KR100433989B1 - Semiconductor LED device and manufacturing metheod thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 LED 소자에 관한 것으로서, 특히 이종 접합된 다층에 의해 발광효율이 우수한 펌핑층과 그보다 밴드갭이 적어 수광된 빛을 모두 원하는 파장의 빛으로 전환시킬 수 있는 동종접합의 다층으로된 활성층을 구비하였으므로, In 양이 적은 AlGaInN 재질의 펌핑층에서 광을 생성하고, 이를 얻고자하는 In 양이 많은 활성층에 입사시켜, 빛을 방출하게 하여 전류에 의한 단파장화(blue shift)를 감소시켜 효율을 향상시키고, 하나의 LED 소자에서 두 개 이상의 파장을 갖는 빛의 방출이 가능하여 다양한 파장의 빛을 하나의 소자에서 얻을 수 있으며, 연속되는 한번의 성장 공정으로 소자를 형성하므로 소자의 재현성이 우수하여 양산성이 향상되며, 백색광을 형성할 때 효율이 저하되는 형광물질을 사용하지 않아 효율이 증가되고, 범프를 이용한 실장이 가능하여 실장 공정이 간단하다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor LED device. In particular, a pumping layer having excellent luminous efficiency by a heterojunction multilayer and an active layer made of a multilayer of homojunction capable of converting all received light to light having a desired wavelength due to less band gap. Since the light is generated in the AlGaInN pumping layer having a small amount of In, the light is incident on the active layer having a large amount of In, and the light is emitted to reduce the blue shift caused by the current. It is possible to emit light with two or more wavelengths in one LED device, so that light of various wavelengths can be obtained from one device, and the device is formed in a single continuous growth process, so the device has excellent reproducibility. This improves mass productivity, increases efficiency by not using fluorescent materials that reduce efficiency when forming white light, and mounts using bumps. The process is simple and can be implemented.
Description
본 발명은 반도체 엘이디(light emitting diode; 이하 LED라 칭함) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 AlGaInN계 LED로서 전류의 빛 변환 효율이 높은 펌핑(pumping)층을 이용하여, 원하는 파장의 빛을 방출하는 활성층에 빛을 펌핑(pumping) 하여 활성층에서 파장 변환을 하여 하나의 소자 내에서 파장 변환된 단색의 LED 소자를 구현할 수 있고, 펌핑층의 일부를 이용하여, 한 소자 내에서 두 파장을 혼합하여 백색광을 구현할 수 있는 반도체 LED 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting diode (LED) device and a method of manufacturing the same. Particularly, an AlGaInN-based LED uses a pumping layer having a high light conversion efficiency of a current to provide light having a desired wavelength. By pumping light into the emitting active layer, wavelength conversion is performed in the active layer to realize a monochromatic LED device wavelength-converted in one device, and by using a part of the pumping layer, two wavelengths are mixed in one device. The present invention relates to a semiconductor LED device capable of realizing white light.
일반적으로 화합물 반도체소자는 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(metal semiconductor field effect transistor) 및 고전자 이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor; HEMT)등의 스위칭 소자와 반도체 레이저(LASER; light amplification by stimulated emission of radition) 및 광다이오드 등과 같은 광소자 및 PD가 사용되고 있다.In general, compound semiconductor devices include switching elements such as metal-semiconductor field effect transistors and high electron mobility transistors (HEMTs), and semiconductor lasers (LASER; light amplification by stimulated emission of radition). Photodiodes and PDs are used.
상기 레이저는 단일 파장으로서, 직진성이 뛰어나 정보통신을 위한 효과적인 송신 수단으로서 주목받고 있으며, 그중 반도체 레이저는 다른 레이저에 비해 구동 전류가 작고, 소형이며, 전류의 변화에 따라 빛의 세기 및 주파수를 직접 변조 할 수 있고, 레이저의 효율이 통상 70% 이상으로 매우 높으며, 광범위한 파장 영역을 갖는 등의 이점이 있어 레이저 프린터, 바코드 리더 등과 같은 사무용 기기나 광통신 기기 등에서 널리 사용되고 있다.The laser is attracting attention as an effective transmission means for information communication because of its single wavelength and excellent linearity. Among them, the semiconductor laser has a smaller driving current, smaller size, and directly changes the intensity and frequency of light according to the change of current. It can be modulated, has a laser efficiency of 70% or more, and has a wide range of wavelengths. Therefore, it is widely used in office equipment such as laser printers, bar code readers, and optical communication devices.
도 1은 종래 기술에 따른 LED 소자의 단면도로서, 절연기판을 사용하고, AlGaInN LED 소자에서 Al과 In이 포함되지 않은 경우의 예이다.1 is a cross-sectional view of an LED device according to the prior art, in which an insulating substrate is used and Al and In are not included in an AlGaInN LED device.
먼저, 절연성 투광 재질의 기판(10) 상에 버퍼층(11), n형 GaN층(12), GaN(또는 InGaN) 활성층(13), p형 GaN층(14) 및 투명전극(15)이 순차적으로 적층 되어 있으며, 상기 투명전극(15)의 일측 상부에는 금속재질의 p형 전극(17)이 형성되어있고, 기판(10) 타측의 투명전극(15)과 p형 GaN층(14), GaN 활성층(13) 및 n형 GaN층(12)의 일부 두께가 제거되고 노출된 n형 GaN층(12)의 상부에 금속재질의 n형 전극(16)이 형성되어있다.First, the buffer layer 11, the n-type GaN layer 12, the GaN (or InGaN) active layer 13, the p-type GaN layer 14, and the transparent electrode 15 are sequentially formed on the insulating transparent substrate 10. Stacked on one side of the transparent electrode 15, a metal p-type electrode 17 is formed, and the transparent electrode 15 on the other side of the substrate 10, the p-type GaN layer 14, and GaN Partial thicknesses of the active layer 13 and the n-type GaN layer 12 are removed, and an n-type electrode 16 made of metal is formed on the exposed n-type GaN layer 12.
상기와 같은 일반적인 화합물 반도체 광소자의 원리는 p형 금속전극을 통해 들어오는 정공과 n형 금속전극을 통해 들어오는 전자가 단층 또는 다층의 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 밴드갭(bandgap)에 해당하는 빛을 방출하는 구조이다. 이렇게 활성층에서 방출된 빛은 활성층의 윗면과 아랫면으로 대부분 방출되게 되는데, AlGaInN계 LED의 경우 활성층의 상층부는 투명 전극을, 하층부는 기판이 빛에 대하여 투명하기 때문에 이러한 동작이 가능하다.The principle of the general compound semiconductor optical device as described above is that holes coming in through the p-type metal electrode and electrons coming in through the n-type metal electrode are combined in a single layer or multiple layers of active layer to provide light corresponding to the bandgap of the active layer material composition. It is a structure to emit. The light emitted from the active layer is mostly emitted to the upper and lower surfaces of the active layer. In the case of AlGaInN-based LEDs, this operation is possible because the upper layer of the active layer is transparent and the lower layer is transparent to the substrate.
일반적으로 LED의 출력과 파장등 중요한 특성은 활성층에서 결정되며 그만큼 활성층의 결정질 구조 조성이 매우 중요하게 된다.In general, important characteristics such as LED output and wavelength are determined in the active layer, and the crystalline structure composition of the active layer becomes very important.
종래의 AlGaInN계 LED 구조는 반도체 소자에서는 단 한 개 파장의 빛이 활성층으로부터 방출하므로, 여러 가지 색을 얻기 위해서는 형광 물질을 사용하거나 서로 다른 종류의 LED를 구비하여야하는 등의 문제점이 있다.In the conventional AlGaInN-based LED structure, since only one wavelength of light is emitted from the active layer in a semiconductor device, there are problems such as using fluorescent materials or having different types of LEDs in order to obtain various colors.
또한 전구나, 디스플레이의 백 라이트(back light) 광원 등을 대체할 수 있는 백색 LED는 다양한 용도로 사용이 가능하지만, 상기 백색광 LED는 LED 방사 파장의 보색광을 내는 형광체를 사용하는 패키지로 형성하여야하는데, 이러한 형광물질의 신뢰성이 LED 소자에 비해 떨어져 장시간 사용함에 따라 변색이 일어나거나, 발광 효율이 저하되는 다른 문제점이 있다.In addition, a white LED which can replace a light bulb or a back light source of a display can be used for various purposes, but the white light LED must be formed in a package using a phosphor that emits complementary light of an LED emission wavelength. However, since the reliability of such a fluorescent material is lower than that of the LED device, there is another problem in that discoloration occurs or the luminous efficiency is lowered.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력이 가능한 펌핑층을 소자 내부에 구비시켜 펌핑층으로부터 발생한 빛을 활성층에 흡수시켜 이 흡수된 빛이 활성층에서 다시 재결합하여, 얻고자 하는 LED 파장의 빛을 효율적으로 얻을 수 있는 반도체 LED 소자를 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a pumping layer capable of high output inside the device to absorb the light generated from the pumping layer in the active layer and the absorbed light is recombined again in the active layer, The present invention provides a semiconductor LED device capable of efficiently obtaining light of a desired LED wavelength.
도 1은 종래 기술에 따른 LED 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of an LED device according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 LED 소자의 단면도.2 is a cross-sectional view of an LED device according to the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 LED 소자의 제조 공정도.3a to 3e is a manufacturing process of the LED device according to the present invention.
도 4는 도 2의 LED 소자의 실장 단면도.4 is a mounting cross-sectional view of the LED device of FIG.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10,20,30 : 기판 11,21,31 : 버퍼층10,20,30: substrate 11,21,31: buffer layer
12,22,24,32 : n형 AlGaInN층 13,23,33 : 활성층12,22,24,32 n-type AlGaInN layer 13,23,33 active layer
14,26,36 : p형 AlGaInN층 15 : 투명전극14,26,36 p-type AlGaInN layer 15 transparent electrode
16,29,39 : n형 전극 17,27,37 : p형 전극16,29,39: n-type electrode 17,27,37: p-type electrode
25,35 : 펌핑층 28,43 : 절연막25,35 pumping layer 28,43 insulating film
41 : 하부배선 42 : 실리콘 기판41: lower wiring 42: silicon substrate
44 : p형 배선 45,47 : 범프44: p-type wiring 45,47: bump
46 : n형 배선 50 : 반도체 LED 소자46 n-type wiring 50 semiconductor LED device
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 특징은,Features of the semiconductor LED device according to the present invention for achieving the above object,
AlGaInN 계 LED 소자에 있어서,In the AlGaInN-based LED device,
절연성 투광재질의 기판상에 형성되어있는 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층 (x1+y1+z1=1)과,A first conductive type Al x1 Ga y1 In z1 N layer (x1 + y1 + z1 = 1) formed on an insulating transparent substrate,
상기 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층의 일측 상에 순차적으로 형성되어있는 활성층 패턴과 펌핑층 패턴과 제2도전형 AlGaInN층 패턴 및 제2도전형 전극을 구비하되, 상기 활성층을 1개 이상의 동종접합의 단층 또는 다층의 AlxGayInzN / Alx1Gay1Inz1N 재질이고, 상기 펌핑층은 이종접합의 단층 또는 다층의 AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이며, 펌핑층을 활성층과 함께 적어도 하나씩 구비하여 수직으로 집적되어 LED소자를 구성하되 활성층의 AlxGayInzN 의 밴드갭이 펌핑층의 AlaGabIncN 의 밴드갭 보다 적게 형성되어있고,An active layer pattern, a pumping layer pattern, a second conductive AlGaInN layer pattern, and a second conductive electrode, which are sequentially formed on one side of the first conductive type Al x1 Ga y1 In z1 N layer, are provided. a single layer or multiple layers of more than homozygous Al x Ga y in z N / Al x1 Ga y1 in z1 N material, and wherein the pump layer is a single layer or multiple layers of the heterojunction Al a Ga b in c N / Al a1 Ga b1 In c1 N material, at least one pumping layer is provided together with the active layer to form a vertically integrated LED device, but the band gap of Al x Ga y In z N of the active layer is the band of Al a Ga b In c N of the pumping layer. Less gaps,
상기 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층의 타측에 형성되있는 제1도전형 전극을 구비함에 있다.The first conductive type electrode is provided on the other side of the first conductive type Al x1 Ga y1 In z1 N layer.
또한 상기 기판이 알루미나, 사파이어 또는 석영으로 형성되며, 상기 활성층 패턴과 펌핑층 패턴과 제2도전형 AlGaInN층 패턴의 측벽이 10∼89。 의 경사각을 가지도록 형성되어있어 측벽에서 반사된 광이 기판쪽으로 반사되도록하는 것을 특징으로 한다.In addition, the substrate is formed of alumina, sapphire or quartz, and the sidewalls of the active layer pattern, the pumping layer pattern, and the second conductive AlGaInN layer pattern have an inclination angle of 10 to 89 ° so that the light reflected from the sidewall is To be reflected toward the side.
또한 상기의 반도체 LED 소자를 실장하되, 실리콘 기판의 일측에 형성된 제2도전형 배선이 상기 LED 소자의 제2도전형 전극과 범프를 통하여 연결되고, 실리콘 기판의 타측에 절연막이 개제된 상태로 형성되어있는 제1도전형 배선은 LED 소자의 제1도전형 배선과 범프를 통하여 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor LED device is mounted, but the second conductive wiring formed on one side of the silicon substrate is connected to the second conductive electrode of the LED via bumps, and the insulating film is formed on the other side of the silicon substrate. The first conductive type wiring is connected to the first conductive type wiring of the LED device via a bump.
또한 본 발명에 따른 반도체 LED 소자 제조방법의 특징은,In addition, a feature of the method for manufacturing a semiconductor LED device according to the present invention,
절연성 투광재질의 기판상에 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층, 동일 도전형의 AlxGayInzN / Alx1Gay1Inz1N 재질이 반복적층된 다층또는 단층의 활성층, 제1도전형 AlGaInN층, 이종접합의 AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이 반복적층된 펌핑층, 제2도전형 AlGaInN층을 순차적으로 형성하는 공정과,A multi-layered or single-layered active layer in which a first conductive type Al x1 Ga y1 In z1 N layer, an Al x Ga y In z N / Al x1 Ga y1 In z1 N material of the same conductivity type is repeatedly laminated on an insulating transparent material substrate, A step of sequentially forming a first conductive type AlGaInN layer, a pumping layer in which a heterojunction Al a Ga b In c N / Al a1 Ga b1 In c1 N material is repeatedly laminated, and a second conductive AlGaInN layer,
상기 제2도전형 AlGaInN층에서 활성층까지를 순차적으로 선택 식각하여 각패턴들을 형성하고 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층의 일측을 노출시키는 공정과,Forming a plurality of patterns by sequentially etching the second conductive AlGaInN layer to the active layer and exposing one side of the first conductive Al x1 Ga y1 In z1 N layer;
상기 제2도전형 AlGaInN층상에 제2도전형 전극을 형성하는 공정과,Forming a second conductive electrode on the second conductive AlGaInN layer;
상기 패턴들의 측면에 절연막을 형성하는 공정과,Forming an insulating film on side surfaces of the patterns;
상기 노출된 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층과 접촉되는 제1도전형 전극을 형성하는 공정을 구비함에 있다.And forming a first conductive electrode in contact with the exposed first conductive Al x1 Ga y1 In z1 N layer.
또한 상기 제1도전형 Alx1Gay1Inz1N층, 활성층, 펌핑층 및 제2도전형 AlGaInN층은 MOCVD, MBE 및 VPA 중 하나의 방법으로 형성되고, 상기 제2도전형 AlGaInN층에서 활성층까지의 식각 공정을 경사식각 공정으로 실시하여 측벽이 경사각을 갖도록하여 측벽에서 반사되는 광이 기판을 반사되도록하는 것을 특징으로 한다.In addition, the first conductive Al x1 Ga y1 In z1 N layer, the active layer, the pumping layer and the second conductive AlGaInN layer are formed by one of MOCVD, MBE, and VPA, and the second conductive AlGaInN layer to the active layer. The etching process is performed by the inclined etching process so that the sidewalls have an inclination angle so that the light reflected from the sidewalls is reflected by the substrate.
이하, 본 발명에 따른 반도체 LED 소자 및 그 제조방법에 관하여 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor LED device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 기본 원리를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the basic principle of the present invention.
먼저, 일반적인 AlGaInN 계 광소자는 활성층에 In 양이 많이 들어갈수록 효율이 감소하는 특성이 있다. 보통 In이 약 35% 들어가는 InGaN 활성층의 파장은 약 470nm인데 이 경우 출력은 소자의 구조에 따라 약 3∼5mW이다. 반면 In이 약 5% 들어가는 380nm 혹은 In이 약 22% 들어가는 430nm 파장의 활성층의 경우에는 동일한 구조에서도 출력이 약 10mW를 쉽게 상회한다. 이것은 활성층의 In량이 증가할수록 결정의 질이 약화되어 효율이 급격히 저하되는 특성이 있기 때문이다. 또한 In 양이 증가하면, 이 활성층에 전류가 주입되어 빛으로 변환되는 과정에서 파장이 짧은쪽으로 옮겨지는 (blue shift) 현상이 증가하여 효율이 더욱 악화된다.First, the general AlGaInN-based optical device has a characteristic that the efficiency decreases as the amount of In in the active layer increases. Usually, the wavelength of InGaN active layer containing about 35% of In is about 470 nm. In this case, the output is about 3 to 5 mW depending on the structure of the device. On the other hand, in the case of the active layer having a wavelength of 380 nm containing about 5% of In or 430 nm containing about 22% of In, the output easily exceeds about 10mW even in the same structure. This is because, as the amount of In in the active layer increases, the quality of the crystal weakens and the efficiency rapidly decreases. In addition, when the amount of In increases, the wavelength is shifted to the shorter side in the process of converting light into a current by injecting a current into the active layer, thereby increasing efficiency.
본 발명의 새로운 구조는 In 조성이 적은 양질의 펌핑층의 장점과 In 조성 높은 활성층 특히 전류에 의한 재결합 방출이 아니라, 빛의 흡수를 그대로 빛으로 전환시키는 활성층의 장점을 이용하는 것이다. 따라서, 얻고자 하는 빛의 파장을 종래의 p-n 구조에서가 아니고, 동일 도전형(conductive type), 예를 들면 n-n 활성층으로부터 얻을 수 있다.The new structure of the present invention utilizes the advantages of a high quality pumping layer having a low In composition and an active layer having a high In composition, in particular, an active layer that converts absorption of light into light, rather than recombination emission by current. Therefore, the wavelength of light to be obtained can be obtained from the same conductive type, for example, the n-n active layer, not in the conventional p-n structure.
이 원리를 의해 효율이 좋은 단 파장, 예를 들면 380~430nm 파장의 빛을 발광하는 펌핑층을 이용하여 효율이 좋지 않은 470nm(청색), 525nm(녹색), 635nm(적색)의 빛으로 쉽게 변환할 수 있다.This principle makes it easy to convert 470nm (blue), 525nm (green), and 635nm (red) light, which is not efficient, by using a pumping layer that emits light of high efficiency, for example, wavelengths of 380 to 430 nm. can do.
또한 이 원리를 이용하면 한 개의 LED 소자에서 한 개 이상의 파장을 가지는 빛을 얻을 수 있고, 이런 두개 이상 파장의 빛의 적절한 혼합으로 새로운 색 파장의 빛을 얻을 수 있다. 예를 들면 펌핑층에서 발생된 깊은 청색(~450 nm) 파장의 빛이 활성층에 흡수되어, 이 색과 보색 관계인 황색(590nm) 빛을 낼 때 활성층의 두께와 활성층의 적층수를 조절하여, 깊은 청색(~450nm) 파장 빛의 활성층에서의 흡수량과 투과량 등을 조절하여 흰색의 빛을 얻을 수가 있다.Using this principle, it is possible to obtain light with more than one wavelength from a single LED device, and to obtain a new color wavelength by proper mixing of these two or more wavelengths. For example, the deep blue (~ 450 nm) wavelength of light generated by the pumping layer is absorbed by the active layer, and when the yellow (590 nm) light is complementary to this color, the thickness of the active layer and the number of layers of the active layer are controlled. White light can be obtained by adjusting the amount of absorption and transmission in the active layer of blue (~ 450 nm) wavelength light.
또 다른 방법으로 펌핑층의 빛을 일부분 방출시키고, 활성층의 빛과 혼합하여도 2 개 파장의 빛을 얻을 수도 있다.Alternatively, the light of the pumping layer may be partially emitted and mixed with the light of the active layer to obtain two wavelengths of light.
이와 같은 다파장 LED는 형광 물질을 사용하지 않아 소자의 신뢰성이 혁신적으로 향상되며, 또한 한번의 에피성장 과정에서 얻어진 에피웨이퍼를 기존의 청색 LED 공정을 그대로 적용하여 제작이 가능하여 공정이 간단해지고, 소자 특성의 균일성이 우수하여 양산성이 향상된다.Since the multi-wavelength LED does not use fluorescent materials, the reliability of the device is innovatively improved, and the epi wafer obtained in one epitaxial growth process can be manufactured by applying the existing blue LED process, thereby simplifying the process. Uniformity of device characteristics is excellent, and mass productivity is improved.
이러한 반도체 LED 소자는 LED의 파장과 출력을 결정하는 활성층과, 상기 활성층에 에너지를 공급하는 펌핑층을 수직으로 배치시켜 펌핑층에서 발생한 빛을 모두 활성층에서 흡수되도록한다.The semiconductor LED device vertically arranges an active layer that determines the wavelength and output of the LED and a pumping layer that supplies energy to the active layer so that all the light generated from the pumping layer is absorbed in the active layer.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 단면도로서, n-n형 동종 접합 활성층과 펌핑층이 수직으로 집적된 예이다.2 is a cross-sectional view of a semiconductor LED device according to the present invention, in which an n-n type homojunction active layer and a pumping layer are vertically integrated.
먼저, 알루미나, 사파이어 또는 석영 등의 절연성 투광재질의 기판(20)상에 버퍼층(21)과 n형 Alx1Gay1Inz1N층(22, x1+y1+z1=1)이 형성되어있고, 상기 n형 Alx1Gay1Inz1N층(22) 상에 AlxGayInzN / Alx1Gay1Inz1N 재질이 반복적층된 다층의 활성층(23) 패턴과, n형 AlGaInN층(24) 패턴과, AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이 반복적층된 다층의 펌핑층(25) 패턴과, p형 AlGaInN층(26) 패턴과, p형 전극(27) 패턴이 순차적으로 적층되어있다. 여기서 상기 활성층(23) 패턴과, n형 AlGaInN층(24) 패턴과, AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이 반복적층된 다층의 펌핑층(25) 패턴과, p형 AlGaInN층(26) 패턴의 측벽은 10∼89。의 경사각을 가지고 있어 측면으로 방출되는 빛이 식각된 측면에서 반사되어 용이하게 기판으로 향하게 경사식각되어 있으며, 상기 n형 AlGaInN층(24) 패턴을 필요에 따라 제거될 수도 있다.First, a buffer layer 21 and an n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer (22, x1 + y1 + z1 = 1) are formed on an insulating transparent substrate 20 such as alumina, sapphire, or quartz. On the n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 22, a multi-layered active layer 23 pattern in which Al x Ga y In z N / Al x1 Ga y1 In z1 N materials were repeatedly laminated, and an n-type AlGaInN layer ( 24) a pattern, a multiply pumped layer 25 pattern in which Al a Ga b In c N / Al a1 Ga b1 In c 1 N materials are repeatedly stacked, a p-type AlGaInN layer 26 pattern, and a p-type electrode 27 ) Patterns are stacked sequentially. Wherein the active layer 23 pattern, the n-type AlGaInN layer 24 pattern, the multiply pumped layer 25 pattern in which the Al a Ga b In c N / Al a1 Ga b1 In c1 N material is repeatedly laminated, p The sidewall of the patterned AlGaInN layer 26 has an inclination angle of 10 to 89 ° so that the light emitted from the side surface is reflected from the etched side and is easily inclined toward the substrate, and the n-type AlGaInN layer 24 pattern May be removed as needed.
또한 상기 활성층(23)에서 p형 전극(27) 패턴까지의 측벽에 측면 보호를 위하여 투명 절연막(28)이 형성되어있고, 상기 n형 Alx1Gay1Inz1N층(22)과 접촉되는 n형 전극(29)이 형성되어있다.In addition, a transparent insulating film 28 is formed on the sidewalls of the active layer 23 to the p-type electrode 27 pattern for side protection, and n is in contact with the n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 22. The type electrode 29 is formed.
상기 p형 및 n형 전극(27,29)은 불투명한 금속재질로 형성하여 기판(20)으로 빛을 반사시킨다.The p-type and n-type electrodes 27 and 29 are formed of an opaque metal material to reflect light to the substrate 20.
상기에서 활성층(23)과 펌핑층(25)은 밴드갭이 다른 서로 다른 조성을 가지는 두개의 층이 반복적층되어 있는 층들로서 도 2에서는 편의상 단일층으로 도시되어있으며, 상기 활성층(23)은 조성은 다르나 도전형이 같은 n-n 도는 p-p형의 AlxGayInzN / Alx1Gay1Inz1N 두층이 반복 적층되어있는 구조로서, x+y+z=1과 x1+y1+z1=1을 만족시키며, 활성층 역할의 AlxGayInzN 층의 밴드갭(Eg(AlxGayInzN))이 베리어층 Alx1Gay1Inz1N 의 밴드갭(Eg(Alx1Gay1Inz1N) 보다 작고, 또한 상기 펌핑층(25)은 p-n 구조의 AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이 반복적층되어 있으며, 펌핑 역할을 하는 AlaGabIncN 층의 밴드갭(Eg(AlaGabIncN))이 활성층(23)의 밴드갭(Eg(AlxGayInzN)) 보다 크고, In량도 적다.The active layer 23 and the pumping layer 25 are layers in which two layers having different compositions having different band gaps are repeatedly stacked in FIG. 2 for convenience, and the active layer 23 has a composition Two layers of nn or pp type Al x Ga y In z N / Al x1 Ga y1 In z1 N of different conductivity type but with the same conductivity type, x + y + z = 1 and x1 + y1 + z1 = 1 satisfy sikimyeo, active role in the Al x Ga y in z N layer of the band gap (Eg (Al x Ga y in z N)) a barrier layer Al x1 Ga y1 in z1 N of the band gap (Eg (Al x1 Ga y1 in z1 N) than small, and the pumping layer 25 pn structure of Al a Ga b in c N / Al a1 Ga b1 in c1 N material for this is repeated layer, Al to the pumping role a Ga b in c N The band gap Eg (Al a Ga b In c N) of the layer is larger than the band gap Eg (Al x Ga y In z N) of the active layer 23, and the amount of In is also small.
이와 같이 형성된 반도체 LED 소자의 동작 원리는, 우선 두 개의 전극으로부터 공급되는 전류에 의해 p형 AlGaInN층(26) 패턴을 통해 들어온 정공이 펌핑층(25)에 제한되고, n형 Alx1Gay1Inz1N층(22)을 통해 들어온 전자도 펌핑층(25)에 제한되어 전자와 정공이 결합하면서 펌핑층(25)의 밴드갭(Eg(펌핑층))에 해당하는 에너지의 빛을 방출하며, 펌핑층(25)에서 하부로 방출된 빛은 그대로활성층(23)에 흡수되고, 펌핑층(25)의 상부로 방출된 빛은 p형 전극(27)에서 반사되어 활성층(23)에 흡수된다.The operating principle of the semiconductor LED device formed as described above is that holes entering through the p-type AlGaInN layer 26 pattern are limited to the pumping layer 25 by currents supplied from two electrodes, and n-type Al x1 Ga y1 In Electrons entering through the z1 N layer 22 are also limited to the pumping layer 25 to emit light of energy corresponding to the bandgap (Eg (pumping layer)) of the pumping layer 25 while electrons and holes are combined. Light emitted downward from the pumping layer 25 is absorbed into the active layer 23 as it is, and light emitted from the upper portion of the pumping layer 25 is reflected from the p-type electrode 27 and absorbed into the active layer 23.
그 다음 이렇게 흡수된 빛은 활성층(23)에서 전자와 정공으로 변환되고 활성층(23)의 베리어층에 의해 제한되어 있다가 활성층(23)에서 다시 결합하여 활성층(33)의 밴드갭(Eg(활성층))에 해당하는 빛을 방출하게 된다. 이런 빛은 LED 구조에서 에너지가 가장 작은 빛으로 더 이상 어느 층에도 흡수되지 않고 기판을 통해 전부 방출시킬 수 있다. 상기 n-p형은 서로 바꿀수도 있다.Then, the absorbed light is converted into electrons and holes in the active layer 23 and is limited by the barrier layer of the active layer 23, and then recombined in the active layer 23 to combine the band gap Eg (active layer) of the active layer 33. It will emit light corresponding to)). This light is the smallest light in the LED structure and can be emitted entirely through the substrate without being absorbed in any layer anymore. The n-p types may be interchanged.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 제조공정도이다.3A to 3E are manufacturing process diagrams of a semiconductor LED device according to the present invention.
먼저, 알루미나, 사파이어 또는 석영 등의 절연성 투광재질의 기판(30)상에 버퍼층(31)과 n형 Alx1Gay1Inz1N층(32), 동일 도전형의 AlxGayInzN / Alx1Gay1Inz1N 재질이 반복적층된 다층의 활성층(33), n형 AlGaInN층(34), 반대 도전형의 AlaGabIncN / Ala1Gab1Inc1N 재질이 반복적층된 펌핑층(35), p형 AlGaInN층(36)을 순차적으로 형성한다. 상기 층들은 유기금속화학기상증착(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; 이하 MOCVD라 칭함)나 분자빔에피택시(molecular beam epitaxy; 이하 MBE라 칭함)나 기상에피택시(vapor phase epitaxy; 이하 VPA라 칭함) 등의 방법을 사용할 수 있다. (도 3a 참조).First, the buffer layer 31 and the n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 32 and the same conductivity type Al x Ga y In z N / are formed on an insulating light-transmitting substrate 30 such as alumina, sapphire or quartz. Al x1 Ga y1 in z1 N material is repeated, an active layer 33 of the layer multi-layer, n-type AlGaInN layer 34, it is repeated layer Al a Ga b in c N / Al a1 Ga b1 in c1 N material of the opposite conductivity type The pumping layer 35 and the p-type AlGaInN layer 36 are sequentially formed. The layers are referred to as Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (hereinafter referred to as MOCVD), molecular beam epitaxy (hereinafter referred to as MBE) or vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as VPA). And the like can be used. (See FIG. 3A).
그 다음 패턴닝 마스크(도시되지 않음)를 사용하여 상기 p형 AlGaInN층(36)에서 활성층(33)까지를 순차적으로 선택 식각하여 패턴들을 형성한다. 이때 상기 n형 Alx1Gay1Inz1N층(32)의 일부 두께가 식각된다. 이때 상기 p형 AlGaInN층(36)에서활성층(33)까지의 식각을 경사식각으로하여 측벽이 경사각을 가지고 형성되도록하여 측벽에서 반사된 광이 기판쪽으로 반사되도록한다. (도 3b 참조).Then, patterns are formed by sequentially etching the p-type AlGaInN layer 36 to the active layer 33 using a patterning mask (not shown). In this case, a part thickness of the n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 32 is etched. At this time, the sidewalls are formed to have an inclined angle by using the inclination etching from the p-type AlGaInN layer 36 to the active layer 33 so that the light reflected from the sidewall is reflected toward the substrate. (See Figure 3b).
그후, 상기 p형 AlGaInN층(36)상에 빛을 반사시키는 p형 전극(37)을 형성하고, (도 3c 참조), 상기 구조의 전표면에 패턴들의 측면 보호를 위한 절연막(38)을 형성한 후, 이를 패턴닝하여 n형 Alx1Gay1Inz1N층(32)을 노출시킨다. 이때 후속 도전선 연결을 위하여 상기 p형 전극(37)도 노출시킨다. (도 3d 참조).After that, a p-type electrode 37 reflecting light is formed on the p-type AlGaInN layer 36 (see FIG. 3C), and an insulating film 38 for lateral protection of patterns is formed on the entire surface of the structure. This is then patterned to expose the n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 32. At this time, the p-type electrode 37 is also exposed for subsequent conductive line connection. (See FIG. 3D).
그 다음 상기 노출되어있는 n형 Alx1Gay1Inz1N층(32)과 접촉되는 n형 전극(39)을 형성한다. (도 3e 참조).An n-type electrode 39 is then formed in contact with the exposed n-type Al x1 Ga y1 In z1 N layer 32. (See Figure 3E).
상기에서 n-p형은 서로 바꿀수도 있다.In the above, the n-p types may be interchanged.
도 4는 도 2의 반도체 LED 소자가 실리콘 기판에 실장되어있는 상태의 단면도로서, 실리콘 기판(42)의 상부면에 절연막(43)이 형성되어있고, 상기 절연막(43)의 일측이 제거되어 노출된 실리콘기판(42)상에 옴믹 접촉되는 p형 배선(44)이 형성되어 있으며, 상기 절연막(43)의 타측 상부에는 n형 배선(46)이 형성되어있고, 상기 반도체 LED 소자(50)의 p형 전극과 n형 전극이 각각 범프(45, 47)를 통하여 배선들(44,46)과 연결되어있으며, 상기 실리콘기판(42)의 하부면에는 기판전압을 인가하는 옴믹 접촉된 하부 배선(41)이 형성되어있다. 상기의 실장 어레이는 n형 배선(44) 만이 와이어 본딩되고 하부 배선은 직접 전압과 연결되어 와이어 본딩 수를 줄일 수 있다.4 is a cross-sectional view of the semiconductor LED device of FIG. 2 mounted on a silicon substrate, wherein an insulating film 43 is formed on an upper surface of the silicon substrate 42, and one side of the insulating film 43 is removed and exposed. The p-type wiring 44 is formed on the silicon substrate 42 in ohmic contact, and the n-type wiring 46 is formed on the other side of the insulating film 43. The p-type electrode and the n-type electrode are connected to the wirings 44 and 46 through the bumps 45 and 47, respectively, and an ohmic contact lower wiring for applying a substrate voltage to the lower surface of the silicon substrate 42 ( 41) is formed. In the mounting array, only the n-type wiring 44 is wire bonded and the lower wiring is directly connected to a voltage, thereby reducing the number of wire bonding.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 LED 소자는 이종 접합된 다층에 의해 발광효율이 우수한 펌핑층과 그보다 밴드갭이 적어 수광된 빛을 모두 원하는 파장의 빛으로 전환시킬 수 있는 동종접합의 다층으로된 활성층을 구비하였으므로, In 양이 적은 AlGaInN 재질의 펌핑층에서 광을 생성하고, 이를 얻고자하는 In 양이 많은 활성층에 입사시켜, 빛을 방출하게 하여 전류에 의한 단파장화(blue shift)를 감소시켜 효율을 향상시키고, 하나의 LED 소자에서 두 개 이상의 파장을 갖는 빛의 방출이 가능하여 다양한 파장의 빛을 하나의 소자에서 얻을 수 있으며, 연속되는 한번의 성장 공정으로 소자를 형성하므로 소자의 재현성이 우수하여 양산성이 향상되며, 백색광을 형성할 때 효율이 저하되는 형광물질을 사용하지 않아 효율이 증가되는 이점이 있다.As described above, the semiconductor LED device according to the present invention is a pumping layer having excellent luminous efficiency by a heterojunction multilayer, and a multilayer of homojunction that can convert all received light into light having a desired wavelength due to less band gap. Since the active layer is formed, light is generated in an AlGaInN pumping layer having a small amount of In, and the light is incident on the active layer having a large amount of In, thereby emitting light to reduce blue shift due to current. Improve efficiency, and can emit light with two or more wavelengths in one LED device, so that light of various wavelengths can be obtained from one device, and the device is reproducible because the device is formed by a continuous growth process. This has the advantage that the productivity is improved, and the efficiency is increased by not using a fluorescent material that decreases the efficiency when forming white light. All.
또한, 활성층에서의 흡수율을 활성층의 두께 및 수를 조절하여 높임으로써 펌핑층이 활성층의 파장으로 모두 변환된 단파장 단색 LED도 구현이 가능하며, 범프를 이용한 실장이 가능하여 실장 공정이 간단하다.In addition, by increasing the absorption rate in the active layer by adjusting the thickness and the number of the active layer, it is possible to implement a short-wavelength monochromatic LED in which the pumping layer is all converted to the wavelength of the active layer, and it is possible to mount using bumps, thereby simplifying the mounting process.
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