KR20100052926A - 발광다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

발광다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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전기적 특성이 향상된 발광다이오드 및 그의 제조방법이 개시되어 있다. 발광다이오드는 기판 상에 형성된 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 형성된 활성층 및 상기 활성층 상에 형성된 인(P)이 도핑된 산화아연계 제2 클래드층을 포함한다. 또한, 발광다이오드의 제조방법은 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계, 상기 제1 클래드층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 도펀트가 첨가된 산화아연계 제2 클래드층을 형성하는 단계를 포함한다.
발광다이오드, 산화아연층, 도펀트, 인

Description

발광다이오드 및 그의 제조방법{Light emitting diode and method for fabricating the same}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 소자로서, 디스플레이 소자의 광원으로 주로 이용되고 있다. 이러한 발광다이오드는 기존의 광원에 비해 극소형이며, 소비전력이 적고, 수명이 길며, 반응속도가 빠른 등 매우 우수한 특성을 나타낸다. 이와 더불어서, 자외선과 같은 유해파를 방출하지 않으며, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않으므로 환경 친화적이다.
이와 같은 발광다이오드는 n형 반도체층과 p형 반도체층이 필수적이다. 종래에는 p형 반도체층으로서 질화갈륨층이 사용되었는데, 이와 같은 질화갈륨층은 전기적 특성이 좋지 않아 상기 p형 반도체층 상부에 초격자층 또는 전류 확산층이 구비되어야 하는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기적 특성이 향상된 발광다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 형성된 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 형성된 활성층 및 상기 활성층 상에 형성된 인(P)이 도핑된 산화아연계 제2 클래드층을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
상기 발광 다이오드는 상기 제1 클래드층에 접속하는 제1 전극 및 상기 산화아연계 제2 클래드층 상에 직접적으로 접속하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 활성층은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조일 수 있다. 상기 발광 다이오드는 제2 클래드층 상에 형성된 전류 확산층을 더 포함할 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계, 상기 제1 클래드층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 인(P)이 도핑된 산화아연계 제2 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.
발광 다이오드의 제조방법은 상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층 상에 각각 직접적으로 접속하는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 클래드층은 MOCVD 기술을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 제2 클래드층은 아연유기 전구체, 산소함유 물질 및 도펀트 소오스를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 아연유기 전구체는 디메틸아연, 디에틸아연, 아연아세테이트, 아연아세테이트 무수물 또는 아연 아세틸아세토네이트일 수 있다. 상기 산소함유 물질은 O2, O3, NO2, CO2 또는 C4H8O일 수 있다. 상기 도펀트 소오스는 P2O5, PH3 또는 BPE일 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 제2 클래드층을 p형 산화아연계 물질로 형성시키면 정공밀도가 증가되어 정공과 전자의 재결합(recombination) 확률이 증가되므로 발광효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 p형 산화아연계 물질에 전하 이동도가 높은 인(P)을 도핑시킴으로써 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 초격자층 또는 전류 확산층과 같은 별도의 층이 요구되지 않으므로 생산단가를 감소시킬 수 있고 소자를 단순화 시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하 게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 단면도들로서, 발광 다이오드의 단위 셀에 한정되어 도시한다.
도 1a를 참조하면, 기판(10) 상에 제1 클래드층(12)을 형성할 수 있다.
상기 기판(10)은 Al2O3(사파이어), SiC, ZnO, Si, GaAs, LiAl2O3, InP, BN, AlN 또는 GaN 기판일 수 있다. 바람직하게는 상기 기판(10)은 Al2O3 기판일 수 있다. 상기 제1 클래드층(12)은 제1형 불순물 예를들어, n형 불순물이 주입된 질화물계 반도체층일 수 있다. 상기 n형 질화물계 반도체층은 GaN층 또는 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)층일 수 있다. 상기 제1 클래드층(12)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기술 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)기술을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 제1 클래드층(12)을 MOCVD 기술을 이용하여 형성하는 경우에, Al, Ga 및 N의 소오스는 각각 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum), 트리메틸갈륨(trimethyl galium) 및 암모니아(NH3)일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 제1 클래드층(12) 상에 활성층(14)을 형성할 수 있다. 상기 활성층(14)은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조(Multi Quantum Well Structure)를 가질 수 있으며, 바람직하게는 상기 활성층(14)는 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 상기 활성층(14)이 다중양자우물 구조를 갖는 경우에, 상기 활성층(14)은 우물층으로서 InGaN층과 장벽층인 GaN층의 다중 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 활성층(14)으로부터 발생되는 광은 300nm 내지 800nm 범위에 포함된 광으로서 이로부터 발생되는 광을 이용하여 다양한 색을 구현시킬 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 활성층(14) 상에 제2 클래드층(16)을 형성할 수 있다. 상기 제2 클래드층(16)은 제2형 불순물 즉, p형 불순물이 주입된 산화아연계 반도체층일 수 있다. 상기 P형 불순물은 인(P)일 수 있으며, 상기 p형 산화아연계 반도체층은 PxZn(1-x)O(0≤x≤1)층일 수 있다. 상기 p형 산화아연게 반도체층은 단결정층일 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 클래드층(16)의 전하이동도를 향상시킬 수 있다.
상기 제2 클래드층(16)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기술을 사용하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제2 클래드층(16)은 MOCVD 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 제2 클래드층(16)을 MOCVD 기술을 사용하여 형성하는 경우에, 제1 클래드층(12) 및 활성층(14)이 구비된 기판(10)을 반응용기 내에 로딩하고, 상기 반응용기 내에 아연 유기전구체, 산소함유 물질 및 도펀트 소오스를 주입할 수 있다. 상기 반응용기 내부의 압력은 0.4torr 내지 600torr로 수행할 수 있으며, 온도는 200℃ 내지 900℃로 수행할 수 있다.
상기 아연유기 전구체는 디메틸아연(Zn(CH3)2), 디에틸아연(Zn(C2H5)2), 아연아세테이트(Zn(OOCCH3)2ㆍH2O), 아연아세테이트 무수물(Zn(OOCCH3)2) 또는 아연 아세틸아세토네이트(Zn(C5H7O2)2)일 수 있으며, 상기 산소함유 물질은 O2, O3, NO2, CO2 또는 C4H8O일 수 있다. 또한, 상기 도펀트 소오스는 P2O5, PH3 또는 BPE(bisphosphinoethane) 일 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 제2 클래드층(16) 및 상기 활성층(14)의 일부를 식각하여 상기 제1 클래드층(12)의 일부를 노출시킬 수 있다. 이 때, 상기 제1 클래드층(12)의 상부 일부 또한 식각될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 차례로 적층된 상기 제1 클래드층(12), 상기 활성층(14) 및 상기 제2 클래드층(16)을 구비하되, 상기 활성층(14) 및 상기 제2 클래드층(16)의 일측에는 상기 제1 클래드층(12)이 노출될 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상기 제1 클래드층(12) 및 제2 클래드층(16)에 각각 직접적으로 접속하는 제1 전극(17) 및 제2 전극(18)을 형성할 수 있다. 상기 전극들(17, 18)은 Al 및/또는 Ag를 함유할 수 있다. 구체적으로 상기 전극들(17, 18)은 Ti/Al 또는 NiO/Au일 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 제2 클래드층(16)을 p형 산화아연계 물질로 형성시키면 정공밀도가 증가되어 정공과 전자의 재결합(recombination) 확률이 증가되므로 발광효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 p형 산화아연계 물질에 전하 이동도가 높은 인(P)을 도핑시킴으로써 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 초격자층 또는 전류 확산층과 같은 별도의 층이 요구되지 않으므로 생산단가를 감소시킬 수 있고 소자를 단순화 시킬 수 있다.
만약, 상기 제2 클래드층(16) 및 상기 제2 전극(18) 사이에 전류 확산층(미도시)을 더 포함하는 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 전기적 특성이 더욱 향상될 수 있다.
제조예 1
사파이어 기판 상에 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3), 트리메틸갈륨(Ga(CH3)3) 및 암모니아(NH3)를 사용하여 제1 클래드층으로서 n형 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)을 형성하였다. 이때, 상기 제1 클래드층은 MOCVD기술을 사용하였다. 상기 제1 클래드층 상에 InGaN층과 GaN층으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는 활성층을 형성하였다.
또한, 아연유기 전구체인 13.4 mmol/min의 디에틸아연(Zn(CH3)2), 산소함유 물질인 0.2 mmol/min의 산소(O2) 및 인(P)의 도펀트 소오스인 2000 mmol/min의 오산화인(P2O5)을 사용하여 상기 활성층 상에 제2 클래드층으로서 P가 도핑된 p형 PxZn(1-x)O(0≤x≤1)을 형성하였다. 이때, 상기 제2 클래드층은 MOCVD 기술을 사용하였다. 상기 반응 챔버 내의 온도는 800℃로 수행하였으며, 압력은 50torr로 수행하였다. 또한, 캐리어 가스로서 Ar 가스를 사용하였다. 마지막으로 상기 제1 클래드층 및 제2 클래드층에 각각 전기적으로 접속하는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하였다. 상기 제1 전극은 Ti/Al으로 하였으며, 제2 전극은 NiO/Au로 하였다
비교예 1
제2 클래드층을 형성함에 있어서 사용되는 도펀트 소오스로서 P2O5 대신 MEAs(Monoethylarsin)를 사용하여 As가 도핑된 p형 산화아연층을 형성하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 발광다이오드를 제조하였다.
비교예 2
제2 클래드층을 형성함에 있어서 사용되는 도펀트 소오스로서 P2O5 대신 TMSb(Trimethylantimony)를 사용하여 Sb가 도핑된 p형 산화아연층을 형성하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 발광다이오드를 제조하였다.
이하, 표 1은 제조예, 비교예들 1 내지 2에 따른 발광다이오드들과 p형 반도체층을 Mg가 도핑된 질화갈륨층으로 형성한 기존 발광소자의 홀농도 및 이동도를 나타낸다. 상기 홀농도 및 이동도는 반데르포우(van der pauw) 방법을 이용하여 측정하였다.
종류 제2형 클래드층에 사용된 도펀트 홀농도(/㎤) 이동도(㎠/Vs)
제조예 1 P 1018 42
비교예 1 As 1017 6
비교예 2 Sb 1017 10
기존 발광소자 Mg 1017 3
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 홀농도의 경우, As가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(비교예 1)는 1017/㎤로 나타났으며, Sb가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(비교예 2)는 1017/㎤로 나타났다. 또한, Mg가 도핑된 p형 질화갈륨층이 구비된 기존 발광소자는 1017/㎤로 나타났다. 반면에 본 발명의 제조예 1에 따른 P가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(제조예 1)는 1018/㎤로 As 또는 Sb가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광소자(비교예들 1 및 2) 및 Mg가 도핑된 p형 질화갈륨층이 구비된 기존 발광소자에 비해 약 10배 향상된 홀농도 값을 나타냈다. 따라서, p형 반도체층으로서 P가 도핑된 산화아연이 구비된 발광소자는 홀농도가 증가되어 정공밀도가 향상될 것으로 판단된다.
전하이동도의 경우, As가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(비교예 1)는 6㎠/Vs로 나타났으며, Sb가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(비교예 2)는 10㎠/Vs로 나타났다. 또한, Mg가 도핑된 p형 질화갈륨층이 구비된 기존 발광소자는 3㎠/Vs로 나타났다. 반면에 본 발명의 제조예 1에 따른 P가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광다이오드(제조예 1)는 42㎠/Vs로 As 또는 Sb가 도핑된 p형 산화아연층이 구비된 발광소자(비교예들 1 및 2)에 비해 약 4배 이상 향상된 이동도 값을 나타냈으며, Mg가 도핑된 p형 질화갈륨층이 구비된 기존 발광소자에 비해 약 14배 향상된 이동도 값을 나타냈다. 따라서, p형 반도체층으로써 산화아연이 구비된 발광소자는 전하 이동도가 향상되어 전류확산 특성이 향상될 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이 상기 제2 클래드층을 p형 산화아연계 물질로 형성시키면 정공밀도가 증가되어 정공과 전자의 재결합(recombination) 확률이 증가되므로 발광효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 p형 산화아연계 물질에 전하 이동도가 높은 인(P)을 도핑시킴으로써 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 초격자층 또는 전류 확산층과 같은 별도의 층이 요구되지 않으므로 생산단가를 감소시킬 수 있고 소자를 단순화 시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 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.
도 1a 내지 도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 나타내는 개략도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 12: 제1 클래드층
14: 활성층 16: 제2 클래드층
17: 제1 전극 18: 제2 전극

Claims (11)

  1. 기판 상에 형성된 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성된 인(P)이 도핑된 산화아연계 제2 클래드층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 클래드층에 접속하는 제1 전극; 및
    상기 산화아연계 제2 클래드층 상에 직접적으로 접속하는 제2 전극을 더 포함하는 발광다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조인 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 클래드층 상에 형성된 전류 확산층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  5. 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 제1 클래드층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 인(P)이 도핑된 산화아연계 제2 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층 상에 각각 직접적으로 접속하는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 클래드층은 MOCVD 기술을 이용하여 형성하는 발광 다이오드의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 클래드층은 아연유기 전구체, 산소함유 물질 및 도펀트 소오스를 사용하여 형성하는 발광다이오드의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 아연유기 전구체는 디메틸아연(Zn(CH3)2), 디에틸아연(Zn(C2H5)2), 아연아세테이트(Zn(OOCCH3)2ㆍH2O), 아연아세테이트 무수물(Zn(OOCCH3)2) 또는 아연 아세틸아세토네이트(Zn(C5H7O2)2)인 발광 다이오드의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산소함유 물질은 O2, O3, NO2, CO2 또는 C4H8O인 발광 다이오드의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 도펀트 소오스는 P2O5, PH3 또는 BPE인 발광 다이오드의 제조방법.
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