KR20060134453A - 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 기계적인 압력을 인가하여 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성하는 단계와; 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

따라서, 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.

발광소자, 구조물, 광결정, 임프린트, 압력, 식각

Description

광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법 { Method for fabricating light emitting device with photonic crystal stucture }

도 1은 일반적인 발광 다이오드에서 광이 출사되는 경로를 설명하는 개념도

도 2는 광의 이스케이프 콘(Escape cone)을 설명하는 개념도

도 3a와 3b는 광결정 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도

도 4는 광결정 구조의 에너지 밴드 다이어그램

도 5는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정 흐름도

도 6a 내지 6e는 본 발명에 따른 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 공정을 도시한 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200 : 기판 210 : 적층 에피층

211 : 투명 전극 212 : 보호층

300 : 발광 소자 구조물 310 : 막

350 : 광결정 패턴 500 : 스탬프

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.

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.

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.

프레넬 손실은 굴절율이 불연속적인 계면에서 광의 일부가 반사됨으로써, 발생하는 손실로서 반사 손실(Reflection loss)로도 불린다.

내부 전반사란 광이 굴절율이 높은 곳에서 낮은 곳으로 진행할 때, 임계각 이상의 각도로 도달하면 계면을 통과하지 못하고 반사하는 현상을 일컫는다.

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.

그러므로, 내부 전반사된 광은 발광 다이오드 내부에서 계속 반사되면서 활성층에 재흡수되거나, 원하지 않는 노출면으로 빠져나가서 발광 다이오드의 효율을 떨어뜨린다.

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.

이와 같이, 발광 다이오드에서 외부로 방출되는 광은 여러가지 요인들에 의해 손실되고, 이 손실을 줄여 광방출을 향상시키는 방법이 다양하게 시도되었다.

먼저, 발광 다이오드 표면에 무반사 코팅하여 프레넬(Fresnel) 손실을 줄이는 방법이 있는데, 이 방법은 프레넬 손실이 내부전반사 손실에 비해 작기때문에 효과가 크지 않다.

또한, 기판에 요철 구조물을 형성하여, 이 요철이 발광 다이오드 표면에 내부전반사된 광의 경로를 수정하여 이스케이프 콘내로 진입하도록 유도하여 광방출을 높이는 방법이 있었다.

그리고, 발광 다이오드 표면을 화학약품으로 처리하여 표면을 인위적으로 거칠게 만듦으로써 산란에 의해 내부전반사를 억제하는 방법이 있다.

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.

상기 광결정(Photonic crystal)이란 하나 이상의 방향으로 굴절율 차이가 주기적으로 반복되는 구조를 일컫는다.

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.

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.

여기서, 광자 띠 간격이란 광이 존재할 수 없는 에너지 구간을 일컫는다.

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.

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.

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.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는,

기계적인 압력을 인가하여 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성하는 단계와;

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

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)

여기서, 상기 기계적인 압력은 음화(陰畵)된 광결정 패턴을 갖는 스탬프로 상기 발광 소자 구조물 상부에 있는 막을 임프린팅(Imprinting)하는 압력이 바람직하다.

즉, 상기 임프린트는 스탬프를 막에 찍어 눌러서 스탬프의 패턴을 막에 전사하는 방법을 일컫는다.

그리고, 스탬프의 패턴과 막에 새겨지는 패턴은 서로 거울을 마주보듯 반대이기 때문에, 스탬프에 새겨지는 패턴은 만들과자 하는 패턴의 음화(Negative image, 陰畵)된 이미지이다.

그 다음, 상기 광결정 패턴이 형성된 막으로 마스킹하여 발광 소자 구조물을 식각해서 광결정 패턴을 갖는 발광 소자 구조물을 형성한다.(S20단계)

한편, 최근의 임프린팅 기술은 ㎚ 단위까지 수행할 수 있다.

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.

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)

이 때, 상기 발광 소자 구조물(300) 상부에 있는 막(310)은 고분자 박막이 바람직하다.

여기서, 상기 발광 소자 구조물(300)은 기판(200) 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층(210)과 투명전극(211)이 순차적으로 형성되어 이루어진 구조물이다.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

이런, 후속공정은 제조 공정을 수행하는 자(者)가 자유롭게 선택적으로 수행할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 도 6e는 상기 보호막(212)에서 적층 에피층(210)까지 식각공정을 수행하여, 광결정 패턴(350)을 갖는 발광 소자 구조물을 형성하는 것이다.

전술된 바와 같이, 본 발명에서 발광 소자 구조물이 복수개의 막이 적층된 구조물일 경우, 발광 소자 구조물의 일부막까지만 식각하여 광결정 패턴을 형성할 수 있다.

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.

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.

Claims (7)

1. 기계적인 압력을 인가하여 발광 소자 구조물의 상부에 있는 막의 형상을 광결정 패턴으로 형성하는 단계와;

   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 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기계적인 압력은,

   광결정 패턴이 음화(陰畵)된 패턴을 갖는 스탬프로 상기 발광 소자 구조물 상부에 있는 막을 임프린팅(Imprinting)하는 압력인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 발광 소자 구조물은,

   기판 상부에 발광층을 포함한 적층 에피층과 투명전극이 순차적으로 형성되 어 이루어진 구조물인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 투명전극과 막 사이에,

   임프린팅시 상기 투명전극을 보호하기 위한 보호층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 적층 에피층은,

   제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층, 발광층과 상기 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 발광 소자 구조물 상부에 있는 막은,

   고분자 박막인 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방 법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광 소자 구조물이 복수개의 막이 적층된 구조물이고,

   상기 발광 소자 구조물의 식각은, 일부의 막까지만 식각하여 광결정 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조를 갖는 발광 소자의 제조 방법.

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