KR100676286B1 - ＺｎＯ층을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

ＺｎＯ층을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, ZnO층이 N형 반도체층 상에 형성하는 것에 의해 더욱 향상된 광방출 특성을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 (a) 예비기판 상에 N형 반도체층, 활성층 그리고 P형 반도체층을 성장시키는 단계와; (b) 반도체층 성장용 기판으로 사용된 상기 예비기판을 제거하는 단계와; (c) 상기 P형 반도체층 상에는 도전성 반사층을 형성하고 상기 N형 반도체층 상에는 ZnO층을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 발광다이오드 제조방법을 제공한다.
발광다이오드, ZnO층, 반사층, 예비기판, P형, N형, 형광물질

Description

ＺｎＯ층을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법{VERTICAL TYPE LIGHT EMITTING DIODE WITH ZnO LAYER AND METHOD FOR MAKING THE SAME DIODE}
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 수직형 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 수직형 발광다이오드를 포함하는 발광다이오드 패키지를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수직형 발광다이오드를 도시한 단면도들.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
120: P형 반도체층 122: 반사층
140: 활성층 160: N형 반도체층
170, 192, 194: ZnO층 182: 형광물질
184: 봉지재
본 발명은, ZnO층을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, ZnO층이 N형 반도체층 상에 형성하는 것에 의해 더욱 향상된 광방출 특성을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 광을 발산하도록 구성된다. 일예로, 위와 같은 발광다이오드로는 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드가 공지되어 있다.
질화갈륨계 발광다이오드는 사파이어 기판 상에 N형 반도체층, 활성층(또는, 발광층), P형 반도체층을 순서대로 성장시키는 방식으로 제조된다. 그리고, N형 반도체층과 접해 있는 사파이어 기판이 예를 들면 레이저에 의해 제거됨으로써, 보다 휘도가 향상된 수직형의 발광다이오드(또는, VLED)를 제조할 수 있다.
위와 같은 수직형 발광다이오드는 사파이어 기판이 제거된 면, 즉, N형 반도체층 측에 금속 반사층이 형성되고 이와 대향하는 P형 반도체층 측에 Ni/AU 또는 ITO로 이루어진 투명전극층이 형성된다. 그리고, 금속 반사층과 투명전극층에는 각각 전원인가를 위한 전극패드가 형성된다.
일반적으로, Ni/Au 투명전극층 및 ITO 투명전극층은 광 투과 특성 및/또는 전류 특성으로 인해 그 두께가 대략 0.005~0.2㎛ 제한될 수밖에 없었다. 위와 같은 두께 제한은 투명전극층의 다양한 형상 설계를 어렵게 하여 광의 산란(scatteringg) 방출 및/또는 균일 분포의 광 방출을 어렵게 하는 문제점을 야기한다.
즉, 투명전극층의 두께가 클 경우, 광 방출 분포를 보다 폭 넓고 균일하게 하거나 임계각 원리에 따른 광의 내부 전반사를 줄이는 투명전극층의 형상 설계가 가능한데 반해, Ni/Au 투명전극층 또는 ITO 투명전극층은 그 두께가 제한되어 있어 위와 같은 형상 설계가 어려웠다.
한편, 종래에는 상대적으로 큰 두께로 형성될 수 있으면서도 식각성이 매우 뛰어난 ZnO를 발광다이오드의 투명전극층으로 이용하는 기술이 제안된 바 있다. 이러한 종래의 발광다이오드는 P형 반도체층 상에 ZnO층을 형성시키는 방식으로 제조된다. 그러나, 위와 같은 종래의 발광다이오드는 ZnO층이 N형의 특성을 가지므로 P형 반도체층과의 오믹콘택을 형성하기 어렵고 이에 따라 ZnO층과 P형 반도체층 사이에 오믹콘택 형성을 위한 터널 구조가 요구되는 등의 문제점을 안고 있다.
또한, 종래의 발광다이오드는 광이 활성층과 ZnO층 사이의 P형 반도체층을 거치면서 상대적으로 많은 광의 손실을 야기하는 문제점을 안고 있다. 이는 N형 반도체층과 비교할 때 P형 반도체층이 광의 손실을 초래하는 결함을 더욱 많이 가지고 있는 것에 기인한다.
따라서, 본 발명은, 광 방출 특성의 형상 설계가 보다 자유로운 ZnO층을 투명전극층으로 이용하되, 그 ZnO층을 N형 반도체층 상에 형성함으로써 보다 향상된 전기적 특성과 광 방출 특성을 갖는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, N형 반도체층 상의 ZnO층이 자신을 둘러싸는 형광물질을 향해 보다 폭넓게 광을 조사할 수 있도록 형성되어 원하는 색의 광, 특히, 백색의 광을 보다 고휘도로 방출할 수 있는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 광의 내부 전반사를 줄이는 표면 형상을 갖는 ZnO층을 N형 반도체층 상에 구비하는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 예비기판 상에 N형 반도체층, 활성층 그리고 P형 반도체층을 성장시키는 단계와, (b) 반도체층 성장용 기판으로 사용된 상기 예비기판을 제거하는 단계와, (c) 상기 P형 반도체층 상에는 도전성 반사층을 형성하고 상기 N형 반도체층 상에는 ZnO층을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 발광다이오드 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 양측에 경사면이 형성된 피라미드 단면으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 돔형상의 단면으로 형성된다. 본 발명의 또 따른 실시예에 따라, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 복수의 돔형상 단면으로 형성된다. 특히, 상기 (c) 단계에서 형성 된 ZnO층의 광 방출면에는 내부 전반사를 줄이는 거친면(rough surface)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 전술한 것과 같은 수직형 발광다이오드의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 제조방법은, 예비기판이 제거된 채 P형 반도체층, N형 반도체층 및 그 사이의 활성층을 갖는 반도체층들과, 상기 P형 반도체층 저면에 형성되는 도전성 반사층과, 상기 N형 반도체층 상에 형성되어 상기 반도체층으로부터 광 방출 특성을 향상시키는 ZnO층을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광다이오드를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광다이오드(100)는, P형 반도체층(120), 활성층(140) 및 N형 반도체층(160)이 연속적으로 적층된 구조를 이룬다. 그리고, 상기 발광다이오드(100)는, 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 휘도 향상을 위해 예비기판, 즉, 사파이어 기판(101; 도 4 및 도 5 참조)이 예를 들면, 레 이저 가공에 의해 제거되어 수직형 발광다이오드 구조로 형성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 예비기판(101)의 제거는 N형 반도체층(160) 아래쪽에서 이루어지며 이는 이하에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 활성층(140)은, P형 반도체층(120)과 N형 반도체층(160) 사이에서 전자와 정공이 결합되는 영역을 제공하는 층으로서, 본 실시예에서는, InGaN을 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 활성층(140)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광다이오드(100)에서 추출되는 발광 파장이 결정된다. 이 때, 상기 활성층(140)은 양자우물층과과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있고, 상기 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.
P형 반도체층(120)은 N형 반도체층(160)과 대향되는 방향에 형성되며, 그 저면에는 도전성의 금속 반사층(122)이 형성된다. 이 금속 반사층(122)은 활성층(140)에서 발생되어 P형 반도체층(120)을 거쳐 아래쪽으로 향하는 광을 위쪽으로 반사시켜주는 역할을 한다. 상기 P형 반도체층(120)은 P형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, P형 클래드층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 금속 반사층(122)을 P형 반도체층(120)에 형성하는 것이 N형 반도체층(160)에 금속 반사층을 형성하는 것보다 휘도 향상에 있어 유리한데, 이는 P형 반도체층(120)에 비해 내부 결함이 적은 N형 반도체층(160)을 거쳐 바로 방출되는 광의 양의 증가 및 이에 따른 광 손실의 감소에 의해 기인한다.
한편, 상기 N형 반도체층(160)은 N형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 N형 반도체층(160) 상에는 투명전극층으로 기능하는 ZnO층(170)이 마련된다. ZnO는 식각성이 뛰어나고 또한 광 투과성 및 전기적 성질이 우수한 금속 산화물로서, 충분한 두께의 투명전극층 형성이 가능하고 식각성이 우수하므로 광 방출 특성 향상을 위한 다양한 투명전극층의 형상 설계를 가능케 한다.
특히, ZnO층(170)은, N형 불순물의 도핑 없이도 N형을 이루므로, N형 반도체층(160)과의 사이에서 바람직한 오믹콘택을 형성하는 이점을 갖는다. 즉, 일반적인 P형 반도체층에 ZnO층(170) 접합시킬 때에는, 오믹콘택을 위한 터널구조가 반드시 요구되는 것과 달리, N형 반도체층(160)에 ZnO층(170)이 마련되는 경우에는 전술한 터널구조의 필요성을 없애준다.
본 실시예에 따른 ZnO층(170)은 광의 방출방향을 따라 점진적으로 좁아지는 단면 형상, 즉, 양측에 경사면이 형성된 피라미드 단면 형상으로 형성된다. 이러한 단면 형상은 식각 가공에 의해 쉽게 구현될 수 있다. 그리고, 이러한 ZnO층(170)의 단면 형상은 폭 넓고 균일한 분포로 광이 방출되는 것을 가능하게 하여, 형광물질이 포함된 발광다이오드 패키지에서 광이 보다 폭 넓고 균일하게 형광물질에 작용할 수 있도록 돕는다. 예를 들면, 위와 같은 ZnO층(170)을 포함하는 발광다이오드(100)는, 백색 발광다이오드 패키지에 적용될 때, 백색광을 높은 휘도로 구현할 수 있도록 돕는다.
도 2는 도 1에 도시된 수직형 발광다이오드(100)를 포함하는 발광다이오드 패키지의 개략도로 및 그 주요부분이 확대도로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 전술한 수직형 발광다이오드(100)가 몰딩 방식으로 형성된 수지재질의 봉지재(184)에 의해 둘러싸여 있다. 그리고, 상기 봉지재(184) 내에는 분말 상의 형광물질(182)이 균일한 분포로 포함된다. 이 때, ZnO층(170)은 광 방출면, 즉, 좌, 우 경사면(171) 및 전방의 편평면(172)을 통해 폭 넓고 균일한 분포로 광을 방출한다. 이에 따라, 상기 발광다이오드 패키지는 ZnO층(170)을 거쳐 방출되는 광들이 형광물질(182)과 폭 넓게 작용하면서 보다 휘도가 높은 광(특히, 백색광)을 방출할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 ZnO층(170)의 광 방출면에 거친면(rough surface; 173)을 형성하는 것이 가능하며, 이는 도 3에 잘 도시되어 있다. 위와 같은 거친면(173)은 광 추출 임계각 원리에 따른 광의 내부 전반사를 줄여주어 발광다이오드의 광 추출 효율을 향상시켜주는데 기여한다. 이 때, 상기 거친면(173)은 ZnO층(170) 표면에 대한 식각 가공에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 ZnO층(170)은, N형 반도체층 상에서 충분한 두께로 형성될 수 있고 또한 식각성이 뛰어나므로, 식각에 의한 거친면(173)의 형성이 자유롭다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 제조공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 미리 준비된 예비기판(101) 상에 N형 반도체층(160), 활성층(140) 그리고 P형 반도체층(120)이 순서대로 형성된다. 이러한 층(160, 140, 120)들의 형성은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 등에 의해 이루어질 수 있다. 그리고, 위와 같은 각 층(160, 140, 120)들은 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다. 그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, N형 반도체층(160)과 면해 있는 예비기판(101)을 예를 들면, 레이저 가공에 의해 제거하는 공정이 수행된다. 도 5에서, 상기 제거된 예비기판(101)은 이해의 편의를 위해 가상선으로 도시되어 있다. 그리고, 이하에서는 편의를 위해 예비기판(101)이 제거된 상기 반도체층의 조합을 '다이오드칩'이라 칭하기로 한다.
그 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다이오드칩의 P형 반도체층(120) 상에 도전성 금속 반사층, 보다 바람직하게는, 은(Ag) 재질의 금속 반사층(122)을 예를 들면 도금 공정을 이용하여 형성한다. 상기 반사층(122)은 활성층(140)에서 발생되어 P형 반도체층(120)을 거친 광을 다시 활성층(140) 위로 반사하는 작용을 한다.
그 다음, 다이오드칩을 뒤집은 후, 예비기판(101)이 제거된 N형 반도체층(160) 표면에 ZnO층(170)을 소정의 두께로 형성하는 공정이 도 7에 도시된 바와 같이 수행된다. 이 때, 그 ZnO층(170)은 광 방출 특성을 향상키는 형상 설계가 충분한 두께로 형성된다. 본 발명의 실시예에 따라, 상기 ZnO층(170)은 소정 두께의 ZnO를 고온, 고압으로 N형 반도체층(160) 표면에 접합하는 방식으로 형성되지만, 이는 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 그리고, 본 실시예에서, ZnO층(170)의 형성이 금속 반사층(122)의 형성 후에 이루어지지만, 이는 본 발명을 한정하는 것이 아니며, ZnO층(170)의 형성 후에 금속 반사층(122)을 형성하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
그 다음, ZnO층(170)을 도 7에 도시된 형상으로 식각하는 공정이 수행된다. 이와 같은 공정에 의해, ZnO층(170)은 피라미드 형상의 단면을 갖게 되며, 이러한 ZnO층(170)의 단면 형상은 앞서 언급한 바와 같이 발광다이오드가 광을 폭 넓고 균일한 분포로 방출하는 것을 가능하게 해준다. 그리고, 위와 같은 피라미드형 단면의 형성 후에는 도 3에 도시된 것과 같은 거친면을 형성하는 공정이 수행될 수 있다.
도시되어 있지는 않지만, 전술한 공정의 완료 후에는 금속 반사층(122)과 ZnO층(170)에 각각 전극패드가 형성되며, 그 전극패드 각각에는 전기배선이 연결된다. 그 다음, 형광물질(182)이 포함된 봉지재(184)가 전술한 발광다이오드(100)를 둘러싸도록 형성되어 발광다이오드 패키지가 제조된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수직형 발광다이오드를 도시한 단면도들이다.
도 9에 도시된 수직형 발광다이오드는, N형 반도체층(160) 상에 ZnO층(192)를 갖되, 그 ZnO층(192)은 광 방출방향으로 볼록한 복수의 돔형상 단면으로 형성된다. 이 ZnO층(192) 또한 그 볼록한 곡면에서 광을 분산시켜 방출시켜 주므로 폭 넓고 균일한 분포의 광 방출을 가능하게 해준다.
또한, 도 10에 도시된 수직형 발광다이오드는, N형 반도체층(160) 상에 또 다른 형상의 ZnO층(194)을 갖는다. 상기 ZnO층(194)은 광 방출방향으로 볼록한 돔형상 단면으로 형성된다. 그리고, 상기 ZnO층(194)의 광 방출면은 중심으로부터 외측으로 완만한 기울기로 경사지게 형성되므로, 앞서 설명한 실시예들과 마찬가지로 폭 넓고 균일한 분포의 광 방출을 가능하게 한다.
본 발명은, 예비기판이 제거된 수직형 구조의 발광다이오드, 광 방출 특성 향상이 쉬운 ZnO층이 형성된 발광다이오드를 제공함으로써 휘도가 높은 광을 균일한 분포로 방출하는 발광다이오드를 구현한다.
특히, 본 발명은 ZnO층이 N형 반도체층 상에 접합되는 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데, 이는 터널 구조와 같은 별도의 수단 없이도 ZnO층과 N형 반도체층 사이에서 바람직한 오믹콘택을 형성할 수 있도록 해준다. 그리고, 본 발명은, 반사층이 P형 반도체층 상에, 그리고, ZnO층이 N형 반도체층 상에 형성되는 구조에 의해, 광의 손실율 저하 및 이에 따른 휘도 감소를 막아주는 효과를 갖는다. 이는 상기한 구조에 의해 상대적으로 내부 결함이 적은 N형 반도체층으로 광이 통과되는 양이 증가됨으로써 가능하다.
그리고, 본 발명은, 광을 폭 넓고 균일한 분포로 방출할 수 있는 형상, 특히, 피라미드 형상으로 ZnO층이 형성되며, 이는 광이 봉지재에 포함된 형광물질에 폭 넓게 작용하게 해주어, 예를 들면, 고휘도의 백색광 구현이 가능하도록 해준다.
또한, 본 발명은 내부 전반사를 줄이는 형상으로 ZnO층을 형상 설계하는 것이 용이하여 발광다이오드의 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.

Claims (10)

  1. (a) 예비기판 상에 N형 반도체층, 활성층 그리고 P형 반도체층을 성장시키는 단계와;
    (b) 반도체층 성장용 기판으로 사용된 상기 예비기판을 제거하는 단계와;
    (c) 상기 P형 반도체층 상에는 도전성 반사층을 형성하고 상기 N형 반도체층 상에는 ZnO층을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 발광다이오드 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 양측에 경사면이 형성된 피라미드 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 돔형상 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 복수의 돔형상 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 제조방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 형성된 ZnO층의 광 방출면에는 내부 전반사를 줄이는 거친면(rough surface)이 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 제조방법.
  6. 예비기판이 제거된 채 P형 반도체층, N형 반도체층 및 그 사이의 활성층을 갖는 반도체층들과;
    상기 P형 반도체층 저면에 형성되는 도전성 반사층과;
    상기 N형 반도체층 상에 형성되어 상기 반도체층으로부터 광 방출 특성을 향상시키는 ZnO층을;
    포함하는 수직형 발광다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 ZnO층은 양측에 경사면이 형성된 피라미드 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 돔형상 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 ZnO층은 광 방출방향으로 볼록한 복수의 돔형상 단면으로 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ZnO층의 광 방출면에는 내부 전반사를 줄이기 위한 거친면(rough surface)이 형성됨을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드.
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