KR20120018538A - 발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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윤복현
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Abstract

일 실시 예에 있어서, 발광 다이오드 소자는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 제1 질화갈륨계 화합물층, 상기 제1 질화갈륨계 화합물층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 질화갈륨계 화합물층 및 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층간의 계면에 배치되는 저굴절율층을 포함한다. 상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층의 굴절율보다 작고, 상기 저굴절율층은 상기 저굴절율층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시킨다.

Description

발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법{light emitting diode device and method of manufacturing the same}
본 출원은 대체로 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 저굴절율층을 구비하는 포함하는 발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode, LED)소자는 P-N 접합의 양단에 순방향의 전류를 인가하여 광을 방출하도록 하는 광전 변환 소자이다. 상용되는 발광 다이오드 소자는 에피 웨이퍼 제조 공정, 칩 생산 공정, 패키징 공정 및 모듈 공정을 거쳐 상용 제품으로 출시된다.
최근 상기 발광 다이오드 소자의 연구 중 가장 중요한 분야는 광변환효율을 증가시키는 것으로, 이러한 기술의 일 예로서, 에피 웨이퍼 제조 공정에서는 비발광 중심으로 작용하는 결정 결함을 감소시키는 기술, 활성층 내에서 전자와 정공의 효율적인 재결합을 촉진시키는 기술 등이 연구되고 있다. 또한, 칩 생산 공정에서는 칩의 형상, 플립칩 공정, 수직형 칩 공정 등을 조절하는 기술이 시도되고 있다. 패키징 공정 및 모듈 공정에서는 상기 광변환효율과 관련되는 열 방출 기술 등이 연구되고 있다.
상술한 바와 같은 광변환효율을 증가시키기 위한 연구로 말미암아 현재 업계에서는 100 lm/W 정도의 광변환효율을 획득할 수 있었으며, 이와 같은 광변환효율을 증가시키기 위한 다양한 노력은 업계의 요청에 따라 향후에도 꾸준히 계속될 것으로 예측된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드 소자의 광방출 효율을 증가시키는 발광 다이오드 소자 구조를 제시하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광방출 효율이 증가된 새로운 구조를 가지는 발광 다이오드 소자를 제조하는 방법을 제시하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 발광 다이오드 소자가 개시된다. 상기 발광 다이오드 소자는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 제1 질화갈륨계 화합물층, 상기 제1 질화갈륨계 화합물층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 질화갈륨계 화합물층 및 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층간의 계면에 배치되는 저굴절율층을 포함한다. 상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층의 굴절율보다 작고, 상기 저굴절율층은 상기 저굴절율층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시킨다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 발광 다이오드 소자가 개시된다. 상기 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서, 먼저 기판 상에 저굴절율을 가지는 박막을 형성한다. 상기 저굴절율을 가지는 상기 박막을 패터닝하여 상기 기판 상에 저굴절율층을 형성한다. 상기 저굴절율층이 형성된 기판 상에 제1 질화갈륨계 화합물층, 활성층 및 제2 질화갈륨계 화합물층을 형성하는 과정을 포함한다. 이때, 상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층의 굴절율보다 작고, 상기 저굴절율층은 상기 저굴절율층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시키도록 구성된다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 발광 다이오드 소자의 제조 방법이 개시된다. 상기 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서, 먼저 기판 상에 희생막을 형성한다. 상기 희생막을 패터닝하여 상기 기판 상에 희생막층을 형성한다. 상기 희생막층이 형성된 기판 상에 제1 질화갈륨계 화합물층, 활성층 및 제2 질화갈륨계 화합물층을 형성한다. 상기 희생막층을 제거하여 상기 희생막층이 배치된 위치에 공극층을 형성한다. 이때, 상기 공극층은 상기 공극층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시키도록 구성된다.
본 출원에 따르는 발광 다이오드 소자는 사파이어 기판과 질화갈륨계 화합물층 사이에 저굴절률층을 구비한다. 상기 발광 다이오드 소자의 활성층에서 방출되는 광이 하부에 배치되는 저굴절률층에 의하여 반사율이 증가할 수 있다. 이로서, 상부 방향으로의 광방출효율을 증가시킬 수 있는 장점을 보유하게 된다. 이와 같이, 본 출원에 따르면 광방출효율이 증가된 발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 비교 예에 따른 발광 다이오드 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4 내지 도 7는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9 내지 도 13은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다”등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 출원의 일 비교 예에 따른 발광 다이오드 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1의 발광 다이오드 소자(100)는 발명자에 의해 구현되었으나, 이하 상술하는 본 출원의 실시예들에 비하여 외부로의 광방출효율이 상대적으로 낮다는 단점을 가지고 있다. 발광 다이오드 소자(100)는 사파이어 기판(110), 사파이어 기판(110) 상의 N형 질화갈륨층(120), N형 질화갈륨층(120) 상의 광방출층(130), 광방출층(130) 상의 P형 질화갈륨층(140)을 구비한다. 발광 다이오드 소자(100)는 또한 P형 질화갈륨층(140) 상에 투명전극층(150) 및 패드 전극층(160)을 구비하며, N형 질화갈륨층(120)과 전기적으로 연결되는 전극층(170)을 구비한다. 투명전극층(150)은 광방출층(130)에서 발생하는 광을 상부방향으로 투과시키기 위해 광불투과층인 전극 패드층(160)보다 상대적으로 얇은 두께를 가지며, 패드 전극층(160)보다 상대적으로 전기적 저항이 높을 수 있다. 도시되지는 않았지만, N형 질화갈륨층(120)과 사파이어 기판(110) 사이에는 완충층이 존재하여, N형 질화갈륨층(120)과 사파이어 기판(110) 사이의 격자 불일치를 완화시킬 수 있다. 상기 완충층은 일 예로서, 도핑되지 않은 질화갈륨층 일 수 있다.
도 1의 발광 다이오드 소자(100)는 외부 전원에서 전압이 인가될 때, 패드 전극층(160)으로부터 전극층(170)으로 전류 흐름이 발생하며, 광방출층(130)에서는 광이 발생한다. 광방출층(130)에서 발생한 상기 광은 상부, 하부 및 측부 방향으로 진행할 수 있으며, 도시된 발광 다이오드 소자(100) 내부의 광은 투명전극층(150)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 이 경우, 광방출층(130) 하부로 진행하는 광은 사파이어 기판(110)에 흡수되어 소멸하거나 빛의 세기가 감소됨으로써, 발광 다이오드 소자(100) 외부로의 광방출 효율을 감소시킬 수 있다. 즉, N형 질화갈륨층(120)은 굴절률이 약 2.45 이며, 사파이어 기판(110)의 굴절율은 약 1.78 로서 굴절률 차이가 0.6 정도로서 크지 않은 수준이다. 따라서, 광방출층(130)에서 생성되어 하부 방향으로 진행하는 광은, N형 질화갈륨층(120)과 사파이어 기판(110) 사이의 계면에서 반사하기 보다는 투과하는 경향이 클 것으로 판단된다.
이에 대하여, 발명자는 하기에 기술될 본 출원의 여러 실시예들을 창작하여, 광방출층(130) 하부에서의 광의 반사율을 증가시켜 발광 다이오드 소자의 광방출효율을 증가시키고자 한다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따른 발광 다이오드 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 발광 다이오드 소자(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 배치되는 제1 질화갈륨계 화합물층(220), 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 상에 배치되는 활성층(230), 활성층(230) 상에 배치되는 제2 질화갈륨계 화합물층(240) 및 기판(210) 및 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 사이의 계면의 일부분 상에 배치되는 저굴절율층(225)을 포함한다. 발광 다이오드 소자(200)는 제1 질화갈륨계 화합물(220) 상에 제1 전극(250)을 구비하고, 제2 질화갈륨계 화합물층(240) 상에 제2 전극(260)을 구비할 수 있다. 제2 전극(260)은 투광성 전극부(262) 및 패드 전극부(264)를 포함할 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(240)은 각각 N형 또는 P형 중 어느 하나로 도핑되며, 서로 다른 도핑 형태를 가질 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 질화갈륨계 화합물층(220)이 기판(210) 상에 배치된다. 기판(210)은 일예로서, 사파이어(Al2O3) 또는 탄화실리콘(SiC) 재질로 이루어질 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층(220)은 N형 또는 P형으로 도핑되는 질화갈륨계 화합물을 포함하는 층이며, 일 예로서, N형 도펀트 또는 P형에 의해 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨(GaN)층, 알루미늄갈륨질화물(AlxGa1-xN: 0<x<1)층, 인듐갈륨질화물(InGaN)층 또는 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1)일 수 있다. 상기 N형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 P형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층(220)의 일부분 상에는 제1 전극(250)이 배치된다. 제1 전극(250)은 본딩 와이어(미도시)를 통하여 패키지와 전기적으로 연결됨으로써, 상기 외부 전원으로부터의 상기 전압을 인가받아 제1 질화갈륨계 화합물층(220)에 제공할 수 있다. 제1 전극(250)은 전도층으로 형성될 수 있으며, 일 예로서, 타이타늄, 알루미늄 등을 포함할 수 있다.
제1 질화갈륨계 화합물층(220) 상에는 활성층(230)이 배치된다. 활성층(230)은 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(240)으로부터 제공되는 전자-홀의 결합을 통해 광을 발생시킨다. 일 실시 예에 따르면, 활성층(230)은 전자-홀의 결합 효율을 높이기 위해 다중양자우물(Multple quantum well) 구조를 가질 수 있다. 일 예로서, 활성층(230)은 인듐갈륨질화물(InGaN), 질화갈륨(GaN), 갈륨알루미늄질화물(Ga1-aAlaN, 0<a<1) 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 2이상의 조합을 포함할 수 있다.
활성층(230) 상에는 제2 질화갈륨계 화합물층(240)이 배치된다. 제2 질화갈륨계 화합물층(240)은 N형 또는 P형으로 도핑되는 질화갈륨계 화합물을 포함하는 층이며, 일 예로서, N형 도펀트 또는 P형에 의해 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨(GaN)층, 알루미늄갈륨질화물(AlxGa1-xN: 0<x<1)층, 인듐갈륨질화물(InGaN)층 또는 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1)일 수 있다. 상기 N형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 P형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다.
제1 질화갈륨계 화합물층(220)이 N형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(240)은 P형으로 도핑되고, 제1 질화갈륨계 화합물층(220)이 P형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(240)은 N형으로 도핑될 수 있다.
제2 질화갈륨계 화합물층(240) 상에는 제2 전극(260)이 배치된다. 제2 전극(260)은 제2 질화갈륨계 화합물층(240)에 외부 전원으로부터의 전압을 인가하는 역할을 수행하며, 투광성 전극부(262) 및 패드 전극부(264)를 포함한다. 투광성 전극부(262)는 활성층(230)에서 생성된 광을 외부로 방출하기 위해 빛에 대한 투과성을 가지며, 제2 질화갈륨계 화합물층(240)의 일부분 상에 배치될 수 있다. 투광성 전극부(262)은 일 예로서, 금(Au)과 같은 투광성 금속 또는 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)와 같은 투광성 금속 산화물을 포함할 수 있다. 투광성 전극부(262)로서 금속이 적용되는 경우, 패드 전극부(264)보다 두께를 얇게 형성할 수 있으며, 상대적으로 전기적 저항은 높을 수 있다.
패드 전극부(264)는 본딩 와이어(미도시)를 통하여 패키지와 전기적으로 연결됨으로써, 외부 전원으로부터 전압을 인가받을 수 있다. 패드 전극부(264)는 투과성 전극부(262)가 형성되지 않은 제2 질화갈륨계 화합물층(240)의 일부분 상에 배치될 수 있다. 패드 전극부(264)는 전도층으로 형성될 수 있으며, 일 예로서, 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti) 등의 금속을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르면, 발광 다이오드 소자(200)의 기판(210) 및 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 간의 계면에 저굴절율층(225)이 배치된다. 저굴절율층(225)은 패터닝된 박막의 형태로 기판(210) 상에 배치될 수 있으며, 상기 패터닝의 형태에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 저굴절율층(225)은 기판(210) 및 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 간의 계면의 적어도 일부분에 개재될 수 있다. 저굴절율층(225)은 일 예로서, 실리콘 산화물 또는 공극(air gap)으로 이루어 질 수 있다.
저굴절율층(225)의 굴절율은 기판(210) 및 제1 질화갈륨계 화합물층(220)의 굴절율보다 작다. 즉, 실리콘 산화물층은 약 1.46의 굴절율을 가지며, 공극층은 약 1의 굴절율을 가진다. 일 실시 예에 있어서, 기판(210)이 사파이어 기판인 경우, 기판(210)은 약 1.78 정도의 굴절율을 가질 수 있으며, 다른 실시 예에 있어서, 기판(210)이 탄화실리콘 기판인 경우, 약 2.74의 굴절율을 가질 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층이 질화갈륨층인 경우 약 2.45 내지 약 2.48 정도의 굴절율을 가지게 된다.
발광 다이오드 소자(200)에서 활성층(230)에서 발생한 광 중 하부 방향으로 진행하는 광은 제1 질화갈륨계 화합물층(220)과 기판(210)의 경계면에 도달하게 된다. 상술한 바와 같이, 기판(210)이 사파이어 기판 또는 탄화실리콘 기판이고, 제1 질화갈륨계 화합물층(220)이 질화갈륨층인 경우, 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 및 기판(210) 사이의 굴절율 차이가 크지 않아, 상기 하부 방향으로 진행하는 광이 기판(210)으로 용이하게 투과될 수 있다. 본 출원의 일 실시 예에서는 기판(210) 및 제1 질화갈륨계 화합물층(220) 간의 계면의 일부분 상에 저굴절율층(225)을 배치함으로써, 저굴절율층(225)을 통과한 빛이 기판(210)과의 계면에서 반사되는 효율을 상대적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 저굴절율층(225)이 존재하지 않는 경우, 제1 질화갈륨계 화합물층(220)으로부터 기판(210)에 이르는 경로에 굴절율 변화가 상대적으로 크지 않았으나, 본 출원의 실시 예에 따르는 저굴절율층(225)이 존재하는 경우, 제1 질화갈륨계 화합물층(220)으로부터 저굴절율층(225)을 경유하여 기판(210)에 이르는 경로에서 광은 굴절율 변화를 2번에 걸쳐 상대적으로 크게 가지게 된다. 이를 통하여, 기판(210)에 이르는 광은 상대적으로 큰 반사율을 가지고, 기판(210) 상부로 진행하게 된다. 이와 같이, 기판(210)에서 상대적으로 큰 반사율을 확보함으로써, 발광 다이오드 소자(200)의 상부 방향으로 방출되는 광의 방출효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 저굴절율층(225)을 패턴 형태로 배치함으로써, 기판(210)으로부터 제1 질화갈륨계 화합물층(220)을 용이하게 성장시킬 수 있음과 동시에, 저굴절율층(225)과 제1 질화갈륨계 화합물의 계면에서의 광의 산란 및 반사를 추가적으로 촉진시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자에서는 기판 및 제1 질화갈륨계 화합물층 사이에 개재되는 저굴절율층이 작은 굴절율을 갖도록 설계함으로써, 활성층에서 방출되는 광이 상기 기판으로 진행할 때 상대적으로 크고 많은 굴절율 변화를 경험하도록 한다. 이로서, 상기 기판과의 계면에서 상기 광의 반사율을 보다 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 출원에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 실시예를 통해 알아보도록 한다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다. 도 4 내지 도 7는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 도 3 및 도 4을 참조하면, 먼저 310블록에서, 기판(410) 상에 저굴절율을 가지는 박막(420)을 형성한다. 기판(410)은 일 예로서, 사파이어 기판 또는 탄화실리콘 기판일 수 있다. 저굴절율을 가지는 박막(420)은 기판(410) 및 질화갈륨계 화합물보다 굴절율이 작은 요건을 만족하는 다양한 물질로부터 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 저굴절율을 가지는 박막(420)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 저굴절율을 가지는 박막(420)은 일 예로서, 화학기상증착법, 증발법 또는 코팅법을 적용하여 형성할 수 있으며, 실리콘 산화물층일 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 320 블록에서, 저굴절율을 가지는 박막(420)을 패터닝하여 기판(420) 상에 저굴절율층(530)을 형성한다. 상기 저굴절율을 가지는 박막(420)을 패터닝하는 과정은 공지의 리소그래피 공정을 적용하여 수행할 수 있다. 저굴절율층(530)이 형성됨으로써, 기판(420)의 일부분이 노출된다.
도 3 및 도 6를 참조하면, 330 블록에서, 저굴절율(530)층이 형성된 기판(420) 상에 제1 질화갈륨계 화합물층(640), 활성층(650) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(660)을 형성한다.
일 실시 예에 따르면, 제1 질화갈륨계 화합물층(640) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(660)은 N형 도펀트 또는 P형에 의해 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨(GaN)층, 알루미늄갈륨질화물(AlxGa1-xN: 0<x<1)층, 인듐갈륨질화물(InGaN)층 또는 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1)일 수 있다. 상기 N형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 P형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층(640)이 N형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(660)은 P형으로 도핑되고, 제1 질화갈륨계 화합물층(640)이 P형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(660)은 N형으로 도핑될 수 있다.
활성층(650)은 전자-홀의 결합 효율을 높이기 위해 다중양자우물(Multple quantum well) 구조를 형성될 수 있다. 일 예로서, 활성층(650)은 인듐갈륨질화물(InGaN), 질화갈륨(GaN), 갈륨알루미늄질화물(Ga1-aAlaN, 0<a<1) 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 2이상의 조합으로 형성될 수 있다.
제1 질화갈륨계 화합물층(640), 활성층(650) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(660)은 증발법(evaporation), 화학기상증착법, 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy) 등과 같은 공지의 증착법에 의해 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6에 의해 형성되는 구조물에 대하여, 식각 공정을 수행하고 제1 질화갈륨계 화합물층(640)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(750)을 형성한다. 그리고, 제2 질화갈륨계 화합물층(660) 상에 투광성 전극부(772) 및 패드 전극부(774)를 각각 형성한다. 이로서, 저굴절율층(225)를 구비하는 발광 다이오드 소자를 제조할 수 있다.
도 8은 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다. 도 9 내지 도 13은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 먼저 810 블록에서, 기판(910) 상에 희생막(920)을 형성한다. 기판(910)은 일 예로서, 사파이어 기판 또는 탄화실리콘 기판일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 희생막(920)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 희생막(920)은 일 예로서, 화학기상증착법, 증발법 또는 코팅법을 적용하여 형성할 수 있으며, 실리콘 산화물층일 수 있다.
도 8 및 도 10을 참조하면, 820 블록에서, 희생막(920)을 패터닝하여 기판(910) 상에 희생막층(1030)을 형성한다. 희생막(920)을 패터닝하는 과정은 공지의 리소그래피 공정을 적용하여 수행할 수 있다. 희생막층(1030)이 형성됨으로써, 기판(910)의 일부분이 노출된다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 830 블록에서, 희생막층(1030)이 형성된 기판(910) 상에 제1 질화갈륨계 화합물층(1140), 활성층(1150) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(1160)을 형성한다.
일 실시 예에 따르면, 제1 질화갈륨계 화합물층(1140) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(1160)은 N형 도펀트 또는 P형에 의해 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨(GaN)층, 알루미늄갈륨질화물(AlxGa1-xN: 0<x<1)층, 인듐갈륨질화물(InGaN)층 또는 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1)일 수 있다. 상기 N형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 P형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다. 제1 질화갈륨계 화합물층(1140)이 N형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(1160)은 P형으로 도핑되고, 제1 질화갈륨계 화합물층(1140)이 P형으로 도핑되면, 제2 질화갈륨계 화합물층(1160)은 N형으로 도핑될 수 있다.
활성층(1150)은 전자-홀의 결합 효율을 높이기 위해 다중양자우물(Multple quantum well) 구조를 형성될 수 있다. 일 예로서, 활성층(1150)은 인듐갈륨질화물(InGaN), 질화갈륨(GaN), 갈륨알루미늄질화물(Ga1-aAlaN, 0<a<1) 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1-x-yN: 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 2이상의 조합으로 형성될 수 있다.
제1 질화갈륨계 화합물층(1140), 활성층(1150) 및 제2 질화갈륨계 화합물층(1160)은 증발법(evaporation), 화학기상증착법, 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy) 등과 같은 공지의 증착법에 의해 형성될 수 있다.
도 8 및 도 12을 참조하면, 840 블록에서, 희생막층(1030)을 제거하여 희생막층(1030)이 배치된 위치에 공극층(1230)을 형성한다. 일 실시 예에 따르면, 공극층(1230)을 형성하는 과정은 희생막층(1030)과 반응하는 식각 용액 또는 식각 가스를 희생막층(1030)에 제공하여, 희생막층(1030)을 제거함으로써 달성할 수 있다. 일 예로서, 희생막층(1030)이 실리콘 산화막층인 경우, 불산을 포함하는 식각 용액을 제공하거나, 염소를 포함하는 식각 가스를 실리콘 산화막층에 제공할 수 있다. 이 때, 희생막층(1030)에 상기 식각 용액 또는 상기 식각 가스를 제공하기 위해 희생막층(1030)까지 이르는 컨택 패턴과 같은 통로를 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 도 12와 관련하여 상술한 구조물에 대하여, 식각 공정을 수행하고 제1 질화갈륨계 화합물층(1140)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(1350)을 형성한다. 그리고, 제2 질화갈륨계 화합물층(1160) 상에 투광성 전극부(1372) 및 패드 전극부(1374)를 각각 형성한다. 이로서, 저굴절율을 가지는 공극층(1230)을 구비하는 발광 다이오드 소자를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르는 발광 다이오드 소자의 제조 방법에서는 기판 및 제1 질화갈륨계 화합물층 사이에 저굴절율을 갖는 층이 개재하도록 제조할 수 있다. 이로서, 활성층에서 방출되는 광이 상기 기판으로 진행할 때 상대적으로 크고 많은 굴절율 변화를 경험하도록 하여, 상기 기판과의 계면에서 상기 광의 반사율을 보다 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 상기에서는 본 개시된 기술의 바람직한 실시 예를 참조하여 발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 개시된 기술의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 개시된 기술을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600 : 발광 다이오드 소자,
110: 사파이어 기판, 120: N형 질화갈륨층, 130: 광방출층, 140: P형 질화갈륨층, 150: 투명전극층, 160: 패드 전극층
210: 기판, 220: 제1 질화갈륨계 화합물층, 225: 저굴절율층, 230: 활성층, 240: 제2 질화갈륨계 화합물층, 250: 제1 전극, 260: 제2 전극, 262: 제1투광성 전극부, 264: 패드 전극부,
410: 기판, 420: 저굴절율을 가지는 박막, 530: 저굴절율층, 640: 제1 질화갈륨계 화합물층, 650: 활성층, 660: 제2 질화갈륨계 화합물층, 750: 제1 전극, 770: 제2 전극, 772: 투광성 전극부, 774: 패드 전극부,
910: 기판, 920: 희생막, 1030: 희생막층, 1040: 제1 질화갈륨계 화합물층, 1050: 활성층, 1060: 제2 질화갈륨계 화합물층, 1230: 공극층, 1350: 제1 전극, 1370: 제2 전극, 1372: 투광성 전극부, 1374: 패드 전극부.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 질화갈륨계 화합물층;
    상기 제1 질화갈륨계 화합물층 상에 형성되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 질화갈륨계 화합물층; 및
    상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층간의 계면에 배치되는 저굴절율층을 포함하되,
    상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층의 굴절율보다 작고, 상기 저굴절율층은 상기 저굴절율층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 입사하는 광의 반사율을 증가시키는
    발광 다이오드 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 저굴절율층은 실리콘 산화물 또는 공극(air gap)으로 이루어지는
    발광 다이오드 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 또는 탄화실리콘으로 이루어지는
    발광 다이오드 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 질화갈륨계 화합물층 및 상기 제2 질화갈륨계 화합물층은 각각 N형 또는 P형 중 어느 하나로 도핑되며, 서로 다른 도핑 형태를 가지는
    발광 다이오드 소자.
  5. 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 저굴절율을 가지는 박막을 형성하는 과정;
    (b) 상기 저굴절율을 가지는 상기 박막을 패터닝하여 상기 기판 상에 저굴절율층을 형성하는 과정; 및
    (c) 상기 저굴절율층이 형성된 기판 상에 제1 질화갈륨계 화합물층, 활성층 및 제2 질화갈륨계 화합물층을 형성하는 과정을 포함하되,
    상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 기판 및 상기 제1 질화갈륨계 화합물층의 굴절율보다 작고, 상기 저굴절율층은 상기 저굴절율층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시키도록 구성되는
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 저굴절율을 가지는 박막은 화학기상증착법, 증발법 또는 코팅법 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되는 실리콘 산화물층인
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 또는 탄화실리콘으로 이루어지는
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  8. 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 희생막을 형성하는 과정;
    (b) 상기 희생막을 패터닝하여 상기 기판 상에 희생막층을 형성하는 과정;
    (c) 상기 희생막층이 형성된 기판 상에 제1 질화갈륨계 화합물층, 활성층 및 제2 질화갈륨계 화합물층을 형성하는 과정;
    (d) 상기 희생막층을 제거하여 상기 희생막층이 배치된 위치에 공극층을 형성하는 과정을 포함하되,
    상기 공극층은 상기 공극층을 통과하여 상기 기판과의 계면에 도달한 광의 반사율을 증가시키도록 구성되는
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 희생막은 화학기상증착법, 증발법 또는 코팅법 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되는 산화물층인
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 또는 탄화실리콘으로 이루어지는
    발광 다이오드 소자의 제조 방법.
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