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KR20130104612A - 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 Download PDF

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KR20130104612A
KR20130104612A KR20120026240A KR20120026240A KR20130104612A KR 20130104612 A KR20130104612 A KR 20130104612A KR 20120026240 A KR20120026240 A KR 20120026240A KR 20120026240 A KR20120026240 A KR 20120026240A KR 20130104612 A KR20130104612 A KR 20130104612A
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South Korea
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semiconductor layer
electrode
reflector
gallium nitride
conductive semiconductor
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KR20120026240A
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서덕일
김경완
윤여진
김지혜
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서울바이오시스 주식회사
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Publication date
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Priority to PCT/KR2013/001552 priority patent/WO2013137571A1/ko
Priority to US14/385,113 priority patent/US9281446B2/en
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Abstract

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는, 복수의 관통홀들을 갖는 질화갈륨 기판; 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 질화갈륨계 반도체 적층 구조체; 및 질화갈륨 기판의 관통홀들을 통해 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극을 포함한다. 이에 따라, 결정 결함이 적으며, 발광 면적 감소를 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화갈륨 기판을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드는 사파이어 기판 상에 질화갈륨계 반도체층들을 성장시켜 제작된다. 그러나 사파이어 기판과 질화갈륨층은 열팽창 계수 및 격자 상수의 차이가 커서 성장된 질화갈륨층 내에 선단형 전위(threading dislocation)와 같은 결정 결함이 많이 발생된다. 이러한 결정 결함은 발광 다이오드의 전기적 광학적 특성을 향상시키는 것을 어렵게 만든다.
나아가, 상기 사파이어 기판은 전기적으로 절연성이므로 전극들이 기판 상부에 위치하는 수평형 구조의 발광 다이오드가 제작된다. 수평형 구조의 발광 다이오드는 전극 형성을 위해 활성 영역 일부를 제거하기 때문에 면적 손실이 크고, 또한 전극에 의한 광 손실이 크다. 한편, 수평형 구조의 발광 다이오드의 문제점을 해결하기 위해 플립칩 방식의 발광 다이오드가 사용되고 있다. 플립칩 방식의 발광 다이오드는 기판을 통해 광을 방출함으로써 전극에 의한 광 손실을 줄일 수 있다. 그러나 이 플립칩 발광 다이오드 또한 전극 형성을 위해 활성 영역을 제거해야 하므로 면적 손실이 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 결정 결함을 감소시켜 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 발광 면적이 감소되는 것을 방지할 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 활성영역에 전류를 고르게 분산시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는, 복수의 관통홀들을 갖는 질화갈륨 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하되, 상기 제1 도전형 반도체층이 상기 제2 도전형 반도체층보다 상기 기판에 더 가깝게 배치된 질화갈륨계 반도체 적층 구조체; 및 상기 관통홀들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극을 포함한다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 제1 전극과 상기 질화갈륨 기판 사이에 위치하는 반사기를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 발광 다이오드는 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속하는 제2 전극을 더 포함한다. 상기 제2 전극은 제2 도전형 반도체층 상에 위치하여 상기 제2 도전형 반도체층에 접속될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 제2 전극은, 상기 질화갈륨 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 관통홀을 통해 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 질화갈륨 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 성장시키고, 상기 질화갈륨 기판에 상기 제1 도전형 반도체층을 노출시키는 복수의 관통홀들을 형성하고, 상기 관통홀들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속하는 제1 전극을 형성하는 것을 포함한다.
또한, 상기 발광 다이오드 제조 방법은, 상기 제1 전극을 형성하기 전에, 상기 질화갈륨 기판 하부면을 덮는 반사기를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 반사기는 상기 관통홀의 측벽을 덮을 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드 제조 방법은, 상기 질화갈륨 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 관통홀을 형성하고, 상기 활성층을 관통하는 관통홀을 통해 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속되는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
질화갈륨 기판을 채택함으로써 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 결정 결함을 감소시켜 발광 효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극이 질화갈륨 기판을 통해 제1 도전형 반도체층에 접속하므로, 제1 전극 형성에 따른 발광 면적 감소를 방지할 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극이 복수의 관통홀들을 통해 제1 도전형 반도체층에 접속하므로, 활성영역에 고르게 전류를 분산시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 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 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판(21), 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25), 제2 도전형 반도체층(27)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, 반사기(35), 제1 전극(37), 투명 전극(39), 제2 전극(41)을 더 포함할 수 있다.
상기 질화갈륨 기판(21)은 약 200~350um의 두께를 가질 수 있다. 반도체 적층 구조체(30)는 상기 질화갈륨 기판(21) 상에 위치한다. 이 반도체 적층 구조체(30)는 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25), 제2 도전형 반도체층(27)을 포함하는 반도체층들로 구성된다. 여기서, 제1 도전형 반도체층(23) 및 제2 도전형 반도체층(27)은 p형으로 n형 반도체층(23)이 p형 반도체층(27)보다 기판(21)에 더 가깝게 배치된다.
상기 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)은 질화갈륨계 화합물 반도체로 형성되며, 상기 활성층(25)은 단일 양자우물구조 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다.
상기 반도체 적층 구조체(30)는 질화갈륨 기판(21) 상에서 성장된 반도체층들로 형성되며, 따라서 전위밀도가 약 5E6/cm2 이하일 수 있다. 이에 따라, 발광 효율이 우수하고 고전류 구동에 적합한 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
한편, 상기 질화갈륨 기판은 상기 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 복수의 관통홀들(21a)을 갖는다. 상기 관통홀들(21a)은 매트릭스 형상 또는 스트라이프 형상으로 배열될 수 있다. 이들 관통홀들(21a)은 기판(21)의 상부면측에서 하부면으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 전극(37)은 상기 관통홀들(21a)을 통해 제1 도전형 반도체층(23)에 전기적으로 접속된다. 상기 제1 전극(37)은 제1 도전형 반도체층(23)에 접속하기 위한 오믹 금속층을 포함할 수 있다.
한편, 반사기(35)는 상기 제1 전극(37)과 기판(21) 사이에 위치한다. 상기 반사기(35)는 또한 관통홀들(21a)의 측벽을 덮을 수 있다. 상기 관통홀들(21a) 내부에 위치하는 반사기(35)는 기판(21) 하부면에 위치하는 반사기와 동일 공정에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각 별개의 공정에 의해 형성될 수도 있다.
상기 반사기(35)는 활성층(27)에서 생성된 광을 반사시키며, 따라서 광이 제1 전극(37)에 흡수되어 손실되는 것을 방지한다. 상기 반사기(35)는 Ag 또는 Al과 같은 반사 금속층으로 형성되거나 옴니디렉셔널 반사기 또는 분포 브래그 반사기로 형성될 수 있다. 분포 브래그 반사기(35)는 굴절률이 다른 유전층들을 교대로 적층하여 형성될 수 있으며, 예컨대 SiO2와 TiO2를 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 이때, 첫번째 층은 기판(21)과의 양호한 접합을 위해 SiO2로 형성하는 것이 바람직하며, 마지막 층 또한 분포 브래그 반시기(35)를 보호하기 위해 SiO2로 형성할 수 있다.
상기 반사기(35)가 도전성인 경우, 상기 반사기(35)는 관통홀(21a)에 노출된 제1 도전형 반도체층(23)을 덮을 수 있다. 이와 달리, 상기 반사기(35)가 분포 브래그 반사기와 같이 절연성인 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키도록 개구부가 형성된다.
한편, 상기 투명 전극(39)은 제2 도전형 반도체층(27) 상에 위치한다. 투명 전극(39)은 ITO나 ZnO와 같은 투명 산화물 또는 Ni/Au와 같은 금속층으로 형성될 수 있다. 상기 투명 전극(39)은 제2 도전형 반도체층(27)에 오믹 콘택할 수 있다. 상기 제2 전극(41)은 투명 전극(39) 상에 위치하여 상기 제2 도전형 반도체층(27)에 전기적으로 접속될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 전극(37)은 관통홀들(21a)을 통해 제1 도전형 반도체층(23)에 접속한다. 따라서, 상기 제1 전극(37)을 형성하기 위해 활성층(25)을 제거할 필요가 없으며, 이에 따라 발광 면적 감소를 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 제2 전극(41a)이 기판(21), 제1 도전형 반도체층(23) 및 활성층(25)을 관통하는 관통홀(21b)을 통해 제2 도전형 반도체층(27)에 전기적으로 접속된 것에 차이가 있다.
즉, 상기 제2 전극(41a)은 제1 전극(37a)과 같이 기판(21) 하부면에서 관통홀(21b)을 통해 제2 도전형 반도체층(27)에 접속한다. 이때, 절연성 반사기(35)가 상기 제2 전극(41a)과 기판(21) 사이에 위치할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제1 전극(37a)과 제2 전극(41a)은 상기 반사기(35) 상에서 서로 분리될 수 있다.
이와 달리, 반사기(35)가 도전성인 경우, 제2 전극(41a)을 제1 전극(37a)으로부터 절연시키기 위해 반사기(35)도 분리되며, 제2 전극(41a)에 접속된 반사기(35)는 또한 절연층(도시하지 않음) 제1 도전형 반도체층(23) 및 활성층(25)으로부터 분리된다.
본 실시예에 따르면, 제1 전극(37a)과 마찬가지로 제2 전극(41a)을 기판(21) 하부에 형성할 수 있어, 제2 전극(41a)에 의한 광 흡수를 방지할 수 있다. 더욱이, 제1 전극(37a)과 제2 전극(41a)을 기판(21) 하부에 형성함으로써 본딩 와이어 없이 발광 다이오드를 실장할 수 있어 패키지 제조 공정을 단순화할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 질화갈륨 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함하는 질화갈륨계 반도체층들의 적층 구조체(30)가 성장된다.
그 후, 기판(21) 하부면이 평탄화될 수 있다. 기판(21) 하부면은 연마, 래핑 및 폴리싱 공정을 통해 평탄화될 수 있다. 질화갈륨 기판(21)은 사파이어 기판에 비해 연질이기 때문에, 기판(21)의 하부가 상대적으로 쉽게 제거될 수 있다. 따라서, 정반과 다이아몬드 슬러리를 이용한 기계적 폴리싱만을 이용하여 기판 하부 일부가 제거될 수도 있다. 대체로 평탄화 후의 기판(21)의 두께는 250~300um의 범위 내일 수 있으며, 기판(21)의 제거되는 부분의 두께는 20~50um 범위 내일 수 있다. 덧붙여, 화학기계적 폴리싱(CMP) 공정이 수행되어 표면을 경면화할 수도 있으나, 이 공정은 생략될 수도 있다.
일반적으로, 종래의 발광 다이오드 제조에 있어서, 기판 하부면을 평탄화하기 전에 상기 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)을 부분적으로 제거하여 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 공정, 예컨대 메사 공정이 수행된다. 그러나 본 실시예에 있어서, 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)을 제거하여 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 공정은 생략된다.
도 4를 참조하면, 기판(21) 하부면에 식각 마스크층(31)이 형성된다. 식각 마스크층(31)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 식각 마스크층(31) 상에 포토레지스트 패턴(33)이 형성될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(33)은 식각 마스크층(31)을 노출시키는 개구부들(33a)을 갖는다.
도 5를 참조하면, 상기 포토레시트 패턴(33)을 식각 마스크로 사용하여 상기 식각 마스크층(31)이 식각된다. 식각 마스크층(31)은 예컨대, 불산 혹은 BOE를 이용한 습식 식각 기술을 이용하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 식각 마스크 패턴(31p)이 형성된다. 상기 식각 마스크 패턴(31p)은 상기 포토레지스트 패턴(33)의 개구부들(33a)에 대응하는 개구부들(31a)을 갖는다. 이 개구부들(31a)을 통해 상기 기판(21) 하부면이 노출된다.
도 6을 참조하면, 상기 식각 마스크 패턴(31p)을 식각 마스크로 사용하여 상기 질화갈륨 기판(21)을 식각하여 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 관통홀들(21a)을 형성한다. 질화갈륨 기판(21)은 건식 식각 기술, 또는 황산, 인산, 질산이나 이들의 혼합 용액을 이용한 습식 식각 기술, 혹은 건식 식각 기술과 습식 식각 기술을 함께 사용하여 식각될 수 있다.
상기 관통홀들(21a)은 기판(21a) 하부면에서 상부면으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 질화갈륨 기판(21)을 식각하는 동안 제1 도전형 반도체층(23)의 일부도 함께 식각될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 관통홀들(21a)이 형성된 후, 포토레지스트 패턴(33) 및 식각 마스크 패턴(31p)이 제거된다. 상기 포토레지스트 패턴(33)은 유기 용매를 이용하여 제거될 수 있으며, 식각 마스크 패턴(31p)은 BOE를 이용하여 제거될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(33)은 상기 관통홀들(21a)을 형성하기 전에 미리 제거될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 식각 마스크 패턴(31p)이 제거된 후, 기판(21) 하부면에 반사기(35)가 형성된다. 상기 반사기(35)는 관통홀들(21a) 내부에도 형성되어 관통홀들(21a)의 측벽을 덮을 수 있다. 상기 반사기(35)가 절연성인 경우, 도시한 바와 같이, 상기 반사기(35)는 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 개구부들을 갖도록 형성된다. 이들 개구부들은 사진 및 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 반사기(35)는 앞서 설명한 바와 같이, 반사 금속층, 또는 옴니디렉셔널 반사기 또는 분포 브래그 반사기일 수 있다.
상기 반사기(35)가 형성된 후, 제1 전극(37)이 형성된다. 상기 제1 전극(37)은 제1 도전형 반도체층(23)에 전기적으로 접속된다.
또한, 상기 반도체 적층 구조체(30) 상에 투명 전극(39)이 형성되고, 투명 전극(39) 상에 제2 전극(41)이 형성되어 도 1과 같은 발광 다이오드가 제조될 수 있다. 상기 투명 전극(39)은 Ni/Au와 같은 투명 금속층 또는 ITO나 ZnO와 같은 투명 산화물층으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제2 전극(41)이 반도체 적층 구조체(30) 상에 형성되는 것으로 도시 및 설명하였지만, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 전극(41a)이 질화갈륨 기판(21) 하부에 형성될 수도 있다. 예컨대, 관통홀들(21a)에 더하여, 질화갈륨 기판(21), 제1 도전형 반도체층(23) 및 활성층(25)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(27)을 노출시키는 관통홀(도 2의 21b)이 형성될 수 있다. 관통홀(21b)은 복수개 형성될 수 있다. 그 후, 반사기(35)가 질화갈륨 기판(21) 하부에 형성되고, 반사기(35) 상에 서로 전기적으로 이격된 제1 전극(37a)과 제2 전극(41a)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극(37a)은 관통홀들(21a)을 통해 제1 도전형 반도체층(23)에 접속하고, 상기 제2 전극(41a)은 관통홀(21b)을 통해 제2 도전형 반도체층에 접속한다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수의 관통홀들을 갖는 질화갈륨 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하되, 상기 제1 도전형 반도체층이 상기 제2 도전형 반도체층보다 상기 기판에 더 가깝게 배치된 질화갈륨계 반도체 적층 구조체; 및
    상기 관통홀들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 질화갈륨 기판 사이에 위치하는 반사기를 더 포함하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사기는 상기 관통홀 내로 연장된 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반사기는 금속 반사기, 옴니 디렉셔널 반사기 또는 분포 브래그 반사기인 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층인 발광 다이오드.
  6. 청구항 2에 있어서,
    제2 전극을 더 포함하되,
    상기 제2 전극은 상기 질화갈륨 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 관통홀을 통해 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 질화갈륨 기판과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 반사기를 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 질화갈륨 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 성장시키고,
    상기 질화갈륨 기판에 상기 제1 도전형 반도체층을 노출시키는 복수의 관통홀들을 형성하고,
    상기 관통홀들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속하는 제1 전극을 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전극을 형성하기 전에, 상기 질화갈륨 기판 하부면을 덮는 반사기를 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반사기는 상기 관통홀의 측벽을 덮는 발광 다이오드 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 반사기는 금속 반사기, 옴니디렉셔널 반사기 또는 분포 브래그 반사기인 발광 다이오드 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 질화갈륨 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 관통홀을 형성하고,
    상기 활성층을 관통하는 관통홀을 통해 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속되는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하기 전에, 상기 질화갈륨 기판 하부면을 덮는 반사기를 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극은 동일 공정에 의해 동시에 형성되는 발광 다이오드 제조 방법.
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