KR101113875B1 - LED having vertical structure and the method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직형 발광 소자에 관한 것으로 특히, 전극 구조를 개선함으로써 광추출효과를 개선할 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 복수의 반도체층과; 상기 반도체층의 일측면에 위치하는 제1전극과; 상기 반도체층의 타측면에 위치하는 질소 게터 메탈층과; 상기 게터 메탈층에 인접하여 위치하는 TCO층과; 상기 TCO층에 인접하여 위치하는 제2전극을 포함하여 구성된다.The present invention relates to a vertical light emitting device, and more particularly, to a vertical light emitting device and a method of manufacturing the same that can improve the light extraction effect by improving the electrode structure. Such a present invention comprises: a plurality of semiconductor layers; A first electrode on one side of the semiconductor layer; A nitrogen getter metal layer located on the other side of the semiconductor layer; A TCO layer positioned adjacent to the getter metal layer; And a second electrode positioned adjacent to the TCO layer.
TCO, 게터, 오믹, 질소, ITO. TCO, getter, ohmic, nitrogen, ITO.
Description
도 1은 종래의 수직형 발광 소자 제조단계의 일례를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional vertical light emitting device manufacturing step.
도 2는 종래의 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an example of a conventional vertical light emitting device.
도 3은 본 발명의 수직형 발광 소자 제조단계의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of the manufacturing step of the vertical light emitting device of the present invention.
도 4는 본 발명의 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing an embodiment of a vertical light emitting device of the present invention.
도 5는 본 발명의 수직형 발광 소자의 제조방법의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.5 is a schematic view showing an embodiment of a method of manufacturing a vertical light emitting device of the present invention.
도 6은 본 발명의 수직형 발광 소자의 ITO와 GaN의 밴드 다이아그램이다.6 is a band diagram of ITO and GaN of the vertical light emitting device of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명><Brief description of the main parts of the drawing>
10 : 기판 20 : 반도체층10: substrate 20: semiconductor layer
30 : 제1전극 40 : 반사전극30: first electrode 40: reflective electrode
50 : 게터 메탈층 60 : TCO층50: getter metal layer 60: TCO layer
70 : 제2전극70: second electrode
본 발명은 수직형 발광 소자에 관한 것으로 특히, 전극 구조를 개선함으로써 광추출효과를 개선할 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vertical light emitting device, and more particularly, to a vertical light emitting device and a method of manufacturing the same that can improve the light extraction effect by improving the electrode structure.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.Light Emitting Diodes (LEDs) are well-known semiconductor devices that convert current into light.In 1962, red LEDs using GaAsP compound semiconductors were commercialized. It has been used as a light source for display images of electronic devices.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다. The wavelength of light emitted by such LEDs depends on the semiconductor material used to make the LEDs. This is because the wavelength of the emitted light depends on the band-gap of the semiconductor material, which represents the energy difference between the valence band electrons and the conduction band electrons.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.Gallium Nitride (GaN) semiconductors have received a lot of attention. One reason for this is that GaN can be combined with other elements (indium (In), aluminum (Al), etc.) to produce semiconductor layers that emit green, blue and white light.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다. In this way, the emission wavelength can be adjusted to match the material's characteristics to specific device characteristics. For example, GaN can be used to create white LEDs that can replace incandescent and blue LEDs that are beneficial for optical recording.
또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박박성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.In addition, in the case of the conventional green LED, it was initially implemented as GaP, which was inefficient as an indirect transition type material, and thus practical pure green light emission could not be obtained. However, as InGaN thin film growth succeeded, high brightness green LED could be realized. It became.
이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다. Because of these and other benefits, the GaN series LED market is growing rapidly. Therefore, since commercial introduction in 1994, GaN-based optoelectronic device technology has rapidly developed.
GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다. Since the efficiency of GaN light emitting diodes outperformed the efficiency of incandescent lamps and is now comparable to that of fluorescent lamps, the GaN LED market is expected to continue to grow rapidly.
상기와 같은, GaN 소자 기술의 급속한 발전에도 불구하고, GaN 소자의 제작에는 비용이 큰 단점을 지닌다. 이는 GaN 박막(epitaxial layers)을 성장시키고 연이어 완성된 GaN 계열의 소자들을 절단하는 어려움과 관련된다. Despite the rapid development of GaN device technology as described above, the manufacturing of GaN device has a large cost disadvantage. This is related to the difficulty of growing GaN epitaxial layers and subsequently cutting the finished GaN-based devices.
GaN 계열의 소자들은 일반적으로 사파이어(Al2O3) 기판상에 제조된다. 이는 사파이어 웨이퍼가 GaN 계열의 장치들을 대량 생산하는데 적합한 크기로 상용으로 이용가능하고, 비교적 고품질의 GaN 박막 성장을 지지하며, 광범위한 온도처리 능력 때문이다. GaN-based devices are typically fabricated on sapphire (Al 2 O 3 ) substrates. This is because sapphire wafers are commercially available in sizes suitable for mass production of GaN-based devices, support relatively high quality GaN thin film growth, and have a wide range of temperature processing capabilities.
또한, 사파이어는 화학적으로 그리고 열적으로 안정적이며, 고온 제조공정을 가능하게 하는 고융점을 가지고, 높은 결합 에너지(122.4 Kcal/mole)와 높은 유전상수를 갖는다. 화학적으로, 사파이어는 결정성 알루미늄 산화물(Al2O3)이다. In addition, sapphire is chemically and thermally stable, has a high melting point to enable high temperature manufacturing processes, high binding energy (122.4 Kcal / mole) and high dielectric constant. Chemically, sapphire is crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
한편, 사파이어는 절연체이기 때문에 사용한 사파이어 기판(또는 다른 절연체 기판)을 사용하는 경우 이용가능한 LED 소자의 형태는, 실제로, 수평(lateral) 또는 수직(vertical) 구조로 제한된다. On the other hand, since the sapphire is an insulator, the form of the LED element available when using the used sapphire substrate (or other insulator substrate) is actually limited to a lateral or vertical structure.
상기 수평구조에서는, LED로의 전류를 주입하는데 사용되는 금속 접점(contact)은 상단면에(또는 기판의 동일면상에) 모두 위치한다. 반면, 수직구조에서는 한 금속 접점은 상단면상에 있고, 다른 접점은 사파이어(절연) 기판이 제거된 후 하단면상에 위치된다. In this horizontal structure, the metal contacts used to inject current into the LED are all located on the top surface (or on the same side of the substrate). In the vertical structure, on the other hand, one metal contact is on the top face and the other contact is located on the bottom face after the sapphire (insulation) substrate is removed.
또한, LED 칩을 제조한 이후에 이 칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼나 세라믹 기판 등의 서브마운트에 뒤집에 부착시키는 플립칩 본딩 방식도 많이 이용되고 있다.In addition, a flip chip bonding method in which the chip is attached upside down to a submount such as a silicon wafer or a ceramic substrate having excellent thermal conductivity after the manufacture of the LED chip is also widely used.
그러나 상기와 같은 수평구조나 플립칩 방식은, 사파이어 기판의 열전도도가 약 27W/mK로서 열저항이 매우 크기 때문에 열방출 효율에 있어서 문제가 되며, 상기 플립칩 방식은 많은 단계의 포토리소그라피 공정을 필요로 하여 제작 공정이 복잡한 단점이 있었다.However, the above-described horizontal structure or flip chip method is a problem in heat dissipation efficiency because the thermal conductivity of the sapphire substrate is about 27 W / mK and the heat resistance is very large, and the flip chip method has a large number of photolithography processes. The manufacturing process was complicated and required.
이러한 문제점들과 관련하여 사파이어 기판을 제거하는 LED의 수직구조가 크게 주목받고 있다. In connection with these problems, the vertical structure of the LED for removing the sapphire substrate has attracted much attention.
이와 같은 수직구조의 LED에서는 사파이어 기판의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 레이저 리프트 오프(LLO: Laser Lift Off) 방법을 이용하여 사파이어 기판을 제거하고 소자를 제작하게 된다. In order to solve the above problems of the sapphire substrate in the vertical LED, the sapphire substrate is removed by using a laser lift off (LLO) method to manufacture the device.
즉, 도 1과 같이, 사파이어 기판(1) 위에 n형 GaN 층(2), 활성층(3), p형 GaN 층(4)으로 이루어지는 GaN 박막을 차례로 형성하고, 그 위에 p형 전극(5)을 형성한다. 이 오믹전극을 이루는 p형 전극(5) 위에는 반사효율을 높이기 위한 반사전극(6)이나 금속 지지층(metal support)을 더 형성하기도 한다.That is, as shown in FIG. 1, a GaN thin film composed of an n-
이와 같이, 형성된 칩에서, 레이저 리프트 오프 방법을 적용하여, 사파이어 기판(1) 전체를 제거하게 된다.In this way, in the formed chip, the laser lift-off method is applied to remove the
이때, 레이저 입사시 GaN 박막에는 레이저에 의한 스트레스(Stress)가 가해지게 되는데, 사파이어 기판(1)과 GaN 박막을 분리 하기 위해서는 높은 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔을 사용하여야 하며, 이 레이저 빔에 의하여 금속 Ga과 기체 질소(N2)로 분해하게 된다. At this time, a stress caused by a laser is applied to the GaN thin film when the laser is incident. In order to separate the
이와 같이, 기판(1)을 제거한 후에는 도 2에서와 같이, 드러난 n형 GaN 층(2) 위에 n형 전극(7)을 형성하여, 칩의 구조를 이루게 된다.As described above, after the
도시하는 바와 같이, 이러한 수직형 LED 구조에서는 n형 GaN 층(2)이 최상부에 위치하게 되어, n형 GaN 층(2)의 접촉 영역의 면적이 전체 발광효율에 큰 영향을 끼치게 된다.As shown, in such a vertical LED structure, the n-
그러나, GaN 물질의 굴절률은 2.35로서, 굴절률이 1인 공기와 직접 닿게 되는 경우에는 빛이 LED 내부에서 전반사를 일으키지 않고 GaN 층에서 외부로 나올 수 있는 각도는 수직선으로부터 25°정도밖에 되지 않아, 발광 효율이 높지 않은 문제점이 있었다.However, the refractive index of the GaN material is 2.35, and when it comes into direct contact with air having a refractive index of 1, the angle at which light does not cause total reflection inside the LED and exit from the GaN layer is only about 25 ° from the vertical line. There was a problem that the efficiency is not high.
본 발명의 기술적 과제는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, GaN 반도체층과 투명 전도성 산화물(TCO: transparent conductive oxide)이 오믹 접촉을 이루도록 하는 게터 메탈을 이용하여 발광효율과 광추출효과를 증대시킬 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The technical problem of the present invention is to solve the problems as described above, by using a getter metal to make the GaN semiconductor layer and the transparent conductive oxide (TCO: ohmic contact) to increase the luminous efficiency and light extraction effect It is intended to provide a vertical light emitting device and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 복수의 반도체층과; 상기 반도체층의 일측면에 위치하는 제1전극과; 상기 반도체층의 타측면에 위치하는 질소 게터 메탈층과; 상기 게터 메탈층에 인접하여 위치하는 TCO층과; 상기 TCO층에 인접하여 위치하는 제2전극을 포함하여 구성함으로써 달성된다.In order to achieve the technical problem of the present invention as described above, the present invention, a plurality of semiconductor layers; A first electrode on one side of the semiconductor layer; A nitrogen getter metal layer located on the other side of the semiconductor layer; A TCO layer positioned adjacent to the getter metal layer; It is achieved by including a second electrode located adjacent to the TCO layer.
상기 복수의 반도체층은, GaN 계열 반도체층으로서, p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 위에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 위에 위치하는 n형 반도체층을 포함하여 구성된다.The plurality of semiconductor layers are GaN-based semiconductor layers, comprising: a p-type semiconductor layer; An active layer positioned on the p-type semiconductor layer; It comprises an n-type semiconductor layer located on the active layer.
상기 게터 메탈층은 상기 인접 반도체면을 질소가 부족한 표면상태로 만드는 것으로서, Ti, Zr, Cr 중 적어도 어느 하나를 이용하여 제작된다.The getter metal layer makes the adjacent semiconductor surface a surface state lacking nitrogen, and is manufactured using at least one of Ti, Zr, and Cr.
상기와 같은 본 발명의 다른 기술적 과제는, 하부 전극 위에 형성되는 복수의 GaN 계열 반도체층 위에 질소 게터 메탈층을 형성하는 단계와; 상기 게터 메탈층 위에 TCO층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층과 게터 메탈층의 계면을 포함하여 열처리를 수행하는 단계와; 상기 TCO층 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성함으로써 달성된다.Another technical problem of the present invention as described above comprises the steps of: forming a nitrogen getter metal layer on a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the lower electrode; Forming a TCO layer on the getter metal layer; Performing a heat treatment including an interface between the semiconductor layer and the getter metal layer; And forming an upper electrode over the TCO layer.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3에서와 같이, 본 발명의 발광 소자의 제작은, 먼저, 사파이어 기판(10) 위에 GaN 계열 반도체층(20)과 제1전극(30)을 형성한다.As shown in FIG. 3, in manufacturing the light emitting device of the present invention, first, a GaN
도시하는 바와 같이, 반도체층(20)은, n형 반도체층(21)과, 활성층(22), 및 p형 반도체층(23)으로 이루어지며, 그 위에 반사효율을 높이기 위한 반사전극(40)이나 금속 지지층(metal support)을 더 형성하기도 한다.As shown in the drawing, the
반도체층(20)이 상기와 같은 순서로 형성될 경우, 상기 제1전극(30)은 p형 전극이 된다.When the
이와 같이, 형성된 칩에서, 레이저 리프트 오프 방법을 적용하여, 사파이어 기판(10) 전체를 제거하게 된다.As such, in the formed chip, the laser lift-off method is applied to remove the
이때, 레이저 입사시 GaN 박막에는 레이저에 의한 스트레스(Stress)가 가해지게 되는데, 사파이어 기판(10)과 GaN 박막을 분리 하기 위해서는 높은 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔을 사용하여야 하며, 이 레이저 빔에 의하여 금속 Ga과 기체 질소(N2)로 분해하게 된다. At this time, a stress caused by a laser is applied to the GaN thin film when the laser is incident. In order to separate the
이와 같이, 기판(10)이 제거된 n형 반도체층(21) 표면에는, 도 4에서 도시하는 바와 같이, Ti, Zr, Cr 등과 같은 질소 게터(Getter) 특성을 갖는 금속으로 게터 메탈층(50)을 형성한다.As such, as shown in FIG. 4, the
상기 게터 메탈(Ti, Zr, Cr)의 증착은 계면에 아주 적은 양을 코팅 또는 도핑(Doping)함으로써 이루어지는데, 증착 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같은 PVD, 유기 금속 precursor를 이용한 MOCVD, 이온 임플란팅(ion implanting) 등과 같은 여러 가지 방법을 공정의 편의성에 따라서 선택할 수 있다. The deposition of the getter metals (Ti, Zr, Cr) is performed by coating or doping a very small amount at the interface, and the deposition method is PVCVD, such as sputtering, MOCVD using organic metal precursors, and ions. Various methods, such as ion implanting, can be selected depending on the convenience of the process.
이런 게터 메탈층(50)을 증착 한 후, 그 위에 굴절율이 적합한 TCO(Transparent Conducting Oxide)층(60)을 증착하여 광적출효과를 극대화할 수 있다. After depositing the
이러한 TCO층(60)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용하는 것이 바람직하다.The
이렇게 반도체층(20) 위에 게터 메탈층(50)과 TCO층(60)이 형성된 이후에는 도 5에서 도시하는 바와 같이, 열처리를 수행한다.After the
일반적으로 알려져 있는 바와 같이 ITO 등과 같은 TCO(Transparent Conducting Oxide)의 경우, 도 6에서 도시하는 바와 같이, n형 및 p형 GaN 모두와 오믹 접촉(ohmic contact)을 이루지 못한다.As is generally known, in the case of a transparent conducting oxide (TCO) such as ITO, as shown in FIG. 6, ohmic contact with both n-type and p-type GaN is not made.
그러나 수직형 발광 소자의 경우, 상기 구조와 같이, 최상위층(Top layer)에 굴절율 관점에서 효율적인 TCO층(60)을 적용할 수 있다면, 광 추출면에서 상당한 장점을 보일 수 있다.However, in the case of the vertical light emitting device, if the
최근의 연구 결과에 의하면 ITO/GaN 계면에서 열처리 시에 Ga-N이 분해(decomposition)되는 현상이 관찰되고 있다. 일반적으로 n형 GaN의 오믹접촉(ohmic contact)은 표면 Ga-N의 질소(Nitrogen)와의 반응물을 형성하여 질소가 부족한(Nitrogen deficient) 표면상태를 만들어 오믹 접촉(ohmic contact)을 형성하는 것으로 보고되고 있다.Recent studies have shown that Ga-N decomposes during heat treatment at the ITO / GaN interface. In general, ohmic contact of n-type GaN is reported to form a reactant with nitrogen of surface Ga-N to form a nitrogen-deficient surface state to form ohmic contact. have.
따라서, 상기 질소 게터 메탈층(50)은 Ga-N 구조에서의 질소(Nitrogen)를 제거함으로써 오믹(Ohmic) 특성과 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the nitrogen
잘 알려져 있는 바와 같이 Ti 등과 같은 금속은 Ti-N의 화합물을 잘 형성할 뿐만 아니라 Ti-N 자체가 금속성의 전도성을 띠므로 화합물 형성에 따른 전극 특성 의 저하는 충분히 막을 수 있다.As is well known, metals such as Ti not only form Ti-N compounds well, but also Ti-N itself has a metallic conductivity, and thus, deterioration of electrode characteristics due to compound formation can be sufficiently prevented.
이와 같이, TCO층(60)을 형성한 후에는, 다시 도 4에서와 같이, 이 TCO층(60) 위에 n형 전극으로서 제2전극(70)을 형성하여, 칩의 구조를 이루게 된다.In this manner, after the
따라서, TCO층(60)으로서 ITO를 이용할 수 있게 되는 것이고, 결과적으로 GaN 물질 내부의 빛이 빠져나올 수 있는 광추출각도(escape angle)가 크게 향상될 수 있다.Thus, ITO can be used as the
간단한 계산에 의하면 GaN로부터 바로 외부(공기)로 빠져나올 수 있는 광추출각도(escape angle)이 대략 25° 정도이나, ITO를 사용할 경우, 54.78°로 크게 향상 되는 것을 알 수 있다. Simple calculations show that the angle of light extraction (escape), which can escape directly from GaN to the outside (air), is approximately 25 °, but greatly improves to 54.78 ° when ITO is used.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.The above embodiment is an example for explaining the technical idea of the present invention in detail, and the present invention is not limited to the above embodiment, various modifications are possible, and various embodiments of the technical idea are all protected by the present invention. It belongs to the scope.
이상과 같은 본 발명은 투명 전도성 산화물(TCO: transparent conductive oxide)을 형성함에 있어서, 게터 메탈층을 이용하여 GaN 반도체층과 오믹 접촉을 이룰 수 있도록 함으로써, 전류 확산 효과에 의하여 발광효율이 증가하고, 광추출각도를 크게 향상시켜 광추출효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.In the present invention as described above, in forming a transparent conductive oxide (TCO), by using the getter metal layer to make ohmic contact with the GaN semiconductor layer, the luminous efficiency is increased by the current diffusion effect, By greatly improving the light extraction angle is to have an effect that can increase the light extraction effect.
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