KR100646571B1 - 고효율 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 일반적으로 발광다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD)와 같은 발광소자의 광을 생성하는 활성층 상부에 형성하는 p-반도체층의 높은 성장온도로 인하여 활성층 및 에피(Epi)층의 특성이 저하되어 광 효율을 떨어뜨리는 문제와 전기전도성 및 ESD(Electrostatic Discharge) 레벨이 저하되어 발광소자의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제를 개선하기 위해서, 활성층 물질의 성장온도에 비해 상대적으로 낮은 성장온도를 요구하는 ZnO, MgZnO, MgCdZnO와 같은 산화아연(ZnO)계 물질을 p-반도체층 물질로서 성장시키는 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자 및 그 제조방법이다.

발광소자, 발광다이오드, 레이저다이오드, 산화아연, ZnO, 고효율

Description

고효율 발광소자 및 그 제조방법{High Efficiency Light Emitting Device and Fabricating Method Thereof}

도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 수평형 발광 다이오드의 일반적인 제조방법을 설명하기 위한 개략도.

도 2a 내지 도 2e는 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드의 일반적인 제조방법을 설명하기 위한 개략도.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 바람직한 제 1 실시 예로써, 수평형 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 바람직한 제 2 실시 예로써, 수직형 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100, 200. 사파이어 기판 110, 210. 버퍼층

120, 220. n-GaN층 130, 230. 활성층

140, 240. p-ZnO층 150, 250. p-오믹컨택층

160a, 260a. 제 1 전극 160b, 260b. 제 2 전극

본 발명은 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 활성층 및 에피(Epi)층 품질을 개선할 수 있고, 전기전도성 및 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨의 저하를 방지하여, 발광소자의 광 효율 및 신뢰성을 향상시킨 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

청색, 녹색, 자외선(UV)광을 방출하는 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 소, 대형 전광판 뿐만 아니라, 신호등, LCD의 백라이트(Back Light) 및 휴대폰의 키패드(Key Pad)의 백라이트등 사회 전반에 그 응용범위가 점차 넓어지고 있다.

예를 들어, 청록색 발광 다이오드(LED)로 기존의 신호등을 대체하고 있고, 자동차용 및 간접조명용 광원으로 사용되고 있으며, 광 효율이 좀더 높은 백색 발광 다이오드가 개발되면 기존에 쓰이던 전등마저 대체가 될 것으로 전망된다.

이하, 도면을 참조하여 종래기술에 따른 발광 다이오드의 제조방법에 대해 개략적으로 설명한다.

도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 수평형 발광 다이오드의 일반적인 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1a는 기판(10) 상부에 버퍼층(11), n-GaN층(12), 활성층(13)을 순차적으로 성장한 단계를 나타낸다.

여기서, 질화갈륨(GaN) 박막을 성장시키기 위한 상기 기판(10)으로는 질화갈륨(GaN) 단결정 기판이 가장 바람직하지만, 질화갈륨(GaN) 단결정 기판은 제작하기가 까다로우며 가격이 비싸기 때문에, 상대적으로 구하기 쉽고 가격이 싼 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC)과 같은 이종기판을 일반적으로 많이 사용한다.

그러나, 상기 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC)에 에피(Epi)층인 상기 n-GaN층(12)을 바로 성장시키면 격자 부정합에 의해서 좋은 품질의 소자를 제조하기 어렵기 때문에, n-GaN층(12)을 성장시키기 전에, 상기 버퍼층(11)을 더 성장시키는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 n-GaN층(12)은 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN) 반도체층으로서, 발광 다이오드(LED)에서 상기 활성층(13)에 전자를 공급하는 역할을 하고, 상기 활성층(13)은 n-GaN층과 p-GaN층에서 공급받은 전자와 정공을 재결합시켜 여분의 에너지를 광으로 변환시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 활성층(13)은 In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 물질로 형성한다.

도 1b는 활성층(13) 상부에 p-GaN층(14)을 형성한 단계를 나타낸다.

상기 p-GaN층(14)은 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN) 반도체층으로서, 발광 다이오드(LED)에서 상기 활성층(13)에 정공을 공급하는 역할을 한다.

이와 같은 질화갈륨(GaN)계 에피(Epi)층들(n-GaN층, 활성층, p-GaN층)은 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법을 통해서 성장시키는 것이 바람직하다.

이때, 상기 p-GaN층(14)은 활성층(13)에 비해 상대적으로 높은 성장온도를 요구하기 때문에, p-GaN층(14)의 성장시 고온으로 인해 활성층(13)이 변성되거나 손상되어, 고유의 활성층 특성을 저하시키고, 마찬가지로 에피(Epi)층 전체의 특성도 나빠져, 발광소자의 광 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다.

한편, p-GaN층을 성장시키기 위한 고온환경으로 인해 p-GaN층이 결정결함 등의 발생으로 결정질이 나빠져 p-GaN층의 전기전도성과 발광소자의 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨 저하의 요인이 되어, 발광소자의 신뢰성을 떨어뜨린다.

여기서, ESD 레벨이 저하란, 정전기에 대한 특성이 나빠져, 정전기 방출에 의한 발광소자의 파손 우려가 높아진다는 것을 의미한다.

참고로, 청색(Blue) 파장대를 구현하는 활성층의 성장온도는 약 700℃ ~ 900℃, 녹색(Green) 파장대를 구현하는 활성층의 성장온도는 약 500℃ ~ 800℃ 인데 반해서, p-GaN층의 성장온도는 약 900℃ ~ 1,200℃이다.

도 1c는 p-GaN층(14) 상부의 일부 영역에서 n-GaN층(12) 상부의 일정깊이까지 메사(Mesa) 식각하여 n-GaN층(12)을 노출시킨 단계를 나타낸다.

상기 메사(Mesa) 식각은 건식 식각(Dry Etching) 방법을 통해 수행하는 것이 일반적이다.

도 1d는 p-GaN층(14)의 식각하지 않은 나머지 영역의 상부에 p-오믹컨택층(15)을 형성한 단계를 나타낸다.

상기 p-오믹컨택층(Ohmic Contact Layer)(15)은 메탈 투명전극 물질 또는 TCO(Transparent Conductive Oxide)와 같은 물질을 이용하여 형성한다.

도 1e는 p-오믹컨택층(15) 상부와 n-GaN층(12)의 노출된 영역 상부에 각각 제 1 전극(16a)과 제 2 전극(16b)을 형성하여 종래기술에 따른 수평형 발광 다이오드를 완성한 단계를 나타낸다.

도 2a 내지 도 2e는 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드의 일반적인 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.

설명에 앞서, 이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조한 설명에서는 상기 도 1a 내지 도 1e에서 언급한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 2a는 기판(20) 상부에 버퍼층(21), n-GaN층(22), 활성층(23)을 순차적으로 성장한 단계를 나타낸다.

도 2b는 활성층(23) 상부에 p-GaN층(24)과 p-오믹컨택층(25)을 차례로 형성한 단계를 나타낸다.

수평형 발광 다이오드에서 설명한 바와 같이, 활성층에 비해 상대적으로 높은 성장온도를 요구하는 p-GaN층으로 인해, p-GaN층의 성장 공정시 활성층과 에피(Epi)층 특성이 나빠지며, 전기전도성 및 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨이 저하되는 등 발광소자의 광 효율 및 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 된다.

도 2c는 p-오믹컨택층(25) 상부의 전면에 제 1 전극(26a)을 형성한 단계를 나타낸다.

이때, 제 1 전극(26a)은 이후의 기판 제거공정 후 n-GaN층(22), 활성층(23), p-GaN층(24)으로 이루어지는 발광 구조물의 지지 및 상부전극 용도로써 형성하게 된다.

도 2d는 n-GaN층(22) 하부로부터 기판(20)과 버퍼층(21)을 제거하고, n-GaN층(22) 하부를 노출시킨 단계를 나타낸다.

이때, 상기 기판(20)과 버퍼층(21)은 일반적으로 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 방법을 통해서 제거한다.

도 2e는 노출된 n-GaN층(22) 하부의 일부 영역에 제 2 전극(26b)을 형성하여 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 완성한 단계를 나타낸다.

여기서는 발광 다이오드(LED)의 대표적인 두 가지 구조인 수평형, 수직형 구 조에 대해서만 설명하였으나, 레이저 다이오드(LD)에 대해서 간단히 설명하자면 레이저 다이오드(LD)의 구조는 발광 다이오드(LED) 구조에서 n-GaN층과 활성층 사이에 n-클래딩층, 활성층과 p-GaN층 사이에 p-클래딩층을 더 갖는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 n-클래딩층과 p-클래딩층은 각각 정공 또는 전자의 오버플로우(Overflow)를 막고, 활성층으로의 전류 및 광의 컨파인먼트(Confinement)를 위해 필요한데, 발광 다이오드(LED)와 마찬가지로 p-GaN층의 높은 형성온도로 인해 광 효율 및 소자 신뢰도를 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다.

정리하자면, 상기한 바와 같은 종래의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)와 같은 발광소자에서는 활성층에 비해 상대적으로 높은 성장온도를 요구하는 p-GaN층의 성장시 고온으로 인해 활성층과 에피층이 변성 및 손상되고, 특성이 나빠져 발광소자의 광 효율을 떨어뜨리며, p-GaN층의 결정결함 등으로 인해 전기전도성 및 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨이 저하되는 등 발광소자의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 일반적인 질화갈륨(GaN)계 물질로 이루어지는 활성층에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 성장가능한 산화아연(ZnO)계열 물질로 p-반도체층을 성장시킴으로써, 종래 p-반도체층의 높은 성장온도로 인한 활성층과 에피(Epi)층의 변성 및 손상을 최소화시켜 발광소자의 광 효율 저하를 막을 수 있고, 더불어 결정질 향상으로 인해 전기전도성 및 ESD 레벨이 개선되고 신뢰성이 향상된 고효율 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 고효율 발광소자에 따르면, n-반도체층; n-반도체층 상부에 형성된 활성층 및; 활성층 상부에 형성된 산화아연(ZnO)계 물질로 이루어진 p-반도체층;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고효율 발광소자 제조방법에 따르면, 기판 상부에 버퍼층, n-반도체층, 활성층을 순차적으로 형성하는 단계 및; 활성층 상부에 산화아연(ZnO)계 물질로 이루어진 p-반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 바람직한 제 1 실시 예로써, 수평형 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

도 3a는 기판(100) 상부에 버퍼층(110), n-GaN층(120), 활성층(130)을 순차적으로 성장한 단계를 나타낸다.

여기서, 질화갈륨(GaN) 박막을 성장시키기 위한 상기 기판(100)으로는 질화 갈륨(GaN) 단결정 기판이 가장 바람직하지만, 질화갈륨(GaN) 단결정 기판은 제작하기가 까다로우며 가격이 비싸기 때문에, 상대적으로 구하기 쉽고 가격이 싼 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC)과 같은 이종기판을 일반적으로 많이 사용한다.

그러나, 상기 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC)에 에피(Epi)층인 상기 n-GaN층(120)을 바로 성장시키면 격자 부정합에 의해서 좋은 품질의 소자를 제조하기 어렵기 때문에, n-GaN층(120)을 성장시키기 전에, 상기 버퍼층(110)을 더 성장시키는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 n-GaN층(120)은 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN) 반도체층으로서, 발광 다이오드(LED)에서 상기 활성층(130)에 전자를 공급하는 역할을 하고, 상기 활성층(130)은 n-GaN층과 p-ZnO층에서 공급받은 전자와 정공을 재결합시켜 여분의 에너지를 광으로 변환시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 활성층(130)은 In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 3b는 활성층(130) 상부에 p-ZnO층(140)을 형성한 단계를 나타낸다.

이때, 상기 p-ZnO층(140)은 MgZnO 또는 MgCdZnO와 같은 p형 불순물이 도핑된 산화아연(ZnO)계열 반도체 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 p-ZnO층(140)은 상기 활성층(130)에 비해 비슷하거나 상대적으로 낮은 범위(400℃ ~ 700℃)의 성장온도를 요구하기 때문에, p-ZnO층(140)의 성장 시 종래의 p-GaN층을 성장시키는 것보다 상기 활성층(130) 또는 에피(Epi)층이 변성되거나 손상될 가능성이 작다.

따라서, 고유의 활성층 및 에피(Epi)층 특성을 유지할 수 있으며, 종래와 같은 발광소자의 광 효율 저하를 방지할 수 있다.

한편, 종래에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 p-반도체층을 성장시키므로, p-반도체층의 결정결함 및 결정질 저하의 가능성도 줄일 수 있어, p-반도체층의 전기전도성 및 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨을 개선할 수 있고, 발광소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 p-ZnO층(140)의 성장 방법으로는 일반적으로 사용하는 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법뿐만 아니라, MBE(Molecular Beam Epitaxy), PLD(Pulsed Laser Deposition), Sputter, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)등의 방법을 통해서 성장시킬 수 있다.

도 3c는 p-ZnO층(140) 상부의 일부 영역에서 n-GaN층(120) 상부의 일정깊이까지 메사(Mesa) 식각하여 n-GaN층(120)을 노출시킨 단계를 나타낸다.

상기 메사(Mesa) 식각은 건식 식각(Dry Etching) 방법을 통해 수행하는 것이 바람직하다.

도 3d는 p-ZnO층(140)의 식각하지 않은 나머지 영역의 상부에 p-오믹컨택층 (150)을 형성한 단계를 나타낸다.

상기 p-오믹컨택층(Ohmic Contact Layer)(150)은 메탈 투명전극 물질 또는 TCO(Transparent Conductive Oxide)와 같은 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

도 3e는 p-오믹컨택층(150) 상부와 n-GaN층(120)의 노출된 영역 상부에 각각 제 1 전극(160a)과 제 2 전극(160b)을 형성하여 본 발명에 따른 수평형 발광 다이오드를 완성한 단계를 나타낸다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 바람직한 제 2 실시 예로써, 수직형 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

설명에 앞서, 이하, 도 4a 내지 도 4e를 참조한 설명에서는 상기 도 3a 내지 도 3e에서 언급한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 4a는 기판(200) 상부에 버퍼층(210), n-GaN층(220), 활성층(230)을 순차적으로 성장한 단계를 나타낸다.

도 4b는 활성층(230) 상부에 p-ZnO층(240)과 p-오믹컨택층(250)을 차례로 형성한 단계를 나타낸다.

이때, 상기 p-ZnO층(240)은 MgZnO 또는 MgCdZnO와 같은 p형 불순물이 도핑된 산화아연(ZnO)계열 반도체 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 p-ZnO층(240)은 상기 활성층(230)에 비해 비슷하거나 상대적으로 낮은 범위(400℃ ~ 700℃)의 성장온도를 요구하기 때문에, 종래의 p-GaN층을 성장시킬 때에 비해, 활성층과 에피(Epi)층의 특성을 개선하여 광 효율을 향상시킬 수 있으며, p-반도체층의 전기전도성 및 ESD(ElectroStatic Discharge) 레벨을 개선하여, 결과적으로 신뢰성을 향상시킨 고효율 발광소자를 구현할 수 있게 된다.

또한, 상기 p-ZnO층(240)의 성장 방법으로는 일반적으로 사용하는 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법뿐만 아니라, MBE(Molecular Beam Epitaxy), PLD(Pulsed Laser Deposition), Sputter, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)등의 방법을 통해서 성장시킬 수 있다.

한편, 상기 p-오믹컨택층(Ohmic Contact Layer)(250)은 메탈 투명전극 물질 또는 TCO(Transparent Conductive Oxide)와 같은 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

도 4c는 p-오믹컨택층(250) 상부의 전면에 제 1 전극(260a)을 형성한 단계를 나타낸다.

이때, 제 1 전극(260a)은 이후의 기판 제거공정 후 n-GaN층(220), 활성층(230), p-ZnO층(240)으로 이루어지는 발광 구조물의 지지 및 상부전극 용도로써 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 도면상에는 상기 p-오믹컨택층(250) 상부의 전면에 걸쳐 상기 제 1 전극(260a)을 형성한 것으로 도시하였으나, 이에 한정된 것이 아니고, p-오믹컨택층(250) 상부의 일부 영역에만 형성하여, 원하는 광의 배출 방향에 따라 얼마든지 변형 가능하다.

도 4d는 n-GaN층(220) 하부로부터 기판(200)과 버퍼층(210)을 제거하고, n-GaN층(220) 하부를 노출시킨 단계를 나타낸다.

이때, 상기 기판(200)과 버퍼층(210)은 통상적으로 사용하는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 방법을 통해서 제거한다.

도 4e는 노출된 n-GaN층(220) 하부의 일부 영역에 제 2 전극(260b)을 형성하여 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드를 완성한 단계를 나타낸다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 발명의 구성을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 고효율 발광소자 및 제조방법에 따르면, 버퍼층에서 활성층까지는 종래의 구조와 마찬가지로 질화갈륨(GaN)계 물질을 사용하여 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법등을 통해 성장시키고, 이후 활성층 상부에 활성층에 비해 상대적으로 성장 온도가 낮은(400℃~700℃) MgZnO 또는 MgCdZnO와 같은 산화아연(ZnO)계 물질을 이용하여 p-반도체층을 성장시킴으로써, 종래의 높은 성장온도로 인한 활성층 및 에피층의 특성 저하를 방지하여 발광소자의 광 효율을 개선하고, p-반도체층의 전기전도성 및 ESD 레벨을 높혀 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 따르면, (Al)(In)GaN계 물질로 구현할 수 있는 깊은 자외선(Deep UV) 영역에서 근 적외선(Near IR) 영역에 걸친 모든 파장대의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)와 같은 발광소자에 적용 가능하며, 특히, 활성층의 성장온도가 낮은 파장대에 더 효과적이다.

다시 말해서, 자외선(UV) 보다는 청색(Blue), 청색(Blue) 보다는 녹색(Green), 녹색(Green) 보다는 적색(Red) 파장대에 더 효과적이다.

한편, 본 발명의 고효율 발광소자 및 그 제조방법에 따르면, 도면에 도시한 수평형 구조, 수직형 구조 이외에도 플립칩(Flip Chip) 구조 등의 에피(Epi)층 구조를 갖는 다양한 발광소자에 적용이 가능하다.

Claims (8)

1. n-반도체층;

   상기 n-반도체층 상부에 형성된 활성층 및;

   상기 활성층 상부에 형성된 산화아연(ZnO)계 물질로 이루어진 p-반도체층;을 포함하여 이루어지는 고효율 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 n-반도체층은,

   n-GaN인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 활성층은,

   In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 산화아연(ZnO)계 물질은,

   ZnO, MgZnO, MgCdZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자.
5. 기판 상부에 버퍼층, n-반도체층, 활성층을 순차적으로 형성하는 단계 및;

   상기 활성층 상부에 산화아연(ZnO)계 물질로 이루어진 p-반도체층을 형성하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 n-반도체층은,

   n-GaN인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자 제조방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 활성층은,

   In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자 제조방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 산화아연(ZnO)계 물질은,

   ZnO, MgZnO, MgCdZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고효율 발광소자 제조방법.

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