KR100801618B1

KR100801618B1 - 발광 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100801618B1
Application number: KR20060060817A
Authority: KR
Inventors: 서원철; 윤여진; 이재호
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-02-11
Also published as: KR20080002162A

Abstract

발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 발광 소자는, 기판상에 형성된 하부 반도체층, 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하여 형성된 복수의 발광셀들을 포함하고, 발광셀들은 5개 이상의 측벽들을 갖는 다각 기둥 형상을 갖는다.

발광 소자, 발광셀, 다각 기둥, 요철부

Description

발광 소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING ELEMENT AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 일반적인 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자를 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 평면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 사시도,

도 4 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.

*도면의 주요부호에 대한 설명*

21 : 기판 23 : 버퍼층

25 : 하부반도체층 27 : 활성층들

29 : 상부반도체층 31 : 투명전극

33, 35 : 전극패드

본 발명은 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광효율이 높은 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emiting Diode: LED)는 P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 구조를 갖는 광전변환 소자로서, 순방향 전압을 가하면 P형 반도체와 N형 반도체의 접합부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 재결합하여 빛을 발산한다. 이때 방출되는 빛의 색상은 갭 에너지에 의해 결정되므로 반도체 재료의 선택에 따라 원하는 색상의 빛을 방출하는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

이러한 발광 다이오드는 다양한 색상 구현이 가능하여 각종 전자 제품류와 계기판, 전광판 등에 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다.

또한, 발광 다이오드는 기존의 백열전구 또는 형광등과 같은 조명기구에 비해 전력 소모가 작고 수명이 길어, 기존 조명기구를 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다. 다만, 발광 다이오드를 일반 조명 용도로 사용하기 위해서는 발광 다이오드의 발광 효율을 높이는 것이 상당히 중요하며 이를 위해 다양한 기술이 개발되고 있다.

도 1은 일반적인 복수개의 발광셀을 갖는 발광 소자를 나타내는 사시도이다.

도면을 참조하면, 기판(1) 상에 하부 반도체층들(5), 활성층들(7) 및 상부 반도체층들(9)을 포함하는 반도체층들(6)이 순차적으로 위치한다. 그리고, 반도체층들(6) 상에 투명전극층들(11)이 위치하고, 상기 투명전극층들(11) 및 하부 반도 체층들(5) 상에 전극패드들(15, 13)이 위치한다. 한편, 반도체층들(6)과 기판(1) 사이에 버퍼층(3)이 개재될 수 있다.

이와 같은 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 발광셀들은 도시된 바와 같이 측벽이 4개로 구성되어 측벽들이 이루는 내각은 90도가 되며, 기판(1)은 그 측벽이 하부면과 수직으로 형성된다.

이러한 일반적인 발광 소자는, 활성층들(7)에서 빛이 발광되며 발광된 빛 중 상측으로 방사되는 빛은 발광 소자 칩의 상부면의 금속층들(11)을 통해 공기 중으로 방출된다.

그러나, 활성층들(7)에서 발광된 빛 중 반도체층의 측벽을 향해 방사된 빛은 상기한 바와 같은 측벽에 도달하면 반도체층들과 공기와의 굴절율 차이로 인해 공기 중으로 쉽게 방출되지 못하고 반도체 층들의 내부로 전반사되어 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있다

또한, 활성층들(7)에서 발광된 빛 중 하측 기판(1) 내부로 방사된 빛은 기판(1)과 공기와의 굴절율 차이로 인해 공기 중으로 쉽게 방출되지 못하고 기판(1) 내부에서 전반사를 반복하여 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 발광셀들의 측벽 또는 기판 내부로 방사된 빛이 공기 중으로 쉽게 방출될 수 있는 발광 소자가 요구된다.

본 발명은, 반도체층들 또는 기판 내부에서 빛의 전반사에 의해 발광 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으 로 한다.

상기 목적은, 본 발명에 따르면, 기판상에 형성된 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층; 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층;을 포함하여 형성된 복수의 발광셀들을 포함하고, 상기 발광셀들은 5개 이상의 측벽들을 갖는 다각 기둥 형상을 갖는 발광 소자에 의해 달성된다. 본 발명의 발광 소자는 하나의 기판 상에 복수개의 발광 소자들을 갖는다. 따라서, 상기 "발광셀"은 하나의 기판 상에 형성된 복수개의 발광 소자들 각각을 의미한다.

여기서, 상기 기판은 그 측벽의 적어도 일부에 형성된 요철부를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따르면, 기판상에 반도체층들을 형성하는 단계; 상기 반도체층들이 식각되어 형성될 복수의 발광셀들 각각이 5개 이상의 측벽들을 갖도록 5면 이상의 다각형 형상을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반도체층들을 식각하여 5개 이상의 측벽들을 갖는 상기 복수의 발광셀들을 형성하는 단계;를 포함하는 발광 소자 제조방법이 제공된다.

또한, 상기 기판의 적어도 일부에 물결 모양의 제2 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 제2 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 기판의 측벽에 요철부가 형성되도록 상기 기판을 식각하는 단계;를 더 포함한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자는, 각 발광셀들의 측벽의 개수가 5개 이상으로서 도 2의 평면도에는 측벽의 개수가 6개인 발광 소자를 그 예로써 도시하였으며, 위에서 본 발광셀들의 형태가 육각형을 이루고 있다. 본 발명에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 발광셀들의 개수는 5개 이상일 수 있으며 이에 따라 위에서 본 발광셀들의 형태가 5개 이상의 면을 갖는 다각형을 이루게 된다.

기판(21)은 절연성 재질의 사파이어를 사용할 수 있으며, Si, SiC, 또는 GaN등 전도성이나 반도체 기판도 사용가능하다. 전도성 또는 반도체 기판은 사파이어 기판보다 상대적으로 열전도율이 우수하기 때문에, 최근에는 고출력을 필요로 하는 GaN계 화합물 반도체 제품에 많이 사용되고 있다.

GaN계 화합물 반도체로 형성되는 발광셀(26)은, N형 불순물이 도핑된 하부반 도체층들(25), P형 불순물이 도핑된 상부반도체층들(29), 및 하부반도체층들과 상부반도체층들 사이에 게재된 활성층들(27)을 포함한다. 그리고, 버퍼층(23)이 기판(21)과 하부반도체층들(25) 사이의 격자부정합을 줄이기 위하여, 기판(21)상에 일정한 두께로 형성될 수 있다. 상기 기판(21)이 전도성인 경우, 버퍼층(23)은 절연성 또는 반절연성인 것이 바람직하다. 이러한 버퍼층은 AlN, InGaN, GaN, 또는 AlGaN 등으로 구성할 수 있다.

하부반도체층들(25)은 불순물의 도핑없이 형성할 수 있지만, Si, Ge, Se, S, 또는 Te등의 불순물을 도핑하여 형성하는 것이 바람직하다. 하부반도체층들(25)은 불순물을 포함하는 GaN와 불순물을 포함하지 아니하는 GaN를 번갈아 적층한 구조로 구성할 수도 있다.

활성층들(27)은, InGaN를 기본으로, GaN를 포함하는 양자우물(QW, Quantum Well)구조 또는 다중양자우물(MQW, Multi Quntum Well)구조로 구성가능하다.

상부반도체층들(29)은, P형 불순물을 도핑하여 형성하며, P형 불순물로는, Be, St, Ba, Zn 또는 Mg을 사용가능하나, 주로 Mg을 사용한다.

한편, 기판(21) 위에 성장시킨 GaN 계 화합물 반도체층들으로 구성된 발광셀들(26)은, 상기 도 2에 도시된 바와 같은 그 상부에서 본 형태인 5개 이상의 면을 가진 다각형 형태에 대응하는 포토레지스트 패턴에 따라 에칭되어 도 3에 도시된 바와 같이 5개 이상의 측벽을 갖는 다각 기둥 형상을 갖게 된다.

따라서, 활성층(27)에서 방출되어 반도체층들 내부로 방사된 빛은 5개 이상의 측벽 중 어느 하나를 통해 쉽게 공기중으로 방출되어 발광 소자의 발광 효율을 높일 수 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 발광셀들(26)은 상부반도체층들(29), 활성층들(27) 및 하부반도체층들(25)의 일부를 부분적으로 에칭하여, 하부반도체층들(25)의 일부가 외부에 노출되어 있다. 상부반도체층들(29)에는 전극(31)이 얇은 두께로 마련되며, 활성층들(27)에서 발생되는 광을 효율적으로 외부에 발산시키기 위해 투명전극으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상부반도체층들(29) 상에 형성된 투명전극들(31)과 노출된 하부반도체층들(25) 상에는 전극패드들(35, 33)이 각각 형성된다.

한편, 도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 기판(21)의 측벽에는 적어도 물결 모양의 요철부(21a)가 형성되어 있다. 이러한 기판(21)의 측벽에 형성된 요철부(21a)는 활성층(27)에서 방출되어 기판(21) 내부로 방사된 빛이 기판의 측벽에서 전반사를 반복하는 것을 방지하고 요철부(21a)를 통해 빛이 공기중으로 쉽게 방출되도록 하여 발광 소자의 발광 효율을 높일 수 있다. 요철부(21a)의 물결 모양은 하나의 예로서 그 형태는 이에 제한되지 않고 다양하게 형성할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 복수의 발광셀을 갖는 발광 소자 제조 방법에 대해 설명한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 4를 참조하면, 기판(21) 상에 반도체층들을 형성한다. 상기 기판(21)은 그 위에 형성될 반도체층의 격자상수를 고려하여 선택된다. 예컨대, 상기 기판(21) 상에 GaN 계열의 반도체층이 형성될 경우, 상기 기판(21)은 사파이어 또는 SiC 기판일 수 있다. SiC 기판은 사파이어 기판에 비해 열전도성이 우수하며, 전기 전도성을 나타낸다.

상기 기판(21) 상에 형성되는 반도체층들은, 하부반도체층(25), 활성층(27) 및 상부반도체층(29)을 포함하며, 기판(21)과 하부반도체층(25) 사이의 격자부정합을 줄이기 위하여 버퍼층(23)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 하부 및 상부 반도체층은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.

상기 하부반도체층(25)은 N형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 N형 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, 상부반도체층(59)은 P형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 P형 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 및 상부 반도체층들은 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으며, 다층막으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 N형 불순물로는 Si을 사용할 수 있으며, P형 불순물로는 마그네슘(Mg)을 사용할 수 있다.

상기 활성층(27)은 일반적으로 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막 구조를 갖는다. 상기 양자우물층과 장벽층은 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x, y≤1, 0≤x+y≤1) 화합물을 사용하여 형성할 수 있으며, N형 또는 P형의 불순물이 주입될 수 있다.

또한, 상기 상부반도체층(29) 상에 금속층(31)이 더 형성될 수 있다. 상기 금속층(31)은 투명전극층일 수 있으며, 상부반도체층(29)에 균일한 전류를 공급하기 위해 형성된다.

상기 기판(21) 상에 형성되는 반도체층들은 금속유기 화학기상증착(metalorganic chemical mechanical deposition; MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE)법 등을 사용하여 형성할 수 있다.

이어서, 도 5를 참조하면, 상기 금속층(31), 상부반도체층(29), 활성층(27), 하부반도체층(25) 및 버퍼층(23)을 패터닝하여 셀들을 분리하고, 하부반도체층(25)의 상부면을 노출시킨다. 그 결과, 노출된 상부반도체층을 갖는 5개 이상의 측벽을 갖는 다각기둥, 본 실시예에서는 그 예로써 육각기둥 형상의 발광셀들(26)이 형성된다.

상기 각 층들은 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝될 수 있다. 예컨대, 상기 금속층(31) 상에 셀들을 분리하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 금속층(31), 상부반도체층(29), 활성층(27), 하부반도체층(25) 및 버퍼층(23)을 차례로 식각한다. 이에 따라, 서로 이격된 하부반도체층들(25) 및 버퍼층들(23)이 형성된다.

여기서, 상기 금속층(31) 상에 형성되는 포토레지스트 패턴은 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 위에서 본 형태가 5개 이상의 면의 가진 다각형 형태가 되도록 하여, 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 상기 반도체층들을 차례 로 식각하면 분리되는 각 발광셀들은 5개 이상의 측벽을 갖는 다각기둥의 형상을 나타내게 된다.

그 후, 분리된 셀들을 갖는 기판 상에 하부반도체층(25)의 노출영역을 한정하는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 사용하여 금속층(31), 상부반도체층(29) 및 활성층(27)을 차례로 식각하여 하부반도체층(25)의 상부면을 노출시킨다. 그 결과, 상기 하부반도체층들(25) 각각의 일부분 상에 위치하는 상부반도체층(29), 상기 상부반도체층(29) 상에 위치하는 금속층(31) 및 상기 상부반도체층(29)과 하부반도체층(25) 사이에 개재된 활성층(27)들이 형성된다. 이때, 노출된 하부반도체층(25)과 금속층(31) 상에 패드용 전극(33, 35)들도 함께 형성될 수 있다.

그리고, 인접한 발광셀들의 하부반도체층(25)과 상부반도체층(29)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(37)을 형성하기 위해, 인접한 발광셀들의 전극패드들(35, 33)을 연결한다. 상기 금속배선들(37)은 에어브리지(air bridge) 공정 또는 스텝 커버(step-cover) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같이 기판(21)의 측면의 적어도 일부에 요철부(21a)를 생성하기 위해, 생성하고자 하는 요철부(21a)의 형태에 대응하는 제2 포토레지스트 패턴을 기판(21) 상에 형성하고 이를 식각마스크로 사용하여 기판(21)을 식각한다.

여기서는, 요철부(21a)의 형태로서 물결 모양을 그 예로 들어 나타냈으며, 이에 따라 활성층(27)에서 방출되어 기판(21) 내부로 방사된 빛이 기판의 측벽에서 요철부(21a)를 통해 공기중으로 쉽게 방출되어 발광 소자의 발광 효율이 높아진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 발광 소자의 복수의 발광셀들이 5개 이상의 측벽을 가져 각 발광셀들의 측벽에서 빛이 공기중으로 쉽게 방출됨으로써 발광 소자의 발광 효율이 높아진다.

또한, 기판의 측벽 적어도 일부에 요철부를 형성하여 기판의 측벽에서 빛의 전반사가 반복되는 것을 막아 발광 소자의 발광 효율이 더욱 높아진다.

Claims

기판 상에 형성된 하부 반도체층;

상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층; 및

상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층들 사이에 개재된 활성층;을 포함하여 상기 기판 상에 서로 이격되도록 형성된 복수의 발광셀들을 포함하고, 상기 발광셀들은 5개 이상의 측벽들을 갖는 다각 기둥 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
청구항 1에 있어서, 상기 기판은 그 측벽의 적어도 일부에 형성된 요철부를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
기판상에 반도체층들을 형성하는 단계;

상기 반도체층들이 식각되어 형성될 복수의 발광셀들 각각이 5개 이상의 측벽들을 갖도록 5면 이상의 다각형 형상을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반도체층들을 식각하여 5개 이상의 측벽들을 갖는 상기 복수의 발광셀들을 형성하는 단계;를 포함하는 발광 소자 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 기판의 측벽에 형성할 요철부의 형태에 상응하는 제2 포토레지스트 패턴을 상기 기판 상의 적어도 일부에 형성하고, 상기 제2 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 기판의 측벽에 상기 요철부가 형성되도록 상기 기판을 식각하는 단계;를 더 포함하는 발광 소자 제조방법.