KR20010074424A

KR20010074424A - 발광다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010074424A
Application number: KR1020007007748A
Authority: KR
Inventors: 스즈키긴고; 이케다히토시
Original assignee: 와다 다다시; 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2001-08-04
Also published as: TW449936B; EP1061590A1; JP3531722B2; WO2000041249A1; JP2000196141A; KR100654508B1

Abstract

종래보다도 광강도가 대폭 개선된 인화비소화갈륨 GaAsP 혼합결정을 구성재료로 하는 발광다이오드(GaAsP계 LED) 및 그 제조방법을 제공한다.

주표면이 GaAsP 혼합결정으로 이루어지는 펠릿을 가진 발광다이오드에 있어서, 상기 주표면이 거친면으로 되도록 하였다.

Description

발광다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND FABRICATION PROCE SS THEREFOR}

인화비소화갈륨 GaAs_1-xP_x혼합결정을 구성재료로 하는 발광다이오드는, 혼합결정율 x의 조성을 변화시킴으로써 금지대역 에너지간극을 변화시켜, 파장 583nm의 노란색(x=0.90), 파장 626nm의 주황색(x=0.65), 또는 파장 648nm의 적색(x=0.50) 등을 발광시킬 수 있어, 표시장치 등의 광원으로서 사용되고 있다.

일반적으로, LED에는 높은 광강도가 요구된다. LED의 발광효율은 내부 양자효율 및 취출효율에 의해 결정된다. 내부 양자효율은 LED의 구성재료의 조성에 의해 결정되기 때문에, 발광효율을 높이기 위해서는, LED 내부에서의 광흡수에 의한 손실이나, 광방출면과 공기의 경계면에서의 전반사에 의해 외부로 취출되지 않는 빛의 손실을 억제함으로써 취출효율을 높일 필요가 있다.

빛의 취출효율을 높이기 위해서, p-n 접합을 가지는 반도체 웨이퍼를 칩형태로 하나하나 절단하여 얻어지는 펠릿(pellet)의 표면을 조면화(粗面化)하는 처리방법은 이미 알려져 있다(일본국 특개평 4-354382호, 일본국 특개평 6-151959호 등). 펠릿의 표면을 조면화하면, 광방출면과 공기의 경계면에서 빛이 전반사할 확률이 내려가므로, 취출효율을 높일 수 있다고 생각된다.

펠릿의 표면을 조면화하기 위해서는, 습식에칭이 간편하다. 예를 들어 인화갈륨 GaP계의 펠릿인 경우에는, 염산 즉 HCl 수용액에 의한 에칭으로 조면화할 수 있다(일본국 특개평 4-354382호). 또한 AlGaAs 혼합결정 표면의 조면화에는, 불화수소산(일본국 특개평 6-151959호)이나 질산:황산=95:5의 혼합액(일본국 특개평 10 -200156호)이 효과적이다.

그러나, 인화비소화갈륨 GaAsP 혼합결정에 대해서는, 펠릿의 주표면을 조면화하는 데에 바람직한 에칭액의 개발에 아직 성공하고 있지 않고, 도 6에서와 같이 GaAsP 혼합결정계의 펠릿(40)의 주표면(46)은 거울면상태인 채이었다.

여기에서, GaAsP 혼합결정계의 펠릿(40)은, 예컨대 n형 GaP 단결정기판(41) 상에, n형 GaP 에피텍셜층(42), 혼합결정율 x가 변화하는 n형 GaAs_1-xP_x혼합결정율변화층(43), 질소를 첨가한 n형 GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(44,45)을 차례로 적층한 후에, GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(45)의 표면으로부터 아연(Zn)을 확산시켜서 해당 GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(45)을 p형으로 반전시켜, 혼합결정율 일정층(44와 45)의 경계에 p-n접합을 형성하고, 계속해서 주표면(46)과 주이면(47)에 금합금을 증착하여, p측 전극(51)과 n측 전극(52)을 형성하고, 마지막으로 다이싱에 의해 칩형태로 절단함으로써 얻어진다.

도 6에 있어서, (48a,48b)는 펠릿 측면으로서, 다이싱에 의해 칩형태로 할 때에, 그 절단면으로서 주표면(46)과 거의 직각을 이루도록 하여 형성된다. 또한 펠릿 측면은 도 6에 나타낸 (48a,48b) 이외에 2면이 더 있다.

본 발명자는, GaAsP 혼합결정의 적어도 주표면에 대하여 조면화처리가 가능한 에칭액을 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 브롬(Br₂) 또는 요오드(I₂)가 수용액 속에 포함된 에칭액이 가장 바람직하다는 것을 발견하였다. 이 에칭액을 사용하여 각종 실험을 계속함으로써, 본 발명에 이르른 것이다.

본 발명은, 종래보다도 광강도가 대폭적으로 개선된 인화비소화갈륨 GaAsP 혼합결정을 구성재료로 하는 발광다이오드(GaAsP계 LED) 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 발광다이오드[이하, 간단히「LED(Light Emitting Diode의 약칭)」로 기재하는 경우도 있슴] 및 그 제조방법, 특히 인화비소화갈륨 GaAs_1-xP_x혼합결정(이하, 간단히「GaAsP」로 기재하는 경우도 있슴)을 구성재료로 하는 발광다이오드(이하, 간단히「GaAsP계 LED」로 기재하는 경우도 있슴) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명의 발광다이오드용 펠릿의 주표면 및 측면을 나타내는 개략 단면도,

도 2는, 광방출면에 대한 빛의 도달각도와 빛의 투과 및 반사상태를 나타내는 설명도로서, 도 2(A)는 빛이 투과하는 경우, 도 2(B)는 빛이 반사하는 경우를각각 나타낸 도면,

도 3은, 광방출면에 미세한 요철을 형성한 경우의 빛의 도달각도와 빛의 투과 및 반사상태를 나타내는 설명도로서, 도 3(A)는 요철의 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 경우, 도 3(B)는 요철의 입자직경이 3㎛을 넘는 경우 및 도 3(C)은 0.3㎛에 미치지 않는 경우를 각각 나타낸 도면,

도 4는, 본 발명의 발광다이오드의 제조방법의 순서를 나타내는 플로우챠트,

도 5는, 발광다이오드의 제작예를 나타내는 설명도,

도 6은, 종래의 발광다이오드용 펠릿의 주표면 및 측면을 나타내는 개략 단면도이다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 주표면이GaAsP 혼합결정으로 이루어지는 펠릿을 가진 발광다이오드에 있어서, 상기 주표면이 거친면인 것을 특징으로 한다.

상기 펠릿의 측면부가 거친면이면, 보다 높은 취출효과를 달성할 수 있다. 또한 상기 거친면은, 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 미세한 요철을 형성하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 발광다이오드의 제조방법은, 주표면이 GaAsP 혼합결정으로 이루어지는 펠릿을 가지는 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 펠릿을 Br₂또는 I₂가 수용액 속에 포함된 에칭액으로 처리하여, 상기 펠릿의 적어도 주표면에 미세한 요철을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 에칭액은, 질산, 불화수소, 초산을 더욱 포함하는 수용액인 것이 바람직하다. 또한 상기 에칭액은, Br₂또는 I₂가 1부인 것에 대해, 질산을 40∼80부, 불화수소를 40부∼300부, 초산을 400부∼2000부의 몰조성비로서 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 발광다이오드 및 그 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하는데, 이들 실시형태는 예시적으로 나타낸 것으로서, 본 발명의 기술사상에서 벗어나지 않는 한 각종 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

도 1은, 본 발명의 인화비소화갈륨 GaAsP을 구성재료로 하는 발광다이오드용 펠릿(이하, 간단히「GaAsP계 펠릿」이라고 하는 경우가 있음)(20)을 나타내는 개략 단면도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 GaAsP 혼합결정으로 이루어지는 주표면(6)은, 빛의 취출효율을 좋게 하기 위해서 습식에칭에 의해 조면화되어 있으며, 그 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하가 되도록 에칭조건이 조정되어 있다.

인화비소화갈륨 GaAsP 혼합결정에 의해 발광하는 빛은, 피크파장으로 노란색의 약 580nm에서 적색의 약 650nm까지의 600nm 전후의 파장이며, 상기 펠릿(20)의 주표면(6)의 입자직경이 이 파장영역보다 약간 넓은 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하가 되도록 조면화의 정도를 조정하면, 빛의 전반사할 확률이 잘 내려가므로, 빛의 취출효율이 올라가는 것이다.

빛의 취출효율에 대하여, 더욱 상세하게 설명한다. 상기한 바와 같이 높은 광강도를 얻기 위해서는, 광방출면과 공기의 경계면에 있어서의 전반사에 의해 외부로 취출되지 않는 빛의 비율을 작게 함으로써, 빛의 취출효율을 높게 할 필요가 있다.

파장 600nm 근방에서, GaP의 굴절율 n이 약 3.3, GaAs의 굴절율 n이 약 3.8이기 때문에, 그들 혼합결정인 GaAsP의 굴절율 n은, 약 3.3∼약 3.8이다. 이와 같이 큰 굴절율 n에서 굴절율=1의 공기로 빛이 입사하는 경우의 전반사 임계각 θ은,

θ= sin^-1(1/n)

으로 표시되므로, 굴절율 n=약 3.3∼약 3.8인 GaAsP의 경우, 전반사 임계각 θ= 약 15°∼약 18°가 된다.

즉, 광방출면이 도 2에 나타낸 바와 같이 평면인 경우는, 평면에 대하여 수직에 가까운 각도로서, 또한 이 전반사 임계각 θ보다 작은 각도 내에서 경계면으로 도달한 빛만이, 공기중으로 방출된다[도 2(A)]. 그리고 전반사 임계각 θ보다 큰 각도로서 경계면으로 도달한 빛은 전반사되어, 결정내부로 반사하여 흡수되어버린다[도 2(B)].

그리하여, 광방출면과 공기의 경계면을 평면이 아니라, 미세한 요철이 형성되도록 습식에칭에 의해 조면화하는 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 경계면에 미세한 요철이 형성되면, 전반사 임계각 θ보다 큰 각도로서 경계면으로 도달한 빛에 대해서도, 국부적으로는 전반사 임계각 θ보다 작은 각도를 가진 볼록면이 존재하기 때문에, 그 볼록면으로부터 빛이 공기중으로 투과할 수 있는 것이다[도 3(A)].

GaAsP 혼합결정인 경우, 미세한 요철의 입자직경은 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 것이 바람직하다[도 3(A)]. 미세한 요철의 입자직경이 3㎛을 넘는 경우에는, 상기 빛의 파장에 대해서는 요철이 너무 완만해서 국부적인 거울면으로서 작용한다[도 3(B)]. 또한 반대로, 미세한 요철의 입자직경이 0.3㎛에 미치지 않는 경우에는, 빛의 파장에 대한 요철의 레벨이 너무 작아서 실질적으로 거울면과 동일하게 되어 버린다[도 3(C)]. 여기에서 본 발명에 있어서 미세한 요철의 입자직경이란, 도 3에 나타낸 바와 같이, 어떤 볼록형상물이 세워진 곳에서 인접하는 볼록형상물이 세워진 곳까지의 길이인 것이다. 또한 도 3에 있어서, 경계면의 미세한 요철은 반원의 연속으로서 묘사하고 있으나, 공기측으로 돌출된 단면이 원호형상인 요철이 밀집하여 형성되어 있으면 좋다.

도 1에 있어서, 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하의 미세한 요철을 가진 거친면을, 주표면(6) 뿐만 아니라, 펠릿 측면(8)(8a,8b, 또한 도 1에 나타나지 않은 다른 2측면을 포함)에도 형성하면, 빛의 취출효과가 한층 더 높아진다.

다음에, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 대하여, 도 4를 사용하여 설명한다.

먼저, 주표면의 면방위가 (100)인 n형 GaP 단결정기판(1) 상에, n형 GaP 에피텍셜층(2), 혼합결정율 x가 변화하는 n형 GaAs_1-xP_x혼합결정율 변화층(3), 질소를 첨가한 n형 GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(4,5)를 차례로 적층한 후에, GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(5)의 표면에서 아연(Zn)을 확산시켜 해당 GaAs_1-xP_x혼합결정율 일정층(5)을 p형으로 반전시켜, 혼합결정율 일정층(4와 5)의 경계에 p-n 접합을 가지는 GaAsP 에피텍셜 웨이퍼(10)를 얻는다[공정(A)].

계속해서, GaAsP 에피텍셜 웨이퍼(10)의 주표면(6)과 주이면(7)에 금합금을 증착하여, p측 전극(11)과 n측 전극(12)을 형성한다[공정(B)]. 그리고 n형 전극 (12)을 덮도록 하여 점착시트(13)에 GaAsP 에피텍셜 웨이퍼(10)를 붙여서, 해당 GaAsP 에피텍셜 웨이퍼(10)를 다이싱에 의해 0.3mm×0.3mm의 펠릿(20)으로 절단한다[공정(C)].

또한, 절단된 펠릿(20)을, 96% 황산(H₂SO₄): 32% 과산화수소(H₂O₂):물 (H₂O)= 3:1:1의 조성비(용량)의 제 1 에칭액으로 2분간에칭을 행하고, 다이싱에 의해 발생한 가공변형을 제거한다[공정(D)].

다음에, 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 미세한 요철을, GaAsP계 펠릿 (20)의 주표면(6) 및 측면(8)에 형성하기 위해서, 펠릿(20)을 브롬(Br₂) 또는 요오드(I₂)가 수용액 속에 포함된 제 2 에칭액으로 처리한다[공정(F)]. 종래에 GaAsP 혼합결정의 조면화처리를 위해, Br₂또는 I₂를 포함하는 에칭액은 사용되고 있지 않았다. 이 에칭시에 펠릿(20)의 주이면(7)을 점착시트(13)로 덮어서 제 2 에칭액으로부터 보호하여, 조면화되지 않도록 한다. 주이면(7)은 거친면보다 거울면상태인 쪽이 주이면(7) 측에서 빛이 달아나지 않으므로 취출효과를 향상시킬 수 있어 바람직하다.

보다 구체적으로는, Br₂또는 I₂이외에, Br₂또는 I₂가 1부인 것에 대해, 질산(HNO₃)을 40부∼80부, 불화수소(HF)를 40부∼300부, 초산(CH₃COOH)을 400부∼2000부의 몰조성비로서 수용액 속에 더욱 포함하는 제 2 에칭액으로 조정한 후, 이 제 2 에칭액 속에서 GaAsP계 펠릿(20)의 주표면(6) 및 측면(8a,8b) 등을 소정시간 에칭하여, 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 미세한 요철을 가진 거친면을 형성한다. 최적의 에칭시간은, GaAsP계 펠릿의 혼 합결정율이나 에칭액의 조성에 따라 다소 다르다. 상기 제 2 에칭액은 GaAsP 혼합결정뿐만 아니라, 펠릿(20)의 측면으로 일부 노출되어 있는 GaP도 조면화하기 때문에, 제 2 에칭액에 노출되어 있는 주표면(6) 및 측면(8a,8b) 등 전체가 조면화된다.

이하에, 본 발명에 있어서의 에칭조건과, 해당 에칭에 의해 얻어진 미세한 요철을 가진 GaAsP 혼합결정을 펠릿의 구성재료로 하는 발광다이오드의 광도에 대하여, 더욱 구체적인 예를 들어 설명한다. 이하의 구체예는 예시적으로 나타낸 것으로서, 한정적으로 해석되어서는 안되는 것은 말할 필요도 없다.

(실시예 1)

96% 황산(H₂SO₄):32% 과산화수소(H₂O₂):물(H₂O)=3:1:1의 조성비(용량)의 제 1 에칭액으로 2분간 에칭을 행하여[도 4(D)], 다이싱에 의해 발생된 가공변형을 제거하고, 또한 주표면의 면방위가 (100)인 상기 GaAsP계 펠릿(20)을, I₂가 1부인 것에 대해, 질산을 60부, 불화수소를 200부, 초산을 800부의 몰조성비로서 수용액 속에 포함하는 30℃의 제 2 에칭액 속에서 75초간 처리하여, GaAsP계 펠릿(20)의 주표면 (6) 및 측면(8a,8b) 등에 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하의 미세한 요철을 형성한다[도 4(F)].

계속해서, 도 5에 나타낸 바와 같이, GaAsP계 펠릿(20)을 스템(34) 상에 은페이스트(36)를 개재하여 고정부착하고, 가는 금속선(32)으로 와이어 본딩한 후에, 투명 에폭시수지(38)로 몰드하여 발광다이오드(30)를 제작하였다.

다음에, 제작된 발광다이오드(30)에 대하여 20mA의 직류전류를 흐르게 하고, 발광파장이 580nm인 노란색광의 광도를 측정하였다[도 4(G)]. 광도의 측정결과는 표 1의 (A)에 나타낸다. 이어서 나타낸 비교예 1과 비교하면 광도가 88% 향상하였다. 이 광도의 향상은, 펠릿(20)의 표면을 조면화함으로써 취출효과가 향상된 것을 의미한다.

(비교예 1)

GaAsP계 펠릿(20)의 주표면(6) 및 측면(8a,8b)에 미세한 요철을 형성하는 에칭을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 모두 동일하게 하여 제작한 발광다이오드(30)에 대해 20mA의 직류전류를 흐르게 하고, 광도를 측정한 결과를 표 1의 (B)에 나타낸다.

(실시예 2)

실시예 1과 마찬가지로 하여, 파장이 586nm인 노란색광을 발광하는 발광다이오드(30)를 제작하고, 그 광도를 측정하였다[표 1의 (C)]. 이어서 나타낸 비교예 2와 비교하면, 광도가 73% 향상하였다.

(비교예 2)

GaAsP계 펠릿(20)의 주표면(6) 및 측면(8a,8b) 등에 미세한 요철을 형성하는 에칭을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 2와 모두 동일하게 하여 제작한 발광다이오드(30)에 대해 20mA의 직류전류를 흐르게 하고, 광도를 측정한 결과를 표 1의 (D)에 나타낸다.

(실시예 3)

실시예 1과 마찬가지로 하여, 파장이 605nm인 황갈색광을 발광하는 발광다이오드(30)를 제작하고, 그 광도를 측정하였다[표 1의 (E)]. 이어서 나타낸 비교예 3과 비교하면, 광도가 73% 향상하였다.

(비교예 3)

GaAsP계 펠릿(20)의 주표면(6) 및 측면(8a,8b) 등에 미세한 요철을 형성하는 에칭을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 3과 모두 동일하게 하여 제작한 발광다이오드(30)에 대해 20mA의 직류전류를 흐르게 하고, 광도를 측정한 결과를 표 1의 (F)에 나타낸다.

(실시예 4)

실시예 1과 마찬가지로 하여, 파장이 630nm인 주황색광을 발광하는 발광다이오드(30)를 제작하고, 그 광도를 측정하였다[표 1의 (G)]. 이어서 나타낸 비교예 4와 비교하면, 광도가 51% 향상하였다.

(비교예 4)

GaAsP계 펠릿(20)의 주표면(6) 및 (8a,8b) 등에 미세한 요철을 형성하는 에칭을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 4와 완전히 동일하게 하여 제작한 발광다이오드(30)에 대해 20mA의 직류전류를 흐르게 하고, 광도를 측정한 결과를 표 1의 (H)에 나타낸다.

		발광파장(nm)	발광색	광도(mcd)	광도의 향상율(%)
(A)	실시예 1	580	노란색	5.41	88
(B)	비교예 1	580	노란색	2.88	88
(C)	실시예 2	586	노란색	6.68	73
(D)	비교예 2	586	노란색	3.86	73
(E)	실시예 3	605	황갈색	4.36	73
(F)	비교예 3	605	황갈색	2.52	73
(G)	실시예 4	630	주황색	4.55	51
(H)	비교예 4	630	주황색	3.01	51

여기에서, 본 실시예에 있어서는 제 2 에칭액의 조정에 요오드(I₂)를 사용하였으나, 브롬(Br₂)을 요오드(I₂)의 경우와 동일한 조성으로 하여 사용함으로써, 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 노란색, 황갈색, 주황색을 나타내는 발광다이오드에 대하여 기재하였으나, 적색을 나타내는 발광다이오드에 대해서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그리고 본 실시예에서는 p측 전극(11)을 주표면(6) 상에 형성한후에 조면화처리를 실시하였기 때문에, p측 전극(11)의 하부면은 조면화되어 있지 않지만, p측 전극을 형성하기 전에 조면화처리를 실시하면, 주표면(6) 전체를 거친면으로 할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

[산업상의 이용가능성]

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, GaAsP계 펠릿의 표면을 조면화하여 미세한 요철을 형성함으로써 취출효과를 향상시킬 수 있기 때문에, 종래보다 약 50%∼약 90%의 광도의 향상을 달성할 수 있다. 또한 GaAsP계 팰릿의 주표면의 조면화는, Br₂또는 I₂가 수용액 속에 포함된 에칭액을 사용함으로써 달성할 수 있다. 보다 구체적으로는 질산, 불화수소, 초산을 수용액 속에 포함하는 에칭액으로 조면화처리함으로써, GaAsP계 펠릿(20)의 주표면 및 측면에 미세한 요철을 형성하는 것이 가능해졌다.

Claims

주표면이 GaAsP 혼합결정으로 이루어진 펠릿을 가지는 발광다이오드에 있어서, 상기 주표면이 거친면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 펠릿의 측면부가 거친면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 거친면은, 입자직경이 0.3㎛ 이상 3㎛ 이하인 미세한 요철을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
주표면이 GaAsP 혼합결정으로 이루어진 펠릿을 가지는 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 펠릿을 Br₂또는 I₂가 수용액 속에 포함된 에칭액으로 처리하여, 상기 펠릿의 적어도 주표면에 미세한 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 에칭액은, 질산, 불화수소, 초산을 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 에칭액은, Br₂또는 I₂가 1부인 것에 대해, 질산을 40부∼80부, 불화수소를 40부∼300부, 초산을 400부∼2000부의 몰조성비로서 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.