KR100413435B1 - Light Emitting Diode and Fabrication Method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층 상에 형성되고 광을 발생하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층; 상기 제2 클래드층 상에 형성된 오믹콘택층; 상기 오믹콘택층 상에 형성되고, 상기 활성층에서 생성된 광을 반사시키는 반사막; 상기 제1 클래드층의 일부에 형성된 전극패드를 포함하여 구성되며, 상기 기판이 상부를 향하도록 발광다이오드가 배치되고, 상기 활성층에서 발생된 광이 상기 반사막에 의해 상당 부분이 반사가 이루어져 상기 기판의 외부로 광이 방출되기 때문에 일반적으로 오믹콘택층 상에 형성된 전극패드에 의한 광의 방출이 제한되는 것을 제거하여 광출력을 높일 수 있다.The present invention is to provide a light emitting diode and a method for manufacturing the same, a substrate; A first clad layer formed on the substrate; An active layer formed on the first clad layer and generating light; A second clad layer formed on the active layer; An ohmic contact layer formed on the second clad layer; A reflective film formed on the ohmic contact layer and reflecting light generated in the active layer; And an electrode pad formed on a portion of the first cladding layer, wherein the light emitting diode is disposed so that the substrate faces upwards, and the light generated in the active layer is reflected by the reflective film to reflect a substantial portion of the substrate. Since light is emitted to the outside, the light output can be increased by eliminating the restriction of the light emitted by the electrode pad formed on the ohmic contact layer.
Description
본 발명은 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode, 이하 LED라 지칭)에 관한 것으로, 특히 기판 쪽으로 광을 방출하게 하는 면발광형의 LED를 제작함으로써 LED의 효율을 높이는데 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to light emitting diodes (LEDs), and more particularly, to improve the efficiency of LEDs by manufacturing surface emitting type LEDs that emit light toward a substrate.
최근 GaN 계를 이용한 발광소자는 청색, 녹색 계의 발광소자로 주목받고 있다. 이 소자는 전광판, 표시소자, 백라이트용의 소자, 전구 등 그 응용영역이 매우넓으며 점차 응용의 범위가 확대, 증가되는 추세에 있으므로 효율이 좋은 소자의 개발은 매우 중요하다 하겠다. 활성층으로 사용되는 InXGa1-XN는 그 에너지 대역폭(bandgap)의 범위가 넓어서 In의 조성에 따라 가시광의 전 영역에서의 발광이 가능한 물질로 알려져 있다.Recently, a light emitting device using a GaN system has attracted attention as a light emitting device of blue and green type. This device has a very wide application area such as an electronic board, a display device, a backlight device, and a light bulb, and the range of application is gradually increasing and increasing. Therefore, the development of efficient devices is very important. In X Ga 1-X N used as an active layer is known as a material capable of emitting light in all regions of visible light according to the composition of In because the energy bandwidth is wide.
종래 구조의 LED 제작 공정을 도1a 내지 도1e를 참고로 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 1a to 1e with respect to the LED manufacturing process of the conventional structure as follows.
기판 물질로 사파이어를 이용하고, GaN계 반도체를 이용한 청색 LED의 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.A blue LED using sapphire as a substrate material and a GaN-based semiconductor will be described as an example.
우선 도1a에 도시한 바와 같이, MOCVD를 이용하여 사파이어 기판(1) 위에 도핑되지 않은 GaN층(2), 하부 클래드층인 N-GaN층(3), 활성층(4), 상부 클래드층인 P-GaN층(5)을 차례로 적층하고, P-GaN층(5)을 활성화시킨다.First, as shown in FIG. 1A, an undoped GaN layer 2 on the sapphire substrate 1 using MOCVD, an N-GaN layer 3 as a lower cladding layer, an active layer 4, and a P as an upper cladding layer -GaN layers 5 are stacked in sequence, and the P-GaN layer 5 is activated.
이어 도1b에 도시한 바와 같이, N-GaN층(3)이 노출되도록 RIE를 이용하여, P-GaN층(5), 활성층(4), N-GaN층(3)의 일부를 식각한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, a portion of the P-GaN layer 5, the active layer 4, and the N-GaN layer 3 are etched using RIE to expose the N-GaN layer 3.
이어 도1c에 도시한 바와 같이, P-GaN층(5)의 전면에 오믹 금속 물질로 Ni, Cr, Au등의 조합을 이용하여 200Å이하의 두께로 투명전극으로 오믹콘택층(6)을 형성한 다음 합금을 한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, the ohmic contact layer 6 is formed on the front surface of the P-GaN layer 5 by using a combination of Ni, Cr, Au, and the like as a transparent metal with a thickness of 200 μs or less. Then alloy.
이어 도1d에 도시한 바와 같이, 오믹콘택층(6)의 일부에 Ni, Cr, Au, Ti, Pt등의 조합을 이용하여 2000Å 이상의 두께로 두껍게 형성하여 P-전극패드(7)를 형성한 다음, 다시 오믹콘택층(6)과의 접촉저항을 줄이기 위해 적당한 온도에서 합금을 한다.As shown in FIG. 1D, a portion of the ohmic contact layer 6 is formed to a thickness of 2000 μs or more using a combination of Ni, Cr, Au, Ti, and Pt to form the P-electrode pad 7. Next, an alloy is made at an appropriate temperature to reduce contact resistance with the ohmic contact layer 6 again.
이어 도1e에 도시한 바와 같이, 노출된 N-GaN층(3)의 영역 상에 Ni, Cr, Ti, Al, Au등의 조합을 이용하여 2000Å 이상의 두께로 두껍게 형성하여 N-전극패드(8)를 형성한 다음 합금을 하여 칩을 완성한다.Next, as shown in FIG. 1E, the N-electrode pad 8 may be formed to a thickness of 2000 μs or more using a combination of Ni, Cr, Ti, Al, Au, and the like on the exposed N-GaN layer 3. ) And then alloy to complete the chip.
이렇게 해서 완성된 칩은 P-전극패드(7)에 양의 부하를, N-전극패드(8)에 음의 부하를 가하게 되면, P-GaN층(5)과 N-GaN층(3)으로부터 각각 정공과 전자들이 활성층(4)으로 모여 재결합함으로써 활성층(4)에서 발광을 하게 된다.The chip thus completed has a positive load applied to the P-electrode pad 7 and a negative load applied to the N-electrode pad 8 from the P-GaN layer 5 and the N-GaN layer 3. Holes and electrons gather in the active layer 4 and recombine, respectively, to emit light in the active layer 4.
이 LED칩은 솔더(solder)를 사용하여 P-GaN층(5)이 위로 향하게 조립되어 사용된다. 활성층(4)에서 발광된 광은 모든 방향으로 발광을 하게 되는데, 활성층(4)이 칩의 윗부분에 위치하고 있기 때문에 주로 윗부분으로 광이 방출되게 된다.This LED chip is used by assembling the P-GaN layer 5 upward using solder. The light emitted from the active layer 4 emits light in all directions. Since the active layer 4 is located on the upper portion of the chip, light is mainly emitted to the upper portion.
하지만 투명전극으로 이루어진 오믹콘택층(6) 위에 불투명한 금속으로 P-전극패드(7)가 형성되어 있으므로 활성층(4)에서 발생한 광의 상당한 부분이 P-전극패드(7)의 밖으로 빠져 나올 수 없게 됨으로써 그만큼의 광출력의 손실이 발생한다. LED칩의 크기가 보통 300㎛×300㎛이고, P-전극패드(7)는 보통 직경 약 100㎛의 원형이므로 꽤 많은 량의 광손실이 상기 P-전극패드(7)로 인해 발생한다.However, since the P-electrode pad 7 is formed of an opaque metal on the ohmic contact layer 6 made of a transparent electrode, a considerable portion of the light generated in the active layer 4 cannot escape out of the P-electrode pad 7. As a result, the loss of the light output by that much occurs. Since the size of the LED chip is usually 300 μm × 300 μm, and the P-electrode pad 7 is usually circular having a diameter of about 100 μm, a considerable amount of light loss occurs due to the P-electrode pad 7.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 상부 클래드층을 통하여 광이 방출되지 않고 대신 투명한 기판면을 통하여 광을 방출시키는 구조를 제시한 것으로, 전극패드와의 콘택을 위한 오믹콘택층 상부에 고반사율을 갖는 반사막을 형성하여 활성층에서 발생한 광의 대부분을 기판면의 외부로 방출시켜 광출력이 높은 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the present invention provides a structure in which light is not emitted through the upper clad layer but instead emits light through a transparent substrate surface, and ohmic contact for contact with an electrode pad. It is an object of the present invention to provide a light emitting diode having a high light output and a method of manufacturing the same, by forming a reflective film having a high reflectance on the layer to emit most of the light generated in the active layer to the outside of the substrate surface.
그리고 상기 반사막의 상부에 보호막을 형성하여 상기 반사막을 보호하고 또한 조립시 솔더와 상기 반사막과의 반응을 줄여 신뢰성이 높은 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide a light emitting diode having high reliability and a method of manufacturing the same by forming a protective film on the reflective film to protect the reflective film and reduce the reaction between the solder and the reflective film during assembly.
도1a 내지 도1e는 종래 기술에 따른 발광다이오드의 제조 사시 공정도.Figures 1a to 1e is a perspective view of manufacturing a light emitting diode according to the prior art.
도2a 내지 도2f는 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조 사시 공정도.Figures 2a to 2f is a perspective view of a manufacturing process of the light emitting diode according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 사파이어 기판 12 : GaN층11 sapphire substrate 12 GaN layer
13 : N-GaN층 14 : 활성층13: N-GaN layer 14: active layer
15 : P-GaN층 16 : 오믹콘택층15: P-GaN layer 16: ohmic contact layer
17 : 반사막 18 : N-전극패드17 reflection film 18 N-electrode pad
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광다이오드의 특징은 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층 상에 형성되고 광을 발생하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층; 상기 제2 클래드층 상에 형성된 오믹콘택층; 상기 오믹콘택층 상에 형성되고, 상기 활성층에서 생성된 광을 반사시키는 반사막; 상기 제1 클래드층의 일부에 형성된 전극패드를 포함하여 구성되는데 있다.Features of the light emitting diode according to the present invention for achieving the above object is a substrate; A first clad layer formed on the substrate; An active layer formed on the first clad layer and generating light; A second clad layer formed on the active layer; An ohmic contact layer formed on the second clad layer; A reflection film formed on the ohmic contact layer and reflecting light generated by the active layer; It is configured to include an electrode pad formed on a portion of the first cladding layer.
상기 기판이 상부를 향하도록 발광다이오드가 배치되고, 상기 제1 및 제2 클래드층에 의해 가이드된 전자 및 정공이 재결합에 의해 상기 활성층에서 발생된 광이 상기 반사막에 의해 반사가 되어 상기 기판의 외부로 광이 방출되기 때문에 일반적으로 오믹콘택층 상에 형성된 전극패드에 의한 광의 방출의 제한을 제거하여 광출력을 높일 수 있다.The light emitting diode is disposed so that the substrate faces upwards, and light generated in the active layer is reflected by the reflective film by recombination of electrons and holes guided by the first and second cladding layers, thereby externalizing the substrate. Since the light is emitted, the light output can be increased by removing the restriction of the light emitted by the electrode pad formed on the ohmic contact layer.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광다이오드 제조방법의 특징은 상기 기판 상에 제1 클래드층, 광을 발생하는 활성층, 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계; 상기 제1 클래드층의 일부가 노출되도록 상기 제2 클래드층, 활성층, 제1클래드층을 식각하는 단계; 상기 식각된 제2 클래드층 상에 오믹콘택층을형성하는 단계; 상기 오믹콘택층 상에 반사막을 형성하는 단계; 상기 식각되어 노출된 제1 클래드층 상에 전극패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.Features of the light emitting diode manufacturing method according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a first cladding layer, an active layer for generating light, a second cladding layer on the substrate; Etching the second clad layer, the active layer, and the first clad layer to expose a portion of the first clad layer; Forming an ohmic contact layer on the etched second clad layer; Forming a reflective film on the ohmic contact layer; And forming an electrode pad on the etched and exposed first cladding layer.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명에 따른 발광다이오드 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.A preferred embodiment of a light emitting diode and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
기판 물질로 사파이어를 이용하고, GaN계 반도체를 이용한 청색 LED의 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.A blue LED using sapphire as a substrate material and a GaN-based semiconductor will be described as an example.
우선 도2a에 도시한 바와 같이, MOCVD를 이용하여 사파이어 기판(11) 위에 도핑되지 않은 GaN층(12) 및 제1 클래드층으로 N-GaN층(13)을 적층하고, 상기 N-GaN층(13)상에 InXGa1-XN으로 활성층(14)을 적층하며, 제2 클래드층으로 P-GaN층(15)을 차례로 적층한 다음, P-GaN층(15)의 수소를 제거하기 위해 600~900℃에서 활성화시킨다.First, as shown in FIG. 2A, an N-GaN layer 13 is laminated on an undoped GaN layer 12 and a first cladding layer on the sapphire substrate 11 using MOCVD, and the N-GaN layer ( 13) stacking the active layer 14 with In X Ga 1-X N on the layer, and sequentially stacking the P-GaN layer 15 with the second cladding layer, and then removing hydrogen from the P-GaN layer 15. Activate at 600 ~ 900 ℃.
이어 도2b에 도시한 바와 같이, N-GaN층(13)이 노출되도록 RIE공정을 이용하여, P-GaN층(15), 활성층(14), N-GaN층(13)의 일부를 식각한다.Next, as shown in FIG. 2B, a portion of the P-GaN layer 15, the active layer 14, and the N-GaN layer 13 are etched using a RIE process so that the N-GaN layer 13 is exposed. .
이어 도2c에 도시한 바와 같이, P-GaN층(15)의 전면에 오믹콘택층(16)을 형성한 다음 합금을 한다.Next, as shown in FIG. 2C, an ohmic contact layer 16 is formed on the entire surface of the P-GaN layer 15 and then alloyed.
이어 도2d에 도시한 바와 같이, 오믹콘택층(16)의 전면에 금속 물질로 예를 들어 Ag/Ni/Au 또는 Ag/Pt/Au를 100Å~1㎛ 정도의 두께로 반사막(17)을 형성한 다음, 오믹콘택층(16)과의 접촉을 좋게 하기 위해 합금을 400~700℃ 온도 범위에서 1~30분동안 행한다.As shown in FIG. 2D, the reflective film 17 is formed on the entire surface of the ohmic contact layer 16 with a thickness of about 100 μm to 1 μm, for example, Ag / Ni / Au or Ag / Pt / Au. Then, in order to improve contact with the ohmic contact layer 16, the alloy is performed for 1 to 30 minutes in the temperature range of 400 ~ 700 ℃.
이어 도2e에 도시한 바와 같이, 노출된 N-GaN층(13)의 영역 상에 Ni, Cr, Ti, Al, Au, Pt의 조합을 이용하여 2000Å 이상의 두께로 두껍게 N-전극패드(18)를 형성한 다음 합금을 한다.Next, as shown in FIG. 2E, the N-electrode pad 18 is thick to a thickness of 2000 μs or more using a combination of Ni, Cr, Ti, Al, Au, and Pt on the exposed N-GaN layer 13. Is formed and then alloyed.
이어 도2f에 도시한 바와 같이, PECVD와 사진묘화공정(photolithography)을 이용하여 반사막(17)의 일부분과 식각된 부분에 활성층(14)에서 발생한 광이 투과할 수 있는 두께로 SiO2또는 Si3N4로 된 보호막을 형성한다.As shown in FIG. 2F, SiO 2 or Si 3 has a thickness that allows light generated in the active layer 14 to pass through a portion of the reflective film 17 and an etched portion using PECVD and photolithography. A protective film of N 4 is formed.
이렇게 제작된 발광다이오드 칩(LED chip)은 사파이어 기판(11)이 위로 향하도록 하면 활성층(14)에서 발생한 광이 투명한 사파이어 기판(11)을 통해 외부로 방출되게 된다.In the LED chip manufactured as described above, when the sapphire substrate 11 faces upward, the light generated in the active layer 14 is emitted to the outside through the transparent sapphire substrate 11.
그리고 P-전극패드를 따로 형성하지 않고, 상기 금속 물질로 이루어진 반사막(17)에 양의 부하를 가함으로써 P-전극패드 역할뿐만 아니라, 반사율이 높은 금속 물질로 이루어져 높은 반사에 의해 활성층(14)에서 생성된 대부분의 광을 사파이어 기판(11) 외부로 방출시킨다.The active layer 14 may be formed of a metal material having a high reflectance as well as a P-electrode pad by applying a positive load to the reflective film 17 made of the metal material without separately forming the P-electrode pad. Most of the light generated in the is emitted to the sapphire substrate (11) outside.
즉, 상기 사파이어 기판(11)이 상부를 향하도록 배치되고, N-전극패드(18) 및 상기 반사막(17)에 부하가 가해지면, 제1 클래드층인 상기 GaN층(12) 및 N-GaN층(13)과 제2 클래드층은 P-GaN층(13)에 의해 가이드된 전자 및 정공이 재결합함으로써 상기 활성층(14)에서 발생된 광이 상기 반사막(17)에 의해 상당 부분이 반사가 이루어져 상기 사파이어 기판(11)의 외부로 광이 방출된다.That is, when the sapphire substrate 11 is disposed upward and a load is applied to the N-electrode pad 18 and the reflective film 17, the GaN layer 12 and the N-GaN, which are first cladding layers, are applied. In the layer 13 and the second clad layer, electrons and holes guided by the P-GaN layer 13 are recombined so that the light generated in the active layer 14 is reflected by the reflective film 17. Light is emitted to the outside of the sapphire substrate 11.
따라서 광출력 감소를 해결할 수 있고, 조립시 사용되는 솔더로의 광흡수도 줄일수 있게 되며, 투명한 사파이어 기판 대신 광출력이 증가하므로 반투명한 기판도 사용할 수 있다.Therefore, it is possible to solve the reduction of the light output, it is also possible to reduce the light absorption to the solder used during assembly, and because the light output is increased instead of the transparent sapphire substrate can also be used translucent substrate.
그리고 기판이 사파이어 기판 등의 투명한 기판 또는 반투명한 기판인 경우, 상기 활성층(14)에서 발생한 광이 청색이나 녹색을 발광하는 파장을 가지는 청색이나 녹색 발광다이오드에 적용할 수 있다.When the substrate is a transparent substrate such as a sapphire substrate or a semi-transparent substrate, the light generated in the active layer 14 may be applied to a blue or green light emitting diode having a wavelength for emitting blue or green light.
상기 실시예는 청색 또는 녹색 발광다이오드에 한정되지 않고, 기판의 고유파장이 적색 파장에서 발진하는 활성층의 파장보다 짧으면 즉, 활성층에서 생성된 적색광을 투과하는 기판이 이용되면 적색 발광다이오드에도 적용이 가능하다.The above embodiment is not limited to a blue or green light emitting diode, and may be applied to a red light emitting diode when the intrinsic wavelength of the substrate is shorter than the wavelength of the active layer oscillating at the red wavelength, that is, when a substrate transmitting red light generated in the active layer is used. Do.
그리고 청색 발광다이오드의 경우, 청색광은 발광효율이 적색이나 녹색에 비해 낮으므로 투명 도전성 물질, 예를 들어 Ni, Cr, Au등의 조합을 이용하여 200Å이하의 두께로 오믹콘택층을 형성하기도 한다.In the case of a blue light emitting diode, since blue light has lower luminous efficiency than red or green, an ohmic contact layer may be formed to a thickness of 200 mW or less using a combination of a transparent conductive material such as Ni, Cr, Au, and the like.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 발광다이오드는 다음과 같은 효과가 있다.The light emitting diode according to the present invention as described above has the following effects.
첫째, 활성층에서 발생한 광을 반사막을 통해 반사시켜 투명한 기판 외부로 방출시켜 광출력을 향상시킨다.First, the light emitted from the active layer is reflected through the reflective film to be emitted to the outside of the transparent substrate to improve the light output.
둘째, 광출력의 향상으로 인해 종래의 LED칩과의 동일 광출력 대비 LED칩의 크기를 소형화할 수 있어 한 웨이퍼에서 생성되는 LED칩 수를 증가시켜 양산면에서유리하다.Second, due to the improved light output, the size of the LED chip can be reduced compared to the same light output as the conventional LED chip, which is advantageous in terms of mass production by increasing the number of LED chips generated in one wafer.
셋째, GaN 계의 물질을 성장하기 위한 기판으로서 사파이어 대신 투명 또는 반투명한 다른 기판을 사용할 경우에도 광출력을 향상시키고, 청색 LED칩의 소형화 및 양산면에서 유리하다.Third, even when a transparent or translucent substrate is used instead of sapphire as a substrate for growing GaN-based materials, light output is improved and it is advantageous in terms of miniaturization and mass production of blue LED chips.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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