KR0176891B1 - 고휘도 청색 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고휘도 청색 발광소자에 관한 것으로, 그 고휘도 발광소자는 사파이어 기판과; 상기 사파이어 기판위의 버퍼층 및 엔플러스형 에피층과; 상기 엔플러스형 에피층위의 마스크로 이용되는 산화막과; 상기 산화막 창내의 엔형 크래드 층과; 그 위의 활성층과; 그 위의 피형 크래드 층과; 상기 피형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속과; 상기 엔형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속과; 상기 사파이어 기판 뒷면의 반사기 금속을 구비하여 이루어지며, 그 제조는 사파이어 기판위에 버퍼층 및 엔플러스형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 창(Window)을 형성하는 공정과; 이후 상기 창내에 엔형 크래드 층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 피형 크래드 층과 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속 및 엔형 크래드 층과 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 사파이어 기판 뒷면에 반사기 금속을 제조하는 공정으로 제조를 완료되는데, 상기 사파이어 기판 대신에 실리콘 카바이드 기판을 사용할 수도 있다.
상기 구현된 육각형 피라미드 구조로써 휘도를 종래보다 6배 이상 증가시킬 수 있게 됨에 따라 저 전류 동작에 의한 발광 다이오드의 수명 시간의 연장을 가능하게 한다.
또한, 선택적 에피 성장으로 3차원 성장을 이루어 양질의 결정질을 이루게 되어 고효율을 가진 발광 다이오드의 제작이 가능할 뿐만아니라 본 발명으로 구현된 발광 다이오드는 주로 평면 칼라 디스플레이, 평면 칼라 TV에 이용이 가능하다.
Description
제1도는 종래 기술에 따른 청색 발광 소자를 도시한 단면도.
제2도는 종래 기술에 따른 갈륨 나이트라이드의 육각형 피라미드 구조의 도시도.
제3도는 종래 기술에 따른 청색 발광 소자의 동작을 나타낸 사시도.
제4도는 본 발명에 따른 사파이어 기판의 청색 발광 소자 제조를 도시한 공정 수순도.
제5도는 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 기판의 청색 발광 소자를 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 21 : 사파이어 기판 12, 22 : 버퍼층
13, 23 : 엔플러스형 에피층 14, 24 : 산화막
15, 25 : 엔형 크래드 층 16, 26 : 활성층
17, 27 : 피형 크래드 층 18, 28 : 피형 오옴 접촉 금속
19, 29 : 엔형 오옴 접촉 금속 20 : 반사기 금속
본 발명은 고휘도 청색 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 사파이어나 실리콘 카바이드 기판위에III-나이트라이드의 선택적 에피성장을 하여 휘도를 증가시키는 데에 적당하도록 한 고휘도 청색 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래 청색 발광소자에 대해 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사파이어(Al2O3) 기판(1)위에 GaxAl1-xN(0≤X≤1) 의 버퍼층(2)을 성장시키고 그 위에 엔(N)형 불순물을 도핑시킨 GaxAl1-xN(0≤X≤1)의 엔형 크래드 층(5)을 성장시킨다.
상기 엔형 크래드 층(5) 성장 후, InXAl1-xN(0≤X≤1)의 활성층(6)을 성장시킨다음, 피(P)형 불순물을 도핑시킨 GaxAl1-xN(0≤X≤1) 의 피형 크래드 층(7)을 성장시켜 P-N 이종접합(Heterojunction)을 이루어서 청색 발광 다이오드의 구조를 이룬다.
그 후, 엔형 오옴 접촉(Ohmic Contact)을 위해 건식 식각으로 엔형 크래드 층(5)까지 식각한 다음 엔형 오옴 접촉 금속(9)을 증착시키고, 피형 쪽에도 피형 오옴 접촉 금속(8)을 증착시켜 다이오드를 이룸으로써 통상적인 청색 발광 다이오드가 제조된다.
또한, 유기 금속 화학 기상 증착법(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)의 발전으로 갈륨 나이트라이드(GaN)의 선택적 에피 성장기술로 제2도에 도시된 바와 같이 육각형 피라미드(Hexagonal Pyramid)모양으로 성장시킬 수 있는데 이것을 전계 방출 캐소오드(Field Emission Cathod)로 이용하려는 연구가 이루어지고 있다.
그럼, 첨부된 도면을 참조하여 종래 청색 발광소자의 동작에 대해 설명한다.
제3도에 도시된 바와 같이 청색 발광소자에 순방향 전압(VF)를 3V 이상으로 가해주고 20mA 정도의 전류를 가해주면, 광출력의 방향이 6방향으로 분산되어 나간다.
상기와 같은 문제의 개선을 위해 사파이어 기판(1)의 밑에 금속 반사기(Reflector)를 증착하였지만 사파이어 기판(1)의 윗 부분으로 나가게 하는 광출력을 2배로 증가시켜줄 뿐 옆면으로 나가는 광출력은 손실로써 존재하게 된다.
따라서, 패키지 후의 발광소자의 휘도에 상당한 영향을 미치게 되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 기판위에 선택적 에피 성장 기술을 이용하여 육각형 피라미드 구조를 이루어 휘도를 증가시킬 수 있도록 한 고휘도 청색 발광소자 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 고휘도 청색 발광소자는 사파이어 기판과; 상기 사파이어 기판위의 버퍼층 및 엔플러스형 에피층과; 상기 엔플러스형 에피층위의 마스크로 이용되는 산화막과; 상기 산화막 창내의 엔형 크래드 층과; 그 위의 활성층과; 그 위의 피형 크래드 층과; 상기 피형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속과; 상기 엔형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속과; 상기 사파이어 기판 뒷면의 반사기 금속을 구비하여 이루어진다.
상기와 같은 구성을 이루기 위한 본 발명에 따른 고휘도 청색 발광소자 제조 방법은 사파이어 기판위에 버퍼층 및 엔플러스형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 창(Window)을 형성하는 공정과; 이후 상기 창내에 엔형 크래드층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 피형 크래드 층과 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속 및 엔형 크래드 층과 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 반사기 금속을 형성하는 공정으로 제조된다.
상기 공정 결과, 고휘도 청색 발광소자가 제조된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 종래 미세적 전계 방출 캐소오드(Microscopic Field Emission Cathod)에 활용할 목적으로 연구중인 선택적 에피 기술을 이용하여 칩에서 방출되는 모든 빛을 위로 향하게 할 수 있기 때문에 종래의 구조보다 6배 이상의 휘도를 증가시킬 수 있다.
또한, 낮은 전류에서도 종래 사용되고 있는 휘도를 낼 수 있기 때문에 다이오드 수명 시간을 크게 증가시킬 수 있게 된다.
그럼, 제4도를 참조하여 고휘도 청색 발광 소자의 제조에 대해 설명한다.
먼저, 제4도의 (a)에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11)에 버퍼층(12)을 성장시킨다.
이때, 상기 버퍼층(12)은 450-600℃의 낮은 온도와, 76-200torr의 낮은 압력의 조건 하에서 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)으로 200-500Å 의 두께만큼 성장시킨다.
다음으로, 엔플러스형 에피층(13)을 성장시켜 주는데 이를 위해 엔플러스(N+)형 GaxAl1-xN(0≤X≤1)를 950℃ -1050℃의 높은 온도와 76-760torr의 압력조건하에서 3㎛정도 기른다.
상기 공정 후, 제4도의 (b)에 도시된 바와 같이 마스크로 사용하기 위한 산화막(14)을 플라즈마 화학 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)이나 스퍼터링(Sputtering)에 의해 약 1000-3000Å 의 두께로 증착한다.
이때, 상기 산화막(14) 대신 질화막을 이용할 수 있다.
상기 공정 후, 제4도의 (c)에 도시된 바와 같이 에피 성장이 될 부분을 포토리소그래피(Photolithography)의 방법으로 정의하고 산화막(14)을 식각하여 창(Window)을 형성한다.
이때, 창의 크기는 5-100㎛ 로 하고 원형 모양을 한다.
상기와 같이 창을 형성하게 되면 엔플러스형 에피층(13)이 밖으로 도출되게 된다.
다음으로, 제4도의 (d)에 도시된 바와 같이 상기와 같은 패턴을 가진 사파이어 기판(11)을 유기 금속 화학 증착기에 장입하여 엔형 크래드층(15), 활성층(16) 및 피형 크래드 층(17)을 성장시킨다.
이때, GaxAl1-xN(0≤X≤1)의 엔형 크래드 층(15)의 엔형 불순물은 실리콘(Si)를 이용하고, GaxAl1-xN(0≤X≤1)의 피형 크래드 층(17)의 피형 불순물은 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)을 사용한다.
또한, 상기 GaxAl1-xN(0≤X≤1)의 활성층(16)의 In의 양을 조절함에 따라 방출되는 빛의 파장을 UV에서 BLUE, GREEN, YELLOW(3700-6000Å )까지 조절할 수 있다.
상기와 같이 엔형 크래드 층(15), 활성층(16) 및 피형 크래드 층(17)을 순차적으로 성장시킴으로써 육각형의 피라미드 구조가 형성된다.
상기와 같이 형성된 피라미드의 높이는 창의 크기에 따라 변하게 되고 대개는 창의 크기와 거의 같은 높이로 형성되게 되는데, 이것의 실제 모양은 갈륨 나이트라이드의 육각형 피라미드 구조를 도시한 제2도와 같다.
상기와 같이 피라미드 구조를 형성함으로써, P-N 접합이 피라미드 안에 피라미드형으로 존재하게 된다.
이후, 제4도의 (e)에 도시된 바와 같이 포토리소그래피 공정을 2번하여 엔형, 피형 오옴 접촉 패드(Pad)를 구현하고 전자-빔(E-beam) 증착기를 이용하여 엔형 오옴 접촉 금속(19) 및 피형 오옴 접촉 금속(18)을 증착시킨 다음, RTA(Rapid Thermal Annealing)를 함으로써 오믹(Ohmic)을 형성시킨다.
이때, 상기 엔형 오옴 접촉 금속(19)으로는 Au 및 Au/Ni를, 피형 오옴 접촉 금속(18)으로는 Al 및 Al/Ti를 사용한다.
마지막으로, 상기 사파이어 기판(11)의 뒷면에 반사기 금속(20)을 형성하는데, 상기 반사기 금속(20)으로는 Al 또는 Au를 사용하며 스퍼터링(Sputtering)이나 전자빔(E-beam) 증착기를 이용하여 형성시킨다.
상기와 같이 고휘도 청색 발광조사의 제조를 완료함으로써, P-N 접합이 육각형 모양의 피라미드 안에 있으므로 순방향 전압을 가하고 전류를 인가할 때 육각형 모양을 따라 육면에서 빛을 방출하게 된다.
따라서, 제3도에 도시된 바와 같은 종래의 구조에서 빛이 방출되는 방향과는 전혀 다른 모습을 갖게 된다.
또한, 상기와 같이 선택적인 에피 성장을 하면 3차원(Dimension) 성장을 이루어, 종래의 2차원 성장에서의 결정질의 전위(Dislocation)에서 비롯되는 문제를 줄일 수 있으므로 양질의 결정질을 얻게되어 다이오드 제작시 고효율을 얻을 수 있다.
한편, 사파이어 대신에 N+-실리콘 카바이드를 이용하여 상기와 같은 고휘도 청색 발광소자를 제조할 수 있는데, 그 구조는 제5도에 도시된 바와 같이 실리콘 카바이드 기판(21); 상기 실리콘 카바이드 기판(21)위의 버퍼층(22) 및 엔플러스형 에피층(23)과; 상기 엔플러스형 에피층(23)위의 마스크로 이용되는 산화막(24)과; 상기 산화막(24) 창내의 엔형 크래드 층(25)과; 그 위의 활성층(26)과; 그 위의 피형 크래드 층(27)과; 상기 피형 크래드 층(27) 및 산화막(24)에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속(28)과; 실리콘 카바이드 기판(21)의 뒷면에 형성되는 엔형 오옴 접촉 금속(29)을 구비하여 이루어진다.
상기와 같이 실리콘 카바이드 기판(21)을 이용하여 고휘도 청색 발광소자를 제조할 경우, 사파이어 기판(11)을 이용할 때 보다 오옴 접촉을 위한 포토리소그래피 공정을 1번 줄일 수 있고 반사기 금속(20)을 위한 공정을 줄일 수 있으며, 제5도의 버퍼층(22) 및 엔플러스형 에피층(23)이 꼭 필요하지는 않게 되기 때문에 사파이어 기판(11) 사용시 보다 공정이 간단해진다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 구현된 육각형 피라미드 구조로써 휘도를 종래보다 6배 이상 증가시킬 수 있게 됨에 따라 저 전류 동작에 의하여 발광 다이오드의 수명 시간의 연장을 가능하게 한다.
또한, 선택적 에피 성장으로 3차원 성장을 이루어 양질의 결정질을 이루게 되어 고효율을 가진 발광 다이오드의 제작이 가능하다.
그러므로, 본 발명으로 구현된 발광 다이오드는 주로 평면 칼라 디스플레이, 평면 칼라 TV에 이용이 가능하다.
Claims (18)
- 사파이어 기판과; 상기 사파이어 기판위의 버퍼층 및 엔플러스형 에피층과; 상기 엔플러스형 에피층위의 마스크로 이용되는 산화막과; 상기 산화막 창내의 엔형 크래드 층과; 그 위의 활성층과; 그 위의 피형 크래드 층과; 상기 피형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속과; 상기 엔형 크래드 층 및 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속과; 상기 사파이어 기판 뒷면의 반사기 금속을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자.
- 제1항에 있어서, 엔형 크래드 층, 활성층 및 피형 크래드 층은 순차적으로 성장되어 육각형의 피라미드 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자.
- 제1항에 있어서, 사파이어 기판 대신 실리콘 카바이드 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자.
- 사파이어 기판위에 버퍼층 및 엔플러스형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 창(Window)을 형성하는 공정과; 이후 상기 창내에 엔형 크래드 층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 피형 크래드 층과 산화막에 걸치는 피형 오옴 접촉 금속 및 엔형 크래드 층과 산화막에 걸치는 엔형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 상기 사파이어 기판 뒷면에 반사기 금속을 형성하는 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 버퍼층 성장시 450℃ -600℃ 의 낮은 온도와, 76-200torr의 낮은 압력의 조건 하에서 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)으로 200-500Å의 두께만큼 성장시키는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 엔플러스형 에피층은 GaxAl1-xN(0≤X≤1)으로, 엔형 크래드층은 GaxAl1-xN(0≤X≤1)으로, 활성층은 InxAl1-xN(0≤X≤1)으로, 피형 크래드층은 GaxAl1-xN(0≤X≤1)으로 하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 엔플러스형 에피층은 950℃ -1050℃ 의 높은 온도와 76-760torr의 압력하에서 3㎛정도 길러 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 산화막 증착시 플라즈마 화학 증착법이나 스퍼터링법을 사용하며 그 두께는 1000-3000Å 으로 하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 산화막대신 질화막을 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 창의 크기는 5-100㎛로 하고 원형 모양으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 엔형 크래드 층, 활성층 및 피형 크래드 층은 유기 금속 화학 기상 증착법을 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 엔형 크래드 층을 형성하기 위한 엔형 불순물은 Si로, 피형 크래드 층을 형성하기 위한 불순물은 Zn이나 Mg를 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 엔형 크래드 층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시켜 피라미드 구조를 이루도록 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 피라미드의 높이는 창의 크기에 따라 변하게 되고 대개 창의 크기와 거의 같은 높이로 성장시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 엔형 및 피형 오옴 접촉 금속은 포토리소그래피 공정을 2번하여 엔형, 피형 오옴 접촉 패드(Pad)를 구현하고 전자-빔(E-beam) 증착기를 이용하여 엔형 오옴 접촉 금속 및 피형 오옴 접촉 금속을 증착시킨 다음, RTA(Rapid Thermal Annealing)를 함으로써 오믹(Ohmic)을 형성하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제15항에 있어서, 엔형 오옴 접촉 금속은 Au나 Au/Ni로, 피형 오옴 접촉 금속은 Al이나 Al/Ti를 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 활성층의 In의 양을 조절함에 따라 방출되는 빛의 파장을 UV에서 BLUE, GREEN, YELLOW(3700-6000Å)까지 조절할 수 있도록 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 사파이어 기판 대신 실리콘 카바이드 기판을 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고휘도 청색 발광소자 제조 방법.
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