KR100214588B1

KR100214588B1 - 발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100214588B1
Application number: KR1019960001967A
Authority: KR
Inventors: 홍창희
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1999-08-02
Also published as: KR970060454A

Abstract

본 발명은 발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 발광소자의 어레이 구조는 육각형 피라미드 형태로 발광소자를 형성하고, 이와 같이 형성된 발광소자의 각 육면에서 나오는 광이 서로 중첩되도록 그 발광소자를 배치시킨 육각형의 어레이 구조로써 이루어지며, 그 제조는 실리콘 카바이드 기판위에 버퍼층과 엔형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 마스크로 이용될 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 두개의 창을 형성하는 공정과; 이후 엔형 크래등층 환성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 기판의 윗면에 피형 크래드 층을 형성하는 공정과 이후 기판의 뒷면에 엔형 크래드 층을 형성하는 공정과; 이후 육각형 피라미드 구조의 각 육면이 중첩될 수 있도록 육각형의 어레이 구조를 이룸으로써 제조가 완료되는데, 상기와 같이 선택적으로 에피성장된 육각형 피라미드 구조의 발광소자를 육각형의 어레이 구조를 이룸으로써 광출력을 증가시켜 낮은 전류에서도 고휘도를 낼 수 있게 되어 발광소자의 수명시간이 연장되는 장점이 있다.

또한, 풀칼라 발광 다이오드를 제조할때 각 소자의 구동 전류 불일치에 따른 설계및 패키지등의 개선을 이룰 수 있다.

Description

발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법

제1도는 본 발명에 따른 고휘도 청색 발광소자 제조 방법을 도시한 공정수순도.

제2도는 본 발명에 따른 고휘도 청색 발광소자 광방출 동작의 도시도.

제3도는 본 발명에 따른 고휘도 청색 발광소자 어레이 구조의 도시도.

제4도는 본 발명에 따른 제3도의 한면을 볼때 발광소자 위치에 대한 광분포의 관계를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실리콘 카바이드 기판 2 : 버퍼층

3 : 엔 플러스형 에피층 4 : 산화막

5 : 엔형 크래드 층 6 : 활성층

7 : 피형 크래드 층 8 : 피형 오옴 접촉 금속

9 : 엔형 오옴 접촉 금속

본 발명은 청색 발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 Ⅲ-나이트라이드 층을 어레이 구조에 따라 선택적으로 에피성장을 시킨 다음 육각형의 어레이 구조를 이룸으로써 발광소자의 히도를 높이는 데 적당하도록 한 발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법에 관한것이다.

통상적으로, 풀칼라 발광 다이오드 소자(Light Emitting Diode, 이하 LED)를 만들때 GaP red LED 또는 GaAlAs red LED(700nm의 파장), GaP green LED(560nm의 파장) 및 2개의 SiC blue LED(470nm)칩을 집적시켜 만들고 있다.

또한, 양질의 백색광(White light)을 만들기 위하여 각각의 소자를 구동시키는 전류도 각각 2mA, 10mA, 80mA씩 가해 주어야 하기 때문에 패키징과 구동회로 설계가 복잡하게 되어 풀칼라 LED 제조에 문제점을 가지고 있다.

이에 따라, 청색이나 녹색 LED의 구동 전류를 낮추기 위해서 GaN 물질을 사파이어 기판에 성장시켜 고휘도 청색, 녹색 LED가 구현되고 있으나, 사파이어 기판과 GaN 층안에 결함이 많이 존재하여 소자 수명에 상당한 영향을 미친다.

더구나, 사파이어 기판은 절연체(Insulator)이기 때문에 기판 뒷면 공정이 안되어 종래의 LED 구조와 오옴 접촉 구조가 다르게 된다.

상기 사파이어 기판에 비하여 실리콘 카바이드(SiC) 기판은 GaN과 격자 상수 불일치가 3.4%이고 엔플러스 도전성 기판 제작이 가능하기 때문에 종래의 LED 구조와 같은 구조의 P-N 접합의 오옴(Ohmic) 접촉을 구현할 수 있고, 격자 상수 불일치 정도의 감소로 양질의 결정 성장을 이룰 수 있어서 수명시간의 연장 및 고휘도를 이룰 수 있게 된다.

그러나. 상기와 같은 종래의 실리콘 카바이드 기판위에 실리콘 카바이드를 에피성장하여 제조한 청색 발광소자는 평면 칼라 디스플레이에서 백색광을 만들때 구동전류가 높아서 풀칼라 발광 다이오드를 만들기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 단점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 실리콘 카바이드 기판위에 GaN 을 선택적으로 에피성장 하여 육각형 피라미드 구조의 발광소자를 육각 배열로 구성함으로써 광출력을 증가시켜 낮은 전류에서도 고휘도를 낼 수 있는 구조를 구현하도록 한 발광소자 어레이 구조 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광소자 어레이 구조는 발광소자를 육각형 피라미드 형태로 형성하고, 이와 같이 형성된 발광소자의 각 육면에서 나오는 광이 서로 중첩되도록 그 발광소자를 육각형의 어레이구조로 배치시킨 발광소자 어레이 구조로써 이루어진다.

상기와 같은 발광소자 어레이 구조를 위한 본 발명에 따른 발광소자 어레이 제조방법은 실리콘 카바이드 기판위에 버퍼층과 엔플러스형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 마스크로 잉요될 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 두개의 창을 형성하는 공정과; 이후 엔형 크래등 층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 기판의 윗면에 피형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 실리콘 카바이드 기판의 뒷면에 엔형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 육각형 피라미드 구조의 각 육면이 중첩될 수 있도록 육각 배열하는 공정으로 제조된다.

상기 공정 결과, 빛의 중첩을 극대화하여 고휘도 출력을 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 제1a도에 도시되는 바와 같이 도전성 엔플러스(N+) 실리콘 카바이드(SiC) 기판(1)위에 유기 금속 화학 기상 증착법(Metal Oraganic Chemical Vapor Deposition, 이하 MOCVD)으로 버퍼층(2) 및 엔플러스형 에피층(3)을 성장시킨다.

이때, 상기 실리콘 카바이드 기판(1)은 실리콘-페이스(Si-face)와 카바이드-페이스(C-face)가 있는데 두 가지중 실리콘-페이스를 이용한다.

또한, 상기 버퍼층(2)은 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)을 450-600℃의 낮은 온도, 76-200torr의 낮은 압력 및 0.5-1A/sec의 성장속도 하에서 성장되고, 상기 엔플러스형 에피층(3)은 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)을 950-1050℃의 온도와 76-760torr의 압력 하에서 3㎛ 정도 기른다.

상기 공정 후, 제1b도에 도시된 바와 같이 P-N 구조를 이루기 위한 마스크(Mask)로 이용될 산화막(4)을 증착한다.

이때, 상기 산화막(4)은 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition)및 스퍼터링법(Sputtering)으로 증착하고 그 두께는 1000-2000 1000-2000Å으로 한다.

상기 공정 후, 제1c도에 도시된 바와 같이 에피 성장을 할부분을 포토리소그래피 공정으로 정의하고 산화막(4)을 식각하여 두개의 창을 형성한다.

이때, 창의 모양은 원형이고 창의 직경은 5-100㎛, 창간 거리 또한 5-100㎛이며 원하는 어레이 구조에 따라서 창의 크기와 배열 위치를 정할 수 있다.

또한, 마스크로 이용된 산화막(4) 대신 질화막을 이용할 수 있다.

상기 공정 후, 제1d도에 도시된 바와 같이 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)의 엔형 크래드 층(5), In_xAl_-xN(0≤X≤1)의 활성층(6) 및 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)의 피형 크래드 층(7)을 순차적으로 증착, 식각하여 형성함으로써 육각형의 피라미드 구조를 형성하게 된다.

이때, 상기 엔형 크래드 층(5), 활성층(6) 및 피형 크래드 층(7)은 1050℃의 수소(H₂) 분위기에서 열 식각(Thermal Etching)하여 원하는 P-N 다이오드 구조를 성장시키게 된다.

또한, 상기 엔형 크래드 층(5)의 엔형 불순물로는 Si을 사용하고, 피형 크래드 층(7)의 피형 불순물로는 아연(Zn0과 마그네슘(Mg)을 사용하며, 활성층(6)의 In의 양을 조절함에 따라 방출되는 빛의 파장을 UV에서 BLUE, GREEN, YELLOW(3700-6000Å)까지 조절할 수 있도록 하였다.

상기 공정 후, 제1e도에 도시된 바와 같이 실리콘 카바이드 기판(1) 윗면에 피형 오옴 접촉 금속(8)을 형성하고 뒷면에 엔형 오옴 접촉 금속(9)을 형성하는데, 오옴 접촉을 함으로써 두개의 발광소자가 연결되게 된다.

이때, 상기 피형 오옴 접촉 금속(8)은 Al 및 Al/Ti를 사용하고 엔형 오옴 접촉 금속(9)은 Au 및 Au/Ni를 사용한다.

상기와 같이 구성된 발광소자에 순방향 전압과 전류를 가했을때 광출력이 제2도에 도시된 바와 같이 서로 중첩이 되는데, 이는 제1e도에서 윗쪽 부분의 광출력이 중첩으로 인해 증가하게 되는 결과를 업는다.

따라서, 에피 성장된 육각형의 피라미드 구조를 각 육면에 대해 중첩이 될 수 있도록 제3도에 도시된 바와 같이 각 발광소자를 정육각형의 중심과 각 모서리에 위치시켜 육각 배열의 어레이 구조를 이룬다.

상기와 같은 어레이 구조를 이루게 되면 광출력의 중첩을 극대화할 수 있어 고휘도 발광소자를 구현할 수 있다.

제4도는 제3도의 한면을 볼때 광출력의 중첩에 의해 이루어진 발광소자 위치에 따른 광분포를 보여주고 있는데, 발광소자의 위치 A-1, A, A+1를 볼때 중첩된 A위치의 광분포가 가장 크다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 선택적으로 에피성장된 육각형 피라미드 구조의 발광소자를 육각형의 어레이 구조를 이룸으로써 광출력을 증가시켜 낮은 전류에서도 고휘도를 낼 수 있게 되어 발광소자의 수명시간이 연장되는 장점이 있다.

또한, 풀칼라 발광 다이오드를 제조할때 각 소자의 구동 전류 불일치에 따른 설계 및 패키지등의 개선을 이룰 수 있다.

Claims

기판상에 엔형 클래드층, 활성층, 피형 클래드층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자의 엔형 클래드층, 활성층, 피형 클래드층을 육각형 피라미드형태로 형성하고, 상기 육각형 피라미드형태로 형성된 발광소자의 각 육면에서 나오는 광이 서로 중첩되도록 그 발광소자를 육각형의 어레이 구조로 배치하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광소자 어레이 구조.
제1항에 있어서, 육각형의 어레이 구조를 이루는 각각의 발광소자는 실리콘 카바이드 기판과; 상기 실리콘 카바이드 기판위의 버퍼층 및 앤플러스형 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 실리콘 카바이드 기판 뒷면에 형성되는 엔형 오옴 접촉 금속을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광소자 어레이 구조.
실리콘 카바이드 기판위에 버퍼층과 엔플러스형 에피층을 성장시키는 공정과; 이후 마스크로 이용될 산화막을 증착하는 공정과; 이후 포토리소그래피 공정으로 두개의 창을 형성하는 공정과; 이후 엔형 크래드층, 활성층 및 피형 크래드 층을 순차적으로 성장시키는 공정과; 이후 기판의 윗면에 피형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 기판의 뒷면에 엔형 오옴 접촉 금속을 형성하는 공정과; 이후 육각형 피라미드 구조의 각 육면이 중첩될 수 있도록 육각형의 어레이 구조로 배열하는 공정으로써 제조하는 것을 특징으로 하는 발광소자 어레이 구조의 제조방법.
제3항에 있어서, 엔플러스형 에피층을 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)으로, 엔형 크래드층은 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)으로, 활성층은 In_xAl_-xN(0≤X≤1)으로, 피형 크래드층은 Ga_xAl_-xN(0≤X≤1)으로 하여 제조하는 것을 특징으로 하는 발광소자 어레이 구조의 제조방법.