KR20080082327A - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 SiC 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 SiC 버퍼층 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 화합물 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들인 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 이종 기판으로 a 평면(11-20) 사파이어 기판 및 SiC 버퍼층을 사용함으로써 개선된 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

a평면, 사파이어,SiC,버퍼층,결함,에피

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : a 평면(11-20) 사파이어 기판 200 : SiC 버퍼층

300 : Undoped GaN층 400 : n형 GaN층

500 : 활성층 600 : p형 GaN층

700 : 투명전극 800a,800b : 전극패드

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 a 평면 사파이어 기판을 채용한 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 개발되어 LED 기술을 상당히 변화시 켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.

최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.

LED 효율을 개선하기 위해 두 가지의 주요한 접근이 시도되고 있다. 첫째는 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조에 의해 결정되는 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 증가시키는 것이고, 둘째는 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 개선하기 위한 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 SiC 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 SiC 버퍼층 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 화합물 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들인 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다.

바람직하게 상기 발광 다이오드 제조 방법은 상기 SiC 버퍼층과 상기 제 1 도전형 반도체층 사이에 언도프트층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, a 평면(11-20) 사파이어 기판과, 상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 SiC 버퍼층과, 상기 SiC 버퍼층 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 포함하며, 상기 화합물 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들인 발광 다이오드를 제공한다.

바람직하게 상기 발광 다이오드는 상기 SiC 버퍼층과 상기 제 1 도전형 반도체층 사이에 언도프트층을 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 a 평면(11-20) 사파이어 기판(100), SiC 버퍼층(200), Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600), 투명전극(700), 전극패드(800a,800b)를 포함한다.

a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)은 안정성이 높은 a 평면(11-20)을 가지는 사파이어로 이루어져 있으며 a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)위로는 SiC 버퍼층(200)이 형성된다.

SiC 버퍼층(200)은 a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)과 Undoped GaN층(300)간의 격자 불일치를 완화하기 위해 개재된다.

즉, SiC 버퍼층(200)의 SiC는 GaN과의 격자상수의 차이(Lattice mismatch)가 3.3%로, a 평면(11-20) 사파이어와 GaN의 격자상수의 차이(lattice mismatch)인 13.8%에 비해 현격히 작은 값을 가지므로, a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)위에 Undoped GaN층(300)을 성장시키는데 좋은 버퍼층으로 사용될 수 있다.

SiC 버퍼층(200)은 반응 챔버내에서 Si과 C를 반응시켜 a 평면(11-20) 사파이어 기판에 증착할 수 있다. Si의 소스 가스로는 SiH₄ , Si₂H₆ 등이 사용될 수 있고, C의 소스 가스로는 CBr₄ , CH₄ 등이 사용될 수 있다.

이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400~1200℃에서 SiC 버퍼층(200)을 형성할 수 있다.

Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600)은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

Undoped GaN 층(300)은 SiC 버퍼층(200)위에 n형 GaN층(400)을 성장시키기 위하여 성장된다.

n형 GaN층(400)은 GaN에 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

활성층(500)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN/GaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(500)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 활성층(500)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 양자우물층과 장벽층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.

p형 GaN층(600)은 GaN에 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

투명 전극(700)은 p형 GaN층(600)위에 형성된다. 투명전극(700)은 판상 형태로서 활성층(500)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다.

투명전극(700)은 Ni/Au 또는 인디움틴산화막(ITO)와 같은 투명물질로 형성될 수 있다.

투명전극(700)은 전극패드(800a)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광효율을 높이는 역할도 수행한다.

전극 패드(800a,800b)는 투명전극(700) 위 및 n형 GaN층(400)위에 형성된다. 전극패드(800a, 800b)는 와이어(wire)에 의해 리드(lead)(미도시)와 연결되어 외부전원으로부터 전원을 공급받는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면 a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)을 준비한다(S1).

그 후, a 평면(11-20) 사파이어 기판(100)위에 SiC 버퍼층(200)을 형성한다(S2).

SiC 버퍼층(200)은 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

SiC 버퍼층(200)은 400 내지 1200℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 상술한 결정 성장 방법 중 어느 하나를 이용하여 성장될 수 있다.

SiC 버퍼층(200)이 형성된 이후에 버퍼층(200)위에 1㎛ 두께의 Undoped GaN 층(300)과 2㎛ 두께의 n형 GaN층(400)과, 활성층(500)과 0.15㎛ 두께의 p형 GaN층(600)을 1000℃에서 차례대로 성장시킨다(S3)

Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600)은 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 또는 분자선 성장법(MBE) 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 동일한 공정 챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

p형 GaN층(600)이 형성된 후 p형 GaN층(600) 위에 투명전극(700)을 형성한다(S4).

투명전극(700)이 형성된 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 p형 GaN층(600) 및 활성층(500)을 패터닝 또는 식각하여 n형 GaN층(400)의 일부 영역이 노출되도록 한다(S5).

그 후, 노출된 n형 GaN층(400)위에 전극패드(800b)를 형성하고 투명전극(700)위에 전극패드(800a)를 형성하고(S6) 절차를 종료한다. 여기에서 전극 패드들(800a,800b)은 리프트 오프(lift off)법을 사용하여 형성될 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 투명전극위에 P형 전극패드와 N형 전극패드가 제공되는 발광 다이오드에 대하여 설명하였으나, 대안적으로 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 제거하는 공정을 취함으로써 상하로 P형 전극패드와 N형 전극패드가 제공되는 수직형 발광 다이오드가 제조될 수 있다.

a 평면(11-20) 사파이어 기판을 제거하는 공정은 레이저 리프트 오프(laser lift off) 또는 습식 식각을 통해 이루어질 수 있다. 습식 식각을 통해 a 평면(11- 20) 사파이어 기판을 제거하는 경우 SiC 버퍼층이 식각 정지층으로 사용될 수 있다. 따라서, a 평면(11-20) 사파이어 기판의 제거를 위한 식각 공정을 수행할 때 화합물 반도체층의 손상을 막아 발광 다이오드의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 제 1 도전형 반도체층이 N형 반도체층이고, 제 2 도전형 반도체층이 P형 반도체층인 경우를 설명하였으나, 제 1 도전형 반도체층을 P형 반도체층으로 하고 제 2 도전형 반도체층을 N형 반도체층으로 사용하는 변형예가 가능하다.

본 발명에 의하면, 이종 기판으로 a 평면(11-20) 사파이어 기판을 사용함으로써 개선된 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

아울러, a 평면(11-20) 사파이어 기판과 화합물 반도체층 사이에서 격자 불일치 및/또는 열전달율 차이에 따라 야기되는 전위(dislocation) 등의 격자 결함을 SiC 버퍼층이 효과적으로 억제함으로써, 개선된 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 가지는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. a 평면(11-20) 사파이어 기판을 준비하는 단계와,

   상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 SiC 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 SiC 버퍼층 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 화합물 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들인 발광 다이오드 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 SiC 버퍼층과 상기 제 1 도전형 반도체층 사이에 언도프트층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
3. a 평면(11-20) 사파이어 기판과,

   상기 a 평면(11-20) 사파이어 기판위에 형성된 SiC 버퍼층과,

   상기 SiC 버퍼층 위에 형성된 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층을 포함하며,

   상기 화합물 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들인 발광 다이오드.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 SiC 버퍼층과 상기 제 1 도전형 반도체층 사이에 언도프트층을 더 포함하는 발광 다이오드.

Images