KR20080082326A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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본 발명은 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판 위에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층을 부분적으로 식각하여 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판의 일부분들을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계와, 상기 절연층 패턴이 형성된 a 평면(11-20) 사파이어 기판 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드에서 이종 기판으로 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 사용하고, a 평면(11-20) 사파이어 기판과 그 기판 위에 성장되는 반도체층 사이에 절연층 패턴을 형성함으로써, 개선된 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 제공할 수 있고, 기판과 반도체층 사이의 격자 불일치 및/또는 열전달율 차이에 따라 야기되는 전위(dislocation) 등의 격자 결함을 절연층 패턴을 이용한 LEO 방식에 의한 반도체층의 횡방향 성장을 통해 억제할 수 있다.
반도체, LED, 절연층, 반사, LEO,

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2 내지 도 6은 도 1에 도시된 발광다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 단면도들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: a 평면 사파이어 기판 210: SiO2 층
220: N형 반도체층 224: SiO2 패턴
240: 활성층 260: P형 반도체층
320: 투명전극층 330, 340 : 전극 패드
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 a 평면 사파이어 기판을 채용한 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 개발되어 LED 기술을 상당히 변화시켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.
최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.
LED 효율을 개선하기 위해 두 가지의 주요한 접근이 시도되고 있다. 첫째는 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조에 의해 결정되는 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 증가시키는 것이고, 둘째는 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 개선하기 위한 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층을 부분적으로 식각하여 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판의 일부분들을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계와, 상기 절연층 패턴이 형성된 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 버퍼층, 언도프트층 중 적어도 하나를 포함하는 중간층을 성장시키는 단계와, 상기 중간층위에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층을 부분적으로 식각하여 상기 중간층의 부분들을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계와, 상기 절연층 패턴이 형성된 중간층위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
바람직하게 상기 절연층 패턴은 SiO2 패턴일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판과, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 절연층 패턴과, 상기 절연층 패턴이 형성된 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판과, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 버퍼층, 언도프트층 중 적어도 하나를 포함하는 중간층과, 상기 중간층 위에 형성된 절연층 패턴과, 상기 절연층 패턴이 형성된 중간층 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
바람직하게 상기 절연층 패턴은 SiO2 패턴일 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 포함한다. 기판(100)은 a 평면(11-20) 사파이어로 이루어진다.
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 발광셀 을 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.
a 평면(11-20) 사파이어로 이루어진 기판(100)위에는 절연층 패턴(224)이 형성된다. 절연층 패턴(224)은 SiO2 층으로 이루어지는 것이 바람직하지만 이에 한정되지 않는다.
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 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(260)은 P형 AlxInyGa1 -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.
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 AlxInyGa1 -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 또는 언도프트층(미도시됨)이 개재될 수 있다. 버퍼층 또는 언도프트층은 그 상부에 형성될 반도체층들과 기판(100) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 버퍼층 또는 언도프트층은 예컨대 AlN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다.
N형 반도체층(220)은 그 일부가 횡방향 에피 성장(LEO; Lateral Epitaxial Overgrowth) 방식에 의한 횡방향 성장에 의해 형성된다.
SiO2 패턴(224)은 기판(100)위에 SiO2 층을 증착하고, 포토리소그라피 기술을 이용하여 패터닝 식각하여 형성한다. 패턴의 형태는 메쉬 구조일 수 도 있고, 스트라이프 구조일 수 도 있다.
SiO2 패턴(224)이 형성된 기판(100)에는 N형 반도체층이 횡방향 에피성장된다. 본 실시예에서, N형 반도체층(220)은 SiO2 패턴(224)사이에서는 수직 성장을 하 여 SiO2 패턴(224)을 덮은 후에는 SiO2 패턴(224)위에서 횡방향 성장을 한다. 이는 도 1의 확대도에서 가상선으로 표시되어 있다.
SiO2 패턴(224)이 기판(100)위에 성장됨으로 인해, N형 반도체층(226)의 횡방향 성장은 기판(100)과 N형 반도체층(220) 사이의 열팽창율 및/또는 격자 불일치로 야기되는 전위 등의 격자 결함을 억제하여 준다.
그리고, SiO2 패턴(224)은 N형 반도체층(220)의 횡방향 성장에 이용됨과 동시에, N형 반도체층(220)의 백본(back bone) 역할을 하여, 기판(100) 상에서 N형 반도체층(220)을 포함하는 발광셀이 뒤틀림 변형되는 것을 막아준다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비한다. 기판(100) 상에 SiO2 층(210)을 증착한다. 기판(100) 상에 증착되는 SiO2 층(210)의 두께는 2㎚ - 5㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 SiO2층(210)을 증착한 후 포토리소그라피 기술을 이용하여 SiO2층(210)을 패터닝 식각하여 메쉬 패턴 형태로 이루어지는 SiO2 패턴(224)을 형성한다. 실시예에서는 SiO2 패턴(224)의 형상을 원기둥 형태로 하였지만, 그 외에도 반구형(hemisphere), 삼각형(triangle), (사각형)quadrangle, 정사형(square), 사변형(tetragon), 사다리꼴(trapezium), 스트립(strip)의 형태로 다양하게 변형이 가능하다.
도 4 및 도 5를 참고하면, SiO2 패턴(224)이 형성된 기판(100)위에 N형 반도체층(220)이 형성된다. N형 반도체층(220)의 성장은 전술한 공정챔버 내에서 MOCVD 방식으로 이루어지며, 이 때에도 Si 도펀트가 첨가된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, N형 반도체층(220)이 GaN으로 이루어지고, GaN이 절연층인 SiO2 패턴(224)상에서 성장하지 못하는 특성을 가지므로, SiO2 패턴(224)들 사이에서 수직 방향으로 성장하던 N형 반도체층(220)은 SiO2 패턴(224) 위쪽에서 도 4에 도시된 것과 같은 횡방향 성장을 하게 된다.
그 다음, 동일 공정 챔버 내에서, N형 반도체층(220) 윗면에 활성층(240) 및 P형 반도체층(260)이 순차적으로 형성되어 도 6과 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.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 제 1 도전형 반도체층이 N형 반도체층이고, 제 2 도전형 반도체층이 P형 반도체층인 경우를 설명하였으나, 제 1 도전형 반도체층을 P형 반도체층으로 하고 제 2 도전형 반도체층을 N형 반도체층으로 변형가능하다.
아울러, 본 발명의 일실시예에서는 a 평면(11-20) 사파이어 기판 위에 SiO2 패턴을 형성하고, 그 위에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층을 형성하는 것에 대하여 설명하였으나, a 평면(11-20) 사파이어 기판 위에 버퍼층, 언도프트층 중 적어도 하나를 포함하는 중간층을 형성하고, 그 중간층 SiO2 패턴을 형성하고, 그 위에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층을 형성하는 변형예도 가능하다.
본 발명에 의하면, 이종 기판으로 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 사용함으로써 개선된 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
또한, a 평면(11-20) 사파이어 기판과 그 기판위에 성장되는 반도체층 사이 에 SiO2 패턴을 형성함으로써, 기판과 반도체층 사이의 격자 불일치 및/또는 열전달율 차이에 따라 야기되는 전위(dislocation) 등의 격자 결함을 SiO2 패턴을 이용한 LEO 방식에 의한 반도체층의 횡방향 성장을 통해 억제할 수 있다.

Claims (6)

  1. a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와,
    상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 절연층을 형성하는 단계와,
    상기 절연층을 부분적으로 식각하여 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판의 일부분들을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 절연층 패턴이 형성된 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  2. a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와,
    상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 버퍼층, 언도프트층 중 적어도 하나를 포함하는 중간층을 성장시키는 단계와,
    상기 중간층위에 절연층을 형성하는 단계와,
    상기 절연층을 부분적으로 식각하여 상기 중간층의 부분들을 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 절연층 패턴이 형성된 중간층위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 절연층 패턴은 SiO2 패턴인 발광 다이오드 제조방법.
  4. a 평면(11-20) 사파이어 기판과,
    상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 절연층 패턴과,
    상기 절연층 패턴이 형성된 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드.
  5. a 평면(11-20) 사파이어 기판과,
    상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 버퍼층, 언도프트층 중 적어도 하나를 포함하는 중간층과,
    상기 중간층 위에 형성된 절연층 패턴과,
    상기 절연층 패턴이 형성된 중간층 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 절연층 패턴은 SiO2 패턴인 발광 다이오드.
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