KR20110013845A - 발광다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

발광다이오드 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 발광다이오드는 베이스 기판 상에 배치되는 씨드층, 상기 씨드층 상에 배치되되 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부를 구비하는 이중막 패턴, 및 상기 윈도우부 내에 노출된 씨드층 상에서 수직 또는 수평성장하고, 상기 이중막 패턴 상에서 수평성장된 제1형 반도체층, 및 상기 제1형 반도체층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함한다.
이중막 패턴, 발광다이오드, 광추출 효율, 발광 효율

Description

발광다이오드 및 이의 제조방법{Light emitting diode and method for fabricating of the same}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 소자로서, 디스플레이 소자의 광원으로 주로 이용되고 있다. 이러한 발광다이오드는 기존의 광원에 비해 극소형이며, 소비전력이 적고, 수명이 길며, 반응속도가 빠른 등 매우 우수한 특성을 나타낸다. 이와 더불어서, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않으므로 환경 친화적이다.
이러한 발광다이오드를 구성하는 반도체층으로서 열전도도(Thermal conductivity)가 크고 융점이 높아 고온에서 안정하며, 큰 포화 전자 이동속도(saturated electron mobile velocity)를 가지는 전기적 특성과 내부식성, 내방사성, 내열성 등의 우수한 기계, 물리, 화학적 특성을 가지는 장점으로 인해 질화갈륨계 물질이 많이 사용되고 있다.
그러나, 질화갈륨은 다른 화합물 반도체와는 달리 격자정합을 이루는 기판이 없는 난점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 질화갈륨을 반도체층으로 하여 제조된 발광다이오드는 상기 기판과 질화갈륨 반도체층과의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 결함으로 인해 발광효율이 저하될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 발광효율이 향상된 발광다이오드를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 베이스 기판 상에 배치되는 씨드층, 상기 씨드층 상에 배치되되 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부를 구비하는 이중막 패턴, 및 상기 윈도우부 내에 노출된 씨드층 상에서 수직 또는 수평성장하고, 상기 이중막 패턴 상에서 수평성장된 제1형 반도체층, 및 상기 제1형 반도체층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함한다.
상기 제1형 반도체층은 하부 제1형 반도체층 및 상부 제1형 반도체층을 구비하고, 상기 하부 제1형 반도체층은 상기 상부 제1형 반도체층에 비해 낮은 온도로 형성된 층일 수 있다.
상기 제1형 반도체층은 n형 불순물이 주입된 AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층일 수 있다. 상기 제 2형 반도체층은 p형 불순물이 주입된 AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층일 수 있다. 상기 금속막은 Al막, Ti막, Ni막 또는 Cr막일 수 있다. 상기 절연막은 SiO2막, SiN막, TiO2막 또는 P2O3막일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 발광다이오드 제조방법을 제공한다. 상기 발광다이오드 제조방법은 베이스 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계, 상기 씨드층 상에 금속막을 형성하는 단계, 상기 금속막 상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 금속막 및 절연막을 차례로 패터닝하여 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부를 구비하는 이중막 패턴을 형성하는 단계, 상기 윈도우부 내에 노출된 씨드층 상에서 수직 또는 수평성장시키고, 상기 이중막 패턴 상에서 수평성장시켜 제1형 반도체층을 형성하는 단계, 및 상기 제1형 반도체층 상에 제2형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1형 반도체층을 형성하는 단계는 하부 제1형 반도체층을 형성하는 단계, 및 상기 하부 제1형 반도체층 상에 상부 제1형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 하부 제1형 반도체층은 상기 상부 제1형 반도체층에 비해 낮은 온도로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 베이 스 기판 상에 배치되는 씨드층, 상기 씨드층 상에 배치되되 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부로 구성된 이중막 패턴을 구비함으로써, 상기 기판과 씨드층 간의 열팽창 계수 및 격자상수 차에 의해 발생되는 전위의 전파를 차단시킬 수 있으므로, 상기 이중막 패턴 상에 형성되는 반도체층의 내부결함밀도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 발광효율이 향상될 수 있다.
이에 더하여, 상기 발광다이오드가 와이어 본딩형 발광다이오드로 적용되는 경우에, 상기 마스크부의 금속막이 전위의 전파를 방지하는 역할 뿐만 아니라, 광방출면의 반대방향으로 발생되는 광을 반사시켜, 광방출면 방향으로 방출되는 광의 양을 증가시켜줄 수 있으므로, 광추출 효율이 향상될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 베이스 기판(10) 상에 버퍼층(12)을 형성한다. 상기 베이스 기판(11)은 Al2O3 기판, Si 기판, SiC 기판 또는 GaAs 기판일 수 있으며, 바람직하게는 Al2O3 기판일 수 있다.
상기 버퍼층(12)은 에피층과의 격자상수 및 열팽창 계수 차이를 완화시키기 위한 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 버퍼층(12)은 AlN층 또는 GaN층일 수 있다. 상기 버퍼층(12)은 400℃ 내지 550℃ 범위의 온도범위에서 성장시킬 수 있다. 그러나, 상기 버퍼층(12)은 생략될 수 있다.
상기 버퍼층(12) 상에 씨드층(14)을 형성한다. 상기 씨드층(14)은 에피층을 형성시키기 위한 씨드로서 사용될 수 있다. 상기 씨드층(14)은 질화물계 물질층일 수 있으며, 구체적으로 상기 질화물계 물질층은 질화갈륨계 물질층일 수 있다. 일 예로서, 상기 질화갈륨계 물질층은 도핑하지 않은 상태의 GaN층일 수 있다.
상기 씨드층(14)은 박막의 균일성 및 결정성을 향상시키기 위해 1000℃ 내지 1100℃의 고온에서 형성할 수 있다. 상기 씨드층(14)은 상기 버퍼층(12)이 구비되어도 상기 베이스 기판(10)과 버퍼층(12) 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 의해 일부 전위가 형성될 수 있다. 이러한 전위는 수직방향으로 전파되는 특성을 가지므로, 상기 버퍼층(12) 상에 배치된 씨드층(14) 내에까지 전파될 수 있다. 이에 따라, 상기 씨드층(14)의 내부결함 밀도가 증가될 수 있다.
상기 버퍼층(12) 및 씨드층(14)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hybride Vapor Phase Epitaxy) 기술을 사용하여 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 씨드층(14) 상에 금속막(15)을 형성한다. 상기 금속막(15)은 광반사율이 높은 물질을 사용할 수 있다. 일 예로서, 상기 금속막(15)은 Al막, Ti막, Ni막 또는 Cr막일 수 있다. 상기 금속막(15)은 200nm 내지 250nm의 두께로 형성할 수 있다.
상기 금속막(15) 상에 절연막(16)을 형성한다. 상기 절연막(16)은 SiO2막, SiN막, TiO2막 또는 P2O3막일 수 있으며, 바람직하게는 SiO2막일 수 있다. 상기 절연막(15)은 100nm 내지 200nm의 두께로 형성할 수 있다.
상기 씨드층(14) 및 절연막(15)은 이빔 증착장치 또는 스퍼터와 같은 박막증착장치를 사용하여 형성할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 절연막(16) 및 금속막(15)을 차례로 패터닝하여 다수개의 윈도우부(17a) 및 마스크부(17b)를 구비하는 이중막 패턴(17)을 형성한다. 상기 이중막 패턴(17)은 리소그라피법, 건식식각 또는 습식식각을 이용하여 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 마스크부들(17a) 사이의 윈도우부(17a)를 통해 상기 씨드층(14)이 노출될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 이중막 패턴(17) 상에 하부 제1형 반도체층(21)을 성장시킨다. 상기 하부 제1형 반도체층(21)은 질화물계 물질층일 수 있으며, 구체적으로 상기 질화물계 물질층은 질화갈륨계 물질층일 수 있다. 일 예로서, 상기 질화갈륨계 물질층은 GaN층, AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층일 수 있다.
상기 하부 제1형 반도체층(21)은 수평 에피 성장법(epitaxial lateral overgrowth; ELO)을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 이중막 패턴(17)이 형성된 베이스 기판(10)을 반응챔버 내에 수용하여, 질화물계 물질 소오스들을 주입하면, 상기 윈도우부(17a) 내에 노출된 상기 씨드층(14) 상에서 수직 또는 수평성장되고, 상기 이중막 패턴(17b) 상에서 수평성장되어 상기 이중막 패턴(17) 상에 하부 제1형 반도체층(21)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 씨드층(14) 내에 존재하는 전위들은 수직방향으로 전파되어 상기 하부 제1형 반도체층(21) 내부에 까지 전파될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 상기 씨드층(14) 상에 배치된 마스크부(17b)를 구비함으로써 상기 전위들의 전파를 막아줄 수 있다. 이에 따라, 상기 마스크부(17b) 상부면 상에 배치된 하부 제1형 반도체층(21)은 내부에 결함이 존재하지 않을 수 있다.
이때, 상기 마스크부(17b)는 절연막과 금속막의 이중막으로 구성되어 상기 절연막 및 금속막 각각에서 전파를 차단시켜줄 수 있으므로, 상기 하부 제1형 반도체층(21) 내의 결함밀도는 더욱 감소될 수 있다.
상기 하부 제1형 반도체층(21)은 상기 이중막 패턴(17)이 손상되지 않을 정도의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 하부 제1형 반도체 층(21)은 600℃ 내지 700℃의 온도범위로 성장시킬 수 있다. 상기 하부 제1형 반도체층(21)은 500nm 내지 1000nm의 두께로 형성할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상기 하부 제1형 반도체층(21) 상에 상부 제1형 반도체층(22)을 형성한다. 상기 상부 제1형 반도체층(22)은 n형 불순물이 주입된 화합물 반도체층일 수 있으며, 구체적으로, 상기 화합물 반도체층은 질화물계 반도체층, 더 구체적으로, 질화갈륨계 반도체층일 수 있다. 상기 질화갈륨계 반도체층은 GaN, AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층일 수 있으며, 바람직하게는 AlXGa1-XN(0<X<1)층일 수 있다.
상기 상부 제1형 반도체층(22)은 상기 하부 제1형 반도체층(21)에 비해 높은 온도로 형성할 수 있다. 상기 상부 제1형 반도체층(22)을 상기 하부 제1형 반도체층(21)에 비해 높은 온도로 성장시킴으로써 상기 하부 제1형 반도체층(21)에 비해 상기 상부 제1형 반도체층(22)의 표면균일성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 제1형 반도체층(22)은 1000℃ 내지 1100℃의 온도에서 형성할 수 있다.
상기 상부 제1형 반도체층(22)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기술 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 기술을 사용하여 형성할 수 있다.
도 1f를 참조하면, 상기 상부 제1형 반도체층(22) 상에 활성층(24)을 형성한다. 상기 활성층(24)은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조(Multi Quantum Well Structure)를 가질 수 있다. 상기 활성층(24)이 다중양자우물 구조를 갖는 경우 에, 상기 활성층(24)은 우물층으로서 InGaN층과 장벽층인 AlxGa1-xN (0≤X≤1)층의 다중 구조를 가질 수 있다.
도 1g를 참조하면, 상기 활성층(24) 상에 제2형 반도체층(26)을 형성한다. 상기 제2형 반도체(26)층은 p형 불순물이 주입된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층일 수 있으며, 구체적으로, 상기 화합물 반도체층은 질화물계 반도체층, 더 구체적으로, 질화갈륨계 반도체층일 수 있다. 상기 질화갈륨계 반도체층은 GaN, AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층일 수 있으며, 바람직하게는 AlXGa1-XN(0<X<1)층일 수 있다.
상기 제2형 반도체층(26)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기술 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 기술을 사용하여 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 베이스 기판(10) 상에 배치되는 씨드층(14), 상기 씨드층(14) 상에 배치되되 상기 씨드층(14)을 노출시키는 윈도우부(17a)와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부(17b)로 구성된 이중막 패턴(17)을 구비함으로써, 상기 베이스 기판(10)과 씨드층(14) 간의 열팽창 계수 및 격자상수 차에 의해 발생되는 전위의 전파를 차단시킬 수 있으므로, 상기 이중막 패턴(17) 상에 형성되는 하부 제1형 반도체층(21)의 내부결함밀도를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 하부 제1형 반도체층(21) 상에 형성되는 상부 제1형 반도체 층(22), 활성층(24) 및 제2형 반도체층(16) 역시, 내부결함밀도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 발광효율이 향상될 수 있다.
이에 더하여, 상기 발광다이오드가 와이어 본딩형 발광다이오드로 적용되는 경우에, 상기 마스크부(17b)의 금속막이 전위의 전파를 방지하는 역할 뿐만 아니라, 광방출면의 반대방향으로 발생되는 광을 반사시켜, 광방출면 방향으로 방출되는 광의 양을 증가시켜줄 수 있으므로, 광추출 효율이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타내는 단면도들이다.

Claims (8)

  1. 베이스 기판 상에 배치되는 씨드층;
    상기 씨드층 상에 배치되되 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부를 구비하는 이중막 패턴; 및
    상기 윈도우부 내에 노출된 씨드층 상에서 수직 또는 수평성장하고 상기 이중막 패턴 상에서 수평성장된 제1형 반도체층; 및
    상기 제1형 반도체층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함하는 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1형 반도체층은 하부 제1형 반도체층 및 상부 제1형 반도체층을 구비하고,
    상기 상부 제1형 반도체층은 상기 하부 제1형 반도체층에 비해 높은 온도로 형성된 층인 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1형 반도체층은 n형 불순물이 주입된 AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층인 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2형 반도체층은 p형 불순물이 주입된 AlXGa1-XN(0<X<1)층, InXGa1-XNX(0<X<1)층 또는 InXAlYGa1-(X+Y)N(0≤X≤1, 0≤Y≤1, X+Y≤1)층인 발광다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속막은 Al막, Ti막, Ni막 또는 Cr막인 발광다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 SiO2막, SiN막, TiO2막 또는 P2O3막인 발광다이오드.
  7. 베이스 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 씨드층 상에 금속막을 형성하는 단계;
    상기 금속막 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 금속막 및 절연막을 차례로 패터닝하여 상기 씨드층을 노출시키는 윈도우부와, 금속막 및 절연막의 이중막으로 구성된 마스크부를 구비하는 이중막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 윈도우부 내에 노출된 씨드층 상에서 수직 또는 수평성장시키고 상기 이중막 패턴 상에서 수평성장시켜 제1형 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1형 반도체층 상에 제2형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1형 반도체층을 형성하는 단계는
    하부 제1형 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 하부 제1형 반도체층 상에 상부 제1형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 상부 제1형 반도체층은 상기 하부 제1형 반도체층에 비해 높은 온도로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101279073B1 (ko) * 2011-11-21 2013-06-26 포항공과대학교 산학협력단 발광 다이오드 및 그 제조방법

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