KR100446596B1 - 면발광다이오드및그제조방법 - Google Patents

Abstract

광방출량이 증대된 면발광다이오드와 그 제조방법에 관해 기술된다. 면발광다이오드는; 기판 위에 마련되는 하부 접촉층; 하부 접촉층 위에 형성되는 것으로 광을 발생하는 활성층 및 그 상하의 크래드층을 포함하는 광발생층; 광발생층 위에 마련되는 것으로 그 표면에 소정 패턴의 요철부가 형성되어 있는 상부 접촉층; 상부 접촉층 위에 마련된 광투과성 상부 오믹금속층; 그리고 하부 접촉층의 일측에 오믹접촉되는 하부 오믹금속층;을 구비한다. 이러한 다이오드는 오믹접촉저항이 감소되어 동작전류가 낮추어지고 따라서 발열량의 감소로 내구성이 향상된다. 또한 요철형 렌즈에 의해 표면방향으로의 광 집속이 이루어지고 전반사되는 광량을 감소시키므로 별도의 패키지 장치없이 면발광 다이오드로 사용됨은 물론 외부양자효율이 증가하게 된다.

Description

면발광다이오드 및 그 제조방법{Fabrication method of surface light emitting diode}

본 발명은 면발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 동작전압값이 감소되고 광출사량이 증대된 면발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광다이오드는 p-반도체층과 n-반도체층 간 계면의 P/N접합부에서 일어나는 전자와 정공의 결합에 의한 광방출을 이용하는 것으로서 이때에 방출되는 빛은 특정한 방향성이 없는 자발적 방출(Spontaneous Emission)이다. 따라서, P/N 접합부를 이루는 면에서 모든 방향으로 빛이 방출되게 되는데, 실제적으로 반도체층의 결함에 의해 빛이 흡수되기 때문에 반도체층에 수직한 법선 방향으로 방출되는 빛의 양은 P/N접합부의 계면을 따라 방출되는 빛의 양보다 적다.

이러한 빛 방출의 실제적 양상은 면발광다이오드에 있어서 문제가 되는데, 이는 면발광다이오드는 반도체층의 법선으로 방출되는 광을 이용하기 때문이다.

제1도는 이종접합구조를 가지는 종래 면발광다이오드의 일종을 보이는 것으로서 개략적 적층구조를 보인다.

기판(1)위에 버퍼층(2)이 형성되고, 버퍼층(2)위에 일측에 n-오믹금속층(9)이 형성된 낮은 평탄부를 갖는 계단형 n-접촉층(3)이 형성된다. 상기 n-접촉층(3)위에서는 n-하부 크래드층(4), 활성층(5), p-상부 크래드층(6), p-접촉층(7), 반투명의 p-오믹금속층(8)이 순차적으로 적층된다.

위의 구조에 있어서, 청색광을 위한 다이오드의 경우 기판(1)은 주로 사파이어로 이루어 지고, 버퍼층(2)은 GaN 또는 AlN으로 이루어지고, 두 접촉층(3, 7)들은 n-GaN, p-GaN으로 이루어 진다. 그리고 상기 두 크래드층(4, 6)들은 n-GaN 과 p-GaN 또는 n-AlGaN과 p-AlGaN으로 이루어 지며, 활성층은 GaN 또는 InGaN으로 이루어 진다.

상기 양 오믹접촉층(8,9)을 통해서 전원이 인가되어 이종접합구조의 중심인 상기 활성층(5)으로 전류가 주입되면, 상기 활성층(5)에서 상기한 바와 같이 전자,정공 재결합에 의해 광이 방출되게된다. 이때에 방출된 빛은 모든 방향으로 방사되게 되는데, 이때에 활성층상하의 반도체층들을 통과하는 빛들은 반도체층이 결함에 의해 대부분 흡수되어 최상위의 반투명의 p-오믹접촉층(8)을 통하여는 상당히 감쇄된 양의 빛이 통과되고, 활성층(5)을 따라 방사되는 빛은 적게 감쇄되게 된다. 따라서, 이상과 같은 구조를 가지는 면발광형다이오드는 최상위의 p-오믹접촉층(8)을통하여 방사되는 빛을 양을 증가시킬 필요가 있다. 또한 GaN계의 다이오드의 경우GaN이 높은 일함수를 가지기 때문에 적당한 p-오믹접촉을 위한 재료가 없어서 SPR(Specific Contact Resistance)값이 높다. 이에 따르면 다이오드를 동작시키기위해 필요한 동작전류가 높고, 이에 따라 수명단축의 주원인이 되는 다이오드의 높은 발열이 우려된다. 따라서, GaN계의 면발광형다이오드의 경우, 전술한 바와 같이 광방출량을 높이 필요가 있을 뿐 아니라 오믹접촉저항을 특별히 더 낮출 필요가 있다.

본 발명은 광방출량이 증대된 면발광다이오드와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 오믹접촉저항이 감소되어 동작전류가 낮추어지고 따라서 발열량의 감소로 내구성이 향상된 면발광다이오드와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 면발광다이오드의 개략적 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 면발광다이오드의 일실시예의 개략적 단면도,

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 제조방법의 공정도이며,

도 9는 도 4 공정에서의 평면도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면광발광다이오드는;

기판;

상기 기판위에 마련되는 하부 접촉층;

상기 하부 접촉층 위에 형성되는 것으로 광을 발생하는 활성층 및 그 상하의 크래드층을 포함하는 광발생층;

상기 광발생층 위에 마련되는 것으로 그 표면에 소정 패턴의 요철부가 형성되어 있는 상부 접촉층;

상기 상부 접촉층 위에 마련된 광투과성 상부 오믹금속층; 그리고

상기 하부 접촉층의 일측에 오믹접촉되는 하부 오믹금속층;을 구비하는 것을; 구비하는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 면발광형레이저 다이오드의 제조방법은;

기판에 하부 접촉층을 형성하는 단계;

하부 접촉층 위에 활성층을 포함하는 광발생층을 형성하는 단계와;

상기 광발생층 위에 상부 접촉층을 형성하는 단계;

상기 상부 접촉층의 표면에 소정 패턴을 요철부를 형성하는 단계; 그리고

상기 상부 접촉층의 표면에와 상기 하부 접촉층에 오믹금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 면발광다이오드와 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 면발광다이오드의 바람직한 실시예의 개략적 단면도이다.

기판(10)위에 버퍼층(20)이 형성된다. 상기 기판(10)은 사파이어이며, 버퍼층(20)은 GaN 또는 AlN으로 이루어 진다. 버퍼층(20) 위에는 n-GaN으로 된 하부 접촉층(30)이 형성되어 있다. 버퍼층(20)의 일측은 계단형으로 식각된 부분이 마련되어 있고, 여기에 Ti/Al 등으로 된 하부-오믹금속층(90)이 형성되어 있다. 상기 하부 접촉층(30) 위에는 n-GaN 또는 n-AlGaN으로 된 하부 크래드층(40)이 형성되어 있고, 이 위에는 GaN 또는 AlN으로 된 활성층(50)이 형성된다. 활성층(50) 위에는, p-GaN 또는 n-AlGaN으로된 상부 크래드층(60)이 형성되고, 상부 크래드층(60) 위에는 p-GaN으로 된 상부 접촉층(70)이 형성되고, 상부 접촉층(70) 위에는 NiCrAu 또는 NiAu로된 반투명의 상부 오믹금속층(80)이 순차적으로 적층된다.

위의 구조에 있어서, 각 층의 소재를 발광색상 또는 요구 조건에 따라 일반적인 기술사양에 따라 변경이 가능한데, 여기에서 언급하는 기술사양은 잘 알려진 바를 기준으로 하는 것이므로 여기에서는 생략한다.

이상과 같은 구조에 더한 본 발명에 따른 면발광다이오드를 특징지우는 것으로, 상기 상부 접촉층(70)의 상부에는 요철부(71)가 형성된다. 따라서 이 위에 형성되는 상부 오믹금속층(80)도 이에 상응하는 형태로 굴곡지게 형성되어 있다.

상기 요철부(71)는 우선 상부 접촉층(70)의 표면적을 증대하는 어떠한 형태로도 변경 가능하다. 이와 같이 표면적을 증대시키는 것은 상부 오믹금속층과의 접촉면적을 증가시켜 접촉면의 저항을 줄이고 이로써 발광에 필요한 동작전압을 낮추기 위한 것이다. 이와 같은 동작전압의 저감은 발열량의 저감과 직결되기 때문에 내구성 향상에 도움이 된다. 이상과 같은 구조에 더하여 바람직하게는 상기 요철부를 형성함에 있어서, 상기 요철부(71)가 광학적 렌즈의 역할을 할 수 있는 형태로 가공하는 것이 바람직하다. 요철부(71)가 렌즈 역할을 하게 되면 활성층에서 방사되는 빛이요철부(71)에 의해 집속된 후 상부 오믹금속층(80)을 통해 방출되게 되며 계면에서 전반사되어 되돌아가 손실되는 광이 크게 감소하므로 실제 사용되는 광량이 획기적으로 증가되게 된다.

이상과 같은 구조의 본 발명 면발광다이오드의 제조방법의 일 실시예를 다음과 같다.

가. 도3에 도시된 바와 같이 사파이어 등으로 된 기판(10)위에 일반적인 성장법에 의해 버퍼층(20), 하부 접촉층(30), 하부 크래드층(40), 활성층(50), 상부 크래드층(60), 상부 접촉층(70)을 포함하는 반도체 적층을 성장시킨다. 상기 반도체적층에 있어서, 상기 버퍼층(20)는 GaN 또는 AlN로 형성한다. 상기 버퍼층(20)위의 하부 접촉층(30)은 도핑된 n-GaN으로 형성한다. 상기 하부 접촉층(30)위의 하부 크래드층(40)은 도핑된 n-GaN 또는 n-AlGaN으로 형성한다.

상기 하부 크래드층(40)의 위에는 GaN 또는 AlN으로 활성층(50)을 형성한다. 상기 활성층(50)의 위에는, p-GaN 또는 p-AlGaN으로 상부 크래드층(60)을 성장시킨다.

상부 크래드층(60)의 위에는 p-GaN으로 된 상부 접촉층(70)을 형성한다.

나. 도4에 도시된 바와 같이 상기 반도체 적층의 최상위층, 즉 상부 접촉층(70)의 표면에 소정 패턴, 예를 들어 원반형 마스크 패턴을 가지는 에칭 마스크(72)를 예를 들어 포토레지스트로 포토 리소그래피법에 의해 형성한다. 이때에 에칭 마스크(72)는 소정의 에칭방법에 대해 상부 접촉층(70)과 비슷한 에칭레이트를 가지는 소재로 선택하는 것이 바람직하다.

다 .도5에 도시된 바와 같이 상기 에칭마스크(72)를 소정 온도대로 가열하여 가열된 열에 의해 마스크 패턴의 일부 녹아내리면서 상부가 돔형으로 만곡되게 한다.

라. 일반적인 건식 에칭법에 의해 도6에 도시된 바와 같이 에칭을 실시하여

에칭마스크(71)에 덮혀 있지 않은 상부 접촉층(70)의 노출부분을 깍아 낸다. 이와 같은 에칭과정에서 에칭마스크(72)도 같이 에칭되게 되는데, 도7에 도시된 바와 같이 최종적으로 상기 상부 접촉층(70)의 상부에 요철부(71)가 형성되게 된다.

마. 도8에 도시된 바와 같이 요철부(71)가 형성된 상기 상부 접촉층(70) 위에 NiCrAu 또는 NiAu로된 반투명의 상부 오믹금속층(80)을 형성하여 목적하는 초기 형태의 면발광다이오드를 얻는다.

이상과 같은 과정을 통해 얻어진 본 발명 면발광다이오드는 상부 접촉층과 상부 오믹금속층과의 접촉면적이 증대되어 있어서 접촉계면에서의 낮은 저항이 유지되고, 따라서 발광에 필요한 동작전류가 낮고, 나아가서는 동작전류의 저감으로 발열량의 저감되어 내구성 좋다. 또한 상기 요철부가 광학적 렌즈의 역할을 하게 되어 활성층에서 방사되는 빛이 집속되기 때문에 실제 사용될수 있는 광의 휘도가 높다.

Claims (5)

1. 기판;

   상기 기판 위에 마련되는 하부 접촉층;

   상기 하부 접촉층 위에 형성되는 것으로 광을 발생하는 활성층 및 그 상하의크래드층을 포함하는 광발생층;

   상기 광발생층 위에 마련되는 것으로 그 표면에 소정 패턴의 요철부가 형성되어 있는 상부 접촉층;

   상기 상부 접촉층 위에 마련된 광투과성 상부 오믹금속층; 그리고

   상기 하부 접촉층의 일측에 오믹접촉되는 하부 오믹금속층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 면발광다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 요철부는 광학적 렌즈를 구성하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 면발광다이오드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 버퍼층은 GaN 또는 AlN를 주성분으로 함유하며,

   상기 하부 접촉층(30)은 도핑된 n-GaN이며,

   상기 하부 크래드층(40)은 도핑된 n-GaN 또는 n-AlGaN이며,

   상기 활성층(50)는 GaN 또는 AlN이며, 상기 상부 크래드층(60)이며,

   상기 상부 크래드층(60)은 p-GaN 또는 p-AlGaN이며, 그리고

   상기 상부 접촉층(70)은 p-GaN인 것을 특징으로 하는 면발광다이오드.
4. 기판에 하부 접촉층을 형성하는 단계;

   하부 접촉층 위에 활성층을 포함하는 광발생층을 형성하는 단계;

   상기 광발생층 위에 상부 접촉층을 형성하는 단계;

   상기 상부 접촉층의 표면에 소정 패턴을 요철부를 형성하는 단계;

   상기 상부 접촉층의 표면에와 상기 하부 접촉층에 오믹금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광다이오드의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 요철부를 형성하는 단계는:

   상기 상부 접촉층에 소정 패턴의 에칭마스크층을 형성하는 단계;

   상기 에칭마스크층와 상기 에칭마스크에 덮히지 않은 부분을 에칭단계;를 더포함하는 것을 특징으로 하는 면발광다이오드의 제조방법.

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