KR20110138980A - 발광다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

광 추출 효율의 한계를 극복할 수 있는 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 구조는 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 n형 반도체층에 형성되는 제1 전극층, 상기 p형 반도체층에 형성되는 투명 전극층, 그리고 상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 절연체가 구비된다. 이와 같은 구성에 의하면, 외부 손상의 염려 없이 광 추출 효율을 증대 시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

발광다이오드 및 이의 제조방법{LIGHT EMITTING DIODES AND ITS FABRICATING METHOD}

발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다. 보다 자세하게는 광 추출 효율의 한계를 극복할 수 있는 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다.

발광 다이오드에 전류를 인가하였을 때, n-전극에서 다중 양자 우물(MQW) 을 거치는 전기 에너지가 발생시킨 광자들은 투명 전극 층을 따라 고르게 분포되어 발광 다이오드의 외부로 빛의 형태로 방출 되게 되는데, 이때 p-전극부분에서 방출되는 빛들은 p-전극의 금속특성 때문에 흡수 및 반사 된다. 이것은 발광 다이오드의 광 추출 효율을 낮추는 원인이 된다. 또한, .3-1에서 제시한 바와 같이 종래의 전류 억제 층을 차용한 발광 다이오드는 p-GaN에 얇은 전류 억제 층을 증착하여 형성하고 있다. 이는 p-GaN층 위에 일종의 layer 형태로 두께를 가진 형태가 되는 데, 구조상 얇고 선폭이 좁은 단점이 있어 손상되기가 쉽다는 단점이 있었다. 더불어 증착 및 식각을 위해 몇 번의 복잡한 공정이 발생하기 때문에 공정상의 비용발생이 있다는 것도 단점이었다.

게다가, 기존의 발광 다이오드는 n-전극과 p-전극의 전기적 쇼트현상을 방지하기 위하여 MESA 식각된 sidewall 부분에 SiO2등의 절연물질이 증착되어야 했다. 이는 증착 및 식각을 위해 몇 번의 복잡한 공정이 발생하기 때문에 공정상의 비용발생이 있다는 것이 단점이었다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 발광 다이오드가 가지고 있는 광 추출 효율의 한계를 극복할 수 있고, 더불어 기존의 공정상의 비용을 줄일 수 있으며, 발광 다이오드의 제작 후 손상 가능성을 줄여 신뢰성을 높일 수 있는 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 구조는 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 n형 반도체층에 형성되는 제1 전극층, 상기 p형 반도체층에 형성되는 투명 전극층, 그리고 상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 절연체가 구비된다.

다른 일 실시예에 따른 발광다이오드는 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 n형 반도체층에 형성되는 제1 전극층, 상기 p형 반도체층에 형성되는 투명 전극층, 그리고 상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층을 포함하고 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 절연체가 구비되고, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 측면에 이온주입으로 형성된 절연체가 더 구비된다.

다른 일 실시예에 따른 발광다이오드는 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층, 상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 관통하여 이온주입으로 형성된 제2 n형 반도체층, 상기 제2 n형 반도체층 주위로 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 관통하여 이온주입으로 형성된 제1 절연체, 상기 p-형 반도체층에 형성되는 투명 전극층, 그리고 상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층을 포함하고 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 제2 절연체가 구비된다.

일측에 따르면, 상기 절연체는 O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나를 포함하는 이온, 분자들의 이온주입을 통하여 형성된다.

일측에 따르면, O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나를 포함하는 이온, 분자들을, 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역과, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 측면에, 동시에 이온주입으로 절연체를 형성한다.

일측에 따르면, 상기 이온주입 후 열처리를 200℃ 내지 1200℃에서 실시한다.

일측에 따르면, 상기 제2 n형 반도체층은 Si, C, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Bi, Mg, Zn, Ca, Ar, Be, Au, Ti, H, He, Al, In, B 중 적어도 하나를 포함하는 이온, 분자들의 이온주입을 통하여 형성한다.

일측에 따르면, 상기 이온주입 후 열처리를 200℃ 내지 1300℃에서 실시한다.

일측에 따르면, 상기 제1 절연체 및 제2 절연체는 O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나를 포함하는 이온, 분자들의 이온주입을 통하여 형성한다.

일측에 따르면, 상기 투명전극층과 제2 전극층 사이에 활성층에서 발생된 빛을 반사할 수 있는 층을 더 구비할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 활성층에서 발생된 빛을 반사할 수 있는 층은 Al, Al-alloy, Ag, Ag-alloy 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 발광 다이오드에서 차용 되어 사용 된 전류 억제 층처럼 SiO2등의 절연층 형태로 p-GaN 위에 증착되는 형태가 아닌, 이온 주입 방법을 이용하여 p-GaN 아래에 형성 되게 되므로 외부 손상의 염려 없이 광 추출 효율을 증대 시킬 수 있는 효과가 있다. 더불어 이온 주입 방법은 하나의 단순한 공정이므로 SiO2등을 증착 시킬 때 발생하는 공정의 복잡함을 대체하여 공정상의 비용을 줄이는 효과를 기대할 수 있을 뿐 아니라, Mesa 식각 sidewall 부분에 이온 주입 방법을 통하여 절연체 형성이 가능하기에 기존의 SiO2등의 절연 물질을 대체 할 수 있으며, 증착 및 식각의 복잡한 공정을 거치지 않고 이온 주입 공정이라는 단 하나의 공정을 통해 형성하는 것이기에 공정상의 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도 2 내지 도 5는 발광다이오드의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

사파이어기판에 MQCVD (metal organic chemical vator deposition)를 이용하여 핵층 GaN, u-GaN, n-GaN, MQWs(multi Quantum well), p-GaN을 순서대로 성장한다. 이후 상기 그림과 같이 p-GaN 상부에 이온주입방법 (Ion Implantation) 방법을 이용해 이온주입을 할 때 반응성 이온, 또는 기체분자들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B, N, Se, S, P 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입을 하여 절연 층을 형성하게 된다. 이 절연 층이 전류 억제 층이 된다. 이 후 ICP 장비를 이용하여 p-GaN를 n-GaN까지 식각하여 n-GaN을 노출한다. 여기서 식각된 측면 Sidewall 상단에 이온주입방법 (Ion Implantation) 방법을 이용해 이온주입을 할 때 반응성 이온, 또는 기체분자들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B, N, Se, S, P 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입을 하여 절연 층을 형성하게 된다. 이 절연층은 n-전극 과 p-전극이 전기적 쇼트가 일어나는 것을 방지한다. 이 후 p-GaN 상부에 투명 전극 층을 형성한다. 이때 투명 전극 층은 ITO, ZnO, IGZO, SnO2, AZO, CIO, IZO 들 중 적어도 하나를 증착한다. 이 후 n 전극 및 p 전극을 형성하여 LED (발광 다이오드)를 제작한다.

본 발명은 이온 주입 (Ion Implantation) 방법을 통해 전류 억제 층 (Current Blocking Layer: CBL)이 형성되고, 상기 발광다이오드의 식각된 Sidewall에 절연 층도 함께 형성된 발광다이오드의 구조를 소개하고 그 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것을 소개한다, 본 발광 다이오드 구조는 p-전극 부분에서 발생하는 빛이 전극에 흡수 되거나 반사되는 영향 때문에 외부로 빛을 발생시키는 효율이 떨어지는 단점을 이온 주입 방법을 이용해 형성한 CBL을 이용해 해결하여 발광 효율을 늘리는 것을 큰 특징으로 한다. 더불어 n-전극 형성을 위해 Mesa 식각을 하여 n-GaN층을 노출 시킨 후, n-전극과 p-전극의 전기적 쇼트현상을 방지하기 위하여 절연 층인 SiO2를 증착해 n과 p를 분리시킨다. 이 기존의 공정을 이온 주입 방법을 이용해 MESA 식각 된 면의 sidewall 부분에 형성시키는 것을 발명의 특징으로 한다. 특히 상기의 두 가지 새로운 방법은 동시에 진행 될 수 있다는 것에 그 특징이 있다.

기존의 발광 다이오드를 제작하기 위해 많은 방법을 이용하고 있는데 본 발명은 이온 주입 방법을 이용하여 p-GaN에 전류 억제 층(Current Block Layer : CBL)을 형성 하는 것 과 더불어 Mesa 식각된 면의 sidewall에 절연 층을 형성하는 것을 원칙으로 한다.

이온주입방법 (Ion Implantation) 방법을 이용해 이온주입을 할 때 반응성 이온, 또는 기체분자들을 이용하게 되는데 이때 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, O, Au, Ti, C, H, He, Si, Al, In, B, N, Se, S, P 중 적어도 하나의 반응성 이온들을 플라즈마를 이용하여 이온주입을 하여 절연 층을 형성하게 됨을 원칙으로 한다.

투명 전극 층은 ITO, ZnO, IGZO, SnO2, AZO, CIO, IZO 들 중 적어도 하나를 증착함을 원칙으로 한다.

전류 억제 층(Current Block Layer : CBL)은 발광 다이오드에 전류를 인가하였을 때, n-전극에서 다중 양자 우물(MQW) 을 거치는 전기 에너지가 발생시킨 광자들은 투명 전극 층을 따라 고르게 분포되어 발광 다이오드의 외부로 빛의 형태로 방출 되게 되는데, 이때 p-전극부분에서 방출되는 빛들은 p-전극의 금속특성 때문에 흡수 및 반사 된다. 이것은 발광 다이오드의 광 추출 효율을 낮추는 원인이 된다. 이것을 해소 하는 것이 전류 억제 층이다. 투명 전극 아래 p-Gan에 이온 주입을 통하여 절연 층을 형성하고, 투명 전극 위에 p-전극이 형성된 발광 다이오드는 p-전극 쪽으로 흘러드는 전류를 다른 경로로 바꾸어 진행 시키며 이 전류 성분들은 p-전극이 아닌 다른 부분에서 빛의 형태로 방출 되게 되어 광 추출 효율을 높이게 된다. 기존의 전류 억제 층은 PECVD를 이용하여 p-GaN 위에 SiO2, SiN층을 증착하여 형성하는 것이었다. 그러나 이는 공정상의 복잡함과 더불어 형성된 증착된 전류 억제 층의 얇은 두께와 좁은 선폭 때문에 손상 될 가능성이 높았다. 본 발명의 전류 억제 층은 증착의 형태가 아닌 p-GaN 내부에 형성되는 형태로 손상의 가능성이 없으며, 기존의 방법에 비해 그 공정이 단순하기 때문에 공정상의 비용 절감의 효과가 있다.

더불어 n-전극 형성을 위해 Mesa 식각을 하여 n-GaN층을 노출 시킨 후, n과 p의 전기적 쇼트현상을 방지하기 위하여 절연 층인 SiO2를 증착해 n과 p를 분리시키는 복잡한 공정을 sidewall 부분에 직접 이온 주입으로 절연 층을 형성하여 개선할 수 있어 공정상의 비용을 단축시키는 효과가 있다.

상기의 두 가지 개선은 이온 주입 방법을 통해 동시에 진행 할 수 있기에 공정상의 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

일반적으로 발광다이오드는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다. 화합물 발광 다이오드 중 GaN 화합물은 청색 발광다이오드 소자를 제조하는 화합물로서 각광 받는다.

본 발명은 기존의 발광 다이오드가 가지고 있는 광 추출 효율의 한계를 극복하고자 함에 그 목적이 있으며, 더불어 기존의 공정상의 비용을 줄이는 데에도 그 목적이 있고, 발광 다이오드의 제작 후 손상 가능성을 줄여 신뢰성을 높이는 데에 그 목적이 있다.

첫 번째로 광 추출 효율을 증가 시키는 것인데, 이것에 대한 발명이 이온 주입 방법으로 형성 된 전류 억제 층이다. 투명 전극 아래 p-Gan에 이온 주입을 통하여 절연 층을 형성하고, 투명 전극 위에 p-전극이 형성된 발광 다이오드는 p-전극 쪽으로 흘러드는 전류를 다른 경로로 바꾸어 진행 시키며 이 전류 성분들은 p-전극이 아닌 다른 부분에서 빛의 형태로 방출 되게 되어 광 추출 효율을 높이게 된다.

두 번째로는 공정상의 비용을 줄여 경제성을 높이는 것 인데, 이것에 대한 발명 역시 기존의 전류 억제 층으로 p-GaN 위에 증착된 절연 층 형성의 복잡한 방법을 이온 주입 방법이라는 단 하나의 공정을 통해 형성하는 것으로 대체 하는 것이기에 공정상의 비용을 상당부분 줄일 수 있다는 장점이 있다.

세 번째로 기존의 발광 다이오드에서 차용 되어 사용 된 전류 억제 층 처럼 SiO2등의 절연층 형태로 p-GaN 위에 증착되는 형태가 아니라 p-GaN 내부에 이온이 주입이 되어 형성을 시키는 방식으로 두께를 가지지 않게 되어 전류 억제 층이 끊기는 등의 외부 손상의 염려가 적다.

네 번째로 이온 주입을 통한 Mesa 식각 sidewall 부분에 이온 주입 방법을 통하여 절연체 형성이 가능하기에 기존의 SiO2등의 절연 물질을 대체 할 수 있으며, 증착 및 식각의 복잡한 공정을 거치지 않고 이온 주입 공정이라는 단 하나의 공정을 통해 형성하는 것이기에 공정상의 비용을 줄일 수 있다.

다섯 번째로 상기의 전류 억제 층 형성과 Mesa 식각 sidewall 부분에 절연체를 형성하는 제조 방법은 이온 주입 방법이라는 하나의 공정을 통해 동시에 진행이 가능하므로 발광 다이오드 제작에 드는 공정상의 비용을 상당부분 낮출 수 있으며, 동시에 발광 추출 효율도 높일 수 있도록 해주는 장점이 있다.

도 1은 p-GaN아래에 이온 주입 방법 (Ion Implantation)을 이용하여 전류 억제 층 (Current Blocking Layer: CBL) 및 side wall 절연 층이 형성된 구조의 발광다이오드 LED소자의 단면도이다.

도 2는 일정한 전류 인가 하에, p-GaN 아래에 이온 주입 방법 (Ion Implantation)을 이용하여 형성된 전류 억제 층(Current Blocking Layer: CBL)의 깊이의 따라 상승하는 발광 다이오드의 Optical output power 변화를 나타낸다. 이온 주입이 되지 않은 일반 발광 다이오드 보다, 250nm의 깊이로 이온 주입을 하여 형성한 전류 억제 층이 형성된 발광 다이오드는 약 6% Optical output power가 증가 하였다.

도 3은 전류 억제 층이 없는 발광 다이오드 (Non-CBL) 과 이온 주입 방법으로 전류 억제 층이 형성된 발광 다이오드 (With CBL)의 MQW 층으로 주입된 전류 레벨을 비교 한 것이다. Non-CBL에 비해 With CBL이 MQW 층에서 p 전극 부분으로 흘러 들어가는 전류양이 비교적 적음을 볼 수 있다. 더불어 p 전극 부분으로 흘러 들어가지 않고 다른 영역으로 전류가 주입되어 Non-CBL에 비해 With CBL의 면적 대부분이 높은 전류 레벨을 나타내는 것을 볼 수 있다. 이는 p-전극이 있는 부분으로 주입되던 전류가 전류 억제 층에 의해 다른 부분으로 분포되었다는 것을 보여준다.

도 4는 전류 억제 층이 없는 발광 다이오드 (Non-CBL) 과 이온 주입 방법으로 전류 억제 층이 형성된 발광 다이오드 (With CBL)의 Optical output power를 비교한 것으로 그림 2.의 그래프와 더불어 이온 주입 방법으로 전류 억제 층이 형성된 발광다이오드의 전체적인 광 파워가 늘어나면서 광 추출 효율이 증가했음을 보여준다.

이에 따라 발광 다이오드에서 p-GaN 아래에 이온 주입 방법 (Ion Implantation)을 이용하여 형성된 전류 억제 층(Current Blocking Layer: CBL)은

MQW 층에서 p-전극 부분으로 흐르는 전류를 다른 곳으로 분포시켜 그 전류 성분이 빛으로 전환되었을 때, p-전극에 흡수 되거나 반사되지 않도록 효과적으로 작용 하고 있음을 알 수 있다. 그에 따라 광 추출 효율은 기존의 일반 발광 다이오드 보다 향상 되었으며, 이는 광 추출 효율을 높이는 좋은 방법이라 할 수 있다.

더불어 이온 주입 형태로 형성 되는 전류 억제 층은 기존의 발광 다이오드에서 차용 되어 사용 된 전류 억제 층처럼 SiO2등의 절연층 형태로 p-GaN 위에 증착되는 형태가 아니라 p-GaN 내부에 이온이 주입이 되어 형성을 시키는 방식으로 두께를 가지지 않게 되어 전류 억제 층이 끊기는 등의 외부 손상의 염려가 적다.

추가로 이온 주입을 통한 Mesa 식각 sidewall 부분에 이온 주입 방법을 통하여 절연체 형성이 가능하기에 기존의 SiO2등의 절연 물질을 대체 할 수 있으며, 증착 및 식각의 복잡한 공정을 거치지 않고 이온 주입 공정이라는 단 하나의 공정을 통해 형성하는 것이기에 공정상의 비용을 줄일 수 있다.

상기의 전류 억제 층 형성과 Mesa 식각 sidewall 부분에 절연체를 형성하는 제조 방법은 이온 주입 방법이라는 하나의 공정을 통해 동시에 진행이 가능하므로 발광 다이오드 제작에 드는 공정상의 비용을 상당부분 낮출 수 있으며, 동시에 발광 추출 효율도 높일 수 있도록 해주는 장점이 있다.

발광 다이오드에서 p-GaN 아래에 이온 주입 방법 (Ion Implantation)을 이용하여 형성된 전류 억제 층(Current Blocking Layer: CBL)의 형태는 도 5와 같이 p-전극과 같은 형태를 지니는 구조 또는 도 5(b)와 같이 중간에 끊어진 형태를 지닐 수 있다.

Claims (3)

1. n형 반도체층;
   상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층;
   상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층;
   상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 n형 반도체층에 형성되는 제1 전극층;
   상기 p형 반도체층에 형성되는 투명 전극층; 및
   상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층;
   을 포함하고, 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 절연체가 구비된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
2. n형 반도체층;
   상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층;
   상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층;
   상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 n형 반도체층에 형성되는 제1 전극층;
   상기 p형 반도체층에 형성되는 투명 전극층; 및
   상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층;
   을 포함하고 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 절연체가 구비되고, 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 제거하여 노출된 측면에 이온주입으로 형성된 절연체가 더 구비된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
3. n형 반도체층;
   상기 n형 반도체층에 적층되는 활성층;
   상기 활성층 상에 적층되는 p형 반도체층;
   상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 관통하여 이온주입으로 형성된 제2 n형 반도체층;
   상기 제2 n형 반도체층 주위로 상기 p형 반도체층과 활성층의 일부 영역을 관통하여 이온주입으로 형성된 제1 절연체;
   상기 p-형 반도체층에 형성되는 투명 전극층; 및
   상기 투명전극층에 형성되는 제2 전극층;
   을 포함하고 상기 제2 전극층 하부의 p형 반도체층의 적어도 일부 영역에 이온주입으로 형성된 제2 절연체가 구비된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.

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