KR100722818B1

KR100722818B1 - 발광 다이오드의 제조 방법

Info

Publication number: KR100722818B1
Application number: KR1020060013560A
Authority: KR
Inventors: 최주원
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-05-30

Abstract

본 발명은 기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는 표면에 요철이 형성되도록 성장 도중에 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는 성장 도중에 650 내지 800℃의 성장 온도에서 수소 및 질소 가스의 유량을 증대시켜 표면에 홈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다.

발광 다이오드, LED, 반도체, GaN, 요철

Description

발광 다이오드의 제조 방법 {Method of manufacturing Light emitting diode}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 개략 단면도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 1 실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 2 실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 효과를 설명하기 위한 개념 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 210 : 기판 120, 220 : 버퍼층

130, 230 : N형 반도체층 140, 240 : 활성층

150, 250 : P형 반도체층

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화 물 반도체 발광 다이오드에 있어서 발광 효율과 휘도를 향상시키기 위한 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고 진동에 강한 특성을 보인다. 이러한 발광 다이오드는 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 우수한 특성을 갖기 때문에 표시 소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 최근 일반 조명 용도로 이를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행중이다.

상기 화합물 반도체 중에서 질화물계 반도체 물질은 가시광선 및 UV 영역에 대해서 우수한 발광 특성을 보이고 있으며, 고출력, 고주파 전자 소자에 있어서도 사용된다. 특히 질화갈륨(GaN)은 상온에서 3.4 eV의 직접 천이형 밴드갭(direct bandgap)을 가지며 질화인듐(InN), 질화알루미늄(AlN) 같은 물질과 조합하여 1.9eV(InN)에서 3.4eV(GaN), 6.2eV(AlN)까지 직접 에너지 밴드갭을 가지고 있어서 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역 때문에 광소자의 응용 가능성이 매우 큰 물질이다.

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 개략 단면도이다.

도 1을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 형성된 버퍼층(20)과, 상기 버퍼층(20) 상에 순차적으로 형성된 N형 반도체층(30), 활성층(40) 및 P형 반도체층(50)을 포함한다.

상기 활성층(40)의 상부 및 하부에 각각 형성된 P형 및 N형 반도체층(50, 30)은 활성층(40)에 전류를 공급하여 발광하도록 한다. 일반적으로 질화갈륨 반도 체 발광 다이오드에 있어서, 상기 P형 반도체층(50)으로는 마그네슘(Mg)이 도핑된 GaN 반도체 화합물을 사용하고, 상기 N형 반도체층(30)으로는 실리콘(Si)이 도핑된 GaN 반도체 화합물을 사용한다.

발광 다이오드의 성능을 나타내는 지표는 발광 효율(lm/W), 내부 양자 효율(%), 외부 양자 효율(%), 추출 효율(%) 등 여러 가지가 있는데, 추출 효율은 발광 다이오드에 주입된 전자와 발광 다이오드 밖으로 방출되는 광자의 비에 의하여 결정되며 추출 효율이 높을수록 발광 다이오드가 밝은 것을 의미한다. 발광 다이오드의 추출 효율은 칩의 모양이나 표면 형태, 칩의 구조, 패키징 형태에 의하여 많은 영향을 받기 때문에 발광 다이오드를 설계할 때 세심한 주의가 필요하다. 발광 다이오드의 활성층에서 생성된 빛은 칩의 6개의 면으로부터 방출되고, 광추출 효율은 일반적으로 광의 임계각에 의하여 결정된다.

그러나 상기와 같은 종래 발광 다이오드는 발광층에서 생성된 광자의 많은 양이 발광 소자의 외부로 잘 빠져나가지 못하고, 내부에서 전반사를 일으키며 순환하다가 흡수되어 소멸된다. 즉, 전기 에너지가 빛 에너지로 변환되어 소자의 외부로 빠져나오는 발광 효율이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서 발광 효율과 휘도를 향상시키기 위한 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다.

상기 활성층(40)의 상부 및 하부에 각각 형성된 P형 및 N형 반도체층(50, 30)은 활성층(40)에 전류를 공급하여 발광하도록 한다. 일반적으로 질화갈륨 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 P형 반도체층(50)으로는 마그네슘(Mg)이 도핑된 GaN 반도체 화합물을 사용하고, 상기 N형 반도체층(30)으로는 실리콘(Si)이 도핑된 GaN 반도체 화합물을 사용한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는 표면에 요철이 형성되도록 성장 도중에 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다.

상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 TMGa, NH₃ 가스와 P 형 불순물 공급을 위한 가스를 주입하여 제 1 P형 반도체층을 성장시키는 단계, 상기 TMGa 가스의 주입을 멈추고 P형 또는 N형 불순물 공급을 위한 소스를 주입하여 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하는 단계 및 상기 요철 상에 다시 TMGa, NH₃ 가스와 P형 불순물 공급을 위한 가스를 주입하여 제 2 P형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 P형 불순물 공급을 위한 가스는 CP₂Mg 가스를 포함하고, 상기 N형 불순물 공급을 위한 가스는 실란(SiH₄), 디실란(Si₂H₆) 또는 테트라에톡시실란(Si(OEt)₄)을 포함할 수 있다.

본 발명은 기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는 성장 도중에 650 내지 800℃의 성장 온도에서 수소 및 질소 가스의 유량을 증대시켜 표면에 홈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다.

상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 수소 및 질소 가스의 유량을 10 내지 40% 증대시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전 하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명은 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층이 순차적으로 형성된 반도체 발광 다이오드에 있어서, P형 반도체층 상에 요철 또는 홈을 형성함으로써, 광의 임계각을 변화시키고 용이하게 광을 추출할 수 있어 발광 다이오드의 발광 효율을 개선할 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 1 실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.

반도체의 증착 및 성장 방법으로는 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 증착법(PECVD; Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy)등을 포함한 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 유기금속 화학 증착법(MOCVD)을 사용한다.

도 2a를 참조하면, 기판 상에 순차적으로 버퍼층, N형 반도체층, 활성층을 형성한다.

상기 기판(110)은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판(110)을 사용한다. 본 실시예는 사파이어(Al₂O₃)로 구성된 결정 성장 기 판(110)을 사용한다.

상기 버퍼층(120)은 상기 기판 상에 결정 성장시 기판과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로, 반도체 재료인 GaN, InN 또는 AlN을 포함하여 형성할 수 있다.

상기 N형 반도체층(120)은 전자가 생성되는 층으로, N형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층을 사용한다. 본 실시예는 상기 N형 반도체층(120)으로 실리콘(Si) 원자가 도핑된 GaN층을 형성한다.

상기 활성층(130)은 소정의 밴드 갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로, InGaN을 포함하여 형성할 수 있다. 또한, 활성층(130)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(130)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.

도 2b를 참조하면, 표면에 소정의 요철이 형성된 P형 반도체층(150)을 형성하기 위하여, 먼저 기존의 공정을 통해 상기 활성층(140) 상에 제 1 P형 반도체층(150a)을 형성한다. 이 때, 형성하고자 하는 P형 반도체층(150) 두께의 50 내지 80% 정도로 형성한다.

P형 반도체층(150)은 정공이 생성되는 층으로, P형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층을 사용한다. 본 실시예는 상기 P형 반도체층(150)으로 Mg이 도핑된 GaN층을 형성한다. 여기서, Ga를 위한 소스 가스로는 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸 갈륨(TEGa)을 사용할 수 있고, N을 위한 소스 가스로는 암모니아(NH₃), 모노메틸히드라진(MMHy) 또는 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있고, Mg을 위한 소스 가스로는 CP₂Mg를 사용할 수 있다.

도 2c를 참조하면, 상기 제 1 P형 반도체층(150a) 상에 고농도 불순물이 도핑된 불순물층(155)을 형성한다. 이 때, 도핑 농도는 1×10²⁰ 내지 1×10²¹인 것이 바람직하다. 상기 불순물층(155)은 1000 내지 2000Å 두께인 것이 바람직하며, 상기 고농도 불순물은 표면에 소정의 거칠기가 형성되는 것을 유도하는 역할을 한다.

이를 위해 TMGa, NH₃, CP₂Mg 가스를 사용하여 상기 제 1 P형 반도체층(150a)을 형성한 후, 수분간 TMGa의 주입을 멈추고 P형 또는 N형 불순물 공급을 위한 소스를 주입하면 도면에 도시한 바와 같은 표면 형상을 얻을 수 있다. 예를 들어, Mg 또는 Si의 공급을 위한 소스를 주입하여 상기 불순물이 고농도로 도핑된 불순물층(155)을 형성한다. 여기서 Si을 위한 소스 가스로는 실란(SiH₄), 디실란(Si₂H₆) 또는 테트라에톡시실란(Si(OEt)₄)을 사용할 수 있다.

도 2d를 참조하면, 상기와 같이 형성된 불순물층(155) 상에 연속하여 제 2 P형 반도체층(150b)을 성장함으로써, 표면에 요철이 형성된 P형 반도체층(150)을 형성한다. 즉, 상술한 바와 같이 표면에 소정의 거칠기가 형성된 고농도 불순물이 도핑된 불순물층(155)을 형성한 후 다시 TMGa, NH₃, CP₂Mg 가스를 주입하면, 상기 불순물층(155)을 따라 성장되어 표면에 요철이 형성된 P형 반도체층(150)을 형성할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 P형 반도체층의 성장 도중에 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하여 표면에 요철이 형성된 P형 반도체층을 포함한 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

상술한 본 발명의 발광 다이오드의 제조 방법은 이에 한정되지 않고, 다양한 공정과 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경되거나 추가될 수 있다. 예를 들어, 광효율을 증가시키기 위해 보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 AlGaN 등의 P형 클래딩층(cladding layer)을 상기 활성층(140)과 P형 반도체층(150) 사이에 추가적으로 구성할 수도 있다.

이와 같이 본 실시예는 상술한 공정을 통해 P형 반도체층의 표면에 요철을 형성함으로써, 종래의 발광 소자에 비하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 종래의 평탄한 표면에서 반사되었던 광자가 다양한 각의 표면에 의해 반사되지 않고 외부로 빠져나가기 때문이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 2 실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3a를 참조하면, 기판(210) 상에 순차적으로 버퍼층(220), N형 반도체층(230), 활성층(240)을 형성한다. 이는 상기 제 1 실시예의 경우와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.

도 3b를 참조하면, 상기 활성층(240) 상에 홈(255)을 포함한 P형 반도체층(250)을 형성한다. 이를 위해 기존의 P형 반도체층을 형성하기 위한 공정 도중, 캐 리어 가스로 사용되는 수소(H₂)와 질소(N₂) 가스의 주입량을 높이며 온도를 낮추어 성장시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 캐리어 가스인 수소(H₂)와 질소(N₂) 가스의 주입과 동시에 TMGa, NH₃, CP₂Mg 가스를 사용하여 800 내지 1000℃의 성장 온도에서 상기 P형 반도체층(250)을 성장시킨다. 이러한 성장 도중에, 바람직하게는 50 내지 80% 성장시킨 후, 상기 수소(H₂)와 질소(N₂) 가스의 주입량을 10 내지 40% 높이고 650 내지 800℃로 온도를 낮추어 성장시키면 도시한 바와 같은 홈(255)을 형성할 수 있다. 상기 수소(H₂) 가스는 P형 반도체층(250)의 표면에 존재하는 전위(dislocation)과 같은 격자 결함 부위를 식각하는 역할을 한다. 이는 상기 격자 결함 부위가 열역학적으로 불안정하여 다른 부위에 비해 우선적으로 식각되기 때문이다. 이러한 홈(255)은 육각형 형태의 피라미드 형상으로 형성되고, 단면상으로는 하측으로 갈수록 좁아지는 V자 형상으로 형성된다.

상술한 본 발명의 발광 다이오드의 제조 방법은 이에 한정되지 않고, 다양한 공정과 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경되거나 추가될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 상술한 공정을 통해 P형 반도체층(250) 상에 홈(255)을 형성함으로써, 종래의 발광 소자에 비하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 종래의 평탄한 표면에서 반사되었던 광자가 다양한 각의 표면에 의해 반사되지 않 고 외부로 빠져나가기 때문이다.

본 발명은 수평형, 수직형 또는 플립칩 구조 등의 다양한 구조를 갖는 발광 다이오드에 적용될 수 있으며, 다양한 공정과 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경되거나 추가될 수 있다. 예를 들어 수평형 발광 다이오드의 경우에, 상술한 공정을 통해 기판 상에 N형 반도체층, 활성층, 요철 또는 홈을 포함한 P형 반도체층을 형성한 후, 소정의 식각 공정을 통해 상기 P형 반도체층 및 활성층의 일부를 제거하여 상기 N형 반도체층의 일부를 노출시키고, P형 반도체층과 노출된 N형 반도체층 상에 P형 전극 및 N형 전극을 형성한다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 효과를 설명하기 위한 개념 단면도이다.

발광 다이오드의 광효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나타낼 수 있는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라서 결정된다. 외부 양자 효율의 경우 활성층에서 생성되는 광자가 발광 다이오드의 외부로 나오는 정도에 따라서 결정된다. 도 4a를 살펴보면, P형 반도체층 상부가 평탄한 표면을 갖는 경우에, 일부의 광자가 반도체층 간의 계면에서 투과하지 못하고 반사되어 나오며, 임계각보다 큰 각도로 활성층에서 방출된 광은 계면에서 전반사되어 외부로 투과하지 못한다. 그러나, 도 4b에서와 같이 P형 반도체층의 표면에 요철이 형성되거나 홈이 형성된 경우에, 다양한 각을 갖는 표면이 광의 임계각을 변화시켜 보다 용이하게 광을 추출할 수 있게 돕는다. 따라서 활성층에서 발생한 광이 전반사되지 않고 발광 다이오드의 외부로 방출될 확률이 높아져 외부 양자 효율이 현저하게 향상된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 발광 다이오드의 제조 방법은 P형 반도체층의 표면에 요철 또는 홈을 형성함으로써 발광 효율, 외부 양자 효율, 추출 효율 등의 특성을 향상시키고 신뢰성을 확보하여, 고광도, 고휘도의 광을 발광할 수 있는 장점이 있다.

Claims

기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계;

상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및

상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고,

상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는 표면에 요철이 형성되도록 성장 도중에 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 P형 반도체층을 형성하는 단계는,

상기 기판 상에 TMGa, NH₃ 가스와 P형 불순물 공급을 위한 가스를 주입하여 제 1 P형 반도체층을 성장시키는 단계;

상기 TMGa 가스의 주입을 멈추고 P형 또는 N형 불순물 공급을 위한 소스를 주입하여 고농도 불순물이 도핑된 불순물층을 형성하는 단계; 및

상기 요철 상에 다시 TMGa, NH₃ 가스와 P형 불순물 공급을 위한 가스를 주입하여 제 2 P형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 P형 불순물 공급을 위한 가스는 CP₂Mg 가스를 포함하고, 상기 N형 불순물 공급을 위한 가스는 실란(SiH₄), 디실란(Si₂H₆) 또는 테트라에톡시실란(Si(OEt)₄)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계;

상기 N형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및

상기 활성층 상에 제 1 성장 온도에서 소오스 가스 및 제 1 유량의 캐리어 가스를 유입시켜 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고,

상기 P형 반도체층을 형성하는 도중에 온도를 상기 제 1 성장 온도보다 낮은 제 2 성장 온도로 낮추고 상기 캐리어 가스의 유량을 제 2 유량으로 증대시켜 표면에 홈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 캐리어 가스의 제 2 유량은 상기 제 1 유량보다 10 내지 40% 증대시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.