KR101088281B1 - 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성된 N-질화갈륨층을 통하여 광을 방출시킴으로써 광출력을 향상시키게 되고, N-질화갈륨층이 손상되는 메사(Mesa) 식각공정을 수행하지 않아도 되어 N-질화갈륨층의 결함(Defect)을 줄일 수 있다.

또한, 상호 이격되어 있는 복수개의 마이크로 렌즈들이 형성된 사파이어 기판에서 질화갈륨 에피층을 성장시킴으로써, 측면 성장에 의해 고품질의 N-질화갈륨 에피층을 얻을 수 있고, 레이저 리프트 오프 공정에 의해 사파이어 기판을 제거함으로써, 질화갈륨층과 사파이어 기판의 굴절율에 의해 발생되는 광손실을 줄일 수 있게된다.

발광다이오드, 광출력, 마이크로렌즈, 오목렌즈, 전반사

Description

발광 다이오드 및 그의 제조 방법 { Light emitting diode and method for manufacturing the same }

도 1은 종래 기술에 따른 정션-업(Junction-Up) 방식의 발광 다이오드의 단면도

도 2a 내지 2h는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드가 패키징되어 있는 상태의 일부 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 사파이어 기판 105 : 질화갈륨 박막

110 : 실리콘 산화막 111 : 마이크로 렌즈

115 : 중앙 영역 120 : 포토레지스트 돌출부

130 : 도핑되지 않은 질화갈륨층 131 : 홈

140 : N-질화갈륨층 150 : 활성층

160 : P-질화갈륨층 170 : 전류 확산층

180 : P-전극 190 : N-전극

160 : P-질화갈륨층 170 : 전류 확산층

180 : P-전극 190 : N-전극

본 발명은 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성된 N-질화갈륨층을 통하여 광을 방출시킴으로써 광출력을 향상시키게 되고, N-질화갈륨층이 손상되는 메사(Mesa) 식각공정을 수행하지 않아도 되어 N-질화갈륨층의 결함(Defect)을 줄일 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 3족 질화물 반도체의 성장 기술의 발달에 따라 기존의 갈륨비소(GaAs)를 이용한 적색 발광 다이오드에 이어서, 질화갈륨(GaN)의 청색 및 녹색 발광 다이오드의 개발이 완료되었으며, 널리 상용화되고 있다.

가시광 영역의 각 파장대의 광소자 실현에도 불구하고, 현재 쓰이고 있는 업 패키지(Up package) 방법보다는 다운 패키지(Down package) 방법을 이용한 고출력 발광 다이오드의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

그리고, 일본의 니치아(Nichia)사에서 청색 레이저 다이오드 및 발광 다이오드 칩 제작에 있어서, 청색 발광 다이오드 칩을 몰딩 컵(Molding cup)에 조립할 때, 기존의 업 패키지 방법을 이용하는 것보다 다운 패키지 방법을 이용하여 고출력 발광 다이오드를 시장에 내놓고 있다.

이 때, 반사막은 광효율에 매우 큰 역할을 한다.

현재, 질화물 반도체 발광 다이오드를 패키징하는 방법은 정션-업(Junction-Up)과 정션-다운(Junction-Down) 방식을 사용하고 있다.

상기 정션-업 방식의 패키징 방법은 전극들을 소자의 상측에 형성하여 전극들을 와이어 본딩하여 패키징하는 것이고, 정션-다운 방식의 패키징 방법은 전극들을 플립칩(Flip chip) 본딩하여 패키징하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 정션-업(Junction-Up) 방식의 발광 다이오드의 단면도로서, 사파이어 기판(10) 상부에 N-반도체층(11), 활성층(12)과 P-반도체층(13)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-반도체층(13)에서 상기 N-반도체층(11)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 P-반도체층(13) 상부에 전류 확산층(14)이 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 N-반도체층(11) 상부에 N-전극(16)이 형성되어 있고, 상기 전류 확산층(14) 상부에 P-전극(15)이 형성되어 이루어진다.

그리고, 상기 P-전극(15)과 N-전극(16)은 패키징시 와이어(17)로 외부로 인출하는 리드에 본딩된다.

이런, 정션-업 방식의 발광 다이오드는 전류 확산용 전극과 P-전극에 의한 광효율의 저하로 인해 전체 발광 다이오드 소자의 광효율이 떨이지고 있다.

이런, 문제를 해결하기 위해서는 정션-다운 방법을 이용하여 플립칩 제작방법을 이용, 전류확산용 전극과 P-패드용 전극에 의한 광효율의 저하를 줄이려는 방법으로 사용되고 있다.

이럴 경우, 서브 마운트(Submount) 기판 제작과 함께, 반사막을 사용하여야 하는 공정이 추가되어야 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성된 N-질화갈륨층을 통하여 광을 방출시킴으로써 광출력을 향상시키게 되고, N-질화갈륨층이 손상되는 메사(Mesa) 식각공정을 수행하지 않아도 되어 N-질화갈륨층의 결함(Defect)을 줄일 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상호 이격되어 있는 복수개의 마이크로 렌즈들이 형성된 사파이어 기판에서 질화갈륨 에피층을 성장시킴으로써, 측면 성장에 의해 고품질의 N-질화갈륨 에피층을 얻을 수 있고, 레이저 리프트 오프 공정에 의해 사파이어 기판을 제거함으로써, 질화갈륨층과 사파이어 기판의 굴절율에 의해 발생되는 광손실을 줄일 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, P-질화갈륨층 상부에 활성층과 N-질화갈륨층이 순차적으로 형성되어 있고;

상기 P-질화갈륨층 하부에 전류 확산층과 반사용 P-전극이 순차적으로 형성되어 있고;

상기 N-질화갈륨층 상부 표면에 복수개의 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성되어 있고;

상기 N-질화갈륨층 상부의 중앙 영역에 N-전극이 형성되어 이루어진 발광 다이오드가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 사파이어 기판 상부에 질화갈륨 박막과 실리콘 산화막을 순차적으로 형성하는 단계와;

상기 실리콘 산화막 상부의 중앙 영역을 제외한 영역에 상호 이격되어 있는 복수개의 포토레지스트 돌출부들을 형성하는 단계와;

상기 포토레지스트 돌출부들을 마스킹하여 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 사파이어 기판 상부에 복수개의 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계와;

상기 마이크로 렌즈를 포함하는 사파이어 기판 상부에 도핑되지 않은 질화갈륨층, N-질화갈륨층, 활성층, P-질화갈륨층, 전류확산층과 반사용 P-전극을 순차적으로 형성하는 단계와;

상기 질화갈륨 박막을 제거로 사파이어 기판을 이탈시켜, 마이크로 렌즈를 노출시키는 단계와;

상기 실리콘 산화막으로 이루어진 마이크로 렌즈를 선택적으로 습식식각하여 제거하는 단계와;

상기 도핑되지 않은 질화갈륨층을 건식식각으로 제거하여 상기 N-질화갈륨층 표면에 복수개의 마이크로 렌즈에 대향되는 위치에 홈들을 형성하는 단계와;

상기 N-질화갈륨층 하부에 N-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 발광 다이오드의 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2a 내지 2h는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 먼저, 도 2a와 같이, 사파이어 기판(100) 상부에 질화갈륨 박막(105)과 실리콘 산화막(110)을 순차적으로 형성하고, 상기 실리콘 산화막(110) 상부의 중앙 영역(115)한 영역에 상호 이격되어 있는 복수개의 포토레지스트 돌출부(120)들을 형성한다.(도 2b)

여기서, 상기 포토레지스트 돌출부(120)들은 통상의 사진 식각 공정을 수행하여 형성하는 것이다.

그 다음, 상기 포토레지스트 돌출부(120)들을 마스킹하여 상기 실리콘 산화막(110)을 식각하여 상기 사파이어 기판(100) 상부에 복수개의 마이크로 렌즈들(111)을 형성한다.(도 2c)

여기서, 상기 포토레지스트 돌출부(120)들이 제거될 때까지 수행하면, 상기 실리콘 산화막(110)이 식각되면서, 남아 있는 영역에 마이크로 렌즈(111)가 형성되는 것이다.

연이어, 상기 마이크로 렌즈(111)를 포함하는 사파이어 기판(110) 상부에 도핑되지 않은 질화갈륨층(130), N-질화갈륨층(140), 활성층(150), P-질화갈륨층(160), 전류확산층(170)과 반사용 P-전극(180)을 순차적으로 형성한다.(도 2d)

이런, 마이크로 렌즈들(111)이 형성된 사파이어 기판(110)에서 질화갈륨 에 피층을 성장시킴으로써, 측면 성장에 의해 고품질의 N-질화갈륨 에피층을 얻을 수 있게 된다.

그 후, 상기 사파이어 기판(100) 하부에서 레이저 광을 조사하여 상기 질화가륨 박막(105)을 열분해하여 제거시켜서, 상기 사파이어 기판을 이탈시키고, 도핑되지 않은 질화갈륨층(130)과 마이크로 렌즈(111)를 노출시킨다.(도 2e)

계속하여, 상기 실리콘 산화막으로 이루어진 마이크로 렌즈(111)를 선택적으로 습식식각하여 제거한다.(도 2f)

이어서, 상기 도핑되지 않은 질화갈륨층(130)을 건식식각으로 제거하여 상기 N-질화갈륨층(140) 표면에 복수개의 마이크로 렌즈에 대향되는 위치에 오목렌즈 형상의 홈들(131)을 형성한다.(도 2g)

계속하여, 상기 N-질화갈륨층(140) 하부에 N-전극(190)을 형성한다.(도 2h)

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드가 패키징되어 있는 상태의 일부 단면도로서, 전술된 공정으로 제조된 발광 다이오드는 P-질화갈륨층(160) 상부에 활성층(150)과 N-질화갈륨층(140)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-질화갈륨층(160) 하부에 전류 확산층(170)과 반사용 P-전극(180)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 N-질화갈륨층(140) 상부 표면에 복수개의 오목 렌즈 형상의 홈들(131)이 형성되어 있고; 상기 N-질화갈륨층(140) 상부의 중앙 영역에 N-전극(190)이 형성되어 이루어진다.

이런 발광 다이오드는 리드프레임(200)의 반사판(210)에 발광 다이오드의 반사용 P-전극(180)이 본딩되고, 이 반사용 P-전극(180)은 반사판에 형성된 전극 라 인(220)에 연결되어 이 전극라인(220)에 본딩된 와이어(231)와 전기적으로 연결되고, 상기 발광 다이오드의 N-전극(190)은 N-전극(190)에 본딩된 와이어(232)와 전기적으로 연결된다.

그러므로, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 활성층에서 방출되는 광이 N-질화갈륨층 표면에 형성된 복수개의 오목 렌즈 형상의 홈들에 의해 전반사되지 않고, 외부로 원활히 방출될 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성된 N-질화갈륨층을 통하여 광을 방출시킴으로써 광출력을 향상시키게 되고, N-질화갈륨층이 손상되는 메사(Mesa) 식각공정을 수행하지 않아도 되어 N-질화갈륨층의 결함(Defect)을 줄일 수 있다.

또한, 상호 이격되어 있는 복수개의 마이크로 렌즈들이 형성된 사파이어 기판에서 질화갈륨 에피층을 성장시킴으로써, 측면 성장에 의해 고품질의 N-질화갈륨 에피층을 얻을 수 있고, 레이저 리프트 오프 공정에 의해 사파이어 기판을 제거함으로써, 질화갈륨층과 사파이어 기판의 굴절율에 의해 발생되는 광손실을 줄일 수 있게된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성된 N-질화갈륨층을 통하여 광을 방출시킴으로써 광출력을 향상시키게 되고, N-질화갈륨층이 손상되는 메사(Mesa) 식각공정을 수행하지 않아도 되어 N-질화갈륨층의 결함 (Defect)을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상호 이격되어 있는 복수개의 마이크로 렌즈들이 형성된 사파이어 기판에서 질화갈륨 에피층을 성장시킴으로써, 측면 성장에 의해 고품질의 N-질화갈륨 에피층을 얻을 수 있고, 레이저 리프트 오프 공정에 의해 사파이어 기판을 제거함으로써, 질화갈륨층과 사파이어 기판의 굴절율에 의해 발생되는 광손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

1. P-질화갈륨층 상부에 활성층과 N-질화갈륨층이 순차적으로 형성되어 있고;

   상기 P-질화갈륨층 하부에 전류 확산층과 반사용 P-전극이 순차적으로 형성되어 있고;

   상기 N-질화갈륨층 상부 표면에 복수개의 오목 렌즈 형상의 홈들이 형성되어 있고;

   상기 N-질화갈륨층 상부의 중앙 영역에 N-전극이 형성되어 이루어진 발광 다이오드.
2. 사파이어 기판 상부에 질화갈륨 박막과 실리콘 산화막을 순차적으로 형성하는 단계와;

   상기 실리콘 산화막 상부 영역에, 상호 이격되어 있는 복수개의 포토레지스트 돌출부들을 형성하는 단계와;

   상기 포토레지스트 돌출부들을 마스킹하여 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 사파이어 기판 상부에 복수개의 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계와;

   상기 마이크로 렌즈를 포함하는 사파이어 기판 상부에 도핑되지 않은 질화갈륨층, N-질화갈륨층, 활성층, P-질화갈륨층, 전류확산층과 반사용 P-전극을 순차적으로 형성하는 단계와;

   상기 질화갈륨 박막을 제거시켜서, 사파이어 기판을 이탈시키고 마이크로 렌즈를 노출시키는 단계와;

   상기 실리콘 산화막으로 이루어진 마이크로 렌즈를 선택적으로 습식식각하여 제거하는 단계와;

   상기 도핑되지 않은 질화갈륨층을 건식식각으로 제거하여 상기 N-질화갈륨층 표면에 복수개의 마이크로 렌즈에 대향되는 위치에 홈들을 형성하는 단계와;

   상기 N-질화갈륨층 하부에 N-전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 발광 다이오드의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 질화갈륨 박막을 제거시켜서, 사파이어 기판을 이탈시키고 마이크로 렌즈를 노출시키는 단계는,

   상기 사파이어 기판과 하부에서 레이저 광을 조사하여 상기 질화가륨 박막을 열분해하여 제거시켜서 상기 사파이어 기판을 이탈시키고, 마이크로 렌즈를 노출시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 홈들은,

   오목렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.

Images