KR101337379B1 - 엔형 알루미늄비소 하부 윈도우층을 가진 알루미늄갈륨인듐인계 발광다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 AlGaInP계 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, AlGaInP계 발광다이오드에서 광 방출 효율을 증가시키기 위하여 n형 AlGaInP 제한층 아래에 AlGaInP 물질보다 큰 밴드갭과 낮은 저항을 가진 두꺼운 윈도우층을 성장시키는 것이다. 본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드는, 도핑되지 않은 AlGaInP로 이루어진 활성층과, 상기 활성층 위에 p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층과, 상기 활성층 아래에 n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층과, 상기 하부 제한층 아래에 n형 AlAs로 이루어진 하부 윈도우층과, 상기 하부 윈도우층 아래에 n형 GaAs로 이루어진 기판을 포함한다.
본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드의 n형 AlAs 하부 윈도우층은 통상의 증착방법을 통해서 형성될 수 있고 발광다이오드의 전압-전류 특성과 성장에 영향을 주지 않으면서 광의 측면 방출 효율을 증가시킬 수 있게 한다.
본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드의 n형 AlAs 하부 윈도우층은 통상의 증착방법을 통해서 형성될 수 있고 발광다이오드의 전압-전류 특성과 성장에 영향을 주지 않으면서 광의 측면 방출 효율을 증가시킬 수 있게 한다.
Description
본 발명은 AlGaInP계 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AlGaInP계 발광다이오드에서 광 방출 효율을 증가시키기 위하여 n형 AlGaInP 제한층 아래에 AlGaInP 물질보다 큰 밴드갭과 낮은 저항을 가진 두꺼운 윈도우층의 형성과 관련된다.
AlGaInP계 발광다이오드는 주입되는 전기 에너지를 약 570nm 내지 약 630nm의 특정 파장을 가진 광으로 변환시키는 반도체 소자이다. 특정 파장의 변화는 AlGaInP계 발광다이오드가 가지는 밴드갭의 크기에 의해 좌우되는데, 밴드갭 크기는 Al과 Ga의 조성비를 변화시킴으로써 쉽게 조절할 수 있다.
AlGaInP계 발광다이오드는 일반적으로 고품질 성장을 가능하게 하는 금속유기화학증착(MOCVD) 기술을 이용하여 제조된다. AlGaInP계 발광다이오드는 기본적으로 n형 AlGaInP 물질로 이루어진 층(하부 제한층)과 p형 AlGaInP 물질로 이루어진 층(상부 제한층) 사이에 특정 파장으로 계산된 조성비를 갖는 도핑이 되지 않은 AlGaInP 물질로 이루어진 고효율 활성층을 가진 구조를 갖는다. 활성층, n형 제한층, 그리고 p형 제한층은 상대적으로 높은 저항을 가지므로, 범용으로 사용되는 발광다이오드의 경우 각각의 층은 대부분 1μm 이하의 두께로 성장된다 (총 두께 <3μm).
AlGaInP계 발광다이오드는 구성 층들의 두께가 얇은 관계로 측면으로는 방출 콘 영역을 확보하기가 어려워, 활성층으로부터 생성된 광은 방출 콘 각도를 보유한 상부와 하부로 대부분 방출된다. 광의 측면 방출을 위해, 발광다이오드 물질보다 투명하고 굴절률이 작고 저항이 작은 물질로 이루어진 윈도우층을 발광다이오드의 최상층인 p형 제한층 위에 두껍게 쌓아 발광다이오드의 상부 측면으로 광 방출을 증가시키는 방안이 시행되고 있다. 여기서 용어 “투명”이라 함은 사용된 물질이 발광다이오드 물질보다 높은 밴드갭을 가짐을 의미한다.
윈도우층의 재료로서, AlGaInP계 발광다이오드에서는 전류확산 효율과 상부 측면 광 방출 효율을 위해 GaP 물질이 통상적으로 사용되고 있다. GaP 물질은 AlGaInP 물질과 격자상수 차이로 인해 격자 부정합이 발생하고 그 결과 많은 결함이 문제될 수 있음에도 불구하고 하부 AlGaInP 물질에 영향을 주지 않아 널리 이용되고 있다. 하지만 광의 하부 측면 방출을 위해 AlGaInP계 발광다이오드 층들의 성장 전에 GaP 물질을 성장시킬 시 GaP 물질과 AlGaInP 물질 간의 격자 불일치로 추후 GaP층 위에 성장될 AlGaInP 계 발광다이오드 층들은 성장되지 않거나 성장되더라도 많은 결함에 의해 효율이 크게 떨어지는 현상을 나타낸다.
본 발명의 목적은 AlGaInP계 발광다이오드에 있어서 활성층으로부터 방출되는 광 중 발광다이오드의 측면 방향 방출을 개선시켜 광 방출 효율을 증가시킬 수 있는 발광다이오드를 설계하는 것이다.
본 발명은 또한 AlGaInP계 발광다이오드에서 하부 측면 발광을 위한 하부 윈도우층을 발광다이오드와 GaAs 기판 사이에 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 AlGaInP계 발광다이오드는, 도핑되지 않은 AlGaInP로 이루어진 활성층과, 상기 활성층 위에 p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층과, 상기 활성층 아래에 n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층과, 상기 하부 제한층 아래에 n형 AlAs로 이루어진 하부 윈도우층과, 상기 하부 윈도우층 아래에 n형 GaAs로 이루어진 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 하부 윈도우층은 n형 AlxGa11-xAs로 이루어질 수 있고, 여기서 X의 범위는 0.7≤X≤1이다.
상기 하부 윈도우층은 미크론 단위의 두께, 바람직하게는 20μm 이상의 두께를 갖는다. 다만, 하부 윈도우층의 저항이 발광다이오드의 구성 물질보다 작아야 하므로 그 두께가 보통은 40μm를 넘지 않아야 할 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 발광다이오드는 상기 상부 제한층 위에 상부 윈도우층을 더 포함할 수 있다. 상기 발광다이오드는 상기 하부 윈도우층과 상기 기판 사이에 반사층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 제조 방법은, n형 GaAs 기판 위에 반사층을 성장시키는 단계; 상기 반사층 위에 n형 AlAs 윈도우층을 성장시키는 단계; 및 상기 윈도우층 위에 n형 AlGaInP 제한층, AlGaInP 활성층 및 p형 AlGaInP 제한층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 발광다이오드의 제조 방법은 상기 p형 AlGaInP 제한층 위에 GaP 윈도우층을 성장시키고, 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의해서 하부 윈도우층을 가진 새로운 구조의 AlGaInP계 발광다이오드가 제시되었다.
본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드의 n형 AlAs 하부 윈도우층은 통상의 증착 방법을 통해서 형성될 수 있고 발광다이오드의 전압-전류 특성과 성장에 영향을 주지 않으면서 광의 측면 방출 효율을 증가시킬 수 있게 한다.
n형 AlAs 물질은 상부 윈도우층의 재료로 사용되어 온 GaP 물질이 적용될 수 없는 하부 윈도우층의 성장을 가능하게 하여, 발광다이오드의 측면 방출 콘 영역을 확대시키는데 유용하고, 이로 인해 발광다이오드의 효율을 크게 증가된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 상부 윈도우층을 가진 기존의 AlGaInP계 발광다이오드와 상부 및 하부 윈도우층을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 측면 방출 콘 영역을 비교하여 나타낸 도식화이다.
도 3은 종래 기술에 따른 AlGaInP 계 발광다이오드와 본 발명에 실시예에 AlGaInP의 광 루미네선스를 나타낸 그래프이다.
도 2는 상부 윈도우층을 가진 기존의 AlGaInP계 발광다이오드와 상부 및 하부 윈도우층을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 측면 방출 콘 영역을 비교하여 나타낸 도식화이다.
도 3은 종래 기술에 따른 AlGaInP 계 발광다이오드와 본 발명에 실시예에 AlGaInP의 광 루미네선스를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 하기 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 구조를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 발광다이오드는 아래부터 순차적으로, 기판(10), 반사층(20), 하부 윈도우층(30), 하부 제한층(40), 활성층(50), 상부 제한층(60) 및 상부 윈도우층(70)이 적층된 구조이고, 기판(10) 하면에는 하부 전극(EB)이, 상부 윈도우층(70) 상면에는 상부 전극(ET)이 형성된다. 따라서 반사층(20)과 하부 제한층(40) 사이에 하부 윈도우층(30)이 존재하는 것을 제외하면, 본 발명의 발광다이오드는 종래의 AlGaInP계 발광다이오드에 대응하는 구조를 갖는다.
각 층에 구성에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 발광다이오드는 AlGaInP계 이므로, 상기 활성층(50)은 (AlxGa1-x)1-yInyP층이다. 상기 활성층(50)은 필요에 따라 단일층, 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조 등이 적용될 수 있다. 바람직하게는 상기 활성층(50)은 복수의 층으로 이루어지고, x값을 변화시키면서 층을 형성함에 따라 활성층 전체에 걸쳐 다중양자우물이 형성된 것이다. 따라서 더 많은 전자가 상기 다중양자우물 속의 낮은 에너지 준위로 모이게 되고, 그 결과 전자가 전도대에서 가전자대로 쉽게 전이되어 발광 효과가 증대될 수 있다.
상기 하부 제한층(40)은 n형 AlGaInP층이고, 상기 상부 제한층(60)은 p형 AlGaInP층이다.
상기 기판(10)은 n형 GaAs 기판이다. GaAs 기판은 광 흡수성이기 크기 때문에 활성층(50)으로부터 하부 또는 기판 방향으로 방출되는 광은 GaAs 기판에 의해 흡수되어 발광다이오드의 효율이 저하된다. 따라서 통상의 기술자에게 이해되는 바와 같이, GaAs 기판을 제거하지 않고 발광 효율을 증가시키기 위해서는 기판(10) 위에 복수의 층으로 이루어진 반사층(20)을 성장시킴으로써, 활성층(50)으로부터 기판(10) 방향으로 방출되는 광을 전면(상부) 방향으로 반사시키게 된다. 상기 반사층(20)은 DBR(distributed Bragg reflector)층이고, 이것은 활성층(50)인 (AlxGa1-x)1-yInyP층의 조성비에 따른 발광다이오드의 발광 파장에 따라 AlGaInP/AlGaInP, AlAs/AlGaAs, AlAs/GaAs, AlAs/AlGaInP 등에서 선택된 반복 다층 구조로 이루어진다.
상부 제한층(60) 위에 형성된 상부 윈도우층(70)은 바람직하게는 p형 GaP층이다. 상부 윈도우층(70)은 전류확산 효과와 상부 측면 방출 콘 영역 확대 효과를 위해, 수 내지 수십 미크론의 두께, 바람직하게는 약 15 μm 이상의 두께, 좀더 바람직하게는 약 20μm 이상으로 성장된다.
상기 하부 전극(EB)과 상부 전극(ET)으로는 AlGaInP계 옴 접촉(ohmic contact) 물질인 AuGe과 AuBe이 각각 사용될 수 있고, 추가적인 전극 물질의 예는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드는 하부 제한층(40)인 n형 AlGaInP층과 반사층(20)인 n형 DBR층 사이에 윈도우층(30)인 두꺼운 n형 AlAs층을 갖는다. 본 발명에 따른 하부 윈도우층(30)으로 인해, 발광다이오드의 측면 발광 콘 영역이 확대될 수 있다. 예컨대, 도 2의 좌측 도면에 도시된 바와 같이 상부 윈도우층(60) 만이 존재하는 발광다이오드의 경우 상부 발광 콘 영역만이 존재하여 발광 콘이 중심에서 절반으로 잘린 형태이지만, 도 2의 우측 도면에 도시된 하부 윈도우층(30)의 존재로 인해 상부 발광 콘 영역과 함께 하부 발광 콘 영역이 존재하여 측면 발광 콘이 완전한 콘 형태를 이루게 된다.
본 발명에 있어서 상기 하부 윈도우층(30)은 n형 AlAs층이다. 상기 하부 윈도우층(30)의 구성 물질은, 발광다이오드 구성 물질인 AlGaInP보다 작은 굴절률, 큰 밴드갭, 그리고 작은 저항성을 가져야만이 측면 방출 콘 영역의 확대를 위한 윈도우층으로 유효하게 적용될 수 있다. 밴드갭이 커야 활성층으로부터 방출된 광을 흡수하지 않게 되고, 저항이 작아야 발광다이오드의 전류-전압 특성에 영향을 주지 않기 때문이다. 또한, 활성층으로부터 방출된 광을 발광다이오드의 외부로 효율적으로 방출시키기 위해서는 활성층의 굴절률과 에폭시의 굴절률의 중간 값을 가지는 물질이 유리하다.
통상적인 상부 윈도우층(60)에 사용되는 GaP가 상기의 조건들을 모두 만족시킬 수 있으나, 격자상수가 약 5.45Å인 GaP는 격자상수가 약 5.65Å인 AlGaInP과의 격자상수 불일치로 인해 발광다이오드의 구조 성장이 완료된 후에나 적용이 가능하고, 이 경우 수율의 저하와 웨이퍼 본딩 기술의 적용 같은 추가적인 공정으로 인해 비용이 증가한다.
본 발명에서 적용된 n형 AlAs 하부 윈도우층(30)은 기존 상부 측면 방출을 위해 사용된 p형 GaP과 달리, AlAs의 격자상수가 약 5.66Å으로 AlGaInP의 격자상수와 거의 일치한다. 실제 기판 상에 n형 AlAs층의 고품질 성장이 가능하였고 또한 결함이 거의 발생하지 않아, 그 위로 발광층 즉, n형 AlGaInP층, (AlxGa1-x)1-yInyP층 및 p형 AlGaInP층의 성장과 그 구조에 부정적인 영향을 거의 주지 않았다.
도 3은 상부 윈도우층을 가지지만 하부 윈도우층을 포함하지 않는 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드와 본 발명에 따른 n형 AlAs 하부 윈도우층이 형성된 AlGaInP계 발광다이오드의 광 방출 능력(광 루미네선스) 측정 결과를 비교한 그래프이다. 소정 두께의 하부 윈도우층을 에피택시얼 성장시킨 점을 제외하면 이들 발광다이오드는 구조가 동일하고 동일한 성장 조건에서 제작되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 3μm 두께의 하부 윈도우층이 형성된 발광다이오드(적색 라인)는 통상적인 발광다이오드(흑색 라인)에 비해 전체 파장 범위에 걸쳐 강도가 증가하였고 특히 피크 파장의 강도가 약 40% 정도 증가하였다. 5μm 두께의 하부 윈도우층이 형성된 발광다이오드(녹색 라인)의 경우에는 피크 파장의 강도가 약 65% 정도 증가하였다. 따라서 n형 AlAs 하부 윈도우층을 성장시킴에 따라 광 방출 효율이 증가하고, 이러한 하부 윈도우층의 두께가 증가할수록 그 효율이 더욱 증가함을 확인할 수 있다.
하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드의 제조에 사용되는 물질의 특성을 나타낸다. 본 발명의 n형 AlAs 하부 윈도우층(30)은 AlGaInP보다 큰 밴드갭과 낮은 굴절률을 가져서, 추후 패키지 진행 시 활성층으로부터 발광다이오드 외부로 방출되는 광을 증가시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 n형 AlAs 하부 윈도우층(30)은 AlGaInP에 비해 저항이 약 60분의 1 정도로 매우 작아서, 하부 측면 방출 콘 영역을 증가시키기 위해 윈도의 층의 두께로 30~40μm로 하여도 AlGaInP 발광다이오드의 전류-전압 특성에 영향을 주지 않는다. 따라서 상기 하부 윈도우층(30)은 수μm 내지 30~40μm의 두께로 형성될 수 있다.
| GaAs | AlAs | Al0.5Ga0.5InP | GaP | 에폭시 | |
| 반사지수 | 3.9 | 3.13 | 3.46 | 3.35 | 1.5 |
| 밴드갭(eV) | 1.43 | 3.3 | 2.22 | 2.26 | - |
| 저항(Ohm-cm) | 0.03 | 0.03 | 2 | 0.03 | - |
하부 윈도우층(30)으로서 n형 AlAs 외에도 n형 AlGaAs의 사용이 고려될 수 있다. Al0.5Ga0.5As 물질은 3.55의 반사지수와 2.7eV의 밴드갭과 0.04Ωcm의 저항을 갖는다. 상기 물질에서 Al의 비율이 0.7 이상 증가할 경우 그 굴절률이 3.47까지 내려가므로 n형 윈도우 층으로서 사용이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 층 구조를 갖는 발광다이오드의 층들은 바람직하게는 고순도의 층 성장이 가능하고 층의 두께와 조성의 제어가 가능하도록 가스의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 MOCVD 같은 당해 기술분야에서 잘 알려진 진공증착법에 의해 기판에 순차적으로 그리고 연속적으로 적층될 수 있다. 그 밖의 구체적인 제조 방법은 당해 기술분야에서 알려진 AlGaInP 발광다이오드의 제조 공정에 따라 수행될 수 있다.
비록 본 발명이 대표적인 실시예에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.
10: 기판 20: 반사층 30: 하부 윈도우층 40: 하부 제한층 50: 활성층 60: 상부 제한층 70: 상부 윈도우층 EB: 하부 전극 ET: 상부 전극
Claims (5)
- 도핑되지 않은 AlGaInP로 이루어진 활성층;
상기 활성층 위에 p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층;
상기 활성층 아래에 n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층;
상기 하부 제한층 아래에 n형 AlAs로 이루어진 하부 윈도우층; 및
상기 하부 윈도우층 아래에 n형 GaAs로 이루어진 기판;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드. - 청구항 1에 있어서, 상기 하부 윈도우층이 n형 AlxGa1-xAs로 이루어지고 여기서 0.7≤X≤1인 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 하부 윈도우층은 20μm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 상부 제한층 위에 상부 윈도우층을 더 포함하고, 상기 하부 윈도우층과 상기 기판 사이에 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
- n형 GaAs 기판 위에 n형 반사층을 성장시키는 단계;
상기 반사층 위에 n형 AlAs 윈도우층을 성장시키는 단계; 및
상기 윈도우층 위에 n형 AlGaInP 제한층, AlGaInP 활성층 및 p형 AlGaInP 제한층을 성장시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020120067207A KR101337379B1 (ko) | 2012-06-22 | 2012-06-22 | 엔형 알루미늄비소 하부 윈도우층을 가진 알루미늄갈륨인듐인계 발광다이오드 및 그 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20170019165A (ko) * | 2015-08-11 | 2017-02-21 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 발광소자 패키지 |
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2012
- 2012-06-22 KR KR1020120067207A patent/KR101337379B1/ko active IP Right Grant
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