KR101156228B1 - 백색 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백색 발광 다이오드와 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 형광체가 없이 제조된 백색의 발광 다이오드에 관한 것이다. 본 발명의 발광 다이오드의 제조 방법은 기판 위에 단층 이상의 GaN 층을 형성하는 단계; 상기 GaN층 위에 n형으로 도핑된 제1 AlGaN 층을 형성하는 단계; 상기 제1 AlGaN 층 위에 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 제2 AlGaN 층을 형성하는 단계; 상기 제2 AlGaN 층 위에 p형으로 도핑된 제3 AlGaN 층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 AlGaN 층에는 인듐(In) 원소가 첨가되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법으로 제조된 발광 다이오드에서는 인듐(In) 원소가 첨가된 AlGaN 층에 사용 되는 알루미늄(Al) 원소의 조성 변화 및 인듐(In) 원소의 첨가량에 따라 파랑, 녹색, 노랑색 외에 적색 영역의 빛이 방출되어 혼합되어 백색의 빛이 형광체 없이 발광될 수 있다.

AlGaN, 수소화물 기상에피택시(HVPE), 인듐(In), 백색 발광다이오드

Description

백색 발광 다이오드 및 그 제조방법{White light emitting diode and manufacturing method thereof}

도 1 내지 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 평면 사진이다.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드의 단면에 대해 실시한 음극선 발광 (cathodo-luminescence: CL) 측정의 결과이며,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드 소자에 대해 실시한 포토 발광 (photo-luminescence: PL) 측정의 결과이고,

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드 소자에 대해 실시한 전장 발광 (electro-luminescence: EL) 측정의 결과이다.

본 발명은 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 백색 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 사파이어 기판 위에 성장된 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 백색 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 발광 다이오드는 다양한 응용분야에 사용되고 있으며, 특히 조명 및 디스플레이 분야에서 사용되기 위하여 백색 발광 다이오드 개발이 진행되고 있다. 백색 발광 다이오드 분야는 일본의 니치아(Nichia)사의 형광체에 의한 백색 발광 다이오드가 대표적이다. 형광체의 경우 니치아(Nichia)사가 사용하는 칩의 파장 범위 450nm 내지 475nm에 대한 YAG 형광체 방식을 비롯하여 다양한 화학구조의 변화에 의해 다른 성분의 다른 형광체를 사용하고 있다. 또한 오스람(Osram)사의 형광체의 입도 사이즈에 관한 특허를 비롯하여 다양한 크기의 변화로 개발되고 있다.

백색 발광 다이오드를 제조하는 방법으로는 빛의 삼원색인 빨강, 파랑, 녹색의 발광 다이오드를 모두 사용하는 방법이 있으나, 각각의 발광 다이오드에 대한 제어 기술이 요구되는 등 구조가 복잡하게 되며, 따라서 제품의 크기가 커지고 제조비용이 고가인 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해 제안된 InGaN계 청색 발광 다이오드에 YAG:Ce 형광체를 조합한 백색 발광 다이오드는 450nm의 파장을 가지는 청색 발광다이오드에 의해 청색광의 일부가 YAG:Ce 형광체를 여기 시켜서 황록색 영역의 형광을 발생시키게 되며, 청색발광다이오드의 파랑색과 황록색이 조합되어 백색을 발광시키도록 구성되어있다.

하지만, 이러한 백색 발광 다이오드의 경우에는 빛의 색 표현이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있어 여기 광원으로 자외선 영역의 발광다이오드를 사용하고 빨강, 파랑 및 녹색을 모두 조합한 형광체에 의한 백색 발광다이오드가 제조되고 있다. 이런 형광체도 적색 부분의 광 강도가 높지 않아 큰 실효성을 얻지 못하고 있 는 실정이다.

다른 한편으로는 InGaN 다중 양자우물 구조에서 양자우물을 구성하고 있는 InGaN 층의 인듐(In) 원소의 조성을 다르게 하여 다중 양자우물을 구성함으로서 파랑과 노랑 혹은 파랑, 녹색 그리고 빨강색, 즉 2파장 다중 양자우물 구조 혹은 3파장 다중 양자우물 구조를 형성하는 방법이 있다. 이런 경우 다중 양자우물 내에 인듐(In) 원소의 조성비가 서로 다른 양자우물을 형성하는데, 이러한 InGaN 양자우물구조는 파장이 긴 쪽은 인듐(In) 원소의 조성이 20% 이상의 수준으로 매우 높게 만들어야 한다.

이와 같이 인듐(In) 원소의 조성이 높을 경우 갈륨 나이트라이드(GaN) 층과 같은 아래층과의 격자 부정합이 발생하게 된다. 또한, 결함에 의해 발광효율의 저하 및 신뢰성에 많은 문제점이 나타나게 된다. 따라서 형광체의 도포 공정, 형광체 재료의 비용, 인듐(In) 조성이 높은 양자우물의 성장 등이 필수적으로 요구된다.

따라서 상기와 다른 조성 및 구조를 가지는 백색 발광 다이오드의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 형광체를 사용하지 않고 직접 발광다이오드에서 백색광이 방출되는 백색 발광 다이오드와 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 질화물 반도체를 이용하고 형광체를 사용하지 않으면서 제조 공정이 간단한 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 백색 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제 및 기타 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 발광 다이오드 제조 방법은 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 발광 다이오드를 제조하는 방법으로서, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 위에 단층 이상의 GaN 층을 형성하는 단계; 상기 GaN층 위에 n형으로 도핑된 제1 AlGaN 층을 형성하는 단계; 상기 제1 AlGaN 층 위에 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 제2 AlGaN 층을 형성하는 단계; 상기 제2 AlGaN 층 위에 p형으로 도핑된 제3 AlGaN 층을 형성하는 단계; 상기 제3 AlGaN 층 위에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 GaN 층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 AlGaN 층에는 인듐(In) 원소가 첨가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르는 발광 다이오드는 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 발광 다이오드에 있어서, 기판; 상기 기판 위에 형성된 단층 이상의 GaN 층; 상기 GaN층 위에 형성되며 n형으로 도핑된 제1 AlGaN 층; 상기 제1 AlGaN 층 위에 형성되며 인듐(In) 원소가 첨가된 제2 AlGaN 층; 상기 제2 AlGaN 층 위에 형성되며 p형으로 도핑된 제3 AlGaN 층; 상기 제3 AlGaN 층 위에 형성된 제1 전극; 및 상기 GaN 층 위에 형성된 제2 전극을 포함하며, 상기 제2 AlGaN 층에는 알루미늄(Al) 원소, 인듐(In) 원소, 갈륨(Ga) 원소의 조합으로 이루어지는 화합물들이 혼합된 상태로 존재하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명 이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 제조 방법은 먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 준비된 기판(10) 위에 갈륨 나이트라이드(GaN) 층을 형성한다. GaN 층을 성장시키기 위한 기판에 사용되는 물질은 격자 상수 및 결정 특성 등이 유사한 사파이어나 실리콘 카바이드(SiC)가 주로 사용된다.

도면에 나타낸 바와 같이 상기 GaN 층은 복수 층으로 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 버퍼 GaN 층(20)과 도핑되지 않은 GaN 층(30), 그리고 n-형 GaN 층(40)을 차례로 형성한다. 상기 버퍼 GaN 층(20)과 상기 도핑되지 않은 GaN 층(30)은 유기금속 화학기상 증착(MOCVD) 방법을 이용하여 성장시키며, 상기 도핑되지 않은 GaN 층(30) 성장 후에 연속적으로 MOCVD 방법 혹은 수소화물 기상에피택 시(HVPE) 방법을 이용하여 n-형 GaN 층(40)을 성장시킨다. 이 때, GaN 층의 성장 온도는 대략 950℃ 내지 1050℃ 범위이고, 그 성장 두께는 대략 1 내지 10μm 이상으로 한다.

다음으로, 도 2와 같이 n-형 GaN 층(40) 위에 소정 형상의 개구부를 가지는 마스크(50)를 형성하고, 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 n-형 AlGaN 층(60)을 선택 성장 방법으로 형성한다.

상기 n-형 AlGaN 층(60)을 포함한 발광 다이오드는 복수개의 AlGaN 층(60, 70, 80) 및 전극과의 접촉 특성 향상을 위한 p-형 GaN 층(90)을 형성한 후 건식 식각 공정에 의해 소정의 패턴을 형성할 수도 있다. 본 실시예에서와 같이 마스크(50)를 이용하여 발광 다이오드를 제조하는 경우에는 패턴 형성을 위해 건식 식각 공정을 생략할 수 있으므로, 플라즈마를 이용하여 식각을 진행하는 과정에서 발생할 수 있는 소자의 손상이나 스트레스를 방지할 수 있는 효과가 있다. 특히, 미세한 결함이나 불순물에 의해서도 그 특성이 현저히 변화할 수 있는 화합물 반도체 소자에서는 이와 같이 플라즈마에 의한 손상을 최소화 하는 공정을 통해 소자의 재현성 및 신뢰성을 높일 수 있다.

상기 마스크(50)는 그 위로 AlGaN 층의 에피택시 성장이 어렵고, 공정 완료 후에 제거가 용이한 실리콘 산화막(SiO₂) 등의 물질로 형성할 수 있으며, 5000Å 정도의 두께로 형성된다. 상기 형성된 마스크(50) 실리콘 산화막은 원(circle) 형상과 같은 소정의 형상의 개구부를 가지도록 패터닝(patterning) 공정이 수행된다. 상기 패터닝 공정은 사진식각 공정을 통해 진행되는 것이 일반적이다. 이와 같이 개구부를 갖춘 실리콘 산화막 마스크(50)가 형성된 상태에서 AlGaN 층의 에피택시 층을 성장하는 경우에는, 개구부 이외의 실리콘 산화막 위에서는 에피택시 층이 성장하지 않고 개구부가 형성되어 하부의 GaN 층이 노출된 지역에서만 에피택시 층이 성장하게 된다. 이때 원형 형상의 개구부는 발광 다이오드 소자의 AlGaN 층이 형성될 지역이며, 하부전극의 형성될 지역은 소자의 사용 목적에 따라 십자 패턴 등으로 마스크 형성 단계에서 미리 정의 될 수 있다.

도 6은 상기 본 발명의 일 실시예에 따라 소정의 형상을 가진 마스크(50)를 먼저 형성하고 AlGaN 층을 성장시킨 발광 다이오드 소자를 위쪽에서 전자 현미경으로 촬영한 평면 사진이다. 원형 형상의 개구부를 이용하여 공정을 진행한 결과, 복수 개의 AlGaN 층은 차례로 원기둥 형상을 나타내며 적층되어 성장하였음을 볼 수 있다. 사진에 보이는 발광 다이오드 소자는 하부 전극의 보조 전극 형성을 위해 원형 형상 안쪽으로 십자 패턴을 추가한 것이다.

HVPE 방법과 같은 에피택시 방법을 이용하여 n-형 AlGaN 층(60)을 선택적으로 성장시켜서, 결함밀도가 작은 n-형 AlGaN 층을 성장한다. 활성층을 사이에 두고 위치하는 이러한 AlGaN 층은 클래드(clad) 층으로써 기능하게 된다. 본 실시예에서는 n-형 도핑을 위한 불순물 원소로 텔루륨(Te)을 사용하였으며, n-형 AlGaN 층(60)의 두께는 1 내지 50μm로 하였으며, 형성 온도는 1060 내지 1120℃ 의 범위에서 진행하였다.

다음으로 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 n-형 AlGaN 층(60) 위에 AlGaN 활 성층(70), p-형 AlGaN 클래드층(80), 및 p-형 GaN 캡핑층(90)으로 하는 발광 다이오드 구조(100)을 성장시킨다. AlGaN 활성층(70)은 n-형 또는 p-형으로 도핑되지 않으며, 1050 내지 1120℃의 온도에서 0.1 내지 1μm의 두께로 형성되며, p-형 AlGaN 클래드층(80)은 1050 내지 1120℃의 온도에서 1 내지 50μm의 두께로 형성한다. 즉, AlGaN 활성층(70)의 두께는 그 상하부에 위치한 클래드층(60, 80)과 비교하여 약 1/10 정도로 얇게 형성한다. 그 위에 p-형 GaN 캡핑층(90)을 1050 내지 1110℃의 온도에서 1μm 이내의 두께로 형성한다.

한편, 에피택시 성장에 있어서 마스크(50)로 사용된 실리콘 산화막은 이러한 발광 다이오드 구조(100)의 성장이 완료된 후에 습식 식각 등을 통해 제거된다.

이때, 상기 AlGaN 활성층(70)에는 인듐(In) 원소가 첨가된다. 본 발명의 실시예에서 백색광을 발현시키기 위한 알루미늄(Al) 원소와 인듐(In) 원소의 첨가 농도는 원자분률 기준으로 알루미늄(Al) 원소는 1% 내지 5%로 하였고, 인듐(In) 원소는 1% 미만의 미소량(약 0.1% 이상)으로 하였다.

본 실시예에서는 HVPE 방법을 적용하여 인듐(In) 원소가 첨가된 AlGaN 층을 성장하였다. 에피택시 성장을 위한 원료 물질로 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al), 인듐(In)이 원자분률 계산에 의해 혼합된 소스(source)를 준비하고 이를 HCl과 같은 수소화물을 이용해 (Al+Ga+In)HCl_n 과 같은 혼합물 소스를 형성한다. 이러한 혼합물 소스를 이용하고 질소 가스와 반응시켜 상기 인듐(In)이 첨가된 AlGaN 활성층(70)을 성장하는 경우에는 MOCVD 방법을 이용하는 경우와 달리 4원 화합물인 InAlGaN 화합물 형태보다는 각 원소들이 다양한 화합물을 형성하며 성장하게 된다.

이러한 공정에 대해 좀더 상세히 설명하면, 먼저 혼합된 소스(source)는 920 ℃ 이상의 온도에서 질소 분위기로 2시간 내지 5시간 정도의 담금(soaking) 공정을 하여준다. 충분히 담금 공정을 거친 소스는 다시 상온으로 식힌 후 표면에 남아있는 이물질을 제거하고 성장에 필요한 소스 온도로 올려준다. 이때 성장 온도는 담금 공정의 온도보다 20 ℃ 정도 낮게 하여 과포화 상태가 되도록 한다. 이렇게 형성된 용액에 염산(HCl)을 흘려 암모니아와 반응하게 하여 활성층을 형성 한다.

따라서 이들 4가지 원소(Ga, Al, N, In)들이 InAlGaN 화합물과 같은 4원 화합물을 이루기보다는 이들 원소들이 다양한 조합을 이루며 화합물을 형성하며 성장하게 된다. 즉, AlGaN 층이라는 표현을 사용하였지만, 미시적인 관찰에 의하면 AlGaN 화합물 이외에도 GaN, AlInN, AlIn 화합물 등 다양한 화합물이 상기 AlGaN 활성층(70) 내에 존재하게 된다. 또한, HVPE에 의해 성장된 양쪽의 클래드층(60, 80)도 모두 AlGaN 화합물로 구성된다. 이러한 구조에서는 불순물이나 반응 잉여물들(즉, 산소(O) 원소, 알루미늄(Al) 원소, 텔레륨(Te) 원소, 및 마그네슘(Mg) 원소 등)에 의한 영향과, 갈륨(Ga) 공공이나 그 혼합 결함에 의한 액셉터로 인한 점결함(point-defect) 관련 전자 산란 현상, 그리고 비방사성 재결합 중심(nonradiative recombination centers) 등과 관련된 다양한 화합물들 상호 간에 발광할 수 있는 구조를 이룰 수 있다.

또한, 상기 p-형 AlGaN 클래드층(80) 및 상기 p-형 GaN 캡핑층(90)에는 도핑을 위한 불순물 원소로 마그네슘(Mg)을 사용할 수 있다.

다음으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 발광다이오드 구조(100) 위에 제1 전극(110)을 형성하고, AlGaN 층이 형성되지 않은 n-형 GaN 층(40)에 제2 전극(120)을 형성한다.

그리고 도 5에 나타낸 바와 같이, 각 전극을 패드(도시하지 않음)를 통해 외부 전원과 연결될 수 있도록 구성하고, 개개의 소자를 절단하여 패키지를 하면 발광다이오드가 완성되게 된다.

결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 구조는 제1전극(110), 인듐(In) 원소가 첨가된 AlGaN 층(70)을 활성층으로 하고 n-형 AlGaN 클래드층(60), p-형 AlGaN 클래드층(80), p-형 GaN 캡핑층(90)을 포함하는 발광 다이오드 구조(100), 하부의 복수개의 GaN 층(20, 30, 40), 및 제2전극(120)으로 형성되게 된다. 원형 형상의 마스크를 사용하여 발광 다이오드 구조를 형성한 경우에는 AlGaN 층들(60, 70, 80) 및 그 상부의 p-형 GaN 캡핑층(90)의 최종 형상은 원기둥 형상을 가진다.

상기와 같은 발광 다이오드 구조에서 방출되는 빛은 상기 사파이어 기판(10) 및 선택성장된 층의 옆면과 윗면 층을 통과하여 방출되고, 방출 파장은 자외선과 파랑색에서 빨간색 영역에 이르는 빛이 혼합된 백색 영역이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드의 단면에 대해 실시한 음극선 발광(cathodo-luminescence: CL) 측정의 결과 그래프이다. 여기서 측정 대상은 갈륨(Ga) 원소 20g에 알루미늄(Al) 원소 0.06g, 인듐(In) 원소 0.01g의 원료 물질로부터 HVPE 방법에 의해 성장된 AlGaN 활성층(70)을 포함하는 발광 다이오드 구조(100)에 대한 절단면이며, 그래프의 가로축은 파장(단위: nm)을 나타내고 세로축은 음극선을 발광 다이오드의 단면에 주사하여 이로부터 방출되는 스펙트럼의 상대적인 강도를 나타낸다.

그래프에서 365nm 부근의 피크는 GaN 원소에 해당되며, 통상적으로 355 내지 360nm 부근에서 발견되는 AlGaN 원소의 피크는 그 양이 미소해서 잘 나타나지 않는 것으로 보이며, 380nm 부근의 피크는 산소 등과 같은 불순물 결함에 의한 것으로 추정된다. 또한, 450 내지 480nm 영역의 피크는 p-형 AlGaN 클래드층(80)에 첨가된 마그네슘(Mg) 원소에 의한 것으로 분석되며, 500nm 대의 피크 집합은 GaN 화합물에서의 질소 공핍 결함에 의한 것으로 분석된다. 그리고 590 내지 630nm 영역의 피크는 인듐(In) 원소 및 알루미늄(Al) 원소의 화합물 또는 이로부터 발생하는 결함에 의한 것으로 추정된다. 즉, 알루미늄(Al) 원소와 인듐(In) 원소는 AlGaN 화합물이나 (Al, In)GaN 화합물에 기여하는 외에 각각의 원소 성분으로도 잔류하여 붉은 색 파장의 빛을 발생시키게 된다.

일반적으로, 붉은 색 빛에 해당되는 600nm 파장 영역이 검출되기 위해서는 희토류 원소(예를 들어, Er, Eu 원소)를 첨가하여야 되는 것으로 보고 되고 있으나, 본 발명의 실시예에서는 활성층 성장에 있어서 알루미늄(Al) 원소 및 미소량의 인듐(In) 원소를 이용하고 이를 HVPE 방법으로 성장시키는 제조 공정을 통해서, 기존의 파랑, 노랑, 녹색 영역의 빛에 더하여 붉은 색 영역의 빛을 방출함으로써 이들이 혼합된 백색광을 방출하는 발광 다이오드를 구현할 수 있는 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드 소자에 대해 실시한 포토 발광(photo-luminescence: PL) 측정의 결과이다. 시료에 음극선을 조사하여 성분을 분석하는 음극선 발광 측정(CL) 측정과 달리, 포토 발광(PL) 측정은 325nm 파장의 강한 레이저빔을 성장층 위에 주사하여 발광 다이오드 내부에서 발생하는 빛의 스펙트럼을 분석하는 것이다. 도 8에서 보인 측정 결과는 도 7에서의 시료와 동일 조성을 가지는 발광 다이오드 소자에 대한 것이다.

적색의 그래프는 시료의 중심 부분에서 측정한 결과이며, 청색 그래프는 모서리 부분에서 측정한 결과이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 다양한 파장 영역에서 피크가 관찰되었으며, 이는 앞에서 기술한 것과 같이 AlGaN 화합물 이외에도 다양한 화합물이 상기 AlGaN 활성층(70) 내에 존재하는 불순물이나 반응 잉여물들(즉, 산소(O) 원소, 알루미늄(Al) 원소, 텔레륨(Te) 원소, 및 마그네슘(Mg) 원소 등), 갈륨(Ga) 공공이나 그 혼합 결함에 의한 액셉터로 인한 점결함(point-defect) 관련 전자 산란 현상, 그리고 비방사성 재결합 중심(nonradiative recombination centers) 등과 관련된 다양한 화합물들 상호 간에 발광할 수 있는 구조임을 보여주고 있다.

그래프에 나타나는 스펙트럼의 피크를 분석하면 415nm 파장 부근의 최대 피크를 중심으로 460nm 파장 부근, 550nm 파장 부근, 그리고 600nm 파장 부근에서 피크가 형성됨을 볼 수 있다. 이들 여러 가지 색을 나타내는 파장의 빛이 혼합되어 본 발명의 실시예에 따르는 발광 다이오드 소자는 별도의 형광체 없이도 백색 내지 백색에 가까운 빛을 방출하게 되는 것이다.

AlGaN 클래드층(60, 80)에 첨가된 마그네슘(Mg) 원소와 텔루륨(Te) 원소 역 시 500 내지 600nm 파장 영역에서 불순물 원소로서 결함 형성에 기능하고 있다고 보인다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 발광 다이오드 소자에 대해 실시한 전장 발광(electro-luminescence: EL) 측정의 결과이다. 시료에 음극선을 조사하여 성분을 분석하는 음극선 발광(CL) 측정과 강한 레이저를 성장층 위에 주사하여 내부에서 발생하는 빛의 스펙트럼을 분석하는 포토 발광(PL) 측정는 달리, 전장 발광(EL) 측정은 공정이 완료된 발광 다이오드 소자에 전장을 가하여 발생하는 빛의 스펙트럼을 분석하는 것이다. 즉, 발광 다이오드 소자의 활성층에서 발광되는 빛과 이로부터 여기 되는 불순물로부터의 빛의 스펙트럼을 분석하게 된다. 도 9에서 보인 측정 결과는 도 7, 8 에서의 시료와 동일 조성을 가지는 발광 다이오드 소자에 대한 것이다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 인듐(In) 원소가 추가된 경우와 그렇지 않은 경우의 발광 다이오드 소자에 대해서 주입전류의 크기를 달리 하면서 실시한 전장 발광(electro-luminescence: EL) 측정의 결과이다. 도 9a는 주입전류를 30mA로 한 경우이며, 도 9b는 주입전류를 5mA로 하였으며, 각각 인듐(In) 원소가 추가된 발광 다이오드(TL-WHLED17) 및 인듐(In) 원소가 추가되지 않은 발광 다이오드(TL-WHLED08)에 대해 전장 발광 측정을 한 결과이다.

그래프에서 볼 수 있듯이, 인듐(In) 원소가 첨가되면 파장대가 단파장의 자외선 영역으로부터 장파장 영역으로 이동하고 있다.

또한, 전류가 작으면 400nm 내지 600nm 범위의 파장을 가지는 발광 부분이 상대적으로 강하고, 전류가 증가하면 발광 효율이 상대적으로 낮은 단파장 쪽의 피크가 강해지고 있다. 따라서 실제 제조된 발광 다이오드에서 구현되는 색은 낮은 전류에서는 순백색, 높은 전류에서는 청색 빛이 도는 백색이 나타남을 관찰할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 백색광을 구현할 수 있는 발광 다이오드에 관한 것으로 질화물 반도체를 활성층으로 이용함으로서 고온 동작 특성이 뛰어나며 AlGaN 층을 클래드층 및 활성층으로 이용하여 제조함으로서 기존의 백색광 발광 다이오드에 비해서 제조 공정이 간단하다.

특히, 인듐(In) 원소가 첨가된 AlGaN 층에 사용 되는 알루미늄(Al) 원소의 조성 변화 및 인듐(In) 원소의 첨가량에 따라 적색 영역(590 내지 630 nm 파장 영역)의 빛이 방출되어 파랑, 녹색, 노랑색과 혼합되어 백색의 빛이 형광체 없이 발광될 수 있다. 알루미늄(Al) 원소와 인듐(In) 원소가 AlGaN 화합물이나 (Al, In)GaN 화합물에 기여하는 외에 각각의 원소 성분으로도 잔류하여 붉은 색 파장의 빛을 발생시키고 캐리어의 라이프타임을 증가시키는 효과도 기대할 수 있다.

또한, 실리콘 산화막과 같은 마스크를 이용하여 발광 다이오드를 제조함으로 써, 패턴 형성을 위한 건식 식각 공정을 생략할 수 있으므로, 플라즈마를 이용하여 식각을 진행하는 과정에서 발생할 수 있는 소자의 충격이나 스트레스를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (18)

1. 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 발광 다이오드를 제조하는 방법으로서,

   기판을 제공하는 단계;

   상기 기판 위에 단층 이상의 GaN 층을 형성하는 단계;

   상기 GaN층 위에 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드(clad)층을 형성하는 단계;

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층 위에 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 AlGaN 활성층을 형성하는 단계;

   상기 AlGaN 활성층 위에 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층 위에 제1 전극을 형성하는 단계; 및

   상기 GaN 층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 AlGaN 활성층에는 인듐(In) 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 AlGaN 활성층에는 알루미늄(Al) 원소가 1% 내지 5%의 원자분률로 포함되어 있으며, 상기 AlGaN 활성층에 첨가되는 인듐 원소는 0.1% 내지 1%의 원자분률로 포함되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   개구부를 포함하는 마스크 층을 상기 GaN 층 위에 형성하는 단계를 더 포함하며,

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층은 상기 마스크 층의 개구부 지역의 노출된 GaN 층 위에서 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 마스크 층은 실리콘 산화막(SiO₂)으로 형성되며, 원(circle) 형상의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층에는 텔루륨(Te) 원소가 첨가되고, p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층에는 마그네슘(Mg) 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층 및 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층은 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법에 의해 성장하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층, AlGaN 활성층, 및 상기 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층의 형성 온도는 각각 1050 내지 1120℃ 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층의 두께는 1 내지 50μm이고, AlGaN 활성층의 두께는 0.1 내지 1μm이며, p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층의 두께는 1 내지 50μm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층의 바로 위에 p형으로 도핑된 제2 GaN 층을 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 형성하는 단계를 더 포함하며,

   상기 제1 전극은 상기 제2 GaN 층의 바로 위에 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
10. 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 발광 다이오드에 있어서,

    기판;

    상기 기판 위에 형성된 단층 이상의 GaN 층;

    상기 GaN층 위에 형성되며 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층;

    상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층 위에 형성되며 인듐(In) 원소가 첨가된 AlGaN 활성층;

    상기 AlGaN 활성층 위에 형성되며 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층;

    상기 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층 위에 형성된 제1 전극; 및

    상기 GaN 층 위에 형성된 제2 전극을 포함하며,

    상기 AlGaN 활성층에는 알루미늄(Al) 원소, 인듐(In) 원소, 갈륨(Ga) 원소의 조합으로 이루어지는 화합물들이 혼합된 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
11. 제10항에 있어서,

    상기 AlGaN 활성층에는 알루미늄(Al) 원소가 1% 내지 5%의 원자분률로 포함되어 있으며, 상기 AlGaN 활성층에 첨가되는 인듐 원소는 0.1% 내지 1%의 원자분률로 포함되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
12. 제10항에 있어서,

    상기 AlGaN 활성층은 수소화물 기상에피택시(HVPE) 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
13. 제10항에 있어서,

    상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드층, AlGaN 활성층, 및 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층은 상기 GaN 층 위에서 원기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
14. 제10항에 있어서,

    상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층에는 텔루륨(Te) 원소가 첨가되고, p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층에는 마그네슘(Mg) 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
15. 제10항에 있어서,

    상기 AlGaN 활성층은 알루미늄(Al) 원소, 인듐(In) 원소, 및 이들의 화합물이 혼합된 상태인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
16. 제10항에 있어서,

    상기 n형으로 도핑된 AlGaN 클래드 층의 두께는 1 내지 50μm이고, AlGaN 활성층의 두께는 0.1 내지 1μm이며, p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층의 두께는 1 내지 50μm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    p형으로 도핑된 제2 GaN 층을 상기 p형으로 도핑된 AlGaN 클래드층의 바로 위에 더 포함하며,

    상기 제1 전극은 상기 제2 GaN 층의 바로 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
18. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛은 파랑, 노랑, 빨강 색이 함께 방출되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.

Images