KR101165254B1

KR101165254B1 - 다수의 절연층이 적층된 산란 중심을 구비하는 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101165254B1
Application number: KR20060136679A
Authority: KR
Inventors: 윤여진; 김창연
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2012-07-19
Also published as: KR20080061693A

Abstract

본 발명은 희생기판위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 차례대로 형성하는 단계와, 상기 제 2 도전형 반도체층위에 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층을 교번하여 적층하는 단계와, 상기 적층된 절연층을 부분적으로 패터닝 식각하여 서로 이격된 다수의 산란 중심을 형성하는 단계와, 상기 산란 중심위에 금속 반사층을 형성하는 단계와, 상기 금속반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 수직형 발광 다이오드에서 전도성 기판과 반도체층사이에 개재되는 금속반사층내에 서로 다른 굴절율을 가지는 둘이상의 절연층이 적층되어 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 형성하는 산란 중심을 형성함으로써, 활성층에서 발생되어 전도성 기판쪽으로 진행하는 광이 산란 중심에 의해 일차적으로 반사되고, 산란 중심에 의해 반사되지 않은 광은 이차적으로 금속반사층에 의해 반사됨에 따라 금속 반사층에서의 광반사 효율이 향상된다.

수직형 발광 다이오드, 오믹 전극, 반사층, 도전성기판, DBR, 산란중심

Description

다수의 절연층이 적층된 산란 중심을 구비하는 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법{VERTICAL LIGHT EMITTING DIODE HAVING SCATTERING CENTER LAMINATED WITH A PLURALITY OF INSULATOR LAYER AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

본 발명은 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 금속반사층내에 다수의 절연층이 교번하여 적층된 산란 중심을 구비하는 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화 물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 III족 원소의 질화물 반도체층, 특히 GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한하며, 기계적 화학적으로 매우 안정하여 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공이 어렵고, 열전도율이 낮다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층들을 성장시킨 후, 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 발광 다이오드를 제조하는 기술이 연구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1을 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 도전성 기판(31)을 포함한다. 도전성 기판(31) 상에 제 1 도전형 반도체층(15), 활성층(17) 및 제 2 도전형 반도체층(19)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 또한, 화합물 반도체층들과 도전성 기판(31) 사이에 오믹전극(21), 금속반사층(23), 확산방지층(25) 및 접합금 속층(27)이 개재된다.

화합물 반도체층들은 일반적으로 사파이어 기판과 같은 희생기판(도시하지 않음) 상에 금속유기화학기상증착법 등을 사용하여 성장된다. 그 후, 화합물 반도체층들 상에 오믹전극(21), 금속반사층(23), 확산방지층(25) 및 접합금속층(27)이 형성되고, 도전성 기판(31)이 부착된다. 이어서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 기술 등을 사용하여 희생기판이 화합물 반도체층들로부터 분리되고, 제 1 도전형 반도체층(15)이 노출된다. 그 후, 노출된 제 1 도전형 반도체층(15) 상에 전극 패드(17)가 형성된다. 이에 따라, 열방출 성능이 우수한 도전성 기판(31)을 채택함으로써, 발광 다이오드의 발광 효율을 개선할 수 있으며, 수직형 구조를 갖는 도 1의 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

이러한 수직형 발광 다이오드는 일반적으로 발광 효율을 향상시키기 위해 도전성 기판(31)으로 향하는 광을 반사시키기 위해 금속반사층(23)을 채택하고 있다

그러나, 오믹전극(21)위에 금속반사층(23)을 형성한 후 옴점촉 혹은 도전성 기판(31)의 본딩을 위해 200℃ 이상의 온도로 열처리를 가한다. 이때, 금속반사층(23)은 열처리중에 산화되어 광반사율이 저하되어 광출력이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수직형 발광 다이오드에서 열처리에 의해 금속반사층의 광반사율이 감소되는 것을 보상해주어 수직형 발광 다이오드 에서의 발광효율을 개선시키는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 희생기판위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 차례대로 형성하는 단계와, 상기 제 2 도전형 반도체층위에 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층을 교번하여 적층하는 단계와, 상기 적층된 절연층을 부분적으로 패터닝 식각하여 서로 이격된 다수의 산란 중심을 형성하는 단계와, 상기 산란 중심위에 금속 반사층을 형성하는 단계와, 상기 금속반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

바람직하게 상기 적층 단계는 SiO₂층과 Si₃N₄층을 교번하여 적층할 수 있다.

바람직하게 상기 적층 단계는 서로 다른 둘 이상의 절연층을 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층할 수 있다.

바람직하게 상기 산란 중심 형성 단계는 상기 적층된 절연층을 포토리소그라피를 이용하여 아일랜드들의 행렬 패턴 또는 복수개의 라인들 또는 망상 패턴으로 식각할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 제 1 도전성 반도체층, 활성층, 제 2 도전성 반도체층을 포함하는 수직형 발광 다이오드에 있어서, 도전성 기판과, 상기 제 2 도전성 반도체층과 상기 도전성 기판사이에 개재된 금속반사층과, 상기 금속반사층 내에 형성되며 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 서로 이격되어 교번하여 적층되어 있는 다수의 산란 중심을 포함하는 수직형 발광 다이오드를 제공한다.

바람직하게 상기 다수의 산란 중심은 SiO₂층과 Si₃N₄층을 교번하여 적층된 것일 수 있다.

바람직하게 상기 다수의 산란 중심은 서로 다른 둘 이상의 절연층을 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층된 것일 수 있다.

바람직하게 산란 중심은 아일랜드들의 행렬 패턴 또는 복수개의 라인들 또는 망상 패턴인 것일 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 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 도전성 기판(71) 상에 제 1 도전형 반도체층(55), 활성층(57) 및 제 2 도전형 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 반도체층들이고, 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 N형 및 P형, 또는 P형 및 N형을 나타낸다.

화합물 반도체층들과 도전성 기판(71) 사이에 오믹 전극(60)이 개재된다. 오믹 전극(60)은 제 2 도전형 반도체층(59)에 오믹접촉된다. 오믹 전극(60)은 전류분산을 위해 제 2 도전형 반도체층(59)의 넓은 면에 걸쳐 분포하는 것이 바람직하며, 오믹 전극(60)은 Pt, Pd, Rh 또는 Ni로 형성될 수 있으며, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속물질로 형성될 수 있다.

오믹 전극(60)과 도전성 기판(71)사이에는 산란 중심(61)을 포함하는 금속반사층(63)이 개재된다.

금속반사층(63)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있으며, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속물질로 형성될 수 있다.

금속반사층(63)내에 형성된 산란 중심(61)은 아일랜드들의 행렬 패턴, 복수개의 라인들 또는 망상 패턴 등 다양한 형상의 패턴일 수 있다.

산란 중심(61)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성된다. 예를 들어 SiO₂층과 Si₃N₄층이 교번하여 적층될 수 있다.

산란 중심(61)은 오믹전극(60)을 성장시킨 다음 굴절율이 서로 다른 둘 이상 의 절연층을 교번하여 다수의 층으로 적층한 다음, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층을 패터닝 식각하여 형성한다. 산란 중심(224)을 구성하는 절연층들은 반사막 형태로 교번하여 적층되는데, 예를 들어, SiO₂층과 Si₃N₄층이 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층될 수 있다.

산란 중심(61)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 반사율을 높임으로써 활성층(57)에서 발생된 광이 도전성 기판(71)으로 진행해올 때 산란 중심(224)에 의해 1차적으로 반사되어 산란이 효율적으로 일어나도록 하여 금속반사층(63)의 광반사를 보상해주는 역할을 한다.

DBR(Distributed Bragg Reflector)은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용되고 있다.

DBR(Distributed Bragg Reflector)은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경이다.

한편, 금속반사층(63)과 도전성 기판(71) 사이에 접합금속층(67)이 개재될 수 있으며, 접합금속층(67)과 금속반사층(63) 사이에 확산방지층(65)이 개재될 수 있다. 접합금속층(67)은 도전성 기판(71)과 금속반사층(63)의 접착력을 향상시켜 도전성 기판(71)이 금속반사층(63)으로부터 분리되는 것을 방지하며, 확산방지층(65)은 접합금속층(67) 또는 도전성 기판(71)으로부터 금속원소들이 금속반사 층(63)으로 확산되는 것을 방지하여 금속반사층(63)의 반사도를 유지시킨다.

한편, 도전성 기판(71)에 대향하여 화합물 반도체층들의 상부면에 전극패드(73)가 위치한다. 전극패드(73)는 제 1 도전형 반도체층(55)에 오믹접촉될 수 있으며, 이와 달리 전극패드(73)와 화합물 반도체층들 사이에 오믹전극(도시하지 않음)이 개재될 수 있다. 또한, 전극 패드(73)로부터 연장된 연장부(도시하지 않음)들이 화합물 반도체층들 상에 위치할 수 있다. 연장부들은 화합물 반도체층들내로 유입되는 전류를 넓게 분산시키기 위해 채택될 수 있다.

종래의 수직형 발광 다이오드는 금속반사층(도 1의 23)이 접합금속층을 이용한 도전성 기판의 접합을 위한 열처리시에 산화되어 광반사율이 떨어진다. 이에 반해, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속반사층(63)에 형성된 산란 중심(61)에 의해 광이 산란됨에 따라 금속반사층(63)의 광반사율을 보상해줄 수 있게 된다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3을 참조하면, 희생기판(51) 상에 화합물 반도체층들이 형성된다. 희생기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 제 1 도전형 반도체층(55), 활성층(57) 및 제 2 도전형 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. 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 N형 및 P형, 또는 P형 및 N형을 나타낸다.

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

제 2 도전형 반도체층(59)상에 오믹전극(60)을 형성한다.

오믹전극(60)은 도금 또는 증착 기술 등을 사용하여 전면 증착된다. 오믹 전극(60)은 제 2 도전형 반도체층(59)과 오믹접촉하는 물질을 포함하며, 제 2 도전형 반도체층(59)이 P형 반도체인 경우, 오믹 전극 (60)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 오믹전극(60)은 제 2 도전형 반도체층(59)과 오믹접촉 하도록 일반적으로 열처리되나, 오믹전극이 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 또는 니켈(Ni)로 형성됨으로써 열처리는 생략될 수 있다.

그 다음, 오믹전극(60)의 윗면에 산란 중심(63)을 형성한다. 본 실시예에서는, 산란 중심(63)의 형성을 위해 오믹전극(60)위에 제 1 절연층으로서 SiO₂층을 적층한다. 적층되는 SiO₂층의 두께는 10Å 이상이 바람직하다.

제 1 절연층으로서 오믹전극(60)위에 SiO₂층이 적층되면 SiO₂층위에 제 2 절연층으로서 Si₃N₄층을 적층한다. 적층되는 Si₃N₄층의 두께는 10Å 이상이 바람직하다.

제 2 절연층으로서 Si₃N₄층이 적층되면 다시 절연층으로서 SiO₂와 Si₃N₄를 교 번하여 다수 층으로 적층한다.

산란 중심(61)을 형성하는 SiO₂와 Si₃N₄이 교번하여 적층되는 횟수는 각 절연층의 두께를 고려하여 결정될 수 있다.

SiO₂층과 Si₃N₄층을 교번하여 적층한 후 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층을 패터닝 식각하여 메쉬 패턴 형태로 이루어지는 산란 중심(61)을 형성한다.

산란 중심(61)이 형성되면 산란 중심(61)위에 금속 반사층(63)을 형성한다. 금속반사층(63)은 도금 또는 증착 기술 등을 사용하여 산란 중심(61)을 덮도록 전면 증착되며, Al 또는 Ag를 포함하는 금속층으로 형성될 수 있다.

도 6을 참조하면, 금속반사층(63) 상에 도전성 기판(71)이 형성된다. 도전성 기판(60)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(60)은 접합금속층(67)을 통해 금속반사층(63)에 부착될 수 있으며, 확산방지층(65)이 접합금속층(67)을 형성하기 전에 금속반사층(63) 상에 형성될 수 있다. 한편, 도전성 기판(71)은 도금기술을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 금속반사층(63) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(71)이 형성될 수 있으며, 금속원소의 확산을 방지하기 위한 확산방지층(65) 및/또는 접착력을 향상시키기 위한 접합금속층(67)이 추가될 수 있다.

도 7을 참조하면, 희생기판(51)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층(53)도 함께 제거되어 제 1 도전형 반도체층(55)이 노출된다.

이어서, 전극패드(도 2의 73)가 제 1 도전형 반도체층(55) 상에 형성된다. 전극패드(73)는 제 1 도전형 반도체층(55)에 오믹콘택된다. 또한, 전극패드(73)를 형성하는 동안, 전극패드(73)에서 연장된 연장부들(도시하지 않음)이 함께 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 2의 수직형 발광 다이오드가 제조된다.

한편, 전극패드(73)를 형성하기 전, 제 1 도전형 반도체층(55) 상에 오믹전극(도시하지 않음)이 형성될 수도 있다. 오믹전극이 제 1 도전형 반도체층(55)에 오믹접촉되고, 전극패드(73)는 오믹전극에 전기적으로 접속된다.

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 일실시예로 금속반사층내에 절연층으로서 SiO₂와 Si₃N₄를 교번하여 다수 층으로 적층한 후 패터닝하여 형성된 산란 중심을 형성하는 것에 설명하였다.

하지만, 절연층으로서 SiO₂와 Si₃N₄외에도 서로 다른 굴절율을 가진 절연층을 사용하여 산란 중심 패턴을 형성할 수 도 있다.

본 발명에 의하면, 수직형 발광 다이오드에서 전도성 기판과 반도체층사이에 개재되는 금속반사층내에 서로 다른 굴절율을 가지는 절연층이 적층되어 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 형성하는 산란 중심을 형성함으로써, 활성층에서 발생되어 전도성 기판쪽으로 진행하는 광을 효율적으로 반사시킬 수 있다.

이에 따라, 활성층에 의해 생성된 광중에서 전도성 기판쪽으로 진행하는 광은 금속반사층내에 형성된 산란 중심에 의해 일차적으로 반사되고, 산란 중심에 의해 반사되지 않은 광은 2차적으로 금속반사층에 의해 반사됨에 따라 금속 반사층에서 광반사 효율이 향상된다.

Claims

희생기판위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 차례대로 형성하는 단계와,

상기 제 2 도전형 반도체층 위에 오믹 전극을 형성하는 단계와,

상기 오믹 전극 위에 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층을 교번하여 적층하는 단계와,

상기 적층된 절연층을 부분적으로 패터닝 식각하여 서로 이격된 다수의 산란 중심을 형성하는 단계와,

상기 산란 중심위에 금속 반사층을 형성하는 단계와,

상기 금속반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와,

상기 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 적층 단계는,

SiO₂층과 Si₃N₄층을 교번하여 적층하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 적층 단계는,

서로 다른 둘 이상의 절연층을 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 산란 중심 형성 단계는,

상기 적층된 절연층을 포토리소그라피를 이용하여 아일랜드들의 행렬 패턴 또는 복수개의 라인들 또는 망상 패턴으로 식각하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
제 1 도전성 반도체층, 활성층, 제 2 도전성 반도체층을 포함하는 수직형 발광 다이오드에 있어서,

도전성 기판과,

상기 제 2 도전성 반도체층 상에 구비된 오믹 전극과,

상기 오믹 전극과 상기 도전성 기판 사이에 개재된 금속반사층과,

상기 금속반사층내에 형성되며 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 서로 이격되어 교번하여 적층되어 있는 다수의 산란 중심을 포함하는 수직형 발광 다이오드.
청구항 5에 있어서, 상기 다수의 산란 중심은

SiO₂층과 Si₃N₄층을 교번하여 적층된 수직형 발광 다이오드.
청구항 5에 있어서, 상기 다수의 산란 중심은

서로 다른 둘 이상의 절연층을 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층된 수직형 발광 다이오드.
청구항 5에 있어서, 상기 다수의 산란 중심은

아일랜드들의 행렬 패턴 또는 복수개의 라인들 또는 망상 패턴인 수직형 발광 다이오드.