KR100918969B1 - Light emitting diode and method of forming the same - Google Patents
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Description
본 발명은 발광 다이오드 및 그 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode and a method of forming the same.
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 발광 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly, to a light emitting diode having a high luminous efficiency and a method of forming the same.
상기 발광 다이오드(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 소자이다. 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 파장은 사용되는 물질의 밴드 갭 에너지(bandgap energy: Eg)에 의해 결정된다. 상기 발광 다이오드 기술의 초기에는 주로 적외선과 적색광을 방출할 수 있는 것이 개발되었다. 1993년에 니치아(Nichia) 화학의 Nakamura가 청색광을 방출할 수 있는 GaN 발광 다이오드를 를 이용하여 생성할 수 있음을 발견하였다. The light-emitting diode (LED) is a kind of p-n junction diode, and is a semiconductor device using electroluminescence, which is a phenomenon in which a monochromatic light is emitted when a voltage is applied in a forward direction. The wavelength of light emitted from the light emitting diode is determined by the bandgap energy (Eg) of the material used. In the early days of the light emitting diode technology was developed that can mainly emit infrared light and red light. In 1993, Nika Chem. Nakamura discovered that GaN light-emitting diodes that can emit blue light can be produced using.
GaN 발광 다이오드는 일반적으로 사파이어 기판 상에 GaN가 에피 성장되어 형성된다. 상기 사파이어 기판의 열 팽창 계수(thermal expansion coefficient)는 상기 에피 성장된 GaN의 것과 많은 차이를 가지므로 인해, GaN 성장 공정 동안에 사피아어 기판의 휨이 발생될 수 있다. 상기 사파이어 기판의 휨에 의하여, 중앙이 볼록하게 될 수 있다. 상기 사파이어 기판의 휨이 발생됨에 따라, 히터가 구비된 서셉터와 상기 사파이어 기판 사이의 접촉이 불균일할 수 있다. 이러한 사파이어 기판 사이의 접촉의 불균일은, 상기 히터에서 전달되는 열분포의 불균일성, 즉 상기 기판의 가장자리 및 중앙에서 열분포의 차이를 야기한다. 그러므로 상기 열 전달 분포의 불균일은 상기 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 전극층의 도판트의 분포를 불균일하게 만들고, 나아가서는 InGaN 활성층의 발광 파장 특성 분포를 크게 하는 요인으로 작용하게 된다. GaN light emitting diodes are generally formed by epitaxial growth of GaN on a sapphire substrate. Since the thermal expansion coefficient of the sapphire substrate is much different from that of the epitaxially grown GaN, warping of the sapphire substrate may occur during the GaN growth process. By bending of the sapphire substrate, the center may be convex. As the warpage of the sapphire substrate occurs, the contact between the susceptor with a heater and the sapphire substrate may be uneven. The nonuniformity of contact between these sapphire substrates causes a nonuniformity of the heat distribution transmitted from the heater, i.e., a difference in the heat distribution at the edges and the center of the substrate. Therefore, the non-uniformity of the heat transfer distribution causes non-uniform distribution of the dopant of the GaN electrode layer grown on the sapphire substrate, and thus acts as a factor for increasing the emission wavelength characteristic distribution of the InGaN active layer.
본 발명은 균일한 특성 분포를 갖는 발광 다이오드 형성 방법 및 이에 따라 형성된 발광 다이오드를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a method of forming a light emitting diode having a uniform characteristic distribution and the light emitting diode formed thereby.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드가 개시된다. 상기 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 차례로 적층된, 제 1 하부층, 버퍼층 및 제 2 하부층을 갖는 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상의 활성층; 및 상기 활성층 상의 상부 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 제 1 하부층과 상기 제 2 하부층 보다 격자 상수가 작다.A light emitting diode according to embodiments of the present invention is disclosed. The light emitting diode is a substrate; A lower semiconductor layer having a first lower layer, a buffer layer, and a second lower layer sequentially stacked on the substrate; An active layer on the lower semiconductor layer; And an upper semiconductor layer on the active layer. The buffer layer has a smaller lattice constant than the first lower layer and the second lower layer.
일 실시예에서, 상기 제 1 하부층 및 상기 제 2 하부층은 GaN이고, 상기 버퍼층은 Ga 보다 공유 반지름이 작은 원자를 포함할 수 있다. In example embodiments, the first lower layer and the second lower layer may be GaN, and the buffer layer may include atoms having a smaller shared radius than Ga.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 형성방법이 개시된다. 상기 방법은 기판 상에 제 1 하부층, 버퍼층 및 제 2 하부층의 순서로 하부 반도체층을 형성하고; 그리고 상기 하부 반도체층 상에 활성층 및 상부 반도체층을 순서대로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층을 형성하는 것은 상기 제 1 하부층 및 상기 제 2 하부층 보다 격자 상수가 작게 되도록 처리하는 것을 포함할 수 있다.A method of forming a light emitting diode according to embodiments of the present invention is disclosed. The method comprises forming a lower semiconductor layer on a substrate in the order of a first lower layer, a buffer layer and a second lower layer; And forming an active layer and an upper semiconductor layer in order on the lower semiconductor layer. Forming the buffer layer may include treating the lattice constant smaller than the first lower layer and the second lower layer.
본 발명에 의하면, 하나의 웨이퍼에서 형성된 발광 다이오드들이 균일한 특성 분포를 가질 수 있다. According to the present invention, light emitting diodes formed in one wafer may have a uniform characteristic distribution.
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.Objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments associated with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.
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.In the present specification, when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on another film or substrate or a third film may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical contents. In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various regions, films, and the like, but these regions and films should not be limited by these terms. do. These terms are only used to distinguish any given region or film from other regions or films. Thus, the film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in other embodiments. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드(100)의 형성방법이 설명된다. Referring to FIG. 1, a method of forming a
도 1을 참조하면, 기판(101) 상에 하부 반도체층(110)을 형성한다. 상기 기판(101)은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZrB2 및 GaP 중의 한가지로 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(101)은 사파이어로 형성될 수 있다. 상기 하부 반도체층(110)은 제 1 하부층(111), 버퍼층(113) 및 제 2 하부층(115)의 순서로 형성될 수 있다. 상기 하부 반도체층(110) 상에 다층 양자 우물층(120) 및 상부 반도체층(130)이 순서대로 형성될 수 있다. 상기 다층 양자 우물층(120)은 InGaN, 상기 상부 반도체층(130)은 p형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, p-GaN층)일 수 있다. Referring to FIG. 1, a
상기 제 1 하부층(111)은 언도프드 질화갈륨층(undoped-GaN층)(이하, u-GaN층)으로 형성될 수 있고, 상기 제 2 하부층(115)은 n형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, n-GaN층)으로 형성될 수 있다. 상기 u-GaN층(111)은 상기 기판(101)을 씨드층으로 사용하는 (액상 성장법(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 성장 법(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-GaN층(111)은 2 내지 3 마이크로 미터의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 2 하부층(115)은 상기 제 1 하부층(111) 및 상기 버퍼층(113)을 씨드층으로 사용하는 에피택시얼 공정을 통해 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수 마이크로 미터의 두께로 형성되는 실리콘이 도핑된 GaN막(Si-doped GaN)일 수 있다. The first
상기 버퍼층(113)은 상기 제 1 하부층(111)을 씨드층으로 사용하는 에피택시얼 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(113)은 상기 제 1 하부층(111) 및 상기 제 2 하부층(115) 보다 격자 상수가 작게 되도록 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(113)의 격자 상수가 다른 것에 비하여 작음에 따라, 도 2에서 도시된 바와 같이 상기 기판(101)의 휨 형상이 감소할 수 있다. 상기 버퍼층(113)의 격자 상수를 보다 작게하기 위하여, 상기 버퍼층(1130)이 Ga 보다 공유 반지름(covalent radius)이 작은 원자를 포함하도록 형성할 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에서, 상기 Ga 보다 공유 반지름이 작은 원자는, 예를 들면 탄소 또는 알루미늄일 수 있다. 상기 Ga의 공유 반지름은 1.26Å이고, 상기 탄소의 공유 반지름은 0.77Å이다. 상기 탄소가 포함된 GaN는 일반적인 GaN의 형성 공정 동안 탄소를 포함하는 소스 가스, 예를 들면 CCl4 또는 CBr4를 사용하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 상기 탄소를 포함하는 소스 가스의 적용에 의하여 GaN 버퍼층에 탄소가 고농도로 도핑될 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 3인치 사파이어 웨이퍼 상에 형성된 GaN 버퍼층(113)에 도핑된 탄소의 농도는 1020 cm3 이상이었다. 상기 탄소의 농도는 1018 cm3 이상이면, 전술한 사파이어 기판의 휨이 줄어들 수 있다. In one embodiment of the present invention, the atom having a smaller covalent radius than the Ga, for example, may be carbon or aluminum. The shared radius of Ga is 1.26 GHz and the shared radius of carbon is 0.77 Å. The carbon-containing GaN may be formed by using a carbon-containing source gas, for example, CCl 4 or CBr 4 , during a general GaN formation process. By applying the carbon source gas, the GaN buffer layer may be heavily doped with carbon. Referring to FIG. 3, the concentration of carbon doped in the
도 4a 및 도 4b를 참조하여, 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따라 3인치 사파이어 웨이퍼 상에 형성된 발광 다이오드(100)의 발광(photoluminescence: PL) 특성이 설명된다. 도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 버퍼층(113)을 적용하지 않으면 3인치 웨이퍼에서의 PL에 의한 파장의 표준편차는 3.83nm이었으나, 상기 버퍼층(113)을 적용하면 상기 표준편차는 1.96nm이었다. 즉, 상기 버퍼층(113)에 의하여 상기 하부 반도체층(110), 상기 다층 양자 우물층(120) 및 상부 반도체층(130)의 형성 공정 동안의 웨이퍼의 휨 발생이 감소되었다. 이에 따라, 상기 하부 반도체층(110), 상기 다층 양자 우물층(120) 및 상부 반도체층(130)을 위한 GaN 및 InGaN 박막 특성의 균일도가 높아짐을 나타낸다. 상기 버퍼층(113)의 미적용에서는 3인치 웨이퍼에서 얻어지는 제품 파장의 최대 최소 차이 7nm에서의 수율이 50 ~ 60%이었으나, 상기 버퍼층(113)을 적용하면 동일한 규격의 제품의 수율이 99% 이상으로 향상되었다. 4A and 4B, photoluminescence (PL) characteristics of a
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드 및 그의 형성방법을 설명하는 개녕도이다. 1 is a schematic view illustrating a light emitting diode and a method of forming the same according to embodiments of the present invention.
도 2는 본 발명의 휨 현상을 설명하는 개념도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating the warpage phenomenon of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 하부 반도체층의 깊이에 따른 탄소 농도를 측정한 그래프로서, 이차이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS)을 통하여 측정되었다. 3 is a graph measuring carbon concentration according to a depth of a lower semiconductor layer formed according to an embodiment of the present invention, which was measured by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS).
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 사용하지 않은 경우의 발광 파장 분석 이미지이이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 사용한 경우의 발광 파장 분석 이미지이다.4A is an emission wavelength analysis image when no buffer layer is used according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is an emission wavelength analysis image when a buffer layer is used according to an embodiment of the present invention.
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