KR100323997B1 - 발광다이오드및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

발광부위를 규정하는 2중 헤테로-구조 에피택셜층이 메사부위에 의해 기판과 접속되는 발광다이오드가 공개되고, 캐비티층은 기판과 에피택셜층의 옆층사이에 메사부위를 제공하여 형성된다.
수지는 캐비티층에 삽입된다.
발광다이오드를 제조하는 방법이 또한 제공되고, 그 방법은 희생층과 같은 높은 혼합결정율의 A1GaAs층을 형성하고, 메사부위에 의해 접속되게 희생층상에 에피택셜층을 성장하고, 그리고 캐비티층을 형성하기위해 희생층을 용해하여 제거하는 스텝을 포함한다.
빛은 클래드층과 캐비티층 또는 캐비티층에 삽입된 수지사이에 인터페이스에 반사하고, 결과로서 발광출력은 향상될 수가 있다.
기판을 위한 높은 A1As혼합결정율의 두꺼운 A1GaAs층은 제공될 필요가 없어서, 제조는 용이하고, 특성의 균일성을 얻을 수 있다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 높은 방사 출력을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드의 방사 출력을 증가시키기 위해, 전기를 빛으로 변환하기 위한 효율인 내부 양자 효율을 증가시키거나 발광 다이오드로부터 빛을 끄집어내는 효율인 광출력 효율을 향상시키는 방법이 존재한다.
내부 양자 효율을 증진시키는 수단으로서, 단일 헤테로 구조와 이중 헤테로 구조가 이미 사용되고 있다. 이들 구조에 따르면, 내부 양자 효율이 상당히 향상되어 고출력에 도달한다.
한편, 광출력 효율은 발광 다이오드의 방출값을 결정하는 주요 인자이지만, 발광 다이오드 칩의 광출력 표면의 굴절률과 외부 (공기)의 굴절률의 차이 때문에 빛이 칩의 표면에서 반사되기 때문에 광출력에 있어서 고효율을 얻는 것은 곤란하다.
따라서, 이면으로 가는 빛이 이면에서 반사되어 전면으로부터 나오는 발광 다이오드가 제안되었다. 이러한 발광 다이오도는, GaAs 기판 상에 A1GaAs 후막을 성장시키고 그 위에 발광부로서 A1GaAs층을 성장시켜 GaAs 기판을 제거함으로써 얻어진다.
이면에서 빛을 효과적으로 방사시키기 위해서는, 빛이 에피택셜층이나 기판에 흡수되는 것을 방지하는 것이 필요하다. 이와 같은 아이디어는 GaP, InP 및 그것의 혼합결정으로 이루어진 발광 다이오드에서 널리 알려져 있다. GaAs 기판에 있어서는, 빛이 GaAs 기판에 흡수되기 때문에 비교적 큰 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 A1GsAs 기판을 사용하는 것이 필요하다. 따라서, 전술한 것과 같이, 단일 성분의 기판 대신에 사용하기 위해 후막의 A1GaAs층이 성장되고 원래 사용된 기판이 제거된다.
전술한 것과 같이, 빛이 발광 다이오드 칩의 이면에서 반사되는 구조를 갖는 AlGaAs 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위해서는, A1GaAs 기판이 필요하다. 이것은, GaAs 기판 상에 A1GaAs 후막을 성장시키고 그 위에 발광부로서 A1GaAs층을 성장시키켜 GaAs 기판을 제거함으로써 얻어진다. 상기한 A1GaAs 후막은, 일반적으로 발광 다이오드 칩에 대해 웨이퍼 형상을 유지하기 위해 약 150 마이크로미터의 두께가 요구된다.
그러나, 높은 비율의 혼합 결정을 갖는 AlGaAs층이 점진적인 냉각법에 의해 에피택셜하게 성장할 때, GaAs과 Al이 Ga의 용매에 첨가될 경우에 용해된 Al의 양이 큰 반면에 용해된 GaAs 양이 작기 때문에, 두께가 두껍고 A1As 혼합 결정의 비율이 높은 A1GaAs 에피택셜층을 성장시키기가 곤란하다. 이 때문에, 성장 개시 온도를 약 1000℃(보통은 약 900℃)까지 증가시키고, 용액조의 두께를 두껍게 하여, 냉각 속도 등을 천천히 하강시키는 수단이나 방법이나 수단을 취하는 것이 필요하다. 그러나, 이러한 방법에 있어서는 원료의 양이 증가되고 성장에는 장시간이 걸리며, 이에 따라 제조비가 상승하게 된다. 그 이외에, 표면 내부의 막 두께가 50 내지 100 마이크로미터의 양까지 분산되므로, 막 두께와 특성의 균일성을 증진시키기가 곤란하여, 웨이퍼가 부숴지거나 막 두께의 분산에 의해 내부 비틀림이 생긴다.
점진적인 냉각법 이외에 온도차법이 존재하지만, 이 방법에서는 한가지 단계에서 성장될 수 있는 에피택셜 웨이퍼 수가 매우 적은데, 즉 1개 또는 2개이다. 따라서, 에피택셜 웨이퍼가 대량 생산될 경우에는, 다수의 성장 장치가 필요하고, 특성의 분산으로 인해 수율이 떨어지며, 제조비가 상승한다. 상기한 이유로 인해, 효율을 증진시키기 위해서는 A1GaAs 후막이 없이 빛을 반사시키는 발광 다이오드가 유리하다.
전술한 문제점을 감안하여, 제 1 발명의 목적은, 높은 발광 출력을 제공하며 용이하게 제조할 수 있는 발광 다이오드와 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 제 2 발명의 목적은, 높은 발광 출력의 특성을 유지하면서 제조 수율과 신뢰성을 향상시키는 발광 다이오드를 제공함에 있다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드는, 기판의 표면에 볼록 메사부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 볼록 메사부와 부분적으로 접속되며, 상기 기판과 메사부를 제외한 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드는, 에피택셜층의 이면에 볼록부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 볼록부와 부분적으로 접속되며, 상기 기판과 볼록부를 제외한 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된다.
본 발명의 제 3 특징에 따르면, 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드는, 기판 표면에 있는 볼록 메사부와, 상기 에피택셜층의 이면에 있는 볼록부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 메사부와 볼록부에 의해 기판과 부분적으로 접속되며, 상기 기판과 메사부 및 볼록부를 제외한 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된다.
본 발명의 제 4 특징에 따르면, 본 발명의 제 1 내지 제 3 특징 중 어느 하나에 따른 발광 다이오드에 있어서, 더 높은 휘도를 제공하기 위해서는 상기 기판은 GaAs이며, 상기 에피택셜충은 GaA1Aas이다.
본 발명의 제 5 특징에 따르면, 본 발명의 제 1 내지 제 4 특징 중 어느 하나에 따른 발광 다이오드에 있어서, 신뢰성을 향상시키기 위해 수지가 공동층 내부에 삽입된다.
본 발명의 제 6 특징에 따르면, 발광 발광 다이오드를 제조하는 방법이 제공되는데, 이 방법은, 기판의 표면에 볼록 메사부를 형성하는 공정과, 상기 기판의 표면에 상기 볼록 메사부의 높이를 초과하지 않는 두께를 갖는 희생층을 성장시키는 공정과, 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층을 성장시키는 공정과, 상기 희생충을 용해 제거하여 상기 기판의 표면과 메사부를 제외한 상기 에피택셜층 사이에 공동층을 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명의 제 7 특징에 따르면, 발광 다이오드를 제조하는 방법이 제공되는데, 이 방법은, 기판의 표면에 볼록 메사부를 형성하는 공정과, 상기 기판의 표면에 상기 볼록 메사부의 높이를 초과하지 않는 정도의 두께를 갖는 희생층을 성장시키는 공정과, 상기 희생층이 성장되는 기판의 표면을 멜트백(melting back)하고 상기 희생층을 제외한 볼록 메사부를 제거하여 상기 희생층 상에 오목 메사 흔적부(trace portion)를 형성하는 공정과, 상기 희생층 상에, 발광부를 형성하며 상기 오목 메사 흔적부의 깊이를 초과하지 않는 두께를 갖는 복수의 에피택셜층을 성장시켜 상기 오목 메사 흔적부에 볼록부를 형성하는 공정과, 상기 희생층을 용해 제거하여 상기 기판의 표면과 상기 오목 메사 흔적부에 형성된 상기 볼록부를 제외한 에피택셜층 사이에 공동층을 형성하는 공정을 포함한다.
이때, "볼록 메사부의 높이를 초과하지 않는 정도의 두께"란, "볼록메사부의 높이를 초과하지 않는 두께"와 달리, 메사부의 높이를 약간 초과할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 제 8 특징에 따르면, 본 발명의 제 6 또는 제 7 특징에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 기판은 GaAs, 상기 에피택셜층은 GaA1As, 상기 희생층은 GaA1As 에피택셜층보다 더 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GaA1As이고, HF와 H2O2를 함유하는 희석된 용액이 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GaA1As 희생층를 용해하기 위한 용액으로서 사용된다.
한편, 본 발명은, 기판의 밴드갭 에너지가 발광부를 형성하는 에피택셜층의 밴드갭 에너지보다 낮기 때문에 이면으로 가는 빛이 흡수되는 구조를 갖는 어떠한 발광 다이오드에도 적용할 수 있다.
기판과 에피택셜층 사이에 공동층이 형성되는 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 에피택셜층을 통해 이면으로 가는 대부분의 빛이 공동층에서 반사되어 표면에서 방출된다. 따라서, 종래기술에서와 같이, 기판 대신에 빛을 흡수하지 않는 두꺼운 에피택셜층을 형성할 필요성을 제거하고 원래 사용된 기판을 제거함으로써, 광출력 효율을 향상시킬 수 있다. 더구나, 발광부를 형성하는 에피택셜층은, 기판의 표면에 형성되는 볼록 메사부에 의해 기판과 부분적으로 접속된다. 더욱이, 공동층을 갖지 않는 발광 다이오드와 비교할때, 전류가 공동층이 존재하는 곳으로 제한되기 때문에 더 높은 발광 출력을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 발광부를 형성하는 에피택셜층이 에피택셜층의 이면에 형성된 볼록 메사부에 의해 기판과 부분적으로 접속됨으로써, 본 발명의 제 1 특징과 마찬가지로 발광 다이오드의 형상이 유지될 수 있다.
본 발명의 제 3 특징에 따르면, 발광부를 형성하는 에피택셜층이 기판의 표면에 형성된 볼록 메사부와 에피택셜층의 이면에 형성된 볼록부에 의해 기판과 부분적으로 접속됨으로써, 본 발명의 제 1 또는 제 2 특징과 마찬가지로 발광 다이오드의 형상을 유지할 수 있다.
기판이 GaAs이고 에피택셜층이 GaA1As인 본 발명의 제 1 내지 제 3 특징 중 어느 하나에 따른 본 발명의 제 4 특징에 따르면, 더 높은 휘도를 얻을 수 있다.
수지가 공동층에 삽입되는 본 발명의 제 1 내지 제 4 특징 중 어느 하나에 따른 본 발명의 제 5 특징에 따르면, 신뢰성이 증진될 수 있다.
메사부의 높이를 초과하지 않는 두께를 갖는 희생층이 기판의 표면에 성장되는 본 발명의 제 6 특징에 따르면, 에피택셜층이 메사부 상에 직접 성장되고, 메사부와 에피택셜층 사이에 희생층이 존재하지 않는다. 따라서, 그후에 희생층이 용해 제거될 때, 에피택셜층은 기판으로부터 분리되지 않고, 메사부에 의해 기판과 견고히 접속될 수 있다. 더구나, 희생층을 단지 용해 제거하면 에피택셜층과 기판의 표면 사이에 공동층이 형성될 수 있으므로, 공동층의 형성을 용이하게 만들 수 있다.
본 발명의 제 7 특징에 따르면, 에피택셜층의 볼록부가, 오정렬된 구조를 갖는 표면층이 멜트백에 의해 제거되는 기판의 오목부와 접속되며 그 오목부 내부에 형성된다. 따라서, 기판과 에피택셜층 사이의 접속이 희생층의 성장과 에칭 상태에 의해 영향을 받지 않으면서 멜트백에 의해 제공되기 때문에, 에피택셜층이 더욱 견고하게 접속될 수 있다. 더욱이, 단지 희생층을 용해 제거함으써 공동층이 형성될 수 있기 때문에, 본 발명의 제 6 특징과 마찬가지로 공동층이 용이하게 형성될 수 있다.
기판이 GaAs이고, 에피택셜층이 GaA1As이며, 상기 희생층은 상기 GaA1As 에피택셜층보다 더 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GaA1As이고, HF와 H2O2를 함유하는 희석된 용액이 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GsA1As 희생층을 용해하기 위한 용액으로서 사용되는 제 6 또는 제 7 발명에 따른 본 발명의 제 8 특징에 따르면, 희생층의 멜트백, 용해 및 제거가 확실하게 수행될 수 있으며, 공동층의 형성을 더욱 확실하고 용이하게 달성할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명이 적용되는 실시예에 대해 설명한다.
실시예
제 1 실시예
제 1 도에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드(1)는, 기판의 밴드갭 에너지가 발광부를 형성하는 에피택셜층의 밴드갭 에너지보다 낮기 때문에 이면으로 가는 빛은 기판에서 흡수지는 종래의 발광 다이오드구를 개량한 것으로, 이면으로 향한 빛이 반사되어 표면측으로부터 나오는 구조를 갖는다.
상기한 발광 다이오드(1)는, P-형 A1GaAs 클래드층(3), P-형 A1GaAs 활성층(4) 및 N-형 AlGaAs 윈도우층(5)이 P-형 GaAs 기판(2) 상에 형성된 DH(double-hetero) 구조를 갖는다. P-형 GaAs 기판(2)의 측에는 P측 전체면 전극(7)이, N-형 A1GaAs 윈도층(5) 측에는 N-측 원형전극(8)이 각각 형성된다.
P-형 GaAs 기판(2)의 표면에는 볼록 메사부(9)가 형성된다. 메사부(9)의 상부가 클래드층(3) 내부에 삽입되는 형태로 클래드층(3)이 메사부(9)와 접속된다. 이와 같은 접속은 부분적으로 이루어짐으로써, P-형 GaAs 기판(2)과 P-형 A1GaAs 클래드층(3) 사이에 공동층(10)이 얻어진다.
동작시에, P형 A1GaAs 활성층(4)에서 발생된 빛은 N-형 A1GaAs 윈도우층(5) 및 P형 A1GaAs 클래드층(3)을 통해 전파되고, P형 A1GaAs 클래드층(3)의 이면으로 가는 빛은 클래드층(3)과 공동층(10) 사이의 계면에서 반사되어, N형 A1GaAs 윈도우층(5)으로 되돌아간다. 그 결과, P형 A1GaAs 활성층(4)에서 발생된 빛은 발광 다이오드(1)의 칩 표면으로부티 고효율로 나올 수 있다.
공동층(10)의 계면에서 반사되는 이유는, 공동층(10)의 굴절률이 1.0 정도로 작거나 수지가 삽입된 경우에는 대략 1.5 정도로 작은 반면에, P형 클래드층(3)의굴절률은 약 3.5이므로, 빛이 계면에서 반사되기 쉽기 때문이다. 칩이 수지로 몰딩될 때, 공동층은 비워지고 수지가 그 내부에 유입되는 2가지 경우가 존재하는데, 이러한 두가지 경우에 있어서 빛은 공동층과 P-형 클래드층 사이의 계면에서 반사된다. 이 때문에, GaAs 기판(2)이 존재하더라도, 높은 반사 효과를 갖는 발광 다이오드가 제조될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서의 발광 다이오드에 따르면, 공동층으로 인해 전류가 제한됨으로써, 내부 양자효율은 더욱 높아져, 공동층을 갖지 않는 종래의 DH 구조 발광 다이오드에 비해, 2배 이상의 발광 출력 또는 광 방출을 얻을 수 있다. 더구나, 더 높은 전류밀도에 따라 종래기술에 비해 응답속도가 2배정도 빨라진다.
이하, 전술한 구조를 갖는 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, P형 GaAs 기판(2)을 준비한다. 예를 들어, 이것은 1×1019cm-3내지 3×1019cm-3의 캐리어 농도를 갖는 아연에 의해 도핑된 GaAs 기판이다. GaAs 기판의 표면에는, 포토리소그래피 및 드라이 또는 웨트 에칭법에 의해 볼록 메사부(9)가 형성된다. 상기한 메사부(9)는 10 마이크로미터의 직경과 5 마이크로미터의 높이를 갖는 대략 원주의 형태를 갖는다. 이것은 40 마이크로미터의 간격으로 매트릭스 형태로 배치된다.
제 2 도에 도시된 것과 같이, 볼록 메사부(9)가 형성된 P형 GaAs 기판(2)의 표면에는, 액상 에피택셜법에 의해 4개의 에피택셜층이 성장된다. 즉, 클래드층(3), 활성층(4) 및 윈도우층(5)에 덧붙여 희생층(12)이 형성된다.
희생층(12)은 0.90의 A1As 혼합결정 비율을 갖는 높은 혼합 결정의 A1GaAs로 제조되며, 메사부(9)의 높이를 초과하지 않는 약 2 마이크로미터 정도의 두께를 갖도록 설계된다. 상기한 높은 혼합 결정의 희생충(12)은, 낮은 과포화를 갖는 성장 용액이 기판(2)과 접촉되는 단계에서 메사부(9)의 상단에서 성장하지 않는다. 상기한 P형 A1GaAs 클래드층(3)은 0.25의 A1As 혼합 결정 비율과 약 30 마이크로미터의 두께를 갖도록 설계된다. 또한, P형 A1GaAs 활성층(4)은 0.05의 A1As 혼합 결정 비율과 약 1 마이크로미터의 두께를 갖도록 설계된다. 더구나, N형 A1GaAs 윈도우층(5)은 0.25의 A1As 혼합 결정 비율과 약 30 마이크로미터의 두께를 갖도록 설계된다. 한편, 0.25의 A1As 혼합 결정 비율의 굴절률은 약 3.5이다. 상기한 구조와 같이 성장된 에피택셜 웨이퍼의 이면 및 표면에 전극(7, 8)이 형성된 후, 웨이퍼를 각각의 칩으로 분할하기 위해 80 마이크로미터 깊이의 홈이 형성된다. 그후, 웨이퍼가 에칭 용액에 침적되었을 때, 희생층(12)이 제거되어 공동층(10)을 형성한다. 상세하게는, 에피택셜층이 HF와 H2O2의 희석 용액에 침적됨으로써, 희생층이 용해 제거된다. 즉, 높은 혼합 결정 비율의 A1GaAs로 제조된 희생층(12) 만이 이 용액에 의해 용해된다.
그후, 발광 다이오드의 칩을 제공하기 위해 다이싱에 의해 에피택셜 웨이퍼가 분할된다. 각각의 분할된 발광 다이오드는 스템 상에 장착되고, 와이어 본딩에 의해 배선이 이루어지며, 수지에 의해 몰딩되어, 발광 다이오드 장치가 얻어진다. 일반적으로 약 1.5의 굴절률을 갖는 에폭시 수지가 몰딩에 사용된다. 광 출력 효율을 증진시키기 위해서는, 높은 굴절률의 수지를 사용하는 것은 바람직하다.
상기한 구조를 갖는 적외선 발광 다이오드의 특성이 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다. DH 구조를 갖는 종래의 발광 다이오드에 있어서는 5OmA의 순방향 전류에서 발광 출력이 8.O±1mW인 반면에, 5OmA의 순방향 전류에서 발광 출력이 2O±1mW인 점에서, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 높은 광 출력을 제공할 수가 있다.
더구나, 본 실시예에 따른 수지 몰딩되지 않은 배어(bare) 칩 상태에서는 발광 출력이 7.0±0.9mW인 반면에, 종래의 발광 다이오드에서는 수지 몰딩되지 않은 배어 칩의 상태에서는 발광 출력이 2.5±0.3mW인 것이 확인되었다.
특히, 상기한 발광 다이오드가 A1GaAs의 적외선 발광 다이오드로 제조되는 경우에는, 2OmA의 순방향 전류에서 발광이 25OOmcd라는 점에서 높은 광 출력을 제공할 수 있다.
일반적으로 종래의 이면 반사형의 발광 다이오드가 제조될 때 분산이 증가된 반면에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드에 있어서는, 발광 출력의 분산이 매우 줄어든다는 것이 확인되었다.
더구나, 종래의 이면 반사형의 발광 다이오드용 기판으로서는 높은 혼합 결정 비율을 갖는 A1GaAs 후막이 필요하지만, 상기한 바람직한 실시예에 있어서는 이것이 성장될 필요가 없다. 즉, GaAs 기판이 기판으로서 남는다. 따라서, 기판 상에 성장되는 A1GaAs 층의 두께가 그 층에 고유한 두께 이상이 될 필요가 없으므로, 온도 조건이 완화되고, 에피택셜층이 성장하기 용이하여, 특성의 균일성이 향상될 수있다. 한편, 높은 혼합 결정의 A1GaAs 층은 얇은 희생층으로 성장된 후 제거되므로, 특성에 영향을 미치지 않는다.
더구나, 종래의 DH 구조에서 에피택셜 웨이퍼의 성장 시스템을 확장함으로써 단지 4개의 에피택셜층을 성장하는 것만이 필요하기 때문에, GaAs 기판의 제거는 필요하지 않으므로, 종래의 대량생산 기술을 그대로 사용할 수 있다.
따라서, 상당히 비용이 저렴하고 높은 광 출력 및 우수한 균일성의 특성을 갖는 에피택셜 웨이퍼를 용이하게 성장시킬 수 있다.
한편, 상기한 발광 다이오드(1)가 수지에 의해 몰딩될 때, 공동층(10)은 그대로 유지되거나 몰딩용 수지로 충전될 수 있다. 수지가 그 내부에 삽입되더라도, 수지의 굴절률이 P형 A1GaAs 클래드층(3)의 굴절률보다 작은 한, 클래드층(3) 및 수지 사이의 계면에서 빛이 반사될 수 있다.
비록, 상기한 바람직한 실시예는 비록 이중 헤테로 구조를 갖는 발광 다이오드에 관한 것이지만, 본 발명은 단일 헤테로 구조에도 적용될 수 있으며, 상기한 실시예에 있어서 기판과 도전형은 완전히 반대로 될 수 있다.
전술한 것과 같이, 제 1 실시예에 있어서 발광 다이오드가 제조되는 경우에, 높은 혼합 결정을 갖는 A1GaAs 층인 희생층(12)은, 제 2도에 도시된 것과 같이 메사부(9)의 높이를 초과하지 않도록 기판 상에서 성장된다. 그러나, 성장 조건이 약간 변경되면, A1GaAs 희생층의 박막도 메사부 상에 성장될 수 있다. 이러한 경우에, 제 3 도에 도시된 것과 같은 구조를 갖는 발광 다이오드가 얻어진다.
제 3 도의 단면 구조에 도시된 것과 같이, 클래드층(3)의 평탄한 바박면이메사부(9)에 삽입되지 않고 그 바로 위에 놓이는 구조를 갖는 발광 다이오드가 얻어 진다.
이와 같은 구조로 나타낸 것과 같은 DH 구조의 발광 다이오드를 평가하면, 5Om의 순방향 전류에서 발광 출력이 l8±lmW이다. 한편, 상기한 실시예에 있어서 수지가 몰딩되지 않은 배어 칩의 발광 출력은 6±0.8m이다. 이 값은 제 1 도에 도시된 구조를 갖는 발광 다이오드의 값보다 작지만, 종래의 값보다 높다는 것이 밝혀졌다.
한편, 기판과 에피택셜층이 메사부에 의해 부분적으로 접속된 전술한 접속 구조에 있어서, A1GaAs 희생층이 메사부 위에서 성장하면, 발광부를 형성하는 에피택셜층(3, 4, 5)은 희생층이 에칭될 때 기판(2)으로부터 박리될 수 있는 가능성이 적어진다.
비록 에칭이 잘 수행되었다 하더라도, 수지에 의해 몰딩된 발광 다이오드가 제조될 때, 기판과 에피택셜층 사이의 계면에 가해진 응력, 또는 장기간의 동작, 온도 변화 등으로 인해 박리가 발생할 수 있다. 이하의 제 2 실시예는 이와 같은 문제에 대한 해결책을 제공한다.
제 2 실시예
제 4 도에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 있어서의 발광 다이오드는, 기판와 에피택셜층이 에피택셜층의 볼록부에 의해 부분적으로 접속된 접속 구조의 변형으로, 동일한 부분은 제 1 실시예에서 사용된 것과 동일한 도면부호로 나타내었다.
이 발광 다이오드(11)는, P-형 A1GaAs 클래드층(3)의 이면에 볼록부(14)가형성되고 클래드층(3)이 볼록부(14)에 의해 P형 GaAs 기판(2)과 직접 접속된다는 점에서, 제 1 실시예의 발광 다이오드(1)와 다르다. 이러한 볼록부(14)는 후술하는 연장된 직경부를 갖고, 이 연장된 직경부는 기판(2)과 접속되므로, 제 1 실시예와 비교할 때 접속 면적이 더 크고, 접속 강도도 더 크다.
다음에, 이러한 구조를 갖는 적외선 발광 다이오드의 제조방법을 제 5 도 및 제 6 도에 따라 설명한다.
먼저, 제 5A 도에 도시된 것과 같이 P형 GaAs 기판(2)을 준비한다. 예를 들면, 이것은 1×1019cm-3내지 3×1Ol9cm-3의 캐리어 농도를 갖는 아연에 의해 도핑된 GaAs 기판이다. GaAs 기판(2)의 표면에, 포토리소그래피와 에칭법을 사용하여 볼록 메사부(9)를 형성한다. 이 메사부(9)는 10 마이크로미터의 직경과 3 마이크로미터의 높이를 갖는 원주의 형태를 지닌다. 이것은, 제 5B 도에 도시된 것과 같이 40 마이크로미터의 간격으로 매트릭스형 태로 배치 된다.
볼록 메사부(9)가 형성된 P형 GaAs 기판(2) 위에, 제 5C 도에 도시된 것과 같이 희생층의 에피택셜층(12)을 성장시킨다.
GaAs 기판(2) 상에 형성된 희생층(12)의 A1GaAs 층은 0.90의 A1As 혼합 결정 비율과 약 2 마이크로미터의 두께를 갖는다. 액상 에피택셜법에 의해, 희생층(12)은 메사부(9)의 간극에서만 성장한다. 이러한 과정은 액상 에피택셜 성장으로서 당업계에서 널리 알려져 있다. 그러나, 성장의 분산으로 인해, 희생층은 메사부(9) 상에 박막 형태로 성장될 수 있다.
그후, P형 A1GaAs 클래드층(3)을 성장시킨다. 이때, 클래드층에 대한 성장 용액에 첨가되는 GaAs 양을 줄임으로써 성장 용액을 불포화시킨다. 제 1 실시예에 있어서는 높은 혼합 결정의 A1GaAs 희생층(12)이 낮은 과포화를 갖는 성장 용액을 사용했지만, 본 실시예에 있어서는 불포화 성장 용액이 사용된다. 불포화 성장 용액과 기판(2)을 접촉시킴으로써, 기판(2)의 표면을 멜트백하여 볼록 메사부(9)를 제거한다. 이러한 제거로 인해, 제 5D 도에 도시된 것과 같이 메사부의 흔적에 해당하는 오목 멜트백부(13)가 희생층(12) 내부에 형성된다.
전술한 성장 용액은, Ga 금속, Al 금속, GaAs 다결정 및 Zn 도펀트로 이루어진다. CaAs 첨가량이 너무 많으면, 멜트백이 얻어지지 않는다. 너무 적으면, 멜트백 양이 너무 많아진다. 이러한 이유로 인해, 멜트백이 양은 메사부(9)의 선단으로부터 설정점으로서 4 마이크로미터의 깊이가 될 수 있으며, 분산은 약 0.1∼10 마이크로미터가 될 수 있도록, GaAs 첨가량을 제어한다. 불포화 용액은, 희생층(12)을 거의 에칭하지 않으면서 GaAs 기판(2)의 표면을 상당하게 용해할 수 있다. 따라서, 멜트백 부분이 깊게 파여지므로, 제 5D 도의 우측의 확대도로 나타낸 것과 같이 연장된 직경부(l3a)를 갖는 오목부(13)가 형성된다.
이것은, 용해되는 재료 내부의 A1As 혼합 결정 비율에 크게 의존하는 멜트백 속도에 기인한다. 흥미롭게도, 용해가 희생층(12) 전체의 아래에서 이루어지더라도, 희생층이 매트릭스의 형태를 갖기 때문에, 에피택셜층을 성장시킨 후, 희생층(12)이 클래드층(3) 내부에 매립되는 구조가 형성될 수 있다.
한편, 메사부 위에서 박막 형태로 성장하는 희생층(12)은 전술한 것과 같이멜트백에 의해 완전히 제거될 수 있다. 따라서, 희생층(12)의 두께는 메사부(9)의 높이를 초과한다.
멜트백 후에, 클래드층(3)을 성장시킨 다음, 연속하여 제 5E 도에 도시된 것과 같이 P형 A1GaAs 활성층(4) 및 N형 A1GsAs 윈도우층(5)을 성장시킨다.
멜트백 이후에 클래드층(3)의 성장에 따라, 제 5E 도의 우측에 있는 확대도에 의해 도시된 것과 같이, 오목 벨트백부(13)에 해당하는 볼록부(14)가 클래드층(3)의 이면에 형성된다. 이러한 볼록부(14)에 의해, 클래드층(13)은 기판(2)과 직접적으로 그리고 부분적으로 접속된다.
상기한 P형 A1GaAs 클래드층(3)은 약 0.25의 A1As 혼합 결정 비율과 약 30마이크로미터의 두께를 갖는다. P형 활성층(4)은 약 0.05의 A1As 혼합 결정 비율과 약 1 마이크로미터의 두께를 갖는다. 또한, N형 A1GaAs 윈도우층(5)은 약 0.30의 A1As 혼합 결정 비율과 약 30 마이크로미터의 두께를 갖는다.
그후, 제 6A 도에 도시된 것과 같이, N측 원형전극(8)과 P측 전체면 전극(7)이 에피택셜 웨이퍼의 표면 및 이면에 각각 형성된다.
전극이 형성 후, 복수의 칩으로 분할하기 위한 홈이 형성된다. 40 마이크로미터의 폭과 80 마이크로미터의 깊이를 갖는 복수의 홈이 300 마이크로미터의 간격으로 매트릭스 형태로 배치된다. 에피택실 웨이퍼를 HF와 H2O의 희석 용액에 침적시켜, 희생층(12)을 용해 제거한다. 희생층을 용해하여 제거함으로써, 제 6B 도에 도시된 것과 같이, 공동층(2)이, 클래드층(3)의 이면에 있는 볼록부(14)를 제외한,기판(2)과 클래드층(3) 사이에 형성된다. 따라서, 3OO㎛×3OO㎛의 면적을 각각 갖는 칩이 얻어진다.
이러한 에칭단계에서, 높은 혼합 결정의 A1GaAs 희생층(12)만이 에칭될 수 있으며, 다른 A1GaAs 층(3, 4, 5)은 거의 에칭되지 않는다.
이와 같이 형성된 에피택셜 웨이퍼에 있어서는, 제 6C 도에 나타낸 것과 같이, 빛이 클래드층(3)과 공동층(10) 사이의 계면에세 반사되므로, 대부분의 발생된 빛은 N형 윈도우층(5)으로 간다.
상기한 제 2 실시예에 있어서는, 성장 조건이 다소 변경되어, A1GaAs 희생층의 박막은 메사부 위에 성장하더라도, 메사부 그 자체가 멜트백에 의해 제거되기 때문에, 문제가 없다. 더구나, 클래드층의 이면에 있는 볼록부는 멜트백에 의해 세정된 기판의 표면과 견고하게 접속되기 때문에, 그 접속이 그만큼 견고해진다. 따라서, 칩을 제조시에 희생층이 에칭될 때, 발광부를 형성하는 DH 구조의 에피택셜층은 기판으로부터 박리되지 않으며, 기판과 에피택셜층 사이의 계면에 응력이 가해지더라도 에피택셜층이 박리되지 않는다. 더구나, 상기한 장치는, 수지로 몰딩된 발광 다이오드의 제조 후에, 장시간의 동작, 온도변화 등에 대해 안정성을 갖는다.
더욱이, 다이싱에 의해 에피택셜 웨이퍼가 분할되어 적외선 발광 다이오드의 칩이 얻어진다. 각각의 분할된 발광 다이오드는 스템 위에 장착되고 와이어 본딩에 의해 배선이 이루어지며, 수지에 의해 몰딩됨으로써, 발광 다이오드 장치가 얻어진다.
이와 같은 발광 다이오드의 특성을 평가하면, 제 1 실시예에 있어서 보다 더높은 광 출력이 얻어지는데, 5Om의 순방향 전류에서 발광 출력은 22.0±2.0mW이고, 수지가 몰딩되지 않은 배어 칩에서는 10.0±1mW이다. 더구나, 종래의 이면 반사형 발광 다이오드가 제조될 때에는 일반적으로 분산이 증가하는 반면에, 본 실시예에 있어서의 발광 출력의 분산은 상당히 줄어든다는 것이 밝혀졌다.
칩의 제조시에 희생층이 에칭될 때, DH 구조의 에패택셜층이 박리될 가능성은, 제 1 실시예에서는 약 30%이지만, 멜트백 후에 DH 구조의 에피택셜층이 성장하는 본 실시예에서는 l％ 이하가 될 수 있다.
더구나, 제 1 실시예에 있어서는 유동 전류가 약 1Om로 제한되는 칩이 제조된 칩의 약 20% 정도이지만, 본 실시예에 있어서는 1% 미만으로 상당히 줄어들었다.
본 실시예에 따르면, 수지 몰딩을 갖는 장치의 수명이 상당히 향상될 수 있다. 100개의 칩을 사용하여, 상온에서 -40℃까지 온도 범위에서 1OOmA의 전류를 1OOO번 흘리는 실험을 한 결과, 전류의 흐름이 불가능한 칩은 존재하지 않았다.
더구나, 이와 같은 적외선 발광 다이오드에 대한 실시예를 A1GaAs 적색 발광 다이오드에 적용한 경우에, 높은 발광 출력을 얻어지는 것이 확인되었는데, 상단 표면의 발광은 2Om의 순방향 전류에서 25OOmcd(6.OmW의 발광출력 )이었다.
한편, 제 2 실시예에 있어서는 볼록 메사부의 전체가 멜트백에 의해 제거되지만, 제 1 실시예에 있어서와 같은 발광 다이오드 구조를 형성하기 위해서는 메사부의 상단부만이 제거될 수 있다. 이와 같은 구조에 대해서는, 메사부의 상단에 성장할 수 있는 희생층이 효과적으로 제거될 수 있으므로, 제 1 실시예에 비해 접속의 신뢰성이 향상된다.
더구나, 기판의 표면에 볼록 메사부를 형성하고 에피택셜층의 이면에 볼록부를 각각 형성함으로써 제 1 및 제 2 실시예의 조합은 사용될 수 있는데, 이때 메사부와 볼록부는 에피택셜층을 기판과 부분적으로 접속하므로, 메사부와 볼록부를 제외한, 기판과 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된다. 본 실시예에 있어서는, HF와 H2O의 용액이 사용된다. 그러나, 희생층을 제거하기 위해 1:10의 비율을 갖는 HF와 H2O의 희석된 수용액이 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 장점을 설명한다.
1. 청구항 제 1항에 기재된 본 발명에 따르면, 기판의 표면에 있는 메사부에 의해 기판과 에피택셜층 사이의 부분적인 접속이 얻어지고, 공동층에서 빛을 반사하기 위해 에피택셜충과 기판 사이에 공동층이 형성된다. 그 결과, 발광 출력을 상당히 향상시킬 수 있다.
2. 청구항 제 2항에 기재된 본 발명에 따르면, 에피택셜층의 이면에 있는 볼록부에 의해 기판과 에피택셜층 사이의 부분적인 접속이 얻어지며, 공동층에서 빛을 방사시키기 위해 에피택셜층과 기판 사이에 공동층이 형성된다. 그 결과, 발광 출력이 상당히 향상될 수 있다.
3. 청구항 제 3항에 기재된 본 발명에 따르면, 기판의 표면과 볼록부상의 메사부에 의해 기판과 에피택셜충 사이에 부분적인 접속이 얻어지며, 공동층에서 빛을 반사시키기 위해 에피택셜층과 기판 사이에 공동층이 형성된다. 그 결과, 발광출력을 상당히 향상시킬 수 있다.
4. 청구항 제 4항에 기재된 본 발명에 따르면, 고위도를 갖는 GaAs/GaA1As 화합물 반도체가 발광 다이오드의 재료로서 사용된다. 그 결과, 발광 출력을 크게 향상시킬 수 있다. 더구나, 높은 A1As 혼합 결정 비율을 갖는 후막 A1GaAs 층의 성장이 필요없기 때문에, 특성의 균일성을 향상시킬 수 있다.
5. 청구항 제 5항에 기재된 본 발명에 따르면, 공동층 내부에 수지가 삽입된다. 그 결과, 신뢰성을 상당히 향상시킬 수 있다.
6. 청구항 제 6항에 기재된 본 발명에 따르면, 메사부의 높이를 초과하지 않는 두께를 갖는 희생층이 기판의 표면에서 성장한다. 그 결과, 메사부에 의해 에피택셜층이 기판과 견고하게 접속될 수 있다. 더구나, 희생층을 용해하여 제거함으로써, 공동층을 간단하게 형성할 수 있다.
7. 청구항 제 7항에 기재된 본 발명에 따르면, 볼록부는 에피택셜층으로 이루어지고, 볼록부에 의해 기판과의 접속이 얻어진다. 그 결과, 에피택셜층이 더욱 견고하게 접속될 수 있다. 더구나, 희생층을 용해하여 제거함으로써, 공동층이 용이하게 형성될 수 있다.
8. 청구항 제 8항에 기재된 본 발명에 따르면, 고휘도를 갖는 GaAs/GaA1As 화합물 반도체가 발광 다이오드의 재료로 사용되고, 희생층이 높은 혼합 결정의 GaA1As화합물 반도체로 제조되며, 그 희생층을 용해하여 제거하는데 적합한 HF/H2O 에칭 용액이 사용된다. 그 결과, 희생층의 제거를 확실하게 행할 수가 있으며, 공동층이 더욱 확실하고도 용이하게 형성될 수 있다. 더욱이, 높은 A1As 혼합 결정 비율을 갖는 후막 A1GaAs층의 성장이 요구되지 않는다. 그 결과, 제조가 용이하며, 제조시에 높은 수율 뿐만 아니라 높은 신뢰성을 갖는 발광 다이오드를 고휘도 특성을 유지하면서 제조할 수 있다.
비록, 완전하고도 명료한 개시를 위해 특정한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 첨부된 청구범위는 이에 한정되지는 않으며, 전술한 본 발명내용에 속하는 기술분야의 당업자에게 있어서 자명한 모든 변형 및 또 다른 구성을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 단면도.
제 2 도는 제 1 실시예에 있어서 기판 상에 희생층을 포함한 4개의 에피택셜층의 성장 상태를 나타낸 단면도.
제 3 도는 제 1 실시예에 대한 변형으로서 적외선 발광 다이오드를 나타낸 단면도.
제 4 도는 제 2 실시예에 있어서 기판 상에 희생층을 포함한 4개의 에피택셜층의 성장 상태를 나타낸 단면도.
제 5A 도 내지 제 5E 도는 제 2 실시예에 있어서 적외선 발광 다이오드의 에피택셜층을 성장시키는 공정을 나타낸 단면도.
제 6A 도 내지 제 6C 도는 제 2 실시예에 있어서 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 발광 다이오드 2 : 기판
3 : 클래드층 7 : 전극
9 : 메사부

Claims (16)

  1. 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드에 있어서, 상기 기판의 표면에 볼록 메사부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 볼록 메사부에 의해 상기 기판과 부분적으로 접속되면 상기 메사부를 제외한 상기 기판과 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드에 있어서, 상기 에피택셜층의 이면에 볼록부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 볼록부에 의해 상기 기판과 부분적으로 접속되며, 상기 볼록부를 제외한 상기 기판과 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 기판 상에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층이 형성된 발광 다이오드에 있어서, 상기 기판의 표면에 있는 볼록 메사부와, 상기 에피택셜층의 이면에 있는 볼록부를 구비하고, 상기 에피택셜층은 상기 볼록 메사부와 상기 볼록부에 의해 상기 기판과 부분적으로 접속되며, 상기 볼록 메사부와 상기 볼록부를 제외한 상기 볼록 기판과 상기 에피택셜층 사이에 공동층이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs이고, 상기 에피택셜층은 GaA1As인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs이고, 상기 에피택셜층은 GaA1As인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs이고, 상기 에피택셜층은 GaA1As인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 공동층 내부에 수지가 삽입된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 공동층 내부에 수지가 삽입된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 공동층 내부에 수지가 삽입된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 제 1 도전형을 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 표면에 성장되고, 상기 제 1 도전형을 갖는 클래드층과,
    상기 클래드층 위에 성장되고, 상기 제 1 도전형을 갖는 활성층과,
    상기 활성층 위에 성장되고, 제 2 도전형을 갖는 윈도우층과,
    상기 표면과 반대편에 있는 상기 반도체 기판의 이면에 설치된 제 1 전극과,
    상기 활성층과 마주보는 이면의 반대편에 있는 상기 윈도우층의 표면에 설치된 제 2 전극을 구비한 발광 다이오드에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 클래드층 사이의 계면에 복수의 공동이 설치되어, 상기 활성층에서 발생된 빛이 상기 계면에서 반사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 공동 각각은 반원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 공동 각각은 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  13. 기판의 표면에 볼록 메사부를 형성하는 단계와,
    상기 기판의 상기 표면에 상기 볼록 메사부의 높이를 초과하지 않는 두께를 갖는 희생층을 성장시키는 단계와,
    상기 기판 위에 발광부를 형성하는 복수의 에피택셜층을 성장시키는 단계와,
    상기 희생층을 용해 제거하여, 상기 메사부를 제외한 상기 기판의 상기 표면과 상기 에피택셜층 사이에 공동층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  14. 기판의 표면에 볼록 메사부를 형성하는 단계와,
    상기 기판의 상기 표면에 상기 볼록 메사부의 높이를 초과하지 않는 두께를 갖는 희생층을 성장시키는 단계와,
    상기 기판의 상기 표면을 멜트백하고 상기 희생층을 제외한 상기 볼록 메사부를 제거하여, 상기 희생층 위에 오목 메사 흔적부를 형성하는 단계와,
    상기 희생층 위에 발광부를 형성하며 상기 오목 메사 흔적부의 깊이를 초과하지 않는 두께를 갖는 복수의 에피택셜층을 성장시켜, 상기 오목 메사 흔적부 내부에 볼록부를 형성하는 단계와,
    상기 희생층을 용해 제거하여, 상기 오목 메사 흔적부 내부에 형성된 상기 볼록부를 제외한 상기 기판의 상기 표면과 상기 에피택셜층 사이에 공동층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs이고, 상기 에피택셜층은 GaA1As이며, 상기 희생층은 상기 GaA1As 에피택셜층의 비율보다 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GaA1As이고, HF와 H2O2또는 HF와 H2O를 함유하는 희석 용액이 높은 비율의 A1As 혼합결정을 갖는 상기 GaA1As 희생층을 용해하기 위한 용액으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs이고, 상기 에피택셜층은 GaA1As이며, 상기 희생층은 상기 GaA1As 에피택셜층의 비율보다 높은 비율의 A1As 혼합 결정을 갖는 GaA1As이고, HF와 H2O2또는 HF와 H2O를 함유하는 희석 용액이 높은 비율의 A1As 혼합결정을 갖는 상기 CaA1As 희생층을 용해하기 위한 용액으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
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