KR100610633B1 - Led having vertical structure and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
전기 전도도와 방열 성능을 개선할 수 있는 수직 구조 발광 다이오드 및 그 제조 방법이 개시된다. 수직 구조 발광 다이오드는 기판, 발광 구조물, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 방열 도전부를 포함한다. 발광 구조물은 기판상에 형성되고, 제 1 전극은 발광 구조물 상에 형성된다. 방열 도전부는 발광 구조물과 접하여 기판 내부에 형성되며, 제 2 전극은 방열 도전부에 접하도록 형성된다. 기판 내부에 발광 구조물과 전극 사이를 연결하는 방열 도전부를 형성함으로써 발광 다이오드의 방열 성능 및 전기 전도도를 개선할 수 있다.A vertical structure light emitting diode capable of improving electrical conductivity and heat dissipation performance and a method of manufacturing the same are disclosed. The vertical structure light emitting diode includes a substrate, a light emitting structure, a first electrode, a second electrode, and a heat dissipation conductive portion. The light emitting structure is formed on the substrate, and the first electrode is formed on the light emitting structure. The heat dissipation conductive portion is formed in the substrate in contact with the light emitting structure, and the second electrode is formed in contact with the heat dissipation conductive portion. By forming a heat dissipation conductive part connecting the light emitting structure and the electrode to the inside of the substrate, it is possible to improve heat dissipation performance and electrical conductivity of the light emitting diode.
발광 다이오드, 수직 구조, 방열 도전부, 건식 식각 Light Emitting Diode, Vertical Structure, Heat Dissipation Conductive Part, Dry Etching
Description
도 1은 종래의 수평 구조 발광 다이오드의 일 예의 단면도.1 is a cross-sectional view of an example of a conventional horizontal structure light emitting diode.
도 2는 수직 구조 발광 다이오드의 일 예의 단면도.2 is a cross-sectional view of an example of a vertical structure light emitting diode.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도.3A is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
도 3b는 도 3a의 A A 선에 따라 절단된 수직 구조 발광 다이오드의 단면도.3B is a cross-sectional view of the vertical structure light emitting diode cut along the line A A of FIG. 3A.
도 4a 내지 도 4j는 도 3a의 수직 구조 발광 다이오드 제조를 위한 제 1 방법의 단계별 공정을 도시한 도면.4A-4J illustrate step-by-step processes of the first method for fabricating the vertical structure light emitting diode of FIG. 3A.
도 5a 내지 도 5j는 도 3a의 수직 구조 발광 다이오드 제조를 위한 제 2 방법의 단계별 공정을 도시한 도면.5A-5J illustrate step-by-step processes of a second method for manufacturing the vertical structure light emitting diode of FIG. 3A.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도.6 is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
도 7a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도.7A is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a third embodiment of the present invention.
도 7b는 도 7a의 B B 선에 따라 절단된 수직 구조 발광 다이오드의 단면도.FIG. 7B is a cross-sectional view of the vertical structure light emitting diode cut along the line B B of FIG. 7A.
도 8a 내지 도 8j는 도 7a의 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법의 단계별 공정을 도시한 도면.8A to 8J illustrate step-by-step processes of the method for manufacturing the vertical structure light emitting diode of FIG. 7A.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
410: 사파이어 기판410: sapphire substrate
420: 실리콘 기판420: silicon substrate
430: 반사층430: reflective layer
440: 도전성 접착층440: conductive adhesive layer
450: 발광 구조물450: light emitting structure
460: 방열 도전부460: heat dissipation conductive portion
470, 490: 전극470, 490: electrode
본 발명은 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode manufacturing method, and more particularly to a vertical structure light emitting diode manufacturing method.
발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode)는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서, 광통신, 전자 기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다.Light emitting diodes (LEDs) are semiconductor devices that emit light based on recombination of electrons and holes, and are widely used as light sources of various types in optical communication and electronic devices.
발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 색깔은 발광 다이오드의 제조에 사용되는 반도체 재료에 따라 달라진다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band gap)에 따라 달라지기 때문이다. 현재, 빨간색부터 노란색까지의 발광을 위해서는 AlGaInP, 청색부터 녹색까지의 발광을 위해서는 InGaN이 많이 사용되고 있다.The color of the light emitted by the light emitting diode depends on the semiconductor material used in the manufacture of the light emitting diode. This is because the wavelength of the emitted light depends on the band gap of the semiconductor material, which represents the energy difference between the valence band electrons and the conduction band electrons. Currently, AlGaInP is used to emit light from red to yellow, and InGaN is used to emit light from blue to green.
도 1은 종래의 수평 구조 발광 다이오드 단면도의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 발광 다이오드는 수평 구조GaN 발광 다이오드로서, GaN 발광 다이오드(100)는 사파이어 기판(110), 및 사파이어 기판(110) 상에 형성된 GaN 발광 구조물(150)을 포함한다.1 is a view showing an example of a cross-sectional view of a conventional horizontal structure light emitting diode. The light emitting diode shown in FIG. 1 is a horizontal structure GaN light emitting diode, and the GaN
GaN 발광 구조물(150)은 사파이어 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 GaN 클래드 층(152), 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well) 구조의 활성층(154), 및 p형 GaN 클래드층(156)으로 구성된다. 발광 구조물(150)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)와 같은 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 이때, n형 GaN 클래드층(152)을 성장시키기 전에 사파이어 기판(110)과의 격자 정합을 향상시키기 위해 AlN/GaN으로 이루어진 버퍼층(미도시)을 형성할 수도 있다.The GaN
소정의 영역에 해당하는 p형 클래드층(156)과 활성층(154)을 건식 식각하여 n형 GaN 클래드층(152)의 일부 상면을 노출시키고, 노출된 n형 컨택(190)과 p형 컨택(170)을 형성한다. 일반적으로 전류 주입 면적을 증가시키면서 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서 p형 클래드층(156) 상면에는 p형 컨택(170)을 형성하기 전에 투명 전극(transparent electrode; 160)을 형성할 수도 있다.The p-
그러나 이와 같은 구조의 GaN 발광 다이오드(100)는 절연 물질인 사파이어 기판(110)을 사용하기 때문에, n형 컨택(190)으로부터 활성층(154)을 통해 p형 컨택(170)으로 향하는 전류 흐름이 수평 방향을 따라 협소하게 형성될 수밖에 없다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해, 발광 다이오드(100)의 순방향 전압이 증가하여 전류 효율이 저하되며, 정전기 방전(electrostatic discharge) 효과가 취약해지는 문제가 발생한다. However, since the GaN
또한, 전류 밀도의 증가에 의해 열 발생량이 큼에도 불구하고, 사파이어 기판(110)의 낮은 열전도성에 의해 열방출이 원활하지 못하므로, 열증가에 따라 사파이어 기판(110)과 GaN 발광 구조물(150) 사이에 기계적 응력이 발생하여 소자가 불안정해질 수 있다.In addition, despite the large amount of heat generated by the increase of the current density, the heat emission is not smooth due to the low thermal conductivity of the
나아가, n형 컨택(190)을 형성하기 위해서, 적어도 형성할 컨택(190)의 면적보다 크게 활성층(154)의 일부 영역을 제거하여야 하므로, 발광 면적이 감소되어 소자 크기 대 휘도에 따른 발광 효율이 저하된다는 문제점이 있다.Furthermore, in order to form the n-
도 2는 수평 구조 다이오드의 단점을 해결하기 위해 고안된 수직 구조 발광 다이오드의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 발광 다이오드는 수직 구조 GaN 발광 다이오드로서, GaN 발광 다이오드(200)는 p형 GaN 클래드층(252), 활성층(254), 및 n형 클래드층(256)을 포함하는 발광 구조물(250)을 포함한다. 2 is a cross-sectional view showing an example of a vertical structure light emitting diode designed to solve the disadvantage of the horizontal structure diode. The light emitting diode shown in FIG. 2 is a vertical structure GaN light emitting diode, and the GaN
도 2에서 도시된 바와 같이, 수직 구조 발광 다이오드(200)는 실리콘 기판(220)과 같은 도전성 기판을 사용하여 다이오드(200)의 상하부가 서로 전기적으로 도통할 수 있는 구조를 가진다. 이로 인해, 다이오드(200)의 열방출 효과를 향상시킬 수 있고, 전류 흐름이 수평 구조 발광 다이오드보다 넓은 면적을 통해 형성되므 로 순방향 전압을 감소시킬 수 있으며, 아울러, 정전기 방전 효과도 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 2, the vertical structure
또한, 공정 측면에서는 전류 밀도 분포를 충분히 개선할 수 있으므로, 투명 전극의 형성 공정이 필요하지 않으며, 견고한 사파이어 기판이 제거되므로, 개별 소자 단위로 절단하는 공정이 간소해질 수 있다. In addition, since the current density distribution can be sufficiently improved in terms of the process, the process of forming the transparent electrode is not necessary, and since the rigid sapphire substrate is removed, the process of cutting the individual element units can be simplified.
아울러, LED의 휘도 측면에서도 수평 구조 발광 다이오드와 달리 활성층의 일부를 식각하는 공정이 요구되지 않으므로, 넓은 발광 면적을 확보할 수 있어 휘도를 보다 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.In addition, unlike a horizontal structured light emitting diode, the process of etching part of the active layer is not required in terms of the luminance of the LED, so that a wide light emitting area can be secured, thereby improving the luminance.
도 2에서 수직 구조 발광 다이오드(200)의 실리콘 기판(220)은 빛을 발생하는 에피층의 발광 구조물(250)과 열과 압력을 이용한 금속막 저온 용융에 의해 접합되어 있다. In FIG. 2, the
실리콘 기판(220)은 발광 구조물(250)로 흐르는 전류의 통로 및 발광 구조물에서 발생하는 열을 방출하는 통로의 역할을 수행한다. 따라서, 실리콘 기판(220)의 전기 전도도나 방열 성능은 다이오드 소자의 성능 및 소자의 수명을 결정하는 주요한 요소가 된다.The
그런데 실리콘 기판(220)은 반도체 재료인 실리콘 자체의 물리적 특성으로 인해 그 전기 전도도 및 방열 성능에 한계가 있다. 이로 인해 실리콘 기판(220)을 포함하는 수직 발광 다이오드의 방열 성능 및 전기 전도도를 높이는 데도 한계가 있게 된다. 이러한 낮은 방열 성능 및 전기 전도도는 발광 다이오드의 성능 및 수명을 저하시키는 주요한 원인이 된다. However, the
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수직 발광 다이오드 기판의 전기 전도도와 열 방출 성능을 개선함으로써 발광 다이오드의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 수직 구조 발광 다이오드 및 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to improve the performance and lifespan of a light emitting diode by improving the electrical conductivity and heat dissipation performance of the vertical light emitting diode substrate. And a vertical structure light emitting diode manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 수직 발광 다이오드는 기판, 기판상에 형성된 발광 구조물, 발광 구조물 상에 형성된 제 1 전극, 발광 구조물과 접하고 기판 내부에 형성되는 방열 도전부, 및 방열 도전부에 접하는 제 2 전극을 포함한다.The vertical light emitting diode according to the first aspect of the present invention for achieving the above object is a substrate, a light emitting structure formed on the substrate, a first electrode formed on the light emitting structure, a heat dissipation conductive portion formed in contact with the light emitting structure, and And a second electrode in contact with the heat radiation conductive portion.
이와 같이, 기판 내부에 발광 구조물과 전극 사이를 연결하는 방열 도전부를 형성함으로써 발광 다이오드의 방열 성능 및 전기 전도도를 개선할 수 있게 된다.As such, by forming a heat dissipation conductive portion connecting the light emitting structure and the electrode to the inside of the substrate, it is possible to improve heat dissipation performance and electrical conductivity of the light emitting diode.
방열 도전부는 기판을 관통하여 형성될 수 있고, 일체 또는 서로 분리된 복수개로 형성될 수 있으며, 기판 내부에 구리 또는 금과 같은 금속을 도금함으로써 형성될 수 있다. 구리 또는 금(Au)과 같은 방열 성능 및 전기 전도도가 우수한 재료의 사용은 발광 다이오드의 성능 및 수명을 보다 향상시킬 수 있게 된다.The heat dissipation conductive part may be formed through the substrate, may be formed integrally or in plurality separated from each other, and may be formed by plating a metal such as copper or gold inside the substrate. The use of materials having excellent heat dissipation performance and electrical conductivity, such as copper or gold (Au), can further improve the performance and lifespan of light emitting diodes.
발광 구조물은 p형 반도체층, n형 반도체층, p 형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함하며 활성층에서 발생하는 빛을 반사하는 반사층을 더 포함할 수 있다. 반사층의 포함은 발광 다이오드의 발광 효율을 더욱 개선시킨다. The light emitting structure may further include a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, a reflective layer including an active layer formed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and reflecting light generated from the active layer. Inclusion of the reflective layer further improves the luminous efficiency of the light emitting diode.
기판은 도전성 기판, 특히 실리콘 기판일 수 있다. 실리콘 기판은 사파이어 기판 등에 비해 강도가 작아 통상의 절단 공정을 통해 용이하게 절단될 수 있다.The substrate may be a conductive substrate, in particular a silicon substrate. The silicon substrate has a smaller strength than the sapphire substrate and the like and can be easily cut through a conventional cutting process.
발광 다이오드는 기판과 발광 구조물 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함할 수 있으며, 도전성 접착층은 금을 포함하는 접합재로 형성될 수 있다. 또한, 도전성 접착층에는 발광성 구조물과 기판 사이의 접합 면적을 감소시키기 위한 요철부가 형성될 수 있다. 요철부를 형성함으로써 발광 구조물과 기판 사이의 접합 면적을 감소시켜 접합 계면에서 발생하는 스트레스를 감소시킬 수 있다.The light emitting diode may further include a conductive adhesive layer formed between the substrate and the light emitting structure, and the conductive adhesive layer may be formed of a bonding material including gold. In addition, an uneven portion may be formed in the conductive adhesive layer to reduce a bonding area between the light emitting structure and the substrate. By forming the uneven portion, it is possible to reduce the bonding area between the light emitting structure and the substrate to reduce the stress generated at the bonding interface.
본 발명의 제 2 특징에 따른 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법은 제 1 기판에 발광 구조물을 형성하는 단계, 제 2 기판이 발광 구조물과 접합되는 경우 각 발광 구조물과 접하는 제 2 기판상의 영역에 소정 깊이의 방열 패턴을 형성하는 단계, 방열 패턴을 방열 도전 물질로 채워 방열 도전부를 형성하는 단계, 방열 도전부를 발광 구조물과 접합하는 단계, 방열 도전부가 노출될 때까지 접합면과 대향하는 제 2 기판상의 면을 제거하는 단계, 노출된 방열 도전부 면에 전극을 형성하는 단계, 제 1 기판을 제거하는 단계, 제 1 기판이 제거된 발광 구조물 상에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a vertical structure light emitting diode, the method comprising: forming a light emitting structure on a first substrate, and when the second substrate is bonded to the light emitting structure, a region having a predetermined depth in an area on the second substrate that contacts each light emitting structure. Forming a heat dissipation pattern, filling the heat dissipation pattern with a heat dissipation conductive material to form a heat dissipation conductive portion, bonding the heat dissipation conductive portion to the light emitting structure, and forming a surface on the second substrate facing the bonding surface until the heat dissipation conductive portion is exposed. And removing the first substrate, removing the first substrate, and forming the electrode on the light emitting structure from which the first substrate is removed.
제 2 기판상의 방열 패턴은 건식 식각에 의해 형성될 수 있는데, 건식 식각을 이용함으로써 패턴 형성시 가공 정밀도가 우수해진다.The heat dissipation pattern on the second substrate may be formed by dry etching, and by using dry etching, processing accuracy in forming the pattern may be excellent.
제 2 기판과 발광 구조물은 제 2 기판과 발광 구조물 사이에 형성된 도전성 접착층에 의해 접합될 수 있으며, 이 경우 제 2 기판과 발광 구조물은 열압착에 의해 접합될 수 있다. The second substrate and the light emitting structure may be bonded by a conductive adhesive layer formed between the second substrate and the light emitting structure, in which case the second substrate and the light emitting structure may be bonded by thermocompression bonding.
또한, 도전성 접착층에 발광 구조물과 제 2 기판 사이의 접합 면적을 감소시 키기 위한 요철부를 형성할 수 있고, 도전성 접착층은 제 2 기판 및 상기 발광 구조물 상에 각각 형성된 후 서로 접합될 수 있다.In addition, an uneven portion may be formed in the conductive adhesive layer to reduce the bonding area between the light emitting structure and the second substrate, and the conductive adhesive layer may be formed on the second substrate and the light emitting structure, and then bonded to each other.
제 2 기판은 연마 또는 식각에 의해 제거될 수 있으며, 제 2 기판에는 방열 패턴을 둘러싸고 깊이가 적어도 방열 패턴의 깊이 이상인 분리 패턴을 형성할 수 있는데, 분리 패턴의 형성은 개별 발광 다이오드 소자를 분리하기 위한 별도의 기판 절단 공정을 생략할 수 있도록 해준다. The second substrate may be removed by polishing or etching, and the second substrate may form a separation pattern surrounding the heat dissipation pattern and having a depth of at least the depth of the heat dissipation pattern. This allows the separate substrate cutting process to be omitted.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<제 1 실시예><First Embodiment>
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도이다.3A is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
도 3a에서 수직 발광 다이오드는 기판(420), 기판(420) 상에 형성된 발광 구조물(450), 발광 구조물(450) 상에 형성된 제 1 전극(490), 발광 구조물과 접하고 기판을 관통하여 형성되는 방열 도전부(460), 및 방열 도전부(460)에 접하고 기판 아래에 형성된 제 2 전극(470)으로 구성된다.In FIG. 3A, the vertical light emitting diode is formed in contact with the
본 실시예에서 기판(420)은 도전성 기판으로서 실리콘 기판이 사용된다. 일반적으로 수직 구조 발광 다이오드에 사용되는 도전성 기판으로는 실리콘 기판이 많이 사용된다. 실리콘 기판은 사파이어 기판 등에 비해 강도가 작아 통상의 절단 공정을 통해 용이하게 절단될 수 있다.In this embodiment, the
그러나 사파이어와 같은 절연성 기판이 아니라면 다른 재료의 기판도 가능한 데, 예를 들어, 게르마늄, SiC, ZnO, 다이아몬드, 및 GaAs 등이 또한 사용될 수 있다. However, substrates of other materials are also possible if not an insulating substrate such as sapphire, for example germanium, SiC, ZnO, diamond, GaAs and the like can also be used.
본 실시예에서는 발광 구조물과 하부 전극(470) 사이에 방열 도전부(460)가 형성되어 열과 전기의 통로가 되므로 기판(420)이 반드시 도전성 기판이어야 하는 것은 아니다.In the present exemplary embodiment, since the heat dissipation
방열 도전부(460)는 기판(420) 내부에 구리 또는 금과 같은 금속을 도금함으로써 형성될 수 있다. 구리 또는 금(Au)과 같은 방열 성능 및 전기 전도도가 우수한 재료의 사용은 발광 다이오드의 성능 및 수명을 보다 향상시킬 수 있게 된다.The heat dissipation
도 3b는 도 3a의 A A 선에 따라 절단된 수직 구조 발광 다이오드의 단면도이다.3B is a cross-sectional view of the vertical structure light emitting diode cut along the line A A of FIG. 3A.
도 3b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 방열 도전부(460)는 기판(420) 내부에 형성되어 발광 구조물(450)과 전극(470) 사이에서 열과 전기의 통로의 역할을 수행한다. 제 1 실시예에서는, 도 3b에서와 같이, 방열 도전부(460)는 일체로 형성되고 4각형의 단면 형태를 가지지만, 다른 실시예에서는 다른 형태로 구현될 수도 있다. As can be seen in FIG. 3B, the heat dissipation
발광 구조물(450)은 발광 다이오드의 핵심적인 부분으로서 실제로 광을 방출하는 영역이다. 발광 구조물은 일반적으로, p형 클래드층, n형 클래드층, 및 그 사이에 위치하는 활성층으로 구성된다.The
도 3a에서 실리콘 기판(420) 상에는 방열 도전부와 접하는 도전성 접착층(440)을 형성되어 있다. 도전성 접착층(440)은 접착 패드로 형성할 수 있으며, 접착 패드는 접착성을 갖는 도전성 물질이어야 한다. 도전성 물질은 금(Au)을 이용한 금속 접합재가 바람직하며, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag, Ag- Ge, Ag-Cu, 및 Pb-Sn등이 사용될 수 있다.In FIG. 3A, a conductive
발광 구조물(450)과 도전성 접착층(440) 사이에는 발광 구조물(450) 상면으로 향하는 유효 휘도를 향상시키기 위한 반사층(430)이 더 형성될 수 있다. 반사층(430)은 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있으며, 일반적으로, Au, Ni, Ag, Al, 및 그 합금으로 형성된다.A
그러나 도전성 접착층(440)을 구성하는 물질은 일반적으로 금속 또는 합금으로 이루어지고 비교적 높은 반사도를 가지므로, 별도의 반사층을 형성하지 않더라도 어느 정도의 휘도 향상 효과는 얻을 수 있다.However, since the material constituting the conductive
발광 다이오드를 지지하는 실리콘 기판에 상대적으로 높은 열 전도도와 전기 전도도를 갖는 벌크형 방열 금속 전극을 형성함으로써, 발광 다이오드 동작시 발생하는 열의 방출과 전기 전도도를 개선하여 발광 다이오드 소자의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있게 된다. By forming a bulk heat-dissipating metal electrode having a relatively high thermal conductivity and electrical conductivity on a silicon substrate supporting the light emitting diode, the heat emission and electrical conductivity generated during the operation of the light emitting diode can be improved to improve the performance and lifetime of the light emitting diode device. It becomes possible.
도 4a 내지 도 4i는 도 3a의 수직 구조 발광 다이오드 제조를 위한 제 1 방법의 단계별 공정을 도시한 도면이다.4A to 4I illustrate step-by-step processes of the first method for manufacturing the vertical structure light emitting diode of FIG. 3A.
먼저, 도 4a 에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(420)을 마련하고, 도 4b 에 도시된 바와 같이, 발광 구조물(450)과 접합되는 위치에 방열 도전부(460)가 형성될 연결 통로를 건식 식각을 이용하여 일정 깊이로 형성한다.First, as shown in FIG. 4A, a
건식 식각은 서브 미크론 가공 기술의 하나로서 감압된 용기 내에서 가스 또는 이온으로 에칭하는 방법이다. 건식 식각에는 플라스마, 스퍼터, 이온 등의 에칭 방법이 있으며, 습식 식각에 비해 가공 정밀도가 우수하다.Dry etching is a method of etching with gas or ions in a reduced pressure vessel as one of submicron processing techniques. Dry etching includes etching methods such as plasma, sputter, and ions, and has excellent processing accuracy compared to wet etching.
그 후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 연결 통로 내부를 도금 또는 그 이외의 방법을 이용하여 구리나 금과 같은 금속을 채워서 방열 도전부(460)를 형성시킨 후 연마를 통해 방열 도전부(460)와 실리콘 기판(420)의 높이가 평행하도록 평탄화한다.Thereafter, as illustrated in FIG. 4C, the inside of the connection passage is filled with a metal such as copper or gold using plating or other methods to form the heat dissipation
평탄화된 실리콘 기판(420)과 방열 도전부(460) 위에 도 4d 에 도시된 바와 같이 금 또는 그 밖의 금속을 이용하여 도전성 접착층(442)을 형성하고 발광 구조물(450)과 접합한다.As shown in FIG. 4D, the conductive
도 4e에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 실시예에서 도전성 접착층(444)은 발광 구조물(450) 상에도 형성되어 실리콘 기판(420) 상에 형성된 도전성 접착층(442)과 접합된다. 이와 같이, 도전성 접착층(440)을 이용하여 실리콘 기판(520)을 발광 구조물(550)에 접합하는 방식은 도전성 접착층(442, 444)을 도전성 기판(420) 및 발광 구조물(450) 상에 각각 형성한 후 서로 접합하는 것이 바람직하다. As can be seen in FIG. 4E, the conductive
하지만, 다른 실시예에서는 도전성 접착층(442)을 미리 도전성 기판(420)에 형성한 후 발광 구조물(550)과 접합하는 형태로 수행하거나 도전성 접착층(444)을 발광 구조물(450) 상에 먼저 형성한 후 다시 도전성 기판(420)과 접합하는 형태로 수행할 수 있다. However, in another embodiment, the conductive
도전성 접착층(440)을 이용한 접합은 열압착 방식을 이용하여 수행된다. 발광 구조물 형성 기판(410)으로는 일반적으로 사파이어 기판 또는 GaAs 기판이 사용된다.Bonding using the conductive
그 후, 두 기판이 접합된 상태에서 도 4f 에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(420)의 뒷면을 연마, 식각 등을 공정을 통해서 방열 도전부(460)가 드러날 때까지 가공하고, 방열 도전부(460)가 드러나면 도 4g 에 도시된 바와 같이, 방열 도전부(460)에 접하는 금속 전극(470)을 형성한다.Thereafter, as shown in FIG. 4F, the two substrates are bonded to each other, and the back surface of the
금속 전극(470)이 형성된 후, 접합된 두 기판(410, 420)에서 레이저나 연마, 식각 등을 이용하여 도 4h에 도시된 바와 같이 사파이어나 GaAs 재료의 발광 구조물 형성 기판(410)을 제거한다.After the
사파이어 기판의 경우 레이저를 이용한 제거 방법이 선호되는데, 사파이어 기판은 그 기계적 강도가 커서 기계적 연마를 통한 제거하기에는 어려움이 있기 때문이다. In the case of sapphire substrate, a removal method using a laser is preferred, since the sapphire substrate has a large mechanical strength, which is difficult to remove by mechanical polishing.
사파이어 기판(410)을 레이저를 이용하여 제거하기 위해서는 도 4h에서와 같이 사파이어 기판(410)으로 레이저 빔을 조사하는데, 레이저 빔은 사파이어 기판(410)을 투과하여 사파이어 기판(410)과 접촉한 발광 구조물(450)의 일부를 용융시켜 사파이어 기판(410)을 발광 구조물(450)로부터 용이하게 분리되도록 한다.In order to remove the
마지막으로, 도 4i 에 도시된 바와 같이, 발광 구조물 상에 전극(490)을 형성하며, 도 4j에서 발광 다이오드 구조가 전이된 실리콘 기판(420)을 소자 크기로 절단한다. 도 4j에서 기판(420)의 절단은 다이아몬드 휠(diamond wheel; w)에 의해 수행된다.Finally, as shown in FIG. 4I, the
이러한 방법에 의해 제조된 수직 구조 발광 다이오드는 발광 구조물(450)과 접합된 벌크 형태의 방열 도전부(460)의 높은 열 전도도로 인해 발광 다이오드에서 발생하는 열을 방열 도전부(460)를 통하여 외부로 원활히 방출할 수 있게 된다. 방열 도전부(460)의 높은 전기 전도도는 전류의 흐름을 원활히 하여 발광 다이오드가 보다 밝은 빛을 생성할 수 있도록 한다.The vertical structured light emitting diode manufactured by the above method receives heat generated from the light emitting diode through the heat radiating
도 5a 내지 도 5i는 도 3a의 수직 구조 발광 다이오드 제조를 위한 제 2 방법의 단계별 공정을 도시한 도면이다.5A to 5I illustrate step-by-step processes of the second method for manufacturing the vertical structure light emitting diode of FIG. 3A.
제 1 방법에서는 발광 다이오드 소자의 분리를 위해 다이아몬드 휠로 기판을 절단하였다. 일반적으로 도전성 기판은 사파이어 기판에 비해 강도가 작은 실리콘 기판 등이 사용되므로, 통상의 공정을 통해 용이하게 절단될 수 있다. In the first method, the substrate was cut with a diamond wheel to separate the light emitting diode elements. In general, since the conductive substrate is a silicon substrate having a smaller strength than that of the sapphire substrate, it can be easily cut through a conventional process.
그러나 이와 같은 다이아몬드 휠(w)을 이용한 수직 발광 다이오드 소자의 절단은 다이아몬드 휠의 두께와 기판을 절단할 때 소모되는 기판의 손실로 인해 소자 사이의 거리를 많이 필요로 한다. 이러한 이유로 하나의 기판에 제작될 수 있는 소자의 개수가 줄어들어 발광 다이오드의 생산성이 떨어지게 된다.However, the cutting of the vertical LED device using the diamond wheel w requires a large distance between the devices due to the thickness of the diamond wheel and the loss of the substrate when cutting the substrate. For this reason, the number of devices that can be fabricated on one substrate is reduced, thereby reducing the productivity of the light emitting diode.
발광 다이오드 제조에 있어서 한정된 기판의 면적 안에 형성될 수 있는 소자의 수에 따라 소자의 가격과 생산성이 큰 영향을 받게 된다. 발광 다이오드의 동작 특성을 고려한 설계에 의해 소자의 면적이나 크기가 정해진 상태에서 기판당 소자의 개수를 늘이기 위해서는 소자 사이의 거리를 최대한 좁히는 방법밖에는 없다. In manufacturing a light emitting diode, the cost and productivity of the device are greatly influenced by the number of devices that can be formed within a limited area of the substrate. In order to increase the number of devices per substrate in the state where the area or size of the device is determined by the design considering the operation characteristics of the light emitting diode, there is only a method of narrowing the distance between the devices as much as possible.
이때, 소자 사이의 거리는 모든 제조 공정이 완료된 후 수행되는 기판의 절단을 고려하여 정해지는데, 다이아몬드 휠에 의한 기판의 절단은 다이아몬드 휠의 두께와 절단 공정시 소모되는 기판의 손실 때문에 소자 사이에 상당한 거리를 필요로 하며, 이로 인해 단위 기판당 생산할 수 있는 발광 다이오드의 수는 제한을 받 게 된다. In this case, the distance between the devices is determined in consideration of the cutting of the substrate performed after all the manufacturing processes are completed, the cutting of the substrate by the diamond wheel is a considerable distance between the devices due to the thickness of the diamond wheel and the loss of the substrate consumed during the cutting process This limits the number of light emitting diodes that can be produced per unit substrate.
제 2 방법은 기판상에 형성된 소자 사이의 거리를 최소화함으로써 단위 기판당 제조할 수 있는 수직 발광 다이오드의 개수를 최대화할 수 있는 수직 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다. The second method provides a vertical light emitting diode manufacturing method capable of maximizing the number of vertical light emitting diodes that can be manufactured per unit substrate by minimizing the distance between elements formed on the substrate.
제 2 방법은 제 1 방법과 대부분의 공정이 동일하다. 따라서, 공통된 공정에 대해서는 설명을 생략하고, 상이한 공정에 대해서는 서로 비교하여 설명한다.The second method is the same as most of the first method. Therefore, description is abbreviate | omitted about a common process and it compares and demonstrates about another process.
도 5b와 도 4b를 비교하면, 도 5b에는 도 4b의 방열 패턴 사이에 분리 패턴이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 분리 패턴은 방열 패턴을 둘러싸고 깊이가 적어도 방열 패턴의 깊이 이상이어야 한다.Comparing FIG. 5B and FIG. 4B, it can be seen in FIG. 5B that a separation pattern is formed between the heat dissipation patterns of FIG. 4B. The separation pattern should surround the heat radiation pattern and have a depth of at least the depth of the heat radiation pattern.
도 5f와 도 4f를 비교하면, 도 5f에서는 발광 구조물 형성 기판(410) 상에서 각 발광 다이오드 소자가 완전히 분리되어 있는 것을 확인할 수 있다. 방열 도전부(460)에 전극을 형성하기 위해 실리콘 기판(420)을 제거하는 경우 분리 패턴은 방열 패턴보다 더 깊이 형성되어 있으므로 방열 도전부(460)가 드러나기 전에 실리콘 기판(420)은 이미 분리되는 것이다.Comparing FIG. 5F and FIG. 4F, in FIG. 5F, it can be seen that each LED device is completely separated from the light emitting
또, 도 5h와 도 4h를 비교하면, 도 5h에는 방열 도전부(460) 및 실리콘 기판(420) 상의 전극(470)에 고정용 테이프(480)가 부착되어 있다. 소자들의 고정을 위해 UV테이프나 Dicing 테이프를 실리콘 기판(420)의 후면에 접착한 후 레이저, 연마, 식각 등을 이용하여 사파이어나 GaAs 재료의 발광 구조물 형성 기판을 제거하기 위한 것이다. 5H and 4H, a fixing
도 5h에 도시된 바와 같이, 사파이어나 GaAs 기판을 제거하게 되면 개개의 발광 다이오드 소자는 자발적으로 절단되어 고정용 테이프(480)에 의해서만 지지되게 된다. As shown in FIG. 5H, when the sapphire or GaAs substrate is removed, the individual LEDs are spontaneously cut and supported only by the fixing
도 5i에서 발광 다이오드 구조물(450) 상에 전극(490)을 형성하고, 도 5j에서 고정용 테이프(480)로부터 소자를 분리한다.The
도 4j와 도 5j를 비교하면, 도 4j에서는 다이아몬드 휠(w)을 이용하여 기판(420)을 절단하여야 하지만 5j에서는 단순히 고정용 테이프(480)로부터 다이오드를 분리하기만 하면 되어 별도의 절단 공정이 필요없게 된다.4J and 5J, in FIG. 4J, the
제 2 방법에 의하면, 수직 구조 발광 다이오드 소자가 형성된 기판을 절단하기 위해 건식 식각을 이용하므로, 다이오드 소자 사이의 간격을 수 마이크로미터 이내로 줄일 수 있게 된다. 따라서, 기판의 단위 면적당 보다 많은 수의 수직 발광 다이오드 소자를 집적하여 생산할 수 있게 된다.According to the second method, since dry etching is used to cut the substrate on which the vertical structure light emitting diode element is formed, the distance between the diode elements can be reduced to within several micrometers. Therefore, it is possible to integrate and produce a larger number of vertical light emitting diode elements per unit area of the substrate.
또한, 다이아몬드 휠에 의한 절단 공정시 기판에 가해지는 충격으로 인해 미세한 깨짐이 발생하게 되고, 이러한 미세한 깨짐은 소자에 손상을 주게 되어 소자의 신뢰성과 성능을 저하시키는 주된 원인이 되는데, 제 2 방법에서는 별도의 다이아몬드 휠을 이용한 절단 공정을 생략할 수 있으므로 생산 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 다이아몬드 휠에 의한 절단으로 인해 발생하는 미세한 깨짐이나 손상을 방지할 수 있게 된다. 이로 인해, 수직 발광 다이오드 소자의 신뢰성과 성능을 더욱 개선할 수 있게 된다. In addition, a fine crack occurs due to an impact applied to the substrate during the cutting process by the diamond wheel, which causes damage to the device and is a major cause of deterioration of the reliability and performance of the device. Since the cutting process using a separate diamond wheel can be omitted, not only can the production cost be lowered, but also fine cracking or damage caused by cutting by the diamond wheel can be prevented. As a result, the reliability and performance of the vertical light emitting diode device can be further improved.
<제 2 실시예>Second Embodiment
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
도 6에서 발광 구조물(450)과 방열 도전부가 내부에 형성된 실리콘 기판(420)을 접합하는 도전성 접착층(440)에는 요철부(444)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.In FIG. 6, it can be seen that the
일반적으로, 도전성 접착층(440)을 이용해 발광 구조물(450)을 접착하는 방법은 발광 구조물(450) 전면에 금을 증착하여 금이 증착된 실리콘 웨이퍼와 접합을 한다. 금을 이용한 접합은 일반적으로 섭씨 300도 이상에서 이루어지며, 발광 다이오드 제작을 위해 발광 구조물(450)이 형성된 사파이어 기판이나 GaAs 기판을 실리콘 기판에 접합한다. In general, the method of adhering the
이때 접합되는 두 기판의 열 팽창계수 차이에 의해 기판 쌍에 스트레스가 발생한다. 이러한 스트레스는 기판 쌍이 휘거나 깨지는 원인이 된다.At this time, stress is generated in the pair of substrates due to the difference in thermal expansion coefficient of the two substrates bonded. This stress causes the pair of substrates to bend or break.
이러한 이유로 웨이퍼의 구경이나 접합 면적이 증가하게 되면 접합되는 단위 면적당 인가되는 압력이 감소하여 충분한 접합력을 얻을 수가 없게 된다. 접합력이 약하면 소자를 절단할 때 충격을 견디지 못하고 떨어질 수 있으며, 부분적인 접합이 이루어진 경우 장시간 동작 시 동작 특성이 저하될 수 있다. 장비의 한정된 압력에서 접합력을 높이려면 온도를 높여야 하는데 높은 온도에서의 공정은 소자의 발광 특성을 저하시키는 주요 원인이 된다.For this reason, when the aperture size or the bonding area of the wafer increases, the pressure applied per unit area to be bonded decreases, and thus sufficient bonding force cannot be obtained. If the bonding strength is weak, the device may not be able to withstand the impact when cutting the device, and if the partial bonding is made, the operation characteristics may be degraded during long time operation. In order to increase the bonding force at the limited pressure of the equipment, the temperature must be increased, and the process at a high temperature is a major cause of deterioration of the light emitting property of the device.
제 2 실시예에서는 낮은 온도에서 높은 접합력을 얻기 위한 방법으로 접합 공정시 단위 면적당 인가되는 압력을 높이는 방법을 사용한다. 이러한 방법을 사용 하는 경우 실리콘 기판(420)과 접합되는 발광 구조물(450)의 도전성 접착 패드를 패턴하여 접합 면적을 줄이는 대신 접합 면에 인가되는 압력을 높임으로써 더욱 높은 접합력을 갖고 신뢰성 있는 발광 다이오드 소자를 제작할 수 있다.In the second embodiment, a method of increasing the pressure applied per unit area in the bonding process is used as a method for obtaining high bonding force at a low temperature. When using this method, instead of reducing the bonding area by patterning the conductive adhesive pad of the
도전성 접착층(440)에 요철부를 생성하기 위해 제 2 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이 발광 구조물 상에 형성된 도전성 접착층(444)을 패턴 하는 방법을 사용하였다. 그러나 다른 실시예에서는 실리콘 기판(420) 상의 도전성 접착층(442)에 패턴을 형성할 수도 있으며, 실리콘 기판을 식각하여 형성된 요철부에 도전성 접착층(442)을 형성하는 방법을 사용할 수도 있다.In the second embodiment, a method of patterning the conductive
열과 압력을 이용한 금속막 접합의 경우 접합 조건은 열과 압력 사이에 서로 반비례의 관계가 있다. 낮은 온도에서 적정한 접합 상태를 얻기 위해 단위 면적당 인가되는 압력을 증가시켜야 한다. 도전성 접착층을 형성하는 금속 막을 패턴하여 접합 면적을 줄임으로써 단위 면적당 압력을 높일 수 있다. 이로 인해 낮은 온도에서도 웨이퍼 전면적으로 높은 접합 강도를 얻을 수 있는 것이다.In the case of metal film bonding using heat and pressure, the bonding conditions are inversely related to each other between heat and pressure. The pressure applied per unit area must be increased to achieve proper bonding at low temperatures. The pressure per unit area can be increased by patterning the metal film forming the conductive adhesive layer to reduce the bonding area. This results in high bond strength across the wafer even at low temperatures.
<제 3 실시예>Third Embodiment
도 7a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 단면도이다.7A is a cross-sectional view of a vertical structure light emitting diode according to a third embodiment of the present invention.
도 7a에 도시된 수직 구조 발광 다이오드는 도 3a에 도시된 수직 구조 발광 다이오드와 대부분이 동일하며, 다만, 방열 도전부(460)의 형태에 차이가 있을 뿐이다. The vertical structure light emitting diode shown in FIG. 7A is mostly the same as the vertical structure light emitting diode shown in FIG. 3A, except that the shape of the heat dissipation
도 3a와 도 7a를 비교하여 보면, 도 3a의 방열 도전부(460)는 일체로 형성되어 있지만 도 7a의 방열 도전부(460)는 서로 분리된 복수개로 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 3A and 7A, the heat dissipation
도 7b는 도 7a의 B B 선에 따라 절단된 수직 구조 발광 다이오드의 단면도이다.FIG. 7B is a cross-sectional view of the vertical structure light emitting diode cut along the line B B of FIG. 7A.
도 7b에서 도시된 방열 도전부(460)들은 서로 분리된 복수개로 형성되어 전체적으로 다공 형상을 가진다. 도 7b를 제 1 실시예의 도 3b와 비교하면, 도 3b에서는 방열 도전부(460)는 일체로 형성되고 4각형의 단면을 가지지만, 도 7b에서는 다공 형상을 가지며 각 방열 도전부(460)는 원형 단면을 가지는 것을 확인할 수 있다.The heat dissipation
제 1 실시예와 제 3 실시예에서 각각 방열 도전부(460)의 바람직한 형상들이 개시되었지만, 이외에도, 당업자는 방열 도전부(460)의 자신의 선택에 따라 다른 다양한 형상들을 채용할 수 있을 것이다.Although preferred shapes of the heat dissipation
도 8a 내지 도 8j는 도 7a의 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법의 단계별 공정을 도시한 도면이다.8A to 8J illustrate step-by-step processes of the method of manufacturing the vertical structure light emitting diode of FIG. 7A.
제 3 실시예의 수직 발광 구조 다이오드 제조 방법은 제 1 실시예의 수직 구조 발광 다이오드 제조 방법과 대부분 동일하다. 다만, 제 2 기판(420) 상에 형성되는 방열 패턴의 형상에만 차이가 있다. The manufacturing method of the vertical light emitting diode of the third embodiment is mostly the same as the manufacturing method of the vertical light emitting diode of the first embodiment. However, there is a difference only in the shape of the heat radiation pattern formed on the
도 8b와 도 4b를 비교하면, 도 4b에서는 방열 패턴이 일체로 형성되었지만, 도 8b에서는 서로 분리된 복수 개로 형성된 것을 확인할 수 있다.Comparing FIG. 8B and FIG. 4B, although the heat dissipation pattern is integrally formed in FIG. 4B, it can be seen that in FIG. 8B, a plurality of heat dissipation patterns are formed.
본 발명은 발광 다이오드와 결합된 벌크 형태의 금속 전극의 높은 열전도도로 인해 발광 다이오드에서 발생하는 열을 금속 전극을 통하여 외부로 원활히 방출할 수 있도록 한다. 금속 전극의 높은 전기 전도도는 전류의 흐름을 원활히 하여 발광 다이오드가 보다 밝은 빛을 발생시킬 수 있게 된다.The present invention allows the heat generated from the light emitting diode to be smoothly discharged to the outside through the metal electrode due to the high thermal conductivity of the bulk metal electrode combined with the light emitting diode. The high electrical conductivity of the metal electrode facilitates the flow of current, allowing the light emitting diode to generate brighter light.
발광 다이오드에서 발생하는 열을 원활히 방출함으로써 열에 의한 소자의 성능 저하를 낮출 수 있고 소자의 수명을 늘일 수 있다. 또한, 전기 전도도로 인해 빛의 밝기와 같은 소자의 성능을 높일 수 있다.By releasing heat generated from the light emitting diodes smoothly, the performance degradation of the device due to heat can be reduced and the life of the device can be extended. In addition, the electrical conductivity can improve the performance of the device, such as the brightness of light.
또한, 기판에 소자의 분리를 위한 패턴을 형성함으로써 별도의 절단 공정을 생략할 수 있게 되고, 이로 인해 발광 다이오드의 생산성을 향상시킬 수 있게 되었다.In addition, by forming a pattern for separation of the device on the substrate it is possible to omit a separate cutting process, thereby improving the productivity of the light emitting diode.
아울러, 발광 구조물과 기판 사이의 도전성 접합 패드를 패턴함으로써 종래의 접합과 비교하여 높은 접합력을 얻을 수 있고, 이로 인해 발광 다이오드의 수율을 높일 수 있다. 또한, 저온에서 접합 공정을 수행함으로써 소자에 가해지는 손상을 줄일 수 있게 된다. In addition, by forming a conductive bonding pad between the light emitting structure and the substrate, it is possible to obtain a higher bonding force as compared with conventional bonding, thereby increasing the yield of the light emitting diode. In addition, by performing the bonding process at a low temperature it is possible to reduce the damage to the device.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 청구 범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.Although the invention has been described in terms of some preferred embodiments, the scope of the invention should not be limited thereby, but should be construed as modifications or improvements of the embodiments supported by the claims.
Claims (24)
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