KR100820836B1 - 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 제 1 기판 상에, GaN이 선택적으로 성장된 제 1 층과 GaN 박막이 성장된 제 2 층을 포함한 제 2 기판을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 발광 다이오드의 질화물 반도체층의 결정 내부에 형성되는 관통 전위가 감소되어 소자 특성이 향상된다.

MBE법, 나노 GaN 기둥, 보조 기판

Description

발광 다이오드 제조방법{Method for manufacturing light emitting diode}

도 1은 발광 다이오드의 발광 원리를 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 일실시예의 흐름도이고,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 일실시예의 공정을 나타낸 도면이고,

도 3d 및 3e는 도 3a 내지 도 3c에 따른 방법으로 제조된 발광 다이오드의 일실시예들의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300 : 시작 기판 310 : GaN 기둥

320 : GaN 박막 330a : n-GaN

330b : 활성층 330c : p-GaN

340, 340' : n 전극 350, 350' : p 전극

본 발명은 발광 다이오드(Light emitting diode : LED) 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 발광하는 반도체특성을 이용한 소자로서, 방전 또는 가열방식에 의하여 빛을 생성하는 종래의 발광 소자와 상이하다. 즉, 전구 또는 형광등과 같은 종래의 발광 소자와 비교하여, 발광 다이오드는 높은 지속성, 오랜 수명, 고휘도 및 저전력소모 등의 특성을 가진다.

구체적으로 발광 다이오드는 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드캡(bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자(optoelectronic device)이다.

도 1에 도시된 바와 같이, p-n 접합에 순방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체의 전자 및 p형 반도체의 정공은 각각 p쪽, n쪽에 주입되어 소수 운반자(carrier)로서 확산된다. 상술한 소수 운반자는 확산 과정에서 다수 운반자와 재결합하며, 결합하는 전자와 정공의 에너지 차에 해당하는 빛을 방출한다.

상술한 구조를 갖는 발광 다이오드는 기판 상에 유기금속 화학 기상 증착법(metalorganic chemical vapor depoon, MOCVD) 등으로 질화물 반도체를 성장시켜서 제조된다. 제조 공정을 구체적으로 설명하면 먼저, 시작 기판 상에 약 20~30 나노 미터 정도의 버퍼를 성장시키고, 2~4 마이크로 미터 정도의 n형 GaN(n-GaN)을 성장시키는데, 이 때 도너(doner)로서 실리콘(Si)을 도핑한다. 그리고, 빛을 발산하는 활성층(active layer)과 P-GaN을 차례로 성장하여 질화물 반도체를 형성한 후, 이를 선택적으로 식각하고 본딩(bondign) 물질을 이용하여 캐리어(carrier) 기판과 사파이어 기판에 성장된 GaN 기판을 접합시키는데 질화물 반도체가 식각된 부분의 트렌치(trench)에 절연 물질을 채워 넣고 오믹 전극을 형성하고 구리(Cu)로 도금을 한다. 이어서, LLO(laser lift-off)법으로 기판을 제거한 후, 패드(pad) 금속을 증착한 후 각 소자를 분리하여 각각의 발광 다이오드 소자를 완성한다.

그러나, 상술한 종래의 발광 다이오드 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.

질화 갈륨(GaN)은 격자 상수와 열 팽창 계수 등의 물질적 특성이, 사파이어 또는 실리콘으로 이루어진 시작 기판의 물질적 특성과 큰 차이를 나타내어, 결정 내부에 많은 관통 전위(threading dislocation)가 형성된다.

상술한 관통 전위를 줄이기 위하여 다양한 버퍼층을 이용하는 방법이 제안되었고, 최근에는 SiO₂ 또는 SiN_X 마스크를 이용한 선택적 영역 성장(selective area growth: SAG)과 에피텍셜 격자 성장(epitaxial later overgrowth:ELO)과 같은 방법이 제안되었다. SAG 또는 ELO 등의 방법은, 성장을 억제할 수 있는 마스크가 있는 부분과 없는 부분이 선택적 또는 반복적으로 형성된 구조이다. 상술한 SAG 또는 ELO 등의 방법으로 성장된 GaN 박막은 결함밀도가 10⁸cm^-2 이하로 감소하여 소자 특성이 향상되는 것이 여러 논문에 보고된 바 있다.

그러나, SAG 또는 ELO 는 산화막이 형성된 사진석판술(photolithography) 등의 기판 준비 작업이 필요하여 작업 효율이 저하되는 문제점이 있으므로, 시작 기판의 준비과정을 줄이기 위한 방안이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 관통 전위가 감소되어 소자 특성이 향상된 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 마스크를 사용하지 않고 기판의 준비과정이 간략화된 발광 다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 기판 상에, GaN이 선택적으로 성장된 제 1 층과 GaN 박막이 성장된 제 2 층을 포함한 제 2 기판을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조방법은, 시작 기판 위에 분자선 증착(molecular beam epitaxy:MBE) 법 등으로 나노 기둥을 형성하고 그 위에 화학기상증착(chemical vapor deposition:CVD)법 또는 기상 에피택시(vapor phase epitaxy:VPE)법 등으로 GaN을 측면 성장시켜서 제 2 기판 즉, 보조 기판을 형성하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 보조 기판 상에 질화물 반도체층을 성장시킴으로써 결함 밀도의 감소 효과 등을 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 일실시예의 흐름도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 일실시예의 공정을 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 3c를 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조방법의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 시작 기판을 준비한다. 질화물(GaN) 반도체의 경우 동종 기판이 없으므로, 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘(Si), SiC, GaN-on-sapphire, GaN-on-Si, GaN-on-SiC 등을 시작 기판으로 사용한다. 이어서, 시작 기판 상에 보조 기판을 형성하는데, 도 3a에 도시된 바와 시작 기판(300) 상에 GaN으로 이루어진 나노 기둥(310)을 형성한다(S210). 나노 기둥(310)은 보조 기판의 일부를 이루며 GaN의 측면 성장에 용이한 MBE 법으로 성장되는 것이 바람직하다. 즉, 10 내지 11 torr 이하의 초고진공 장치 내에서 원료인 GaN을 증발시켜서 GaN 나노 기둥을 형성한다. 그리고, GaN 나노 기둥은 직경이 10~800 나노미터의 직경을 갖는 것이 바람직하고, 10 나노미터 내지 1000 나노 미터의 높이(길이)를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, MBE 법에서 3족 원소에 대한 5족 원소의 비율을 크게 하여야 GaN 물질들이 서로 이격되어서 나노 기둥을 형성할 수 있다.

이 때, 도면에는 도시되지 않았으나, 시작 기판(300) 상에 약 20~30 나노 미터 정도의 버퍼층을 성장시킨 후에 나노 기둥(310)을 성장시킬 수 있다. 그리고, 버퍼층은 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N층이 소정 두께로 형성되어 이루어진다. 즉, 종래에는 시작 기판 상에 버퍼층을 형성하고 마스크 물질을 형성한 후, 포토리쏘그래피(photolithography)를 이용하여 노광하고 패터닝하여 차후 성장에 기여할 수 있 는 부분에 GaN 물질을 선택적으로 형성해야 한다. 그러나, 본 실시예에서는 GaN 나노 기둥의 성장 조건을 조절함으로써, GaN 층이 자발적으로 형성되어 종래의 시작기판 준비에 필요한 복잡한 공정이 불필요하다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 GaN 나노 기둥(310) 상에 GaN 박막(320)을 형성한다(S220). 즉, GaN 나노 기둥을 성장시킨 후에, 3족 원소에 대한 5족 원소의 비율을 낮추어서 즉 N(질소)의 비율을 낮추어서 CVD 법 또는 VPE 법 등으로 GaN을 측면 성장시킨다. 즉, GaN 물질을 포함한 가스에 열이나 빛 에너지를 가하여 고주파로 플라즈마화시키면 GaN 물질이 라디칼화되어 반응성이 크게 높아져서 기판 상에 흡착되어 퇴적되는 방법 또는 GaN 물질의 화학 증기 등을 함유하는 기체 혼합물로부터 기판 상에 성장시키는 방법을 사용한다. 상술한 CVD법이나 VPE법은 측면 성장이 주로 일어나므로, 도 3b에 도시된 바와 같이 GaN 나노 기둥(310) 상에 GaN 박막(320)이 형성된다. 관통 전위는 일반적으로 기판과 수직한 방향으로 형성되는데, 본 실시예에서 나노 기둥의 끝부분에서부터 주로 측면 성장이 이루어지므로, 서로 격리되어 있던 GaN들이 서로 뭉치게 되므로 관통전위는 측면방향으로 휘어져서 형성된다. 따라서, GaN의 성장이 계속되면 GaN 박막의 상부에서는 관통전위가 10⁸cm^-2 이하로 감소하게 된다.

이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이 GaN 박막(320) 상에 질화물 반도체층을 형성하는데(S230), 질화물 반도체층은 제 1 전도성 반도체층(330a)과 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조의 활성층(330b) 및 제 2 전도성 반도체층(330c)을 포 함하여 이루어질 수 있다. 즉, GaN 박막(320) 상에 n-GaN을 성장시키는데, 이 때 도너(donor)로서 실리콘(Si)을 도핑(doping)할 수 있다. 그리고, 빛을 발산하는 활성층(330b) 및 p-GaN(330c)을 차례로 형성한다. 이러한 구조는 관통전위가 작은 GaN 박막(320) 상에 질화물 반도체층이 형성되어 종래의 구조에 비하여 우수하고 고효율과 고신뢰성을 갖는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 GaN 층이 성장되었으나, InGaN과 AlGaN 등이 성장될 수도 있다.

도 3d 및 3e에는 도 3a 내지 도 3c에 따른 방법으로 제조된 발광 다이오드의 일실시예들의 단면도가 도시되어 있다. 도 3d는 수직형 구조를 갖는 LED의 일실시예이고, 도 3e는 수평형 구조를 갖는 LED의 일실시예이다. 각각의 실시예에서 n-GaN(330a) 상에 n형 전극(340, 340')이, 그리고 p-GaN(330c) 상에 p형 전극(350, 350')이 형성되어 있다.

상술한 구조의 LED를 제조하기 위하여, 도 3c에 도시된 구조에서 보조 기판(제 2 기판)을 분리한다(S240). 단, 도 3d에 도시된 바와 같이 GaN 박막(320)을 분리할 수도 있으나, 도 3e에 도시된 바와 같이 GaN 박막(320)은 분리하지 않고 GaN 기둥만을 분리할 수도 있다. 이 때, 보조 기판 등의 분리 공정은 LLO(laser lift off)법 등으로 수행될 수 있는데, LLO 법을 적용하여 질화물 반도체층을 분리함으로써, 랩핑(lapping) 공정시에 발생할 수 있는 기계적 스트레스(mechanical stress)를 줄일 수 있다. 그리고, 보조 기판 등의 분리는 LLO 법 외에, 습식 식각 또는 물리적 충격으로 제거될 수 있다. 여기서, GaN 기둥들이 GaN 박막(320)과 접합된 면적이 적으므로 물리적 충격에 의하여도 제거할 수 있다.

그리고, GaN 박막 또는 GaN 기둥의 분리 후에는, n형 전극과 P형 전극을 형성할 수 있다(S250). p형 전극은 ITO(Indium-Tin-Oxide)로 이루어진 오믹 전극과, 반사형 전극 등으로 이루어질 수 있고, n형 전극은 금속 패드 등으로 형성할 수 있다.

그리고, 상술한 p형 전극 또는 n형 전극의 형성 공정과 동시 또는 전,후에 선택적 식각 등의 공정을 통하여 각각의 소자를 분리하면, 각각의 발광 다이오드 소자다 완성된다.

상술한 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 일실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

시작 기판 상에 GaN 기둥과 GaN 박막으로 이루어진 보조 기판을 형성하여 관통전위를 휘어져 형성되어, 결함 밀도의 감소와 양질의 GaN 박막의 형성을 기대할 수 있다. 그리고, 보조 기판 상에 GaN 구조 또는 InGaN 구조 등의 이중접합구조를 포함하는 발광 다이오드를 형성하여 효율과 신뢰성의 향상을 누릴 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능해도 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 발광 다이오드의 질화물 반도체층의 결정 내부에 형성되는 관통 전위 가 감소되어 소자 특성이 향상된다.

둘째, 질화물 반도체층의 형성 공정에서 시작 기판에 마스크를 사용하지 않아서, 기판의 준비과정을 간략히 할 수 있다.

Claims (8)

1. 제 1 기판 상에, GaN이 선택적으로 성장된 제 1 층과 GaN 박막이 성장된 제 2 층을 포함한 제 2 기판을 형성하는 단계; 및

   상기 제 2 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특가으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은,

   3족 원소에 대한 5족 원소의 비율이 큰 분위기에서 MBE 법으로 다수 개의 GaN 기둥이 성장되어 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수 개의 GaN 기둥은,

   각각의 직경이 10~800 나노 미터로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 다수 개의 GaN 기둥은,

   각각의 길이가 10~1000 나노 미터로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 층은,

   3족 원소에 대한 5족 원소의 비율이 작은 분위기에서, GaN을 측면 성장시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 질화물 반도체층은,

   제 1 전도성 반도체층과 활성층 및 제 2 전도성 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 기판을 상기 질화물 반도체층으로부터 분리하는 단계; 및

   상기 제 1 전도성 반도체층과 제 2 전도성 반도체층 상에 각각 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 기판을 상기 질화물 반도체층으로부터 분리하는 단계;

   상기 질화물 반도체층의 일부를 식각하는 단계; 및

   상기 제 1 전도성 반도체층과 제 2 전도성 반도체층 상에 각각 동일한 방향으로 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.

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