KR100597165B1

KR100597165B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR100597165B1
Application number: KR1020050025472A
Authority: KR
Inventors: 최석범; 김동우; 공문헌; 최희석
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-07-04

Abstract

본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 내측부에 반사막을 형성하는 단계; 상기 반사막 상에 금속 구조지지층을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계; 및 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극을 형성하고 소자(素子)로서 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 함으로써, LLO 공정을 통한 상기 사파이어 기판을 제거하기가 용이하고, 불량률이 적은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제조할 수 있는 이점이 있다.

발광다이오드, LED, 수직구조 발광다이오드, 사파이어 기판, 패턴

Description

수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법{Manufacturing method of vertically structured GaN type Light Emitting Diode device}

도 1a 및 도 1b는 종래의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정단면도

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 대한 변형예로서의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제2실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

205, 405 : 사파이어 기판 210, 410 : 질화갈륨계 LED 구조물

215, 415 : 패턴 220a, 220b, 420a, 420b : 반사막

225, 305a, 305b, 425 : 금속 구조지지층

본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off:LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함) 기술을 이용하여 사파이어 기판을 용이하게 제거할 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력, ESD(electostatic discharge)같은 칩의 특성을 개선 시키는데 한계가 있다. 특히, LED의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 LED의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 상기 LLO 공정을 이용한 수직구조 질화갈륨계 LED가 제안되었다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED의 문제점을 설명하기 위한 공정단면도로서, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판(105)상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물(110)을 형성한 후, 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 반사막(115)을 형성하였다.

그 다음, 도금법을 사용하여 상기 반사막(115) 상에 금속 구조지지층(120)을 형성하였는데, 이러한 도금법을 사용할 경우, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 금속 구조지지층(120)이 상기 질화갈륨계 LED 구조물(110) 및 사파이어 기판(105) 측 면까지 형성되는 경우가 발생하였다. 이는, 도금법을 사용하여 상기 반사막(115) 상에만 상기 금속 구조지지층(120)을 형성하기가 매우 어렵기 때문이다.

이 경우, 상기 금속 구조지지층(120)과 상기 사파이어 기판(105)이 접합되기 때문에 상기 LLO 공정을 통하여 상기 사파이어 기판(105)을 제거하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 상기 금속 구조지지층(120)이 접합된 상기 사파이어 기판(105)을 제거하는 과정에서 상기 질화갈륨계 LED 구조물(110)에 손상을 입히는 경우가 발생되어 불량한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제조하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 도금법에 의한 금속 구조지지층의 형성으로 인하여 발생되는 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 패터닝(patterning)된 반사막 상에 금속 구조지지층을 형성함으로써 사파이어 기판을 제거하기 용이하게 하고, 그로 인하여 불량률이 적은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은, 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 내측부에 반사막을 형성하는 단계; 상기 반사막 상에 금속 구조지지층을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계; 및 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극을 형성하고 소자(素子)로서 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 반사막을 형성하는 방법은, 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 외주부(外周部)에 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 질화갈륨계 LED 구조물 상에 반사막을 형성하는 단계; 및 상기 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 패턴을 제거하는 방법은, 상기 금속 구조지지층을 형성한 후 상기 패턴을 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴은, 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이의 영역에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사막을 형성하는 방법은, 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 반사막을 형성하는 단계; 상기 반사막의 상면 내측부에 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴을 마스크로 사용하여 상기 반사막을 식각하는 단계; 및 상기 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴은 상기 반사막의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이를 제외한 영역에 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 의한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하되, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.

< 제1실시예 >

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(205)상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물(210)을 형성한다.

그 다음, 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210)의 상면 외주부(外周部)에 포토레지스트 등의 광반응 폴리머(polymer)를 사용하여 패턴(215)을 형성한다.

이때, 상기 패턴을 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210)의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 미만에서 형성하는 것은 상기 사파이어 기판을 용이하게 제거하고자 하는 본 발명의 목적을 달성하기 어렵게 하고, 또한 상기 패턴이 형성된 부분은 후술하는 바와 같이 반사막 및 금속 구조지지층이 형성되지 못하는 부분으로서 발광 다이오드의 특성을 발휘할 수 없는 부분이기 때문에, 상기 패턴을 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210)의 상면 외주연으로부터 내측으로 5㎛를 초과하여 형성하는 것은 재료의 손실을 가져옴으로써 발광다이오드 소자의 제조 수율을 크게 감소시킨다. 따라서, 상기 패턴은 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210)의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이의 영역에 형성함이 바람직하다.

그 다음, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 패턴(215)이 형성된 질화갈륨계 LED 구조물(210) 상에 반사막(220a, 220b)을 증착한다. 상기 반사막(220a, 220b)의 증착은 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터링 (Sputtering), 화학기상증착(CVD) 방식 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 반사막(220a)은 상기 패턴(215)상에 형성되고 또한, 상기 반사막(220b)은 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210) 상에도 형성되기 때문에, 결국 상기 반사막(220a, 220b)은 외주부와 내측부로 분리되어 형성된다.

그 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 스트리퍼(stripper)등의 유기용제(예를 들어, 아세톤 용액)를 사용하여 상기 패턴(215)을 제거하게 되는데, 이 경우 외주부 영역에 형성된 상기 패턴(215)상에 증착되어 있는 반사막(220a)도 함께 제거됨으로써, 결국 내측부에 패터닝된 반사막(220b)만이 남게 된다. 이러한 패터닝된 반사막(220b)은 후술하는 금속 구조지지층의 도금을 위한 씨드 메탈(seed metal)로 작용한다.

여기서, 상기 반사막(220a,220b)은 광자 반사율이 좋은 일반적인 금속을 사용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어, Cu, Ni, Au, Ag, Al, Pt(구리, 니켈, 금, 은, 알루미늄, 백금) 등의 금속 또는 그 합금이 사용될 수 있다.

그 다음, 도 2d에 도시한 바와 같이, 패터닝된 상기 반사막(220b) 상에 도금법을 사용하여 금속 구조지지층(225)을 형성한다. 여기서, 상기 금속 구조지지층(225)은 LED 소자의 제조공정 및 LED 소자의 최종 패키징 공정시에 발생할 수 있는 외부의 충격에 의해 소자가 손상을 받지 않도록 소자의 형태를 유지할 수 있는 기능을 한다.

특히, 상기 금속 구조지지층(335)의 두께가 60μm 미만이면 소자의 형태를 유지할 수 있는 기능을 가지기 어렵고, 상기 금속 구조지지층(225)의 하부에 형성 될 수 있는 다른 전도성 물질과 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210)이 서로 쇼트(short)될 수 있다. 한편, 상기 금속 구조지지층(225)의 두께가 100μm 이상이면 LED 소자가 너무 커지게 되어 최종적인 칩(chip) 구현이 곤란하게 된다. 따라서, 상기 금속 구조지지층(225)의 두께는 60μm 내지 100μm가 바람직하다.

한편, 상기 금속 구조지지층(225)을 형성할 때에 상기 반사막(220b)의 측면에도 상기 금속 구조지지층(225)이 형성될 수는 있으나, 이 경우에도 상기 금속 구조지지층(225)이 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210) 및 사파이어 기판(205)의 측면까지 형성되지는 못한다. 왜냐하면, 상기 반사막(220b)과 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210) 사이에 형성된 단차진 부분이, 상기 금속 구조지지층(225)이 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210) 및 상기 사파이어 기판(205)의 측면까지 형성되는 것을 차단하기 때문이다.

상기 금속 구조지지층(225)을 형성할 때에 사용되는 도금법으로는 정류기를 사용하여 금속을 석출하는 전해 도금 방식, 환원제를 사용하여 금속을 석출하는 무전해 도금 방식이 사용될 수 있고, 그 외에도 상술한 열증착, 전자선증착, 스퍼터링, 화학기상증착 등의 방식이 사용될 수 있다.

그리고, 상기 금속 구조지지층(225)의 재료는 열 및 전기 전도성이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 Cu, Ni, Co, W, Mo, Au, Al, Pt, Pd, Ti, Ta, Sn, Fe, Cr(구리, 니켈, 코발트, 텅스텐, 몰리브덴, 금, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 티타늄, 탄탈룸, 주석, 철, 크롬)등의 금속 또는 그 합금이 사용될 수 있다.

그 다음, 도 2e에 도시한 바와 같이, LLO 공정을 통하여 상기 사파이어 기판(205)을 제거한다. 이때, 상술한 바와 같이, 상기 금속 구조지지층(225)이 상기 질화갈륨계 LED 구조물(210) 및 사파이어 기판(205)의 측면까지 형성되지 않으므로 상기 사파이어 기판(205)의 제거가 용이하게 된다.

그 다음, 상기 사파이어 기판(205)이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극을 형성한다.

그 다음, 건식식각, 습식식각 또는 레이저 스크라이빙 등을 통하여 소자 분리 공정을 실행하고 또한, 열처리(annealing) 공정을 실행하여 최종적으로 본 발명의 제1실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 완성한다.

< 제1실시예의 변형예 >

도 3a 및 도 3b는 상술한 제1실시예에 대한 변형예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

상술한 제1실시예에서는 패턴(215)이 형성된 질화갈륨계 LED 구조물(210) 상에 반사막(220a,220b)을 증착한 후 상기 패턴(215)을 제거한 다음 패터닝된 상기 반사막(220b) 상에 금속 구조지지층(225)을 형성하였으나, 본 변형예에서는 도 3a에 도시한 바와 같이, 상기 패턴(215)이 형성된 질화갈륨계 LED 구조물(210) 상에 반사막(220a,220b)을 증착한 후 상기 반사막(220a,220b) 상에 상기 금속 구조지지층(305a,305b)을 형성한다. 여기서, 상기 금속 구조지지층(305a,305b)은 상기 반사막(220a,220b)과 마찬가지로 외주부에 형성된 금속 구조지지층(305a)과 내측부에 형성된 금속 구조지지층(305b)으로 분리되어 형성된다. 이 경우, 상기 금속 구조지지층(305a,305b)이 분리되어 형성될 수 있도록 하기 위해서는 상기 금속 구조지지층(305a,305b)의 두께를 감안하여 상기 패턴(215)의 높이를 상술한 제1실시예에서의 패턴(215)의 높이 보다 더 높일 필요성이 있을 수 있다.

그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 패턴(215)을 제거하게 되는데, 이 경우 외주부 영역에 형성된 상기 패턴(215)상에 증착되어 있는 반사막(220a)과 금속 구조지지층(305a)도 함께 제거됨으로써, 결국 내측부에 패터닝된 반사막(220b)과 금속 구조지지층(305a)만이 남게 된다.

그 다음 진행되는 사파이어 기판 제거공정, n형 전극 형성공정 및 소자분리공정 등은 상술한 제1실시예와 동일하게 진행된다.

< 제2실시예 >

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제2실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 상술한 제1실시예와 마찬가지로 사파이어 기판(405) 상에 질화갈륨계 LED 구조물(410)을 형성한다.

그 다음, 상기 질화갈륨계 LED 구조물(410)상에 반사막(420a)을 형성한다.

그 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 반사막(420a)의 내측부에 포토레지스트 등의 광반응 폴리머를 사용하여 패턴(415)을 형성한다. 이때, 상기 패턴(415)은 상기 반사막(420a)의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이 를 제외한 영역에 형성함이 바람직하다. 이는 상술한 제1실시예에서와 마찬가지의 이유 때문이다.

그 다음, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 패턴(415)을 마스크로 사용하여 상기 패턴(415)이 형성되어 있지 않은 상기 반사막(420a) 부분을 식각한다. 이때 사용될수 있는 식각방법으로는 건식식각, 습식식각 등이 사용될 수 있는데, 본 실시예에서는 ICP-RIE 장비를 이용한 건식식각 방법을 사용한다.

그 다음, 상기 패턴(415)을 제거하게 되는데, 그러면 도 4d에 도시한 바와 같이, 외주부가 제거된 반사막(420b)이 형성된다.

그 다음, 도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 외주부가 제거된 반사막(420b) 상에 금속 구조지지층(425)을 형성한 후, LLO 공정을 통하여 상기 사파이어 기판(405)을 제거한다.

그 다음, n형 전극 형성 공정, 소자 분리 공정 및 열처리공정 등을 실행하여 최종적으로 본 발명의 제2실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 완성한다.

본 실시예에서도 상술한 제1실시예와 마찬가지로, 상기 반사막(420b)과 상기 질화갈륨계 LED 구조물(410) 사이에 형성된 단차진 부분이 상기 금속 구조지지층(425)이 상기 질화갈륨계 LED 구조물(410) 및 상기 사파이어 기판(405)의 측면까지 형성되는 것을 차단하기 때문에 상기 사파이어 기판(405)의 제거 공정을 용이하게 진행할 수 있다.

한편, 상기 반사막(420a), 상기 패턴(415) 및 상기 금속 구조지지층(425)의 형성방법 및 재질 등은 상술한 제1실시예와 동일하다.

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 LED 소자의 제조방법에 의하면, 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 내측부에 반사막을 형성하고 상기 반사막 상에 금속 구조지지층을 도금함으로써, 상기 금속 구조지지층이 사파이어 기판의 외측면까지 형성될 수 있는 가능성을 미연에 방지할 수 있고, 그로 인하여 LLO 공정을 통한 상기 사파이어 기판을 제거하기가 용이하게 되는 효과가 있다.

또한, 상기 사파이어 기판의 제거가 용이함으로 인하여 상기 사파이어 기판의 제거 공정시 상기 질화갈륨계 LED 구조물에 손상을 입힐 가능성이 적게 되어, 불량률이 적은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제조할 수 있는 이점이 있다.

Claims

사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계;

상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 내측부에 반사막을 형성하는 단계;

상기 반사막 상에 금속 구조지지층을 형성하는 단계;

상기 사파이어 기판을 제거하는 단계; 및

상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극을 형성하고 소자(素子)로서 분리하는 단계를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 반사막을 형성하는 방법은,

상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 외주부(外周部)에 패턴을 형성하는 단계;

상기 패턴이 형성된 질화갈륨계 LED 구조물 상에 반사막을 형성하는 단계; 및

상기 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 패턴을 제거하는 방법은, 상기 금속 구조지지층을 형성한 후 상기 패턴을 제거하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 패턴은, 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이의 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 반사막을 형성하는 방법은,

상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 반사막을 형성하는 단계;

상기 반사막의 상면 내측부에 패턴을 형성하는 단계;

상기 패턴을 마스크로 사용하여 상기 반사막을 식각하는 단계; 및

상기 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 패턴은, 상기 반사막의 상면 외주연으로부터 내측으로 0.1㎛ 내지 5㎜ 사이를 제외한 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.