KR20040005270A - 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 발광다이오드는, n형층, 활성층, p형층을 갖는 복수의 반도체층과; 상기 각 반도체층의 n형층 및 p형층에 병렬로 연결된 제 1전극 및 제 2전극; 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법은, 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차적으로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층의 소정 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 반도체층을 소정 라인을 따라 식각하여 복수로 분리하는 단계; 및 상기 반도체층의 n형층과 도통되는 제 1전극을 형성하고, 상기 반도체층의 p형층과 도통되는 제 2전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따른 발광다이오드는 전류 확산 균일성이 우수하므로 발광효율이 좋고, 동작수명이 길다.

Description

발광다이오드 및 그 제조방법{Light emitting diode and method for fabricating thereof}

본 발명은 발광다이오드(light emitting diode) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전류 확산 균일성이 우수한 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광다이오드는 자체적인 발광특성을 갖는 반도체 소자로써, 반응속도, 전력소모, 발열 등의 제반특성이 종래의 광원에 비해 매우 우수하다. 특히, 발광다이오드는 반영구적인 수명(통상 약 1백만시간 이상)과 함께 소형제작이 가능하여 오늘날 전광판, 자동차 계기판, 교통 신호등, 검사 장비 등 여러 분야에 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 발광다이오드를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 발광다이오드는 기판(110)상에 n형층(120), 활성층

(130), p형층(140)이 순차로 적층 형성된 다층구조의 반도체층을 가지며, 상기 n형층(120) 및 p형층(140)상에 형성되는 n형 전극(150) 및 p형 전극(160)을 갖는다.

이러한 발광다이오드의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 두 전극(150)(160) 사이에 순방향 전압이 인가되면 n형 전극(150

)으로부터 n형층(120)을 통해 활성층(130)에 전자가 주입되고, p형 전극(160)으로부터 p형층(140)을 통해 활성층(130)에 정공이 주입된다.

이때, 상기 활성층(130)에 주입된 전자와 정공은 서로 재결합하면서 활성층(

130)의 밴드갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 빛을 발광하게 된다.

한편, 발광다이오드의 제조공정에서는 고품위의 반도체층을 얻기 위하여 사파이어 기판과 같은 절연성 기판을 사용하는 경우가 있는데, 이 경우 두 전극(150)

(160)을 수직형(top-bottom type)으로 배치할 수 없다. 즉, 상기 p형 전극(160)과 대향하는 기판(110)의 하부표면에 n형 전극(150)을 형성할 수 없다. 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이 반도체층의 일부영역을 식각하여 n형층(120)을 드러낸 다음, 그 위에 n형 전극(150)을 형성하게 된다.

그러나, 이와 같은 구조는 두 전극(150)(160) 사이의 대향면적을 크게 할 수 없다. 대향면적이 작을 경우 반도체층이 갖는 비저항으로 인해 상기 두 전극(150)(160)으로 인가된 전류는 반도체층에 균일하게 확산되지 못하고 전극 주위에 몰리는 현상이 나타난다. 즉, 상기 n형 전극(150) 및 p형 전극(160) 주위의 반도체층은 전류밀도가 높고, 이로부터 멀어질수록 전류밀도는 낮아진다.

이처럼, 전류가 특정 부분에 몰리게 되면, 해당 부분의 활성층(130)에서 대부분의 전자와 정공의 재결합이 이루어지므로 발광효율이 저하되고, 해당 부분의 활성층(130)에 높은 동작전압이 인가되므로 수명이 단축된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래 기술에 따른 발광다이오드는 전류몰림현상으로 인한 발광효율의 감소, 동작전압의 증가 및 제품의 수명 감소 등의 문제점이 있어 오늘날 요구되는 고품위 광학제품에 사용하기에는 다소 부적합하였다.

본 발명의 목적은 전류 확산 균일성이 우수하고, 이에 따라 발광효율이 높은 발광다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전류 확산 균일성이 우수하고, 이에 따라 발광효율이 높은 발광다이오드의 제조방법을 제시하는 것이다.

도 1은 종래의 발광다이오드를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 구성을 나타낸 도면.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 청색 발광다이오드의 제조공정을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...기판120...n형층

130...활성층140...p형층

150...n형 전극160...p형 전극

210...기판220...n형층

230...활성층240...p형층

250...절연막260...n형 전극

265...n형 전극패드270...p형 전극(또는 투명전극)

275...p형 전극패드

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, n형층, 활성층, p형층을 갖는 복수의 반도체층과; 상기 각 반도체층의 n형층 및 p형층에 병렬로 연결된 제 1전극 및 제 2전극; 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수의 반도체층은 그 사이에 형성된 절연막에 의해 서로 분리됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 1전극은 각 반도체층의 식각된 n형층 및 반도체층을 분리시키는 절연막상에 형성됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 2전극은 바람직하게는 투광성 도전물질로 형성되고, 각 반도체층의 p형층 및 반도체층을 분리시키는 절연막상에 형성되며, 그 상부 표면전체를 덮도록 형성됨을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차적으로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와; (b) 상기 반도체층의 소정 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 반도체층을 소정 라인을 따라 식각하여 복수로 분리하는 단계; 및 (c) 상기 반도체층의 n형층과 도통되는 제 1전극을 형성하고, 상기 반도체층의 p형층과 도통되는 제 2전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 단계 (b)의 반도체층은, 소정 라인을 따라 상기 반도체층을 식각하여 기판을 드러내고, 이때 형성된 식각홈에 절연물질을 인입하여 형성한 절연막에 의해 복수로 분리됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 단계 (c)의 제 1전극은, 상기 절연막에 의해 분리된 각 반도체층의 n형층과 모두 도통되도록 형성됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 단계 (c)의 제 2전극은, 상기 절연막에 의해 분리된 각 반도체층의 상부 표면전체를 덮도록 형성되며, 투광성 도전물질로 형성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 구성을 나타낸 도면으로써, 구체적으로는 청색 발광다이오드를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 발광다이오드는 기판(210)상에 n형층(220), 활성층(2

30), p형층(230)을 순차로 적층하여 형성한 다층구조의 반도체층을 가지며, 상기 반도체층은 절연막(250)에 의해 복수로 분리되어 있다. 그리고, 분리된 각 반도체층의 n형층(220) 및 p형층(240)은 각각 n형 전극(260) 및 p형 전극(270)에 연결되어 있다.

상기 반도체층을 형성하는 과정에서 주로 사용되는 물질은 주기율표의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로써, 발광 파장대역에 따라 적절한 물질이 선택된다. 예컨대, 청색 발광다이오드의 경우 GaN계 화합물을 선택할 수 있으며, 적색 발광다이오드의 경우 GaP(갈륨과 인의 화합물)계 화합물 또는 GaAsP(갈륨, 비소, 인의 화합물)계 화합물 또는 GaAlAs(갈륨, 알루미늄, 비소의 화합물)계 화합물을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 n형층(220) 및 p형층(240)은 상술한 재료의 반도체층에 n형 또는 p형불순물(도펀트)을 도프하여 형성한다. 이때 도프되는 n형 불순물로는 Si, Ge, Se, Te, C 등을 사용할 수 있고, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 사용할 수 있다.

이때, 상기 n형층(220)은 기판(210) 측의 고 전자농도의 n형층(콘택트층)과 활성층(230) 측의 저 전자농도의 n형층(클래드층)으로 이루어지는 2층 구조로 할 수 있으며, 마찬가지로, 상기 p형층(240)을 상기와 같은 2층 구조(콘택트층, 클래드층)로 함과 동시에 각 층의 기능을 향상시키기 위해서 초격자구조로 할 수 있다.

상기 활성층(230)은 양자 우물층(quantum well layer)과 배리어층(barrier layer)이 1조 또는 복수조로 적층된 다중양자우물 (multiple quantum well; MQW)층 또는 벌크층으로 구성되며, 발광다이오드의 동작과정에서 소정 파장의 빛을 내는 발광층으로 기능 한다.

상기 절연막(250)은 분리된 반도체층 사이의 홈에 절연성 물질 예컨대, 실리콘 다이옥사이드(SiO₂), 실리콘 나이트라이드(SiNx) 등을 인입하여 형성한 소정 두께의 절연성 막으로써, 인접한 두 반도체층의 n형층(220a)(220b), 활성층(230a)(23

0b), p형층(220a)(220b)을 절연시켜 각기 독립적인 발광층으로 기능하게 한다.

한편, 상기 발광다이오드는 한 쌍의 전극패드(265)(275)를 갖는데, 그 중 n형 전극패드(265)는 반도체층의 n형층(220a)(220b)과 접촉하도록 형성된 n형 전극(260)상에 형성되고, 상기 p형 전극패드(275)는 반도체층의 p형층(240a)(240b)과 접촉하도록 형성된 p형 전극(270)상에 형성된다.

이때, 상기 p형 전극(270)은 바람직하게는 ITO와 같은 투광성 도전체로 형성되며, 바람직하게는 p형층(240a)(240b) 및 절연막(250)의 상부 표면전체를 덮도록 형성된다. 따라서, 상기 활성층(230)에서 발광된 빛이 효율적으로 방출될 수 있으며, 특정 부분의 활성층(230)에 전류가 몰리는 현상이 상당부분 개선된다.

또한, 상기 p형 전극(270)은 절연막(250)을 사이로 분리된 각 p형층(240a)(2

40b)상에 독립적으로 형성될 수 있으며, 이 경우 각 p형전극은 p형 전극패드(275)를 통해 전기적으로 연결된다.

한편, 이와 같은 구성을 갖는 발광다이오드의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 n형 전극패드(265)와 p형 전극패드(275) 사이에 순방향 전압이 인가되면, 이와 접속된 각각의 반도체층에는 순방향 전압이 인가된다. 이에 따라, 각 반도체층의 활성층(230a)(230b)에는 상기 n형 전극(260)으로부터 n형층(220a)(220b)을 통해 전자가 주입되고, 상기 p형 전극(270)으로부터 p형층(240a)(240b)을 통해 정공이 주입된다. 그리고, 상기 활성층(230a)(230b)에 주입된 전공은 서로 재결합을 이루면서 상기 활성층(230a)(230b)의 밴드갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 에너지를 갖는 빛을 발광하게 된다.

한편, 상기 발광다이오드는 실제적인 동작에 있어서 복수의 발광다이오드가 병렬로 연결된 구조를 가지며, 이들을 동작시키기 위한 복수의 전극 쌍을 갖는다. 즉, 발광층으로 기능하는 반도체층은 절연막(250)에 의해 복수로 분리되어 있고, 이들은 전극들(260)(270)과 전극패드들(265)(275)에 의해 병렬로 연결되어 있으며,상기 전극들(260)(270)은 분리된 각 반도체층에 있어서 개별적인 전극역할을 담당한다.

결과적으로, 상기 발광다이오드는 종래보다 더 많은 전극 쌍을 갖게 되며, 이는 발광다이오드의 동작시 전극 주변으로 전류가 몰리는 현상을 다수의 전극을 통해 분산시키는 효과를 나타낸다.

한편, 이와 같은 구성을 갖는 발광다이오드의 제조방법에 대해 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 청색 발광다이오드의 제조공정을 나타낸 도면이다.

우선, MOCVD 반응기 내에 절연 기판(210)을 장착하여 소정 두께(대략 3μm 내지 5μm)를 지닌 n형층(220)을 형성한다.

이때, 보다 고품위의 n형층(220)을 얻기 위해서는 기판(210)과 n형층(220) 사이에 버퍼층을 추가로 형성하여 격자부정합에 따른 스트레스를 완화시켜줄 필요가 있으며, 또한 상기 n형층(220)을 전술한 2층 구조(콘택트층, 클래드층)로 형성할 필요가 있다.

또한, 상기 기판(210)은 전술한 반도체 단결정(바람직하게는 GaN 단결정)을 성장시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 사파이어, 스피넬 구조를 갖는 재료, 실리콘, 실리콘 카바이드, 산화아연, 인화갈륨, 비소화갈륨, 산화마그네슘, 산화망간, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등에서 선택될 수 있다. 일반적으로, 청색 발광다이오드의 경우 사파이어 기판이 사용된다.

이어, 상기 n형층(220)상에 양자 우물층과 배리어층을 교대로 적층하여 활성층을 형성하고, 그 위에 전술한 p형 불순물이 도프된 p형층(230)을 형성한다.

상기 공정을 통해 n형층(220), 활성층(230), p형층(230)을 갖는 반도체층이 형성되면, 상기 반도체층의 소정영역에 대한 제 1차 식각을 수행하여 n형 전극이 형성될 부분의 n형층(220)을 노출시키고(도 3참조), 소정라인을 따라 상기 반도체층을 제 2차 식각하여 상기 반도체층을 복수로 분리시킨다(도 4참조).

이어, 상기 제 2차 식각을 통해 형성된 라인(line)형상의 식각홈(245)에 전술한 재질의 절연성 물질을 인입하여 각 반도체층을 절연상태로 분리시키는 절연막(250)을 형성하고(도 5참조), 상기 제 1차 식각시 노출된 n형층 영역에 n형 전극(260)를 형성한 후 그 위에 n형 전극패드(265)을 형성한다.

계속하여, 상기 제 2차 식각에 의해 분리된 각 반도체층의 p형층(240a)(240

b) 표면에 p형 전극(270)를 형성하고, 그 위에 p형 전극패드(275)을 형성한다. 이때, 상기 활성층(230a)(230b)의 발광 효율을 높이기 위해서는 투광성 도전체 예컨대, ITO와 같은 물질로 상기 p형 전극(270)을 형성하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 p형 전극(270)는 분리된 각 p형층(240a)(240b)의 상부 표면전체를 덮도록 형성하는 것이 발광다이오드의 발광 효율성과 전류 확산 균일성을 증가시키는데 큰 효과가 있다.

이상, 전술한 제조공정에 따라 도 2와 같은 청색 발광다이오드를 제조할 수 있으며, 동일한 방법으로 적색, 녹색 등의 다양한 발광다이오드를 제조할 수 있다.

한편, 상기 공정에서는 먼저 전극(260)(270)을 형성하고, 그 위에 전극패드(

265)(275)를 형성하였지만, 전극(260)(270) 없이 바로 상기 n형층(210) 및 p형층(2

40)상에 전극패드(265)(275)를 형성하는 것도 가능하다. 즉, 상기 전극패드(265)(2

75)는 전극(260)(270)를 포함하는 넓은 의미로 사용될 수 있다.

또한, 상기 제조공정에서는 제 1차 식각을 통해 n형층(220)을 노출시키고, 제 2차식각을 통해 각 반도체층을 분리시킨 다음, 상기 n형층(220)상에 n형 전극(260)을 형성하고, 상기 반도체층의 p형층(240)상에 p형 전극(270)을 형성하였지만, 이러한 공정순서는 바뀌어도 상관없다.

결국, 상기 제조공정에 따른 발광다이오드는 실질적으로 복수의 전극 쌍을 가지며, 복수의 활성층을 갖는다. 그리고, 이러한 복수의 전극 쌍은 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 특정 전극 쌍 주변에 전류가 몰려 활성층의 발광효율이 저하되는 현상이 상당부분 해결된다.

이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등이 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 첨부된 특허청구의 범위에 의하여 정하여야만 한다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 발광다이오드 및 그 제조방법은, n형층, p형층 및 활성층을 복수로 분리시키고, 이를 병렬로 연결시킴으로써 복수의 전극 쌍을 통해 동작전원을 인가시킨다. 따라서, 전체적인 전류의 확산 균일성이 향상되는데, 이는 상기 발광다이오드의 발광효율 및 동작수명을 향상시킨다.

Claims (10)

1. n형층, 활성층, p형층을 갖는 복수의 반도체층과;

   상기 각 반도체층의 n형층 및 p형층에 병렬로 연결된 제 1전극 및 제 2전극; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 반도체층은 그 사이에 형성된 절연막에 의해 서로 분리됨을 특징으로 하는 발광다이오드.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제 1전극은 각 반도체층의 식각된 n형층 및 반도체층을 분리시키는 절연막상에 형성됨을 특징으로 하는 발광다이오드.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2전극은 투광성 도전물질로 형성됨을 특징으로 하는 발광다이오드.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2전극은 각 반도체층의 p형층 및 반도체층을 분리시키는 절연막상에 형성되며, 그 상부 표면전체를 덮도록 형성됨을 특징으로 하는 발광다이오드.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1, 제 2전극상에 각각 제 1, 제 2전극패드가 형성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
7. (a) 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차적으로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와;

   (b) 상기 반도체층의 소정 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 반도체층을 소정 라인을 따라 식각하여 복수로 분리하는 단계; 및

   (c) 상기 반도체층의 n형층과 도통되는 제 1전극을 형성하고, 상기 반도체층의 p형층과 도통되는 제 2전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 단계 (b)의 반도체층은,

   소정 라인을 따라 상기 반도체층을 식각하여 기판을 드러내고, 이때 형성된 식각홈에 절연물질을 인입하여 형성한 절연막에 의해 복수로 분리됨을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 단계 (c)의 제 1전극은,

   상기 절연막에 의해 분리된 각 반도체층의 n형층과 모두 도통되도록 형성됨을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
10. 제 7항에 또는 제 8항에 있어서, 상기 단계 (c)의 제 2전극은,

    상기 절연막에 의해 분리된 각 반도체층의 상부 표면전체를 덮도록 형성되며, 투광성 도전물질로 형성됨을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.