KR20080082178A

KR20080082178A - 발광 다이오드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20080082178A
Application number: KR20070022670A
Authority: KR
Inventors: 김경훈
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-11
Also published as: KR101337618B1

Abstract

발광 다이오드는 전기 전도성 및 열 전도성을 가지도록 탄소 또는 산소 중 어느 하나를 함유하는, 질화 알루미늄(AlN) 분말을 소결하여 생성된 질화 알루미늄 소결 기판, 상기 질화 알루미늄 소결 기판 상에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층, 상기 알루미늄 소결 기판 아래에 형성된 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 제2 전극을 포함한다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}

도 1은 종래의 사파이어 기판을 이용한 발광 다이오드의 단면도이다.

도 2는 종래의 사파이어 기판을 이용한 다른 발광 다이오드의 단면도이다.

도 3은 종래의 실리콘 카바이드 기판을 이용한 또 다른 발광 다이오드의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 사파이어 기판 23 : 지지 기판

32 : 실리콘 카바이드 기판 42 : AlN 소결 기판

52 : 형광체를 포함하는 AlN 소결 기판

13, 22, 33, 44, 54 : 화합물 반도체층

12, 21, 31, 41, 51 : 제1 전극

14, 24, 34, 45, 55 : 제2 전극

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 기판을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물을 이용한 반도체는 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가진다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 반도체는 그 조성에 따라 다양한 크기의 밴드 갭을 얻을 수 있어, 황색부터 자외선에 이르는 다양한 파장 대역의 빛을 발광하도록 제조할 수 있으며, 최근에는 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체를 대량 생산하는 데에는 몇몇 기술적 어려움이 있지만 점차 개선되고 있다. 그 중에서, 양질의 질화물계 반도체층을 성장시키기에 적합한 동일 격자 구조의 열전도율 높은 전도성 기판을 찾기 어렵다는 점을 극복하는 과정에서 특히 많은 개선이 이뤄지고 있다.

사파이어(sapphire, Al₂O₃) 단결정은 극저온에서 초고온까지 결정이 변화하지 않는 매우 우수한 열적 안정성과, 모스 경도(Mohs scale of hardness)가 9에 이르러 다이아몬드에 버금가는 높은 기계적 안정성과, 산 및 알카리에 모두 강한 화학적 안정성과, 빛의 투과성이 높은 광학적 특성을 가지는데, Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정과 동일한 육방 정계의 격자 구조를 갖는다. 따라서, 사파이어 단결정을 성장 기판으로 하고, 그 성장 기판 위에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정을 성장시키는 방법이 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 사파이어 기판을 이용한 발광 다이오드의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 사파이어 기판(11) 위에 제1 전극(12)과, 화합물반도체층(13) 및 제2 전극(14)을 포함한다. 화합물 반도체층(13)은 p형 반도체층(131)과 활성층(132), n형 반도체층(133) 등을 포함하며, 제1 및 제2 전극(12, 14)을 통해 전류가 흐르면 활성층(132)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다. 절연체인 사파이어 기판(11) 위에 화합물 반도체층(13)과 제1 및 제2 전극(12, 14) 등이 올라와 있기 때문에 도 1과 같은 수평형(lateral type) 발광 다이오드 형태를 가져야 하며, 이러한 형태는 와이어 본딩(bond)하기 위해서는 적어도 두 개의 와이어가 필요한 형태이다.

한편, 전극층은 발광 효율을 위해 높은 투명도를 가져야 하며, 또한 금속 와이어와 전극층 또는 전극층과 반도체층 사이에서 접합 저항이 낮아야 하며 열 전도율도 높아야 한다. 사파이어 단결정 자체의 열전도율도 낮기 때문에 발광 다이오드 내에서 발생하는 열을 외부로 방출하는데 좋지 않다. 사파이어는 부도체이므로 외부에서 유입된 정전기를 방출하기 어려워 정전기로 인한 불량이 발생할 수 쉽다. 게다가, 사파이어 단결정은 안정적인 기계적 화학적 특성으로 인해 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공도 쉽지 않다.

이러한 사파이어 기판을 이용함으로써 발생하였던 단점은 반도체 층을 사파이어 기판 위에서 성장시킨 뒤, 사파이어 기판을 제거 또는 분리(lift off)하는 방법이 제안되면서 극복될 수 있었다.

도 2는 종래의 사파이어 기판을 이용한 다른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 도 1과 달리, 화합물 반도체층이 성장된 후에 그 기초가 되었던 사파이어 기판은 제거되어 있다. 상기 발광 다이오드는 대략 제1 전극(21), 화합물 반도체층(22), 지지 기판(23) 및 제2 전극(24)을 포함하는 구조를 가진다. 상기 화합물 반도체층(22)은 p형 반도체층(221)과 활성층(222), n형 반도체층(223) 등을 포함하며, 제1 및 제2 전극(21, 24)을 통해 전류가 흐르면 활성층(222)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다.

사파이어 기판을 제거하는 기법에는 물리적, 기계적으로 깎아서 제거하거나 화학적으로 식각하는 기법 등이 있다. 사파이어 기판을 분리하는 기법에는 사파이어 기판과 GaN 층 사이에 특정한 파장의 레이저를 조사(illumination)하여 사파이어 기판과 GaN 층을 분리하는 레이저 리프트 오프(Laser lift off; LLO) 기법이 널리 사용된다.

이러한 방법을 통해 만들어진 발광 다이오드는 수평형인 도 1의 발광 다이오드와 달리 수직형(vertical type)이라 할 수 있는데, 사파이어 기판을 제거함으로써 열을 더 많이 방출할 수 있어 광 출력을 크게 높일 수 있고, 제2 전극 하나만 와이어 본딩(one bonding type)하는 것으로 충분한 장점이 있다. 그러나, 이러한 수직형 발광 다이오드는 사파이어 기판을 제거하는 공정이 더 필요하고, 이 사파이 어 제거 공정 중에 화합물 반도체층의 불량이 증가하는 등 단점이 있다.

도 3은 종래의 실리콘 카바이드 기판을 이용한 또 다른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 대략적으로 실리콘 카바이드(SiC) 기판(32) 밑에 제1 전극(31), 상기 실리콘 카바이드 기판(32) 위에 화합물 반도체층(33)과 제2 전극(34)을 포함한다. 상기 화합물 반도체층(33)은 p형 반도체층(331)과 활성층(332), n형 반도체층(333) 등을 포함하며, 제1 및 제2 전극(31, 34)을 통해 전류가 흐르면 활성층(332)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다.

실리콘 카바이드 기판(32)은 GaN을 단결정으로 성장시킬 수 있는 동종의 전도성 기판으로서, 전기적 및 열적으로 안정하며 열전도율도 사파이어 기판(11)에 비해 상당히 높다. 이로써, 상기 도 2의 수직형 발광 다이오드와 같이 열 방출 능력이 높아 광 출력을 높일 수 있고, 제2 전극 하나만 와이어 본딩하면 되며, 도 2의 발광 다이오드와 달리 기판을 제거하는 공정이 불필요하다는 장점이 있다.

그러나, 실리콘 카바이드는 빛 흡수율이 높아 발광 효율이 떨어질 뿐 아니라, 실리콘 카바이드 기판은 사파이어 기판에 비해 제작이 어렵고 그 비용도 10배 이상 높다. 특히, 이 실리콘 카바이드 기판 위에 성장되는 반도체층의 두께가 제한된다는 단점이 있다. 실리콘 카바이드 기판 위의 반도체층의 두께가 약 3㎛ 이상되면 반도체층의 표면에 마이크로미터 단위의 크랙이 생성되기 때문이다.

이렇듯, 종래의 발광 다이오드는 기판의 종류는 다르지만 공통적으로 단결정 기판을 이용하고 있다. 단결정 기판은 그 위에 단결정의 질화물 계열 화합물 반도체층을 성장시키기에 적합하기 때문이다. 그러나, 상술하였듯이, 단결정 기판은 사 파이어 기판처럼 열전도율이 낮고 부도체이며 추가 공정이 필요하다거나, 실리콘 카바이드 기판처럼 제조가 까다롭거나 단가도 높은 등의 단점이 있다.

본 발명의 목적은 제조가 용이하고 열 전도율이 높은 전도성 기판을 이용한 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조가 용이하고 열 전도율이 높은 전도성 기판을 이용한 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 전기 전도성 및 열 전도성을 가지도록 탄소 또는 산소 중 어느 하나를 함유하는, 질화 알루미늄(AlN) 분말을 소결하여 생성된 질화 알루미늄 소결 기판, 상기 질화 알루미늄 소결 기판 상에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층, 상기 알루미늄 소결 기판 아래에 형성된 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 제2 전극을 포함한다. 실시예에 따라 상기 질화 알루미늄 소결 기판은 색 전환 물질을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은 전기 전도성 및 열 전도성을 가지도록 탄소 또는 산소 중 어느 하나를 함유하는, 질화 알루미늄(AlN) 분말을 소결하여 질화 알루미늄 소결 기판을 생성하는 단계; 상기 질화 알루미늄 소결 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 상기 버퍼층 위에 성장시키는 단계; 상기 알루미늄 소결 기판 아래에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 도전형 반도체층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 실시예에 따라 상기 질화 알루미늄 소결 기판은 색 전환 물질을 더 포함할 수 있다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~위에"와 "바로 ~위에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 질화 알루미늄(AlN) 소결 기판(42)과, 상기 AlN 소결 기판(42) 위에 형성된 버퍼층(43), 상기 버퍼층(43) 위에 성장된 화합물 반도체층(44), 상기 AlN 소결 기판(42) 밑에 형성된 제1 전극(41) 및 상기 화합물 반도체층(44) 위에 형성된 제2 전극(45)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(41, 45)을 통해 전류가 흐르면 활성층(442)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다. 실시예에 따라 상기 제2 전극(45)과 상기 화합물 반도체층(44) 사이에 반사층이 더 개재될 수 있다.

상기 AlN 소결 기판(42)은 질화 알루미늄 분말을 소결(sintering)하여 얻은 기판으로서, 제조 및 성형이 용이하고 기계적 특성이 좋으며, 무엇보다 제조 방법에 따라 높은 전기 전도성과 열 전도성을 가질 수 있다.

AlN 소결 기판을 얻는 방법은 여러 가지가 있는데, 질화 알루미늄 분말을 과립상으로 만든 뒤 질화 알루미늄 과립을 성형틀 속에 넣고 프레스 성형기로 가압한 후 소성하거나, 질화 알루미늄 분말을 닥터 블레이드 방법 등의 습식 성형 방법으로 판(sheet) 모양으로 성형한 후 공기와 질소 분위기에서 섭씨 400 ~ 500도의 온도로 가열하고 탈왁스(dewax)한 뒤 질소 분위기에서 높은 온도로 가열하는 방법 등으로 AlN 소결 기판을 제조한다.

AlN 소결체는 재료 분말의 평균 입자 크기, 불순물의 첨가량이나 종류, 소결 보조제, 탈왁스 처리의 조건, 소결 공정 등에 따라 그 특성이 변할 수 있다. 일반적으로 산화물은 열 전도성을 떨어뜨리는 역할을 하므로, 열 전도성을 높이기 위해 탄소(carbon)를 이용하여 산소(oxygen)의 함유량을 조절한다. 대체로 AlN 소결체 내에 잔존한 탄소에 의해 전기 전도성을 띠게 되고, 산소의 양에 따라 열 전도성이 결정된다고 할 수 있는데, 따라서 탄소와 산소의 함유량을 조절함으로써 충분한 전기 전도성과 충분한 열 전도성을 모두 갖는 AlN 소결체를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 AlN 소결체로부터 바람직한 수준의 전기 전도성과 열 전도성을 가지는 AlN 소결 기판을 얻을 수 있다.

상기 AlN 소결 기판(42) 위에 GaN 계열의 물질로 버퍼층(43)을 형성한다. AlN 소결 기판(42)은 다결정질(polycrystal) 구조를 갖기 때문에, 그 위에 성장되는 버퍼층(43)은 단결정체가 아닐 수 있다.

상기 버퍼층(43) 위에는 발광 기작을 일으키는 화합물 반도체층(44)을 성장시킨다. 종래에 사파이어 기판 위에서 화합물 반도체층을 성장시키는 방법과 동일하거나 유사한 방법으로 상기 화합물 반도체층(44)을 상기 버퍼층(43) 위에서 성장시킬 수 있다.

상기 화합물 반도체층(44)은 제1 도전형 반도체층(예를 들어 p형 GaN)(441), 활성층(442) 및 제2 도전형 반도체층(예를 들어 n형 GaN)(443)을 포함한다. 상기 화합물 반도체층(44)을 성장시킨 후에, 상기 AlN 소결 기판(42)의 하부에 제1 전극(41)을 형성하고, 상기 화합물 반도체층(44)의 상부에는 제2 전극(45)을 생성한다. 제1 및 제2 전극(41, 45)을 통해 화합물 반도체층(44)에 전류가 흐르면 활성 층(442)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다.

이렇게 제조한 발광 다이오드는 AlN 소결 기판(42)을 통해 열 방출이 용이하게 이뤄지므로 광 출력을 그만큼 높일 수 있다. 또한, AlN 소결 기판(42)이 전기 전도성을 가지므로 발광 다이오드의 형태가 수평형으로 제한되지 않으며, 와이어 본딩의 수도 하나로 줄일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 형광체를 포함하는 질화 알루미늄(AlN) 소결 기판(52)과, 상기 AlN 소결 기판(52) 위에 형성된 버퍼층(53), 상기 버퍼층(53) 위에 성장된 화합물 반도체층(54), 상기 AlN 소결 기판(52) 밑에 형성된 제1 전극(51) 및 상기 화합물 반도체층(54) 위에 형성된 제2 전극(55)을 포함한다. 실시예에 따라 상기 제2 전극(55)과 상기 화합물 반도체층(54) 사이에 반사층이 더 개재될 수 있다.

상기 화합물 반도체층(54)은 제1 도전형 반도체층(예를 들어 p형 GaN)(541), 활성층(542) 및 제2 도전형 반도체층(예를 들어 n형 GaN)(543)을 포함한다. 상기 화합물 반도체층(54)을 성장시킨 후에, 상기 AlN 소결 기판(52)의 하부에 제1 전극(51)을 형성하고, 상기 화합물 반도체층(54)의 상부에는 제2 전극(55)을 생성한다. 제1 및 제2 전극(51, 55)을 통해 화합물 반도체층(54)에 전류가 흐르면 활성층(542)에서 빛이 방출되는 구조를 가진다.

상기 발광 다이오드는 도 4의 발광 다이오드와 유사한 구조를 가지나, 상기 AlN 소결 기판(52)은 색 전환 물질(color converting material), 예를 들어 형광 체(phosphor)를 포함하고 있다. 상기 발광층(542)에서 나온 빛이 AlN 소결 기판(52)을 통과할 때 형광체에 의해 색전환이 이뤄지며, 형광체의 종류, 배합 정도에 따라 다양한 색의 빛을 방출하는 발광 다이오드를 만들 수 있다. 청색, 녹색, 황색의 색 전환 물질을 적절히 조합하면 상기 발광 다이오드가 백색광을 출력하도록 만들 수도 있다.

상기 AlN 소결 기판(52) 위에 GaN 계열의 물질로 버퍼층(53)을 형성한다. AlN 소결 기판(52)은 다결정질(polycrystal) 구조를 갖기 때문에, 그 위에 성장되는 버퍼층(53)은 단결정체가 아닐 수 있다.

발광 기작을 일으키는 화합물 반도체층(54)은 상기 버퍼층(53) 위에서 성장시킨다. 종래에 사파이어 기판 위에서 화합물 반도체층을 성장시키는 방법과 동일하거나 유사한 방법으로 상기 화합물 반도체층(54)을 상기 버퍼층(53) 위에서 성장시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 열 방출 능력이 뛰어나 광 출력을 높일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 통해 저렴한 발광 다이오드를 대량 생산할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드는 형광체를 섞어 제조한 AlN 소결 기판을 이용함으로써 다양한 빛, 심지어 백색광을 낼 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

전기 전도성 및 열 전도성을 가지도록 탄소 또는 산소 중 어느 하나를 함유하는, 질화 알루미늄(AlN) 분말을 소결하여 생성된 질화 알루미늄 소결 기판;

상기 질화 알루미늄 소결 기판 상에 형성된 버퍼층;

상기 버퍼층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층;

상기 알루미늄 소결 기판 아래에 형성된 제1 전극; 및

상기 제2 도전형 반도체층 위에 형성된 제2 전극을 포함하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결 기판은 색 전환 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
전기 전도성 및 열 전도성을 가지도록 탄소 또는 산소 중 어느 하나를 함유하는, 질화 알루미늄(AlN) 분말을 소결하여 질화 알루미늄 소결 기판을 생성하는 단계;

상기 질화 알루미늄 소결 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;

제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 상기 버퍼층 위에 성장시키는 단계;

상기 알루미늄 소결 기판 아래에 제1 전극을 형성하는 단계; 및

상기 제2 도전형 반도체층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 3에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결 기판은 색 전환 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.