WO2013133562A1 - 개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는, 하부면에 리세스 패턴을 갖는 질화갈륨 기판과, 질화갈륨 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 질화갈륨계 반도체 적층 구조체와, 질화갈륨 기판 아래에 위치하는 반사기를 포함한다. 질화갈륨 기판 하부면에 리세스 패턴과 함께 반사기를 배치함으로써 광 반사를 이용하여 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선할 수 있다.

Description

개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드는 사파이어 기판 상에 질화갈륨계 반도체층들을 성장시켜 제작된다. 그러나 사파이어 기판과 질화갈륨층은 열팽창 계수 및 격자 상수의 차이가 커서 성장된 질화갈륨층 내에 선단형 전위(threading dislocation)와 같은 결정 결함이 많이 발생된다. 이러한 결정 결함은 발광 다이오드의 전기적 광학적 특성을 향상시키는 것을 어렵게 만든다.
이러한 문제를 해결하기 위해 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용하려는 시도가 있다. 질화갈륨 기판은 그 위에 성장되는 질화갈륨 반도체층과 동종이므로 양호한 결정 품질의 질화갈륨층을 성장시킬 수 있다.
그러나, 질화갈륨 기판은 사파이어 기판에 비해 굴절률이 더 높기 때문에 활성층에서 생성된 광이 내부 전반사에 의해 기판을 통해 외부로 방출되지 못하고, 기판 내부에서 손실되는 문제가 더욱 심각하다.
나아가, 사파이어 기판은 그 위에 성장되는 에피층과 굴절률이 다르므로, 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이 성장 기판의 상부에 특정 패턴을 형성함으로써 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선하는 기술이 사용될 수 있다. 그러나 질화갈륨 기판은 그 위에 성장된 에피층과 동종의 재료이므로, 에피층과 기판의 굴절률이 거의 동일하다. 따라서, 질화갈륨 기판의 상부면에 패턴을 형성하여도 기판과 에피층 사이에 굴절률 차이가 없으므로, 이 패턴에 의해 산란이나 굴절이 발생되지 않는다. 따라서, 질화갈륨 기판의 상부면을 패터닝하는 것은 광 추출 효율을 개선시키지 못한다.
한편, 사파이어 기판을 성장 기판으로 이용하여 발광 다이오드를 제조할 경우, 개별 발광 다이오드로 분할하기 전에, 상기 사파이어 기판의 하부면을 연마 및 폴리싱하여 기판을 얇게 함과 아울러 경면(거울면)화하는 공정이 수행된다. 사파이어 기판은 경도가 커서 스크라이빙에 의해 분할하는 공정이 상대적으로 어렵기 때문에, 얇게하는(thinning) 공정이 요구되고 있다. 일단, 사파이어 기판이 얇아지면, 기판을 취급하는 것이 어려워 단일화 이외의 추가적인 공정을 수행하는 것은 곤란하다. 따라서, 반도체층 성장, 메사 식각 및 전극 형성 등의 공정은 사파이어 기판을 연마하기 전에 수행된다. 이러한 공정 제한은, 사파이어 기판의 높은 경도와 함께, 사파이어 기판의 하부면에 요철 패턴을 형성하여 광 추출 효율을 개선하는 것을 곤란하게 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기판에서 발생되는 광 손실을 줄이고 광 추출 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 기판의 하부면에서의 광 반사에 의한 광 추출 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는, 하부면에 리세스 패턴을 갖는 질화갈륨 기판; 상기 질화갈륨 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 질화갈륨계 반도체 적층 구조체; 및 상기 질화갈륨 기판 아래에 위치하는 반사기를 포함한다.
상기 질화갈륨 기판의 리세스 패턴과 반사기에 의해 기판 하부면에서 광을 반사시킬 수 있어 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 상기 반사기는 상기 리세스 패턴을 덮을 수 있다.
나아가, 본딩 금속층이 상기 반사기 하부에 위치할 수 있다. 이 본딩 금속층은 AuSn일 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 질화갈륨 기판 상에 반도체층들을 성장시키고, 상기 질화갈륨 기판 하부면을 평탄화하고, 상기 평탄화된 기판 하부면에 리세스 패턴을 형성하고, 상기 기판 하부면을 덮는 반사기를 형성하는 것을 포함한다.
한편, 상기 리세스 패턴이 형성된 후, 상기 반도체층들에 접속하는 전극들이 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사기 하부에 본딩 금속층이 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판 하부면에 리세스 패턴을 형성하는 것은, 상기 기판 하부면에 식각 마스크 패턴을 형성하고, 상기 식각 마스크 패턴을 이용하여 상기 기판 하부면을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 상기 식각 마스크 패턴은 상기 리세스 패턴이 형성된 후 제거될 수 있다.
또한, 상기 식각은 황산과 인산의 혼합 용액을 이용하여 수행될 수 있다. 나아가, 상기 식각 전에, 상기 반도체층들 상에 식각 마스크층이 형성될 수 있다.
질화갈륨 기판 하부면에 리세스 패턴과 함께 반사기를 배치함으로써 광 반사를 이용하여 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 또한, 질화갈륨 기판을 채택함으로써 평탄화 공정 후에 리세스 패턴을 형성할 수 있다. 나아가 리세스 패턴을 형성한 후에 전극들을 형성함으로써 전극이 리세스 패턴 형성 공정에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 질화갈륨 기판 하부면에 형성된 리세스들을 나타내는 SEM 이미지들로서, (a)는 평면도를, (b)는 단면도를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 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 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판(21), 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25), 제2 도전형 반도체층(27), 및 반사기(43, 45)를 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, 투명 전극(37), 절연층(39), 제1 및 제2 전극들(41a, 41b), 장벽층(47) 및 본딩 금속층(49)을 더 포함할 수 있다.
상기 질화갈륨 기판(21)은 하부면에 리세스 패턴을 갖는다. 상기 리세스 패턴은 복수의 리세스들(21a)로 형성될 수 있다. 상기 복수의 리세스들(21a)은 벌집 모양으로 배열될 수 있다. 여기서, 상기 질화갈륨 기판(21)의 두께는 250~300um의 범위 내일 수 있으며, 상기 리세스(21a)의 입구 폭 및 깊이는 약 5~20um 일 수 있다.
한편, 상기 질화갈륨 기판(21)의 상부면 상에 반도체 적층 구조체(30)가 위치하며, 이 반도체 적층 구조체(30)가 상기 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)은 질화갈륨계 화합물 반도체로 형성되며, 상기 활성층(25)은 단일 양자우물구조 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 반대일 수도 있다.
상기 반도체 적층 구조체(30)는 질화갈륨 기판(21) 상에서 성장된 반도체층들로 형성되며, 따라서 전위밀도가 약 5E6/cm2 이하일 수 있다. 이에 따라, 발광 효율이 우수하고 고전류 구동에 적합한 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
한편, 투명 전극(37)은 예컨대, Ni/Au와 같은 금속층 또는 ITO와 같은 산화물층으로 형성될 수 있다. 상기 투명 전극(37)은 제2 도전형 반도체층(27)에 오믹 콘택할 수 있다.
나아가, 제1 도전형 반도체층(23) 및 제2 도전형 반도체층(27) 상부에 각각 제1 전극(41a) 및 제2 전극(41b)이 형성될 수 있다. 제1 전극(41a)은 제1 도전형 반도체층(23)에 오믹 콘택하는 금속층으로 형성되며, 제2 전극(41b)은 투명 전극(37)에 접속된다.
한편, 절연층(39)은 반도체 적층 구조체(30)를 덮어 적층 구조체를 보호할 수 있다. 상기 절연층(39)은 예컨대, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
반사기(43)는 기판(21)의 하부면 상에 위치한다. 반사기(43)는 리세스들(21a)을 덮어 활성층(25)에서 기판(21)의 하부면으로 진행하는 광을 반사시킨다. 상기 반사기(43)는 굴절률이 다른 유전층들을 교대로 적층한 반사기, 즉 분포 브래그 반사기일 수 있다. 예컨대, 상기 분포 브래그 반사기(43)는 SiO2와 TiO2를 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 이때, 첫번째 층은 기판(21)과의 양호한 접합을 위해 SiO2로 형성하는 것이 바람직하며, 마지막 층은 분포 브래그 반시기(43)를 보호하기 위해 SiO2로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반사기(43) 하부에 금속 반사층(45)이 위치할 수 있다. 상기 금속 반사층(45)은 Ag 또는 Al로 형성될 수 있다. 금속 반사층(45)이 형성될 경우, 다양한 입사각을 갖는 광에 대해 높은 반사율을 유지할 수 있으며, 분포 브래그 반사기(43)의 적층 수를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 금속 반사층(45)을 형성하지 않을 경우, 상기 분포 브래그 반사기(43)는 SiO2와 TiO2 약 20쌍으로 형성될 수 있으나, 금속 반사층(45)으로 약 5000Å 두께의 Al층을 형성할 경우, 약 8쌍으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 분포 브래그 반사기(43)가 사용되는 것으로 설명하지만, 분포 브래그 반사기(43)가 반드시 요구되는 것은 아니다. 따라서, 금속 반사층(45)이 기판(21) 하부면에 직접 형성될 수도 있으며, 또는 기판(21)과 금속 반사층(45) 사이에 단일의 SiO2층을 형성할 수도 있다.
또한, 질화갈륨 기판(21)이 도전성 기판인 경우, 기판과의 접촉저항을 낮추기 위하여 도전성 물질층(ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, InP, Si 또는 Si를 포함하는 합금) 및 금속막(Au, Ag, Cu, Al, Pt 중 하나의 단일 금속 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금)을 이용한 옴니디렉셔널 반사기(omnidirectional reflector)로 형성될 수도 있다.
나아가, 본딩 금속층(49)이 반사기(43) 하부에 형성될 수 있다. 상기 본딩 금속층(43)은 발광 다이오드를 공융 본딩하기 위해 형성될 수 있으며, 발광 다이오드에서 생성되는 열의 방출을 돕는다. 상기 본딩 금속층(49)과 금속 반사층(45) 사이에 장벽층(47)이 개재될 수 있다. 장벽층(47)은 예컨대 Ti/Ni로 형성될 수 있으며, 본딩 금속층(49)으로부터 반사 금속층(45)을 보호한다.
본 실시예에 따르면, 활성층(25)에서 생성된 광의 일부는 기판(21) 측으로 진행한다. 이 중 일부는 기판(21)의 하부면에 위치하는 반사기(43) 및 리세스들(21a)에 의해 반사되어 기판(21)의 측면 및 상부측으로 진행하여 방출된다. 이때, 상기 리세스들(21a)은 광을 산란시켜 광 추출 효율을 개선한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 질화갈륨 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함하는 질화갈륨계 반도체층들의 적층 구조체(30)를 성장시킨다. 그 후, 메사 식각 공정을 통해 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시킨다.
도 3을 참조하면, 기판(21) 하부면을 평탄화한다. 기판(21) 하부면은 연마, 래핑 및 폴리싱 공정을 통해 평탄화될 수 있다. 다만, 본 실시예에 있어서, 질화갈륨 기판(21)은 사파이어 기판에 비해 연질이기 때문에, 기판(21) 부분(21r)이 상대적으로 쉽게 제거될 수 있다. 따라서, 정반과 다이아몬드 슬러리를 이용한 기계적 폴리싱만을 이용하여 기판 부분(21r)이 제거될 수도 있다. 대체로 평탄화 후의 기판(21)의 두께는 250~300um의 범위 내일 수 있으며, 제거되는 부분(21r)의 두께는 20~50um 범위 내일 수 있다. 덧붙여, 화학기계적 폴리싱(CMP) 공정이 수행되어 표면을 경면화할 수도 있으나, 이 공정은 생략될 수 있다.
도 4를 참조하면, 기판(21) 하부면에 식각 마스크 패턴(33)이 형성된다. 상기 식각 마스크 패턴(33)은 메쉬 형상으로 형성될 수 있으며, 기판(21) 하부면을 노출시키는 개구부들(33a)을 갖는다. 특히, 상기 개구부들(33a)이 벌집 모양으로 배열되도록 식각 마스크 패턴(33)이 형성될 수 있다. 다만, 식각 마스크 패턴(33)의 형상은 다양하게 변형될 수 있으며, 특히, 개구부들(33a)의 크기는 일정하지 않고 다양할 수도 있다.
상기 식각 마스크 패턴(33)은 기판(21) 하부면에 실리콘 산화막과 같은 마스크층을 형성하고 사진 및 식각 공정을 이용하여 마스크층을 부분적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
덧붙여, 기판(21) 상부에 형성된 반도체층들(23, 25, 27)은 식각 마스크층(31)으로 덮일 수 있다. 식각 마스크층(31)은 후술하는 습식 식각으로부터 반도체층들(23, 25,2 7)으로 보호하기 위해 형성되며, 예컨대 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 식각 마스크 패턴(33)을 마스크층으로 사용하여 기판(21) 하부면을 식각한다. 이에 따라, 상기 개구부들(33a)에 대응하는 리세스들(21a)의 패턴이 형성된다. 질화갈륨 기판(21) 하부면은 황산과 인산의 혼합 용액을 이용하여 식각될 수 있다.
상기 습식 식각에 의해 도 8(a) 및 (b)에 도시한 바와 같은 육각뿔 형태의 리세스들(21a)이 형성된다.
그 후, 상기 식각 마스크 패턴(33) 및 식각 마스크층(31)은 BOE를 이용하여 제거된다.
도 6을 참조하면, 상기 식각 마스크층(31)이 제거된 후, 상기 반도체 적층 구조체(30) 상에 투명 전극(37)이 형성되고, 상기 제1 도전형 반도체층(23) 및 투명 전극(37)을 덮는 절연층(39)이 형성된다.
상기 투명 전극(37)은 Ni/Au와 같은 투명 금속층 또는 ITO나 ZnO와 같은 투명 산화물층으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 절연층(39)은 예컨대, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 절연층(39)은 투명 전극(37) 및 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 개구부들을 갖도록 형성될 수 있다.
이어서, 제1 도전형 반도체층(23) 및 투명 전극(37)에 접속하는 제1 전극(41a) 및 제2 전극(41b)이 형성된다.
도 7을 참조하며, 상기 전극들(41a, 41b)이 형성된 후, 상기 리세스들(21a)을 덮는 반사기(43)가 형성된다. 상기 반사기(43)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 분포 브래그 반사기일 수 있다. 이에 더하여, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 반사기(43) 하부에 금속 반사층(45)이 형성될 수 있으며, 또한 장벽층(47) 및 본딩 금속층(49)이 형성될 수 있다.
상기 분포 브래그 반사기(43)는 생략될 수 있으며, 또는 분포 브래그 반사기(43) 대신에 단일의 실리콘 산화막이 형성될 수 있다.
종래 사파이어 기판의 경우, 평탄화 공정은 기판을 얇게 하는 공정에 수반된다. 따라서, 평탄화 공정 후에 기판 또는 반도체층들에 대해 추가의 공정, 예컨대 기판 패터닝이나 전극 형성 공정을 수행하는 것이 곤란하다. 그러나, 본 실시예에서는, 평탄화 공정 이후에도 질화갈륨 기판(21)을 상대적으로 두껍게 유지하므로, 기판 패터닝, 전극 형성 및 반사기 형성 공정 등의 추가 공정을 수행할 수 있으며, 따라서 광 추출 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.

Claims (20)

  1. 하부면에 리세스 패턴을 갖는 질화갈륨 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 질화갈륨계 반도체 적층 구조체; 및
    상기 질화갈륨 기판 아래에 위치하는 반사기를 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 리세스 패턴은 복수의 리세스들로 형성된 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 리세스들은 육각뿔 형상을 갖는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사기는 상기 리세스 패턴을 덮는 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 반사기는 분포 브래그 반사기인 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분포 브래그 반사기 하부에 위치하는 금속 반사층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 반사층 하부에 위치하는 본딩 금속층; 및
    상기 본딩 금속층과 상기 금속 반사층 사이에 위치하는 장벽층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사기는 금속 반사층을 포함하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 금속 반사층과 상기 기판 사이에 위치하는 실리콘 산화막을 더 포함하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사기 하부에 위치하는 본딩 금속층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  11. 질화갈륨 기판 상에 반도체층들을 성장시키고,
    상기 질화갈륨 기판 하부면을 평탄화하고,
    상기 평탄화된 기판 하부면에 리세스 패턴을 형성하고,
    상기 기판 하부면을 덮는 반사기를 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 반사기는 상기 리세스 패턴을 덮는 발광 다이오드 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 리세스 패턴이 형성된 후, 상기 반도체층들에 전기적으로 접속하는 전극들을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 반사기를 형성하는 것은 상기 전극들을 형성한 후에 수행되는 발광 다이오드 제조 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 반사기 하부에 본딩 금속층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 기판 하부면에 리세스 패턴을 형성하는 것은,
    상기 기판 하부면에 식각 마스크 패턴을 형성하고,
    상기 식각 마스크 패턴을 이용하여 상기 기판 하부면을 식각하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 식각은 황산과 인산의 혼합 용액을 이용하여 수행되는 발광 다이오드 제조 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 식각 전에, 상기 반도체층들 상에 식각 마스크층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 반도체층들에 접속하는 전극들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 전극들은 상기 반도체층들 상의 식각 마스크층을 제거한 후에 형성되는 발광 다이오드 제조 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 반사기 하부에 본딩 금속층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
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