KR100970611B1 - 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의제조방법 - Google Patents
다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 기판에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속적으로 성장하여, 각각의 발광 다이오드를 독립적으로 구동시키거나 동시에 구동시켜 모든 종류의 색을 구현시킬 수 있으며, 동일한 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속 성장할 경우 휘도를 2배 이상 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 다색 발광 다이오드를 구현할 시, 종래에 수평으로 배열하여 픽셀(Pixel) 크기를 줄일 수 없었으나, 본 발명은 수직적으로 적층하여 픽셀 크기를 작게 할 수 있고, 디스플레이의 해상도를 높일 수 있는 효과가 있다.
발광, 다이오드, 다수, 파장
Description
도 1a 내지 1d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드의 제조 공정도
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드의 제조 공정도
도 3a와 3b는 본 발명에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드에 전극패드가 형성된 상태를 도시한 정면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판
101,105,108,110,118,123 : N타입 질화갈륨층
102,104,107,112,116,121 : 활성층 103,106,114,119 : P타입 질화갈륨층
111,117,122 : N타입 AlGaN층 113,115,120 : P타입 AlGaN층
131,132,133,134,135 : 전극패드
본 발명은 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속적으로 성장하여, 각각의 발광 다이오드를 독립적으로 구동시키거나 동시에 구동시켜 모든 종류의 색을 구현시킬 수 있는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, AlGaAs 또는 AlGaInP 물질을 이용한 적색과 노란색 발광 다이오드 개발에 이어, III/V족 질화물 반도체를 이용하여 발광 다이오드가 제조되었고, 현재 청색과 녹색 등 여러 가시광 영역의 파장뿐만 아니라 자외선 및 백색 발광 다이오드의 개발도 진행되고 있는 상황이다.
가시광 영역의 모든 파장대를 구현하는 발광 다이오드를 제조하는 방법에는 III/V족 질화물을 이용하여 활성층으로 사용되는 InGaN의 In 함유량을 조절하는 방법이 있고, 청색, 녹색과 적색 발광 다이오드를 조합하여 파장을 조절하는 방법이 있다.
즉, 노란색 광의 파장을 만들기 위하여, 청색과 녹색을 조합하거나 앰버(Amber)를 만들기 위하여 적색, 녹색과 청색을 적절히 조합하는 방법이다.
그리고, 자외선 발광 다이오드에 여러 가지 표현하고 싶은 색깔의 포스퍼(Phosphor)를 사용하는 방법이 있는데, 예를 들어, 오렌지색을 만들려면 이에 해당하는 포스퍼를 자외선 발광 다이오드 상부에 도포하여 소자를 제조하였다.
전술된 방법 중에서 단일 발광 다이오드를 사용하는 경우, 정확한 파장의 구 현이 쉽지 않으며, 적색, 녹색과 청색 발광 다이오드를 사용하는 방법은 조립이 어려우며, 다른 방법에 비하여 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
그리고, 자외선 발광 다이오드와 포스퍼를 사용하는 방법은 각 색깔에 대응하는 포스퍼의 개발이 필요하며, 자외선 발광 다이오드에 포스퍼를 도포하여 소자를 제조할 경우, 발광 다이오드 효율이 많이 저하하는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기판에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속적으로 성장하여, 각각의 발광 다이오드를 독립적으로 구동시키거나 동시에 구동시켜 모든 종류의 색을 구현시킬 수 있으며, 동일한 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속 성장할 경우 휘도를 2배 이상 향상시킬 수 있는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다색 발광 다이오드를 수직적으로 적층하여 픽셀 크기를 작게 할 수 있는 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층이 형성되어 있고; 상기 제 1 N타입 질화갈륨층 상부에 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층이 형성되어 있고; 상기 제 1 활성층 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층이 형성되어 있고; 상기 제 1 P타입 질화갈륨층 상부에 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층이 형성되어 있고; 상기 제 2 활성층 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층이 형성되어 있고; 상기 제 2 N타입 질화갈륨층 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층이 형성되어 있고; 상기 제 2 P타입 질화갈륨층 상부에 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층이 형성되어 있고; 상기 제 3 활성층 상부에 제 3 N타입 질화갈륨층이 형성되어 있으며;
상기 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층의 상부에 제 1 N전극패드가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층 상부에 제 1 P전극패드가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층 상부에 제 2 N전극패드가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층의 상부에 제 2 P전극패드가 형성되어 있고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층 상부에 제 3 N전극패드가 형성되어 있는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, N타입 질화갈륨 기판 또는 N타입 실리콘 카바이드 기판 상부에 제 1 N타입 질화갈륨층, 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층, 제 1 P타입 질화갈륨층, 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층, 제 2 N타입 질화갈륨층, 제 2 P타입 질화갈륨층, 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층과 제 3 N타입 질화갈륨층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와;
상기 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 1 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 1 차 메사식각을 수행하고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 N타입 질화갈륨층의 일부까지 제 2 차 메사식각을 수행하고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 3 차 메사식각을 수행하여, 상기 제 1 P타입 질화갈륨층, 제 2 N타입 질화갈륨층과 제 2 P타입 질화갈륨층의 일부를 상부로부터 노출 시키는 제 2 단계와;
상기 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층 상부에 P전극패드를 형성하고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층 상부에 N전극패드를 형성하고, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층의 상부에 P전극패드를 형성하며, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층 상부에 N전극패드를 형성하는 제 3 단계로 구성된 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드의 제조 공정도로서, 먼저, 기판(100) 상부에 제 1 N타입 질화갈륨층(101)을 형성한다.(도 1a)
여기서, 기판(100)은 질화갈륨 기판, 사파이어 기판과 실리콘 카바이드(SiC) 기판 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
그 후, 상기 제 1 N타입 질화갈륨층(101) 상부에 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층(102)과 제 1 P타입 질화갈륨층(103)을 순차적으로 형성하고(도 1b), 상기 제 1 P타입 질화갈륨층(103) 상부에 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층(104)과 제 2 N타입 질화갈륨층(105)을 순차적으로 형성한다.(도 1c)
그 다음, 상기 제 2 N타입 질화갈륨층(105) 상부에 제 2 P타입 질화갈륨층(106), 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층(107)과 제 3 N타입 질화갈륨층(108)을 순차적으로 형성한다.(도 1d)
여기서, 상기 N타입 질화갈륨층(101,105,108)은 질화갈륨층에 실리콘(Si)이 도핑되어 형성된 것이고, 상기 P타입 질화갈륨층(103,106)은 마그네슘(Mg)이 도핑되어 형성된 것이다.
이렇게 구성된 본 발명에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드에서, 상기 제 1 N타입 질화갈륨층(101), 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층(102)과 제 1 P타입 질화갈륨층(103)이 청색광을 방출하는 발광 다이오드로, 상기 제 1 P타입 질화갈륨층(103) 상부에 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층(104)과 제 2 N타입 질화갈륨층(105)이 녹색광을 방출하는 발광 다이오드로, 상기 제 2 P타입 질화갈륨층(106), 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층(107)과 제 3 N타입 질화갈륨층(108)이 적색광을 방출하는 발광 다이오드로 구성하면, 세 개의 발광 다이오드를 모두 구동시키면, 청색, 녹색과 적색광이 합쳐져서 백색광이 발생하게 된다.
또한, 첫 번째 발광 다이오드만 구동시키면 청색광이 발생되고, 두 번째 발광 다이오드만 구동시키면 녹색광이 발생되며, 세 번째 발광 다이오드만 구동시키면 적색광이 발생된다.
그리고, 두 개의 발광 다이오드를 구동시키면 노란색광을 발생시킬 수 있는 적절히 광의 색을 조합하게 되면 모든 종류의 색을 구현할 수 있게 된다.
또한, 제 1 내지 3 활성층을 단색광이 방출되는 구조로 형성하면, 종래기술보다도 휘도를 2배 이상 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드의 제조 공정도로서, 기판(100) 상부에 제 1 N타입 질화갈륨층(110), N타입 AlGaN층(111), 제 1 활성층(112), P타입 AlGaN층(113), 제 1 P타입 질화갈륨층(114), P타입 AlGaN층(115), 제 2 활성층(116), N타입 AlGaN층(117), 제 2 N타입 질화갈륨층(118), 제 2 P타입 질화갈륨층(119), P타입 AlGaN층(120), 제 3 활성층(121), N타입 AlGaN층(122)과 제 3 N타입 질화갈륨층(123)을 순차적으로 형성한다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에서는 제 1 실시예에서, 캐리어의 효율을 높이기 위하여, N타입과 P타입의 AlGaN층을 각각의 활성층 하부와 상부에 더 개재시켜 형성한 것이다.
도 3a와 3b는 본 발명에 따른 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드에 전극패드가 형성된 상태를 도시한 정면도로서, 도 1d까지 제조된 소자의 구조물에 각각의 발광 다이오드에 전극패드를 형성하기 위하여, 처음으로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 1 N타입 질화갈륨층의 일부까지 제 1 차 메사(Mesa) 식각을 수행하고, 두 번째로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 1 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 2 차 메사식각을 수행하고, 세 번째로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 N타입 질화갈륨층의 일부까지 제 3 차 메사식각을 수행하며, 네 번째로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 4 차 메사식각을 수행한다.
그러면, 상기 제 1 N타입 질화갈륨층, 제 1 P타입 질화갈륨층, 제 2 N타입 질화갈륨층과 제 2 P타입 질화갈륨층의 일부는 상부로부터 노출된다.
상기 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층(101a)의 상부에 제 1 N전극패드(131)를 형성하고, 상기 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 1 P전극패드(132)를 형성하고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 제 2 N전극패드(133)를 형성하며, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)의 상부에 제 2 P전극패드(134)를 형성한다.
그리고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층(125) 상부에 제 3 N전극패드(135)를 형성한다.
이와 같이, 전극패드가 형성된 발광 다이오드는 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층(101a)이 형성되어 있고; 상기 제 1 N타입 질화갈륨층(101a) 상부에 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층(102a)이 형성되어 있고; 상기 제 1 활성층(102a) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a)이 형성되어 있고; 상기 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층(104a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 활성층(104a) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 P타입 질화갈륨층(106a) 상부에 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층(107a)이 형성되어 있고; 상기 제 3 활성층(107a) 상부에 제 3 N타입 질화갈륨층(135)이 형성되어 있으며;
상기 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층(101a)의 상부에 제 1 N전극패드(131)가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 1 P전극패드(132)가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 제 2 N전극패드(133)가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)의 상부에 제 2 P전극패드(134)가 형성되어 있고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층(108a) 상부에 제 3 N전극패드(135)가 형성되어 있는 구조를 갖는다.
한편, 도 3b와 같이, 기판이 N타입 질화갈륨 기판 또는 N타입 실리콘 카바이드 기판일 경우, 첫 번째로 상기 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 1 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 1 차 메사식각을 수행하고, 두 번째로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 N타입 질화갈륨층의 일부까지 제 2 차 메사식각을 수행하며, 세 번째로 제 3 N타입 질화갈륨층에서 제 2 P타입 질화갈륨층의 일부까지 제 3 차 메사식각을 수행한다.
그러면, 상기 기판은 제 1 N전극패드가 됨으로, 상기 메사식각으로 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 1 P전극패드(132)를 형성하고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 제 2 N전극패드(133)를 형성하고, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)의 상부에 제 2 P전극패드(134)를 형성하며, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층(125) 상부에 제 3 N전극패드(135)를 형성한다.
그러므로, 도 3b에 도시된 발광 다이오드는 N타입 질화갈륨 기판 또는 N타입 실리콘 카바이드 기판(100) 상부에 제 1 N타입 질화갈륨층(101), 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층(102)과 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 2 광 이 방출되는 제 2 활성층(104a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 활성층(104a) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)이 형성되어 있고; 상기 제 2 P타입 질화갈륨층(106a) 상부에 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층(107a)이 형성되어 있고; 상기 제 3 활성층(107a) 상부에 제 3 N타입 질화갈륨층(135)이 형성되어 있으며;
상기 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층(103a) 상부에 제 1 P전극패드(132)가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층(105a) 상부에 제 2 N전극패드(133)가 형성되어 있고, 상기 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층(106a)의 상부에 제 2 P전극패드(134)가 형성되어 있고, 상기 제 3 N타입 질화갈륨층(108a) 상부에 제 3 N전극패드(135)가 형성되어 있는 구조를 갖는다.
이러한 본 발명의 발광 다이오드의 색조를 조절하는 방법은 하기와 같이, 여러 가지 방법이 있다.
1. 각 광 파장대의 활성층의 웰(Well)수를 조절하여 소자에 출력되는 광의 색깔을 조절한다.
즉, 제 1 활성층의 휘도가 높거나 색조가 강하게 되면, 제 1 활성층의 웰수를 줄이고, 제 2 활성층과 제 3 활성층의 웰수를 증가시킨다.
2. 각각의 제 1 내지 3 활성층이 포함된 개별 발광 다이오드에 각기 전류값을 다르게 주입하여 색조를 조절한다.
3. 상기의 두 방법을 조합하여 색조와 휘도를 조절할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 기판에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속적으로 성장하여, 각각의 발광 다이오드를 독립적으로 구동시키거나 동시에 구동시켜 모든 종류의 색을 구현시킬 수 있으며, 동일한 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드들을 연속 성장할 경우 휘도를 2배 이상 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 다색 발광 다이오드를 구현할 시, 종래에 수평으로 배열하여 픽셀(Pixel) 크기를 줄일 수 없었으나, 본 발명은 수직적으로 적층하여 픽셀 크기를 작게 할 수 있고, 디스플레이의 해상도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (8)
- 기판 상부에 형성되며 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 N타입 질화갈륨층;상기 제 1 N타입 질화갈륨층 상부에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 제 1 광이 방출되는 제 1 활성층;상기 제 1 활성층 상부에 형성되며 상부 일부가 식각되어 노출된 제 1 P타입 질화갈륨층;상기 제 1 P타입 질화갈륨층 상부에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 제 2 광이 방출되는 제 2 활성층;상기 제 2 활성층 상부에 형성되며 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 N타입 질화갈륨층;상기 제 2 N타입 질화갈륨층 상부에 형성되며 상부 일부가 식각되어 노출된 제 2 P타입 질화갈륨층;상기 제 2 P타입 질화갈륨층 상부에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 제 3 광이 방출되는 제 3 활성층;상기 제 3 활성층 상부에 형성되는 제 3 N타입 질화갈륨층;상기 제 1 N타입 질화갈륨층의 노출된 상부에 형성되는 제 1 N전극패드;상기 제 1 P타입 질화갈륨층의 노출된 상부에 형성되는 제 1 P전극패드;상기 제 2 N타입 질화갈륨층의 노출된 상부에 형성되는 제 2 N전극패드;상기 제 2 P타입 질화갈륨층의 노출된 상부에 형성되는 제 2 P전극패드; 및상기 제 3 N타입 질화갈륨층의 노출된 상부에 형성되는 제 3 N전극패드;를 포함하며,제 1 활성층과 제 2 활성층은 제 1 P타입 질화갈륨층으로부터 정공을 공급받고,제 2 활성층은 제 2 N타입 질화갈륨층으로부터 전자를 공급받으며,제 3 활성층은 제 2 P타입 질화갈륨층으로부터 정공을 공급받는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은,질화갈륨 기판, 사파이어 기판과 실리콘 카바이드(SiC) 기판 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드.
- 제 2 항에 있어서,질화갈륨 기판과 실리콘 카바이드(SiC) 기판은 N타입으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 광 내지 제 3 광 중 어느 하나는,청색광, 녹색광과 적색광 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,캐리어의 효율을 높이기 위하여, N타입과 P타입의 AlGaN층이 각각의 활성층 하부와 상부에 각각 더 개재 있는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 광들을 방출하는 발광 다이오드.
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