KR100973259B1 - 측부 반사판을 갖는 수직구조 질화갈륨계 ｌｅｄ 소자 및그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 N형 전극과; 상기 N형 전극의 하부에 순차적으로 형성된 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 갖는 질화갈륨계 LED 구조체와; 상기 LED 구조체의 하부에 형성되되 적어도 일 영역이 상기 P형 질화갈륨층과 접촉되며, 광을 반사하는 재질로 마련되는 하부 반사판과; 상기 질화갈륨계 LED 구조체의 측면을 소정의 이격 간격을 두고 감싸도록 상기 하부 반사판으로부터 연장 형성되되 하부에서 상부로 갈수록 상기 이격 간격이 멀어지도록 형성되며, 광을 반사하는 재질로 마련된 측부 반사판과; 상기 하부 반사판과 상기 측부 반사판의 하부에 형성되는 더미 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 질화갈륨계 LED 구조체에 하부 반사판 및 측부 반사판을 형성하여 발광 효율을 증가시키고 광 확산 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화갈륨계 LED 구조체에 하부 반사판 및 측부 반사판을 형성하여 발광 효율을 증가시키고 광 확산 특성을 향상시킬 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래에 고효율, 고휘도의 LED 소자를 제조하기 위해 질화갈륨계 화합물을 기반으로 한 LED가 널리 사용되고 있으며, 특히 조명용으로 사용되기에 적합한 백색 LED의 질화갈륨계 화합물의 사용이 보다 폭넓게 이용되고 있다.
이러한 질화갈륨계 LED 소자는 사파이어(Sapphire) 기반 상에 성장하지만, 사파이어 기판은 전기적으로 부도체이고 열전도도도 낮아 사파이어 기판을 통해 전류가 흐르는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제조할 수 없다. 이를 해결하기 위 해 LED를 동작시키기 위한 두 전극이 모두 사파이어 기판의 위에 위치하게 되어 LED 동작시 과도한 열이 발생하여 고휘도 LED 작동시 열화가 발생하여 수명이 단축되는 문제점이 제기되어 있다.
상기와 같은 LED 소자의 열화 현상을 해결하기 위한 방법으로, 사파이어 기판 위에 성장된 에피택시(Epitaxy)층 위에 열전달 특성이 우수하면서도 전기전도성이 좋은 구리나 니켈 등의 금속 후막을 전기 도금방법으로 증착하거나 또는 반도체 기판, 예를 들어 P형 Si 기판을 열과 압력을 인가하여 에피택시층에 접합시키는 방법이 제안되었는데, 이러한 후막금속 또는 반도체 기판을 더미(Dummy) 기판이라 한다.
그런 다음, 사파이어 기판을 연마하여 제거하거나 또는 강한 레이저 빛을 조사하여 사파이어 기판과 에피택시층을 형성하는 질화갈륨층을 분리시켜 사파이어 기판을 제고한다. 이 결과 LED 소자를 위한 P형 에피택시층은 더미기판에 또한 N형 에피택시층은 공기 중에 노출되어 N형 전극을 부착하여 전기를 인가할 수 있게 됨으로써 수직형 LED 소자를 제작할 수 있게 된다.
한편, 수직형 LED 소자의 빛의 방출 효율을 증진시키기 위해 외부로 노출되어 있는 N형 전극을 빛을 투과할 수 있는 투명한 전극, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)나 극박막의 금속산화막을 사용하여 발생된 빛이 전극층을 통과하면서 흡수되지 않고 수직형 LED 소자 외부로 나가도록 하였다.
이에 대응하여, 광효율을 더욱 향상시키기 위해 후막 금속으로 구성된 더미 기판은 빛의 반사율이 높은 반사판 금속을 먼저 증착하고, 이후에 금속도금을 통해 더미 기판을 형성하는 방법 또한 제안되었다.
상기와 같이 수직구조 LED 소자의 경우, 빛을 N형 전극 방향으로 집중되도록 하여 수직 구조 LED 소자의 광효율을 향상시키기 위한 연구 개발이 지속되고 있는 실정이다.
그러나, 전술한 더미 기판과 질화갈륨층 사이에 반사판을 형성하는 기술을 포함하는 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 경우, 질화갈륨층의 측면 방향으로 방사상으로 방출되는 빛에 의한 손실에 대해서는 그 해결책을 제시하지 못하고 있다.
이에 본 발명은 소자를 중심으로 전방향으로 방출되는 빛을 N형 전극 방향으로 집중되도록 N형 전극 방향 및 질화갈륨층의 측면 방향으로 방사상으로 방출되는 빛의 손실을 최소화시켜 발광 효율을 증가시키고 광 확산 특성을 향상시킬 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 있어서, (a) 언도프드(Undoped) 처리된 제1 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층, P형 질화갈륨층을 갖는 베이스 구조체 패턴을 언도프트(Undoped) 처리된 제2 질화갈륨층이 도포된 사파이어 기판 상에 형성하는 공정과; (b) 상기 베이스 구조체 패턴을 감싸되 상기 P형 질화갈륨층으로부터 상기 제1 질화갈륨층으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 실리콘 산화물을 상기 베이스 구조체 패턴의 표면을 도포하는 공정과; (c) 상기 P형 질화갈륨층 표면의 적어도 일 영역이 노출되도록 상기 실리콘 산화물을 제거하는 공정과; (d) 상기 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 상기 P형 질화갈륨층의 표면을 광을 반사하는 재질로 도포하여 반사판을 형성하는 공정과; (e) 상기 반사판의 표면이 커버되도록 전도성 재질의 더미기판을 형성하는 공정과; (f) 상기 사파이어 기판, 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층을 제거하는 공정과; (g) 상기 사파이어 기판, 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층의 제거에 의해 외부로 노출된 N형 질화갈륨층의 표면에 N형 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 의해서 달성될 수 있다.
여기서, 상기 (a) 공정은, (a1) 상기 사파이어 기판에 언도프드(Undoped) 처리된 베이스 질화갈륨층, N형 베이스 질화갈륨층, 베이스 활성층 및 P형 베이스 질화갈륨층을 형성하는 공정과; (a2) 상기 P형 베이스 질화갈륨층의 표면에 상기 베이스 구조체 패턴에 대응하는 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴을 형성하는 공정과; (a3) 상기 마스크 패턴을 이용한 건식 식각을 통해 상기 베이스 구조체 패턴을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질확갈륨층은 상기 (a3) 공정에서 상기 베이스 질화갈륨층 중 일정 두께만 식각되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 (b) 공정은, (b1) 상기 베이스 구조체 패턴 및 상기 제2 질화갈륨층의 표면에 실리콘 산화물을 증착하는 공정과; (b2) 상기 P형 질화갈륨층으로부 터 상기 제1 질화갈륨층으로 갈수록 두께가 두꺼워지고 상기 제2 질화갈륨층의 표면에 증착된 실리콘 산화물이 제거되도록 상기 증착된 실리콘 산화물을 건식 식각하는 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (b1) 공정에는 화학 기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition) 공정이 적용될 수 있다.
그리고, 상기 (b2) 공정에는 반응성 이온 식각(RIE : Reactive Ion Etching) 방식을 이용한 건식 식각 공정이 적용될 수 있다.
또한, 상기 (c) 공정에서의 실리콘 산화물의 제거는 상기 포토 레지스트 패턴을 이용한 식각에 의해 제거될 수 있다.
또한, 상기 (d) 공정에서 상기 반사판은 알미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 어느 하나 또는 어느 둘 이상의 합금으로 된 금속재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 (d) 공정은, (d1) 상기 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 상기 P형 질화갈륨층의 표면을 상기 금속재질로 증착하는 공정과; (d2) 상기 P형 질화갈륨층과 상기 금속재질이 오믹 접촉(Ohmic Contact)되도록 상기 금속재질을 어닐링(Annealing)하는 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (d1) 공정에서의 증착은 스퍼터링(Sputtering) 방식이 적용될 수 있다.
그리고, 상기 (d2) 공정에서의 어닐링(Annealing)은 소정의 오차 범위 내에서 800℃ 환경에서 2분간 수행될 수 있다.
또한, 상기 (e) 공정에서 상기 더미기판은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나 또는 둘의 합금 재질을 이용한 전기도금 방식을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 (f) 공정은, (f1) 상기 사파이어 기판을 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 공정을 통해 상기 제2 질화갈륨층으로 부터 제거하는 공정과; (f2) 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층을 건식 식각하여 제거하는 공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 (g) 공정은, (g1) 상기 N형 질화갈륨층의 표면에 베이스 전극을 증착하는 공정과; (g2) 상기 베이스 전극의 표면에 마스크 패턴을 형성하는 공정과; (g3) 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 베이스 전극을 건식 식각하여 N형 전극을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)의 증착에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 (g) 공정은, (g4) 상기 N형 전극의 전도도가 향상되도록 상기 N형 전극을 기 설정된 온도로 열처리하는 공정을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, N형 전극과; 상기 N형 전극의 하부에 순차적으로 형성된 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 갖는 질화갈륨계 LED 구조체와; 상기 LED 구조체의 하부에 형성되되 적어도 일 영역이 상기 P형 질화갈륨층과 접촉되며, 광을 반사하는 재질로 마련되는 하부 반사판과; 상기 질화갈륨계 LED 구조체의 측면을 소정의 이격 간격을 두고 감싸도록 상기 하부 반사판으로부터 연장 형성되되 하부에서 상부로 갈수록 상기 이격 간격이 멀 어지도록 형성되며, 광을 반사하는 재질로 마련된 측부 반사판과; 상기 하부 반사판과 상기 측부 반사판의 하부에 형성되는 더미 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 질화갈륨계 LED 구조체와 상기 측부 반사판 사이의 이격 공간에 형성된 실리콘 산화물 재질의 측벽부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 P형 질화갈륨층과 상기 하부 반사판은 오믹 접촉(Ohmic Contact)할 수 있다.
또한, 상기 P형 질화갈륨층의 하면과 직접 접촉되지 않은 상기 하부 반사판의 나머지 영역은 상기 P형 질화갈륨층과 소정 간격 이격되며; 상기 P형 질화갈륨층과 상기 하부 반사판 사이의 이격 공간에는 상기 측벽부를 구성하는 실리콘 산화물 재질이 채워질 수 있다.
그리고, 상기 하부 반사판 및 상기 측부 반사판은 알미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 된 금속재질로 마련될 수 있다.
본 발명에 따르면, 질화갈륨계 LED 구조체에 하부 반사판 및 측부 반사판을 형성하여 발광 효율을 증가시키고 광 확산 특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 휴대폰이나 OLED 방식의 디스플레이 장치의 픽셀들을 형성하는데 사용하는 경우, 즉 대략 200㎛ 정도 의 마이크로 단위의 극소 사이즈의 LED 소자에 적용되는 경우, 측부 반사판에 의해 빛이 인접한 다른 LED 소자로 방출되는 것을 차단할 수 있어, 픽셀 간의 간섭을 최소화시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 19는 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨(GaN, 이하 동일)계 LED 소자(100, 도 20 참조)의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다. 도면들을 참조하여 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 언도프드(Undoped) 처리된 제2 질화갈륨층(15)이 도포된 사파이어 기판(20) 상에 베이스 구조체(10) 패턴을 형성한다.
베이스 구조체(10)는 언도프드(Undoped) 처리된 제1 질화갈륨층(14), N형 질화갈륨층(13), 활성층(12) 및 P형 질화갈륨층(11)을 포함한다. 또한, 베이스 구조체(10)는 베이스 구조체(10)의 형성 과정에서 사용된 실리콘 산화막이 P형 질화갈륨층(11)의 표면에 적층되어 있다.
상기와 같이 사파이어 기판(20) 상에 베이스 구조체(10) 패턴을 형성하는 과정을 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(20) 상에 언도프드(Undoped) 처리된 베이스 질화갈륨층(14a), N형 베이스 질화갈륨층(13a), 베이스 활성층(12a) 및 P형 베이스 질화갈륨층(11a)을 순차적으로 성장시켜 베이스 발광 구조물(1)을 형성한다. 여기서, 베이스 활성층(12a)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조로 형성될 수 있으며, N형 베이스 질화갈륨층(13a)은 N형 불순물이 도핑(Doping)된 GaN/AlGaN 층으로 형성될 수 있으며, P형 베이스 질화갈륨층(11a)은 P형 불순물이 도핑(Doping)된 GaN 층 또는 GaN/AlGaN 층으로 형성될 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 베이스 질화갈륨층(14a)에서 P형 베이스 질화갈륨층(11a)까지의 두께는 대략 5.2㎛ 정도인 것을 일 예로 한다.
그런 다음, P형 베이스 질화갈륨층(11a)의 표면에 베이스 구조체(10) 패턴에 대응하는 실리콘 산화물(Si02) 재질의 마스크 패턴(16, 도 6 참조)을 형성하기 위한 공정이 진행된다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, P형 베이스 질화갈륨층(11a)의 표면에 실리콘 산화물(16a)이 도포된다. 여기서, 실리콘 산화물(16a)은 화학 기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition) 공정에 의해 성장된 CVD Si02를 사용할 수 있다. 여기서, SiO2는 증착온도가 650℃ 이하로 낮아 질화갈륨계 화합물로 구성된 N형 질화갈륨층(13), P형 질화갈륨층(11) 및 베이스 질화갈륨층(14a)을 손상시키기 않으며 후술할 식각 공정에 대해 산화막의 에칭선택비가 높아 효율적이다.
그런 다음, P형 베이스 질화갈륨층(11a)의 표면에 증착된 실리콘 산화물(16a)을 이용하여 도 6에 도시된 마스크 패턴(16)을 형성하기 위해 포토 레지스트(Photo Resist : PR)(17a)가, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화물(16a)의 표면에 도포되고, 마스크 패턴(16)에 대응하는 마스크(18a)를 이용하여 현 상(Develop) 공정을 거쳐, 도 4에 도시된 바와 같은 PR 패턴(19a)이 형성된다.
그리고, 도 4에 도시된 PR 패턴(19a)을 이용한 건식 식각 공정에 의해 실리콘 산화물(16a)을 식각하여, 도 5에 도시된 바와 같은 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴(16)이 형성된다. 그런 다음, PR 패턴(19a)을 제거함으로써, 도 6에 도시된 바와 같이, P형 베이스 질화갈륨층(11a)의 표면에 베이스 구조체(10) 패턴에 대응하는 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴(16)만이 남게 된다.
그런 다음, 도 6에 도시된 상태에서, 마스크 패턴(16)을 이용하여 P형 베이스 질화갈륨층(11a), 베이스 활성층(12a), N형 베이스 질화갈륨층(13a) 및 베이스 질화갈륨층(14a)을 건식 식각하여 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 질화갈륨층(14), N형 질화갈륨층(13), 활성층(12), P형 질화갈륨층(11)을 갖는 베이스 구조체(10) 패턴이 형성된다.
여기서, 제1 질화갈륨층(14) 및 제2 질화갈륨층(15)은 건식 식각 공정에서 건식 식각이 베이스 질화갈륨층(14a) 중 일정 두께만큼만 식각되도록 조절함으로써, 베이스 질화갈륨층(14a)으로부터, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 질화갈륨층(14) 및 제2 질화갈륨층(15)이 형성된다.
여기서, 제2 질화갈륨층(15)의 두께는 대략 0.5㎛ 정도가 되도록 하는데, 여기서, 제2 질화갈륨층(15)은 후술할 레이저를 이용한 사파이어 기판(20)을 제거할 때, 레이저에 의해 분해되는 층이 사파이어 기판(20) 상의 모든 부분에 존재하게 되어, 실질적으로 LED 소자(100)를 구성하여야 할 부분이 함께 떨어져 나가는 것을 방지하는 기능을 수행하게 된다.
상기와 같은 과정을 통해, 도 7에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(20) 상에 베이스 구조체(10) 패턴의 형성이 완료되면, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)의 측벽부(30)를 형성하기 위한 공정이 수행된다. 여기서, 측벽부(30)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화물 재질로 형성되고, 베이스 구조체(10) 패턴 각각을 감싸도록 형성되며, P형 질화갈륨층(11)으로부터 상기 제1 질화갈륨층(14)으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성된다.
먼저, 도 7에 도시된 상태에서, 베이스 구조체(10) 패턴 및 제2 질화갈륨층(15)의 표면에, 도 8에 도시된 바와 같이 실리콘 산화물(30a)을 증착한다. 여기서, 실리콘 산화물(30a)은 화학 기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 베이스 구조체(10) 패턴 및 제2 질화갈륨층(15)의 표면에 증착될 수 있으며, 본 발명에서는 대략 1㎛ 두께로 증착되는 것을 일 예로 한다. 이 때, 증착되는 실리콘 산화물(30a)의 두께는 P형 질화갈륨층(11)의 두께가 대략 0.15㎛인 경우 그 두께가 상대적으로 얇아 pn 접합의 경계면인 활성층(12)이 가능한 측벽부(30)의 중간 부분에 위치되도록 선택될 수 있다.
그런 다음, 도 8에 도시된 상태에서, 마스크를 사용하지 않은 상태에서 실리콘 산화물(30a)에 대해 건식 식각을 수행한다. 여기서, 건식 식각으로는 SF6/CF4/O2 가스를 사용한 반응성 이온 식각(RIE : Reactive Ion Etching) 방식이 적용될 수 있다. 이 경우, 마스크를 사용하지 않더라도 건식 식각을 수행하게 되면 수직성 식각 특성에 의해 평면에 존재하는 실리콘 산화물(30a)은 제거되지만, 베이스 구조체(10) 패턴의 측면부에 존재하는 실리콘 산화물(30a)은 위쪽에서 아래쪽으로, 즉 P형 질화갈륨층(11)으로부터 상기 제1 질화갈륨층(14)으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 볼록한 형태로 남게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 구조체(10) 패턴의 측면을 둘러싸는 측벽부(30)의 형성이 완료되면, 마스크 패턴(16)에 의해 가려진 P형 질화갈륨층(11) 표면의 적어도 일 영역이 외부로 노출되도록 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴(16)을 제거하는 공정이 수행된다.
먼저, 도 9에 도시된 상태에서, P형 질화갈륨층(11)의 외부로 노출될 영역을 제외한 부분에, 도 10에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트(Photo Resist) 패턴(40a)이 도포된다. 그런 다음, 식각 공정을 통해 포토 레지스트(Photo Resist) 패턴(40a)에 의해 가려지지 않은 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴(16)의 일부 영역이 제거되어, 도 11에 도시된 바와 같이, P형 질화갈륨층(11)의 일 영역이 외부로 노출된다. 그리고, P형 질화갈륨층(11)의 일 영역이 외부로 노출된 상태에서 포토 레지스트(Photo Resist) 패턴(40a)을 제거하면, 도 12에 도시된 바와 같은 상태가 된다.
상기와 같은 과정을 통해 P형 질화갈륨층(11)의 일 영역이 외부로 노출되면, 반사판(40b,40c)을 형성하기 위한 공정이 수행된다. 반사판(40b,40c)은, 도 13에 도시된 바와 같이 측벽부(30)를 형성하는 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 P형 질화갈륨층(11)의 표면에 도포되는데, 반사판(40b,40c)은 광을 반사하는 재질로 마련된다.
여기서, 반사판(40b,40c)의 재질은 LED 소자(100)로부터 발광되는 광을 반사하는 기능 뿐 아니라, P형 질화갈륨층(11)과 오믹 접촉(Ohmic comtact)이 가능한 재질로 마련되며, 가시광선 파장 영역에서 반사율이 높은 재질로 선택된다. 본 발명에서는 반사판(40b,40c)이 알미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 어느 하나 또는 어느 둘 이상의 합금으로 된 금속재질로 형성되는 것을 일 예로 한다.
한편, 반사판(40b,40c)은 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용한 금속재질의 증착에 의해 측벽부(30)를 형성하는 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 P형 질화갈륨층(11)의 표면에 도포된다.
여기서, 반사판(40b,40c)의 증착이 완료되면, 반사판(40b,40c)과 P형 질화갈륨층(11)이 오믹 접촉(Ohmic contact)되도록 어닐링(Annealing) 공정이 진행된다. 여기서, 어닐링(Annealing)은 대략 800℃ 환경에서 2분간 수행되는 것을 일 예로 하며, 이와 같은 상대적으로 높은 온도에서의 어닐링(Annealing)을 통해 후술할 더미 기판(50)의 형성을 위한 전기도금 과정 또는 전기도금 이후에 반사판(40b,40c)이 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 반사판(40b,40c)을, 도 13에 도시된 바와 같이, LED 소자(100)의 발광시 P형 질화갈륨층(11) 방향으로 향하는 광을 반사하는 하부 반사판(40b)과, 측벽부(30) 측으로 향하는 광을 반사하는 측부 반사판(40c)으로 구분하여 설명한다.
한편, 상기와 같은 과정을 통해 반사판(40b,40c)의 형성이 완료되면, 도 14 에 도시된 바와 같이, 반사판(40b,40c)의 표면이 커버되도록 전도성 재질의 더미 기판(50)이 형성된다. 본 발명에서는 더미 기판(50)이 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나 또는 둘의 합금 재질을 이용한 전기도금 방식을 통해 형성되는 것을 일 예로 한다. 이외에도, 더미 기판(50)은 전도성이 좋은 P형 실리콘 기판을 250~350℃의 온도 환경에서 높은 압력으로 가압하여 반사판(40b,40c)의 표면에 부착시킬 수도 있다.
그리고, 더미 기판(50)의 형성이 완료되면, 사파이어 기판(20), 제1 질화갈륨층(14) 및 상기 제2 질화갈륨층(15)을 제거한다. 도 15는 사파이어 기판(20)이 제거된 상태를 도시한 도면이고, 도 16은 제1 질화갈륨층(14) 및 제2 질화갈륨층(15)이 제거된 상태를 도시한 도면이다. 여기서, 도 15 내지 도 19는 도 1 내지 도 14에 도시된 도면의 방향이 상하로 역전된 상태로 도시되어 있다.
사파이어 기판(20)의 제거는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 공정을 통해 제2 질화갈륨층(15)으로부터 제거된다. 여기서, 사파이어 기판(20)은 다이아몬드로 그 표면을 연마하여 매우 평탄하게 만든 상태로, 이를 통해 사파이어 기판(20)을 분리하고자 할 때 사파이어 기판(20)과 공기의 개면으로부터 레이저 빔의 난반사를 방지하여 입력된 레이저 빔이 사파이어 기판(20)과 제2 질화갈륨층(15)의 계면에 대부분 전달되게 할 수 있다.
여기서, 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 공정에서는 자외선 레이저의 일종인 엑시머 레이저(ArF, KrF, XeCl 등)를 공기 중에서 스텝 앤 스캔(Step and scan) 방식으로 사파이어 기판(20)과 제2 질화갈륨층(15)의 계면에 조사한다. 이 때 레이저 빔의 에너지는 단위 면적당 0.6 ~ 1.0 J/cm2 정도로 하며, 한 지점에서 1 펄스(pulse)를 사용하고 각 펄스의 기판 상에서의 중첩은 100㎛ 미만이 되도록 최소화하는 것을 일 예로 한다.
한편, 사파이어 기판(20)이 제거되면, 제1 질화갈륨층(14) 및 제2 질화갈륨층(15)을 마스크를 사용하지 않고 건식 식각을 통해 제거하여, 도 16에 도시된 바와 같이, N형 질화갈륨층(13)의 표면이 외부로 노출된 상태가 된다.
상기와 같은 과정을 통해 N형 질화갈륨층(13)의 표면이 외부로 노출되면, 외부로 노출된 N형 질화갈륨층(13)의 표면에 N형 전극(60)을 형성하기 위한 공정이 진행된다.
먼저, 외부로 노출된 N형 질화갈륨층(13)의 표면 전체가 커버되도록 베이스 전극(60)이 증착된다. 여기서, 베이스 전극(60)은, 도 17에 도시된 바와 같이, 외부로 노출된 N형 질화갈륨층(13)의 표면 전체와, 역시 외부로 노출된 측벽부(30)를 구성하는 실리콘 산화물의 표면 전체, LED 소자(100)의 제조를 위한 웨이퍼 표면 전체에 증착된다. 여기서, 베이스 전극(60)은 투명성이 좋으며 N형 오믹 접촉(Ohmic contact)으로 적절한 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용되는 것을 일 예로 한다.
그런 다음, 도 18에 도시된 바와 같이, N형 전극(60)의 형상에 대응하는 마스크 패턴(60b)을 N형 전극(60)이 형성되는 위치에 형성한다. 그런 다음, 마스크 패턴(60b)을 이용하여 베이스 전극(60)을 건식 식각하고 마스크 패턴(60b)을 제거 하여, 도 19에 도시된 바와 같이 N형 전극(60)을 형성한다.
여기서, N형 전극(60)에 대해서는 전기 전도도의 향상을 위해 기 설정된 온도로 열처리 공정이 수행될 수 있다. 여기서 열처리는 산소분위기 하에서 550~650℃로 진행되는 것을 일 예로 한다.
상기와 같은 과정을 통해 웨이퍼 상에 LED 소자(100) 패턴들의 형성이 완료되면, 각 단위 LED 소자(100)별로 절단하여 도 20에 도시된 바와 같은 하나의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)가 제작된다.
이하에서는, 도 20을 참조하여 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)의 구성에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)는 N형 전극(60), 질화갈륨계 LED 구조체, 하부 반사판(40b), 측부 반사판(40c) 및 더미 기판(50)을 포함한다. 또한, 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)는 측벽부(30)를 포함할 수 있다.
질화갈륨계 LED 구조체는 실질적으로 전원이 인가되는 경우 발광하는 부분으로, N형 질화갈륨층(13), 활성층(12) 및 P형 질화갈륨층(11)을 포함한다. 여기서, N형 질화갈륨층(13), 활성층(12) 및 P형 질화갈륨층(11)의 재질은 상술한 제조공정에서 설명되었는 바 구체적인 기재는 생략한다.
하부 반사판(40b)은 LED 구조체의 하부에 형성된다. 여기서, 하부 반사판(40b)의 적어도 일 영역은 P형 질화갈륨층(11)과 접촉된다. 여기서, 하부 반사판(40b)은 LED 구조체에서 방출하는 광 중 P형 질화갈륨층(11) 방향으로 발광하는 빛을 N형 전극(60) 방향으로 반사한다.
측부 반사판(40c)은 질화갈륨계 LED 구조체의 측면을 소정의 이격 간격을 두고 감싸도록 하부 반사판(40b)으로부터 연장 형성된다. 여기서, 측부 반사판(40c)은 하부에서 상부로 갈수록, 즉, P형 질화갈륨층(11)에서 N형 전극(60) 방향으로 갈수록 질화갈륨계 LED 구조체의 측면으로부터의 이격 간격이 멀어지도록 형성된다. 이를 통해, 질화갈륨계 LED 구조체로부터 발광한 빛을 N형 전극(60) 방향으로 반사시켜 광효율을 증가시킬 수 있게 된다.
그리고, 측벽부(30)는 질화갈륨계 LED 구조체와 측부 반사판(40c) 사이의 이격 공간에 형성되며, 실리콘 산화물 재질로 마련된다. 또한, P형 질화갈륨층(11)의 하면과 직접 접촉되지 않은 하부 반사판(40b)의 나머지 영역은 P형 질화갈륨층(11)과 소정 간격 이격되며, P형 질화갈륨층(11)과 하부 반사판(40b) 사이의 이격 공간에는 측벽부(30)를 구성하는 실리콘 산화물 재질이 채워진다.
상기와 같은, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)의 구조는 도 1 내지 도 19에 도시된 공정들을 통해 제작될 수 있으며, 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)를 제조하는 일 예일 뿐 이에 국한되지 않으며, 상술한 공정 이외에도 당업자라면 본 발명의 기본 개념을 이용하여 개별적으로 변형된 공정을 통해 도 20에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(100)의 구조를 형성할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 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.
도 1 내지 도 19는 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨게 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 20은 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 수직구조 질화갈륨계 LED 소자
11 : P형 질화갈륨층 12 : 활성층
13 : N형 질화갈륨층 30 : 측벽부
40b : 하부 반사판 40c : 측부 반사판
60 : N형 전극
Claims (22)
- 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 있어서,(a) 언도프드(Undoped) 처리된 제1 질화갈륨층, N형 질화갈륨층, 활성층, P형 질화갈륨층을 갖는 베이스 구조체 패턴을 언도프트(Undoped) 처리된 제2 질화갈륨층이 도포된 사파이어 기판 상에 형성하는 공정과;(b) 상기 베이스 구조체 패턴을 감싸되 상기 P형 질화갈륨층으로부터 상기 제1 질화갈륨층으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 실리콘 산화물을 상기 베이스 구조체 패턴의 표면을 도포하는 공정과;(c) 상기 P형 질화갈륨층 표면의 적어도 일 영역이 노출되도록 상기 실리콘 산화물을 제거하는 공정과;(d) 상기 P형 질화갈륨층의 노출 영역으로부터 상기 베이스 구조체 패턴의 측면 영역 전체가 커버되도록 상기 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 상기 P형 질화갈륨층의 표면을 광을 반사하는 재질로 도포하여 반사판을 형성하는 공정과;(e) 상기 반사판의 표면이 커버되도록 전도성 재질의 더미기판을 형성하는 공정과;(f) 상기 사파이어 기판, 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층을 제거하는 공정과;(g) 상기 사파이어 기판, 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층의 제거에 의해 외부로 노출된 N형 질화갈륨층의 표면에 N형 전극을 형성하는 공정을 포함하며,상기 (d) 공정은(d1) 상기 P형 질화갈륨층의 노출 영역으로부터 상기 베이스 구조체 패턴의 측면 영역 전체가 커버되도록 상기 실리콘 산화물의 표면과 외부로 노출된 상기 P형 질화갈륨층의 표면을 광을 반사하는 금속재질로 증착하는 공정과;(d2) 상기 P형 질화갈륨층과 상기 금속재질이 오믹 접촉(Ohmic Contact)되도록 상기 금속재질을 어닐링(Annealing)하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 공정은,(a1) 상기 사파이어 기판에 언도프드(Undoped) 처리된 베이스 질화갈륨층, N형 베이스 질화갈륨층, 베이스 활성층 및 P형 베이스 질화갈륨층을 형성하는 공정과;(a2) 상기 P형 베이스 질화갈륨층의 표면에 상기 베이스 구조체 패턴에 대응하는 실리콘 산화물 재질의 마스크 패턴을 형성하는 공정과;(a3) 상기 마스크 패턴을 이용한 건식 식각을 통해 상기 베이스 구조체 패턴을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질확갈륨층은 상기 (a3) 공정에서 상기 베이스 질화갈륨층 중 일정 두께만 식각되어 형성되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 공정은,(b1) 상기 베이스 구조체 패턴 및 상기 제2 질화갈륨층의 표면에 실리콘 산 화물을 증착하는 공정과;(b2) 상기 P형 질화갈륨층으로부터 상기 제1 질화갈륨층으로 갈수록 두께가 두꺼워지고 상기 제2 질화갈륨층의 표면에 증착된 실리콘 산화물이 제거되도록 상기 증착된 실리콘 산화물을 건식 식각하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 (b1) 공정에는 화학 기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition) 공정이 적용되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 (b2) 공정에는 반응성 이온 식각(RIE : Reactive Ion Etching) 방식을 이용한 건식 식각 공정이 적용되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 공정에서의 실리콘 산화물의 제거는 포토 레지스트 패턴을 이용한 식각에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (d) 공정에서 상기 반사판은 알미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 어느 하나 또는 어느 둘 이상의 합금으로 된 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 (d1) 공정에서의 증착은 스퍼터링(Sputtering) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 (d2) 공정에서의 어닐링(Annealing)은 소정의 오차 범위 내에서 800℃ 환경에서 2분간 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (e) 공정에서 상기 더미기판은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나 또는 둘의 합금 재질을 이용한 전기도금 방식을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (f) 공정은,(f1) 상기 사파이어 기판을 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 공정을 통해 상기 제2 질화갈륨층으로 부터 제거하는 공정과;(f2) 상기 제1 질화갈륨층 및 상기 제2 질화갈륨층을 건식 식각하여 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (g) 공정은,(g1) 상기 N형 질화갈륨층의 표면에 베이스 전극을 증착하는 공정과;(g2) 상기 베이스 전극의 표면에 마스크 패턴을 형성하는 공정과;(g3) 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 베이스 전극을 건식 식각하여 N형 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 베이스 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)의 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제15항에 있어서,상기 (g) 공정은,(g4) 상기 N형 전극의 전도도가 향상되도록 상기 N형 전극을 기 설정된 온도로 열처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제8항 어느 한 항, 또는 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
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