KR100661960B1 - 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래 일반적인 발광 다이오드 구조는 전면이나 후면으로 방출되는 광을 이용하도록 구성되며, 각 면에 전류 흐름을 제공하기 위한 불투명 전극이나 투명 전극이 형성되어야 하므로 방출되는 포톤이 상기 전극들에 의해 흡수되어 효율이 낮으며, 고른 전류 분포를 기대하기 어려워 구조적인 효율 역시 낮은 문제점이 있었다. 또한, 측면광을 극대화 하기 위해 단일 소자에 복수의 독립적인 발광 구조물을 형성하는 나노-로드 방식은 그 제조 과정이 식각이나 물리적 연마를 이용하므로 활성층이 손상되어 큰 효율 향상을 기대하기 어렵고 소자별 손상 정도가 상이하여 균일성 역시 보장할 수 없는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 발광 다이오드 소자를 형성한 후 이를 식각이나 연마하여 나노-로드를 형성하는 것이 아니라 활성층 형성에 앞서 패턴을 형성한 후 해당 패턴에 맞추어 활성층과 p-GaN층을 성장시키는 방식으로 나노-로드를 형성하도록 하므로 활성층의 손상을 방지하여 모든 나노-로드가 정상 구동되도록 함으로써, 측면광 효율을 극대화하고 소자 특성의 균일성을 유지함과 아울러 막질의 품질을 높이면서 성장 속도가 빠른 MOCVD법을 통해 콘택층을 형성할 수 있도록 하여 제조 비용을 낮추고 소자 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래 발광 다이오드의 구조를 보인 단면도.

도 2a 내지 도 2e는 종래 발광 다이오드 제조 과정을 보인 수순 단면도.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도.

도 4는 본 발명 다른 실시예들의 나노-로드 형태를 보인 평면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 기판 120: 버퍼층

130: n-GaN층 140: 절연층

150: 활성층 160: p-GaN층

170: 절연체 180: 투명 전극

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광 다이오드 구조에서 발광 부분을 복수의 나노로드 구조로 형성하여 측면 광효율을 극대화하도록 한 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관 한 것이다.

Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 발광 다이오드(LED)를 비롯한 광소자 및 MOSFET, HEMT 등의 고속 스위칭, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다. 특히, Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자는 가시광선에서 자외선까지의 영역에 대응하는 직접 천이형 밴드갭을 갖고, 고효율 광 방출을 실현할 수 있다. 따라서, 상기 반도체는 주로 LED 또는 레이저 다이오드(LD)로 활용되고 있으며 보다 용이한 제조 공정과 보다 높은 광 효율을 얻기 위한 연구가 지속되고 있다.

상기 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 중 대표적으로 질화갈륨(GaN)이 사용되는데 이는 결정 성장 방식으로 기판상에 성장되며, 도핑되는 물질에 따라 p형 또는 n형으로 활성화되어 PN접합 다이오드로 구성되게 된다. 그러나, 현재까지의 기술로는 상기 질화물 반도체(GaN)가 직접 성장할 수 있을 정도로 격자 구조가 일치하는 단결정 기판을 대량으로 제조할 수 없기 때문에 사파이어(Al₂O₃) 단결정 또는 탄화 실리콘(SiC) 단결정과 같은 이종 재료로 이루어진 기판이 주로 사용된다.

상기 이종 기판 및 이 기판에서 에피택셜 성장된 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 결정 사이에는, 큰 격자 부정합이 나타난다. 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)와 질화갈륨(GaN) 사이에는 16%의 격자 부정합이 나타나고, 탄화 실리콘(SiC)과 질화갈륨 사이에는 6%의 격자 부정합이 나타난다. 상기와 같이 큰 격자 부정합이 나타나는 경우, 해당 기판에서 질화물 반도체 결정을 에피택셜 성장시키는 것은 어려우며, 비록 성 장시킬 수 있다 하더라도 결성성이 양호하지 않아 활용 가치가 없게 된다. 따라서, MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition; 유기-금속 화학 기상 성장)법에 의해 Ⅲ족 질화물 반도체를 사파이어 단결정 또는 SiC 단결정의 기판에서 에피택셜 성장시키는 경우, (Al)GaN으로 이루어진 저온 버퍼 층을 상기 기판에 우선 증착한 다음, 고온에서 Ⅲ족 질화물 반도체 결정을 그 위에 에피택셜 성장시키는 방법을 사용한다.

도 1은 종래 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광 다이오드의 구조를 보인 단면도로서, 도시한 경우는 전극이 모두 전면 방향에 적용되는 측면 전류 주입 방식 발광 다이오드의 구조이며, 전극이 상하부에 형성된 수직형 구조 역시 내부적인 구성은 대동소이하다.

그 구조를 간단히 설명하면, 우선 사파이어 기판(10) 상에 격자 부정합을 해소하기 위해 도핑 없이 저온으로 형성된 GaN 버퍼층(20)이 있고, 그 상부에 n형 불순물을 포함하여 성장시킨 제1 및 제 2 n-GaN층(30, 40)이 위치한다. 그리고, 그 상부에 다양한 구성(단일 활성층, 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조 등) 중 하나로 이루어진 활성층(50)이 있으며, 그 상부에 p형 불순물을 포함시켜 성장시킨 p-GaN층(70)이 위치한다. 도시된 경우에는 발광 효율을 높이기 위해 상기 p-GaN층(70)과 활성층(50) 사이에 p-클래드층(60)이 더 형성된 구조이며, 상기 활성층(50)과 n-GaN층(40) 사이에 n-클래드층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 제 1 n-GaN층(30) 상부에 n 전극(45)이 위치하고, 상기 p-GaN층(70) 상부에 p 전극(80)이 위치한다. 고른 전류 분포를 위해 상기 p-GaN층(70) 전면에 투명 전극(미도시)을 더 형성하기도 하며, 상기 n-GaN층(30)을 n-콘택층, p-GaN층(70)을 p-콘택층이라 통칭하기도 한다.

상기 설명된 구조를 제조하는 과정을 다음의 도 2a 내지 도 2e에 도시된 수순 단면도를 통해 설명하도록 한다.

먼저 도 2a에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(10) 상부에 격자 부정합을 해소하기 위해 도핑 없이 저온으로 GaN 버퍼층(20)을 형성하고, 그 상부에 n형 불순물인 Si 등을 포함시켜 n-GaN층(30, 40)을 높은 온도에서 성장시켜 형성한다.

상기 사파이어 기판(10)은 산화막 또는 이와 유사한 것을 그 표면으로부터 제거하기 위해 성장 장치(growing apparatus)에서 1,000 내지 1,200℃의 고온으로 가열된다. 그 다음, 성장 장치의 온도를 대략 400~600℃의 온도로 낮추어, GaN 저온 버퍼층(20)을 형성한다.

상기 저온 버퍼층(20)은 MOCVD법을 사용하여 성장되는데, 유기 금속 원료 및 질소원을 동시에 공급하여 3,000 내지 10,000의 Ⅴ/Ⅲ 비율로 에피택셜 성장된다. 상기 Ⅴ/Ⅲ 비율이란 MOCVD법에 의해 ⅢㆍⅤ족 화합물 반도체 결정을 성장시킬 경우 반응 장치에서 통과하는 Ⅲ족 원소를 함유하는 분자의 몰 수와 Ⅴ족 원소를 함유하는 분자의 몰 수의 비율을 의미한다.

상기와 같은 저온 버퍼 층을 사용하는 성장법 이외에, 대략 900 내지 1200℃의 높은 성장 온도에서 질화 알루미늄(AlN) 층을 기판에 성장시켜 형성한 다음, 질화 갈륨을 그 위에 성장시키는 방법도 알려져 있으나, 사파이어 기판을 이용하는 경우에는 대부분 저온 버퍼층(20)을 이용하여 질화 갈륨을 에피택셜 성장시키게 된 다.

그 다음, 상기 저온 버퍼층(20) 상에 위치한 n형 GaN층(30, 40)을 형성하는 과정은 상기 저온 버퍼층(20)과 유사하게 MOCVD법을 사용하여 성장되지만, 그 성장 공정은 1000℃ 이상의 고온에서 실시된다. 이는 질소의 전구체(precursor)로 암모니아(NH₃)가 사용되며, 캐리어 가스는 H₂가 사용되기 때문인데, 상기 암모니아는 열적으로 매우 안정하기 때문에 1000℃ 이상에서도 수%의 암모니아만이 열분해되어 질소 소스로서 GaN 성장에 기여한다. 따라서, 열분해 효율을 높이기 위해 고온성장이 불가피하며 결정성이 좋은 GaN 성장을 위해 일반적으로 4,000 내지 10,000의 Ⅴ/Ⅲ 분율을 이용한다. 이때, 성장되는 GaN에 Si과 같은 불순물을 포함시켜 n-GaN층(30, 40)으로 동작하도록 한다.

그리고, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 형성된 n-GaN층(30, 40) 상부에 활성층(50)을 형성하는데, 이는 단일 활성층 구조, 양자 우물 구조, 복수의 양자 우물 구조가 적층된 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 양자 우물 구조는 활성층(InGaN층)이 두 개의 전하 구속층((Al)GaN층) 사이에 위치하도록 하여 빛의 파장을 조절하고 양자 효율을 향상시키도록 한 것으로, 최근에는 도시된 바(50)와 같은 다중 양자 우물 구조가 일반적으로 사용되고 있다. 상기 활성층(50) 상하부에 캐리어 구속 효과(carrier confinement)를 증가시키기 위해 n형, p형 초격자층(superlattice)이 삽입되기도 한다.

그리고, 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 형성된 활성층(50) 상부에 p-클래딩 층(60)을 형성하고, 그 상부에 p-GaN층(70)을 형성한다. 상기 p-클래딩층(60)은 필수적인 것은 아니지만, 상기 활성층(50)과 Mg를 불순물로 하여 p형으로 활성화된 p-GaN층(70) 사이에 추가되어 캐리어 농도를 높이는데 사용된다. 상기 p-클래딩층(60)은 상기 p-GaN층(70)의 Mg가 상기 활성층(50)에 유입되지 않게 보호해야 하므로 두꺼워야 하고, 상기 활성층(50)에서의 전자와 홀의 재결합을 용이하게 할만큼 충분히 얇아야 하며 이것이 활성층(50)으로부터의 포톤 방출을 최대로 하는데 도움을 주게 된다. 따라서, 그 두께는 상기 특성들을 고려하여 적절하게 설정되어야 한다. 일반적으로 Al_xGa_{1 - x}N이 주로 사용된다.

상기 p-GaN층(70)은 앞서 설명한 n-GaN층(30, 40)과 같이 유사한 기체 분위기와 온도에서 성장되며, GaN 성장 중에 Mg를 주입하여 p-GaN이 되도록 한다. 그러나 알려진 바와 같이 질소 전구체로 사용되는 암모니아가 제공하는 수소와 주입된 Mg가 결합하여 Mg-H를 형성하므로 성장 직후의 비활성화 된 p형 GaN 박막은 열처리 과정인 LEEBI(Low Energy Electron Beam Irradiation)나 고온 어닐링(Rapid Temperature Annealing, Furnace Annealing 등) 과정을 통해 활성화시켜 p형 특성을 얻도록 해야 한다.

상기 p-GaN층(70) 형성 후 그 상부에 전류 특성을 개선하기 위한 투명 전극등을 더 형성하기도 한다.

그리고, 도 2d에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물을 전면 방출형 소자로 사용하기 위해서 전극을 형성하는데, 구조물의 상하부에 각각 전극을 형성하는 수직 구조와, 도시된 바와 같이 구조물의 일부를 제거하여 n-GaN층(30)을 노출시켜 전극을 형성하는 수평 구조(측면 전류 주입 방식)가 대표적이다. 도시된 경우는 수평 구조로서, 상기 n-GaN층(30)이 노출되도록 소자 일부 영역의 p-GaN층(70), p-클래딩층(60), 활성층(50) 및 제 2 n-GaN층(40)을 제거하여 제 1 n-GaN층(30)을 노출시킨다.

그리고, 도 2e에 도시한 바와 같이 상기 제 1 n-GaN층(30)과 p-GaN층(70) 일부에 각각 n 전극(45)과 p 전극(80)을 형성한다.

그러나, 상기 도시한 일반적인 발광 다이오드 구조는 p-GaN층(70) 방향으로 빛을 방출시키는 전면 발광 방식에서는 활성층(50)에서 제공되는 포톤이 상기 p 전극(80)(투명 전극이 추가된 경우 투명전극 역시 포톤 방출을 방해)에 의해 흡수되어 빛의 손실이 크며 전류 퍼짐이 좋지 않아 소자 전체가 발광에 기여하지 못해 광 효율이 낮아진다. 특히, 상기 구조에서는 전류가 상기 p 전극(80)에서 n 전극(45) 까지의 최단 거리인 구조물 측면을 따라 주로 흐르기 때문에 발광 효율이 더욱 낮아지게 된다. 이는 전극이 상부 면과 하부 면에 각각 형성되는 수직 구조에서도 유사하게 발생하며, 전류가 소자의 중심보다는 측면을 타고 흘러 광 효율이 낮아지게 된다.

즉, 상기와 같은 소자의 상부면이나 하부면을 통해 빛을 방출시키는 방식은 다양한 이유로 인해 광 방출 효율이 낮아질 수밖에 없어, 측면 광을 보다 많이 방출시키기 위해서 소자 형성 후 p-GaN층과 활성층 혹은 그 하부의 n-GaN층 일부까지 소정 패턴을 가지도록 제거하여 하나의 소자에 복수의 광 방출부 구조가 형성되도 록 하는 나노-로드(nano-rod)를 제조하는 방식이 제안되었다.

다시 말해서, n-GaN층을 공통으로 사용하는 복수의 광 방출 미세 구조들을 형성한 후 그 상부 p-GaN층은 공통 전극으로 묶어 하나의 소자처럼 사용할 수 있도록 한 것으로 상기 각 미세 구조들을 모두 구동시켜 그 측면광을 최대한 얻을 수 있도록 하는 구조이다. 그러나, 종래의 나노-로드 제조 방법은 앞서 도시된 소자 제조 방법을 그대로 이용하여 p-GaN층 까지 형성하고, p-GaN층 및 활성층을 식각, 물리적인 연마 등의 방법으로 일부 제거하는 방식을 적용하므로 민감한 활성층에 손상을 주기 쉽다. 따라서, 형성된 미세한 나노-로드 중에서 효율이 낮아지거나 아예 동작하지 않는 나노-로드의 수가 많아 뚜렷한 휘도 향성을 기대하기 어렵고 각 소자의 휘도 균일성 역시 얻기 어려운 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 종래 일반적인 발광 다이오드 구조는 전면이나 후면으로 방출되는 광을 이용하도록 구성되며, 각 면에 전류 흐름을 제공하기 위한 불투명 전극이나 투명 전극이 형성되어야 하므로 방출되는 포톤이 상기 전극들에 의해 흡수되어 효율이 낮으며, 고른 전류 분포를 기대하기 어려워 구조적인 효율 역시 낮은 문제점이 있었다. 또한, 측면광을 극대화 하기 위해 단일 소자에 복수의 독립적인 발광 구조물을 형성하는 나노-로드 방식은 그 제조 과정이 식각이나 물리적 연마를 이용하므로 활성층이 손상되어 큰 효율 향상을 기대하기 어렵고 소자별 손상 정도가 상이하여 균일성 역시 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 발광 다이오드 소자를 형성한 후 이 를 식각이나 연마하여 나노-로드를 형성하는 것이 아니라 활성층 형성에 앞서 패턴을 형성한 후 해당 패턴에 맞추어 활성층과 p-GaN층을 성장시키도록 하여 활성층이 손상되지 않아 형성된 나노-로드들이 모두 정상적으로 동작할 수 있도록 함으로써, 측면광 효율을 극대화하고 소자들의 균일성 역시 보장할 수 도록 한 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1콘택층 상에 형성되어 나노-로드 구조를 제한하는 유전체 패턴과; 상기 유전체 패턴에 맞추어 형성된, 활성층 및 상기 제 1콘택층에 대응하는 제 2콘택층으로 이루어진 나노-로드 구조와; 상기 나노-로드 구조물들의 측면 공간 영역을 충진하는 절연막과; 상기 나노-로드 구조물 상부에 형성된 투명 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유전체 패턴에 의해 형성되는 나노-로드 구조는 상부에서 본 경우 복수의 스트라이프, 복수의 원 또는 복수의 다각형을 포함하는 구조들로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 버퍼층이 형성된 기판이나 동종 격자 구조를 가지는 기판 상에 n형 또는 p형 제 1질화물 콘택층을 성장시키는 단계와; 상기 형성된 제 1질화물 콘택층 상부에 나노-로드의 구조를 정의하는 유전체 패턴을 형성하는 단계와; 상기 유전체 패턴으로 노출된 상기 제 1질화물 콘택층 상부에만 제한적으로 확산층 및 상기 제 1질화물 콘택층에 대응하는 p형 또는 n형 제 2질화물 콘택층을 성장시켜 나노-로드 구조를 형성하는 단계와; 상기 나노-로드 구조물들 사이를 절연체로 충진한 후 상기 나로-로드 구조물의 제 2질화물 콘택층 전면에 투명 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유전체 패턴으로 노출된 상기 제 1질화물 콘택층 상부에만 제한적으로 나노-로드 구조를 형성하는 단계는, 상기 제 1질화물 콘택층을 소정 두께로 더 성장시켜 상기 유전체 패턴 형성시 손상된 상기 제 1질화물 콘택층의 손상을 복구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2질화물 콘택층을 성장시켜 나노-로드 구조를 형성하는 단계는 MOVCD방법을 통해 상기 제 2질화물 콘택층을 형성하면서 측면 성장을 억제하기 위해 500~1000℃ 사이로 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 같은 본 발명을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3a내지 도 3d는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 도시한 바와 같이 Ⅲ족 질화물계 반도체인 GaN을 이용한 발광 다이오드의 발광 부분 구조를 나노-로드 형태로 형성하는 대단히 간단하면서도 품질이 높은 제조 과정을 보인 것이다. 도시된 경우는 n-콘택층을 하부에 형성하고, 활성층을 형성한 후 그 상부에 p-콘택층을 형성하는 경우이며, 그 반대의 순서로 콘택층을 형성하는 경우도 있으나 모든 본 발명의 적용에는 관계가 없다는데 주의한다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 사파이어나 실리콘과 같은 기판(100) 상부에 격자 부정합을 해소하기 위해 도핑 없이 저온으로 버퍼층(120)을 형성하고, 그 상부에 n형 불순물인 Si 등을 포함시켜 n-GaN층(130)을 높은 온도에서 성장시켜 형 성한다. 상기 저온 버퍼층(120)이나 n-GaN층(130)의 제조 방법은 종래와 같이 MOCVD법에 의한 저온/고온 성장 방법을 사용한다. 최근에는 격자 부정합에 의한 버퍼층(120) 형성의 부작용을 해소하기 위해 제한적이지만 직접 GaN을 기판 형태로 제조하여 적용하는 경우도 있으며, 상기 저온 버퍼층(120) 역시 다양한 종류의 재료들이 실험되고 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 저온 버퍼층(120)의 종류나 상기 기판(100)의 종류는 발명의 특징과는 무관하며, 단지 하부 콘택층을 에피 성장법에 의해 성장시키는 모든 종류의 발광 다이오드 제조 방법에 모두 적용할 수 있다.

상기 n-GaN층(130)은 In 또는 Al 조성을 가질 수 있으며, Si 불순물이 1E17 이상의 평균 도핑레벨로 첨가되는 것이 바람직하다.

그리고, 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 형성된 n-콘택층인 n-GaN층(130) 상부에 SiO₂ 혹은 SiN_x와 같은 유전막을 형성하고, 포토 공정을 이용하여 이를 하부 n-GaN(130)이 복수 영역에서 일부 노출되도록 패터닝하여 유전체 패턴(140)을 형성한다.

상기 유전체 패턴(140)이 노출시키는 상기 n-GaN층(130)은 대단히 다양한 평면 형상을 보일 수 있는데, 간단히 스트라이프, 원형, 다각형 등과 같은 형상으로 n-GaN층(130)이 노출되도록 형성함으로써 추후 형성될 나노-로드(nano-rod)의 형태를 정의한다. 상기 유전체 패턴(140)은 0.1~10㎛의 두께 범위를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 유전체 패턴(140)에 의해 노출된 상기 n-GaN층(130)을 일정 수준 더 성장시켜 상기 유전체 패턴(140)을 형성하는 과정에서 손상된 n-GaN층(130)의 표면을 복구시킨 후 그 상부에 InGaN을 양자 우물로 하는 다중 양자 우물 구조의 활성층(150)을 성장시킨 다음 그 상부에 p-콘택층으로 p-GaN층(160)을 성장시킨다.

상기 활성층(150)은 최근에 개발되고 있는 다양한 방식에 따라 단일층 구조, 단일 우물 구조, 다중 우물 구조등이 적용될 수 있고, 그 상하부에 초격자 구조가 형성될 수도 있다. 그 외에 앞서 종래 기술에서 설명했던 바와 같이 n-클래딩층이나 p-클래딩층이 더 형성될 수도 있으나, 이러한 추가적인 층들의 형성 역시 상기 유전체 패턴(140)에 의해 정의된 영역으로 한정되어 성장된다.

상기 p-GaN층(160)은 MOCVD법으로 성장되며, 상기 제한된 영역에서 성장된 활성층(150) 상에 동일한 형태로 수직하게 성장되어야 한다. 따라서, 종래와 같이 1000℃ 이상의 고온으로 성장시키면 측면 방향으로 성장되어 인접한 나노-로드들 간 접촉하는 경우가 발생하게 되므로, 본 발명에서는 500~1000℃ 사이의 온도로 p-GaN층(160)을 형성하도록 하여 측면 성장을 억제하도록 한다는데 주의한다.

상기 p-GaN층(160) 역시 In 또는 Al 조성을 가질 수 있으며, Mg 불순물이 1E17~1E21 정도의 평균 도핑레벨로 첨가되는 것이 바람직하다. 그리고 그 두께는 0.01~10㎛의 범위로 너무 두껍지 않게(측면 성장을 억제하기 위해) 성장시킨다.

그리고, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 형성한 나노-로드 구조물들 사이를 절연체(170)로 충진하는데, 주로 실리콘 계열 절연체를 이용하도록 하며, 그 상부 전면에 투명 전극(180)을 형성한다. 상기 절연체(170)는 노출된 나노-로드의 결함부에 의한 누설 전류 발생이나 비발광성 결합을 억제하며 물리적 강도를 높여주는 역할을 하게 된다. 또한, 그 상부 전면에 형성되는 투명 전극(180) 형성을 위한 지지물로도 사용된다.

상기 투명 전극(180)은 소자 상에 형성된 나노 로드들의 각 p-GaN층(160)을 모두 연결하기 위한 것으로, 그 상부 일부에 전극이 형성되여 전류가 흐르게 되면, 각각의 나노 로드들 각각에 일괄적으로 비교적 균일한 전류가 흐르게 된다. 따라서, 각각의 나노 로드들 각각은 전면이나 후면은 물론이고 측면으로 많은 포톤을 생성하여 방출하기 때문에 동일한 크기로 소자를 형성하고 동일한 전류를 제공한다 할지라도 광 추출 효율이 비약적으로 높아지게 된다.

도 4는 상기 유전층 패턴(140)에 의해 정의된 나노-로드들의 평면도를 보인 실시예들로서, 도시한 바와 같이 스트라이프형(도 4a), 사각형(도 4b)이나 육각형(도 4c)과 같은 다각형, 또는 원형(도 4d)으로 나노-로드들을 형성할 수 있어 원하는 특성과 효과를 위해 다양한 나노-로드 구조를 선택하여 형성할 수 있게 된다. 따라서, 나노-로드들의 다양한 구조들은 본 발명에 포괄되는 개념으로 해석될 수 있으므로 구체적인 나노-로드들의 구조 및 형상으로 인해 본 발명이 제한되지는 않는다는데 주의한다.

본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도를 통해 설명한 바와 같이, 나노-로드들을 구성하기 위해 별도의 새로운 공정(예를 들어 HVPE)을 사용하지 않고 질화물계 반도체를 형성하는 MOCVD를 그대로 사용하므로 막질이 우수하고 공 정 시간이 짧다. 또한, 상기 나노-로드들은 모두 성장법으로 형상을 유지하면서 형성되는 것이므로 활성층의 손상이 없어 효율이 낮아지거나 동작하지 않는 나노-로드들의 수가 극히 작아진다. 따라서, 휘도는 증가시키면서도 소자들 간 편차를 줄이고 제조 시간이나 비용은 크게 증가하지 않게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 발광 다이오드 및 그 제조 방법은 발광 다이오드 소자를 형성한 후 이를 식각이나 연마하여 나노-로드를 형성하는 것이 아니라 활성층 형성에 앞서 패턴을 형성한 후 해당 패턴에 맞추어 활성층과 p-GaN층을 성장시키는 방식으로 나노-로드를 형성하도록 하므로 활성층의 손상을 방지하여 모든 나노-로드가 정상 구동되도록 함으로써, 측면광 효율을 극대화하고 소자 특성의 균일성을 유지함과 아울러 막질의 품질을 높이면서 성장 속도가 빠른 MOCVD법을 통해 콘택층을 형성할 수 있도록 하여 제조 비용을 낮추고 소자 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

1. 제 1콘택층 상에 형성되어 나노-로드 구조를 제한하는 유전체 패턴과;

   상기 유전체 패턴에 맞추어 형성된, 활성층 및 상기 제 1콘택층에 대응하는 제 2콘택층으로 이루어진 나노-로드 구조와;

   상기 나노-로드 구조물들의 측면 공간 영역을 충진하는 절연막과;

   상기 나노-로드 구조물 상부에 형성된 투명 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 패턴에 의해 형성되는 나노-로드 구조는 상부에서 본 경우 복수의 스트라이프, 복수의 원 또는 복수의 다각형을 포함하는 구조들로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 패턴으로 제한된 영역에 형성되는 상기 나노-로드 구조물은 상기 제 1콘택층과 상기 활성층 사이에 상기 제 1콘택층과 동일한 콘택층이 소정 두께로 더 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
4. 제 1항에 있어서, 상기 나노-로드 구조물들의 측면 공간 영역을 충진하는 절연막은 실리콘 계열 절연체로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
5. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 패턴은 SiO₂ 또는 SiN_x를 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
6. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 패턴의 두께는 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
7. 제 1항에 있어서, 상기 각 콘택층은 불순물이 함유된 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1콘택층은 1E17이상의 도핑레벨로 도핑된 Si을 포함하는 GaN층이고, 제 2콘택층은 1E17~1E21의 도핑레벨 도핑된 Mg를 포함한 GaN층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
9. 제 1항에 있어서, 상기 활성층은 InGaN 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 가진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
10. 제 1항에 있어서, 상기 각 콘택층은 GaN을 주 재료로 하며 In 또는 Al을 포함하는 조성을 가진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
11. 버퍼층이 형성된 기판이나 동종 격자 구조를 가지는 기판 상에 n형 또는 p형 제 1질화물 콘택층을 성장시키는 단계와;

    상기 형성된 제 1질화물 콘택층 상부에 나노-로드의 구조를 정의하는 유전체 패턴을 형성하는 단계와;

    상기 유전체 패턴으로 노출된 상기 제 1질화물 콘택층 상부에만 제한적으로 확산층 및 상기 제 1질화물 콘택층에 대응하는 p형 또는 n형 제 2질화물 콘택층을 성장시켜 나노-로드 구조를 형성하는 단계와;

    상기 나노-로드 구조물들 사이를 절연체로 충진한 후 상기 나로-로드 구조물의 제 2질화물 콘택층 전면에 투명 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 유전체 패턴으로 노출된 상기 제 1질화물 콘택층 상부에만 제한적으로 나노-로드 구조를 형성하는 단계는,

    상기 제 1질화물 콘택층을 소정 두께로 더 성장시켜 상기 유전체 패턴 형성시 손상된 상기 제 1질화물 콘택층의 손상을 복구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
13. 제 11항에 있어서, 상기 유전체 패턴을 형성하는 단계는 복수의 스트라이프, 복수의 원 또는 복수의 다각형 형태로 상기 제 1질화물 콘택층이 노출되도록 상기 유전체 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
14. 제 11항에 있어서, 상기 제 2질화물 콘택층을 성장시켜 나노-로드 구조를 형성하는 단계는 상기 제 2질화물 콘택층을 500~1000℃ 사이의 온도에서 MOVCD방법으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
15. 제 11항에 있어서, 상기 제 1질화물 콘택층은 n-GaN층이고, 제 2질화물 콘택층은 p-GaN층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 n-GaN층은 Si 불순물을 함유하며 그 도핑 레벨은 1E17이상이 되도록 하고, p-GaN층은 Mg 불순물을 함유하며 그 도핑 레벨은 1E17~1E21가 되도록 한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
17. 제 15항에 있어서, 상기 제 2질화물 콘택층은 0.01~10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
18. 제 11항에 있어서, 상기 나노-로드 구조물들 사이를 절연체로 충진하는 단계에서 상기 절연체는 실리콘 계열 절연체를 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
19. 제 11항에 있어서, 상기 유전체 패턴을 형성하는 단계는 SiO₂ 또는 SiN_x를 성막한후 포토 공정을 통해 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
20. 제 19항에 있어서, 상기 유전체 패턴의 두께는 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
21. 제 11항에 있어서, 상기 활성층은 InGaN 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조로 형성한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
22. 제 11항에 있어서, 상기 각 콘택층은 GaN을 주 재료로 하며 In 또는 Al을 포함하는 조성을 가지도록 형성한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.

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