KR100588377B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨층상에 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG) 공정을 행하기 위한 화합물층을 형성하는 단계; 상기 화합물층을 소정의 형상으로 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 화합물층상에, 상기 에피텍셜 측방 과성장 공정을 통해 n형 질화갈륨층을 형성하고, 그 위에 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 p형 질화갈륨층상에 구조지지층을 형성하는 단계; 상기 구조지지층을 형성한 후, 상기 1기판과 상기 기판상에 형성된 질화갈륨층을 순차적으로 제거하는 단계; 상기 질화갈륨층이 제거된 후 노출된 상기 패터닝된 화합물층을 제거함으로써, 오목형상으로 패터닝된 상기 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계; 및 상기 오목형상으로 패터닝된 n형 질화갈륨층상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 주요한 특징으로 함으로써, 수율 및 외부양자효율이 우수한 발광다이오드 소자를 제조할 수 있는 이점이 있다.
발광다이오드, LED, 수직구조 발광다이오드, ELOG, 외부양자효율
Description
도 1은 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면
도 2a 내지 도 2c는 미합중국 공개특허 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정단면도
도 3a 내지 도 3c는 미합중국 공개특허 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정확대단면도
도 4는 미합중국 공개특허 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 단면도
도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 단계별 공정단면도 및 사시도
도 6a 내지 도 6e는 상기 실시예의 변형예에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 일부 단계의 공정단면도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
505: 기판(사파이어 기판) 510: 제1질화갈륨층
515a, 615a: 화합물층(SiO2층) 515b, 615b: 패터닝된 화합물층
520a, 520b, 620: 포토레지스트 패턴 525: n형 제2질화갈륨층
530: 활성층 535: p형 제3질화갈륨층
540: p형 전극 545: 구조지지층
550: 투명전도산화물(TCO)층 555: n형 전극
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG) 공정을 응용하여 n형 질화갈륨층의 상면에 일정한 패턴을 형성함으로써, 광자의 외부 방출 효율을 높일 수 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨계 발광다이오드는 사파이어 기판위에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 발광다이오드의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데는 한계가 있었다. 특히, 발광다이오드의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 발광다이오드의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off:LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함) 기술을 이용한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드가 제안되었다.
그러나, 종래의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드에 있어서, 활성층에서 생성된 광자가 발광다이오드 외부로 방출되는 효율(이하, '외부양자효율'이라 칭함)이 저하되는 문제점이 있었다.
도 1은 상기 문제점을 상세히 설명하기 위한 도면으로서, 도 1을 참조하여 상기 문제점을 상세히 설명하면, 상기 활성층에서 생성된 광자가 공기의 굴절율(N2)보다 더 높은 굴절율(N1)을 가지는 질화갈륨(GaN)층을 통과한 후 공기 중으로 탈출하기 위해서는, 상기 질화갈륨층으로부터 공기중으로 입사하는 상기 광자의 입사각(θ1)이 임계각(θc) 미만이 되어야 한다.
이때, 상기 광자가 공기 중으로 탈출하는 탈출각(θ2)이 90°일때의 상기 임계각 θc는, θc = Sin-1(N2/N1)로 정의될 수 있고, 상기 질화갈륨층에서 굴절율이 1인 공기 중으로 빛이 진행할 때의 상기 임계각은 약 23.6°가 된다.
만약, 상기 입사각(θ1)이 상기 임계각(θc) 이상이 된다면, 상기 광자는 상기 질화갈륨층과 공기의 계면에서 전반사되어 다시 발광다이오드 내부로 돌아가서 상기 발광다이오드 내부에 갇히게 됨으로써, 외부양자효율은 매우 감소하게 된다.
상기와 같은 외부양자효율의 감소 문제를 해결하기 위해서, 미합중국 공개특허 공개번호 US20030222263에서는, n형 질화갈륨층의 표면에 반구형상의 볼록패턴 을 형성함으로써, 상기 질화갈륨층으로부터 공기중으로 입사하는 광자의 입사각(θ1)을 임계각(θc) 미만으로 낮추어 주었다.
상기 미합중국 공개특허 공개번호 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법은 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 미합중국 공개특허 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정단면도이고, 도 3a 내지 도 3c는 상기 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정확대단면도이며, 도 4는 상기 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(24)상에, 질화갈륨을 포함하는 발광다이오드 구조물(16) 및 p형 전극(18)을 형성한 후, 상기 p형 전극(18)상에 제1Pd층(26) 및 In층(28)을 형성한다. 그리고, Si기판(20) 하면에는 제2Pd층(30)을 형성한다.
그 다음, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 제2Pd층(30)이 형성된 상기 Si기판(20)을 상기 제1Pd층(26) 및 In층(28)이 형성된 상기 p형 전극(18)상에 접합한다.
그 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, LLO 공정을 통해 상기 사파이어 기판(24)을 제거한다.
그 다음, 도 3a에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(24)이 제거된 후 노출된 상기 발광다이오드 구조물(16) 표면(좀 더 상세히 표현한다면, n형 질화갈 륨층 표면)의 소정 부분에 포토레지스트 패턴(32)을 형성한다.
그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 리플로우(re-flow) 공정을 통해 상기 포토레지스트 패턴(32)을 반구형상으로 만든다.
그 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 이방성 식각(anisotropic etching) 방법을 통해 상기 발광다이오드 구조물(16)의 표면을 식각함으로써, 상기 발광다이오드 구조물(16) 표면을 반구 형상으로 패터닝시킨다.
마지막으로, 상기 발광다이오드 구조물(16)상에 n형 전극(34)을 형성하면, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 발광다이오드 구조물(16)의 표면이 패터닝된 발광다이오드 소자를 완성하게 되었다.
그러나, 상기 미합중국 공개특허 공개번호 US20030222263에 개시되어 있는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법에 의하여 제조된 발광다이오드 소자에 있어서, 상기 사파이어 기판(24)상에 발광다이오드 구조물(16)을 성장시킬 때에, 상기 사파이어 기판(24)과 상기 발광다이오드 구조물(16) 간의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차에 의해서 상기 발광다이오드 구조물(16)에 선 결함(threading dislocation)이 발생되어 발광다이오드 소자의 불량을 초래하는 문제점이 있었다.
그리고, 10㎛ 이하의 상기 발광다이오드 구조물(16: ThinGaN)을 다룰 경우에 있어서는, 서브(Sub) 지지대를 이용한다 하여도 상기 포토레지스트 패턴(32) 작업 및 후속 공정에 어려움이 있어 수율이 매우 낮게 된다.
또한, 상기 발광다이오드 구조물(16) 표면에 형성된 패턴이 반구형상의 볼록패턴이기 때문에, 활성층에서 생성된 광자의 외부 방출 경로가 길어지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 새로운 공정으로 n형 질화갈륨층 표면을 패턴화 함으로써 외부양자효율을 증가시키고, 또한 선 결함이 발생하지 않는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법은, 기판상에 질화갈륨층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨층상에 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG) 공정을 행하기 위한 화합물층을 형성하는 단계; 상기 화합물층을 소정의 형상으로 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 화합물층상에, 상기 에피텍셜 측방 과성장 공정을 통해 n형 질화갈륨층을 형성하고, 그 위에 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 p형 질화갈륨층상에 구조지지층을 형성하는 단계; 상기 구조지지층을 형성한 후, 상기 기판과 상기 기판상에 형성된 질화갈륨층을 순차적으로 제거하는 단계; 상기 질화갈륨층이 제거된 후 노출된 상기 패터닝된 화합물층을 제거함으로써, 오목형상으로 패터닝된 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계; 및 상기 오목형상으로 패터닝된 n형 질화갈륨층상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법은, 상기 p 형 질화갈륨층을 형성한 후, 상기 p형 질화갈륨층상에 p형 전극을 형성하거나, 또는 상기 구조지지층을 형성한 후, 상기 구조지지층상에 p형 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 구조지지층은 기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지지층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 화합물층은 SiO2 , SiNx(실리콘나이트라이드 계열)로 이루어진 화합물 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 화합물로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 화합물층을 패터닝하는 방법은, 상기 화합물층상에 소정의 형상으로 패터닝(patterning)된 패턴층을 형성하는 단계; 및 상기 패턴층을 마스크로 사용하여 상기 화합물층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 패턴층을 형성하는 방법은, 상기 화합물층상에 소정의 형상으로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴을 리플로우(re-flow)함으로써, 반구(半球) 형상의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 화합물층을 식각하는 방법은, 상기 리플로우된 포토레지스트 패턴과 상기 화합물층을 함께 식각함으로써, 상기 화합물층이 반구형상으로 패터닝되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반구형상은, 그 높이가 0.1 내지 5㎛ 이고, 그 지름은 0.5 내지 5㎛이며, 그 패턴 주기는 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법은, 상기 화합물층을 식각한 후, 상기 패턴층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 n형 질화갈륨층을 형성하는 방법은, 상기 패터닝된 화합물층상에 언도프드(undoped) 질화갈륨층을 형성하는 단계; 및 상기 언도프드 질화갈륨층상에 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층을 형성하는 방법은, 상기 언도프드 질화갈륨층상에, n형 불순물의 도핑농도를 점차적으로 높여가면서 질화갈륨층을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 언도프드 질화갈륨층의 두께는 0.1 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자는, 구조지지층; 상기 구조지지층의 상면 또는 하면에 형성된 p형 전극; 상기 p형 전극이 형성된 상기 구조지지층상에 형성된 p형 질화갈륨층; 상기 p형 질화갈륨층상에 형성된 활성층; 상기 활성층상에 형성되고 n형 불순물이 도핑된 n형 질화갈륨층; 상기 n형 질화갈륨층상에 형성되고 상면에 복수개의 오목부가 주기적으로 형성된 언도프드 질화갈륨층; 및 상기 언도프드 질화갈륨층상에 형성된 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 p형 전극이 상기 구조지지층의 하면에 형성된 경우, 상기 구조 지지층은 도전성기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지지층이고, 상기 p형 전극이 상기 구조지지층의 상면에 형성된 경우, 상기 구조지지층은 실리콘(Si)기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지지층인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 오목부는, 반구 형상으로서, 그 깊이는 0.1 내지 5㎛ 이고, 그 지름은 0.5 내지 5㎛이며, 그 패턴 주기는 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 언도프드 질화갈륨층의 두께는 0.1 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자는, 상기 언도프드 질화갈륨층상에 형성된 투명전도산화물(TCO)층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하되, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
<
실시예
>
도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 단계별 공정단면도 및 사시도이다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이, 기판(505)상에 제1질화갈륨(GaN)층(510)을 성장시킨다. 상기 제1질화갈륨층(510)은 불순물이 도핑되지 않은 언도프드(Undoped) 질화갈륨층으로서 시간당 1㎛로 0.5 내지 1.5시간동안 성장시킨다.
여기서, 본 실시예에서는 상기 기판(505)으로서 사파이어기판을 사용한다.
그 다음, 상기 제1질화갈륨층(510)상에 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: 이하 'ELOG'라 칭함) 공정을 행하기 위한 화합물층(515a)을 형성한다. 상기 ELOG 공정은 SiO2 나 SiNx(실리콘나이트라이드 계열) 화합물을 기반으로 할 때에 그 수율이 가장 우수하므로, 상기 화합물층(515a)은 SiO2 나 SiNx(실리콘나이트라이드 계열) 화합물임이 바람직하다.
본 실시예에서는, 상기 화합물층(515a)으로서 SiO2층(515a)을 화학기상증착(CVD)법이나 스퍼터(sputter)를 사용하여 형성한다.
그 다음, 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 SiO2층(515a)상에 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 광반응 폴리머를 1 내지 5㎛의 두께로 도포한 후, 광 반응 및 마스크를 이용하여 상기 광반응 폴리머를 0.5 내지 5㎛간격을 갖는 소정의 형상으로 패터닝함으로써 포토레지스트 패턴(520a)을 형성한다. 다만, 후술하는 공정으로서 n형 전극을 형성할 부분을 고려하여, 상기 SiO2층(515a)의 소정 부분에는 상기 포토레지스트 패턴(520a)을 형성하지 않을 수 있다.
본 실시예에서는 상기 마스크로서 격자 형상의 마스크를 사용함으로써, 상기 광반응 폴리머가 0.5 내지 5㎛간격을 갖는 직육면체 형상이 되도록 패터닝 한다.
그 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 직육면체 형상의 포토레지스트 패턴(520a)을 100 내지 150℃의 온도에서 약 1 내지 5분간 리플로우(re-flow) 함으로 써, 반구(半球)형상의 포토레지스트 패턴(520b)을 형성한다.
그 다음, 상기 반구형상의 포토레지스트 패턴(520b)을 마스크로 사용하여 상기 SiO2층(515a)을 식각한다. 이때, ICP-RIE 장비를 이용하여 BCl3 와 HBr가스를 사용하여 식각함으로써, 상기 반구형상의 포토레지스트 패턴(520b)과 상기 SiO2층(515a)이 함께 식각되고, 결과적으로 도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 SiO2층(515a)이 반구형상의 패턴(515b)으로 식각된다. 도 5e는 상기 SiO2층(515a)이 반구형상의 패턴(515b)으로 식각된 것을 나타내는 사시도이다.
여기서, 상기 반구형상의 패턴으로 식각된 SiO2층(515b)에 있어서, 그 반구의 높이는 0.1 내지 5㎛ 이고, 그 지름은 0.5 내지 5㎛이며, 그 패턴 주기는 0.5 내지 5㎛임이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 한정된 수치 범위를 벗어난 상태로서 상기 반구형상의 패턴을 형성하는 경우, 후술하는 바와 같이, 상기 반구형상의 패턴에 상응하여 n형 질화갈륨층 표면을 패터닝하게 되고, 그러한 패턴으로 형성된 n형 질화갈륨층의 표면으로서는 외부양자효율의 향상을 기대하기 어렵기 때문이다.
그 다음, 도 5f에 도시한 바와 같이, 반구형상으로 패터닝된 상기 SiO2층(515b)상에, 상기 ELOG 공정을 통해 n형 제2질화갈륨층(525)을 형성한다.
상기 ELOG 공정을 통해 형성된 상기 n형 제2질화갈륨층(525)은 선 결함이 나타나지 않음으로써, 양질의 상기 n형 제2질화갈륨층(525)을 형성할 수 있는 특징이 있다.
한편, 상기 n형 제2질화갈륨층(525)은 하나의 층으로 형성할 수 있으나, 전류 퍼짐(current spreading) 현상을 향상시킴으로써 소자의 중심부로만 전류가 흐르는 커런트 크라우딩(current crowding) 현상을 방지하기 위해서는 상기 n형 제2질화갈륨층(525)을 두 개의 층으로 형성함이 바람직하다.
즉, 상기 반구형상으로 패터닝된 SiO2층(515b)상에, 상기 ELOG 공정을 통해 n형 불순물이 도핑되지 않은 언도프드(undoped) 질화갈륨층(525a)을 소정의 두께로 형성한 후, 상기 언도프드(undoped) 질화갈륨층(525a)상에 n형 불순물이 도핑된 n형 질화갈륨층(525b)을 형성한다. 상기 언도프드 질화갈륨층(525a)은 상기 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층(525b)보다 저항이 높기 때문에 커런트 블록킹(current blocking)막으로서의 역할을 하게 되고, 따라서 소자 전체로 전류가 퍼질 수 있게 한다.
여기서, 상기 언도프드 질화갈륨층(525a)의 두께가 0.1㎛미만일 때에는 상기 전류 퍼짐 현상을 발생시키기 곤란하고, 그 두께가 1㎛ 초과일 때에는 소자에 흐르는 전류의 양이 너무 적어질 염려가 있으므로, 상기 언도프드 질화갈륨층(525a)의 두께는 0.1 내지 1㎛임이 바람직하다.
또한, 상기 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층(525b)을 형성할 때에 그 도핑농도를 일정하게 유지하는 것보다는, 상기 언도프드 질화갈륨층(525a)에 접하는 부분으로부터 점차적으로 n형 불순물의 도핑농도를 높여가면서 질화갈륨층을 성장시킴으로써, 전류 퍼짐 현상을 더욱 향상시킬 수 있다.
그 다음, 상기 n형 제2질화갈륨층(525)상에 활성층(530) 및 p형 제3질화갈륨층(535)을 순차적으로 형성한다.
그 다음, 상기 p형 제3질화갈륨층(535)상에 p형 전극(540)을 형성하는데, 상기 p형 전극(540)은 후술하는 바와 같이, 구조지지층(545)상에 형성될 수도 있다.
그 다음, 상기 p형 전극(540)상에 상기 구조지지층(545)을 형성한다. 특히, 상기 구조지지층(545)이 기판(예를 들어, 실리콘 기판)인 경우의 형성방법을 설명하면, 먼저 상기 p형 전극(540)상에 금속 공융(eutectic)접합층(미도시)을 형성한다. 이때, 상기 공융접합층은 실리콘기판을 공융 접합법으로 부착하기 위하여 형성하는 것으로, 제1금속막과 제2금속막으로 구성된 금속합금층이다. 이때, 상기 금속합금층은 납(Pb), 인(In), 주석금(AuSn), 주석(Sn), 금(Au) 등의 금속을 이용하여 증착한다. 그 다음, 상기 공융접합층에 소정의 온도와 압력을 가한 후 상기 공융접합층상에 상기 실리콘기판을 접합한다.
경우에 따라서는, 상기 구조지지층(545)은 전기도금법을 사용하여 형성된 도금층일 수 있고, 또는 메탈기판을 상기 공융 접합법으로 접합하여 형성할 수도 있다.
여기서, 상기 구조지지층(545)은 발광다이오드 소자의 제조공정 및 발광다이오드 소자의 최종 패키징 공정시에 발생할 수 있는 외부의 충격에 의해 소자가 손상을 받지 않도록 소자의 형태를 유지할 수 있는 기능을 한다.
한편, 상술한 바와 같이, 상기 p형 제3질화갈륨층(535)상에 상기 p형 전극(540)을 형성하지 않은 경우, 본 단계에서 상기 구조지지층(545)상에 상기 p형 전 극(540)을 형성한다. 이때, 상기 구조지지층(545)은 도전성 물질이어야 전류를 도통시킬 수 있으므로, 상기 구조지지층(545)은 금속 등의 도전성 물질(예를 들어, 도전성기판 또는 도금층)로 형성하여야 한다.
그 다음, 도 5g에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어기판(505)을 LLO 공정을 통해 제거한다.
그 다음, 도 5h에 도시한 바와 같이, ICP-RIE 장비를 이용하여 상기 제1질화갈륨층(510)을 모두 제거함으로써, 상기 반구형상으로 패터닝된 SiO2층(515b)을 노출시킨다.
그 다음, 도 5i에 도시한 바와 같이, BHF(Buffered Hydrofluoric acid)용액을 사용하여 상기 노출된 SiO2층(515b)을 제거함으로써, 오목한 반구형상의 패턴을 갖는 n형 제2질화갈륨층 표면을 형성한다.
그 다음, 도 5j에 도시한 바와 같이, 전류 퍼짐 현상을 향상시키기 위해, 선택적으로, 상기 패터닝된 n형 제2질화갈륨층(525)상에 투명전도산화물(TCO)층(550)을 형성할 수도 있다.
마지막으로, 상기 투명전도산화물층(550)이 형성된 상기 n형 제2질화갈륨층상(525)에 n형 전극(555)을 형성하고, 소자 분리공정을 행함으로써, 본실시예에 의한 발광다이오드 소자의 제조를 완성한다.
도 5j는 본 실시예에 의해 제조된 발광다이오드 소자의 단면도로서, 상기 n형 제2질화갈륨층(525)상에 오목한 반구형상의 패턴을 형성함으로써, 상기 활성층 (530)에서 생성된 광자가 상기 n형 제2질화갈륨층(525)에 형성된 오목한 반구로 입사할 경우, 그 입사각이 임계각 미만이 될 확률이 높아짐으로써, 발광다이오드 소자의 전체 외부양자효율의 증가를 가져오게 된다.
<상술한
실시예의
변형예
>
도 6a 내지 도 6e는 상술한 실시예의 변형예에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 일부 단계의 공정단면도이다.
먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 상술한 실시예와 동일한 방법으로 SiO2층 (615a)을 형성한다.
그 다음, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 SiO2층(615a)상에 포토리소그라피 공정을 통해 광반응 폴리머를 1 내지 5㎛의 두께로 도포한 후, 광 반응 및 마스크를 이용하여 상기 광반응 폴리머를 0.5 내지 5㎛간격을 갖는 소정의 형상으로 패터닝함으로써 포토레지스트 패턴(620)을 형성한다.
본 변형예에서는 상기 마스크로서 격자 형상의 마스크를 사용함으로써, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 광반응 폴리머가 0.5 내지 5㎛간격을 갖는 직육면체 형상이 되도록 패터닝 한다.
그 다음, 도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 직육면체형상의 포토레지스트 패턴(620a)을 마스크로 사용하여 상기 SiO2층(615a)을 식각함으로써, 패턴된 SiO2층(615b)을 형성한다. 이때, 상술한 실시예와 달리, 상기 직육면체형상의 포토레지스 트 패턴(620)을 마스크로 사용하여 상기 SiO2층(615a)만을 식각한다.
그 다음, 도 6d에 도시한 바와 같이, 아세톤 용액 등을 사용하여 상기 포토레지스트 패턴(620)을 제거한다.
그 후, 상기 패턴된 SiO2층(615b)상에 ELOG 공정을 행하는 등의 상술한 실시예의 공정을 동일하게 진행하여 본 변형예에 의한 발광다이오드 소자의 제조를 완성한다.
도 6e는 본 변형예에 의해 제조된 발광다이오드 소자의 단면도로서, n형 제2질화갈륨층상에 오목한 직육면체형상의 패턴을 형성함으로써, 소자 전체의 외부양자효율의 증가를 가져오게 된다.
상술한 실시예 및 변형예에서는 설명의 편의상 반구형상 또는 직육면체형상의 패턴을 가진 n형 제2질화갈륨층 표면을 형성하였으나, 상기 포토레지스트 패턴을 다양하게 변경함으로써, 다양한 형상의 패턴을 가진 n형 제2질화갈륨층 표면을 형성할 수도 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 의하면, 발광다이오드 소자 구조물을 형성할 때에 선 결함이 발생하지 않고, 또한 n형 질화갈륨층의 표면에 오목한 패턴을 형성하기 용이한 공정을 행함으로써, 수율 및 외부양자효율이 우수한 발광다이오드 소자를 제조할 수 있다.
또한, n형 질화갈륨층의 표면에 오목한 패턴을 형성함으로써, 활성층에서 생성된 광자의 외부 방출 경로를 줄일 수 있는 이점이 있다.
Claims (18)
- 기판상에 질화갈륨층을 형성하는 단계;상기 질화갈륨층상에 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG) 공정을 행하기 위한 화합물층을 형성하는 단계;상기 화합물층을 소정의 형상으로 패터닝하는 단계;상기 패터닝된 화합물층상에, 상기 에피텍셜 측방 과성장 공정을 통해 n형 질화갈륨층을 형성하고, 그 위에 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 p형 질화갈륨층상에 구조지지층을 형성하는 단계;상기 구조지지층을 형성한 후, 상기 기판과 상기 기판상에 형성된 질화갈륨층을 순차적으로 제거하는 단계;상기 질화갈륨층이 제거된 후 노출된 상기 패터닝된 화합물층을 제거함으로써, 오목형상으로 패터닝된 n형 질화갈륨층을 형성하는 단계; 및상기 오목형상으로 패터닝된 n형 질화갈륨층상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 p형 질화갈륨층을 형성한 후, 상기 p형 질화갈륨층상에 p형 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 구조지지층을 형성한 후, 상기 구조지지층상에 p형 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 구조지지층은,기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지지층인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 화합물층은,SiO2 , SiNx(실리콘나이트라이드 계열)로 이루어진 화합물 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 화합물층을 패터닝하는 방법은,상기 화합물층상에 소정의 형상으로 패터닝(patterning)된 패턴층을 형성하는 단계; 및상기 패턴층을 마스크로 사용하여 상기 화합물층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 패턴층을 형성하는 방법은,상기 화합물층상에 소정의 형상으로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴을 리플로우(re-flow)함으로써, 반구(半球) 형상의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 화합물층을 식각하는 방법은,상기 리플로우된 포토레지스트 패턴과 상기 화합물층을 함께 식각함으로써, 상기 화합물층이 반구형상으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,상기 반구형상은,그 높이가 0.1 내지 5㎛ 이고, 그 지름은 0.5 내지 5㎛이며, 그 패턴 주기는 0.5 내지 5㎛가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 화합물층을 식각한 후, 상기 패턴층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 n형 질화갈륨층을 형성하는 방법은,상기 패터닝된 화합물층상에 언도프드(undoped) 질화갈륨층을 형성하는 단계; 및상기 언도프드 질화갈륨층상에 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층을 형성하는 방법은,상기 언도프드 질화갈륨층상에, n형 불순물의 도핑농도를 점차적으로 높여가 면서 질화갈륨층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 언도프드 질화갈륨층의 두께는 0.1 내지 1㎛가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 구조지지층;상기 구조지지층의 상면 또는 하면에 형성된 p형 전극;상기 p형 전극이 형성된 상기 구조지지층상에 형성된 p형 질화갈륨층;상기 p형 질화갈륨층상에 형성된 활성층;상기 활성층상에 형성되고 n형 불순물이 도핑된 n형 질화갈륨층;상기 n형 질화갈륨층상에 형성되고 상면에 복수개의 오목부가 주기적으로 형성된 언도프드 질화갈륨층; 및상기 언도프드 질화갈륨층상에 형성된 n형 전극을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제14항에 있어서,상기 p형 전극이 상기 구조지지층의 하면에 형성된 경우, 상기 구조지지층은 도전성기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지 지층이고, 상기 p형 전극이 상기 구조지지층의 상면에 형성된 경우, 상기 구조지지층은 실리콘(Si)기판, 도금층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 구조지지층인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제14항에 있어서,상기 오목부는,반구 형상으로서, 그 깊이는 0.1 내지 5㎛ 이고, 그 지름은 0.5 내지 5㎛이며, 그 패턴 주기는 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제14항에 있어서,상기 언도프드 질화갈륨층의 두께는 0.1 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제14항에 있어서,상기 언도프드 질화갈륨층상에 형성된 투명전도산화물(TCO)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
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