KR100762003B1

KR100762003B1 - 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR100762003B1
Application number: KR1020060092258A
Authority: KR
Inventors: 박수영; 김용천; 김동준; 이규한
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-09-28

Abstract

본 발명은 수직 구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에 제1 n형 질화물 반도체층과 식각정지막 및 제2 n형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2 n형 질화물 반도체층 상에 활성층과 p형 질화물 반도체층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 단계와, 상기 기판을 제거하여 제1 n형 질화물 반도체층의 표면을 노출시키는 단계와, 상기 식각정지막의 표면이 드러나는 시점까지 상기 노출된 제1 n형 질화물 반도체층을 습식식각하여 표면요철을 형성하는 단계와, 상기 표면요철 및 식각정지막의 일부를 선택적 식각하여 상기 제2 n형 질화물 반도체층의 표면 상에 n형 전극 형성 영역을 정의하는 콘택홀을 형성하는 단계 및 상기 콘택홀 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.

LED, 수직구조, 표면요철, 습식식각(wet etching), 식각정지막

Description

수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING VERTICALLY STRUCTURED NITRIDE TYPE LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래 기술에 따라 제조된 수직구조 질화물계 LED 소자를 나타낸 사시도.

도 2는 종래 기술에 따라 제조된 표면 요철을 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 사진.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화물계 LED 소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : n형 질화물 반도체층

120 : 활성층 130 : p형 질화물 반도체층

140 : p형 전극 150 : 구조지지층

160 : 표면요철 170 : n형 전극

본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화물계 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광추출효율을 높이기 위한 표면요철의 형성 공정을 안정화시킬 수 있는 수직구조 질화물계 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 LED 소자는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화물계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 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, 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함)를 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조 질화물계 LED 소자가 제안되었다.

그러나, 일반적으로 수직구조 질화물계 LED 소자에 있어서, 활성층에서 생성된 광자가 LED 외부로 방출되는 효율 즉, 휘도가 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 종래에는 이를 해결하기 위하여 수직구조 질화물계 LED 소자의 상부 발광부위에 습식식각(wet etching) 공정을 통해 오목부와 볼록부를 갖는 표면요철을 형성하여 휘도를 향상시켰다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따라 제조된 수직구조 질화물계 LED 소자에 대하여 설명하기로 한다. 여기서, 도 1은 종래 기술에 따라 제조된 수직구조 질화물계 LED 소자를 나타낸 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따라 제조된 표면 요철을 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 사진이다.

도시된 바와 같이, 종래 기술에 따라 제조된 수직구조 질화물계 LED 소자는, 구조지지층(150) 상에 p형 전극(140)이 형성되어 있으며, 그 위에 p형 질화물 반도체층(130)과 활성층(120) 및 n형 질화물 반도체층(110)이 순차적으로 형성되어 발광 구조물을 이루고 있다.

이때, 상기 발광 구조물의 상부 즉, n형 질화물 반도체층(110)의 표면은 광추출효율을 향상시킬 수 있는 표면요철(160)을 가지고 있으며, 그 위에 n형 전극(170)이 형성되어 있다.

그런데, 상기 종래 기술에 따라 제조된 수직구조 질화물계 LED 소자의 표면요철(160)은, 발광면인 상기 n형 질화물 반도체층(110)의 표면에 대한 습식식각 공정을 통해 형성되기 때문에 불규칙적인 형상을 가진다.

그러나, 상술한 바와 같이, 상기 표면요철(160)이 습식식각 공정을 통해 형성되면, 상기 습식식각 공정은 n형 질화물 반도체층(110)의 전체적인 두께 산포 또는 결정성의 차이에 인하여 불안정하게 진행되는 문제가 있다.

또한, 상기 습식식각 공정이 불안정하게 진행되면, n형 질화물 반도체층(110) 하부에 위치하는 활성층(120)까지 과도 식각(over etching)되어 수직구조 질화물계 LED 소자가 파괴되는 문제가 있다.

따라서, 당 기술분야에서는 표면요철을 형성하기 위한 습식식각 공정 시, 공 정을 안정화할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 수직구조 질화물계 LED 소자의 상부 발광부위에 습식식각 공정을 통해 표면요철을 형성하되, 습식식각 공정을 안정화시킴으로써, 상기 습식식각 공정시, 과도 식각되는 것을 방지하여 수직구조 질화물계 LED 소자가 파괴되는 것을 방지할 수 있는 수직구조 질화물계 LED 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 제1 n형 질화물 반도체층과 식각정지막 및 제2 n형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2 n형 질화물 반도체층 상에 활성층과 p형 질화물 반도체층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 단계와, 상기 기판을 제거하여 제1 n형 질화물 반도체층의 표면을 노출시키는 단계와, 상기 식각정지막의 표면이 드러나는 시점까지 상기 노출된 제1 n형 질화물 반도체층을 습식식각하여 표면요철을 형성하는 단계와, 상기 표면요철 및 식각정지막의 일부를 선택적 식각하여 상기 제2 n형 질화물 반도체층의 표면 상에 n형 전극 형성 영역을 정의하는 콘택홀을 형성하는 단계 및 상기 콘택홀 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화물계 LED 소자에서, 상기 식각정지막은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층보다 낮은 도핑 농도를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하거나, 상기 제1 n형 질화물 반도체층과 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 식각정지막과 상기 제1 n형 질화물 반도체층을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층, In_XAl_YGa₁ _-X- _YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화물계 LED 소자에서, 상기 제1 n형 질화물 반도체층은 n형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하고, 상기 식각정지막은 p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하거나 도전형 불순물이 언도핑된 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화물계 LED 소자에서, 제1 n형 질화물 반도체층의 두께는, 상기 표면요철의 높이와 동일하거나 보다 높게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화물계 LED 소자에서, 상기 식각정지막 상에 제2 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계 이전에, 상기 식각정지막 상에 투명 도전체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하 는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화물계 LED 소자의 제조방법에 대하여 도 3a 내지 도 3f를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화물계 LED 소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.

우선, 도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(100) 상에 제1 n형 질화물 반도체층(110a)과 제2 n형 질화물 반도체층(110b)이 순차 적층되어 이루어진 n형 질화물 반도체층(110)을 형성한다.

특히, 본 발명에 따른 상기 n형 질화물 반도체층(110)은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a) 상에 제2 n형 질화물 반도체층(110b)을 형성하기 전에 식각정지막(200)을 더 형성한다. 상기 식각정지막(200)은 후술하는 표면요철 형성을 위한 습식식각 공정시, 식각이 정지되는 시점을 알려주어 공정을 안정화시키는 역할을 한다.

보다 상세하게, 상기 식각정지막(200)은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a) 보다 낮은 도핑 농도를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하거나, 상기 제 1 n형 질화물 반도체층(110a)과 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 식각정지막(200)과 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a)을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층, In_XAl_YGa₁ _-X- _YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 식각정지막(200)은, p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층 또는 도전형 불순물이 언도핑된 질화물 반도체층으로 형성할 수 있다.

즉, 상기 식각정지막(200)은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a) 보다 식각선택비가 우수한 물질로 이루어져 후속 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a)에 대해 표면요철을 형성하기 위해 습식식각 공정을 진행할 때, 과도 식각 등의 문제가 유발되는 것을 방지하여 공정을 안정화시키는 역할을 한다.

따라서, 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a)의 두께는, 후속 습식식각 공정을 통해 형성할 표면요철의 높이와 동일하거나 그 보다 높게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판(110)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성하며, 사파이어 이외에, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride, AlN) 등으로 형성할 수 있다.

또한, 도시하지는 않았지만, 상기 기판(100) 상에 제1 n형 질화물 반도체 층(110a)을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과 제1 n형 질화물 반도체층(110a)의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 버퍼층을 더 형성할 수 있으며, 이는 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.

그 다음, 상기 제2 n형 질화물 반도체층(110b) 상에 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)을 순차적으로 형성한다.

상기 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)은, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화물 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.

또한, 상기 활성층(120)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다.

이어서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(130) 상에 p형 전극(140)을 형성한다. 이때, 상기 p형 전극(140)은 전극과 반사막의 역할을 동시에 할 수 있도록 Ag 계열 또는 Al 계열 등의 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 p형 전극(140) 상에 별도의 반사 역할을 하는 반사막(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다.

그런 다음, 상기 p형 전극(140) 상에 구조지지층(150)을 형성한다. 이때, 상기 구조지지층(150)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, Ge 기판 또는 금속층 등으로 이루어진다. 여기서 상기 금속층은 전해 도금, 무전해 도금, 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학기상증 착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3c에 도시한 바와 같이, LLO 공정을 통해 상기 기판(100)을 제거하여 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a)의 표면을 노출시킨다.

그런 다음, 상기 노출된 상기 제1 n형 질화물 반도체층(110a)에 습식식각 공정을 진행하여 도 3d에 도시한 바와 같이, 불규칙적인 주기를 갖는 표면요철(160)을 형성한다. 상기 표면요철(160)은 상기 활성층(120)에서 생성된 광자의 산란 특성을 향상시켜 광자를 외부로 효율적으로 방출시키는 역할을 한다.

보다 상세하게, 상기 습식식각 공정은 KOH 등과 식각액을 이용하는 상기 식각정지막(200)의 표면이 드러나는 시점까지 진행한다. 이에 따라, 습식식각 공정이 상기 식각정지막(200)의 표면까지 균일하게 진행되는 바, 습식식각 공정이 안정화되어 종래와 같이 표면요철이 형성되는 막의 하부막까지 과도 식각되어 LED 소자가 파괴되는 문제의 발생을 방지할 수 있다.

이어서, 도 3e에 도시한 바와 같이, n형 전극(도시하지 않음)이 형성될 상기 표면요철(160) 및 식각정지막(200)의 일부분을 선택적 식각하여 상기 제2 n형 질화물 반도체층(110b)의 일부 표면을 노출하는 콘택홀(300)을 형성한다.

그 다음, 도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 콘택홀(300) 상에 n형 전극(170)을 형성하여 수직구조 질화물계 LED 소자를 형성한다.

한편, 도시하지는 않았지만, 본 실시예에서는 전류확산효과를 향상시키기 위해, 상기 식각정지막(200)과 상기 제2 n형 질화물 반도체층(110b) 사이 계면에 CIO/ITO 등을 사용하여 투명 도전체층을 형성할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 상기 수직구조 질화물계 LED 소자의 상부 발광부위에 습식식각 공정을 통해 표면요철을 형성하되, 식각정지막을 이용하여 습식식각 공정을 일정 시점까지 균일하게 진행함으로써, 상기 습식식각 공정시, 과도 식각되는 것을 방지하여 수직구조 질화물계 LED 소자가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명은 수직 구조 질화물계 LED 소자의 공정 신뢰도를 개선하는 동시에 제조 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

기판 상에 제1 n형 질화물 반도체층과 식각정지막 및 제2 n형 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 제2 n형 질화물 반도체층 상에 활성층과 p형 질화물 반도체층 및 p형 전극을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 단계;

상기 기판을 제거하여 제1 n형 질화물 반도체층의 표면을 노출시키는 단계;

상기 식각정지막의 표면이 드러나는 시점까지 상기 노출된 제1 n형 질화물 반도체층을 습식식각하여 표면요철을 형성하는 단계;

상기 표면요철 및 식각정지막의 일부를 선택적 식각하여 상기 제2 n형 질화물 반도체층의 표면 상에 n형 전극 형성 영역을 정의하는 콘택홀을 형성하는 단계; 및

상기 콘택홀 상에 n형 전극을 형성하는 단계;

를 포함하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 식각정지막은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층보다 낮은 도핑 농도를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다 이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 식각정지막은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층과 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 식각정지막과 상기 제1 n형 질화물 반도체층을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층, In_XAl_YGa₁ _-X- _YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 n형 질화물 반도체층은 n형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하고, 상기 식각정지막은 p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층 으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 n형 질화물 반도체층은, n형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하고, 상기 식각정지막은 도전형 불순물이 언도핑된 질화물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

제1 n형 질화물 반도체층의 두께는, 상기 표면요철의 높이와 동일하거나 보다 높게 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 식각정지막 상에 제2 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계 이전에, 상기 식각정지막 상에 투명 도전체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물계 발광다이오드 소자의 제조방법.