KR100962899B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 위의 외측에 형성된 전도층; 상기 전도층 위에 절연막; 상기 발광 구조물 및 상기 전도층 위에 형성된 전극층; 상기 전극층 위에 형성된 전도성 지지부재를 포함한다.
반도체, 발광소자

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 메사 에칭 공정을 수행하지 않고 칩을 분리할 수 있도록 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 발광 구조물의 외벽에서의 층간 단락 문제를 개선시켜 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 위의 외측에 형성된 전도층; 상기 전도층 위에 절연막; 상기 발광 구조물 및 상기 전도층 위에 형성된 전극층; 상기 전극층 위에 형성된 전도성 지지부재를 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 화합물 반도체층을 이용한 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 위의 외측 둘레에 전도층을 형성하는 단계; 상기 전도층 위에 절연막을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 및 전도층 위에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 ICP(Inductively coupled plasma) 장비 등을 이용한 메사 에칭을 수행하지 않기 때문에, 칩 제조 공정을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 전도성 지지부재 측면을 레이저로 가공하지 않기 때문에, 상기 전 도성 지지부재로부터 찌꺼기가 발생되는 것을 차단할 수 있다.
상기 전도성 지지부재와 발광 구조물 사이의 간격을 절연막으로 이격시켜 줄 수 있도록 하여, 칩 신뢰성을 개선하고 공정을 단순화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이하, 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 발광 구조물(135), 전도층(140), 절연막(145), 전극층(150) 및 전도성 지지부재(160)를 포함한다.
상기 발광 구조물(135)은 제 1도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제 2도전형 반도체층(130)을 포함한다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 상기 제 1도전형 반도체층(110)의 아래에는 적어도 하나의 제 1전극(181)이 소정의 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 활성층(120)이 형성되며, 상기 활성층(120)은 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(120)은 발광 재료에 따라 양자 우물층 및 양자 장벽층의 재료가 달라 질 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 활성층(120)의 위 또는/및 아래에는 클래드층이 형성될 수도 있다.
상기 활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성되며, 상기 제 2도전형 반도체층(130)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Be, Zn 등의 원소계열을 포함한다.
또는 상기 발광 구조물(135)은 상기 제 1도전형 반도체층(110)이 p형 반도체층이고, 상기 제 2도전형 반도체층(130)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 여기서 상기 제2도전형 반도체층(130) 위에 제 3도전형 반도체층이 형성될 수 있으며, 상기 제3도전형 반도층은 제 2도전형 반도체층이 n형 반도체층인 경우 p형 반도체층으로 형성되며, p형 반도체층인 경우 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 즉,상기 발광 구조물(135)은 np 접합, pn 접합, npn 접합, pnp 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130) 위에는 전도층(140) 및 전극층(150)이 형성된다.
상기 전도층(140)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면 외측에 형성되며, 상기 전극층(150)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면 내측에 형성되며, 상기 전도층(140)의 상면 일부까지 연장되어 형성될 수 있다.
상기 전도층(140)은 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 상면 외측을 따라 틀 형태(예: 사각 틀 형태)로 형성된다. 상기 전도층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 등과 같은 도전형 물질으로 형성될 수 있으며, 그 두께는 예컨대, 0.02~2um 정도로 형성될 수 있다. 상기 전도층(140)은 도금 공정을 위한 씨드층으로 이용될 수 있다.
상기 전도층(140)은 오믹 특성을 가지는 재질을 이용하므로, 발광 효율이 개선될 수 있다. 또한 상기 전도층(140)은 상기 제2도전형 반도체층(130)과의 접착력이 강화시켜 줄 수 있다.
상기 전도층(140) 위에는 절연막(145)이 형성된다. 상기 절연막(145)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 절연막(145)은 투과 특성이 좋은 절연 재질로 소정 두께 및 소정 폭으로 형성될 수 있다. 상기 절연막(145)은 상기 발광 구조물(135)의 상부 외측 중 적어도 한 측 방향에 배치될 수 있다.
상기 전극층(150)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면에서 상기 전도층(140)의 상면 일부까지 연장되어 형성될 수 있다.
상기 전극층(150)은 오믹 특성, 반사 특성 및 시드 층으로 이용될 수 있는 물질 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 전극층(150)은 상기 발광구조물(135)에 전류를 공급하기 위해 오믹 컨택트(ohmic contact)하는 p형 전극으로 기능할 수도 있다. 여기서, p형 전극은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 적어도 하나의 층을 포함하는 구조로 형성될 수 있다.
상기 전극층(150)과 상기 제2도전형 반도체층(130) 사이에는 오믹층(미도시)이 소정의 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 오믹층은 일정 패턴으로 형성되어, 두 층의 접촉력을 강화시켜 줄 수 있다.
상기 전극층(150) 위에는 상기 전도성 지지부재(160)가 형성되며, 상기 전도성 지지부재(160)는 구리, 금, 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 등으로 이루어질 수 있으며, 구리에 도금이나 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성하게 된다.
상기 전도층(140) 위에 형성된 상기 절연막(145)은 그 두께와 폭에 따라, 상기 전도성 지지부재(160)이 상기 절연막(145)을 에워싸는 형태로 형성되거나 상기 절연막(145)을 에워싸지 않는 형태로 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 전도성 지지부재(160)는 상기 절연막(145) 위에 잘 형성되지 않기 때문에 해결할 수 있다.
상기 절연막(145)은 상기 전도층(140) 위에 소정 두께(즉, 높이) 예컨대, 10~100um로 형성될 수 있으며, 소정 폭 예컨대, 10~20um로 형성될 수 있다.
상기 절연막(145)의 최소 두께는 10um로서, 이는 레이저로 인해 상기 전도성 지지부재(160)에 비 정상적인 충격이 가해질 때, 상기 전도성 지지부재(160)로부터 발생된 찌꺼기가 상기 발광 구조물(135)의 외측으로 올라오는 것을 차단하기 위한 최소한의 두께이다. 상기 절연막(145)의 폭은 절연막 상태를 안정적으로 유지하기 위한 넓이로 형성된다. 상기 절연막(145)의 두께는 적어도 상기 전극층(150) 보다 두껍게 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 9는 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판(101) 위에는 제 1도전형 반도체층(110)이 형성되고, 상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 활성층(120)이 형성되며, 상기 활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성된다.
상기 기판(101)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 기판(101) 위에는 버퍼층 또는/및 언도프드 반도체층이 형성될 수도 있으며, 박막 성장 후 제거될 수도 있다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)은 n형 반도체층으로, 상기 제 2도전형 반도체층(130)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 상기 p형 반도체층은 Mg와 같은 p형 도펀트가 도핑되며, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2도전형 반도체층(130)의 위 또는/및 아래에는 다른 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2도전형 반도체층(130)은 발광 구조물(135)로 정의될 수 있다. 또한 상기 발광 구조물(135)은 np 접합, pn 접합, npn 접합, pnp 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130)의 외측 둘레에는 전도층(140)이 형성된다. 상기 전도층(140)은 개별 칩 단위로 구분되는 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면(141) 외측에 틀 형태로 형성된다.
상기 전도층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 등과 같은 도전형 물질로 형성될 수 있으며, 그 두께는 예컨대, 0.02~2um 정도로 형성될 수 있다. 상기 전도층(140)은 이후 성장될 전도성 지지부재의 도금을 위한 씨드층으로 이용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 전도층(140)의 상면 외측에는 절연막(145)이 소정 두께로 형성된다. 상기 절연막(145)은 상기 전도층 위의 외측 및 칩 경계 영역에 형성된다.
상기 절연막(145)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 등과 같은 투과성 절연 재질 중에서 적어도 하나를 이용할 수 있다. 상기 절연막(145)은 상기 전도층(140) 위에 소정 두께(즉, 높이) 예컨대, 10~100um로 형성될 수 있으며, 소정 폭 예컨대, 10~20um로 형성될 수 있다.
상기 절연막(145)의 최소 두께는 10um로서, 이는 레이저로 인해 상기 전도성 지지부재(도 8의 160)에 비 정상적인 충격이 가해질 때, 상기 전도성 지지부재(도 8의 160)로부터 발생된 찌꺼기가 상기 발광 구조물(135)의 외측으로 올라오는 것을 차단하기 위한 최소한의 두께이다. 상기 절연막(145)의 폭은 절연막 상태를 안정적으로 유지하기 위한 넓이로 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 제2도전형 반도체층(130) 및 상기 전도층(140) 위에는 전극층(150)이 형성된다. 상기 전극층(150)은 오믹 특성, 반사 특성 및 시드 층으로 이용되는 물질 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 전극층(150)은 오믹 컨택트(ohmic contact)하는 p형 전극 예컨대, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 적어도 하나의 층을 포함하는 구조로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 전극층(150) 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성되며, 상기 전도성 지지부재(160)는 구리, 금, 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 등으로 이루어질 수 있으며, 베이스 기판으로 기능하게 된다. 상기 전극층(150) 및 전도성 지지부재(160)는 하나의 층 예컨대, 반사 전극 지지부재로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
여기서, 상기 전도성 지지부재(160)는 상기 절연막(145)의 내측에 형성되거나 상기 절연막(145)을 에워싸는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 절연막(145)의 폭과 두께, 그리고 상기 전도성 지지부재(160)의 형성 두께에 따라 상기 절연막(145)을 상기 전도성 지지부재(160)가 에워싸거나 에워싸지 않도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한 인접한 칩 단위의 전도성 지지부재(160)는 소정의 갭(162)만큼 분리되게 형성될 수 있으며, 또는 상기 갭(162)이 없이 서로 봉합될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 기판(101)을 제거하게 된다. 상기 기판(101)의 제거 방법은 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Lift Off) 과정으로 제거 하게 된다. 즉, 상기 기판(101)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식(LLO : Laser Lift Off)으로 상기 기판(101)을 분리시켜 준다. 또는 상기 기판(101)과 제 1도전형 반도체층(110) 사이에 다른 반도체층(예: 버퍼층)이 형성된 경우, 습식 식각 액을 이용하여 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 기판을 분리할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 칩 단위의 발광 구조물(135)의 제1도전형 반도체층(110)의 아래에 제 1전극(181)을 소정의 패턴으로 형성하게 된다. 여기서, 상기 발광 구조물(135)의 칩과 칩 사이의 경계 영역(즉, 채널 영역)에 대해 메사 에칭(예: ICP) 공정을 수행하지 않고 전극 형성 공정을 수행하게 되므로, 제조 공정을 개선시켜 줄 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 칩 단위로 분리하게 된다. 상기 칩 분리 공정은 레이저 스크라이빙(laser scribing) 장비를 이용하여 칩과 칩 사이의 경계 영역에 레이저를 조사하여 분리하게 된다. 이때 상기 레이저에 의해 칩 경계 영역에 배치된 상기 발광 구조물(135) 및 전도층(140)이 분리되며, 이후 최종 브레이킹 작업을 통해 칩 단위로 분리하게 된다. 여기서, 상기 전도성 지지부재(160)는 서로 봉합되어있더라도 브레이킹 공정시 눌리는 힘 때문에 깨어져 분리되게 된다.
여기서, 상기 레이저는 상기 전도층(140)까지 조사될 수 있다. 이때 상기 전도층(140)은 ITO와 같은 물질로 형성되기 때문에, 레이저의 충격이 가해지더라도 찌거기가 발생되지 않기 때문에, 발광 구조물(135)의 층간 단락을 방지할 수 있다.
상기 레이저를 조사할 때 비 정상적으로 상기 전도성 지지부재(160)에 충격을 가할 경우, 상기 전도성 지지부재(160)로부터 찌꺼기가 발생될 수 있다. 이때 상기 절연막(145)은 상기 찌꺼기가 상기 발광 구조물(135)로 이동하는 것을 차단해 줄 수 있어, 발광 구조물(135)의 층간 단락을 방지할 수 있다.
또한 레이저를 이용하여 상기 전도성 지지부재(160)에 충격을 가하지 않고, 칩을 분리시킬 수 있어, 상기 전도성 지지부재(160)의 측면이 깨끗한 면으로 제공될 수 있다.
상기의 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2 내지 도 9는 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 도면이다.

Claims (11)

  1. 발광 구조물;
    상기 발광 구조물 위의 외측에 형성된 전도층;
    상기 전도층 위에 절연막;
    상기 발광 구조물 및 상기 전도층 위에 형성된 전극층;
    상기 전극층 위에 형성된 전도성 지지부재를 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연막은 SiO2, Si3N4, TiO2, Al203 재질 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연막은 상기 전도층 위에서 상기 전도성 지지부재의 하부 외측에 10~100um의 두께로 형성되는 반도체 발광소자.
  5. 화합물 반도체층을 이용한 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 위의 외측 둘레에 전도층을 형성하는 단계;
    상기 전도층 위에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 및 전도층 위에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    기판 위에 상기 발광 구조물을 형성하고, 상기 전도성 지지부재를 형성한 후 상기 기판을 제거하는 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 지지부재는 상기 절연막에 의해 칩 단위로 서로 분리되게 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 절연막은 SiO2, Si3N4, TiO2, Al203 재질 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 전도성 지지부재가 형성되면, 상기 제1도전형 반도체층의 아래에 제1전극을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극이 형성되면, 레이저를 상기 전도층에 조사하여 칩 경계를 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 절연막은 상기 전도성 지지부재의 하부 외측에 형성되며, 그 두께는 10~100um로 형성되며, 폭은 10~20um로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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