KR102351100B1 - Light-emitting diode and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 발광 다이오드는 알루미늄질화물(AlN)로 구성된 벌크 기판, 벌크 기판 상에 상기 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층, 및 버퍼층 상에 형성된 발광 구조물을 포함하고, 벌크 기판과 상기 버퍼층 사이에 빈 공간을 더 포함할 수 있다.The light emitting diode according to the present invention includes a bulk substrate made of aluminum nitride (AlN), a buffer layer formed by growing the aluminum nitride on the bulk substrate, and a light emitting structure formed on the buffer layer, and an empty space between the bulk substrate and the buffer layer may further include.
Description
본 발명은 발광 다이오드의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고품질의 자외선 발광 다이오드(ultraviolet light-emitting diode, UV-LED)를 위한 구조와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a light emitting diode and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a structure for a high-quality ultraviolet light-emitting diode (UV-LED) and a method for manufacturing the same.
발광 다이오드(LED)의 기술이 발전하면서, 비용의 절감과 에너지 절약을 경험하고 있다. 또한, 발광 다이오드(LED)를 사용하는 기기들이 다양해지고 있다. 오늘날 가시광선 영역의 LED가 조명을 비롯한 응용분야에 활발하게 적용되고 있지만, 자외선(UV) 광원은 과학·공업, 의료·환경, 반도체 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있고, 앞으로도 그 영역이 더 넓어질 것이다. 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 이용하여 생산되는 제품의 보호막을 생성하거나, 손톱 이나 발톱에 장식이나 보호를 위한 코팅막을 형성하기도 한다. 사실상, 자외선 발광 다이오드는 기존에 사용했던 자외선 램프를 대체할 수 있다.As the technology of light emitting diodes (LED) develops, cost reduction and energy saving are experienced. In addition, devices using light emitting diodes (LEDs) are becoming more diverse. Although LEDs in the visible region are being actively applied to applications including lighting today, ultraviolet (UV) light sources are widely used in science/industrial, medical/environmental, and semiconductor industries, and the range will expand further in the future. For example, a protective film of a product produced using a light emitting diode (LED) is created, or a coating film for decoration or protection is formed on nails or toenails. In fact, the UV light emitting diode can replace the UV lamp used in the past.
단파장 자외선(Deep ultraviolet: DUV) 발광 다이오드(LED)의 제작 시, 사파이어(Sapphire) 기판 위에 알루미늄질화물(AlN) 및 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)을 성장 시킨 기판을 사용하는 경우, 성장 기판과 화합물 반도체층 간의 격자 상수 차이로 인해, 화합물 반도체층에 전위(dislocation)와 같은 결함이 발생되어 궁극적으로 화합물 반도체층의 결정성이 좋지 않게 되어 전자 소자의 전기적 특성이나 광학적 특성이 저하된다. 또한, 성장 기판과 화합물 반도체층 간의 격자 상수 차이 및 열 팽창 계수 차이는 응력을 야기한다. 즉, 화합물 반도체들의 성장시의 수축형 응력(compressive strain)과 성장 후 상온으로의 냉각시의 인장형 응력(tensile strain)의 균형이 맞지 않게 되어 결국 화합물 반도체층에 크랙(cracks)이 발생되거나 성장 기판이 깨진다. In the case of using a substrate in which aluminum nitride (AlN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) are grown on a sapphire substrate when manufacturing a deep ultraviolet (DUV) light emitting diode (LED), a growth substrate and a compound semiconductor layer are used. Due to the lattice constant difference between the two, defects such as dislocation are generated in the compound semiconductor layer, and ultimately, the crystallinity of the compound semiconductor layer is deteriorated, thereby deteriorating the electrical or optical characteristics of the electronic device. In addition, the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the growth substrate and the compound semiconductor layer causes stress. That is, the balance between the compressive strain during growth of compound semiconductors and the tensile strain upon cooling to room temperature after growth is out of balance, resulting in cracks or growth in the compound semiconductor layer. The board is broken.
이러한 단점을 극복하기 위해, 알루미늄질화물(AlN)의 벌크(bulk) 기판 위에 에피텍셜 성장을 시도하는 경우에는 알루미늄질화물(AlN) 및 알루미늄갈륨질화물(AlGaN) 사이의 격자 상수 차이 및 열 팽창 계수 차이로 인해 물질이 자체확산, 입계확산 등으로 언덕과 같이 쌓이게 되는 힐록(Hillock)이 생성되어 저전류 수율 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.In order to overcome this disadvantage, when epitaxial growth is attempted on a bulk substrate of aluminum nitride (AlN), the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between aluminum nitride (AlN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) is used. Due to this, there is a problem in that a low current yield and reliability are deteriorated because a hillock is generated in which the material is piled up like a hill due to self-diffusion, grain boundary diffusion, and the like.
본 발명은 알루미늄질화물(AlN)의 벌크(bulk) 기판을 이용한 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 제공한다.The present invention provides a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) using a bulk substrate of aluminum nitride (AlN).
또한, 본 발명은 인듐갈륨질화물(InGaN)보다 알루미늄질화물(AlN) 또는 알루미늄갈룸질화물(AlGaN)을 성장시켜 형성한 단파장 자외선 발광다이오드(DUV-LED)의 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency, IQE)이 쓰레딩전위밀도(Threading Dislocation Density, TDD)에 더 민감한 문제점을 극복하기 위하여, 기판과 버퍼층 사이에 빈 공간(void)를 형성한다. In addition, the present invention has an internal quantum efficiency (IQE) of a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) formed by growing aluminum nitride (AlN) or aluminum gallium nitride (AlGaN) rather than indium gallium nitride (InGaN). In order to overcome the problem of being more sensitive to threading dislocation density (TDD), a void is formed between the substrate and the buffer layer.
또한, 본 발명은 기판과 버퍼층 사이에 형성된 빈 공간(void)를 통하여, 광추출효율(Light Extraction Efficiency, LEE)을 향상시키고, 변형(Strain)을 완화시킬 수 있어 힐록(Hillock)의 생성을 억제할 수 있다. In addition, the present invention can improve light extraction efficiency (LEE) through the void formed between the substrate and the buffer layer and relieve strain, thereby suppressing the generation of hillocks. can do.
또한, 본 발명은 기판에 트렌치(trench)를 형성한 후 수평에피성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG) 기술을 통해 빈 공간(void)를 형성하기 때문에, 수평에피성장에 의해 전위가 휘어지는 현상(Dislocation Bending)이 발생하고 빈 공간(void)에 의해 하단의 전위를 일부 차단할 수 있다.In addition, in the present invention, since a void is formed through an Epitaxial Lateral Overgrowth (ELOG) technique after a trench is formed in the substrate, a phenomenon in which dislocations are bent by horizontal epitaxial growth (Dislocation Bending) ) occurs, and the potential at the bottom can be partially blocked by the void.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 알루미늄질화물(AlN)로 구성된 벌크 기판, 상기 벌크 기판 상에 상기 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층, 및 상기 버퍼층 상에 형성된 발광 구조물을 포함하고, 상기 벌크 기판과 상기 버퍼층 사이에 빈 공간을 더 포함할 수 있다.A light emitting diode according to an embodiment of the present invention includes a bulk substrate made of aluminum nitride (AlN), a buffer layer formed by growing the aluminum nitride on the bulk substrate, and a light emitting structure formed on the buffer layer, the bulk substrate and an empty space between the buffer layer and the buffer layer.
또한, 상기 빈 공간은 상기 벌크 기판의 상부면보다 아래에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the empty space may be positioned below the upper surface of the bulk substrate.
또한, 상기 빈 공간은 상기 벌크 기판을 식각하여 만든 트렌치에서 상기 트렌치의 상부가 상기 버퍼층에 덮여서 발생된 것을 특징으로 할 수 있다.Also, the empty space may be generated by covering an upper portion of the trench with the buffer layer in a trench made by etching the bulk substrate.
또한, 상기 빈 공간의 폭은 0.3μm~2μm의 범위로, 높이는 0.3μm~4μm의 범위로 형성되고, 이웃한 빈 공간의 사이의 간격은 0.3μm~5μm의 범위로 형성될 수 있다.In addition, the width of the empty space may be in the range of 0.3 μm to 2 μm, the height may be in the range of 0.3 μm to 4 μm, and the interval between adjacent empty spaces may be in the range of 0.3 μm to 5 μm.
또한, 상기 버퍼층은 0.2μm~10μm의 두께로 형성될 수 있다.In addition, the buffer layer may be formed to a thickness of 0.2 μm to 10 μm.
또한, 상기 빈 공간의 하부는 계곡(valley)형태인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the lower portion of the empty space may be characterized in that the valley (valley) shape.
또한, 상기 버퍼층은 상기 벌크 기판으로부터 수평에피성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG)방법으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the buffer layer may be formed from the bulk substrate by an epitaxial lateral overgrowth (ELOG) method.
또한, 상기 빈 공간에 폴리스티렌 입자(polystyrene (PS) ball) 및 양자점(Quantum Dot: QD) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In addition, at least one of polystyrene (PS) balls and quantum dots (QDs) may be further included in the empty space.
또한, 상기 양자점의 크기는 약 5ÅA~10nm의 범위로 형성될 수 있다.In addition, the size of the quantum dots may be formed in the range of about 5 ÅA ~ 10nm.
또한, 상기 폴리스티렌 입자의 크기는 약 100nm~1.5μm의 범위로 형성될 수 있다.In addition, the size of the polystyrene particles may be formed in the range of about 100nm ~ 1.5㎛.
또한, 상기 발광 구조물은 n형층, 활성층, p형층을 포함할 수 있다.In addition, the light emitting structure may include an n-type layer, an active layer, and a p-type layer.
또한, 상기 발광 구조물은 100-280nm 범위의 파장을 가지는 단파장 자외선(Deep ultraviolet: DUV)을 출력할 수 있다.In addition, the light emitting structure may output deep ultraviolet (DUV) having a wavelength in the range of 100-280 nm.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.Aspects of the present invention are only some of the preferred embodiments of the present invention, and various embodiments in which the technical features of the present invention are reflected are detailed descriptions of the present invention that will be described below by those of ordinary skill in the art can be derived and understood based on
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect on the device according to the present invention will be described as follows.
본 발명은 알루미늄질화물(AlN)의 벌크(bulk) 기판을 이용한 고품질의 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 제공할 수 있다.The present invention can provide a high-quality short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) using a bulk substrate of aluminum nitride (AlN).
본 발명은 기판과 버퍼층 사이에 형성된 빈 공간(void)를 통하여 발광 다이오드(LED)의 저전류 및 신뢰성 특성을 개선시키고, 전위 밀도(Dislocation Density)를 낮출 수 있다.According to the present invention, low current and reliability characteristics of a light emitting diode (LED) may be improved through a void formed between a substrate and a buffer layer, and dislocation density may be lowered.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 설명한다.
도2는 도1에 도시된 빈 공간을 설명한다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 설명한다.The accompanying drawings are provided to help understanding of the present invention, and provide embodiments of the present invention together with detailed description. However, the technical features of the present invention are not limited to specific drawings, and features disclosed in each drawing may be combined with each other to form a new embodiment.
1 illustrates a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 explains the empty space shown in Fig. 1;
3 illustrates a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, an apparatus and various methods to which embodiments of the present invention are applied will be described in more detail with reference to the drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In the description of the embodiment, in the case where it is described as being formed on "up (above) or under (below)" of each component, the upper (upper) or lower (lower) means that the two components are in direct contact with each other or One or more other components are all formed by being disposed between two components. In addition, when expressed as “upper (upper) or lower (lower)”, a meaning of not only an upper direction but also a lower direction based on one component may be included.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not fully reflect the actual size.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 설명한다.1 illustrates a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)는 기판(110), 기판상에 형성된 버퍼층(115) 및 발광 구조물(120)을 포함한다.As shown, the short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) includes a
통상적으로, 발광 다이오드에 사용되는 기판은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드에서는 알루미늄질화물(AlN)으로 구성된 벌크(bulk)기판을 사용한다.Typically, a substrate used for a light emitting diode may be formed of a material suitable for semiconductor material growth, a carrier wafer. It may be formed of a material having excellent thermal conductivity, and may be a conductive substrate or an insulating substrate. For example, the substrate is sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga 2 0 3 At least one of them can be used. However, in the short-wavelength ultraviolet light emitting diode according to an embodiment of the present invention, a bulk substrate made of aluminum nitride (AlN) is used.
단파장 자외선 발광 다이오드는 단파장 자외선(Deep ultraviolet: DUV)을 출력한다. 자외선(UV)의 파장 영역은 400∼10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위를 가지는데, 화학작용이 강한 것이 특징이다. 일례로, 발광 구조물(120)에서 출력되는 단파장 자외선(DUV)은 약 100-280nm 범위의 파장을 가질 수 있으며, UV-C(Ultraviolet C) 혹은 살균력을 가진 자외선(germicidal)으로 이해될 수 있다. 자외선 발광 다이오드는 질화물 반도체가 광폭 밴드갭(Wide Bandgap) 반도체이기 때문에 구현이 가능하며, 단파장 자외선 발광 다이오드에서 질화물 소재와 에피 성장은 중요한 기술이다.The short-wavelength ultraviolet light emitting diode outputs deep ultraviolet (DUV). The wavelength range of ultraviolet (UV) has a wide range of wavelengths ranging from 400 to 10 nm, and it is characterized by strong chemical action. For example, short-wavelength ultraviolet (DUV) output from the
본 발명의 일 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드는 알루미늄질화물(AlN)로 구성된 웨이퍼(wafer)를 사용할 수 있다. 일반적으로, 알루미늄질화물(AlN)은 고순도의 질화 알루미나 분말을 고온에서 소결시켜 얻을 수 있는 것으로 낮은 열팽창계수(약 1.5x10-6m)와 높은 열전도율(약 150W/mk)을 가질 수 있다. 또한, 알루미늄질화물(AlN)은 열충격에 강한 특성과 불소가스에 강한 내식성도 가지고 있다. 이러한 알루미늄질화물(AlN)로 구성된 웨이퍼(wafer)의 표면은 알루미늄 분극(Al-polar) 또는 질소 분극(N-polar)의 물질을 에피텍셜 성장시킬 수 있다. 알루미늄질화물(AlN)로 구성된 웨이퍼(wafer)를 사용할 경우, 자외선 발광 다이오드는 방사선 요법으로 박테리아를 죽이는 것과 동일한 기능을 할 수 있어서 공기정화기, 정수기 등을 포함하는 여러 가지 살균시스템에 적용할 수 있다. The short-wavelength ultraviolet light emitting diode according to an embodiment of the present invention may use a wafer made of aluminum nitride (AlN). In general, aluminum nitride (AlN) is obtained by sintering high-purity alumina nitride powder at a high temperature, and may have a low coefficient of thermal expansion (about 1.5x10 -6 m) and high thermal conductivity (about 150W/mk). In addition, aluminum nitride (AlN) has strong properties against thermal shock and corrosion resistance against fluorine gas. On the surface of the wafer made of such aluminum nitride (AlN), an aluminum polarization (Al-polar) or nitrogen polarization (N-polar) material may be epitaxially grown. When a wafer made of aluminum nitride (AlN) is used, the ultraviolet light emitting diode can have the same function as killing bacteria with radiation therapy, so it can be applied to various sterilization systems including air purifiers and water purifiers.
기판(110)에 빈공간(130)을 형성하기 위해 먼저 트렌치를 형성한다. 트렌치를 형성하기 위한 식각 공정은 하드 마스크 패턴을 기판(110)상에 형성한 후 기판(110)을 드라이 에칭법(Dry etching)으로 식각하고 남아있는 하드 마스크 패턴을 제거하는 단계로 진행될 수 있다. 일례로, 기판(110)을 식각하기 위해 드라이 에칭법 중 물리적, 화학적 기법을 사용할 수 있다.In order to form the
이후 트렌치가 형성된 기판(110) 상에 에피텍셜 성장법을 이용해 버퍼층(115)을 형성한다. 이때, 수평 에피텍셜 성장법(ELOG)을 사용하여 트렌치로 인해 서로 구분되어 있던 기판(110)의 상부를 연결시켜 빈 공간(130)이 생기도록 한다. 이때 빈 공간(130)은 기판(110)을 식각하여 형성하였으므로, 기판(110)의 상부 표면보다 아래에 위치할 수 있다. 기판(110)에 형성된 빈 공간(130)은 기판 표면에서 빛의 난반사를 유도하여 발광 구조물의 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 빈 공간(130)은 변형(Strain)을 완화시킬 수 있어 힐록(Hillock)의 생성을 억제할 수 있다. Thereafter, a
기판(110) 상에 형성되는 버퍼층(115)은 기판(110)과 동일한 물질인 알루미늄질화물(AlN)로 구성할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 기판(110)과 도전형 반도체층 간의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화시키기 위해, 버퍼층(115)의 재료를 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 예를 들어, GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.The
또한, 인듐갈륨질화물(InGaN)보다 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency, IQE)이 쓰레딩전위밀도(Threading Dislocation Density, TDD)에 더 민감한 문제점을 가진 알루미늄질화물(AlN) 또는 알루미늄갈룸질화물(AlGaN)을 성장시켰지만, 기판(110)과 버퍼층(115) 사이에 형성된 빈 공간(130)이 기판(110)의 하부에서 위 방향으로 진행되는 쓰레딩전위(Treading Dislocation, 134)을 막을 수 있다. 또한, 버퍼층(115)을 형성시 수평 에피텍셜 성장법(ELOG)을 사용은 전위의 휘어짐 현상(Dislocation Bending, 132)-빈 공간(130) 사이에 기판(110)의 하부에서 위 방향으로 진행되는 쓰레딩전위를 수평방향으로 구부러짐-이 발생한다. 따라서, 알루미늄질화물(AlN)의 기판을 사용한 단파장 자외선 발광 다이오드의 전위 밀도(Dislocation Density)를 낮출 수 있다.In addition, growing aluminum nitride (AlN) or aluminum gallium nitride (AlGaN), which has a problem that Internal Quantum Efficiency (IQE) is more sensitive to Threading Dislocation Density (TDD) than indium gallium nitride (InGaN) However, the
버퍼층(115) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. An undoped semiconductor layer (not shown) may be formed on the
기판(110) 또는 버퍼층(115) 상에 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성될 수 있다.The
발광 구조물(120)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.The
제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤≤x≤≤1, 0≤≤y≤≤1, 0≤≤x+y≤≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.The first conductivity
제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. When the first conductivity-
제1 도전형 반도체층(122)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.The first conductivity-
발광 구조물의 제1 도전형 반도체층(122) 상에 전류확산층(미도시)이 형성될 수 있다. 전류확산층은 언도프트 질화갈륨층(undoped GaN layer)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전류확산층 상에 전자주입층(미도시)이 형성될 수 있으며, 전자주입층은 제1 도전형 질화갈륨층일 수 있다. 또한 전자주입층 상에 스트레인 제어층(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자주입층 상에 InyAlxGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)/GaN 등으로 형성된 스트레인 제어층이 형성될 수 있다. 스트레인 제어층은 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 격자 불일치에 기인한 응력을 완화시킬 수 있다. A current diffusion layer (not shown) may be formed on the first conductivity-
제1 도전형 반도체층(122) 또는 스트레인 제어층 상에 활성층(124)이 형성될 수 있다.An
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치될 수 있다.The
활성층(124)은 전자와 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층이고 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 전자가 주입되고 상기 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 정공이 주입될 수 있다. The
활성층(124)은 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The
활성층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.The
활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층의 장벽층이나 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.A conductive cladding layer (not shown) may be formed on and/or below the
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. The second conductivity
예를 들어, 제2 도전형 반도체층(126)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤≤x≤≤1, 0≤≤y≤≤1, 0≤≤x+y≤≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(126)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.For example, the second conductive
제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. When the second conductivity-
제2 도전형 반도체층(126)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(126)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The second conductivity
제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층일 때, 제2 도전형 반도체층(126) 상에는 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체, 예를 들어 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(120)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 하나의 구조로 구현할 수 있다.When the second conductivity
활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에는 활성층(124)과 인접하여 전자 차단층(Electron blocking layer, 미도시)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 AlGaN을 포함할 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 또한, 전자차단층은 AlzGa(1-z)N/GaN(0≤z≤1)의 초격자(superlattice)로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 전자차단층(125)은 p형으로 이온 주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.An electron blocking layer (not shown) may be disposed adjacent to the
도2는 도1에 도시된 빈 공간(130)과 버퍼층(115)을 설명한다.FIG. 2 illustrates the
도시된 바와 같이, 빈 공간(130)은 기판(110) 상에 위치한 트렌치에 버퍼층(115)을 덮어 형성된다. 이때, 빈 공간(130)의 폭(W1)은 0.3μm~2μm의 범위로 할 수 있다. 만약 폭(W1)이 2μm를 초과할 경우 수평 에피텍셜 성장법(ELOG)을 통해 형성되는 버퍼층(115)이 합쳐지지 않을 가능성이 있고, 폭(W1)이 0.3μm보다 작을 경우, 버퍼층(115)의 형성시 트렌치가 메워져서 빈 공간(130)이 형성되지 않을 수가 있다.As shown, the
빈 공간(130)의 높이(H1)는 0.3μm~4μm으로 형성할 수 있다. 만약 높이(H1)가 0.3μm보다 작을 경우 버퍼층(115)의 형성과정에서 트렌치가 메워져서 빈 공간(130)이 없어질 수 있고, ?첸? 높이(H1)를 4μm보다 크게 하는 것은 실제로 패턴을 형성하는 공정상의 어려움과 한계가 있다.The height H1 of the
빈 공간(130) 사이의 간격(W2)은 0.3μm~5μm의 범위로 할 수 있다. 예를 들어, 기판(110) 상에 형성하는 트렌치의 패턴 크기와 간격의 비율을 1:1에서 1:2까지 형성할 수 있다.The interval W2 between the
빈 공간(130)을 덮는 버퍼층(115)은 0.2μm~10μm의 두께(T1)로 형성할 수 있다. 만약 버퍼층(115)의 두께(T1)가 10μm를 초과하면, 공정시간이 길어지고 경제성이 악화된다. 반면, 버퍼층(115)의 두께(T1)가 0.2μm보다 작을 경우, 수평 에피텍셜 성장법(ELOG)을 통해 형성되는 버퍼층(115)이 합쳐지지 않을 가능성이 높아진다.The
도3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단파장 자외선 발광 다이오드(DUV-LED)를 설명한다.3 illustrates a short-wavelength ultraviolet light emitting diode (DUV-LED) according to another embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 단파장 자외선 발광 다이오드는 기판(210)과 버퍼층(215)을 포함한다. 버퍼층(215) 상에는 도1에서 설명한 것과 같은 발광 구조물이 위치할 수 있다.As shown, the short-wavelength ultraviolet light emitting diode includes a
기판(210)과 버퍼층(215) 사이에 빈 공간(230)이 위치한다. 빈 공간(230)은 기판(210)의 하부에서 위 방향으로 진행되는 쓰레딩전위(Treading Dislocation, 234)을 막을 수 있다. 또한, 버퍼층(215)을 형성시 수평 에피텍셜 성장법(ELOG)을 사용은 전위의 휘어짐 현상(Dislocation Bending, 232)-빈 공간(230) 사이에 기판(210)의 하부에서 위 방향으로 진행되는 쓰레딩전위를 수평방향으로 구부러짐-이 발생한다. 따라서, 단파장 자외선 발광 다이오드의 전위 밀도(Dislocation Density)가 낮아진다.An
단파장 자외선 발광 다이오드는 빈 공간(230)에 소입자(236)를 포함한다. 여기서, 소입자(236)는 폴리스티렌 입자(polystyrene (PS) ball) 및 양자점(Quantum Dot: QD) 중 적어도 하나를 포함한다.The short-wavelength ultraviolet light emitting diode includes
일반적으로 양자점(QD)은 나노미터 (10-9m)크기의 결정으로서 나노결정의 반경이 엑시톤 보어반경 보다 작으면 전자와 정공이 전 방향으로 운동의 제한을 받게 되어 모든 방향에 대해 양자효과를 느끼게 되고 물질의 에너지 준위는 모든 방향에 대해 불연속적인 값을 가지게 된다. 특히, 양자점은 동일한 벌크 물질의 성질과는 다른 광학적 특성을 보이며 크기에 따라 특성 제어가 가능하다. 일반적으로 양자점의 크기가 작아지면 밴드갭이 넓어지면서 보라색(violet)이 나타나고 크기가 커질수록 밴드갭이 벌크(결정 운동량) 상태에 가까워지면서 붉은색(red)을 띠게 된다. 도3의 소입자(236)를 구성하는 양자점(QD)의 경우 약 5Å~10nm정도의 크기로 형성할 수 있다.In general, quantum dots (QDs) are nanometer (10 -9 m) sized crystals. If the radius of the nanocrystal is smaller than the exciton Bohr radius, electrons and holes are restricted from motion in all directions, and quantum effects are applied in all directions. It is felt and the energy level of a substance has discontinuous values in all directions. In particular, quantum dots show optical properties different from those of the same bulk material, and properties can be controlled according to their size. In general, as the size of a quantum dot decreases, the band gap widens and purple appears, and as the size increases, the band gap approaches the bulk (crystal momentum) state and becomes red. In the case of the quantum dots (QD) constituting the
소입자(236)를 폴리스티렌 입자(PS ball)로 구성하는 경우, 폴리스티렌 입자의 크기는 100nm~1.5μm의 범위를 가지도록 형성할 수 있다. 폴리스티렌(polystyrene, PS) 입자에 전자빔을 조사하면 전자빔의 조사량에 따라 다양한 색의 강한 형광을 낼 수 있다. 또한, 폴리스티렌 입자가 가진 에너지 저장성을 이용할 경우, 발광 다이오드의 에너지 효율이 향상될 수도 있다.When the
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, although the embodiment has been described above, it is merely an example and does not limit the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains are exemplified above in a range that does not depart from the essential characteristics of the present embodiment. It can be seen that various modifications and applications that have not been made are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be implemented by modification. And differences related to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.
110: 기판
115: 버퍼층
120: 발광구조물
130: 빈 공간
236: 소입자110: substrate
115: buffer layer
120: light emitting structure
130: empty space
236: small particle
Claims (12)
상기 벌크 기판 상에 상기 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 형성된 발광 구조물을 포함하고,
상기 벌크 기판과 상기 버퍼층 사이에 빈 공간; 및
상기 빈 공간에 폴리스티렌 입자(polystyrene (PS) ball) 및 양자점(Quantum Dot: QD) 중 적어도 하나를 더 포함하는 발광 다이오드.a bulk substrate made of aluminum nitride (AlN);
a buffer layer formed by growing the aluminum nitride on the bulk substrate; and
It includes a light emitting structure formed on the buffer layer,
an empty space between the bulk substrate and the buffer layer; and
A light emitting diode further comprising at least one of polystyrene (PS) balls and quantum dots (QDs) in the empty space.
상기 빈 공간은 상기 벌크 기판의 상부면보다 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The empty space is a light emitting diode, characterized in that located below the upper surface of the bulk substrate.
상기 빈 공간은 상기 벌크 기판을 식각하여 만든 트렌치에서 상기 트렌치의 상부가 상기 버퍼층에 덮여서 발생된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The empty space is a light emitting diode, characterized in that in a trench made by etching the bulk substrate, an upper portion of the trench is covered with the buffer layer.
상기 빈 공간의 폭은 0.3μm~2μm의 범위로, 높이는 0.3μm~4μm의 범위로 형성되고, 이웃한 빈 공간의 사이의 간격은 0.3μm~5μm의 범위로 형성되는 발광 다이오드.According to claim 1,
The width of the empty space is in the range of 0.3 µm to 2 µm, the height is in the range of 0.3 µm to 4 µm, and the interval between adjacent empty spaces is in the range of 0.3 µm to 5 µm.
상기 버퍼층은 0.2μm~10μm의 두께로 형성되는 발광 다이오드.5. The method of claim 4,
The buffer layer is a light emitting diode formed to a thickness of 0.2 μm to 10 μm.
상기 빈 공간의 하부는 계곡(valley)형태인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The lower portion of the empty space is a light emitting diode, characterized in that the valley (valley) shape.
상기 버퍼층은 상기 벌크 기판으로부터 수평에피성장(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG)방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The buffer layer is a light emitting diode, characterized in that formed by a horizontal epitaxial growth (Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG) method from the bulk substrate.
상기 양자점의 크기는 5Å~10nm의 범위로 형성되는 발광 다이오드.According to claim 1,
The size of the quantum dots is a light emitting diode formed in the range of 5 Å ~ 10nm.
상기 폴리스티렌 입자의 크기는 100nm~1.5μm의 범위로 형성되는 발광 다이오드.According to claim 1,
The size of the polystyrene particles is a light emitting diode formed in the range of 100nm ~ 1.5㎛.
상기 발광 구조물은 n형층, 활성층, p형층을 포함하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The light emitting structure is a light emitting diode including an n-type layer, an active layer, and a p-type layer.
상기 발광 구조물은 100-280nm 범위의 파장을 가지는 단파장 자외선(Deep ultraviolet: DUV)을 출력하는 발광 다이오드.According to claim 1,
The light emitting structure is a light emitting diode that outputs deep ultraviolet (DUV) having a wavelength in the range of 100-280 nm.
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