KR100609972B1 - 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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본 발명은 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 마스크층에 형성된 개구 패턴 내부에만 국부적으로 활성층을 형성시켜, 이 국부적인 활성층에 전류의 흐름을 집중시킴으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
또한, 열을 국부적인 활성층에서만 발생시킴으로써, 열발생 영역을 작게하여 효율적으로 열을 방출시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 마스크층으로 전달되는 전위(Dislocation)를 차단시켜, 결함을 줄일 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
마스크, 활성층, 발광다이오드, 전위, 열, 방출

Description

고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 { High output Light emitting diode and method for fabricating the same }
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 단면도
도 2는 종래 기술에 따른 발광 다이오드에서 전류의 흐름을 설명하기 위한 모식적인 단면도
도 3a 내지 3g는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 고출력 발광 다이오드의 장점을 설명하기 위한 모식적인 단면도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도
도 7a와 7b는 본 발명에 따른 마스크층에 형성된 개구 패턴 형상을 도시한 평면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : N타입 반도체층
120 : 마스크층 121a,121b : 개구
121 : 개구 패턴 140 : P타입 반도체층
150 : 투명전극 160 : P전극
170 : N전극 191 : 전위(Dislocaion)
본 발명은 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마스크층에 형성된 개구 패턴 내부에만 국부적으로 활성층을 형성시켜, 이 국부적인 활성층에 전류의 흐름을 집중시킴으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체를 이용한 광소자 및 전자소자는 이미 많은 개발이 되어 있으며, 광소자의 경우 자외선에서 가시광선 영역의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 여러 분야에 응용되고 있고, 앞으로도 그 사용 용도가 더 확대되어질 전망이다.
특히, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드의 제조 기술은 초기의 AlGaAs/GaAs 물질을 이용한 적색 발광 다이오드를 시작으로, AlGaInP/InP를 사용한 적색 파장에서 녹색 파장에 이르는 발광 다이오드의 개발로 응용범위가 확대되어 왔다.
근래 들어, GaN계 물질을 이용한 청색 발광 다이오드의 개발로 총 천연색을 구현하게 됨으로써, 신호등, 액정 디스플레이 백라이트, 총 천연색 디스플레이 등 그 용도가 광범위하게 전개되고 있다.
또한, GaN계 물질은 최근 자외선 발광 다이오드의 개발로 이어져 장래에 일반 조명용으로 사용될 수 있는 가능성을 한 층 높이고 있다.
한편, 청자색 레이저 다이오드의 개발은 CD 및 DVD 플레이어에 이은 차세대 광기록 매체에 사용되어 고밀도 및 고집적 저장을 가능하게 해 주고 있다.
이렇게 다양한 발광 다이오드가 개발되어 널리 사용되고 있지만, 지속적으로 대두되는 문제는 발광 다이오드의 휘도를 향상시키는 문제이다.
휘도 향상을 위해서는 발광 다이오드 성장시 구조를 개선시키는 방법, 즉 활성층에서 전자와 정공이 재결합(Recombination)되는 효율을 향상시킬 수 있는 성장 방법과 칩 디자인, 조립 공정 및 패키지 구조를 개선시켜 휘도를 증가시키는 방법들이 연구되어 왔다.
그러나, 발광 다이오드 구조를 변경하여 휘도를 향상시키는 방법에는 양자 효율을 고려하면 한계가 있고, 칩 디자인, 조립 공정 및 패키지 구조 개선에서도 수많은 시도가 되고 있지만, 획기적인 증대 방향이 나오지는 못하고 있는 상황이다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(10) 상부에 N타입 반도체층(11), 활성층(12)과 P타입 반도체층(13)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 P타입 반도체층(13)에서 N타입 반도체층(11) 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고, 상기 P타입 반도체층(13) 상부에 투명전극(14)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(14) 상부에 P전극(15)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각된 N타입 반도체층(11) 상부에 N전극(16)이 형성되어 이루어진다.
상기 발광 다이오드는 N타입 반도체층(11)에서 P타입 반도체층(13)으로 전류가 흐르면, 활성층(12)에서 광이 생성되어 방출된다.
이런, 종래의 발광 다이오드의 구조에서는 활성층이 P타입 반도체층의 면적과 동일하게 형성되어 있어, 도 2와 같이 큰 폭(W)의 활성층 전 영역으로 전류가 흐르게 되고, N타입 및 P타입 반도체층의 두께(t1,t2)를 조절하더라도 발광 효율은 향상킬 수 없다.
그러므로, 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 그 구조를 변경시키지 않는한, 발광 효율을 높일 수 없다.
또한, 사파이어 기판에서 성장시킨 N타입 반도체층에 형성된 전위(Dislocation)는 활성층과 P타입 반도체층으로 전달되어 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 마스크층에 형성된 개구 패턴 내부에만 국부적으로 활성층을 형성시켜, 이 국부적인 활성층에 전류의 흐름을 집중시킴으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 열을 국부적인 활성층에서만 발생시킴으로써, 열발생 영역을 작게하여 효율적으로 열을 방출시킬 수 있는 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 마스크층으로 전달되는 전위(Dislocation)를 차단시켜, 결함을 줄일 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고출력 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판 상부에 N타입 반도체층이 형성되어 있고;
상기 N타입 반도체층 상부에 일부가 제거된 개구 패턴을 갖는 마스크층이 형성되어 있고;
상기 개구 패턴 내부에 활성층이 형성되어 있고;
상기 활성층 상부에 P타입 반도체층이 형성되어 있고;
상기 P타입 반도체층에서 상기 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고;
상기 P타입 반도체층 상부에 투명전극이 형성되어 있고;
상기 투명전극 상부에 P전극과 상기 메사식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극이 형성되어 이루어진 고출력 발광 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 기판 상부에 N타입 반도체층을 형성하는 제 1 단계와;
상기 N타입 반도체층 상부에 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층의 일부를 선택적으로 식각하여 상기 N타입 반도체층을 노출시키는 개구 패턴을 만드는 제 2 단계와;
상기 개구 패턴으로 노출된 N타입 반도체층 상부에 활성층을 성장시켜, 상기 개구 패턴의 내부를 활성층으로 채우는 제 3 단계와;
상기 활성층 상부에서 P타입 반도체층을 성장시키는 제 4 단계와;
상기 P타입 반도체층에서 상기 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각한 후, 상기 P타입 반도체층 상부에 투명전극을 형성하는 제 5 단계와;
상기 투명전극 상부에 P전극을 형성하고, 상기 메사 식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극을 형성하는 제 6 단계로 이루어진 고출력 발광 다이오드의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 3g는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 기판(100) 상부에 N타입 반도체층(110)을 형성한다.(도 3a)
상기 기판(100)은 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs와 GaN 중 어느 하나가 바람직하다.
이 때, 상기 기판(100)과 N타입 반도체층(110) 사이에는 버퍼층을 더 형성할 수도 있다.
예를 들어, 상기 기판(100)이 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs인 경우, AlGaInN층의 버퍼층을 성장시키고, 그 상부에 N타입 GaN층을 성장시킨다.
그 다음, 상기 N타입 반도체층(110) 상부에 마스크층(120)을 형성하고(도 3b), 상기 마스크층(120)의 일부를 선택적으로 식각하여 상기 N타입 반도체층(110)을 노출시키는 개구 패턴(121)을 만든다.(도 3c)
연이어, 상기 개구 패턴(121)으로 노출된 N타입 반도체층(120) 상부에 활성층(130)을 성장시켜, 상기 개구 패턴(121)의 내부를 활성층(130)으로 채운다.(도 3d)
그 후, 상기 활성층(130) 상부에서 P타입 반도체층(140)을 성장시킨다.(도 3e)
여기서, 상기 활성층(130) 두께(t3)를 5000Å 정도로 얇게 형성하면, 도 3e에서와 같이, 상기 활성층(130) 상부에 성장되는 P타입 반도체층(140)은 상기 마스크층(120)의 상부를 감싸지 않게 된다.
계속하여, 상기 P타입 반도체층(140)에서 상기 N타입 반도체층(120)의 일부까지 메사(Mesa) 식각한 후, 상기 P타입 반도체층(140) 상부에 투명전극(150)을 형성한다.(도 3f)
마지막으로, 상기 투명전극(150) 상부에 P전극(160)을 형성하고, 상기 메사 식각된 N타입 반도체층(120) 상부에 N전극(170)을 형성한다.(도 3g)
전술된 상기 반도체층은 GaN층이 바람직하고, 마스크층은 SiO2 또는 SixNy로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(100) 상부에 N타입 반도체층(110)이 형성되어 있고, 상기 N타입 반도체층(110) 상부에 일부가 제거된 개구 패턴(121)을 갖는 마스크층(120)이 형성되어 있고, 상기 개구 패턴(121) 내부에 활성층(130)이 형성되어 있고, 상기 활성층(130) 상부에 P타입 반도체층(140)이 형성되어 있고, 상기 P타입 반도체층(140)에서 상기 N타입 반도체층(110)의 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고, 상기 P타입 반도체층(140) 상부에 투명전극(150)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(150) 상부에 P전극(160)과 상기 메사식각된 N타입 반도체층(110) 상부에 N전극(170)이 형성되어 이루어진다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 고출력 발광 다이오드의 장점을 설명하기 위한 모식적인 단면도로서, 본 발명에서는 활성층(130)이 마스크층(120)의 개구 패턴 영역에만 형성되어 있어, 도 5a와 같이, N전극(170)에서 주입된 전자는 마스크층(120)에는 흐르지 않고, 활성층(130) 영역에 국부적으로 집중되게 되어, 광출력은 증가하게 된다.
더불어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 열을 국부적인 활성층(130)에서만 발생시킴으로써, 열발생 영역을 작게하여 효율적으로 열을 방출시킬 수 있다.
또한, 도 5c와 같이, N타입 반도체층(110)에서 발생된 전위 (Dislocation)(191)는 마스크층(120)에서 차단되고, 마스크층(120) 상부에 있는 P타입 반도체층(110)에는 전위가 전달되지 않는다.
결국, 소자에는 결함이 감소하게 되고, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(100) 상부에 N타입 반도체층(110)이 형성되어 있고, 상기 N타입 반도체층(110) 상부에 일부가 제거된 개구 패턴(121)을 갖는 마스크층(120)이 형성되어 있고, 상기 개구 패턴(121) 내부에 활성층(130)이 형성되어 있고, 활성층(130)과 마스크층(120) 상부에 P타입 반도체층(150)이 형성되어 있고, 상기 P타입 반도체층(140)에서 상기 N타입 반도체층(110)의 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고, 상기 P타입 반도체층(140) 상부에 투명전극(150)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(150) 상부에 P전극(160)과 상기 메사식각된 N타입 반도체층(110) 상부에 N전극(170)이 형성되어 이루어진다.
즉, 전술된 본 발명의 제 1 실시예에서는 활성층(130) 상부에 형성된 P타입 반도체층(150)은 상기 활성층(130) 및 상기 마스크층(120) 일부 상부에만 국부적으로 성장되어, 측면에서 성장된 P타입 반도체층과 합체가 되지 않은 경우이고, 상기 본 발명의 제 2 실시예에서는 각각의 활성층(130) 상부에 형성된 P타입 반도체층(150)은 합체가 된 경우이다.
그러므로, 본 발명의 제 1 실시예에서는 도 4와 같이, P타입 반도체층(140)에 개구가 형성되어 마스크층(120) 상부에 투명전극(150)이 접촉될 수 있으나, 본 발명의 제 2 실시예에서는 활성층(130)과 마스크층(120) 상부에 P타입 반도체층 (150)이 형성되어 있으므로, 투명전극(150)은 마스크층(120)에 접촉되지 않는다.
도 7a와 7b는 본 발명에 따른 마스크층에 형성된 개구 패턴 형상을 도시한 평면도로서, 마스크층(120)에 형성된 개구 패턴은 도 7a와 같이, 스트라이프(Stripe) 형상의 복수개의 개구(121a)들 또는 도 7b와 같이, 상호 이격된 복수개의 개구(121b)들로 패터닝되어 있다.
여기서, 상기 개구(121a)의 폭(W1)은 5Å ~ 100000Å인 것이 바람직하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 마스크층에 형성된 개구 패턴 내부에만 국부적으로 활성층을 형성시켜, 이 국부적인 활성층에 전류의 흐름을 집중시킴으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 성장 우수한 효과가 있다.
또한, 열을 국부적인 활성층에서만 발생시킴으로써, 열발생 영역을 작게하여 효율적으로 열을 방출시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 마스크층으로 전달되는 전위(Dislocation)를 차단시켜, 결함을 줄일 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 기판 상부에 N타입 반도체층이 형성되어 있고;
    상기 N타입 반도체층 상부에 일부가 제거된 개구 패턴을 갖는 마스크층이 형성되어 있고;
    상기 개구 패턴 내부에 활성층이 형성되어 있고;
    상기 활성층 상부에 P타입 반도체층이 형성되어 있고;
    상기 P타입 반도체층에서 상기 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고;
    상기 P타입 반도체층 상부에 투명전극이 형성되어 있고;
    상기 투명전극 상부에 P전극과 상기 메사식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극이 형성되어 이루어진 고출력 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층 상부에 형성된 P타입 반도체층은,
    상기 활성층 상부 및 상기 마스크층 일부 상부에만 국부적으로 성장되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs와 GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은,
    GaN층인 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크층은,
    SiO2 또는 SixNy로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구 패턴은,
    스트라이프(Stripe) 형상의 복수개의 개구들 또는 상호 이격된 복수개의 개구들로 패터닝되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드.
  7. 기판 상부에 N타입 반도체층을 형성하는 제 1 단계와;
    상기 N타입 반도체층 상부에 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층의 일부를 선택적으로 식각하여 상기 N타입 반도체층을 노출시키는 개구 패턴을 만드는 제 2 단계와;
    상기 개구 패턴으로 노출된 N타입 반도체층 상부에 활성층을 성장시켜, 상기 개구 패턴의 내부를 활성층으로 채우는 제 3 단계와;
    상기 활성층 상부에서 P타입 반도체층을 성장시키는 제 4 단계와;
    상기 P타입 반도체층에서 상기 N타입 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각한 후, 상기 P타입 반도체층 상부에 투명전극을 형성하는 제 5 단계와;
    상기 투명전극 상부에 P전극을 형성하고, 상기 메사 식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극을 형성하는 제 6 단계로 이루어진 고출력 발광 다이오드의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 4 단계에서 P타입 반도체층은,
    상기 활성층 상부 및 상기 마스크층 일부 상부에만 국부적으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 기판 상부에 버퍼층을 형성하고,
    상기 버퍼층 상부에 N타입 반도체층을 형성하는것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 마스크층은,
    SiO2 또는 SixNy로 형성하고,
    상기 개구 패턴은,
    스트라이프(Stripe) 형상의 복수개의 개구들 또는 상호 이격된 복수개의 개구들로 패터닝하는 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드의 제조 방법.
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