KR100956202B1 - 수직형 발광소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

수직형 발광소자의 제조 방법이 개시된다. 본 수직형 발광소자의 제조 방법은, 사파이어 기판 상에 n형 전극 패턴의 형태에 대응되는 절연 패턴층을 형성하는 단계, 사파이어 기판 상에 측면 성장 방법을 이용하여 제1 질화물 반도체층을 형성하는 단계, 제1 질화물 반도체층 상에 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계, 레이저 리프트 오프를 이용하여 사파이어 기판을 제거하는 단계, 절연 패턴층을 식각하여 제거하는 단계, 및 절연 패턴층이 제거된 영역에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

발광소자, 수직형, n형 전극

Description

수직형 발광소자의 제조 방법 {Manufacturing method of vertical type light emitting device}

본 발명은 수직형 발광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, n형 전극의 형성이 용이한 수직형 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히, 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합 조건을 가장 만족하는 것으로 알려진 사파이어 기판과 같은 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 수평 구조를 취하게 된다.

상기와 같은 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자는, 여러 가지 단점을 갖는다. 먼저, n측 전극으로부터 활성층을 통해 p형 전극으로 향하는 전류흐름이 수평방향을 따라 협소하게 형성될 수 밖에 없다. 이러한 협소한 전류흐름으로 인해, 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자는 순방향 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되는 단점이 있다. 또한, 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자에서는, 전류밀도의 증가에 의해 열발생량이 크고, 반면에 사파이어 기판의 낮은 열전도성에 의해 열 방출이 원활하지 못하므로, 열 증가에 따라 사파이어 기판과 질화물 반도체 발광구조물 간에 기계적 응력이 발생하여 소자가 불안정해지는 단점이 있다.

더하여, 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자에서는, n측 전극을 형성하기 위해서, 형성되는 n형 전극의 면적보다 크게 활성층 및 p형 질화물 반도체층의 일부영역을 제거하여야 하므로, 발광면적이 감소되어 소자 크기 대 휘도에 따른 발광효율이 저하된다는 단점도 있다. 이와 같은, 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자의 단점을 개선하기 위해, 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조의 질화물 반도체 발광소자의 개발이 적극적으로 이루어지고 있다.

도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 수직형 발광소자의 제조방법이다. 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상부에 형성된 버퍼층(12), 제1 질화물 반도체층(13), 활성층(14) 및 제2 질화물 반도체층(14) 및 p형 전극(15)을 순차적으로 형성한다. 이 후, 도 1b에서와 같이, 레이저 리프트 오프 방법을 이용하여 기판(11) 및 버퍼층(12)을 제거하여, 제1 질화물 반도체층(13)의 일면이 노출되도록 한다. 그리고, 제1 질화물 반도체층(13)의 일면 상에 n형 전극이 형성될 영역을 선택적으로 식각하기 위해서 식각 마스크(17)를 형성한다.

이 후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 식각 마스크(17)가 형성되지 않은 부분의 제1 질화물 반도체층(13)이 소정 두께로 식각된다. 제1 질화물 반도체층(13)의 식각이 완료되면 식각 마스크(17)를 제거하고, 도 1d에 도시된 바와 같이, n형 전극 을 형성하기 위한 전극 형성 마스크(18)를 형성한다.

다음으로, n전극 형성 영역 상에 전극 물질을 증착시킴으로써 n형 전극(19)을 형성하여, 도 1e에 도시된 것과 같은 수직형 발광소자(10) 제조할 수 있게 된다. 이 경우, 전극 형성 마스크(18)는 n형 전극(19)이 형성되고 난 후에 제거될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 수직형 발광소자를 제조하는 경우, n형 전극(19)을 형성하기 위해서는, 제1 질화물 반도체층(13)의 일면에 식각 마스크(17)를 형성하는 제1 공정, 제1 질화물 반도체층(13)을 식각하는 제2 공정, 식각이 완료되면 식각 마스크(17)를 제거하는 제3 공정, 제1 질화물 반도체층(13)의 일면에 전극 형성 마스크(18)를 형성하여 n형 전극(19)을 형성하는 제4 공정 및, 전극 형성 마스크(18)를 제거하는 제5 공정을 수행해야만 한다. 이 같이, 종래에는 수직형 발광소자를 제조함에 있어서, n형 전극 형성에 다수의 공정이 수행됨으로써 공정 시간 및 공정 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있었다.

또한, 발광소자를 제조함에 있어서, 제1 질화물 반도체층을 고품위의 결정성을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 하지만, 종래 수직형 발광소자는 제1 질화물 반도체층 상에 전위 결함이 발생하여 고전압 및 고전류의 구동 영역으로 갈수록 누설 전류가 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 누설 전류는 소자의 특성을 저하시키는 원인이므로, 이를 해결하기 위한 방안이 요구된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 제1 질화물 반도체층을 측면 성장시킴으로써, 제1 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있는 수직형 발광소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, n형 전극 패턴에 대응되는 절연 패턴층을 제거하고, 해당 부분에 n형 전극을 형성함으로써, n형 전극의 형성이 용이한 수직형 발광소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광소자의 제조 방법은, 사파이어 기판 상에 n형 전극 패턴의 형태에 대응되는 절연 패턴층을 형성하는 단계, 상기 사파이어 기판 상에 측면 성장 방법을 이용하여 제1 질화물 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계, 레이저 리프트 오프를 이용하여 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계, 상기 절연 패턴층을 식각하여 제거하는 단계, 및 상기 절연 패턴층이 제거된 영역에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

이 경우, 상기 제1 질화물 반도체층은 상기 절연 패턴층과 연결되는 형태로 형성된 홀(hole)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 질화물 반도체층에 포함된 홀의 크기는 상기 제1 질화물 반도체층의 측면 성장 조건에 따라 조절될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 질화물 반도 체층의 측면 성장 조건은, 압력, 온도 및 Ⅲ/Ⅴ족 비율 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 질화물 반도체층에 형성된 홀에도 상기 n형 전극이 형성되는 것이 바람직하다.

본 제조 방법에서, 상기 n형 전극 패턴 상에 n형 전극을 형성하는 단계는, 상기 제1 질화물 반도체층의 일면에 전극 형성 마스크를 형성하는 단계, 상기 전극 물질을 증착하여 n형 전극을 형성하는 단계, 및 상기 n형 전극이 형성되면 상기 전극 형성 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 n형 전극을 형성하기 전에, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 p형 오믹 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 사파이어 기판 상에 n형 전극 패턴에 대응되는 절연 패턴층을 형성하여 제1 질화물 반도체층을 측면 성장시킴으로써, 제1 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 제1 질화물 반도체층 상에 전위 결함을 감소시킴으로써, 수직형 발광소자의 누설 전류를 감소시킬 수 있게 된다.

또한, n형 전극 패턴에 대응되는 절연 패턴층을 제거하고 난 후, n형 전극을 형성함으로써 n형 전극을 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다. 이에 따라, n형 전극에 따른 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광소자의 제조 방법이다. 우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(110) 상에 절연 패턴층(120)을 형성한다. 구체적으로, 사파이어 기판(100) 상에 SiO₂ 또는 SiN_x와 같은 절연 물질을 증착시킨 후, 일부를 식각함으로써 절연 패턴층(120)을 형성할 수 있게 된다. 이 경우, 절연 패턴층(120)은 수직형 발광소자에 형성되는 n형 전극 패턴에 대응되는 위치에, 대응되는 형태로 형성되는 것으로, 이 후, n형 전극 형성 영역이 될 수 있다.

이 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 절연 패턴층(120)이 형성된 사파이어 기판(110) 상에 제1 질화물 반도체층(130)을 형성한다. 구체적으로, 제1 질화물 반도체층(130)은 n형 질화물 반도체층으로, n-GaN층이 될 수 있으며, 측면 성장 방법(Epitaxy Lateral Over-Growth;ELOG)을 이용하여 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 질화물 반도체층(130)은 화살표 방향으로 측면 성장하여, 절연 패턴층(120) 상부 영역에서 각 측면이 합체(coalescence)될 수 있게 된다. 이 같은 방법에 따라 형성된 제1 질화물 반도체층(130)은 고품위 결정성을 갖게 되어, 전위 결함이 감소될 수 있게 된다.

한편, 제1 질화물 반도체층(130)은 도 2c에 도시된 것과 같이, 홀(H)을 포함한다. 홀(H)은 제1 질화물 반도체층(130) 성장시, 절연 패턴층(120) 사이를 통해 형성된 각 측면의 일부가 합체되지 않은 영역이다. 또한, 홀(H)의 크기는 제1 질화물 반도체층(130)의 측면 성장시 압력, 온도 및 Ⅲ/Ⅴ족 비율 중 어느 하나의 성장 조건에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 질화물 반도체층(130)의 측면 성장시, 고압을 적용할 경우에는 측면 성장 속도보다 수직 성장 속도가 빨라, 절연 패턴층(120) 사이를 통해 형성된 각 측면의 합체 속도가 늦어지며, 각 측면의 상부 영역부터 합체된다. 이에 따라, 비교적 큰 크기를 가지는 홀(H)이 형성될 수 있다.

반면, 제1 질화물 반도체층(130)의 측면 성장시, 저압을 적용할 경우에는 수직 성장 속도보다 측면 성장 속도가 빨라, 절연 패턴층(120) 사이를 통해 형성된 각 측면의 합체 속도가 빨라진다. 이에 따라, 홀(H)의 크기가 작게 형성될 수 있다. 압력 외에 온도 및 Ⅲ/Ⅴ족 비율 등의 성장 조건을 적용하는 경우에도, 상기와 같이 홀(H)의 크기를 조절할 수 있게 된다.

도 2b에 도시된 방법으로 형성된 제1 질화물 반도체층의 SEM 사진을 도 3에 도시하였다. 도 3은 측면성장에 따른 제1 질화물 반도체층의 성장 형태를 나타내는 SEM 사진으로, 사파이어 기판(110) 상에 절연 패턴층(120) 및 제1 질화물 반도체층(130)이 형성되어 있다. 일부 확대한 도면을 참조하면, 제1 질화물 반도체층(130)은 측면 성장되어 절연 패턴층(120)의 상부 영역에서 합체되었으며, 합체된 영역에 홀(H)이 형성되어 있다. 이 경우, 홀(H)은 절연 패턴층(120)과 연결되어 형성되는 것으로, 이 후, 절연 패턴층(120)과 함께 n형 전극 형성 영역으로 기능할 수 있게 된다.

한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 질화물 반도체층(130) 상에 활성층(140) 및 제2 질화물 반도체층(150)을 형성한다. 이 경우, 활성층(140)은 InGaN 물질의 증착을 통해 형성될 수 있으며, 제2 질화물 반도체층(150)은 p형 질화물 반도체층으로 p-GaN층이 될 수 있다. 또한, 활성층(140) 및 제2 질화물 반도체층(150)은 유기화학증착법(MOCVD)을 이용하여 형성될 수 있다.

제1 질화물 반도체층(130) 상에 활성층(140) 및 제2 질화물 반도체층(150)이 형성되면, 도 2d에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트 오프(laser lift off)를 이용하여 사파이어 기판(110)을 제거한다. 이에 따라, 제1 질화물 반도체층(130)의 일면이 노출된다.

이 후, 도 2e에서와 같이, 일면이 노출된 제1 질화물 반도체층(130)에 내장되어 있는 절연 패턴층(120)을 습식 또는 건식 식각하여 제거한다. 이에 따라, 절연 패턴층(120) 형성 영역 및 홀(H) 영역이 노출되어 n형 전극 형성을 위한 n형 전극 형성 영역이 제공된다. 또한, 제2 질화물 반도체층(150) 상에 p형 오믹 전극(160)을 형성한다.

다음, 도 2f에 도시된 바와 같이, 제1 질화물 반도체층(130)의 일면에 n형 전극 형성을 위한 전극 형성 마스크(170)를 형성한 후, 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 금속 물질을 증착시킴으로써 n형 전극(180)을 형성한다. 그리고, 도 2g에 도시된 바와 같이, 전극 형성 마스크(170)를 제거하여 수직형 발광소자(100)를 제조할 수 있게 된다. 이 경우, 도 2e에 도시된 홀(H) 및 절연 패턴층(120) 제 거 영역 상에 n형 전극(180)이 형성됨에 따라, 제1 질화물 반도체층(130)과 n형 전극(180) 간의 접합 면적이 증가되어 접촉 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 수직형 발광소자에 인가되는 구동 전압을 감소시킬 수 있게 된다.

상술한 방법으로 수직형 발광소자를 제조할 경우, n형 전극을 형성하기 위해 제1 질화물 반도체층 상에 식각 마스크를 형성하는 제1 공정, 제1 질화물 반도체층을 식각하는 제2 공정, 및 식각 마스크를 제거하는 제3 공정 등을 수행할 필요가 없게 된다. 이에 따라, n형 전극 형성에 따른 공정 시간 및 공정 비용이 감소되어 보다 용이하게 수직형 발광소자를 제조할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 적정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 수직형 발광소자의 제조 방법,

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광소자의 제조 방법, 그리고,

도 3a 및 도 3b는 측면성장에 따른 제1 질화물 반도체층의 성장 형태를 나타내는 SEM 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 수직형 발광소자 110 : 사파이어 기판

120 : 절연 패턴층 130 : 제1 질화물 반도체층

140 : 활성층 150 : 제2 질화물 반도체층

160 : p형 전극 170 : 감광막

180 : n형 전극

Claims (7)

1. 사파이어 기판 상에 n형 전극 패턴의 형태에 대응되는 절연 패턴층을 형성하는 단계;

   상기 사파이어 기판 상에 측면 성장 방법을 이용하여 제1 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 제1 질화물 반도체층 상에 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

   레이저 리프트 오프를 이용하여 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계;

   상기 절연 패턴층을 식각하여 제거하는 단계; 및,

   상기 절연 패턴층이 제거된 영역에 n형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 질화물 반도체층은 상기 절연 패턴층과 연결되는 형태로 형성된 홀(hole)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 질화물 반도체층에 포함된 홀의 크기는 상기 제1 질화물 반도체층의 측면 성장 조건에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 질화물 반도체층의 측면 성장 조건은,

   압력, 온도 및 Ⅲ/Ⅴ족 비율 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제1 질화물 반도체층에 형성된 홀에도 상기 n형 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 n형 전극 패턴 상에 n형 전극을 형성하는 단계는,

   상기 제1 질화물 반도체층의 일면에 전극 형성 마스크를 형성하는 단계;

   상기 전극 물질을 증착하여 n형 전극을 형성하는 단계; 및,

   상기 n형 전극이 형성되면 상기 전극 형성 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 n형 전극을 형성하기 전에, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 p형 오믹 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자의 제조 방법.

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