수직 발광 다이오드의 제조 방법 document_id A220623052704

LED(Light Emitting Diode: 발광 다이오드)는 전기적 에너지를 광으로 변환하는 고체 상태 디바이스의 중요한 분류이다. LED는 일반적으로 두개의 반대로 도핑된 층사이에 샌드위치된 반도체 물질의 능동층을 제공한다 바이어스가 도핑된 층의 양단에 인가되는 경우, 정공 및 전자가 이 능동층으로 주입되며, 여기서 이들 전자 및 정공이 결합하여 광을 발생시키게 된다. 능동 영역에 의해 발생된 광은 모든 방향으로 방출되며, 광은 모든 노출된 표면을 통해, 이 반도체 칩을 탈출하게 된다. 반도체 재료가 향상됨에 따라, 또한 반도체 디바이스의 효율성도 향상되고 있다. 새로운 LED는 InAlGaN과 같은 재료로부터 만들어 지고 있으며, 이 InAlGaN은 호박 스펙트럼에 대한 자외선에서의 효율적인 조명도를 허용한다. 대다수의 새로운 LED는 전기적 에너지를 종래의 광과 비교되는 광으로 변환함에 더 효율적이이며, 이들 새로운 LED는 더 신뢰할 만하다. LED가 향상되면서, 이들 LED들이 교통 신호, 옥외 및 옥내 디스플레이, 자동차용 헤드라이트 및 미등(taillights), 종래 옥내 조명 등과 같은 많은 응용에서 종래 라이트(light)을 대체할 것으로 기대된다. 종래 LED의 효율성은 LED의 능동층에 의해 발생되는 모든 광을 방출하기 위한 자신의 무능성에 의해 제한된다. LED가 전원을 공급받게 되는 경우, 그 능동층으로부터 방출하는 광(모든 방향으로)은 수 많은 각도에서 방출 표면에 도달한다. 일반적인 반도체 재료는 주변공기(n=1.0) 또는 캡슐화 에폭시(n 1.5)에 비교되는 높은 굴절율(n 2.2 ~ 3.8)을 갖는다. 스넬 법칙에 따라, 일정한 임계각(표면 보통 방향에 관련되어)내에 있는 높은 굴절율을 가지는 영역으로부터 낮은 굴절율을 가지는 영역으로 이동하는 광은 더 낮은 인덱스 영역으로 교차할 것이다. 임계각도 이상의 표면에 도달하는 광은 교차하지 않고, TIR(Total Internal Reflection : 내부 전를 겪을 것이다. LED의 경우, TIR 광은 흡수될 때까지 계속하여 LED 내에서 반사될 수 있다. 이러한 현상때문에, 종래 LED에 의해 발생된 대부분의 광은 방출되지 않아, 자신의 효율성을 떨어뜨렸다. TIR 광의 퍼센트를 감소시키는 한 가지 방법은 LED의 표면에 랜덤한 결(random texturing)의 형태로 광 산란 센터를 형성하는 것이다. 랜덤한 결은 반응성 이온 에칭 동안 마스크로서 LED 표면상에 1 미크론이하(sub-micron) 직경의 폴리에스테르 구를 사용함으로써 표면으로 패턴화된다. 결화된 표면은 랜덤한 간섭 효과로 인해 스넬 법칙에 의해 예측할 수 없는 방식으로 광을 회절시키고 반사시키는 광의 파장과 비슷한 특징을 갖는다. 이러한 접근 방식은 9 내지 30%까지 방출 효율성을 개선하는 것으로 알려져 있다. 미국특허번호 제 6,821,804 호에 논의된 바와 같이, 표면의 결화에 대한 한 가지 단점은 이것이 p형 GaN과 같은 결화된 전극층에 대하여 불량한 전기적 전도성을 가지는 LED에서 효율적인 전류 확산을 막을 수 있다는 점이다. 양호한 전기적 전도성을 가지는 디바이스 또는 더 작은 디바이스에 있어서, p 및 n형 층 접촉면으로부터 전류는 각 층 전체를 통과하여 확산될 것이다. 불량한 전도성을 가지는 재료로부터 제조된 디바이스 또는 더 큰 디바이스의 경우, 전류는 접촉면으로부터 이 층 전체를 통과하여 확산하지 못할 것이다. 결과적으로, 능동층의 일부는 전류를 경험하지 못할 것이고, 따라서 광을 방출하지 못할 것이다. 다이오드 영역에 걸쳐 균일한 전류 주입을 형성하기 위해, 전도성 재료의 확산층이 표면에 증착될 수 있다. 그러나, 이러한 확산층은 종종 광이 이 층을 통과하여 투과할 수 있도록 학적으로 투명할 것을 요구한다. 랜덤한 표면 구조가 LED 표면상에 도입되면, 효과적으로 얇고 광학적으로 투명한 전류 확산기가 용이하게 증착될 수 없다. LED로부터 광 추출을 증가시키는 다른 한 가지 방법은 내적으로 표적(trapped) 각도로부터의 광을 표면의 형상 및 주기에 의해 결정된 한정 모드로 다시보내는 방출 표면 또는 내부 계면의 주기적 패턴화를 포함할 것이다. Krames 등의 미국특허번호 제 5,779,924 호를 참조하라. 이러한 기술은 간섭 효과가 더 이상 랜덤하지 않고 표면이 광을 특정한 모드 또는 방향으로 연결하는 랜덤하게 결된 표면의 특수한 경우이다. 이러한 접근 방식의 한 가지 단점은 이 구조가 제조하기 어려울 수 있다는 점이며, 이는 표면 형상 및 패턴이 LED 광의 단일 파장과 비슷하게 균일하고 매우 작어야만 하기 때문이다. 또한, 이러한 패턴은 위에서 기술한 광학적으로 투명한 전류 확산층을 증착하는데 있어 어려움을 보여줄 수 있다. 또한, 광 추출에서의 증가는 중앙에 방출층을 가진 반구로 LED의 방출 표면을 형성함으로써 구현되고 있다. 이러한 구조가 방출된 광의 양을 증가시키는 반면에, 이에 대한 제조는 어렵다. Scifres와 Burnham의 미국특허번호 제 3,954,534호는 각 LED의 위에 각 반구를 가지는 LED 어레이를 형성하는 방법을 공개하고 있다. 이 반구는 기판 내에서 형성되며, 다이오드 어레이는 이들 위에서 성장된다. 이후, 이 다이오드 및 렌즈 구조는 기판으로부터 에칭된다. 이러한 방식의 한 가지 단점은 기판 계면에서의 구조의 형성(formation)에 제한되며, 기판으로부터 이 구조의 제거(lift off)는 결국 증가된 제조 원가를 야기한다는 것이다. 또한, 각 반구는 이 바로 위에 방출층을 가지며, 이 방출층은 정밀한 제조공정을 요한다. 미국특허번호 제 5,793,062 호는 접촉면과 같은 흡수 영역으로부터 멀리 광을 다시 보내고, 또한 LED 표면을 향하여 광을 다시 보내기 위해 광학적으로 비-흡수층을 포함시킴으로써 LED로부터 광추출을 향상시키는 구조를 공개한다. 이러한 구조의 한 가지 단점은 비-흡수층은 하부로부터 절단된(undercut) 평각층(strait angle)의 형성을 요하며, 이는 많은 재료계에서 제조를 어렵게 할 수 있다는 점이다. 미국특허번호 제 6,821,804 호에서 더 논의된 바와 같이, 광 추출을 향상시키는 또 다른 한가지 방식은 LED의 방출 표면상에 박막 금속층 내에 표면 플라스몬(plasmon) 모드로 광자(photon)를 연결하는 것이며, 이는 방사된 모드로 다시 방출된다. 이들 구조는 반도체로부터 방출된 광자를 금속층의 표면 플라스몬으로의 연결에 의존하며, 이 플라스몬은 마지막으로 추출된 광자와 추가로 연결된다. 이러한 디바이스의 한 가지 단점은 제조하기에 어렵다는 것인데, 이는 주기적 구조는 얕은 홈 깊이(003c# 0.1.mu.m)를 가지는 1차원으로 규정된 격자이기 때문이다. 또한, 총 외부 양자화 효율성은 낮으며(1.4 - 1.5%)으며, 이는 표면 플라스몬 대 양자 그리고 의 비효율성 및 표면 플라스몬 대 주변 양자 변환 메커니즘의 비효율성에 기인한다. 또한, 이러한 구조는 위에 기술한 바와 같이, 전류 확산층에 동일한 어려움을 제기한다. 미국특허번호 제 6,821,804 호에 더 논의된 바와같이, 또한 광추출은 역 각뿔대(truncated pyramid)를 형성하기 위해 LED 칩의 측면 표면을 구부러지게(angling) 함으로써 개선될 수도 있다. 모난 표면은 방출 표면에 기판 물질로 표적된 TIR 광을 제공한다. 이러한 접근 방식을 사용하면, 외부 양자 효율성은 InGaAlP 재료계의 경우, 35% 내지 50%까지 증가되는 것으로 증명된다. 이러한 접근 방식은 상당한 양의 광이 기판에서 표적되는 디바이스에 작용한다. 사파이어 기판표면 상에 성장된 GaN형 디바이스의 경우, 많은 광이 GaN 필름에서 표적되어 LED 칩의 측면 표면을 구부러지게 하는 것은 만족스런 향상을 제공하기 못할 것이다. 광 추출을 향상하기 위한 또 다른 접근 방식은 양자 재활용(recycling)이다. 이 방법은 전자와 정공을 광으로, 또한 역으로 쉽게 변환하는 고 효율성의 능동층을 가지는 LED에 의존한다. TIR 광은 LED의 표면으로부터 반사되며, 능동층을 타격하게 되며, 여기서 광은 전자-정공 쌍으로 다시 변환된다. 능동층의 고 효율성으로 인해, 전자-정공 쌍은 랜덤한 방향으로 다시 방출되는 광으로 거의 바로 변환될 것이다. 재활용된 광의 퍼센트는 임계각 내에 있는 LED 방출 표면 중 하나를 타격하여 탈출할 것이다. 능동층으로 다시 반사되는 광은 동일한 과정을 다시 겪게 된다. 미국특허번호 제 6,821,804 호는 LED 자신의 효율성을 증가시키기 위해 LED 상 또는 내에 있는 광 추출 구조를 가지는 LED를 공개한다. 이 새로운 광 추출 구조는 광이 패키지로 탈출하기에 더 호의적인 방향으로 광을 반사하고 회절시키는 구조를 제공한다. 이 구조는 LED 캡슐화 재료보다 꽤 더 높은 회절율을 가지는 광 추출 소자 또는 분산기 층의 어레이일 수 있다. 광 추출 소자 및 분산기 층 둘 다는 많은 다른 형상을 가질 수 있으며, 종래 LED 이상으로 LED의 효율성을 증가시키기 위해 에피택시(epitaxy) 층내에서 또는 전도성 기판 하에서 확산기 상에 놓이게 된다.