KR100831835B1 - Growth method of gallium nitride layer for manufacturing high light extraction light emitting diode, manufacturing method of light emitting diode using this method, and light emitting diode manufactured by this method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고 광적출 발광 다이오드의 제조를 위한 질화 갈륨층의 성장 방법, 이 방법을 이용한 발광 다이오드의 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드를 개시한다. 본 발명에 따른 질화 갈륨층 성장 방법은, 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하고, 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 육각형으로 노출시키는 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하되 육각형의 마주 보는 첨점을 연결한 선의 방향이 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향과 30도의 각을 이루도록 상기 절연막 패턴을 형성하고, 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 육각형으로 노출된 질화 갈륨 박막 상에 질화 갈륨층을 20 ~ 70um의 두께로 선택적으로 성장시켜 질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a method of growing a gallium nitride layer for producing a high light extraction light emitting diode, a method of manufacturing a light emitting diode using the method, and a light emitting diode produced by the method. According to the gallium nitride layer growth method according to the present invention, a gallium nitride thin film is formed on a substrate, and an insulating film pattern defining a hexagonal opening pattern for exposing the upper surface of the gallium nitride thin film in a hexagon is formed, and the opposite dots of the hexagon are formed. The insulating film pattern is formed such that the direction of the connecting line forms an angle of 30 degrees with the natural preferred crystal growth direction of gallium nitride, and a gallium nitride layer of 20 to 70 μm is formed on the gallium nitride thin film exposed in a hexagon using the insulating film pattern as a mask. Selective growth in thickness is characterized in that the horizontal cross-section of the gallium nitride layer is 12 square.
본 발명에 따르면, 질화 갈륨층의 측벽에 나타나는 결정면의 수를 극대화할 수 있으므로 발광 다이오드의 광적출 효율을 높일 수 있고, 종래 기술에 비해 제조 공정이 단순하므로 발광 다이오드의 제조비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, the number of crystal planes appearing on the sidewall of the gallium nitride layer can be maximized, so that the light extraction efficiency of the light emitting diode can be increased, and the manufacturing process of the light emitting diode can be reduced since the manufacturing process is simpler than the prior art. .
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 광적출 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.1 to 3 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of growing a gallium nitride layer for manufacturing a high light extraction LED according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고 광적출 발광 다이오드 제조를 위한 질화 갈륨층 성장 방법을 도시한 공정 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a method of growing a gallium nitride layer for manufacturing a high light extraction light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 광적출 발광 다이오드 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.5 to 7 are process cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a high light extraction LED according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고 광적출 발광 다이오드 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a high light extraction LED according to another embodiment of the present invention.
도 9는 사파이어 기판 상부에 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성한 이후 사파이어 기판 상부를 도시한 평면도(우측) 및 부분 확대도(좌측)이다.FIG. 9 is a plan view (right) and a partial enlarged view (left) of the top of the sapphire substrate after forming an insulating film pattern defining a hexagonal opening pattern on the sapphire substrate.
도 10은 본 발명에 따라 질화 갈륨층이 소정의 임계 두께까지 성장될 때 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 방향으로 질화 갈륨 결정이 회전하는 모습을 실제로 보여주는 사진이다.FIG. 10 is a photograph actually showing how gallium nitride crystals rotate in the natural preferred growth direction of gallium nitride crystals when the gallium nitride layer is grown to a predetermined critical thickness in accordance with the present invention.
도 11 및 도 12는 질화 갈륨층을 임계 두께까지 성장시켰을 때의 수직 단면을 보여주는 실제 사진들이다.11 and 12 are actual photographs showing the vertical cross section when the gallium nitride layer is grown to a critical thickness.
도 13은 질화 갈륨층의 성장 두께에 따른 질화 갈륨층의 수평 단면 형상, 최 상면에 존재하는 다각형의 서로 마주 보는 첨점을 연결한 직선의 길이, 그리고 최상면의 표면적을 측정한 결과를 나타낸 표이다.FIG. 13 is a table showing the results of measuring the horizontal cross-sectional shape of the gallium nitride layer according to the growth thickness of the gallium nitride layer, the length of the straight lines connecting the peaks of the polygons present on the top surface, and the surface area of the top surface.
도 14는 도 13의 표에 제시된 성장 두께까지 질화 갈륨층을 성장시켰을 때의 실제 모습을 촬영한 사진들이다.FIG. 14 is photographs taken when the gallium nitride layer is grown to the growth thickness shown in the table of FIG. 13.
<도면의 주요 참조번호><Main reference number in drawing>
10 .... 사파이어 기판 20 .... 질화 갈륨 박막10 .... sapphire substrate 20 .... gallium nitride thin film
30 .... 절연막 패턴 40 .... 육각형 개구 패턴30 ....
50 .... 질화 갈륨층 80 .... LED 구조물50 .... Gallium Nitride Layer 80 .... LED Structure
80a .... n형 반도체층 80b .... 양자 우물층80a .... n-
80c .... p형 반도체층 110 .... n-금속 전극80c .... p-
120 .... p-금속 전극120 .... p-metal electrode
본 발명은 질화 갈륨을 이용한 발광 다이오드 제조 시 광적출 효율을 높일 수 있는 질화 갈륨층 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 특성을 이용하여 발광 다이오드 제작 시 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 질화 갈륨층 성장 방법, 이 방법을 이용한 고 광적출 발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a method of growing a gallium nitride layer that can increase the light extraction efficiency when manufacturing a light emitting diode using gallium nitride, more specifically, it is emitted to the outside when manufacturing a light emitting diode using the natural preferred growth characteristics of gallium nitride crystals A method of growing a gallium nitride layer capable of increasing light quantity, a method of manufacturing a high light extraction light emitting diode using the method, and a light emitting diode manufactured by the method.
일반적으로, 질화물 반도체는 에너지 밴드 갭의 폭이 매우 넓으므로, 가시광선부터 자외선 영역까지의 광소자에 널리 응용되고 있다. 특히 질화물 반도체 중 하나인 질화 갈륨은, 전광판의 핵심 소자인 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 중 청색 발광 다이오드의 제조에 널리 사용되며, 천연색 대형 옥외 전광판의 등장과 함께 각광을 받고 있는 대표적인 질화물 반도체 중 하나이다.In general, since nitride semiconductors have a very wide energy band gap, they are widely applied to optical devices from the visible to the ultraviolet region. In particular, gallium nitride, one of the nitride semiconductors, is widely used in the manufacture of blue light emitting diodes among the red, green, and blue light emitting diodes, which are the core elements of the electronic display board, and is one of the representative nitride semiconductors that has been in the spotlight with the appearance of a large color outdoor outdoor display board. .
종래에는 청색 영역의 빛을 내는 발광 소자의 반도체 물질로 징크 세레나이드(ZnSe), 실리콘 카바이드(SiC) 등이 주로 사용되었다. 하지만 질화 갈륨을 이용한 청색 발광 소자가 개발된 이후에는 징크 세레나이드나 실리콘 카바이드를 이용한 청색 발광 다이오드에 비해 질화 갈륨을 이용한 청색 발광 다이오드가 휘도(brightness)와 수명(life time), 그리고 내부 양자효율(internal quantum efficiency)이 우수하기 때문에, 질화 갈륨은 청색 발광 다이오드뿐만 아니라 총천연색 디스플레이, 지시등, 광고패널, 교통신호 체계, 전구(white bulb) 등으로 그 응용 범위가 점차 확대되고 있다.Conventionally, zinc serenide (ZnSe), silicon carbide (SiC), and the like have been mainly used as semiconductor materials for light emitting devices emitting blue light. However, after the development of the blue light emitting device using gallium nitride, the blue light emitting diode using gallium nitride is brighter, life time and internal quantum efficiency compared to the blue light emitting diode using zinc serenide or silicon carbide. Because of its excellent quantum efficiency, gallium nitride has a wide range of applications including not only blue light emitting diodes but also full color displays, indicators, advertising panels, traffic signal systems, and white bulbs.
현재 질화물 반도체 산업계의 궁극적인 목적은 질화 갈륨을 이용한 발광 다이오드의 휘도를 향상시켜 일반 조명분야에까지 질화 갈륨의 용도를 확대하는 것이다. 이를 위해, 산업계에서는 양자 우물층 내부의 양자효율을 높이거나 소자의 광적출 효율을 향상시키는 방향으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. The ultimate goal of the current semiconductor semiconductor industry is to improve the brightness of light emitting diodes using gallium nitride, thereby extending the use of gallium nitride to general lighting. To this end, research is being actively conducted in the industry to increase the quantum efficiency inside the quantum well layer or to improve the light extraction efficiency of the device.
지금까지 제안된 방법 중 양자 우물층의 양자효율을 높이기 위한 방법으로는 양자 우물층 표면에 요철 구조를 형성하는 방법이 있고, 광적출 효율을 향상시키기 위한 방법으로는 발광 다이오드의 제조에 사용되는 기판의 표면에 돌출 패턴을 형성함으로써 질화 갈륨층 내에서 유발되는 전반사를 저감시키거나, 광소자 자체의 모양 또는 광소자의 패키징 방법을 개선하여 광적출 효율을 향상시키는 방법이 있다.As a method for improving the quantum efficiency of the quantum well layer, a method of forming a concave-convex structure on the surface of the quantum well layer has been proposed so far. There is a method of reducing the total reflection caused in the gallium nitride layer by forming a protruding pattern on the surface of, or improving the shape of the optical device itself or the packaging method of the optical device to improve the light extraction efficiency.
하지만 위와 같은 종래기술들은 복잡한 제조 공정이 수반되어야 하고, 고도의 정밀도가 요구된다는 기술적 한계를 안고 있다.However, the above conventional technologies have technical limitations that require complicated manufacturing processes and require high precision.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 특성을 이용하여 질화 갈륨층을 성장시킴으로써 광적출 면적을 증가시킬 수 있는 질화 갈륨층 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a gallium nitride layer growth method capable of increasing the light extraction area by growing a gallium nitride layer using the natural preference growth characteristics of gallium nitride crystals. The purpose is.
본 발명의 다른 목적은 상기 질화 갈륨층 성장 방법을 이용한 고 광적출 질화 갈륨 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a high light extraction gallium nitride light emitting diode using the gallium nitride layer growth method and a method of manufacturing the same.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고 광적출 발광 다이오드 제조를 위한 갈륨 질화층 성장 방법은, (a) 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 질화 갈륨 박막의 상부 표면을 육각형으로 노출시키는 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하는 단계로서, 육각형의 마주 보는 첨점을 연결한 선의 방향이 질화 갈륨의 자연 선호 결정 성장 방향과 30도의 각을 이루도록 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 절연막 패턴을 마스크로 하여 육각형으로 노출된 질화 갈륨 박막 상에 질화 갈륨층을 20 ~ 70um의 두께로 선택적으로 성장시켜 질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형이 되도록 하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of growing a gallium nitride layer for manufacturing a high light extraction light emitting diode, the method including: (a) forming a gallium nitride thin film on a substrate; (b) forming an insulating film pattern defining a hexagonal opening pattern exposing the upper surface of the gallium nitride thin film in a hexagon, wherein a direction connecting the hexagonal opposite peaks is in the direction of the natural preference crystal growth direction of gallium nitride; Forming the insulating film pattern to form an angle of FIG. And (c) selectively growing a gallium nitride layer to a thickness of 20 to 70 μm on the gallium nitride thin film exposed in a hexagon using the insulating film pattern as a mask so that the horizontal cross section of the gallium nitride layer becomes a octagonal shape. do.
본 발명에 있어서, 상기 질화 갈륨층은 절연막 패턴을 마스크로 사용하지 않고, 질화 갈륨 박막을 상기 육각형 개구 패턴에 대응되는 형상으로 패터닝한 후 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴 상에 질화 갈륨층을 직접 성장시킬 수도 있다. In the present invention, the gallium nitride layer does not use an insulating film pattern as a mask, and after the gallium nitride thin film is patterned into a shape corresponding to the hexagonal opening pattern, the gallium nitride layer is directly grown on the hexagonal pattern made of gallium nitride. It may be.
본 발명에 따라 질화 갈륨층이 성장된 이후에는, 기판 상부에 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하는 LED 구조물을 형성한 후, 각각의 반도체층에 금속 전극을 형성함으로써 고 광적출 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 이 때 질화 갈륨층 성장 시 소정의 반도체 타입(p 또는 n 타입)을 부여한 경우는, LED 구조물을 형성할 때 질화 갈륨층과 동일한 타입을 갖는 반도체층은 형성하지 않아도 무방하며, 금속 전극은 질화 갈륨층 상부 표면과 LED 구조물에 포함되어 있는 반도체층에 각각 형성한다.After the gallium nitride layer is grown according to the present invention, by forming an LED structure including at least an n-type semiconductor layer, a quantum well layer and a p-type semiconductor layer on the substrate, by forming a metal electrode on each semiconductor layer A high light extraction light emitting diode can be manufactured. In this case, when a predetermined semiconductor type (p or n type) is given during growth of the gallium nitride layer, a semiconductor layer having the same type as the gallium nitride layer may not be formed when the LED structure is formed, and the metal electrode is gallium nitride. It is formed on the upper surface of the layer and the semiconductor layer included in the LED structure, respectively.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고 광적출 발광 다이오드 는, 20 ~ 70um의 두께를 갖는 아일랜드형 질화 갈륨층 패턴으로서 질화 갈륨층의 수평 단면이 12각형인 질화 갈륨층 패턴; 적어도 n형 반도체층, 양자 우물층 및 p형 반도체층을 포함하도록 상기 질화 갈륨층 패턴 상에 형성된 LED 구조물; 및 상기 LED 구조물의 n형 반도체층과 p형 반도체층에 각각 형성된 n-금속 전극 및 p-금속 전극을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high light extraction light emitting diode comprising: a gallium nitride layer pattern having a horizontal cross section of a gallium nitride layer as an island type gallium nitride layer pattern having a thickness of 20 to 70 μm; An LED structure formed on the gallium nitride layer pattern to include at least an n-type semiconductor layer, a quantum well layer and a p-type semiconductor layer; And n-metal electrodes and p-metal electrodes formed on the n-type and p-type semiconductor layers of the LED structure, respectively.
대안적으로, 상기 질화 갈륨층 패턴이 제1반도체 타입을 가지고 있는 경우는, 상기 LED 구조물에서 질화 갈륨층 패턴과 동일한 타입을 갖는 반도체층이 생략되며, 금속 전극은 상기 질화 갈륨층 패턴의 상부 표면과 상기 LED 구조물에 포함된 반도체층에 각각 형성된다.Alternatively, when the gallium nitride layer pattern has a first semiconductor type, the semiconductor layer having the same type as the gallium nitride layer pattern in the LED structure is omitted, and the metal electrode is the upper surface of the gallium nitride layer pattern And a semiconductor layer included in the LED structure, respectively.
바람직하게, 상기 기판은 사파이어 기판이다. 대안적으로, 상기 기판은 육방정계 결정 시스템을 가진 질화 갈륨을 성막시킬 수 있다고 알려진 (111)-Si 기판, SiC 기판 또는 ZnO 기판일 수도 있다. Preferably, the substrate is a sapphire substrate. Alternatively, the substrate may be a (111) -Si substrate, a SiC substrate or a ZnO substrate which is known to form gallium nitride having a hexagonal crystal system.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
본 발명에 따른 질화 갈륨층 성장 방법은, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 사파이어 기판(10) 상에 질화 갈륨 박막(20)을 1 ~ 4 um의 두께로 형성한다.In the method of growing a gallium nitride layer according to the present invention, as shown in FIG. 1, the gallium nitride
그런 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 질화 갈륨 박막(20)의 상부 표면을 육각형으로 노출시키기 위해 육각형 개구 패턴(40)을 정의하는 절연막 패턴(30)을 형성한다. 바람직하게 상기 절연막 패턴(30)은 실리콘 산화막으로 형성한다. 이를 위해, 실리콘 산화막을 3000 ~ 3500A의 두께로 증착한 후 사진 식각 공정을 적용하여 질화 갈륨 박막(20)의 상부 표면을 육각형으로 노출시키는 육각형 개구 패턴(40)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2, an
도 9는 육각형 개구 패턴(40)이 형성된 사파이어 기판(10)의 상부 평면도이다. 도면을 참조하면, 상기 육각형 개구 패턴(40)은 마주보는 첨점(A-B)를 연결한 선의 방향이 사파이어 기판(10)의 <11-20> 방향 그리고 질화 갈륨 박막(20)의 <1-100> 방향과 일치하도록 형성한다. 이 때, 상기 육각형 개구 패턴(40)의 폭(W)은 350 내지 450 um 이고, 육각형 개구 패턴(40)의 간격(D)은 100 ~ 200 um 이다.9 is a top plan view of the
상기와 같이 육각형 개구 패턴(40)을 형성한 후, 도 3에 도시된 바와 같이 절연막 패턴(30)을 마스크로 하여 육각형 개구 패턴(40)에 의해 노출된 질화 갈륨 박막(20) 상에 질화 갈륨층(50)을 선택적으로 성장시킨다. 이 때, 상기 질화 갈륨층(50)은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법을 이용하여 20 ~ 70um의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 후술한다.After forming the
HVPE법에 의한 질화 갈륨층(50)의 성장 시에는 Ga(s), HCl(g) 및 NH3(g)를 반응 소스로 사용하고, N2(g) 및 H2(g)를 분위기 조성 가스로 사용한다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 따라서 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 반응 소스와 분위기 조성 가스가 사용될 수 있음은 물론이다. 한편 경우에 따라서는 질화 갈륨층(50)을 n-형 반도체로 만들어 주기 위해 실란(SiH4) 또는 다이클로로실란(SiH2Cl2) 등과 같은 Si-전구체 가스를 반응 소스로 추가할 수 있다.In the growth of the
하기 화학식은 질화 갈륨층(50)이 성장될 때의 화학 반응식이다.The following chemical formula is a chemical reaction when the
[반응식][Scheme]
Ga(s) + HCl(g) → GaCl(g) + 1/2H2 Ga (s) + HCl (g) → GaCl (g) + 1 / 2H 2
GaCl(g) + NH3(g) → GaN(s) + HCl(g) + 2H2 GaCl (g) + NH 3 (g) → GaN (s) + HCl (g) + 2H 2
상기 반응식에 의해 생성되는 GaN(s)는 육각형 개구 패턴(40)에 의해 노출되는 질화 갈륨 박막(20) 상에 에피택시얼하게 증착된다. 이 때 육각형 개구 패턴(40)의 마주보는 첨점(A-B)를 연결한 선의 방향은 상술한 바와 같이 사파이어 기판(10)의 <11-20> 방향 그리고 질화 갈륨 박막(20)의 <1-100> 방향과 일치한다. GaN (s) generated by the above scheme is deposited epitaxially on the gallium nitride
그런데 질화 갈륨의 결정 성장 시 자연 선호 방향은 도 10에 도시된 바와 같이 [1000] 방향이다. 이러한 사실은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 본 발명에 따라 형성된 육각형 개구 패턴(40)은 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 방향과 30도 회전되어 있는 상태에 있다. 따라서, 육각형 개구 패턴(40)에 형성되는 질화 갈륨층(50)은 그 두께가 증가됨에 따라 질화 갈륨층(50)의 측벽에 노출된 결정면이 서서히 회전하여 원래의 자연 선호 성장 방향으로 방향을 변경한다.However, the natural preference direction in the growth of gallium nitride is shown in the [1000] direction as shown in FIG. This fact is apparent to those of ordinary skill in the art. Therefore, the
따라서 질화 갈륨층(50)의 성장 초기에는 질화 갈륨층(50)의 측벽에 {11-22} 면만이 나타나다가 소정의 임계 두께가 되면 질화 갈륨층(50)의 측벽에 {1-101}면과 {1-102}면 그리고 {11-22}면이 동시에 나타난다. <1-100> 방향의 육각형 꼭지점이 {1-102}면과 {11-22}면으로 변화되기 때문이다. 실제 실험에 의하면, 질화 갈륨층(50)은 20 ~ 70um의 두께(이하, 임계두께라고 칭함)에서 측벽에 {11-22}면, {1-101}면 및 {1-102}면 동시에 나타난다. 이렇게 {1-101}면, {1-102}면 및 {11-22}면이 동시에 나타나면, 질화 갈륨층(50)의 측벽에는 도 10에 도시된 바와 같이 총 18 개의 결정면이 존재한다. Therefore, at the beginning of the growth of the
구체적으로는, 도 11에 도시된 바와 같이, [1-100] 방향의 경우 경계선 C-C'을 기준으로 상부와 하부에 각각 6개의 결정면이 나타나고, 도 12에 도시된 바와 같이, [11-20] 방향의 경우 상부와 하부의 분리 없이 한 면으로 6개의 결정면이 나타난다. 따라서 질화 갈륨층(50)을 [0001] 방향과 수직으로 다른 단면(이하, 수평 단면이라 함)은 언제나 12각형을 이루게 된다. Specifically, as shown in FIG. 11, in the [1-100] direction, six crystal planes appear at the top and the bottom of the boundary line C-C ′, respectively, and as shown in FIG. 12, as shown in FIG. In the case of 20], six crystal planes appear in one plane without separating the upper and lower parts. Therefore, the other end surface (hereinafter, referred to as a horizontal cross section) perpendicular to the
상기와 같이, {1-101}면, {1-102}면 및 {11-22}면이 동시에 존재하도록 질화 갈륨층(50)을 20 ~ 70um의 두께로 성장시킨 후 성장된 질화 갈륨층(50)을 이용하여 발광 다이오드를 제조하면 광적출 면적을 극대화할 수 있으므로 광적출 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the
한편 질화 갈륨층(50)을 임계 두께 이상으로 성장시키면 질화 갈륨층(50)의 결정 성장 방향이 자연 선호 성장 방향으로 완전히 회전되어 성장 초기에 존재했던 {11-22}면이 육각형의 꼭지점으로 변하고 질화 갈륨층(50)의 측벽에는 {1-101}면과 {1-102}면만이 존재한다. 따라서 질화 갈륨층(50)의 수평 단면은 육각형으로 변하고 측벽에는 12개의 결정면만이 존재하게 된다.On the other hand, when the
도 13은 질화 갈륨층(50)의 성장 두께에 따른 질화 갈륨층(50)의 수평 단면 형상, 최 상면에 존재하는 다각형의 서로 마주 보는 첨점을 연결한 직선의 길이(첨점 연결 거리), 그리고 최상면의 표면적을 측정한 결과를 나타낸 표이고, 도 14는 도 13의 표에 제시된 성장 두께까지 질화 갈륨층(50)을 성장시켰을 때의 실제 모습을 촬영한 사진이다.FIG. 13 shows the horizontal cross-sectional shape of the
도 13 및 도 14를 참조하면, 질화 갈륨층(50)을 임계두께인 20 ~ 70um까지 성장시키면, 질화 갈륨층(50)의 수평 단면 형상은 12각형이고, 그 이외의 두께 범위에서는 질화 갈륨층(50)의 수평 단면 형상이 6각형임을 알 수 있다. 아울러 질화 갈륨층(50)의 첨점 연결 거리와 최상면의 표면적은 질화 갈륨층(50)의 성장 두께가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 질화 갈륨층(50)의 수평 단면 형상이 12각형인 것을 전제로 한 질화 갈륨층(50)의 최적 성장 두께는 후술하는 발광 다이오드 제조 과정에서 질화 갈륨층(50)의 상부 면에 형성하는 전극의 크기에 따라 결정된다. 즉 질화 갈륨층(50)은 최상면의 표면적이 전극 크기에 대응하도록 구체적인 성장 두께를 결정한다.13 and 14, when the
이상과 같이, 본 발명은 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 방향을 기준으로 육각형 개구 패턴(40)의 방향을 30도 회전시킨 상태에서 20 ~ 70um의 두께 범위로 질화 갈륨층(50)을 성장시켜 질화 갈륨층(50)의 수평 단면 형상이 12각형이 되도록 한다. 그러면 질화 갈륨층(50)의 측벽에 존재하는 결정면의 수를 6개에서 18개로 증가시킬 수 있다. 이렇게 측벽의 결정면 수가 극대화된 질화 갈륨층(50)을 이용하여 질화 갈륨 발광 다이오드를 제조하면 광적출 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention is nitrided by growing the
한편 상술한 실시예에서는 절연막 패턴(30)을 마스크로 사용하여 육각형 개구 패턴(40)에 질화 갈륨층(50)을 선택적으로 성장시켰다. 하지만 다음과 같은 대안적 실시예도 가능하다. 즉 도 4에 도시된 바와 같이, 육각형 개구 패턴을 정의하는 절연막 패턴을 형성하지 않고 사진 식각 공정에 의해 사파이어 기판(10) 상에 형성된 질화 갈륨 박막(20)을 직접적으로 패터닝하여 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴(20')을 형성한다. 이 때 육각형 패턴(20')의 방향은 도 9에 도시된 육각형 개구 패턴(40)과 동일하다. 따라서 육각형 패턴(20')의 마주 대하는 첨점를 잇는 선은 사파이어 기판(10)의 <11-20> 방향, 그리고 질화 갈륨 박막(20)의 <1-100> 방향과 동일하다. 그런 다음 HVPE법을 이용하여 육각형 패턴(20')의 상부 표면에 질화 갈륨층(50)을 임계 두께까지 선택적으로 증착하면 전술한 실시예와 마찬가지로 측벽에 18개의 결정면이 존재하는 질화 갈륨층(50)을 형성할 수 있다. Meanwhile, in the above-described embodiment, the
그러면, 이하에서는 측벽에 18개의 결정면을 갖으며 수평 단면의 형상이 12각형인 질화 갈륨층(50)을 성장시킨 후 성장된 질화 갈륨층(50)을 이용하여 발광 다이오드를 제조하는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 다만 반도체 물질막, 버퍼 물질막, 금속 전극막 등 발광 다이오드를 구성하는 물질막의 종류, 각 물질막을 증 착하고 패터닝하는 기술 등은 이미 널리 알려져 있으므로 이에 대해서는 간략하게 설명하기로 한다. Next, a process of fabricating a light emitting diode using the grown
먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 육각형 개구 패턴(40)을 이용하여 질화 갈륨층(50)을 성장시킨 후, 사파이어 기판(10) 전면에 LED 구조물(80)을 형성한다. 상기 LED 구조물(70)은 적어도 발광 다이오드의 기본 구성 요소인 n형 반도체층(n형-GaN), 양자 우물층 및 P형 반도체층(p형-GaN)을 포함한다. 이들 물질막들은 MOCVD법을 이용하여 형성할 수 있다. First, as shown in FIG. 5, the
그런 다음 도 6에 도시된 바와 같이 사진 식각 공정을 이용하여 LED 구조물(70) 내의 n형 반도체층(80a)을 노출시키는 개구(100)를 형성한 후 개구(100) 내에 n-금속 전극(110)을 형성하고, LED 구조물(70)의 p형 반도체층(80c)에는 p-금속 전극(120)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 6, an
그러고 나서 도 7에 도시된 바와 같이 절단선 D-D' 선을 따라 절단공정을 시행하고 사파이어 기판(10)으로부터 분리된 각각의 발광 다이오드 단위체에 형성되어 있는 n-금속 전극(110) 및 p-금속 전극(120)에 와이어를 연결하면 발광 다이오드의 제조가 완료된다.Then, as illustrated in FIG. 7, the cutting process is performed along the cutting line DD ′ and the n-
한편 본 발명은 질화 갈륨층(50)을 형성할 때 절연막 패턴(30)을 마스크로 사용하지 않고 사파이어 기판(10) 상에 형성하는 질화 갈륨 박막을 직접 패터닝하여 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴(도 4의 20' 참조)을 형성한 후 육각형 패턴 상에만 갈륨 질화층(50)을 선택적으로 성장시킬 수도 있다(도 4의 50 참조). 이렇게 질화 갈륨층(50)을 형성한 경우도, 도 8에 도시된 바와 같이, 질화 갈륨 층(50)이 형성된 사파이어 기판(10)의 전면에 LED 구조물(80)을 형성하는 단계, n형 반도체층에 n-금속 전극(110)을 형성하고 p형 반도체층에 p-금속 전극(120)을 형성하는 단계 및 D-D' 선을 따라 절단 공정을 시행하고 n 및 p-금속 전극(110 및 120)에 와이어를 연결하는 단계를 전술한 바와 실질적으로 동일하게 진행할 수 있다. In the present invention, when the
위와 같은 과정을 거쳐 제조된 발광 다이오드는, 양자 우물층에서 생성된 빛이 18개의 결정면을 갖는 질화 갈륨층(50)의 측벽과 질화 갈륨층(50)의 저면을 통해 외부로 방출되므로 광적출 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 고휘도를 갖는 고 광적출 발광 다이오드를 제조할 수 있게 된다.The light emitting diode manufactured through the above process is light extraction efficiency because light generated in the quantum well layer is emitted to the outside through the side wall of the
한편 도면으로 도시하지는 않았지만, 질화 갈륨층(50)을 n형으로 형성한 경우, LED 구조물(80)을 형성할 때 n형 반도체층(80a)의 증착은 생략하여도 무방하다. 이러한 경우, n-금속 전극(110)은 질화 갈륨층(50)의 상부 표면에 직접 형성하는 것이 바람직하다. Although not shown in the drawings, when the
상술한 실시예에서는 질화 갈륨층(50)이 사파이어 기판(10) 상에서 성막되었다. 하지만 질화 갈륨층(50)은 육방정계 결정을 성장시킬 수 있다고 알려진 다른 기판 상에서도 성막될 수 있다. 이러한 기판의 예로는, (111)-Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판 등이 있다. 이러한 기판 상에 질화 갈륨층(50)을 성막시킬 때에도 육각형 개구 패턴 또는 질화 갈륨으로 이루어진 육각형 패턴을 형성할 때, 육각형의 마주 보는 첨점을 연결한 선의 방향을 질화 갈륨층의 자연 선호 결정 성장 방향과 30도 회전시켜 형성하여야 함은 자명하다. In the above-described embodiment, the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명에 따르면, 질화 갈륨 결정의 자연 선호 성장 방향과 다른 방향에서 질화 갈륨을 소정의 임께 두께까지 성장시켜 질화 갈륨층의 성장 과정에서 결정의 회전을 유발함으로써 질화 갈륨층의 측벽에 나타나는 결정면을 6개에서 18개까지 증가시킨다. According to the present invention, gallium nitride is grown to a predetermined thickness in a direction different from the naturally preferred growth direction of gallium nitride crystals to cause the crystal to rotate in the growth process of the gallium nitride layer, thereby reducing the crystal plane appearing on the sidewall of the gallium nitride layer. Increase from 18 to dogs.
따라서, 본 발명에 따라 성장된 질화 갈륨층을 이용하여 발광 다이오드를 제조하면 광적출 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광적출 효율의 향상을 위한 제조 공정 또한 종래 기술에 비해 단순하므로 발광 다이오드 제조비용을 절감할 수 있다. Therefore, manufacturing a light emitting diode using the gallium nitride layer grown according to the present invention can not only improve the light extraction efficiency, but also the manufacturing process for improving the light extraction efficiency is simpler than that of the prior art. Can reduce the cost.
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