KR20040009309A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 발광 다이오드는, n형층, 활성층, p형층으로 이루어진 반도체층과; 상기 반도체층의 n형층 또는 p형층 상에 형성되는 제 1, 제 2전극; 및 상기 제 1, 제 2전극을 통해 상기 반도체층에 인가되는 전류의 확산 경로를 제공하며, 암(arm) 구조를 갖는 제 1, 제 2보조전극; 을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조방법은, 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층의 소정 영역과 테두리 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 소정 영역에 제 1전극을 형성하고, 상기 테두리 영역에 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층의 p형층 상에 제 2전극을 형성하고, 상기 p형 전극과 도통되며 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명은, 암 구조의 제 1, 제2 보조전극이 추가로 형성됨으로써 전류 확산 균일성이 우수하고, n형층을 둘러싸는 구조의 제 1보조전극이 일면 개방부를 갖도록 형성됨으로써 와이어 본딩(wire bonding) 및 칩의 소형화에 유리하다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{Light emitting diode and fabrication method for thereof}
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 두 구동전극에 암(arm) 구조를 갖는 보조전극을 추가하여 구성한 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 자체적인 발광특성을 갖는 반도체 소자로써, 반응속도, 전력소모, 발열 등의 제반특성이 종래의 광원에 비해 매우 우수하다. 특히, 상기 발광 다이오드는 반영구적인 수명(통상 약 1백만 시간 이상)과 함께 소형제작이 가능하여 오늘날 전광판, 자동차 계기판, 교통 신호등, 검사 장비 등 여러 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 발광 다이오드의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 상기 발광 다이오드의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 발광 다이오드는 기판(100)상에 n형층(110
), 활성층(120), p형층(130)이 순차로 적층 형성된 다층구조의 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 투명전극층(140)을 구비하며, 상기 n형층(110) 및 p형층(130
)과 도통되는 n형 전극(140) 및 p형 전극(160)을 구비한다.
한편, 발광 다이오드의 제조공정에서는 고품위의 반도체층을 얻기 위하여 절연성 기판을 사용하는 경우가 있다. 예컨대, 청색광을 발광하는 질화갈륨(GaN)계발광 다이오드는 질화갈륨 단결정의 성장 기반으로써 사파이어 기판을 사용한다.
잘 알려진 바와 같이 사파이어는 열적·화학적 성질이 안정되어 고품위의 질화갈륨을 성장시킬 수 있지만 절연성 기판이므로 상기 기판(100)에 직접 n형 전극(140)을 형성하는 것이 불가능하다. 즉, 상기 두 전극(140)(160)을 상하(top-bottom type) 구조로 배치할 수 없다. 따라서, 기판(100)상에 형성된 반도체층의 일부영역을 식각하여 n형층(110)을 드러낸 다음, 그 위에 n형 전극(140)을 형성하게 된다.
그러나, 상기와 같은 구조는 두 전극(140)(160)의 대향면적을 크게 할 수 없다. 대향면적이 작을 경우 상기 반도체층이 갖는 비저항으로 인해 상기 두 전극(140)(160)으로 인가된 전류는 상기 반도체층에 균일하게 확산되지 못하고 전극 주위에 몰리는 현상이 나타난다. 즉, 상기 n형 전극(140) 및 p형 전극(160) 주위의 반도체층은 전류밀도가 높고, 이로부터 멀어질수록 전류밀도는 낮아진다.
이처럼, 전류가 균일하게 확산되지 못하고 전극 주위에 몰리게 되면 상기 두 전극(140)(160)과 가까운 위치에 있는 활성층(120)에서 대부분의 전자와 정공의 재결합이 이루어지므로, 상기 활성층(120)의 발광효율이 저하된다. 또한, 일부 활성층(120)에 전류가 몰리게 되면 발광 다이오드의 수명이 단축된다.
따라서, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 발광 다이오드는 전류 확산 균일성을 향상시키기 위하여 n형 전극(140)에 전류 확산 경로를 제공하는 암(arm) 구조의 보조전극(145)을 추가로 형성하였다. 상기 n형 보조전극(145)은 상기 반도체층의 n형층(110) 둘레를 커버(cover)하도록 형성된다.
그러나, n형 보조전극(145)으로 n형층(110) 둘레를 모두 커버하게 되면, 상기 보조전극(145) 형성을 위한 반도체층의 영역이 소모되므로, 칩(chip)의 소형화에 어려움이 있다. 또한, p형 전극(160)에는 전압 인가를 위한 와이어 본딩(wire bonding)을 하게 되는데, 이때 상기 p형 전극(160)과 가깝게 위치한 n형 보조전극 (145c)사이에 단락이 발생할 우려가 있다.
또한, 상기 n형 보조전극(145)을 통해 전류 확산 경로를 넓게 제공하더라도, p형 전극(160)이 제공하는 전류 확산 경로는 이에 미치지 못하므로, 실제에 있어서 큰 효과를 기대하기 어려운 실정이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 전류 몰림 현상으로 인한 발광효율의 감소, 동작전압의 증가 및 제품 수명의 감소 등 기존의 제 문제점을 해결하지 못하였으며, 또한 칩의 소형화에 어려움이 있어 오늘날 요구되는 고품위 광학제품에 사용하기에는 다소 부적합하였다.
본 발명의 목적은 전류 확산 균일성이 우수하고, 칩의 소형화에 유리한 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전류 확산 균일성이 우수하고, 칩의 소형화에 유리한 발광 다이오드의 제조방법을 제시하는데 있다.
도 1은 종래 발광 다이오드의 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 종래 발광 다이오드의 구성을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 나타낸 평면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 청색 발광 다이오드의 제조과정을 나타낸 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...기판110...n형층
120...활성층130...p형층
140...n형 전극145...n형 보조전극
150...투명전극층160...p형 전극
300...기판310...n형층
320...활성층330...p형층
340...n형 전극345...n형 보조전극
350...p형 전극355...p형 보조전극
360...투명전극층
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, n형층, 활성층, p형층으로 이루어진 반도체층과; 상기 반도체층의 n형층 또는 p형층 상에 형성되는 제 1, 제 2전극;및 상기 제 1, 제 2전극을 통해 상기 반도체층에 인가되는 전류의 확산 경로를 제공하며, 암(arm) 구조를 갖는 제 1, 제 2보조전극; 을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제 1, 제 2보조전극은 상기 제 1, 제 2전극이 연장되어 형성되고, 상기 반도체층의 p형층과 상기 제 2전극 및 제 2보조전극 사이에는 투명전극층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1보조전극은 상기 반도체층의 n형층 둘레를 따라 형성되며, n형층을 둘러싸는 사면 중 일면을 제외한 영역에 형성되는 암(arm) 구조를 갖음을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 2보조전극은 상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 형성되며, 바(bar) 형태의 암(arm) 구조 또는 가지(tree) 형태의 암 구조를 갖음을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와; (b) 상기 반도체층의 소정 영역과 테두리 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 소정 영역에 제 1전극을 형성하고, 상기 테두리 영역에 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 반도체층의 p형층 상에 제 2전극을 형성하고, 상기 p형 전극과 도통되며 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 단계 (b)는, 상기 반도체층의 테두리 영역을 식각함에 따라 노출되는 n형층 둘레에 형성되며, n형층을 둘러싸는 사면 중 일면을 제외한 영역에형성되는 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 단계 (c)는, 상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 바(bar) 또는 가지(tree) 형태의 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 4는 상기 발광 다이오드의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 기판(300)상에 n형층(310
), 활성층(320), p형층(330)이 순차로 적층된 p-n 접합 반도체층을 구비하며, 상기 n형층(310)과 도통되는 n형 전극(340), 상기 p형층(330)과 도통되는 p형 전극(350)을 구비한다. 그리고, 상기 n형 전극(340) 및 p형 전극(350)을 연장하여 형성한 n형 보조전극(345) 및 p형 보조전극(355)을 구비한다.
이때, 상기 p형층(330)과 상기 p형 전극(350) 및 p형 보조전극(355) 사이에는 ITO와 같은 투광성 도전물질로 형성된 투명전극층(360)이 위치한다. 이러한 투명전극층(360)은 상기 p형 전극(350)을 통해 인가된 전류를 p형층(330)에 확산시켜주는 전류 확산층으로 기능하지만, 경우에 따라서는 형성되지 않을 수도 있다. 즉, 상기 p형층(330) 상에 바로 p형 전극(350) 및 p형 보조전극(355)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(300)은 특별히 한정되지는 않지만, 청색 발광 다이오드의 경우 사파이어 기판을 사용할 수 있으며, 적색 발광 다이오드의 경우 비소화갈륨기판을 사용할 수 있다. 이외에도, 스피넬 구조를 갖는 재료, 실리콘, 실리콘 카바이드, 산화아연, 인화갈륨, 비소화갈륨, 산화마그네슘, 산화망간, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등에서 적절히 선택할 수 있다.
한편, 상기 반도체층은 n형 불순물이 도프된 n형 반도체층(310)과 p형 불순물이 도프된 p형 반도체층(330) 사이에 발광층으로 기능하는 활성층(320)이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 활성층(320)은 양자우물층(quantum well layer)과 장벽층(bar
rier layer)을 교대로 적층하여 형성한 다중 양자우물(multiple quantum well)구조 또는 벌크구조를 가지며, 상기 양자우물층에 함유되는 불순물에 따라 발광되는 빛의 파장이 결정된다.
한편, 상기 n형 전극(340) 및 상기 p형 전극(350)은 활성층(320)을 발광시키기 위한 구동전원의 인가 수단으로써, 상기 n형 전극(340)은 상기 반도체층의 n형층(310) 상에 형성되고, 상기 p형 전극(350)은 상기 반도체층의 투명전극층(360) 상에 형성되어 각각의 전도층(310)(330)과 전기적으로 연결된다. 이러한, 두 전극은(340)(350) 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 외부 전원과 연결된다.
한편, 상기 두 전극(340)(350)은 암(arm) 구조를 갖는 보조전극(345)(355)을 구비한다. 예컨대, 상기 n형 전극(340)을 연장하여 형성한 n형 보조전극(345)은 상기 반도체층의 n형층(310)을 둘러싸는 암 구조를 갖는다. 그리고, 상기 p형 전극(350)을 연장하여 형성한 p형 보조전극(355)은 바(bar) 형태의 암 구조 또는 가지(tree) 형태의 암 구조를 갖는다. 따라서, 상기 두 전극(340)(350)을 통해 인가된 전류는 상기 보조전극(345)(355)에 의해 보다 넓은 전류 확산 경로를 갖게 된다.
다만, 상기 n형 보조전극(345)의 경우 상기 n형 전극(340)과 마주보며, 상기 p형 전극(350)과 가까운 위치의 n형층 둘레에는 형성되지 않는다. 따라서, 형성되지 않는 n형 보조전극(345)의 두께만큼 칩 크기를 감소시킬 수 있고, p형 전극(350)에 대한 와이어 본딩시 p형 전극(350)과 n형 보조전극(345) 사이에 단락이 발생할 가능성이 줄어든다.
이와 같은 발광 다이오드는, n형 전극(340)과 p형 전극(350)에 순방향 전류가 인가될 경우 암 구조를 갖는 두 보조전극(345)(355)에 의해 전류가 반도체층의 전 영역에 걸쳐 균일하게 확산된다. 순방향 전류가 인가됨에 따라 n형층(310)에서 공급된 전자와 p형층(330)에서 공급된 정공은 활성층(320)인 양자 우물구조 내에서 서로 결합하여, 양자 우물층의 에너지 간격에 해당하는 빛을 내게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예 따른 발광 다이오드의 제조방법에 대해 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 5a 내지 도 5c는 질화갈륨 결정을 성장시켜 구성한 청색 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 도면이다.
먼저, MOCVD 반응기 내에 사파이어 기판(300)을 넣고, 상기 기판상에 질화갈륨 단결정층을 성장시킨 다음, n형 불순물 예컨대, Si, Ge, Se, Te, C 등을 도프하여 질화갈륨계 n형층(310)을 형성한다. 이때, 보다 고품위의 질화갈륨 단결정층을 성장시키기 위해서는 상기 기판상에 질화갈륨 버퍼층(buffer layer)을 추가로 형성하는 방법을 고려할 수 있다.
이어, 상기 질화갈륨계 n형층(310) 상에 양자 우물층과 장벽층을 교대로 적층하여 활성층(320)을 형성하고, 그 위에 전술한 p형 불순물이 도프된 p형층(330)을 형성한다(도 5a 참조).
상기 공정을 통해 n형층(310), 활성층(320), p형층(330)을 갖는 반도체층이 형성되면, n형 전극이 형성될 영역인 반도체층의 소정 영역과 n형 보조전극이 형성될 영역인 반도체층의 테두리 영역을 식각하여 n형층(310)을 노출시킨다(도 5b 참조). 이에 따라, 상기 반도체층의 소정 영역과 테두리 영역에는 식각 라인이 형성되고, 여기에 n형금속을 증착하고, 패터닝함으로써 n형 전극(340) 및 암 구조(345a
)(345b)를 갖는 n형 보조전극(345)이 형성된다(도 5c 참조).
다만, n형 전극(340)과 마주보며, 후속하여 형성되는 p형 전극(도 4의 350)과 가까운 반도체층의 테두리 영역은 식각하지 않으며, n형 보조전극(345)을 형성하지 않는다. 이는 n형 보조전극(345)의 두께만큼 칩 크기를 감소시킬 수 있는 공간을 확보해 주며, p형 전극(도 4의 350)에 대한 와이어 본딩시 p형 전극(350)과 n형 보조전극(345) 사이에 단락이 발생할 가능성을 줄여준다.
이어, 상기 p형층(330) 상에 투광성 도전물질 예컨대, ITO를 증착하여 투명전극층(360)을 형성한다. 이때, 상기 투명전극층(360)은 제조공정을 단순화하기 위해 형성하지 않을 수 있으며, 상기 n형 전극(340) 및 n형 보조전극(345)보다 먼저 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 n형 전극(340) 및 n형 보조전극 형성(345)을 위한 식각공정에서는 상기 반도체층과 함께 상기 투명전극층(360)이 식각된다.
이어, 상기 투명전극층(360) 상에 p형 금속을 증착한 후 패터닝함으로써 p형 전극(350) 및 암(arm) 구조를 갖는 p형 보조전극(355)을 형성한다. 이때, 상기 p형보조전극(355)은 바(bar) 형태의 단일 암(arm) 구조로 형성할 수 있으며, 가지(tre
e) 형태의 복수 암(arm) 구조로 형성할 수 있다(도 4참조).
이상, 전술한 제조방법에 따라 도 3 및 도 4와 같은 청색 발광 다이오드를 제조할 수 있고, 동일한 방법으로 기판 및 반도체층의 재료를 바꿔가며 적색, 녹색 등의 다양한 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 첨부되는 특허청구의 범위에 의하여 정하여야만 한다.
이상 전술한 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법은, 암 구조의 n형 및 p형 보조전극이 추가로 형성됨으로써 전류 확산 균일성이 우수한 장점을 갖는다. 또한, n형층을 둘러싸는 구조의 n형 보조전극이 일면 개방부를 갖도록 형성됨으로써 와이어 본딩 및 칩의 소형화에 유리한 장점을 갖는다.

Claims (13)

  1. n형층, 활성층, p형층으로 이루어진 반도체층과;
    상기 반도체층의 n형층 또는 p형층 상에 형성되는 제 1, 제 2전극; 및
    상기 제 1, 제 2전극을 통해 상기 반도체층에 인가되는 전류의 확산 경로를 제공하며, 암(arm) 구조를 갖는 제 1, 제 2보조전극; 을 포함함을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체층의 p형층과 상기 제 2전극 및 제 2보조전극 사이에 투명전극층이 더 형성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2보조전극은 상기 제 1, 제 2전극이 연장되어 형성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1보조전극은 상기 반도체층의 n형층 둘레를 따라 형성되며, 상기 n형층을 둘러싸는 사면 중 일면을 제외한 영역에 형성되는 암(arm) 구조를 갖음을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1보조전극은 상기 반도체층의 n형층을 둘러싸는 사면 중 상기 제 1전극과 대향하는 위치의 일면을 제외한 영역에 형성되는 암(arm) 구조를 갖음을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2보조전극은 상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 형성되며, 바(bar) 형태의 암(arm) 구조를 갖음을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2보조전극은 상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 형성되며, 가지(tree) 형태의 암 구조를 갖음을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. (a) 기판상에 n형층, 활성층, p형층을 순차로 적층하여 다층구조의 반도체층을 형성하는 단계와;
    (b) 상기 반도체층의 소정 영역과 테두리 영역을 식각하여 n형층을 노출시키고, 상기 소정 영역에 제 1전극을 형성하고, 상기 테두리 영역에 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 반도체층의 p형층 상에 제 2전극을 형성하고, 상기 p형 전극과 도통되며 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 반도체층의 p형층과 상기 제 2전극 및 제 2보조전극 사이에 투명전극층을 형성하는 단계; 가 더 포함됨을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    상기 반도체층의 테두리 영역을 식각함에 따라 노출되는 n형층 둘레에 형성되며, n형층을 둘러싸는 사면 중 일면을 제외한 영역에 형성되는 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    상기 n형층을 둘러싸는 사면 중 상기 제 1전극과 대향하는 위치의 일면을 제외한 영역에 형성되는 암(arm) 구조를 갖는 제 1보조전극을 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 단계 (c)는,
    상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 바(bar) 형태의 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
  13. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 단계 (c)는,
    상기 반도체층의 p형층 또는 상기 투명전극층 상에 가지(tree) 형태의 암(arm) 구조를 갖는 제 2보조전극을 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
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