KR100983181B1 - 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법, 이방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법, 및 이 방법에의해 제조된 발광 다이오드 - Google Patents

발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법, 이방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법, 및 이 방법에의해 제조된 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법, 이 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드를 개시한다. 본 발명에 따른 질화 갈륨층 성장 방법은, (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 다각형으로 노출시키는 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 상기 개구 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키는 단계; (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
질화 갈륨 발광 다이오드, HVPE, 선택 성장, 결정면 회전, 2중층 구조

Description

발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법, 이 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드{Method of growing GaN layer for manufacturing Light Emitting Diode, Method of manufacturing Light Emitting Diode using the same, and Light Emitting Diode device thereof}
본 발명은 질화 갈륨을 이용한 발광 다이오드 제조 시 광적출 효율을 높일 수 있는 질화 갈륨층 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 특성을 이용하여 발광 다이오드 제작 시 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 있는 질화 갈륨층 성장 방법, 이 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 에너지 밴드 갭의 폭이 넓으므로, 가시광선부터 자외선 영역까지의 광소자에 널리 응용되고 있다. 특히 질화물 반도체 중 하나인 질화 갈륨은, 전광판의 핵심 소자인 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 중 청색 발광 다이오드의 제조에 널리 사용되며, 천연색 대형 옥외 전광판의 등장과 함께 각광을 받고 있는 대표적인 질화물 반도체 중 하나이다.
종래에는 청색 영역의 빛을 내는 발광 소자의 반도체 물질로 징크 세레나이 드(ZnSe), 실리콘 카바이드(SiC) 등이 주로 사용되었다. 하지만 질화 갈륨을 이용한 청색 발광 소자가 개발된 이후에는 징크 세레나이드나 실리콘 카바이드를 이용한 청색 발광 다이오드에 비해 질화 갈륨을 이용한 청색 발광 다이오드가 휘도(brightness)와 수명(life time), 그리고 내부 양자효율(internal quantum efficiency)이 우수하기 때문에, 질화 갈륨은 청색 발광 다이오드뿐만 아니라 총천연색 디스플레이, 지시등, 광고패널, 교통신호 체계, 전구(white bulb) 등으로 그 응용 범위가 점차 확대되고 있다.
현재 질화물 반도체 산업계의 궁극적인 목적은 질화 갈륨을 이용한 발광 다이오드의 휘도를 향상시켜 일반 조명분야에까지 질화 갈륨의 용도를 확대하는 것이다. 이를 위해, 산업계에서는 양자 우물층 내부의 양자효율을 높이거나 소자의 광적출 효율을 향상시키는 방향으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 지금까지 제안된 방법 중 양자 우물층의 양자효율을 높이기 위한 방법으로는 양자 우물층 표면에 요철 구조를 형성하는 방법이 있고, 광적출 효율을 향상시키기 위한 방법으로는 발광 다이오드의 제조에 사용되는 기판의 표면에 돌출 패턴을 형성함으로써 질화 갈륨층 내에서 유발되는 전반사를 저감시키거나, 광소자 자체의 모양 또는 광소자의 패키징 방법을 개선하여 광적출 효율을 향상시키는 방법이 있다. 하지만 위와 같은 종래기술들은 복잡한 제조 공정이 수반되어야 하고, 고도의 정밀도가 요구된다는 기술적 한계를 안고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 특성을 이용하여 질화 갈륨층을 2중으로 성장시킴으로써 광적출 면적을 증가시킬 수 있는 질화 갈륨층 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 질화 갈륨층 성장 방법을 이용한 고 광적출 질화 갈륨 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법은, (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 다각형으로 노출시키는 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 상기 절연막 패턴을 형상하는 단계; (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 상기 개구 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키는 단계; (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 다각형 개구 패턴은 육각형 개구 패턴 또는 사각형 개구 패턴일 수 있다.
바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 제1질화 갈륨층은 5 um ~ 50 um의 두께로 성장시키고, 상기 (e) 단계에서, 제2질화 갈륨층은 10 um ~ 70um의 두께로 성장시킨다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면의 변 수가 다각형 개구 패턴의 변수의 2배가 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계이다. 이 때, 상기 다각형 개구 패턴이 육각형 개구 패턴인 경우, 상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키고, 상기 다각형 개구 패턴이 사각형 개구 패턴인 경우, 상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 8각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시킨다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계; 및 사진 식각 공정에 의해 실리콘 산화막을 패터닝하여 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 노출시키는 상기 다각형 개구 패턴을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 및 (e) 단계에서, 상기 제1 및 제2질화 갈륨층은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법에 의해 5 um ~ 100 um의 두께로 성장된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2질화 갈륨층 성장을 위한 HVPE법은, GaCl(g) 및 NH3(g)의 혼합 가스를 반응 소스로, N2(g) 및 H2(g)의 혼합 가스를 분위 기 조성 가스로 사용한다.
바람직하게, 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계는, 상기 제1질화 갈륨층의 성장 후, GaCl(g)의 공급을 차단한 상태에서 질소 소스 가스를 공급하여 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계이다.
본 발명에 있어서, 상기 질화 열처리 단계는 1000 ℃ ~ 1100 ℃의 온도 조건에서 1분 ~ 60분 동안 수행된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2질화 갈륨층은 절연막 패턴을 마스크로 사용하지 않고, 질화 갈륨 박막을 상기 다각형 개구 패턴에 대응되는 형상으로 패터닝한 후 질화 갈륨으로 이루어진 다각형 패턴 상에 제1질화 갈륨층을 직접 성장시킬 수도 있다.
본 발명에 따라 제1 및 제2질화 갈륨층이 성장된 이후에는, 기판 상부에 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성한 후, 각각의 반도체층에 금속 전극을 형성함으로써 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 이 때, 제1 및 제2질화 갈륨층 성장 시 소정의 반도체 타입(p 또는 n 타입)을 부여한 경우는, LED 구조물을 형성할 때 제1 및 제2질화 갈륨층과 동일한 타입을 갖는 반도체층은 형성하지 않아도 무방하며, 금속 전극은 제2질화 갈륨층 상부 표면과 LED 구조물에 포함되어 있는 반도체층에 각각 형성한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드는, 아일랜드형 질화 갈륨층 패턴으로서 수평 단면 형상이 다각형인 제1 및 제2질화 갈륨층이 적층된 2중층 구조의 질화 갈륨층 패턴; 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하도록 상기 질화 갈륨층 패턴 상에 형성된 LED 구조물; 및 상기 LED 구조물의 n형 반도체층과 p형 반도체층에 각각 형성된 n형-금속 전극 및 p형-금속 전극을 포함한다.
대안적으로, 제1 및 제2질화 갈륨층이 제1반도체 타입을 가지고 있는 경우는, 상기 LED 구조물에서 제1 및 제2질화 갈륨층과 동일한 타입을 갖는 반도체층이 생략되며, 금속 전극은 상기 제2질화 갈륨층의 상부 표면과 상기 LED 구조물에 포함된 반도체층에 각각 형성된다.
바람직하게, 상기 기판은 사파이어 기판이다. 대안적으로, 상기 기판은 육방정계 결정 시스템을 가진 질화 갈륨을 성장시킬 수 있다고 알려진 (111)-Si 기판, SiC 기판 또는 ZnO 기판일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 방향과 다른 방향에서 성장시켜 결정의 회전을 유발하는 질화 갈륨 성장 과정에서 질화 갈륨의 성장을 1차 및 2차로 나누어 성장시킴으로써 질화 갈륨층을 2중층으로 성장시킬 수 있다. 이를 통해 질화 갈륨층의 측벽에 나타나는 결정면의 수를 대폭 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 성장된 2중 질화 갈륨층을 이용하여 발광 다이오드를 제조하면 광적출 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광적출 효율의 향상을 위한 제조 공정 또한 종래 기술에 비해 단순하므로 발광 다이오드 제조비용을 절감할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 질화 갈륨층 성장 방법은, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 화학기상 증착법, 바람직하게는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 사파이어 기판(10) 상에 질화 갈륨 박막(20)을 1 ~ 4um의 두께로 형성한다.
그런 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 질화 갈륨 박막(20)의 상부 표면을 육각형으로 노출시키는 육각형 개구 패턴(40)을 정의하는 절연막 패턴(30)을 형성한다. 바람직하게, 상기 절연막 패턴(30)은 실리콘 산화막으로 형성한다. 이를 위해, 실리콘 산화막을 3000 ~ 3500A의 두께로 증착한 후 사진 식각 공정을 적용하여 질화 갈륨 박막(20)의 상부 표면을 육각형으로 노출시키는 육각형 개구 패턴(40)을 형성한다.
도 10은 본 발명에 따라 육각형 개구 패턴(40)이 형성된 사파이어 기판(10) 의 상부 평면도이다. 도면을 참조하면, 상기 육각형 개구 패턴(40)의 중심(C)과 꼭지점을 연결한 선(L)의 방향은 사파이어 기판(10)의 <11-20>방향 그리고 질화 갈륨 박막(20)의 <1-100> 방향과 일치하고 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향인 [1000] 방향과는 일치하지 않는다.
상기와 같이 육각형 개구 패턴(40)을 형성한 후, 도 3에 도시된 바와 같이 절연막 패턴(30)을 마스크로 하여 육각형 개구 패턴(40)에 의해 노출된 질화 갈륨 박막(20) 상에 제1질화 갈륨층(51)을 선택적으로 성장시킨다. 이 때, 상기 제1질화 갈륨층(51)은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법을 이용하여 5 um ~ 50 um의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
HVPE법에 의한 제1질화 갈륨층(51)의 성장 시에는 Ga(s), HCl(g) 및 NH3(g)를 반응 소스로 사용하고, N2(g) 및 H2(g)를 분위기 조성 가스로 사용한다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 따라서 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 반응 소스와 분위기 조성 가스가 사용될 수 있음은 물론이다. 한편 경우에 따라서는 제1질화 갈륨층(51)을 n-형 반도체로 만들어 주기 위해 실란(SiH4) 또는 다이클로로실란(SiH2Cl2) 등과 같은 Si-전구체 가스를 반응 가스로 추가할 수 있다.
상기 제1질화 갈륨층(51)은 육각형 개구 패턴(40)에 의해 노출되는 질화 갈륨 박막(20) 상에 에피택시얼하게 증착된다.
이 때, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향은 육각형 개구 패턴(40)의 중심(C)과 꼭지점을 연결한 선(L)의 방향과 일치하지 않으므로 제1질화 갈륨층(51)의 성장 과정에서 육각형 개구 패턴(40)의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타나게 된다. 질화 갈륨이 성장하면서 결정이 자연 선호 결정 성장 방향으로 서서히 회전하기 때문이다.
따라서 제1질화 갈륨층(51)의 [0001] 방향과 수직으로 자른 단면(이하, 수평 단면이라 칭함)의 변 수는 상기 육각형 개구 패턴(40)의 변 수의 2배인 12가 된다. 구체적으로는, 도 12에 도시된 바와 같이, [1-100] 방향의 경우 경계선 C-C'을 기준으로 상부와 하부에 각각 6개의 결정면이 나타나고, 도 13에 도시된 바와 같이, [11-20] 방향의 경우 상부와 하부의 분리 없이 한 면으로 6개의 결정면이 나타난다. 따라서 제1질화 갈륨층(51)의 수평 단면은 언제나 12각형을 이루게 되는 것이다.
상기와 같이 제1질화 갈륨층(51)이 성장되면, 제1질화 갈륨층(51)의 표면을 질화 열처리한다. 제1질화 갈륨층(51)의 표면에 대한 질화 열처리 과정은 HVPE법에 의한 질화 갈륨층의 성장 시 반응 소스로 사용되는 GaCl(g)의 공급을 차단하고, N2(g) 및 H2(g)의 혼합 가스 분위기 하에서 NH3(g)의 공급을 유지하여 제1질화 갈륨층(51)의 표면을 질화 열처리한다. 이 때, 상기 제1질화 갈륨층(51)의 질화 열처리 과정은 제1질화 갈륨층(51) 표면이 안정화될 수 있도록 1000 ℃ ~ 1100 ℃의 온도 조건에서, 1분 ~ 60분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이렇게 제1질화 갈륨층(51)의 표면에 질화 열처리를 수행하면, 제1질화 갈륨층(51)의 표면이 안정화된다.
그런 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1질화 갈륨층(51)의 상에 제2질화 갈륨층(52)을 선택적으로 성장시킨다. 이 때, 상기 제2질화 갈륨층(52)은 상 기 제1질화 갈륨층(51)의 성장 시와 마찬가지로 HVPE법을 이용하여 10 um ~ 70 um의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 제2질화 갈륨층(52)은 상기 제1질화 갈륨층(51)과 실질적으로 동일하게 성장되므로 제2질화 갈륨층(52)의 수평 단면 또한 12각형의 형상을 갖는다.
상기와 같이, 수평 단면의 구조가 12각형이 되도록 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 성장시킨 후 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 이용하여 발광 다이오드를 제조하면 질화 갈륨을 단일층으로 형성하는 경우에 비해 광적출 면적을 증대할 수 있으므로 그 만큼 광적출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 발명에 따라 제1 및 제2질화 갈륨층을 성장시켰을 때의 모습을 촬영한 사진이다.
도면을 참조하면, A로 표시된 하부에 수평 단면이 12각형인 제1질화 갈륨층이 존재하고, B로 표시된 상부에도 수평 단면이 12각형인 제2질화 갈륨층이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 동일한 구조의 질화 갈륨층을 이중층 구조로 성장시킴으로써 질화 갈륨층의 측벽에 존재하는 결정면의 수를 증가시킨다. 따라서, 본 발명에 따라 성장된 질화 갈륨층을 이용하여 질화 갈륨 발광 다이오드를 제조하면 광적출 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 실시예에서는 절연막 패턴(30)을 마스크로 사용하여 육각형 개구 패턴(40)에 제1질화 갈륨층(51)을 선택적으로 성장시키고, 다시 제1질화 갈륨층(51) 상에 제2질화 갈륨층(52)을 성장시켜 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)이 적층된 이 중층 구조의 질화 갈륨층을 성장시켰다. 하지만 다음과 같은 대안적 실시예도 가능하다. 즉 도 5에 도시된 바와 같이, 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하지 않고 사진 식각 공정에 의해 사파이어 기판(10) 상에 형성된 질화 갈륨 박막(20)을 직접적으로 패터닝하여 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴(20')을 형성한다. 이 때 육각형 패턴(20')의 방향은 도 10에 도시된 육각형 개구 패턴(40)과 동일하다. 따라서 육각형 패턴(20')의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향은 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향과 일치하지 않는다. 그런 다음 HVPE법을 이용하여 육각형 패턴(20')의 상부 표면에 제1질화 갈륨층(51)을 선택적으로 증착하고, 제1질화 갈륨층(51)의 표면의 질화 열처리 과정을 거쳐 제2질화 갈륨층(52)을 증착하면 전술한 실시예와 마찬가지로 수평 단면이 12각형인 질화 갈륨층을 이중층 구조로 형성할 수 있다.
한편, 질화 갈륨층을 이중층 구조로 성장시키기 위해 형성하는 개구 패턴과 질화 갈륨 박막 패턴의 형상은 육각형에만 한정되지 않는다. 예를 들어 개구 패턴과 질화 갈륨 박막 패턴은 사각형으로 형성하는 것도 가능하다. 이 때, 개구 패턴 또는 질화 갈륨 박막 패턴의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향은 상술한 실시예와 마찬가지로 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향과 일치되지 않도록 한다.
도 15는 개구 패턴을 사각형 패턴으로 형성한 상태에서 제1 및 제2질화 갈륨층을 성장시켰을 때의 모습을 촬영한 사진이다.
도면을 참조하면, A로 표시된 하부의 제1질화 갈륨층은 수평 단면이 8각형이 되고, B로 표시된 상부의 제2질화 갈륨층 또한 수평 단면이 8각형이 된다. 사각형 개구 패턴의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향이 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향과 일치하지 않으므로 제1질화 갈륨층과 제2질화 갈륨층이 자연 선호 결정 성장 방향으로 서서히 회전하면서 사각형의 꼭지점 부분에서 새로운 결정면이 형성되기 때문이다. 이러한 현상은 질화 갈륨 박막을 사각형 패턴으로 형성한 상태에서 제1 및 제2질화 갈륨층을 형성하는 경우에도 동일하게 나타난다.
상기와 같이 개구 패턴 또는 질화 갈륨 박막 패턴을 사각형으로 형성한 상태에서 질화 갈륨층을 이중층 구조로 성장시키면 단일층으로 성장시키는 경우에 비해 외부로 노출되는 결정면이 증가하므로 그 만큼 광적출 효율을 향상시킬 수 있다.
그러면, 이하에서는 본 발명에 따라 성장된 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 이용하여 발광 다이오드를 제조하는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 다만 반도체 물질막, 버퍼 물질막, 금속 전극막 등 발광 다이오드를 구성하는 물질막의 종류, 각 물질막을 증착하고 패터닝하는 기술 등은 이미 널리 알려져 있으므로 이에 대해서는 간략하게 설명하기로 한다.
먼저 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 이중층 구조로 성장시켜 외부로 노출되는 결정면의 수를 증가시킨 후, 사파이어 기판(10) 전면에 LED 구조물(80)을 형성한다. 여기서, 이중층 구조의 질화 갈륨층의 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)은 12각형의 수평 단면 구조를 가진다. 한편, 질화 갈륨층을 성장시키기 위해 형성하는 개구 패턴 또는 질화 갈륨 박막 패턴을 사각형으로 형성한 경우 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)은 8각형의 수평 단면 구조를 가진다.
상기 LED 구조물(80)은 적어도 발광 다이오드의 기본 구성 요소인 n형 반도 체층(n형-GaN), 양자 우물층 및 p형 반도체층(p형-GaN)을 포함한다. 이들 물질막들은 MOCVD법을 이용하여 형성할 수 있다.
그런 다음 도 7에 도시된 바와 같이 사진 식각 공정을 이용하여 LED 구조물(80) 내의 n형 반도체층(80a)을 노출시키는 개구(100)를 형성한 후 개구(100) 내에 n-형 금속 전극(110)을 형성하고, LED 구조물(80)의 p형 반도체층(80c)에는 p형-금속 전극(120)을 형성한다.
그러고 나서 도 8에 도시된 바와 같이 절단선 D-D' 선을 따라 절단공정을 시행하고 사파이어 기판(10)으로부터 분리된 각각의 발광 다이오드 단위체에 형성되어 있는 n형-금속 전극(110) 및 p형-금속 전극(120)에 와이어를 연결하면 발광 다이오드의 제조가 완료된다.
한편 본 발명은 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 형성할 때 절연막 패턴(30)을 마스크로 사용하지 않고 사파이어 기판(10) 상에 형성하는 질화 갈륨 박막을 직접 패터닝하여 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴(도 5의 20' 참조)을 형성한 후 육각형 패턴 상에만 제1질화 갈륨층(51)을 선택적으로 성장하고, 제1질화 갈륨층(51)의 표면의 질화 열처리 과정을 거쳐 제1질화 갈륨층(51) 상에 제2질화 갈륨층(52)을 선택적으로 성장할 수도 있다(도 5의 51, 52 참조). 이렇게 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 적층되게 형성한 경우도, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)이 형성된 사파이어 기판(10)의 전면에 LED 구조물(80)을 형성하는 단계, n형 반도체층에 n형-금속 전극(110)을 형성하고 p형 반도체층에 p형-금속 전극(120)을 형성하는 단계 및 D-D' 선을 따라 절단 공정을 시행하고 n 및 p형-금속 전극(110, 120)에 와이어를 연결하는 단계를 전술한 바와 실질적으로 동일하게 진행할 수 있다.
위와 같은 과정을 거쳐 제조된 발광 다이오드는, 양자 우물층에서 생성된 빛이 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)의 측벽과 제1질화 갈륨층(51)의 저면을 통해 외부로 방출되므로 광적출 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 고휘도를 갖는 고 광적출 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
한편 도면으로 도시하지는 않았지만, 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 n형으로 형성한 경우, LED 구조물(80)을 형성할 때 n형 반도체층(80a)의 증착은 생략하여도 무방하다. 이러한 경우, n형-금속 전극(110)은 제2질화 갈륨층(52)의 상부 표면에 직접 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 실시예에서는 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)이 사파이어 기판(10) 상에서 적층되게 성장되었다. 하지만 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)은 육방정계 결정을 성장시킬 수 있다고 알려진 다른 기판 상에서도 성장될 수 있다. 이러한 기판의 예로는, (111)-Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판 등이 있다. 이러한 기판 상에 제1 및 제2질화 갈륨층(51, 52)을 성장시킬 때에도 개구 패턴 또는 질화 갈륨 박막 패턴의 꼭지점 부분에서 새로운 결정면이 나타날 수 있도록 개구 패턴 또는 질화 갈륨 박막 패턴을 구성하는 다각형의 방향을 결정하여야 함은 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조를 위한 제1 및 제2질화 갈륨층 성장 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조를 위한 제1 및 제2질화 갈륨층 성장 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 10은 사파이어 기판 상부에 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성한 이후 사파이어 기판 상부를 도시한 평면도(우측) 및 부분 확대도(좌측)이다.
도 11은 본 발명에 따라 질화 갈륨층이 성장될 때 자연 선호 결정 성장 방향과의 관계를 설명하기 위해 성장된 질화 갈륨층의 모습을 촬영한 사진이다.
도 12 내지 도 13은 도 11의 질화 갈륨층 단면의 모습을 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명에 따라 제1 및 제2질화 갈륨층을 성장시켰을 때의 모습을 촬영한 사진이다.
도 15는 개구 패턴을 사각형 패턴으로 형상한 상태에서 제1 및 제2질화 갈륨층을 성장시켰을 때의 모습을 촬영한 사진이다.
<도면의 주요 참조번호>
10 : 사파이어 기판 20 : 질화 갈륨 박막
30 : 절연막 패턴 40 : 육각형 개구 패턴
51 : 제1질화 갈륨층 52 : 제2질화 갈륨층
80 : LED 구조물 80a : n형 반도체층
80b : 양자 우물층 80c : p형 반도체층
110 : n형-금속 전극 120 : p형-금속 전극

Claims (31)

  1. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 다각형으로 노출시키는 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계;
    (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 상기 개구 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계; 및
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다각형 개구 패턴은 육각형 개구 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다각형 개구 패턴은 사각형 개구 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 제1질화 갈륨층은 5 um ~ 50 um의 두께로 성장시키고,
    상기 (e) 단계에서, 제2질화 갈륨층은 10 um ~ 70 um의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면의 변 수가 다각형 개구 패턴의 변 수의 2배가 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다각형 개구 패턴이 육각형 개구 패턴이고,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 다각형 개구 패턴이 사각형 개구 패턴이고,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 8각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계; 및
    사진 식각 공정에 의해 실리콘 산화막을 패터닝하여 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 노출시키는 상기 다각형 개구 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 (c) 및 (e) 단계에서,
    상기 제1 및 제2질화 갈륨층은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법에 의해 5 um ~ 100 um의 두께로 성장되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2질화 갈륨층 성장을 위한 HVPE법은,
    GaCl(g) 및 NH3(g)의 혼합 가스를 반응 소스로, N2(g) 및 H2(g)의 혼합 가스를 분위기 조성 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계는,
    상기 제1질화 갈륨층의 성장 후, GaCl(g)의 공급을 차단한 상태에서 질소 소스 가스를 공급하여 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 질화 열처리 단계는 1000 ℃ ~ 1100 ℃의 온도 조건에서 1분 ~ 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판, (111)-Si 기판, SiC 기판 또는 ZnO 기판인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  14. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 사진 식각 공정에 의해 상기 질화 갈륨 박막을 다각형 패턴으로 패터닝하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 다각형 패턴을 패터닝하는 단계;
    (c) 상기 다각형 패턴 상에만 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키되, 다각형 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계; 및
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다각형 패턴은 육각형 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 다각형 패턴은 사각형 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 제1질화 갈륨층은 5 um ~ 50 um의 두께로 성장시키고,
    상기 (e) 단계에서, 제2질화 갈륨층은 10 um ~ 70 um의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면의 변 수가 다각형 패턴의 변수의 2배가 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다각형 패턴이 육각형 패턴이고,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 다각형 패턴이 사각형 패턴이고,
    상기 (c) 단계는, 제1질화 갈륨층의 수평 단면이 8각형이 될 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 (c) 및 (e) 단계에서,
    상기 제1 및 제2질화 갈륨층은 HVPE법에 의해 5 um ~ 100 um의 두께로 성장 되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2질화 갈륨층 성장을 위한 HVPE법은,
    GaCl(g) 및 NH3(g)의 혼합 가스를 반응 소스로, N2(g) 및 H2(g)의 혼합 가스를 분위기 조성 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계는,
    상기 제1질화 갈륨층의 성장 후, GaCl(g)의 공급을 차단한 상태에서 질소 소스 가스를 공급하여 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 질화 열처리 단계는 1000 ℃ ~ 1100 ℃의 온도 조건에서 1분 ~ 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판, (111)-Si 기판, SiC 기판 또는 ZnO 기판인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법.
  26. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 다각형으로 노출시키는 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계;
    (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 상기 개구 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계;
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (f) 상기 제2질화 갈륨층 상에 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 LED 구조물의 n형 반도체층을 노출시키는 개구를 형성하여 n형-금속 전극을 형성하고 상기 LED 구조물의 p형-반도체층에 금속 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  27. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 사진 식각 공정에 의해 상기 질화 갈륨 박막을 다각형 패턴으로 패터닝하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 다각형 패턴을 패터닝하는 단계;
    (c) 상기 다각형 패턴 상에만 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키되, 다각형 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계;
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (f) 상기 제2질화 갈륨층 상에 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 LED 구조물의 n형 반도체층을 노출시키는 개구를 형성하여 n형-금속 전극을 형성하고 상기 LED 구조물의 p형-반도체층에 금속 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  28. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 다각형으로 노출시키는 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 상기 절연막 패턴을 형상하는 단계;
    (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 상기 개구 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타날 때까지 제1반도체 타입의 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계;
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제1반도체 타입의 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (f) 상기 제2질화 갈륨층 상에 적어도 양자 우물층과 상기 제1반도체 타입과 반대 극성의 제2반도체 타입을 갖는 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 제2질화 갈륨층의 상부 표면을 노출시키는 개구를 형성하여 금속 전극을 형성하고, LED 구조물에 포함된 제2반도체 타입의 반도체층에 금속 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  29. (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (b) 사진 식각 공정에 의해 상기 질화 갈륨 박막을 다각형 패턴으로 패터닝하는 단계로서, 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향([1000] 방향)이 상기 다각형의 중심과 꼭지점을 연결한 선의 방향과 일치하지 않도록 다각형 패턴을 패터닝하는 단계;
    (c) 상기 다각형 패턴 상에만 제1반도체 타입의 제1질화 갈륨층을 선택적으로 성장시키되, 다각형 패턴의 꼭지점 부분에서 질화 갈륨의 새로운 결정면이 나타 날 때까지 제1질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (d) 상기 제1질화 갈륨층의 표면을 질화 열처리하는 단계;
    (e) 상기 제1질화 갈륨층 상에 수평 단면의 변 수가 제1질화 갈륨층의 변 수가 될 때까지 제1반도체 타입의 제2질화 갈륨층을 성장시키는 단계;
    (f) 상기 제2질화 갈륨층 상에 적어도 양자 우물층과 상기 제1반도체 타입과 반대 극성을 갖는 제2반도체 타입의 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 제2질화 갈륨층의 상부 표면을 노출시키는 개구를 형성하여 금속 전극을 형성하고, LED 구조물의 제2반도체 타입을 갖는 반도체층에 금속 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  30. 아일랜드형 질화 갈륨층 패턴으로서 수평 단면 형상이 다각형인 제1 및 제2질화 갈륨층이 적층된 2중층 구조의 질화 갈륨층 패턴;
    적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하도록 상기 질화 갈륨층 패턴 상에 형성된 LED 구조물; 및
    상기 LED 구조물의 n형 반도체층과 p형 반도체층에 각각 형성된 n형-금속 전극 및 p형-금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  31. 아일랜드형 질화 갈륨층 패턴으로서 수평 단면 형상이 다각형인 제1반도체 타입의 제1 및 제2질화 갈륨층이 적층된 2중층 구조의 질화 갈륨층 패턴;
    적어도 양자 우물층과 상기 제1반도체 타입과 반대 타입인 제2반도체 타입의 반도체층을 포함하도록 상기 질화 갈륨층 패턴 상에 형성된 LED 구조물; 및
    상기 질화 갈륨층 패턴의 상부 표면과 상기 LED 구조물의 제2반도체 타입의 반도체층에 각각 형성된 금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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