KR20070088145A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 투명 전극(혹은 오믹층)부터 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 활성층에서 발생한 빛이 소자 내부를 진행하는 거리를 줄일 수 있어 외부로 방출되는 빛의 세기가 감소하는 것을 방지할 수있다.
그리고, 상기 홈의 내측면을 수직선상을 기준으로 하여 경사를 가지도록 함으로써, 상기 홈의 내측면에서의 임계각을 높일 수 있으며 활성층에서 발생한 빛이 상기 홈의 내측면에 도달했을때, 소자 내부로 전반사되는 확률을 줄일 수 있어 광 적출 효율을 향상시킬 수 있다.
흡수 계수, 광 적출 효율, ICP/RIE, 식각
Description
도 1은 종래의 질화물계 발광 다이오드의 단면도.
도 2는 활성층에서 발생한 빛이 질화물계 반도체 표면에서 전반사되는 상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 발광 다이오드의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 있어서, 복수개의 홈의 형상을 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 발광 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 기판 110, 210 : 버퍼층
120, 220 : n형 질화물 반도체층 130, 230 : 활성층
140, 240 : p형 질화물 반도체층 150, 250 : 투명 전극
160, 260 : p-전극 170, 270 : n-전극
180, 280 : 홈
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 투명 전극(혹은 오믹층)부터 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성함으로써, 소자의 광 적출 효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 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, 질화물계 발광 다이오드는 활성층의 에너지 밴드 갭(Energy Band Gap)이 넓어 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.
그리고, 보다 다양한 응용분야에 활용하기 위해서 고휘도의 발광 다이오드를 얻고자 하는 연구가 진행되고 있는데, 고휘도의 발광 다이오드를 얻는 방법에는 활성층의 품질을 개선하여 내부 양자 효율을 올리는 방법과 활성층에서 발생한 빛을 외부로 방출하는 것을 도와 주고, 필요한 방향으로 모아줌으로써 광 적출 효율을 증대시키는 방법이 있다.
현재, 이 내부 양자 효율 및 광 적출 효율 모두를 증진시키려는 시도가 이루어지고 있으나, 반도체 물질의 품질을 개선함으로 내부 양자 효율을 증진시키는 방법에 비하여 소자 전극 설계, 소자 자체의 모양, 패키징 방법 등으로 개선하는 광 적출 효율 증가 방법에 대한 시도가 활발히 이루어지고 있다.
여기서, 광 적출 효율(Light Extraction Efficiency)은 발광 다이오드에 주입된 전자와 발광 다이오드 밖으로 방출되는 광자의 비에 의하여 결정되며 적출 효율이 높을수록 밝은 발광 다이오드를 의미한다.
상기 발광 다이오드의 광 적출 효율은 칩의 모양이나 표면 형태, 칩의 구조, 패키징 형태에 의하여 많은 영향을 받기 때문에 발광 다이오드를 설계할 때 세심한 주의가 필요하다.
고출력 및 고휘도의 발광 다이오드에서는 상기 광 적출 효율이 발광 효율을 결정하는 중요한 변수로 작용한다. 그런데, 종래의 질화물계 발광 다이오드의 제조방법에는 광 적출 효율에 한계가 있었다.
도 1은 종래의 질화물계 발광 다이오드의 단면도이다. 이에 도시된 바와 같 이, 사파이어 기판(10) 상부에 버퍼층(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)이 순차적으로 적층되어 있고,
상기 p형 질화물 반도체층(14)에서 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각 되어 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부가 노출되어 있고,
상기 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상부에는 n-전극(15)이 형성되어 있으며, 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상부에는 투명 전극(16)이 형성되어 있고, 상기 투명 전극 상부에는 p-전극(17)이 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.
이와 같이 구성된 질화물계 발광 다이오드의 제조방법은, 먼저 사파이어 기판(10) 상부에 버퍼층(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)을 순차적으로 형성한 다음, 상기 p형 질화물 반도체층(14)에서 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부분까지 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 메사(Mesa) 식각한다.
그 후, 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상부에 오믹 특성을 개선하기 위한 투명 전극(16)을 형성하고, 상기 투명 전극(16) 상부에 p-전극(17)을 형성한다.
다음으로, 상기 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상부에 n-전극(15)을 형성한다.
여기서, 상기 발광 다이오드는 다음과 같은 방식으로 구동된다. 즉, 상기 p-전극(17) 및 n-전극(15)에 전압을 인가하면 상기 p형 질화물 반도체층(14) 및 n형 질화물 반도체층(12)으로부터 정공 및 전자가 활성층(13)으로 흘러 들어가 상기 활 성층(13)에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 발광을 하게 된다.
상기 활성층(13)으로부터 발광된 광은 활성층(13)의 위와 아래로 진행하게 되고, 위로 진행된 광은 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상부에 얇게 형성된 투명 전극(16)을 통하여 밖으로 방출된다.
그리고, 활성층(13)의 아래로 진행된 광은 기판(10)의 하부로 빠져나가 발광 다이오드의 패키징시 사용되는 솔더(Solder)에 흡수되거나, 기판(10)에서 반사되어 다시 위로 진행하여 활성층(13)에 다시 흡수되기도 하고 투명 전극(16)을 통하여 밖으로 빠져 나오기도 한다.
종래의 질화물계 발광 다이오드에서는, 활성층에서 발생한 빛이 외부로 빠져 나갈때, 질화물계 반도체 물질과 외부와의 굴절율 차이에 의해 전반사 조건이 발생하게 되어 전반사의 임계각 이상의 각도로 입사된 광은 외부로 빠져나가지 못하고 반사되어 다시 소자 내부로 들어오게 된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(30)에서 발생한 빛이 질화물계 반도체 물질(40)의 표면에 도달할 때, 입사되는 광의 입사각이 외부 굴절율과 질화물계 반도체 물질의 굴절율로 정해지는 임계각(θC) 이상인 경우는 광이 외부로 빠져나가지 못하고 소자 내부로 반사되며, 반사된 빛은 여러 경로를 거치면서 빛이 감쇄하게 된다.
여기서, 상기 임계각은 스넬의 법칙(Snell's Law)에 의해 정해지는데, 다음 식에 의해 구할 수 있다.
여기서, θC 는 임계각을 나타내며, N1 은 외부 굴절율, N2 는 소자 내부 굴절율을 나타낸다.
그리고, 발광 다이오드의 활성층에서 발생된 빛은 소자 내부를 진행하는 동안 흡수(Absorption) 및 산란 등에 의해 그 크기가 감소된다.
즉, 발광 다이오드의 활성층에서 발생하여 소자의 측면을 통하여 외부로 방출되는 빛은 소자의 상부면을 통하여 외부로 방출되는 빛보다 상대적으로 긴 거리를 진행하여야 하므로 흡수 및 산란 등에 의해 크기가 감소된다.
이와 같이, 발광 다이오드의 활성층에서 발생한 빛이 소자 내부로 전반사되거나 소자 내부를 진행하면서 흡수 및 산란되어 그 크기가 감소됨으로써, 광 적출 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 투명 전극(혹은 오믹층)부터 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성함으로써, 활성층에서 발생한 빛이 소자 내부에서 흡수 및 산란되어 일정한 크기 이하로 되기 전에 외부로 방출시켜 광 적출 효율을 향상시키는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 발광 다이오드의 일 실시예는, 기판 상부에 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고,
상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각되어 상기 n형 질화물 반도체층의 일부가 상부로부터 노출되어 있고,
상기 p형 질화물 반도체층 상부에 투명 전극이 형성되어 있고,
상기 투명 전극부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각된 복수개의 홈이 상호 이격하여 형성되어 있고,
상기 투명 전극 상부에 p-전극이 형성되어 있고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 일 실시예는, 기판 상부에 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 상부로부터 노출시키는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 투명 전극을 형성하는 단계와, 상기 투명 전극부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 상호 이격된 복수개의 홈을 형성하는 단계와, 상기 투명 전극 상부에 p-전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발광 다이오드의 다른 실시예는, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층, 오믹층이 순차적으로 형성되어 있고,
상기 오믹층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각된 복수개의 홈이 상호 이격되어 형성되어 있고,
상기 오믹층 상부에 도전성 지지막이 형성되어 있고,
상기 n형 질화물 반도체층 하부에 형성되는 n-전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발광 다이오드 제조방법의 다른 실시예는, 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층, 오믹층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 오믹층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성하는 단계와, 상기 오믹층 상부에 도전성 지지막을 형성하는 단계와, 상기 기판을 상기 n형 질화물 반도체층으로부터 제거하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층 하부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 발광 다이오드 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 발광 다이오드의 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차적으로 형성되어 있고,
상기 p형 질화물 반도체층(140)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부 분까지 메사(Mesa) 식각되어 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부가 상부로부터 노출되어 있고,
상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 투명 전극(150)이 형성되어 있고,
상기 투명 전극(150)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 식각된 복수개의 홈(180)이 상호 이격하여 형성되어 있고,
상기 투명 전극(150) 상부에 p-전극(160)이 형성되어 있고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상부에 n-전극(170)이 형성되어 이루어진다.
여기서, 상기 기판(100)으로는 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판 등이 사용되며, 특히 사파이어 기판이 대표적으로 사용된다.
상기 버퍼층(110)은 상기 기판(100)과 질화물 반도체 물질의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것으로, 저온 성장 GaN층 또는 AlN층이 사용된다.
상기 n형 질화물 반도체층(120)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 n-도핑된 반도체 물질로 이루어지며, 특히 n-GaN이 널리 사용된다.
상기 활성층(130)은 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조를 가지며, GaN 또는 InGaN으로 이루어질 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(140)은 상기 n형 질화물 반도체층(120)과 마찬가 지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 질화물 반도체 물질로 이루어지며, p-도핑된다.
상기 p형 질화물 반도체층(140)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못하다. 따라서, 이러한 오믹 특성을 개선하기 위해 투명 전극(150)을 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 형성한다.
상기 투명 전극(150)으로는 Ni/Au의 이중층으로 구성된 투명 전극층이 널리 사용되며, 상기 Ni/Au의 이중층으로 구성된 투명 전극층은 전류 주입 면적을 증가시키면서 오믹 콘택을 형성하여 순방향 전압(Vf)을 저하시킨다.
한편, 약 60% 내지 70%의 낮은 투과율을 보이는 상기 Ni/Au의 이중층 대신 투과율이 약 90% 이상인 것으로 알려진 TCO(Transparent Conducting Oxide)층을 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 형성할 수도 있다.
상기 p-전극(160) 및 상기 n-전극(170)은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다.
본 발명의 발광 다이오드는 광 적출 효율을 향상시키기 위해 상기 투명 전극(150)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 식각하여 형성되며, 상호 이격된 복수개의 홈(180)을 구비하고 있다.
상기 투명 전극(150)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 식각된 홈(180)을 구비함으로써, 활성층(130)에서 발생한 빛이 소자 내부를 진행하는 거리를 줄일 수 있게 되며, 빛이 소자 내부에서 흡수 및 산란되는 양을 줄일 수 있다.
즉, 종래의 발광 다이오드에서는 활성층에서 발생한 빛이 소자 내부를 진행하면서 소자 내의 물질층에 흡수 및 산란됨으로 인해 빛의 세기가 약해졌으며, 특히 소자의 측면으로 빠져나오는 빛의 경우 소자 내부에서 빛이 진행하는 거리가 길기 때문에 많은 양이 소자 내의 물질층에 흡수 및 산란되어 빛의 세기가 더욱 약해진다.
발광 다이오드에 있어서, 상기 활성층에서 발생한 빛은 소자 내부에서 진행하는 거리에 따라 빛의 세기가 감소하는데, 이는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
여기서, I는 빛이 거리 L만큼 진행하였을 때의 세기를 말하고, I0는 최초의 빛의 세기를 말하며, α는 물질의 흡수 계수(Absorption Coefficient)를 말한다.
상기 수학식 1에 의하면 활성층에서 발생한 빛의 세기는 소자 내부에서 진행하는 거리 및 흡수 계수(α)에 따라 지수함수적으로 감소하는데, 발광 다이오드의 물질을 변경한다는 것은 어려운 일이며, 소자 내부에서 진행하는 거리를 줄이는 것이 빛의 세기가 감소하는 것을 방지하는 대안이 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 투명 전극(150)부터 상기 n형 질화물 반도체층 (120)의 일부분까지 식각하여 상호 이격된 복수개의 홈(180)을 형성함으로써, 상기 활성층(130)에서 발생한 빛이 짧은 거리만 이동한 후, 외부로 방출될 수 있게 하였다.
이에 의하면, 상기 활성층(130)에서 발생한 빛이 소자 내부에서 흡수 및 산란되는 양을 줄일 수 있으며, 그로 인해 외부로 방출되는 빛의 세기를 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 복수개의 홈(180)들 간의 간격은 I/I0 가 0.5 이상이 되도록 형성하며, 상기 홈(180)의 폭은 1 ~ 10㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 상기 복수개의 홈(180)들 간의 간격이 I/I0 가 0.5 이상이 되도록 형성하면, 상기 활성층(130)에서 발생한 빛은 빛의 세기가 최초 빛의 세기의 절반 이하가 되기 전에 소자 외부로 빠져나가게 된다.
따라서, 상기 활성층(130)에서 발생한 빛이 소자 내부에서 흡수 및 산란됨으로 인해 빛의 세기가 일정한 세기 이하로 줄어드는 것을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 홈(180)의 내측면이 상기 기판(100)에 수직한 선을 기준으로 일정한 각도를 가지도록 형성하면 발광 다이오드의 광 적출 효율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
즉, 상기 홈(180)의 내측면이 수직선상을 기준으로 일정한 각도를 가지도록 형성하면, 상기 홈(180)의 내측면에서의 임계각을 높일 수 있으며 활성층(130)에서 발생한 빛이 상기 홈(180)의 내측면에 도달했을때, 소자 내부로 전반사되는 확률을 줄일 수 있다.
이때, 상기 홈(180)의 내측면은 수직선상을 기준으로 하였을때, 0 ~ 70 °의 경사를 가지도록 형성할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 실시예를 나타낸 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(200) 상부에 버퍼층(210), n형 질화물 반도체층(220), 활성층(230), p형 질화물 반도체층(240)을 순차적으로 형성한다(도 4a).
여기서, 상기 기판(200)으로는 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판 등을 사용하며, 바람직하게는 사파이어 기판을 사용한다.
그리고, 상기 기판(200) 상부에 형성되는 버퍼층(210), n형 질화물 반도체층(220), 활성층(230), p형 질화물 반도체층(240)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법과 같은 기상 증착법에 의해 성장시킨다.
다음으로, 상기 p형 질화물 반도체층(240)부터 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부분을 상부로부터 노출시킨다(도 4b).
사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형 성할 수 없기 때문에, 상기 p형 질화물 반도체층(240)부터 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보한다.
이어서, 상기 p형 질화물 반도체층(240) 상부에 투명 전극(250)을 형성한다(도 4c).
상기 투명 전극(250)은 전류 주입 면적을 증가시키면서 상기 p형 질화물 반도체층(240)과 오믹 콘택(Ohmic Contact)을 형성하여 순방향 전압(Vf)을 저하시켜 준다.
상기 투명 전극(250)으로는 Ni/Au의 이중층을 사용하거나, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO 등과 같은 TCO(Transparent Conducting Oxide)층을 사용할 수도 있다.
그 후, 상기 투명 전극(250)부터 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈(280)을 형성한다(도 4d).
즉, 상기 투명 전극(250) 상부에 포토 레지스트를 도포하고 패터닝한 후, 패터닝된 포토 레지스트를 식가 마스크로 하여 상기 투명 전극(250)부터 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 일부분까지 식각한다.
상기 식각은 ICP/RIE(Inductively Coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 방식으로 건식 식각하며, 상기 홈(280)의 폭은 1 ~ 10㎛ 정도가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 홈(280)의 내측면은 수직선상을 기준으로 하였을때, 0 ~ 70 °의 경사를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 홈(280)의 내측면의 경사는 포토 레지스트나 플라즈마의 바이어스(Bias) 또는 밀도(Density) 등에 의해 조절할 수 있다.
즉, 패터닝한 포토 레지스트의 온도를 조절하여 상기 포토 레지스트의 측면이 일정 각도의 경사를 가지도록 할 수 있으며, 이를 식각 마스크로 이용하면 상기 홈(280)의 내측면 각을 조절할 수 있다.
그리고, 플라즈마의 바이어스나 밀도 등을 변화시키면 플라즈마의 방향성을 조절할 수 있으므로 상기 홈(280)의 내측면 각을 조절할 수 있다.
연이어, 상기 투명 전극(250) 상부에 p-전극(260)을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(220) 상부에 n-전극(270)을 형성한다(도 4e).
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 있어서, 복수개의 홈의 형상을 나타낸 평면도이다. 복수개의 홈의 형상은 이에 도시된 형상들 외에 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
지금까지는 p-전극 및 n-전극이 같은 평면 상에 형성되는 수평 전극형 발광 다이오드에 대해서 살펴보았지만, 본 발명은 수직 전극형 발광 다이오드 즉, p-전극(도전성 지지막)이 발광 구조물의 상부에 형성되고 n-전극이 발광 구조물의 하부에 형성되는 발광 다이오드에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 발광 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, n형 질화물 반도체층(300), 활성층(310), p형 질화물 반도체층(320), 오믹층(330)이 순차적으로 형성되어 있고,
상기 오믹층(330)부터 상기 n형 질화물 반도체층(300)의 일부분까지 식각된 복수개의 홈이 상호 이격되어 형성되어 있고,
상기 오믹층(330) 상부에 도전성 지지막(340)이 형성되어 있고,
상기 n형 질화물 반도체층(300) 하부에 n-전극(350)이 형성되어 이루어진다.
여기서, 상기 오믹층(330)은 니켈(Ni)/금(Au)의 금속 박막으로 이루어지며, 이러한 니켈을 기본으로 하는 금속 박막은 산소 분위기에서 열처리 됨으로써 10-3~10-4Ωcm2 정도의 비접촉 저항을 갖는 오믹 접촉(Ohmic Contact)을 형성한다.
상기 오믹층(330)으로서 니켈(Ni)/금(Au)의 금속 박막을 사용하는 경우, 반사율이 높아 활성층(310)으로부터 방출되는 빛을 효과적으로 반사시킬 수 있으므로, 별도의 반사막(Reflector)을 형성하지 않아도 반사 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
상기 도전성 지지막(340)은 p-전극의 역할을 하게 되므로, 전기 전도도가 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용하며, 도전성 지지막(340) 형성시 전체 웨이퍼에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위해서는 어느 정도의 기계적 강도를 갖추어야 한다.
따라서, 상기 도전성 지지막(340)으로는 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 등의 열전도도가 좋은 연금속과 상기 금속들과 결정 구조 및 결정 격자 상수가 유사하여 합금시 내부 응력 발생을 최소화할 수 있으면서 기계적 강도가 있는 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 등 경금속의 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 발광 다이오드의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 사파이어 기판(400) 상부에 n형 질화물 반도체층(410), 활성층(420), p형 질화물 반도체층(430), 오믹층(440)을 순차적으로 형성한다(도 7a).
다음으로, 상기 오믹층(440)부터 상기 n형 질화물 반도체층(410)의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈(480)을 형성한다(도 7b).
이어서, 상기 오믹층(440) 상부에 도전성 지지막(450)을 형성한다(도 7c).
그 후, 상기 사파이어 기판(400)을 상기 n형 질화물 반도체층(410)으로부터 분리시킨다(도 7d). 여기서, 상기 사파이어 기판(400)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off : LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
특히, 상기 기판(400)의 제거는 레이저 리프트 오프 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 사파이어 기판(400)에 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레 이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 사파이어 기판(400)과 상기 n형 질화물 반도체층(410)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 상기 n형 질화물 반도체층(410)의 계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 사파이어 기판(400)의 분리가 일어난다.
다음으로, 상기 n형 질화물 반도체층(410) 하부에 n-전극(460)을 형성한다(도 7e).
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, 투명 전극(혹은 오믹층)부터 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성함으로써, 활성층에서 발생한 빛이 소자 내부를 진행하는 거리를 작게 하여 외부로 방출되는 빛의 세기가 감소하는 것을 방지할 수있다.
그리고, 상기 홈의 내측면을 수직선상을 기준으로 하여 경사를 가지도록 함으로써, 상기 홈의 내측면에서의 임계각을 높일 수 있으며 활성층에서 발생한 빛이 상기 홈의 내측면에 도달했을때, 소자 내부로 전반사되는 확률을 줄일 수 있어 광 적출 효율을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- 기판 상부에 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고,상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각되어 상기 n형 질화물 반도체층의 일부가 상부로부터 노출되어 있고,상기 p형 질화물 반도체층 상부에 투명 전극이 형성되어 있고,상기 투명 전극부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각된 복수개의 홈이 상호 이격하여 형성되어 있고,상기 투명 전극 상부에 p-전극이 형성되어 있고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극이 형성되어 이루어지는 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서,상기 투명 전극은 Ni/Au의 이중층 또는 ITO(Indium Tin Oxide)층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층, 오믹층이 순차적으로 형성되어 있고,상기 오믹층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각된 복수개의 홈이 상호 이격되어 형성되어 있고,상기 오믹층 상부에 도전성 지지막이 형성되어 있고,상기 n형 질화물 반도체층 하부에 형성되는 n-전극을 포함하여 이루어지는 발광 다이오드.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 홈의 폭은 1 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 홈은 스트라이프형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 홈의 내측면은 수직선상을 기준으로 0 ~ 70 °의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 기판 상부에 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 상부로부터 노출시키는 단계;상기 p형 질화물 반도체층 상부에 투명 전극을 형성하는 단계;상기 투명 전극부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 상호 이격된 복수개의 홈을 형성하는 단계; 및상기 투명 전극 상부에 p-전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광 다이오드의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 투명 전극부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지의 식각은 ICP/RIE(Inductively Coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 방식으로 수행하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
- 기판 상부에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층, 오믹층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 오믹층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 식각하여 복수개의 상호 이격된 홈을 형성하는 단계;상기 오믹층 상부에 도전성 지지막을 형성하는 단계;상기 기판을 상기 n형 질화물 반도체층으로부터 제거하는 단계; 및상기 n형 질화물 반도체층 하부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광 다이오드의 제조방법.
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