KR101525913B1 - Verticle light emitting diodes and its fabricating method - Google Patents
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Abstract
최적화된 칩 구조 및 전극 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자로 이루어진 수직구조 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 도전성 기판, 상기 도전성 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 구비하는 발광구조물, 부분적으로 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하여 이온주입으로 형성된 제3 반도체층, 상기 제3 반도체층 주위로, 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하여 이온주입으로 형성된 제1 절연체, 상기 제1 반도체층에 형성되며 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제1 전극층, 상기 제3 반도체층에 형성되며 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제2 전극층, 상기 제1 전극층을 상기 도전성 기판, 제3 반도체층 및 제2 전극층과 전기적으로 분리시키기 위한 제2 절연체, 그리고 상기 활성층에서 방출된 빛의 경로 상에 형성된 요철 구조를 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면 제3 반도체층의 단차가 발생하지 않고 제2 전극층이 평평하고 쉽게 형성될 수 있다.Disclosed is a vertical structure light emitting diode comprising a nitride semiconductor light emitting device having an optimized chip structure and an electrode structure, and a method for manufacturing the same. A light emitting diode according to an embodiment of the present invention includes a conductive substrate, a first semiconductor layer sequentially formed on the conductive substrate, a light emitting structure including an active layer and a second semiconductor layer, a light emitting structure partially penetrating the first semiconductor layer and the active layer, A third semiconductor layer formed by ion implantation, a first insulator formed around the third semiconductor layer by ion implantation through the first semiconductor layer and the active layer, and a second insulator formed on the first semiconductor layer, A second electrode layer formed on the third semiconductor layer and having an electrical connection portion exposed to the outside of the light emitting structure; a second electrode layer formed on the conductive substrate, the third semiconductor layer, and the second electrode layer, A second insulator for electrically isolating the second electrode layer from the second electrode layer, and a concavo-convex structure formed on a path of light emitted from the active layer. According to this structure, the step of the third semiconductor layer does not occur, and the second electrode layer can be flat and easily formed.
Description
수직구조 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다. 보다 자세하게는 최적화된 칩 구조 및 전극 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자로 이루어진 수직구조 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다.A vertical structure light emitting diode and a method of manufacturing the same are disclosed. And more particularly, to a vertical structure light emitting diode including a nitride semiconductor light emitting device having an optimized chip structure and an electrode structure, and a method of manufacturing the same.
반도체 발광소자는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.A semiconductor light emitting device is a semiconductor device capable of generating light of various colors due to recombination of electrons and holes at the junction portion of p and n type semiconductors when an electric current is applied. Such a semiconductor light emitting device has many advantages such as a long lifetime, a low power supply, an excellent initial driving characteristic, and a high vibration resistance as compared with a light emitting device based on a filament, and the demand thereof is continuously increasing. Particularly, in recent years, group III nitride semiconductors capable of emitting light in a short-wavelength region of the blue system have been spotlighted.
이러한 III족 질화물 반도체를 이용한 발광소자를 구성하는 질화물 단결정은 사파이어 또는 SiC 기판과 같이 특정의 단결정 성장용 기판 상에서 형성된다. 하지만, 사파이어와 같이 절연성 기판을 사용하는 경우에는 전극의 배열에 큰 제약을 받게 된다. 즉, 종래의 질화물 반도체 발광소자는 전극이 수평방향으로 배열되는 것이 일반적이므로, 전류흐름이 협소 해지게 된다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해, 발광소자의 동작 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 이와 더불어 정전기 방전(Electrostatic discharge)에 취약해지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 최적화된 칩 구조 및 전극 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자가 요구된다.The nitride single crystal constituting the light emitting device using such a group III nitride semiconductor is formed on a substrate for a specific single crystal growth such as a sapphire or SiC substrate. However, when an insulating substrate such as sapphire is used, the arrangement of the electrodes is greatly restricted. That is, since the conventional nitride semiconductor light emitting device is generally arranged in the horizontal direction, the current flow becomes narrow. Such a narrow current flow causes a problem that the operating voltage Vf of the light emitting device is increased to lower the current efficiency and to be vulnerable to electrostatic discharge. In order to solve such a problem, a nitride semiconductor light emitting device having an optimized chip structure and an electrode structure is required.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 식각이 없이 이온주입방법을 통하여 전극층의 단차가 발생하지 않고, 제 2 전극층이 기존의 구조보다 평평하고 쉽게 형성될 수 있는 수직구조 발광다이오드 및 이의 제조방법이 개시된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a vertical structure light emitting diode in which a step of an electrode layer is not generated through an ion implantation method without etching, and a second electrode layer can be formed flat and easily than a conventional structure, and a method of manufacturing the same. do.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 지지 기판, 상기 지지 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 구비하는 발광구조물, 부분적으로 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하여 이온주입으로 형성된 제3 반도체층, 상기 제3 반도체층 주위로, 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하여 이온주입으로 형성된 제1 절연체, 상기 제1 반도체층에 형성되며 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제1 전극층, 상기 제3 반도체층에 형성되며 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제2 전극층, 상기 제1 전극층을 상기 지지 기판, 제3 반도체층 및 제2 전극층과 전기적으로 분리시키기 위한 제2 절연체, 그리고 상기 활성층에서 방출된 빛의 경로 상에 형성된 요철 구조를 포함한다.A light emitting diode according to an embodiment of the present invention includes a support substrate, a first semiconductor layer sequentially formed on the support substrate, a light emitting structure including an active layer and a second semiconductor layer, and a light emitting structure partially penetrating the first semiconductor layer and the active layer A third semiconductor layer formed by ion implantation, a first insulator formed around the third semiconductor layer by ion implantation through the first semiconductor layer and the active layer, and a second insulator formed on the first semiconductor layer, A second electrode layer formed on the third semiconductor layer and having an electrical connection portion exposed to the outside of the light emitting structure; a second electrode layer formed on the support substrate, the third semiconductor layer, and the second electrode layer, A second insulator for electrically isolating the second electrode layer from the second electrode layer, and a concavo-convex structure formed on a path of light emitted from the active layer.
일측에 따르면, 상기 제2 반도체층과 상기 제2 전극층 사이에 오믹컨택층을 더 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, an ohmic contact layer may further be formed between the second semiconductor layer and the second electrode layer.
일측에 따르면, 상기 발광구조물은 상기 지지 기판 상면 중 일부 위에만 형성되고, 적어도 상기 지지 기판 상면 중 상기 발광구조물이 형성되지 않은 영역 위에는 상기 발광구조물을 이루는 반도체 물질과 식각 특성이 상이한 식각저지층이 형성될 수 있다.According to one aspect of the present invention, the light emitting structure is formed only on a part of the upper surface of the supporting substrate, and at least an upper portion of the supporting substrate is provided with an etch stop layer having a different etching property from the semiconductor material forming the light emitting structure, .
일측에 따르면, 제2 반도체층의 상면에는 요철 구조가 형성될 수 있다.According to one aspect, a concave-convex structure may be formed on the upper surface of the second semiconductor layer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온주입방법을 통해 제 3 반도체층을 형성하므로 단차가 발생하지 않는다.According to an embodiment of the present invention, since the third semiconductor layer is formed through the ion implantation method, no step is generated.
또한, 식각이 없어 제 2 전극층을 쉽게 형성할 수 있고 기존의 구조보다 평평하게 하는 것이 용이하다.In addition, since there is no etching, the second electrode layer can be easily formed and it is easy to make the structure more flat than the conventional structure.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 상부 모습을 개략적으로 도시한 도면, 그리고
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic view of a top view of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention, and FIG.
2 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
사파이어기판에 MQCVD (metal organic chemical vapor deposition)를 이용하여 buffer GaN, u-GaN, n-GaN, MQWs(multi Quantum well),p-GaN을 순서대로 성장한다. 이후 상부에 패턴을 형성한 다음 이온주입방법을 이용하여 제3반도체층을 형성한다. 이온주입방법을 이용할 때 반응성 이온으로 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, Au, Ti, C, H, He, Al, In, B, Se, O, S, Mg, C, N 중 적어도 하나의 반응성 이온 또는 기체분자로 이온주입 방법을 이용하여 제3반도체층(이온주입으로 형성된 n-GaN)을 형성한다. 제3반도체층은 제1반도체층(p-GaN)에서 활성층(MQW)까지 형성한다. 그런 후 형성시킨 제3반도체층 주위로 도넛형태의 패턴을 형성한 후 이온주입을 통하여 제1절연체(이온주입으로 형성된 절연체)를 형성한다. 이때 절연체는 O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나의 반응성 이온 또는 기체분자로 이온주입 방법을 이용하여 제1절연체를 형성한다. 이후 p 전극으로 반사층을 형성하고, 제3반도체층도 반사막을 이용하여 전극을 형성한다. 이후 PECVD나 증착장비를 이용하여 제2절연체를 형성한다. 그후 제2전극층(n-metal)을 형성한다. 그 후 지지기판 및 제2전극층에 Solder과 Diffusion Barrier를 형성하여 지지기판과 제2전극층을 접합 한다. 그런다음 사파이어기판을 Laser lift-off 방법을 이용하여 사파이어기판을 제거한다. 그리고 제3전극층을 형성 하기 위하여 건식식각 방법이나 습식식각방법을 이용하여 제2반도체층, 활성층, 제1반도체층을 제1전극층이 노출될 때 까지 식각한다. 그리고 제3전극층을 형성한다. 이에 대한 설명은 아래의 그림에서 제시한다.Buffer GaN, u-GaN, n-GaN, multi quantum well (MQWs) and p-GaN are successively grown on a sapphire substrate by MQCVD (metal organic chemical vapor deposition). Then, a pattern is formed on the upper portion, and then a third semiconductor layer is formed using an ion implantation method. When the ion implantation method is used, ions of Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, Au, Ti, C, H, He, Al, In, B, Se, (N-GaN formed by ion implantation) is formed by using an ion implantation method with at least one reactive ion or gas molecule among the first semiconductor layer The third semiconductor layer is formed from the first semiconductor layer (p-GaN) to the active layer (MQW). Then, a donut-shaped pattern is formed around the formed third semiconductor layer, and then a first insulator (insulator formed by ion implantation) is formed through ion implantation. Wherein the insulator is a reactive ion or gas molecule of at least one of O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg and Be to form a first insulator using an ion implantation method. Thereafter, a reflective layer is formed with a p-electrode, and a third semiconductor layer is also formed with a reflective film. Thereafter, a second insulator is formed using PECVD or a deposition apparatus. And then a second electrode layer (n-metal) is formed. Then, a solder and a diffusion barrier are formed on the supporting substrate and the second electrode layer to bond the supporting substrate and the second electrode layer. Then, the sapphire substrate is removed using a laser lift-off method. In order to form the third electrode layer, the second semiconductor layer, the active layer, and the first semiconductor layer are etched by using a dry etching method or a wet etching method until the first electrode layer is exposed. And a third electrode layer is formed. This is explained in the following figure.
본 발명의 기술적인 특징은 이온주입방법을 이용하여 제3반도체층을 형성하는 것이다. 이때 이온주입에 사용된 반응성 이온으로 Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, Au, Ti, C, H, He, Al, In, B, Se, O, S, Mg, C, N 중 적어도 하나의 반응성 이온 또는 기체분자로 이온주입 방법을 이용하여 제3반도체층(이온주입으로 형성된 n-GaN)을 형성한다.A technical feature of the present invention is to form a third semiconductor layer by using an ion implantation method. In this case, the reactive ions used for ion implantation are Si, Te, Zn, Mg, Ca, Ar, Be, Au, Ti, C, H, He, Al, In, B, Se, (N-GaN formed by ion implantation) is formed by using an ion implantation method with at least one reactive ion or gas molecule among the first semiconductor layer
기존의 발광다이오드 제작에서 건식식각으로 제1반도체층, 활성층을 건식식각이나 습식식각으로 제거한 다음 금속물질로 식각된 부분을 채운 구조로 되어 있다. 하지만 식각 후 깊은 Via를 평평하게 채워야 하는 문제점이 있으며, 이를 해결 하기 위하여 많은 연구가 필요하다.In the fabrication of a conventional light emitting diode, the first semiconductor layer and the active layer are removed by dry etching or wet etching, and then the portion etched with the metal material is filled. However, there is a problem that the deep vias must be filled flatly after etching, and a lot of research is needed to solve them.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온주입방법을 통하여 제3반도체층을 형성 하였으며, 식각이 없어 Via를 평평하게 채워야 하는 문제를 가지고 있지 않다. 본 발명은 제2전극층의 단차를 보상 해야 하는 문제 및 평평하게 채워야는 문제를 보완 하였다. 또한 wafer bonding 시 발생할 수 있는 공기의 침투를 제거하여 LLO 공정시 발생 할 수 있는 사파이어 기판의 깨짐 현상을 줄일 수 있어 수율을 높일 수 있다. However, according to one embodiment of the present invention, the third semiconductor layer is formed through the ion implantation method, and there is no problem that the vias must be flatly filled because there is no etching. The present invention has solved the problem of compensating the step difference of the second electrode layer and the problem of flattening it. In addition, by eliminating the infiltration of air that may occur during wafer bonding, it is possible to reduce the breakage of the sapphire substrate that may occur during the LLO process, thereby increasing the yield.
두 번째 장점으로 제3반도체층은 제1반도체층(p-GaN)에서 활성층(MQW)까지 형성한다. 그런 후 형성시킨 제3반도체층 주위로 도넛형태의 패턴을 형성한 후 이온주입을 통하여 제1절연체(이온주입으로 형성된 절연체)를 형성한다. 이때 절연체는 O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나의 반응성 이온 또는 기체분자로 이온주입 방법을 이용하여 제1절연체를 형성한다. 이때 형성된 제1절연체는 종래의 증착 방법과는 확실히 구분되는 방법이다. 이는 제3반도체층과 제1반도체층, 활성층사이를 확실히 절연할 수 있는 방법이라 할 수 있으며, 이또한 큰 장점을 가지고 있다.As a second advantage, the third semiconductor layer is formed from the first semiconductor layer (p-GaN) to the active layer (MQW). Then, a donut-shaped pattern is formed around the formed third semiconductor layer, and then a first insulator (insulator formed by ion implantation) is formed through ion implantation. Wherein the insulator is a reactive ion or gas molecule of at least one of O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg and Be to form a first insulator using an ion implantation method. The first insulator formed at this time is a method distinct from the conventional deposition method. This can be said to be a method of reliably insulating the third semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the active layer, and has a great advantage.
제1반도체층 및 제2반도체층은 각각 p형 및 n형 반도체층일 수 있다.The first semiconductor layer and the second semiconductor layer may be p-type and n-type semiconductor layers, respectively.
또한, 상기 이온주입의 과정 이후에 열처리를 더 실시할 수도 있다.Further, a heat treatment may be further performed after the ion implantation process.
상기 발광구조물 중 상기 활성층의 측면을 덮도록 형성된 패시베이션층을 더 구비할 수 있다. 이때, 패시베이션층은 O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg, Be 중 적어도 하나를 포함하는 이온, 분자들의 이온주입을 통하여 형성될 수 있다.And a passivation layer formed to cover a side surface of the active layer among the light emitting structures. At this time, the passivation layer may be formed through ion implantation of ions, molecules including at least one of O, N, F, P, Ar, He, H, C, Li, P, Mg and Be.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
Claims (4)
상기 지지 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 구비하는 발광구조물;
상기 제1 반도체층 및 활성층에 이온주입하여 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하도록 형성되고, 서로 이격된 복수의 제3 반도체층;
상기 제3 반도체층 주위로, 상기 제1 반도체층 및 활성층에 이온주입하여 상기 제1 반도체층 및 활성층을 관통하도록 형성되어, 상기 제3 반도체층과 상기 제1 반도체층 사이, 및 상기 제3 반도체층과 상기 활성층 사이를 절연시키는 제1 절연체;
상기 제1 반도체층에 컨택되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제1 전극층;
상기 제3 반도체층에 컨택되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제2 전극층;
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되어 서로 절연시키는 제2 절연체; 및
상기 지지 기판과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 솔더/ 확산방지(Solder/Diffusion Barier)층;을 포함하는 수직구조 발광다이오드.
A support substrate;
A light emitting structure including a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer sequentially formed on the supporting substrate;
A plurality of third semiconductor layers formed to penetrate the first semiconductor layer and the active layer by ion implantation into the first semiconductor layer and the active layer and spaced apart from each other;
Wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are formed so as to penetrate the first semiconductor layer and the active layer by ion implantation into the first semiconductor layer and the active layer around the third semiconductor layer, A first insulator for insulating the layer from the active layer;
A first electrode layer which is in contact with the first semiconductor layer and has an electrical connection portion exposed to the outside of the light emitting structure;
A second electrode layer which is in contact with the third semiconductor layer and has an electrical connection portion exposed to the outside of the light emitting structure;
A second insulator provided between the first electrode layer and the second electrode layer and insulated from each other; And
And a solder / diffusion barrier layer provided between the supporting substrate and the second electrode layer.
상기 제3 반도체층과 상기 제2 전극층 사이에 오믹컨택층을 더 포함하는 수직구조 발광다이오드.
The method according to claim 1,
And an ohmic contact layer between the third semiconductor layer and the second electrode layer.
상기 발광구조물은 상기 지지 기판 상면 중 일부 위에만 형성되고,
적어도 상기 지지 기판 상면 중 상기 발광구조물이 형성되지 않은 영역 위에는 상기 발광구조물을 이루는반도체 물질과 식각 특성이 상이한 식각저지층이 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 발광다이오드.
The method according to claim 1,
Wherein the light emitting structure is formed only on a part of the upper surface of the supporting substrate,
Wherein at least a top surface of the supporting substrate is formed with an etch stop layer having a different etching property from that of the semiconductor material forming the light emitting structure on the region where the light emitting structure is not formed.
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