KR101063561B1

KR101063561B1 - 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법

Info

Publication number: KR101063561B1
Application number: KR20050070580A
Authority: KR
Inventors: 이현재
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사; 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2011-09-07
Also published as: KR20070016248A

Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 질화갈륨층을 형성하는 단계, 상기 질화갈륨층 상부의 일부에 소정의 패턴 형상으로 보호막을 형성하고 상기 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층에 레이저 빔을 조사하거나 포토마스크를 통하여 레이저 빔을 조사하여 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계 및 상기 보호막을 제거하고 세정하는 단계로 이루어진다.

이러한 특징으로 인하여 본 발명은 질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 접촉면에서 일어나는 반사를 감소시켜 광출력의 저하를 방지할 수 있다. 또, 레이저빔을 이용하여 질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 식각형태를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 습식 식각에 의하여 발광 다이오드가 손상되어 광효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또, 포토마스크를 통하여 레이저빔을 조사할 경우, 제조공정을 간단하면서도 효율적이게 하여 경제적으로 유리한 효과를 갖는다.

질화갈륨층, 레이저빔, 보호막, 포토마스크

Description

질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법 {Method OF Forming Galium Nitride LED}

도 1은 일반적인 발광 다이오드의 구조를 나타내는 단면도,

도 2는 종래의 광화학적 습식 식각 공정을 개략적으로 나타내는 단면도,

도 3은 종래의 광화학적 습식 식각에 의하여 식각된 질화갈륨층의 표면을 전자 주사 현미경으로 나타내는 사진,

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법의 일실시예를 단면도로 나타내는 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 포토마스크를 통하여 레이저빔을 조사하는 단계를 나타내는 단면도,

도 6은 본 발명에 의하여 제조된 질화갈륨계 발광 다이오드의 일실시예를 나타내는 단면도이다.

***도면의 주요 부호의 설명***

11 : 기판 12 : N-질화갈륨층

13 : 보호막 14 : 패턴된 보호막

15 : 식각된 질화갈륨층의 잔류물 16 : 미세 패턴

17 : 차광패턴 18 : 투명 기판

19 : 활성층 20 : P-질화갈륨층

21 : N-전극 22 : P-전극

본 발명은 발광 다이오드용 질화갈륨층의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 접촉면에서 일어나는 반사를 감소시켜 광출력의 저하를 방지할 수 있는 발광 다이오드용 질화갈륨층 제조방법에 관한 것이다. 또, 레이저를 이용하여 질화갈륨층의 접촉면을 식각함으로써 식각형태를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 습식 식각에 의하여 발광 다이오드가 손상되어 광효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 발광 다이오드용 질화갈륨층 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 종래의 광원에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋다. 또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. 또, 주입형 반도체 레 이저는 주입 밀도가 매우 높은 발광 다이오드의 일종이며, 반전분포가 발생하여 간섭성 빛을 생기게 할 수 있다.

발광 다이오드의 발광은 반도체 전도대(conduction band)의 전자들이 가전자대(valence band)의 정공(hole)과 재결합하는 과정에서 일어난다.

발광 다이오드의 발광파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르다. 예를 들어, 인화갈륨의 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이다.

최근에는 질화갈륨을 이용한 발광 다이오드(LED;Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD;Laser Diode)는 대규모 총천연색 평판 표시장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템, 광통신 등의 응용 분야를 가지고 있어 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있으며, 이의 상업화를 위한 시도도 끊임없이 진행되고 있는 실정이다.

도 1은 질화갈륨계 발광 다이오드의 기본적인 구조를 나타내는 단면도로서, 기판(111), N-반도체층(112), 활성층(113) 및 P-반도체층(114)으로 이루어지며, 광원은 활성층에서 발생되고, 발생된 광원은 N,P-반도체층 및 기판을 통과하게 되는데, 각 층의 표면에서 반사가 일어남으로써 광출력의 저하를 발생시킨다. 따라서, 이러한 광출력의 저하를 방지하기 위하여 표면을 거칠게 하는 공정이 필요하고, 일반적으로 광화학적 습식 식각(Photochemical Wet Etching)이 널리 사용된다.

도 2는 종래의 광화학적 습식 식각 공정을 개략적으로 나타내는 단면도로서, 전해질인 식각 용액(115)에 기판(111) 위에 형성된 질화갈륨층(112)을 담가 표면을 식각한다. 이 과정에서 전극(116)과 전원장치(117)를 이용하여 전기를 통하게 함과 동시에 자외선을 조사함으로써 식각 속도를 높인다.

도 3은 광화학적 습식 식각 공정에 의하여 식각된 질화갈륨층의 전자 주사 현미경 사진으로서, 상기와 같은 광화학적 습식 식각을 이용할 경우, 질화갈륨층의 결정형태에 따라 불규칙하게 식각되므로 식각 형태를 조절하기 어려울 뿐만 아니라, 식각이 필요하지 않은 부분을 손상시킴으로써 발광 다이오드의 광효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 접촉면에서 일어나는 반사를 감소시켜 광출력의 저하를 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또, 레이저를 이용하여 질화갈륨층의 접촉면을 식각함으로써 식각형태를 용이하게 조절할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또, 종래의 습식 식각에 의하여 발광 다이오드가 손상되어 광효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

질화갈륨층을 형성하는 단계, 상기 질화갈륨층 상부의 일부에 소정의 패턴 형상으로 보호막을 형성하는 단계, 상기 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층에 레이저 빔을 조사하여 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계, 상기 보호막을 제거하는 단계 및 상기 질화갈륨층을 세정하는 단계를 포함하여 이루어는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

질화갈륨층을 형성하는 단계, 상기 질화갈륨층 상부에 포토마스크를 통해 레이저빔을 조사하여 소정의 패턴 형상으로 질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계 및 상기 질화갈륨층을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 기술적 특징을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 실시예에 의하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해지는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 4a 내지 4f는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법의 일실시예를 단면도로 나타내는 순서도로서, 기판(11) 위에 N-질화갈륨층(12)을 형성하는 단계(도 4a), 상기 N-질화갈륨층 상부의 일부에 소정의 패턴 형상으로 보호막(13, 14)을 형성하는 단계(도 4b 및 4c), 상기 보호막이 형성되지 않은 N-질화갈륨층에 레이저 빔을 조사하여 보호막이 형성되지 않은 N-질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계(도 4d), 상기 보호막을 제거하는 단계(도 4e) 및 상기 N-질화갈륨층을 세정하는 단계(도 4f)로 이루어져 있다.

본 실시예에서는 N-반도체층을 질화갈륨층으로 형성하였으나, 상기 질화갈륨층을 형성하는 단계는 질화갈륨층의 기능에 따라 달라질 수 있다. 질화갈륨층은 N-반도체층 외에도, 기판, P-반도체층, 활성층, 버퍼층으로 사용될 수 있다.

기판으로 사용되는 질화갈륨층을 형성하는 방법은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC) 혹은 실리콘(Si) 등의 위에 비교적 낮은 성장온도(400∼900℃)에서 완충층(Buffer Layer)을 100∼500Å 성장시키고 이후 높은 온도(900∼1100℃)에서 질화갈륨계 물질을 유기금속 화학증착법(Metalorganic Chemical Vapour Deposition : MOCVD) 혹은 할로겐 기상 박막성장(Halide Vapour Phase Epitaxy : HVPE) 방법으로 질화갈륨과 격자부정합을 갖는 기판재료로 이종박막성장(Heteroepitaxy)을 하는 것이 가능하다. 이외에도 측면성장방법(Lateral Epitaxial Overgrowth), 동종박막성장방법(Homoepitaxy) 등이 사용될 수 있다.

N 및 P-반도체층으로 사용되는 질화갈륨층을 형성하는 방법은 기판 등 구조물의 상부에 유기금속 화학증착법으로 증착하는 방법이 사용되며, 트리메틸갈륨(Trimethylgalium) 및 암모니아(NH₃)가 원료가스로, 수소가스가 운반가스로 사용된다. 도펀트로서, N 도핑에는 실리콘이, P 도핑에는 마그네슘이 사용되나 이외에도 N 도핑 및 P 도핑이 가능한 어떠한 금속이라도 도펀트로 사용될 수 있다.

활성층으로 사용되는 질화갈륨층을 형성하는 방법은 전술한 다른 방법과 유사하다. 유기금속 화학증착법을 사용하여 원료가스와 운반가스를 주입하여 활성층을 증착한다. 다만, 방출하는 빛의 파장에 따라 인듐(In) 또는 비소(As)를 더 포함할 수 있으므로, 이에 필요한 트리메틸인듐 또는 트리메틸비소 등이 원료가스에 포함될 수 있다.

이 외에도 질화갈륨층은 버퍼층으로 사용될 수 있다. 이는 기판과 N-질화갈륨층의 격자결함의 차이로 인하여 캐리어의 효율이 저하되는 것을 방지한다. 버퍼층으로 사용되는 질화갈륨층은 도핑되지 않은 상태로 기판위에 성장된다.

다음으로 상기 질화갈륨층 상부에 소정의 패턴 형상으로 보호막(13, 14)을 형성한다. 상기 보호막 형성에는 일반적으로 포토레지스트를 이용하는 방법이 사 용되는데, 보다 상세히 설명하자면, 상기 질화갈륨층 위에 차광성이 우수한 크롬 등의 금속 또는 MoSi, ZrSiO, SiN 등의 무기물을 CVD 또는 스퍼터링 방식으로 증착시켜 일정한 두께의 보호막을 형성시킨다. 상기 보호막을 형성하기 전에 이물질을 제거하기 위하여 질화갈륨층을 세정하는 것이 바람직하다. 상기 보호막 위에 포토레지스트를 도포하여 가경화시킨 후 마스크를 이용하여 상기 포토레지스트를 부분적으로 노광시키면 노광된 부분의 화학적 조성이 변화한다. 이후, 현상액을 분사하여 상기 포토레지스트 중 불필요한 부분을 제거한다. 이때, 상기 포토레지스트 중 노광된 부분은 화학적으로 조성이 변화되어 현상액에 의해 녹지 않으므로 노광되지 않은 부분만이 녹아서 제거되고 원하는 형상의 포토레지스트만이 남게 된다. 이후, 상기 보호막으로부터 포토레지스트를 박리시켜 제거하면 원하는 패턴이 형성된 보호막을 얻을 수 있다.

상기 보호막을 형성하는 단계에서는 포토레지스트를 보호막으로 이용할 수 도 있다. 상기 보호막으로 사용되는 포토레지스트의 재질은 후술할 레이저빔을 조사하는 단계에서 레이저빔을 차단시킬 수 있도록 차광성이 높아야 한다. 포토레지스트로서 페놀을 기초로 하는 산촉매 반응형 화학 증폭계 레지스트막을 사용될 수 있으며, 이 외에도 페놀을 산성 촉매하에서 포름알데히드와 반응시켜 얻어지는 노볼락(Novolak) 수지 또는 아크릴(Acryl)수지를 기초수지로 할 수 있다. 비화학 증폭계 레지스트막, 예를 들어 나프토퀴논디아지드(Naphthoquinonediazide) 및 노볼락 수지에 의한 레지스트막을 이용할 경우에는 화학 증폭계 레지스트막을 이용할 경우보다 감광성이 낮지만, 계면의 안정성 및 분위기 안정성이 우수하며, 노광 후 현상까지의 시간이 짧아지는 등의 우수한 특징이 있다.

포토레지스트막을 보호막으로 사용할 경우에는 상기 질화갈륨층 위에 포토레지스트를 도포하여 가경화시킨 후 형성시킬 패턴에 따라 개구부가 형성된 마스크를 이용하여 상기 포토레지스트를 부분적으로 노광시키면 노광된 부분의 화학적 조성이 변화한다. 이후, 현상액을 분사하여 상기 포토레지스트 중 불필요한 부분을 제거한다.

이때, 현상액에 의해 녹지 않고 남아있는 포토레지스트가 다음에서 설명할 레이저빔을 조사하는 단계에서 그 밑에 형성된 질화갈륨층의 손상을 방지하도록 보호하는 보호막의 역할을 한다. 포토레지스트막을 보호막으로 사용할 경우, 공정이 짧아지므로 시간적으로, 재료적으로 유리하다는 잇점이 있다.

다음으로 상기 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층에 레이저빔을 조사하여 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층의 일부를 식각한다(도 4d). 이때, 보호막이 그 밑에 형성된 질화갈륨층을 보호하여 상기 질화갈륨층 중 상기 보호막으로부터 노출된 부분만이 제거된다. 본 발명은 레이저빔이 조사되는 질화갈륨층을 완전히 제거하는 것이 아니라, 미세한 패턴을 형성하기 위한 것이므로 레이저빔의 조사시간은 짧게 한다.

식각된 질화갈륨층은 질소와 갈륨으로 분해된다. 활성층의 경우에는 갈륨 외에 인듐, 오스뮴 등 다른 금속을 포함할 수 있기 때문에 질소, 갈륨 및 기타 금 속으로 분해될 수 있다. 질소는 기체를 형성하여 날아가지만, 갈륨 및 기타 금속의 잔류물(15)이 남아있게 된다.

다음으로 상기 보호막을 제거한 다음(도 4e), 질화갈륨층을 세정한다(도 4f). 보호막은 박리하여 제거하며, 화학 증폭계 포토레지스트막을 보호막으로 사용한 경우에는 테트라메틸암모늄히드록사이드(TMAH) 수용액을 이용할 수 있다. 상기 테트라메틸암모늄히드록사이드 수용액을 이용하면 폐액의 처리가 용이하다. 이 외에도 아세톤, 오존 황산, 아민계 레지스트 박리액 또는 플라즈마 등이 화학 증폭계 포토레지스트막의 박리에 사용될 수 있다.

상기 질화갈륨층을 세정하면 식각 잔류물이 제거되면서 미세 패턴(16)이 드러난다. 레이저빔에 의하여 분해된 금속 잔류물을 제거하기 위한 것으로서, 염산 용액을 이용하여 세정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 전술한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법 외에도 포토마스크를 통해 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

도 5는 본 발명에 따른 포토마스크를 통하여 레이저빔을 조사하는 단계를 나타내는 단면도로서, 상기 포토마스크는 투명한 기판(18)과 차단 패턴(17)을 구비한다. 제작과정을 간단히 설명하자면, 유리 등 투명한 재질로 이루어진 마스크 기판 위에 차광성이 우수한 크롬 등의 금속 또는 MoSi, ZrSiO, SiN 등의 무기물을 CVD 또는 스퍼터링 방식으로 증착시켜 일정한 두께의 박막을 형성시킨다. 이어서, 상기 박막 위에 포토레지스트막을 도포하고 상기 박막 위에 포토레지스트를 도포하여 가경화시킨 후 형성시킬 패턴에 따라 개구부가 형성된 마스크를 이용하여 상기 포토레지스트를 부분적으로 노광시키면 노광된 부분의 화학적 조성이 변화한다. 이후, 현상액을 분사하여 상기 포토레지스트 중 불필요한 부분을 제거한다. 이때, 상기 포토레지스트 중 노광된 부분은 화학적으로 조성이 변화되어 현상액에 의해 녹지 않으므로 노광되지 않은 부분만이 녹아서 제거되고 원하는 형상의 포토레지스트만이 남게 된다. 상기 레지스트 패턴을 마스킹층으로 하여 식각공정을 거침으로써 차광패턴을 구비한 포토마스크를 얻는다.

상기와 같이 포토마스크를 이용할 경우, 질화갈륨층에 보호막을 형성할 필요가 없어 제조공정이 간단하면서도 효율적이다.

도 6은 본 발명에 의하여 제조된 발광 다이오드의 일실시예를 나타내는 단면도로서, 기판(11) 위에 본 발명에 의하여 제조된 N-질화갈륨층(12)이 형성되고, 그 위에 활성층(19), P-질화갈륨층(20)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, N-질화갈륨층 상부에는 N-전극(21)이, P-질화갈륨층 상부에는 P-전극(22)이 형성되어 있다.

상기 발광 다이오드의 제조방법을 간략히 설명하자면, 기판 위에 전술한 본 발명에 따라 N-질화갈륨층을 증착하고 미세패턴을 형성한다. 이 후, 유기금속 화학증착법을 이용하여 활성층, P-질화갈륨층을 순차적으로 적층한 다음, N-질화갈륨 층의 상면의 일부가 드러나도록 메사(Mesa) 식각한다. 이 후, 저항성 금속을 증착하여 N-질화갈륨층 상부에 N-전극을, P-질화갈륨층 상부에 P-전극을 형성한다.

본 실시예에서는 생략하였지만, 기판과 N-질화갈륨층의 격자결함의 차이로 인하여 캐리어의 효율이 저하되는 것을 방지하는 버퍼층으로서, 기판과 N-질화갈륨층 사이에 도핑되지 않은 질화갈륨층을 포함할 수도 있다.

전술하였듯이 본 발명에 따른 질화갈륨층의 제조방법은 N-질화갈륨층 외에도 기판, 활성층 등에도 적용될 수 있으며, 본 발명에 따라 제조된 질화갈륨 기판, 또는 질화갈륨 활성층 등을 포함하여 발광 다이오드를 형성하는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것인바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드용 질화갈륨층의 제조방법에 있어서, 질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 접촉면에서 일어나는 반사를 감소시켜 광출력의 저하를 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

또, 레이저빔을 이용하여 질화갈륨층의 접촉면을 미세하게 식각함으로써 식각형태를 용이하게 조절할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

또, 종래의 습식 식각에 의하여 발광 다이오드가 손상되어 광효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

또, 포토마스크를 통하여 레이저빔을 조사함으로써 제조공정을 간단하면서도 효율적이게 하여 경제적으로 유리한 효과를 갖는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

Claims

질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

질화갈륨층을 형성하는 단계;

상기 질화갈륨층 상부의 일부에 소정의 패턴 형상으로 보호막을 형성하는 단계;

상기 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층에 레이저 빔을 조사하여 보호막이 형성되지 않은 질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계;

상기 보호막을 제거하는 단계; 및

상기 질화갈륨층을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 보호막은 포토레지스트막인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.
질화갈륨계 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

질화갈륨층을 형성하는 단계;

상기 질화갈륨층 상부에 포토마스크를 통해 레이저빔을 조사하여 소정의 패 턴 형상으로 질화갈륨층의 일부를 식각하는 단계; 및

상기 질화갈륨층을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,

상기 질화갈륨층은 기판, N-반도체층, 활성층, P-반도체층을 포함하여 구성되는 발광구조물의 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,

상기 질화갈륨층은 기판, N-반도체층, 활성층, P-반도체층을 포함하여 구성되는 발광구조물의 N 또는 P-반도체층인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,

상기 질화갈륨층은 기판, N-반도체층, 활성층, P-반도체층을 포함하여 구성되는 발광구조물의 활성층인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방 법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,

상기 질화갈륨층을 세정하는 단계는 염산(HCl) 용액을 이용하여 세정하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 제조방법.