KR20070004365A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 메사 식각된 n형 질화물 반도체층에 일정 깊이를 가지는 트렌치가 형성되어 있으며, n-전극이 상기 트렌치에 채워지고 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에까지 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, n-전극을 n형 질화물 반도체층의 상부에서 메사 식각된 면에 인접하여 있는 트렌치까지 연장하여 형성함으로써, n-전극에서 활성층을 통하여 p-전극에 이르는 전류의 흐름이 상기 활성층 전체에 널리 퍼지도록 할 수 있으며, 이를 통해 발광 다이오드의 정전기 방전 특성을 향상시킬 수 있고, 전류가 특정 영역에 집중됨으로 인해 발생하는 열방출을 방지할 수 있어 열방출에 따른 문제로 인한 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
정전기 방전, 사파이어 기판, 트렌치, 발광 다이오드
Description
도 1은 종래의 GaN계 발광 다이오드의 단면도.
도 2는 종래의 GaN계 발광 다이오드에 있어서 전류의 흐름을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 발광 다이오드의 실시예를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 발광 다이오드에 있어서 전류의 흐름을 나타낸 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 실시예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 기판 110, 210 : 도핑되지 않은 GaN 버퍼층
120, 220 : n형 질화물 반도체층 130, 230 : 활성층
140, 240 : p형 질화물 반도체층 150, 250 : p-전극
160, 260 : n-전극 225 : 트렌치
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 메사 식각된 n형 질화물 반도체층에 일정 깊이를 가지는 트렌치를 형성한 후, n-전극을 상기 트렌치에 채우고 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에까지 연장하여 형성함으로써 전류가 활성층 전체로 퍼져서 공급되도록 하는 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
발광 다이오드는 저전압으로 고효율의 광을 발생시키므로 에너지 절감 효과가 뛰어나며, 최근 들어 발광 다이오드의 한계였던 휘도 문제가 크게 개선되면서 백라이트 유닛(Backlight Unit), 전광판, 표시기, 가전제품, 각종 자동화 기기 등 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다.
특히, 질화 갈륨(GaN)계 발광 다이오드는 발광 스펙트럼이 자외선으로부터 적외선에 이르기까지 광범위하게 형성되며, 비소(As), 수은(Hg) 등의 환경 유해 물질을 포함하고 있지 않기 때문에 환경 친화적인 면에서도 높은 호응을 얻고 있다.
도 1은 종래의 GaN계 발광 다이오드의 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 사파이어(Al2O3) 기판(10) 상부에, 도핑되지 않은 GaN 버퍼층(11)과, n형 GaN층(12)과, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well : MQW)구조의 활성층(13)과, p형 GaN층(14)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 p형 GaN층(14)에서 상기 n형 GaN층(12) 상부의 일부까지 메사(mesa) 식각되어 있다.
그리고, 상기 p형 GaN층(14) 상부에 p-전극(15)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각되어 노출된 n형 GaN층(12) 상부에 n-전극(16)이 형성된 구조를 가지고 있다.
종래의 GaN계 발광 다이오드는 절연 물질인 사파이어를 기판으로 사용하기 때문에, 두 전극 즉, p-전극(15)과 n-전극(16)이 거의 수평한 방향으로 형성될 수 밖에 없으며, 전압 인가시에 n-전극(16)으로부터 활성층(13)을 통해 p-전극(15)으로 향하는 전류 흐름이 수평 방향을 따라 협소하게 형성될 수 밖에 없다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 n형 GaN층(12)의 높은 저항 성분 때문에 전류가 상기 활성층(13) 전체로 고르게 공급되지 못하고, 상기 n-전극(16)이 형성된 부분과 인접한 영역으로 집중되어 흐르게 된다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해, 상기 발광 다이오드는 순방향 전압이 증가하여 전류 효율이 저하되며, 정전기 방전 효과가 취약하다는 문제가 발생된다.
정전기 방전(Electro Static Discharge : ESD)은 주변 매질의 절연 내력의 파괴 또는 서로 다른 전위의 두 물체가 직접적인 접촉이나 유도 현상에 의해 대전 물체가 가진 에너지가 순간적으로 방출되는 현상으로, 반도체 소자의 제조 공정 상에 있어서, 외부의 정전기가 소자에 방전된 경우, 정전기를 축적한 소자가 외부의 접지 도전체에 접촉되어 방전한 경우 또는 반도체 소자 주위의 전기장 환경이 급변할 때 발생한다.
그러나, 발광 다이오드의 경우 상기 제조 공정상에서 뿐만 아니라 일반 환경에서 발생하는 정전기 수준에서도 순간 전류가 증가하여 발광 다이오드의 pn 접합이 단락되는 등 신뢰성에 많은 문제들을 야기시킨다. 특히 GaN계 발광 다이오드의 경우 정전기에 상당히 취약한 모습을 보이고 있다.
보통의 반도체 소자는 내부에 정전기 방지 회로를 채택하는 것이 일반적이나, 발광 소자의 경우는 화합물 반도체로 제작하기 때문에 기판의 값이 고가이고, 서로 상이한 공정 및 구조 때문에 일괄 공정이 불가하여 회로내에 채택이 되지 못하고 있다.
따라서, 발광 소자를 포함한 화합물 반도체 소자는 외부에 별도의 정전기 방지용 소자를 이용한 회로를 구성하여 사용하여 왔으나, 이 경우 별도의 정전기 방지 회로를 구성하는데 있어 제조 공정이 복잡해지고 제조 비용이 증가되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 GaN계 발광 다이오드는 상기 n-전극(16)이 형성된 부분과 인접한 영역으로 전류가 집중되는 결과, 과다한 열이 발생되는데 상기 사파이어 기판(10)은 열전도성이 낮아 열방출이 원활히 이루어지지 못하므로, 열 증가에 따라 상기 사파이어 기판(10)과 GaN계 발광 구조물간에 기계적 응력이 발생하여 소자가 불안정해지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 메사 식각된 n형 질화물 반도체층에 일정 깊이의 트렌치를 상기 메사 식각된 면과 인접하여 형성한 후, n-전극을 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에서 상기 트렌치까지 형성하여 전류가 활성층 전체로 퍼져서 공급되도록 하는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 발광 다이오드의 실시예는, 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층에서 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(mesa)식각 되어 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분이 상부로부터 노출되어 있고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층에는 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)가 상기 메사 식각된 면에 인접하여 형성되어 있으며;
상기 p형 질화물 반도체층의 상부에는 p-전극이 형성되어 있고, 상기 트렌치에 채워지며, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출된 상부에 연장되어 형성된 n-전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발광 다이오드 제조방법의 실시예는, 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층에서 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분을 상부로부터 노출시키는 단계와, 건식 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 n형 질화물 반도체층에 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)를 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 p-전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부와 상기 트렌치에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 발광 다이오드 및 그 제조방법 에 대해 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 발광 다이오드의 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에는 도핑되지 않은 GaN 버퍼층(110)이 형성되어 있으며, 상기 도핑되지 않은 GaN 버퍼층(110) 상부에는 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)에서 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 메사(mesa) 식각되어 있고, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 식각된 상부에는 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)가 상기 메사 식각된 면에 인접하여 형성되어 있다.
그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 p-전극(150)이 형성되어 있고, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 식각된 상부에서 상기 트렌치까지 n-전극(160)이 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.
여기서, 기판(100)은 사파이어(Al2O3)기판 또는 실리콘 카바이드(SiC)기판으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 도핑되지 않은 GaN 버퍼층(110)은 상기 기판(100)과 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이를 극복하기 위해 형성한다.
상기 도핑되지 않은 GaN층(110) 상부에는 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차적으로 형성되는데, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 GaN층, n형 AlGaN층, n형 InGaN층 등과 같은 GaN계 화합물 반도체로 이루어진다.
상기 n형 질화물 반도체층(120)은 상부의 일부가 식각되어 노출되어 있으며, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 식각된 상부에는 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)가 상기 메사 식각된 면에 인접하여 형성된다. 상기 트렌치는 1 ~ 3 ㎛ 정도의 깊이를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 식각된 상부에서부터 상기 트렌치까지 n-전극(160)이 연속적으로 형성된다.
상기 n형 질화물 반도체층(120)의 식각되지 않은 상부에는 활성층(130)이 형성되는데, 상기 활성층(130)은 주로 InxGa1-xN (0〈 x ≤1)로 이루어지고 다중 양자 우물(Multi Quantum Well : MQW) 구조를 가진다.
상기 활성층(130)의 상부에는 p형 질화물 반도체층(140)이 형성되며, p형 질화물 반도체층(140)은 상기 n형 질화물 반도체층(120)과 대응하여 p형 GaN층, p형 AlGaN층, p형 InGaN층 등과 같은 GaN계 화합물 반도체로 이루어진다. 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에는 p-전극(150)이 형성된다.
상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에는 p-전극(150)을 형성하기 전에 전류 주입 면적을 증가시키면서도 오믹 컨택을 형성하여 순방향 전압(Vf)을 낮추는 역할을 하는 투명 전극(미도시)을 더 형성할 수 있다. 이 경우 상기 투명 전극은 Ni/Au 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진다.
이와 같이, n형 질화물 반도체층(120)의 식각된 상부에 일정 깊이를 가지는 트렌치를 상기 메사 식각된 면에 인접하여 형성하고, 상기 n형 질화물 반도체층 (120)의 식각된 상부에서부터 상기 트렌치까지 n-전극(160)을 형성하면, 전류가 활성층(130) 전체로 고르게 공급된다.
도 4는 본 발명의 발광 다이오드에 있어서 전류의 흐름을 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, n-전극(160)으로부터 활성층(130)을 통해 p-전극(150)으로 향하는 전류의 흐름이 상기 활성층(130) 전체에 고르게 퍼져 공급된다.
이는 n-전극(160)이 상기 트렌치까지 형성되어 있어 n-전극(160)으로부터 활성층(130)을 통해 p-전극(150)으로 향하는 전류가 상기 n형 질화물 반도체층(120)에서 동일한 저항을 가지고 더욱 먼 거리를 이동할 수 있게 되었기 때문이다. 따라서, 전류의 흐름이 상기 n-전극(160)에 인접한 영역에 한정되지 않고 그보다 더 멀리 이동하여 상기 활성층(130) 전체에 고르게 퍼져 공급된다.
이와 같이, 상기 n-전극(160)으로부터 p-전극(150)으로 향하는 전류의 흐름이 상기 활성층(130) 전체에 고르게 퍼져 공급됨으로 인하여 발광 다이오드의 정전기 방전(Electro Static Discharge : ESD) 특성이 향상될 수 있으며, 전류가 특정 영역에 집중됨으로 인해 발생하는 열방출을 방지할 수 있어 열방출에 따른 문제로 인한 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 실시예를 나타낸 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(200) 상에 도핑되지 않은 GaN층(210), n형 질화물 반도체층(220), 활성층(230), p형 질화물 반도체층(240)을 순차적으로 형성한다(도 5a).
이어서, 상기 p형 질화물 반도체층(240)에서 상기 n형 질화물 반도체층(220) 의 일부까지 메사(mesa) 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부를 상부로부터 노출시킨다(도 5b).
다음으로, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(220)에 일정 깊이를 가지는 트렌치(225)를 메사 식각된 면에 인접하게 형성한다(도 5c). 상기 트렌치(225)는 1 ~ 3 ㎛ 정도의 깊이를 가지도록 형성하는 것이 바람직하며, ICP/RIE(Inductively Coupled Plasma/Reactive Ion Etching)방식의 건식 식각 공정으로 에칭하여 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, 상기 p형 질화물 반도체층(240) 상에 p-전극(250)을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(220)의 상부와 상기 트렌치(225)에 n-전극(260)을 연속적으로 형성한다(도 5d).
상기 노출된 n형 질화물 반도체층(220)에 형성되는 트렌치(225)는 메사 식각된 면과 인접하여 형성하는데, 이는 상기 n-전극(260)을 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(220)의 상부와 상기 트렌치(225)에 형성한 후, 전압을 인가하였을때, 상기 n형 질화물 반도체층(220)에서 전류가 더 멀리 이동하게끔 하여 상기 활성층(230)에 전체에 고르게 공급되게 하기 위함이다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
본 발명에 의하면, n-전극을 n형 질화물 반도체층의 상부에서 트렌치까지 연속적으로 형성함으로써, n-전극에서 활성층을 통하여 p-전극에 이르는 전류의 흐름이 상기 활성층 전체에 널리 퍼지도록 할 수 있다.
이와 같이, 전류의 흐름이 상기 활성층 전체에 널리 퍼져 공급되도록 함으로써, 발광 다이오드의 정전기 방전 특성을 향상시킬 수 있고, 전류가 특정 영역에 집중됨으로 인해 발생하는 열방출을 방지할 수 있어 열방출에 따른 문제로 인한 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전자를 원활하게 공급할 수 있게 됨으로써, 발광 다이오드의 광 출력 특성의 향상을 가져올 수 있다.
Claims (5)
- 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고;상기 p형 질화물 반도체층에서 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(mesa)식각 되어 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분이 상부로부터 노출되어 있고;상기 노출된 n형 질화물 반도체층에는 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)가 상기 메사 식각된 면에 인접하여 형성되어 있으며;상기 p형 질화물 반도체층의 상부에는 p-전극이 형성되어 있고;상기 트렌치에 채워지며, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출된 상부에 연장되어 형성된 n-전극을 포함하여 이루어지는 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 1 ~ 3 ㎛의 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p-전극 사이에 투명 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 p형 질화물 반도체층에서 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분을 상부로부터 노출시키는 단계;건식 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 n형 질화물 반도체층에 일정 깊이를 가지는 트렌치(trench)를 형성하는 단계; 및상기 p형 질화물 반도체층 상에 p-전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부와 상기 트렌치에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광 다이오드 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 건식 식각 공정은 ICP/RIE(Inductively Coupled Plasma/Reactive Ion Etching)방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
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