KR20050028644A - 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 P형 질화갈륨층 상에 수소 결합을 분리함으로써 P 전극으로부터 유입되는 정공 농도를 극대화하여 활성층에서의 발광 효율을 높일 수 있는 발광 다이오드 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 계속해서 N형 질화 갈륨층을 형성하는 단계; 상기 N형 질화 갈륨층 상에 정공과 전자의 재결합에 의하여 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층이 형성된 기판 상에 P형 질화갈륨층을 형성하고, 마그네슘층을 코팅하는 단계; 및 상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판을 챔버 내로 이동시킨 다음, 주입될 암모니아 가스를 열분해 하는 단계; 상기 열분해된 암모니아 가스를 금속 화합물층 위로 진행시켜, 암모니아 가스로부터 분리된 수소를 제거시킨 다음 상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판 상부로 가스들을 주입하여 상기 P형 질화갈륨층 표면에 수소 결합을 방지하는 단계; 및 상기 공정을 진행한 다음 P전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광 다이오드의 P형 질화갈륨층에 코팅되어 있는 마그네슘(Mg)과 수소가 결합하지 않도록 함으로써, 활성층으로 유입되는 정공 밀도를 높여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하 LED라고 함)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데, 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용된다.

상기 LED의 동작원리는 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극(Positive-negative)의 접합(junction) 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데, 전자와 정공의 결합에 의하여 에너지 준위가 떨어져 빛이 방출되는 것이다.

또한, LED는 보편적으로 0.25㎟로 매우 작은 크기로 제작되며, 엑폭시 몰드와 리드 프레임 및 PCB에 실장된 구조를 하고 있다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 LED는 5㎜(T 1 3/4) 플라스틱 패키지(Package)나 특정 응용 분야에 따라 새로운 형태의 패키지를 개발하고 있다. LED에서 방출하는 빛의 색깔은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장을 만들며 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정 짓는다.

특히, LED는 정보 통신 기기의 소형화, 슬림화(slim) 추세에 따라 기기의 각종 부품인 저항, 콘덴서, 노이즈 필터 등은 더욱 소형화되고 있으며 PCB(Printed Circuit Board: 이하 PCB라고 함) 기판에 직접 장착하기 위하여 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있다.

이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 SMD 형으로 개발되고 있다. 이러한 SMD는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.

그리고, 최근 들어 반도체 소자에 대한 고밀도 집적화 기술이 발전되고 수요자들이 보다 컴팩트한 전자제품을 선호함에 따라 표면실장기술(SMT)이 널리 사용되고, 반도체 소자의 패키징 기술도 BGA(Ball Grid Arrary), 와이어 본딩, 플립칩 본딩 등 설치 공간을 최소화하는 기술이 채택되고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 발광 다이오드 제조공정을 도시한 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, Al₂O₃으로 되어 있는 사파이어 기판(100) 상에 질화 갈륨 버퍼층(GaN buffer layer: 102)을 형성한다. 상기에서와 같이 사파이어 기판(100) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200토르(torr)~ 650토르(torr)를 유지하면서, 레이어를 형성한다.

상기 GaN 버퍼층(102) 상에는 N형 GaN 층(103)을 형성하는 데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(SiH4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용되어 진다.

상기 N형 질화갈륨층(GaN: 103)이 성장되면, 상기 N형 질화갈륨층(103) 상에 활성층(105)을 성장시킨다. 상기 활성층(105)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다.

상기 활성층(105)이 성장되면 도 1b에 도시된 바와 같이, 계속해서 P형 질화갈륨층(107)을 형성한다.

상기 P형 질화갈륨층(107)은 상기 N형 질화갈륨층(105)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(103)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 전자들이 이동하고, 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(107)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들이 이동하여 상기 활성층(105)에서 정공과 전자가 재결합하여 광을 발생시킨다.

여기서, 상기 P형 질화갈륨층(107)의 구조는 GaN에 마스네슘(Mg)이 코팅된 혼합 층으로서, 이후 형성될 P 전극으로부터 전압이 인가되면, 상기 활성층(105)에 정공을 공급하는 소스원으로 사용된다.

상기에서와 같이 P형 질화갈륨층(107)이 형성되면, 정공과 전자를 주입할 수 있는 P전극과 N전극을 형성하여 발광 다이오드를 완성한다.

그러나, 상기와 같은 발광 다이오드는 질화갈륨층과 사파이어 기판 사이에 격자 부정합이 존재하는데, 이는 결정된 N형 또는 P형 질화갈륨층 내부에 점, 선, 면 결함 상태로 나타난다.

또한, P형 질화갈륨층과 P전극이 접촉하는 층 사이에 Mg 층이 존재하기 때문에 공정중에서 수소 가스들과 Mg 층이 결합하여 절연성이 높은 절연막 역할을 하게 된다.

이와 같이 Mg과 수소와의 결합체는 P형 질화갈륨층의 정공 밀도를 저하시키는 원인이 되고, 이는 활성층에서 전자와 정공의 재결합율을 떨어뜨려 광효율을 저하시키게 된다.

상기와 같은 Mg-H이 형성되는 이유는 P형 질화갈륨층 성장시에 Ga이나 Mg의 원재료로 사용되는 TMGa(Tri Methyl Gallium)이나 DCPMg(Double Cyclo Pentadienyl Magnesium)의 유기에 존재하는 수소가 결정 성장 될 때, 마그네슘과 결합하거나 P형의 GaN 결정 성장 후 온도 냉각시에 GaN 표면으로 질소의 Out-Diffusion에 따른 질소 공백(N-vacancy) 현상을 방지하고자 암모니아 분위기를 유지하는데, 이때 암모니아가 열 분해되면서 발생되는 수소가 GaN 표면에 침투되어 Mg-H을 형성하게 된다.

상기 Mg-H에서 수소를 제거하기 위하여 산소 또는 질소 분위기에서 600℃ 이상의 고온으로 열처리를 하고 있으나, 제거되는 수소가 적어 P형 질화갈륨층의 정공 밀도를 향상시키지 못하고 있다.

본 발명은, 암모니아를 열분해 시킨 다음, 이를 수소 결합성이 강한 금속층을 통과시켜, 상기 금속층과 수소 결합 시킴으로써, 수소가 부족하여 불안정한 상태가 된 혼합 가스를 P형 질화갈륨층 표면에 상기 P형 질화갈륨층의 Mg와 결합되어 있는 수소와 NH의 형태로 재 결합시킴으로써 수소를 제거하여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은,

사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 계속해서 N형 질화 갈륨층을 형성하는 단계;

상기 N형 질화 갈륨층 상에 정공과 전자의 재결합에 의하여 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층이 형성된 기판 상에 P형 질화갈륨층을 형성하고, 마그네슘층을 코팅하는 단계;

상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판을 챔버 내로 이동시킨 다음, 주입될 암모니아 가스를 열분해 하는 단계;

상기 열분해된 암모니아 가스를 금속 화합물층 위로 진행시켜, 암모니아 가스로부터 분리된 수소를 제거시킨 다음 상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판 상부로 가스들을 주입하여 상기 P형 질화갈륨층 표면에 수소 결합을 방지하는 단계; 및

상기 공정을 진행한 다음 P전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 암모니아 가스를 열분해하여 분리된 가스 성분은 상기 금속 화화물의 금속 원소와 금속 수소화합물을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 발광 다이오드의 P형 질화갈륨층에 결합되는 수소들을 제거하기 위하여 암모니아를 열분해 시킨 다음, 이를 수소 결합성이 강한 금속층을 통과시킨다.

그렇게 함으로써, 상기 P형 질화갈륨층 상에 도달되기 전에 암모니아에서 발생된 다수의 수소들이 금속 수소화합물 형태로 결합되어 상기 P형 질화갈륨층 표면에 전기적으로 불안정하여 수소와 재결합하려는 힘이 강한 질소를 제공함으로써 P형 질화갈륨층의 Mg와 결합되어 수소를 효과적으로 떼어 낼수 있는 이점이 있다.

코팅된 Mg과의 수소 결합을 방지하는 이점이 있다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조공정을 도시한 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, Al₂O₃으로 되어 있는 사파이어 기판(200) 상에 질화 갈륨 버퍼층(GaN buffer layer: 202)을 형성한다. 상기에서와 같이 사파이어 기판(200) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200토르(torr)~ 650토르(torr)를 유지하면서, 레이어(layer)를 형성한다.

상기 GaN 버퍼층(202) 상에는 N형 GaN 층(203)을 형성하는 데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(SiH4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용되어 진다.

상기 N형 질화갈륨층(GaN: 203)이 성장되면, 상기 N형 질화갈륨층(203) 상에 활성층(205)을 성장시킨다. 상기 활성층(205)을 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다.

상기 활성층(205)이 성장되면 도 2b에 도시된 바와 같이, 계속해서 P형 질화갈륨층(207)을 형성한다.

상기 P형 질화갈륨층(207)은 상기 N형 질화갈륨층(205)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(203)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 전자들이 이동하고, 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(207)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들이 이동하여 상기 활성층(205)에서 정공과 전자가 서로 재결합하여 발광하게 된다.

상기와 같이 P형 질화갈륨층(207)이 형성되면 종래 기술에서 발생하는 문제점을 제거하기 위하여 암모니아를 가열하는 열분해된 혼합 가스를 챔버 내에서 상기 Mg가 도핑된 P형 질화갈륨층(207)에 주입한다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 챔버내에 암모니아 가스를 상기 P형 질화갈륨층(207)이 형성된 기판 상에 주입하는 공정을 도시하였다.

우선, 암모니아가 주입되는 경로에 수소와 결합력이 강한 2A족 금속 원소 또는 5A족 금속 원소 계열과 금속 수소화합물을 생성하기 어려운 6A족 금속 원소 또는 8A족 금속 원소 계열을 혼합한 금속층(300)을 배치한다.

이때 상기 암모니아가 주입되는 영역에서 가열을 하는데, 암모니아(NH₃)는 N₂, N, H₂, H, NH의 혼합 가스로 분리되는데, 이와 같이 분리된 혼합 가스는 상기 금속층(300)의 원소들과 수소 결합을 하여 금속 수소 화합물 상태가 된다.

P형 질화갈륨층에 형성되어 있는 Mg과 H의 결합에 의하여 정공밀도가 떨어지는데, 이와 같이 정공 밀도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 수소와 결합력이 강한 금속을 이용하여 수소 원자 1개(NH₂ ^-1), 2개(NH^-2), 3개(N^-3)를 제거해 주면, 이 가스들은 매우 불안정하게 되어 수소와 다시 결합하여 안정화 할려고하는 성질이 강한 상태가 된다.

이와 같은 가스들을 H-Mg가 도핑된 P형 질화갈륨층에 통과시키면 Mg에 결합된 H를 떼어내어 상기 가스와 결합되어 안정하게됨으로써 P형 질화갈륨층으로부터 효과적으로 H를 제거할 수 있다.

따라서, 열 분해에 의하여 분해된 혼합 가스는 발광 다이오드의 P형 질화갈륨층(207) 영역으로 진행될 때, 수소 성분이 이미 금속층(300)의 금속과 수소결합이 된 상태이므로, 상기 P형 질화갈륨층(207) 상부에는 수소원자가 부족하여 불안정한 혼합 가스가 다량 존재하게 된다.

따라서, 상기 P형 질화갈륨층(207) 상에 도핑되어 있는 Mg에 포함된 H 성분과의 상기 혼합 가스가 되어 상기 P형 질화갈륨층(207)으로부터 H 성분을 효과적으로 분해 및 제거할 수 있게 되고, 상기 P형 질화갈륨층(207)의 정공 밀도를 높일 수 있게 된다.

그러므로 본 발명에서는 P전극을 통하여 활성층으로 정공이 주입될 때, 정공들의 유입이 원활하여 질화갈륨층 내의 정공 밀도가 상승하고, 이로 인하여 전자와 정공의 재결합 확률이 높아져서, 광효율이 증가하는 이점이 있다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 암모니아(NH₃)는 N₂, N, H₂, H, NH의 혼합 가스로 분리하여, P형 질화갈륨층에 형성되어 있는 Mg과 H의 결합된 수소들을 제거함으로써, 가스들을 H-Mg가 도핑된 P형 질화갈륨층에 통과시키면 Mg에 결합된 H를 떼어내어 상기 가스와 결합되어 안정하게됨으로써 P형 질화갈륨층으로부터 효과적으로 H를 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 발광 다이오드 제조공정을 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조공정을 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

200: 사파이어 기판 202: 버퍼층

203: N형 질화갈륨층 205: 활성층

207: P형 질화갈륨층

Claims (2)

1. 사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 계속해서 N형 질화 갈륨층을 형성하는 단계;

   상기 N형 질화 갈륨층 상에 정공과 전자의 재결합에 의하여 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층이 형성된 기판 상에 마그네슘이 도핑된 P형 질화갈륨층을 형성하는 단계;

   상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판을 챔버 내로 이동시킨 다음, 주입될 암모니아 가스를 열분해 하는 단계;

   상기 열분해된 암모니아 가스를 금속 화합물층 위로 진행시켜, 암모니아 가스로부터 분리된 수소를 제거시킨 다음 상기 P형 질화갈륨층이 형성된 기판 상부로 가스들을 주입하여 상기 P형 질화갈륨층에 포함된 수소를 제거하는 단계; 및

   상기 공정을 진행한 다음 P전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 암모니아 가스를 열분해하여 분리된 가스 성분은 상기 금속 화화물의 금속 원소와 금속 수소화합물을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.