-AlGaInP 층을 러프닝하지 않은 적색 발광다이오드), WET-LED(도 4의 습식식각에 의한 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드)) 및 본 발명의 일실시예(DRY3-LED)에 대한 2인치 웨이퍼 스케일의 광출력 맵핑(mapping) 결과 및 히스토그램 그래프(histogram graphs)를 나타낸 도.
본 발명은 적색 발광다이오드의 제조시 나노임프린트 공정과 건식식각을 이용하여 박막의 표면에 대면적의 균일한 표면요철을 형성하여 나노스케일의 러프닝(roughening)을 유도하여 적색 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키기 위한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적색 발광다이오드의 제작방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법은, 나노 스케일로 표면 요철을 형성하여 광추출 효율을 증대시키는 적색 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 박막(10) 상층에 유전체 마스크층(100)을 형성하고, 상기 유전체 마스크층(100) 상층에 고분자층(200)을 형성하고, 상기 고분자층(200) 상층에 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 형성하고, Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)를 준비한 후, 상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)로 가압하고, 빛 조사 또는 가열 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 경화하여 금속산화박막패턴층(500)을 형성하고, 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)를 상기 금속산화박막패턴층(500)으로부터 제거하고, 상기 금속산화박막패턴층(500), 고분자층(200) 및 유전체 마스크층(100)을 건식식각마스크로 이용하여 상기 박막(10)을 건식식각하고, 잔류된 유전체 마스크층(100)을 제거한 후, 상기 제거된 유전체 마스크층(100) 영역 일부에 리프트오프 공정에 의해 전극(600) 패턴을 형성하는 과정으로 크게 이루어진다.
상기 박막(10)은, n-AlGaInP, p-AlGaInP, n-AlInP, p-AlInP, n-GaInP, p-GaInP, n-GaP 및 p-GaP 중 어느 하나를 사용하며, 이는 적색 발광다이오드 제조를 위한 것이다.
그리고, 상기 유전체 마스크층(100)은, 유전체 마스크층(100)이 상기 박막(10)과 고분자층(200) 사이에 형성됨으로써, 건식식각을 이용하여 상기 박막(10) 상면에 요철 패턴을 형성할 때, 에치-레이트를 조절하여 요철의 모양을 조절할 수 있도록 하는 역할을 하게 되며, SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나를 사용한다.
또한, 상기 유전체 마스크층(100)에 마이크로패턴(110)을 형성할 수 있는데, 상기 유전체 마스크층(100) 상층에 포토리소그래피와 건식식각 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층(100)에 마이크로패턴(110)을 형성하거나, 포토리소그래피에 의한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 그 상층에 유전체 마스크층(100)의 증착 후 포토레지스트 패턴을 제거를 통한 리프트오프 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층(100)에 마이크로패턴(110)을 형성하여 다음 공정인 고분자층(200)을 형성할 수도 있다.
상기 유전체 마스크층(100)에 마이크로패턴(110)의 형성은 상기 박막(10)의 건식식각 공정시 n-metal 패시베이션(passivation) 형성을 위한 것으로서, 전극(600)이 형성되게 된다.
그리고, 상기 고분자층(200)은 상기 유전체 마스크층(100)과 후술할 감광성 금속유기물 전구체층(300) 사이에 형성되어, 감광성 금속유기물 전구체층(300)의 코팅성 및 도막성을 향상시키고, 후술할 건식 식각에 대한 에칭 저항성이 있어 나노임프린트 패턴의 정밀성을 형상시키게 된다.
상기 고분자층(200)은, PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PVA(Polyvinyl Alcohol), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), BMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Polyether, Polyimide 및 LOR(Lift-Off Resist) 중 어느 하나를 사용한다.
그리고, 상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)은 상기 고분자층(200) 상층에 형성되는 것으로서, 이는 건식식각 가스에 대한 건식 식각시 에칭 저항성이 우수한 것을 사용하며, 에칭 선택비를 크게 할 수 있어, 패턴에 따른 에칭을 용이하게 한다.
상기 금속유기물 전구체를 구성하는 금속 원소는, 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si), 인듐(In), 황(S), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 스칸듐(Sc), 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 비소(As), 셀레늄(Se), 루비듐(Rb), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 가돌리늄(Gd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 납(Pb), 비스무스(Bi), 폴로늄(Po) 및 우라늄(U)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 사용한다.
또한, 상기 금속유기물 전구체를 구성하는 유기물 리간드는, 에틸헥사노에이트(ethylhexanoate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 디알킬디티오카바메이트(dialkyldithiocarbamates), 카르복실산(carboxylic acids), 카르복실레이트(carboxylates), 피리딘(pyridine), 디아민(diamines), 아르신(arsines), 디아르신(diarsines), 포스핀(phosphines), 디포스핀(diphosphines), 부톡사이드(butoxide), 이소프로팍사이드(isopropoxide), 에톡사이드(ethoxide), 클로라이드(chloride), 아세테이트(acetate), 카르보닐(carbonyl), 카르보네이트(carbonate), 하이드록사이드(hydroxide), 아레네스(arenas), 베타-디케토네이트(beta-diketonate), 2-니트로벤잘디하이드(2-nitrobenzaldehyde), 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate), 모노에탄올라민 (Monoethanolamine) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택하여 사용한다.
또한, 상기 금속유기물 전구체 조성물은 용매로서 헥산, 4-메틸-2-펜타논(4-methyl-2-pentanone), 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), N-메틸피롤리돈, 아세톤, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 테칸, 노난, 옥탄, 헵탄, 펜탄 및 2-메톡시에탄올(e-methoxyethanol)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 사용한다.
그리고, Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)를 준비하여 상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 가압하고, 빛 조사 또는 가열 방법 중 어느 하나 또는 이들을 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 경화하여 금속산화박막패턴층을 형성하게 된다.
상기 감광성 금속유기물 전구체층(300)에 빛(자외선) 조사시 조사 시간은 1초 내지 5시간인 것이 바람직하며, 상기 감광성 금속유기물 전구체층 가열시 가열 온도는 30℃ 내지 300℃이며, 가열 시간은 1초 내지 5시간인 것이 바람직하다.
이보다 낮은 수치에서는 경화가 제대로 되지 않으며, 이보다 높은 수치에서는 경화가 이미 완료되어 의미가 없다.
다음으로 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)를 상기 금속산화박막패턴으로부터 제거하고, 상기 금속산화박막패턴층(500), 고분자층(200) 및 유전체 마스크층(100)을 건식식각마스크로 이용하여 상기 박막(10)을 건식식각하게 된다.
상기 건식식각은, BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용한 건식식각을 수행하며, 상기 가스에 N2, Ar 및 He 중에서 선택되는 적어도 하나의 불활성 가스를 더 포함시켜 사용하는 것이 바람직하다.
그 후, 잔류된 유전체 마스크층(100)을 제거하고, 상기 제거된 유전체 마스크층(100) 영역 일부에 리프트오프 공정에 의해 전극(600) 패턴을 형성하게 된다. 여기에서, 상기 유전체 마스크층(100)에 마이크로 패턴을 미리 형성한 경우에는 이 영역에 전극(600)이 형성되게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적색 발광다이오드의 제작방법에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 n-AlGaInP 층이 나노러프닝(nano-roughening)된 적색 발광다이오드(red-LED) 구조의 모식도 및 SEM 사진을 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 사용한 나노임프린트 패턴에 대한 SEM 사진을 나타낸 것이고, 도 4는 종래의 습식식각에 의해 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드의 구조 모식도(WET-LED)를 나타낸 것이며, 도 5는 종래 기술(FLAT-LED(n-AlGaInP 층을 러프닝하지 않은 적색 발광다이오드), WET-LED(도 4의 습식식각에 의한 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드)) 및 본 발명의 일실시예(DRY3-LED)에 대한 2인치 웨이퍼 스케일의 광출력 맵핑(mapping) 결과 및 히스토그램 그래프(histogram graphs)를 나타낸 것이다.
본 발명의 일실시예로 상기 박막(10)은, 적색 발광 다이오드 제작을 위한 것으로서, 80nm-thick n+GaAs/300nm-thick n-AlGaInP/500nm-thick n-AlInP/700nm-thick multiquantum well/200nm-thick un-AlInP/550nm-thick p-AlInP/100nm-thick p-AlGaInP/10nm-thick p-GaInP/5000nm-thick p-GaP/100nm-thick p++GaP/500nm-thick Au-In bonding layer/Si substrate을 사용하였다.
구체적으로는, 상기 박막(10) 상층에 포토리소그래피를 이용하여 마이크로패턴된 포토레지스트를 형성하며, PECVD 방식으로 300nm-thick SiO2를 증착한후, 패턴된 포토레지스트를 제거함으로써 리프트오프(lift-off) 공정에 의하여 마이크로패턴(110)이 형성된 SiO2층을 형성한다. 마이크로패턴(110)된 SiO2층은 상술한 바와 같이 n-AlGaInP 건식식각 공정시 n-metal 패시베이션 형성을 위한 것이다.
그리고, 마이크로패턴(110)된 SiO2층 상단에 PECVD 방식으로, 추가로 SiO2층을 200nm 증착하며 PMMA를 200nm 증착한다. 이후 나노임프린트 공정으로 PMMA 상층에 감광성 금속유기물 전구체층(300)을 사용하여 나노임프린트 패턴을 형성하며 건식식각 공정을 통하여 PMMA층, SiO2층, n+-GaAs층, 및 n-AlGaInP층의 식각을 진행한다.
이후 잔류된 SiO2층을 제거하며, 리프트오프 공정을 통하여 제거된 SiO2층 영역 일부에 n-metal 전극(600)인 AuGe/Au 패턴을 형성하게 된다. 즉, n-metal 전극(600)인 AuGe/Au 패턴은 n+-GaAs층 상에 형성된다.
여기에서, 상기 유전체마스크층(SiO2층)에 미리 마이크로패턴(110)을 형성시킨 경우에는, n-metal 전극(600)인 AuGe/Au 패턴이 상기 마이크로패턴(110) 영역에 형성되게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 n-AlGaInP 층이 나노러프닝(nano-roughening)된 적색 발광다이오드(red-LED) 구조의 모식도 및 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 나노스캐일의 건식식각 패턴이 형성되었으며, 인접하는 나노패턴(요철 패턴) 간의 각도가 60°를 이루어, 나노패턴의 모양이 상기 박막(10)에 대해 수직으로 형성되어 에치-레이트에 영향을 받지 않았음을 확인할 수 있었다.
이는 광자가 상기 박막(10)에 입사되는 각도와, 입사 후 반사되는 각도가 임계각보다 증가하게 되어, 나노패턴을 통해 공기층으로 방출되는 광자가 증가하게 되므로 발광다이오드 소자의 광 추출 효율을 더욱 향상시키게 되는 것이다.
한편, Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프(400)는 실리콘 마스터 스탬프(0.3㎛ Hole 선폭 및 200nm Hole depth를 가진 Hole-type Si Stamp) 상단에 PFPE 레진을 적하 시키며 PET (polyethylene-terephthalate) 기판을 압착시킨 후, 자외선을 3분 조사하여 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 제작하였다.
삭제
또한, 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 사용한 실시예 도면 3 (b)의 경우, 감광성 Ti-유기물 전구체 용액을 합성하기 위하여 티타늄(VI)(n-부톡사이드)2(2-에틸헥사노에이트)2[Ti(VI)(n-butoxide)2(2-ethylhexanoate)2, 합성] 1.0000g과 헥산(Hexane, Aldrich Co., 미국) 5.000g을 투입하여 혼합하고 24시간 동안 교반시켜서 0.27 몰농도의 TiO2 졸을 제조하였다. 여기서, 티타늄(VI)(노말-부톡사이드)2(2-에틸헥사노에이트)2[Ti(VI)(n-butoxide)2(2-ethylhexanoate)2]를 합성하기 위해서 티타늄(VI)(노말-부톡사이트)[Ti(VI)(n-butoxide)4, Aldrich Co., 미국] 10.5266g, 2-에틸헥사노닉 엑시드[2-ethylhexanoic acid, Aldrich Co., 미국] 8.7400g, 헥산을 15.000g을 둥근 플라스크에 넣고 로타리 휘발기(rotary evaporator)를 사용하여 72시간 동안 증발 및 응축시켜서 티타늄(VI)(노말-부톡사이드)2(2-에틸헥사노에이트)2를 합성하였다. 합성된 감광성 Ti-유기물 전구체 용액을 상기 마이크로패턴(110)된 SiO2 층(도면 1 (b)) 상단에 3,000rpm의 조건으로 스핀 코팅한 후 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 압착한 후, 20분동안 자외선을 조사한 뒤 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 제거함으로써 마이크로 패턴된 SiO2층(도면 1 (b)) 상층에 티타늄 산화박막패턴층(500)을 형성하였다(도 3 (b)).
다양한 자외선 감광성 금속유기물 전구체를 사용한 실시예 도 3 (c)의 경우, 감광성 Sn-유기물 전구체 용액을 합성하기 위하여 틴(VI) 2-에틸헥사노에이트[Sn(II) 2-ethylhexanoate, Alfa Aesar Co., 미국] 1.0000g과 헥산(Hexanes, Aldrich Co., 미국] 6.000g을 투입하여 혼합하고 24시간 동안 교반시켜서 0.21 몰농도의 SnO2 졸을 제조하였다. 합성된 감광성 Sn-유기물 전구체 용액을 상기 마이크로패턴(110)된 SiO2 층(도면 1 (b)) 상층에 3,000rpm의 조건으로 스핀 코팅한 후 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 압착한 후, 30분동안 자외선을 조사한 뒤 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 제거함으로써 마이크로패턴(110)된 SiO2층(도면 1 (b)) 상층에 주석 산화박막패턴층(500)을 형성하였다(도 3 (c)).
다양한 자외선 감광성 금속유기물 전구체를 사용한 실시예 도 3 (d)의 경우, 감광성 Zr-유기물 전구체 용액을 합성하기 위하여 지르코늄(VI) 2-에틸헥사노에이트[Zr(VI) 2-ethylhexanoate, Strem Co., 미국] 1.6893g과 헥산(Hexanes, Aldrich Co., 미국] 10.6749g을 투입하여 혼합하고 24시간 동안 교반시켜서 0.063 몰농도의 ZrO2 졸을 제조하였다. 합성된 감광성 Zr-유기물 전구체 용액을 상기 마이크로패턴(110)된 SiO2층(도면 1 (b)) 상층에 3,000rpm의 조건으로 스핀 코팅한 후 상기 illar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 압착한 후, 40분동안 자외선을 조사한 뒤 Pillar-type 패턴이 형성된 PFPE 나노임프린트용 스탬프(400)를 제거함으로써 마이크로패턴(110)된 SiO2 (도 1 (b)) 상층에 지르코늄 산화박막패턴층(500)을 형성하였다(도 3 (d)).
도 4는 종래의 습식식각에 의해 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드의 구조 모식도(WET-LED)를 나타낸 것이고, 도 5는 종래 기술(FLAT-LED(n-AlGaInP 층을 러프닝하지 않은 적색 발광다이오드), WET-LED(도 4의 습식식각에 의한 n-AlGaInP 층이 러프닝된 적색 발광다이오드)) 및 본 발명의 일실시예(DRY3-LED)에 대한 2인치 웨이퍼 스케일의 광출력 맵핑(mapping) 결과 및 히스토그램 그래프(histogram graphs)를 나타낸 것이다.
도 4는 80nm-thick n+GaAs/300nm-thick n-AlGaInP/500nm-thick n-AlInP/700nm-thick multiquantum well/200nm-thick un-AlInP/550nm-thick p-AlInP/100nm-thick p-AlGaInP/10nm-thick p-GaInP/5000nm-thick p-GaP/100nm-thick p++GaP/500nm-thick Au-In bonding layer/Si substrate 상단에 포토리소그래피를 이용하여 마이크로 패턴된 포토레지스트를 형성하며, PECVD 방식으로 300nm-thick SiO2를 증착한후, 패턴된 포토레지스트를 제거함으로써 리프트오프 공정에 의하여 패턴된 SiO2층을 형성한다. 습식식각을 위하여 H3PO4 : HCl : H2O = 5: 1 : 2 비율로 된 용액에 5분간 담그어 n+- GaAs 층 제거 및 n-AlGaInP 층을 습식식각(wet roughening) 한다. 이후, 잔류된 SiO2층을 제거하고, 리프트오프 공정을 통하여 n-metal 전극(600)인 AuGe/Au 패턴을 형성한다(도 4).
도 5 c에 도시된 바와 같이, 나노임프린트 공정과 건식식각 공정을 수행한 본 발명(DRY-LED)의 경우 2인치 웨이퍼 전체적으로 균일한 고출력 LED의 제조가 가능함을 알 수 있으며, WET-LED(도 5 b)의 경우 n-AlGaInP의 습식식각시 불균일한 특성으로 인하여 낮은 광출력을 보임을 알 수 있다. 2인치 웨이퍼 스케일로 모든 칩에 대한 광출력 값 평균은 도 5 d에 나타냈으며, FLAT-LED의 경우 102mW이며, WET-LED 는 140mW 이며, DRY-LED의 경우 172mW로 측정되었다.
또한, 2인치 웨이퍼에 있는 모든 칩에 대한 평균 광출력의 경우 DRY-LED는 WET-LED에 비해서 22.8 % 증가 및 FLAT-LED에 비해서는 68.6%가 증가하는 등 본 발명에 따른 나노임프린트 공정과 건식식각 공정을 수행한 DRY-LED의 경우 고출력 적색 발광다이오드의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.
10 : 박막 100 : 유전체 마스크층
110 : 마이크로패턴 200 : 고분자층
300 : 감광성 금속유기물 전구체층
400 : Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프
500 : 금속산화박막패턴층
600 : 전극

Claims (13)

  1. 나노 스케일로 표면 요철을 형성하여 광추출 효율을 증대시키는 적색 발광다이오드의 제조방법에 있어서,
    박막 상층에 유전체 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 유전체 마스크층 상층에 고분자층을 형성하는 단계;
    상기 고분자층 상층에 감광성 금속유기물 전구체층을 형성하는 단계;
    Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 준비하는 단계;
    상기 감광성 금속유기물 전구체층을 상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프로 가압하고, 빛 조사 또는 가열 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속유기물 전구체층을 경화하여 금속산화박막패턴층을 형성하는 단계;
    상기 Pillar-type 패턴이 형성된 나노임프린트용 스탬프를 상기 금속산화박막패턴층으로부터 제거하는 단계;
    상기 금속산화박막패턴층, 고분자층 및 유전체 마스크층을 건식식각마스크로 이용하여 상기 박막을 건식식각하여 박막 상에 기판에 대해 수직이고, 인접하는 패턴 간의 각도가 60°를 이루는 건식식각 패턴을 형성하는 단계;
    잔류된 유전체 마스크층을 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 유전체 마스크층을 형성하는 단계는,
    상기 유전체 마스크층 상층에 포토리소그래피와 건식식각 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층에 마이크로패턴을 형성하거나, 상기 박막 상층에 포토리소그래피에 의한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 그 상층에 유전체 마스크층의 증착 후 포토레지스트 패턴의 제거를 통한 리프트오프 공정을 통하여 상기 유전체 마스크층에 마이크로패턴을 형성하며,
    상기 마이크로패턴 상에 리프트오프 공정에 의해 전극 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 박막은 n-AlGaInP, p-AlGaInP, n-AlInP, p-AlInP, n-GaInP, p-GaInP, n-GaP 및 p-GaP 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 마스크층은,
    SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고분자층은,
    PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PVA(Polyvinyl Alcohol), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Polyether, Polyimide 및 LOR(Lift-Off Resist) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 금속유기물 전구체를 구성하는 금속 원소는,
    리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si), 인듐(In), 황(S), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 스칸듐(Sc), 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 비소(As), 셀레늄(Se), 루비듐(Rb), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 가돌리늄(Gd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 납(Pb), 비스무스(Bi), 폴로늄(Po) 및 우라늄(U)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 금속유기물 전구체를 구성하는 유기물 리간드는,
    에틸헥사노에이트(ethylhexanoate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 디알킬디티오카바메이트(dialkyldithiocarbamates), 카르복실산(carboxylic acids), 카르복실레이트(carboxylates), 피리딘(pyridine), 디아민(diamines), 아르신(arsines), 디아르신(diarsines), 포스핀(phosphines), 디포스핀(diphosphines), 부톡사이드(butoxide), 이소프로팍사이드(isopropoxide), 에톡사이드(ethoxide), 클로라이드(chloride), 아세테이트(acetate), 카르보닐(carbonyl), 카르보네이트(carbonate), 하이드록사이드(hydroxide), 아레네스(arenas), 베타-디케토네이트(beta-diketonate), 2-니트로벤잘디하이드(2-nitrobenzaldehyde), 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate), 모노에탄올라민 (Monoethanolamine) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 금속유기물 전구체 조성물은 용매로서 헥산, 4-메틸-2-펜타논(4-methyl-2-pentanone), 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), N-메틸피롤리돈, 아세톤, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 테칸, 노난, 옥탄, 헵탄, 펜탄 및 2-메톡시에탄올(e-methoxyethanol)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속유기물 전구체층에 빛 조사시 조사 시간은 1초 내지 5시간인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 금속유기물 전구체층 가열시 가열 온도는 30℃ 내지 300℃이며, 가열 시간은 1초 내지 5시간인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 건식식각은,
    BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용한 건식식각인 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 가스에 N2, Ar 및 He 중에서 선택되는 적어도 하나의 불활성 가스를 더 포함시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 적색 발광다이오드의 제조방법.
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