KR101647303B1 - 기판, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

질화갈륨 기판, 이를 제조하는 방법 및 제조된 질화갈륨 기판을 이용한 양면 발광 다이오드가 개시된다. 질화갈륨 기판은 Ga-polar면을 가지는 제1 면과 N-polar면을 가지는 제2 면을 가진다. 제2 면 상에는 semi-polar로 형성된 돌출부를 가진다. 제1 면 상으로 발광체가 형성될 수 있으며, 돌출부의 표면을 통해 별도의 발광체가 형성될 수 있다.

Description

기판, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하는 발광 다이오드{Substrate, Method of manufacturing the same and Light-Emitting Diode of using the same}
본 발명은 기판, 기판을 제조하는 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화갈륨 기판과 질화갈류 기판 상에 형성된 다중접합 구조의 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 화합물 반도체로 구성되며, 화합물 반도체는 대부분 유기금속화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD) 공정에 의해 형성된다. 사용되는 MOCVD 공정은 금속의 전구체로 금속과 유기물이 결합된 물질을 사용한다. 또한, 화합물 반도체는 단결정으로 구성되는 것이 바람직하며, 단결정의 형성에 의해 높은 휘도와 우수한 열적 안정성을 확보할 수 있다. 특히 발광 동작을 수행하는 활성층 내부에서 결정 상태의 결함이 발생될 경우, 휘도의 불안정이 유발되고 높은 동작 전류에서 휘도가 저하되거나 과도한 열이 발생되는 문제점이 노출된다. 따라서, 발광 다이오드의 제조공정에서 화합물 반도체를 단결정으로 형성하는 것은 매우 중요한 사항이다.
또한, MOCVD 공정이 사용된다 하더라도, 형성되는 화합물 반도체층은 하부에 배치된 적층구조의 결정성과 결정 배향에 영향을 받는다. 예컨대, 질화갈륨으로 형성된 n형 반도체층 상부에 질화갈륨을 기저물질로 한 활성층을 형성할 경우, n형 반도체층에서의 전위(dislocation) 또는 점결함(point defect)이 존재하면, 그 상부에 형성되는 활성층에서도 전위 또는 결함이 나타난다.
또한, 형성되는 화합물 반도체층은 결정 성장의 기반이 되는 기판의 결정배향과 격자상수에 영향을 받는다. 즉, 기판은 화합물 반도체층이 가지는 결정구조와 동일한 결정구조를 가짐이 바람직하며, 격자상수의 차이가 적을수록 우수한 품질의 화합물 반도체층이 형성된다.
질화갈륨 계열의 발광 다이오드의 제작시 사용될 수 있는 기판으로는 사파이어, 실리콘 또는 질화갈륨 등이 있다.
사파이어는 발광 다이오드의 제조공정에서 가장 널리 사용되는 기판이다. 결정구조는 육방정계 구조를 가지므로 질화갈륨 계열 발광 다이오드의 성장에 유리한 장점이 있으며, 기판의 제조공정이 비교적 간단하고 상대적인 가격 경쟁력을 확보하고 있다. 다만, 부도체라는 특성으로 인해 열의 방출이 용이하지 못하며, 질화갈륨과의 격자상수의 차이에서 발생하는 결정구조의 결함을 유발한다.
실리콘은 반도체 기판으로 널리 사용되고 있으며, 방열 특성은 사파이어에 비해 우수하다. 다만, 실리콘의 경우, 결정구조는 면심입방 구조를 가지므로, 결정구조가 질화갈륨과 상이하다. 따라서, 실리콘 기판 상에 질화갈륨 단결정을 형성하는 것은 기술적인 곤란성을 가지며, 다수의 버퍼층들이 개입되어야 하는 부담이 따른다.
질화갈륨 기판은 반도체 소재이므로 우수한 열전도율로 인해 방열 특성이 우월하며, 그 상부에 질화갈륨 발광층의 형성이 극히 용이하고 고품질의 발광 다이오드를 제작할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 통상의 기판 제조공정으로는 제작이 불가능한 특징이 있다. 또한, 질화갈륨 기판으니 제작비용의 부담이 있으므로 산업계에 적용은 매우 제한적인 상태이다.
따라서, 질화갈륨 기판을 용이하게 제작할 수 있으며, MOCVD 공정을 통해 발광 다이오드를 제작할 수 있는 기술은 관련 업계에서 꾸준히 연구가 진행되고 있으며, 산업적 파급효과도 매우 큰 기술이라 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 질화갈륨 기판을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 질화갈륨 기판의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제3 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제의 달성에 의해 획득되는 질화갈륨 기판을 이용한 양면 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 갈륨 원자가 표면 상에 배열되는 Ga-polar면으로 구성된 제1 면; 상기 제1 면과 대향하고, 질소 원자가 표면 상에 배열되는 N-polar면으로 구성된 제2 면; 및 상기 제2 면 상에 형성되고, 돌출된 형상으로 표면이 semi-polar면인 돌출부들을 포함하는 질화갈륨 기판을 제공한다.
상기 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 성장용 기판 상에 마스크 패턴들 및 상기 마스크 패턴들 사이의 이격공간을 매립하는 질화갈륨 로드들을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨 로드들을 성장의 핵으로 하여 상기 마스크 패턴들을 차폐하는 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 차폐된 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및 상기 제거된 마스크 패턴에 의해 형성된 식각홀에 에천트를 공급하여 상기 질화갈륨 로드들을 식각하여 상기 질화갈륨층 상에 질화갈륨 로드들의 일부가 잔류하는 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 질화갈륨 기판의 제조방법을 제공한다.
상기 제3 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 질화갈륨 재질을 가지는 질화갈륨 기판; 상기 질화갈륨 기판으로부터 제1 방향으로 성장된 제1 발광체; 및 상기 질화갈륨 기판으로부터 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 성장된 제2 발광체를 포함하는 양면 발광 다이오드를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 제1 면은 Ga-polar면을 가지고, 제2 면은 N-polar면을 가지며, 제2 면 상에 형성된 돌출부는 semi-polar면을 가지는 질화갈륨 기판을 얻을 수 있다. 질화갈륨 기판은 반도체 재질이므로 형성되는 발광체에서 발생되는 열을 외부로 방출하기에 매우 유리한다. 또한, 그 상부에 질화갈륨 기반의 발광체들이 형성되더라도 결정의 배향성과 격자상수가 실질적으로 동일하므로 고품질의 단결정을 얻을 수 있다. 따라서, 고품위의 발광체들을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 형성된 질화갈륨 기판을 중심으로 양면에 발광체들을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 다양한 컬러를 구현하고, 높은 휘도를 가지는 발광 다이오드를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨 기판을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 질화갈륨의 결정구조를 도시한 모식도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제작방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 질화갈륨 로드 상에 형성된 질화갈륨층을 도시한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 질화갈륨 기판을 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양면 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨 기판을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110)은 Ga-polar면이며, 제2 면(120)은 N-polar면이다. 또한, 제2 면(120) 상에는 돌출부(130)가 형성되며, 돌출부(130)는 semi-polor면이 된다.
통상적으로 육방정계 결정구조는 결정면지수 (a1, a2, -(a1+a2), c)의 형태로 표기된다. 또한, c축에 수직한 면을 극성(polar)면, c측에 평행한 면을 비극성(nonpolar)면이라 지칭하며, c축에 수직하지도 평행하지도 않은 면을 반극성(semi-polar)면이라 한다.
Ga-polar면은 질화갈륨의 결정구조에서 갈륨 원자가 나타나는 극성면을 지칭하며, N-polar면은 질화갈륨의 결정구조에서 질소 원자가 나타나는 극성면을 지칭한다. 또한, semi-polar면은 질화갈륨의 결정구조에서 (0001)면이 아니며, 육방정계의 구조상 비스듬히 형성된 면을 지칭한다. 예컨대, (11-22), (11-2-3), (10-13), (11-20), (1-100), (-1-123) 또는 (10-12) 등 등이 이에 해당할 수 있다.
또한, 상기 돌출부들(130)은 상호간에 일정한 이격거리를 가지고 규칙적인 배열을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 질화갈륨의 결정구조를 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 육방정계 결정구조의 질화갈륨에서 상부에는 갈륨 원자가 드러나는 Ga-polar면이 나타난다. 또한, 결정구조의 하부에는 질소 원자가 드러나는 N-polar면이 나타난다. 상기 도 2에의 결정구조에서 절단면을 비스듬히 하여 질소와 갈륨의 원자가 동시에 드러나는 면이 형성된다면 이는 semi-polar면에 해당한다. 예컨대, semi-polar면으로는 (11-22), (11-2-3), (10-13), (11-20), (1-100), (-1-123) 또는 (10-12) 등이 이에 해당할 수 있다.
N-polar면은 표면 에너지가 Ga-polar면에 비해 낮은 특성이 있으며, 이로 인해 상대적으로 안정된 상태를 유지하므로 반응을 통한 결정의 성장이 Ga-polar면에 비해 느린 특성을 지닌다. 또한, semi-polar면은 N-polar면과 Ga-polar면에 비해 화학적으로 불안정한 특성이 있으므로 외부의 에천트에 상대적으로 빠르게 식각되는 특징이 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제작방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면 성장용 기판(10) 상에 마스크 패턴(20)이 형성되고, 마스크 패턴들(20) 사이의 이격공간에는 질화갈륨 로드들(30)이 형성된다.
성장용 기판(10)은 사파이어 또는 질화갈륨의 재질을 가짐이 바람직하다. 또한, 상기 성장용 기판(10)은 물리적으로 독립된 기판일 수 있으며, 다른 기판 상에 형성된 특정의 막질일 수 있다.
마스크 패턴(20)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물이 바람직하며, MOCVD 공정 온도에서도 형태를 유지할 수 있는 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 마스크 패턴(20)은 성장용 기판(10) 상에 형성된다. 마스크 패턴(20)은 성장용 기판(10) 상에 마스크층을 형성하고, 통상의 포토리소그래피 공정을 통해 마스크층 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하며, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각에 의해 형성될 수 있다. 마스크층의 식각 공정을 통해 개별적인 마스크 패턴(20)의 상부의 폭은 하부의 폭보다 크도록 형성할 수 있다. 즉, 언더컷 형태의 식각을 통해 마스크 패턴(20)을 형성할 수 있다.
마스크 패턴(20) 사이의 이격공간에는 질화갈륨 로드(30)가 형성된다. 질화갈륨 로드(30)는 마스크 패턴(20) 사이의 이격공간을 매립하는 양상으로 형성될 수 있다. 질화갈륨 로드(30)의 형성은 성장용 기판(10)을 씨드로 하여 통상의 MOCVD 공정을 통해 형성될 수 있다.
이외에 상기 질화갈륨 로드(30) 및 마스크 패턴(20)은 다른 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예컨대, 성장용 기판(10)을 근거로 질화갈륨층을 먼저 형성한다. 형성된 질화갈륨층에 대한 선택적 식각을 통해 성장용 기판의 일부를 노출하고, 질화갈륨 로드(30)를 형성한다. 이후에는 질화갈륨 로드들(30) 사이의 이격공간을 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 등으로 매립하여 마스크 패턴(20)을 형성할 수 있다.
또한, MOCVD 공정 등을 통해 형성되거나 식각에 의해 형성되는 질화갈륨 로드(30)의 측면은 semi-polar면임이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 형성된 질화갈륨 로드를 성장의 핵으로 이용하여 2차 성장이 수행된다. 2차 성장에는 수직 성장성보다 수평 성장성이 우수한 에피텍셜 측면 성장법(Epitaxial Lateral Over-Growth ; ELOG)이 사용될 수 있다. 또한, 후막 형성에 유리한 수소화 기상증착 에피텍시 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy ; HVPE)이 사용될 수 있다.
특히, HVPE 성장법은 질화갈륨의 후막을 형성하는데 매우 유리하다. HVPE 성장법을 이용하는 경우, 성장온도를 800℃ 내지 1100℃로 설정하고, HVPE 반응기에 공급되는 NH3 가스와 GaCl 가스비를 1:1 내지 10:1의 범위로 설정할 수 있다.
이를 통하여 질화갈륨 로드(30) 상부에는 마스크 패턴(20)을 차폐하는 질화갈륨층(40)이 형성된다. 상기 질화갈륨층(40)의 최상층은 갈륨 원자가 표면에 형성되는 Ga-polar면이 된다. 또한, 에피텍셜 성장의 메커니즘에 따라 마스크 패턴(20)의 상부 표면에 접하는 질화갈륨층(40)의 최하부에는 질소 원자가 표면에 형성되는 N-polar면이 된다.
또한, 제조의 형태에 따라 2차 성장은 상기 도 3에서의 질화갈륨 로드의 성장과 일체로 이루어질 수 있다.
즉, 마스크 패턴들(20) 사이의 이격공간을 통해 성장용 기판(10)을 근거로 질화갈륨 로드(30)를 형성하고, 연속적인 공정을 통해 질화갈륨 로드(30) 상부에 마스크 패턴(20)을 차폐하는 질화갈륨층(40)을 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 식각을 통해 마스크 패턴을 제거한다. 제1 식각에 사용되는 에천트로는 HF 용액이 바람직하다. 다만, 상기 도 5에서의 에천트의 선택은 마스크 패턴과 질화갈륨 사이에 식각 선택성을 가지는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 즉, 마스크 패턴을 선택적으로 제거할 수 있는 용액이 에천트로 사용될 수 있다. 제1 식각을 통해 마스크 패턴은 제거되고, 질화갈륨 로드(30) 및 질화갈륨층(40)은 성장용 기판(10) 상에 잔류한다. 또한, 제거된 마스크 패턴에 의해 성장용 기판(10), 질화갈륨 로드(30) 및 질화갈륨층(40)으로 정의되는 식각홀이 형성된다.
도 6을 참조하면, 제2 식각을 통해 기판(100)을 형성한다. 제2 식각은 상기 도 5의 식각홀로 에천트의 공급을 통해 달성된다. 사용되는 에천트는 KOH임이 바람직하며, KOH의 농도는 1M 내지 5M일 수 있다. KOH의 농도가 1M 미만이면, 식각이 원활하게 진행되지 못한다. 또한, KOH의 농도가 5M을 상회하면 급격한 식각으로 인해 질화갈륨층의 식각까지 진행되는 부작용이 발생한다. 또한, KOH의 식각온도는 60℃ 내지 120℃임이 바람직하다. 식각온도가 60℃ 미만이면, 낮은 온도로 인해 식각이 원활히 이루어지지 못하며, 120℃를 상회하면, KOH 용액의 비등점에 근접하므로 농도의 제어 및 공정의 재연성이 저하된다.
제2 식각은 질화갈륨 로드에서 집중된다. 도 5에서 형성된 식각홀은 성장용 기판(10), 질화갈륨 로드(30) 및 질화갈륨층(40)으로 정의된다. 또한, 식각홀에 노출되는 질화갈륨층(40)의 표면은 N-polar면이므로 화학적으로 매우 안정하다. 또한, 성장용 기판(10)이 질화갈륨 재질을 가지는 경우, 식각홀에 노출되는 성장용 기판(10)의 표면은 Ga-polar면이며 N-polar면보다는 화학적으로 불안정하나, 코너 부위를 가지고, 표면이 semi-polar면이 노출되는 질화갈륨 로드(30)에 비해서는 화학적으로 안정한 상태를 가진다.
질화갈륨 로드(30)는 측면에서 semi-polar면을 가진다. 또한, 질화갈륨층(40)과 접하는 면에서는 화학적으로 가장 불안정한 코너 부위가 나타나며, 제2 식각은 질화갈륨층(40)과 질화갈륨 로드(30)가 접하는 코너 부위에서 집중적으로 발생되며, 식각은 화학적으로 가장 불안정한 semi-polar면을 따라 진행된다.
또한, 본 실시예에서 제1 식각 공정은 생략될 수 있다. 즉, 제2 식각 공정인 KOH를 이용한 식각을 통해 마스크 패턴을 제거하고, 연속하여 질화갈륨 로드의 제거를 진행할 수 있다.
상술한 공정을 통해 질화갈륨 기판(100)을 제조할 수 있다. 제조된 질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110)은 비교적 평활한 표면이 되며, 성장의 결과에 따라 Ga-polar면이 된다. 또한, 제1 면(110)과 대향하는 제2 면(120)은 성장의 결과에 따라 N-polar면이 된다. 제2 면(120) 상에는 돌출된 형상의 돌출부(130)가 형성되며, 돌출부(130)는 질화갈륨 로드의 식각에 의해 형성된 것으로 질화갈륨 로드 구성물의 일부가 잔류한 양상을 가진다. 또한, 식각의 진행에 따라 개방되는 돌출부(130)의 표면은 semi-polar면이 된다.
또한, 분리된 성장용 기판은 제2 식각 공정에도 불구하고 손상없이 이후의 공정에서 결정성장을 위한 성장용 기판으로 이용할 수 있다.
본 실시예에 의하여 형성된 질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110)은 평활한 표면의 Ga-polar면으로 형성되고, 이와 대향하는 제2 면(120)은 N-polar면이 되며, 제2 면(120) 상에는 돌출부(130)가 형성된다. 돌출부(130)의 표면은 semi-polar면이 된다. semi-polar면 상에서도 결정의 성장이 용이하므로 Ga-polar면 및 semi-polar면을 통해 박막의 성장이 가능해진다. 따라서, 형성된 질화갈륨 기판(100)은 양면 성장이 가능한 구조가 된다.
또한, 본 실시예에서 형성된 질화갈륨 기판의 돌출부는 제조과정에서 질화갈륨 로드가 일부 식각되고 잔류한 결과물이다. 따라서, 돌출부는 질화갈륨 기판에서의 제1 면 및 제2 면을 형성하는 성장의 핵으로 작용한 것으로 이해되어야 한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 질화갈륨 로드 상에 형성된 질화갈륨층을 도시한 이미지이다.
도 7을 참조하면, 성장용 기판은 질화갈륨 단결정이다. 또한, 질화갈륨으로 구성된 성장용 기판 상에는 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴이 형성된다. 마스크 패턴들 사이의 이격거리는 10um 내지 15um이며, 마스크 패턴들의 하부들 사이의 이격거리가 상부들 사이의 이격거리보다 큰 언더 컷 형상으로 형성된다.
또한, 마스크 패턴들의 이격공간에는 질화갈륨 로드가 형성된다. 질화갈륨 로드는 30torr의 압력으로, H2 캐리어를 이용하여 갈륨 및 질소의 전구체의 도입에 의해 형성된다. 갈륨 전구체로는 TMGa가 100sccm의 유량으로 도입되고, 질소 전구체로는 NH3가 8000sccm의 유량으로 도입된다. 증착이 수행되는 시간은 40분으로 설정된다.
이어서, 형성된 질화갈륨 로드를 기반으로 질화갈륨층의 형성된다. 질화갈륨층은 100torr의 압력으로, H2 캐리어 가스를 이용하여 갈륨 및 질소의 전구체의 도입에 의해 형성된다. 갈륨 전구체로 TMGa가 100sccm의 유량으로 도입되고, 질소 전구체로는 NH3가 8000sccm의 유량으로 도입된다. 증착이 수행되는 시간은 20분이다.
또한, HF 용액을 이용하여 1차 식각 공정이 수행된다. 1차 식각 공정을 통해 마스크 패턴은 제거되고, 식각홀이 형성된다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 질화갈륨 기판을 나타낸 이미지이다.
도 8을 참조하면, 도 7에 형성된 질화갈륨 로드에 KOH용액을 도입하여 질화갈륨 로드에 대한 식각을 수행한다. 질화갈륨 로드는 질화갈륨층과 접하는 부위에서 집중적으로 식각되고, 표면은 semi-polar면이 형성된다. 또한, 도 7에서 마스크 패턴 상부에 형성된 질화갈륨층은 N-polar면이 된다.
제2 실시예
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양면 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 양면 발광 다이오드는 질화갈륨 기판(100) 상에 제1 방향으로 형성된 제1 발광체(200) 및 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 형성된 제2 발광체(300)를 가지고, 제1 발광체(200)와 제2 발광체(300)는 질화갈륨 기판(100)을 근거로 형성된다.
질화갈륨 기판(100)은 제1 면(110), 제2 면(120) 및 돌출부(130)를 가진다. 제1 면(110)은 Ga-polar면이며, 제2 면(120)은 N-polar면이고, 돌출부(130)의 표면은 semi-polar면으로 형성된다. 또한, 돌출부(130)는 제2 면(120) 상에 형성된다.
질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110) 상에는 제1 발광체(200)가 형성된다. 제1 발광체(200)는 제1 방향으로 순차적으로 형성된 제1 n형 반도체층(210), 제1 활성층(220) 및 제1 p형 반도체층(230)으로 구성된다. 상술한 제1 발광체(200)는 질화갈륨을 기반 물질로 이용한다. 예컨대, 상기 제1 발광체(200)는 청색, 적색 또는 녹색의 광을 형성할 수 있다. 청색의 발광 동작을 위해서 제1 활성층(220)의 장벽층은 GaN으로 구성되고, 우물층은 InGaN으로 구성될 수 있다. 또한, 녹색의 발광 동작을 위해서 제1 활성층(220)은 InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN 등이 우물층을 이용될 수 있으며, 장벽층으로는 GaN이 이용될 수 있다. 즉, 발광색의 구현을 위해 당업자에게 알려진 우물층 및 장벽층의 형성을 통해 제1 활성층(220)을 형성할 수 있다.
또한, 제1 n형 반도체층(210) 및 제1 p형 반도체층(230)은 통상의 발광 다이오드의 제조공정에 따라 형성된다.
특히, 질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110)은 Ga-polar면이므로 질화갈륨 반도체층 상에 새로운 질화갈륨 반도체층의 성장과 동일한 메커니즘으로 형성된다. Ga-polar면 상에서의 성장은 활발하므로 이를 통한 제1 n형 반도체층(210)의 형성은 매우 용이하다 할 것이다.
또한, 질화갈륨 기판(100)의 제2 방향으로는 제2 발광체(300)가 형성된다. 제2 방향으로 성장되는 제2 발광체(300)는 질화갈륨 기판(100)의 돌출부(130)를 성장의 핵으로 이용하여 형성된다. 질화갈륨 기판(100)의 제2 면(120)에 분포되는 N-polar면 상에서는 MOCVD 공정을 통한 성장이 원활하지 못하다. 다만, 제2 면(120) 상에 형성된 돌출부(130)의 측면은 semi-polar면이며, semi-polar면을 통하여 성장이 주도적으로 일어난다. 따라서, semi-polar면을 중심으로 성장된 제2 발광체(300)는 순차적으로 형성된 제2 n형 반도체층(310), 제2 활성층(320) 및 제2 p형 반도체층(330)으로 구성된다.
형성된 제2 발광체(300)는 다양한 컬러의 광을 형성할 수 있다. 예컨대, 청색, 녹색 또는 적색 등의 광을 형성할 수 있다. 이는 당업자의 선택에 따라 형성될 수 있는 사안이다.
다만, 본 실시예에서 제2 발광체(300)를 구성하는 제2 n형 반도체층(310)은 질화갈륨 기판(100)의 semi-polar면으로 형성된 돌출부(130)를 근거로 형성된다. 또한, 제2 n형 반도체층(310)은 측면성장이 주도적인 ELOG 공법을 이용하여 형성될 수 있다. 제2 형 반도체층(310)의 형성 이후에는 통상의 MOCVD 공정을 통하여 제2 활성층(320) 및 제2 p형 반도체층(330)이 형성된다.
따라서, 질화갈륨 기판(100)을 중심으로 양면에는 2개의 발광체(200, 300)가 형성된다. 제1 면(110) 상에 형성된 발광체는 제1 컬러의 광을 형성하고, 제2 면(120) 상에 형성된 발광체는 제2 컬러의 광을 형성한다. 형성되는 제1 컬러의 광 및 제2 컬러의 광은 동일할 수 있으며, 서로 상이할 수도 있다.
만일, 형성되는 제1 컬러와 제2 컬러가 서로 상이하다면, 이를 통해 다양한 컬러의 광을 형성할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 형성되는 제1 컬러와 제2 컬러가 서로 동일하다면, 동일한 기판 면적 대비 높은 휘도를 얻을 수 있다. 특히, 제1 컬러 및 제2 컬러의 광이 청색광인 경우, 높은 휘도를 가진 백색광을 구현할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 양면 발광 다이오드의 형성은 다양한 방법을 통하여 구현될 수 있다.
예컨대, 질화갈륨 기판(100)의 제1 면(110)에 제1 발광체(200)를 형성한 다음, 제1 면(110)에 대향하는 제2 면(120)을 상부로 향하게 하여 제2 면(120) 또는 돌출부(130) 상에 통상의 MOCVD 공정을 이용하여 제2 발광체(300)를 형성할 수 있다. 이외에 제2 면(120) 또는 돌출부(130) 상에 먼저 발광체를 형성하고, 이후에 제1 면(110) 상에 다른 발광체를 형성할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 제1 면은 Ga-polar면을 가지고, 제2 면은 N-polar면을 가지며, 제2 면 상에 형성된 돌출부는 semi-polar면을 가지는 질화갈륨 기판을 얻을 수 있다. 질화갈륨 기판은 반도체 재질이므로 형성되는 발광체에서 발생되는 열을 외부로 방출하기에 매우 유리한다. 또한, 그 상부에 질화갈륨 기반의 발광체들이 형성되더라도 결정의 배향성과 격자상수가 실질적으로 동일하므로 고품질의 단결정을 얻을 수 있다. 따라서, 고품위의 발광체들을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 형성된 질화갈륨 기판을 중심으로 양면에 발광체들을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 다양한 컬러를 구현하고, 높은 휘도를 가지는 발광 다이오드를 얻을 수 있다.
100 : 질화갈륨 기판 110 : 제1 면
120 : 제2 면 130 : 돌출부
200 : 제1 발광체 300 : 제2 발광체

Claims (6)

  1. 질화갈륨 재질을 가지고, Ga-polar 면으로 구성된 제1 면, 상기 제1 면과 대향하고 N-polar 면으로 구성된 제2 면, 및 상기 제2 면 상에 형성되고 semi-polar면을 가지는 돌출부를 포함하는 질화갈륨 기판;
    상기 질화갈륨 기판의 제1 면 상에 형성되고, 상기 Ga-polar 면의 결정구조에 따라 성장된 제1 발광체; 및
    상기 질화갈륨 기판의 상기 돌출부 상에 형성되고, 상기 질화갈륨 기판을 중심으로 상기 제1 발광체와 대향하며, 상기 semi-polar 면의 결정구조를 따라 성장된 제2 발광체를 포함하는 양면 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 기판은 상기 semi-polar면을 통해 갈륨 원자 및 질소 원자가 표면 상에 나타나는 것을 특징으로 하는 양면 발광 다이오드.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 기판의 상기 돌출부들은 상호간에 이격 거리가 일정한 것을 특징으로 하는 양면 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 발광체는 제1 컬러의 광을 형성하고, 상기 제2 발광체는 상기 제1 컬러와 상이한 제2 컬러의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 양면 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 발광체 및 상기 제2 발광체는 동일 컬러의 광을 형성하는 것을 특징으로 하는 양면 발광 다이오드.
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