KR101766588B1 - 수직형 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직형 발광다이오드 소자, 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 수직형 발광다이오드 소자는, p 전극으로 동작하는 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 배치된 p형 GaN층; 상기 p형 GaN층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 n형 GaN층; 상기 n형 GaN층 상에 배치되는 n 전극 패턴; 상기 n형 GaN층에 형성된 복수의 홀들을 채우는 금속산화물 구조체; 및 상기 홀들의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층을 포함할 수 있다.

Description

수직형 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 {Vertical Light Emitting Diode Device And Fabrication Method Of The Same}
본 발명은 수직형 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, n형 GaN층에 소정의 홀들을 형성하고, 상기 홀들의 내벽에 금속, 금속 합금 혹은 유전체 물질인 측벽을 형성하고, 상기 홀들의 하부면에 금속산화물 구조체를 성장시킨 수직형 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
이에 따라, n형 GaN층과 공기의 경계에서 내부로 전반사(Total reflection)되는 빛은 금속산화물 구조체를 경유하여 방출되므로, 광 추출효율이 우수한 수직형 발광다이오드 소자가 구현될 수 있다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 필라멘트에 기초한 발광다이오드 소자에 비해 긴 수명, 낮은 전력, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항, 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에, 발광다이오드는 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
질화물 발광 다이오드의 경우, 활성층에서 빛이 발생하여, 질화물 반도체를 통과하여 외부로 방출되는데, 질화물 반도체층과 공기의 큰 굴절률 차이에 의해 임계각이 매우 작다. 상당한 양의 빛이 질화물 반도체층 내부로 전반사되어, 외부로 방출되지 못하는 문제점이 존재한다.
본 발명의 일 기술적 과제는, 활성층에서 발생된 빛이 질화물 반도체층과 공기 사이의 경계에서 전반사 되어 외부로 방출되지 못하는 빛을 최소화하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자는, p 전극으로 동작하는 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 배치된 p형 GaN층; 상기 p형 GaN층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 n형 GaN층; 상기 n형 GaN층 상에 배치되는 n 전극 패턴; 상기 n형 GaN층에 형성된 복수의 홀들을 채우는 금속산화물 구조체; 및 상기 홀들의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀들의 내벽에 배치된 측벽을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측벽은 금속 또는 금속 합금이고, 상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측벽은 유전체이고, 상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작고, 상기 측벽의 굴절률은 상기 금속산화물 구조체의 굴절률보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속산화물 구조체는 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화크롬(Cr2O), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석아연(IZTO), 산화인듐(In2O3), 및 산화주석(SnO2) 중에서 선택되는 금속산화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀들 깊이(D)와 지름(W)은 D > W/4의 조건을 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀들 지름(W)은 W/λ > 2.405 의 조건을 만족할 수 있다. (상기 λ는 상기 활성층에서 방출하는 빛의 파장을 의미함.)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀들의 깊이는 200 nm 내지 3 μm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀들의 지름(W)은 300 nm 내지 4 μm 일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자의 제조방법은, 단결정 성장 기판 상에 버퍼층, n형 GaN층, 활성층, 및 p형 GaN층을 순차적으로 성장시키는 단계; 상기 p형 GaN층 상에 금속 반사층 및 도전성 기판을 순차적으로 형성하는 단계; 레이저 리프트-오프 공정을 이용하여 상기 단결정 성장 기판을 분리하고, 상기 버퍼층을 제거하는 단계; 상기 n형 GaN층을 패터닝하여 홀들을 형성하는 단계; 상기 홀들의 내측벽에 측벽을 형성하는 단계; 상기 홀들의 하부면에 씨앗층을 형성하는 단계; 상기 씨앗층 상에 금속산화물 구조체를 결정 성장시키는 단계; 및 상기 n형 GaN층 상에 n 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속산화물 구조체는 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화크롬(Cr2O), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석아연(IZTO), 산화인듐(In2O3), 및 산화주석(SnO2) 중에서 선택되는 금속산화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속산화물 구조체는 수열합성법에 의하여 성장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측벽은 금속 또는 금속 합금이고, 상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작을 수 있다.
상기 측벽은 유전체이고, 상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작고, 상기 측벽의 굴절률은 상기 금속산화물 구조체의 굴절률보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속산화물 구조체가 광도파로 역할을 함으로써, 전반사 현상에 의한 빛이 상기 금속산화물 구조체를 통해 외부로 방출될 수 있으므로, 광 추출효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 질화물 반도체 내부에 금속산화물 구조체가 매몰된 경우, 금속산화물 구조체의 주위를 감싸도록 금속 측벽 또는 낮은 굴절률을 가진 유전체 측벽이 제공된다. 상기 측벽은 금속 반사 또는 광섬유 도파관의 클래딩으로 기능할 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드 소자의 광 추출효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기전도도가 높은 금속, 금속 합금 혹은 유전체이므로, n형 GaN층은 상기 측벽에 의해 균일한 전류를 제공받을 수 있다. 그러므로 활성층의 넓은 영역에서 전자와 정공이 결합될 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드 소자의 전류 퍼짐 효과가 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물 구조체의 노출된 부위의 형상, 모양, 길이를 조절하면 지향각이 조절될 수 있다. 상기 금속 산화물 구조체의 성장 조건을 조절하면, 상기 금속 산화물 구조체의 일단은 육각 뿔, 원뿔, 절두 원뿔, 육각 기둥, 또는 원기둥 형상 등의 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 지향각이 조절될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A`선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따르는 측벽에 의한 빛의 진행경로를 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 측벽에 의한 빛의 진행경로를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 금속산화물 구조체가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 금속산화물 구조체가 도시된 도면이다.
밀한 매질에서 소한 매질로 진행하는 빛이 두 매질의 경계면에서 전부 반사되는 현상을 전반사(Total Reflection) 현상이라 한다. 전반사 현상은 III족 질화물계 물질을 사용하는 발광 다이오드에서도 존재한다. 통상적으로 n형 반도체층, p형 반도체층, 및 활성층 등에서 사용되는 III족 질화물계 물질로는 질화갈륨(GaN)이 있으며, 질화갈륨(GaN)의 굴절률은 약 2.4 이다. 활성층에서 발생된 빛이 n형 반도체층 혹은 p형 반도체층으로 진행할 경우, 빛은 두 매질간 굴절률 차이가 거의 없으므로 용이하게 진행될 수 있다. 하지만, 질화갈륨(GaN)과 공기의 굴절률의 차이가 상당히 크므로, 빛은 n형 반도체층 혹은 p형 반도체층의 공기의 경계면에서 대부분 전반사될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, n형 GaN층과 공기의 경계에서 내부로 전반사되는 빛은 금속산화물 구조체를 경유하여 외부로 진행할 수 있으므로, 광 추출효율을 개선할 수 있다.
또한, 종래의 수직형 발광다이오드 소자의 지향각을 넓히기 위한 방법으로는 봉지제 내에 입자를 삽입하여 빛을 산란하거나 렌즈와 패키지의 형상을 변경해야 했으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 금속산화물 구조체의 단부의 형상에 따라 수직형 발광다이오드 소자의 빛의 지향각을 상이하게 조절할 수 있다.
그리고, 측벽은 전기전도도가 높은 금속 또는 금속 합금 혹은 유전체일 수 있다. 상기 측벽은 전기장의 분포를 변경하고, n형 GaN층은 상기 측벽에 의해 균일한 전류를 제공받을 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 홀 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 홀들의 상/위(on)에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on)와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예에 기초하여 설명하도록 하며, 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.
본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조, 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신, 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1b에서 측벽에 의한 빛의 진행경로를 설명하는 도면이다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c를 참조하면, 수직형 발광다이오드 소자(100)는 p 전극으로 동작하는 도전성 기판(110), 상기 도전성 기판(110) 상에 배치된 p형 GaN층(120), 상기 p형 GaN층(120) 상에 배치되는 활성층(140), 상기 활성층(140) 상에 배치되는 n형 GaN층(150), 상기 n형 GaN층(150) 상에 배치되는 n 전극 패턴(160), 상기 n형 GaN층(150)에 형성된 복수의 홀들(150H)을 채우는 금속산화물 구조체(154) 및 상기 홀들(150H)의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체(154)의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층(151)을 포함한다.
상기 도전성 기판(110)은 상기 p형 GaN층(120), 상기 활성층(140), 상기 n형 GaN층(150), 및 등으로 이루어진 반도체 구조물을 지지하고, p 전극으로 기능한다.
상기 웨이퍼 결합층(111)은 상기 도전성 기판(110)상에 배치된다. 상기 웨이퍼 결합층(111)은 Au/Sn 합금, 또는 Ni/Sn 합금, Sn이 포함된 다양한 함금이다. 상기 웨이퍼 결합층(111)은 섭씨 200도 수준의 저온 열처리에 의하여 상기 도전성 기판(110)과 금속 반사층(112)을 접합시킬 수 있다.
상기 금속 반사층(112)은 상기 웨이퍼 결합층(110) 상에 배치된다. 상기 금속 반사층(112)은 상기 활성층(140)에서 방출된 빛을 상기 n형 GaN층(150) 방향으로 반사한다. 광 추출효율을 고려하였을 때, 금속 반사층(112)은 Ag, Al 혹은 그 조합으로 구성된다.
상기 p형 GaN층(120)은 상기 금속 반사층(112) 상에 배치된다. 상기 p형 GaN층(120)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 반도체층이다.
상기 전자 차단층(130, Electron Blocking Layer, EBL)은 상기 p형 GaN층(120)과 상기 활성층(140) 사이에 배치된다. 상기 전자 차단층(130)은 상기 활성층 내의 전자의 오버플러(overflow)를 방지할 수 있다. 상기 전자 차단층(130)은 전자와 정공의 재결합을 향상시킬 수 있다. 상기 전자 차단층(130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 AlGaN 소재이다.
상기 활성층(140)은 상기 전자 차단층(130) 상에 배치된다. 상기 활성층(140)은 상기 n형 GaN층(150)에서 주입되는 전자와 상기 p형 GaN층(120)에서 주입되는 정공이 결합한다. 상기 활성층(140)은 상기 활성층(140)의 형성 물질에 따르는 밴드 갭(Band Gap) 차이에 대응하는 파장의 빛을 방출한다. 상기 활성층(140)은 이중 이종구조(double heterostructure), 단일 양자 우물(single quantμm well), 또는 다중 양자 우물(multiple quantμm wells)일 수 있다. 상기 수직형 발광다이오드 소자(100)가 청색 또는 녹색 LED의 경우, 상기 다중 양자 우물은 InGaN/GaN 구조일 수 있다. 자외선의 경우, 상기 다중 양자 우물은 AlGaN/InGaN 구조이다.
상기 n형 GaN층(150)은 상기 활성층(140) 상에 배치된다. 상기 n형 GaN층(150)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 층이다. 상기 n형 GaN층(150)은 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching, RIE) 공정에 의해 형성된 복수의 홀들(150H)을 포함한다. 패터닝 공정 시, 우리는 상기 홀들(150H)의 깊이(D, Depth)와 지름(W)을 결정할 수 있다. 상기 홀들(150H)의 깊이(D)와 지름(W)은 하기의 수학식 1 및 수학식 2를 만족할 수 있다.
<수학식 1>
D > W/4
<수학식 2>
W/λ > 2.405
(상기 λ는 상기 활성층(140)에서 방출하는 빛의 파장을 의미한다.)
상기 수학식 1은 상기 금속산화물 구조체(154)가 상기 n형 GaN층(150)에 대해 수직방향으로 안정적으로 성장되기 위한 조건이다. 상기 수학식 2는 빛이 상기 금속산화물 구조체(154)를 통해 안정적으로 가이드되기 위한 조건이다. 상기 수학식 1 및 수학식 2 조건을 만족하는 상기 홀들(150H)의 깊이는 200 nm 내지 1 μm이며, 지름(W)은 300 nm 내지 4 μm 이다.
상기 씨앗층(151)은 상기 금속산화물 구조체(154)의 결정 성장의 씨앗으로 동작한다. 상기 씨앗층(151)은 상기 홀들(150H)의 하부면에 배치된다. 상기 씨앗층(151)의 소재는 산화아연(ZnO)을 포함한다. 상기 씨앗층(151)은 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 증착된다. 상기 씨앗층(151)의 두께는 30 nm 내지 200nm 이다. 상기 씨앗층(151)은 상기 금속산화물 구조체와 동일한 재질이고 투명한 물질일 수 있다.
상기 측벽(152)은 홀들(150H)의 내측벽에 배치된다. 상기 측벽(152)은 전기전도도가 높은 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 상기 측벽의 재질은 알루미늄, 구리, 은, 또는 타이타늄을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 측벽(152)은 전기장의 형태를 변경하여 공간적으로 균일한 전류를 제공하고, 상기 홀들 하부에 전류 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 측벽(152) 및 상기 금속 산화물 구조체는 전류 퍼짐 효과를 제공할 수 있다. 상기 홀들의 하부에서 발생된 빛은 상기 측벽(152) 내측 혹은 외측에서의 금속 반사하여 외부로 추출될 수 있다. 이에 따라 광 추출효율이 증가한다.
상기 금속산화물 구조체(154)는 상기 씨앗층(151)을 기초로 하여 상기 홀들(150H)을 채우도록 결정 성장할 수 있다. 상기 금속산화물 구조체(154)의 소재는 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화크롬(Cr2O), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석아연(IZTO), 산화인듐(In2O3), 및 산화주석(SnO2) 중 어느 하나 일 수 있다. 상기 금속산화물 구조체(154)의 소재의 굴절률(NNR)은 1 < NNR < NN의 조건을 만족할 수 있다. (상기 NN은 상기 n형 GaN층(150)의 굴절률을 의미한다.)
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 금속산화물 구조체는 투명한 재질의 유전체로 변경될 수 있다. 투명 유전체는 상기 측벽에서 금속 반사하는 도파관을 제공할 수 있다.
상기 금속산화물 구조체(154)는 전체 길이(L)와 돌출부의 높이(H)를 가질 수 있다. 상기 금속산화물 구조체(152)는 매립부(154a)와 돌출부(154b)를 포함할 수 있다. 상기 매립부(154a)는 상기 금속산화물 구조체(152) 중 상기 홀들(150H)에 채워지는 부분이다. 상기 매립부(154a)의 측면은 상기 측벽(152)과 접하며, 상기 매립부(154a)의 하부면은 상기 씨앗층(151)과 접한다. 상기 돌출부(154b)는 상기 금속산화물 구조체(152) 중 공기에 노출되는 단부이다. 상기 돌출부(154b)의 측면과 상부면은 공기에 노출되고, 상기 돌출부(154b)의 하부면은 상기 매립부(154a)의 상부면과 접한다. 상기 돌출부(154b)의 형상은 육각뿔(Hexagonal cone), 육각기둥(Hexagonal Pillar), 반구(hemisphere), 원뿔(Cone), 절두 원뿔(Truncated Cone), 혹은 원기둥(Cylinder) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속산화물 구조체(154)는 2차원적으로 배열될 수 있다. 상기 배열은 매트릭스 구조 또는 벌집 구조일 수 있다. 이웃한 금속 산화물 구조체들의 주기는 상기 금속산화물 구조체(154)의 지름의 1.5 배 이상일 수 있다.
빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 진행될 때, 빛이 소정의 입사각 이상으로 입사될 경우, 매질의 경계에서 완전히 반사되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 이를 전반사(Total Reflection) 현상이라 한다. 전반사 현상이 일어날 수 있는 최소 입사각을 임계각(Critical Angle)이라 한다.
상기 n형 GaN층(150)의 굴절률(n1)은 약 2.4이며, 임계각(θc1)은 약 24도 이다. 상기 활성층(140)에서 발생된 빛이 상기 n형 GaN층(150)과 공기의 경계면으로 입사하는 경우, 임계각(θc1) 미만으로 입사된 빛은 외부로 굴절(1-1`의 경로)되어 진행하며, 임계각(θc1) 보가 큰 입사각으로 입사한 경우, 다시 상기 n형 GaN층(150)으로 전반사(2-2` 경로)된다.
상기 금속산화물 구조체(154)가 산화아연(ZnO)인 경우, 상기 산화아연의 굴절률(n3)은 약 2.0이며, 상기 n형 GaN층(150)과 상기 씨앗층(151)의 경계면에서의 임계각(θc2)은 약 30도이다. 상기 활성층(140)에서 발생된 빛이 상기 n형 GaN층(150)과 상기 씨앗층(151)의 경계면으로 임계각(θc2) 미만의 입사각으로 입사하면, 빛은 상기 씨앗층(151)으로 굴절되어 상기 매립부(154a)로 진행한다. 상기 매립부(154a)로 입사된 빛은 상기 측벽(152)에 의해 금속 반사되어 상기 돌출부(154b)를 통해 외부로 진행(3-3` 경로)된다. 상기 금속 산화물 구조체의 굴절율을 적절히 선택하면, 더 많은 빛이 외부로 추출될 수 있다.
상기 금속산화물 구조체의 돌출부의 높이(H)는 사분의 일 파장보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 돌출부는 광도파로와 같이 동작할 수 있다. 상기 돌출부를 진행하는 빛의 일부는 상기 돌출부의 측면과 공기 사이의 경계면을 통하여 진행하고, 상기 나미저는 상기 돌출부의 상부면을 통하여 공기 중으로 진행할 수 있다. 상기 홀의 형상은 원통 구조 또는 테이퍼진 원통 구조를 가질 수 있다. 상기 홀의 형상에 의하여 지향각이 조절될 수 있다.
상기 n 전극 패턴(160)은 상기 n형 GaN층(150) 상부면에 배치되며, 메쉬 구조를 가진다. 상기 n 전극 패턴(160)은 상기 n형 GaN층(150)과 오믹 접합(Ohmic Contact)된다. 상기 n 전극 패턴(160)은 Ti/Al, Ti/Al/Ni/Au, Cr/Al, Cr/Al/Ni/Au 등 Ti나 Cr 기반의 다층구조일 수 있다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 수직형 발광다이오드 소자(100)의 제조방법은, 단결정 성장 기판(180) 상에 버퍼층(170), n형 GaN층(150), 활성층(140), 및 p형 GaN층(120)을 순차적으로 성장시키는 단계; 상기 p형 GaN층(120) 상에 금속 반사층(112) 및 도전성 기판(110)을 순차적으로 형성하는 단계; 레이저 리프트-오프 공정을 이용하여 상기 단결정 성장 기판(180)을 분리하고, 상기 버퍼층(170)을 제거하는 단계; 상기 n형 GaN층(150)을 패터닝하여 홀들(150H)을 형성하는 단계; 상기 홀들(150H)의 내측벽에 측벽(152)을 형성하는 단계; 상기 홀들(150H)의 하부면에 씨앗층(151)을 형성하는 단계; 상기 씨앗층(151) 상에 금속산화물 구조체(154)를 결정 성장시키는 단계; 및 상기 n형 GaN층(150) 상에 n 전극 패턴(160)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2a를 참조하면, 상기 단결성 성장 기판(180) 상에 순차적으로 상기 n형 GaN층(150), 상기 활성층(140), 상기 전자 차단층(130) 및 상기 p형 GaN층(120)이 성장된다.
상기 n형 GaN층(150)을 성장시키기 전에, 상기 단결성 성장 기판(180) 상에 상기 버퍼층(170)은 도핑되지 않은 질화갈륨일 수 있다. 상기 버퍼층(170)은 상기 단결성 성장 기판(180)과 상기 n형 GaN층(150)의 격자 상수 차이를 줄인다. 상기 버퍼층(170)은 상기 단결성 성장 기판(180)과 상기 n형 GaN층(150) 사이의 스트레스를 완화하는 기능을 수행한다.
상기 버퍼층(170), 상기 n형 GaN층(150), 상기 활성층(140), 상기 전자 차단층(130), 및 상기 p형 GaN층(120)은 유기금속화학기상증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 또는 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)와 같은 증착 공정을 이용하여 성장된다.
도 2b를 참조하면, 상기 p형 GaN층(120) 상에 상기 금속 반사층(112)을 증착하고, 상기 도전성 기판(110)을 접합시켰다. 상기 금속 반사층(112)과 상기 도전성 기판(110)은 웨이퍼 결합층(111)에 의해 접합될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 레이저 리프트-오프(Laser Lift Off, LLO) 공정을 이용하여 상기 단결정 성장용 기판(180)을 분리한다.
도 2d를 참조하면, 플라즈마 건식 식각(Plasma Dry Etching)을 이용하여 상기 버퍼층(170)을 제거하고, 상기 n형 GaN층(150)의 상면은 외부로 노출된다.
도 2e를 참조하면, 상기 n형 GaN층(150) 상에 상기 포토레지스트(PR, Photo-Resist) 패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴(PR)을 식각 마스크로 사용하여 상기 n형 GaN층(150)을 패터닝함으로써, 상기 n형 GaN층(150)상에 복수의 홀들(150H)을 형성한다.
도 2f를 참조하면, 우리는 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 제거한 후, 화학 기상 증착(Chemical Vapour Deposition; CVD) 공정을 이용하여 상기 홀들(150H)의 내측벽에 금속, 금속 합금 혹은 유전체 물질을 증착한다. 예비 측벽층(153)은 코포멀에하게 증착된다.
도 2g를 참조하면, 상기 예비 측벽층(153)을 이방성 식각(anisotropic etching)하여, 상기 홀들(150H)의 내부 측면에 측벽(152)을 형성한다.
도 2h를 참조하면, 우리는 상기 n형 GaN층(150) 상에 상기 홀들(150H)과 대응하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한 후, 상기 홀들(150H)의 하부면에 씨앗층(151)을 증착하였다.
도 2i를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(PR)를 제거한 후, 상기 씨앗층(151) 상에 상기 금속산화물 구조체(154)이 결정 성장된다. 상기 금속산화물 구조체(154)는 상기 씨앗층의 결정 구조를 따라서 성장된다. 상기 금속산화물 구조체(154)는 유기금속화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 스퍼터링(Sputtering), 스핀코팅(Spin Coating), 수열합성법(Hydrothermal Deposition), 전기 화학 증착법(Electrochemical Deposition) 등의 공정에 의해 성장된다. 상기 금속산화물 구조체(154)가 수열합성법(Hydrothermal Deposition)에 의해 성장되는 과정에 대해서 하기 화학반응식을 참조하여 간략하게 설명하도록 한다.
<화학 반응식>
(CH2)6N4 + 6H2O → 6HCHO + 4NH3
NH3 + 6H2O ↔ NH4 + + OH-
Zn(NO3)26H2O → Zn2+ + 2(NO3)- + 6H2O
Zn2 + + 2(OH)- → Zn(OH)2 (가열) → ZnO + H2O
(1) 탈이온수와 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트(Zinc Nitrate Hexahydrate, Zn(NO3)26H2O) 및 헥사 메틸렌 테트라민(HMT, hexamethylenetramine, (CH2)6N4)을 소정의 몰 비율로 교반한 수용액을 준비한다.
상기 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트(Zinc Nitrate Hexahydrate)와 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)의 몰 비율은 2:1 ~ 1:2 일 수 있다. 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)은 금속산화물 구조체(154)의 빠른 성장을 돕는 촉매 역할을 하는 것으로서, OH- 이온 등을 지속적으로 공급할 수 있다. 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine) 이외에, 요소(urea) 또는 암모니아 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 수용액 중, 상기 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트와 헥사메틸렌테트라아민 수용액의 몰 농도는 0.0001M 내지 1M일 수 있다. 몰 농도가 0.0001M 미만일 경우, 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트의 함량 조절이 어렵고, 상기 금속산화물 구조체(154)의 형성이 잘 되지 않으며, 1M을 초과할 경우 상기 금속산화물 구조체(154)의 형상 및 크기를 조절하기 어렵다.
(2) 상기 씨앗층(151)을 상기 수용액에 침지시킨 후, 3시간 내지 12 시간 동안, 섭씨 80도 내지 100도의 범위 내에서 온도가 유지되도록 가열하여 산화아연(ZnO)을 성장시킨다. 즉, 표면에 상기 씨앗층(151)이 증착된 상기 홀(150H)에 Zn2+과 O-이온을 포함하는 수용액에 제공하면, Zn2 +과 O-이온이 씨앗층(151)에 흡착되어, 핵 생성(Nucleation) 및 성장(Growth)이 수행된다.
수열합성법 공정 중 온도, 시간, 수용액의 양, 몰 비율, pH 등의 조건 변화를 통해 상기 금속산화물 구조체(154)들의 형상, 직경 및 길이를 제어할 수 있다. 그러므로, 목적에 따라 다양한 직경, 형상 및 높이 등을 가지는 상기 금속산화물 구조체(154)를 형성하는 것이 가능하다.
도 2j를 참조하면, 상기 n 전극 패턴(160)이 상기 n형 GaN층(150) 상에 메쉬 구조로 형성된다. 상기 n 전극 패턴(160)은 리프트-오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 n 전극 패턴(160)은 Cr/Al 구조, Cr/Au 구조, Cr/Al/Pt/Au 구조, Ti/Au 구조, Ti/Al 구조, 또는 Ti/Al/Ni/Au일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 수직 발광 다이오드의 금속 산화물 구조체를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 수직형 발광다이오드 소자(200)는 p 전극으로 동작하는 도전성 기판(110), 상기 도전성 기판(110) 상에 배치된 p형 GaN층(120), 상기 p형 GaN층(120) 상에 배치되는 활성층(140), 상기 활성층(140) 상에 배치되는 n형 GaN층(150), 상기 n형 GaN층(150) 상에 배치되는 n 전극 패턴(160), 상기 n형 GaN층(150)에 형성된 복수의 홀들(150H)을 채우는 금속산화물 구조체(154) 및 상기 홀들(150H)의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체(154)의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층(151)을 포함한다.
측벽(252)은 상기 금속산화물 구조체(154)보다 낮은 굴절율을 가진 투명한 유전체일 수 있다. 상기 측벽(252)이 실리콘 산화막인 경우, 상기 측벽(252)의 굴절률은 약 1.5로써, 상기 금속산화물 구조체(154)의 굴절률 보다 작다. 따라서, 상기 측벽(252)은 광섬유 도파관의 클래딩으로 기능할 수 있다. 상기 금속산화물 구조체의 하부면을 통하여 입사한 빛은 상기 측벽에 의하여 전반사하여 가이드될 수 있다. 상기 매립부(154a)로 입사된 빛은 상기 측벽(252)에 의해 전반사되어 돌출부(154b)를 통해 외부로 진행(3-3` 경로)한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 금속산화물 구조체를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 수직형 발광다이오드 소자(300)는 p 전극으로 동작하는 도전성 기판(110), 상기 도전성 기판(110) 상에 배치된 p형 GaN층(120), 상기 p형 GaN층(120) 상에 배치되는 활성층(140), 상기 활성층(140) 상에 배치되는 n형 GaN층(150), 상기 n형 GaN층(150) 상에 배치되는 n 전극 패턴(160), 상기 n형 GaN층(150)에 형성된 복수의 홀들(150H)을 채우는 금속산화물 구조체(154) 및 상기 홀들(150H)의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체(154)의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층(151)을 포함한다.
돌출부(354b)의 형상이 육각뿔(Hexagonal Cone)일 수 있다. 상기 활성층(140)에서 발생된 빛이 상기 n형 GaN층(150)과 상기 씨앗층(151)의 경계면으로 임계각(θc2) 이하인 입사각으로 입사하면, 빛은 상기 씨앗층(151)으로 굴절되어 상기 매립부(354a)로 진행한다. 상기 매립부(354a)로 입사된 빛은 상기 측벽(152)에 의해 금속 반사 또는 유전체에 의하여 전반사되어 돌출부(354b)로 진행하여 외부로 진행(3-3` 경로)된다. 상기 돌출부의 형상은 입사각을 제어하여 상기 LED 소자의 지향각을 조절하고 광추출효을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 금속산화물 구조체가 도시된 도면이다.
도 5를 참조하면, 수직형 발광다이오드 소자(400)의 경우, 돌출부(454b)의 형상이 반구(Hemisphere)이다. 상기 활성층(140)에서 발생된 빛이 상기 n형 GaN층(150)과 상기 씨앗층(151)의 경계면으로 임계각(θc2) 이하인 입사각으로 입사하면, 빛은 상기 씨앗층(151)으로 굴절되어 상기 매립부(454a)로 진행한다. 상기 매립부(454a)로 입사된 빛은 상기 측벽(152)에 의해 금속 반사되어 돌출부(454b)로 진행하여 외부로 진행(3-3` 경로)된다. 상기 돌출부의 형상은 입사각을 제어하여 상기 LED 소자의 지향각을 조절하고 광추출효을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 금속산화물 구조체(554)가 도시된 도면이다.
도 6을 참조하면, 금속산화물 구조체(554) 중 돌출부(554b)를 포함하지 않는다. 즉, 단면을 기준으로 금속산화물 구조체(554)의 높이가 홀들(150H)의 깊이와 동일하다. 상기 금속산화물 구조체의 돌출부가 있는 경우, 상기 돌출부는 후속 공정에서 손상될 수 있다. 상기 금속산화물 구조체의 돌출부가 없는 경우, 지향각은 용이하게 예측될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예, 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정, 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 수직형 발광다이오드 소자
110 : 도전성 기판
111 : 웨이퍼 결합층
112 : 금속 반사층
120 : p형 GaN층
130 : 전자 차단층
140 : 활성층
150 : n형 GaN층
150H : 홀
151 : 씨앗층
152, 252 : 측벽
154, 354, 454, 554 : 금속산화물 구조체
160 : n 전극 패턴
170 : 버퍼층
180 : 단결정 성장 기판

Claims (14)

  1. p 전극으로 동작하는 도전성 기판;
    상기 도전성 기판 상에 배치된 p형 GaN층;
    상기 p형 GaN층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 n형 GaN층;
    상기 n형 GaN층 상에 배치되는 n 전극 패턴;
    상기 n형 GaN층에 형성된 복수의 홀들을 채우는 금속산화물 구조체; 및
    상기 홀들의 하부면에 배치되어 상기 금속산화물 구조체의 결정 성장의 씨앗으로 동작하는 씨앗층을 포함하고,
    상기 홀들의 내측벽에 배치된 측벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽은 금속 또는 금속 합금이고,
    상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽은 유전체이고,
    상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작고,
    상기 측벽의 굴절률은 상기 금속산화물 구조체의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물 구조체는 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화크롬(Cr2O), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석아연(IZTO), 산화인듐(In2O3), 및 산화주석(SnO2) 중에서 선택되는 금속산화물인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀들 깊이(D)와 지름(W)은 D > W/4의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀들 지름(W)은 W/λ > 2.405 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
    (상기 λ는 상기 활성층에서 방출하는 빛의 파장을 의미함.)
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀들의 깊이는 200 nm 내지 3 μm 인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀들의 지름(W)은 300 nm 내지 4 μm 인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자.
  10. 단결정 성장 기판 상에 버퍼층, n형 GaN층, 활성층, 및 p형 GaN층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    상기 p형 GaN층 상에 금속 반사층 및 도전성 기판을 순차적으로 형성하는 단계;
    레이저 리프트-오프 공정을 이용하여 상기 단결정 성장 기판을 분리하고, 상기 버퍼층을 제거하는 단계;
    상기 n형 GaN층을 패터닝하여 홀들을 형성하는 단계;
    상기 홀들의 내측벽에 측벽을 형성하는 단계;
    상기 홀들의 하부면에 씨앗층을 형성하는 단계;
    상기 씨앗층 상에 금속산화물 구조체를 결정 성장시키는 단계; 및
    상기 n형 GaN층 상에 n 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속산화물 구조체는 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화크롬(Cr2O), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석아연(IZTO), 산화인듐(In2O3), 및 산화주석(SnO2) 중에서 선택되는 금속산화물인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속산화물 구조체는 수열합성법에 의하여 성장되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 측벽은 금속 또는 금속 합금이고,
    상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 측벽은 유전체이고,
    상기 금속산화물 구조체의 굴절률은 상기 n형 GaN층의 굴절률보다 작고,
    상기 측벽의 굴절률은 상기 금속산화물 구조체의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
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