KR101582330B1 - 나노 발광다이오드 또는 마이크로 발광다이오드 구조 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

이온주입이나 플라즈마 도핑기술을 이용하여 제조한 발광다이오드 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 발광다이오드는 기판 그리고 n-GaN층과 p-GaN층 사이에 형성된 활성층을 포함하고 이온주입을 통하여 절연부분을 형성하고 이온주입을 통하여 n형 GaN 부분을 형성한다. 이와 같은 구조에 의해 식각을 이용하여 발광다이오드를 제작하는 경우에 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

Description

나노 발광다이오드 또는 마이크로 발광다이오드 구조 및 이의 제조방법{NANO LIGHT EMITTING DIODES OR MICRO LIGHT EMITTING DIODES FABRICATED BY USING ION IMPLANTATION AND ITS FABRICATING METHOD}

본 발명은 발광다이오드 제조방법에 관한 것으로, 기존의 n-GaN 식각기술이 아닌 이온주입이나 플라즈마 도핑기술을 이용하여 MQWs, p-GaN층을 n-type GaN로 형성하는 방법이다. 또한 나노발광다이오드나 마이크로 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 활성영역에 나노구조를 형성하고, 나노 마스크나 마이크로 마스크를 Epi 최 상단위(p-GaN)에 형성한다. 이후 이온주입이나 플라즈마도핑방법을 이용하여 선택적으로 패턴이 없는 부분을 형성하게 된다. 이때 이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 생성된 부분은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 형성하였으며, 활성층에서 발생된 빛이 이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 형성된 영역과 교차되게 된다. 이때 그 빛은 굴절률이 다르기 때문에 빛을 전반사 하게 된다. 전반사 된 빛이 외부로 탈출하게 되는데 광의 내부 손실 없이 많은 광이 LED chip 외부로 반사되기 때문에 고효율 LED를 구현할 수 있는 기술이다.

일반적으로 발광다이오드는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다. 상기 화합물 중 GaN는 청색 발광다이오드 소자를 제조하는 화합물로서 각광 받는다.

반도체를 이용한 백색 발광 다이오드는 수명이 길고, 소형화가 가능하며, 저전압으로 구동이 가능하다는 특징으로 인해 기존의 발광소자를 대체할 수 있는 차세대 발광소자 중 하나로써 각광받고 있다.

이러한 백색 발광다이오드를 제조하는 기존의 방법으로는 삼색(적색, 녹색, 청색) 발광다이오드를 모두 사용하는 방법이 있으나, 제조 비용이 고가이고, 구동회로가 복잡하기 때문에 제품의 크기가 커진다는 단점이 있다.

또한 청색의 파장을 가지는 InGaN계 청색 LED에 황록색 형광체를 조합한 백색 LED가 실용화 되어 있으며, 이는 청색 LED에서 발생하는 청색광의 일부가 황록색 형광체를 여기시켜 황록색을 발생시키데 되며, 상기 청색과 황록색이 합성되어 백색을 발광시키는 원리로 이루어져 있다.

그러나 청색 LED에 황록색 형광체를 조합한 백색 LED의 빛은 가시광선 영역의 일부 스펙트럼만을 가지고 있기 때문에 연색지수(color rendering index)가 낮고 이에 따라 색표현이 제대로 되지 않는다는 문제점이 있으며, 여기 광원으로 사용되는 청색 LED의 파장이 450nm정도 이기 때문에 칩 효율이 떨어져서 전체적으로 백색 LED의 발광효율이 낮다는 것도 단점으로 작용한다.

기존의 발광다이오드를 칩을 제작하는 공정은 식각-식각데미지 제거-투명전극층 증착 - n-metal 증착 - p-metal 증착의 공정으로 이루어 지게 되는데 식각을 할때 그 깊이를 작게 하는경우 n전극과 p전극이 서로 쇼트를 일으키게 된다. 또한 식각깊이를 많이 하게 되는 경우 n-GaN 이후까지의 공정을 진행할 경우 전류가 통하지 않는 경우가 발생하게 된다.

두 번째로 ICP를 이용하여 건식식각을 할 경우 식각된 면이 고르지 않거나 식각면의 플라즈마 데미지, PR의 잔류여부에 따라 누설전류가 발생하게 되는데 이는 발광다이오드의 신뢰성에 치명적인 약점을 가져오게 된다.

세 번째로 식각 후 식각의 단차로 인하여 이후공정진행시 PR 코팅, photolithograpy 공정시 발생할수 있는 miss align 이 발생할 수 있다.

발광다이오드 공정시 발생할수 있는 문제를 최소화 하기 위하여 이온주입이나 플라즈마 도핑 공정을 고안하게 되었다.

네 번째로 기존의 chip구조에서는 활성층에서 빛이 생성되어 외부로 전면 방출 되지만 하부쪽으로 발생된 빛은 chip 내부에서 전반사로 인하여 흡수되는 경우가 많이 있다. 그리 하여 본 발명에서는 내부에서 발생된 빛이 굴절률이 다른 층과 반응하여 빛이 전반사 되고 이 전반사 된 빛은 외부로 방출되게 됨으로 인해 보다 높은 광추출 효율을 기대 할 수 있다.

본 발명은 발광다이오드 제작공정에서 발생할수 있는 문제를 최소화 하고 기존의 발광다이오드 공정을 변화 하여 발광다이오드를 제작하는 새로운 방법이다. 고효율 발광다이오드를 제작하기 위하여 많은 공정들이 들어 가게 되는데 이는 발광다이오드의 단가를 상승시키는 치명적인 단점으로 작용한다. 이 단점을 해소하기 위하여 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 보다 가격을 낮추며, 고효율의 발광다이오드 제작을 하려고 한다. 상기에 설명한 바와 같이 발광다이오드를 제작하기 위하여 MOCVD를 이용하여 GaN를 성장하게 되는데 식각시 발생할 수 있는 깊이 단차를 최소화 하기 위하여 n-GaN을 두껍게 형성한다. 하지만 이는 발광다이오드의 단가를 높이는 문제를 가지고 있다. 하지만 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 n-GaN을 형성할 경우 MOCVD를 이용할 때 n-GaN을 두껍게 형성하지 않아도 되어 가격을 낮출수 있다.

두 번째로 종래의 LED를 제작할 때 ICP를 이용하여 n-GaN까지 식각을 하게 된다. 하지만 이때 발생할 수 있는 문제들이 많이 있다. 하지만 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 n-type GaN을 형성하여 주고, 절연층을 형성하게 되면 식각을 이용하여 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

이온주입이나 플라즈마 도핑을 할 때 반응성 이온들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입이나 플라즈마 도핑을 하게 되며, n-type GaN이나 절연층을 형성하게 된다. 또한 나노발광다이오드나 마이크로 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 활성영역에 나노구조를 형성하고, 나노 마스크나 마이크로 마스크를 Epi 최상단 위(p-GaN)에 형성한다. 이후 이온주입이나 플라즈마도핑방법을 이용하여 선택적으로 패턴이 없는 부분을 형성하게 된다. 이때 이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 생성된 부분은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 형성하였으며, 활성층에서 발생된 빛이 이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 형성된 영역과 교차되게 된다. 이때 그 빛은 굴절률이 다르기 때문에 빛을 전반사 하게 된다. 전반사 된 빛이 외부로 탈출하게 되는데 광의 내부 손실 없이 많은 광이 LED chip 외부로 반사되기 때문에 고효율 LED를 구현할 수 있는 기술이다.

이온주입이나 플라즈마 도핑을 할 때 반응성 이온들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 각각의 나노구조나 마이크로 구조를 형성하는 방법이다. 이때 GaN과 이온주입이나 플라즈마 도핑된 영역의 굴절률이 다르게 되는데 이를 이용하여 보다 높은 광적 특성을 가진 발광다이오드를 제작 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 발광다이오드는 기판 그리고 n-GaN층과 p-GaN층 사이에 형성된 활성층을 포함하고 이온주입을 통하여 절연부분을 형성하고 이온주입을 통하여 n형 GaN 부분을 형성한다.

이때, 상기 이온주입을 통하여 n형 GaN 부분을 형성하는 것은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Al, Au, Ti, C, H, He 중 적어도 하나의 반응성 이온들의 이온주입을 통하여 형성한다. 또한, 상기 이온주입을 통하여 절연부분을 형성하는 것은 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Al, Au, Ti, C, H, He 중 적어도 하나의 반응성 이온들의 이온주입을 통하여 형성할 수 있다.

한편, 상기 이온주입을 통하여 형성되는 절연부분은 상기 발광다이오드의 일부분에 형성될 수 있고, 상기 이온주입을 통하여 형성되는 n-GaN 부분은 상기 발광다이오드의 일부분에 형성될 수 있다.

상기 이온주입에 의하여 형성되는 절연부분이 상기 이온주입에 의하여 형성되는 n-GaN 부분과 이온주입이 되지 않은 영역을 나눈다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 발광다이오드의 제작방법은 기판 및 n-GaN층과 p-GaN층 사이에 형성된 활성층을 갖는 발광다이오드에서, 이온주입을 통하여 절연부분을 형성하는 단계, 그리고, 이온주입을 통하여 n형 GaN 부분을 형성하는 단계를 포함한다.

한편, 기판 그리고 n-GaN층과 p-GaN층 사이에 형성된 활성층을 포함하고 나노 혹은 마이크로 마스크를 이용하여 패턴을 형성할 수 있다.

종래의 LED를 제작할 때 ICP를 이용하여 n-GaN까지 식각을 하게 된다. 하지만 이때 발생할 수 있는 문제들이 많이 있다. 하지만 이온주입이나 플라즈마도핑 기술을 이용하여 n-type GaN을 형성하여 주고, 절연층을 형성하게 되면 식각을 이용하여 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

이온주입이나 플라즈마 도핑을 할 때 반응성 이온들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 이온주입이나 플라즈마도핑기술을 이용하게 되며, n-type GaN이나 절연층을 형성하게 된다.

하지만 나노구조를 가진 발광다이오드에서는 상부는 물론 옆면에서도 빛이 나게 제작 되어 있다. 이는 종래의 발광다이오드 보다 휘도의 상승을 가져 올 수 있다. 하지만 나노구조를 가진 발광다이오드 제작에 있어 어려움이 따르는데 그중 하나로 나노구조와 나노구조 사이에 절연층을 형성하는 것이다. 본 발명에서 이온주입이나 플라즈마 도핑 방법을 이용하여 절연층을 형성하여 보다 쉽게 나노발광다이오드를 제작 할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 발광다이오드의 구조를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 발광다이오드의 구조를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참고하면, 사파이어기판에 MQCVD (metal organic chemical vator deposition)를 이용하여 핵층 GaN, u-GaN, n-GaN, MQWs(multi Quantum well),p-GaN을 순서대로 성장한다. 이후 1차적으로 이온주입이나 플라즈마 도핑을 이용하여 상기의 그림과 같은 n-GaN 영역을 형성하고, 2차적으로 이온주입이나 플라즈마 도핑을 이용하여 절연층을 형성하게 된다. 이온주입이나 플라즈마 도핑을 할 때 반응성 이온들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입이나 플라즈마 도핑을 하게 되며, n-type GaN이나 절연층을 형성하게 된다. 3차적으로 p-GaN 상부에 나노마스크나 마이크로 마스크를 이용하여 p-GaN층 상단에 패턴을 형성한다. 이후 나노패턴이나 마이크로 패턴에 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입이나 플라즈마도핑방법을 이용하여 패턴을 형성한다. 이후 투명전극층 n,p 전극을 형성하여 LED를 제작한다.

본 발명을 보다 자세히 설명한다. 본 발명은 발광다이오드 제작공정에서 발생할수 있는 문제를 최소화 하고 기존의 발광다이오드 공정을 변화 하여 발광다이오드를 제작하는 새로운 방법이다. 고효율 발광다이오드를 제작하기 위하여 많은 공정들이 들어 가게 되는데 이는 발광다이오드의 단가를 상승시키는 치명적인 단점으로 작용한다. 이 단점을 해소하기 위하여 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 보다 가격을 낮추며, 고효율의 발광다이오드 제작을 하려고 한다. 상기에 설명한 바와 같이 발광다이오드를 제작하기 위하여 MOCVD를 이용하여 GaN를 성장하게 되는데 식각시 발생할 수 있는 깊이 단차를 최소화 하기 위하여 n-GaN을 두껍게 형성한다. 하지만 이는 발광다이오드의 단가를 높이는 문제를 가지고 있다. 하지만 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 n-GaN을 형성할 경우 MOCVD를 이용할 때 n-GaN을 두껍게 형성하지 않아도 되어 가격을 낮출수 있다.

두 번째로 종래의 LED를 제작할 때 ICP를 이용하여 n-GaN까지 식각을 하게 된다. 하지만 이때 발생할 수 있는 문제들이 많이 있다. 하지만 이온주입이나 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 n-type GaN을 형성하여 주고, 절연층을 형성하게 되면 식각을 이용하여 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

이온주입이나 플라즈마 도핑을 할 때 반응성 이온들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입이나 플라즈마 도핑을 하게 되며, n-type GaN이나 절연층을 형성하게 된다. 또한 p-GaN 상단에 나노사이즈의 패턴이나 마이크로사이즈의 패턴을 둥근모양이나 사각모양, 삼각 모양, 육각모양 중 적어도 하나의 패턴모양을 형성한다. 이후 형성된 나노마스크나 마이크로 마스크에 이온주입이나 플라즈마도핑방법을 이용하여 GaN와 굴절률이 다른 GaN 기반으로 이온주입을 하거나 도핑을 다르게 한다. 이때 이온주입이나 플라즈마 도핑은 반응성 이온들을 이용하게 되는데 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 이온주입 하거나 도핑한다.

이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 형성된 층 이후에 투명전극층을 형성한다. 이후 n 전극과 p전극을 형성하여 발광다이오드를 형성한다.

기능을 살펴보면, Ion implantation을 이용하여 n-GaN을 형성한다. 또한, Ion implantation을 이용하여 절연층을 형성한다.

p-GaN 층에서 n-GaN 층까지 나노구조구조나 마이크로 구조를 가진 활성층에서 서로 각각의 독립된 단일 칩구조를 형성하여 발광한다.

제작된 나노구조 사이에 플라즈마도핑 방법을 이용하여 굴절률이 다른 구조로 형성 한다.

본 발명에서 설명되는 방법은 이온주입이나 플라즈마도핑 기술을 이용하여 n-GaN 영역을 형성하여 주는 방법이다. 기존의 ICP 식각이 아닌 이온주입이나 플라즈마도핑 기술을 이용하여 n-GaN을 형성하였을때 식각의 데미지를 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 이온주입이나 플라즈마도핑 기술을 이용하여 절연층을 형성하는 방법이다. 절연층을 형성하는 이유는 n-GaN과 p-GaN사이에 발생할수 있는 쇼트를 절연한다. 이때 누설전류가 생기는 것을 방지해 주는 역할도 동시에 진행 할 수 있다.

다이오드는 원뿔 모양 또는 삼각형 모양, 사각 모양, 육각모양 중 하나의 구조이며, 나노구조 또는 마이크로 구조를 가진 활성영역은 상부 전면 발광을 하며, 발광영역 옆면에서도 빛이 나오는 구조이다.

광이 외부로 탈출할 때 이온주입이나 플라즈마 도핑된 부분과의 굴절률 차이로 인하여 내부에서 전반사가 일어나며 p-GaN 부분으로 광이 나오게 되는데 이는 내부전반사에 의해 빛이 소멸되지 않고 탈출할 수 있으므로 고출력 발광다이오드를 제작 할 수 있는 특징을 가진다.

한편, 나노 혹은 마이크로 마스크를 이용하여 패턴을 형성하는 구조에 있어서, 나노 마스크 혹은 마이크로 마스크가 된 부분을 제외한 나머지 부분은 이온주입이나 플라즈마 도핑 방법을 이용하여 고굴절을 가지는 절연되는 형태로 존재 해야한다.

또한 이온주입이나 플라즈마 도핑이 된 부분은 절연체로 형성이 되어야 하며, 이 절연층은 나노구조 혹은 마이크로 구조가 Epi 상태에서 절연되어 있어 Epi 상태에서 쇼트가 나지 않아야 한다.

이온주입이나 플라즈마 도핑 방법으로 제작된 Epi 구조에서 상부 p-GaN 부분에서는 투명전극을 이용하여 이온주입이나 플라즈마 도핑방법으로 절연층을 형성하지 않은 부분에서 전류가 통해야 한다.

제작된 발광영역에서 빛이 발생하며 이 발생한 빛은 종래의 발광다오오드 보다 활성층의 탈출 면적이 넓어야 한다.

광이 외부로 탈출할 때 이온주입이나 플라즈마 도핑된 부분과의 굴절률 차이로 인하여 내부에서 전반사가 일어나며 p-GaN 부분으로 광이 나오게 되는데 이는 내부전반사에 의해 빛이 소멸되지 않고 탈출할 수 있으므로 고출력 발광다이오드를 제작 할 수 있는 특징을 가진다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 활성 영역과 비활성 영역을 포함하는 발광다이오드 제작방법에 있어서,
   기판의 전체면 상에 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층이 적층된 반도체 적층구조를 형성하는 단계;
   상기 비활성 영역에 대응하는 상기 반도체 적층구조에 적어도 부분적으로 반응성 이온을 주입하여 상기 p-GaN층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 n-GaN층에 연결되는 n형 GaN 부분을 형성하는 단계;
   상기 n형 GaN 부분과 상기 활성 영역 사이의 상기 반도체 적층구조에 부분적으로 반응성 이온을 주입하여 상기 p-GaN층, 상기 활성층 및 상기 n-GaN층의 상단 일부를 관통하며, 상기 n형 GaN 부분으로부터 상기 활성 영역의 p-GaN층 및 상기 활성층을 전기적으로 분리하는 절연 부분을 형성하는 단계;
   상기 활성 영역에 대응하는 상기 반도체 적층구조에 부분적으로 반응성 이온을 주입하여 상기 p-GaN층, 상기 활성층 및 상기 n-GaN층의 상단 일부를 관통하며, 서로 이격된 복수의 절연성 나노 구조물을 형성하는 단계; 및
   상기 활성 영역과 상기 n형 GaN 부분 상에 각각 p형 전극과 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 절연 부분을 형성하는 단계, 및 상기 복수의 절연성 나노 구조물을 형성하는 단계는 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, He 중 적어도 하나의 반응성 이온을 이온주입하여 수행되며,
   상기 절연 나노 구조물은 상기 p-GaN층, 상기 활성층 및 상기 n-GaN층의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제작방법.
   
8. 삭제

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