KR20050105681A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 질화갈륨층을 요철 구조로 패터닝함으로써, 적층 형성되는 활성층의 면적을 증대하여 광효율을 향상시킨 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 제 1 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 제 1 질화갈륨층 상에 포토레지스트를 도포한 다음, 이를 노광 및 현상하여 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스트를 따라 상기 제 1 질화갈륨층을 식각하는 단계; 상기 제 1 질화갈륨층 상에 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 제 2 질화갈륨층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제 3 질화갈륨층을 형성하는 단계; 를 포함하는 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 활성층의 면적을 증가시켜 광효율을 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 ITO 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.
최근 들어서는 발광 다이오드의 광효율을 향상시키 위한 기술이 개발되고 있는데, 그 예로 활성층의 면적을 증가시켜 광량을 증가시키는 것이다.
하지만, 종래 기술과 같이 사파이어 기판 상에 적층 형성하는 LED의 경우에는 활성층의 면적을 증가시키는데는 한계가 있다.
또한, 상기 활성층의 면적을 증가시키기 위해서, 칩 사이즈를 크게 할 경우에는 웨이퍼당 제조되는 발광 다이오드의 개수가 감소하여 생산 수율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은, 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은,
기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 제 1 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 제 1 질화갈륨층 상에 포토레지스트를 도포한 다음, 이를 노광 및 현상하여 패터닝하는 단계;
상기 패터닝된 포토레지스트를 따라 상기 제 1 질화갈륨층을 식각하는 단계;
상기 제 1 질화갈륨층 상에 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계;
상기 제 2 질화갈륨층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 제 3 질화갈륨층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로한다.
여기서, 상기 제 1 질화갈륨층은 요철 형상으로 식각하고, 상기 제 2 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되며, 상기 활성층은 요철 형상으로 형성되고, 상기 제 3 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 질화갈륨층은 1~3㎛의 두께로 형성하고, 상기 제 2 질화갈륨층은 1~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는,
기판;
상기 기판 상에 순차적으로 적층 형성된 버퍼층, 저속 성장 질화갈륨층;
상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 제 1, 제 2 질화갈륨층;
상기 요철 구조를 갖는 제 2 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 활성층; 및
상기 요철형 활성층 상에 적층 형성된 요철형 제 3 질화갈륨층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상 시켰다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2h는 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) GaN 성분으로 형성되며, 인접한 질화층에 결함이 전파되는 것을 방지하기 위해 형성한다.
상기 저속 성장 질화갈륨층(203)이 형성되면, 계속해서 불순물(N)이 첨가된 GaN층(205)을 형성시킨다. 상기 GaN층(205)의 두께는 1㎛~3㎛ 정도의 두께를 갖도록 성장한다.
상기 GaN층(205)이 형성되면, 도 2d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(Photo Resist: 300)와 같은 감광성 물질을 도포하고, 이를 노광 및 식각하여 요철 형상으로 패터닝한다.
상기 포토레지스트(300)가 패터닝되면 이를 마스크로 사용하여 하부에 형성된 GaN층(205)을 식각하여 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 GaN층(205)의 표면이 요철 구조를 갖는 제 1 GaN층(205a)을 형성한다.
상기 제 1 GaN층(205a)의 구조는 요철 형상으로 식각되지만, 식각될 때, 하부에 성장된 저속 성장 질화갈륨층(203)이 오픈되지 않도록 한다.
즉, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면은 요철 구조를 갖지만, 함몰된 홈 영역에서는 하부 저속 성장 질화갈륨층(203)의 표면이 노출되지 않는다.
그런 다음, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 GaN층(205a) 상에 계속하여 제 2 GaN층(205b)을 성장 형성하는데, 상기 제 2 GaN층(205b)의 두께는 상기 제 2 GaN층(205a)의 두께 보다 약간 얇은 1~2㎛의 두께로 성장 형성한다.
상기 제 2 GaN층(205b)이 상기 제 1 GaN층(205a)상에 성장될 때, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 구조를 따라 성장되므로, 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면도 요철 형상을 갖게 된다.
상기 제 1 GaN층(205a) 상에 곧바로 활성층(207)을 형성하지 않고, 상기 제 2 GaN층(205b)을 성장함으로써, 상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 요철 형상에 의한 결점(defect)들이 상기 활성층(207)에 전달되지 않도록 하였다.
따라서, 상기 활성층(207)의 면적 증대로 광효율을 증대시키면서도 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기와 같이 제 2 GaN층(205b)이 성장되면, 도 2g에 도시된 바와 같이, 활성층(207)을 성장 형성한다. 상기 활성층(207)은 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면 요철 구조를 따라 성장하기 때문에 표면이 요철 구조를 갖는 층으로 성장되어, 전체적으로 표면적이 증가된다.
상기 활성층(207)이 형성되면, 도 2h에 도시된 바와 같이, Mg 성분의 불순물로 도핑된 P-GaN층(209)을 성장시켜 발광 다이오드를 완성한다.
이때, 상기 P-GaN층(209)의 표면 구조도 요철 구조를 갖는 활성층(207)을 따라 형성되기 때문에 요철 구조로 되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 요철 영역을 확대한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(200) 상에 버퍼층(201)이 성장되어 있고, 상기 버퍼층(201) 상에 도핑되지 않은 저속 성장 질화갈륨층(203)이 성장되어 있다.
상기 질화갈륨층(203) 상에는 제 1 GaN층(205a)이 요철 구조로 형성되어 있고, 상기 제 1 GaN층(205a) 상에는 제 2 GaN층(205b)이 형성되어 있다.
상기 제 1 GaN층(205a)의 표면 구조가 요철 구조로 되어 있기 때문에, 이후에 적층 형성되는 층들이 모두 요철 구조로 형성되게 된다.
따라서, 상기 제 2 GaN층(205b)의 표면이 요철 구조를 갖고, 상기 제 2 GaN층(205b) 상에 형성되는 활성층(207)과 P-GaN층(209)이 모두 요철 구조를 갖게된다.
따라서, 상기 활성층(207)의 면적이 증가되어 발생하는 광량이 증가한다.
상기 활성층(207) 상에 형성되는 P-GaN층(209)의 구조도 요철 구조로 되어 있기 때문에 보다 많은 광을 외부로 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 활성층 하부에 형성되어 있는 GaN층을 요철 구조로 형성함으로써, 이후 형성되는 활성층, P-GaN층을 요철 구조로 만들어 광효율을 향상시킨 이점이 있다.
또한, 하나의 칩 크기에 해당하는 사파이어 기판의 크기는 종래와 같은 크기를 유지하므로, 하나의 웨이퍼에서 생산되는 발광 다이오드의 수는 동일하여 생산량은 감소되지 않는다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드의 활성층 면적을 증가시키기 위해서 상기 활성층 하부에 형성하는 GaN층을 요철 형태로 식각하고, 식각된 GaN층 상에 활성층을 성장시킴으로써, 표면적이 증가된 요철 형상의 활성층을 형성하여 광효율을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 요철 구조를 갖는 활성층 하부에 GaN층을 이중층으로 형성함으로써, 활성층에 결함이 전이되는 것을 방지하여 소자 신뢰도를 향상시킬 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 2h는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 공정을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 요철 영역을 확대한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200: 사파이어 기판 201: 버퍼층
203: 저속 성장 질화갈륨층 205a: 제 1 GaN층
205b: 제 2 GaN층 207: 활성층
209: P-GaN층 300: 포토레지스트(PR)

Claims (11)

  1. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 저속 성장 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 제 1 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 질화갈륨층 상에 포토레지스트를 도포한 다음, 이를 노광 및 현상하여 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 포토레지스트를 따라 상기 제 1 질화갈륨층을 식각하는 단계;
    상기 제 1 질화갈륨층 상에 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 질화갈륨층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제 3 질화갈륨층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로하는 발광 다이오드 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층은 요철 형상으로 식각하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 요철 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 질화갈륨층은 요철 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층은 1~3㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 질화갈륨층은 1~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 순차적으로 적층 형성된 버퍼층, 저속 성장 질화갈륨층;
    상기 저속 성장 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 제 1, 제 2 질화갈륨층;
    상기 요철 구조를 갖는 제 2 질화갈륨층 상에 적층 형성된 요철형 활성층; 및
    상기 요철형 활성층 상에 적층 형성된 요철형 제 3 질화갈륨층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층의 두께는 1~3㎛인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 질화갈륨층의 두께는 1~2㎛인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 요철형 활성층의 표면 면적의 증대로 발광량이 증가한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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