KR101072099B1 - Light emitting diode and method for manufacturing led - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드의 질화갈륨층을 요철 구조로 패터닝함으로써, 적층 형성되는 활성층의 면적을 증대하여 광효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 제 1 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 제 1 질화갈륨층 상에 포토레지스트를 도포한 다음, 이를 노광 및 현상하여 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스트를 따라 상기 제 1 질화갈륨층을 식각하는 단계; 상기 제 1 질화갈륨층 상에 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 제 2 질화갈륨층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제 3 질화갈륨층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a light emitting diode and a method of manufacturing the same, which improve the light efficiency by increasing the area of the active layer to be laminated by patterning a gallium nitride layer of the light emitting diode into an uneven structure. The disclosed invention comprises forming a buffer layer on a sapphire substrate; Forming a slow growth gallium nitride layer on the buffer layer; Forming a first gallium nitride layer on the slow growth gallium nitride layer; Applying a photoresist on the first gallium nitride layer, and then exposing and developing the photoresist to pattern the photoresist; Etching the first gallium nitride layer along the patterned photoresist; Forming a second gallium nitride layer on the first gallium nitride layer; Forming an active layer on the second gallium nitride layer; And forming a third gallium nitride layer on the active layer. Characterized in that it comprises a.
발광 다이오드, 요철, 활성층, 식각, 광효율Light Emitting Diode, Unevenness, Active Layer, Etching, Light Efficiency
Description
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a light emitting diode according to the prior art.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 공정을 도시한 단면도.2A to 2H are cross-sectional views showing a light emitting diode manufacturing process according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 요철 영역을 확대한 단면도.3 is an enlarged cross-sectional view of an uneven region of a light emitting diode according to the present invention;
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
200: 사파이어 기판 201: 버퍼층200: sapphire substrate 201: buffer layer
203: 저속 성장 질화갈륨층 205a: 제 1 GaN층203: slow growth
205b: 제 2 GaN층 207: 활성층205b: second GaN layer 207: active layer
209: P-GaN층 300: 포토레지스트(PR)209: P-GaN layer 300: photoresist (PR)
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 활성층의 면적을 증가시켜 광효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly, to a light emitting diode and a method of manufacturing the light emitting diode having improved light efficiency by increasing the area of the active layer.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하 LED라고 함)는 화합 물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데, 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용된다.In general, a light emitting diode (LED) is a compound semiconductor that converts electricity into infrared or light to send and receive signals. It is a kind of semiconductor used for home appliances, remote controls, and electronic displays. Used for displays, indicators, and various automation devices.
상기 LED의 동작원리는 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극(Positive-Negative)의 접합(junction) 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데, 전자와 정공의 결합에 의하여 에너지 준위가 떨어져 빛이 방출되는 것이다.The operating principle of the LED is that when a forward voltage is applied to a semiconductor of a specific element, electrons and holes move and recombine with each other through a junction portion of a positive and negative electrode, and an energy level is caused by the combination of electrons and holes. Fall and light is emitted.
또한, LED는 보편적으로 0.25㎟로 매우 작으며 크기로 제작되며, 엑폭시 몰드와 리드 프레임 및 PCB에 실장된 구조를 하고 있다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 LED는 5㎜(T 1 3/4) 플라스틱 패키지(Package)나 특정 응용 분야에 따라 새로운 형태의 패키지를 개발하고 있다. LED에서 방출하는 빛의 색깔은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장을 만들며 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정 짓는다.In addition, the LED is generally 0.25 mm 2, which is very small and manufactured in size, and is mounted on an epoxy mold, a lead frame, and a PCB. Currently, the most commonly used LEDs are 5mm (T 1 3/4) plastic packages or new types of packages depending on the specific application. The color of the light emitted by the LED creates a wavelength depending on the composition of the semiconductor chip components, and the wavelength determines the color of the light.
특히, LED는 정보 통신 기기의 소형화, 슬림화(slim) 추세에 따라 기기의 각종 부품인 저항, 콘덴서, 노이즈 필터 등은 더욱 소형화되고 있으며 PCB(Printed Circuit Board: 이하 PCB라고 함) 기판에 직접 장착하기 위하여 표면실장소자(Surface Mount Device: SMD)형으로 만들어지고 있다.In particular, LEDs are becoming smaller and smaller, such as resistors, capacitors, and noise filters, due to the trend toward miniaturization and slimming of information and communication devices, and directly mounting them on a PCB (Printed Circuit Board) board. In order to make the surface mount device (SMD) type.
이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 SMD 형으로 개발되고 있다. 이러한 SMD는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.Accordingly, LED lamps, which are used as display elements, are also being developed in SMD type. Such SMD can replace the existing simple lighting lamp, which is used for lighting indicators of various colors, character display and image display.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a light emitting diode according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, Al2O3으로되어 있는 사파이어 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 101)을 형성한다. 그런 다음, 상기 버퍼층(101) 상에 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(103)을 연속적으로 성장시켜 형성한다.As shown in FIG. 1, a
상기에서와 같이 상기 사파이어 기판(100) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200 토르(torr)~ 650 토르(torr)를 유지하면서 레이어(layer)를 형성한다.As described above, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is generally used to grow a thin film of Group 3 series on the
도핑된(Undoped) 상기 GaN층(103) 상에는 N형 GaN 층(105)을 형성하는데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.An N-
상기 N형 질화갈륨층(GaN: 105)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(105) 상에 활성층(109)을 성장시킨다. 상기 활성층(109)을 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다. 상기 활성층(109)이 성장되면 계속해서 P형 질화갈륨층(110)을 형성한다.When the N-type gallium nitride layer (GaN) 105 is grown, an
상기 P형 질화갈륨층(110)은 상기 N형 질화갈륨층(105)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(105)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 전자들이 이동하고, 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(110)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들이 이동하여 상기 활성층(109)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하 여 발광하게 된다.The P-type
상기 P형 질화갈륨층(110) 상에 투명한 ITO 금속계열의 TM층(TM: Transparent Metal)을 형성하여 상기 활성층(109)에서 발생하는 광을 투과시켜 외부로 발광하게 된다.A transparent ITO metal layer (TM) is formed on the P-type
상기 TM(TM: Transparent Metal) 층을 형성한 다음, P형 전극을 형성하여 발광 다이오드를 완성하게 된다.After forming the transparent metal (TM) layer, a P-type electrode is formed to complete a light emitting diode.
최근 들어서는 발광 다이오드의 광효율을 향상시키 위한 기술이 개발되고 있는데, 그 예로 활성층의 면적을 증가시켜 광량을 증가시키는 것이다.Recently, a technology for improving the light efficiency of a light emitting diode has been developed. For example, the amount of light is increased by increasing the area of the active layer.
하지만, 종래 기술과 같이 사파이어 기판 상에 적층 형성하는 LED의 경우에는 활성층의 면적을 증가시키는데는 한계가 있다.However, in the case of LEDs laminated on the sapphire substrate as in the prior art, there is a limit in increasing the area of the active layer.
또한, 상기 활성층의 면적을 증가시키기 위해서, 칩 사이즈를 크게 할 경우에는 웨이퍼당 제조되는 발광 다이오드의 개수가 감소하여 생산 수율이 저하되는 문제가 있다.In addition, in order to increase the area of the active layer, when the chip size is increased, there is a problem that the number of light emitting diodes manufactured per wafer is reduced and the production yield is lowered.
본 발명은, 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.In order to increase the area of the active layer of the light emitting diode, the GaN layer formed under the active layer is etched in an uneven form, and the active layer is grown on the etched GaN layer to form an uneven active layer having an increased surface area. An object of the present invention is to provide a light emitting diode having improved light efficiency and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은, A light emitting diode manufacturing method according to the present invention for achieving the above object,
기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;Forming a buffer layer on the substrate;
상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계;Forming a slow growth gallium nitride layer on the buffer layer;
상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 제 1 질화갈륨층을 형성하는 단계;Forming a first gallium nitride layer on the slow growth gallium nitride layer;
상기 제 1 질화갈륨층 상에 포토레지스트를 도포한 다음, 이를 노광 및 현상하여 패터닝하는 단계;Applying a photoresist on the first gallium nitride layer, and then exposing and developing the photoresist to pattern the photoresist;
상기 패터닝된 포토레지스트를 따라 상기 제 1 질화갈륨층을 식각하는 단계;Etching the first gallium nitride layer along the patterned photoresist;
상기 제 1 질화갈륨층 상에 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계;Forming a second gallium nitride layer on the first gallium nitride layer;
상기 제 2 질화갈륨층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및Forming an active layer on the second gallium nitride layer; And
상기 활성층 상에 제 3 질화갈륨층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로한다.Forming a third gallium nitride layer on the active layer; Characterized in that it comprises a.
여기서, 상기 제 1 질화갈륨층은 요철 형상으로 식각하고, 상기 제 2 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되며, 상기 활성층은 요철 형상으로 형성되고, 상기 제 3 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Herein, the first gallium nitride layer is etched into an uneven shape, the second gallium nitride layer is formed into an uneven shape, the active layer is formed into an uneven shape, and the third gallium nitride layer is formed into an uneven shape. It features.
그리고 상기 제 1 질화갈륨층은 1~3㎛의 두께로 형성하고, 상기 제 2 질화갈륨층은 1~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.The first gallium nitride layer is formed to a thickness of 1 ~ 3㎛, the second gallium nitride layer is characterized in that formed to a thickness of 1 ~ 2㎛.
본 발명에 따른 발광 다이오드는,The light emitting diode according to the present invention,
기판;Board;
상기 기판 상에 순차적으로 적층 형성된 버퍼층, 저속 성장 질화갈륨층;A buffer layer and a low growth gallium nitride layer sequentially stacked on the substrate;
상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 제 1, 제 2 질화갈륨층; Uneven first and second gallium nitride layers formed on the low-growth gallium nitride layer;
상기 요철 구조를 갖는 제 2 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 활성층; 및An uneven type active layer laminated on the second gallium nitride layer having the uneven structure; And
상기 요철형 활성층 상에 적층 형성된 요철형 제 3 질화갈륨층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.And an uneven third gallium nitride layer formed on the uneven active layer.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상 시켰다.According to the present invention, in order to increase the area of the active layer of the light emitting diode, a GaN layer formed under the active layer is etched in an uneven form, and an active layer is grown on the etched GaN layer to form an uneven active layer having an increased surface area. To improve the light efficiency.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 공정을 도시한 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views showing a light emitting diode manufacturing process according to the present invention.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 사파이어(Al2O3) 기판(200) 상에 일정한 온도 상태(약 500~600℃)하에서 In(x)Ga(1-x)N 조성을 갖는 버퍼 층(GaN buffer layer: 201)을 형성하고, 상기 버퍼층(201) 상에 저속 성장 질화갈륨층(203)을 계속하여 형성한다.2A to 2C, a buffer layer having an In (x) Ga (1-x) N composition on a sapphire (Al 2 O 3 )
상기 저속 성장 질화갈륨층(203)은 상기 버퍼층(201)의 결함들이 상기 저속 성장 질화갈륨층(203) 이후에 형성될 도핑되지 않은(Un-Doped) GaN 성분으로 형성되며, 인접한 질화층에 결함이 전파되는 것을 방지하기 위해 형성한다.
The slow growth
상기 저속 성장 질화갈륨층(203)이 형성되면, 계속해서 불순물(N)이 첨가된 GaN층(205)을 형성시킨다. 상기 GaN층(205)의 두께는 1㎛~3㎛ 정도의 두께를 갖도록 성장한다.When the slow growth
상기 GaN층(205)이 형성되면, 도 2d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(Photo Resist: 300)와 같은 감광성 물질을 도포하고, 이를 노광 및 식각하여 요철 형상으로 패터닝한다.When the
상기 포토레지스트(300)가 패터닝되면 이를 마스크로 사용하여 하부에 형성된 GaN층(205)을 식각하여 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 GaN층(205)의 표면이 요철 구조를 갖는 제 1 GaN층(205a)을 형성한다.When the
상기 제 1 GaN층(205a)의 구조는 요철 형상으로 식각되지만, 식각될 때, 하부에 성장된 저속 성장 질화갈륨층(203)이 오픈되지 않도록 한다.The structure of the
즉, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면은 요철 구조를 갖지만, 함몰된 홈 영역에서는 하부 저속 성장 질화갈륨층(203)의 표면이 노출되지 않는다.That is, the surface of the
그런 다음, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 GaN층(205a) 상에 계속하여 제 2 GaN층(205b)을 성장 형성하는데, 상기 제 2 GaN층(205b)의 두께는 상기 제 2 GaN층(205a)의 두께 보다 약간 얇은 1~2㎛의 두께로 성장 형성한다.Then, as shown in FIG. 2F, a
상기 제 2 GaN층(205b)이 상기 제 1 GaN층(205a)상에 성장될 때, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 구조를 따라 성장되므로, 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면도 요철 형상을 갖게 된다.When the
상기 제 1 GaN층(205a) 상에 곧바로 활성층(207)을 형성하지 않고, 상기 제 2 GaN층(205b)을 성장함으로써, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 요철 형상에 의한 결점(defect)들이 상기 활성층(207)에 전달되지 않도록 하였다.By growing the
따라서, 상기 활성층(207)의 면적 증대로 광효율을 증대시키면서도 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.Therefore, the reliability of the device can be secured while increasing the light efficiency by increasing the area of the
상기와 같이 제 2 GaN층(205b)이 성장되면, 도 2g에 도시된 바와 같이, 활성층(207)을 성장 형성한다. 상기 활성층(207)은 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면 요철 구조를 따라 성장하기 때문에 표면이 요철 구조를 갖는 층으로 성장되어, 전체적으로 표면적이 증가된다.When the
상기 활성층(207)이 형성되면, 도 2h에 도시된 바와 같이, Mg 성분의 불순물로 도핑된 P-GaN층(209)을 성장시켜 발광 다이오드를 완성한다.When the
이때, 상기 P-GaN층(209)의 표면 구조도 요철 구조를 갖는 활성층(207)을 따라 형성되기 때문에 요철 구조로 되어 있다.At this time, since the surface structure of the P-
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 요철 영역을 확대한 단면도이다.3 is an enlarged cross-sectional view of an uneven region of a light emitting diode according to the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(200) 상에 버퍼층(201)이 성장되어 있고, 상기 버퍼층(201) 상에 도핑되지 않은 저속 성장 질화갈륨층(203)이 성장되어 있다.As shown in FIG. 3, the
상기 질화갈륨층(203) 상에는 제 1 GaN층(205a)이 요철 구조로 형성되어 있고, 상기 제 1 GaN층(205a) 상에는 제 2 GaN층(205b)이 형성되어 있다.A
상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 구조가 요철 구조로 되어 있기 때문에, 이후에 적층 형성되는 층들이 모두 요철 구조로 형성되게 된다.
Since the surface structure of the
따라서, 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면이 요철 구조를 갖고, 상기 제 2 GaN층(205b) 상에 형성되는 활성층(207)과 P-GaN층(209)이 모두 요철 구조를 갖게된다.Accordingly, the surface of the
따라서, 상기 활성층(207)의 면적이 증가되어 발생하는 광량이 증가한다.Therefore, the amount of light generated by increasing the area of the
상기 활성층(207) 상에 형성되는 P-GaN층(209)의 구조도 요철 구조로 되어 있기 때문에 보다 많은 광을 외부로 발생시킬 수 있다.Since the structure of the P-
따라서, 본 발명에서는 활성층 하부에 형성되어 있는 GaN층을 요철 구조로 형성함으로써, 이후 형성되는 활성층, P-GaN층을 요철 구조로 만들어 광효율을 향상시킨 이점이 있다.Therefore, in the present invention, by forming the GaN layer formed under the active layer in the concave-convex structure, the active layer and the P-GaN layer formed after the concave-convex structure have the advantage of improving the light efficiency.
또한, 하나의 칩 크기에 해당하는 사파이어 기판의 크기는 종래와 같은 크기를 유지하므로, 하나의 웨이퍼에서 생산되는 발광 다이오드의 수는 동일하여 생산량은 감소되지 않는다.In addition, since the size of the sapphire substrate corresponding to one chip size is maintained in the same size as in the prior art, the number of light emitting diodes produced in one wafer is the same, so that the output is not reduced.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상시킨 효과가 있다.As described in detail above, in order to increase the active layer area of the light emitting diode, the present invention etches the GaN layer formed under the active layer in an uneven form, and grows the active layer on the etched GaN layer, thereby increasing the surface area. There is an effect of improving the light efficiency by forming an uneven active layer.
또한, 본 발명에서는 요철 구조를 갖는 활성층 하부에 GaN층을 이중층으로 형성함으로써, 활성층에 결함이 전이되는 것을 방지하여 소자 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. In addition, in the present invention, by forming a GaN layer as a double layer under the active layer having a concave-convex structure, there is an advantage of preventing device defects from being transferred to the active layer and improving device reliability.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims.
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