KR101012638B1

KR101012638B1 - 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법

Info

Publication number: KR101012638B1
Application number: KR1020080116385A
Authority: KR
Inventors: 윤철주; 김극; 최유항; 조수연
Original assignee: 우리엘에스티 주식회사
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2011-02-09
Also published as: KR20100057371A

Abstract

본 발명은 희생기판과 질화물계 반도체층의 분리시 질화물계 반도체층의 구조적 결함을 최소화함과 단위 발광소자 분리를 위한 트렌치 라인을 효과적으로 형성할 수 있는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법은 희생기판을 준비하는 단계와, 상기 희생기판에 트렌치 라인을 형성하는 단계와, 상기 희생기판 상에 질화물계 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 트렌치 라인을 유지하는 단계와, 상기 질화물계 반도체층 상에 p-전극을 형성하는 단계와, 상기 p-전극 상에 도전성 기판을 부착하는 단계와, 상기 질화물계 반도체층과 희생기판의 계면에 레이저를 조사하여 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

LLO, 발광소자, 수직형, 포토공정

Description

수직형 질화물계 발광소자의 제조방법{Method for fabricating vertical GaN-based light emitting diode}

본 발명은 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 희생기판과 질화물계 반도체층의 분리시 질화물계 반도체층의 구조적 결함을 최소화함과 단위 발광소자 분리를 위한 트렌치 라인을 효과적으로 형성할 수 있는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접천이형의 에너지밴드(energy band) 구조를 갖고 있어, 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 각광을 받고 있다. 특히, GaN을 이용한 청색 및 녹색 발광소자는 대화면 천연색 평판표시장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

한편, 이러한 Ⅲ족 원소의 질화물계 반도체층 특히, GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하기가 어려워 유사한 결정 구조를 갖는 이종(hetero) 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종 기판으로는 육방정계의 구조를 갖는 사파이어(sapphire, Al₂O₃) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로 발광다이오드 구조를 제한하며, 기계적 및 화학적으로 매우 안정하여 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공이 어렵다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종 기판 상에 질화물계 반도체층을 성장시킨 후, 이종 기판을 분리하여 발광 효율을 높이고자 하는 연구가 진행되고 있다.

질화물계 반도체층과 사파이어 기판을 분리하는 방법으로는, 사파이어 기판과 질화물계 반도체층의 계면에 레이저(laser)를 조사하여 분리시키는 이른바, LLO(Laser Lift Off) 방법이 제시된 바 있다. LLO 방법에 대해서는 미국등록특허 US 7,250,638호(Vertical light emitting device), US 7,112,456호(Method for manufacturing GaN light emitting diodes), US 6,071,795호(Separation of thin films from transparent substrates by selective optical processing) 등에 기재되어 있다.

이 중, US 7,112,456호에 기재된 LLO 방법을 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 상에 질화물계 반도체층을 적층한 다음, 상기 질화물계 반도체층(102)을 포토리소그래피 공정 및 건식 유도결합플라즈마(Dry-Inductive Coupled Plasma) 공정을 통해 패터닝하여 트렌치(103)를 형성한 상태에서(도 1의 (a) 참조), 사파이어 기판(101)과 질화물계 반도체층(102)의 계면에 레이저를 조사하여 분 리(도 1의 (b) 참조)하는 기술을 제시하고 있다. 또한, US 7,250,638호에 기재된 LLO 방법을 살펴보면, 도 2에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(201) 상에 질화물계 반도체층(202) 및 p-전극(203)을 형성한 다음, 포토리소그래피 공정을 통해 포토 마스크(204)를 형성하고 이를 식각 마스크로 이용하여 상기 질화물계 반도체층(202)과 p-전극(203)을 전부 관통하고 상기 사파이어 기판(201)의 일부 두께가 파여진 트렌치(205)를 형성한 후(도 2의 (a) 참조), 상기 트렌치(205)에 포토레지스트(206)를 채운 상태에서 질화물계 반도체층(202)과 사파이어 기판(201)의 계면에 레이저를 조사하여 분리(도 2의 (b) 참조)하는 기술을 제시하고 있다.

그러나, 이상 설명한 바와 같은 미국등록특허 기술은 트렌치 형성을 위해 필수적으로 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 거쳐야 하며, 이와 같은 포토 및 식각 공정으로 인해 질화물계 반도체층이 열화되고 이후의 LLO 공정시 균열의 원인으로 작용되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기판과 질화물계 반도체층의 분리시 질화물계 반도체층의 구조적 결함을 최소화함과 단위 발광소자 분리를 위한 트렌치 라인을 효과적으로 형성할 수 있는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법은 희생기판을 준비하는 단계와, 상기 희생기판에 트렌치 라인을 형성하는 단계와, 상기 희생기판 상에 질화물계 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 트렌치 라인을 유지하는 단계와, 상기 질화물계 반도체층 상에 p-전극을 형성하는 단계와, 상기 p-전극 상에 도전성 기판을 부착하는 단계와, 상기 질화물계 반도체층과 희생기판의 계면에 레이저를 조사하여 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 트렌치 라인은 상기 희생기판 상에 레이저를 조사하여 형성하거나 다이아몬드 커팅기를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 트렌치 라인은 단위 발광소자의 영역을 정의하며, 5∼30㎛의 깊이와, 2∼7㎛의 폭으로 형성할 수 있다.

상기 희생기판은 사파이어(Al₂O₃) 기판 및 MgO 기판 중 어느 하나 또는 이들 기판 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판일 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

트렌치 라인의 형성시 포토 공정 및 식각 공정을 적용하지 않고 레이저 조사 또는 다이아몬드 커팅기를 통해 트렌치 라인을 형성함에 따라, 희생기판과 질화물계 반도체층의 분리시 질화물계 반도체층의 구조적 결함을 최소화함과 단위 발광소자 분리를 위한 트렌치 라인을 효과적으로 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법은 하나의 기판 상에 형성된 복수의 단위 발광소자를 각각의 단위 발광소자로 분리하기 위한 트렌치 라인을 포토리소그래피 공정 및 식각 공정의 적용 없이 형성함에 특징이 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 공정 단면도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이 희생기판(301)을 준비한다. 상기 희생기판(301)은 질화물계 반도체층(310)의 성장 공간을 제공하는 역할을 하는 것으로서, 사파이어(Al₂O₃) 기판 및 MgO 기판 중 어느 하나 또는 이들 기판 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판이 사용될 수 있다.

상기 희생기판(301)이 준비된 상태에서, 상기 희생기판(301)에 일정 폭과 일정 깊이를 갖는 트렌치 라인(302)을 형성한다. 상기 트렌치 라인(302)에 의해 정의된 공간은 단위 발광소자 영역에 해당된다. 즉, 상기 트렌치 라인(302)은 스크라이브 라인(scribe line)에 해당되며, 추후 상기 트렌치 라인(302)에 따른 절단에 의해 각각의 단위 발광소자가 개별적으로 분리된다.

한편, 상기 희생기판(301)이 일정 폭과 일정 깊이로 파인 상기 트렌치 라인(302)은 레이저 조사 또는 다이아몬드 커팅기(diamond cutter)를 통해 형성될 수 있다. 이 때, 상기 트렌치 라인(302)의 폭은 후속의 질화물계 반도체층(310)의 측면 성장을 고려하여 결정해야 한다. 트렌치 라인(302)이 형성된 희생기판(301) 상에 질화물계 반도체층(310)을 에피택셜(epitaxial)하게 성장시키면 단위 발광소자와 단위 발광소자 사이의 트렌치 라인(302)이 그대로 유지된 상태로 성장하게 되는데, 질화물계 반도체층(310)의 에피택셜 성장시에 측면으로도 성장(lateral)하기 때문에 측면 성장 두께를 고려하여 상기 트렌치 라인(302)의 폭을 결정해야 한다.

또한, 후속의 LLO 공정 수행시 질화물계 반도체층(310)을 GaN으로 구성하는 경우, 레이저 조사에 의해 일부 GaN이 갈륨(Ga)과 질소 가스(N₂)로 분해되는데 이 때 발생되는 질소 가스는 높은 압력을 갖는데, 상기 트렌치 라인(302)은 이들 질소 가스의 이동 통로 역할도 수행한다. 따라서, 트렌치 라인(302)의 폭 및 깊이는 질화물계 반도체층(310)의 측면 성장 및 가스 이동 통로로서의 역할을 고려해야 하며, 이를 만족하기 위해 상기 트렌치 라인(302)은 5∼30㎛의 깊이와, 2∼7㎛의 폭으로 설계하는 것이 바람직하다. 참고로, 상기 트렌치 라인(302)의 형성 후, 레이저 조사 또는 다이아몬드 커팅에 의해 발생된 부산물을 제거하기 위해 상기 희생기판(301)에 대한 세정 공정을 적용할 수도 있다.

상기 희생기판(301)에 트렌치 라인(302)이 형성된 상태에서, 도 3b에 도시한 바와 같이 질화물계 반도체층(310) 세부적으로, n형 반도체층(311), 활성층(312), p형 반도체층(313)을 순차적으로 에피택셜하게 성장시킨다. 이 때, 상기 질화물계 반도체층(310)은 금속유기화학증착법(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 분자빔에피택셜법(MBE : Molecular Beam Epitaxy) 등을 통해 형성할 수 있다. 여기서, 상기 n형 반도체층(311)의 적층 전에 버퍼층을 더 형성할 수 있으며, 상기 p형 반도체층(313) 상에 전자차단층(electron blocking layer) 등을 더 형성할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 희생기판(301)에 트렌치 라인(302)이 형성되어 있음에 따라, 희생기판(301) 상에 성장되는 질화물계 반도체층(310) 역시 트렌치 라인(302)에 의해 정의된 공간 내에서만 에피택셜하게 성장하게 되어, 궁극적으로 이웃하는 질화물계 반도체층(310)들 사이에는 트렌치 라인(302)이 그대로 유지된다. 도 4는 희생기판에 트렌치 라인을 형성한 다음 질화물계 반도체층을 형성한 것을 나타낸 SEM 사진이며, 도 4에 도시한 바와 같이 희생기판(301)에 트렌치 라인(302)이 형성되어 있으며, 상기 희생기판(301) 상에 형성된 질화물계 반도체층(310)이 에피택셜하게 성장하여 트렌치 라인(302)이 그대로 유지됨을 확인할 수 있다.

상기 질화물계 반도체층(310)이 형성된 상태에서, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 질화물계 반도체층(310) 상에 투명전극(303) 및 p-전극(304)을 순차적으로 적층, 형성한다. 여기서, 상기 투명전극(303) 대신에 반사전극을 형성할 수도 있다.

그런 다음, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 p-전극(304) 상에 도전성 기판(305)을 부착시킨다. 상기 도전성 기판(305)으로는 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, GaAs 기판 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 전기전도를 위해 불순물이 도핑되어 있다. 또한, 상기 도전성 기판(305) 상에는 도전성 접착층(도시하지 않음)이 구비되며, 상기 도전성 접착층이 상기 p-전극(304)에 부착됨으로 인해 상기 도전성 기판(305)과 상기 p-전극(304)이 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 도전성 접착층으로는 Au-Sn, Au-Ag, Pb-Sn 합금 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

상기 도전성 기판(305)이 상기 p-전극(304)에 부착된 상태에서, LLO(Laser Lift Off) 공정이 진행된다. 구체적으로, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 질화물계 반도체층(310)과 희생기판(301)의 계면 상에 레이저를 조사하여 상기 질화물계 반도체층(310)으로부터 상기 희생기판(301)을 분리시킨다. 이 때, 전술한 바와 같이 질화물계 반도체층(310)을 GaN으로 구성하는 경우 레이저 조사에 의해 GaN이 갈 륨(Ga)과 질소 가스(N₂)로 분해되는데, 발생된 질소 가스(N₂)는 높은 압력을 갖고 있어 질화물계 반도체층(310)의 균열을 유발하는 인자로 작용하는 바 이를 효과적으로 배출해야 한다. 본 발명에 있어서, 상기 희생기판(301) 및 질화물계 반도체층(310)에 형성된 트렌치 라인(302)이 상기 질소 가스의 배출 통로의 역할을 수행하며, 이에 따라 질화물계 반도체층(310)의 손상을 최소화할 수 있게 된다.

LLO 공정을 통해 희생기판(301)이 분리된 상태에서, 도 3f에 도시한 바와 같이 상기 n형 반도체층(311) 상에 n-전극(306)을 형성하고, 상기 트렌치 라인(302)을 따라 상기 도전성 기판(305)을 분리하면 복수의 단위 발광소자의 제조가 완료된다.

도 1은 종래 기술에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 참고도.

도 2는 종래의 다른 기술에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 참고도.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 질화물계 발광소자의 공정 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 트렌치 라인을 나타낸 SEM 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

301 : 희생기판 302 : 트렌치 라인

303 : 투명전극 304 : p-전극

305 : 도전성 기판 306 : n-전극

310 : 질화물계 반도체층 311 : n형 반도체층

312 : 활성층 313 : p형 반도체층

Claims

희생기판을 준비하는 단계;

상기 희생기판에 트렌치 라인을 형성하는 단계;

상기 희생기판 상에 질화물계 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 트렌치 라인을 유지하는 단계;

상기 질화물계 반도체층 상에 p-전극을 형성하는 단계;

상기 p-전극 상에 도전성 기판을 부착하는 단계; 및

상기 질화물계 반도체층과 희생기판의 계면에 레이저를 조사하여 희생기판을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 트렌치 라인은 상기 희생기판 상에 레이저를 조사하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 트렌치 라인은 다이아몬드 커팅기를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 트렌치 라인은 단위 발광소자의 영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 트렌치 라인은 5∼30㎛의 깊이와, 2∼7㎛의 폭으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 희생기판은 사파이어(Al₂O₃) 기판 및 MgO 기판 중 어느 하나 또는 이들 기판 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판인 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.