KR100990635B1 - 수직구조 발광다이오드 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직구조 LED 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨계 반도체층과 활성층 및 p형 질화갈륨계 반도체층이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계와, 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 p형 전극을 형성하는 단계와, 상기 사파이어 기판의 제1 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하는 LLO 공정을 진행하는 단계와, 상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 동시에 상기 사파이어 기판의 제2 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하여 n형 질화갈륨계 반도체층을 노출하는 단계 및 상기 노출된 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 사파이어 기판의 제2 영역은 제1 영역을 제외한 나머지 영역이며, 제1 영역은 상기 사파이어 기판의 전체 면적의 70 내지 80%인 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.

수직구조, LED, LLO, 응력

Description

수직구조 발광다이오드 소자의 제조방법{Method for forming vertically structured Light Emitting Diode device}

본 발명은 수직구조(수직전극형) 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조지지층 형성 공정 및 사파이어 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 공정시, 발광 구조물의 손상을 방지할 수 있는 수직구조 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, LED 소자는 사파이어 기판 위에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 LED 소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는 데는 한계가 있었다. 특히, LED 소자의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이므로, LED 소자의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off:LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함) 기술을 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조 LED 소자가 제안되었다.

그러면, 이하 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 종래 수직구조 LED 소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 수직구조 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.

우선, 도 1a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(110) 상에 질화갈륨계 반도체층으로 이루어진 발광 구조물(120)을 형성한다. 이때, 상기 발광 구조물(120)은 n형 질화갈륨계 반도체층(121)과 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(122) 및 p형 질화갈륨계 반도체층(123)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다.

이어, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화갈륨계 반도체층(123) 상에 p형 전극(150)을 형성한다. 이때, 상기 p형 전극(150)은, 전극과 반사막의 역할을 한다.

다음으로, 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 p형 전극(150) 상에 구조지지층을 공융(eutectic) 접합법으로 부착하기 위한 접착층(160)을 형성한 후, 상기 접착층(160)에 소정의 온도와 압력을 가하여 상기 접착층(160) 상에 상기 구조지지층(170)을 접합하는 본딩(bonding) 공정을 진행한다. 이때, 상기 구조지지층(170)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로, 실리콘 기판을 주로 사용한다.

그런 다음, 도 1d에 도시한 바와 같이, LLO 공정을 통해 상기 사파이어 기판(110)을 제거한다. 상기 LLO 공정은 상온에서 화살표 방향으로 약 700mJ/㎠ 정 도의 에너지를 가해주게 되면 상기 사파이어 기판(110)과 발광 구조물(120)의 계면에서 흡수되어 발광 구조물(120)의 접합표면이 열분해 되어 사파이어 기판(110)과 발광 구조물(120)을 분리하는 공정이다.

이어, 도 1e에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(도시하지 않음)으로부터 분리되어 노출된 상기 n형 질화갈륨계 반도체층(121) 상에 n형 전극(180)을 형성한다.

그러나, 상기와 같이 종래 기술에 따른 구조지지층(170)을 접합하는 본딩 공정은, 상기 접착층(160)으로 Au 등과 같은 금속을 사용하여 200℃~300℃의 고온에서 고압으로 본딩하기 때문에, 본딩된 결과물이 상온으로 냉각시, 상기 구조지지층(170)을 이루는 실리콘기판과 사파이어 기판(110)의 열팽창계수 차이에 의한 응력이 크게 발생되며, 심할 경우에는 사파이어 기판(110)이 파손되는 문제가 있다.

또한, 현실적으로 2인치 이상의 웨이퍼를 한번에 리프트 오프(lift off)하는 것이 어렵기 때문에 칩(chip) 단위로 리프트 오프하게 되며, 이때 리프트 오프된 칩과 안된 칩 사이에는 응력이 작용한다. 또한, 리프트 오프될 때 기존에 존재하던 응력이 풀리면서 새로운 응력이 구조지지층(170)과 사파이어 기판(110)에 작용하게 되는데 그 응력이 버틸 수 있는 수준을 넘어서면 구조지지층(170) 및 사파이어 기판(110)에 크랙(crack)이 발생한다.

그러나, 상기 구조지지층(170)에 크랙이 발생하면 2인치 풀 웨이퍼(full wafer)로 후속 공정을 진행할 수 없고, 상기 사파이어 기판(110)에 크랙이 발생하면 이와 접하고 있는 발광 구조물(120)에도 크랙이 발생하여 소자의 불량이 발생되는 문제가 있다.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따라 수직구조 LED 소자를 제조하게 되면, 상기 문제점들로 인하여 수직구조 LED 소자의 특성 및 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 구조지지층 형성 공정 및 사파이어 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 공정시, 발광 구조물의 손상을 방지할 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨계 반도체층과 활성층 및 p형 질화갈륨계 반도체층이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계와, 상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 p형 전극을 형성하는 단계와, 상기 사파이어 기판의 제1 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하는 LLO 공정을 진행하는 단계와, 상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 동시에 상기 사파이어 기판의 제2 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하여 n형 질화갈륨계 반도체층을 노출하는 단계 및 상기 노출된 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 사파이어 기판의 제2 영역은 제1 영역을 제외한 나머지 영역이며, 제1 영역은 상기 사파이어 기판의 전체 면적의 100% 미만인 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 LED 소자의 제조방법에서, 상기 제1 영역은 상기 사파이어 기판의 전체 면적의 70 내지 80% 인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 LED 소자의 제조방법에서, 상기 구조지지층 은 실리콘 기판을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 LED 소자의 제조방법에서, 상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 단계 이전에 상기 p형 전극 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 접착층은 금 또는 금을 포함한 합금 등으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 LED 소자의 제조방법에서, 상기 사파이어 기판의 제1 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하는 LLO 공정을 진행하는 단계는 상기 칩 단위 또는 전체 웨이퍼 단위로 진행하는 것이 바람직하다.

본 발명은 p형 전극 상에 구조지지층 접합시, 고온/고압으로 접합한 다음, 접합된 결과물을 상온으로 냉각시, 발광구조물의 열팽창계수 차이에 의해 발광 구조물을 이루는 질화갈륨계 반도체층의 표면에 발생하는 크랙(crack) 등과 같은 불량이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은, LLO 공정을 구조지지층을 형성하기 위한 본딩 공정 이전에 실시함으로써, 고온에서 진행할 수 있으며, 그에 따라 조사되는 레이저의 에너지를 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 수직구조 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 수직구조 LED 소자의 제조방법에 대한 구체적인 기술적 구성에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

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

실시예

이하, 첨부된 도 2a 내지 도 2f를 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 수직구조 LED 소자의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.

우선, 도 2a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(110) 상에 질화갈륨계 반도체층으로 이루어진 발광 구조물(120)을 형성한다. 이때, 상기 발광 구조물(120)은 n형 질화갈륨계 반도체층(121)과 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(122) 및 p형 질화갈륨계 반도체층(123)을 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다.

여기서, 상기 p형 및 n형 질화갈륨계 반도체층(121, 123) 및 활성층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화갈륨계 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착공정을 통해 형성될 수 있다.

한편, 상기 활성층(130)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(130)은 이를 구성하고 있는 인듐(In)의 양으로 다이오드가 녹색 발광소자인지 청색 발광소자인지를 결정한다. 보다 상세하게는 청색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 22% 범위의 인듐이 사용되며, 녹색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 40% 범위의 인듐이 사용된다. 즉, 상기 활성층(130)을 형성하는데 사용되는 인듐의 양은 필요로 하는 청색 또는 녹색 파장에 따라 변한다.

따라서, 상기 활성층(122)은 상술한 바와 같이, LED 소자의 특성 및 신뢰성에 매우 큰 영향을 미치므로, 전반적인 LED 소자 제조 공정에 있어서, 크랙(crack) 또는 도전물 침투 등과 같은 불량으로부터 안전하게 보호해야한다.

이어서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화갈륨계 반도체층(123) 상에 p형 전극(150)을 형성한다. 이때, 상기 p형 전극(150)은, 전극과 반사막의 역할을 동시에 할 수 있도록 형성하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 본 실시예에서는 Ni/Ag이 순차 적층된 구조로 형성하였다.

그런 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 제1 영역(가)과 제2 영역(나)으로 구분되어 있는 상기 사파이어 기판(110)의 제1 영역(가)에 선택적으로 레이저를 조사하는 LLO 공정을 진행하여 상기 사파이어 기판(110)의 제1 영역을 상기 발광 구조물(120)로부터 분리한다. 이때, 상기 제1 영역(가)은 상기 사파이어 기판(110)의 전체 면적의 100% 미만으로 이루어지며, 상기 제2 영역(나)은 제1 영역(가)을 제외한 나머지 영역이다. 상기 제1 영역(가)은 상기 사파이어 기판(110)의 전체 면적의 70 내지 80% 인 것이 바람직하다.

보다 상세하게, LLO 공정은 상기 사파이어 기판(110)을 통해 상기 발광 구조물(120)에 레이저를 조사하면 조사되는 레이저의 에너지에 따라 분리되는 면적이 달라진다. 예를 들어, 레이저의 에너지가 약 500mJ/㎠ 정도를 넘으면 열분해가 시작되며 완전 분해가 되는 에너지의 양까지는 선형적인 관계로 에너지가 커지면 커질수록 분리되는 면적이 점점 커지게 된다. 또한, 상기 LLO 공정은 종래 구조지지층을 본딩하고 진행되는 LLO 공정과 달리 그 전에 진행함으로써, 구조지지층의 녹는 점보다 높은 고온(300℃ 이상)에서 진행하는 것이 바람직하며, 이와 같이 고온에서 진행하게 되면 조사되는 레이저의 에너지를 감소시킬 수 있는 바, 레이저가 조사되는 제1 영역(가)과 그 외의 영역인 제2 영역(나)과의 스트레스 차이 및 열응력 차이 또한 감소되어 칩의 손상을 최소화할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 LLO 공정은 제1 영역(가)만을 선택적으로 분리하기 위한 공정으로 완전 분리되는 에너지보다 작은 에너지로 레이저를 조사하면 제1 영역(가)만 분리되고, 그 외의 제2 영역(나)은 분리되지 않은 상태로 남는다.

이어서, 도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 p형 전극(150) 상에 구조지지층을 공융(eutectic) 접합법으로 부착하기 위한 접착층(160)을 형성한 후, 상기 접착층(160)에 고온/고압을 가하여 상기 접착층(160) 상에 상기 구조지지층(170)을 접합하는 본딩(bonding) 공정을 진행한다. 이때, 상기 구조지지층(170)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것이 바람직하므로, 열전도도가 좋고 전도성이 있는 실리콘 기판을 사용하여 형성한다.

또한, 상기 접합층(160)은 금(Au) 또는 금을 포함한 합금(예를 들어, AuSn) 을 사용하여 형성할 수 있다.

이와 같이, 상기 사파이어 기판(110)의 제1 영역(가)만 분리된 발광 구조물(120) 상에 구조지지층(170)을 300℃ 이상의 고온 및 4 내지 7kgf/2" 범위의 고압에서 본딩하게 되면, 발광 구조물(120)을 이루고 있으며 녹는점이 약 26℃인 갈륨(Ga)이 300℃ 이상의 본딩 온도에서 액체로 변화되며 상온보다 팽창하게 된다. 또한, 4 내지 7kgf/2" 범위의 본딩 압력이 가해지므로 분리되지 않은 제2 영역(나)에 응력이 가해지게 된다.

즉, 상기 LLO 공정에서 분리되지 않은 사파이어 기판(110)의 제2 영역(나)은 상기와 같은 두 가지의 힘에 의해 구조지지층(170)이 본딩되는 과정에서 본딩 압력과 상기 발광 구조물(120)을 구성하는 원소인 갈륨의 액화 팽창에 의하여 도 2e에 도시한 바와 같이 자연스럽게 완전 분리가 되어 발광 구조물(120)의 n형 질화갈륨계 반도체층(121)의 표면을 노출시킨다.

그런 다음, 도 2f에 도시한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(도시하지 않음)이 제거되어 노출된 상기 n형 질화갈륨계 반도체층(121) 상에 n형 전극(180)을 형성한다.

한편, 본 실시예는 상기 사파이어 기판 분리 공정을 칩(chip) 단위로 진행하는 것을 예시하였으나, 이는 이에 한정되지 않고 전체 웨이퍼(wafer) 단위로도 진행 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실 시예가 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.

도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 수직구조 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정 단면도.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 사파이어 기판 120 : 발광 구조물

121 : n형 질화물 반도체층 122 : 활성층

123 : p형 질화물 반도체층 150 : p형 전극

160 : 접착층 170 : 구조지지층

180 : n형 전극

Claims (6)

1. 사파이어 기판을 준비하는 단계;

   상기 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨계 반도체층과 활성층 및 p형 질화갈륨계 반도체층이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계;

   상기 p형 질화갈륨계 반도체층 상에 p형 전극을 형성하는 단계;

   상기 사파이어 기판의 제1 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하는 LLO 공정을 진행하는 단계;

   상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하고 상기 구조지지층 형성시의 본딩 압력과 상기 발광 구조물을 구성하는 갈륨의 액화 팽창에 의하여 상기 사파이어 기판의 제2 영역이 상기 발광 구조물로부터 분리되어 n형 질화갈륨계 반도체층이 노출되는 단계; 및

   상기 노출된 n형 질화갈륨계 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,

   상기 사파이어 기판의 제2 영역은 제1 영역을 제외한 나머지 영역인 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구조지지층은 실리콘 기판을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수 직구조 LED 소자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 p형 전극 상에 구조지지층을 형성하는 단계 이전에 상기 p형 전극 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 접착층은, 금 또는 금을 포함한 합금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 사파이어 기판의 제1 영역은 상기 사파이어 기판의 전체 면적의 70 내지 80% 인 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 사파이어 기판의 제1 영역을 상기 발광 구조물로부터 분리하는 LLO 공정을 진행하는 단계는

   칩 단위 또는 전체 웨이퍼 단위로 진행하는 것을 특징으로 하는 수직구조 LED 소자의 제조방법.

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