KR20070091828A - 나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의제조방법 - Google Patents

나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로서, 발광 다이오드의 표면에 복수개의 나노콘을 에피 성장시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 복수개의 나노콘을 질화물 박막의 성장 단계에서 함께 성장시킴으로써, 별도의 식각 공정 없이 소자의 표면에 거칠기를 형성할 수 있어 제조 공정이 단순하고 제조 시간을 줄일 수 있게 된다.
그리고 발광 다이오드 표면에 피라미드 형상의 복수개의 나노콘을 형성함으로써, 활성층에서 발생한 빛이 소자의 표면에 도달할때 소자 내부로 전반사되어 소모되는 빛을 줄일 수 있으며, 그로 인해 소자의 광 적출 효율을 향상시킬 수 있다.
광 적출 효율, 전반사, MOCVD, 나노콘

Description

나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의 제조방법{ Growth method of nanocone and Fabricating method of light emitting diode using the same}
도 1은 종래의 질화물계 발광 다이오드의 단면도.
도 2는 활성층에서 발생한 빛이 질화물계 반도체 표면에서 전반사되는 상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 나노콘 성장방법에 있어서, 성장시간-성장온도 관계를 나타낸 그래프.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 나노콘의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 기판 110 : 버퍼층
120 : n형 질화물 반도체층 130 : 활성층
140 : p형 질화물 반도체층 150 : 나노콘
160 : p-전극 170 : n-전극
본 발명은 나노콘(Nanocone) 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 발광 다이오드의 표면에 복수개의 나노콘을 에피 성장시킴으로써, 소자의 광 적출 효율을 향상시키는 나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의 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.
현재까지 시도되고 있는 방법은 주로 상부 전극의 투과율을 증진시키거나, 사파이어 기판이나 소자의 측면으로 방출되는 광을 상부로 모아주도록 소자 외부에 반사판을 두는 형식이 주를 이루고 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 같이, 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 활성층(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 빠져나기지 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, 다음식에 의해 구할 수 있다.
sinθC = N1/N2
여기서, θC 는 임계각을 나타내며, N1 은 외부 굴절율, N2 는 소자 내부 굴절율을 나타낸다.
이와 같이, 종래의 질화물계 발광 다이오드는 활성층에서 발생한 빛이 질화물계 반도체 물질의 표면에 도달하는 경우 다시 소자 내부로 전반사되어 소모됨으로써 광 추출 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 발광 다이오드의 표면을 식각하여 표면에 거칠기를 형성하는 방법이 제안되었으나, 소자 박막을 성장시킨 후 추가적인 식각 공정을 수행함으로써 제조 공정이 복잡해지고 제조 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 질화물계 박막을 성장시키는 단계에서 복수개의 나노콘을 함께 성장시킴으로써, 별도의 식각 공정 없이 소자의 표면에 거칠기를 형성하는 나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 나노콘 성장방법의 실시예는, 기판을 열처리하는 단계와, 제1 성장온도에서 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체를 일정한 분량으로 주입하여, 상기 기판 상부에 질화물 박막을 성장시키는 단계와, 상기 제1 성장온도보다 낮은 제2 성장온도에서 상기 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체의 주입되는 분량을 줄여, 질화물 박막 상부에 복수개의 나노콘(Nanocone)을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법의 실시예는, 기판 상부에 제1 성장온도에서 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체를 일정한 분량으로 주입하여 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하는 단계와, 상기 제1 성장온도보다 낮은 제2 성장온도에서 상기 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체의 주입되는 분량을 줄여, 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 복수개의 나노콘(Nanocone)을 형성하는 단계와, 상기 복수개의 나노콘의 일부를 제거하고 상기 나노콘이 제거된 영역의 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 p-전극을 형성하고, 상기 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 3 내지 도 6를 참조하여 본 발명의 나노콘 성장방법 및 이를 이용한 발광 다이오드 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 나노콘 성장방법에 있어서, 성장시간-성장온도 관계를 나타낸 그래프이다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 1100 ℃의 온도에서 사파이어 기판을 10분 동안 수소 분위기에서 열처리하여 사파이어 기판 표면의 산화막을 제거한 후, 암모니아(NH3) 가스를 주입하여 사파이어 기판을 질화(Nitridation)시킨다.
다음으로, 성장용 챔버(Chamber) 내의 온도(성장온도)를 500 ℃로 낮추고 저온 GaN 버퍼층을 성장시킨다.
일반적으로 GaN과 같은 질화물 반도체 물질은 격자 상수 및 열팽창 계수가 일치하는 기판이 존재하지 않기 때문에 통상 사파이어 기판 상에 성장시킨다.
이때, 사파이어 기판과 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질과의 격자 상수 및 열 팽창 계수 차이를 완화시켜 결정성 저하를 방지하기 위해 저온에서 얇은 두께의 버퍼층을 형성한다.
상기 저온 버퍼층은 유기금속화학기상증착(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)법 또는 분자빔 성장(Molecular Beam Epitaxy : MBE)법을 이용하여 성장시킨다.
상기 저온 버퍼층으로는 GaN층뿐만 아니라, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)으로 이루어지는 물질을 사용할 수 있으며, 저온 버퍼층의 성장온도는 500 ~ 600 ℃로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 성장용 챔버 내의 온도를 900 ~ 1100 ℃의 온도로 높인 후(여기서는 1060 ℃로 하였다), AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)의 조성식을 가지는 질화물계 박막을 60분 이상 성장시킨다.
이때, 1060 ℃의 온도에서 바로 질화물계 박막을 성장시키는 것보다 버퍼층을 수분간 열처리한 후, 질화물계 박막을 성장시키는 것이 더 바람직하다.
사파이어 기판 상에 GaN 버퍼층을 저온에서 성장시키면, 평탄하지 않은 칼럼(Column) 형태의 GaN 결정이 일차 성장된다.
그리고, 상기 GaN 결정을 근간으로 하여 고온에서 성장되는 결정은 측면으로 평탄하게 성장되기 시작하며, 어느 정도 두께의 결정이 성장된 후에는 비교적 평탄한 단결정의 결정 성장이 가능하게 된다.
상기 버퍼층 상부에 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물계 박막을 성장시키는 경우, Al의 소스(Source)로서 TMAl(Tri-Methyl-Aluminum) 또는 TEAl(Tri-Eethyl-Aluminum)을 사용하고, In의 소스로서 TMIn(Tri- Methyl-Indium) 또는 TEIn(Tri-Eethyl-Indium)을 사용하며, Ga의 소스로서 TMGa(Tri-Methyl-Gallium) 또는 TEGa(Tri-Eethyl-Gallium)을 사용한다.
그리고, N의 소스로서 NH3 나 N2 가스를 사용하며, Al, In 및 Ga의 소스를 실어 나르는 캐리어 가스로 수소(H2) 가스를 사용한다.
예를 들어 GaN 박막을 성장시키는 경우, 수소 가스를 사용하여 반응 전구체인 TMGa(Tri-Methyl-Gallium) 및 NH3 기체를 각각 반응기내로 1 ~ 50 sccm 및 1000 ~ 2000 sccm의 속도로 주입한 후, 버퍼층 상부에 상기 물질들을 화학 반응시켜 GaN 박막을 성장 시킨다.
이때, 운반 기체인 상기 수소 가스의 양은 1500 ~ 3000 sccm으로 하는 것이 바람직하다.
여기서, p-타입의 GaN 박막의 경우, (C5H5)2Mg(비스사이클로펜타디에닐 마그네슘)을 반응기내로 주입하여 Mg이 도핑된 GaN 박막을 증착시킨 후, 열처리하여 활성화시킴으로써, p-타입의 GaN 박막을 성장시킨다.
그리고, n-타입의 GaN 박막의 경우, SiH4(실란, Silane)을 반응기내로 주입하여 Si이 도핑된 GaN 박막을 증착시킨 후, 열처리하여 활성화시킴으로써, n-타입의 GaN 박막을 성장시킨다.
상기 질화물계 박막을 성장시키는 단계에서는, 저온 버퍼층 상부에 n-타입의 질화물 반도체층, 활성층, p-타입의 질화물 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광 구조물을 형성할 수 있다.
그 후, 성장용 챔버 내의 온도를 400 ~ 900 ℃의 온도로 낮춘 후, 질화물계 박막 상부에 복수개의 나노콘(Nanocone)을 10 ~ 40분 동안 성장시킨다.
이때, 수소 가스를 사용하여 반응 전구체인 TMGa(Tri-Methyl-Gallium) 및 NH3 기체를 각각 반응기내로 1 ~ 50 sccm 및 100 ~ 1000 sccm의 속도로 주입하고, 운반 기체인 수소 가스의 양을 절반 이상 줄여 300 ~ 1000 sccm의 속도로 주입하여 질화물계 박막 상부에 복수개의 나노콘을 성장시킨다.
여기서, 상기 나노콘은 600 ~ 800 ℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 나노콘의 크기는 10㎚ ~ 1000㎚ 로 하는 것이 바람직하다.
상기 나노콘을 성장시키는 경우, 질화물계 박막을 성장시킬때 보다 성장온도를 낮추고 NH3 기체의 유량을 줄이는데 이렇게 함으로써 피라미드 형상의 나노콘을 형성할 수 있게 된다.
즉, 성장 온도를 낮추고 NH3 기체의 유량을 줄여 수평 성장보다 수직 성장이 우세하도록 함으로써, 나노콘을 성장시킨다. 여기서, NH3 기체의 유량은 질화물계 박막을 성장시키는 경우의 1/3 ~ 1/2 수준에서 공급한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이 먼저, 기판(100) 상부에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)을 순차적으로 적층한다(도 4a).
상기 기판(100)으로는 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판, 쿼츠(Quartz) 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 마찬가지로, 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.
그리고, 상기 기판(100) 상부에 형성되는 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법과 같은 기상 증착법에 의해 성장시킨다.
여기서, 상기 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)은 700 ~ 1100 ℃의 온도에서 성장시킨다.
다음으로, 상기 p형 질화물 반도체층(140)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부를 상부로부터 노출시킨다(도 4b).
사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상기 p형 질화물 반도체층(140)부터 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보한다.
여기서, 메사 식각 공정 후 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 투명 전극을 더 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
즉, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못한데, 이러한 오믹 특성을 개선하기 위해 투명 전극(150)을 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 형성한다.
상기 투명 전극은 Ni/Au의 이중층으로 이루어지거나 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어지며, 상기 투명 전극은 전류 주입 면적을 증가시키면서 오믹 콘택을 형성하여 순방향 전압(Vf)을 저하시킨다.
이어서, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 복수개의 나노콘(150)을 성장시킨다(도 4c).
상기 나노콘(150)은 400 ~ 900 ℃의 저온에서 성장시키되, 특히 600 ~ 800 ℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하며, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성장시킨다.
상기 나노콘(150)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 질화물 반도체 물질로 이루어지며, 상기 나노콘(150)의 크기는 10㎚ ~ 1000㎚ 로 하는 것이 바람직하다.
상기 나노콘(150)은 상기 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)과는 달리 400 ~ 900 ℃의 저온과 적은 유량의 NH3 기체의 공급 조건하에서 성장시킨다.
이와 같이, 온도와 NH3 유량을 조절함으로써, p형 질화물 반도체층(140) 상부에 복수개의 나노콘(150)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 나노콘(150)을 성장시킬때, 수평 및 수직 성장 비율을 조절하여 피라미드 형상을 형성할 수 있는데, 이때 조절 변수로는 성장 온도 및 NH3 유량 등이 있다.
여기서, 성장 온도를 높이고, NH3 의 유량을 늘리면 수평 성장이 증가하며, 성장 온도를 낮추고, NH3 의 유량을 줄이면 수직 성장이 증가하게 되는데, 이러한 성장 변수를 조절함으로써, 상기 나노콘(150)의 형상을 만들수 있다.
다음으로, 상기 복수개의 나노콘(150)의 일부를 제거하고, 나노콘(150)이 제 거된 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상부에 p-전극(160)을 형성한 후, 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상부에 n-전극(170)을 형성한다(도 4d).
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 다이오드 제조방법에서는 복수개의 나노콘을 질화물 박막의 성장 단계에서 함께 성장시킴으로써, 별도의 식각 공정 없이 소자의 표면에 거칠기를 형성할 수 있어 제조 공정이 단순하고 제조 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(200) 상부에 n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), p형 질화물 반도체층(230)을 순차적으로 적층한다(도 5a).
다음으로, 상기 p형 질화물 반도체층(230) 상부에 오믹층(240)과 도전성 지지막(250)을 순차적으로 형성한다(도 5b).
여기서, 상기 오믹층(240)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(240)으로서 니켈(Ni)/금(Au)의 금속 박막을 사용하는 경우, 반 사율이 높아 활성층(220)으로부터 방출되는 빛을 효과적으로 반사시킬 수 있으므로, 별도의 반사막(Reflector)을 형성하지 않아도 반사 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
상기 도전성 지지막(250)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(250) 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(250)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.
이어서, 상기 기판(200)을 상기 n형 질화물 반도체층(210)으로부터 분리시킨다(도 5c). 여기서, 상기 기판(200)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(200)의 제거는 레이저 리프트 오프 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 기판(200)에 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(200)과 상기 n형 질화물 반도체층(210)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 상기 n형 질화물 반도체층(210)의 계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(200)의 분리가 일어난다.
다음으로, 상기 n형 질화물 반도체층(210) 상부에 복수개의 나노콘(260)을 성장시킨다(도 5d).
상기 나노콘(260)은 400 ~ 900 ℃의 저온에서 성장시키되, 특히 600 ~ 800 ℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하며, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성장시킨다.
상기 나노콘(260)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 질화물 반도체 물질로 이루어지며, 상기 나노콘(260)의 크기는 10㎚ ~ 1000㎚ 로 하는 것이 바람직하다.
상기 나노콘(260)은 상기 n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220) 및 p형 질화물 반도체층(230)과는 달리 400 ~ 900 ℃의 저온과 적은 유량의 NH3 기체의 공급 조건하에서 성장시킨다.
이어서, 상기 복수개의 나노콘(260)의 일부를 제거하고, 나노콘(260)이 제거된 상기 n형 질화물 반도체층(210) 상부에 n-전극(270)을 형성한다(도 5e).
도 6은 본 발명에 따른 나노콘의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)사진이다.
이에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 표면에 복수개의 나노콘을 형성함으로써, 활성층에서 발생한 빛이 소자의 표면에 도달할때 소자 내부로 전반사되어 소모되는 빛을 줄일 수 있게 된다.
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.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 복수개의 나노콘을 질화물 박막의 성장 단계에서 함께 성장시킴으로써, 별도의 식각 공정 없이 소자의 표면에 거칠기를 형성할 수 있어 제조 공정이 단순하고 제조 시간을 줄일 수 있게 된다.
그리고 발광 다이오드 표면에 피라미드 형상의 복수개의 나노콘을 형성함으로써, 활성층에서 발생한 빛이 소자의 표면에 도달할때 소자 내부로 전반사되어 소모되는 빛을 줄일 수 있으며, 그로 인해 소자의 광 적출 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판을 열처리하는 단계;
    제1 성장온도에서 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체를 일정한 분량으로 주입하여, 상기 기판 상부에 질화물 박막을 성장시키는 단계; 및
    상기 제1 성장온도보다 낮은 제2 성장온도에서 상기 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체의 주입되는 분량을 줄여, 상기 질화물 박막 상부에 복수개의 나노콘(Nanocone)을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 나노콘 성장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 열처리 한 후, 상기 기판 상부에 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)으로 이루어지는 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 성장온도는 900 ~ 1100℃ 이며, 상기 제2 성장온도는 600 ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노콘의 성장 단계에 있어서,
    Ⅲ족 반응 전구체로는 TMGa(Tri-Methyl-Gallium) 또는 TEGa(Tri-Eethyl-Gallium)을 사용하고, Ⅴ족 반응 전구체로는 NH3 기체를 사용하며, 상기 Ⅲ족 및 Ⅴ족 반응 전구체의 주입양은 상기 질화물 박막을 성장시키는 경우의 1/3 ~ 1/2 정도로 주입하는 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노콘의 크기는 10㎚ ~ 1000㎚인 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노콘은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노콘은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법.
  8. 기판 상부에 제1 성장온도에서 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체를 일정한 분량으로 주입하여 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층부터 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분까지 메사(Mesa) 식각하는 단계;
    상기 제1 성장온도보다 낮은 제2 성장온도에서 상기 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 반응 전구체의 주입되는 분량을 줄여, 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 복수개의 나노콘(Nanocone)을 형성하는 단계; 및
    상기 복수개의 나노콘의 일부를 제거하고 상기 나노콘이 제거된 영역의 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 p-전극을 형성하고, 상기 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 상부에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 성장온도는 700 ~ 1100℃ 이며, 상기 제2 성장온도는 400 ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 나노콘 성장방법을 이용한 발광 다이오드의 제조방법.
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