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KR100599011B1 - 메쉬 전극을 채택하는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

메쉬 전극을 채택하는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광다이오드 및 그것을 제조하는 방법 Download PDF

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KR100599011B1
KR100599011B1 KR1020050057325A KR20050057325A KR100599011B1 KR 100599011 B1 KR100599011 B1 KR 100599011B1 KR 1020050057325 A KR1020050057325 A KR 1020050057325A KR 20050057325 A KR20050057325 A KR 20050057325A KR 100599011 B1 KR100599011 B1 KR 100599011B1
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이재호
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Abstract

메쉬 전극을 채택하는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는 기판 상부에 위치하고, N형 반도체층, N형 반도체층의 일부 영역 상에 위치하는 P형 반도체층, 및 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 각각 포함하는 복수개의 발광셀들을 포함한다. 메쉬 전극이 각 발광셀의 P형 반도체층 상에 위치하고, 각 P형 반도체층은 메쉬 전극에 대응하는 요부 및 철부를 갖는다. 한편, 기판과 각 발광셀 사이에 버퍼층이 개재된다. 메쉬 전극을 채택함에 따라, 전극에 의한 광손실을 감소시킬 수 있으며, 메쉬 전극 및 P형 반도체층에 의해 형성된 요철에 의해 광추출효율이 개선된다.
발광 다이오드, 교류 구동 발광다이오드(ACLED), 메쉬 전극(mesh electrode)

Description

메쉬 전극을 채택하는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE HAVING A PLURALITY OF LIGHT EMITTING CELLS EACH EMPLOYING A MESH ELECTRODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광추출 효율을 개선하기 위해 메쉬 전극을 채택한 복수개의 발광셀들을 갖는 발광다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
발광 다이오드는 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여, 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드가 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.
상기 WO 2004/023568(Al)호에 따르면, LED들(발광셀들)이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에 2차원적으로 직렬연결되어 LED 어레이를 형성한다. 이러한 두개의 LED 어레이들이 상기 사파이어 기판 상에서 역병렬로 연결된다. 그 결과, AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 단일칩 발광소자가 제공된다.
이러한 발광소자는 LED 어레이들이 교류전원하에서 교대로 동작하므로, 발광셀들이 동시에 동작하는 경우에 비해 광출력이 상당히 제한적이다. 따라서, 최대 광출력을 증가시키기 위해 각 발광셀들의 광추출효율을 개선시킬 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광추출효율이 개선된 발광셀들을 갖 는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 메쉬 전극을 채택하는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는 복수개의 발광셀들을 포함한다. 상기 발광셀들은 기판 상부에 위치하고, N형 반도체층, 상기 N형 반도체층의 일부 영역 상에 위치하는 P형 반도체층, 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 각각 포함한다. 메쉬(mesh) 전극이 상기 각 발광셀의 P형 반도체층 상에 위치한다. 상기 각 P형 반도체층은 상기 메쉬 전극에 대응하는 요부 및 철부를 갖는다. 또한, 상기 기판과 상기 각 발광셀 사이에 버퍼층이 개재된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 메쉬 전극을 채택하여, 전극에 의한 광손실을 감소시킬 수 있으며, 메쉬 전극 및 P형 반도체층에 의해 형성된 요철에 의해 전반사되는 광을 감소시켜 광추출효율을 개선할 수 있다.
한편, 광투과층이 상기 메쉬 전극을 덮을 수 있다. 상기 광투과층은 메쉬 전극 및 P형 반도체층의 철부를 덮는다. 상기 광투과층은 1.3~1.8 범위 내의 굴절율을 가질 수 있다. 이에 따라, 굴절율이 작은 광투과층을 사용하여 외부로 방출되는 광의 양을 증가, 즉 광추출효율을 개선할 수 있다.
이와 달리, 반사금속층이 상기 메쉬 전극을 덮을 수 있다. 플립칩 본딩을 위 한 금속 범퍼가 상기 반사금속층 상에 형성된다. 이에 따라, 광추출 효율이 개선된 플립칩 형 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(21) 상에 패터닝된 복수개의 발광셀들(30)이 위치한다. 상기 기판(21)은 예컨대 사파이어 기판 또는 사파이어에 비해 열전도율이 큰 SiC 기판 등 일 수 있다.
상기 발광셀(30)들 각각은 N형 반도체층(25), 활성층(27) 및 P형 반도체층(29a)을 포함한다. 상기 활성층(27) 및 상기 P형 반도체층(29a)은, 도시한 바와 같이, 상기 N형 반도체층(25)의 일부 영역 상에 위치한다. 따라서, 상기 N형 반도체층(25) 상부면의 다른 일부 영역은 노출된다.
N형 반도체층(25)은 N형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(29a)은 P형 AlxInyGa1-x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, P형 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 N형 반도체층(25)은 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있으며, P형 반도체층(29a)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.
활성층(27)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 상기 활성층(27)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광셀에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 상기 활성층(27)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.
기판(21)과 발광셀들(30) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다. 상기 버퍼층(23)은 그 상부에 형성될 반도체층들과 상기 기판(21) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 또한, 상기 기판(21)이 전도성인 경우, 상기 버퍼층(23)은 기판(21)과 발광셀들(30)을 전기적으로 절연시키기 위해, 절연물질 또는 반절연물질로 형성된다. 상기 버퍼층(23)은 예컨대 AlN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다. 한편, 상기 기판(21)이 사파이어와 같이 절연성인 경우, 상기 버퍼층(23)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 버퍼층(23)은 발광셀(30)들을 전기적으로 분리시키기 위해 각 발광셀(30)에 대응하여 서로 이격된다.
상기 발광셀(30)의 P형 반도체층(29a) 상에 메쉬 전극(31b)이 위치한다. 상기 메쉬 전극(31b)은 상기 P형 반도체층(29a)을 노출시키는 개구부들을 갖는다. 일반적으로, 판상의 투명전극은 광을 투과시키기도 하지만, 광을 흡수하기도 한다. 따라서, 전극의 광흡수에 따른 광손실이 발생한다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 활성층(27)에서 방출된 광이 상기 개구부들을 통해 외부로 방출될 수 있어, 판상의 투명 전극에 비해 광손실을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 광추출효율이 개선된다. 상기 메쉬 전극(31b)은 Ni/Au 또는 인디움틴산화막(ITO)과 같은 투명물질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 메쉬 전극(31b)은 투명전극일 수 있다.
한편, 상기 메쉬전극(31b)에 전기적으로 연결된 패드용 전극(31a)이 상기 메쉬 전극(31b)과 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 상기 전극(31a)은 메쉬전극(31b)과 동일 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 P형 반도체층(29a)은 상기 메쉬 전극(31b)에 대응하는 요부 및 철부를 갖는다. 이에 따라, 발광셀(30) 상부, 즉 광 출사면에 상기 P형 반도체층(29a) 및 메쉬 전극(31b)에 의해 요철이 형성된다. 광이 방출되는 출사면에 요철이 형성됨에 따라, 전반사되는 광을 감소시킬 수 있어 광 추출효율을 개선할 수 있다.
한편, 광투과층(33)이 상기 메쉬 전극(31b)을 덮을 수 있다. 상기 광투과층(33)은 투광성 물질, 예컨대 SiO2로 형성될 수 있다. 상기 광투과층은, 상기 P형 반도체층(29a) 및 메쉬 전극(31b)에 비해 낮은 굴절율, 예컨대 1.3~1.8 범위 내의 굴절율을 갖는다. 따라서, 상기 광투과층(33) 상부면에서 전반사되는 것을 방지할 수 있어 광추출효율을 더욱 개선할 수 있다.
상기 N형 반도체층(25) 상에 전극 패드(35a)가 위치하고, 상기 P형 반도체층(29a) 상에 전극 패드(35b)가 위치한다. 상기 P형 반도체층 상에 패드용 전극(31a) 이 형성된 경우, 상기 전극 패드(35b)는 상기 패드용 전극(31a) 상에 형성된다.
상기 발광셀들(30)은 금속배선들(37)을 통해 전기적으로 연결된다. 상기 금속배선들(37)은 상기 전극 패드(35a)와 전극패드(35b)를 연결하여, 인접한 발광셀들(30)의 P형 반도체층(29a)과 N형 반도체층(25)을 전기적으로 연결한다. 상기 금속배선들(37)에 의해 발광셀들(30)은 직렬 연결된 어레이를 형성한다. 상기 기판(21) 상에 두개 이상의 직렬 연결된 발광셀들의 어레이들이 형성될 수 있으며, 이 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류 전원에 의해 구동될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 버퍼층(23)을 형성하고, 상기 버퍼층(23) 상에 N형 반도체층(25), 활성층(27) 및 P형 반도체층(29)을 차례로 형성한다. 상기 P형 반도체층(29)은 0.5~5㎛의 충분한 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(23) 및 반도체층들(25, 27, 29)은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 반도체층들(25, 27, 29)은 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(23)은 AlN 또는 반절연 GaN층과 같은 절연성 물질막으로 형성될 수 있으나, 경우에 따라 도전성 물질막, 예컨대 N형 GaN층으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 기판(21)이 사파이어 와 같은 절연 기판일 경우, 상기 버퍼층은 도전성 물질막으로 형성될 수 있다.
상기 P형 반도체층(29) 상에 전극층(31)을 형성한다. 상기 전극층(31)은 투명물질, 예컨대 Ni/Au 또는 ITO로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 전극층(31) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 사용하여 상기 전극층(31) 및 상기 P형 반도체층의 일부를 제거한다. 그 결과, 메쉬 전극(31b) 및 상기 메쉬 전극에 대응하는 요부 및 철부를 갖는 패터닝된 P형 반도체층(29a)이 형성된다. 이때, 패드용 전극(31a)도 함께 형성될 수 있다.
상기 메쉬 전극(31b)이 형성된 기판 상에 광투과층(33)을 형성한다. 상기 광투과층(33)은 투광성 물질, 예컨대 SiO2로 형성될 수 있으며, 상기 P형 반도체층(29) 및 상기 전극층(31)에 비해 굴절율이 작은 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 광투과층(33)은 화학기상증착법(CVD)을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 광투과층(33)은 메쉬 전극(31b) 및 P형 반도체층(29a)의 요부 및 철부에 의해 형성된 요철을 따라 형성되어, 도시된 바와 같이, 그루브들을 갖는다.
도 4를 참조하면, 광투과층(33)이 형성된 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 광투과층(33), 상기 메쉬 전극(31b) 및 상기 패터닝된 P형 반도체층(29a), 활성층 및 N형 반도체층을 차례로 패터닝하여 서로 이격된 발광셀들(30)을 형성한다. 이때, 상기 N형 반도체층(25) 상부의 일부 영역이 노출되도록 한다.
상기 노출된 N형 반도체층(25) 상에 전극 패드(35a)를 형성한다. 상기 전극 패드(35a)는 리프트-오프(lift-off)법을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 패 드용 전극(31a) 상에 전극 패드(35b)를 형성한다. 상기 광투과층(33)이 절연물질로 형성된 경우, 상기 패드용 전극(31a) 상의 광투과층(33)을 사진 및 식각 공정을 사용하여 미리 제거한다. 상기 전극 패드(35b)도 또한 리프트-오프 법을 사용하여 형성될 수 있다.
그 후, 인접한 발광셀들(30)의 N형 반도체층(25)과 P형 반도체층(29a)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(37)을 형성하여 도 1의 발광 다이오드가 완성된다. 상기 금속배선들(37)은 인접한 발광셀들의 전극패드들(35a, 35b)을 연결한다. 상기 금속배선들(37)은 에어브리지(air bridge) 공정 또는 스텝 커버(step-cover) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플립칩형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시예에 따른 플립칩형 발광 다이오드는 도 1의 발광 다이오드와 대부분 동일하므로 차이점에 대해서만 간략하게 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 기판(21)은 사파이어와 같은 투광성 기판을 사용한다. 또한, 광투과층(도 1의 33) 대신 반사금속층(53)이 형성되고, 상기 반사금속층(53) 상에 금속범퍼(55)가 위치한다. 반사금속층(53)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 Cu, Al, Ag, W, Cr, Au, Ni, Ru, Pt, Pd, In, Sn, Pb 또는 이들의 합금층으로 형성된다. 반사금속층(55)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 아니며, 다층막으로 형성될 수도 있다.
반사금속층(53)은 활성층(27)에서 생성된 광을 기판(21) 쪽으로 반사시키어 광추출효율을 향상시킨다. 반사금속층(53)은 도전성이므로, 패드용 전극(31a) 상의 반사금속층은 제거되지 않아도 된다. 또한, 패드용 전극(31a)을 형성하지 않을 수도 있다.
상기 금속범퍼(55)는 플레이팅 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 금속범퍼는 상기 발광 다이오드를 서브마운트(도시하지 않음)에 접착시키기 위해 사용되며, 발광 다이오드에서 발생된 열을 서브마운트에 전달하는 역할을 한다. 상기 서브마운트는 상기 금속범퍼에 대응하는 금속 패드들을 갖는다. 따라서, 열전도율이 높은 반사금속층(53)을 사용하여 금속범퍼(55)를 통해 서브마운트로 열방출을 촉진할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 메쉬 전극 및 이에 대응하는 요부 및 철부를 갖는 P형 반도체층에 의해 광추출 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 또한, 상기 메쉬전극을 덮는 광투과층 또는 반사금속층을 형성하여 광추출효율을 더욱 개선할 수 있다. 또한, 광추출효율이 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판 상부에 위치하고, N형 반도체층, 상기 N형 반도체층의 일부 영역 상에 위치하는 P형 반도체층, 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 각각 포함하는 복수개의 발광셀들;
    상기 각 발광셀의 P형 반도체층 상에 위치하는 메쉬(mesh) 전극; 및
    상기 기판과 상기 각 발광셀 사이에 개재된 버퍼층을 포함하되,
    상기 각 P형 반도체층은 상기 메쉬 전극에 대응하는 요부 및 철부를 갖는 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬 전극을 덮는 광투과층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메쉬 전극은 투명 전극이고,
    상기 광투과층은 1.3~1.8 범위 내의 굴절율을 갖는 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    인접한 상기 발광셀들의 N형 반도체층과 P형 반도체층을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 더 포함하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬 전극을 덮는 반사금속층을 더 포함하는 발광 다이오드
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반사금속층은 Cu, Al, Ag, W, Cr, Au, Ni, Ru, Pt, Pd, In, Sn, Pb 및 이들의 합금층으로 이루어진 일군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속층인 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    인접한 상기 발광셀들의 N형 반도체층과 P형 반도체층을 전기적으로 연결하는 금속배선들; 및
    플립칩 본딩이 가능하도록 상기 반사금속층 상부에 형성된 금속범퍼를 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 기판 상에 버퍼층을 형성하고,
    상기 버퍼층 상에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 전극을 차례로 형성하고,
    상기 전극 및 상기 P형 반도체층을 패터닝하여, 메쉬 전극 및 상기 메쉬 전극에 대응하는 요부 및 철부를 갖는 패터닝된 P형 반도체층을 형성하는 것을 포함 하는 발광 다이오드 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메쉬 전극을 덮고, 1.3~1.8 범위 내의 굴절율을 갖는 광투과층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광투과층, 상기 메쉬 전극 및 상기 패터닝된 P형 반도체층, 활성층 및 N형 반도체층을 차례로 패터닝하여 서로 이격된 발광셀들을 형성하되, 상기 발광셀들의 각 N형 반도체층 상부면의 일부 영역을 노출시키고,
    인접한 상기 발광셀들의 N형 반도체층 및 P형 반도체층을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속배선들을 형성하기 전, 상기 각 발광셀의 N형 반도체층 및 P형 반도체층 상에 각각 N형 전극패드 및 P형 전극패드를 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 메쉬 전극을 덮는 반사금속층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이 오드 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 반사금속층, 상기 메쉬 전극 및 상기 패터닝된 P형 반도체층, 활성층 및 N형 반도체층을 차례로 패터닝하여 서로 이격된 발광셀들을 형성하되, 상기 발광셀들의 각 N형 반도체층 상부면의 일부 영역을 노출시키고,
    인접한 상기 발광셀들의 N형 반도체층 및 P형 반도체층을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 형성하고,
    상기 각 발광셀의 반사금속층 상에 플립칩 본딩을 위한 금속범퍼를 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
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