KR20070027290A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20070027290A
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Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 p-n 전극간의 단락을 차단하고 발광 효율을 높이는 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 발광 소자 제조 방법은 기판위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 기판 하부면을 래핑하는 단계와, 상기 래핑된 기판 하부면의 일측 면에서부터 제 1 도전형 클래드층 일부가 노출되도록 에칭하는 단계와, 상기 에칭된 제 1 도전형 클래드층 하부에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 2 도전형 클래드층 위에 제 2 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.
발광 다이오드, 에칭, 래핑, 텍스쳐

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting diode and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 질화물 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 소자 제조 과정을 순차적으로 나타낸 단면도
도 3은 본 발명에 따른 발광 소자의 텍스쳐 패턴을 나타낸 도면
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 기판 200: 버퍼층
300: 언돕드 질화갈륨층 400: 제 1 도전형 클래드층
500: 활성층 600: 제 2 도전형 클래드층
700: 텍스쳐 800: 제 1 전극
900: 제 2 전극
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 질화물 발광 소자에서 발광 효율을 개선하고 p-n 전극간의 단락을 방지하는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것 이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light emission diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변화시켜 신호를 보내고 받는데, 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기기, 각종 자동화 기기 등에 사용된다.
상기 발광 다이오드의 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, 발광 다이오드는 보편적으로 0.23 제곱 밀리미터의 매우 작을 크기로 제작되며, 에폭시 몰드와 리드 프레임 및 PCB에 실장 된 구조를 하고 있다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 발광 다이오드는 5밀리미터 플라스틱 패키지(package)나 특정 응용 분야에 따라 새로운 형태의 패키지를 개발하고 있다. 발광 다이오드에서 방출하는 빛의 색깔은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장을 만들며 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정 짓는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물 발광 소자를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
이하에서, 설명되는 발광소자는 질화물 반도체를 이용한 것이며, 그 중에서도 질화 갈륨이 사용된 것으로 한다.
도 1에 의하면, 종래의 발광소자는 기판(10) 상에 순차적으로 형성된, 버퍼층(20), 언돕드(undoped) 질화갈륨층(30), n형 제 1 도전형 클래드층(40), 활성층(60), p형 제 2 도전형 클래드층(70), n형 전극(50) 및 p형 전극(80)으로 구성된다.
상기 기판(10) 상에는 버퍼층(20)을 형성하여 양질의 질화물을 성장시키기 위한 기판(10)의 평탄도를 높이며, 가령, 기판(10)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭 등을 방지한다.
그리고, 상기 언돕드 질화갈륨층(30)은 상기 버퍼층(20) 상에 형성될 여러 가지 반도체소자 중에서 상기 질화물 반도체 발광소자를 위한 베이스층로서 상기 n형 제 1 도전형 클래드층(40)을 성장시킨다.
이어서, 상기 n형 제 1 도전형 클래드층(40) 표면의 일측 상에 상기 n형 전극(50)이 형성되어 있고, 상기 n형 전극(50)이 형성된 영역 이외에 활성층(60)이 형성된다. .
상기 활성층(60)은 다중양자우물(MQW)구조로서, 상기 p형 전극(80)을 통하여 흐르는 정공과 상기 n형 전극(50)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시키는 층이다.
상기 n 형 제 1 도전형 클래드층(40)은 상기 p형 제 2 도전형 클래드층(70)과 활성층(60)이 성장되지 않은 상면 영역(엄밀한 의미로는, p형 도전형 클래드층(70)과 활성층(60)을 성장시킨 후에 일부를 제거하여 노출된 상면영역)에 n형 전극(50)을 형성하여 전기적으로 접속되고 p형 제 2 도전형 클래드층(70)은 p형 전극 (80)에 전기적으로 접속된다.
상기 n형 전극(50)과 p형 전극(80)에 전압이 인가되면, n형 제 1 도전형 클래드층(40)으로부터 활성층(60)으로 전자가 주입되고 p형 제 2 도전형 클래드층(70)으로부터 상기 활성층(60)으로 정공이 주입된다.
이때, 상기 활성층(60) 영역으로 주입된 전자와 정공은 재결합하여 빛이 생성되게 된다.
상기와 같이 질화물 발광 소자는 다양한 기판 중 사파이어 기판이 주로 이용되고 있으며, 그 이유는 사파이어가 절연성이면서 갈륨질화물(GaN)계 반도체 재료와 약 15%~17%의 큰 격자 부정합을 가졌음에도 불구하고 유기금속화학기상증착법(MOCVD : Metal Organic chemical Vapor Deposition)에 의한 에피층 성장 시 약 1000℃ ~1200℃의 고온에서 열적으로 안정하고 열 손상이 적으면서 기판으로써 저 결함농도의 고품위인 재료로 알려져 있기 때문이다.
그러나 사파이어 기판은 절연체이므로 소자 일관공정(fabrication) 시 후면 콘택이 불가능하여 공정상의 많은 어려움이 존재하나 성장된 에피층의 일부면을 건식 식각(dry etching) 을 통해 콘택을 실시하며, 건식 식각 또한 갈륨질화물계 반도체가 화학적으로 매우 안정하나 화학적 식각 용액이 존재하지 않아서 건식 식각을 이용하고 있다.
이와 같이 종래의 질화물 발광 소자는 건식 식각을 실시해 성장된 에피층의 일부를 식각할 경우, 발광 면적이 줄어들고 칩 사이즈가 줄어들수록 p-n 전극간의 간격이 좁아져 단락 되는 문제가 발생한다.
또한, 건식 식각 시 성장된 에피층이 손상을 받아 성장된 에피층에 결함을 일으켜 발광 효율을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명은 전극간 단락을 방지하고 발광 효율을 높이는 발광 소자 및 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 소자 제조 방법은 기판위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 기판 하부면을 래핑하는 단계와, 상기 래핑된 기판 하부면의 일측 면에서부터 제 1 도전형 클래드층 일부가 노출되도록 에칭하는 단계와, 상기 에칭된 제 1 도전형 클래드층 하부에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 2 도전형 클래드층 위에 제 2 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.
바람직하게는 상기 기판은 사파이어 기판이다.
그리고, 상기 래핑은 기판의 50㎛까지 이루어진다.
또한, 상기 에칭은 BCl3, Cl2 중 어느 하나를 이용하며, 상기 래핑 된 기판 하부면은 임의의 텍스쳐(texture) 패턴으로 처리하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 텍스쳐 패턴은 사각형, 렌즈형, 사다리꼴 중 어느 하나를 이용한다.
그리고, 상기 제 1 도전형 클래드층은 n형, 제 2 클래드층은 p형이거나, 제 1 도전형 클래드층은 p형, 제 2 클래드층은 n형이다.
또한, 상기 제 2 도전형 클래드층에 제 3 도전형 클래드층을 더 형성한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 소자는 기판 위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 순차적으로 적층한 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 기판과 제 1 도전형 클래드층 일부가 제거된다.
바람직하게는, 상기 제 1 도전형 클래드층은 n형, 제 2 클래드층은 p형이거나, 제 1 도전형 클래드층은 p형, 제 2 클래드층은 n형이다.
그리고, 상기 제 2 도전형 클래드층에 제 3 도전형 클래드층을 더 형성한다.
그리고, 상기 제 1 도전형 클래드층 및 상기 제 3 도전형 클래드층은 n형 클래드층으로 이루어지고, 상기 제 2 도전형 클래드층은 p형 클래드층으로 이루어진다.
또한, 상기 제 2 도전형 클래드층 위에 투명 전극을 더 포함하며, 상기 투명전극은 금속산화물이다.
그리고, 상기 금속 산화물은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZnO(Al-Ga ZnO), IGZnO(In-Ga ZnO), IrOx 중에서 선택되어 형성된다.
또한, 상기 제 3 도전형 클래드층에 투명전극을 더 포함하여 형성하고, 상기 투명전극은 금속산화물이며, 금속 산화물질은 상기 금속 산화물은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZnO(Al-Ga ZnO), IGZnO(In-Ga ZnO), IrOx 중에서 선택되어 형성된다.
그리고, 상기 기판 하부면은 임의의 텍스쳐(texture) 패턴이며, 상기 텍스 쳐(texture) 패턴은 사각형, 렌즈형, 사다리꼴 모양 중 하나의 패턴으로 이루어진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자 및 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 소자 제조 과정을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
먼저, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명에 의한 발광 소자는 GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 질화물 반도체가 사용된 것으로 하고, 그 중에서 질화 갈륨이 적용된 것으로 한다.
먼저, 도 2a 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발광 소자는 기판(100) 상에 순차적으로 형성된, 버퍼층(200), 언돕드(undoped) 질화갈륨층(300), 제 1 도전형 클래드층(400), 활성층(500), 제 2 도전형 클래드층(600) 형성한다.
상기 기판(100) 상에 형성된 버퍼층(200)은 양질의 질화물을 성장시키기 위한 기판(100)의 평탄도를 높이며, 가령, 기판(100)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭 등을 방지한다.
그리고, 상기 언돕드 질화갈륨층(300)은 상기 버퍼층(200) 상에 형성될 여러 가지 반도체소자 중에서 상기 질화물 반도체 발광소자를 위한 베이스층으로서 상기 제 1 도전형 클래드층(400)을 성장시킨다.
상기 활성층(500)은 다중양자우물(MQW)구조로서, 이후에 형성될 제 2 전극 (900)을 통하여 흐르는 정공과 상기 제 1 전극(800)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시키는 층이다.
그리고, 상기 활성층(500) 상에는 제 2 도전형 클래드층(600)이 형성된다.
상기와 같은 구성에서는 제 1 도전형 클래드층(400)은 n형이고, 제 2 도전형 클래드층(600)은 p형으로 형성할 수 있다.
이와 반대로 제 1 도전형 클래드층(400)이 p형이고, 제 2 도전형 클래드층(600)이 n형인 발광 다이오드를 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성된 발광 소자를 도 2b와 같이 사파이어 기판(100)의 후면(back side)을 50㎛까지 래핑(lapping) 한다.
상기 사파이어 기판(100)을 래핑 시킴으로써 상기 활성층(500)에서 방출되는 빛의 흡수를 막을 수 있다.
이어서, 상기 사파이어 기판(100)이 래핑 되면, 도 2c와 같이 래핑 된 사파이어 기판(100)의 일부면을 제 1 도전형 클래드층(400) 일부분이 노출되도록 식각 한다.
상기 식각 물질은 BCl3, Cl2 중 하나를 이용한다.
그런 다음, 도 2d와 같이 식각 되지 않은 래핑된 사파이이 기판(100)의 후면을 다양한 패턴 모양으로 텍스쳐(texture)(700) 처리를 한다.
상기 패턴 모양으로는 사각형이나 렌즈형, 사다리꼴형 등 어느 하나를 이용하며 이 텍스쳐를 통해 발광 효율을 높일 수 있다.
그리고, 도 2e와 같이 래핑된 기판(100)의 일측면에서부터 상기 제 1 도전형 클래드층(400)의 일부분이 노출되도록 식각된 제 1 도전형 클래드층(400)의 후면에 제 1 전극(800)을 형성하고, 상기 제 2 도전형 클래드층(600) 상에 제 2 전극(900)을 형성한다. 이때 상기 제 2 전극(900)은 투명전극으로 형성할 수 있으며, 금속산화물인 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZnO(Al-Ga ZnO), IGZnO(In-Ga ZnO), IrOx 중에서 선택되어 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 발광 소자에서 상기 제 1 전극(800)과 제 2 전극(900)에 전압이 인가되면, 제 1 도전형 클래드층(400)으로부터 활성층(500)으로 전자가 주입되고 제 2 도전형 클래드층(600)으로부터 상기 활성층(500)으로 정공이 주입된다.
이때, 상기 활성층(150) 영역으로 주입된 전자와 정공은 재결합하여 빛이 생성되게 된다.
본 발명은 pn 접합구조에 대하여 설명하였으나 p형 클래드층인 제 2 도전형 클래드층 상부에 n형 클래드층인 제 3 도전형 클래드층이 더 형성된 npn 접합구조의 질화물 발광소자도 가능하다. 여기서 npn 접합구조의 질화물 발광 소자란, 제 1 클래드층과 제 3 클래드층이 모두 n형 클래드층으로 형성되며, 그 사이에 p형 클래드층이 형성된 경우를 의미한다. 이때, 제 1 전극은 n형 클래드층인 제 1 클래드층 위에 형성되며, 제 2 전극은 n형 클래드층인 제 3 클래드층 위에 형성된다.
도 3은 본 발명에 따른 발광 소자의 텍스쳐 모양을 나타낸 단면도이다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통 상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 발광 소자는 사파이어 기판의 후면을 부분 에칭하기 때문에 성장된 에피층에 손상을 줄일 수 있으며, 활성층의 면적이 커지므로 발광 효율이 증가하는 효과가 있다.
그리고, 발광 소자의 사이즈가 작은 경우 전극간 발생하는 단락현상을 방지할 수 있으며, 기판의 후면에 다양한 패턴의 텍스쳐 처리 함으로써 더욱 발광 효율을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 기판위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계와;
    상기 기판 하부면을 래핑하는 단계와;
    상기 래핑된 기판 하부면의 일측 면에서부터 제 1 도전형 클래드층 일부가 노출되도록 에칭하는 단계와;
    상기 에칭된 제 1 도전형 클래드층 하부에 제 1 전극을 형성하는 단계와;
    상기 제 2 도전형 클래드층 위에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 래핑은 기판의 50㎛까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭은 BCl3, Cl2 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 래핑 된 기판 하부면은 임의의 텍스쳐(texture) 패턴으로 처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 텍스쳐 패턴은 사각형, 렌즈형, 사다리꼴 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 클래드층은 n형, 제 2 클래드층은 p형인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 클래드층은 p형, 제 2 클래드층은 n형인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 클래드층에 제 3 도전형 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법
  10. 기판 위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 순차적으로 적층한 반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 기판과 제 1 도전형 클래드층 일부가 제거된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 제 10항에 있어서
    상기 제 1 도전형 클래드층은 n형, 제 2 클래드층은 p형인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 클래드층은 p형, 제 2 클래드층은 n형인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 클래드층에 제 3 도전형 클래드층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 클래드층 및 상기 제 3 도전형 클래드층은 n형 클래드층으로 이루어지고, 상기 제 2 도전형 클래드층은 p형 클래드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 클래드층 위에 투명 전극을 더 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 투명전극은 금속산화물인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZnO(Al-Ga ZnO), IGZnO(In-Ga ZnO), IrOx 중에서 선택되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 도전형 클래드층에 투명전극을 더 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 투명전극은 금속산화물인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZnO(Al-Ga ZnO), IGZnO(In-Ga ZnO), IrOx 중에서 선택되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판 하부면은 임의의 텍스쳐(texture) 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 소자
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 텍스쳐(texture) 패턴은 사각형, 렌즈형, 사다리꼴 모양 중 하나의 패턴을 이용하는 것을 특징으로 발광 소자
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