KR101081158B1 - 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 결합되어 있는 수소(H)를 제거함으로써, 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 사파이어 기판 상에 버퍼층, 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화물 반도체를 형성하는 단계와; 상기 질화물 반도체 공정 챔버로 이동시킨 후, 금속으로 상기 질화물 반도체를 접합하는 단계와; 상기 금속이 접합된 질화물 반도체를 초음파 진동 발생 장치에 의해 진동시키는 단계와; 상기 공정 챔버에 수소 가스를 흘려보내어 상기 금속과 상기 질화물 반도체에 존재하는 수소와 결합을 촉진시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 질화물 반도체와 접합되는 금속은 수소와의 결합성이 강해 금속수소화물을 만들기 쉬운 금속이고, 상기 금속은 주기율표의 전형 원소중 2족~5족 금속이며, 상기 금속은 주기율표의 전형 원소 중 2족~5족 원소와 6족~8족 원소의 금속화합물인 것을 특징으로 한다.
LED, 효율, 수소(H), 초음파, Mg

Description

발광 다이오드 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING LED}
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라 발광 다이오드 형성후 수소를 제거하는 공정을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 플로챠트.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 챔버 110: 반도체 발광소자
120: 금속 130: 초음파 진동발생 장치
본 발명은 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광 다이오드에 결합되어 있는 수소(H)를 제거함으로써, 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하 LED라고 함)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데, 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용된다.
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.
또한, LED는 보편적으로 0.25㎟로 매우 작으며 크기로 제작되며, 에폭시 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 결정짓는다.
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.
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.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, Al2O3 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(10) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 1)을 형성한다. 그런 다음, 상기 버퍼층(1) 상에 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(3)을 연속적으로 성장시켜 형성한다.
상기에서와 같이, 상기 사파이어 기판(10) 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.
상기 도핑되지 않은(Undoped) GaN층(3) 상에는 N형 GaN 층(5)을 형성하는데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.
상기 N형 질화갈륨층(GaN: 5)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(5) 상에 활성층(7)을 성장시킨다. 상기 활성층(7)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다. 상기 활성층(7)이 성장되면 계속해서 P형 질화갈륨층(GaN: 9)을 형성한다. 여기서 상기 P형 질화갈륨층(9)에는 Mg 계열의 2족 원소를 사용한다.
상기 P형 질화갈륨층(9)은 상기 N형 질화갈륨층(5)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(5)은 외부로부터 인가되는 전압에 의하여 전자들을 상기 활성층(7)에 공급한다.
그리고 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(GaN: 9)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들을 상기 활성층(7)에 공급함으로써, 상기 활성층(7)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 광을 발생시키도록 한다.
도면에서는 도시하지 않았지만, 상기 P형 질화갈륨층(9) 상에 투명한 금속계열의 TM층(TM:Transparent Metal)을 형성하여 상기 활성층(7)에서 발생하는 광을 외부로 발광하게 한다.
상기 TM(TM: Transparent Metal) 층을 형성한 다음, P형 전극을 형성하여 발광 다이오드를 완성하게 된다.
그러나, 상기와 같은 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판과 GaN층 사이에 격자 부정합(lattice mismatch)이 존재하며 이로 인해 결정 성장된 N형 또는 P형 결정속에 다량의 결정 결함(면 결함, 점 결함, 선 결함)을 가짐으로 양질의 결정층을 얻기 어려운 문제가 있다.
또한, P형 질화갈륨층에 주입되는 Mg은 암모니아 가스의 H 성분과 결합되어 전기적으로 절연 특성을 보이는 Mg-H 결합체를 형성하는데, 이것은 Mg을 다량 주입해도 정공 농도를 높이기 어려운 원인이 되고 있다.
이와 같은 Mg와 H 결합은 P형 질화갈륨층 성장후 TMGa(Tri Methyl Gallium)이나 DCP Mg(Double Cyclo Pentadienyl Magnesium)의 유기에 존재하는 수소가 결정성장시에 Mg과 결합하거나 P형의 GaN 결정 성장후 온도 냉각 시에 GaN 표면으로 질소의 out-diffusion에 따른 질소 공간(N-Vacancy) 형성을 방지하고자 암모니아 분위기를 유지한다.
이러한 암모니아가 열분해되면서 발생되는 수소가 GaN층 표면에 존재하는 TDH(Treading Dislocation Hole)을 통해 내부로 침투되어 들어가는 것에 기인한다.
본 발명은, 반도체 발광소자 제조과정에서 P형 질화갈륨층 형성후에 금속수소화물을 형성하기 용이한 금속을 접촉시켜, 상기 P형 질화갈륨층에 존재하는 H 성분을 제거함으로써 P형 질화갈륨층의 정공 농도를 높임으로써 광효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은,
사파이어 기판 상에 버퍼층, 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화물 반도체를 형성하는 단계와;
상기 질화물 반도체 공정 챔버로 이동시킨 후, 금속으로 상기 질화물 반도체를 접합하는 단계와;
상기 금속이 접합된 질화물 반도체를 초음파 진동 발생 장치에 의해 진동시키는 단계와;
상기 공정 챔버에 수소 가스를 흘려보내어 상기 금속과 상기 질화물 반도체에 존재하는 수소와 결합을 촉진시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 질화물 반도체와 접합되는 금속은 수소와의 결합성이 강해 금속수소화물을 만들기 쉬운 금속이고, 상기 금속은 주기율표의 전형 원소중 2족~5족 금속이며, 상기 금속은 주기율표의 전형 원소 중 2족~5족 원소와 6족~8족 원소의 금속화합물인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 공정 챔버 내에서 진행되는 온도는 상온 또는 400℃ 이하이고, 상기 질화물 반도체와 이에 접합된 금속과의 수소와 결합을 촉진시켜, 상기 질화물 반도체의 정공 밀도를 높이며, 상기 금속이 접합된 질화물 반도체를 초음파 진동 발생 장치에 의해 진동시킴으로써, 상기 질화물 반도체내의 수소들을 상기 금속과의 수소 결합이 가능하도록 활성화시키는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 질화물 반도체는 상기 금속에 의해 둘러싸도록 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 발광소자 제조과정에서 P형 질화갈륨층 형성후에 금속수소화물을 형성하기 용이한 금속을 접촉시켜, 상기 P형 질화갈륨층에 존재하는 H 성분을 제거함으로써 P형 질화갈륨층의 정공 농도를 높임으로써 광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따라 발광 다이오드 형성후 수소를 제거하는 공정을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 도 1에서 설명한 바에 따라 사파이어 기판 상에 버퍼층, 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 순차적으로 형성한 반도체 발광소자(110)를 형성한 다음, 상기 P형 질화갈륨층에 존재하는 수소(H) 성분을 제거시키는 공정을 진행한다.
상기의 반도체 발광소자(110)를 챔버(100)내로 이동시킨 후에 상기 챔버(100) 내에서 상기 반도체 발광소자(110)를 수소 성분과 결합하여 금속수소화합물을 생성하기 용이한 금속(120)으로 접합시킨다.
상기 금속수소화물을 생성하기 쉬운 금속(120)은 주기율표의 전형 원소중 2족~5족 금속, 주기율표의 전형 원소 중 2족~5족 원소와 6족~8족 원소을 조합한 금속을 사용한다.
상기에서 금속수소화물을 생성하기 쉬운 금속(120)으로 상기 반도체 발광소자(110) 전체를 둘러싸도록 접합한 다음에는 상기 반도체 발광소자(110)와 금속(120)을 함께 초음파 진동발생 장치(130)를 사용하여 진동시킨다.
이와 같이 초음파에 의해 진동을 시키면, 상기 반도체 발광소자(110)의 P형 질화갈륨층에 결합되어 있던 수소들이 활성화 상태로되어 상기 금속(120)과의 결합이 용이해진다.
상기 초음파 진동발생 장치(130)를 사용하여 반도체 발광소자(110)를 진동시키면, 이후 상기 챔버(100) 내에 수소(H2) 가스를 주입하는데, 상기 수소 가스(H2 Gas)는 상기 금속(120)과의 결합에 의해 열을 발생시킨다.
이와 같이, 발생된 열에 의해서 상기 금속(120)은 상기 반도체 발광소자(110)의 P형 질화갈륨층에서 활성화된 수소와의 결합을 촉진시킨다.
상기 챔버(100)내에서 P형 질화갈륨층 표면의 수소화 금속(120)의 결합 반응식은 다음과 같다.
2/nM+H2------>2/nMHn ±ΔH(발열 반응:수소결합)----(1)
2/nMHn+ΔH------->2/nM ±H2(흡열 반응:수소분리)----(2)
(반응 온도는 18℃~600℃, 바람직하게는 18℃~400℃, M은 금속)
그리고 상기 챔버(100)내에서 진행되는 온도는 상온 또는 400℃ 이하로써, 종래보다 낮은 온도에서 진행된다.
그리고 상기 수소 가스가 금속수소화물을 생성하기 좋은 금속과의 결합시 열을 발생시켜, 상기 금속(120)과 접합된 반도체 발광소자(110)의 P형 질화갈륨층 표면에 초음파 진동 발생장치(130)에 의해 활성화된 수소와의 결합을 촉진시킨다.
종래 고온 열처리 공정을 이용하여 GaN 결정 성장층 내에 Ga 또는 N 위치에 치환되는 Mg을 고온 열처리에 의해 Mg과 주변 Ga 또는 N과의 결합을 끊어줌으로써, Mg을 분리시켜 정공 캐리어(hole carrier)가 자유로이 움직일 수 있도록 해줌으로써, 저 저항의 고농도 정공을 가지는 P형 질화갈륨층을 형성하였다.
하지만, 이와 같은 열처리 공정전의 질화물 반도체 발광소자를 전지로 또는 기타 장비에 넣고 질소(N2) 분위기에서 산소(O2) 가스를 주입하여 P형 질화갈륨층 성장층의 표면에 집중된 수소와 산소 성분간의 반응을 유도하여 수소농도를 감소시키는 효과를 얻게 된다. 그래서, 고저항 결합체인 Mg-H의 열분해를 촉진시킨다.
상기의 방법으로 P형 도핑을 위한 Mg의 활성을 촉진하여 고농도의 정공 캐리어를 생성하는 것이 가능하게 되었지만, 산소(O2)의 주입의 위험성과 유량에 따라 열처리 공정의 재현성과 열처리에 따른 질화물 반도체의 열적 분해로 N 공백(vacancy) 유발등 특성 저하 유발이 있다.
그러므로 본 발명에서는 저온 상태에서 공정을 진행하기 때문에 종래 기술과 같은 문제점을 해결하였다.
그리고 상기 반도체 발광소자(110)의 P형 질화갈륨층에 존재하는 수소를 제거함으로써 상기 P형 질화갈륨층의 정공 밀도를 높여 저 전압 특성 개선과 발광 효율을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정을 설명하기 위한 플로챠트이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판 상에 버퍼층, 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 순차적으로 성장시켜 질화물 반도체 발광소자를 형성한다.(S301)
그런 다음, 상기 질화물 반도체 발광소자의 P형 질화갈륨층에 존재하는 수소를 제거하기 위한 공정이 진행되는데, 상기 질화물 반도체 발광소자를 챔버로 이동시켜 금속수소화물을 만들기 쉬운 금속으로 접합시킨다.(S302)
상기 챔버 내에서 질화물 반도체 발광소자가 금속에 의해 접합되면, 초음파 진동발생장치를 사용하여, 상기 질화물 반도체 발광소자 및 접합된 금속을 진동시킨다.(S303)
이러한 진동은 상기 질화물 반도체 발광소자에 형성된 P형 질화갈륨층의 수소 성분을 활성화시키는 역할을 한다.
상기 질화물 반도체 발광소자가 활성화되면 상기 챔버 내로 수소 가스를 주 입하여 상기 금속과의 결합에 의한 열 발생으로 상기 P형 질화갈륨층 상에서 활성화된 수소와 결합을 촉진시킨다.(304)
따라서, 반도체 발광소자의 P형 질화갈륨층에서 수소 성분이 제거되어 정공 밀도가 높아지고, 반도체 발광소자의 구동 전압을 낮출 수 있게 된다.
아울러, 정공농도가 높아지므로 활성층에서 전자와 정공의 결합 수를 많게 할 수 있으므로 발광 효율이 개선되는 이점이 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 반도체 발광소자 제조과정에서 P형 질화갈륨층 형성후에 금속수소화물을 형성하기 용이한 금속을 접촉시켜, 상기 P형 질화갈륨층에 존재하는 H 성분을 제거함으로써 P형 질화갈륨층의 정공 농도를 높임으로써 광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
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.

Claims (8)

  1. 사파이어 기판 상에 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화물 반도체를 형성하는 단계와;
    상기 질화물 반도체 공정 챔버로 이동시킨 후, 수소와 결합하여 금속수소화물을 만드는 금속으로 상기 질화물 반도체를 접합하는 단계와;
    상기 금속이 접합된 질화물 반도체를 초음파 진동 발생 장치에 의해 진동시키는 단계와;
    상기 공정 챔버에 수소 가스를 흘려보내어 상기 금속과 상기 질화물 반도체에 존재하는 수소와 결합을 촉진시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 주기율표의 전형 원소중 2족~5족 금속인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 주기율표의 전형 원소 중 2족~5족 원소와 6족~8족 원소의 금속화합물인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 챔버 내에서 진행되는 온도는 상온 또는 400℃ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체와 이에 접합된 금속과의 수소와 결합을 촉진시켜, 상기 질화물 반도체의 정공 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이 접합된 질화물 반도체를 초음파 진동 발생 장치에 의해 진동시킴으로써, 상기 질화물 반도체내의 수소들을 상기 금속과의 수소 결합이 가능하도록 활성화시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는 상기 금속에 의해 둘러싸도록 접합되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
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