KR100701094B1 - 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 발광 다이오드는 기판 상에 차례로 적층된 하부층, 활성층 및 상부층; 기판과 활성층 사이에 형성되는 도전성 구조체; 도전성 구조체의 상부면 및 측벽의 적어도 일부분을 덮는 절연막 패턴; 하부층 및 상부층에 각각 접속하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조 방법{Light-Emitting Diode And Methods Of Fabricating The Same}

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체들의 평면적 구조를 설명하기 위한 평면도들이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체들의 단면 구조를 설명하기 위한 평면도들이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 외부 양자 효율(external quantum efficiency) 및 정전기 방전(electrostatic discharge)에 대한 높은 내성(endurance)을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

발광다이오드(light-emitting diode; LED)는 p-n 접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자로서, 발광다이오드로부터 방출되는 빛의 파장은 사용되는 소재의 밴드 갭 에너지(bandgap energy, Eg)에 의해 결정된다. 발광다이오드 기술의 초기에는 주로 적외선과 적색광을 방출할 수 있는 발광다이오드가 개발되었으며, 청색 LED는 1993년에 니치아(Nichia) 화학의 Nakamura가 GaN를 이용하여 청색광을 생성할 수 있음을 발견한 이후에야, 본격적으로 연구되고 있다. 백색은 적색, 녹색 및 청색의 조합을 통해 만들 수 있다는 점에서, 상기 GaN에 기반한 청색 발광다이오드의 개발은, 이미 개발되었던 적색 및 녹색 발광다이오드들과 함께, 백색 발광다이오드의 구현을 가능하게 만들었다.

한편, 발광다이오드의 시장성(marketability)을 증대시키기 위해서는, 그것의 외부 양자 효율(high external quantum efficiency) 및 수명(long lifetime)을 증가시킬 필요가 있다. 하지만, 상기 GaN에 기반한 청색 발광다이오드는, GaN과 공기 사이의 굴절률의 차이에 의해, 활성층에서 생성된 빛의 일부 만이 발광에 이용됨으로써, 그 외부 양자 효율은 대략 4%의 수준에 머무르고 있다. 이에 따라, 발광 다이오드의 외부 양자 효율을 증대시키기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 예 를 들면, 한국특허출원번호 2002-0057403호에 따르면, 활성층으로부터 기판을 향하여 진행하는 빛을 외부로 방출시키기 위해, 기판에 요철을 형성하는 방법이 제안되고 있다. 하지만, (주로 사파이어로 형성되는) 기판은 광 투과도(Optical Transmittance)가 높기 때문에, 이 방법은 발광 다이오드의 외부 양자 효율의 증대에 크게 기여하지 못한다.

이에 더하여, 상기 발광 다이오드의 외부 양자 효율 및 수명은 GaN막의 전위결함의 밀도(density of dislocation)이 증가할수록 감소하기 때문에, 상기 전위 결함의 밀도를 줄이는 방법이 요구된다. 미국의 노스 캐롤라이나 대학의 R.F. Davis 교수 그룹은 엘로그(Epitaxial lateral over growth; ELOG) 기술이라고 불리는 전위 결함의 밀도를 획기적으로 줄일 수 있는 결정 성장 방법을 제안하였다. 이 방법은 GaN막 상에 실리콘 산화막 패턴을 형성한 후, 그 결과물 상에 GaN막을 성장시키는 단계를 포함한다. 이 경우, 실리콘 산화막 패턴 상부에서는, 전위 결함의 밀도가 크게 감소된 GaN막이 형성된다. 하지만, 이 방법 역시 상기 실리콘 산화막 패턴의 높은 광 투과도 때문에 발광 다이오드의 외부 양자 효율을 증가시키는데 한계를 갖는다.

한편, 발광(light emission)은 발광 다이오드의 n형 반도체(예를 들면, n-GaN층) 및 p형 반도체(예를 들면, p-GaN층)에 각각 접하는 n-전극(n-electrode) 및 p-전극(p-electrode)의 아래에서 주로 일어난다. 하지만, 이들 전극은 광학적으로 불투명하기 때문에, 발광 다이오드의 외부 양자 효율을 크게 저하시킨다.

마지막으로, 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 정전기 방전에 대한 내성이 약하다. 정전기 방전은 일상의 생활 속에서 빈번하게 나타나는 현상이라는 점에서, 이처럼 약한 정전기 방전 내성은 발광 다이오드의 수명을 단축시키는 이유들 중의 한가지이다. 보다 구체적으로, 종래의 발광 다이오드의 대부분은 상기 n-전극이 상기 n형 반도체의 일 측에 배치되지만, 이러한 구조의 발광 다이오드의 경우, 상기 n-전극 주변에 전기장 및 전류가 집중된다. 이러한 전류의 집중(current crowding)은 발광 다이오드의 수명을 단축시키는 영구적 파손을 초래할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부 양자 효율을 증대시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부 양자 효율을 증대시킬 수 있는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 증가된 제품 수명을 갖는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제품 수명을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과 활성층 사이에 형성되는 도전성 구조체를 구비하는 발광 다이오드를 제공한다. 이 발광 다이오드는 기판 상에 차례로 적층된 하부층, 활성층 및 상부층; 상기 기판과 상기 활성층 사이에 형성되는 도전성 구조체; 상기 도전성 구조체의 상부면 및 측벽의 적어도 일 부분을 덮는 절연막 패턴; 및 상기 하부층 및 상기 상부층에 각각 접속하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 도전성 구조체의 평면적 모양은 이산적인 섬 형태 및 서로 교차하는 선들로 구성된 그물 형태 중의 한가지일 수 있고, 그 단면 모양은 직사각형, 삼각형 및 마름모꼴 중의 한가지일 수 있다. 또한, 상기 도전성 구조체의 면적은 상기 기판 면적의 10% 내지 90%일 수 있다. (즉, 상기 도전성 구조체의 면적은 상기 기판 면적의 10% 부터 90% 중의 한 값일 수 있다. 아래에서, 상기 도전성 구조체의 면적과 관련된 "내지"는 이러한 의미로 사용될 것이다.)

한편, 상기 기판은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성될 수 있고, 상기 도전성 구조체는 상기 하부층보다 낮은 비저항을 갖는 도전성 물질들 중의 한가지로 형성될 수 있고, 상기 절연막 패턴은 상기 하부층보다 높은 비저항을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 하부층은 차례로 적층된 u-GaN층 및 n-GaN층을 포함하고, 상기 상부층은 p-GaN층을 포함하고, 상기 활성층은 다양자웰층을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴은 상기 u-GaN층과 상기 n-GaN층 사이 또는 상기 n-GaN층 내에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체는 Pt, Al, Au, Ag, Ni, Zr, Cr, Ti 및 Re 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있고, 상기 절연막 패턴은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 티타늄 산화막 및 티타늄 질화막 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제 1 전극은 상기 도전성 구조체와 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과 활성층 사이에 도전성 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 하부층을 성장시키는 단계; 상기 하부층 상에 활성층을 성장시키는 단계; 상기 활성층 상에 상부층을 성장시키는 단계; 및 상기 기판과 활성층 사이에 도전성 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 도전성 구조체는 그 평면적 모양이 이산적인 섬 형태 및 서로 교차하는 선들로 구성된 그물 형태 중의 한가지를 갖도록 형성되되, 상기 도전성 구조체의 평면적 면적은 상기 기판 면적의 10% 내지 90%를 차지한다. 또한, 상기 도전성 구조체는 그 단면 모양은 직사각형, 삼각형 및 마름모꼴 중의 한가지를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체를 형성한 후, 상기 도전성 구조체의 상부면 및 측벽의 적어도 일부분을 덮는 절연막 패턴을 더 형성할 수 있다.

상기 기판은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZnO, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성되고, 상기 도전성 구조체는 상기 하부층보다 낮은 비저항을 갖는 도전성 물질들 중의 한가지로 형성되고, 상기 절연막 패턴은 상기 하부층보다 높은 비저항을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성되고, 상기 하부층은 차례로 적층된 u-GaN층 및 n-GaN층을 포함하고, 상기 상부층은 p-GaN층을 포함하고, 상기 활성층 은 다양자웰층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴은 상기 u-GaN층과 상기 n-GaN층 사이 또는 상기 n-GaN층 내에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체를 형성하는 단계는 상기 기판 상에 갭 영역들을 정의하는 주형 패턴을 형성하는 단계; 상기 주형 패턴이 형성된 결과물 상에 상기 갭 영역을 채우는 도전막을 형성하는 단계; 상기 주형 패턴의 상부면이 노출될 때까지 상기 도전막을 전면식각하는 단계; 및 상기 주형 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체를 형성하는 단계는 상기 기판 상에 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여, 상기 도전막을 식각하는 단계; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 도전막을 식각하는 단계는 이방성 식각 및 등방성 식각 중의 한가지 식각 방법을 사용하여 실시될 수 있다.

상기 절연막 패턴은 산소 원자를 포함하는 분위기에서 상기 도전성 구조체를 산화시키는 방법 및 절연성 물질막을 화학적 기상 증착 기술을 사용하여 증착하는 방법 중의 한가지를 사용하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 갭 영역들을 정의하는 주형 패턴을 형성하는 단계; 상기 주형 패턴이 형성된 결과물 상에 상기 갭 영역을 채우는 도전막을 형성하는 단계; 상기 주형 패턴의 상부면이 노출될 때까지 상기 도전막을 전면식각함으 로써 상기 도전성 구조체를 형성하는 단계; 상기 주형 패턴의 폭을 줄이는 축소 공정을 실시하여, 상기 도전성 구조체의 측벽을 노출시키는 단계; 상기 도전성 구조체의 측벽 및 상부면에 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 주형 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층은 에피택시얼 기술들 중의 한가지를 사용하여 성장된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부층 및 상기 상부층에 각각 접속하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 더 형성할 수 있다. 이때, 상기 제 1 전극은 상기 도전성 구조체에 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다 양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 이 방법은 기판(100) 상에 하부층(110), 활성층(140) 및 상부층(150)을 차례로 형성하는 단계 및 상기 하부층(110) 및 상기 상부층(150)에 각각 접속된 제 1 전극(160n) 및 제 2 전극(160p)을 형성하는 단계를 포함한다. 이에 더하여, 상기 기판(100)과 상기 활성층(140) 사이에는, 상기 활성층(140)에서 생성된 빛들을 반사시키는 도전성 구조체(120) 및 상술한 엘로그 효과를 제공하는 절연막 패턴(130)이 배치된다. 상기 절연막 패턴(130)은 상기 도전성 구조체(120)의 상부면 및 측벽의 적어도 일부분을 덮도록 형성된다. 이에 더하여, 후술할 것처럼, 상기 도전성 구조체(120)는 전류 확산층으로 사용됨으로써, 발광 영역의 확장을 통한 외부 양자 효율의 증가, 전류 집중의 완화 및 정전기 방전에 대한 내성의 증가를 가져온다. 또한, 상술한 엘로그 효과의 제공에 더하여, 상기 절연막 패턴(130)은, 후술할 것처럼 의도되지 않은 전류 경로를 차단함으로써, 전 류 확산에 기여할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 1a를 참조하면, 상기 기판(100) 상에 제 1 하부층(111)을 형성한다. 상기 기판(100)은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZnO, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(100)은 사파이어로 형성된다.

상기 제 1 하부층(111)은 언도프드 질화갈륨층(undoped-GaN층)(이하, u-GaN층)일 수 있다. 상기 u-GaN층은 (액상 성장법(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 성장법(vapor phase epitaxy, VPE), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 및 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE) 등과 같은) 에피택시얼 기술들 중의 한가지를 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 u-GaN층은 2 내지 3 마이크로 미터의 두께로 형성될 수 있다.

상기 제 1 하부층(111)을 형성하는 단계는 상기 기판(100)과 상기 u-GaN층 사이의 스트레스를 완충시킬 수 있는 버퍼층(도시하지 않음)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은 AlN막으로 형성될 수 있다.

도 1b를 참조하면, 상기 제 1 하부층(111) 상에 도전성 구조체(120) 및 상기 도전성 구조체(120)의 상부면 및 측벽을 덮는 절연막 패턴(130)을 형성한다. 상기 도전성 구조체(120)는 낮은 비저항을 갖는 도전성 물질들 중의 한가지로 형성되고, 상기 절연막 패턴(130)은 높은 비저항을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체(120)는 Pt, Al, Au, Ag, Ni, Zr, Cr, Ti 및 Re 등과 같이, 낮은 비저항과 광학적 반사도가 높은 금속성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 절연막 패턴(130)은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 티타늄 산화막 및 티타늄 질화막 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 상기 절연막 패턴(130)은 산소 원자를 포함하는 분위기에서 상기 도전성 구조체(120)의 노출된 표면을 산화시키는 방법 또는 화학기상증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 도전성 구조체(120)는 상기 기판(100) 면적의 10% 내지 90%를 차지하도록 형성될 수 있다. 결과적으로, 상기 도전성 구조체(120)는 상기 제 1 하부층(111) 면적의 10% 내지 90%를 노출시키는 개구부(들)을 구비한다. 상기 개구부(들)을 통해 노출된 제 1 하부층(111)의 표면은 이후 제 2 하부층(도 1c의 112)의 성장을 위한 씨드층(seed layer)으로 사용된다. 본 발명에 따르면, 상기 도전성 구조체(120)의 평면 모양은 (도 2a에 도시된 것처럼) 서로 교차하는 선들로 구성된 그물(mesh) 형태 또는 (도 2b 및 도 2c에 도시된 것처럼) 이산적인 섬(discrete island) 형태일 수 있지만, 이는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 평면적 구조에서, 상기 도전성 구조체(120)의 테두리에는 상기 절연막 패턴(130)이 배치될 수 있다.

이에 더하여, 상기 도전성 구조체(120)의 단면 모양은 (도 3a 내지 도 3c에 각각 도시된 것처럼) 직사각형, 비스듬한 측벽들을 갖는 마름모 및 산 모양에 유사한 삼각형일 수 있다. 한편, 상술한 것처럼, 상기 도전성 구조체(120)는 상기 활성 층(140)에서 생성된 빛을 외부로 반사시키는 역할을 갖는다는 점에서, 상기 도전성 구조체(120)의 단면 모양은 이러한 목적에 부합하도록 다양하게 변형될 수 있다. 상기 도전성 구조체(120) 및 상기 절연막 패턴(130)을 형성하는 방법은 이후 도 4a, 도 4b, 도 5a 내지 도 5c, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 다시 설명될 것이다.

도 1c를 참조하면, 상기 절연막 패턴(130)이 형성된 결과물 상에, 상기 하부층(110)을 구성하는 제 2 하부층(112)을 형성한다. 상기 제 2 하부층(112)은 상기 도전성 구조체(120)들을 통해 노출되는 상기 제 1 하부층(111)을 씨드층으로 사용하는 에피택시얼 공정을 통해 형성될 수 있으며, n형의 도전형을 갖는 반도체막일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 하부층(112)은 수 마이크로 미터의 두께로 형성되는, 실리콘이 도핑된 GaN막(Si-doped GaN)일 수 있다. 이때, 상기 절연막 패턴(130)에 의한 엘로그 효과에 의해, 상기 제 2 하부층(112)은 감소된 전위 결함 밀도를 가지면서 성장된다.

상기 제 2 하부층(112)이 형성된 결과물 상에, 상기 활성층(140) 및 상기 상부층(150)을 차례로 형성한다. 상기 활성층(140)은 다양자웰(multi-quantum well; MQW)을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 활성층(140)은 InGaN막 또는 아연 또는 실리콘이 도핑된 적어도 하나의 InGaN막일 수 있다. 상기 상부층(150)은 p형의 도전형을 갖는 반도체막일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수 마이크로 미터의 두께로 형성되는 마그네슘이 도핑된 GaN막(Mg-doped GaN)일 수 있다.

상기 제 2 하부층(112), 상기 활성층(140) 및 상기 상부층(150)은 각각 에피 택시얼 기술(예를 들면, 액상 성장법(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 성장법(vapor phase epitaxy, VPE), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 및 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE) 중의 한가지 방법)을 사용하여 형성될 수 있다.

도 1d를 참조하면, 상기 상부층(150) 및 상기 활성층(140)을 패터닝하여, 상기 제 2 하부층(112)을 노출시킨다. 이때, 상기 제 2 하부층(112) 역시 패터닝되어 얇아질 수 있다. 이어서, 상기 노출된 제 2 하부층(112) 및 상기 상부층(150) 상에 각각 상기 제 1 전극(160n) 및 상기 제 2 전극(160p)을 형성한다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 전극(160n)은 Ti/Al막으로 형성되고, 상기 제 2 전극(160p)은 Ni/Au막으로 형성될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 활성층(140)을 패터닝하는 동안, 상기 제 2 하부층(112)은 함께 패터닝되어 상기 도전성 구조체(120)의 상부면을 노출시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 제 1 전극(160n)은, 도 7에 도시된 것처럼, 상기 도전성 구조체(120)에 전기적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결은 전류 집중 및 정전기 방전과 관련된 특성의 개선에 기여할 수 있다.

상술한 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체(120) 및 상기 절연막 패턴(130)은 상기 제 1 하부층(111)과 상기 제 2 하부층(112) 사이에 형성된다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 도전성 구조체(120) 및 상기 절연막 패턴(130)은 상기 제 2 하부층(112) 내에 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 제 2 하부층(112)을 형성하기 위한 에피택시얼 공정은 두 단계로 나누어지고, 상기 도전성 구조체(120) 및 상기 절연막 패턴(130)의 형성은 이들 두 단계의 에피택시얼 공정 사이에 실시된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 4a를 참조하면, 상기 제 1 하부층(111)이 형성된 결과물 전면에 도전막(99)을 형성한다. 상기 도전막(99) 상에 상기 도전성 구조체(120)의 평면적 배치를 정의하는 마스크 패턴(88)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴(88)은 포토리소그래피 공정을 통해 형성되는 포토레지스트 패턴일 수 있다.

도 4b를 참조하면, 상기 마스크 패턴(88)을 식각 마스크로 사용하여, 상기 제 1 하부층(111)의 상부면이 노출될 때까지, 상기 도전막(99)을 이방성 식각한다. 이에 따라, 상기 마스크 패턴(88)의 아래에는, 상기 사각형의 단면 모양을 갖는 상기 도전성 구조체(120)가 완성된다.

이어서, 상기 마스크 패턴(88)을 제거한 후, 산소 원자를 포함하는 분위기에서 상기 도전성 구조체(120)의 표면을 산화시킴으로써, 상기 절연막 패턴(130)을 형성한다(도 1b 참조). 이때, 상술한 것처럼, 상기 제 1 하부층(111)이 안정된 물질인 u-GaN층으로 형성될 경우, 상기 도전성 구조체(120) 만을 선택적으로 산화시키는 것이 가능하다. 이에 따라, 도 1b에 도시된 것처럼, 상기 절연막 패턴(130)은 상기 제 1 하부층(111)의 상부에는 형성되지 않으면서, 상기 도전성 구조체(120)의 상부면 및 측벽을 덮도록 형성된다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다. 식각 방법의 차이를 제외하면, 이 실시예는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 실시예와 유사하다. 따라서, 논의의 간결함을 위해, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 마스크 패턴(88)을 식각 마스크로 사용하여 상기 도전막(99)을 등방성 식각한다. 이러한 등방성 식각은 식각 대상물의 노출된 표면을 등방적으로 식각하기 때문에, 상기 마스크 패턴(88)의 아래에는 언더컷(under-cut) 영역을 갖는 리세스된 도전막(99)이 형성된다. 이때, 상기 언더컷 영역은 도 5a에 도시된 것처럼 경사진 또는 라운드된 측벽을 갖는다. 더 나아가, 이러한 등방성 식각의 결과로서, 상기 마스크 패턴(88)의 아래에는 최종적으로 도 5b에 도시된 것처럼 산 모양의 단면을 갖는 도전성 구조체(120)가 형성된다.

상기 도전성 구조체(120)의 단면 모양은 상기 도전막(99)의 두께, 상기 마스크 패턴(88)의 폭 및 상기 등방성 식각 공정의 레서피에 의해 결정되므로, 상기 도전성 구조체(120)가 원하는 단면 모양을 갖도록 형성하기 위해서는 이들을 조절하는 방법이 채택될 수 있다.

도 5c를 참조하면, 상기 마스크 패턴(88)을 제거한 후, 산소 원자를 포함하는 분위기에서 상기 도전성 구조체(120)의 표면을 산화시킴으로써, 상기 절연막 패턴(130)을 형성한다. 이처럼, 상기 도전성 구조체(120)가 산 모양의 단면을 가질 경우, 입사되는 빛의 반사 및 산란에 의해 발광 다이오드의 외부 양자 효율을 증가 시킬 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 도전성 구조체 및 절연막 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 6a를 참조하면, 상기 제 1 하부층(111) 상에 상기 도전성 구조체(120)를 정의하기 위한 갭 영역을 갖는 주형 패턴(88)을 형성한다. 상기 갭 영역은 상기 제 1 하부층(111)을 노출시키도록 형성될 수 있다. 이어서, 상기 주형 패턴(88)을 주형(mold)으로 사용하여, 상기 갭 영역을 채우는 도전성 구조체(120)를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주형 패턴(88)은 포토리쏘그래피 공정을 통해 형성되는 포토레지스트 패턴일 수 있다.

상기 도전성 구조체(120)를 형성하는 단계는 상기 주형 패턴(88)이 형성된 결과물 상에, 상기 갭 영역을 채우는 도전막을 형성하는 단계 및 상기 주형 패턴(88)의 상부면이 노출될 때까지 상기 도전막을 전면 식각하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 갭 영역 내에 한정(confined)되는 상기 도전성 구조체(120)가 형성된다.

도 6b를 참조하면, 상기 주형 패턴(88)의 폭을 줄이는 축소(shrink) 공정을 실시하여, 상기 도전성 구조체(120)의 측벽을 노출시키는 축소된 주형 패턴(88')을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 축소 공정은 열 공정을 통해 상기 주형 패턴(88)로부터 소정의 물질(예를 들면, 물 성분)을 방출시키는 방법, 포토리소그래피 기술을 사용하여 상기 주형 패턴(88)을 패터닝하는 방법 중의 한가지일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 축소 공정은 상기 갭 영역의 측벽에 형성되는 희생 스페이서를 선택적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 주형 패턴(88)의 측벽에 희생 스페이서(도시하지 않음)를 형성한 후, 상기 희생 스페이서가 형성된 갭 영역을 채우는 상기 도전성 구조체(120)를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 축소 공정은 상기 도전성 구조체(120) 및 상기 주형 패턴(88)에 대해 식각 선택성을 갖는 식각 레서피를 사용하여 상기 희생 스페이서를 제거하는 단계를 포함한다.

이어서, 상기 도전성 구조체(120)의 상부면 및 상기 축소 공정에 의해 노출된 측벽을 덮는 절연막 패턴(130)을 형성한다. 상기 절연막 패턴(130)은 화학기상증착 기술을 통해 형성될 수 있다. 이후, 상기 도전성 구조체(120) 및 그 측벽과 상부면을 덮는 상기 절연막 패턴(120)이 남도록, 리프트 오프 공정을 실시하여, 상기 주형 패턴(88)을 선택적으로 제거한다.

본 발명에 따르면, 활성층과 기판 사이에, 광학적 반사도가 높고 비저항이 낮은 도전성 구조체를 형성한다. 상기 도전성 구조체의 낮은 비저항은 전류의 전역적 분배를 가져옴으로써, 발광이 발광 다이오드의 전체 영역에서 일어나는데 기여할 뿐만 아니라, 정전기 방전에서 전류 집중에 따른 열화 및 제품 수명의 단축을 방지하는데 기여한다. 또한, 상기 도전성 구조체의 높은 광학적 반사도는 활성층에서 생성된 빛이 외부로 방출되는 효율을 획기적으로 증대시킨다. 이에 더하여, 본 발명에 따르면, 상기 도전성 구조체의 표면에는 절연막 패턴이 형성되어, 그 상부 에 성장되는 n-GaN층이 감소된 전위 결함 밀도를 갖도록 만든다.

Claims (20)

1. 기판 상에 차례로 적층된 하부층, 활성층 및 상부층;

   상기 하부층 내에 배치되는 도전성 구조체;

   상기 도전성 구조체의 상부면 및 측벽의 적어도 일부분을 덮는 절연막 패턴; 및

   상기 하부층 및 상기 상부층에 각각 접속하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 도전성 구조체의 평면적 모양은 이산적인 섬 형태 및 서로 교차하는 선들로 구성된 그물 형태 중의 한가지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 도전성 구조체의 단면 모양은 직사각형, 삼각형 및 마름모꼴 중의 한가지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 도전성 구조체의 면적은 상기 기판 면적의 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZnO, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성되고,

   상기 도전성 구조체는 상기 하부층보다 낮은 비저항을 갖는 도전성 물질들 중의 한가지로 형성되고,

   상기 절연막 패턴은 상기 하부층보다 높은 비저항을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성되고,

   상기 하부층은 차례로 적층된 u-GaN층 및 n-GaN층을 포함하고,

   상기 상부층은 p-GaN층을 포함하고,

   상기 활성층은 다양자웰층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴은 상기 u-GaN층과 상기 n-GaN층 사이 또는 상기 n-GaN층 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 도전성 구조체는 Pt, Al, Au, Ag, Ni, Zr, Cr, Ti 및 Re 중의 적어도 한가지로 형성되고,

   상기 절연막 패턴은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 티타 늄 산화막 및 티타늄 질화막 중의 적어도 한가지로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 전극은 상기 도전성 구조체와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
9. 기판 상에 하부층을 성장시키는 단계;

   상기 하부층 상에 활성층을 성장시키는 단계;

   상기 활성층 상에 상부층을 성장시키는 단계; 및

   상기 하부층 내에 도전성 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체는 그 평면적 모양이 이산적인 섬 형태 및 서로 교차하는 선들로 구성된 그물 형태 중의 한가지를 갖도록 형성되되, 상기 도전성 구조체의 평면적 면적은 상기 기판 면적의 10% 내지 90%를 차지하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체는 그 단면 모양은 직사각형, 삼각형 및 마름모꼴 중의 한가지를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체를 형성한 후, 상기 도전성 구조체의 상부면 및 측벽의 적어도 일부분을 덮는 절연막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 기판은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZnO, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성되고,

    상기 도전성 구조체는 상기 하부층보다 낮은 비저항을 갖는 도전성 물질들 중의 한가지로 형성되고,

    상기 절연막 패턴은 상기 하부층보다 높은 비저항을 갖는 절연성 물질들 중의 적어도 한가지로 형성되고,

    상기 하부층은 차례로 적층된 u-GaN층 및 n-GaN층을 포함하고,

    상기 상부층은 p-GaN층을 포함하고,

    상기 활성층은 다양자웰층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴은 상기 u-GaN층과 상기 n-GaN층 사이 또는 상기 n-GaN층 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
15. 제 9 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체를 형성하는 단계는

    상기 기판 상에 갭 영역들을 정의하는 주형 패턴을 형성하는 단계;

    상기 주형 패턴이 형성된 결과물 상에 상기 갭 영역을 채우는 도전막을 형성하는 단계;

    상기 주형 패턴의 상부면이 노출될 때까지 상기 도전막을 전면식각하는 단계; 및

    상기 주형 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
16. 제 9 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체를 형성하는 단계는

    상기 기판 상에 도전막을 형성하는 단계;

    상기 도전막 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계;

    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여, 상기 도전막을 식각하는 단계; 및

    상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하되,

    상기 도전막을 식각하는 단계는 이방성 식각 및 등방성 식각 중의 한가지 식각 방법을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
17. 제 12 항에 있어서,

    상기 절연막 패턴은 산소 원자를 포함하는 분위기에서 상기 도전성 구조체를 산화시키는 방법 및 절연성 물질막을 화학적 기상 증착 기술을 사용하여 증착하는 방법 중의 한가지를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
18. 제 12 항에 있어서,

    상기 도전성 구조체 및 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계는

    상기 기판 상에 갭 영역들을 정의하는 주형 패턴을 형성하는 단계;

    상기 주형 패턴이 형성된 결과물 상에 상기 갭 영역을 채우는 도전막을 형성하는 단계;

    상기 주형 패턴의 상부면이 노출될 때까지 상기 도전막을 전면식각함으로써, 상기 도전성 구조체를 형성하는 단계;

    상기 주형 패턴의 폭을 줄이는 축소 공정을 실시하여, 상기 도전성 구조체의 측벽을 노출시키는 단계;

    상기 도전성 구조체의 측벽 및 상부면에 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및

    상기 주형 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
19. 제 9 항에 있어서,

    상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층은 에피택시얼 기술을 사용하여 성장되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
20. 제 9 항에 있어서,

    상기 하부층 및 상기 상부층에 각각 접속하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하되,

    상기 제 1 전극은 상기 도전성 구조체에 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.

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