KR20060100638A - 발광 다이오드 장치 제조 방법 - Google Patents

발광 다이오드 장치 제조 방법 Download PDF

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KR20060100638A
KR20060100638A KR1020050022330A KR20050022330A KR20060100638A KR 20060100638 A KR20060100638 A KR 20060100638A KR 1020050022330 A KR1020050022330 A KR 1020050022330A KR 20050022330 A KR20050022330 A KR 20050022330A KR 20060100638 A KR20060100638 A KR 20060100638A
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강상규
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주식회사 비첼
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    • F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 발광 다이오드 장치는 기판위에 형성되며 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 전자 장벽층과 이격되어 형성되며 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층과, 전자 장벽층 및 홀 장벽층 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 구비하고, 다중 양자 우물 발광층은 순차적으로 적층된 제 1우물벽, 제 1양자 우물층(녹색 발광), 제 2우물벽, 제 2양자 우물층(청색 발광), 제 3우물벽을 포함한다. 그러므로 본 발명은 수직으로 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 갖는 하나의 발광 다이오드 칩을 구성함으로써 하나의 발광 다이오드 칩을 통해서 새로운 혼합 빛을 발광하거나 백색 빛을 구현할 수 있다.
발광 다이오드 장치, 다중 양자 우물 발광층, 청색, 녹색, 적색

Description

발광 다이오드 장치 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREFOR}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 구조를 나타낸 수직 단면도,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 구조를 나타낸 수직 단면도,
도 4a 및 도 4b는 도 3의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 발광 다이오드 장치의 다수개 양자 우물층을 통해 전자 및 홀이 이동하는 것을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 구조를 나타내는 수직 단면도,
도 7a 및 도 7b는 도 6의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면,
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2 : 다중 양자 우물 발광층 20 : 기판
22 : 버퍼층 24 : 전자 장벽층
26 : 제 1우물벽 28 : 녹색 양자 우물층
30 : 제 2우물벽 32 : 청색 양자 우물층
34 : 제 3우물벽 36 : 홀 장벽층
본 발명은 발광 다이오드 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 수직으로 2개 이상의 발광 다이오드 광원을 하나의 기판 안에 집적할 수 있는 발광 다이오드 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 화합물 반도체를 이용한 광소자에 대한 연구는 가정용 형광등, LCD(Liquid Crystal Display) 백 라이트 등의 조명 분야에 많은 시장성을 가지고 있는 백색 발광 장치에 주로 관심이 모아지고 있다.
백색 발광 장치를 구현하는 기본적 원리는 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색의 빛들을 섞어서 백색을 구현하는 것인데, 실제적으로 소형의 단일 백색 발광장치를 구현하는 것은 사실상 많은 비용을 소요된다.
백색 발광 장치를 구현하는 대표적인 방법으로는, 황색의 형광 물질을 청색 발광 다이오드 칩으로 여기시켜 두 색의 배합으로 백색을 내는 방법이 있다. 이 방법은 서로 보색 관계인 황색과 청색을 배합하여 백색을 구현하므로 황색의 형광물질을 청색 빛으로 여기시켜 배합하여야 하는데, 황색 형광물질의 수명이 청색 발광 다이오드 칩에 비해서 약 1/20 밖에 되지 않기 때문에, 반영구적인 수명을 가진 발광 다이오드의 장점을 살릴 수가 없다는 단점이 있다.
그리고 백색 발광 장치를 구현하는 다른 방법으로는 자외선 발광 다이오드 칩을 사용하여 적색, 녹색, 청색 빛을 내는 세 가지의 형광 물질을 동시에 사용하는 방법이 있다. 좀더 밝은 백색 발광 장치를 만들기 위해서 황색 형광물질 여기용 칩과 청색 자외선 발광 다이오드 칩 2개를 사용하는 방법이 있다. 이를 변경한 다른 방법으로는 적색 형광 물질을 사용하고, 청색 자외선 발광 다이오드 칩과 녹색 자외선 발광 다이오드 칩을 사용하는 경우인데, 이 방식은 형광 물질의 효율이 같다는 전제 하에서 청색 칩 2개보다 좀더 밝은 백색을 구현할 수 있다. 하지만 이러한 자외선 발광 다이오드 칩을 이용한 방법들 또한 형광 물질을 사용한다는 점에서 여기용 칩으로 사용하고 있는 자외선 발광 다이오드 소자의 장점을 살리지 못하여 이런 소자들의 긴 수명과 높은 신뢰성을 최대로 살리지 못하는 단점이 있다.
백색 발광 장치를 구현하는 또 다른 방법으로는 형광 물질을 사용하지 않고 적색, 녹색, 청색의 세 가지 빛을 내는 발광 다이오드 소자를 사용하여 색 섞임으로 백색을 구현하는 방법이 있다. 이 경우 적색, 녹색, 청색의 세 개 이상의 빛을 내는 발광 다이오드들을 사용해야 하기 때문에 높은 소비전력과 하나의 패키지로 모듈화하는 데 어려움이 있다.
그러므로 백색 발광 장치를 구현함에 있어서, 형광 물질을 사용하지 않으면서도 높은 소비전력을 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, 발광 다이오드의 장점인 반영구적인 수명을 살릴 수 있는 기술이 연구, 개발되어야 한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 수직으로 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 갖는 하나의 발광 다이오드 칩을 구성함으로써 하나의 발광 다이오드 칩을 통해서 새로운 혼합 빛을 낼 수 있는 발광 다이오드 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 갖는 하나의 발광 다이오드와 이와 보색 관계의 빛이 발광되는 다른 발광 다이오드를 서로 융합함으로써 하나의 발광 다이오드 칩을 통해서 백색 빛을 구현할 수 있는 발광 다이오드 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광 다이오드 장치에 있어서, 기판위에 형성되며 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 전자 장벽층과 이격되어 형성되며 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층과, 전자 장벽층 및 홀 장벽층 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 포함하여 이루어진다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 장치는 발광 다이오드 장치에 있어서, 기판위에 형성되며 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 전자 장벽층과 이격되어 형성되며 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층과, 전자 장벽층 및 홀 장벽층 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되도록 단원광 빛을 발광하는 양자 우물층을 다수개 구비하는 다중 양자 우물 발광층을 포함하여 이루어진다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제조 방법은 발광 다이오드 장치의 제조 방법에 있어서, 기판위에 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층, 및 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층을 포함한 제 1발광 다이오드 장치를 형성하는 단계와, N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 혼합된 빛에 대해 보색의 빛을 발광하는 양자 우물 발광층, P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층을 포함한 제 2발광 다이오드 장치를 형성하는 단계와, 제 1발광 다이오드와 상기 제 2발광 다이오드를 서로 융합하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 장치는 청색과 녹색 빛을 혼합하기 위한 발광 다이오드로서, 사파이어(Al2O3) 등의 기판(20)위에 1㎛~2㎛ 두께의 버퍼층(22)이 형성되어 있으며 그 위에 3㎛~5㎛ 두께의 전자 장벽층(24)이 형성되어 있으며 이와 이격되게 2㎛~3㎛ 두께의 홀 장벽층(36)이 형성되어 있다. 여기서, 버퍼층(22)은 GaN 또는 AlN 등으로 이루어지며, 전자 장벽층(24)은 N형 GaN 박막으로 구성되며, 홀 장벽층(36)은 P형 GaN 박막으로 구성된다.
그리고 전자 장벽층(24) 및 홀 장벽층(36) 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합된 다중 양자 우물 발광층(2)이 삽입되어 있다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치에 있어서 다중 양자 우물 발광층(2)은 에너지 밴드갭(band gap)이 낮은 InxGa1-xN을 발광층(28, 32)으로 형성하며 다중 양자 우물 발광층간에는 상대적으로 에너지 밴드 갭이 높은 GaN 또는 AlGaN을 우물벽(well barrier)(26, 30, 34)으로 이용한 양자 우물 구조(quantum well structure)로 구성하여 양자 우물에 전자(electron)와 홀(hole)을 효과적으로 가두어 두 양자의 결합 효율을 높이고자 한다.
이에 본 실시예에서 다중 양자 우물 발광층(2)은 전자 장벽층(24) 위에 순차적으로 적층된 제 1우물벽(26), 녹색 양자 우물층(28), 제 2우물벽(30), 청색 양자 우물층(32), 제 3우물벽(34)을 포함한다. 여기서, 녹색 양자 우물층(28) 및 청색 양자 우물층(32)을 구성하는 InxGa1-xN의 인듐 조성비가 x=0.1~0.2일 경우 청색이 발광되고 x=0.3~0.5일 경우 녹색이 발광하므로 InxGa1-xN의 인듐 조성비를 조정하여 상기 녹색 또는 청색 빛을 발광한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에서는 사파이어 기판에 질화물계 박막으로 이루어지며 청색 및 녹색 빛을 내는 다중 양자 우물 발광층(2)을 집적함으로써 수직으로 구성된 발광층(2)을 통해 청색과 녹색 빛이 서로 섞인 혼합된 빛이 발광된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면이다. 도 2a는 다중 양자 우물 발광층의 우물벽을 GaN로 사용했을 때의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 것이고, 도 2b는 우물벽을 AlGaN으로 사용했을 때의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 것이다.
본 발명의 발광 다이오드 장치에서 다중 양자 우물 발광층은 빛이 빠져나오게 홀 장벽층(P-GaN) 표면을 기준으로 하여 에너지 밴드갭이 큰, 즉 파장 짧은 빛을 내는 청색 양자 우물층(b)을, 에너지 밴드갭이 작은, 즉 파장이 좀더 긴 빛을 내는 녹색 양자 우물층(g)보다 윗쪽에 있도록 배치한다. 즉, 빛이 위쪽으로 빠져나오는 빛의 단위 에너지(photon energy)가 큰 청색 양자 우물층을 녹색 양자 우물층보다 위쪽에 둔다.
이에 따라 청색 양자 우물층에 비해 아래쪽에 있는 녹색 양자 우물층에서 나온 빛의 단위 에너지가 작기 때문에 녹색 빛이 청색 양자 우물층에서 흡수되지 않고 위쪽 홀 장벽층(P-GaN)까지 고스란히 빠져나간다.
그리고 위쪽에 있는 청색 양자 우물층에서 빠져나온 빛은 녹색 양자 우물층으로 들어가게 된다. 그 이유는 녹색 양자 우물층을 이루고 있는 층들 가운데, 청 색보다 높은 에너지 밴드갭을 가진 우물벽에서는 전혀 빛의 흡수가 일어나지 않지만, 녹색 양자 우물층을 이루고 있는 곳에서는 청색 빛의 상대적으로 높은 에너지 준위 때문에 흡수가 일어난다. 그 결과, 아래쪽으로 빠져나간 청색 빛은 녹색 양자 우물층에서 흡수되어 청색과 녹색 빛이 섞인 새로운 혼합 빛을 만들어낸다.
본 발명에서 청색 및 녹색 양자 우물층 사이에 있는 우물벽의 두께를 100Å 보다 크게, 바람직하게는 100Å~1000Å의 두께로 하여 두 양자 우물층 사이에 있는 간섭이나 서로 간에 영향을 없애도록 한다. 그리고 상기 청색 및 녹색 양자 우물층의 넓이는 효율이나 장비의 특성을 고려하여 최적화된 값으로 정하며 양자 우물구조를 만드는 방향으로 전자와 홀들을 가두어 에너지 준위가 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어져 구분된 에너지 준위만이 생기도록 대략 10nm 미만에서 정한다.
한편, 본 발명은 발광 다이오드 장치의 다중 양자 우물 발광층 구조를 아래 실시예들과 같이 변경할 수 있다. 즉, 청색 및 녹색 양자 우물층을 적어도 2개 이상 적층하거나 이들 우물층을 교대로 적층해서 쌓을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치는 청색과 녹색 빛을 혼합하기 위한 발광 다이오드로서, 사파이어 등의 기판(40)위에 1㎛~2㎛ 두께의 GaN 또는 AlN 등의 버퍼층(42)이 형성되며 그 위에 3㎛~5㎛ 두께의 N형 GaN 박막의 전자 장벽층(44)이 형성되어 있다. 그리고 전자 장벽층(44)과 이격되게 2㎛~3㎛ 두께의 P형 GaN 박막의 홀 장벽층(64)이 형성되어 있다.
그리고 전자 장벽층(44) 및 홀 장벽층(64) 사이에 적어도 두 개 이상의 빛(예를 들어, 청색 및 녹색)이 혼합된 빛을 내는 다중 양자 우물 발광층(4)이 삽입되어 있는데, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 양자 우물 발광층(4)은 전자 장벽층(44) 위에 순차적으로 적층된 제 1우물벽(46), 제 1녹색 양자 우물층(48), 제 2우물벽(50), 제 2녹색 양자 우물층(52), 제 3우물벽(54), 제 1청색 양자 우물층(56), 제 4우물벽(60), 제 2청색 양자 우물층(62), 제 5우물벽(64)을 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2녹색 양자 우물층(48, 52)과 제 1 및 제 2청색 양자 우물층(56, 62)을 구성하는 InxGa1-xN의 인듐 조성비가 x=0.1~0.2일 경우 청색이 발광되고, x=0.3~0.5일 경우 녹색이 발광하므로 InxGa1-xN의 인듐 조성비를 조정하여 상기 녹색 또는 청색 빛을 발광한다.
본 발명의 다른 실시 예에 역시 사파이어 기판에 청색 및 녹색 빛을 내는 한쌍 이상의 양자 우물층을 순차 적층한 다중 양자 우물 발광층(4)을 집적함으로써 수직으로 구성된 발광층(4)을 통해 청색과 녹색 빛이 서로 섞인 혼합 빛이 발광된다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면이다. 도 4a는 다중 양자 우물 발광층의 우물벽을 GaN로 사용했을 때의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 것이고, 도 4b는 우물벽을 AlGaN으로 사용했을 때의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치는 청색 및 녹색 양자 우 물 발광층에서 나오는 혼합된 빛의 색감을 조절하기 위해서 각색의 양자 우물 발광층을 다수개로 구비하여 두 빛의 양을 조절한다.
이에 본 실시예에서는 두 쌍 이상의 양자 우물 구조(multi-quantum well)를 가지며 같은 색의 빛을 내는 양자 우물 발광층사이에 전자나 홀들이 정해진 원리에 따라 자유롭게 이동할 수 있도록 우물벽의 두께를 발광층 넓이 정도로 얇게(예를 들어, 20Å~50Å) 구성할 수도 있다. 이 경우가 도 5와 같은 초격자(superlattice) 구성이다. 이러한 초격자 구성의 다이오드 장치는 양자 우물 발광층 사이의 우물벽을 얇게 만들어 터널링(tunneling)에 의해서 전자(-)나 홀(+)들이 옆쪽 양자 우물 발광층으로 이동하여 청색과 녹색 빛이 서로 섞인 혼합 빛이 발광된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광 장치의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 장치는 청색과 녹색 빛을 혼합하기 위한 발광 다이오드로서, 사파이어 등의 기판(80)위에 1㎛~2㎛ 두께의 GaN 또는 AlN 등의 버퍼층(82)이 형성되며 그 위에 3㎛~5㎛ 두께의 N형 GaN 박막의 전자 장벽층(84)이 형성되어 있다. 그리고 전자 장벽층(84)과 이격되게 2㎛~3㎛ 두께의 P형 GaN 박막의 홀 장벽층(104)이 형성되어 있다.
그리고 전자 장벽층(84) 및 홀 장벽층(104) 사이에 적어도 두 개 이상의 빛(예를 들어, 청색 및 녹색)이 혼합된 빛을 내는 다중 양자 우물 발광층(8)이 삽입되어 있는데, 도 3의 실시예에서 다수개의 녹색 양자 우물층(88, 96)과 다수개의 청 색 양자 우물층(92, 100)을 서로 번갈아 형성하였다. 이들 양자 우물층(88, 92, 96, 100) 사이에는 각각 다수개의 우물벽(86, 90, 94, 98, 102)이 형성되어 있다. 여기서, 다수개의 녹색 양자 우물층(88, 96)과 다수개의 청색 양자 우물층(92, 100)은 InxGa1-xN으로 형성하며 인듐 조성비를 조정하여 녹색 빛(x=0.3~0.5) 또는 청색 빛(x=0.1~0.2)을 발광하도록 한다.
그러므로 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 사파이어 기판(80)에 청색 양자 우물층과 녹색 양자 우물층을 교대로 적층한 다중 양자 우물 발광층(8)을 집적함으로써 수직으로 구성된 발광층(8)을 통해 청색과 녹색 빛이 서로 섞인 혼합 빛이 발광된다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 발광 다이오드 장치의 에너지 밴드갭 구조를 나타낸 도면이다. 도 4a 및 도 4b와 마찬가지로 다수개의 양자 우물 구조로 이루어진 발광 다이오드의 에너지 밴드갭을 통해 전자나 홀들이 양자 우물 발광층을 이동하면서 청색과 녹색 빛이 서로 섞인 빛이 발광된다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드 장치에 변조 도핑(modulation doping), 즉 우물벽을 구성하고 있는 층에만 양극형(P형) 도펀트를 주입함으로써 홀의 주입 효율을 높여 결합 효율을 높인다.
한편, 본 발명은 질화물계 화합물반도체(GaN)로 제작된 발광 다이오드뿐만 아니라 형광 물질을 사용하지 않고 다른 물질계로 제조된 발광 다이오드를 집적화하여 백색 빛을 발광시킬 수 있다. 예를 들어, 상술한 실시예들의 청색 및 녹색이 혼합된 빛을 발광하는 발광 다이오드 구조에 AlInGaP 물질을 발광층으로 삼는 적색 계열의 발광다이오드를 웨이퍼 융합(wafer fusion)하여 백색 발광 다이오드 칩을 구현한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 다이오드 장치의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다. 본 발명의 백색 발광 다이오드 장치의 제조 방법의 예는 상술한 도 3의 청색과 녹색의 혼합 빛을 내는 발광 다이오드 장치에 형광 물질없이 백색을 낼 수 있는 발광 다이오드 칩을 다음과 같이 제조한다.
우선, 도 8a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(110)위에 GaN 또는 AlN 등의 버퍼층(112)을 형성하며 그 위에 N형 GaN 박막의 전자 장벽층(114)을 형성한다. 이때, 전자 장벽층(114)은 MOCVD 증착법으로 1000℃~1050℃에서 TMGa, TMIn와 NH3 가스를 물질원으로 하여 N형 도펀트(예를 들어, Si)를 주입하여 형성한다.
그리고 전자 장벽층(114)위에 청색 및 녹색이 혼합된 빛을 내는 다중 양자 우물 발광층(11)을 형성한다. 여기서, 다중 양자 우물 발광층(11)은 순차적으로 적층된 제 1우물벽(116), 제 1녹색 양자 우물층(118), 제 2우물벽(120), 제 2녹색 양자 우물층(122), 제 3우물벽(124), 제 1청색 양자 우물층(126), 제 4우물벽(128), 제 2청색 양자 우물층(130), 제 5우물벽(132)을 포함한다. 이때, 녹색 양자 우물층들(118, 122)과 청색 양자 우물층들(126, 132)은 각각 InxGa1-xN으로 형성하고, 제 1 내지 제 5우물벽들(116, 120, 124, 128, 132)은 GaN 또는 AlGaN으로 형성한다.
그 다음 다중 양자 우물 발광층(11) 위에 P형 도펀트(예를 들어, Mg)가 주입된 P형 GaN 박막의 홀 장벽층(134)을 형성함으로써 청색과 녹색의 혼합 빛을 내는 제 1발광 다이오드 장치를 제조한다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 청색 및 녹색의 혼합 빛을 내는 제 1발광 다이오드 장치에서 웨이퍼 분리 방법(wafer splitting), 예를 들어 레이저로 분리(lift-off)를 이용하여 사파이어 기판(110)과 버퍼층(112)을 분리한다. 그 이유는 제 1 및 제 2발광 다이오드의 전류 흐름을 원활하게 함으로써 발광 효율을 증대시키기 위하여 제 1발광 다이오드 장치의 사파이어 기판(110)과 버퍼층(112)을 분리하는 것이다. 만약 본 발명에서 기판(110)을 사파이어 대신에 전기가 통하는 실리콘 카바이드 기판을 사용할 경우 상기 기판(110) 및 버퍼층(112)을 제거하지 않아도 된다.
그리고 도 8c에 도시된 바와 같이, N형 GaN 박막의 전자 장벽층(114) 하부에 음극형 도핑층(136)을 형성한다.
그 다음 도 8d에 도시된 바와 같이, N형 GaAs 박막의 전자 장벽층(140) 위에 적색 빛을 내는 양자 우물 발광층(142)과, 그 위에 홀 장벽층(미도시됨) 및 홀 에피층(144)이 순차적으로 형성되는 적색 빛을 내는 제 2발광 다이오드 장치를 준비한다. 이때, 전자 장벽층(140)은 N형 도펀트(예를 들어, Si)가 주입된 AlGaInP로 형성하고, 양자 우물 발광층(142)은 AlGaInP로 형성한다. 또한 홀 장벽층은 P형 도펀트(예를 들어 Mg)가 주입된 AlGaInP로 형성하고, 홀 에피층(144)은 GaP로 형성한다.
그리고 상기 제 1발광 다이오드 장치와 제 2발광 다이오드 장치를 웨이퍼 융합기술을 이용하여 서로 융합시킨다. 이때 직렬로 연결하여 전류를 모든 구조물에 주입하기 위해서는, 제 1발광 다이오드 장치의 음극형 도핑층(136)과 적색 빛을 내는 제 2발광 다이오드 장치의 홀 장벽층 및 홀 에피층(144)을 융합한다. 여기서 제 1발광 다이오드 장치와 제 2발광 다이오드 장치의 융합시 이종 물질간 결정 구조의 격자 디스로케이션(dislocation)을 방지하기 위해서는 결정 구조 방향으로 약 600℃~720℃의 열가압으로 음극형 도피층(136)과 홀 에피층(144)을 융합하여 접합한다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2발광 다이오드 장치를 서로 융합하면 형광 물질 없이 하나의 칩으로 백색 발광 다이오드 장치를 만들 수 있을 뿐만 아니라 하나의 칩에서 청색, 녹색, 적색 빛을 혼합하여 백색 빛을 만들어내기 때문에 뛰어난 연색성(color rendition)을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 백색 발광 다이오드 장치의 제조 방법에 있어서, 적색의 제 2발광 다이오드 장치의 N형 GaN 박막의 전자 장벽층(140)과 청색 및 녹색의 제 1발광 다이오드 장치의 P형 GaN 박막의 홀 장벽층(134)을 서로 융합하여 접합시킬 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드 장치에서 제 1발광 다이오드의 홀 장벽층과 제 2발광 다이오드의 N형 기판에 각각의 전극, 예를 들어 Ni/Au(NiO/Au) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등을 형성하고 이 전극들에 기설정된 전압(또는 전류)을 공급하게 되면, 양자 우물 발광 층(142)에서 적색 빛이 발광되고, 녹색 양자 우물층들(118, 122)과 청색 양자 우물층들(126, 132)에서 녹색 및 청색 빛이 발광되기 때문에 이들 삼원색이 서로 혼합되어 백색 빛이 외부로 발광하게 된다.
지금까지는 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드 장치로서 단일 칩의 구조를 갖는 발광 다이오드의 적층 구조만을 중심으로 설명하였으나, 실제로 본 발명의 백색 발광 다이오드 장치를 제품화하는 데 있어서는 어드레싱이 가능한 마이크로 어레이 구조를 취하도록 제조함으로써, 보다 높은 신뢰도와 밝기를 갖는 대면적의 디스플레이 장치를 구현할 수도 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 형광 물질을 사용하지 않고서도 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합된 다중 양자 우물 발광층을 갖는 하나의 발광 다이오드 칩에 의해 새로운 혼합 빛을 생성할 수 있다.
또한 본 발명은 적어도 두 개 이상의 혼합 빛을 발광하는 하나의 발광 다이오드 장치와 이와 다른 보색의 빛을 발광하는 다른 발광 다이오드 장치를 융합하여 수직의 단일층 구조를 갖는 칩을 제조함으로써 형광 물질을 사용하지 않으면서도 백색 빛을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (20)

  1. 발광 다이오드 장치에 있어서,
    기판위에 형성되며 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층;
    상기 전자 장벽층과 이격되어 형성되며 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층; 및
    상기 전자 장벽층 및 상기 홀 장벽층 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전자 장벽층, 상기 홀 장벽층, 및 상기 다중 양자 우물 발광층은 질화물계 화합물 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 발광층은 전자 장벽층 위에 순차적으로 적층된 제 1우물벽, 제 1양자 우물층, 제 2우물벽, 제 2양자 우물층, 제 3우물벽을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2양자 우물층은 서로 다른 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2양자 우물층은 InxGa1-xN으로 이루어지며, 상기 제 1양자 우물층은 녹색 빛을 발광하고 상기 제 2양자 우물층은 청색 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3우물벽은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2양자 우물층 사이에 있는 제 2우물벽을 100Å~1000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  7. 발광 다이오드 장치에 있어서,
    기판위에 형성되며 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층;
    상기 전자 장벽층과 이격되어 형성되며 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층; 및
    상기 전자 장벽층 및 상기 홀 장벽층 사이에 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되도록 단원광 빛을 발광하는 양자 우물층을 다수개 구비하는 다중 양자 우물 발광층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전자 장벽층, 상기 홀 장벽층, 및 상기 다중 양자 우물 발광층은 질화물계 화합물 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 발광층은 전자 장벽층 위에 순차적으로 적층된 제 1우물벽, 제 1양자 우물층, 제 2우물벽, 제 2양자 우물층, 제 3우물벽을 포함하며, 상기 제 1양자 우물층, 상기 제 2우물벽, 상기 제 2양자 우물층이 적어도 2회 이상 반복 적층되며, 다수개의 제 1양자 우물층과 다수개의 제 2양자 우물층은 각각 서로 다른 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2양자 우물층은 InxGa1-xN으로 이루어지며, 상기 제 1양자 우물층은 녹색 빛을 발광하고 상기 제 2양자 우물층은 청색 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3우물벽은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2양자 우물층 사이에 있는 제 2우물벽을 100Å~1000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 발광층은 전자 장벽층 위에 순차적으로 적층된 제 1우물벽, 제 1양자 우물층, 제 2우물벽, 제 2양자 우물층, 제 3우물벽, 제 3양자 우물 층, 제 4우물벽, 제 4양자 우물층, 제 5우물벽을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2양자 우물층은 서로 동일한 빛을 발광하고 상기 제 3 및 제 4양자 우물층은 상기 제 1 및 제 2양자 우물층에 대해 다른 동일한 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1양자 우물층, 상기 제 2우물벽, 상기 제 2양자 우물층을 적어도 2회 이상 반복 적층하며 상기 제 3 양자 우물층, 상기 제 4우물벽, 상기 제 4양자 우물층을 적어도 2회 이상 반복 적층하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4양자 우물층은 InxGa1-xN으로 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2양자 우물층은 녹색 빛을 발광하고 상기 제 3 및 제 4양자 우물층은 청색 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 5우물벽은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  17. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3양자 우물층 사이에 있는 제 3우물벽을 100Å~1000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  18. 발광 다이오드 장치의 제조 방법에 있어서,
    기판위에 N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 적어도 두 개 이상의 빛이 혼합되어 발광되는 다중 양자 우물 발광층, 및 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층을 포함한 제 1발광 다이오드 장치를 형성하는 단계;
    N형 도펀트가 주입된 전자 장벽층과, 상기 혼합된 빛에 대해 보색의 빛을 발광하는 양자 우물 발광층, 및 P형 도펀트가 주입된 홀 장벽층을 포함한 제 2발광 다이오드 장치를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1발광 다이오드와 상기 제 2발광 다이오드를 서로 융합하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치의 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1발광 다이오드의 다중 양자 우물 발광층은 InxGa1-xN으로 이루어지며 녹색 및 청색 빛을 발광하고, 상기 제 2발광 다이오드의 양자 우물 발광층은 적색 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치의 제조 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1발광 다이오드와 상기 제 2발광 다이오드를 서로 융합하는 단계 이전에, 상기 제 1발광 다이오드의 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치의 제조 방법.
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