KR20120047714A - 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20120047714A
KR20120047714A KR1020100109434A KR20100109434A KR20120047714A KR 20120047714 A KR20120047714 A KR 20120047714A KR 1020100109434 A KR1020100109434 A KR 1020100109434A KR 20100109434 A KR20100109434 A KR 20100109434A KR 20120047714 A KR20120047714 A KR 20120047714A
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법을 개시한다. 보다 상세하게는, III족 질화물계 화합물을 이용한 반도체 발광 다이오드 소자(LED)에서 각 물질층들의 서로 다른 굴절율에 따른 광추출 효율저하를 개선한 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 기판과, 기판의 상부에 형성되며 일부영역에 제1 전극을 가지는 하부층과, 하부층의 상부에 형성되는 활성층 및, 상부층과, 상부층의 상부에 형성되는 투명전극층 및, 기판의 하부 또는 투명전극층의 상부 중 적어도 하나에 형성되어 입사되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 발광 다이오드 소자가 방출하는 빛을 발광 다이오드 소자상에 형성되는 다수의 박막층을 통해 수직방향으로 집중되어 방출되는 빛을 확산시켜 패널에 제공함으로서 액정표시장치가 표시하는 화면의 품질을 개선하는 효과가 있다.

Description

발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법{LED AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 특히 III족 질화물계 화합물을 이용한 반도체 발광 다이오드 소자(LED)에서 각 물질층들의 서로 다른 굴절율에 따른 광추출 효율저하를 개선한 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 반도체 발광소자인 발광 다이오드 소자(Light emitting diode, LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기적인 신호를 가함으로서 다양한 파장의 빛 에너지를 방출하는 소자이다. 현재 상용화된 발광 다이오드 소자는 정공이 다수인 p형 반도체(III족)와 전자가 다수캐리어인 n형 반도체(V족)를 접합하여 화합물 반도체의 공정을 적용한 것이다.
전술한 발광 다이오드 소자는 고효율의 저전력 소자로서 소형화, 박형화 및 경량화의 장점이 있으며, 긴 수명과 예열시간이 불필요하며 점등 및 소등 속도가 매우 빠르다는 특성이 있어, 기존 백열전구, 형광램프 등의 조명장치를 대체하여 대면적 액정표시장치(LCD)의 백라이트 모듈에 활용되면서 더욱 주목받고 있다.
도 1은 종래의 III족 질화물계 발광 다이오드 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 종래의 III족 질화물계 발광 다이오드 소자는, 기판(10)상에 완충을 위한 버퍼층(buffer layer)(15)을 형성하고, 버퍼층(15) 상부로 n형 질화물계 반도체로 이루어지는 하부층(20)을 형성한다. 또한, 하부층(20)의 상부로 질화물계 반도체로 이루어지는 활성층(25)과, p형 질화물계 반도체로 이루어지는 상부층(40)을 순차적으로 결정성장 시킨다. 이후, 상부층(40)과 저항접촉을 이루는 투명전극층(42)을 형성한 뒤, 하부층(20)을 노출시키는 식각공정을 수행하고 외부로의 전기적 연결을 위한 접촉패드(24, 44)를 형성함으로써 도시한 구조를 가지도록 제조된다. 이러한 구조에 따라, LED 칩은 접촉패드(24, 44)에 인가되는 전압에 의해 활성층(25)에서 전자 및 전공의 결합에 따라 빛을 방출하게 된다.
전술한 구조의 발광 다이오드 소자를 구성하는 사파이어 기판(sapphire substrate), 에피(epitaxy) 및 에폭시(epoxy) 등의 물질층은 층간 물질들의 굴절율 차이에 의해 대부분의 빛의 성분이 수평방향이 아닌 수직방향으로 형성된다. 도 2는 종래 발광 다이오드 소자의 활성층으로부터 방출되는 빛의 지향각 및 분포를 그래프화한 도시한 도면으로서, 도시한 바와 같이 종래의 발광 다이오드 소자는 활성층으로부터 방출되는 빛의 지향각이 소정범위내에서 O°를 수렴하게 되며(a), 또한 빛의 분포가 수평방향(v)보다 수직방향(h) 성분으로 집중되는 특성을 갖는다(b).
이에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이, 액정표시장치에 구비되는 직하형(direct type) 백라이트 유닛(a) 및 에지형(edge type) 백라이트 유닛(b)에 전술한 발광 다이오드 소자를 사용하는 경우, 발광 다이오드 소자(l1, l2)에서 방출되는 빛의 분포가 수직방향에 집중되어 액정표시장치의 구동시 화면상에 발광 다이오드 소자가 배치된 위치에 대응하는 영역(f1, f2)이 타 영역보다 밝게 보이는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 백라이트 유닛에 구비되는 광 보상시트만으로는 제거할 수 없으며, 따라서 균일한 면광원을 구현하기 어렵게 된다.
이는 액정표시장치가 표시하는 영상 전체의 품질을 저하하는 원인이 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래 액정표시장치의 백라이트 유닛에 이용되는 발광 다이오드 소자를 통해 방출되는 빛의 방향을 산란시킴으로서, 균일한 면 광원을 구현할 수 있는 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는, 광을 방출시키는 발광 구조물; 및, 상기 발광 구조물의 하부 또는 상부 중 적어도 하나에 형성되어 상기 발광 구조물로부터 방출되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층을 포함하고, 상기 광 확산층은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 박막층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광 구조물은, 기판; 상기 기판의 상부에 형성되며 일 영역에 제1 전극을 가지는 하부층; 상기 하부층의 상부에 형성되어 광을 방출하는 활성층; 상기 활성층의 상부에 형성되는 상부층; 및, 상기 상부층의 상부에 형성되고 제2 전극을 가지는 투명전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판 및 하부층 사이에, 버퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 적어도 최하부의 박막층의 굴절률이 최상부의 박막층의 굴절률 보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 최하부의 박막층은, 적어도 상기 발광구조물 보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 각각 서로 다른 두께를 가지는 동일한 재질인 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 실리콘 산화물(SiO) 또는 실리콘 질화물(SiN) 중 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 기판은, 사파이어(sapphire), 실리콘(si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs)및 산화아연(ZnO) 중 하나로 구성되고, 상기 하부층은, n형 질화갈륨(GaN)층 및, 상기 질화갈륨 층의 하부로 언 도프(undoped) n형 질화갈륨(GaN)층을 포함하고, 상기 상부층은, p형 질화갈륨(GaN)을 포함하고, 상기 투명전극층은, 인듐 주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 인듐 아연산화물(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 하나를 포함하고, 상기 활성층은, 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 기판의 하부 또는 상기 투명전극층의 상부에 형성되는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 제조하는 방법은, 광을 방출시키는 발광 구조물을 형성하는 단계; 및, 상기 발광 구조물의 하부 또는 상부 중 적어도 하나에 상기 발광 구조물로부터 방출되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광 확산층은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 박막층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광 구조물을 형성하는 단계는, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판의 상부로 일 영역에 제1 전극을 가지는 하부층을 형성하는 단계; 상기 하부층의 상부에 광을 방출하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 상부에 상부층을 형성하는 단계; 및, 상기 상부층의 상부에 제2 전극을 가지는 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판을 형성하는 단계 및 상기 하부층을 형성하는 단계 사이에, 상기 기판의 상부로 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 적어도 최하부의 박막층의 굴절률이 최상부의 박막층의 굴절률 보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 최하부의 박막층은, 적어도 상기 발광구조물 보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 각각 서로 다른 두께를 가지는 동일한 재질인 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 박막층은, 실리콘 산화물(SiO) 또는 실리콘 질화물(SiN) 중 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 기판은, 사파이어(sapphire), 실리콘(si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs)및 산화아연(ZnO) 중 하나로 구성되고, 상기 하부층은, n형 질화갈륨(GaN)층 및 상기 질화갈륨 층의 하부로 언 도프(undoped) n형 질화갈륨(GaN)층을 포함하고, 상기 상부층은, p형 질화갈륨(GaN)을 포함하고, 상기 투명전극층은, 인듐 주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 인듐 아연산화물(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 하나를 포함하고, 상기 활성층은, 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 발광 구조물을 형성하는 단계 이후에, 상기 광 확산층과 대향하는 위치에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 발광 다이오드 소자상에 형성되는 다수의 박막층을 통해 발광 다이오드 소자가 방출하는 빛의 굴절각을 크게 하여 수평방향의 빛을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 다이오드 소자의 빛 지향각을 증가시키는 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 발광 다이오드 소자로 구성된 백라이트 유닛을 구비하는 액정표시장치의 화면품질을 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 III족 질화물계 발광 다이오드 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 발광 다이오드 소자의 활성층으로부터 방출되는 빛의 지향각 및 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 종래 발광 다이오드 소자를 구비한 액정표시장치에서 발생하는 화질저하를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 일부분에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에서 출광되는 빛의 지향각 및 분포를 그래프화한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 및 이의 제조방법을 설명한다.
이하에서 설명하는 기판 및 각 층의 성장방법은 통상의 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical VaporDeposition, MOCVD) 방법뿐만 아니라, MBE(Molecular Beam Epitaxy), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion), VPE(Vapor Phase Epitaxy)등의 방법을 통해서 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 발광 다이오드 소자는 기판(100), 버퍼층(150), 하부층(200, 210), n형 반도체 패드(240), 활성층(300), 상부층(400), 투명전극층(420), p형 반도체 패드(440)와, 전술한 투명전극층(320) 및 p형 반도체 패드(440)를 포함하는 발광 구조물과, 발광 구조물로부터 방출되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층(500)을 포함한다.
보다 상세하게는, 기판(100)은 질화갈륨(GaN) 박막을 성장시키기 위한 것으로, 이러한 기판(100)으로는 질화물계 LED 용으로 이상적인 질화갈륨(GaN) 기판이 바람직하나, 질화갈륨(GaN)을 이용한 단결정 기판은 제작하기가 어려우며 단가가 높다는 단점이 있다. 이에 따라 상대적으로 구하기 용이하고 단가가 낮은 사파이어(sapphire)나 실리콘(si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs) 및 산화아연(ZnO) 등을 이용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)의 배면으로 광 효율을 높이기 위한 반사판(미도시)를 더 구비할 수 있으며, 이러한 반사판은 스퍼터링(sputtering) 또는 진공증착(evaporation) 등의 방법을 통해 형성할 수 있다.
버퍼층(150)은 기판(100)의 특성을 보완하기 위해 성장시키는 것으로, 전술한 사파이어(sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판상에 에피(Epi)층인 n형 GaN을 포함하는 하부층(200, 210)을 바로 성장시키면 격자 부정합에 의해서 고품질의 소자를 제조하기 어렵기 때문에 이를 극복하기 위해 기판(100)과 하부층(200, 210) 사이에 형성하게 된다.
하부층(200, 210)은 본 발명의 발광 다이오드 소자에서 후술하는 활성층(300)에 전자를 공급하는 역할을 하는 것으로, 버퍼층(150)상에 질화갈륨(GaN)층의 베이스층으로서 언도프(undoped)된 질화갈륨(GaN)층(210)을 성장시키고, n형 불순물을 도핑하여 질화갈륨(GaN) 반도체층(200)을 성장시킨 것이다. 전술한 n형 불순물로는 Si가 사용될 수 있으며, 질화갈륨(GaN) 반도체층(200)의 일부영역에는 후술하는 반도체 패드가 형성된다.
n형 반도체 패드(240)는 칩 공정이후 LED 패키지에 실장시 와이어 본딩을 위한 것으로, 전술한 GaN 층(210)의 일부 영역이 식각된 부분에 형성된다.
활성층(300)은 전술한 n형 질화갈륨(GaN)층(200)과 후술할 p형 질화갈륨(GaN)층에서 공급받은 전자와 정공을 재결합시켜 여분의 에너지를 광으로 변환시키는 역할을 한다. 이러한 활성층(300)은 통상의 우물구조(Quantum Well, QW) 또는 효율을 높이기 위해 다중양자우물구조(Multiple Quantum Well, MQW)를 가질 수 있으며, 우물층과 장벽층의 조성 및 두께를 제어하여 필요한 대역의 파장을 얻을 수 있도록 한다.
상부층(400)은 p형 질화갈륨(GaN)으로 구성되어 전술한 활성층에 정공을 제공하는 것으로, 이러한 상부층(400) p형 질화갈륨(GaN)의 도핑 원료로는 Mg 가 사용될 수 있다.
투명전극층(420)은 전술한 상부층(400)과 와이어 본딩을 위한 p형 반도체 패드간의 상부에 오믹 컨택(Ohmic Contact)을 위해 형성한다. 전술한 상부층(400)의 p형 질화갈륨(GaN)은 저항이 높고 전류가 층 안에서 충분히 확산되지 않는다는 특성이 있으며, 이에 따라 투명전극층(420)은 소자 전면적에 전류를 균일하게 흘려 보내기 위해서 면적을 상부층(400)과 동일하게 구성해야 한다. 이러한 투명전극층(420)은 금속의 투명전극 물질인 인튬틴산화막(ITO) 및 카드늄주석산화막(CTO) 등과 같은 투과전도성 산화막층으로 형성하는 것이 바람직하다.
p형 반도체 패드(440)는 상부층을 와이어 본딩을 통해 패키지와 전기적으로 연결하기 위한 것으로, 투명전극층(420)의 상부에서 전술한 n형 질화갈륨(GaN)층(200) 상부로 소정 깊이까지 식각하여 n형 질화갈륨(GaN)층(200)을 노출시킨 뒤 n형 반도체 패드(240)와 함께 형성한다. 이때 수행되는 식각방법으로는 건식 식각(Dry Etching)방법이 적용 될 수 있다.
광 확산층(500)은 전술한 투명전극층(420) 상부의 전면에 형성되며, 서로 다른 굴절율을 가지는 복수개의 박막이 적층된 구조이다.
또한, 광 확산층(500)은 상기 투명전극층(420)과 p형 반도체 패드(440)를 전기적으로 연결하기 위해, p형 반도체 패드(440)가 형성되는 일부영역이 제거되어 있는 형태이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 일부분에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 발광소자는 n형 GaN층(200), n형 GaN층(200)의 상부에 형성된 활성층(300), 활성층(300)의 상부에 형성된 p형 GaN층(400), p형 GaN층(400)의 상부에 형성된 투명전극층(420), 투명전극층(420)과 전기적으로 연결되는 p형 반도체 패드(440) 및, 투명전극층(420)의 상부로 형성되는 광 확산층(500)을 포함한다.
여기서, 광 확산층(500)은 일부를 확대한 바와 같이 적어도 하나이상의 박막층들로 구성되며, 각각의 박막들은 서로 다른 굴절률(n1, n2, n3)을 가진다. 특히, 박막층들은 하부에서부터 상부로 갈수록 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다(n1 < n2 < n3).
구체적으로, 최하부 박막의 굴절률은 최하부 박막의 상부에 형성된 박막의 굴절률보다 높다(n2 < n3). 최하부 박막의 상부에 형성된 박막의 굴절률은 최상부 박막의 굴절률보다 높다(n1 < n2).
빛은 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 매질의 경계면에서 진행방향을 바꾸는 특성이 있으며, 이는 스넬의 법칙인 이하의 수학식 1
Figure pat00001
에 따라, 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하는 빛은 굴절각이 커지게 된다.
일예로서, 공기중에서의 굴절률이 1이라 하면, 광 확산층(500)은 상부의 박막층에서부터 순차적으로 n1 <= 1.4, n2 <= 1.6, n3 <= 1.8의 값을 가질 수 있다. 또한, 광 확산층(500)의 최하부에 배치되는 박막층의 굴절률(n3)은 적어도 광 확산층(500)의 하부에 형성된 투명전극층(420)의 굴절률보단 작아야 한다.
전술한 박막층들은 동일재료를 이용하여 각각 서로 다른 두께로 형성하여 다른 굴절률을 가지도록 구현되거나, 또는 각각 동일두께의 다른 재질로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 통상의 실리콘 산화물(SiO), 실리콘 질화물(SiN) 등으로 구성될 수 있다.
따라서, 활성층(300)으로부터 출광하는 수직성분의 빛은 p형 GaN층(400) 및 투명전극층(420)을 통과하여 광 확산층(500)을 거쳐 수평성분으로 산란되어 외부로 출사된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에서 출광되는 빛의 지향각 및 성분 분포를 그래프화한 도면이다.
도시한 바와 같이, 종래 발광 다이오드 소자는 방출되는 빛의 지향각이 소정범위내에서 0°를 수렴하였지만(i), 본 발명의 발광 다이오드 소자가 방출하는 빛은 산란된 형태로 지향각이 40°내에서 확산된다(j).
전술한 구조에 따라, 본 발명의 발광 다이오드 소자는 광 확산층에 의해 투명전극으로부터 방출하는 빛을 산란시킴으로서 진행방향이 수평으로 형성된다. 다시 말하면, 본 발명의 발광 다이오드 소자는 활성층에서 방출되는 빛이 도 5에 도시한 광 확산층의 각 박막층을 통과할 때, 각 박막층의 계면에서 수직방향에 가까운 빛이 수평방향으로 굴절각이 커지게 되어 수평방향의 빛이 증가하게 되며, 이에 따라, 발광 다이오드 소자에서 출사하는 빛의 지향각이 증가하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법은 버퍼층을 형성하는 단계(S100), 언도핑 GaN층을 형성하는 단계(S110), n형 GaN층을 형성하는 단계(S120), 활성층을 형성하는 단계(S130), p형 GaN층을 형성하는 단계(S140), 투명전극층을 형성하는 단계(S150), 광 확산층을 형성하는 단계(S160) 및 패드를 형성하는 단계(S170)를 포함한다.
보다 상세하게는, 버퍼층을 형성하는 단계(S100)는 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판상에 GaN층을 성장시키기 위해, MOCVD 또는 MBE 등의 방법을 통해 GaN층의 성장을 위한 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계이다.
언도프 GaN층을 형성하는 단계(S110)는, 버퍼층의 상부로 불순물이 도핑되지 않은 언도프(undoped) GaN 층을 형성하는 단계이다.
n형 질화갈륨(GaN)층을 형성하는 단계(S120)는, 언도프 GaN층의 상부로 n형 불순물인 Si 등을 도핑하여 n형 GaN층을 형성하는 단계이다.
활성층을 형성하는 단계(S130)는, 상기 n형 GaN층 상부에 양자우물(QW) 또는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW)층을 형성하는 단계이다.
p형 GaN층을 형성하는 단계(S140)는, 상기 활성층의 상부에 n형 GaN층을 형성하는 단계로서, 불순물인 Mg 등을 도핑하여 n형 GaN층을 형성하는 단계이다.
투명전극층을 형성하는 단계(S150)는, 전술한 p형 GaN층 상부의 전면에 p형 GaN층의 오믹(ohmic)접촉을 위한 투명전극층을 ITO 등의 재료를 이용하여 형성하는 단계이다.
광 확산층을 형성하는 단계(S160)는, 투명전극층 상부에 박막층을 형성하는 단계이다. 여기서 다중 박막층은 복수의 박막층으로 구성되며, 복수의 박막층은 각각 서로 다른 굴절율을 가진다. 또한, 복수의 박막층은 접촉면에서부터 외측으로 갈수록 굴절율의 값이 작아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 발광 다이오드 소자가 일반형이 아닌 플립형(flip type)일 경우에는 전술한 광 확산층은 투명전극층의 상부가 아닌 기판의 하부에 형성될 수 있으며, 이러한 일 예는 후술하도록 한다.
이후, 패드를 형성하는 단계(S170)는, 투명전극층과 전기적으로 연결되는 제1 반도체 패드 및, n형 GaN층과 전기적으로 연결되는 제2 반도체 패드를 형성하는 단계를 포함한다. 본 단계에서는 투명전극층의 일부영역이 노출될 수 있도록 광 확산층의 일부를 제거하고, 또한 n형 GaN층의 일부영역이 노출될 수 있도록 광 확산층, 투명전극층, p형 GaN층 및 활성층과, n형 GaN층의 소정높이까지 식각한다. 이후 제1 및 제 반도체 패드를 노출된 각각의 영역에 형성한다.
전술한 단계에 따라, 본 발명의 발광 다이오드 소자의 제조방법에 의하면, 발광 다이오드 소자의 투명전극층 상부로 광 확산층을 구비하여 출광되는 광의 수직성분을 산란시켜 수평성분으로 변환하게 된다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 설명한다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 전술한 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다. 이하에서 설명하는 제2 실시예는 플립칩(filp chip)방식 발광 다이오드 소자로서, 전술한 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 구조가 유사하며, 다만 출광하는 빛을 활용하는 방향에 차이가 있고 이에 따라 형성되는 광 확산층의 위치가 다르다는 특징이 있다.
통상의 발광 다이오드 소자는 활성층에서 발생하는 빛이 임의의 방향으로 진행하며, 활성층 자체에서 흡수되기도 하고, 소자 표면이나 패드에 반사되어 일부 또는 전부가 소자 내부로 되돌아 오기도 한다. 이에 따른 빛의 손실을 합산하면 대략 80%이상이 탈출하지 못하고 내부에서 소멸하여 열로 전환된다. 플립칩 방식은 이러한 단점을 개선하기 위한 것으로 투명기판을 통해 빛이 방출되게 설계되어 패드 및 기타 층에서 발생하는 손실을 없애 빛의 추출효율을 향상시키고 전류확산을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도면을 참조하면, 제2 실시예에 따른 플립칩 방식 발광 다이오드 소자는 전술한 바와 같이, 활성층에서 방출하는 빛이 투명전극층의 방향으로 출사하는 것이 아닌 기판방향으로 출사하는 형태로서, 보다 상세하게는 기판(102)으로부터 하부로 버퍼층(152), 언도프 n형 GaN층(212), n형 GaN층(202), n형 반도체 패드(242), 활성층(302), p형 GaN층(402), 투명전극층(422), p형 반도체 패드(442)와, 전술한 기판(102)의 상부로 형성되는 광 확산층(502)을 포함한다. 또한, 도시하지는 않았지만, 투명전극층(422)의 하부로 반사층이 더 형성될 수 있다.
여기서, 광 확산층(502)은 제1 실시예와 동일하게 적어도 하나이상의 박막층들로 구성되며, 각각의 박막층들은 서로 다른 굴절률을 가진다. 또한, 박막층들은 기판보다 굴절률 낮고, 기판에서 상부방향으로 갈수록 상대적으로 낮은 굴절률 가지게 된다.
즉, 최하부 박막의 굴절률은 최하부 박막의 상부에 형성된 박막의 굴절률보다 높다(n2 < n3). 최하부 박막의 상부에 형성된 박막의 굴절률은 최상부 박막의 굴절률보다 높다(n1 < n2).
이는 전술한 수학식 1에 따라, 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하는 빛은 굴절각이 커지게 되기 때문이며, 예를 들어 공기중에서의 굴절률이 1이라 하면, 광 확산층(502)은 상부의 박막층에서부터 순차적으로 n1 <= 1.4, n2 <= 1.6, n3 <= 1.8의 값을 가질 수 있다. 또한, 광 확산층(502)의 최하부에 배치되는 박막층의 굴절률(n3)은 적어도 광 확산층(502)의 하부에 형성된 기판(102)의 굴절률보단 작아야 한다.
전술한 박막층들은 동일재료를 이용하여 각각 서로 다른 두께로 형성하여 다른 굴절률을 가지도록 구현되거나, 또는 각각 동일두께의 다른 재질로 구현될 수 있으며, 제1 실시예와 동일하게 실리콘 산화물(SiO), 실리콘 질화물(SiN) 등으로 구성되는 것이 바람직하다.
전술한 구조에 따라, 본 발명의 발광 다이오드 소자는 광 확산층에 의해 기판으로부터 방출하는 빛을 산란시킴으로서 진행방향이 수평으로 형성된다.
또한, 도시하지는 않았지만 본 발명의 제2 실시예에 다른 발광 다이오드 소자의 제조방법 또한 제1 실시예와 유사하며, 다만 광 확산층을 형성하는 단계에서 투명전극층이 아닌 기판상에 형성한다는 차이점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판 150 : 버퍼층
200, 210 : 하부층 240 : n형 반도체 패드
300 : 활성층 400 : 상부층
420 : 투명전극층 440 : p형 반도체 패드
500 : 광 확산층

Claims (18)

  1. 광을 방출시키는 발광 구조물; 및,
    상기 발광 구조물의 하부 또는 상부 중 적어도 하나에 형성되어 상기 발광 구조물로부터 방출되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층을 포함하고,
    상기 광 확산층은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는
    발광 다이오드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 구조물은, 기판;
    상기 기판의 상부에 형성되며 일 영역에 제1 전극을 가지는 하부층;
    상기 하부층의 상부에 형성되어 광을 방출하는 활성층;
    상기 활성층의 상부에 형성되는 상부층; 및,
    상기 상부층의 상부에 형성되고 제2 전극을 가지는 투명전극층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 및 하부층 사이에, 버퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은, 사파이어(sapphire), 실리콘(si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs)및 산화아연(ZnO) 중 하나로 구성되고,
    상기 하부층은, n형 질화갈륨(GaN)층 및, 상기 질화갈륨 층의 하부로 언 도프(undoped) n형 질화갈륨(GaN)층을 포함하고,
    상기 상부층은, p형 질화갈륨(GaN)을 포함하고,
    상기 투명전극층은, 인듐 주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 인듐 아연산화물(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 하나를 포함하고,
    상기 활성층은, 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 적어도 최하부의 박막층의 굴절률이 최상부의 박막층의 굴절률 보다 높은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 최하부의 박막층은, 적어도 상기 발광구조물 보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 각각 서로 다른 두께를 가지는 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 실리콘 산화물(SiO) 또는 실리콘 질화물(SiN) 중 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 하부 또는 상기 투명전극층의 상부에 형성되는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  10. 발광 다이오드 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    광을 방출시키는 발광 구조물을 형성하는 단계; 및,
    상기 발광 구조물의 하부 또는 상부 중 적어도 하나에 상기 발광 구조물로부터 방출되는 광의 지향각을 증가시키는 광 확산층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 광 확산층은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광 구조물을 형성하는 단계는,
    기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 상부로 일 영역에 제1 전극을 가지는 하부층을 형성하는 단계;
    상기 하부층의 상부에 광을 방출하는 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층의 상부에 상부층을 형성하는 단계; 및,
    상기 상부층의 상부에 제2 전극을 가지는 투명전극층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판을 형성하는 단계 및 상기 하부층을 형성하는 단계 사이에,
    상기 기판의 상부로 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은, 사파이어(sapphire), 실리콘(si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs)및 산화아연(ZnO) 중 하나로 구성되고,
    상기 하부층은, n형 질화갈륨(GaN)층 및 상기 질화갈륨 층의 하부로 언 도프(undoped) n형 질화갈륨(GaN)층을 포함하고,
    상기 상부층은, p형 질화갈륨(GaN)을 포함하고,
    상기 투명전극층은, 인듐 주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 인듐 아연산화물(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 하나를 포함하고,
    상기 활성층은, 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 적어도 최하부의 박막층의 굴절률이 최상부의 박막층의 굴절률 보다 높은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 최하부의 박막층은, 적어도 상기 발광구조물 보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 각각 서로 다른 두께를 가지는 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 실리콘 산화물(SiO) 또는 실리콘 질화물(SiN) 중 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광 구조물을 형성하는 단계 이후에, 상기 광 확산층과 대향하는 위치에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조방법.
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