KR100786102B1

KR100786102B1 - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR100786102B1
Application number: KR1020060093572A
Authority: KR
Inventors: 나종호; 최재완
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2007-12-18
Anticipated expiration: 2026-09-26

Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것이다.

본 발명은 n형 전도성 반도체 후막; 상기 n형 전도성 반도체 후막의 하부면 및 측면 상에 차례로 형성된 활성층과 p형 전도성 반도체 박막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 발광 다이오드의 결함 밀도가 감소되고, 발광 영역을 증가시킬 수 있다.

MBE법, 결함 밀도

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}

도 1은 발광 다이오드의 발광 원리를 나타낸 도면이고,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조공정의 일실시예를 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 일실시예를 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200: 시작 기판 210 : 버퍼층

220 : 마스크 230 : n-GaN 후막

240 : 활성층 250 : p-GaN 박막

260 : 반사형 전극 270 : 금속 도금층

280 : n형 전극

본 발명은 발광 다이오드(Light emitting diode : LED) 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 발광하는 반도체특성을 이용한 소자로서, 방전 또는 가열방식에 의하여 빛을 생성하는 종래의 발광 소자와 상이하다. 즉, 전구 또는 형광등과 같은 종래의 발광 소자와 비교하여, 발광 다이오드는 높은 지속성, 오랜 수명, 고휘도 및 저전력소모 등의 특성을 가진다.

구체적으로 발광 다이오드는 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭(bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자(optoelectronic device)이다.

도 1에 도시된 바와 같이, p-n 접합에 순방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체의 전자 및 p형 반도체의 정공은 각각 p쪽, n쪽에 주입되어 소수 운반자(carrier)로서 확산된다. 상술한 소수 운반자는 확산 과정에서 다수 운반자와 재결합하며, 결합하는 전자와 정공의 에너지 차에 해당하는 빛을 방출한다.

상술한 구조를 갖는 발광 다이오드는 기판 상에 유기금속 화학 기상 증착법(metalorganic chemical vapor depoon, MOCVD)으로 질화물 반도체를 성장시켜서 제조된다. 제조 공정을 구체적으로 설명하면 먼저, 기판 상에 2~4 마이크로 미터 정도의 n형 GaN(n-GaN)을 성장시키는데, 이 때 도너(doner)로서 실리콘(Si)을 도핑할 수 있다. 그리고, 빛을 발산하는 활성층(active layer)과 P-GaN을 차례로 성장시켜서 질화물 반도체를 형성한 후, 이를 선택적으로 식각하고 본딩(bondign) 물질을 이용하여 캐리어(carrier) 기판과 사파이어 기판에 성장된 GaN 기판을 접합시킨다. 이어서, 질화물 반도체가 식각된 부분의 트렌치(trench)에 절연 물질을 채워 넣고 오믹 전극을 형성한 후 구리(Cu)로 도금을 한다. 이어서, LLO(laser lift- off)법으로 기판을 제거한 후, 패드(pad) 금속을 증착한 후 각 소자를 분리하여 각각의 발광 다이오드 소자를 완성한다.

그러나, 상술한 방법에 의하여 제조된 종래의 발광 다이오드는 다음과 같은 문제점이 있었다.

질화 갈륨(GaN)은 격자 상수와 열 팽창 계수 등의 물질적 특성이, 사파이어 또는 실리콘으로 이루어진 기판의 물질적 특성과 큰 차이를 나타내어 발광 다이오드 내의 결함이 발생한다.

상술한 결함을 제거하기 위하여 시작 기판 상에 다양한 버퍼층을 이용하는 방법이 제안되었고, 최근에는 SiO₂ 또는 SiN_X 마스크를 이용한 선택적 영역 성장(selective area growth:SAG)과 에피텍셜 격자 성장(epitaxial later overgrowth:ELO)과 같은 방법이 제안되었다. SAG 또는 ELO 등의 방법은, 성장을 억제할 수 있는 마스크가 있는 부분과 없는 부분을 선택적 또는 반복적으로 형성하는 등의 방법으로 질화물 반도체를 선택적으로 성장시키는데, 성장된 질화물 반도체층은 결함밀도가 10⁸cm^-2 이하로 감소하여 소자 특성이 향상되는 것이 여러 논문에 보고된 바 있다. 또한, SAG 방법에 의하여 성장된 질화물 반도체 등은 빛이 방출 효율이 향상된 장점도 가지고 있다.

그러나, SAG 또는 ELO 등의 방법은 마스크를 형성하기 위한 사진석판술(photolithography) 등의 기판 준비 작업이 필요하여 작업 효율이 저하되는 문제점이 있으므로, 시작 기판의 준비과정을 줄이기 위한 방안이 필요하다. 그리고, SAG 방법에 의하여 제조된 발광 다이오드는 측면이 경사지게 되어 구조의 상단의 면적이 좁아지므로, 기판의 상단에 형성되는 발광 영역이 좁아지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 결함 밀도가 감소된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 발광 영역이 증가하여 소자의 휘도가 증가된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 n형 전도성 반도체 후막; 상기 n형 전도성 반도체 후막의 하부면 및 측면 상에 차례로 형성된 활성층과 p형 전도성 반도체 박막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

그리고, 활성층과 p형 전도성 반도체는 MBE법으로 박막의 형태로 성장되는 것을 특징으로 한다.

상술한 상기 n형 전도성 반도체 후막은, 측면 상에 단차가 형성되어 상기 활성층 및 p형 전도성 반도체 박막의 형성 면적이 증가한 것을 특징으로 한다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하 며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 발광 다이오드는 n형 전도성 반도체 후막을 성장시키고, 그 표면에 활성층과 p형 질화물 반도체를 박막으로 성장시켜서 제조되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상술한 활성층과 p형 질화물 반도체는 n형 전도성 반도체 후막의 상부면 뿐만 아니라, 측면에도 성장되어 발광 면적이 증가한 것을 특징으로 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조공정의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 일실시예 및 그 제조방법을 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 n-GaN(230)을 성장시키는데, 높이가 10~50 마이크로 미터가 되도록 두껍게 성장시키는 것이 바람직하다. 이 때, 질화물 반도체는 동종의 기판이 없으므로 시작 기판으로는 사파이어(Al₂O₃) 기판을 사용하는데, 실리콘(Si), SiC, GaN-on-sapphire, GaN-on-Si, GaN-on-SiC 등을 시작 기판으로 사용할 수도 있다.

그리고, n-GaN(230)은 시작 기판(200) 상에 약 20~30 나노 미터 정도의 버퍼층(210)을 성장시킨 후에 성장시킬 수 있는데, 버퍼층으로 In_xAl_yGa_(1-y-x)N층을 MOCVD법,MBE법 또는 HVPE법 등으로 형성할 수 있다.

이어서, 버퍼층(210) 상에 마스크(220)를 형성하는데, 각각의 마스크(220)가 소정 간격으로 이격되게 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 마스크(220)가 형성되 지 않은 부분의 버퍼층(210) 상에는 상술한 n-GaN(230)이 성장하게 된다. 그리고, 마스크(220)는 버퍼층(210) 상부의 전체에 형성된 후, 포토리쏘그래피(photolithography)를 이용하여 노광하고 패터닝하여 소정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다.

이어서, 마스크(220)가 형성되지 않은 버퍼층(210) 상에 n-GaN(230)을 성장시키는데, MOVPE법 또는 HVPE법 또는 MOCVD법 등으로 성장시킬 수 있다. 그리고, n-GaN(230)은 템플레이트(template)로서 성장되는데, n-GaN(230) 등의 n형 전도성 반도체는 템플레이트로 형성되므로 높이가 충분히 두꺼워야 하는데, 1 마이크로 미터 이상으로 형성되어야 하고 바람직하게는 10 내지 20 마이크로 미터(㎛)로 형성될 수 있다. 그리고, n-GaN(230)은 성장이 계속될수록 성장 면적이 점차 감소하여, 도 2에 도시된 바와 같이 측면은 사다리꼴을 하게 된다. 여기서, 사다리꼴은 기하학적으로 정확히 사다리꼴의 형상이 아니라, 도 2에서 n-GaN(230)의 밑변의 길이가 윗변의 길이보다 긴 것, 즉 n-GaN(230)의 성장 면적이 점차 감소하는 것을 의미한다.

그리고, n-GaN(230)에는 실리콘(Si) 등의 물질이 도핑될 수 있는데, 도핑 농도는 5×10¹⁷cm^-3 이상일 수 있다. 여기서, n-GaN(230)이 성장되는 영역은 상술한 바와 같이 마스크(220)가 형성되지 않은 영역인데, 상술한 영역은 사각형의 모양일 수 있으나 다른 다각형 등의 모양일 수도 있다. 그리고, 발광 다이오드 소자의 크기를 고려하면 상술한 영역은 크기가 250~350 마이크로 미터로 형성될 수 있다. 여 기서 크기는, 상술한 영역이 사각형이면 한 변의 길이를 뜻하고 원이면 지름의 길이를 뜻한다.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같이 n-GaN(230) 상에 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조의 활성층(240)과 p-GaN(250)을 성장시킨다. 여기서, 상술한 n-GaN(230)이 기판으로 작용하며 질화물 반도체층이 성장하는 것이다. 이 때, 활성층(240)과 p-GaN(250)은 얇은 박막으로 형성될 수 있고, p-GaN(230)의 상부면 뿐만 아니라 측면 상에도 성장되어 발광 면적을 증가시키는 것이 바람직하다. 이 때, 활성층(240)과 p-GaN(250) 구조는 수직 성장이 주로 일어나는 MBE(분자선 증착:molecular beam epitaxy)법을 통하여 형성될 수 있다. 즉, 활성층(240)과 p-GaN(250)이 n-GaN(230)의 상부면 및 측면 상에 MBE법으로 수직 성장되어 얇은 박막 형태로 형성될 수 있다.

이어서, p-GaN(250) 상에 p형 전극을 형성한다. p형 전극은 투명 전극과 반사 전극으로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 반사형 오믹 전극(260)이 p-GaN 상에 얇게 형성되고 그 일부 상에 금속 도금층(270)이 형성되어 있다.

그리고, 시작 기판과 버퍼층 및 마스크 등을 템플레이트로부터 분리하는데, 레이저 리프트 오프(laser lift off)법이나 식각 등의 방법으로 제거하는 것이 바람직하다. 이어서, 시작 기판 등의 제거에 의하여 노출된 n-GaN 상에 금속 패드 등을 n형 전극을 형성한다.

도 4에는 상술한 공정을 통하여 제조된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 일실시예가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이 n-GaN 후막(230) 층의 하부면과 측면에 활성층(240)과 p-GaN(250)이 차례로 형성되어 있고, p-GaN(250) 상에는 반사형 오믹 전극(260)과 p형 전극(270)이 형성되어 있다. 여기서, 반사형 오믹 전극(260)은 P-GaN(250)의 상부면 전체에 형성되어 있고, 금속 도금층(270)이 일부에 형성되어 있다. 그리고, 도 4는 도 2 및 도 3에 의하여 형성된 발광 다이오드의 상,하가 역전되어 있으므로, 상부면과 하부면의 서술이 바뀐 것은 자명하다. 따라서, 도 4에서 n-GaN으로 이루어진 템플레이트는 역사다리꼴의 형상으로 도시되어 있다.

상술한 설명한 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법의 일실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

이러한 구조는 결함 밀도가 작은 n-GaN을 보조 기판으로 하여 직접 활성층과 p-GaN을 형성하여, 결함 밀도가 작은 질화물 반도체가 형성되어 소자 특성이 종래의 구조에 비하여 우수하고 고효율과 고신뢰성을 갖는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 GaN 층이 성장되었으나, InGaN과 AlGaN 등이 성장될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 실시예는 도 4에 도시된 발광 다이오드와 동일하나, n-GaN(230')의 측면이 단차를 갖도록 형성되어 있는 점에서 상이하다. 즉, n-GaN(230')의 측면이 계단식으로 이루어지는 등의 방식으로 성장되어, 활성층(240')과 p-GaN(250') 박막도 단차를 갖고 형성된다. 따라서, 발광 면적이 상술한 실시예보다도 더 넓게 형성되어 소자 특성의 향상을 기대할 수 있다. 여기서, n-GaN(230')의 하부를 성장시킬 때와 상부를 성장시킬 때 마스크의 면적을 달리하면, n-GaN(230')을 계단식으로 성장시킬 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능해도 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 발광 다이오드의 결함 밀도가 감소되어 소자 특성이 개선된다.

둘째, 발광 다이오드의 발광 영역이 증가하여 소자의 휘도가 증가된다.

Claims

n형 전도성 반도체 후막;

상기 n형 전도성 반도체 후막의 하부면 및 측면 상에 차례로 형성된 활성층과 p형 전도성 반도체 박막을 포함하여 이루어지고,

여기서, 상기 n형 전도성 반도체 후막은 밑변의 크기가 250~350 마이크로 미터이고, 높이가 10~50 마이크로 미터인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 활성층과 p형 전도성 반도체 박막은 MBE법으로 성장된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 n형 전도성 반도체 후막은 측면이 역사다리꼴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 n형 전도성 반도체 후막의 상부면 상에 형성된 제 1 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 p형 전도성 반도체 박막 상에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어지고,

상기 제 2 전극은 오믹 전극과 반사 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 n형 전도성 반도체 후막은 측면 상에 단차가 형성되어, 상기 활성층 및 p형 전도성 반도체 박막의 형성 면적이 증가한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.