KR20020081947A - 다중반사막을 포함한 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 다중반사막을 포함하여 광출력이 향상된 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 활성층, 제1 전극층, 제2 전극층 및 다중반사막층을 포함하여 이루어진 발광소자 및 상부에 활성층, 제1 전극층 및 제2 전극층이 형성된 절연기판의 하부를 연마 및 세정하는 단계; 및 절연기판 하부에 다중반사막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광소자의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 발광소자는 종래의 발광소자에 있어서 기판방향으로 발광되는 빛의 손실을 감소시켜 동일한 면적 및 동일한 전류로 발광 출력이 훨씬 향상되는 효과가 있다.

Description

다중반사막을 포함한 발광소자 및 그 제조방법{Light-emitting device with multi-reflective coating layer and the preparation thereof}

본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중반사층을 포함하여 발광효율이 증대된 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광소자에는 여러 가지 색의 빛을 발광하는 발광소자가 있으나, 그 중 청색 발광소자의 발광층에 사용되는 물질로는 In_xGa_yAl_zN(x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1)로 표시되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 대표적으로 들 수 있다. 이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 직접천이형으로 되어 있어 발광효율이 높을 뿐만 아니라, 인듐의 농도로 황색부터 보라색 및 자외선영역까지 발광파장으로 가능하고, 특히 단파장 발광소자로 유용하게 사용되고 있다.

이러한 화합물 반도체의 제조방법으로는 분자선 에피택시(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 유기금속 기상에피택시(MOVPE; Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy), 수소화 기상에피택시(HVPE; Hydride Vapour Phase Epitaxy)등이 이용되고 있다. MOVPE는 대기압과 저압상태에서 기판을 가열하여, Ⅲ족 원소를 포함한 유기금속화합물과 Ⅴ족 원소를 포함한 원료가스를 기체상태로 공급하여 기판상에서 열분해반응을 시켜 반도체막을 성장시키는 방법으로, 큰 면적에도 균일한 고품질의 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 성장을 할 수 있다는 점이 특징이다.

기존에 사용하고 있는 발광소자는, 상기와 같은 MOVPE성장법에 의해 기판위에 n형 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 층, p형 불순물로 도핑된 p형 질화갈륨계 Ⅲ-V족 화합물 반도체층, p형과 n형의 반도체층 사이에 그 폭이 좁으며 p형과 n형 반도체의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 가진 In_xGa_1-xN(0<x<1)의 형태로 표시되는 활성층이 적층된 구조를 가지고 있다.

이러한 종래기술의 한 예에 따른 발광소자의 개략적인 구조를 나타내는 단면도를 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 절연기판(100)위에 n형(또는 p형)전극(120)을 형성하기 위한 n형 버퍼층(110), 발광층에서의 전자-정공 결합 효율을 증가시키기 위한 n형(또는 p형)클래드 층(130), 전자-정공이 결합되어 빛이 발생하는 부분인 활성층(140), p형(또는 n형)클래드 층(150), p형(또는 n형)전극(170) 을 형성하기 위한 p형 캡핑층(160)의 결정 성장층이 형성되어 있음을 볼 수 있다. 보통 활성층을 제외한 다른 층은 1,000 내지 1,080℃에서, 활성층(140)은 700 내지 800℃의 온도에서 결정 성장 공정을 행하며, 압력은 76~760Torr이고, 균일성을 향상시켜주기 위해 100~900rpm의 속도로 기판을 회전시켜준다.

상기와 같이 적층된 발광 소자는 일반적으로 값이 싼 절연기판인 사파이어(Al₂O₃)기판상에 성장이 되므로 기존의 GaAs계 발광 소자의 제조시 이용되는 소위 탑-다운(top-down)형 전극을 가질 수 없고, 도 1 과 같이 절연기판의 사파이어 기판의 한쪽 표면에 n형전극(120)과 p형전극(170)이 모두 위치하게 된다. n형 전극(120)은 전자 사이클로트론 공명-반응성이온식각법(ECR-RIE; Electron Cyclotron Resonance - Reactive Ion Etching) 또는 유도결합플라즈마법(ICP-RIE;Inductively Coupled Plasma)을 이용해서 n형 버퍼층(110)이 노출될 때까지, 적절한 깊이로 식각한 후 표면에 n형(또는 p형)전극(120)을 형성하고, p형(또는 n형)전극(170)을 형성한다. 여기서, 전극 모양의 패터닝을 하기 위해서는 기존에 널리 쓰이는 포토레지스트를 이용한 UV 감광제를 이용할 수 있다.

그리고, 절연 기판을 벽개(cleaving)하기 쉽게 하기 위해 100㎛정도의 두께까지 얇게 연마(polishing) 작업을 하고, 한 변이 200~300㎛인 정사각형 모양으로 개별 발광 다이오드 소자로 분리를 해낸다. 이와 같이 분리해낸 개별 발광 다이오드 소자칩을 발광소자용 리드프레임(180)에 안착시키고, 와이어 본딩(190)을 하여 리드프레임 전극과 개별 발광소자의 전극(120, 170)을 연결시켜주고, 투명 에폭시(200)를 씌우면 발광소자가 완성된다.

상기와 같이 제조된 발광소자의 두 전극(n형전극, p형전극)을 통하여 전류를 흘려주면, n형 및 p형 전극을 통하여 주입된 전자와 정공이 활성층에서 결합하여 빛을 발생하게 되는데, 이 때 발생된 빛은 모든 방향의 각도로 발산한다. 이 중 기판 방향으로 발산되는 빛은 대부분 거친 절연기판의 표면 또는 발광소자의 리드프레임(180)표면에서 난반사되어 유효 지향각으로 빛이 방출되지 못하고, 표면으로 방출되는 빛만 실제 사용하게 되므로서, 표면방향을 제외한 다른 방향의 빛은 손실되는 결과가 나타난다.

발광소자에 있어서, 일반적으로 표면으로의 광 출력을 증가시키기 위해서는 발광면적을 증가시키거나 전류를 증가시키는 방법을 사용하는데, 면적을 증가시키는 경우는 제작단가가 비싸지고 소자를 패키지하기도 어려워진다. 또한 전류를 증가시키는 경우는 소자의 신뢰성에 영향을 주어 사용기간을 단축시키게 되는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같이 종래의 방법에 따른 발광소자에서 면적과 전류를 동일하게 하는 조건에서도, 반도체 발광소자의 광출력을 증가시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 따라서, 본 발명은 광출력이 증가된 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 발광소자의 개략적 구조를 보여주는 단면도.

도 2 및 도 4는 본 발명에 따른 발광소자의 개략적 구조를 보여주는 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중반사막의 단면도.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 발광소자와 종래의 발광소자의 광출력을 비교한 그래프.

* 도면의 주요부분의 부호의 설명 *

100: 절연기판110: n형 버퍼층

120: n형 전극층130: n형 클래드층

140: 활성층 150: p형 클래드층

160: 캡핑층 170: p형 전극층

180: 리드프레임190: 와이어 본딩

200: 투명 에폭시210: 다중반사막층

본 발명자들은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 종래의 발광소자의 구조를 그대로 사용하면서도 면적과 전류를 변화시키지 않고 광손실을 감소시켜 결과적으로 발광소자의 광출력을 향상시킬 수 있는 방법을 발견하기에 이르러 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 활성층, 제1 전극층, 제2 전극층 및 다중반사막층을 포함하는 발광소자를 제공한다. 여기서 다중반사막층이라 함은 두가지 이상의 막층이 교대로 1회이상씩 형성된 구조를 말한다.

상기 다중반사막은 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이 중 선택된 제1 및 제2 물질을 교대로 1회 이상씩 증착함으로써 이루어진다. 여기서 상기 제1 및 제2 물질층의 증착두께는 λ/n (여기서, λ는상기 활성층에서 발광되는 빛의 파장이고, n은 각 화학물의 굴절률임)인 것이 바람직하다. 또한 상기 절연기판이 Al₂O₃인 것을 사용할 수 있으며, 상기 다중반사막의 최대 반사 파장대 및 상기 발광소자의 발광파장대는 360 내지 550㎚를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 발광소자의 구조는 절연기판의 상부에 상기 활성층, 제1 전극층 및 제2 전극층이 형성되고, 상기 절연기판의 하부에 상기 다중반사막이 형성되는 것이 바람직하다. 다중반사막을 절연기판의 상부에 형성하는 경우도 생각할 수 있겠으나, 이러한 경우 기판위에 다중반사막을 형성한 후 에피택시를 하는 공정을 거쳐야 하는데 이 때 에피택시가 잘 되지 않는 문제점이 생긴다. 만일 에피택시가 잘 되는 물질을 선정하여 다중반사막을 형성한다고 하더라도 전체 에피택시 두께가 두꺼워져 웨이퍼에 크랙이 발생하여 소자 공정 진행에 어려움이 있게 된다. 따라서, 본 발명에서와 같이 기판의 하부에 다중반사막을 형성하는 방법을 사용하면 소자 구조를 형성한 후에 다중반사막을 형성하게 되므로 소자 특성에 따라 반사도를 자유롭게 조절하면서 다중반사막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 또한 절연기판 상부에 형성된 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층의 상부에 형성된 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층의 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 제2 클래드층; 상기 제2 클래드층 상부에 형성된 캡핑층; 상기 캡핑층 상부에 형성된 제2 전극층; 상기 제1 버퍼층의 상부에 형성된 제1 전극층; 및 상기 절연기판의 하부에 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 제1 및 제2 물질을 교대로 1회 이상 증착한 다중반사막을 포함하여 이루어진 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 상부에 활성층, 제1 전극층 및 제2 전극층이 형성된 절연기판의 하부를 연마 및 세정하는 단계; 및 상기 연마 및 세정된 절연기판의 하부에 다중반사막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광소자의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법에 있어서, 상기 다중반사막은 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 서로 다른 제1 및 제2 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2 물질을 교대로 1회 이상씩 증착하는 것이 바람직하다. 또한 증착 두께는 λ/n (여기서 λ은 상기 활성층에서 발광되는 빛의 파장이며, n 은 각 화학물의 굴절률임.)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 발광소자에 있어서, 활성층 및 전극층을 포함하는 결정성장층은 GaN, AlGaN, InGaN 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 결정성장층은 MOVPE 및 MBE 방법을 사용하여 성장시키는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 전극층으로는 ITO 와 같은 투명전극을 사용할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 절연기판의 하부에 다중반사막(210)을 형성한다는 점에 가장 큰 특징이 있는 것으로, 다중 반사막은 브래그 반사(DBR; distributed bragg reflector)원리를 이용하여 굴절율이 상대적으로 높고 낮은 두 물질을 원하는 반사파장에 맞는 두께로 교대로 증착하는 것에 의해 이루어진다. 이 때 각 박막의 두께(d)는 발광소자에서 발생하는 빛의 파장(λ)과 반사막의 굴절률(n_x)과

d = λ/4n_x

의 관계가 성립하도록 해야 한다. 예를 들어, 발광소자에서 나오는 빛의 파장이 l~m 이고, SiO₂의 굴절률이 n₁=1.46 이고, TiO₂의 굴절률이 n₂=2.71 일 때, 각 박막의 두께는 SiO₂막의 경우, (l~m)/(4 x 1.46), TiO₂의 두께는 (l~m)/(4 x 2.71)가 되는 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 다중반사막은 굴절률이 다른 절연물질 층이 1주기 이상 교대로 반복되는 구조를 취한다. 또한, 굴절률 차이가 작은 물질, 예를 들면 SiO₂와 Al₂O₃와 같은 물질(SiO₂의 굴절률 n₁=1.46, Al₂O₃의 굴절률 n₃=1.76)을 이용하는 경우에는 필요하면 5주기 이상 반복하여 증착할 수도 있다. 다중반사막을 증착할때는 플라즈마 화학기상 증착방법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링법과 같이 절연성 물질을 형성하는 데에 사용하는 박막 형성 장비를 이용하면 되며, 반사막층에 이용되는 굴절률이 다른 물질은 Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, HfO₂, MgF₂등과 같은 물질 중에서 선택하여 1주기 이상, 예를 들면 SiO₂/TiO₂, 또는 Al₂O₃/TiO₂/Al₂O₃/TiO₂등과 같이 형성시킨다.

본 발명에 따른 실시예를 도 2, 도3, 및 도4 를 참조하여 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

실시예 1

우선 절연기판(100)상부에 n형 전극(120)을 형성하기 위한 n형 버퍼층(110), 활성층에서의 전자-정공 결합 효율을 증가시키기 위한 n형(또는 p형)클래드 층(130), 전자-정공이 결합되어 빛이 발생하는 활성층(140), p형(또는 n형) 클래드 층(150), p형(또는 n형)전극(170)을 형성하기 위한 p형캡핑층(160)을 형성시킨 후, 상기 캡핑층의 상부에 p형(또는 n형)전극(170)을 형성하고, 적당한 깊이로 식각하여 n형(또는 p형)전극을 형성하였다. 이러한 공정은 현재 사용하고 있는 발광소자의 제조방법을 그대로 사용하였다. 본 실시예에서는 상기 버퍼층으로 GaN 또는 AlN/GaN 다중막을 사용하였으며, 상기 클래드층으로는 GaN 또는 AlGaN을, 상기 활성층으로는 GaN 및/또는 InGaN을 사용하였다.

이후, 다중반사막을 형성하기 전에 표면이 거친 절연 기판의 하부면을 연마(polish)한 후 세척하였다. 본 실시예에서는 RF(Radio Frequency) 스퍼터링 장비를 이용하여 SiO₂와 TiO₂를 증착하였다. 우선 시료를 스퍼터링 장비에 로딩한 후 1x10^-6Torr의 압력으로 충분히 진공으로 만든 다음, Ar가스를 5sccm 주입하여 SiO₂(TiO₂)를 3분간 예비스퍼터링(pre-spetturing)한 후, 140W의 RF 전력으로 사파이어 절연 기판 상에 SiO₂를 1Å/sec의 증착률로 13분간 증착을 하였더니, 804Å의 두께로 증착되었다. TiO₂는 동일한 방법으로 1Å/sec의 증착률로 7분간 증착을 하여 433Å의 두께가 증착되었다. 이렇게 하여 SiO₂/TiO₂를 교대로 1주기 증착하였다.

이렇게 하여 하부면에 반사방지막이 DBR 코팅된 절연기판을 스퍼터링 챔버에서 꺼내어, 한 변이 200 내지 300㎛인 정사각형 모양으로 발광소자를 각각 분리해 내었다. 이와 같이 분리된 개별 발광소자의 칩을 첨부 도 4 와 같이 발광소자용 리드프레임(180)에 안착시키고, 와이어본딩(190)을 하여 리드프레임 전극과 개별 발광소자 전극을 연결시켜준 후, 투명 에폭시(200)를 씌워 발광소자를 완성하였다. 완성된 발광소자의 개략적 구조를 도4에 나타내었다.

2주기 이상의 경우에는 상기와 동일한 방법을 사용하여 각각 한 번씩 더 증착을 하였다.

실시예 2

실시예 1과 유사한 방법으로 도 3과 같이 SiO₂/TiO₂가 교대로 2주기 증착 (SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂)된 다중반사막을 포함한 발광소자를 얻었다.

실시예 3

실시예 1과 유사한 방법으로 Al₂O₃/TiO₂가 교대로 1주기 증착 (Al₂O₃/TiO₂)된 다중반사막을 포함한 발광소자를 얻었다.

실시예 4

실시예 1과 유사한 방법으로 Al₂O₃/TiO₂가 교대로 2주기 증착 (Al₂O₃/TiO₂/Al₂O₃/TiO₂)된 다중반사막을 포함한 발광소자를 얻었다.

상기와 같은 방법으로 제조한 발광소자는 종래의 발광소자와 마찬가지로 활성층(140)에서 빛이 발생하는데, 이 때 기판방향으로 발산하는 빛은 다중반사막(210)에 의해 반사되어 표면방향으로 빛이 발산되는 양이 증가한다.

광출력의 비교

본 발명에 따른 발광소자의 광출력을 기존의 발광소자를 다음과 같이 비교하였다. 상기 방법에 따라서 470nm의 중심 파장을 갖는 청색 발광 소자를 제작하고, 기존의 방법대로 다중반사막이 없는 발광소자를 제작한 후, 20mA의 전류를 주입하여 광출력을 비교한 결과는 하기 표 1과 같았다.

	다중반사막	광출력
실시예 1	없음	1.0 mW
실시예 2	SiO2/TiO2	1.2 mW
실시예 3	SiO2/TiO2/SiO2/TiO2	1.4 mW
실시예 4	Al2O3/TiO2	1.1 mW
실시예 5	Al2O3/TiO2/Al2O3/TiO2	1.4 mW

상기 결과에 따른 그래프를 첨부한 도 5에 나타내었다.

상기와 같이 본 발명에 따른 다중반사막이 포함된 발광소자의 경우가 기존의 발광소자에 비하여 광출력이 우수하다는 것을 알 수 있었으며, 또한 반사막에 증착막이 여러주기로 증착된 경우는 광출력이 더 우수하다는 것을 알 수 있었다. 이는 발광소자로부터 방출된 빛의 더 많은 양이 반사되어 손실되는 양이 줄어들기 때문이다.

본 발명에 따른 다중반사막이 포함된 발광소자 및 그 제조방법은 상기 실시예에 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 청구범위에 기초하여 얼마든지 변형 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 다중반사막이 포함된 발광소자는 종래의 발광소자에 비하여 동일한 발광면적, 동일한 전류의 조건하에서 광 출력이 증가하는 효율적인 발광소자로서, 저전류에 의하여 상대적으로 높은 광출력의 효과를 나타내므로 신뢰성이 개선되어 사용기간이 길어질 수 있다는 장점을 가진다. 또한 그 제조방법이 간단하여 이용에 따른 에너지 소모를 줄일 수 있는 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 절연기판의 상부에 활성층, 제1 전극층 및 제2 전극층이 형성되고, 상기 절연기판의 하부에 다중반사막이 형성된 것을 포함하여 이루어진 발광소자.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 다중반사막은 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 제1 및 제2 물질을 교대로 1회 이상씩 증착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 물질층의 증착두께는

   λ/n (여기서, λ는 활성층에서 발광되는 빛의 파장을, n 은 각 물질층의 굴절률을 나타냄) 인 것을 특징으로 하는 발광소자.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 다중반사막의 최대 반사 파장대가 360 내지 550㎚를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 발광소자의 발광파장대가 360 내지 550㎚를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 절연기판이 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 발광소자.
7. 절연기판 상부에 형성된 제1 버퍼층;

   상기 제1 버퍼층의 상부에 형성된 제1 클래드층;

   상기 제1 클래드층의 상부에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상부에 형성된 제2 클래드층;

   상기 제2 클래드층 상부에 형성된 캡핑층;

   상기 캡핑층 상부에 형성된 제2 전극층;

   상기 제1 버퍼층의 상부에 형성된 제1 전극층; 및

   상기 절연기판의 하부에 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 제1 및 제2 물질을 교대로 1회 이상 증착한 다중반사막을 포함하여 이루어진 발광소자.
8. 상부에 활성층, 제1 전극층 및 제2 전극층이 형성된 절연기판의 하부를 연마 및 세정하는 단계; 및

   서로 다른 제1 및 제2 물질을 포함하여 이루어진 다중반사막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 발광소자의 제조방법.
9. 제8 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 물질은 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgF₂중 선택된 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
10. 제8 항에 있어서,

    상기 증착은 상기 제1 물질 및 제2 물질을 교대로 1회 이상씩 증착하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
11. 제8 항에 있어서,

    상기 증착시 제1 및 제2 물질층의 증착두께는

    λ/n (여기서, λ는 활성층에서 발광되는 빛의 파장을, n 은 각 물질층의 굴절률을 나타냄)인 것을 특징으로 하는 발광소자.