KR20110025503A - 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 AlxGa(1-x)As계 적외선 발광 다이오드 칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 MOCVD로 성장된 박막의 Al-Ga-As 적외광 방사층에 에픽 성장된 후막의 Al-Ga-As 층이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 적외광 발광 다이오드는 방출되는 입체각의 증가로 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있으며, 표면 전극에서 발광층으로 흘러가는 전류가 고르게 분산되어 휘도가 개선되며, 두터운 후막 표면에 요철 처리가 가능하여 휘도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법{A LIGHT EMITTING DIODE WITH HIGN BRIGHTNESS AND MANUFACTURING MEHTODS}

본 발명은 적외선 발광 다이오드 칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Al-Ga-As로 이루어진 활성층을 포함하는 고휘도 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Al-Ga-As 계 반도체는 근적외선 및 적외선을 발광하는 LED의 칩 재료로 많이 사용된다. 이러한 Al-Ga-As 계 반도체는 Ga-As계 성장 기판에 MOCVD나 MBE 방식을 이용하여 성장된 발광층이 제한층과 발광층을 포함하는 활성층이 성장되고, 그 위에 반사층과 지지체가 차례로 형성된다. 지지체가 형성된 후에는 성장기판이 제거되고, 상하부에 전극이 형성되어 제조된다.

이러한 Al-Ga-As계 반도체는 활성층이 나노스케일로 정밀하게 제어됨으로서 고휘도로 발광할 수 있는 장점이 있지만, 발광된 빛이 표면에 반도체 재료와 외부 물질과의 굴절율 차이에 의해 칩 내부로 반사되는 문제가 있었다.

이러한 칩 내부로의 반사는 표면에 요철이 있는 조면을 형성함으로서 해결될 수 있지만, 표면에 조면을 형성할 경우, 박막의 활성층이 손상되는 문제가 있었다. 또한, 활성층의 두께가 얇아 표면에 형성된 전극으로부터 활성층에 균일한 전류가 공급되기 어렵고, 방출되는 입체각이 적어 휘도가 적어지는 문제가 있다. 그러나, MOCVD나 MBE 성장 장비는 정밀한 제어는 가능하지만, 성장률이 낮아 장시간 성장시키더라도 충분한 두께를 확보하기 어려운 문제가 있어왔다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 적외선 LED에서 방출되는 입체각을 증가시켜 외부양자효율의 향상을 통해 휘도가 개선될 수 있는 새로운 LED칩을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 적외선 LED의 발광층에 전류가 균일하게 퍼지도록 하여 휘도가 개선되는 새로운 LED칩을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 적외선 LED칩의 표면에 조도를 형성하여 휘도를 개선할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 적외선 LED의 발광층에 전류가 균일하게 공급되고 방출되는 입체각을 증가시킬 수 있는 새로운 LED칩 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 적외선을 발광하는 활성층 박막 상부에 적외선을 투과하는 후막이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 "후막"은 상기 "박막"에 비해서 두꺼운 막을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 "투과"라 함은 활성층에서 발생되는 광이 투과될 수 있음을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 "적외선"이라함은 활성층에서 발광되는 적외광 및 근적외광을 포함하는 것을 의미한다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 본 발명에 따른 적외선 발광다이오드는 박막의 Al-Ga-As계 활성층에 후막의 투광성 Al-Ga-As 층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이론적으로 한정된 것은 아니지만, 박막의 Al-Ga-As계 적외광 방사층 상부에 형성된 투광성 Al-Ga-As 후막은 상부전극으로부터 활성층에 입사되는 전류가 고르게 퍼져 공급되도록 하여, 휘도를 개선할 수 있게 된다. 본 발명에 있어서, 상기 투터운 Al-Ga-As 후막은 표면에 조면을 형성할 수 있어, 굴절률 차이에 의해 발광된 빛이 표면에서 반사되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 활성층 박막은 MOCVD나 MBE를 이용한 분자층 성장에 의한 성장층이며, 상기 후막은 LPE 또는 VPE와 성장층이다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 활성층 박막은 10 mm 이하, 바람직하게는 0.2 - 2 mm의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 투광성 후막은 10 mm이상의 두께, 보다 바람직하게는 10 - 200 mm 범위의 두께에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 활성층과 후막은 AlxGa(1-x)As로 이루어지며, 여기서 x는 0보다 크고 1 보다 작으며, 후막의 Al함량이 더 높아, 활성층에서 발생되는 적외광을 투광시키게 된다. 상기 투과율은 70% 이상, 바람직하게는 90%이상, 보다 바람직하게는 99% 이상이다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 활성층은 AlxGa(1-x)As 발광다이오드 재료에서 물성적으로 indirect-direct 변경 지점인 0.45보다 작은 0.1 - 0.5으로 하며, 상기 후막의 x는 활성층의 Al의 x보다 높은 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선 발광 다이오드는 활성층에서 발생되는 적외광이 상하로 발광되며, 이중 하부로 발광되는 적외광이 반사되어 발광될 수 있도록 하부에 반사층이 형성되는 것이 바람직하다. 하기 반사층은 금속과 같은 물질을 이용하여 공지된 방식으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 반사층 금속층이며, 광대역에 걸쳐 높은 반사율을 보인다. 일예로 상기 반사층은 입사광의 적어도 70%, 바람직하게는 80% 이상을 반사한다. 반사층은 일예로 Ag, Au, Pt 또는 Al 및/또는 상기 금속들 중 적어도 2개의 합금으로 만들어진다. 반사층은 상기 금속들 중 상이한 금속들 또는 합금으로 이루어진 다수의 층을 포함하는 다중층 시퀀스로도 형성될 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, 지지체; 상기 지지체에 상부에 형성된 광 반사층; 상기 광 반사층 상부에 형성되는 Al-Ga-As계 활성층; 상기 발광층 위에 형성되며, 상기 발광층보다 Al의 함량이 높은 Al-Ga-As계 투광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 지지체는 광학 특성은 요구되지 않는다. 지지체는 바람직하게 도전성을 띄거나 적어도 반도전성을 띄며, 재료로는 Si가 적합하다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 투광층은 10 - 200 mm 두께를 가지며, 상기 활성층과 제한층은 0.2 - 2 mm의 두께를 가지며, 상하에 밴드갭이 큰 제한층들(confining layers)이 형성된다.

본 발명에 있어서, 상기 투광층의 표면에는 조면이 형성되어, 활성층에서 발생되는 적외광이 표면에서 내부로 반사되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, 성장 기판에 Al-Ga-As계 투광층을 성장시키는 단계;

상기 확산층에 Al-Ga-As로 이루어진 발광층을 성장시키는 단계; 상기 발광층에 반사층을 형성하고, 지지체를 접합하는 단계; 상기 성장 기판을 제거하는 단계;상기 투광층 상부과 지지체 하부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 성장기판은 적외선을 투광하는 투광층과 적외선을 발광하는 활성층이 성장될 수 있는한 특별한 제한은 없다. 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 상기 Al-Ga-As계 활성층과 투광층의 경우, Al과 Ga이 유사한 원자 반경을 가지므로, Ga-As 기판에서 성장하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 반사층은 공지된 진공 증착이나 스퍼터링 증착방식에 의해서 형성될 수 있으며, 또한 지지체는 접촉 매개층을 이용해서 결합될 수 있다.

본 발명은 다른 일 측면에 있어서, Ga-As 성장 기판; 상기 성장 기판에 형성된 10-200 mm 두께의 후막형 Al-Ga-As계 투광층; 및 상기 투광층에 형성된 1 - 10 mm 두께의 박막형 Al-Ga-As 활성층과 제한층; 으로 이루어진 적외선 발광 다이오드 제조용 기판을 제공한다.

본 발명은 다른 일 측면에서, 적외선을 발광하는 활성층과 상부 전극 사이에 적외선을 투광하는 후막을 형성하고, 상기 후막에 조면을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 적외광 투광층은 액상 또는 기상에서 에픽 성장된 후막이며, 상기 적외광 발광층은 MOCVD성장된 박막이다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 에픽성장된 후막은 10 - 200 mm의 두께를 가지며, 상기 MOCVC성장된 박막은 활성층과 제한층을 포함해 1 - 10 mm의 두께를 가진다. 본 발명에 있어서, 발광층은 단일 또는 다중 양자 우물구조 형태의 다수의 부분층으로 형성된다.

이하, 실시예를 통해서, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 발명의 범위를 제한하기 위한 것으로 해석될 수 없음을 인지하여야 한다.

본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 발광층에 공급되는 전류의 분포가 일정하여 휘도가 향상된다. 또한, 표면에 형성된 조면으로 인해 표면 반사를 방지할 수 있어 휘도가 향상된다. 또한, 표면에서 방출되는 입체각의 증가로 인해 발광 효율이 향상된다.

실시예

본 발명에 있어서, 상기 발광소자의 각 층들은, 금속유기기상증착법(MOVPE), MBE 또는 금속유기화학증착법(MOCVD)등을 이용하여 성장시킬 수 있으며, 각 층들은 기본적으로 에피택시층(Epitaxial layer)으로 성장된다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면이 도시된 적외광 LED(100)이다. LED(100)의 상부층에는 상부 전극(1)이 형성되고, 상부 전극(1)의 하단에는 성장기판(도시되지 않음)에서 성장된 투광층(2)이 형성된다. 투광층(2)은 AlxGa(1-x)As 조성을 가지며, x는 QW(quantum well: 양자우물)의 x보다 높게 한다. 상기 투광층(2)의 두께는 50 mm 정도를 이루며, 표면은 내부에서 발광되는 적외광원이 표면에서 아래쪽으로 반사되지 않도록 조면처리된다. 상기 투광층(2)은 LEP 또는 VEP 성장된 층이며, 적외광에 투광성이다.

투광층(2)의 하단에는 n-제한층(3)이 형성되고, 상기n-제한층(3)의 하단에는 다중양자우물층(4)이 형성되며, 상기 MQW(다중양자우물)층(4)의 하단에는 p-제한층(4)가 형성된다. 상기 n-제한층(3), MQW층(4), 및 p-제한층(5)은 활성층을 이루며, MOCVD로 1 - 10 mm의 두께로 성장되고, AlxGa(1-x)As 조성을 가진다.

p-제한층(5)의 하단에는 반사 및 Ohmic contact 층(6)이 형성되며, 그 하단는 접착매개층(7)이 형성되고, 그 하단에는 캐리어 웨이퍼와의 Ohmic contact층(8)이 형성된다.

그 하부에는 웨이퍼 캐리어(9)가 형성되고, 캐리어 웨이퍼(9)의 하단에는 하부 전극(10)이 형성된다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 발광소자(100)의 투광층(2)의 표면에는 조면이 형성되지 않을 수 있다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 소자는 성장기판위에 투광층과 활성층이 차례로 성장된 후, 반사층이 형성되고, 지지체가 본딩된 후, 성장기판이 제거되는 방식으로 제조된다.

상기 성장기판은 GaAs기판(20)으로서, n형 GaAs기판이다. 도 3에 도시된 바와 같이, n-GaAs 기판(20)에 1차로 50 mm 두께의 n-AlxGa(1-x)As 후막 투광층(2)을 에피성장 장비를 이용하여 LED 에피를 성장하기 전에 성장시켰다. 에피 성장된 n-AlxGa(1-x)As 후막 투광층(2)에는 p-제한층, MQW, n-제한층으로 이루어진 활성층(13)이 형성된다.

활성층(13)이 형성되면, 상기 반사, 접합, 접촉층(14)이 형성되고, 지지체인 캐리어 웨이퍼(9)와 단단하게 결합된다. GaAs기판(1)은 지지체(9)가 결합된 후에 반도체 바디로부터 제거된다. 캐리어 웨이퍼(9)의 하단에 하부 전극이 형성되며, 투광층(2)의 상부에는 상부 전극이 형성된다.

도 4는 후막 투광층(2)이 형성된 LED(100)과 후막이 형성되지 않은 LED(200)에서 발광되는 적외선의 발광 모식도이며, 도 5는 후막(2)이 형성된 LED(100)과 후막이 형성되지 않은 LED(200)에서 상부 전극(10)으로부터 발광층에 공급되는 전류의 분포를 보여주는 모식도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 단면도이다.

도 3은 본 발명의 발광다이오드의 제조 공정도이다.

도 4는 본 발명에 따른 발광다이오드와 후막 투광층이 없는 발광다이오드의 적외선의 발광 모식도이다.

도 5는 본 발명에 따른 발광다이오드와 후막 투광층이 없는 발광다이오드의 전류의 분포 모식도이다.

Claims (17)

1. 적외선을 발광하는 활성층 박막 상부에 적외선을 투과하는 후막이 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층 박막은 0.2 - 2 mm 이며, 상기 후막은 10 - 200 mm인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
3. 제1항에 있어서, 상기 활성층 박막은 MOCVD 성장층이며, 상기 후막은 LPE 또는 VPE 성장층인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
4. 제1항에 있어서, 상기 활성층과 후막은 AlxGa(1-x)As로 이루어지며, 여기서 x는 0보다 크고 1 보다 작으며, 후막의 Al함량이 더 높은 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 발광 다이오드는 하부에 반사층이 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
6. 지지체;

   상기 지지체에 상부에 형성된 광 반사층;

   상기 광 반사층 상부에 형성되는 Al-Ga-As계 활성층;

   상기 발광층 위에 형성되며, 상기 발광층보다 Al의 함량이 높은 Al-Ga-As계 투광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
7. 제6항에 있어서, 상기 투광층은 10 - 200 mm 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
8. 제6항에 있어서, 상기 활성층은 상하에 밴드갭이 큰 제한층들(confining layers)이 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광다이오드.
9. 제6항에 있어서, 상기 활성층은 0.2 - 2 mm 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
10. 제6항에 있어서, 상기 투광층의 표면에는 조면이 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
11. 성장 기판에 Al-Ga-As계 투광층을 성장시키는 단계;

    상기 확산층에 Al-Ga-As로 이루어진 발광층을 성장시키는 단계;

    상기 발광층에 반사층을 형성하고, 지지체를 접합하는 단계;

    상기 성장 기판을 제거하는 단계;

    상기 투광층 상부과 지지체 하부에 전극을 형성하는 단계

    를 포함하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 투광층은 10 - 200 mm 이며, 상기 활성층은 0.2 - 2 mm인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 투광층은 LED 또는 VEP성장되며, 활성층은 MOCVD 성장된 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 투광층의 표면에 조면을 형성하는 단계를 더 포함하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.
15. 제8항에 있어서, 상기 활성층의 상하에는 활성층에 비해 밴드갭이 큰 제한층들(confining layers)이 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.
16. Ga-As 성장 기판;

    상기 성장 기판에 형성된 10 - 200 mm 두께의 후막형 Al-Ga-As계 투광층; 및

    상기 투광층에 형성된 0.2 - 2 mm 두께의 박막형 Al-Ga-As 활성층;

    으로 이루어진 적외선 발광 다이오드 제조용 기판.
17. 적외선을 발광하는 활성층과 상부 전극 사이에 적외선을 투광하는 후막을 형성하고, 상기 후막에 조면을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 제조 방법.

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