KR20050100128A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 활성층과 질화 갈륨층(N-GaN) 사이에 저온과 고온 조건에서 생성된 InGaN 다중층을 형성함으로써, 정전기에 의한 소자 보호와 동작의 신뢰성을 개선시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨층 상에 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화갈륨층 상에 다중층을 형성하는 단계; 상기 다중층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 p형 질화갈륨층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다중층은 InGaN/InGaN으로된 다중층이고, 상기 다중층은 고온 상태와 저온 상태에서 각각 형성하는 다중층이며, 상기 다중층은 TNGa, TMIn, 암모니아, 질소를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING LED}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 정전기로부터 소자를 보호하면서, 다이오드의 동작 신뢰성을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 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 작으며 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: SMD)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.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, Al2O3으로되어 있는 사파이어 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 101)을 형성한다. 그런 다음, 상기 버퍼층(101) 상에 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(103)을 연속적으로 성장시켜 형성한다.
상기에서와 같이 상기 사파이어 기판(100) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200 토르(torr)~ 650 토르(torr)를 유지하면서 레이어(layer)를 형성한다.
도핑된(Undoped) 상기 GaN층(103) 상에는 N형 GaN 층(105)을 형성하는데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.
상기 N형 질화갈륨층(GaN: 105)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(105) 상에 활성층(109)을 성장시킨다. 상기 활성층(109)을 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다. 상기 활성층(109)이 성장되면 계속해서 P형 질화갈륨층(110)을 형성한다.
상기 P형 질화갈륨층(110)은 상기 N형 질화갈륨층(105)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(105)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 전자들이 이동하고, 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(110)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들이 이동하여 상기 활성층(109)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 발광하게 된다.
상기 P형 질화갈륨층(110) 상에 투명한 금속계열의 TM층(TM: Transparent Metal)을 형성하여 상기 활성층(109)에서 발생하는 광을 투과시켜 외부로 발광하게 된다.
상기 TM(TM: Transparent Metal) 층을 형성한 다음, P형 전극을 형성하여 발광 다이오드를 완성하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 발광량을 증가시켜 휘도를 향상시키면, 다이오드의 신뢰성이 떨어지는데, 신뢰성을 향상시키려 하면 발광 다이오드의 광 휘도가 감소하는 문제가 있다.
특히, 최근에는 전광판, 핸드폰에 실장되어 사용하기 때문에 고 신뢰성이 요구되는데, 신뢰성을 향상시키기 위해서는 발광 다이오드에 형성된 각층의 결정성을 향상시켜야 하는데 이것은 한계가 있다.
또한, 발광 다이오드는 다른 전자 부품들과 함께 실장하는 경우가 많기 때문에 외부 정전기로부터 소자가 손상될 위험이 크다.
본 발명은, 발광 다이오드의 질화 갈륨층과 활성층 사이에 InGaN 다중층을 각각 저온과 고온으로 성장시킴으로써, 정전기로부터 소자를 보호할 수 있고, 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 방법은,
사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 질화갈륨층 상에 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 n형 질화갈륨층 상에 정전기 보호를 위한 다중층을 형성하는 단계;
상기 다중층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 p형 질화갈륨층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다중층은 InGaN/InGaN으로된 다중층이고, 상기 다중층은 고온 상태와 저온 상태에서 각각 형성하는 다중층이며, 상기 다중층은 TNGa, TMIn, 암모니아, 질소를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 다중층에서 고온 상태의 온도는 900℃에서 형성되며, 상기 다중층에서 저온 상태의 온도는 800℃에서 형성되고, 상기 다중층에서 고온 상태에서 형성되는 층의 두께는 1~3000Å이며, 상기 다중층에서 저온 상태에서 형성되는 층의 두께는 1~3000Å인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는,
발광 다이오드에 있어서,
상기 기판 상의 형성된 질화 갈륨층과 활성층 사이에 정전기 보호를 위한 다중층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다중층은 InGaN/InGaN으로 형성되고, 상기 다중층 표면에는 다수개의 홀이 형성되어 있으며, 상기 다중층 상에 형성된 홀은 50개 이하이고, 상기 다중층의 각각의 두께는 1~3000Å 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드의 질화 갈륨층과 활성층 사이에 InGaN 다중층을 각각 저온과 고온으로 성장시킴으로써, 항복 전압 특성을 개선시킨 이점이 있다.
아울러, 발광 다이오드를 외부 정전기로부터 소자를 보호할 수 있도록 하였다.
그리고 발광 다이오드의 광효율 특성을 유지하면서 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 공정을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 사파이어(Al2O3) 기판(200) 상에 일정한 온도 상태(약 500~600℃)하에서 In(x)Ga(1-x)N 조성을 갖는 버퍼 층(GaN buffer layer: 201)을 형성하고, 상기 버퍼층(201) 상에 저속 성장 질화갈륨층(203)을 계속하여 형성한다.
상기 저속 성장 질화갈륨층(203)은 상기 버퍼층(201)의 결함들이 상기 저속 성장 질화갈륨층(203) 이후에 형성될 도핑되지 않은(Un-Doped) GaN층(205)으로 형성되며, 인접한 질화층에 결함이 전파되는 것을 방지하기 위해 형성한다.
상기 저속 성장 질화갈륨층(203)이 형성되면, 불순물을 첨가하지 않은(Un Doped) GaN 층(205)을 일정한 온도(약 1000~1100℃ 상태)에서 성장시키고 계속해서, N으로 도핑된 N-GaN층(207)을 연속하여 형성한다.
상기와 같이 사파이어 기판(200) 상에 N-GaN층(207)이 형성되면, 활성층(211)을 형성하지 않고, 정전기에 의한 소자 보호 및 동작 신뢰성을 향상시키기 위해서 InGaN/InGaN 다중층(209: 209a, 209b)을 형성한다.
상기 InGaN/InGaN 다중층(209)은 TMGa, TMIn의 알킬계 소스(Alkyl source)와 암모니아(NH3), 질소(N2)로 이루어지는 수소화물(hydride gas)로 성장한다.
상기 TMGa의 양은 50~500㎛(mol), TMIn의 양은 25~50㎛(mol), NH3, N2의 양은 1~100liter를 사용하여 다중층(209)을 형성한다.
그리고 상기 InGaN/InGaN 다중층(209)은 고온 상태와 저온 상태에서 연속하여 두 개의 층으로 형성되는데, 첫 번째 InGaN층(209a)은 약 900℃ 상태에서 1~3000Å의 두께로 성장을 되고, 두 번째 InGaN층(209b)은 약 900℃이하의 온도(약800℃)에서 1~3000Å의 두께로 성장한다.
이때, 상기 InGaN/InGaN 다중층(209)을 형성할 때, 수소(H2)를 제거 한 상태에서 성장하여 다중층(209)에 수소가 첨가되지 않도록 한다.
상기 InGaN/InGaN 다중층(209)이 서로 다른 온도 조건에서 성장되기 때문에 인듐과 갈륨 비율이 서로 다른 다중층(209)이 형성되는 특징을 갖는다.
이와 같은 InGaN/InGaN 다중층(209)은 표면이 육각홀(Hexagonal PIT)들이 형성되기 때문에 정전기에 의한 내력이 강하게 된다. 상기 육각홀의 개수는 상기 InGaN/InGaN 다중층(209) 표면 상에 50개 이하로 한다.
즉, 상기 InGaN/InGaN 다중층(209) 상에 형성되는 육각홀들은 발광 다이오드에 정전기에 의한 역전압이 가해질 때에(순방향 전압이 가해질 때는 다이오드 특성상 도통된다) 1차적으로 전류 소진이 이루어지는 역할을 하기 때문에 고전류, 고전압에 약한 활성층(211)을 보호하게 된다.
또한, 전류가 소멸되거나, 상기 육각홀들이 전류가 흐를 수 있는 샛길을 제공하게 되어 활성층(211)을 통과하지 않고 흐를 수 있게 된다.
따라서, 외부에 인가되는 고전압(정전기)에 의한 소자 보호를 할 수 있게 된다.
상기와 같이 InGaN/InGaN 다중층(209)이 기판(200) 상에 형성되면, 계속해서 다중양자 우물구조를 갖는 InGaN/GaN의 구조를 갖는 활성층(211)을 열을 가하여(약 600~800℃) 성장시킨다.
상기 활성층(211)이 형성되면 Mg 성분의 불순물로 도핑된 PGaN층(220)을 성장시켜 발광 다이오드를 완성한다.
도 3은 종래 기술에 따른 N-GaN층과 개선된 본 발명의 다중층을 비교하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 N-GaN층 표면에는 홀이 형성되어 있지 않지만, 본 발명의 InGaN/InGaN 다중층 상에는 다수개의 육각홀이 형성되어 있음을 볼 수 있다.
상기 InGaN/InGaN 다중층 상에 형성된 홀들은 발광 다이오드에 인가되는 전류를 소멸시키거나, 활성층을 통과하지 않고 전류가 흐를 수 있는 길 역할을 하기 때문에 외부에서 인가되는 정전기에 의하여 활성층이 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.
이하 표 1에서는 종래 LED와 본 발명의 LED의 정전기에 대한 내력을 비교한 것이다.
기존 LED 본 발명의 LED
1 -100 -2500
2 -100 -3000
3 -400 -4000
4 -300 -5000
5 -200 -5000
이와 같이 본 발명의 LED의 항복 전압이 크기 때문에 외부에서 인가되는 정전기에 의한 소자 보호에 유리함을 볼 수 있다.
상기 InGaN/InGaN 다중층을 고온과 저온에서 순차적으로 형성함으로써, 종래의 제조 공정을 그대로 사용하면서, LED의 동작 신뢰성과 정전기 방지를 할 수 있게 된다.
특히, 상기 InGaN/InGaN 다중층 포토루미넌스(Photoluminescence: PL) 특성은 옐로우 밴드(Yellow band)와 N-GaN에서의 포토루미넌스 세기 비율은 0.4이하로 함으로써, 동작 신뢰성을 향상시켰다.
따라서, 종래의 LED 광효율을 그대로 유지하면서, 정전기 내력, 동작 신뢰성을 개선할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드의 질화 갈륨층과 활성층 사이에 InGaN층을 각각 저온과 고온으로 성장시킴으로써, 항복 전압 특성을 개선시켜 정전기로부터 소자를 보호할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 종래의 광효율을 유지하면서 발광 다이오드의 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있는 이점이 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 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 공정을 도시한 단면도.
도 3은 종래 기술에 따른 N-GaN층과 개선된 본 발명의 다중층을 비교하기 위한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200: 사파이어 기판 201: 버퍼층(buffer)
203: 저속 성장 질화갈륨층 205: 도핑되지 않은 GaN층
207: N-GaN층 209: InGaN/InGaN 다중층
211: 활성층 220: P-GaN층

Claims (14)

  1. 사파이어 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 질화갈륨층 상에 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 n형 질화갈륨층 상에 다중층을 형성하는 단계;
    상기 다중층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 p형 질화갈륨층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중층은 InGaN/InGaN으로된 다중층 인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중층은 고온 상태와 저온 상태에서 각각 형성하는 다중층 인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중층은 TNGa, TMIn, 암모니아, 질소를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중층에서 고온 상태의 온도는 900℃에서 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중층에서 저온 상태의 온도는 800℃에서 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중층에서 고온 상태에서 형성되는 층의 두께는 1~3000Å인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중층에서 저온 상태에서 형성되는 층의 두께는 1~3000Å인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  9. 발광 다이오드에 있어서,
    상기 기판 상의 형성된 질화 갈륨층과 활성층 사이에 정전기 보호를 위한 다중층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중층은 InGaN/InGaN으로 형성된 것을 특징으로 발광 다이오드.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중층 표면에는 다수개의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다중층 상에 형성된 홀은 50개 이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중층의 각각의 두께는 1~3000Å 인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중층의 포토루미넌스 특성은 옐로우 밴드(Yellow band)와 N-GaN에서의 포토루미넌스 세기 비율이 0.4이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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