KR100586609B1

KR100586609B1 - 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR100586609B1
Application number: KR1020050001415A
Authority: KR
Inventors: 장준호; 하준석; 이현재; 김종욱; 최재완; 서정훈
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-06-07

Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하고, 유전체막 패턴 상부에서 소자를 성장시켜 막질을 우수히 할 수 있고, 유전체막 패턴을 제거한 후, 자외선 조사 및 습식 식각공정을 동시에 수행하여 유전체막 패턴이 형성되지 않은 사파이어 기판과 질화갈륨층의 계면만 분리시키는 것이므로, 종래 기술보다 사파이어 기판을 질화갈륨층에서 보다 쉽게 이탈시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

유전체, 패턴, 질화갈륨, 사파이어, 기판

Description

질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법 { Method for fabricating GaN type light emitting device }

도 1a 내지 1i는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 공정을 설명하는 개략적인 단면도

도 2a 내지 2c는 본 발명에 따라 질화갈륨계 발광 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 평면도

도 3a와 3b는 본 발명에 따른 유전체막 패턴의 형상을 설명하기 위한 일부 평면도

도 4는 본 발명에 따른 유전체막 패턴의 형상을 도시한 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 사파이어 기판 110 : 유전체막 패턴

120 : 질화갈륨층 130 : 발광 소자의 에피층

140 : P전극 150 : 금속 지지부

200 : 발광 소자 영역 210 : 전해액

300 : 전류원 310 : 양극전극

320 : 음극전극

본 발명은 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하고, 유전체막 패턴 상부에서 소자를 성장시켜 막질을 우수히 할 수 있고, 유전체막 패턴을 제거한 후, 자외선 조사 및 습식 식각공정을 동시에 수행하여 유전체막 패턴이 형성되지 않은 사파이어 기판과 질화갈륨층의 계면만 분리시키는 것이므로, 종래 기술보다 사파이어 기판을 질화갈륨층에서 보다 쉽게 이탈시킬 수 있는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, LLO(Laser Lift Off)를 이용한 질화갈륨 박막과 사파이어 기판의 분리에 대한 연구가 많이 진행되어져 왔다.

이렇게 사파이어 기판을 제거한 질화갈륨 박막을 이용한 수직구조의 발광 다이오드 소자의 특성이 기존 소자에 비해 광적, 전기적으로 우수할 뿐만 아니라 구동시 열적인 문제를 해결할 수 있는 방법의 하나로 선택되어지고 있다.

그러나, 레이저를 이용한 LLO방식은 그 장비 자체가 고가이며, 사파이어와 질화갈륨의 계면에서의 레이저를 이용한 열분해 현상을 이용하기 때문에, 질화갈륨 에피막의 열화를 초래할 수 있다.

또한, 질화갈륨이 열적인 분해를 일으키면서 N₂가스가 방출되고, 이렇게 발생한 N₂가스의 급격한 팽창으로 인해 질화갈륨막의 크랙이 발생할 수 있는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하고, 유전체막 패턴 상부에서 소자를 성장시켜 막질을 우수히 할 수 있고, 유전체막 패턴을 제거한 후, 자외선 조사 및 습식 식각공정을 동시에 수행하여 유전체막 패턴이 형성되지 않은 사파이어 기판과 질화갈륨층의 계면만 분리시키는 것이므로, 종래 기술보다 사파이어 기판을 질화갈륨층에서 보다 쉽게 이탈시킬 수 있는 질화갈륨 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하는 단계와;

상기 유전체막 패턴이 형성된 사파이어 기판 상부에 질화갈륨층(GaN)을 성장시키는 단계와;

상기 질화갈륨층(GaN) 상부에 복수개의 발광 소자의 에피층을 성장시키는 단계와;

상기 발광 소자 에피층에서 질화갈륨층까지 일부 영역들을 선택적으로 식각하여 유전체막 패턴을 노출시키며, 복수개의 발광소자 영역으로 격리(Isolation)시 키는 단계와;

상기 유전체막 패턴을 습식식각 공정을 통하여 제거하는 단계와;

상기 발광 소자 에피층 상부에 P전극층을 형성하고, 상기 P전극층 상부에 금속 지지부를 형성하는 단계와;

광 화학 습식 식각(Photo Chemical Wet-etching, PEC)공정을 수행하여 상기 사파이어 기판을 질화갈륨층으로부터 이탈시키는 단계와;

상기 사파이어 기판이 이탈된 질화갈륨층면을 평탄화시키고, 상기 평탄화된 질화갈륨층면에 N전극을 형성하는 단계와;

절단공정을 수행하여 복수개의 발광소자 영역을 분리시켜 낱개의 소자로 만드는 단계로 이루어진 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 1i는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 공정을 설명하는 개략적인 단면도로서, 사파이어 기판(100) 상부에 유전체막 패턴(110)을 형성한다.(도 1a)

여기서, 상기 유전체막 패턴(110)은 실리콘 산화막(SiO₂) 패턴인 것이 바람직하다.

그 후, 상기 유전체막 패턴(110)이 형성된 사파이어 기판(100) 상부에 질화갈륨층(GaN)(120)을 성장시킨다.(도 1b)

여기서, 상기 질화갈륨층(120)을 유전체막 패턴(110)을 이용하여 측면성장 방법으로 성장시킨다.

연이어, 상기 질화갈륨층(GaN)(120) 상부에 복수개의 발광 소자의 에피층(130)을 성장시킨다.(도 1c)

계속하여, 상기 발광 소자 에피층(130)에서 질화갈륨층(120)까지 일부 영역들을 선택적으로 식각하여 유전체막 패턴(110)을 노출시키며, 복수개의 발광소자 영역(180)으로 격리(Isolation)시킨다.(도 1d)

그 후, 상기 유전체막 패턴(110)을 습식식각 공정을 통하여 제거한다.(도 1e)

여기서, 상기 유전체막 패턴(110)의 제거는, 도 1d의 공정에서 노출된 유전체막 패턴(110)에 습식 식각용액이 접촉되어 식각되면서 최종적으로는 모든 유전체막 패턴(110)이 식각된다.

이 때, 상기 유전체막 패턴(110)이 실리콘 산화막(SiO₂) 패턴이면, BOE(Buffer Oxide Etchant)등과 같은 용액으로 식각시킬 수 있다.

그 다음, 상기 발광 소자 에피층(130) 상부에 P전극층(140)을 형성하고, 상기 P전극층(140) 상부에 금속 지지부(150)를 형성한다.(도 1f)

상기 금속 지지부(150)는 상기 P전극층(140) 상부에 도전성 본딩물질로 금속 기판을 본딩하거나, 또는 상기 P전극층(140) 상부에 두꺼운 금속막을 증착하여 형성한다.

여기서, 도전성 본딩물질은 성장용 금속 씨드(Seed)층과 같은 것이다.

연이어서, 광 화학 습식 식각(Photo Chemical Wet-etching, PEC)공정을 수행하여 상기 사파이어 기판(100)을 질화갈륨층(120)으로부터 이탈시킨다.(도 1g)

상기 광 화학 습식 식각공정은, 전해액(210)이 담겨져 있는 용기(200)를 준비하고, 상기 사파이어 기판(100)과 질화갈륨층(120)의 계면이 상기 용기(200)의 전해액(210) 수면 하부에 위치시키고, 상기 금속 지지부(150)에 전류원(300)의 양극전극(310)을 연결하고, 상기 전해액(210)에 전류원(300)의 음극전극(320)을 담근 다음, 전류를 주입하면서 상기 사파이어 기판(100)으로 자외선을 조사하는 것이다.

이 때, 상기 자외선은 사파이어 기판(100)을 투과하여, 질화갈륨층(120)에 도달하는데, 자외선에 의해 질화갈륨층(120)에서 정공과 전자가 분해되면서, 자외선이 조사된 질화갈륨층 영역이 습식 식각된다.

그러므로, 자외선 조사 및 습식 식각공정을 동시에 수행하여 유전체막 패턴이 형성되지 않은 사파이어 기판(100)과 질화갈륨층(120)의 계면만 분리시키는 것이므로, 종래 기술보다 사파이어 기판(100)은 질화갈륨층(120)에서 보다 쉽게 이탈시킬 수 있는 것이다.

상기 전해액은 KOH를 사용하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 사파이어 기판(100)이 이탈된 질화갈륨층(120) 면을 평탄화시키고, 상기 평탄화된 질화갈륨층(120) 면에 N전극(160)을 형성한다.(도 1h)

마지막으로, 절단공정을 수행하여 복수개의 발광소자 영역(180)을 분리시켜 낱개의 소자로 만든다.(도 1i)

도 2a 내지 2c는 본 발명에 따라 질화갈륨계 발광 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 평면도로서, 먼저, 도 2a는 사파이어 기판(100) 상부에 유전체막 패턴(110)이 형성된 상태를 도시한 것이다.

그리고, 도 2b는 상기 유전체막 패턴(110) 및 사파이어 기판(100) 상부에 질화갈륨층(GaN)과 복수개의 발광 소자의 에피층(130)이 순차적으로 성장된 상태의 도면이다.

또한, 도 2c는 복수개의 발광소자 영역(180)으로 격리(Isolation)시킨 상태의 도면으로, 상기 발광 소자 에피층(130)에서 질화갈륨층(120)까지 일부 영역들을 선택적으로 식각되면, 식각된 영역의 유전체막 패턴은 노출된다.

도 3a와 3b는 본 발명에 따른 유전체막 패턴의 형상을 설명하기 위한 일부 평면도로서, 상기 유전체막 패턴은 복수개의 발광소자 영역(180)으로 격리(Isolation)시키기 위한 식각공정 후, 하나의 발광 소자 영역(180) 내부에 존재하는 제 1 영역(101)과; 이 제 1 영역(101)과 연결되고, 발광 소자 영역 외부로 노출되는 제 2 영역(102)을 갖는 형상으로 패터닝되어 있는 것이 바람직하다.

즉, 유전체막 패턴의 제 2 영역(102)이 발광 소자 영역(180) 외부로 노출되어 있으면, 발광 소자 영역(180) 내부에 존재하는 제 1 영역(101)을 습식식각을 쉽게 수행할 수 있게 된다.

그리고, 유전체막 패턴의 제 1 영역(101)은 발광 소자 영역(180) 면적보다 작은 면적으로 형성되어 있어야, 이 유전체막 패턴 상부에서 질화갈륨층이 측면성장될 수 있어 전위(Dislocation)와 같은 결함을 줄여 막 특성을 우수하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 유전체막 패턴은 도 4에 도시된 바와 같이, 상호 이격된 복수개의 수직라인(100a)과, 이 수직라인(100a)에 교차되는 복수개의 수평라인(100b)으로 패터닝되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 유전체막 패턴의 형상은 자유롭게 형성하는 것이다.

본 발명은 습식 식각하여 사파이어 기판을 이탈시키므로서, 하기와 같은 장점이 있다.

1) 종래의 LLO(Laser Lift-Off) 방식에서 발생되는, 레이저에 의한 GaN막의 열화 문제를 제거할 수 있다.

2) 습식 식각 방법은 장비가 단순하고 실험이 간단하여 양산성 크다.

3) SiO₂막을 이용하기 때문에, 측면 성장방법으로 GaN막의 질을 높일 수 있다.

4) SiO₂막의 형태는 자유롭게 바뀔 수 있으며, SiO₂막의 형태에 따라 GaN막의 습식 식각율(Wet etching rate)이나 막질 및 LED소자의 광출력에 대한 증가도 가능하다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하고, 유전체막 패턴 상부에서 소자를 성장시켜 막질을 우수히 할 수 있고, 유전체막 패턴을 제거한 후, 자외선 조사 및 습식 식각공정을 동시에 수행하여 유전체막 패턴이 형성되지 않은 사파이어 기판과 질화갈륨층의 계면만 분리시키는 것이므로, 종래 기술보다 사파이어 기판을 질화갈륨층에서 보다 쉽게 이탈시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

사파이어 기판 상부에 유전체막 패턴을 형성하는 제 1 단계와;

상기 유전체막 패턴이 형성된 사파이어 기판 상부에 질화갈륨층(GaN)을 성장시키는 제 2 단계와;

상기 질화갈륨층(GaN) 상부에 복수개의 발광 소자의 에피층을 성장시키는 제 3 단계와;

상기 발광 소자 에피층에서 질화갈륨층까지 일부 영역들을 선택적으로 식각하여 유전체막 패턴을 노출시키며, 복수개의 발광소자 영역으로 격리(Isolation)시키는 제 4 단계와;

상기 유전체막 패턴을 습식식각 공정을 통하여 제거하는 제 5 단계와;

상기 발광 소자 에피층 상부에 P전극층을 형성하고, 상기 P전극층 상부에 금속 지지부를 형성하는 제 6 단계와;

광 화학 습식 식각(Photo Chemical Wet-etching, PEC)공정을 수행하여 상기 사파이어 기판을 질화갈륨층으로부터 이탈시키는 제 7 단계와;

상기 사파이어 기판이 이탈된 질화갈륨층면을 평탄화시키고, 상기 평탄화된 질화갈륨층면에 N전극을 형성하는 제 8 단계와;

절단공정을 수행하여 복수개의 발광소자 영역을 분리시켜 낱개의 소자로 만드는 제 9 단계로 이루어진 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 유전체막 패턴은 실리콘 산화막(SiO₂) 패턴인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 4 단계 후의 상기 유전체막 패턴은,

하나의 발광 소자 영역 내부에 존재하는 제 1 영역과;

상기 제 1 영역과 연결되고, 발광 소자 영역 외부로 노출되는 제 2 영역을 갖는 형상으로 패터닝되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 유전체막 패턴은,

상호 이격된 복수개의 수직라인과,

이 수직라인에 교차되는 복수개의 수평라인으로 패터닝되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 지지부는,

상기 P전극층 상부에 도전성 본딩물질로 금속 기판을 본딩하거나, 또는 상기 P전극층 상부에 두꺼운 금속막을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 광 화학 습식 식각공정은,

전해액이 담겨져 있는 용기를 준비하고, 상기 사파이어 기판과 질화갈륨층의 계면이 상기 용기의 전해액 수면 하부에 위치시키고, 상기 금속 지지부에 전류원의 양극전극을 연결하고, 상기 전해액에 전류원의 음극전극을 담근 다음, 전류를 주입하면서 상기 사파이어 기판에 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 전해액은,

KOH인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.