KR20040040900A - 화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 사파이어, 질화갈륨 또는 실리콘 카바이드 기판의 상부에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 활성층들이 적층된 LED를 제조함으로써, 각각의 활성층에서 방출된 광을 혼합시켜 가시광선 영역의 다양한 파장의 광을 LED는 방출시킬 수 있으며, 광의 휘도를 증가시킬 수 있는 효과가 발생한다.

더불어, 제조 및 조립방법이 간단하여 제조 원가를 줄일 수 있으며, 수율과 신뢰성을 증대할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법{Compound semiconductor light emitting diode}

본 발명은 화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사파이어, 질화갈륨 또는 실리콘 카바이드 기판의 상부에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 활성층들이 적층된 LED를 제조함으로써, 각각의 활성층에서 방출된 광을 혼합시켜 가시광선 영역의 다양한 파장의 광을 LED는 방출시킬 수 있으며, 광의 휘도를 증가시킬 수 있는 화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 AlGaAs 또는 AlGaInP 물질을 이용한 적색과 녹색 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 칭함.)개발에 이어 최근에는 III/V족 질화물 반도체를 이용한 청색과 녹색 등 여러 가시광 영역의 파장뿐만 아니라 자외선과 백색 LED의 개발도 진행되고 있는 상황이다.

가시광 영역의 모든 파장대를 구현하는 LED를 만드는 방법에는 III/V족 질화물을 이용하여 활성층으로 사용되는 InGaN의 In 함유량을 조절하는 방법이 있는데 이 방법으로는 모든 파장대의 광을 정확히 구현하기가 어렵다.

또 다른 방법은 청색, 녹색과 적색 LED를 조합하여 파장을 조절하는 방법이 있다.

즉, 노란색(Yellow) 광 파장을 만들기 위하여 청색과 녹색을 조합하거나 황색(Amver) 광 파장을 만들기 위하여 청색, 녹색, 적색을 적절히 조합하는 방법이다.

마지막으로, 자외선 LED에 여러가지 표현하고 싶은 색깔의 포스퍼(Phosphor)를 사용하는 방법이 있다.

즉, 오렌지색을 만들려면 이에 해당하는 오렌지색 포스퍼를 자외선 LED 상부에 덮어 LED를 만들면 된다.

전술된 종래의 방법 중에서 단일 LED를 사용하는 경우, 정확한 파장의 구현이 쉽지 않으며 적색, 녹색과 청색 LED를 혼합하여 사용하는 방법은 조립이 어려우며 다른 방법에 비하여 제조 비용이 많이 든다.

그리고, 자외선 LED와 포스퍼를 사용하는 방법은 각 색깔에 대응하는 포스퍼의 개발이 필요하며, 자외선 LED에 포스퍼를 덮어 LED를 만들 경우 광 효율이 많이 저하하는 단점이 있다.

이와 같이, 종래의 동일한 단일 LED를 사용하여 휘도를 개선하는 방법에는 일반적으로 LED 에피택셜(Epitaxial) 구조를 개선하여 특성을 향상시키는 가장 근본적인 방법이 있으나, 여러 가지 조건을 고려해야 하여야 하며 용이하게 구현되기가 어렵다.

더불어, LED 박막 특성으로 휘도를 개선하기 위하여 칩 사이즈를 크게 하거나 칩의 형상을 최적화하는 방법이 사용되고 있으나, 칩 사이즈를 크게 할 경우, 한 웨이퍼에서 제조되는 LED 소자의 수가 줄어들게 되고, 칩 형상을 변형시키는 방법은 사파이어 기판을 사용할 경우, 가공이 어려워 실제 생산에 적용하기가 쉽지 않다.

또한, 원하는 휘도를 얻기 위하여 LED 소자를 여러 개를 사용하기도 하지만 비용, 조립, 그리고 공간상의 배치 등에 여러 가지 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 사파이어, 질화갈륨 또는 실리콘 카바이드 기판의 상부에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 활성층들이 적층된 LED를 제조함으로써, 각각의 활성층에서 방출된 광을 혼합시켜 가시광선 영역의 다양한 파장의 광을 LED는 방출시킬 수 있으며, 광의 휘도를 증가시킬 수 있으며, 제조 및 조립방법이 간단하여 제조 원가를 줄일 수 있으며, 수율과 신뢰성을 증대할 수 있는 화합물 반도체 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판과;

상기 기판의 상부에 n-타입 화합물 반도체층, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층과 p-타입 화합물 반도체층이 순차적으로 적층된 제 1 에피 적층막과;

상기 p-타입 화합물 반도체층의 상부에 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과 n-타입 화합물 반도체층이 순차적으로 적층된 제 2 에피 적층막과;

상기 제 2 에피 적층막의 n-타입 화합물 반도체층에 연결된 n-전극과;

상기 p-타입 화합물 반도체층에 연결된 p-전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판의 상부에 제 1 n-타입 화합물 반도체층, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층, p-타입 화합물 반도체층, 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과 제 2 n-타입 화합물 반도체층을 순차적으로 적층하는 제 1 단계와;

상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층에서 상기 p-타입 화합물 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 p-타입 화합물 반도체층을 노출시키는 제 2 단계와;

상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층에 n-전극을 형성하고, 상기 노출된 p-타입 화합물 반도체층에 p-전극을 형성하는 제 3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.

도 1a 내지 1c는 본 발명에 의한 LED의 구조를 성장하는 기본적인 방식을 도식적으로 보여 주는 도면이다.

도 2는 본 발명에 의하여 캐리어의 효율을 높이기 위하여 금속 화합물 반도체 층이 더 성장된 LED 구조의 개략적인 단면도이다.

도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 제 1 내지 2 실시예도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판

20,60,120,160,220,260 : n-타입 화합물 반도체층

30,130,230 : 제 1 활성층 25,55 : n-타입 금속 화합물 반도체층

40,140,240 : p-타입 화합물 반도체층 35,45 : p-타입 금속 화합물 반도체층

50,150,250 : 제 2 활성층 100 : 사파이어 기판

171,172,271 : n-전극 173,272 : p-전극

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 1c는 본 발명에 의한 LED의 구조를 성장하는 기본적인 방식을 도식적으로 보여 주는 도면으로써, 먼저, 기판(10)의 상부에 n-타입 화합물 반도체층(20)을 성장한다.(도 1a)

여기서, 기판(10)은 상기 n-타입 화합물 반도체층(20)과 동종 물질 또는 이종 물질로 형성한다.

예를 들어, 상기 n-타입 화합물 반도체층(20)이 Si-GaN이면, 상기 이종 물질 기판은 사파이어(Sapphire)기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판이며, 상기 동종 물질 기판은 GaN 기판이다.

그 후, 상기 n-타입 화합물 반도체층(20)의 상부에 제 1 파장의 광을 방출할 수 있는 제 1 활성층(30)을 형성하고, 상기 제 1 활성층(30)의 상부에 p-타입 화합물 반도체층(40)을 형성한다.(도 1b)

마지막으로, 상기 p-타입 화합물 반도체층(40)의 상부에 제 2 파장의 광을방출할 수 있는 제 2 활성층(50)을 형성하고, 상기 제 2 활성층(50)의 상부에 n-타입 화합물 반도체층(60)을 형성한다.(도 1c)

이 때, 상기 p-타입 화합물 반도체층(40)은 Mg-GaN으로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 전술된 p-타입 화합물 반도체층은 통상, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 성장되기 때문에, 정공(Hole) 농도가 높지 않아 RTA(Rapid Thermal Activation) 또는 퍼니스(Furnace) 등에서 열처리를 하여 사용하게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 p-타입 화합물 반도체층을 활성화시키기 위하여 두 가지 방법을 사용할 수 있다.

첫 번째 방법으로, 도 1b의 구조까지 성장한 후, 성장된 장비에서 꺼낸 후, RTA 또는 퍼니스에서 활성화시킨 후 다시 성장시킨 장비에서 도 1c의 공정을 수행한다.

두 번째로 도 1b의 구조까지 성장한 후, 성장된 장비 내에서 인시츄(In-situ)로 활성화시킨다.

즉, 도 1b까지 성장시킨 장비의 챔버를 N₂분위기로 바꾼 후, 500-1000℃의 온도에서 30초-30분 동안 유지하면 활성화된다.

도 2는 본 발명에 의하여 캐리어의 효율을 높이기 위하여 금속 화합물 반도체 층이 더 성장된 LED 구조의 개략적인 단면도로써, 기판(10)의 상부에 n-타입 화합물 반도체층(20), n-타입 금속 화합물 반도체층(25), 제 1 파장의 광을 방출할 수 있는 제 1 활성층(30), p-타입 금속 화합물 반도체층(35), p-타입 화합물 반도체층(40), p-타입 금속 화합물 반도체층(45), 제 2 파장의 광을 방출할 수 있는 제 2 활성층(50), n-타입 금속 화합물 반도체층(55)과 n-타입 화합물 반도체층(60)으로 구성된다.

도 1에 도시된 구조에서, 상기 n-타입 화합물 반도체층(20,60)과 제 1과 2 파장의 광을 방출할 수 있는 제 1과 2 활성층(30,50)의 사이에 n-타입 금속 화합물 반도체층(25,55)을 더 형성하고, 상기 제 1과 2 파장의 광을 방출할 수 있는 제 1과 2 활성층(30,50)과 p-타입 화합물 반도체층(40)의 사이에 p-타입 금속 화합물 반도체층(35,45)을 더 형성하여 도 2의 구조를 구현하는 것이다.

이렇게 구성된 도 2의 구조는 상기 1과 2 파장의 광을 방출할 수 있는 제 1과 2 활성층(30,50)의 상, 하부에 n-타입 금속 화합물 반도체층(25,55)과 p-타입 금속 화합물 반도체층(35,45)이 더 형성되어 있으므로, 활성층의 캐리어(Carrier)의 활성 효율을 증가시킬 수 있다.

이 때, 상기 p-타입 금속 화합물 반도체층(35,45)은 전술된 방법에 의하여 활성화하는 것이 바람직하다.

위의 방법으로 제작된 LED의 색조와 두 파장의 휘도를 조절하는 방법에는 다음과 같은 여러 가지 방법이 있다.

1. 각 파장대의 웰(Well) 수를 조절한다.

즉, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층의 휘도가 높거나 색조가 강할경우 제 1 활성층의 웰 수를 줄이고 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층의 웰수를 증가시킨다.

반대의 경우에도 역시 제 1과 2 활성층의 웰수를 조절하여 빛의 색깔 및 휘도를 맞출 수 있다.

2. 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층 구조와 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층 구조에 각기 다른 전류를 주입시켜 색조와 휘도를 조절할 수 있다.

3. 위 두 가지 방법을 조합하여 색조와 휘도를 조절할 수 있다.

이와 같이 두 가지 활성층 구조를 연속 성장하여 원하는 파장의 LED를 만들 경우, 기존의 RGB 3색 LED를 사용하거나 자외선 LED에 원하는 색깔의 형광 물질을 사용하여 LED를 만들 때 보다 효율이 훨씬 증대된다.

즉, 3색 LED를 사용할 경우 3가지의 LED를 작동하기 위한 전원이 더 많이 필요하게 되며, 형광 물질을 사용할 경우 자외선 LED에서 발생되는 일부 또는 전체의 빛이 형광 물질을 거치게 되므로 효율이 감소하게 된다.

또한 3색 LED를 사용할 경우 원하는 파장을 만들기 위한 3가지 LED의 휘도 조절에 어려움이 많고 조립, 배열에도 많은 노력이 필요하다.

그러나 본 발명에 의하여 다양한 파장의 LED를 제작할 경우 기존의 청색과 녹색 LED의 제조와 같은 방식에 의해서 만들 수 있으므로 훨씬 편리하고 간편하다.

도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 제 1 내지 2 실시예도로써, 먼저, 도 3a에서는 사파이어 기판(100)의 상부에 제 1 n-타입 화합물 반도체층(120), 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층(130)과 p-타입 화합물 반도체층(140)이 순차적으로적층된 제 1 에피 적층막과; 상기 p-타입 화합물 반도체층(140) 상부에 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층(150)과 제 2 n-타입 화합물 반도체층(160)이 순차적으로 적층된 제 2 에피 적층막과; 상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층(160)에서 상기 제 1 n-타입 화합물 반도체층(120)까지 메사(Mesa) 식각되어 노출된 상기 제 1 n-타입 화합물 반도체층(120)에 형성된 n-전극(171)과; 상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층(160)의 상부에 형성된 n-전극(172)과; 상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층(160)에서 상기 p-타입 화합물 반도체층(140)의 일부까지 메사 식각되어 노출된 상기 p-타입 화합물 반도체층(140)에 형성된 p전극(173)으로 구성된다.

그리고, 도 3b는 n-타입 화합물 반도체 기판 또는 실리콘 카바이드 기판(200)의 상부에 제 1 n-타입 화합물 반도체층(220), 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층(230)과 p-타입 화합물 반도체층(240)이 적층된 제 1 에피 적층막과; 상기 p-타입 화합물 반도체층(240)의 상부에 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층(250)과 제 2 n-타입 화합물 반도체층(260)이 순차적으로 적층된 제 2 에피 적층막과; 상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층(260)의 상부에 형성된 n-전극(271)과; 상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층(260)에서 상기 p-타입 화합물 반도체층(240)의 일부까지 메사 식각되어 노출된 상기 p-타입 화합물 반도체층(240)에 형성된 p전극(272)으로 구성된다.

여기서, 상기 도 3a와 3b의 제 1과 2 n-타입 화합물 반도체층은 Si-GaN으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 p-타입 화합물 반도체층은 Mg-GaN으로 형성하는 것이 바람직하다.

이렇게 구성된 도 3a와 3b의 LED는 제 1 활성층(130)에서 방출된 제 1 파장의 광과 제 2 활성층(150)에서 방출된 제 2 파장의 광이 혼합되어 방출된다.

따라서, 상기 제 1 파장의 광이 청색이고, 제 2 파장의 광이 녹색이면, 노란색 광이 방출된다.

그리고, 상기 제 1과 2 파장의 광이 모두 청색이면, 2배 이상의 휘도가 증가된 청색광이 방출된다.

물론, 본 발명은 적색, 청색과 녹색의 활성층을 순차적으로 개재되도록 적층하여 구성하면, 적색, 청색과 녹색광이 혼합된 백색광이 방출하게 됨으로, 화이트(White) LED도 구현할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 LED 소자를 제조한 후, 외적인 방법에 의하여 여러 파장을 구현하는 것이 아니라 기존의 단일 청색 또는 녹색 LED의 제조 방식과 같이 LED를 연속적으로 성장하여 다양한 파장의 광을 방출하는 LED를 구현할 수 있다.

이렇게 함으로써 외부적인 광 손실을 줄여 효율을 증가시킬 수 있으며 조립을 보다 간단하고 신뢰성 있게 진행할 수 있어 수율의 증대에도 기여할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 본 발명은 사파이어, 질화갈륨 또는 실리콘 카바이드 기판의 상부에 각기 다른 파장의 광을 방출하는 활성층들이 적층된 LED를 제조함으로써, 각각의 활성층에서 방출된 광을 혼합시켜 가시광선 영역의 다양한 파장의 광을 LED는 방출시킬 수 있으며, 광의 휘도를 증가시킬 수 있는 효과가 발생한다.

더불어, 제조방법 및 조립방법이 간단하여 제조 원가를 줄일 수 있으며, 수율과 신뢰성을 증대할 수 있는 효과가 발생한다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

1. 기판과;

   상기 기판의 상부에 n-타입 화합물 반도체층, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층과 p-타입 화합물 반도체층이 순차적으로 적층된 제 1 에피 적층막과;

   상기 p-타입 화합물 반도체층의 상부에 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과 n-타입 화합물 반도체층이 순차적으로 적층된 제 2 에피 적층막과;

   상기 제 2 에피 적층막의 n-타입 화합물 반도체층에 연결된 n-전극과;

   상기 p-타입 화합물 반도체층에 연결된 p-전극으로 구성된 화합물 반도체 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 n-타입 질화갈륨 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어 기판이며,

   상기 제 1 에피 적층막의 n-타입 화합물 반도체층은 n-전극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 n-타입 화합물 반도체층은 Si-GaN이고,

   상기 p-타입 화합물 반도체층이 Mg-GaN인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각각의 n-타입 화합물 반도체층과 제 1과 2 활성층 사이에 n-타입 금속 화합물 반도체층이 더 형성되고,

   상기 제 1과 2 활성층 각각과 p-타입 화합물 반도체층의 사이에 p-타입 금속 화합물 반도체층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
6. 기판의 상부에 제 1 n-타입 화합물 반도체층, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층, p-타입 화합물 반도체층, 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과 제 2 n-타입 화합물 반도체층을 순차적으로 적층하는 제 1 단계와;

   상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층에서 상기 p-타입 화합물 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 p-타입 화합물 반도체층을 노출시키는 제 2 단계와;

   상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층에 n-전극을 형성하고, 상기 노출된 p-타입 화합물 반도체층에 p-전극을 형성하는 제 3 단계로 이루어진 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 기판은 n-타입 질화갈륨 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어 기판이며,

   상기 제 2 단계와 제 3 단계 사이에,

   상기 제 2 n-타입 화합물 반도체층에서 상기 제 1 n-타입 화합물 반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각하여 상기 제 1 n-타입 화합물 반도체층을 노출시키고, 상기 제 1 n-타입 화합물 반도체층의 상부에 n-전극을 형성하는 공정이 더 구비된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   제 1과 2 단계에 각각의 n-타입 화합물 반도체층과 제 1과 2 활성층 사이에 n-타입 금속 화합물 반도체층을 더 형성하고,

   상기 제 1과 2 활성층 각각과 p-타입 화합물 반도체층의 사이에 p-타입 금속 화합물 반도체층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 p-타입 화합물 반도체층과 p-타입 금속 화합물 반도체층을 열처리하여 캐리어를 활성화하는 공정이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.