KR20080061695A

KR20080061695A - 양극 알루미늄산화층을 이용한 산란 중심을 구비하는 발광소자 제조방법 및 그 발광 소자

Info

Publication number: KR20080061695A
Application number: KR20060136681A
Authority: KR
Inventors: 윤여진; 김창연
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-03
Also published as: KR101316120B1

Abstract

본 발명은 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이의 활성층을 기판 위에 형성시켜 이루어진 발광 소자를 제조하는 방법에 있어서, 기판위에 제 1 도전형 반도체층을 1차 성장시키는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 알루미늄층을 형성하는 단계와, 양극산화처리를 수행하여 상기 알루미늄층에 다수의 홀이 형성된 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하는 단계와, 상기 다수의 홀이 형성된 알루미늄층을 새도우 마스크로 하여 상기 제 1 도전형 반도체층의 일부가 식각되도록 패터닝 식각하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 남아있는 알루미늄층을 제거하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층을 2차 성장시키는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 발광 소자에서 활성층에 의해 생성된 광이 제 1 도전형 반도체층내에 제 1 도전형 반도체층과 굴절율이 다른 공기층으로 이루어진 산란 중심에 의해 산란되어 효율적으로 외부로 방출될 수 있으므로 광효율이 향상된다.

AAO, 굴절율, 산란중심, 반도체, LED, 절연층, 반사

Description

양극 알루미늄산화층을 이용한 산란 중심을 구비하는 발광 소자 제조방법 및 그 발광 소자{FABRICATION METHOD OF LIGHT EMITTING DEVICE HAVING SCATTERING CENTER USING ANODIC ALUMINUM OXIDE AND LIGHT EMITTING DEVICE THEREBY}

도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2 내지 도 8은 도 1에 도시된 발광다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 단면도들.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판 210: 버퍼층

220: N형 반도체층 222: 제 1 N형 반도체층

224: 산란 중심 226: 제 2 N형 반도체층

240: 활성층 260: P형 반도체층

320: 투명전극층 330, 340 : 전극 패드

본 발명은 양극 알루미늄산화층을 이용한 산란 중심을 구비하는 발광 소자 제조방법 및 그 발광 소자에 관한 것이다.

대표적인 발광 소자인 발광다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산하도록 구성된다. 위와 같은 발광다이오드로는 GaN계 발광다이오드가 공지되어 있다. GaN계 발광다이오드는 예컨대, 사파이어 또는 SiC 등의 소재로 이루어진 기판 위에 GaN계의 N형 반도체층, 활성층(또는, 발광층), P형 반도체층을 순차적으로 적층 형성하여 제조된다.

발광다이오드에서는 광이 생성되면 전체 외부로 방출되지 않고 내부에서 손실되는 광이 많다. 따라서, 발광다이오드의 광효율을 높이기 위해서는 발광다이오드에서 생성되는 광이 반도체 내부에서 손실되지 않고 가능한 외부로 방출되게 하는 것이 필요하다.

본 발명은 이러한 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광다이오드에서 생성되는 광이 내부에서 손실되지 않고 내부반사에 의해 외부로 방출시킬 수 있도록 반도체층내에 양극 알루미늄산화층을 새도우마스크로 이용하는 식각을 통해 공기층으로 이루어진 다수의 산란 중심을 구비하여 반도체층과층의 굴절율 차이를 가지는 공기층의 산란 중심을 통해 광이 산란되어 외부로 방출되는 광량을 늘리는 데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이의 활성층을 기판 위에 형성시켜 이루어진 발광 소자를 제조하는 방법에 있어서, 기판위에 제 1 도전형 반도체층을 1차 성장시키는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 알루미늄층을 형성하는 단계와, 양극산화처리를 수행하여 상기 알루미늄층에 다수의 홀이 형성된 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하는 단계와, 상기 다수의 홀이 형성된 알루미늄층을 새도우 마스크로 하여 상기 제 1 도전형 반도체층의 일부가 식각되도록 패터닝 식각하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 남아있는 알루미늄층을 제거하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층을 2차 성장시키는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체층위에 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 위에 형성된 활성층과, 상기 활성층 위에 형성된 제 2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 도전형 반도체층에는 공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심이 포함되어 있는 발광 소자를 제공한다.

바람직하게 상기 제 1 도전형 반도체층은 공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심을 포함하는 제 1층과, 상기 제 1 층위에 형성된 제 2 층을 포함할 수 있 다.

바람직하게 상기 공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심은 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 새도우 마스크로 이용하는 식각을 통해 상기 제 1 도전형 반도체층에 형성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드(1)는 베이스를 이루는 기판(100)을 포함하며, 그 기판(100) 위에는 N형 반도체층(220), 활성층(240) 및 P형 반도체층(260)을 포함하는 발광셀(200)이 형성된다.

본 실시예의 발광다이오드(1)가 하나의 발광셀을 포함하지만 복수의 발광셀을 포함하여 교류 전원에 의해 동작될 수 있는 발광다이오드 또한 본 발명의 범위 내에 있다. 한편, 발광셀은 메사(mesa) 형성에 의해 N형 반도체층(220) 일부가 위쪽으로 노출되며 그 노출되는 부분에는 N형 전극패드(330)가 형성된다. 그리고, 기판(100)은 사파이어 소재로 이루어지는 것이 바람직하지만, 사파이어 소재에 비해 열전도율이 큰 SiC 등과 같은 다른 소재로 이루어질 수도 있다.

도시된 바와 같이, 활성층(240)은 메사 형성에 의해 N형 반도체층(220)의 일부 영역 위에 한정적으로 형성되며, 활성층(240) 위로는 P형 반도체층(260)이 형성된다. 따라서, N형 반도체층(220)의 상면 일부 영역은 활성층(240)과 접합되어 있으며, 상면의 나머지 일부 영역은 외부로 노출된다. 본 실시예에서, N형 반도체층(220) 일부가 N형 전극패드 형성을 위해 일부가 제거된 형태로 이루어지지만, N형 반도체층(220) 아래의 기판을 제거한 수직형의 발광다이오드 또한 본 발명의 범위 내에 있다.

N형 반도체층(220)은 N형 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(260)은 P형 Al_xIn_yGa₁ _-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, P형 클래드층을 포함할 수 있다. N형 반도체층(220)은 실리콘(Si)을 도펀트로 첨가하여 형성된다. 그리고, P형 반도체층(260)은 예를 들면, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)과 같은 도펀트가 첨가되어 형성될 수 있다.

특히, N형 반도체층(220)은 공기층으로 이루어진 다수의 산란 중심(224)을 포함하고 있다. 산란 중심(224)은 양극 알루미늄산화층을 이용한 식각에 의해 N형 반도체층(220)내에 생성된 공기층으로 이루어져 있다.

N형 반도체층과 굴절율이 다른 공기층으로 이루어진 다수의 산란 중심(224)에 의해 N형 반도체층(220)내부에서의 산란 효과를 극대화할 수 있다. 이와 같은 N 형 반도체층(220)의 구성에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

또한, P형 반도체층(260) 윗면에는 Ni/Au, ITO, 또는 ZnO 등의 금속 또는 금속산화물로 이루어진 투명전극층(320)이 형성되며, 그 투명전극층(320) 윗면 일부 영역에는 P형 전극패드(340)가 형성될 수 있다.

활성층(240)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(240)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광셀(200)에서 추출되는 발광 파장이 결정된다. 활성층(240)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 장벽층과 우물층은 일반식 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.

또한, 기판(100)과 N형 반도체층(220) 사이에 버퍼층(210)이 개재될 수 있다. 버퍼층(210)은 그 상부에 형성될 반도체층들과 기판(100) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 또한, 기판(100)이 전도성인 경우, 버퍼층(210)은 기판(100)과 발광셀(200)을 전기적으로 절연시키기 위해, 절연물질 또는 반절연물질로 형성된다. 버퍼층(210)은 예컨대 AlN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다. 한편, 기판(100)이 사파이어와 같이 절연성인 경우, 버퍼층(210)은 도전성 물질로 형성될 수 있다.

앞서 간략하게 언급된 바와 같이, N형 반도체층(220)은 성장되는 순서에 따라 제 1 N형 반도체층(222)과 그 위의 제 2 N형 반도체층(226)으로 구성된다. 그리고, 제 1 N형 반도체층(222)과 제 2 N형 반도체층(226) 사이에는 양극 알루미늄산 화층을 이용한 식각에 의해 형성된 공기층으로 이루어진 다수의 산란 중심(224)이 마련된다.

산란 중심(224)은 제 1 N형 반도체층(222)을 성장시킨 다음 제 1 N형 반도체층(222)위에 알루미늄층을 양극산화처리과정을 통해 다수의 홀이 형성된 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하고, 다수의 홀이 형성된 알루미늄층을 새도우마스크로 사용하여 제 1 N형 반도체층(222)을 식각을 수행하여 다수의 홈을 가지는 패턴을 형성하고, 그 위에 제 2 N형 반도체층(226)을 성장시킴으로써 패턴 사이의 홈들은 채워지지 않은 채 공기층으로 남겨서 형성된다.

산란 중심(224)은 N형 반도체층내에 N형 반도체 물질과 다른 굴절률을 갖는 공기층을 형성함으로써 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사시키는 반사경의 기능을 수행한다.

따라서, 산란 중심(224)은 활성층(240)에서 발생된 광이 반도체층내에서 손실되는 것을 줄일 수 있고, 산란 중심(224)에 의해 산란이 효율적으로 일어나도록 하여 발광다이오드의 외부로 방출되게 한다.

이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 설명한다.

도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 버퍼층(210)을 형성하고, 버퍼층(210) 상에 제 1 N형 반도체층(222)을 형성한다. 버퍼층(210) 및 제 1 N형 반도체층(222)은 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 방식으로 형성되는 것이 바람직하지만, 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성될 수 있다. 그 리고, 버퍼층(210)과 제 1 N형 반도체층(222)은 동일한 공정 챔버 내에서 연속적으로 형성된다.

특히, 제 1 N형 반도체층(222)은 Si 도펀트를 첨가하여 형성된 층으로서, 버퍼층(210)이 형성된 기판(100) 위에서 수직방향으로 성장하여 형성된다. 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD)을 거쳐 N형 반도체층을 기판 위에 성장시킨다.

그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 N형 반도체층(222) 윗면에 알루미늄층(20)을 형성한다.

알루미늄층(20)은 500 나노미터 이상 3 마이크로미터 이하의 두께로 고순도 알루미늄(99.999% Al)을 열증착기, 이빔 증착기, 스퍼터링, 레이저 증착기 등의 공지된 증착방법을 이용하여 증착한다. 알루미늄층(20) 증착 이후에 300 내지 500℃에서 진공, 질소, 또는 아르곤 등의 분위기에서 열처리한다. 알루미늄층(20)에 대한 열처리공정을 생략될 수 있음은 물론이다.

알루미늄층(20)을 증착한 후 알루미늄층(20)을 적어도 1회 이상의 양극산화처리에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 홀(21)을 갖는 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성한다. 여기서 홀(21)은 제 1 N형 반도체층(222)의 표면까지 형성된다.

알루미늄층(20)에 무수한 홀(21)을 가지는 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하는 공정을 설명하면, 먼저, 알루미늄층(20)을 1차 양극산화처리한다.

여기서 양극산화처리는 산성용액에 알루미늄층(20)이 침적되게 하고, 발광구 조체에 바이어스를 인가하는 것을 말한다.

산성용액은 인산(phosphoric acid), 옥살산(oxalic acid), 황산(sulfuric acid) 용액 중에서 선택된 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다.

1차 양극산화처리 과정을 거치면 전기 화학적 반응에 의해 알루미늄층(20)이 표면으로부터 내측으로 산화되면서 표면으로부터 내부쪽으로 골이 형성된다.

다음은 1차 양극산화처리에 의해 산화된 부분을 에칭액 예를 들면, 인산과 크롬산이 혼합된 용액으로 제거한다. 알루미늄층(20) 중 산화된 부분을 제거하면 1차 양극산화처리과정에서 형성된 골에 대응되게 잔류된 알루미늄층(20)의 표면이 규칙적으로 골을 갖게 된다.

이후 다시 산성용액 속에서 잔류된 알루미늄층을 2차 양극 산화처리하여 도 4에 도시된 바와 같이 1차 양극산화처리과정에서 형성된 골에 대응되는 위치에 제 1 N형 반도체층(222)의 표면까지 다수의 홀(21)을 형성시킨다.

이와는 다르게 1차 양극산화처리 과정만으로 알루미늄층(20)을 제 1 N형 반도체층(222)의 상면까지 연장되며 규칙적으로 어레이된 홀(21)을 갖는 알루미늄 산화층을 형성하는 경우 앞서 설명된 1차 양극산화처리 과정 이후의 나머지 과정은 생략될 수 있음은 물론이다. 또 다르게는 앞서와 같은 방법에 의해 양극산화처리과정을 3회 이상 반복하는 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.

이러한 양극산화처리과정을 상호 다른 산성용액 즉, 인산, 옥살산 및 황산을 각각 이용하여 형성한 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)이 형성된 알루미늄층(20)에 대해 촬상한 사진이 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 다수의 홀(21)을 갖는 알루미늄 산화층이 형성되고, 인가되는 전압과 적용되는 산성용액에 따라 홀의 크기가 달라질 수 있다.

한편, 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)의 홀(21) 크기는 양극 산화처리과정의 인가전압, 수용액, 적용시간을 조절하면 홀의 크기를 조절할 수 있다. 산성용액으로 적용한 옥살산에 침적하여 바이어스를 인가한 상태에서 시간의 경과에 따라 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO) 홀의 직경이 확대될 수 있다.

이렇게 홀(21)을 갖는 알루미늄층(20)은 이후의 공정에서 새도우마스크 역할을 한다.

원하는 크기의 홀(21)이 규칙적으로 어레이된 알루미늄층(20)을 형성한 다음에는 알루미늄층(20)의 홀(21)을 통해 노출된 제 1 N형 반도체층(222)의 표면을 일정 깊이 식각한다. 제 1 N형 반도체층(222)의 표면 식각은 건식 또는 습식 등 적절한 방법을 적용하면 된다.

이후 알루미늄층(20)을 제거하면 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 N형 반도체층(222)에 500나노미터 이하의 크기의 홈(224)이 규칙적으로 형성된다. 이렇게 형성된 홈(224)이 산란 중심의 기능을 수행한다.

도 7을 참조하면 산란 중심(224)이 형성된 제 1 N형 반도체층(222) 위로 제 2 N형 반도체층(226)이 형성된다. 제 2 N형 반도체층(226)의 성장은 전술한 공정챔버 내에서 MOCVD 방식으로 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 2 N형 반도체층(226)이 GaN으로 이루어지고, 제 1 N형 반도체층(222)내에 형성된 홈(224)은 직경이 충분히 작기 때문에 속이 빈 상태에서 제 2 N형 반도체층(226)이 덮여지게 되어 홈(224)은 그대로 공기층으로 남게 되어 산란 중심의 역할을 수행하게 된다.

그 다음, 동일 공정 챔버 내에서, 제 2 N형 반도체층(226) 윗면에 활성층(240) 및 P형 반도체층(260)이 순차적으로 형성되어 도 8과 같은 적층 구조가 된다. 이 때, P형 반도체층(260)에는 예를 들면, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)과 같은 P형 도펀트가 첨가된다.

그 다음, 도시되어 있지는 않지만, P형 반도체층(260) 윗면에 Ni/Au, ITO, ZnO 등으로부터 선택된 투명전극층(320; 도 1 참조)을 형성하는 공정과 N형 반도체층(220) 일부를 노출시키기 위해 메사를 형성하는 공정과 투명전극층(320)과 N형 반도체층(220)의 노출영역에 각각 P형 전극패드(340) 및 N형 전극패드(330)를 형성하는 공정이 수행될 수 있으며, 이에 의해, 도 1에 도시된 것과 같은 구조의 발광다이오드가 제조될 수 있다.

대안적으로, 기판(100)을 발광셀로부터 제거하는 공정을 취함으로써 상하로 P형 전극과 N형 전극이 제공되는 수직형 발광다이오드가 제조될 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

본 발명에 의하면, 발광소자에서 제 1 도전형 반도체층위에 알루미늄층을 양극산화처리과정을 통해 다수의 홀이 형성된 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하고, 다수의 홀이 형성된 알루미늄층을 새도우마스크로 사용하여 식각을 수행함으로써 제 1 도전형 반도체층내에 패턴을 형성하고, 그 위에 다시 제 1 도전형 반도체층을 재차 형성하여 그 패턴내의 공간이 공기층으로 남아 산란 중심 기능을 수행하도록 하고 있다.

이에 따라, 활성층에 의해 생성된 광이 제 1 도전형 반도체층과 굴절율이 다른 공기층으로 이루어진 산란 중심에 의해 산란되어 효율적으로 외부로 방출될 수 있으므로 광효율이 향상된다.

이때, 형성되는 산란 중심의 패턴 직경은 수 마이크로 미터 예를 들어 500 나노미터 이하의 크기로도 형성할 수 있다. 패턴의 직경을 충분히 작게 하여 다수의 산란 중심을 제 1 도전형 반도체층내에 형성하고 그 형성된 산란 중심을 통해 외부로 반사되는 효과가 더욱 증가됨에 따라 광방출 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이의 활성층을 기판 위에 형성시켜 이루어진 발광 소자를 제조하는 방법에 있어서,

기판위에 제 1 도전형 반도체층을 1차 성장시키는 단계와,

상기 제 1 도전형 반도체층위에 알루미늄층을 형성하는 단계와,

양극산화처리를 수행하여 상기 알루미늄층에 다수의 홀이 형성된 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 형성하는 단계와,

상기 다수의 홀이 형성된 알루미늄층을 새도우 마스크로 하여 상기 제 1 도전형 반도체층의 일부가 식각되도록 패터닝 식각하는 단계와,

상기 제 1 도전형 반도체층위에 남아있는 알루미늄층을 제거하는 단계와,

상기 제 1 도전형 반도체층을 2차 성장시키는 단계와,

상기 제 1 도전형 반도체층위에 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자 제조방법.
기판과,

상기 기판 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층과,

상기 제 1 도전형 반도체층 위에 형성된 활성층과,

상기 활성층 위에 형성된 제 2 도전형 반도체층을 포함하며,

상기 제 1 도전형 반도체층에는 공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심이 포함되어 있는 발광 소자.
청구항 2에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층은

공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심을 포함하는 제 1층과, 상기 제 1 층위에 형성된 제 2 층을 포함하는 발광 소자.
청구항 2에 있어서, 상기 공기층으로 이루어지는 다수의 산란 중심은 양극 알루미늄산화층(Anodic Aluminum oxide; AAO)을 새도우 마스크로 이용하는 식각을 통해 상기 제 1 도전형 반도체층에 형성된 발광 소자.