KR101393605B1 - 요철형 질화갈륨층을 가진 알루미늄갈륨인듐인계 발광다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시키기 위해 AlGaInP 발광다이오드의 상부에 AlGaInP계 물질보다 큰 밴드갭과 낮은 굴절률을 가진 GaN층을 고품질로 성장하는 것과 관련된다. 본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드는 상부 표면에 GaN층이 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 GaN층은 바람직하게는 미세한 요철 패턴의 표면을 갖는다. 상기 GaN층은 별도의 공정 추가 없이 AlGaInP계 발광다이오드의 성장 후 동일 시스템 하에서 성장될 수 있다.

Description

요철형 질화갈륨층을 가진 알루미늄갈륨인듐인계 발광다이오드 및 그 제조 방법{AlGaInP light emitting diode with rough GaN layer}

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시키기 위해 AlGaInP 발광다이오드의 상부에 AlGaInP계 물질보다 큰 밴드갭과 낮은 굴절률을 가진 GaN층을 고품질로 성장하는 것과 관련된다.

AlGaInP계 발광다이오드는 주입되는 전기에너지를 약 570-630 nm 범위 내의 특정 파장을 가진 광으로 변환시키는 반도체 소자이다. 특정 파장의 변화는 발광다이오드가 가지는 밴드갭(band gap)의 크기에 의해 좌우되는데, 밴드갭 크기는 Al과 Ga의 조성비를 변화시킴으로써 쉽게 조절할 수 있고, 예컨대 Al의 조성비를 증가시킬수록 파장이 짧아진다.

AlGaInP계 발광다이오드는 일반적으로 고품질의 박막 성장을 가능하게 하는 금속유기화학기상증착(MOCVD) 시스템을 이용하여 제조된다. AlGaInP계 발광다이오드는 기본적으로 n형 AlGaInP 물질과 p형 AlGaInP 물질 중간에 특정 파장으로 계산된 도핑이 되지 않은 AlGaInP계 고효율 활성층이 존재하는 구조를 갖는다. 활성층, n형 층 그리고 p형 층은 상대적으로 높은 저항을 가지므로, 범용으로 사용되는 발광다이오드를 고려 시 각 층은 대부분 1 μm 이하의 두께(총 두께 < 3 μm)로 성장된다.

이러한 AlGaInP 계 발광다이오드의 광 효율은 내부 양자 효율과 광 추출 효율에 의해 결정되므로, 발광다이오드의 광 효율을 증가시키기 위해서는 이들 중 적어도 하나를 증가시켜야 한다. 내부 양자 효율의 증가는 활성층의 방출 영역을 확대하여 효율을 증가시키는 방법으로, 일반적으로 활성층의 다층 구조, 전류 확산층, 그리고 전자-정공 넘침 방지층 등이 주로 사용된다. 광 추출 효율의 증가는 활성층에서 방출된 빛들이 발광다이오드 외부로 잘 빠져나가도록 하여 효율을 증가시키는 것으로, 반사막, 광 결정(photonic crystal), 그리고 표면 요철 형성(텍스처링) 등이 사용된다.

광 추출 효율 증가를 위해서, 전술한 방안들 중 표면 요철 형성이 가장 널리 그리고 다양한 방법으로 사용되고 있다. 특히 AlGaInP계 발광다이오드 경우, 상부 전류 확산층으로 사용되는 GaP층의 표면을 인산계열의 화학적 에칭 방법으로 처리하여 표면을 요철 형태로 거칠게 만들어 광 산란면을 형성하는 것이 일반적이다. 하지만 이러한 화학적 에칭 방법은 GaP 표면에 결함 또는 오염을 발생 시켜 AlGaInP계 발광다이오드 특성을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 광 추출 효율을 증가시키기 위한 표면 요철을 화학적 에칭 방법에 의하지 않고 형성할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명은 AlGaInP계 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 화학적 에칭 방법의 사용 없이 표면 요철을 형성하여 광 추출 효율을 증가시킬 수 있는 AlGaInP계 발광다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 AlGaInP계 발광다이오드에서 성장 시스템의 변경 없이 발광다이오드의 표면에 요철형 GaN층을 성장시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 AlGaInP계 발광다이오드는 상부 표면에 GaN층이 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 GaN층은 바람직하게는 요철형 GaN층이고, 바람직하게는 증착에 의해 형성된다. 상기 GaN층은 발광다이오드 에피택셜 층들의 최상층에 형성되고, 따라서 상기 상부 표면은 전류 확산층이거나 반도체층의 표면일 수 있다.

상기 GaN층은 AlGaInP계 발광다이오드에서 사용되는 모든 물질보다 상대적으로 높은 밴드갭과 작은 굴절률을 가진 물질층이고, 따라서 AlGaInP계 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 여기서 “상대적으로 높은 밴드갭을 가진다”란 AlGaInP 계 발광다이오드로부터 방출되는 빛들을 흡수하지 않고 투과시킬 수 있도록 AlGaInP 계 발광다이오드의 다른 성장 물질들보다 밴드갭이 큰 것을 의미한다. 또한, “상대적으로 작은 굴절률을 가진다”란 AlGaInP 계 발광다이오드의 다른 성장 물질들보다 굴절률이 작은 것을 의미하는데, 상기 GaN층은 굴절률이 n=2.5이다. 이것은 AlGaInP계의 굴절률(n=3.0~3.5)보다 작고, 최종적으로 발광다이오드를 감싸게 되는 봉지재인 에폭시의 굴절률(n=1.5~1.8)보다 크다.

상기 GaN층 또는 요철형 GaN층은 활성층으로부터의 빛을 발광다이오드의 외부로 방출하는데 방해 요인이 되는 전반사 양을 크게 감소시켜 광 추출 효율을 증가시키게 된다. 여기서 용어 “요철형”은 표면에 미세한 요철 패턴이 형성되어 있는 것을 의미하고, 거친 표면 특성을 가지는 것으로도 이해될 수 있다.

상기 GaN층은 상대적으로 저온에서, 바람직하게는 약 400~700 ℃, 좀더 바람직하게는 약 500~550 ℃에서 성장된다. 따라서 MOCVD 시스템에서 약 670~800 ℃에서 성장되는 AlGaInP계 발광다이오드의 성장 시스템을 상기 GaN층을 성장시키기 위해 이용할 수 있다. 즉, 동일 MOCVD에서 AlGaInP 발광다이오드의 층들을 성장시킨 후, 시스템 내 온도를 낮추고 최상부층에 GaN층을 고품질로 성장시킬 수 있다.

상기 GaN층은 성장 시 과도한 도핑을 진행할 경우 표면이 거칠게 형성될 수 있다. 여기서 과도한 도핑이란 증착 시 예컨대 Mg, Si, Zn 같은 도펀트의 전구체 가스 유동률(flow rate)을 약 300 sccm 이상, 바람직하게는 약 400 sccm 이상으로 설정하는 것으로 규정될 수 있다. 전구체 가스의 유동률을 증가시킬수록 표면은 더욱 거칠어지는 경향이 있다. MOCVD 시스템에서 일정 두께의 GaN층을 성장시킨 후 과도하게 도핑된 GaN층을 성장시키면 요철형의 고품질 GaN층을 성장시킬 수 있다.

상기 GaN층은 100~2000 nm의 두께를 가지도록 성장되는 것이 바람직하다. 상기 범위보다 얇을 경우 약 50~60 nm 두께의 거친 완충층의 영향을 받아 고품질의 성장이 어려우며, 상기 범위보다 두꺼울 경우 이후에 형성될, 보통 약 2000~2300 nm의 두께를 가지는 상부 전극이 GaN층에 파묻히게 되어 최종 램프 패키징 시 불량 발생 가능성이 크기 때문이다.

본 발명에 있어서, 상기 AlGaInP계 발광다이오드는, 기판 위에 제1형 AlGaInP계 반도체층, 활성층 및 제2형 AlGaInP계 반도체층을 성장시킨 후, 그 위에 바람직하게는 요철형인 GaN층을 성장시킴으로써 제조된다. 여기서 제1형 및 제2형은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형을 의미한다. 상기 성장은 MOCVD 등 당해 기술분야에서 알려진 기법에 의해 수행될 수 있고, 상기 요철형 GaN층은 GaN이 전술한 바와 같이 규정되는 과도한 도핑 환경에서 증착됨으로써 성장될 수 있다.

발광다이오드의 발광 효율 향상을 위해, 상기 기판과 제1형 반도체층 사이에는 DBR층이, 상기 제2형 반도체층과 GaN층 사이에는 전류 확산층이 성장되는 것이 바람직하다. 상기 GaN층의 성장 후, 그 위에는 상부 전극이 증착되고 기판 아래에는 하부 전극이 증착된다. 상기 상부 전극의 증착에 있어서, GaN은 저항이 발광다이오드의 GaP 물질이나 AlGaInP 물질의 저항보다 상대적으로 크기 때문에, GaN층에서 전극이 형성될 부분을 예컨대 에칭에 의해 제거한 후, 제거된 영역에 상부 전극이 증착된다.

본 발명에 따라서 높은 밴드갭과 낮은 굴절률을 가진 GaN층을 AlGaInP 계 발광다이오드의 성장 시 상부 표면에 성장시킴으로써 AlGaInP 계 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.

특히, 상기 GaN층은 화학적 에칭 처리나 별도의 공정 추가 없이 AlGaInP계 발광다이오드의 성장 후 동일 시스템 하에서 요철형으로 바로 성장될 수 있으므로, 발광다이오드의 결함이나 오염의 발생 없이, 안정적으로 발광다이오드의 효율을 크게 증가시킬 수 있으며, 요철 형성을 위한 추가적인 공정 단계가 제거된다.

도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제조된 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 요철형 GaN층이 적용된 AlGaInP계 발광다이오드(b)의 구조를 도식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2에서 (a)는 본 발명에 따른 요철형 GaN층을 가지는 AlGaInP계 발광다이오드의 전자현미경 표면 사진이고, (b)는 상기 발광다이오드에서 GaP 윈도우층과 요철형 GaN층의 수직 구조를 나타내는 전자현미경 측면 사진이고, (c)는 (a) 사진의 일부에 대한 정성 분석 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 3은 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 평탄형 GaN층이 적용된 AlGaInP계 발광다이오드(b) 및 요철형 GaN층이 적용된 AlGaInP계 발광다이오드(c)에 대한 광 방출 모식도이다.
도 4는 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 평탄형 GaN층을 가지는 AlGaInP계 발광다이오드(b) 및 요철형 GaN층을 가지는 AlGaInP계 발광다이오드(c)의 PL(photo-luminescence) 특성을 보여주는 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 MOCVD 시스템에 의해 제작된 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 요철형 GaN층(2)이 적용된 AlGaInP 계 발광 다이오드(b)의 구조를 간략하게 도식하여 나타낸 것이다. 통상적인 AlGaInP 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 AlGaInP 발광다이오드(a)는 모두 기판(8) 위에 반사층(7), 하부 제한층(6), 활성층(5), 상부 제한층(4) 및 윈도우층(3)이 순차적으로 성장되어 적층된 층 구조를 가지며, 기판(8)의 하면에 하부 전극(9)이 형성되고 윈도우층(3)의 상면에 상부 전극(1)이 형성되어 있다. 이들의 구체적인 형성은 당해 기술분야에서 알려진 AlGaInP 발광다이오드의 제조 공정에 따라 수행될 수 있다.

통상적인 그리고 본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드가 모두 포함할 수 있는 각 층의 구성에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 발광다이오드는 AlGaInP계 이므로, 상기 활성층(5)은 (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP층이다. 상기 활성층(5)은 필요에 따라 단일층, 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조 등이 적용될 수 있다. 바람직하게는 상기 활성층(5)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(6)은 n형 AlGaInP층이고 상부 제한층(4)은 p형 AlGaInP층이다.

상기 기판(8)은 n형 GaAs 기판이다. GaAs 기판은 광 흡수성이기 크기 때문에 활성층(4)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(8) 위에 복수의 층으로 이루어진 반사층(7)을 성장시킴으로써, 활성층(4)으로부터 기판(8) 방향으로 방출되는 광을 전면(상부) 방향으로 반사시키게 된다. 상기 반사층(7)은 DBR(distributed Bragg reflector)층이고, 이것은 활성층(4)인 (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP층의 조성비에 따른 발광다이오드의 발광 파장에 따라 AlGaInP/AlGaInP, AlAs/AlGaAs, AlAs/GaAs, AlAs/AlGaInP 등에서 선택된 반복 다층 구조로 이루어진다.

상부 제한층(4) 위에 형성된 상부 윈도우층(3)은 본질적으로 전류 확산을 위한 층으로서 투명하고 비저항이 작은 재료로 증착 형성되는데, 바람직하게는 p형 GaP층이다. 상기 윈도우층(3)은 전류 확산 효과와 상부 측면 방출 콘 영역 확대 효과를 위해, 수 내지 수십 미크론의 두께, 바람직하게는 약 15 μm 이상의 두께로 성장된다.

활성층(5)에 양극 전압을 인가하는 역할을 하는 상부 전극(1)과 활성층(5)에 음극 전압을 인가하는 역할을 하는 하부 전극(9)은 AlGaInP계 옴 접촉(ohmic contact) 물질인 AuGe과 AuBe이 각각 사용될 수 있고, 추가적인 전극 물질의 예는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.

전술한 발광다이오드의 구조에 더하여, 본 발명에 다른 AlGaInP계 발광다이오드(b)는 상기 윈도우층(3) 위에 GaN층, 바람직하게는 요철형 GaN층(2)이 성장된 구조를 갖는다. 상기 요철형 GaN층(2)은 발광다이오드의 광 추출 효율을 증가시키기 위해 적용된 것으로서, 별도의 프로세서나 장비의 사용 없이, AlGaInP계 발광다이오드(b)의 다른 층의 성장을 위해 사용된 MOCVD 시스템 상에서 성장될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 요철형 GaN층을 가지는 AlGaInP계 발광다이오드의 전자현미경 사진으로서, (a)는 상부 표면을 나타내는 사진이고 (b)는 윈도우층에 성장된 GaN층을 나타내는 측면 사진이며, (c)는 표면 사진(a) 의 일부에 대한 정성 분석 데이터를 나타낸다. 상기 요철형 GaN층은 MOCVD 시스템에서 500 ℃, TMGa 150 sccm, NH₃ 45000 sccm에서 일정 두께의 고품질 GaN층을 증착한 후 동일한 성장 환경에서 약 400 sccm으로 Cp2Mg를 흘려주면서 GaN층을 증착함으로써 성장되었다. 표면 사진(a)에서 나타난 같이, GaN층의 표면은 무수히 많은 굴곡이 존재하고 미세한 요철 패턴을 이룬다. 측면 사진(b)에 나타난 바와 같이, 윈도우층(GaP) 바로 위에 약 370 nm 두께의 요철형 GaN층이 균일하게 성장하였음을 확인할 수 있다. 또한, 그래프(c)에 나타난 바와 같이, 정성 분석 결과 GaP 윈도우층 위에 성장된 층에서 “N” 검출 표시가 확인되었다. AlGaInP계 발광 다이오드는 성장 시 "N" 물질이 사용되지 않으므로, GaP 윈도우층 위에 고품질로 성장된 물질이 GaN 임을 판단할 수 있다.

도 3은 GaN층의 존재 유무에 따라 활성층으로부터 발생된 광의 방출이 어떻게 달라지는지를 보여주기 위한 도면으로서, 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명에 따른 평탄형 GaN층이 적용된 AlGaInP계 발광다이오드(b) 및 요철형 GaN층이 적용된 AlGaInP계 발광다이오드(c)에서 방출되는 광의 서로 다른 루트를 도식적으로 나타낸다. 발광다이오드(a)의 경우, 활성층의 점 광원으로부터 발생된 광은 서로 다른 굴절률을 가진 상부 제한층과 윈도우층을 거쳐 발광다이오드의 외부로 방출되는데, 상당량의 광은 윈도우층의 표면 경계면에서 반사되어 발광다이오드의 내부로 향하게 된다. 반면, 평탄형 GaN층이 적용된 발광다이오드(b)의 경우 GaN 물질의 보다 작은 굴절률로 인해 표면 경계면에서 반사되는 광이 발광다이오드(a) 비해 상당히 감소한다. 또한, 요철형 GaN층이 적용된 발광다이오드(c)의 경우에는 표면의 미세한 요철 패턴으로 인해 큰 임계각이 제공되어 전반사에 의해 발광다이오드의 내부로 반사되는 광을 더욱 현저하게 줄일 수 있게 된다.

도 4는 도 3에 예시된 구조를 갖는 각각의 발광다이오드에서 측정된 광 루미네선스(PL) 특성을 보여준다. PL 특성 비교를 위해 평탄형 GaN층과 요철형 GaN층은 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드와 동일 조건 하에서 성장된 샘플들 위에 각각 성장되었다. 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드에 비해, 평탄형 GaN층이 적용된 발광다이오드는 피크 파장의 강도가 약 1.8배 증가하였고 요철형 GaN층이 적용된 발광다이오드는 피크 파장의 강도가 약 2.1배 증가하였음을 알 수 있다. 이들 발광다이오드는 GaN층의 성장 전에는 모두 동일한 특성을 가지므로, 광 루미네선스의 증가 즉, 발광다이오드의 효율 증가는 본 발명에 따른 GaN층을 성장시킨 결과임을 알 수 있다.

비록 본 발명이 대표적인 실시예에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.

1: 상부 전극 2: 요철형 GaN층 3: GaP 윈도우층 4: 상부 제한층(p형 AlGaInP층) 5: 활성층 6: 하부 제한층(n형 AlGaInP층) 7: n형 DBR층 8: 기판 9: 하부 전극

Claims (6)

1. GaP 윈도우층의 상부 표면에 전극주변에 GaN층이 위치하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 GaN층은 요철형 GaN층인 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 GaN층은 100-2000 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
4. 기판 위에 제1형 AlGaInP계 반도체층, 활성층 및 제2형 AlGaInP계 반도체층을 성장시키는 단계;
   상기 제2형 AlGaInP계 반도체층 상부에 GaP 윈도우층을 성장시키는 단계; 및
   상기 GaP 윈도우층의 표면에 GaN층을 성장시키는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 GaN층은 요철형 GaN층이고 표면의 요철 패턴 형성을 위해 과도한 도핑 환경에서 성장된 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드 제조 방법.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 제1형 AlGaInP계 반도체층의 성장시키기 전에 DBR층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드 제조 방법.

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