KR101133412B1

KR101133412B1 - 트렌치가 구비된 기판 상에 형성된 발광다이오드

Info

Publication number: KR101133412B1
Application number: KR1020090067910A
Authority: KR
Inventors: 홍진표; 이종현; 이준석; 이상효; 남혜원
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2012-04-09
Also published as: KR20110010379A

Abstract

기판 상에 트렌치가 일정한 방향으로 형성되고, 트렌치 내부에 발광층 또는 광활성층이 구비된 발광다이오드가 개시된다. 특정의 방향으로 트렌치가 형성된 기판이 제공되고, 기판의 트렌치 내부에 발광층이 구비된다. 또한, 전극은 와이어 본딩이 용이하도록 발광층을 형성하는 박막으로부터 신장되어 패드 형태로 제공된다.

발광 다이오드, 산화아연, 질화물 반도체, 질화갈륨

Description

트렌치가 구비된 기판 상에 형성된 발광다이오드{Light Emitting Diode formed on Substrate having Trench}

본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화갈륨계 및 산화아연계 발광다이오드에 관한 것이다.

발광다이오드는 반도체의 p-n 접합을 이용하는 것으로, p타입으로 도핑된 반도체에서 가전자대의 정공과 n타입으로 도핑된 반도체에서 전도대에 존재하는 전자가 접합영역 또는 활성영역에서 재결합하는 과정을 통해 광자를 방출한다.

따라서, 발광다이오드는 n타입의 반도체, p타입의 반도체 및 광자가 방출되는 활성영역이 필수적으로 구비되어야 한다. 특히, 최근에 상용화되어 있으며, 고휘도를 구현하는 질화갈륨 계열의 발광다이오드는 p타입의 반도체층 형성이 품질을 결정하는 중요한 요소가 되고 있다. 이외에도 활성영역은 발광층과 장벽층이 순차적으로 적층되는 다중양자우물 구조를 채용하고 있는 바, 상기 다중양자우물 구조를 형성하기 위해 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용한다.

또한, 최근에 논의되고 있는 산화아연계 발광다이오드는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체로 육방정계 부루짜이트(Wurzite) 구조를 가진다. 이는 현재 상용화 상태인 GaN 계열과 유사한 구조이다. 특히, 산화아연계 발광다이오드는 상온에서의 광학적 밴드갭이 3.37eV로서 근자외선 영역의 광원으로 활용이 가능하다. 이는 청색발광소자를 이용한 백색 발광다이오드의 구현에 적합한 메커니즘을 가진다.

그러나, 산화아연계 발광다이오드는 실제의 박막 형성 공정에서 화학양론적으로 증착되지 못하고, 아연의 과잉이나 산소의 부족으로 인해 n타입의 반도체 특성을 자연스럽게 가지는 문제가 있다. 즉, 결정구조 내에서 산소가 부족한 경우, 산화아연의 결합구조에서 산소의 공공(vacancy)이 산소 주변에 배치되는 8개의 가전자들 중 6개의 전자만을 제거하고, 남아있는 2개의 전자는 도우너(donor)로 기능한다. 따라서 상술한 공공 등의 결함(defect)에 기인한 산화아연 박막은 n타입의 반도체가 된다.

최근에는 상술한 문제점이 극복되어, 진성(intrinsic) 산화아연 박막 또는 p타입의 산화아연 박막의 성공적인 형성이 보고되고 있다. 또한, 이를 이용한 발광다이오드의 구조는 당업자들에게 널리 알려진대로, 기판, 버퍼층, n타입 반도체층, 활성층, p타입 반도체층의 적층구조를 가진다. 특히, 기판은 굴곡된 형상이 없는 완벽한 평면구조를 지향하고 있으며, 평면 구조 상에 다수의 막질이 적층되는 구조가 선택된다.

또한, 패키징 공정을 위해 p타입의 반도체층 및 n타입의 반도체층 상부에 별도의 전극용 패드를 형성한다. 전극용 패드는 도전성 물질로 이루어지며, 하부의 리드 프레임과의 전기적 연결을 위해 와이어 본딩이 수행된다. 따라서, 패드의 면 적이 넓을수록 패키징 공정이 수월해진다. 그러나, 전극용 패드는 도전성 금속으로 형성되는 것이 일반적이며, 패드의 면적을 넓히는 경우, 과도하게 발광영역을 좁히는 결과를 유발한다. 즉, 발광면적은 패드에 의해 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전극용 패드의 면적을 좁힐 수 있겠으나, 이는 와이어 본딩의 곤란함을 유발한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 발광층 또는 광활성층을 기판의 트렌치 측벽 또는 내부에 배치하고, 전극을 박막으로부터 신장시키고 패드 형태로 제공하여 와이어 본딩을 용이하게 하는 발광다이오드를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 방향으로 신장된 트렌치가 형성된 기판; 상기 트렌치 내부에 형성된 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층과 연결되고, 상기 트렌치 측벽에 형성된 발광층; 상기 발광층에 연결되고, 상기 트렌치 외부의 상기 기판 상에 형성되고, 사이 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된 p형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상부에 형성된 음극; 및 상기 p형 반도체층 상부에 형성된 양극을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 목적은 제1 방향으로 신장된 트렌치를 가지는 기판; 상기 트렌치 상에 형성된 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상부에 형성된 p형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성된 음극; 및 상기 p형 반도체층 상에 형성된 양극을 포함하고, 상기 n형 반도체층, 상기 광활성층 및 상기 p형 반도체층은 상기 트렌치 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제공을 통해서도 달성된다.

상술한 본 발명에 따르면, 기판 상에는 트렌치가 형성되고, 트렌치의 측벽에 는 발광층이 구비된다. 따라서, 기판은 트렌치에 의해 단차를 가진 구조가 된다. 또한, 조셉슨 졍션 구조를 이용하여 비교적 간단하게 발광층을 형성할 수 있으므로, 제조공정 상의 복잡한 과정은 회피된다. 또한, 기판의 트렌치 내부에 다수의 박막이 형성되며, 광이 발생되는 광활성층보다 낮은 굴절율을 가지는 기판의 선택에 의해 트렌치 내부에서 발생되는 광이 외부로 배출될 가능성은 향상된다. 따라서, 높은 광효율을 얻을 수 있다. 이외에도, 전극은 트렌치의 내부영역까지 신장되고, 패드형태로 구비됨에 따라 와이어 본딩이 용이해진다. 또한, 다른 전극은 기판 상으로 신장되어, 패드형태로 구비된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않 는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화아연계 발광다이오드를 개시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 트렌치(110)가 형성되고, 트렌치(110)의 내부, 측벽 및 기판의 상부에 걸쳐 발광다이오드가 형성된다.

상기 기판(100)은 Si, SiC, ZnO, GaAs 또는 Al₂O₃로 구성된다. 바람직하기로는 상기 기판(100)은 형성되는 박막과의 격자상수의 차이를 최소화할 수 있는 산화아연으로 구성됨이 바람직하다. 만일, Si, SiC, GaAs 또는 Al₂O₃가 포함된 기판(100)이 사용되는 경우, 기판(100)의 상부에 산화아연 단결정을 에피텍셜 성장시켜, 박막 사이의 격자상수의 차이를 최소화하고, 댕글링 본딩의 발생가능성을 저감시킨다.

또한, 상기 기판(100) 상에는 식각 등의 방법을 통해 제1 방향으로 신장된 트렌치(110)가 구비된다. 상기 트렌치(110)는 통상적인 포토리소그래피 공정에 의해 형성되는 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 습식 식각 또는 건식 식각의 방법을 통해 구현될 수 있다.

상기 트렌치(110) 상에는 n형 반도체층(120)이 형성된다. 상기 n형 반도체층(120)은 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소를 도판트로 사용함이 바람직하다. 또한, 상기 n형 반도체층(120)은 산화아연을 포함하며, 도입된 도판트가 아연을 치환한 형태로 구비됨이 바람직하다. 상기 n형 반도체층(120)은 스퍼터링 또는 MOCVD 공정을 이용하여 형성될 수 있다.

상기 n형 반도체층(120) 상부에는 음극(160)이 형성된다. 상기 음극(160)은 n형 반도체층(120) 상부로부터 제1 방향으로 신장되게 형성되며,n형 반도체층(120)의 상부에서 전기적 접촉만이 수행되는 배선형태의 금속라인이 배치되고, 제1 방향으로 신장된 트렌치(110) 상에 형성된 패드로 구성된다. 음극(160)은 도전성을 가진 금속재료로 구성되고, Ti, Al, Pt, Ni, Cr 또는 Au로 구성된다. 물론, 상기 금속재료가 순차적으로 적층된 구조로 음극(160)이 구성되거나, 합금의 형태로 구성될 수 있다.

상기 트렌치(110)를 제외한 기판(100) 상에는 p형 반도체층(130)이 구비된다. 상기 p형 반도체층(130)은 ΙA족 또는 ⅡA족 금속을 도판트로 사용한다. 따라서, p형 반도체층(130)에 도입된 도판트는 아연의 결합위치를 대체하게 된다. 또한, 상기 p형 반도체층(130)은 산화아연을 기반으로 하고 있으며, 도판트의 활성화를 위해 반도체층의 형성후에 300℃ 내지 900℃에서 후열처리가 수행됨이 바람직하다. p형 반도체층(130)의 형성은 스퍼터링 또는 MOCVD공정을 이용함이 바람직하다. 또한 p형 반도체층(130)의 도판트로는 ⅤA족 원소가 사용될 수 있다. 즉, N, P, Li 또는 As와 같은 원소는 산화아연 결정에서 산소의 위치를 대체하고, 이는 억셉터로 작용한다. 이외에도 p형 반도체층(130)의 도판트로 AlN, In, N 또는 InN가 사용될 수 있다.

또한, 상기 p형 반도체층(130)의 상부에는 양극(150)이 형성된다. 상기 양극(150)을 구성하는 물질은 전도성 재질이면서, p형 반도체층(130)과 오믹 접촉을 달성할 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.

특히, 상기 n형 반도체층(120) 및 p형 반도체층(150)의 형성시, MOCVD공정을 이용하는 경우, n형 반도체층(120)의 형성을 위한 아연금속의 전구체로는 DEZn(Diethyl Zn) 또는 DMZn(Dimethyl Zn)이 사용되고, 도판트의 전구체로는 DE-도판트, DM-도판트 등이 사용된다. 또한, 산소 가스가 소정의 압력 하에서 공급되며, 챔버의 설정 온도와 압력은 형성하고자 하는 막질의 두께, 도판트의 농도 등에 의해 적절히 조절될 수 있다.

트렌치(110)의 측벽에는 발광층(140)이 구비된다. 상기 발광층(140)은 진성 반도체로서 바람직하게는 산화아연계열로 구성된다. 따라서, 상기 발광층(140)은 호모졍션 구조를 취한다. 즉, 동질의 조성의 조합에 의한 발광구조가 구현된다. 상술한 발광층(140)의 형성은 p형 반도체층(150)이 진성 반도체로 개질되는 조셉슨 졍션(Josephson junction)의 원리가 이용된다.

원래 조셉슨 효과는 초전도체와 초전도체 사이에 부도체를 삽입하여도 전류가 흐르는 현상을 지칭한다. 즉, 부도체라는 비전도성의 장벽을 넘어 전류가 흐르는 현상을 지칭하는데, 이때, 초전도체들 사이에 개재되는 부도체의 접합을 조셉슨 졍션이라 지칭한다. 조셉슨 졍션의 형성은 초전도체 박막을 기판의 트렌치의 에지 부분에 형성할 경우, 구조적 결함에 의해 구조가 변형되면서 초전도체의 성질을 버리고 절연체로 개질되는 성질을 이용한 것이다. 즉, 결정학적으로 민감한 박막은 에지 부위에서 발생되는 기계적 인력 또는 장력에 의해 원래의 전도성이 변경되어 부도체로 개질되게 된다.

따라서, 상기 발광층은 트렌치의 에지 부위에서 형성된다.

도 2는 상기 도 1에 도시된 산화아연계 발광다이오드를 AA' 방향으로 절단한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 경사진 형태로 구비되는 트렌치(110)의 저면에는 n형 반도체층(120)이 구비된다. 또한, 트렌치(110)의 측면에는 발광층(140)이 형성된다. 트렌치(110) 외부의 기판(100) 상에는 p형 반도체층(130)이 구비된다.

만일, 트렌치(110)의 깊이가 크지 않은 경우, 트렌치(110)의 에지 부위에 형성되는 발광층(140)은 트렌치(110)의 측벽 전체에 걸쳐 형성될 수 있을 것이다. 그러나, 트렌치(110)의 깊이가 일정한 값 이상이 되는 경우, 에지 부위에만 발광동작이 수행되는 진성 반도체(141)가 형성되고, 트렌치(110)의 측벽의 중앙부위에는 p형 측면반도체층(143)이 형성된다. 즉, 트렌치의 에지 부위에만 진성반도체(141) 영역이 구비되고, 측벽의 중앙부위에는 p형 반도체층으로 남게 된다.

또한, 상기 도 1 및 도 2에서 양극(150)은 p형 반도체층(130) 중 일측에만 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 양극(150)은 트렌치(110)를 중심으로 좌우 양측에 구비된 p형 반도체층(130) 상부에 모두 구비될 수 있다. 즉, 하나의 음극(160)에 2개의 양극(150)이 구비되는 구조가 이루어질 수 있다.

본 발명에서 발명자들은 기판(100)의 트렌치(110)의 에지 부위에 p형의 산화아연 박막을 형성할 경우, 에지 부위에서의 기계적 힘에 의해 기활성화된 도판트는 비활성화되어 진성 반도체로 개질되고 부도체 및 발광층으로 기능하게 된다. 이는 다양한 실험에 의해 확인되는 바, p형 산화아연 박막의 경우, MOCVD 공정을 이용하여 박막을 형성하더라도, 후열처리를 통해 도판트를 활성화하는 과정을 거친다. 만일, 후열처리시 온도 및 압력조건이 적절하지 않으면, 도판트는 활성화되지 않고 진성 반도체로 기능하게 된다. 이는 질화갈륨계열에서도 동일하게 적용된다.

즉, 본 발명에서는 기판의 트렌치의 에지 부위에 기계적 힘을 박막에 인가하는 구조를 채용하여 p형의 반도체층을 진성 반도체층으로 개질시키는 기술을 이용한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 상기 도 1에 도시된 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.

도 3을 참조하면, 트렌치(110)를 가지는 기판(100)이 구비된다. 상기 트렌치(110)의 형성은 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성된다. 즉, 제1 방향으로 신장된 포토레지스트 패턴을 형성하고, 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 이용하여 습식식각 또는 건식식각을 수행하여 평활한 기판(100) 상에 라인의 형성으로 함몰된 트렌치(110)가 형성된다. 상기 기판(100)은 Si, SiC, ZnO, GaAs 또는 Al₂O₃로 구성된다. 바람직하기로는 상기 기판(100)은 형성되는 박막과의 격자상수의 차이를 최소화할 수 있는 산화아연으로 구성됨이 바람직하다.

이어서, 기판(100) 상에 스퍼터링 또는 MOCVD 방법을 사용하여 n형 반도체층(120)을 형성한다. 먼저, 트렌치(110)를 가지는 기판(100)의 전면에 n형 반도체 박막을 형성하고, 형성된 n형 반도체 박막 상부에 포토레지스트를 도포한 후, 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 n형 반도체 박막을 패터닝한다. 패터닝에 의해 n형 반도체 박막은 트렌치(110) 내부에 매립된 형태의 n형 반도체층(120)으로 구비된다. 상기 n형 반도체층(120)은 산화아연에 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소를 도판트로 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 n형 반도체층(120)의 형성 이전에 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층은 기판(100)과 이후에 형성되는 n형 반도체층(120) 사이의 격자상수의 차이에 의해 발생되는 발광다이오드의 품질 저하를 방지하기 위해 구비된다. 상기 버퍼층은 기판(100)이 Si, SiC, GaAs 또는 Al₂O₃인 경우에 기판(100) 상에 스퍼터링 또는 MOCVD 방법을 이용하여 산화아연 박막을 에피텍셜 성장시키는 것에 의해 달성된다. 이외에도 상기 버퍼층은 AlN로 구성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 기판(100) 상에 스퍼터링 또는 MOCVD 방법을 이용하여 트렌치 측벽에 진성 반도체인 발광층(140)을 형성하고, 상부의 기판(100) 상에 p형 반도체층(130)을 형성한다.

먼저, n형 반도체층(120)이 형성된 기판(100)의 전면에 p형 반도체 박막을 형성한다. 이어서, p형 반도체 박막에 대해 통상의 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 신장된 p형 반도체층(130) 및 발광층(140)을 형성한다. 상기 p형 반도체층(130)의 형성시, 산화아연에 ΙA족, ⅡA족, ⅤA족, InN 또는 AlN를 도판트로 사용함이 바람직하다.

이때, 트렌치(110)의 측벽에 형성된 p형 반도체층은 조셉슨 졍션 구조에 의해 진성 반도체인 발광층(140)으로 개질된다. 즉, 트렌치(110)의 측벽 부위에는 기계적 응력이 집중되고, 이로 인해 도판트는 결정구조의 결함으로 인해 활성화되지 않고, 진성 반도체의 성질을 가지게 된다.

이어서, 도 1을 다시 참조하면, 상기 도 4에 개시된 구조물에 양극(150)과 음극(160)을 형성한다. 상기 양극(150)과 음극(160)은 기존의 리프트 오프 방법을 사용한다. 즉, 포토레지스트 패턴을 전극이 형성되는 영역에 형성하고, 오픈된 영역에 전극물질을 매립한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 애슁 공정을 통해 제거하면, 양극(150)과 음극(160)만이 p형 반도체층(130) 및 n형 반도체층(120)에 잔류하게 된다.

즉, 양극(150)은 p형 반도체층(130) 상에 구비되며, 음극(160)은 n형 반도체층(160) 상부로부터 제1 방향으로 신장되어 형성된다. 특히, 음극(160)은 제1 방향으로 신장되고 와이어 본딩을 위한 패드의 형태로 구비된다. 따라서, 음극(160)은 트렌치(110) 내부에 구비된다.

또한, 상기 양극(150)과 p형 반도체층(130) 사이에는 전류확산층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 즉, 양극(150)을 통해 공급되는 전류를 p형 반도체층(130)에 균일하게 공급하기 위해 ITO 등과 같은 투명 도전체를 삽입하여, 전류가 양극(150)의 하부에만 집중되는 현상을 방지한다.

상술한 과정을 통해 상기 도 1에 도시된 발광다이오드를 제작할 수 있으며, 비교적 간단한 구조로 산화아연계 발광다이오드를 형성할 수 있다.

또한, 발광층이 트렌치의 측벽에 구비되어 측면 발광하는 구조를 실현할 수 있다.

제2 실시예

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드를 도시한 사시도이다.

도 5를 참조하면, 발광다이오드는 기판(200), 트렌치(210) 내부에 형성된 n형 반도체층(221), 광활성층(232), p형 반도체층(242), 양극(250) 및 음극(260)을 포함한다.

상기 기판(200)은 Si, SiC, ZnO, GaAs 또는 Al₂O₃로 구성된다. 특히, 상기 기판(200)은 트렌치(210) 내부에 형성되는 박막보다 낮은 굴절률을 가짐이 바람직하다. 이는 트렌치(210) 내부에서 발광되는 광의 반사률을 상승시키기 위한 것이다. 따라서, 트렌치(210) 내부에서 생성된 광은 기판(200)으로부터 반사되어 원활하게 외부로 방출될 수 있다.

또한, 상기 기판(200) 상에는 트렌치(210)가 형성된다. 상기 트렌치(210)는 제1 방향을 따라 평활한 기판(200)으로부터 함몰된 형태로 구비된다.

상기 도 5에서 트렌치는 기판에 수직한 방향으로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 건식 식각 공정을 이용하여 트렌치를 형 성할 경우, 경사진 형태로 트렌치가 형성될 수 있다.

상기 트렌치(210)에는 발광다이오드를 구성하는 반도체 박막들이 형성된다. 상기 반도체 박막들은 n형 반도체층(221), 광활성층(232) 및 p형 반도체층(242)으로 구성된다. 따라서, 광활성층(232)은 트렌치(210) 내부에 형성되고, 광활성층(232)으로부터 형성된 광은 낮은 굴절률을 가지는 트렌치 측벽으로부터 반사되고, 외부로 방출되는 광의 비율은 높아진다.

먼저, 기판(200)의 트렌치(210) 상에는 n형 반도체층(221)이 형성된다. 상기 n형 반도체층(221)은 산화아연 또는 질화갈륨을 포함한다. 예컨대 산화아연으로 n형 반도체층(221)이 형성되는 경우, 도판트는 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소가 됨이 바람직하다. 또한, 질화갈륨으로 n형 반도체층이 형성되는 경우, 도판트로는 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소을 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 n형 반도체층(221)과 트렌치(210) 사이에는 버퍼층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 상기 버퍼층은 n형 반도체층(221)이 산화아연 계열인 경우, 에피텍셜 성장된 산화아연임이 바람직하며, n형 반도체층(221)이 질화갈륨 계열인 경우, 에피텍셜 성장된 AlN, GaN 또는 Al_xGa₁ _- _xN (0<x<1)임이 바람직하다. 이때, 사용되는 도판트는 산화아연의 경우, Ⅲ족의 원소가 도판트로 사용되고, 질화갈륨 계열의 경우, Ⅳ족의 원소가 도판트로 사용될 수 있다.

상기 n형 반도체층(221) 상부에는 광활성층(232)이 구비된다. 상기 광활성층(232)은 장벽층과 우물층으로 구성되며, 상기 장벽층과 우물층이 상호 반복적으 로 형성된 다층막일 수 있다.

예컨대, 장벽층이 GaN로 구성되는 경우, 우물층은 In_xGa₁ _-xN(0<x<1)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 장벽층 및 우물층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN로 구성될 수 있다. 이때, 상기 장벽층은 높은 밴드갭을 가지도록 구성되고, 우물층은 장벽층보다 상대적으로 낮은 밴드갭을 가지도록 구성된다.

만일, 광활성층(232)이 산화아연 계열로 구성되는 경우에도 장벽층과 우물층이 상호 반복적으로 형성되는 다중양자우물구조가 채용됨이 바람직하다. 산화아연 계열인 경우, 장벽층 또는 우물층은 Cd, Mg, In 또는 P을 더 포함한 3원계 또는 4원계 화합물로 구성됨이 바람직하다. 만일, 장벽층이 ZnO의 이원계로 구성되는 경우, 상기 우물층은 3원계로 구성됨이 바람직하다. 다만, 장벽층의 조성은 우물층보다 상대적으로 큰 밴드갭을 가지도록 구성되어야 한다.

상기 광활성층(232) 상부에는 p형 반도체층(242)이 형성된다. 상기 p형 반도체층(242)은 산화아연 또는 질화갈륨을 포함한다. 예컨대, p형 반도체층(242)이 산화아연계로 구성되는 경우, 도판트로는 ΙA족 또는 ⅡA족 원소가 사용될 수 있으며, p형 반도체층(242)이 질화갈륨계로 구성되는 경우, 도판트로는 ΙA족, ⅡA족 원소가 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 p형 반도체층(242)은 트렌치(210) 주변의 기판의 상부영역과 같은 높이를 유지하도록 형성된다.

또한, 상기 p형 반도체층(242) 상부에는 전류확산층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 상기 전류확산층은 투명 전도성 물질이라면 어느 것이나 가능하며, ITO 등이 적용됨이 바람직하다. p형 반도체층(242) 상부에 전류확산층이 더 구비되는 경우, 전류확산층의 상부 표면의 높이는 트렌치 외부의 기판(200)의 상부 표면과 동일한 높이로 형성됨이 바람직하다.

n형 반도체층(221) 상부에는 음극(260)이 구비된다. 상기 음극(260)은 n형 반도체층(221) 상부 표면으로부터 제1 방향으로 신장되고, 트렌치(210)의 바닥면에서 돌출된 형상이며, 라인 형태에서 패드 형상으로 변형되는 양상을 가진다.

또한, 상기 p형 반도체층(242) 상부에는 양극(250)이 구비된다. 상기 양극(250)은 p형 반도체층(242) 상부 표면으로부터 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 라인형태로 구비되고, 트렌치(210) 외부의 기판(200) 상부 표면 상에서는 패드 형상으로 구비된다. 만일, p형 반도체층(242) 상부에 전류확산층이 구비되는 경우, 상기 양극(250)은 전류확산층 상부에 형성된다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 상기 도 5에 개시된 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.

도 6을 참조하면, 트렌치(210)가 형성된 기판(200)이 제공되고, 트렌치(210) 상에는 n형 반도체박막(220), 광활성박막(230), p형 반도체박막(240)이 형성된다.

먼저, 기판(200) 상에 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 제1 방향으로 신장된 포토레지스트 패턴을 형성한다. 형성된 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 건식식각 또는 습식식각을 수행하면, 제1 방향으로 신장된 트렌치(210)를 형성할 수 있다.

계속해서, 트렌치(210)가 형성된 기판의 전면에 n형 반도체박막(210)을 형성 한다. 상기 n형 반도체박막(210)은 MOCVD 또는 스퍼터링을 통해 형성함이 바람직하다. 만일, MOCVD 공정을 이용할 경우, 형성하고자 하는 박막의 조성에 따라 적합한 전구체가 선택되어야 한다.

예컨대, 박막이 산화아연 계열인 경우, n형 반도체박막(220)의 형성을 위한 아연금속의 전구체로는 DEZn(Diethyl Zn) 또는 DMZn(Dimethyl Zn)이 사용되고, 도판트의 전구체로는 DE-도판트, DM-도판트 등이 사용된다. 또한, 산소 가스가 소정의 압력 하에서 공급되며, 챔버의 설정 온도와 압력은 형성하고자 하는 막질의 두께, 도판트의 농도 등에 의해 적절히 조절될 수 있다. 또한, 사용되는 도판트는 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소임이 바람직하다.

n형 반도체박막(220)이 질화갈륨 계열인 경우, n형 반도체박막(220)의 형성을 위한 Ga의 전구체로는 TEGa(Tri-ethyl gallium) 또는 TMGa(Tri-methyl gallium)이 사용되며, TM-도판트가 도판트의 전구체로 사용될 수 있다.

또한, 상기 n형 반도체박막(220)과 기판(200)의 트렌치(210) 사이에는 버퍼층이 더 구비될 수 있다. 상기 n형 반도체박막(220)이 산화아연 계열인 경우, 버퍼층은 에피텍셜 성장된 산화아연임이 바람직하며, n형 반도체박막(220)이 질화갈륨 계열인 경우, 버퍼층은 에피텍셜 성장된 AlN, GaN 또는 Al_xGa₁ _- _xN (0<x<1)임이 바람직하다.

이어서, n형 반도체박막(220) 상부에 광활성박막(230)이 구비된다. 상기 광활성박막(230)은 장벽층 및 우물층이 상호 교대로 반복하여 형성됨이 바람직하다. 상기 광활성박막(230)을 구성하는 장벽층 및 우물층의 조성은 상기 도 5에 개시된 바와 동일하다. 또한, 상기 광활성박막(230)의 형성은 MOCVD 또는 스퍼터링을 통해 구현됨이 바람직하다.

계속해서 상기 광활성박막(230) 상부에 p형 반도체박막(240)이 형성된다. 상기 p형 반도체박막(240)은 MOCVD 또는 스퍼터링을 통해 형성함이 바람직하다. 만일, MOCVD 공정을 이용할 경우, 형성하고자 하는 박막의 조성에 따라 적합한 전구체가 선택되어야 한다.

예컨대, 박막이 산화아연 계열인 경우, p형 반도체박막(240)의 형성을 위한 아연금속의 전구체로는 DEZn(Diethyl Zn) 또는 DMZn(Dimethyl Zn)이 사용되고, 도판트의 전구체로는 DE-도판트, DM-도판트 등이 사용된다. 또한, 산소 가스가 소정의 압력 하에서 공급되며, 챔버의 설정 온도와 압력은 형성하고자 하는 막질의 두께, 도판트의 농도 등에 의해 적절히 조절될 수 있다. 또한, 사용되는 도판트는 ΙA족 또는 ⅡA족 임이 바람직하다.

p형 반도체박막(240)이 질화갈륨 계열인 경우, p형 반도체박막(240)의 형성을 위한 Ga의 전구체로는 TEGa(Tri-ethyl gallium) 또는 TMGa(Tri-methyl gallium)이 사용되며, TM-도판트가 도판트의 전구체로 사용될 수 있다. 상기 p형 반도체박막(240)의 도판트로는 ΙA족 또는 ⅡA족 원소가 사용될 수 있다.

또한, 상기 p형 반도체박막(240) 상부에는 전류확산층이 더 형성될 수 있다.

상기 도 6에서 트렌치 외부의 기판의 상부에 형성된 박막들은 통상의 포토리소그래피 공정 또는 화학적 기계적 연마에 의해 제거된다. 따라서, 트렌치 내부에 서만 적층된 구조의 박막들이 구비된다.

도 7을 참조하면, 트렌치(210)를 가지는 기판(200)의 전면에 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 식각 공정을 수행하여 트렌치(210)의 바닥면의 일부를 노출시킨다. 이를 통하여 패터닝된 n형 반도체층(221), 광활성층(231) 및 p형 반도체층(241)이 형성된다.

도 8을 참조하면, 상기 도 7에서 개시된 구조물에 대해 패터닝을 수행한다. 상기 패터닝은 통상적인 포토리소그래피 및 식각공정을 이용하며, n형 반도체층(221)의 일부 표면이 노출되도록 진행한다. 노출된 n형 반도체층(221)의 표면에는 음극이 형성된다.

도 6를 참조하면, 상기 도 8에서 노출된 n형 반도체층(221) 및 p형 반도체층(242)의 상부 표면 상에 전극을 형성한다. 상기 전극은 통상의 리프트오프 공정을 이용한다. 즉, 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 열증착 등의 방법을 통해 금속층을 형성하고, 포토레지스트 패턴의 애슁을 통해 전극 이외의 금속층을 제거하는 공정이 적용된다. 전극인 양극(250) 및 음극(260)은 도전성을 가진 금속재료로 구성되고, Ti, Al, Pt, Ni, Cr 또는 Au로 구성된다. 물론, 상기 금속재료가 순차적으로 적층된 구조로 전극이 구성되거나, 합금의 형태로 구성될 수 있다.

상술한 과정을 통해 형성된 발광다이오드는 발광층인 광활성층이 기판의 상부표면으로부터 함몰된 트렌치 내부에 형성된다. 또한, 광활성층의 반사율보다 작은 기판의 선택을 통해 광활성층에서 발생되는 광은 트렌치의 바닥 또는 측벽에서 반사되며, 상부로 원활하게 방출된다.

또한, 양극 또는 음극은 p형 반도체층 또는 n형 반도체층의 전체에 분포하지 않으며, 패드가 직접 p형 반도체층 또는 n형 반도체층의 상부에 형성되지 않는다. 즉, p형 반도체층 또는 n형 반도체층의 상부에는 라인형태의 전극이 형성되며, 라인은 트렌치 외부의 기판 상부 영역 또는 트렌치 내부 영역으로 신장된다. 신장된 영역에서 와이어본딩을 위한 패드가 구비된다. 따라서, 종래와 같이 패드 형상의 전극의 형성에 따라 발광 면적이 좁아지는 현상은 방지된다. 따라서, 발생된 광은 P형 반도체층의 전체를 통해 출사될 수 있으며, 높은 광효율을 유지할 수 있다.

Claims

제1 방향으로 신장된 트렌치가 형성된 기판;

상기 트렌치 내부에 형성된 n형 반도체층;

상기 n형 반도체층과 연결되고, 상기 트렌치의 에지에 형성된 발광층;

상기 발광층에 연결되고, 상기 트렌치 외부의 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된 p형 반도체층;

상기 n형 반도체층 상부에 형성된 음극; 및

상기 p형 반도체층 상부에 형성된 양극을 포함하는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 상기 n형 반도체는 산화아연 계열이며, 도판트로 ⅢA족 또는 ⅣA족 원소를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서, 상기 p형 반도체는 도판트로 ΙA족, ⅡA족, ⅤA족 또는 AlN가 사용되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 상기 음극은 상기 제1 방향으로 신장되고, 상기 n형 반도체 상에서는 라인 형태로 구비되고, 상기 트렌치 내부에서는 패드 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 상기 발광층은 진성 반도체의 성질을 가지며, 기계적 응력에 의해 부도체의 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1 방향으로 신장된 트렌치를 가지는 기판;

상기 트렌치 상에 형성된 n형 반도체층;

상기 n형 반도체층 상에 형성된 광활성층;

상기 광활성층 상부에 형성된 p형 반도체층;

상기 n형 반도체층 상에 형성된 음극; 및

상기 p형 반도체층 상에 형성되고, 상기 p형 반도체층 표면으로부터 상기 트렌치 외부의 기판 표면 상에 걸쳐 형성되는 양극을 포함하고,

상기 n형 반도체층, 상기 광활성층 및 상기 p형 반도체층은 상기 트렌치 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제6항에 있어서, 상기 음극은 상기 제1 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제6항에 있어서, 상기 양극은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제8항에 있어서, 상기 양극은 상기 p형 반도체 표면에서는 라인형태로 구비 되고, 상기 트렌치 외부의 기판 표면 상에서는 패드 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제6항에 있어서, 상기 기판은 상기 광활성층보다 낮은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.