KR101057770B1 - 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

외압에 의해 배선들이 단선 또는 단락되는 것을 방지하고 칩 사이즈를 줄일 수 있는 교류용 발광 소자 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따른 교류용 발광 소자는, 기판 상에 일정 간격 서로 이격되어 배치되고, 기판 표면으로부터 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층이 차례로 적층되며 그 측벽이 수직하게 패터닝된 복수개의 발광셀들; 발광셀 및 발광셀 사이의 표면을 덮되, 하부 반도체층 상부 및 상부 반도체층의 상부에 개구부를 갖도록 형성된 절연층; 및 절연층 상에 형성되며, 절연층에 형성된 개구부를 통해 하부 반도체층 및 상부 반도체층에 전기적으로 연결되고, 인접한 발광셀들의 하부 반도체층과 상부 반도체층들을 각각 전기적으로 연결하는 배선층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체 발광 소자 중 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전력소모가 적고 발열량이 적으며, 작동수명이 길고 충격에 잘 견디는 장점이 있다. 또한, 부피가 작고 반응속도가 빠르며 파장이 안정적인 컬러광을 출력할 수 있는 등의 양호한 전기적 특성을 가지고 있다. 이러한 발광 다이오드는 가전제품, 측량기구의 지시등 및 광전 제품 등의 분야에 널리 사용되고 있다.
광전 기술이 날로 발전함에 따라 고체 발광소자는 발광효율, 사용수명 및 휘도 등을 향상시키는 면에서 꾸준한 발전을 이루었으며 장차 발광소자의 주류가 될 것으로 전망된다.
일반적으로 발광 다이오드는 순방향 전류에 의해 광을 방출하며, 직류전류의 공급을 필요로 한다. 따라서, 발광 다이오드는 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우 전류에 따라 온(on)/오프(off)를 반복하며, 그 결과 연속적으로 광을 방출하지 못하고 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있도록 한 발광 다이오드가 제시된 바 있다.
도 1은 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 복수개의 발광 셀들(1)이 형성된다. 발광 셀들(1) 상에 p-전극(22) 및 n-전극(24)이 형성된다. 인접한 발광 셀들의 p-전극(22)과 n-전극(24)은 에어브리지(air bridge) 배선(28)에 의해 전기적으로 연결되어, 복수개의 발광 셀들(1)이 서로 연결된다.
각각의 발광셀은 n-GaN층(14) 및 p-GaN층(20)을 포함한다. n-GaN층(14) 및 p-GaN층(20) 사이에는 InGaN 활성층(도시되지 않음)이 개재될 수 있다. p-전극(22)은 p-GaN층(20) 상에 형성되고, n-전극(24)은 n-GaN층(14) 상에 형성된다. 에어브리지 배선(28)은 n-전극(24)과 p-전극(22)을 전기적으로 연결한다.
발광셀들이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에 2차원적으로 연결되어 LED 어레이를 구성하고, 이러한 두 개의 LED 어레이들이 사파이어 기판 상에서 서로 연결되어 AC 전원에 의해 구동될 수 있는 발광소자가 구성된다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, P-전극(22)과 N-전극(24)을 연결하는 배선(28)은 에어브리지(air bridge) 배선으로, 접촉부들 이외의 부분은 공중에 떠 있게 된다. 이러한 에어브리지 배선(28)은 외압에 의해 단선되기 쉬우며, 또한 외압에 의한 변형에 의해 단락을 유발하기 쉽다. 또한, 배선(28)이 공중에 떠 있기 때문에 배선(28)을 보호하기 위한 보호막을 형성하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 외압에 의해 배선들이 단선 또는 단락되는 것을 방지하고 칩 사이즈를 줄일 수 있는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 발광 소자는, 기판 상에 서로 이격되어 배치되고, 기판 표면으로부터 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층이 차례로 적층되며 그 측벽이 수직하게 패터닝된 복수개의 발광셀들; 발광셀 및 발광셀 사이의 표면을 덮되, 하부 반도체층 상부 및 상부 반도체층의 상부에 개구부를 갖도록 형성된 절연층; 및 절연층 상에 형성되며, 절연층에 형성된 개구부를 통해 하부 반도체층 및 상부 반도체층에 전기적으로 연결되고, 인접한 발광셀들의 하부 반도체층과 상부 반도체층들을 각각 전기적으로 연결하는 배선층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연층은 실리콘산화막으로 이루어지고, 상기 배선층은 금속 도금층으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 발광 소자의 제조방법은, 기판 상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 차례로 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 수직한 측벽을 가지며 각 발광셀로 분리되도록 패터닝하는 단계; 상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 상부 반도체층 및 활성층을 식각하는 단계; 상기 기판 상에, 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층의 측벽 및 상부 반도체층의 상부를 덮도록 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 식각하여 상기 상부 반도체층 및 하부 반도체층의 일부를 노출하는 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 개구부를 통해 상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층에 전기적으로 연결되고, 인접한 발광셀들의 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층들을 각각 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 기판 상에 플라즈마 인핸스드 화학기상증착 방법으로 실리콘산화막을 증착하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 배선층을 형성하는 단계는 도금법으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 발광 소자 및 그 제조방법에 따르면, 발광셀들의 측벽을 수직하게 패터닝하고 발광셀의 측벽 및 인접 발광셀 사이의 기판에 절연층을 형성한다. 그리고, 상부 반도체층과 하부 반도체층, 그리고 인접 발광셀의 상부 반도체층과 하부 반도체층을 전기적으로 연결하는 배선층을 절연층 상에 형성한다.
따라서, 종래 에어브리지 배선을 이용하여 인접 발광셀들을 전기적으로 연결한 교류용 발광 소자에서 나타날 수 있는 외압에 의해 배선들이 단선 또는 단락되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 발광셀의 측벽을 수직하게 패터닝함으로써 각 발광셀이 차지하는 면적을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 금속 도금법을 이용하여 배선층을 형성하므로 수직한 발광셀의 측벽에도 배선의 끊어짐 없이 양호한 두께로 배선층을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 복수개의 발광 소자들이 서로 이격되어 배치된다. 상기 기판(100)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있다. 기판(100)은 발광 소자의 제조에 널리 사용되는 사파이어 기판 또는 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다.
각각의 발광셀(110)들은 하부 반도체층(112), 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층(116), 그리고 하부 반도체층(112)과 상부 반도체층(116) 사이에 개재된 활성층(114)을 포함한다. 하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)은 각각 n형 및 p형 또는 p형 및 n형 반도체로 이루어진다.
하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)은 예를 들어 BN, AlN, InN 또는 GaN과 같은 질화물 계열의 반도체 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 활성층(114)은 요구되는 파장의 광, 예를 들어 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)은 활성층(114)에 비해 에너지 밴드갭(band gap)이 큰 물질로 형성될 수 있다.
하부 반도체층(112) 및/또는 상부 반도체층(116)은, 도시된 바와 같이 단일층으로 형성될 수 있으며, 또는 다층으로 형성될 수도 있다. 활성층(114)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.
발광셀(110)들과 기판(100) 사이에 버퍼층(102)이 개재될 수 있다. 버퍼층(102)은 기판(100)과 그 상부에 형성되는 반도체층의 격자부정합을 완화시키기 위하여 배치된다. 버퍼층(102)은 예를 들어 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성할 수 있다. 버퍼층(102)은 연속적으로 배치되거나 혹은 하부 반도체층(112) 아래에 한정되어 배치될 수 있다.
각각의 발광셀(110)들은 기판의 상부 표면에 대해 수직한 측벽을 갖는다. 이와 같이 발광셀(110)의 측벽이 기판 상부 표면에 대해 수직한 측벽을 가지면 발광셀이 차지하는 면적이 줄어들기 때문에 칩 사이즈를 줄일 수 있고, 제한된 칩 면적 내에 많은 수의 발광셀들을 집적할 수 있는 이점이 있다.
발광셀(110)의 전면에는 절연층(130)이 배치된다. 절연층(130)은 하부 반도체층(112)의 다른 영역들, 즉 상부 반도체층(106)이 형성된 영역에 인접하는 영역 상에 개구부를 갖는다. 절연층(130)은 실리콘산화막(SiO2)으로 이루어질 수 있다.
절연층(130) 상에는 배선층(140)이 배치된다. 배선층(140)은 상기 개구부들을 통해 발광셀의 하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)에 전기적으로 연결된다. 또한, 배선층(140)은 인접한 발광셀의 하부 반도체층(112)과 상부 반도체층(116)을 각각 전기적으로 연결하여 발광셀들(110)의 어레이를 형성한다. 기판 상에는 이러한 발광셀 어레이들이 복수개 배치될 수 있다. 이러한 어레이들이 복수개 서로 연결되어 교류전원에 의해 구동될 수 있다.
배선층(140)은 크롬(Cr), 금(Au) 또는 티타늄(Ti)과 같은 금속의 도금층으로 이루어질 수 있다. 배선층(140)은 이들 금속의 단일층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
상부 반도체층(116)과 절연층(130) 사이에 투명전극층(120)이 배치된다. 투명전극층(120)은 상부 반도체층(116) 상에 형성된 개구부에 의해 일부가 노출된다. 투명전극층(120)은 활성층(114)에서 생성된 광을 투과시키며 상부 반도체층(116)에 전류를 분산시켜 공급한다. 상기 배선층(140)은 개구부들에 의해 노출된 투명전극층(120)에 접촉되어 상부 반도체층(116)에 전기적으로 연결된다.
도시되지는 않았지만, 절연층(130)과 배선층(140) 상에는 절연보호막이 배치된다. 절연보호막은 배선층(140)이 수분 등에 의해 오염되는 것을 방지하고, 외압에 의해 배선층(140) 및 발광셀들이 손상되는 것을 방지한다. 절연보호막은 예를 들면 SOG(Spin On Glass)막과 같은 투광성 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 절연보호막은 형광물질을 함유할 수 있다. 형광물질은 발광셀들(110)에서 방출된 광의 파장을 변화시킨다. 형광물질은 발광셀(110)에서 방출되는 광 및 구현될 광에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 발광셀(110)이 청색광을 방출하는 경우, 형광물질은 청색광을 황색광으로 변환시키는 형광체일 수 있다. 이에 따라 청색광과 황색광이 혼합된 백색광이 구현될 수 있다.
본 발명에 의한 발광 소자에 따르면, 발광셀들의 측벽을 수직하게 구성하고 발광셀의 측벽 및 인접 발광셀 사이의 기판에 절연층을 배치한다. 그리고, 상부 반도체층과 하부 반도체층, 그리고 인접 발광셀의 상부 반도체층과 하부 반도체층을 전기적으로 연결하는 배선층을 절연층 상에 배치한다. 따라서, 종래 에어브리지 배선을 이용하여 인접 발광셀들을 전기적으로 연결한 교류용 발광 소자에서 나타날 수 있는 외압에 의해 배선들이 단선 또는 단락되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 각 발광셀이 차지하는 면적을 줄일 수 있으므로 칩의 크기를 줄일 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 버퍼층(102), 하부 반도체층(112), 활성층(114) 및 상부 반도체층(116)을 차례로 형성한다.
기판(100)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있다. 기판(100)은 발광 소자의 제조에 널리 사용되는 사파이어 기판 또는 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다. 기판(100)은 그 상부에 형성될 반도체층의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
버퍼층(102)은 기판(100)과 그 위에 형성되는 반도체층(112) 사이의 격자부정합을 완화하기 위하여 형성된다. 버퍼층(102)은 예를 들어 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성할 수 있다.
하부 반도체층(112), 활성층(114) 및 상부 반도체층(116)은 예를 들어 BN, AlN, InN 또는 GaN과 같은 질화물 계열의 반도체 물질을 포함하여 형성할 수 있다. 하부 반도체층(112), 활성층(114) 및 상부 반도체층(116)은 금속유기화학증착(MOCVD), 분자선 증착(molacular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 증착(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 방법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형으로, 서로 반대되는 도전형을 갖는다. 질화물 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예를 들어 실리콘(Si)으로 도핑하여 형성할 수 있으며, p형 반도체층은 예를 들어 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성할 수 있다.
다음에, 상부 반도체층(116) 상에 발광셀이 형성될 영역을 한정하는 포토레지스트 패턴(118)을 형성한다.
도 4를 참조하면, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상부 반도체층(116), 활성층(114) 및 하부 반도체층(112)을 차례로 식각한다. 상부 반도체층(116), 활성층(114) 및 하부 반도체층(112)에 대한 식각은 건식식각으로 수행할 수 있으며, 이에 따라 도시된 바와 같이 발광셀을 구성하며 각각 수직한 측벽을 갖는 상부 반도체층(116), 활성층(114) 및 하부 반도체층(112) 패턴들이 형성된다.
다음에, 식각 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴을 제거하고, 상부 반도체층 및 활성층에 대한 식각을 실시하여 하부 반도체층(112)의 일부 표면을 노출시킨다. 이때, 노출된 하부 반도체층(112)은 과도식각에 의해 도시된 것처럼 일정 두께 식각될 수 있다. 그 결과 기판(100) 상에는 서로 이격되어 복수개의 발광셀들이 형성된다.
도 5를 참조하면, 발광셀(110)의 상부 반도체층(116) 상에 투명전극층(120)을 형성한다. 투명전극층(120)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO) 또는 Ni/Au와 같은 투명 금속으로 형성한다. 투명전극층(120)은 각각의 셀 단위로 패터닝된 복수개의 발광셀이 형성된 기판 상에 투명전극 물질을 일정 두께 형성한 후 식각하여 형성할 수 있다. 또는, 발광셀을 한정하기 위하여 상부 반도체층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 전에, 상부 반도체층(116) 상에 투명전극물질을 증착한 후 발광셀을 한정하기 위한 식각 과정에서 상부 반도체층과 함께 패터닝하여 형성할 수도 있다.
다음에, 발광셀들(110) 및 투명전극층(120)이 형성된 기판(100) 상의 전면에 절연층(130)을 형성한다. 절연층(130)은 예를 들어 실리콘산화막(SiO2)을 화학기상증착(CVD) 방법, 바람직하게는 플라즈마 인핸스드 화학기상증착(PECVD) 방법으로 증착하여 형성할 수 있다. 절연층(130)은 발광셀(110)들의 상부, 및 측벽을 덮고 발광셀들 사이의 기판(100)의 상부를 덮도록 형성된다.
도 6을 참조하면, 절연층(130)을 패터닝하여 투명전극층(120)의 상부 표면과 하부 반도체층(112)의 일부가 노출되도록 한다. 절연층(130)의 패터닝은 일반적인 사진식각 공정으로 수행할 수 있다. 즉, 절연층이 형성된 기판 상에 투명전극층 및 하부 반도체층의 노출될 영역을 한정하는 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 절연층을 건식식각 방법으로 식각할 수 있다.
다음에, 절연층(130)이 패터닝되어 투명전극층(120) 및 하부 반도체층(112)의 일부가 노출된 기판 상에 배선층(140)을 형성한다. 배선층(140)은 도금 방식으로 형성한다. 이를 위하여 먼저, 절연층(130)이 형성된 기판 상에 배선층이 형성될 영역을 한정하는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이때 포토레지스트 패턴은 발광셀과 발광셀을 연결하는 배선층이 형성될 영역은 노출하고 나머지 부분을 덮는 형태로 형성된다.
포토레지스트 패턴이 형성된 기판을 도금용액에 침지하면, 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 배선영역에 배선 금속층이 형성된다. 그 후 포토레지스트 패턴을 제거하면 식각 공정 없이 배선층(140)이 형성된다. 종래에 전자빔(E-beam) 증착을 이용하는 경우 셀 연결부위에서 배선층이 다른 영역에 비해 얇게 증착되어 배선의 끊김 등이 발생할 수 있었다. 그러나, 본 발명과 같이 도금방식을 이용하면 발광셀(110)의 측벽이 수직하더라도 금속이 균일한 두께로 고르게 형성되므로 배선의 끊어짐 없이 양호한 배선층(140)을 형성할 수 있다.
상기 배선층(140)은 하부 반도체층(112) 및 상부 반도체층(116)에 전기적으로 연결된다. 또한, 인접한 발광셀(110)의 하부 반도체층과 상부 반도체층을 각각 전기적으로 연결하여 기판 상에 발광셀들의 어레이들을 형성한다.
계속해서, 도시되지는 않았지만, 배선층(140)이 형성된 기판의 전면에 투광성 물질을 도포하여 절연보호막을 형성한다. 이 절연보호막은 형광물질을 함유하도록 형성할 수 있다. 형광물질은, 투광성 물질을 도포하기 전에 배선층이 형성된 기판의 전면에 도포하거나 또는 절연보호막을 형성한 다음에 절연보호막 상에 도포할 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100: 기판 102: 버퍼층
112: 하부 반도체층 114: 활성층
116: 상부 반도체층 120: 투명전극층
130: 절연층 140: 배선층

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  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 기판 상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 차례로 형성하는 단계;
    수직한 측벽을 갖는 복수 개의 발광셀로 분리되도록 상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 패터닝하는 단계;
    상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 상부 반도체층 및 활성층을 식각하는 단계;
    상기 기판 상에, 상기 상부 반도체층, 활성층 및 하부 반도체층의 측벽 및 상부 반도체층의 상부를 덮도록 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층을 식각하여 상기 상부 반도체층 및 하부 반도체층의 일부를 노출하는 개구부를 형성하는 단계;
    개구부가 형성된 상기 기판 상에, 배선층이 형성될 영역만을 노출하는 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크층이 형성된 기판을 도금액에 침지하여 상기 마스크층에 의해 노출된 영역에, 상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층에 전기적으로 연결되고, 인접한 발광셀들의 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층들을 각각 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연층을 형성하는 단계에서,
    상기 기판 상에 플라즈마 인핸스드 화학기상증착 방법으로 실리콘산화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    상기 발광 소자는 교류전원에 의해 구동되는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.

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