KR100672553B1 - Nitride light emitting device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
청색 및 녹색 파장의 대역을 갖는 질화물 발광 소자에 관한 것으로, 기판 위에 제 1 반도체층, 활성층, 제 2 반도체층을 순차적으로 형성하고, 벽개 면이 형성될 영역들에 각각 이온을 소정 깊이로 주입하여 절연막을 형성한 다음, 제 2 반도체층 및 기판 위에 각각 전극을 형성하고, 각 절연막을 기준으로 소자를 분리하여 소자 양측에 절연막을 갖는 벽개 면을 형성한 후, 소자 일 측의 절연막 위에 고반사막(HR)을 형성하고, 다른 측의 절연막 위에 무반사막(AR)을 형성하여 제작된다. 이와 같이 제작되는 본 발명은 소자 벽개에서의 절연층 형성에 의해서, 전류에 의한 줄열 발생을 억제하여 소자의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 소자 내부에서 발생한 빛이 벽개면에서 흡수되지 않아 광손실 방지와 벽개면 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a nitride light emitting device having a band of blue and green wavelengths, the first semiconductor layer, the active layer and the second semiconductor layer being sequentially formed on a substrate, and implanting ions at predetermined depths into regions where cleaved surfaces are to be formed. After the insulating film was formed, electrodes were formed on the second semiconductor layer and the substrate, and the devices were separated based on the respective insulating films to form cleaved surfaces having insulating films on both sides of the device, and then the high reflective film ( HR), and an antireflective film AR is formed on the insulating film on the other side to produce it. The present invention manufactured as described above can ensure the reliability of the device by suppressing the generation of joule heat due to the current by forming an insulating layer in the device cleavage, and the light generated inside the device is not absorbed from the cleavage surface to prevent light loss and cleavage surface It has the effect of reducing damage.
LED/LD, 반도체 발광소자, 절연막LED / LD, semiconductor light emitting device, insulating film
Description
도 1는 종래의 질화물 발광소자의 구조단면도와 각 층에 따른 에너지 밴드갭 1 is a structural cross-sectional view of a conventional nitride light emitting device and the energy band gap according to each layer
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 질화물 발광소자의 제조공정을 보여주는 공정사시도2a to 2d is a process perspective view showing a manufacturing process of the nitride light emitting device according to the prior art
도 3a 내지 3e는 본 발명에 의한 질화물 발광소자의 제조공정을 보여주는 공정사시도3a to 3e is a process perspective view showing a manufacturing process of the nitride light emitting device according to the present invention
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
31 : 반도체 기판 32 : n형 반도체층 31 semiconductor substrate 32 n-type semiconductor layer
33 : 활성층 34 : p형 반도체층33: active layer 34: p-type semiconductor layer
35 : n형 전극 36 : p형 전극 35 n-type electrode 36 p-type electrode
37 : 절연막 38 : 무반사 코팅막 37
39 : 고반사 코팅막 40 : 단위 소자39: high reflection coating film 40: unit device
본 발명은 청색 및 녹색 파장의 대역을 갖는 질화물 발광 소자에 관한 것이 다.The present invention relates to a nitride light emitting device having a band of blue and green wavelengths.
일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 광소자 및 전자 소자는 이미 많은 개발이 되어 있으며, 실제로 자외선 또는 가시광선 영역의 발광다이오드/레이저다이오드(LED/LD)는 여러 분야에 응용되고 있고 앞으로도 그 사용 용도가 더 넓혀지고 있다.In general, optical devices and electronic devices using III-V nitride semiconductors have already been developed, and light emitting diodes / laser diodes (LEDs / LDs) in the ultraviolet or visible light range have been applied to various fields. Usage is getting wider.
질화물 반도체는 그들의 조성에 따라 약 1.95∼6.0eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있어서 발광다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)와 같은 반도체 발광소자의 재료로서 주목받아 왔다. 최근에는 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 결과로서, 고휘도의 청색 LED, 녹색 LED가 실제로 사용되고 있다. 이러한 LED는 p-n접합을 가지는 이중헤테로구조를 가지는데, 종래의 LED 구조는 기본적으로 InGaN으로 이루어지는 활성층이 AlGaN로 각각 이루어지는 n,p 타입 피복층 사이에 있는 이중헤테로구조를 가진다. Nitride semiconductors have a bandgap energy of about 1.95 to 6.0 eV depending on their composition, and thus have been attracting attention as materials of semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). Recently, as a result of using such a nitride semiconductor material, high-brightness blue LEDs and green LEDs are actually used. The LED has a double heterostructure having a p-n junction, and a conventional LED structure has a double heterostructure in which an active layer made of InGaN is basically formed between n and p type coating layers made of AlGaN.
LD의 경우는 LED와 유사한 구조를 가지나, 광과 캐리어가 각각 제한되는 분리제한 구조를 일반적으로 가진다. 도 1에 도시한 바와 같이, InGaN 활성층은 p,n 타입 GaN 광가이드층 사이에 있고, 그 주변으로 p,n 타입 AlGaN 클래딩층이 존재한다.LD has a structure similar to that of LED, but generally has a separation limit structure in which light and carrier are limited. As shown in FIG. 1, the InGaN active layer is between p, n type GaN optical guide layers, and a p, n type AlGaN cladding layer exists around it.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 질화물 발광소자의 제조공정을 보여주는 공정사시도이다. 2A to 2D are process perspective views illustrating a manufacturing process of a nitride light emitting device according to the prior art.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 화합물 반도체들을 성장시킨 후, 전극을 형성하여 소자를 완성한다. First, as shown in FIG. 2A, after compound semiconductors are grown, electrodes are formed to complete the device.
이어, 도 2b에 도시한 바와 같이, 소자를 분리하여 벽개 면을 형성한 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 양쪽 벽개 면에 각각 무반사막(AR) 및 고반사막(HR)을 코팅한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the cleaved surface is formed by separating the elements, and then, as shown in FIG. 2C, the antireflective film AR and the high reflective film HR are coated on both cleaved surfaces.
그리고, 마지막으로 도 2d에 도시한 바와 같이, 벽개 면에 각각 무반사막과 고반사막으로 코팅된 소자를 칩으로 분리하여 단위 소자를 제작한다.And finally, as shown in Figure 2d, the device coated with a non-reflective film and a high reflection film on the cleaved surface, respectively, with a chip to produce a unit device.
그러나 이상에서 설명한 종래의 질화물 발광소자 및 그 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있다.However, the above-mentioned conventional nitride light emitting device and its manufacturing method have the following problems.
첫째, 발광 소자를 동작시키기 위해서 소자 전극에 전류를 주입하게 되면, 고전류에 의한 줄(Joule)열이 발생할 뿐 아니라, 소자 내부에서 발생한 빛을 흡수하게 되고 빛의 흡수로 인해 더 많은 열이 발생하게 되어, 소자 벽개 면이 녹는 등 벽개면 손상을 초래하여 소자 출력이 떨어지거나 동작 불능 상태가 된다.First, when a current is injected into the device electrode to operate the light emitting device, not only Joule heat caused by the high current is generated, but also the light generated inside the device is absorbed and more heat is generated due to the light absorption. As a result, damage to the cleaved surface, such as melting of the cleaved surface of the device, causes the device output to fall or become inoperable.
둘째, 소자에 전류 주입으로 인해 벽개부분에 전류가 도통하게 되어 벽개 면에서의 빛의 흡수로 인한 광손실을 초래하여 소자의 신뢰성이 떨어지게 된다. Second, current flows through the cleaved portion due to the current injection into the device, resulting in optical loss due to absorption of light from the cleaved surface, thereby degrading the reliability of the device.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 벽개부분의 손상 방지와 동시에 벽개부분에서의 광손실을 줄여 신뢰성 높은 질화물 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride light emitting device having high reliability by preventing damage to the cleaved portion and reducing light loss at the cleaved portion.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 발광 소자 제조방법은 기판 위에 제 1 반도체층, 활성층, 제 2 반도체층을 순차적으로 형성하고, 벽 개 면이 형성될 영역들에 각각 이온을 소정 깊이로 주입하여 절연막을 형성하는 단계와, 제 2 반도체층 및 기판 위에 각각 전극을 형성하고, 각 절연막을 기준으로 소자를 분리하여 소자 양측에 절연막을 갖는 벽개 면을 형성하는 단계와, 소자 일 측의 절연막 위에는 고반사막을 형성하고, 다른 측의 절연막 위에는 무반사막을 형성하는 단계로 이루어진다.In the method of manufacturing a nitride light emitting device according to the present invention for achieving the above object, a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer are sequentially formed on a substrate, and ions are predetermined in regions where wall openings are to be formed. Forming an insulating film by implanting at a depth; forming electrodes on the second semiconductor layer and the substrate, and separating devices based on each insulating film to form a cleaved surface having insulating films on both sides of the device; Forming a high reflection film on the insulating film and forming an antireflection film on the insulating film on the other side.
여기서, 이온이 주입되는 폭은 소자 길이의 20% 이하 이고, 이온의 주입 깊이는 소자의 기판과 활성층 사이로 한다. 그리고, 주입되는 이온은 B, H, He, N2, O2 중 어느 하나로 하고, 이온 에너지는 약 100∼900 KeV로 하며, 도즈량은 1010∼1019 atoms/㎠으로 한다. 한편, 이온을 주입하여 절연막 형성 후에는 열처리를 할 수 있는데, 이 때의 열처리 온도는 400∼1200℃이고, 시간은 10분∼4시간이며, 분위기는 질소, 암모니아, 수소, 분위기 중 어느 하나이거나 진공상태로 한다. Here, the width to which ions are implanted is 20% or less of the device length, and the implantation depth of ions is between the substrate of the device and the active layer. The implanted ion is any one of B, H, He, N 2 and O 2 , the ion energy is about 100 to 900 KeV, and the dose is 10 10 to 10 19 atoms / cm 2. On the other hand, after the formation of the insulating film by implanting ions, the heat treatment may be performed. At this time, the heat treatment temperature is 400 to 1200 ° C, the time is 10 minutes to 4 hours, and the atmosphere is any one of nitrogen, ammonia, hydrogen, and atmosphere. Set to vacuum.
이와 같이 제작되는 본 발명은 소자 벽개에서의 절연층 형성에 의해서, 전류에 의한 줄열 발생을 억제하여 소자의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 소자 내부에서 발생한 빛이 벽개면에서 흡수되지 않아 광손실 방지와 벽개면 손상을 줄일 수 있다.The present invention manufactured as described above can ensure the reliability of the device by suppressing the generation of joule heat due to the current by forming an insulating layer in the device cleavage, and the light generated inside the device is not absorbed from the cleavage surface to prevent light loss and cleavage surface Damage can be reduced.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 질화물 발광소자 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the nitride light emitting device manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
일반적으로, 발광소자를 동작시키기 위해서는 소자 전극에 전류를 주입하게 되고, 정공, 전자가 각각 p,n층을 흘러 들어가서 활성층에서 전자 정공이 재결합을 하게 되면 빛이 발생하게 된다. 이 빛은 광가이드층을 따라 벽개 면에 도달하게 되고, 이 벽개 면에서 빛이 반사되어서 소자 내부에서 증폭되어서 임계치에 이르면 벽개를 통해서 빛이 방출하게 된다. 고출력 발광소자를 구현하기 위해서는 더 많은 전류를 주입해야 하며, 당연히 더 많은 빛이 벽개면에 조사되게 된다. 이 때 벽개 면에서도 전류가 도통하므로, 고전류에 의한 줄(Joule)열이 발생할 뿐 아니라, 소자 벽개 면에서의 불안정성에 의한 소자 내부에서 발생한 빛을 흡수하게 되고, 빛을 흡수하면 더 많은 열이 발생하게 되어, 결국은 소자 벽개 면이 녹는 등 벽개면 손상이 발생하여 더 이상 빛을 방출할 수 없게 된다. 이런 현상들을 방지하게 위해서는 소자 벽개 면에서의 전류의 의한 줄(Joule)열 발생을 방지하고, 소자 벽개 면에서의 빛의 흡수에 의한 열 발생을 방지하는 것이 필요하다. In general, in order to operate the light emitting device, a current is injected into the device electrode, and light is generated when holes and electrons flow through the p and n layers, respectively, and electron holes recombine in the active layer. The light reaches the cleavage plane along the light guide layer, which reflects light from the cleavage plane, amplifies inside the device, and emits light through the cleavage when the threshold is reached. In order to realize a high output light emitting device, more current needs to be injected, and more light is irradiated onto the cleaved surface. At this time, current flows on the cleaved surface, so Joule heat is generated due to high current, and it absorbs light generated inside the device due to instability on the cleaved surface. When heat is absorbed, more heat is generated. As a result, damage to the cleavage surface occurs such that the cleavage surface of the device melts and the light can no longer be emitted. In order to prevent these phenomena, it is necessary to prevent Joule heat generation due to current on the device cleavage surface and to prevent heat generation due to absorption of light on the device cleavage surface.
그러므로, 본 발명에서는 다음과 같은 제작 과정을 거친다.Therefore, the present invention undergoes the following manufacturing process.
도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 질화물 발광소자의 제조공정을 보여주는 구조 사시도이다.3A to 3E are structural perspective views illustrating a manufacturing process of the nitride light emitting device according to the present invention.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(31) 위에 n형 반도체층(32), 활성층(33), p형 반도체층(34)을 순차적으로 형성한 후, 도 3b에 도시한 바와 같이, 추후 벽개면이 될 부분에 벽개면이 형성될 라인을 따라 이온주입하고, 열처리를 함으로써 절연막을 형성한다. 여기서, 이온이 주입될 영역의 폭은 소자의 길이에 따라 다를 수 있지만, 소자 길이의 약 20%이하로 하는 것이 좋고, 이온의 주입 깊이는 최소한으로는 n형 반도체층(32)까지 하고 최대한으로는 기판(31) 상부까지 하면 된다. 그리고, 주입되는 이온은 B, H, He, N2 , O2 등을 사용하고 이온주입장비(ion implanter)를 사용하여 이온주입을한다. 이 때, 이온주입시 이온 주입 에너지는 물질마다 차이가 나지만, 본 발명의 실시 예에서는 이온 주입 에너지를 약 100∼900 KeV로 하고, 도즈(dose)양은 1010∼1019 atoms/㎠ 으로 조절하여 이온 주입한다. 한편, 이온주입에 의한 질화물막의 손상을 완화시켜 주기 위해서 열처리를 실시할 수 있는데, 이 때의 열처리 온도는 약 400∼1200℃이고, 열처리 시간은 10분에서 4시간이며, 질소 분위기, 암모니아 분위기, 수소 분위기, 진공상태 등에서 수행한다. 이어, p형 반도체층(34) 상부와 기판 하부에 각각 전극(35,36)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, the n-
그리고, 도 3c에 도시한 바와 같이, 절연막을 기준으로 소자를 분리하여 소자 양측에 절연막(37)을 갖는 벽개 면을 형성한 다음, 도 3d에 도시한 바와 같이,상기 양쪽 벽개 면에 각각 무반사막(38) 및 고반사막(39)을 코팅한다.As shown in FIG. 3C, the devices are separated based on the insulating film to form cleaved surfaces having insulating
마지막으로 도 3e에 도시한 바와 같이, 벽개 면에 무반사막(38)과 고반사막(39)이 코팅된 소자를 다시 칩으로 분리하여 단위 소자(40)를 제작한다.Finally, as shown in FIG. 3E, the device having the
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자는 다음과 같은 효과가 있다.The semiconductor device according to the present invention as described above has the following effects.
첫째, 소자 벽개에서의 절연층 형성에 의해서, 전류에 의한 줄열 발생을 억제하여 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다. First, by forming the insulating layer in the cleavage of the device, it is possible to suppress the generation of joule heat due to the current to ensure the reliability of the device.
둘째, 소자 벽개 면에 절연층을 형성함으로써 벽개부분에서의 유효 밴드갭이 커지게 되어 소자 내부에서 발생한 빛이 벽개 면에서 흡수되지 않아, 광 흡수로 인한 벽개 면이 녹는 현상을 방지할 수 있다. Second, by forming an insulating layer on the device cleavage surface, the effective bandgap at the cleavage portion is increased, so that light generated inside the device is not absorbed at the cleavage surface, thereby preventing the cleavage surface from melting due to light absorption.
셋째, 소자 벽개에서의 절연층 형성으로 인해 벽개 면에서 전류가 도통하지 않게 되어 벽개 면에서의 빛의 흡수로 인한 광손실을 줄여 고출력의 발광 소자를 구현할 수 있다.
Third, due to the formation of an insulating layer in the device cleavage, no current flows through the cleavage surface, thereby reducing light loss due to absorption of light in the cleavage surface, thereby realizing a high power light emitting device.
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