KR20060027133A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성층의 양자점(quantum dot)의 밀도를 높임으로써, 활성층의 격자 결함을 방지하고 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 기판 상에 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 포토 공정을 진행하여 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 마스크 패턴을 따라 식각하여 소정의 경사각을 갖는 요철 구조를 형성하는 단계; 상기 요철 구조로 형성된 제 1 질화물 반도체층 위에 다수의 양자점이 형성된 소정의 경사각을 갖는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

발광 다이오드, 양자, 우물, 활성층, 경사

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING LED}

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자의 구조 및 제조 공정을 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 활성층을 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 사파이어 기판 106: 양자점(quantum dot)

111: 버퍼층 113: 도핑되지 않은 GaN층

114: N형 GaN 층 115: 활성층

116: P형 AlGaN(Mg)층 117: P형 GaN층

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 활성층의 격자 결함을 방지하고 발광 효율을 향상시킬 수 있는 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 재결합한다.

이때, 전자와 정공의 결합에 의하여 에너지 준위가 떨어지게 되는데 이 에너지 준위가 빛으로 방출되는 것이다.

또한, LED는 보편적으로 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.

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자의 구조 및 제조 공정을 설명하기 위한 도면.

도 1에 도시된 바와 같이, Al₂O₃ 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(10) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 1)을 형성한다. 그런 다음, 상기 버퍼층(1) 상에 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(3)을 연속적으로 성장시켜 형성한다.

상기에서와 같이, 상기 사파이어 기판(10) 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.

상기 도핑되지 않은(Undoped) GaN층(3) 상에는 N형 GaN 층(5)을 형성하는데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si₂H₆)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.

상기 N형 질화갈륨층(GaN: 5)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(5) 상에 활성층(7)을 성장시킨다. 상기 활성층(7)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다. 상기 활성층(7)이 성장되면 계속해서 P형 AlGaN(Mg)층(9)을 형성한다. 여기서 상기 P형 AlGaN(Mg)층(7)에는 Mg 계열의 2족 원소를 사용한다.

상기 P형 AlGaN(Mg)층(7)은 상기 N형 질화갈륨층(5)과 대조되는 것으로 상기 N형 질화갈륨층(5)은 외부로부터 인가되는 전압에 의하여 전자들을 상기 활성층(7)에 공급한다.

그리고 상대적으로 상기 P형 AlGaN(Mg)층(9)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들을 상기 활성층(7)에 공급함으로써, 상기 활성층(7)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 광을 발생시키도록 한다.

그리고 상기 P형 AlGaN(Mg)층(9) 상에 이후 형성될 P형 전극(미도시)과의 전기적 콘택을 위하여 P형 GaN으로된 콘택층(미도시)을 성장시킨다.

그리고 N형 전극(미도시)과 Un-GaN층(3)과의 전기적 콘택을 위하여 상기 콘택층, P형 AlGaN(Mg)층(9), 활성층(7), N형 GaN층(5)의 영역을 일부 식각하여 상기 Un-GaN층(3)이 노출되도록 한다.

그런 다음 노출된 상기 Un-GaN층(3) 상에 N형 전극을 형성하고, 상기 콘택층 상에 P형 전극을 형성한다.

그러나, 종래 기술과 같은 발광 다이오드는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판과 GaN 사이에 격자 부정합(lattice mismatch)이 존재하기 때문에 결정 성장된 N형 또는 P형 결정 속에 다량의 결정 결함(면 결함, 점 결함, 선 결함)이 존재한다.

둘째, P형 질화갈륨층에 도핑되는 Mg는 암모니아의 H 가스와 결합하여 전기적으로 절연 특성을 보이는 Mg-H 결합체를 형성한다.

이와 같은, Mg-H 결합체의 형성으로 정공 농도를 높이기 위하여 Mg를 도핑시켜도 정공 농도를 높이기 어려워 광효율을 향상시키는데 한계가 있다.

본 발명은, 활성층을 성장시킬 때 양자점의 밀도를 높임으로써, 질화갈륨층에서 발생하는 격자 결함을 차단하여 양질의 활성층을 형성하고, 이로 인하여 광효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

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

기판 상에 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 제 1 질화물 반도체층 위에 포토 공정을 진행하여 마스크 패턴을 형성하는 단계;

상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 마스크 패턴을 따라 식각하여 소정의 경사각을 갖는 요철 구조를 형성하는 단계;

상기 요철 구조로 형성된 제 1 질화물 반도체층 위에 다수의 양자점이 형성된 소정의 경사각을 갖는 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 상에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및

상기 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 활성층 상에 형성된 요철 구조의 경사면에는 평면보다 높은 밀도의 양자점이 형성되고, 상기 마스크 패턴은 산화 알루미늄으로 형성하며, 상기 제 1 질화물 반도체층을 식각하여 형성된 소정의 경사각을 갖는 요철구조는 식각율의 차이에 따라 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 발광 다이오드는,

표면이 소정의 경사각을 갖는 요철 구조로된 제 1 질화물 반도체층;

상기 제 1 질화물 반도체층 위에 소정의 경사각을 갖는 요철 구조로 형성된 활성층;

상기 활성층 위에 형성된 다수의 양자점; 및

상기 활성층 위에 형성된 제 2 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 활성층의 경사면에는 평면보다 높은 밀도의 양자점들이 형성되어 있고, 상기 양자점들은 질화물 반도체층으로부터 전달되는 결함이 이후 형성되는 반도체층에 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 양자점들은 상기 활성층 내에서의 전계 영향을 최소화하여 광효율을 향상시키고, 상기 제 2 질화물 반도체층 위에는 제 3 질화물 반도체층이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 활성층을 성장시킬 때 양자점의 밀도를 높임으로써, 질화갈륨층에서 발생하는 격자 결함을 차단하여 양질의 활성층을 형성하고, 이로 인하여 광효율을 향상시켰다.

먼저, 본 발명에서 양자점 밀도를 높여 궁극적으로는 광효율을 향상시키고자 하기 때문에 양자점이 성장된 질화물 반도체에서 어떠한 작용을 하는지 검토하고, 이를 토대로 본 발명을 설명한다.

일반적으로 광소자에서 부정적으로 작용하는 전위, 결함, 그리고 결정 내에 형성되는 전자장에도 불구하고 질화물 반도체 재료가 고출력 광소자로써 크게 부각되고 있는 것은 활성층으로 사용되는 InGaN와 GaN 에피층에서 형성되는 양자점(quantum dot)이 크게 작용하는 것으로 알려졌다.

상기 활성층에 형성되는 양자점은 InGaN 중에서 In이 뭉쳐서 생긴 것으로서, 이와 같은 양자점들은 결정 내에서 형성되는 전위(dislocation)나 전기장의 영향을 크게 줄일 수 있다.

따라서, 활성층에 형성되는 양자점을 컨트롤함으로써 광효율을 향상시키고, 활성층에 결함 발생을 방지하여야 한다.

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

도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, Al₂O₃ 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 111)과, 상기 버퍼층(111) 상에 형성된 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(113)과, 상기 도핑되지 않은(Undoped) GaN층(113) 상에는 소정의 경사를 갖도록 형성된 N형 GaN 층(114)과, 상기 N형 질화갈륨층(GaN: 114)의 경사를 따라 소정의 경사 각도를 갖도록 형성된 활성층(115)과, 상기 활성층(115) 상에 형성된 P형 AlGaN(Mg)층(116)과, 상기 P형 AlGaN(Mg)층(116) 상에 형성된 P형 GaN층(117)으로 구성된다.

도면에는 도시하지 않았지만, 상기 P형 GaN층(117) 상에 제 2의 N형 GaN층을 더 형성할 수 있다.

또한, 상기 P형 GaN층(117)과 전기적으로 연결되는 제 2 전극과 상기 Un-GaN층(113)과 전기적으로 연결되는 전극을 형성하여 발광 다이오드를 완성한다.

상기 활성층(115) 표면 상에는 경사면을 따라 많은 양자점(106)이 형성되어 있다.

상기 활성층(115)을 성장할 때, 상기 양자점(106)은 평면 영역보다 경사면 영역에서 많이 형성되는 특성을 이용하여 종래 기술에서보다 많은 밀도의 양자점(106)들을 형성하였다.

상기의 활성층(115)에 형성된 높은 밀도의 양자점(106)들은 상기 사파이어 기판(100)과 질화갈륨층의 격자 부정합에 의한 결함이 활성층(115), P형 질화갈륨층들에 전달되는 것을 방지하여, 결함 또는 전위와 같은 불량 반도체층 형성을 방지할 수 있다.

또한, 상기 양자점(106)은 운반자(전자와홀)들을 강하게 국소화(lateral confinement 혹은 localization) 시켜서, 전위나 전자의 영향을 크게 줄일 수 있다.

이와 같이, 상기 활성층(115) 상에 형성되는 많은 수의 양자점(106)에 의해서 상기 활성층(115)의 특성을 향상시켜 광효율을 향상시킨 이점이 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 활성층을 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, Al₂O₃ 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer: 111)을 형성한다.

그런 다음, 상기 버퍼층(111) 상에 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층(113)을 연속적으로 성장시켜 형성한다.

상기 도핑되지 않은(Undoped) GaN층(113) 상에는 N형 GaN 층(114)을 형성하는데, 이를 형성하기 위해서는 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si₂H₆)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.

상기 N형 질화갈륨층(GaN: 114)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(114) 상에 알루미늄 산화(aluminum oxide)를 증착하고, 이를 포토 공정에 따라 패턴닝하여 알루미늄 산화 마스크 패턴(200)을 형성한다.

그런 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 마스크 패턴(200)을 따라 식각 공정을 진행하여, 상기 N형 질화갈륨층(114)을 요철 형태로 식각한다.

상기 N형 질화갈륨층(114)의 요철 구조는 식각되는 중심 영역의 식각율과 인접한 식각 영역의 식각율을 다르게 조절하여, 요철 구조 내측이 소정의 경사각을 유지할 수 있도록 하였다.

상기 N형 질화갈륨층(114)이 소정의 경사각을 갖는 요철 구조로 식각되면, 도 3c에 도시된 바와 같이, 계속해서 상기 마스크 패턴(200)을 제거한 다음, 활성층(115)을 성장시킨다.

상기 활성층(115)은 상기 N형 질화갈륨층(114)의 요철 구조를 따라 성장하기 때문에 소정의 각도를 갖는 요철 구조롤 형성된다.

이때, 상기 활성층(115)이 상기 N형 질화갈륨층(114)을 따라 성장될 때, 경사면 상에 형성되는 활성층(115)에는 다른 면보다 훨씬 많은 수의 양자점(106)이 형성된다.

이것은 상기 N형 질화갈륨층(114)에 형성하는 요철 구조의 경사각을 조절함으로써, 상기 양자점(106)의 밀도를 다양하게 조절할 수 있다.

상기 활성층(115)이 형성되면, 계속해서 P형 AlGaN(Mg)층(116)을 형성한다.

여기서 상기 P형 AlGaN(Mg)층(116)에는 Mg 계열의 2족 원소를 사용한다.

그리고 상기 P형 AlGaN(Mg)층(116) 상에 이후 형성될 제 2 전극과의 전기적 콘택을 위하여 P형 GaN층(117)을 성장시키고, 제 1 전극과 Un-GaN층(113)과의 전기적 콘택을 위하여 상기 P형 GaN층(117), P형 AlGaN(Mg)층(116), 활성층(115), N형 GaN층(114)의 영역을 일부 식각하여 상기 Un-GaN층(113)이 노출되도록 한다.

여기서, 상기 P형 GaN층(117) 상에는 제 2의 N형 GaN층을 더 성장시킬 수 있다.

그런 다음 노출된 상기 Un-GaN층(113) 상에 제 1 전극을 형성하고, 상기 P형 GaN층(117) 또는 제 2의 N형 GaN층 상에 제 2 전극을 형성한다.(미도시)

따라서, 본 발명에서는 활성층(115)의 구조를 소정의 경사각을 갖는 요철 구조를 형성함으로써, 양자점(106)의 밀도를 높여 광효율을 향상시켰다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 활성층을 성장시킬 때 양자점의 밀도를 높임으로써, 질화갈륨층에서 발생하는 격자 결함을 차단하여 양질의 활성층을 형성하고, 이로 인하여 광효율을 향상시킨 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.

Claims (9)

1. 기판 상에 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 제 1 질화물 반도체층 위에 포토 공정을 진행하여 마스크 패턴을 형성하는 단계;

   상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 마스크 패턴을 따라 식각하여 소정의 경사각을 갖는 요철 구조를 형성하는 단계;

   상기 요철 구조로 형성된 제 1 질화물 반도체층 위에 다수의 양자점이 형성된 소정의 경사각을 갖는 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 상에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및

   상기 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층 상에 형성된 요철 구조의 경사면에는 평면보다 높은 밀도의 양자점이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 마스크 패턴은 산화 알루미늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 질화물 반도체층을 식각하여 형성된 소정의 경사각을 갖는 요철구조는 식각율의 차이에 따라 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
5. 표면이 소정의 경사각을 갖는 요철 구조로된 제 1 질화물 반도체층;

   상기 제 1 질화물 반도체층 위에 소정의 경사각을 갖는 요철 구조로 형성된 활성층;

   상기 활성층 위에 형성된 다수의 양자점; 및

   상기 활성층 위에 형성된 제 2 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 활성층의 경사면에는 평면보다 높은 밀도의 양자점들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 양자점들은 질화물 반도체층으로부터 전달되는 결함이 이후 형성되는 반도체층에 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 양자점들은 상기 활성층 내에서의 전계 영향을 최소화하여 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 2 질화물 반도체층 위에는 제 3 질화물 반도체층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.

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