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KR20100028412A - 나노 막대를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

나노 막대를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20100028412A
KR20100028412A KR1020080087439A KR20080087439A KR20100028412A KR 20100028412 A KR20100028412 A KR 20100028412A KR 1020080087439 A KR1020080087439 A KR 1020080087439A KR 20080087439 A KR20080087439 A KR 20080087439A KR 20100028412 A KR20100028412 A KR 20100028412A
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KR
South Korea
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nanorods
light emitting
emitting diode
substrate
electrode
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KR1020080087439A
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민복기
박영수
김택
김준연
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to US12/385,611 priority patent/US8183576B2/en
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Abstract

나노 막대(nano-rod)를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적절한 성장 기판 위에서 먼저 나노 막대를 성장시킨 후, 상기 성장 기판을 제거하고 나노 막대에 투명 전극을 연결한다. 따라서 기판 위에 전극을 형성한 후, 전극 위에서 나노 막대를 성장시키는 경우에 비하여, 나노 막대를 효율적으로 성장시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 전극 위에 소정 형태의 패턴을 갖는 보조 전극을 더 배치함으로써, 양호한 전류 확산 특성을 갖는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

나노 막대를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법{Light emitting diode using nano-rod and method for manufacturing the same}
본 발명은 나노 막대(nano-rod)를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체를 이용한 발광 다이오드(light emitting diode; LED)는 고효율, 친환경적인 광원으로서 디스플레이, 광통신, 자동차, 일반 조명 등 여러 분야에 사용되고 있다. 최근에는 백색광 LED 기술의 발달로 일반 조명용 LED 기술이 크게 주목받고 있다. 백색광 LED는, 예컨대 청색 LED 또는 자외선 LED와 형광체를 이용하여 만들거나, 또는 적색, 녹색 및 청색 LED를 조합하여 만들 수 있다.
이러한 백색광 LED의 중요 구성요소인 청색 또는 자외선 LED는 주로 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용하여 만들어진다. 질화갈륨계 화합물 반도체는 밴드갭이 넓고 질화물의 조성에 따라 가시광선에서 자외선까지 거의 전파장 영역의 빛을 얻을 수 있다. 통상적으로 박막형 GaN LED는 사파이어(Al2O3) 기판에 GaN 박막을 성장시켜 제조된다. 그런데, 질화갈륨계 화합물 반도체를 사파이어 기판 위에 박막 형태로 성장시킬 경우, 격자상수 부정합이나 열팽창 계수의 차이에 의해 발광 효율이 떨어지게 되며, 대면적의 성장이 어려워서 생산 비용이 증가하게 된다.
이러한 단점을 개선하기 위하여, 질화갈륨계 화합물 반도체나 산화아연 등을 이용하여 나노 막대의 형태로 p-n 접합을 형성함으로써 나노 스케일의 발광 다이오드를 형성하는 기술이 연구되고 있다. 다수의 나노 막대를 배열하여 형성된 발광 다이오드의 경우, 서로 분리되어 있는 나노 막대 구조의 특성으로 인해 격자상수 부정합이나 열팽창 계수의 차이가 상당히 완화되어 대면적의 성장이 가능하다. 또한, 나노 막대 배열 구조는 나노 막대들 사이의 공간으로 인해 낮은 평균 굴절률을 가지며, 빛을 산란시키는 구조적 특성으로 인해 높은 광 추출 효율의 보일 수도 있다. 다만 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 경우, 각각의 나노 막대들에 균일하게 전류를 공급하기 위한 문제가 제기된다. 또한 나노 막대를 더욱 효율적으로 성장시키기 위한 연구가 필요하다.
본 발명은 나노 막대의 성장을 효율적으로 할 수 있으며, 각각의 나노 막대에 전류를 균일하게 공급할 수 있는 구조를 갖는, 나노 막대를 이용한 발광 다이오드를 제공한다. 본 발명은 또한 상기 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 한 유형에 따른 발광 다이오드는, 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 배치된 반사 전극; 상기 반사 전극 상에 수직으로 배치되어 있으며, 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역, 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역, 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 활성 영역을 구비하는 다수의 나노 막대; 상기 나노 막대들 사이에 채워져 있는 투명 절연층; 및 상기 나노 막대와 투명 절연층 상에 배치된 투명 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 지지 기판은 전기 전도성을 가질 수 있다.
예컨대, 상기 지지 기판은 고농도로 도핑된 Si 기판, 고농도로 도핑된 Ge 기판, 고농도로 도핑된 화합물 반도체 기판, 또는 금속 기판 중에서 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 투명 전극 위에 소정 형태의 패턴을 갖도록 형성된 보조 전극이 부분적으로 더 배치될 수도 있다.
예컨대, 상기 보조 전극은 Ag, Al, Cu 및 Au 중에서 어느 하나를 포함하는 고전도성 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 반사 전극은, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 투명 절연층은, 예컨대 이산화규소(SiO2), 실리콘 수지 또는 에폭시 수지로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 투명 전극은, 예컨대 ITO, AZO 및 IZO 중에서 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 반사 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 상기 나노 막대의 하부면 및 상기 투명 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 상기 나노 막대의 상부면을 제외한 상기 나노 막대의 둘레 부분의 표면은 패시베이션(passivation) 처리될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 투명 전극과 상기 나노 막대 사이에 상기 나노 막대와 동일한 재료로 이루어진 에피층이 더 개재될 수 있다.
예컨대, 상기 에피층은 상기 나노 막대의 제 2 영역과 동일하게 제 2 타입으로 도핑될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 발광 다이오드의 제조 방법은, 성장 기판 상에, 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역, 제 2 타입과 반대되는 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역, 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 활성 영역을 구비하는 다수의 나노 막대를 수직하게 성장시키는 단계; 상기 나노 막대들 사이에 투명한 절연층을 채우는 단계; 상기 나노 막대와 전기적으로 접촉하도록, 상기 나노 막대와 상 기 투명 절연층 상에 반사 전극을 형성하는 단계; 상기 반사 전극 위에 지지 기판을 형성하는 단계; 및 상기 성장 기판을 제거하고, 그 위치에 상기 나노 막대와 전기적으로 접촉하도록 투명 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 막대를 성장시키기 전에, 상기 나노 막대와 동일한 재료로 이루어진 에피층을 상기 성장 기판의 전체 표면 위에 형성하고, 상기 에피층 위에 나노 막대를 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 막대를 성장시킨 후, 상기 나노 막대의 둘레 부분의 표면을 패시베이션(passivation) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 투명 전극의 표면 위에 소정 형태의 패턴을 갖는 보조 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 경우, 전극 위에 직접 나노 막대를 성장시키지 않고 적절한 성장 기판 위에서 나노 막대를 성장시키기 때문에, 나노 막대를 효율적으로 성장시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류 집중(current crowding)을 방지하여 우수한 전류 확산 특성을 가질 수 있다. 따라서 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드(10)의 구조를 대략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(10)는, 지지 기판(15), 상기 지지 기판(15) 상에 배치된 반사 전극(14), 상기 반사 전극(14) 상에 수직으로 배치되어 있는 다수의 나노 막대(12), 상기 나노 막대(12)들 사이에 채워져 있는 투명 절연층(13), 및 상기 나노 막대(13)와 투명 절연층(13) 상에 배치된 투명 전극(16)을 포함할 수 있다.
여기서 지지 기판(15)은 반사 전극(14)과 나노 막대(12)들을 포함하는 전체적인 발광 다이오드(10)의 구조물이 유지될 수 있도록 충분한 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 지지 기판(15)은 수십㎛에서 수백㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 지지 기판(15)은 전기 전도성을 갖는 것이 유리하다. 지지 기판(15)이 전기 전도성을 가질 경우, 예컨대 발광 다이오드(10)를 패키징할 때, 패키지 블록의 전극 패드를 직접 지지 기판(15)에 전기적으로 연결시킬 수 있다. 따라서, 상기 지지 기판(15)으로는, 예컨대, 고농도로 도핑된 실리콘(Si) 기판, 고농도로 도핑된 게르마늄(Ge) 기판, 고농도로 도핑된 화합물 반도체 기판 또는 금속 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 지지 기판(15)은 나노 막대(12)에서 발생하는 열을 방출할 수 있도록, 구리(Cu)와 같이 열전도도 좋은 전도성 금속을 사용할 수도 있다.
반사 전극(14)은 나노 막대(12)에서 발생하는 광을 상부로 반사하는 역할을 한다. 이를 위하여, 상기 반사 전극(14)은 반사율이 높은 금속 재료를 사용하여 이루어질 수 있다. 예컨대, 반사 전극(14)의 재료로서, 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금을 사용할 수 있다.
나노 막대(12)는 광을 방출할 수 있도록 pn 접합의 형태로 이루어진 발광 구조를 갖는다. 이를 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 나노 막대(12)는 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역(12a), 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역(12c) 및 상기 제 1 영역(12a)과 제 2 영역 사이(12c)의 활성 영역(12b)으로 이루어져 있다. 예컨대, 실시예에 따라, 제 1 영역(12a)은 p-타입으로 도핑되고 제 2 영역(12c)은 n-타입으로 도핑될 수도 있으며, 반대로 제 1 영역(12a)은 n-타입으로 도핑되고 제 2 영역(12c)은 p-타입으로 도핑될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 막대(12)는 질화갈륨(GaN) 또는 산화아연(ZnO) 계열의 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 나노 막대(12)가 GaN 계열 반도체 재료로 이루어지는 경우, 제 1 영역(12a)은 p-AlxGayInzN(x+y+z=1)로 이루어지고, 제 2 영역(12b)은 n-AlxGayInzN으로 구성될 수 있다. 그리고 활성 영역(12b)은 AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일 또는 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 나노 막대(12)가 ZnO 계열 반도체로 이루어지는 경우, 제 1 영역(12a)은 p-MgxZnyO(x+y=1)로 이루어 지고, 제 2 영역(12b)은 n-MgxZnyO로 이루어질 수 있다. 그리고 활성 영역(12b)은 MgxZnyO에서 x, y 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일 또는 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있다.
후술하겠지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 나노 막대(12)는 반사 전극(14) 위에서 직접 성장시키는 것이 아니라, 적절한 성장 기판 위에서 먼저 성장 시킨 후, 성장 기판을 제거한다. 이렇게 함으로써, 고품질의 나노 막대(12)를 더욱 효율적으로 성장시킬 수 있다. 예컨대, 성장 기판으로서 Si, Ge, GaAs, GaP 등과 같은 반도체 기판, 사파이어 기판, 유리(glass) 기판 등의 다양한 기판을 선택적으로 사용할 수 있다. 한편, 나노 막대(12)를 성장시키는 방법으로는, 예컨대, 유기 금속 기상 결정 성장(metal-organic vapor phase epitaxy; MOVPE) 방법, 분자선 결정 성장(molecular-beam-epitaxy; MBE) 방법, 또는 Fe, Au, Ni 등의 금속 나노 입자를 성장 촉매로 사용하는 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법 등의 다양한 방법이 공지되어 있다.
이렇게 성장된 나노 막대(12)는, 반사 전극(14)과 전기적으로 접촉하고 있는 하부면 및 투명 전극(16)과 전기적으로 접촉하고 있는 상부면을 제외한 둘레 부분의 표면이 패시베이션(passivation) 처리되는 것이 유리하다. 그렇지 않으면, 반사 전극(14)과 투명 전극(16)을 통해 공급되는 전류가 나노 막대(12)의 표면으로도 상당량 흘러서 발광 효율이 저하될 수도 있기 때문이다. 이러한 패시베이션 처리는 또한 나노 막대(12)를 전기적, 화학적 충격으로부터 보호하는 역할도 할 수 있다. 예컨대, 산화(oxidation) 등의 방법을 이용하여 나노 막대(12)를 패시베이션 처리할 수 있다.
나노 막대(12)들 사이에 채워져 있는 투명 절연층(13)은 나노 막대(12)들 사이를 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 또한, 상기 투명 절연층(13)은 나노 막대(12)들을 기계적으로 보호하는 역할도 할 수 있다. 상기 투명 절연층(13)의 재료로는, 예컨대, 이산화규소(SiO2) 등과 같은 산화물이나 또는 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 투명 절연 수지를 사용할 수 있다.
나노 막대(12) 위에 배치된 전도성 투명 전극(16)은, 예컨대, ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등과 같은 투명 전도성 산화물(Transparent conduction Oxide; TCO)이나 또는 얇은 Ni/Au 층으로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 투명 전극(16)은 또한 전류확산층(current spreading layer)의 중요한 역할도 수행한다. 원활한 전류 확산은 다수의 나노 막대(12)들에 균일한 전류를 공급 가능하게 하며, 특히 발광 다이오드 칩의 면적이 커질수록 그 중요성이 커진다. 충분한 전류 확산 효과를 얻기 위해서는 투명 전극(16)의 두께가 두꺼울 필요가 있지만, 이는 광 흡수의 증가로 광 추출 효율을 떨어지게 한다. 따라서 투명 전극(16)의 두께를 결정하기 위해서는 원활한 전류 확산 효과와 광 추출 효율의 저하 사이에 적절한 트레이드 오프가 필요할 수 있다. 예컨대 이러한 투명 전극(16)의 두께는 TCO로 이루어진 투명 전극의 경우에 약 0.1㎛~1㎛ 정도이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 원활한 전류 확산을 위하여 투명 전극(16) 위에 높은 전기 전도도를 갖는 보조 전극(17)을 더 형성할 수 있다. 예컨대 보조 전극(17)은 Ag, Al, Cu, Au 등과 같은 고전도성 금속으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 전극(17)은 투명 전극(16)의 표면 위에서 소정 형태의 패턴을 갖도록 배치된다. 예컨대, 보조 전극(17)은 메시(mesh) 구조의 패턴을 가질 수 있다.
도 2는 이러한 보조 전극(17)의 패턴 구조를 예시적으로 나타내고 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(10)가 패키지 블록(20) 위에 고정되어 있으며, 투명 전극(16) 위에 다수의 평행한 와이어로 이루어진 패턴을 갖는 보조 전극(17)이 형성되어 있다. 보조 전극(17)은 패키지 블록(20) 위에 형성된 본딩 패드(21)와 와이어(22)를 통해 직접 전기적으로 연결될 수 있다. 그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 보조 전극(17)을 통해 공급된 전류는, 전류 확산층의 역할을 하는 투명 전극(16)에서 수평 방향으로 확산된 후, 전체 나노 막대(12)들에 균일하게 인가될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이렇게 함으로써 전체 나노 막대(12)들이 고르게 발광할 수 있게 된다. 이러한 효과는 특히 대면적의 고출력 발광 다이오드 구조에서 더욱 중요할 수 있다.
도 4는 상술한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(10)에서 광이 추출되는 경로를 개략적으로 나타내고 있다. 반사 전극(14)과 투명 전극(16)을 통해 나노 막대(12)에 전류가 인가되면, 나노 막대(12)의 활성 영역(12b)에서 광이 발생하게 된다. 활성 영역(12b)에서의 광 방출은 자발 방출(spontaneous emission)이기 때문에 특별한 방향성이 없어서 모든 방향으로 광이 나오게 된다. 이렇게 활성 영역(12b)에서 방출되는 광 중에서, 발광 다이오드(10)의 상부로 진행하는 광은 투명 전극(16)을 통해 직접 외부로 추출된다. 또한, 발광 다이오드(10)의 하부로 진행하는 광은 반사 전극(14)에 의해 반사된 후, 투명 전극(16)을 통해 외부로 추출된다.
한편, 발광 다이오드(10)의 측면으로 진행하는 광은, 다수의 나노 막대(12)와 투명 절연층(13)을 연속적으로 통과하면서 굴절률 변동을 반복적으로 겪게 된다. 이 과정에서 광이 산란되어 점차 상부와 하부로 퍼지면서 진행하게 된다. 최종적으로는, 굴절률 변동으로 인한 반복적인 산란으로 인하여, 산란된 광의 일부는 투명 전극(16)을 통해 직접 외부로 추출되고, 다른 일부는 반사 전극(14)에 의해 반사된 후 투명 전극(16)을 통해 외부로 추출된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노 막대(12)와 투명 절연층(13)에 의해 발생하는 산란 효과로 인해 높은 광 추출 효율을 가질 수 있다. 이러한 산란 효과는 대면적의 고출력 발광 다이오드 구조에서 더욱 중요할 수 있다. 또한, 나노 막대(12)의 높이가 상대적으로 짧은 경우, 광이 외부로 추출될 때까지 산란되는 광의 광 경로가 짧아져서 광 흡수를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 나노 막대(12)의 높이는 대략 0.3㎛ 내지 5㎛ 정도일 수 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5f를 참조하여, 상술한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(10)의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 성장 기판(11) 위에서 나노 막대(12)들을 수직 방향으로 성장시킨다. 나노 막대(12)의 성장 방법으로는 이미 위에서 설명한 바와 같이, MOVPE 방법, MBE 방법, VLS 방법 등과 같은 다양한 방법 중에서 하나를 사용할 수 있다. 성장 기판(11)으로는 예컨대 Si, Ge, GaAs, GaP, 사파이어, 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 특히, 성장시키고자 하는 나노 막대(12)의 재료를 고려하여 가장 적절한 재료를 성장 기판(11)으로 선택하여 사용할 수 있다. 이때, 도 1에 도시된 나노 막대(12)의 순서와는 반대의 순서로 나노 막대(12)를 성장시킨다. 즉, 성장 기판(11) 위에 먼저 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역(12c)을 먼저 성장시키고, 이어서 활성 영역(12b)과 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역(12a)의 순서로 성장이 수행된다. 이는 이후의 제조 과정에서 하부의 성장 기판(11)을 상부로 뒤집어 제거하기 때문이다. 그런 후, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 나노 막대(12)들의 성장이 완료되면, 예컨대 산화 방법 등을 이용하여 나노 막대(12)의 표면, 특히 둘레 표면을 패시베이션 처리한다.
그런 다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 나노 막대(12)들이 형성되어 있는 성장 기판(11) 위에 SiO2, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등과 같은 투명 절연체를 형성한다. 그러면 나노 막대(12)들 사이에 채워진 투명 절연층(13)이 형성된다. 이러한 투명 절연층(13)을 나노 막대(12)들 사이에 채워 형성하는 방법으로서, 예컨대, 졸-겔 공정(Sol-Gel process)을 이용할 수 있다.
그런 후에는, 예컨대, 에칭(etching) 공정이나 화학적 기계적 평탄화(CMP) 방법 등을 이용하여, 전극과 전기적으로 접촉될 나노 막대(12)의 상부 부분을 깨끗 한 상태로 노출시킨다. 그리고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 나노 막대(12)들 및 투명 절연층(13) 위에 반사 전극(14)을 형성한다. 반사 전극(14)은 높은 반사도를 갖는 동시에, 나노 막대(12)와 전기적으로 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성하여야 한다. 이를 위하여, 반사 전극(14)으로서, 상술한 바와 같이 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금을 사용할 수 있다.
그런 후, 도 5d에 도시된 바와 같이, 예컨대 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 공정이나 도금 공정을 이용하여, 반사 전극(14) 위에 전도성을 갖는 지지 기판(15)을 추가적으로 부착한다. 상술한 바와 같이, 전도성 지지 기판(15)으로서 고농도로 도핑된 실리콘(Si) 기판, 고농도로 도핑된 게르마늄(Ge) 기판, 고농도로 도핑된 화합물 반도체 기판 또는 금속 기판 등을 사용할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았지만, 상기 지지 기판(15)에는 이후의 발광 다이오드(10)의 패키징을 위한 전극 패드를 더 형성할 수도 있다.
반사 전극(14)에 지지 기판(15)을 부착한 다음에는, 도 5e에 도시된 바와 같이, 지금까지 형성된 구조물을 뒤집어서 성장 기판(11)이 상부를 향하도록 한다. 그런 후에는, 예컨대 CMP(Chemical-mechanical Polishing)나 에칭(Etching)공정을 이용하여 성장 기판(11)을 제거한다. 또한, 성장 기판(11)을 제거하는 다른 방법으로서, 예컨대, 성장 기판(11)과 나노 막대(12)의 계면에 작용하는 화학적 반응을 이용하여 분리하는 CLO(chemical lift-off) 방법, 또는 고에너지 레이저를 성장 기판(11)과 나노 막대(12)의 계면에 쏘아서 분리하는 LLO(laser lift-off) 방법 등을 사용할 수도 있다.
마지막으로, 도 5f에 도시된 바와 같이, 성장 기판(11)이 제거된 자리에 투명 전극(16)을 형성하고, 투명 전극(16) 위에 보조 전극(17)을 더 형성함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(10)가 완성될 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드(10')의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6에 도시된 발광 다이오드(10')는 도 1에 도시된 발광 다이오드(10)와 비교할 때, 투명 전극(16)의 하부에 에피층(18)이 더 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 6에 도시된 발광 다이오드(10')의 경우, 나노 막대(12)와 투명 전극(16) 사이에 에피층(18)이 더 개재되어 있다. 상기 에피층(18)은 나노 막대(12)와 동일한 재료로 이루어진 것으로, 나노 막대(12)를 성장시키는 과정에서 함께 형성될 수 있다. 특히, 에피층(18)은 나노 막대(12)의 제 2 영역(12c)과 동일하게 제 2 타입으로 도핑되어 있을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 예컨대, 도 5a에 도시된 나노 막대(12)의 성장 과정에서, 성장 기판(11)의 전체 표면 위에 에피층(18)을 먼저 얇게 성장시킨 후, 상기 에피층(18) 위에 나노 막대(12)를 성장시킬 수 있다. 이때, 에피층(18)으로부터 나노 막대(12)의 제 2 영역(12c)이 먼저 성장하기 시작하므로, 에피층(18)은 처음부터 제 2 영역(12c)과 동일하게 도핑되도록 성장되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 에피층(18)을 먼저 성장시킨 후 그 위에 나노 막대(12)를 성장시키면, 성장 기판(11)을 제거하고 그 위치에 투명 전극(16)을 형성할 때, 투명 전극(16)과 나노 막대(12) 사이에 더욱 안정적인 전기적 연결이 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예의 경우에는 작은 단면을 갖는 나노 막대(12)들과 투명 전극(16)이 전기적 컨 택을 형성하지만, 도 6에 도시된 실시예의 경우에는 나노 막대(12) 대신 넓은 면적을 갖는 에피층(18)이 투명 전극(16)과 전기적 컨택을 형성하기 때문이다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노 막대를 이용한 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 대한 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 보조 전극의 패턴 구조를 예시적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드에서 전류의 확산 경로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드에서 광 추출 경로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 막대를 이용한 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10.....발광 다이오드 11.....성장 기판
12.....나노 막대 13.....투명 절연층
14.....반사 전극 15.....지지 기판
16.....투명 전극 17.....보조 전극
18.....에피층

Claims (21)

  1. 지지 기판;
    상기 지지 기판 상에 배치된 반사 전극;
    상기 반사 전극 상에 수직으로 배치되어 있으며, 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역, 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역, 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 활성 영역을 구비하는 다수의 나노 막대;
    상기 나노 막대들 사이에 채워져 있는 투명 절연층; 및
    상기 나노 막대와 투명 절연층 상에 배치된 투명 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 고농도로 도핑된 Si 기판, 고농도로 도핑된 Ge 기판, 고농도로 도핑된 화합물 반도체 기판, 또는 금속 기판 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극 위에 소정 형태의 패턴을 갖도록 형성된 보조 전극이 부분적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 전극은 Ag, Al, Cu 및 Au 중에서 어느 하나를 포함하는 고전도성 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제 1 항 있어서,
    상기 반사 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  7. 제 1 항 있어서,
    상기 투명 절연층은 이산화규소(SiO2), 실리콘 수지 또는 에폭시 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  8. 제 1 항 있어서,
    상기 투명 전극은 ITO, AZO 및 IZO 중에서 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 상기 나노 막대의 하부면 및 상기 투명 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 상기 나노 막대의 상부면을 제외한 상기 나노 막대의 둘레 부분의 표면은 패시베이션(passivation) 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극과 상기 나노 막대 사이에 상기 나노 막대와 동일한 재료로 이루어진 에피층이 더 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 에피층은 상기 나노 막대의 제 2 영역과 동일하게 제 2 타입으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 성장 기판 상에, 제 2 타입으로 도핑된 제 2 영역, 제 2 타입과 반대되는 제 1 타입으로 도핑된 제 1 영역, 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 활성 영역을 구비하는 다수의 나노 막대를 수직하게 성장시키는 단계;
    상기 나노 막대들 사이에 투명한 절연층을 채우는 단계;
    상기 나노 막대와 전기적으로 접촉하도록, 상기 나노 막대와 상기 투명 절연층 상에 반사 전극을 형성하는 단계;
    상기 반사 전극 위에 지지 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 성장 기판을 제거하고, 그 위치에 상기 나노 막대와 전기적으로 접촉하도록 투명 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노 막대를 성장시키기 전에, 상기 나노 막대와 동일한 재료로 이루어진 에피층을 상기 성장 기판의 전체 표면 위에 형성하고, 상기 에피층 위에 나노 막대를 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 에피층은 상기 나노 막대의 제 2 영역과 동일하게 제 2 타입으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노 막대를 성장시킨 후, 상기 나노 막대의 둘레 부분의 표면을 패시베이션(passivation) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 고농도로 도핑된 Si 기판, 고농도로 도핑된 Ge 기판, 고농도로 도핑된 화합물 반도체 기판, 또는 금속 기판 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 전극의 표면 위에 소정 형태의 패턴을 갖는 보조 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  19. 제 12 항 있어서,
    상기 반사 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조 방법.
  20. 제 12 항 있어서,
    상기 투명 절연층은 이산화규소(SiO2), 실리콘 수지 또는 에폭시 수지로 이 루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조 방법.
  21. 제 12 항 있어서,
    상기 투명 전극은 ITO, AZO 및 IZO 중에서 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조 방법.
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