KR20060134453A - Method for fabricating light emitting device with photonic crystal stucture - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 발광 다이오드에서 광이 출사되는 경로를 설명하는 개념도1 is a conceptual diagram illustrating a path in which light is emitted from a general light emitting diode
도 2는 광의 이스케이프 콘(Escape cone)을 설명하는 개념도2 is a conceptual diagram illustrating an escape cone of light
도 3a와 3b는 광결정 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도3A and 3B are schematic conceptual views for explaining a photonic crystal structure
도 4는 광결정 구조의 에너지 밴드 다이어그램4 is an energy band diagram of a photonic crystal structure
도 5는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정 흐름도5 is a flowchart of a manufacturing process of a light emitting device having a photonic crystal structure according to the present invention.
도 6a 내지 6e는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정을 도시한 단면도6A to 6E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a light emitting device having a photonic crystal structure according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
200 : 기판 210 : 적층 에피층200: substrate 210: laminated epi layer
211 : 투명 전극 212 : 보호층211
300 : 발광 소자 구조물 310 : 막300 light
350 : 광결정 패턴 500 : 스탬프350: photonic crystal pattern 500: stamp
본 발명은 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임프린팅(Imprinting) 방법으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성한 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하므로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a light emitting device having a photonic crystal structure, and more particularly, to form a film on the upper portion of the light emitting device structure by an imprinting method as a photonic crystal pattern, and then a film on which the photonic crystal pattern is formed By masking the light emitting device structure by etching to form a light emitting device structure having a photonic crystal pattern, there is no need to perform an expensive photolithography process for forming a photonic crystal pattern, thereby lowering the manufacturing cost and reducing the line width of the pattern The manufacturing method of the light emitting element which has a structure is related.
일반적으로, 발광 다이오드는 두 개의 상반된 도핑층 사이에 활성층을 포함하는 반도체 소자로, 두 개의 도핑층 사이에 바이어스를 인가하면 정공과 전자가 활성층으로 주입되어 재결합하여 광을 발생하며, 발생한 광은 소자의 모든 노출면으로 방출된다. In general, a light emitting diode is a semiconductor device including an active layer between two opposing doped layers. When a bias is applied between two doped layers, holes and electrons are injected into the active layer to recombine to generate light. Are emitted to all exposed surfaces of the.
이런, 발광 다이오드를 구성하는 반도체 재료는 통상적으로 대기(굴절율이 1)나 인캡슐레이팅 에폭시(굴절율이 1.5)보다 굴절율이 높아서 프레넬(Fresnel) 손실과 내부 전반사에 의한 손실이 발생한다. Such a semiconductor material constituting the light emitting diode is typically higher in refractive index than atmospheric (refractive index 1) or encapsulating epoxy (refractive index 1.5), resulting in loss of Fresnel loss and total internal reflection.
프레넬 손실은 굴절율이 불연속적인 계면에서 광의 일부가 반사됨으로써, 발생하는 손실로서 반사 손실(Reflection loss)로도 불린다. Fresnel loss is a loss caused by reflection of a portion of light at an interface where the refractive index is discontinuous, also called reflection loss.
내부 전반사란 광이 굴절율이 높은 곳에서 낮은 곳으로 진행할 때, 임계각 이상의 각도로 도달하면 계면을 통과하지 못하고 반사하는 현상을 일컫는다.Total internal reflection refers to a phenomenon in which light does not pass through an interface when it reaches an angle above a critical angle when it progresses from a high refractive index to a low refractive index.
즉, 도 1를 참조하면, 발광 다이오드(10)에서 생성된 광은 외부로 방출되는데, 임계각 이하의 각도(θ1)로 진행되는 광(A)은 소자의 외부로 빠져나가고, 임계각과 동일한 각도(θ2)로 진행되는 광(B)은 소자의 면을 따라 진행되고, 임계각 이상의 각도(θ3)로 진행되는 광(C)은 경계면에서 소자 내부로 전반사된다.That is, referring to FIG. 1, the light generated by the
그러므로, 내부 전반사된 광은 발광 다이오드 내부에서 계속 반사되면서 활성층에 재흡수되거나, 원하지 않는 노출면으로 빠져나가서 발광 다이오드의 효율을 떨어뜨린다. Therefore, the totally internally reflected light continues to be reflected inside the light emitting diode and is reabsorbed by the active layer, or escapes to an unwanted exposed surface, thereby reducing the efficiency of the light emitting diode.
도 2는 광의 이스케이프 콘(Escape cone)을 설명하는 개념도로서, 임계각(θc) 보다 작은 각들을 3차원적으로 표시한 것을 이스케이프 콘(Escape cone)(20)이라 하며 이스케이프 콘내로 진입한 광은 무사히 발광 다이오드(10) 외부로 방출된다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an escape cone of light, and three-dimensional display of angles smaller than the critical angle θc is called an
이와 같이, 발광 다이오드에서 외부로 방출되는 광은 여러가지 요인들에 의해 손실되고, 이 손실을 줄여 광방출을 향상시키는 방법이 다양하게 시도되었다.As such, light emitted from the light emitting diode to the outside is lost by various factors, and various methods have been attempted to reduce the loss to improve light emission.
먼저, 발광 다이오드 표면에 무반사 코팅하여 프레넬(Fresnel) 손실을 줄이는 방법이 있는데, 이 방법은 프레넬 손실이 내부전반사 손실에 비해 작기때문에 효과가 크지 않다.First, there is a method of reducing fresnel loss by antireflective coating on the surface of the light emitting diode, which is not effective because the fresnel loss is small compared to the internal reflection loss.
또한, 기판에 요철 구조물을 형성하여, 이 요철이 발광 다이오드 표면에 내부전반사된 광의 경로를 수정하여 이스케이프 콘내로 진입하도록 유도하여 광방출을 높이는 방법이 있었다.In addition, there is a method of forming a concave-convex structure on the substrate, and inducing the concave-convex to enter the escape cone by modifying a path of light internally reflected on the surface of the light emitting diode to increase light emission.
그리고, 발광 다이오드 표면을 화학약품으로 처리하여 표면을 인위적으로 거칠게 만듦으로써 산란에 의해 내부전반사를 억제하는 방법이 있다.In addition, there is a method of suppressing total internal reflection by scattering by treating the light emitting diode surface with chemicals to artificially roughen the surface.
더불어, 발광 다이오드 표면에 광결정(Photonic Crystal) 패턴을 형성하는 방법이 시도되었는데, 이 광결정 구조를 적절히 선택하면 표면을 거칠게 만드는 방법보다 더 큰 광방출 향상 효과를 얻을 수 있었다. In addition, a method of forming a photonic crystal pattern on the surface of the light emitting diode has been attempted. When the photonic crystal structure is properly selected, a larger light emission improvement effect can be obtained than a method of roughening the surface.
상기 광결정(Photonic crystal)이란 하나 이상의 방향으로 굴절율 차이가 주기적으로 반복되는 구조를 일컫는다. The photonic crystal refers to a structure in which the refractive index difference is periodically repeated in one or more directions.
즉, 광결정 구조는 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 굴절율이 다른 두 물질(31,32)를 1, 2, 3차원적으로 주기적으로 반복되는 구조를 형성한 것이다. That is, as shown in FIGS. 3A to 3C, the photonic crystal structure is a structure in which two
이렇게, 광결정의 주기가 광의 파장과 비슷한 크기를 가지면 도 4와 같이 광자 띠 간격(Photonic band gap)을 갖는 띠 구조(band structure)를 갖게 된다. As such, when the period of the photonic crystal has a size similar to the wavelength of the light, it has a band structure having a photonic band gap as shown in FIG. 4.
여기서, 광자 띠 간격이란 광이 존재할 수 없는 에너지 구간을 일컫는다. Herein, the photon band interval refers to an energy section in which light cannot exist.
전술된 광결정의 격자구조와 주기를 적절히 선택하면, 특이한 광학적 성질을 갖도록 만들 수 있고, 적절한 격자구조와 주기를 선택하면 광결정을 투과하는 빛이 증가하도록 만들 수 있어, 현재 다양한 분야에서 광결정의 격자구조를 적용하는 시도가 이루어지고 있다. By properly selecting the lattice structure and period of the above-described photonic crystal, it can be made to have unique optical properties, and by selecting the appropriate lattice structure and period can increase the light that passes through the photonic crystal, currently the lattice structure of the photonic crystal in various fields Attempts have been made to apply it.
한편, 종래 기술에서는 광결정 패턴을 포토리소그래피 공정을 사용하여 형성였으나, 이 공정을 수행하는 비용이 많이 소요되고, 포토리소그래피 공정으로 형성되는 선폭이 ㎛ 단위이기 때문에 ㎚단위의 광결정 격자구조를 제조하는데는 한계가 있는 단점이 있다.On the other hand, in the prior art, the photonic crystal pattern was formed by using a photolithography process, but it is expensive to perform this process, and since the line width formed by the photolithography process is in the unit of µm, it is necessary to manufacture the photonic crystal lattice structure in nm There are limitations.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 임프린팅(Imprinting) 방법으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성한 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하므로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention, in order to solve the above problems, by forming the shape of the film on the upper portion of the light emitting device structure by the imprinting method to a photonic crystal pattern, and then masked with the film formed with the photonic crystal pattern to etch the light emitting device structure By forming a light emitting device structure having a photonic crystal pattern, it is not necessary to perform an expensive photolithography process for forming a photonic crystal pattern, thereby lowering the manufacturing cost, and a method of manufacturing a light emitting device having a photonic crystal structure capable of reducing the line width of the pattern. The purpose is to provide.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, A preferred aspect for achieving the above objects of the present invention,
기계적인 압력을 인가하여 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성하는 단계와;Applying mechanical pressure to form a shape of a film on the top of the light emitting device structure into a photonic crystal pattern;
상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a light emitting device having a photonic crystal structure comprising masking with a film on which the photonic crystal pattern is formed to etch a light emitting device structure to form a light emitting device structure having a photonic crystal pattern.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정 흐름도로서, 먼저, 기계적인 압력을 인가하여 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성한다.(S10단계)5 is a flowchart of a manufacturing process of a light emitting device having a photonic crystal structure according to the present invention. First, a mechanical pressure is applied to form a film on the top of the light emitting device structure as a photonic crystal pattern.
여기서, 상기 기계적인 압력은 음화(陰畵)된 광결정 패턴을 갖는 스탬프로 상기 발광 소자 구조물 상부에 있는 막을 임프린팅(Imprinting)하는 압력이 바람직하다.Here, the mechanical pressure is preferably a pressure imprinting a film on the light emitting device structure with a stamp having a negative photonic crystal pattern.
즉, 상기 임프린트는 스탬프를 막에 찍어 눌러서 스탬프의 패턴을 막에 전사하는 방법을 일컫는다.That is, the imprint refers to a method of transferring a stamp pattern onto the film by stamping the stamp on the film.
그리고, 스탬프의 패턴과 막에 새겨지는 패턴은 서로 거울을 마주보듯 반대이기 때문에, 스탬프에 새겨지는 패턴은 만들과자 하는 패턴의 음화(Negative image, 陰畵)된 이미지이다.Since the pattern of the stamp and the pattern carved on the film are opposite to each other as if they face each other, the pattern carved on the stamp is a negative image of the pattern to be made.
그 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.(S20단계)Next, the light emitting device structure is etched by masking the film on which the photonic crystal pattern is formed to form a light emitting device structure having the photonic crystal pattern.
한편, 최근의 임프린팅 기술은 ㎚ 단위까지 수행할 수 있다.On the other hand, recent imprinting techniques can be performed up to nm units.
이와 같이, 본 발명은 임프린팅(Imprinting) 방법으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성한 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하므로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention forms the shape of the film on the upper portion of the light emitting device structure by an imprinting method into a photonic crystal pattern, and then masks the film with the photonic crystal pattern formed therein to etch the light emitting device structure to emit light having the photonic crystal pattern. By forming the device structure, there is no need to perform an expensive photolithography process for forming a photonic crystal pattern, thereby lowering the manufacturing cost and reducing the line width of the pattern.
도 6a 내지 6e는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정을 도시한 단면도로서, 음화(陰畵)된 광결정 패턴을 갖는 스탬프(500)로 발광 소자 구조물 상부에 있는 막을 가압하여 상기 발광 소자 구조물(300) 상부에 있는 막(310)의 형상을 광결정 패턴으로 형성한다.(도 6a 내지 6c)6A to 6E are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a light emitting device having a photonic crystal structure according to the present invention, wherein a
이 때, 상기 발광 소자 구조물(300) 상부에 있는 막(310)은 고분자 박막이 바람직하다.At this time, the
여기서, 상기 발광 소자 구조물(300)은 기판(200) 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층(210)과 투명전극(211)이 순차적으로 형성되어 이루어진 구조물이다.Here, the light
그리고, 상기 적층 에피층(210)은 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층, 발광층과 상기 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것이 바람직하다. The stacked
또한, 상기 스탬프(500)의 가압시, 상기 투명전극(211)의 형상이 변하는 것을 방지하기 위한, 보호층(212)이 상기 막(310)과 상기 투명전극(211) 사이에 더 구비된 것이 바람직하다.In addition, when the
상기 도 6a는 스탬프(500)가 가압되기 전(前) 상태이고, 도 6b는 스탬프(500)가 가압된 상태이고, 도 6c는 스탬프(500)가 상기 막(310)으로부터 이탈된 상태이다.6A is a state before the
그 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물(300)을 식각해서 광결정 패턴(350)을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.(도 6d와 6e)Next, the light
여기서, 상기 도 6d는 상기 상기 발광 소자 구조물(300)이 기판(200) 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층(210), 투명전극(211)과 보호막(212)이 순차적으로 형 성되어 이루어진 구조물인 경우, 상기 보호막(212)과 투명전극(211)이 식각된 상태이고, 본 발명에서는 이 공정까지 수행한 후, 후속공정을 수행할 수 있다.6D illustrates a structure in which the light
상기 후속공정이란, 상기 기판(200)을 제거하는 공정, 상기 각각의 발광 소자 구조물들을 메사식각하고 메사식각하여 노출된 표면에 전극을 형성하는 공정 등 다양한 공정을 수행할 수 있다.The subsequent process may include a process of removing the
이런, 후속공정은 제조 공정을 수행하는 자(者)가 자유롭게 선택적으로 수행할 수 있는 것이다.Such a subsequent process can be freely and selectively performed by a person performing a manufacturing process.
그리고, 상기 도 6e는 상기 보호막(212)에서 적층 에피층(210)까지 식각공정을 수행하여, 광결정 패턴(350)을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 것이다.6E illustrates an etching process from the
전술된 바와 같이, 본 발명에서 발광 소자 구조물이 복수개의 막이 적층된 구조물일 경우, 발광 소자 구조물의 일부막까지만 식각하여 광결정 패턴을 형성할 수 있다.As described above, when the light emitting device structure is a structure in which a plurality of films are stacked, only a part of the light emitting device structure may be etched to form a photonic crystal pattern.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 임프린팅(Imprinting) 방법으로 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성한 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하므로써, 광결정 패턴 형성을 위한 고가의 포토리소그래피 공정을 수행하는 않아도 되어 제조 비용을 낮출 수 있고, 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention forms the shape of the film on the upper portion of the light emitting device structure by the imprinting method as a photonic crystal pattern, and then masks the film with the photonic crystal pattern is formed to etch the light emitting device structure photonic crystal pattern By forming a light emitting device structure having a structure, it is not necessary to perform an expensive photolithography process for forming a photonic crystal pattern, thereby reducing manufacturing costs and reducing the line width of the pattern.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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KR20050054136A KR20060134453A (en) | 2005-06-22 | 2005-06-22 | Method for fabricating light emitting device with photonic crystal stucture |
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2005
- 2005-06-22 KR KR20050054136A patent/KR20060134453A/en not_active Application Discontinuation
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