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KR102294898B1 - 자외선 led의 제조 방법 및 그에 따른 자외선 led - Google Patents

자외선 led의 제조 방법 및 그에 따른 자외선 led Download PDF

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KR102294898B1
KR102294898B1 KR1020190117075A KR20190117075A KR102294898B1 KR 102294898 B1 KR102294898 B1 KR 102294898B1 KR 1020190117075 A KR1020190117075 A KR 1020190117075A KR 20190117075 A KR20190117075 A KR 20190117075A KR 102294898 B1 KR102294898 B1 KR 102294898B1
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Abstract

자외선 LED의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 자외선 LED의 제조 방법은 기판, N형 반도체층, 발광층 및 P형 반도체층을 차례로 증착하는 단계, P형 반도체층 상부 및 식각된 N형 반도체층 상부에 복수의 오픈된 영역을 포함하는 절연층을 증착하는 단계, 절연층의 오픈된 영역에 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 재성장(regrowth)시키는 단계, 절연층을 제거하는 단계 및, N형 갈륨나이트라이드의 상부에 알루미늄을 증착하는 단계를 포함한다.

Description

자외선 LED의 제조 방법 및 그에 따른 자외선 LED { MANUFACTURING METHOD OF UV LED AND THE UV LED MANUFACTURED BY THE METHOD }
본 발명은 자외선 LED의 제조 방법 및 그에 따른 자외선 LED에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED, Light Emittint Diode)는 전기 에너지를 빛으로 변환시키는 중요한 고체 소자의 일종으로서, 일반적으로 2개의 상반된 도핑층 사이에 개재된 반도체 재료의 활성층을 포함한다. 2개의 도핑층 양단에 바이어스가 인가되면, 정공과 전자가 활성층으로 주입된 후 그곳에서 재결합되어 빛이 발생된다. 활성 영역에서 발생된 빛은 모든 방향으로 방출되어 모든 노출 표면을 통해 반도체 칩 밖으로 탈출한다. LED의 패키징은 일반적으로 탈출하는 빛을 희망하는 출력 방출 형태로 지향하는데 사용된다.
최근 응용 분야가 확대되고 고출력 LED 제품에 대한 요구가 커짐에 따라 광출력을 향상시키기 위한 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
최근 모바일 기기(mobile device) 등의 수요가 급증함에 따라 관심이 높아지고 있는 자외선 LED는 사파이어 기판 등의 상부에 버퍼층, N형 반도체층, 발광층, P형 반도체층 및 P형 접촉층을 증착하여 제조된다.
종래에 자외선 LED의 광량을 증가시키기 위하여, P형 접촉층에서 UVC를 흡수하는 P형 GaN을 일부 영역이 제거된 메쉬 타입으로 성장시키는 기술이 많이 사용되었다. 이 경우, P형 GaN을 먼저 성장시키고, 에칭(etching)에 의해 일부 영역을 제거함으로써 메쉬 타입의 P형 GaN을 생성할 수 있다.
그러나, P형 GaN의 에칭 시 P형 반도체층(p-AlGaN)까지 에칭이 되어 에피 표면에 결함(defect)이 생기고, 이렇게 생성된 결함 부분으로 인해, 전류의 심한 누설(leakage)이 발생하게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 메쉬 타입의 P형 GaN 형성시 누설 전류를 감소시킬 수 있는 자외선 LED의 제조 방법 및 그에 따른 자외선 LED를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED의 제조 방법은 기판, N형 반도체층, 발광층 및 P형 반도체층을 차례로 증착하는 단계, 상기 P형 반도체층 상부 및 식각된 상기 N형 반도체층 상부에 복수의 오픈된 영역을 포함하는 절연층을 증착하는 단계, 상기 절연층의 오픈된 영역에 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 재성장(regrowth)시키는 단계, 상기 절연층을 제거하는 단계 및, 상기 N형 갈륨나이트라이드의 상부에 알루미늄을 증착하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 절연층을 증착하는 단계는 상기 P형 반도체층 상부의 P형 접촉층이 생성될 영역 및 상기 N형 반도체층 상부의 N형 접촉층이 생성될 식각 영역에 상기 오픈된 영역이 각각 포함되도록 상기 절연층을 증착할 수 있다.
그리고, 상기 재성장시키는 단계는 상기 P형 반도체층 상부에 상기 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 메쉬 타입(mesh type) 형태로 재성장시킬 수 있다.
또한, 상기 절연층은 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 자외선 LED는 상기 각 층이 유기화학증착법(MOCVD)에 따라 에피택셜 성장(epitaxial growth)된 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED는 기판, 상기 기판 상부에 증착되는 N형 반도체층, 상기 N형 반도체층 상부에 증착되는 발광층, 상기 발광층 상부에 증착되는 P형 반도체층, 상기 P형 반도체층 상부에 증착되며, N형 갈륨나이트라이드(GaN) 및 알루미늄을 포함하는 P형 접촉층 및, 상기 N형 반도체층과 맞닿은 식각 영역에 증착되며, N형 갈륨나이트라이드 및 알루미늄을 포함하는 N형 접촉층을 포함하고, 상기 P형 접촉층에 포함된 N형 갈륨나이트라이드는 메쉬 타입(mesh) 형태이다.
이때, 상기 자외선 LED는 상기 각 층이 유기화학증착법에 따라 에피택셜 성장되는 형태로 증착된 것일 수 있다.
상술한 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 에칭 없이 메쉬 타입의 P형 접촉층을 형성할 수 있으므로, 에칭에 의해 생성된 결함에 따른 누설 전류를 감소시키고, 광량을 개선할 수 있게 된다.
또한, P형 접촉층 및 N형 접촉층에서 N형 GaN을 동시에 성장시킬 수 있으므로, 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 종래의 메쉬 타입 P형 접촉층의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 2는 N형 반도체층 위에 N형 GaN을 재성장시키는 종래 기술을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 P형 반도체층 위에 메쉬 타입의 P형 GaN을 N형 GaN과 동시에 재성장시키는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED의 제조 방법을 간략히 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '구성하다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 메쉬 타입의 P형 접촉층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 메쉬 타입의 P형 접촉층을 포함하는 자외선 LED(10)는 기판(110), N형 반도체층(120), 발광층(130), P형 반도체층(140) 및 P형 접촉층(150)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 사파이어(sapphire), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘(Si) 등이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 기판(110)이 사파이어로 구현된 예를 들어 설명하도록 한다. 사파이어 기판(110)은 상대적으로 비용이 저렴하여 널리 사용된다.
사파이어 기판(110)의 상부에 각종 층을 증착시키는 경우에는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치를 이용하여 에피 방식으로 증착시킬 수 있다.
MOCVD는 빠른 성장속도, 균일한 도핑, 재현성을 가지는 양질의 에피성장 방법이며, MOCVD 장치는 에피성장 장치 중 가장 널리 사용되고 있다. MOCVD는 높은 생산성과 고진공이 필요없어 경제적인 이점 및 높은 시스템 up-time을 갖는다. 또한, 동일 시스템으로 여러 다른 물질을 성장할 수 있어 높은 유연성을 가지며 급격한 계면의 성장이 가능하여 이종접합구조(heterostructure)의 성장에 적합하다. 예로, 다층양자우물구조(Multiple Quantum Well, MQW)의 성장을 들을 수 있다.
이와 같은 방식으로, 사파이어 기판(110)의 상부에는 버퍼층(미도시)을 증착시킬 수 있다. 버퍼층은 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구현될 수 있으며, 사파이어 기판(10)과 질화물계 에피층은 격자 부정합도가 크므로, 결함 생성을 최소화하고 결함 전파를 억제하기 위하여 다단계 성장법을 이용하여 버퍼층이 증착될 수 있다.
버퍼층의 상부에는 순차적으로 N형 반도체층(130), 발광층(140), 전자차단층(미도시), P형 반도체층(160) 및 P형 접촉층(170)이 증착될 수 있다.
버퍼층 상부에 증착되는 N형 반도체층(120)은 알루미늄나이트라이드(AlxGaN)로 구현될 수 있으며, 규소(Si)를 도핑하여 N형으로 구성된다.
N형 반도체층(120) 상부에는 빛을 발광하는 발광층(130)이 증착되며, 발광층(130)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlyGaN)로 구현될 수 있다. 이때, 전자와 정공의 결합효율을 극대화시키기 위한 방법으로, 발광층(130)은 매우 얇은 활성층(active layer)과 절연층(barrier layer)을 교대로 적층한 MQW(Multi Quantum Well) 구조를 가질 수 있으며, MQW층이라고 불리기도 한다.
발광층(130)의 상부에 증착되는 전자차단층(Electron-Blocking Layer; EBL)은 활성층(active layer)의 구속층으로의 전자 이탈을 감소시키기 위한 구성이다. 높은 밴드갭 에너지를 가지며 활성층과 구속층 계면에서 P형 구속층 내부에 위치하게 된다.
전자차단층 상부에 증착되는 P형 반도체층(140)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlzGaN)로 이루어질 수 있으며, 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 P형으로 구성된다.
한편, P형 반도체층(140)의 상부에 P형 전극을 직접 형성시키는 경우에는 접촉저항이 매우 높아져서 효율이 떨어지게 된다. 따라서, P형 전극을 형성하는 경우에 접촉 저항을 낮추기 위하여 P형 반도체층(140)의 상부에 P형 접촉층(150)을 증착하게 된다.
P형 접촉층(150)은 갈륨나이트라이트(GaN)에 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 P형으로 구성되며, 그 상부에 P형 전극을 형성하는 경우에 접촉저항을 줄이는 역할을 하게 된다.
한편, P형 접촉층(150)은 UVC를 흡수하는 흡수층이므로, 광량을 늘리기 위해서 P형 접촉층(150)의 P형 갈륨나이트라이드(GaN)의 일부를 제거하는 방식으로 메쉬 타입의 P형 GaN을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, P형 반도체(140) 상부에 P형 GaN를 일반적으로 성장시킨 후, P형 GaN의 일부 영역을 에칭(etching)하여 제거한 후, 알루미늄(Al)을 그 위에 증착하는 방식으로 메쉬 타입의 P형 접촉층(150)을 생성하게 된다. P형 GaN 위에 증착된 알루미늄은 발광층(130)에서 방출된 UVC를 다시 반사시키는 역할을 하므로 광량이 증가하게 된다.
그러나, 상술한 바와 같이, 에칭에 의해 P형 반도체층(140)에 결함(defect)이 생기므로 누설 전류가 발생하게 되고, 따라서 에칭을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 2는 N형 반도체층 위에 N형 GaN을 재성장시키는 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자외선 LED(10')에 있어서, N형 반도체(120) 위에 N형 GaN을 재성장(rergowth)시킴으로써 N형 반도체(120)와 N형 접촉층과의 접촉저항을 감소시키는 기술은 이미 사용되고 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면 자외선 LED(10')의 P형 반도체층(140), 발광층(130) 및 N형 반도체층(120)의 일부를 식각하고, 그 위에 절연층(160)을 증착시킨다. 절연층(160)의 재료로서 일반적으로 이산화규소(SiO2)가 사용될 수 있다.
이때, 식각된 영역에는 절연층(160)이 오픈된 영역(개구부)이 존재하도록 구성하며 해당 오픈된 영역 상부, 즉 N형 반도체층(120)과 맞닿는 부위에는 N형 GaN(170)을 재성장시킨다. 이후, 절연층(160)을 제거하고 재성장된 N형 GaN(170) 상부에는 알루미늄을 증착시켜, 최종적으로 N형 접촉층을 생성하게 된다.
이러한 기술은 에칭이 필요없으므로, 에칭에 따른 결함이 생기지 않게 되고 따라서 N형 반도체(120)와 N형 접촉층의 오믹 컨택(ohmic contact)이 개선될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED(100)의 P형 반도체층(140) 위에 메쉬 타입의 N형 GaN(170)을 N형 반도체층(120) 위의 N형 GaN(170)과 동시에 재성장시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 도 1에 도시된 메쉬 타입의 P형 GaN 구조에 도 2에 도시된 N형 GaN의 재성장 아이디어를 결합한 것이다. 즉, N형 접촉층의 N형 GaN을 재성장시킬 때, P형 접촉층에도 N형 GaN을 동시에 성장시키는 방법이다.
구체적으로, 기판(110), N형 반도체층(120), 발광층(130) 및 P형 반도체층(140)을 차례로 증착시키는데, N형 접촉층 영역을 생성하기 위해, P형 반도체층(140), 발광층(130) 및 N형 반도체층(120)의 일부를 식각한다.
그리고, P형 반도체층(140)의 상부 및 식각된 N형 반도체층(120) 상부에 복수의 오픈된 영역을 포함하는 절연층(160)을 증착한다. 여기서, 절연층(160)은 이산화규소(SiO2)가 재료로 사용될 수 있다.
여기서, 오픈된 영역은 N형 GaN이 성장될 영역에 해당한다. 절연층(160)의 오픈 영역은 식각용 마스크를 사용하여 해당 영역을 제거하는 방식으로 생성할 수 있다.
이후, N형 접촉층 및 P형 접촉층 상부에 있어서 절연층(160)의 오픈된 각 영역에 N형 GaN(170)을 재성장시키게 된다. 이때, P형 접촉층의 N형 GaN(170)은 메쉬타입으로 성장되게 된다.
다만, N형 GaN(170) 및 P형 반도체층(140)의 사이에서 터널 접합(tunnel junction)이 일어나므로 동작 전압이 다소 상승하게 되지만 광량은 상승하는 효과가 있다.
N형 GaN(170)이 재성장되면, 절연층(160)을 제거하고 그 상부에 알루미늄을 증착하게 된다. 이때, N형 접촉층 및 P형 접촉층의 N형 GaN(170)이 동시에 성장하게 되므로, 각 N형 GaN(170)의 두께, 실리콘 조성 등이 균일하게 성장할 수 있다.
여기서, N형 GaN(170)의 성장 두께는 25nm 내지 100nm 사이에서 형성될 수 있다.
또한, N형 GaN(170)의 도핑용 실리콘(Si)의 농도는 1.5E18/cm3 이상인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED의 제조 방법을 간략히 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 기판, N형 반도체층, 발광층 및 P형 반도체층을 차례로 증착시킨다(S410).
이후, P형 반도체층 상부 및 식각된 N형 반도체층 상부에 복수의 오픈된 영역을 포함하는 절연층을 증착한다(S420).
이후, 절연층의 오픈된 영역에 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 재성장한다(S430). 이때, P형 반도체층 상부에 N형 갈륨나이트라이드를 메쉬 타입 형태로 재성장시킬 수 있다.
또한, 절연층은 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.
이후, 절연층을 제거한다(S440).
이후, N형 갈륨나이트라이드의 상부에 알루미늄을 증착한다(S450).
한편, 상술한 자외선 LED(100)의 제조 방법은 각 층이 MOCVD에 따라 에피택셜 성장되는 방식으로 제조될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 에칭 없이 메쉬 타입의 P형 접촉층을 형성할 수 있으므로, 에칭에 의해 생성된 결함에 따른 누설 전류를 감소시키고, 광량을 개선할 수 있게 된다.
또한, P형 접촉층 및 N형 접촉층에서 N형 GaN을 동시에 성장시킬 수 있으므로, 공정을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10, 100: 자외선 LED 110: 기판
120: N형 반도체층 130: 발광층
140: P형 반도체층 150: P형 접촉층
160: 절연층 170: N형 갈륨나이트라이드

Claims (7)

  1. 자외선 LED의 제조 방법에 있어서,
    기판, N형 반도체층, 발광층 및 P형 반도체층을 차례로 증착하는 단계;
    상기 P형 반도체층 상부 및 식각된 상기 N형 반도체층 상부에 복수의 오픈된 영역을 포함하는 절연층을 증착하는 단계;
    상기 절연층의 오픈된 영역에 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 재성장(regrowth)시키는 단계;
    상기 절연층을 제거하는 단계; 및
    상기 N형 갈륨나이트라이드의 상부에 알루미늄을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층을 증착하는 단계는,
    상기 P형 반도체층 상부의 P형 접촉층이 생성될 영역 및 상기 N형 반도체층 상부의 N형 접촉층이 생성될 식각 영역에 상기 오픈된 영역이 각각 포함되도록 상기 절연층을 증착하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재성장시키는 단계는,
    상기 P형 반도체층 상부에 상기 N형 갈륨나이트라이드(GaN)를 메쉬 타입(mesh type) 형태로 재성장시키는 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    이산화규소(SiO2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 LED는,
    상기 각 층이 유기화학증착법(MOCVD)에 따라 에피택셜 성장(epitaxial growth)되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
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