KR20050009089A - ＡｌＧａＩｎＰ계 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

AlGaInP계 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 발광 다이오드는, p형 투명 기판과; p형 투명 기판 하부에 형성되는 p형 전극과; p형 투명 기판의 상부에 순차적으로 형성되는 p형 윈도우층, p형 클래드층, 활성층, n형 클래드층, n형 윈도우층 및 n형 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 나아가 p형 투명 기판과 p형 윈도우층은 기판 융합에 의해 접합되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 흡수성 기판을 사용할 때 보다 광출력효율이 높고, n형 투명 기판을 사용하는 경우보다 기판 융합 이후의 저항을 줄일 수 있으며, 투명 기판의 결합과 흡수 기판의 제거가 용이하고, 공정의 위험도가 감소하므로 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

ＡｌＧａＩｎＰ계 발광 다이오드 및 그 제조방법{Light emitting diode and fabrication method thereof}

본 발명은 AlGaInP계 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 p형 투명 기판과 기판 융합을 이용한 AlGaInP계 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드(light emitting diode, 이하 LED라 한다.) 표시, 통신, 조명등 다양한 응용 분야에 사용되고 있다. 그런데, LED 층들은 흡수성 기판 위에 성장되면 낮은 광추출 효율을 나타내고, 투명 기판 상에 성장되면 격자상수에 의한 격자 부정합(lattice mismatch)이 발생한다.

도 1a는 종래의 흡수성 기판 상에 형성된 이중이종접합(double heterojunction,DH) LED를 나타낸 개략도이다.

도 1a를 참조하면, n형 GaAs 기판(11) 상에 브래그 반사경(12), n형 클래드층(13), 발광 활성층(14), p형 클래드층(15), p형 윈도우층(16)이 순차적으로 형성되고, p형 윈도우층(16) 상에는 p형 전극(17)이, n형 GaAs 기판(11) 하부에는 n형 전극(18)이 각각 형성된다.

이 경우에는, 흡수성 기판 상에 브래그 반사경과 표준 LED 성장층을 순차적으로 형성함으로써, 발광 활성층의 아래로 방출되는 광을 브래그 반사경이 반사시켜 흡수성 기판의 영향을 줄이고 광추출 효율을 향상시켰다. 하지만, 입사각이 거의 수직에 가까운 경우에만 브래그 반사경에 의하여 반사되므로 그 효과는 적다.

따라서, 기판을 투명 기판으로 대체하는 시도가 있어 왔으며, 그 대표적인 방법을 도 1b 및 도 1c에 도시하였다.

도 1b 및 도 1c는 종래의 투명 기판 상에 형성된 LED를 나타낸 개략도들이다. 이 때, 도 1a와 동일한 참조번호는 동일한 구성을 나타내는 것이므로 반복되는 설명은 생략한다.

도 1b를 참조하면, SOG(Spin-On Glass)와 같이 투명하며 접착성이 좋은 접착제(22)를 이용하여 p형 윈도우층(16)을 사파이어 같은 투명 기판(21)에 접착시켰다.

이 경우에는 광 투과성이 높은 기판의 채용으로 광 출력효율은 증가하나, 사파이어는 전도성이 없는 투명 기판이므로 p형과 n형의 두 전극 모두가 발광면에 배치되게 되어 광 손실이 많아지는 단점이 있다.

이런 단점이 없는 경우로, 도 1c를 참조하면, 산화막이 제거된 200㎛ 정도 두께의 n형 투명 기판(21, n형 GaP 기판)과 도 1a에서 n형 GaAs 기판(11) 및 브래그 반사경(12)이 제거된 성장층의 n형 클래드층(13)을 흑연 부재(미도시)를 이용하여 접합시킨 후, 화로관(furnace tube)내에서 기판 융합을 실시하였다. 이 때의 조건은 수소 분위기에서 800℃의 온도와 2∼8 kg중/㎠의 압력으로 0.5∼1시간 동안 실시한다.

그런데, 이 경우에는 성장층의 두께가 10㎛ 정도여서 크랙이나 깨짐이 발생할 위험이 있다. 따라서, 도 1c와 같은 경우에는 p형 윈도우층(16)의 두께가 50∼100㎛ 정도는 되어야 한다. 그런데, 다른 활성층 영역을 성장시키는 데 이용하는 유기금속화학기상증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 및 분자빔 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy, MBE)를 이용하여 p형 윈도우층을 상기의 두께만큼 성장시키기에는 수십 시간이 소요되기 때문에 생산성이 낮아지게 된다. 따라서, p형 윈도우층(16)만은 성장률이 비교적 빠른 기상증착장비(Vapor phase epitaxy, VPE)를 이용하여 성장시키기도 하지만, 다른 활성층 영역의 성장을 유기금속화학기상증착 장비나 분자빔 에피탁시 장비로 선행시켜야 하는 번거로움이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 높은 광출력효율을 가지며, 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 AlGaInP계 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 발광 다이오드를 나타낸 개략도들;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED를 나타낸 개략도;

도 3은 도 2에 따른 LED의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들; 및

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 LED의 패키징 구조를 설명하기 위한 개략도들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

[종래기술]

11 : n형 GaAs 기판 12 : 브래그 반사경

13 : n형 클래드층 14 : 활성층

15 : p형 클래드층 16 : p형 전극

18 : n형 전극 19 : n형 윈도우층

21 : n형 투명 기판 22 : 접착제

[본 발명]

110 : p형 투명 기판 120 : p형 윈도우층

130 : p형 클래드층 140 : 활성층

150 : n형 클래드층 160 : n형 윈도우층

170 : n형 전극 180 : p형 전극

210 : 공융 금속층 220 : 서브 마운트

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 AlGaInP계 발광 다이오드는: p형 투명 기판과; 상기 p형 투명 기판 하부에 형성되는 p형 전극과; 상기 p형 투명 기판의 상부에 순차적으로 형성되는 p형 윈도우층, p형 클래드층, 활성층, n형 클래드층, n형 윈도우층 및 n형 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 p형 투명 기판과 상기 p형 윈도우층은 기판 융합에 의해 접합되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 AlGaInP계 발광 다이오드 제조방법은: n형 GaAs 기판 상에 상기 n형 윈도우층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 윈도우층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 p형 윈도우층과 상기 p형 투명 기판을 기판 융합으로 접합하는 단계와; 상기 n형 GaAs 기판을 제거하는 단계와; 상기 p형 투명 기판에 p형 금속을 증착하고, 상기 n형 윈도우층에 n형 금속을 증착하여 오믹접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED를 나타낸 개략도이고, 도 3은 도 2에 따른 LED의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 LED의 패키징 구조를 설명하기 위한 개략도들이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LED는 p형 투명 기판(110)과, p형 투명 기판(110) 하부에 형성되는 p형 전극(180)과, p형 투명 기판(110)의 상부에 순차적으로 형성되는 p형 윈도우층(120), p형 클래드층(130), 활성층(140), n형 클래드층(150), n형 윈도우층(160) 및 n형 전극(170)을 포함하여 이루어진다. p형 투명 기판(110)은 GaP, ZnSe 또는 ZnS로 이루어지며, 두께는 50∼350㎛이다. p형 윈도우층(120), p형 클래드층(130), 활성층(140), n형 클래드층(150) 및 n형 윈도우층(160)은 AlGaInP계 물질로 이루어진다. p형 전극(180)으로는 Ti/Au, Ti/Pt/Ti/Au 또는 AuBe 등으로 이루어질 수 있고, n형 전극(170)으로는 AuGe/Ni/Au 등으로 이루어질 수 있다.

p형 투명 기판(110)과 p형 윈도우층(120)은 기판 융합(Direct Wafer Bonding)에 의해 접합된다. 기판 융합에 대해서는 후술한다.

p형 윈도우층은 출력광을 투과시키는 역할과 전류확산을 증가시키는 역할을 한다. p형 윈도우층(120)에서 전류가 확산되어 p형 클래드층(130)의 홀과 n형 클래드층(150)의 전자가 활성층(140)에서 결합하면 에너지 밴드갭에 따른 파장의 광자(photon)를 발생시키게 된다. 상술한 바와 같이, p형 윈도우층(120)은 p형 투명 기판(110)과 기판 융합에 의하여 접합되므로, p형 윈도우층(120)에서의 전류의 확산은 메탈 패턴에 의한 전류확산이 아니라 p형 투명 기판(110)으로부터 인가되는 전류에 의해 확산이 이루어져 두께가 두꺼울 필요는 없다.

이하에서, 도 3을 참조하여, 기판 융합을 이용한 본 발명의 실시예에 따른 LED 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도 3의 (1)과 같이, n형 GaAs 기판(11) 상에 n형 윈도우층(160), n형 클래드층(150), 활성층(140), p형 클래드층(130) 및 p형 윈도우층(120)을 순차적으로 형성한다.

그리고, p형 윈도우층(120) 표면과 별도로 형성한 50∼350㎛ 두께의 p형 GaP 기판(110)의 표면에 TCE, 아세톤, 메탄올 등을 가하여 유기물을 제거하고 HF 희석액을 이용하여 표면의 산화막을 제거한다.

다음에, 도 3의 (2)와 같이, p형 윈도우층(120)과 p형 GaP 기판(110)을 흑연 부재(미도시)를 이용하여 접합한 후에 수소분위기에서 기판 융합을 실시한다. 이때 공정온도는 650∼900 ℃이고, 압력은 1∼8 kg중/㎠이며, 시간은 0.5∼1시간 이다.

그 다음에, 도 3의 (3)과 같이, GaAs 기판(11)을 습식 혹은 건식 에칭을 통해서 제거한다.

계속해서, 도 3의 (4)와 같이, p형 GaP 기판(110)에 상술한 p형 금속(180)을 증착하고, n형 윈도우층(160)에 상술한 n형 금속(170)을 증착하여 오믹접촉시킴으로써 본 발명의 실시예에 따른 LED를 제조한다. 참고로, 도 2에 도시된 LED는 도 3의 (4)에 도시된 LED의 역상구조로서, 본 발명의 내용이 달라지는 것은 아니고, 단지 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 LED의 패키징 구조에 따라 달라질 뿐이다.

이와 같이 기판 융합으로 p형 투명 기판과 p형 윈도우층을 접합시킴으로써 p형 투명 기판에 전도성이 부여되고, p형 투명 기판이 GaAs 기판 제거 후에 에피탁시의 지지웨이퍼(handling substrate)로서의 역할을 수행하게 된다. 따라서, 간단하게 투명 기판의 결합과 흡수 기판의 제거를 할 수 있고, 높은 광출력효율의 LED를 제조할 수 있다.

한편, 기판 융합의 용이성을 위하여 투명 기판과 접합되는 p형 윈도우층 표면에 50nm이하의 얇은 p형 InGaP층이 더 형성되어도 좋다. 이와 같이 추가된 p형 InGaP층은 얇기 때문에 광출력에는 거의 영향이 없으면서도 p형 GaP 기판과 p형 윈도우층의 기판 융합을 함에 있어 좋은 저항 특성을 보이고 있으므로 기판 융합전 AlGaInP LED 웨이퍼의 캡층(Cap layer)으로 적당하다.

일반적으로 제조된 LED의 n형 윈도우층을 아래 방향으로 하여 패키지 서브 마운트에 결합하게 되면, 두께가 얇은 n형 윈도우층 상에 메탈 에폭시가 도포되게 되므로 n형 윈도우층의 측면에도 메탈 에폭시가 도포되어 활성영역이 단락되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 상술한 본 발명에 따른 LED의 패키징 구조에 설명한다.

도 2와 같이 n형 전극이 있는 쪽으로 빛을 방출하는 역상구조인 경우에는, n형 전극(170)은 n형 윈도우층(160)의 소정영역에 위치되도록 형성하고, p형 전극(180)은 p형 투명 기판(110)의 전면(全面)에 위치되도록 형성한다. 이 때에는 투명 기판(110)의 두께가 50∼350㎛로 두껍기 때문에 메탈 에폭시가 활성층(140)까지 도포되는 것이 방지되어 단락이 일어나지 않는다.

이어서, n형 윈도우층을 아래 방향으로 하여 서브 마운트에 결합하는 일반적인 형태의 경우에 대하여 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다. 이 때에는, n형 전극(170)은 n형 윈도우층(160)의 전면(全面)에 위치되도록 형성되고, p형 전극(180)은 p형 투명 기판(110)의 소정영역에 위치되도록 형성된다.

도 4a를 참조하면, 낮은 융점의 공융 금속(Eutectic metal)을 이용하여 서브 마운트층을 n형 윈도우층과 금속접합(metal bondig)시킴으로써 공융 금속층(210)과 서브 마운트(220)가 n형 윈도우층(160)과 n형 전극(170) 사이에 순차적으로 개재(介在)되는 구조가 된다. 서브 마운트(220)로는 Si, SiC, Cu, CuW, 또는 T-CBN 등이 이용되어 질 수 있고, 공융 금속으로는 Au-Sn, Au-Ge, Ag-In 계열이 이용될 수 있다. 이 때, 공융 금속과 서브 마운트를 n형 윈도우층에 온도를 가하여 접합하거나, 또는 n형 윈도우층에 공융 금속을 증착한 뒤 서브 마운트를 가열하여 공융 금속에 접합시킬 수 있다. 이와 같이 공융 금속층(210)과 서브 마운트(220)를 n형 윈도우층(160)과 n형 전극(170) 사이에 개재시키는 구조를 취함으로써 고출력의 대면적 발광 소자를 제작할 때 활성층 영역에서 발생하는 열에너지를 충분히 방출할 수 있게 된다.

도 4b를 참조하면, n형 전극(170) 표면에 공융 금속층(210)이 형성되어 있다. 이와 같이, 공융 금속을 n형 전극에 직접 증착함으로써 메탈 에폭시 없이도 일정 온도로 가열된 서브 마운트에 제조된 LED 칩을 용이하게 접합할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 AlGaInP계 발광 다이오드에 의하면, p형 투명 기판을 사용함으로써 흡수성 기판을 사용할 때 보다 광출력효율이 높다.

또한, p형 도펀트의 확산속도가 n형 도펀트의 확산속도보다 빠르므로 n형 투명 기판을 사용하는 경우보다 기판 융합 이후의 저항을 줄일 수 있다.

나아가, 기판 융합으로 p형 투명 기판과 p형 윈도우층을 접합시킨 후에 GaAs 기판을 제거함으로써 투명 기판의 결합과 흡수 기판의 제거가 용이하고, 공정의 위험도가 감소하므로 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (8)

1. p형 투명 기판과;

   상기 p형 투명 기판 하부에 형성되는 p형 전극과;

   상기 p형 투명 기판의 상부에 순차적으로 형성되는 p형 윈도우층, p형 클래드층, 활성층, n형 클래드층, n형 윈도우층 및 n형 전극을 포함하여 이루어지는 AlGaInP계 발광 다이오드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 p형 투명 기판은 GaP, ZnSe 또는 ZnS로 이루어지는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
3. 제 2항에 있어서, 상기 p형 투명 기판의 두께는 50∼350㎛인 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
4. 제 1항에 있어서, 상기 p형 윈도우층, p형 클래드층, 활성층, n형 클래드층 및 n형 윈도우층은 AlGaInP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 투명 기판과 상기 p형 윈도우층은 기판 융합에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
6. 제 1항에 있어서, 상기 n형 전극은 상기 n형 윈도우층의 전면에 위치되도록 형성되고, 상기 p형 전극은 p형 투명 기판의 소정영역에 위치되도록 형성되며,

   공융 금속층과 서브 마운트층이 상기 n형 윈도우층 하부에 순차적으로 위치되도록 상기 n형 윈도우층과 상기 n형 전극 사이에 상기 공융 금속층과 상기 서브 마운트가 개재되는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
7. 제 1항에 있어서, 상기 n형 전극은 상기 n형 윈도우층의 전면에 위치되도록 형성되고, 상기 p형 전극은 p형 투명 기판의 소정영역에 위치되도록 형성되며,

   상기 n형 전극 표면에 공융금속층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광 다이오드.
8. 제 5항에 따른 AlGaInP계 발광 다이오드를 제조하는 방법은,

   n형 GaAs 기판 상에 상기 n형 윈도우층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 윈도우층을 순차적으로 형성하는 단계와;

   상기 p형 윈도우층과 상기 p형 투명 기판을 기판 융합으로 접합하는 단계와;

   상기 n형 GaAs 기판을 제거하는 단계와;

   상기 p형 투명 기판에 p형 금속을 증착하고, 상기 n형 윈도우층에 n형 금속을 증착하여 오믹접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드 제조방법.