KR101115569B1

KR101115569B1 - 발광 다이오드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101115569B1
Application number: KR1020080096136A
Authority: KR
Inventors: 서원철; 김창연; 윤여진; 이장우; 김윤구; 김종규; 이준희
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-03-09
Also published as: KR20100036760A

Abstract

제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 Ag를 포함하는 다수의 금속 나노섬들(nano islands)로 이루어진 금속 나노섬층; 상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 금속 반사층을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

발광 다이오드, Ag, 반사층, 반사전극, Ag합금, 반사

Description

발광 다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 개선된 금속 반사층 구조를 가지는 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드, 예를 들어 플립형 발광 다이오드, 수직 전극형 발광 다이오드는 기판위에 형성된 제1 도전형 반도체층(예를 들어 N-GaN), 활성층, 제2 도전형 반도체층(예를 들어 P-GaN)의 구조를 가지며, 활성층에서 발생된 광을 기판쪽으로 반사시키기 위해 제2 도전형 반도체층 위에 금속 반사층이 형성된 구조를 가질 수 있다.

은(Ag)과 알루미늄(Al)은 가시광 영역에서 높은 광반사도를 가진다. 그러나, 이들 물질은 질화물 반도체와 산화물 사파이어 등과 같은 표면에 증착할 경우 표면의 접착 특성 및 옴익 특성에 있어 제약이 있기 때문에 반사물질 전에 박막의 금속 또는 전도성 산화막을 증착하여 사용하였다. 그러나, 반사물질 전에 접착 특성 및 옴익 특성을 개선하기 위하여 사용되는 대부분의 물질이 반사도 및 투명도가 뛰어나지 못하므로 Ag, Al의 반사도를 상당 부분 감소시키는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 반사층의 구조를 가지는 발광 다이오드에서 Ag를 포함하는 다수의 나노섬들로 이루어지는 금속 나노섬층과, 상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 금속 반사층을 구비하여 개선된 광추출 효과를 가지는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일측면에 의하면, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 Ag를 포함하는 다수의 금속 나노섬들로 이루어진 금속 나노섬층; 상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 금속 반사층을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

바람직하게는, 상기 금속 나노섬층은 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 금속 나노섬들은 50nm미만(0은 포함하지 않음)의 크기를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 금속 반사층은 Ag 또는 Al을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드는 상기 금속 나노섬층과 상기 금속 반사층 사이에 상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 접착 금속층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판위에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층위에 Ag를 포함하 는 금속층을 증착하는 단계; 상기 증착된 금속층을 열처리하여 다수의 금속 나노섬들로 이루어지는 금속 나노섬층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노섬층을 덮는 금속 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 열처리는 850℃ ~ 1100℃의 온도에서 10분 이상 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드 제조 방법은 상기 금속 반사층을 형성하기 전에 상기 금속 반사층과 상기 금속 나노섬층 사이에 상기 금속 나노섬층을 덮는 접착 금속층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 제2 도전형 반도체층, 예를 들면 P-GaN층위에 Ag를 포함하는 다수의 금속 나노섬들로 이루어지는 금속 나노섬층을 형성한 후 그 위에 Ag 또는 Al을 포함하는 금속 반사층을 형성함으로써 P-GaN층에 대한 금속 반사층의 접착력이 강화되고, Ag를 포함하는 나노섬들이 활성층으로부터 발생된 광을 산란시켜 광반사 효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 도전성 기판(71) 상에 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 도전성 기판(71)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들이다. 예를 들어, (Al,Ga,In)N 반도체층이다.

화합물 반도체층들과 도전성 기판(71) 사이에 Ag를 포함하는 다수의 금속 나노섬들(nano islands)(61)로 이루어지는 금속 나노섬층이 형성되고, 금속 나노섬층을 덮어 Ag 또는 Al을 포함하는 금속 반사층(63)이 형성된다.

금속 나노섬층을 이루는 다수의 금속 나노섬들(61)은 순수한 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어진 금속 나노섬들일 수 있다. Ag 합금으로는 예를 들면, Ag를 주성분으로 하고 Cu, Al, Sn, Au, Mg, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 예컨대, 0.5 - 10 atomic %의 함유로 포함할 수 있다.

금속 나노섬층의 금속 나노섬들(61)은 금속 반사층(63)을 P형 반도체층(59)에 접착시키는 매개층 및 광의 산란층 기능을 수행할 수 있다. Ag를 포함하는 금속 나노섬들(61)의 크기는 50nm 미만(0은 포함하지 않음)이 적절하다. 이러한 크기의 금속 나노섬들(61)은 P형 반도체층(59)위에 Ag를 포함하는 금속(순수한 Ag 또는 상기한 Ag 합금)을 10nm 이하(0은 포함하지 않음)의 두께로 증착한 후 예컨대 850℃ ~ 1100℃의 온도에서 약 10분 정도로 열처리를 통하여 형성될 수 있다.

50nm 미만(0은 포함하지 않음)의 크기를 가지는 금속 나노섬들(61)은 이후의 공정에서 금속 반사층(63)이 P형 반도체층(59)위에 증착될 때, P형 반도체층(59)에 대한 금속 반사층(63)의 접착력을 강화시키는 매개층이 된다.

또한, 금속 나노섬층의 금속 나노섬들(61)은 활성층(57)로부터 발생된 광들에 대한 산란을 유발한다. 따라서, 금속 나노섬층은 광산란층의 기능을 수행한다.

금속 반사층(63)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성된다. 이외에도 금속 반사층(63)은 은(Ag)의 합금 또는 알루미늄(Al)의 합금을 사용할 수 있다.

보호 금속층(65)은 접착층(67) 또는 도전성 기판(71)으로부터 금속원소들이 금속 반사층(63)으로 확산되는 것을 방지하여 금속 반사층(63)의 반사도를 유지시킬 수 있다. 보호 금속층(65)에 사용되는 금속은 광반사 기능보다는 금속 반사층(63)과의 접착력과 금속 반사층(63)의 황변을 막는 기능에 중점을 두어 선택될 수 있다. 보호 금속층(65)은 예를 들어 Ni, Ti, Ta, Pt, W, Cr, Pd 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

접착층(67)은 도전성 기판(71)과 금속 반사층(61)의 접착력을 향상시켜 도전성 기판(71)이 금속 반사층(61)으로부터 분리되는 것을 방지한다.

한편, 도전성 기판(71)에 대향하여 화합물 반도체층들의 상부면에 전극패드(83)가 위치한다. 이에 따라, 도전성 기판(71)과 전극 패드(83)를 통해 전류를 공급함으로써 광을 방출할 수 있다.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들 또는 사진이다.

도 2를 참조하면, 희생 기판(51) 상에 화합물 반도체층들이 형성된다. 희생 기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 N 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59)을 포함한다. 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들로, 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 성장될 수 있다.

한편, 화합물 반도체층들을 형성하기 전, 버퍼층(53)이 형성될 수 있다. 버퍼층(53)은 희생 기판(51)과 화합물 반도체층들의 격자 부정합을 완화하기 위해 채택되며, 일반적으로 질화갈륨 계열의 물질층일 수 있다.

도 3을 참조하면, P형 반도체층(59)상에 Ag를 포함하는 금속을 증착하여 금속층(60)을 형성한다. 상기 금속층(60)의 재질은 순수한 Ag 또는 Ag 합금일 수 있다. Ag 합금은 Ag를 주성분으로 하고 Cu, Al, Sn, Au, Mg, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 및 La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 예컨대, 0.5 - 10 atomic %의 함유로 포함할 수 있다. 상기 금속층(60)은 열증착기, 이빔 증착기, 스퍼터링, 레이저 증착기 등의 공지된 증착방법을 이용하여 증착될 수 있다. 상기 사용된 금속층(60)의 증착두께는 예를 들어 10nm이하로 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 금속층(60)을 형성한 후 예를 들어, 진공, 질소, 또는 아르곤 등의 분위기에서 열처리한다. 이에 따라, P형 반도체층(59)위에 금속층(60)은 다수의 나노섬들(nano islands)(61)로 이루어지는 금속 나노섬층이 형성된다(도 5의 사진을 참조). 금속 나노섬층의 금속 나노섬들(62)은 예를 들어, 50nm이하(0은 포함하지 않음)의 크기를 가지며 형성된다. 열처리 온도는 열에 의해 금속층(60)으로부터 금속 나노섬들(61)이 형성될 수 있는 온도 이상으로 예를 들어, 850℃ ~ 1100℃의 온도에서 10분 이상으로 열처리할 수 있다.

도 6을 참조하면, 금속 나노섬들(61)로 이루어지는 금속 나노섬층이 형성된 상태에서, 금속 나노섬층을 덮는 금속 반사층(63)을 형성한다. 금속 반사층(63)은 예컨대 50nm - 100nm일 수 있다. 금속 반사층(63)은 예컨대, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 도금 또는 증착기술을 사용하여 형성될 수 있다. 금속 반사층(63)에는 은(Ag) 합금 또는 알루미늄(Al) 합금이 사용될 수도 있다.

도 7을 참조하면, 금속 반사층(63)위에는 보호 금속층(65)이 형성된다. 보호 금속층(65)은 예를 들어 Ni, Ti, Ta, Pt, W, Cr, Pd 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

보호 금속층(65)위에는 도전성 기판(71)이 형성된다. 도전성 기판(71)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판을 화합물 반도체층들 상에 부착하여 형성될 수 있다. 이때, 도전성 기판(71)은 접착층(67)을 통해 보호 금속층(65)에 부착될 수 있으며, 한편, 상기 도전성 기판(71)은 도금기술을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 보호 금속층(65)상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(71)이 형성될 수 있으며, 접착력을 향상시키기 위한 접착층(67)이 추가될 수 있다.

도 8을 참조하면, 희생 기판(51)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생 기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층(53)도 함께 제거되어 N형 반도체층(59)이 노출된다.

이어서, 전극패드(83)가 N형 반도체층(55) 상에 형성된다. 이후, 도전성 기판(71)을 절단하여 개별 발광 다이오드 칩들로 분리함으로써 도 1에 도시되어 있는 복수개의 수직형 발광 다이오드들이 제조될 수 있다. 이때, 미리 정의된 스크라이빙 라인들을 따라 도전성 기판(71)이 절단된다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 본 발명의 일실시예에서는 P형 반도체층(59)에 금속 나노섬들(61)로 이루어진 금속 나노섬층을 형성한 다음, 금속 나노섬들(61)을 덮어 금속 반사층(63)을 형성하였다. 본 발명의 다른 실시예에서는 도 1 내지 도 8에 도시된 실시예와 거의 같으며, 도 4 및 도 6에서 설명된 금속 나노섬(61) 및 금속 반사층(63)의 형성 공정에서 변형이 이루어졌다.

본 발명의 다른 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 P형 반도체층(59)에 금속 나노섬들(61)로 이루어진 금속 나노섬층을 형성한 다음, 도 9에 도시된 바와 같이 금속 나노섬들(59)을 덮도록 접착 금속층(62)을 얇게 예컨대, 5Å ~ 10Å 정도로 증착하여 형성한다. 접착 금속층(62)은 예컨대, Pt, Ti, Cr이 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

이후, 도 10을 참조하면, 접착 금속층(62)을 덮는 금속 반사층(63)을 형성한다. 금속 반사층(63)은 도 6에서 설명된 바와 같이 예컨대 50nm - 100nm일 수 있으며, 예컨대, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 도금 또는 증착기술을 사용하여 형성될 수 있고, 은(Ag) 합금 또는 알루미늄(Al) 합금이 사용될 수도 있다.

상기 접착 금속층(62)은 얇게 형성됨에 따라 광반사에 크게 영향을 주지 않으면서도 금속 나노섬들(61)과 시너지 효과를 내어 금속 반사층(63)의 접착력을 향상시킴으로써 발광 다이오드의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 반사 금속층을 구비하는 발광 다이오드중에서 수직형 발광 다이오드에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 구조위에 활성층으 로부터 발생된 광을 반사시키기 위한 금속 반사층의 구조를 가지는 어떠한 발광 다이오드에도 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 금속 반사층 위에 도전성 기판을 구비하여 발광 다이오드의 상하에 전극을 구비하는 발광 다이오드에 대하여 설명하였지만, 도전성 기판을 구비하지 않고도 절연성 기판을 구비하고 한쪽 면에 N형 전극, P형 전극이 형성될 수 도 있다.

Claims

제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층;

상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 Ag를 포함하는 다수의 금속 나노섬들로 이루어진 금속 나노섬층;

상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 금속 반사층을 포함하며;

상기 금속 나노섬층과 상기 금속 반사층 사이에 상기 금속 나노섬층을 덮어 형성된 접착 금속층을 더 포함하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 금속 나노섬층은 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어진 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 금속 나노섬들은 50nm미만(0은 포함하지 않음)의 크기를 가지는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 금속 반사층은 Ag 또는 Al을 포함하는 발광 다이오드.
삭제
기판위에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;

상기 제2 도전형 반도체층위에 Ag를 포함하는 금속층을 증착하는 단계;

상기 증착된 금속층을 열처리하여 다수의 금속 나노섬들로 이루어지는 금속 나노섬층을 형성하는 단계;

상기 금속 나노섬층을 덮는 금속 반사층을 형성하는 단계를 포함하며;

상기 금속 반사층을 형성하기 전에 상기 금속 반사층과 상기 금속 나노섬층 사이에 상기 금속 나노섬층을 덮는 접착 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 열처리는 850℃ ~ 1100℃의 온도에서 10분 이상 수행되는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 금속 나노섬층은 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어진 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 금속 반사층은 Ag 또는 Al을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
삭제