KR101136521B1

KR101136521B1 - 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101136521B1
Application number: KR1020090115158A
Authority: KR
Inventors: 우덕하; 김선호; 이석; 변영태; 전영민; 김재헌; 정미; 김신근
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2012-04-17
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: KR20110058388A

Abstract

본 발명에 따르면 효율이 향상된 발광 다이오드의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 발광 다이오드가 제공된다. 본 발명에 따른 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계; 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 구조를 형성하는 단계; 및 상기 나노미터 크기의 구조를 마스크로 이용하여 상기 적층된 복수의 층의 적어도 일부를 식각하는 단계를 포함한다.

발광 다이오드, 양극 산화, 다공성 알루미나, 나노미터 크기 구조

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 일반적으로 반도체 발광 소자에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 고효율 및 고휘도의 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(light-emitting diode: LED)는 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 비교적 낮은 소비 전력으로 원하는 빛 에너지를 얻을 수 있는 특징을 가지는바 조명 장치, 디스플레이 장치 등 여러 전자 분야에 이용된다. 발광 다이오드를 통해 얻어지는 빛 에너지의 크기는 발광 다이오드의 발광 효율 및 휘도 특성에 따라 결정된다. 발광 다이오드가 향상된 특성(즉, 고효율 및 고휘도)을 가지기 위해서는, 발광 다이오드의 외부 양자 효율(external quantum efficiency)이 높아야 한다. 외부 양자 효율은 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)과 광 추출 효율(light extraction efficiency)의 곱으로 정해지는 값이므로, 발광 다이오드의 특성을 향상시키기 위해서는 내부 양자 효율 및 광 추출 효율이 증가해야 한다.

발광 다이오드의 내부 양자 효율을 높이기 위한 방안으로 일반적인 벌크 구 조가 아닌 양자샘 구조를 사용하는 기술이 알려져 있다.　 그러나, 양질의 양자점을 가지는 발광 다이오드는 그 제작에 어려움이 있다.

한편, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높이기 위한 방안으로는, 소자 구조를 피라미드 또는 역피라미드 형태로 만드는 기술, 표면에 요철을 형성하는 기술(surface roughening), 기판에 요철을 형성하는 기술(patterned sapphire substrate: PSS) 등이 알려져 있다. 소자 구조를 피라미드 또는 역피라미드 형태로 만드는 기술은 빛의 입사각을 줄여 내부 전반사가 일어나는 빛의 양을 줄이고 임계각 이내의 입사각을 갖는 빛의 양을 늘림으로써 광 추출 효율을 증가시킨다. 그러나, 소자의 면적이 커지면 광 추출 효율의 증가가 더뎌지므로, 소자의 크기가 작은 경우에만 효과적으로 사용된다. 표면에 요철을 형성하는 기술로는 박막 성장 시 온도를 낮게 하거나, 광학적 리소그래피 또는 홀로그래픽 리소그래피 법을 통해 표면에 패턴을 형성하고 식각을 통해 소자의 표면에 요철을 형성하는 방법이 이용된다. 그러나, 온도를 낮게 하는 경우에는 낮은 온도에서 성장된 박막 특성이 바람직하지 않은 문제점이 있고, 광학적 리소그래피의 경우 줄일 수 있는 요철 크기에 한계가 있다는 문제점이 있으며, 홀로그래픽 리소그래피의 경우 요철이 형성되는 면적을 크게 하기 어렵다는 문제점이 있다. 마지막으로, 기판에 요철을 형성하는 기술은 광학적 리소그래피와 식각을 통해 기판 위에 렌즈 형태의 반구면을 형성하고 박막을 성장시킴으로써 기판과 박막 사이에서 반사되는 빛의 반사각을 변경하여 광추출 효율을 향상시키는 것이다. 그러나 이러한 방법은 기판을 준비하고 박막을 성장하는 과정에서 양질의 박막을 성장하기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명은 고효율 및 고휘도를 가지는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 특징에 의하면, 발광 다이오드 제조 방법으로서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계; 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 구조를 형성하는 단계; 및 상기 나노미터 크기의 구조를 마스크로 이용하여 상기 적층된 복수의 층의 적어도 일부를 식각하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 구조를 형성하는 단계는, 상기 상부 반도체 층 위에 알루미늄 층을 증착하는 단계; 및 상기 알루미늄 층에 양극 산화 공정을 가하여 나노미터 크기의 구멍을 갖는 다공성 알루미나 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

추가적으로, 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 구조를 형성하는 단계는, 상기 다공성 알루미나 층의 상기 나노미터 크기의 구멍에 금속을 증착하는 단계 및 상기 다공성 알루미나 층을 제거함으로써 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 금속 디스크를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 나노미터 크기의 구조를 마스크로 이용하여 상기 적층된 복수의 층의 적어도 일부를 식각하는 단계는, 상기 상부 반도체 층의 일부를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 선택적인 실시예에 의하면, 상기 나노미터 크기의 구조를 마스크로 이용하여 상기 적층된 복수의 층의 일부를 식각하는 단계는, 상기 상부 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 하부 반도체 층의 일부를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 발광 다이오드 제조 방법은 상기 마스크를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 특징에 의하면, 기판, 및 기판 위에 적층된, 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 포함하고, 상기 적층된 복수의 층의 적어도 일부는 나노미터 크기의 구조로 식각된 부분을 포함하는, 발광 다이오드가 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 고효율 및 고휘도를 가지는 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관해 상세히 설명한다. 이하에서는, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있다고 판단되는 경우 이미 공지된 기능 및 구성에 관한 구체적인 설명을 생략한다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 일 실시예에 관한 것일 뿐 본 발명이 이로써 제한되는 것은 아님을 알아 야 한다.

도 1a-1e는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드(100)가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a를 참조하면, 기판(110) 위에 하부 반도체 층(120), 활성층(130), 상부 반도체 층(140)이 순차적으로 적층된다. 일 실시예에서, 기판(110)은 GaN, SiC를 표면에 형성한 실리콘 기판, 단결정의 SiC기판, 사파이어 기판, GaN 기판 등일 수 있다. 활성층(130)은 전자(electron) 및 정공(hole)인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다. 활성층(130)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 장벽층과 우물층은 화학식 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 III족, 또는 V족 화합물 반도체 층일 수 있다. 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성될 수 있다. 활성층(130)의 양자 우물층을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다.

하부 반도체 층(120)과 상부 반도체 층(140)은 서로 반대되는 도전형을 갖는다.　 하부 반도체 층(120)이 n형일 경우 상부 반도체 층(140)은 p형이고, 하부 반도체 층(120)이 p형일 경우 상부 반도체 층(140)은 n형이다. 일 실시예에서, n형 반도체 층은 질화물계 반도체(III-V족 반도체)를 포함하고, N형 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있다. p형 반도체 층은 질화물계 반도체(III-V족 반도체)를 포함하고, p형 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있 다.

이어서, 도 1b를 참조하면, 상부 반도체 층(140) 위에 알루미늄 층(200)이 증착된다. 알루미늄 층(200)을 증착하기 위해 열증착법(thermal evaporation), 전자빔증착법(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등을 포함하는 공지의 증착법이 이용될 수 있다.　 증착된 알루미늄 층(200)에 대해서 양극 산화 공정(anodization)이 수행된다. 양극 산화 공정은 금속(예를 들어, 알루미늄)을 전기화학적으로 산화시켜 금속산화물(예를 들어, 알루미나)로 만드는 기술로서, 이를 통해 나노미터 크기의 나노 구조가 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 양극 산화 공정 중에 알루미늄 층(200)은 산성 용액에 침적된다. 산성 용액은 인산(phosphoric acid), 옥살산(oxalic acid), 황산(sulfuric acid) 용액 등을 포함한다. 산성 용액에 침적된 알루미늄 층(200)은 전기 화학적 반응에 의해 산화됨에 따라 그 표면으로부터 상부 반도체 층(140) 쪽으로 홀을 형성한다. 일 실시예에서 양극 산화 공정은 수회에 걸쳐 반복 수행될 수 있다.

도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 양극 산화 공정이 수행된 이후 발광 다이오드(100)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(100)에는 알루미나 층(Al₂O₃)(210) 및 홀(220)이 형성된다.　 일 실시예에서, 홀(220)은 수 내지 수백 나노미터의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 홀(220)의 직경은 500nm이하일 수 있다. 홀(220)의 크기는 양극 산화 처리 과정 중 인가되는 전압, 사용된 산성 용액의 종류 및 적용 시간에 따라 달라질 수 있다. 가령, 알루미늄 층(200) 을 산성 용액에 침적시킨 시간이 길어질수록 홀(220)의 크기는 커질 것이다.

도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부 반도체 층의 일부에 식각 공정을 수행한 이후에 얻어지는 발광 다이오드(100)의 단면도이다. 식각 공정은, 홀(220)이 형성된 알루미나 층(210)을 섀도우마스크로 하여, 상부 반도체 층(140)의 표면을 소정 깊이로 식각함으로써 진행된다. 일 실시예에 따라, 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)이 수행될 수 있다. 식각 공정이 진행됨에 따라, 상부 반도체 층(140)에는 홀(220)과 대응하는 크기를 가지는 홀(230)이 형성된다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 전기적 접촉 저항을 줄이기 위해 알루미나 층(210)은 선택적으로 제거될 수 있다. 이로써, 본 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드(100)는 상부 반도체 층(140)이 요철 구조를 가진다. 요철 구조는 발광 다이오드 내부에서의 전반사를 감소시켜 활성층으로부터 표면에 도달한 빛이 효과적으로 외부로 빠져나올 수 있도록 함으로써, 발광 다이오드의 발광 효율, 휘도 특성을 향상시킨다.

도 2a-2d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 발광 다이오드(200)가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 기판(110), 하부 반도체 층(120), 활성층(130), 상부 반도체 층(140)이 적층되고, 상부 반도체 층(140) 위에 홀(220)이 형성된 다공성 알루미나 층(210)이 준비된다. 도 2b에서는, 알루미나 층(210)에 형성된 홀(220)에 금속 물질을 채워 넣음으로써 상부 반도체 층(140) 위에 금속 디스크(240)가 형성된다. 금속 디스크(240)는 홀(220)에 대응하는 크기를 가지며, 일 실시예에서, 금 속 디스크(240)의 직경은 수 내지 수백 나노미터일 수 있다. 홀(220)에 금속 물질을 채워 넣기 위해, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD), 진공 증착(evaporation), 스퍼터링 등의 공지의 증착 방법이 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 금속 물질은 Al, Cu, Mg 등을 포함하고, 식각 과정에서 식각되지 않는다. 도 2c에서는, 금속 디스크(240)를 마스크로 하여 식각 공정이 수행된다. 식각 공정을 통해, 상부 반도체 층(140)의 일부가 식각되고, 상부 반도체 층(140)에는 금속 마스크(240)에 대응하는 크기의 돌출부(250)가 형성된다. 이후, 도 2d를 참고로 하면, 빛의 방출 효율을 높이기 위해 금속 디스크(240)가 제거된다. 이와 같이, 본 실시예에에 따라 제조된 발광 다이오드(200) 역시 상부 반도체 층(140)이 요철 구조를 가진다. 따라서, 상부 반도체 층(140)의 요철 구조에 따라 발광 다이오드의 특성이 향상된다.

도 3a-3b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 발광 다이오드(300)가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 기판(110), 하부 반도체 층(120), 활성층(130), 상부 반도체 층(140)이 적층되고, 상부 반도체 층(140) 위에 홀(220)이 형성된 다공성의 알루미나 층(210)이 준비된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상부 반도체 층(140), 활성층(130) 및 하부 반도체 층(120) 각각의 일부가 식각되어, 식각부(260)가 형성된다. 상기 식각 과정은 알루미나 층(210)을 마스크로 이용해 수행된다. 일 실시예에서, 상기 식각부(260)는 수 내지 수백 나노미터의 크기를 가 진다. 도시되지 않았지만, 이후 식각부(260)는 SiO₂, SiC, SiN 등을 포함하는 절연 물질로 채워질 수 있다.

본 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드(300)에서 남아 있는 활성층(130)은 나노미터 크기의 홀(260)에 둘러싸인 형태가 되며, 이 경우 활성층(130)의 에너지 구조는 양자 효과로 인해 양자샘이 아닌 양자점의 특성을 지니게 된다. 따라서, 발광 다이오드(300)의 내부 양자 효율이 증대된다. 또한, 남아있는 하부 반도체 층(120), 활성층(130) 및 상부 반도체 층(140)은 수 내지 수백 나노미터 간격으로 소정의 패턴을 형성하므로, 이를 통과하는 전하는 구속 효과에 의해 충돌없이 투과하는 탄도 전송(ballistic transport)을 하게 된다.　 따라서, 발열 감소, 전력 소모 감소 등의 효과를 가져올 수 있다. 또한, 활성층(130)에서 방출되는 빛의 파장은 활성층(130)을 둘러싼 식각부(260)의 직경보다 크기 때문에, 빛의 구속이 용이하지 않고 오히려 방출이 용이하게 되어 발광 효율이 향상될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드(300)는 전하의 양자 구속 효과, 나노미터 크기의 패턴 형성에 의한 전하의 탄도 전송 효과, 나노미터 크기의 구조에 의한 빛의 불구속 효과 등에 의하여 빛의 방출 효율이 향상된다.

도 4a-4d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 발광 다이오드(400)가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 기판(110), 하부 반도체 층(120), 활성층(130), 상부 반도체 층(140)이 적층되고, 상부 반도체 층(140) 위에 홀(220)이 형성된 다공성 알 루미나 층(210)이 준비된다. 이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 알루미나 층(210)에 형성된 홀(220)에 금속 물질을 채워 넣어, 금속 디스크(240)를 형성한다. 금속 디스크 형성 방법 및 금속 디스크를 구성하는 물질은 이미 설명한 바와 같다. 도 4c에서는 알루미나 층(210)이 제거된다. 이후 도 4d에서는, 금속 디스크(240)를 마스크로 하여 상부 반도체층(140), 활성층(130) 및 하부 반도체층(120) 각각의 일부가 식각되어, 기둥부(270)가 형성된다. 일 실시예에서 기둥부(270)는 수 내지 수백 나노미터의 크기를 가진다.

본 실시예에서, 남아있는 활성층(130)은 나노미터 크기의 기둥부(270)를 형성하기 때문에, 활성층(130)의 에너지 구조는 양자 효과로 인해 양자점의 특성을 가진다. 또한, 남아있는 하부 반도체 층(120), 활성층(130) 및 상부 반도체 층(140)은 나노미터 크기의 패턴을 형성하므로 발열 감소, 전력 소모 감소 등의 효과를 가져올 수 있다. 또한, 활성층(130)에서 방출되는 빛의 파장이 기둥부(270)의 직경보다 크기 때문에, 빛은 쉽게 구속되지 않고 그 방출이 용이하게 되어 발광 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 다양한 기능 및 특징이 다양한 실시예로 설명되었지만, 이는 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 오히려, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 내에서 다양하게 변형, 재구성 및 대체될 수 있다고 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 모든 변형 및 변경을 이하의 특허청구범위에 의해 모두 포괄하고자 한다.

도 1a-1e는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면.

도 2a-2d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 발광 다이오드가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면.

도 3a-3b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 발광 다이오드가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면.

도 4a-4d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 발광 다이오드가 제조되는 공정을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 기판

120: 하부 반도체 층

130: 활성층

140: 상부 반도체 층

200: 알루미늄 층

210: 알루미나 층

220: 홀

230: 홀

240: 금속 디스크

250: 돌출부

260: 식각부

270: 기둥부

Claims

발광 다이오드 제조 방법으로서,

기판을 준비하는 단계;

상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계;

상기 상부 반도체층 위에 알루미늄 층을 증착하는 단계;

상기 알루미늄 층에 양극 산화 공정을 가하여 나노미터 크기의 홀을 갖는 다공성 알루미나 층을 형성하는 단계; 및

상기 다공성 알루미나 층을 마스크로 이용하여, 상기 상부 반도체 층의 일부를 식각하여 식각부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
발광 다이오드 제조 방법으로서,

기판을 준비하는 단계;

상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계;

상기 상부 반도체 층 위에 알루미늄 층을 증착하는 단계;

상기 알루미늄 층에 양극 산화 공정을 가하여 나노미터 크기의 홀을 갖는 다공성 알루미나 층을 형성하는 단계; 및

상기 다공성 알루미나 층을 마스크로 이용하여, 상기 상부 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 하부 반도체 층의 일부를 식각하여 식각부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 식각부에 절연 물질을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
발광 다이오드 제조 방법으로서,

기판을 준비하는 단계;

상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계;

상기 상부 반도체 층 위에 알루미늄 층을 증착하는 단계;

상기 알루미늄 층에 양극 산화 공정을 가하여 나노미터 크기의 홀을 갖는 다공성 알루미나 층을 형성하는 단계;

상기 다공성 알루미나 층에 형성된 상기 나노미터 크기의 홀에 금속을 증착하는 단계;

상기 다공성 알루미나 층을 제거하여, 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 금속 디스크를 형성하는 단계; 및

상기 나노미터 크기의 금속 디스크를 마스크로 이용하여, 상기 상부 반도체 층의 일부를 식각하여 식각부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
발광 다이오드 제조 방법으로서,

기판을 준비하는 단계;

상기 기판 위에 제1 도전형의 하부 반도체 층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체 층을 포함하는 복수의 층을 적층하는 단계;

상기 상부 반도체 층 위에 알루미늄 층을 증착하는 단계;

상기 알루미늄 층에 양극 산화 공정을 가하여 나노미터 크기의 홀을 갖는 다공성 알루미나 층을 형성하는 단계;

상기 다공성 알루미나 층에 형성된 상기 나노미터 크기의 홀에 금속을 증착하는 단계;

상기 다공성 알루미나 층을 제거하여, 상기 상부 반도체 층 위에 나노미터 크기의 금속 디스크를 형성하는 단계; 및

상기 나노미터 크기의 금속 디스크를 마스크로 이용하여, 상기 상부 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 하부 반도체 층의 일부를 식각하여 식각부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 식각부에 절연 물질을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
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