KR20090022286A

KR20090022286A - 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090022286A
Application number: KR20070087505A
Authority: KR
Inventors: 오태효; 윤여진; 이장우; 김종규; 이준희; 진상기
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-04
Also published as: KR100897871B1

Abstract

본 발명의 일측면에 의한 발광 다이오드 제조방법은, 기판상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 기판 상부면에 대해 경사지도록 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 식각하여, 경사진 측벽을 형성하는 단계; 및 상기 측벽을 식각하여, 상기 측벽의 표면에 요철을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 발광 다이오드에서 반도체층의 경사진 측벽에 요철을 형성하여 거칠게 표면 처리함으로써 활성층에서 발광되어 반도체층의 측면으로 진행한 광을 효과적으로 외부로 방출시킬 수 있다. 이에 따라 발광 다이오드의 광추출 효과를 개선할 수 있다.

LED, PEC 식각, 경사, 측벽, 거칠기, 요철

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATION THEREOF}

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광 다이오드에서 반도체층의 경사진 측벽에 요철을 형성하여 표면을 거칠게 처리함으로써 광추출 효율을 향상시킨 발광 다이오드 및 그 제조방법에 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.

최근, 고효율 발광 다이오드는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 발광 다이오드의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, 발광 다이오드의 효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.

발광 다이오드의 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 발광다이오드에서 생성된 광이 전체 외부로 방출되지 않고 내부에서 손실되는 광이 많음에 따라 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.

본 발명은 이러한 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드에서 반도체층의 경사진 측벽에 요철을 형성하여 표면을 거칠게 처리함으로써 발광 다이오드의 광추출 효율을 향상시키는데 있다.

본 발명의 일측면에 의한 발광 다이오드 제조방법은, 기판상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 기판 상부면에 대해 경사지도록 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 식각하여, 경사진 측벽을 형성하는 단계와; 상기 측벽을 식각하여, 상기 측벽의 표면에 요철을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 측벽을 식각하는 단계는, PEC(photo electro chemical) 식각 또는 습식 식각을 이용할 수 있다. 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 식각하는 단계는, 건식 식각을 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 발광 다이오드는, 기판과; 상기 기판상에 형성된 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하되, 상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층은, 상기 기판 상부면에 대해 경사진 측벽을 포함하며, 상기 측벽의 표면에는 요철이 형성된다.

상기 요철은, 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층의 결정 방향에 따른 식각 특성 차이에 의해 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 발광 다이오드에서 반도체층의 경사진 측벽에 요철을 형성하여 거칠게 표면 처리함으로써 활성층에서 발광되어 반도체층의 측면으로 진행한 광을 효과적으로 외부로 방출시킬 수 있다. 이에 따라 발광 다이오드의 광추출 효과를 개선할 수 있다.

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

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(101) 상에 반도체층들(106)이 위치한다. 상기 기판(101)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(101)은 그 상부면 및/또는 하부면이 패터닝된 기판일 수 있다.

상기 반도체층들(106)은 하부 반도체층(105), 상기 하부 반도체층의 일영역 상에 위치하는 상부 반도체층(109) 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층(107)을 포함한다. 여기서, 상기 하부 및 상부 반도체층은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.

하부 반도체층(105), 활성층(107) 및 상부 반도체층(109)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(107)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(105) 및 상부 반도체층(109)은 상기 활성층(107)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.

상기 하부 반도체층(105) 및/또는 상부 반도체층(109)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(107)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.

한편, 반도체층들(106)과 기판(101) 사이에 버퍼층(103)이 개재될 수 있다. 버퍼층(103)은 기판(101)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(105)의 격자부정합을 완화시키기 위해 채택된다.

반도체층들(106)의 측벽은 기판(101) 상부면에 대해 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아진다. 상기 측벽의 경사는 활성층(107)에서 생성된 광의 방출 효율을 향상시킨다. 본 실시예에 있어서, 상기 반도체층들(106)의 하부 반도체층(105)의 측벽이 기판(101)의 상부면과 이루는 경사각은 10도 내지 80도의 범위 내일 수 있다. 아울러, 반도체층들(106)의 측벽은 요철이 형성되어 거친 표면을 가지고 있다. 상기 요철은 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층의 결정 방향에 따른 식각 특성 차이(특히, 식각 속도 차이에 의해) 상기 측벽의 표면 일부가 제거되어 형성된 것이다.

한편, 하부 반도체층(105)에 전극패드(119)가 형성될 수 있다. 전극패드(119)는 하부 반도체층(105)에 오믹콘택된다. 그리고, 배선(미도시)이 전극패드(119)에 접촉되어 하부 반도체층(105)에 전기적으로 연결된다.

또한, 투명전극층(115)이 상부 반도체층(109)에 형성될 수 있다. 투명전극층(115)은 활성층(107)에서 생성된 광을 투과시키며, 상부 반도체층(109)에 전류를 분산시키어 공급한다. 한편, 상기 투명전극층(115) 상에 전극패드(117)가 더 형성될 수 있으며, 와이어(미도시)가 상기 전극패드(117)에 본딩된다.

반도체층들(106)의 측벽은 거친 표면을 가지도록 요철이 형성되어 있음에 따라, 활성층(107)에서 발광된 광들은 측벽에서 전반사되지 않고 측벽의 거친 표면을 통해 효과적으로 방출될 수 있다.

도 2 내지 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도들이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 우선 기판(101)을 준비한다(S201). 상기 기판(101)은 예컨대 사파이어 기판 또는 탄화실리콘 기판일 수 있다.

이어서, 상기 기판(101) 상에 반도체층들을 형성한다(S203). 도 2를 참조하면, 기판(101) 상에 하부 반도체층(105), 활성층(107) 및 상부 반도체층(109)이 형성된다. 또한, 하부 반도체층(105)을 형성하기 전, 기판(101) 상에 버퍼층(103)이 형성될 수 있다.

기판(101)은 사파이어(Al₂O₃), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl₂O₃), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(100) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 기판(100)은 그 상부면 및/또는 하부면이 패터닝된 기판일 수 있다.

버퍼층(103)은 기판(101)과 그 위에 형성될 반도체층(105)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 상기 기판(101)이 도전성 기판인 경우, 상기 버퍼층(103)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.

하부 반도체층(105), 활성층(107) 및 상부 반도체층(109)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 상기 하부 및 상부 반도체층(105, 109) 및 활성층(107)은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 성 장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술 등을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.

여기서, 상기 하부 및 상부 반도체층들은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예컨대 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 예컨대 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.

상기 상부 반도체층(109) 상에 발광 영역을 한정하는 포토레지스트 패턴들(113)을 형성한다(S207). 상기 포토레지스트 패턴은 발광 영역의 상부면을 덮도록 형성된다. 한편, 그 측벽이 기판(101) 상부면에 대해 경사지도록 상기 포토레지스트 패턴들(113)은 리플로우(reflow)된다. 이에 따라, 상기 포토레지스트 패턴(113)의 측벽이 기판(101) 상부면에 대해 10도 내지 80도 범위 내의 경사각을 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 상기 포토레지스트 패턴(113)을 형성하기 전, 발광 영역의 상부면을 한정하는 식각정지 패턴(111)을 형성할 수 있다(S205). 상기 식각정지 패턴(111)은 상기 반도체층들(105, 107, 109)을 식각하는 에천트에 대해 낮은 식각선택 특성을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 예컨데 금속물질로 형성될 수 있다.

이어서, 상기 포토레지스트 패턴(113)을 식각마스크로 사용하여 상부 반도체층(109), 활성층(107) 및 하부 반도체층(105)을 차례로 식각한다(S209). 이에 따라, 포토레지스트 패턴들(113)의 형상이 상기 반도체층들(109, 107, 105)에 전사되어 도 3에 도시된 바와 같이 그 측벽이 경사진 반도체층들이 형성된다. 상기 식각 공정에 의해 버퍼층(103)이 노출될 수 있으며, 노출된 버퍼층(103)은 과식각에 의해 제거될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(113) 및 식각정지 패턴(111)을 제거하고, 상기 상부 반도체층(109) 및 활성층(107)을 다시 패터닝하여 상기 식각된 하부 반도체층(105)을 노출시킨다(S211). 이때, 노출된 하부 반도체층(105)은 과식각에 의해 부분적으로 식각될 수 있다. 그 결과, 기판(101) 상에 경사진 측벽을 갖는 반도체층들(106)이 형성된다. 상기 반도체층들(106)은 하부 반도체층(105), 상기 하부 반도체층(105)의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층(109) 및 상기 하부 반도체층(105)과 상기 상부 반도체층(109) 사이에 개재된 활성층(107)을 포함하고, 상기 하부 반도체층(105)의 다른 영역은 노출된다. 또한, 반도체층들(106)의 측벽 대부분은 기판(101) 상부면에 대해 경사지게 형성된다. 한편, 하부 반도체층(105)의 다른 영역과 인접한 상부 반도체층(109)의 측벽은, 도시한 바와 같이 경사지게 형성될 수도 있고, 수직하게 형성될 수도 있다.

도 4를 참조하면, 상기 반도체층들(106)의 상부 반도체층(109) 상에 투명전극층(115)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(115)은 인디움 틴 산화막(ITO) 또는 Ni/Au와 같은 투명금속으로 형성된다. 또한, 상기 하부 반도체층(105) 상에 전극패드(119)가 형성될 수 있다. 상기 전극패드(119)는 상기 하부 반도체층들(105)에 오믹콘택된다.

투명전극층(115)은 포토레지스트 패턴(113)을 형성하기 전, 상부 반도체층(109) 상에 형성될 수도 있다. 이때, 투명전극층(115)은 상부 반도체층과 함께 패터닝된다.

한편, 상기 투명전극층(115) 상에 전극패드(117)가 더 형성될 수 있으며, 와이어가 상기 전극패드(117)에 본딩될 수 있다(S213).

그 다음, PEC(photo electro chemical) 식각을 수행한다(S215). PEC 식각은 예를 들어 KOH 용액을 전해액으로, Xe 램프를 광원으로 사용하여 PEC 식각을 수행할 수 있다. 한편, 광원으로는 Hg 램프가 사용될 수도 있다.

이에 따라, 반도체층들(106)의 측벽들 표면이 식각되어진다. 반도체층들(106)의 측벽이 식각되는 것은 반도체층들(106)의 결정성 방향과 관계가 있다. 즉, 반도체층들(106)의 측벽은 메사 식각 과정(S209) 및 하부 반도체 노출과정(S211)에서 기판(101) 상부면에 대해 경사지게 식각된다. 이 상태에서 PEC(photo electro chemical) 식각을 수행하게 되면 반도체층들(106)의 측벽은 결정 방향 차이에 의해 요철이 형성된다. 아울러, 반도체층들(106)의 측벽은 PEC 식각외에도 습식 식각을 통해서도 요철이 형성되어 거칠게 처리될 수 있다. PEC 식각을 수행하면 도 1에 도시된 바와 같이 반도체층의 측벽에 요철이 형성된 발광 다이오드가 완성된다.

본 발명의 일실시예에서는 상기 반도체층들(106)의 상부 반도체층(109) 상에 투명전극층(115), 전극패드(117, 119)를 형성한 후에 PEC 식각을 수행하여 반도체층들(106)의 측벽에 요철을 형성하는 것에 대하여 설명하였지만, 상부 반도체층(109)을 형성한 다음 투명전극층(115) 및 전극 패드(117, 119)를 형성하기 전에 PEC 에칭을 수행하여 측벽에 요철을 형성하는 공정을 수행하고, 이후에 투명 전극 층(115) 및 전극패드(117, 119)을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.

아울러, 본 발명의 일실시예에서는 발광 다이오드를 개별 단위로 이격시키기 위해 메사 식각을 수행한 후 하부 반도체 노출과정을 수행하는 것에 대하여 설명하였으나, 하부 반도체 노출과정을 수행한 후 개별 단위로 이격시키기 위해 메사 식각을 수행할 수 도 있다.

또한, 본 발명의 일시시예에서는 2 본딩 발광 다이오드에 대하여 설명하였으나, 수직 발광 다이오드의 경우에도 PEC 식각 또는 습식 식각을 통해 반도체층의 측벽에 요철을 형성하여 표면을 거칠게 함으로써 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims

기판상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 형성하는 단계;

상기 기판 상부면에 대해 경사지도록 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 식각하여, 경사진 측벽을 형성하는 단계; 및

상기 측벽을 식각하여, 상기 측벽의 표면에 요철을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 측벽을 식각하는 단계는, PEC(photo electro chemical) 식각 또는 습식 식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층을 식각하는 단계는, 건식 식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
기판과; 상기 기판상에 형성된 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하되, 상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층은, 상기 기판 상부면에 대해 경사진 측벽을 포함하며, 상기 측벽의 표면에는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 4에 있어서, 상기 요철은, 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층의 결정 방향에 따른 식각 특성 차이에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.