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KR100872281B1 - 나노와이어 구조체를 이용한 반도체 발광소자 및 그제조방법 - Google Patents

나노와이어 구조체를 이용한 반도체 발광소자 및 그제조방법 Download PDF

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KR100872281B1
KR100872281B1 KR1020060129014A KR20060129014A KR100872281B1 KR 100872281 B1 KR100872281 B1 KR 100872281B1 KR 1020060129014 A KR1020060129014 A KR 1020060129014A KR 20060129014 A KR20060129014 A KR 20060129014A KR 100872281 B1 KR100872281 B1 KR 100872281B1
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Abstract

본 발명은 박막구조의 형광체와 나노구조의 특성을 동시에 나타낼 수 있는 나노 와이어 구조체 상에 형성된 형광체 박막을 사용한 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 형성되고 투명 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체; 및 상기 다수의 나노 와이어 구조체의 적어도 상면과 측면에 증착된 형광체 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
나노 와이어, 나노 구조체, 형광체(phosphor), ITO

Description

나노와이어 구조체를 이용한 반도체 발광소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE HAVING NANO-WIRE STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도 2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 채용가능한 나노 와이어 구조체 상에 증착된 형광체 박막을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막구조의 형광체와 나노구조의 특성을 갖도록 나노 와이어와 형광체 박막이 결합 된 구조를 채용한 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 소형화가 가능하면서도 발광효율이 우수한 소자로서 각종 표시장치 및 광통신기기의 광원으로 적극적으로 활용되고 있으며, 일반적으로 정해진 파장의 빛만을 방출하는 단색성을 가지고 있다. 따라서, 백색 발광을 구현하기 위해서는 두 종류 이상의 발광 다이오드를 조합한 하나의 패키지로 제조하거나, 구형 형광체(phosphor)를 이용하여 청색 또는 자외선 발광 다이오드의 빛의 일부를 변환시켜 백색광을 생성하는 방법을 사용한다. 통상적으로, 후자의 방법이 제품의 소형화 측면에서 유리하여 적극적으로 활용되고 있다.
그러나, 종래의 구형 형광체는 표면적이 상대적으로 크기 때문에 반응성이 증가하는 바, 안정성과 발광특성 측면에서의 개선이 요구되어왔다. 또한, 형광체의 모체에 불순물이 함유되는 경우에는 불순물에 의한 의도하지 않은 파장 영역에서의 발광을 초래하며, 따라서 형광체의 발광 특성이 저하될 수 있었다.
최근에는 나노 와이어 또는 나노 로드와 같은 나노 구조체를 광효율 향상에 적용하려는 시도가 이루어지고 있으나, 형광체의 특성은 고려되고 있지 않다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적 은 박막구조의 형광체와 나노구조의 특성을 동시에 나타낼 수 있는 나노 와이어 구조체 상에 형성된 형광체 박막을 사용한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자는,
기판; 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 형성되고 투명 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체; 및 상기 다수의 나노 와이어 구조체의 적어도 상면과 측면에 형성된 형광체 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 상에 투명 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 다수의 나노 와이어 구조체의 적어도 상면과 측면에 형광체 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자는 기판(11), 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(12), 활성층(13) 및 제2 도전형 반도체층(14)을 갖는 발광 구조물(10)을 포함한다. 또한, 반도체 발광소자는 메사에칭되어 노출된 제1 도전형 반도체층(12)과 제2 도전형 반도체층(14)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(15,16)을 포함한다.
상기 발광 구조물(10) 상에는 다수의 나노 와이어 구조체(17)가 형성된다. 참고로, 상기 다수의 나노 와이어 구조체(17)는 나조 구조로서 그 크기가 매우 작게 형성되지만, 본 발명의 설명에 있어서는 편의성 도모를 위해 확대하여 도시되고 있다.
다수의 나노 와이어 구조체(17)가 형성된 발광구조물(10)의 상면에는 형광체 박막(18)이 형성된다. 본 실시형태에서는, 상기 다수의 나노 와이어 구조체(17)의 상면과 측면에 형광체 박막(18)을 형성된다. 필요에 따라, 본 실시형태와 달리 도3에 도시된 바와 같이, 다수의 나노와이어 구조체(17) 사이의 발광구조물(10) 상면 에도 추가적으로 형성될 수 있다.
상기 다수의 나노 와이어 구조체(17)는 나노 와이어의 길이방향(도면에서 위쪽 방향) 발광에 방해가 되지 않도록 투명한 물질로 이루어지며, 바람직하게는 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 투명 전도성 물질로는 In, Sn, Zn, Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 한 원소의 산화물이 될 수 있다. 예를 들어, 투명 전도성 물질은 ITO, ZnO 또는 구리(Cu), 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)과 같은 원소가 첨가된 In2O3으로 이루어진 산화물일 수 있다. 물론, 나노 와이어 구조체는 이에 한정되지 않고, ZnxMg1 - xO(0≤x≤1) 및 AlxInyGa1 -x N(0≤x,y≤1)과 같은 발광구조물과 유사한 화합물 반도체일 수 있다.
상기 나노 와이어 구조체(17) 형성공정은,이에 한정되지 않으나, 상술된 전도성 산화물을 스퍼터링, 전자빔 증발법 또는 진공증착법과 같은 공지된 성막공정으로 막을 형성한 후에, 리소그래피공정을 이용한 미세 패터닝 기술을 이용하여 형성할 수 있으며, 이와 달리 나노의 씨드를 형성한 후에, 그 씨드 상에 전도성 산화물을 선택적으로 증착하는 방법으로도 구현될 수 있다.
도면에 도시하고 있지는 않지만, 상기 나노 구조체(17) 아래의 상기 제2 도 전형 반도체층(14) 상면에는 광투과성이 보장되는 전극을 채용할 수 있다. 이러한 추가적인 전극은 통상적인 형태와 같이 층구조로서 제공될 수 있으며, 오믹콘택과/또는 전류분산을 고려하여 적절한 공지된 물질로 형성될 수 있다.
본 실시형태와 같이, 나노와이어 구조체(17)로 그 추출면에 형성하여 광추출효율을 개선함과 동시에, 나노와이어 구조체(17) 상에 형광체 박막(18)을 도포함으로써, 통상적인 형광체층이 갖는 도파관 효과(waveguide effect)에 의한 광효율 저하 문제를 해결할 수 있다. 이와 같이, 나노구조를 따라 형성된 박막구조의 형광체(18)와 나노 와이어 구조체(17)의 특성을 동시에 나타낼 수 있는 장점을 제공한다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(23), 및 제2 도전형 반도체층(24)을 순차적으로 형성하여 발광 구조물(20)을 형성한다. 본 실시형태에서 사용되는 반도체층은 질화물 반도체층일 수 있다.
다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 메사에칭후 노출된 제1 도전형 반도체층(22) 및 상기 제2 도전형 반도체층(24)에 제1 및 제2 전극(25, 26)을 각각 형성 한다. 메사에칭을 실시하기 전에 필요한 전극층(미도시)을 제2 도전형 반도체층(24) 상에 추가로 형성할 수 있다.
다음에, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 발광 구조물(20) 상에 투명 전도성 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체(27)를 형성한다. 상기 다수의 나노 와이어 구조체(27)는 투명 전도성 산화물, 예를 들어 In, Sn, Zn, Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 한 원소의 산화물로 형성된다. ITO, ZnO 또는 구리(Cu), 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)과 같은 원소가 첨가된 In2O3으로 이루어진 산화물일 수 있다.
또한, 상기 다수의 나노 와이어 구조체(27)는 ZnxMg1-xO(0≤x≤1) 및 AlxInyGa1-x N(0≤x,y≤1)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성된다. 예를 들어, 시드(seed)층이 ZnO로 형성된다고 할 때, 아연(Zn) 보다 상대적으로 산소(O)가 많은 분위기에서 상기 ZnO가 형성되면, 상기 ZnO가 다수의 나노 와이어 구조체로 성장될 수 있다. 그리고 이와 같은 원리는 상기 나노 와이어 구조체를 형성하는 다른 물질에도 적용된다.
상기 다수의 나노 와이어 구조체(27)는 상술한 바와 같이, 스퍼터링 등과 같은 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition) 방법에 의해 형성될 수 있다.
최종적으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 나노 와이어 구조체(27)의 적어도 상면과 측면에 형광체 박막(28)을 선택적으로 증착하게 된다.
도 3은 도 1과 달리 형광체 박막이 형성된 다른 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서는 형광체 박막(38)이 나노 와이어 구조체(37)의 상면과 측면에만 증착됨은 물론, 형광체 박막(38)이 나노 와이어 구조체(37) 사이까지 형성된 형태가 도시되어 있다. 이에 한정되지 않으나, 상기 다수의 나노 와이어 구조체는 그 간격(d)이 2∼100㎚이 되도록 형성될 수 있다.
다만, 본 실시형태와 같이, 나노 와이어 구조체(37) 사이에 형광체 박막(18)을 추가적으로 증착하는 경우에는, 적어도 형광체 입자가 나노 와이어 구조체 사이공간을 통해 상면에 도달할 수 있도록 적절한 간격을 확보할 필요가 있다. 이러한 관점에서, 일반적으로, 본 실시형태의 나노 와이어 구조체(37) 사이의 간격(d)은 도 1에서 도시된 나노 와이어 구조체(17) 사이의 간격보다 큰 것으로 이해할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 나노 와이어 형광체의 구체적인 예로는 CaS:Eu, ZnS:Sm, Y2O2S:Eu, Gd2O3:Eu와 같은 적색 형광체, ZnS:Tb, ZnS:Ce, Cl, Gd2O2S:Tb, SrGa2S4:Eu, Y2SiO5:Tb와 같은 녹색 형광체, SrS:Ce, ZnS:Tm, YSiO5:Ce와 같은 청색 형광체, YAG(Yittrium, Alumium, Garnet)와 같은 황색 형광체 및/또는 여러 가지 산화물, 황화물계 형광체 물질의 배합을 들 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도로서, 레이저를 조사하거나 래핑 등의 공정을 이용하여 사파이어 기판과 같은 광투과성 기판을 발광구조물과 분리한 수직형 구조도 가능함을 보여주고 있다.
도 4를 참조하면, 반도체 발광소자는 제1 전극(41a) 아래에 순차 적층된 제1 도전형 반도체층(42), 활성층(43), 제2 도전형 반도체층(44)로 구성된 발광구조물이 형성되고, 상기 발광 구조물 상에 도전성 기판(46), 제2 전극(41b)이 형성된다. 본 실시형태와 같이, 도전성 기판(46)과 발광구조물 사이에는 고반사성 오믹콘택층(45)이 추가될 수도 있다. 제1 전극(41a) 측면에 소정 간격으로 다수의 나노 와이어(48)가 형성되며, 상기 다수의 나노 와이어(48) 상면과 측면에 형광체 박막(49)이 선택적으로 증착되어 있다.
이와 같이, 수직구조 반도체 발광소자에도 광추출면으로 제공되는 발광소자면에 나노와이어 구조체(48)와 형광체 박막(49)을 형성함으로써 광추출효율은 물론, 형광체에 의한 광효율 저하문제를 해결할 수 있다. 본 실시형태의 나노와이어 구조체 및 형광체 박막에 관련된 사항은 상술된 실시형태에서 설명된 사항을 유사하게 채용하는 것으로 이해할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 나노 와이어 구조체 상에 형광체를 증착함으로써 기존의 벌크재료와는 다른 물리적, 화학적 및 기계적 특성을 제공할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서는, 나노와이어 구조체로 평탄한 광추출계면을 개선하여 광추출효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 나노와이어 구조체 상에 형광체 박막을 도포함으로써, 나노단위의 미세한 형광체 입자와 같은 광학적 거동을 기대할 수 있으므로, 일반적인 형광체층구조에 나타나는 도파관 효과를 억제하고, 이로 인한 광효율 저하 문제를 해결할 수 있다. 이와 같이, 박막구조의 형광체와 나노구조의 특성을 동시에 나타낼 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 본 발명의 나노 와이어 형광체는 박막구조이므로 공정절차가 용이할 뿐만 아니라 박막구조 형광체의 장점(표면 점착성 향상, 구조적, 열적 안정성 확보, 표면 균일성 확보 등)을 제공하며, 나노구조이므로 반도체 소자의 초소형화 및 고집적화를 이룰 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물;
    상기 발광 구조물 상에 형성되고 투명 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체; 및
    상기 다수의 나노 와이어 구조체의 상면, 측면 및 상기 다수의 나노 와이어 구조체 사이에 노출된 상기 발광 구조물 상에 형성된 형광체 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어 구조체는 투명 전도성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물은 In, Sn, Zn, Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 한 원소의 산화물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어는 ZnxMg1-xO(0≤x≤1) 및 AlxInyGa1-x N(0≤x,y≤1)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 도전성을 가지며,
    상기 기판의 하면과 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어는 2∼100㎚의 간격으로 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 상에 투명 물질로 이루어진 다수의 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 다수의 나노 와이어 구조체의 상면, 측면 및 상기 다수의 나노 와이어 구조체 사이에 노출된 상기 발광 구조물 상에 형광체 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어는 투명 전도성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물은 In, Sn, Zn, Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 한 원소의 산화물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어는 ZnxMg1-xO(0≤x≤1) 및 AlxInyGa1-x N(0≤x,y≤1)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 나노 와이어는 2∼100㎚의 간격으로 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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