KR20040108275A - 레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성함으로써, 소자 발광시, 활성층에서 상부 방향으로 방출되는 광의 상당량을 하부 방향으로 반사시켜 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법{Laser emitting diode, and method for manufacturing the same}

본 발명은 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성함으로써, 소자 발광시, 활성층에서 상부 방향으로 방출되는 광의 상당량을 하부 방향으로 반사시켜 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,특히, 청자색 계열의 단파장 광소자 이외에 포스퍼(Phosphor)를 첨가하여 백색광을 만들 수 있게 되면서, 이 분야에 대한 관심이 날로 증대되어지고 있다.

한편, 이러한 질화물 계열의 레이저 발광 다이오드와 같은 발광 소자에서는 기판으로 사파이어를 주로 사용하고 있는데, 질화물과 사파이어는 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이로 인해, 사파이어 기판에 질화물층을 형성하면, 고 밀도의 결정성 결함이 발생하는데, 도 1은 이러한 사파이어 기판을 이용한 일반적인 레이저 발광 다이오드를 도시한 도면이다.

이에 도시한 바와 같이, 통상의 레이저 발광 다이오드는, 사파이어 기판(10) 상면에 MOCVD방법을 이용하여 n형으로 도핑된 질화물층(11)(이하, "n-질화물층"으로 약칭함)과 활성층(12), p형으로 도핑된 질화물층(13)(이하, "p-질화물층"으로 약칭함)을 순차적으로 적층된 다음, p-질화물층(13) 상면에 투명 전극(14)이 형성되고, 그 투명전극(14)의 상부와 n-질화물층(11)의 상부에 각기 p-패드 전극(15)과 n-패드 전극(16)이 형성되는데, 이렇게 형성된 p패드 전극과 n패드 전극을 통하여 각기 전류가 인가되면, 활성층에서 광이 발생되고, 이 광은 사파이어 기판을 통해외부로 방출된다.

이러한 통상의 레이저 발광 다이오드는 활성층에서 광이 방출되고, 방출된 광은 활성층의 위, 아래로 진행하며, 특히 위로 진행한 광은 패드 전극영역에서 광 흡수가 발생되어 소자의 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 레이저 발광 다이오드의 발광시, 패드 전극 영역 등에서 불필요하게 흡수되는 광을 최소한으로 줄여 소자의 발광 효율을 증대시키도록 한 레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성함으로써, 소자 발광시, 활성층에서 상부 방향으로 방출되는 광의 상당량을 하부 방향으로 반사시켜 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 일반적인 레이저 발광 다이오드를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 레이저 발광 다이오드의 제조 방법을 도시한 공정 순서도,

도 3은 본 발명에 따른 레이저 발광 다이오드의 실시예를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 사용된 반사절연막이 다층막으로 형성될 경우에 반사도가 향상되는 것을 보이기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 이종 기판 21 : n-질화물층

22 : 활성층 23 : p-질화물층

24 : 투명전극 25 : n패드전극

26 : p패드전극 27 : 반사절연막

먼저, 본 발명에서 사용되는 질화물은 GaN, GaAlN, InGaN, InAlGaN과 같이 Ga을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물로 정의하며, 그 화학식은 다음과 같다.

《화학식》

In_xAl_yGa_1-y(0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1)

이하, 첨부된 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(20) 상면에 n-질화물층(21), 활성층(22), p-질화물층(23)을 순차적으로 형성한다.

즉, 기판(20) 상부 전면에 n형으로 도핑된 질화물을 증착하고, 측면 성장법(LEO) 등을 이용해 소정의 두께만큼 성장시켜 n-질화물층(21)을 형성한 다음, 이 n-질화물층(21)의 상면에 특정 발광 물질을 증착하여 활성층(22)을 형성하고, 상기 활성층(22) 상부 전면에 p형으로 도핑된 질화물을 증착하고 성장시켜 p-질화물층(23)을 형성한다.

이 때, 상기 기판(20)은, 이종 기판 중에서 특히 사파이어 기판이나 실리콘 카바이드 기판 중에서 선택된 어느 하나를 사용하고, 활성층(22)은 단일 양자 우물 구조나 다층 양자 우물 구조 모두 사용 가능하나, 특히, 다층 양자 우물 구조로 형성하는 것이 바람직하다.

계속해서, 기판(20) 상면에 n-질화물층(21), 활성층(22), p-질화물층(23)이 순차적으로 형성되면, 상기 p-질화물층(23)부터 수직 방향으로 상기 n-질화물층(21)까지 식각하여 n-질화물층(21)의 일부를 노출시킨다(도 2b).

그런 다음, 상기 식각하지 않고 남아 있는 p-질화물층(23)의 상면 일부에 금속을 소정 두께로 얇게 증착하고 패터닝하여 투명전극(24)을 형성하는데(도 2c), 이러한 투명 전극을 형성하는 것에 관한 기술은 공지기술이므로 여기에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 p-질화물층(23)의 상면에 투명 전극(24)이 형성되면, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 투명 전극(24)의 상부에 금속(metal)을 증착하고 패터닝하여 와이어 본딩시 패드로 사용될 p패드 전극(25)을 형성한다.

그리고, 상기 p패드 전극 형성(25)과 동시에 또는 각기, 상기 p-질화물층(23)부터 상기 n-질화물층(21)의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 노출된 n-질화물층(21)의 상면에 금속(metal)을 증착하고 패터닝하여 n패드전극(26)을 형성하는데, 상기 금속은 Cr, Ni, Au, Al, Ti, Pt 중에서 선택된 어느 하나를 사용하거나, 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

마지막으로, p-패드 전극(25)이 형성되지 않은 투명전극(24)의 표면과, 노출된 p-질화물층(23), 활성층(22), 그리고, n-패드 전극(26)이 형성되지 않은 n-질화물층(21) 각각의 표면에 반사절연막(27)을 형성하여 패시베이션(passivation) 기능뿐만 아니라, 활성층(22)에서 발생된 광이 상부 방향으로 방출되는 것을 최소한으로 방지할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 반사절연막(27)은 HR 코팅(High Reflective coating)용 절연체를 도포하여 형성하는 것이 바람직한데, 상기 HR 코팅(High Reflective coating)용 절연체는 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃중에서 선택된 어느 하나를 사용하도록 한다.

또한, 하기의 수학식과 같이, 반사절연막(27)의 두께를 두껍게 할수록 굴절율이 높아지고, 이에 따라 활성층(22)에서 발광하는 광의 반사율이 증가하기 때문에, 상기 반사절연막이 두께를 가능한 두껍게 하기 위해 다층(multi-layer)으로 형성하는 것이 바람직하다.

《수학식》

두께=λ/(4 ×n) {n : 반사절연막에 사용되는 재질의 굴절률}

전술한 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 레이저 발광 다이오드는, 도 2e에 도시된 바와 같이, 기판(20)과, 기판 상면에 순차적으로 형성된 n-질화물층(21), 활성층(22), p-질화물층(23), 투명전극(24)과, 상기 투명전극(24) 상면의 일부에 형성된 p패드 전극(25)과, 상기 p-질화물층(23)의 일부부터 수직방향으로 상기 n-질화물층(21)까지 메사(mesa) 식각하여 노출된 n-질화물층(21)의 상면에 형성된 n패드전극(26)과, 상기 p-패드 전극(25)이 형성되지 않은 투명전극(24)의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층(23), 활성층(22), 그리고, n-패드 전극(26)이 형성되지 않은 n-질화물층(21) 각각의 표면에 형성된 반사절연막(27)으로 이루어진다.

이렇게 이루어지는 레이저 발광 다이오드에서, 상기 반사절연막(27)은, 질화물의 측면 성장 온도와 같은 고온에서도 변조가 없고 반사도가 큰 것을 사용하되, 특히, TiO₂, SiO₂, Al₂O₃중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 반사절연막(27)을 가능한 다층(multi-layer)으로 형성하여 그 두께를 두껍게 함으로써 반사율을 향상시키도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 상호 다른 재질이 사용된 제 1 반사절연막과 제 2 반사절연막을 교대로 형성하거나, 상호 다른 3개의 재질이 선택적으로 각기 사용된 제 1 반사절연막, 제 2 반사절연막, 제 3 반사절연막을 교대로 형성하는데, 전술한 다층의 양태는 일예에 불과하며 이에 대한 다양한 변형은 얼마든지 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 레이저 발광 다이오드는 상기 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성함으로써, 소자 발광시, 활성층에서 상부 방향으로 방출되는 광의 상당량을 하부 방향으로 반사시켜 소자의 발광 효율을 향상시킬 수가 있게 된다.

한편, 도 4는 하기의 실험예를 통해 상기 반사절연막이 다층막으로 형성될 경우에 반사도가 향상되는 것을 보이기 위한 도면이다.

《실험예》

1. p-패드 전극 또는 n-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극, p-질화물층, n-질화물층 각각의 외주면에 반사절연막을 형성하였다.

그리고, 상기 반사절연막을 TiO₂와 SiO₂를 교대로 증착하여 11층 또는 5층의 다층으로 형성하였으며, 도 4에 도시된 Bare glass는 상기 반사절연막이 형성되지 않은 경우이다.

2. 질화물은 GaN을 이용하였으며, 실험에 사용된 광의 파장은 420nm로 하였다.

전술한 반응예를 통해 실험한 결과, 상기 반사절연막이 11층의 다층막일 경우에는 그 반사도가 0.957이고, 5층의 다층막일 경우에는 그 반사도가 0.512이며, 반사절연막이 형성되지 않은 경우에는 0.078로서, 상기 반사절연막이 다층으로 형성될수록 반사도가 향상되는 것을 볼 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 레이저 발광 다이오드 및 그 제조 방법은, 상기 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성함으로써, 소자 발광시, 활성층에서 상부 방향으로 방출되는 광의 상당량을 하부 방향으로 반사시켜 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

1. 기판 상면에 n-질화물층, 활성층, p-질화물층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;

   상기 p-질화물층부터 수직 방향으로 상기 n-질화물층의 일부까지 식각하여 n-질화물층의 일부를 노출시키는 제 2 단계;

   상기 식각하지 않고 남아 있는 p-질화물층의 상면에 투명전극을 형성하는 제 3 단계;

   상기 투명전극의 상면 일부에 p패드 전극을 형성하고, 상기 노출된 n-질화물층의 상면에 n패드전극을 형성하는 제 4 단계;

   상기 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는, 레이저 발광 다이오드 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 5 단계는;

   상기 반사절연막을 다층(multi-layer)으로 형성하는 것을 특징으로, 레이저 발광 다이오드 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반사절연막은;

   상기 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 HR 코팅(High Reflective coating)용 절연체를 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하는, 레이저 발광 다이오드 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 HR 코팅(High Reflective coating)용 절연체는;

   TiO₂, SiO₂, Al₂O₃중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저 발광 다이오드 제조 방법.
5. 기판 상면에 n-질화물층, 활성층, p-질화물층이 순차적으로 형성되고;

   상기 p-질화물층부터 수직 방향으로 상기 n-질화물층의 일부까지 식각하여 n-질화물층의 일부를 노출시키고;

   상기 식각하지 않고 남아 있는 p-질화물층의 상면에 투명전극이 형성되고;

   상기 투명전극의 상면 일부와 상기 노출된 n-질화물층의 상면에 각기 p패드 전극과 n패드전극이 형성되고;

   상기 p-패드 전극이 형성되지 않은 투명전극의 표면과, 외부에 노출된 p-질화물층, 활성층, 그리고, n-패드 전극이 형성되지 않은 n-질화물층 각각의 표면에 반사절연막이 형성되어 이루어지는, 레이저 발광 다이오드
6. 제 5 항에 있어서, 상기 반사절연막은;

   다층(multi-layer)으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 발광 다이오드.