KR100710087B1 - 발광 다이오드의 형성방법 - Google Patents

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발광 다이오드의 형성방법이 제공된다. 상기 발광 다이오드의 형성방법은 기판을 준비하는 것, 상기 기판 상에 마스크막을 형성하는 것, 상기 마스크막에 열처리 공정을 진행하여 마스크 알갱이들을 형성하는 것, 상기 마스크 알갱이들을 마스크로 상기 기판을 식각하여 울퉁불퉁한 기판을 형성하는 것 그리고 상기 울퉁불퉁한 기판 상에 n형층, 활성층 및 p형층을 차례로 적층하는 것을 포함한다.
발광 다이오드, 광추출 효율, 휘도

Description

발광 다이오드의 형성방법{METHOD FOR FORMING LIGHT-EMITTING DIODE}
도 1a 내지 1d는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 도 2의 점선 동그라미 부분을 확대하여 설명하는 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100a: 울퉁불퉁한 기판 110: 마스크막
110a: 마스크 알갱이들 130: n형층
140: 활성층 150: p형층
본 발명은 반도체 소자의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 다이오드의 형성방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light-emitting diode:LED)는 순방향 전압이 인가되면 소정 파장의 빛이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자이다. 발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 파장은 발광 반도체의 밴드 갭(band gap, Eg)에 의해 결정된다. 또한, 발광(light emission)은 발광 다이오드의 n형 반도체(예를 들면, n-GaN층) 및 p형 반도체(예를 들면, p-GaN층) 사이에 개재된 활성층에서 일어난다.
발광 다이오드의 중요한 지수는 외부 양자 효율(external quantum efficiency)이다. 외부 양자 효율은 입력 전력에 대한 광출력으로 정의되며, 내부 효율과 광추출 효율의 곱으로 나타낼 수 있다. 상기 내부 효율은 발광 다이오드 물질의 품질과 층의 구조 및 성분에 의하여 결정될 수 있다. 상기 내부 효율이 높다고 하더라도, 상기 활성층에서 생성된 광자가 모두 밖으로 나오는 것은 아니다. 상기 활성층에서 생성된 광자들은 다양한 방출 각도를 가지므로, 생성된 광자 중 일부만이 발광에 이용되고 있어 광추출 효율이 낮다. 이에 따라, 발광 다이오드의 외부 양자 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은 외부 양자 효율이 향상된 발광 다이오드의 형성방법에 관한 것이다.
상기 발광 다이오드의 형성방법은 기판을 준비하는 것, 상기 기판 상에 마스크막을 형성하는 것, 상기 마스크막에 열처리 공정을 진행하여 마스크 알갱이들을 형성하는 것, 상기 마스크 알갱이들을 마스크로 상기 기판을 식각하여 울퉁불퉁한 기판을 형성하는 것 그리고 상기 울퉁불퉁한 기판 상에 n형층, 활성층 및 p형층을 차례로 적층하는 것을 포함한다.
상기 마스크막은 은, 금, 니켈, 백금, 크롬, 티타늄, 베릴륨, 갈륨, 알루미늄 또는 인듐을 포함하는 금속막일 수 있다.
상기 금속막은 10Å~1000Å의 두께를 가질 수 있다. 상기 열처리 공정은 300~1000℃에서 진행될 수 있다. 상기 마스크막은 포토 레지스트막일 수 있다.
상기 기판은 사파이어, 실리콘 카본 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 마스크 알갱이들의 지름은 0.24~2㎛일 수 있다.
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이하, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수 도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100)이 준비된다. 상기 기판(100)은 사파이어, 실리콘 카본 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 기판(100) 상에 마스크막(110)이 형성된다. 상기 마스크막(110)은 은, 금, 니켈 , 백금, 크롬, 티타늄, 베릴륨, 갈륨, 알루미늄 또는 인듐을 포함하는 금속막일 수 있다. 상기 금속막은 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법으로 형성될 수 있다. 상기 금속막은 10~1000Å의 두께를 가질 수 있다. 상기 마스크막(110)은 포토 레지스트막일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 마스크막(110)에 열처리 공정을 진행하여 마스크 알갱이들(island,110a)이 형성된다. 상기 마스크 알갱이들(island,110a)은 상기 마스크막(110)과 상기 기판(100)의 표면 장력의 차이로 인하여 상기 마스크막(110)이 서로 뭉쳐서 형성될 수 있다. 상기 마스크 알갱이들(island,110a)의 크기는 상기 마스크막(110)의 두께와 열처리 온도에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 마스크 알갱이들(island,110a)의 지름은 0.24~2㎛일 수 있다. 상기 열처리 공정은 300~1000℃에서 진행될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 마스크 알갱이들(island,110a)을 마스크로 상기 기판(100)을 식각하여 울퉁불퉁한 기판(100a)이 형성된다. 상기 식각 공정은 유도 결합 플라즈마 반응 이온빔 식각(Inductively Coupled Plasma Reative Ion Etching:ICPRIE) 공정을 포함할 수 있다. 상기 유도 결합 플라즈마 반응 이온빔 식각 공정의 공정 조건에 따라, 상기 울퉁불퉁한 기판(100a)의 상부면 형상이 조절될 수 있다. 상기 마스크 알갱이들(island,110a)은 상기 유도 결합 플라즈마 반응 이온빔 식각 공정에서 일부 제거될 수 있으며, 황산과 과산화수소를 포함하는 세정 용액에 의하여 완전히 제거될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 울퉁불퉁한 기판(100a) 상에 버퍼층(120)이 형성된다. 상기 버퍼층(120)은 갈륨 나이트라이드(GaN)로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(120) 상에 에피택시얼 공정을 통해 n형층(130)이 형성된다. 상기 n형층(130)은 수 마이크로 미터의 두께로 형성되며, 실리콘이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 상기 n형층(130) 상에 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 다중양자우물(multi-quantum well:MQW)을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(140) 상에 p형층(150)이 형성된다. 상기 p형층(150)은 마그네슘이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 상기 p형층(150) 및 상기 활성층(140)을 패터닝하여, 상기 n형층(130)이 노출된다. 상기 p형층(150) 및 상기 노출된 n형층(130) 상에 각각 제 1 전극(160p) 및 제 2 전극(160n)이 형성된다. 상기 제 1 전극(160p)은 ITO막과 같은 투명 전극으로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 도 2의 점선 동그라미 부분을 확대하여 설명하는 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 울퉁불퉁한 기판(100a)이 제공된다. 상기 울퉁불퉁한 기판(100a)의 상부면은 오목부와 볼록부를 가질 수 있다. 상기 오목부와 상기 볼록 부의 단차(H)는 0.2~1.5㎛일 수 있고, 상기 볼록부 사이의 폭(W)은 0.24~2㎛일 수 있다. 상기 볼록부 사이의 폭(W)은 상기 마스크 알갱이들(island,110a)의 지름에 반비례하는 것으로 이해될 수 있다. 상기 울퉁불퉁한 기판(100a) 상에 버퍼층(120)이 제공된다. 상기 버퍼층(120)은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(120) 상에 n형층(130)이 제공된다. 상기 n형층(130)은 실리콘이 도핑된 GaN을 포함할 수 있다. 상기 n형층(130) 상에 활성층(140)이 제공된다. 상기 활성층(140)은 다중양자우물(multi-quantum well:MQW)을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 상기 활성층(140) 상에 p형층(150)이 형성된다. 상기 p형층(150)은 마그네슘이 도핑된 GaN을 포함할 수 있다. 상기 p형층(150) 및 상기 활성층(140)은 상기 n형층(130)의 일부가 노출되도록 배치될 수 있다. 상기 p형층(150) 및 상기 노출된 n형층(130) 상에 각각 제 1 전극(160p) 및 제 2 전극(160n)이 제공된다. 상기 제 1 전극(160p)은 ITO막과 같은 투명 전극을 포함할 수 있다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 휘도를 측정한 것이다.
구동전압(V) 역 항복 전압(V) 휘도(mcd) 파장(nm)
평탄한 기판 3.14 11.97 31.74 457.94
울퉁불퉁한 기판 3.16 11.36 56.75 459.83
표 1을 참조하면, 평탄한 기판을 가지는 발광 다이오드와 울퉁불퉁한 기판을 가지는 발광 다이오드의 구동 전압, 역 항복 전압, 파장이 실질적으로 동일하다. 그러나, 평탄한 기판을 가지는 발광 다이오드의 휘도는 31.74mcd이고, 울퉁불퉁한 기판을 가지는 발광 다이오드의 휘도는 56.75mcd이다. 즉, 휘도가 80% 정도 증가한 것을 알 수 있다. 이는 도 2에서 상기 활성층(140)에서 생성된 광자 중에서 화살표 ① 방향뿐만 아니라 화살표 ② 방향으로 방출된 광자도 울퉁불퉁한 기판의 상부면에서 반사, 굴절되어 발광에 이용되기 때문이다. 상기 휘도의 증가는 기판의 형상 변화에 의한 광추출 효율의 증대로 인한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 울퉁불퉁한 기판을 가지는 발광 다이오드가 제공된다. 울퉁불퉁한 기판이 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의하여 형성되지 않음으로써, 공정이 간단하며 공정 비용이 감소될 수 있다. 발광 다이오드의 활성층에서 생성된 광자 중 기판 방향으로 방출되는 광자가 울퉁불퉁한 기판에서 반사, 굴절되어 발광에 이용될 수 있다. 이에 따라, 광추출 효율이 증가하여 발광 다이오드의 외부 양자 효율이 향상될 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판을 준비하는 것;
    상기 기판 상에 마스크막을 형성하는 것;
    상기 마스크막에 열처리 공정을 진행하여 마스크 알갱이들을 형성하는 것;
    상기 마스크 알갱이들을 마스크로 상기 기판을 식각하여 울퉁불퉁한 기판을 형성하는 것; 그리고
    상기 울퉁불퉁한 기판 상에 n형층, 활성층 및 p형층을 차례로 적층하는 것을 포함하는 발광 다이오드의 형성방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스크막은 은, 금, 니켈, 백금, 크롬, 티타늄, 베릴륨, 갈륨, 알루미늄 또는 인듐을 포함하는 금속막인 발광 다이오드의 형성방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속막은 10Å~1000Å의 두께를 가지는 발광 다이오드의 형성방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리 공정은 300~1000℃에서 진행되는 발광 다이오드의 형성방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스크막은 포토 레지스트막인 발광 다이오드의 형성방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 사파이어, 실리콘 카본 또는 실리콘을 포함하는 발광 다이오드의 형성방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스크 알갱이들의 지름은 0.24~2㎛인 발광 다이오드의 형성방법.
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  9. 삭제
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KR20060040923A (ko) * 2004-11-08 2006-05-11 엘지전자 주식회사 고 광적출 효율 발광 다이오드 및 그의 제조 방법

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