KR101093116B1

KR101093116B1 - 수직형 발광 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101093116B1
Application number: KR20080030042A
Authority: KR
Inventors: 서원철
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2011-12-13
Also published as: KR20090104576A

Abstract

수직형 발광 소자에 있어서, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층이 차례대로 형성된 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층위에 형성된 금속 반사층; 상기 금속 반사층위에 형성된 보호 금속층; 상기 보호 금속층 위에 형성된 도전성 기판을 포함하되, 상기 보호 금속층은 건식 식각에 의한 식각 부산물로 절연성 산화물을 생성하는 금속인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자가 제공된다.

식각 부산물, 수직형발광소자, 발광 다이오드, 건식식각, Ta

Description

수직형 발광 소자 및 그 제조방법{VERTICAL LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

본 발명은 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 식각 과정에서 노출되는 층위에 식각에 의한 부산물이 전기적 광학적 특성을 저해시키지 않는 물질층을 증착한 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 III족 원소의 질화물 반도체층, 특히 GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이 어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한하며, 기계적 화학적으로 매우 안정하여 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공이 어렵고, 열전도율이 낮다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층들을 성장시킨 후, 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 발광 다이오드를 제조하는 기술이 연구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1을 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 도전성 기판(31)을 포함한다. 도전성 기판(31) 상에 N형 반도체층(15), 활성층(17) 및 P형 반도체층(19)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 또한, 도전성 기판(31)과 P형 반도체층(19)사이에는 금속 반사층(23), 금속 보호층(25) 및 접착층(27)이 개재된다.

화합물 반도체층들은 일반적으로 사파이어 기판과 같은 희생 기판(도시하지 않음) 상에 금속유기화학기상증착법 등을 사용하여 성장된다. 그 후, 화합물 반도체층들 상에 금속 반사층(23), 금속 보호층(25) 및 접착층(27)이 형성되고, 도전성 기판(31)이 부착된다. 이어서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 기술 등을 사용하여 희생 기판이 화합물 반도체층들로부터 분리되고, N형 반도체층(15)이 노출된다. 그후, 식각을 통하여 화합물 반도체층들을 도전성 기판(31)위에서 각각의 발광셀 영역으로 분리한다. 이후, 분리된 각 발광셀 영역에 대하여 N형 반체층(15) 상에 전극 패드(33)가 형성되고, 도전성 기판(31)을 발광셀 영역별로 다이싱하여 개별 소자로 분리해낸다. 이에 따라, 열방출 성능이 우수한 도전성 기판(31)을 채 택함으로써, 발광 다이오드의 발광 효율을 개선할 수 있으며, 수직형 구조를 갖는 도 1의 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

그러나, 이와 같이 도전성 기판을 사용하는 수직형 발광 다이오드의 경우, 제작시에 각각의 셀을 분리하기 위하여 통상적으로 건식 식각을 수행한다. 이 때, 각 셀을 분리하기 위하여는 바닥의 도전성 기판이 노출될 때까지 식각을 하여야 한다. 이러한 식각은 소자 자체의 분리이기 때문에 에칭이 전극을 형성하기 위한 메사 에칭 공정과 달리 깊다.(2um 이상). 따라서, 식각 후에 일부 노출된 부분에서 남아있는 것을 제거하기 위하여 실제 식각 깊이보다 더 깊게 식각을 수행한다.

이러한 식각 과정에서 금속 반사층(23)을 보호하고 있는 보호 금속층(25)이 식각되고 그 식각된 부산물이 각 셀의 측면에 흡착된다. 각 셀에 흡착된 부산물들은 N형 반도체층(15)와 P형 반도체층(19)을 전기적으로 연결하여 쇼트(단락)을 유발시킨다. 식각 과정에서 생성될 수 있는 이러한 부산물들은 습식 식각을 통해 제거되어야 하나 통상적으로 보호 금속층(25)으로 사용되고 있는 Ti, W, Pt, Ni 등의 금속들은 습식 식각에도 제거되지 않는 특성을 갖고 있어 제거하기 어렵다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 바와 같이 건식 식각 과정에서 생기는 보호 금속층의 부산물에 의해 전기적 특성이 저하되는 것을 해결할 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 수직형 발광 소자에 있어서, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층이 차례대로 형성된 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층위에 형성된 금속 반사층; 상기 금속 반사층위에 형성된 보호 금속층; 상기 보호 금속층 위에 형성된 도전성 기판을 포함하되, 상기 보호 금속층은 건식 식각에 의한 식각 부산물로 절연성 산화물을 생성하는 금속인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자가 제공된다.

바람직하게는, 상기 보호 금속층은 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 보호 금속층은 Ni, Ti, Pt, W, Cr중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 보호 금속층은, 상기 탄탈륨으로 이루어지는 제1 보호 금속층과, 상기 Ni, Ti, Pt, W, Cr중 적어도 하나로 이루어지는 제2 보호 금속층을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 번갈아 반복적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 수직형 발광 소자 제조 방법에 있어서, 희생 기판위에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 금속 반사층을 차례대로 형성하는 단계; 상기 금속 반사층위에 보호 금속층을 형성하는 단계; 상기 보호 금속층위에 도전성 기판을 형성하는 단계; 상기 희생 기판을 제거하는 단계; 및 상기 제1 도전형 반도체층이 드러난 상태에서 개별 발광셀 영역별로 분리하기 위한 건식 식각을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 건식 식각은 상기 보호 금속층, 및 상기 도전성 기판중 어느 하나가 드러날때 까지 수행하며, 상기 보호 금속층은 건식 식각에 의한 식각 부산물로 절연성 산화물을 생성하는 금속인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조 방법이 제공된다.

또한, 상기 제1 보호 금속층 및 상기 제2 보호 금속층은 번갈아 반복적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 발광셀을 형성하기 위한 화합물 반도체층위에 금속 반사층, 보호 금속층, 도전성 기판을 형성하여 수직형 발광 소자를 제조함에 있어, 보호 금속층으로 예를 들어 탄탈륨(Ta)과 같이 건식 식각에 의한 식각 부산물이 절연물질(Ta₂O₅)을 생성하는 금속을 증착한다. 탄탈륨(Ta)과 같은 보호 금속층은 건식 식각에 대한 내성은 강하지 않으나 그로 인한 부산물이 특성 저하를 야기시키지 않으므로 다른 금속층과 함께 사용되면 공정상의 수율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 종래에 건식 식각 과정에서 문제시되던 Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd와 같 은 보호 금속층의 부산물들이 화합물 반도체층들의 측면에 부착되어 전기적인 특성들을 저하시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 도전성 기판(71) 상에 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 도전성 기판(71)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들이다. 예를 들어, (Al,Ga,In)N 반도체층이다.

화합물 반도체층들과 도전성 기판(71) 사이에 금속 반사층(61), 보호 금속층(63)이 개재된다.

금속 반사층(61)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 으로 형성된다.

보호 금속층(63)은 접착층(67) 또는 도전성 기판(71)으로부터 금속원소들이 금속 반사층(61)으로 확산되는 것을 방지하여 금속 반사층(61)의 반사도를 유지시킬 수 있다. 보호 금속층(63)은 금속 반사층(61)을 보호할 뿐만 아니라 희생 기판의 제거 후에 식각을 할 경우 노출되는 층이 된다.

보호 금속층(63)은 건식 식각에 의해 부산물이 발생되는 경우, 그 부산물이 절연성을 가지는 금속이면 된다. 예를 들어, 보호 금속층(63)은 탄탈륨(Ta)이 사용될 수 있다. 탄탈륨은 건식 식각에 의해 식각되는 경우 Ta₂O₅이 부산물로 생성된다. Ta₂O₅은 절연성 물질이다. 따라서, Ta로 이루어진 보호 금속층(63)의 일부가 건식 식각에 의해 식각되어 Ta₂O₅의 부산물이 생성되는 경우, 그 부산물이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)의 측면에 부착되더라도 전기적으로는 아무런 영향을 미치지 않게 된다.

아울러, N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)에 부착된 Ta₂O₅의 부산물들은 절연층으로 작용한다. 이 때문에, 이후, 접착층(67)이나 도전성 기판(71)에 대한 식각이 이루어져서 부산물이 발생된다고 하더라도 Ta₂O₅의 부산물위에 부착되어짐에 따라 해당 부산물들이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)에 전기적으로 미치는 영향을 차단할 수 있다.

접착층(67)은 도전성 기판(71)과 금속 반사층(61)의 접착력을 향상시켜 도전 성 기판(71)이 금속 반사층(61)으로부터 분리되는 것을 방지한다.

한편, 도전성 기판(71)에 대향하여 화합물 반도체층들의 상부면에 전극패드(83)가 위치한다. 이에 따라, 도전성 기판(71)과 전극 패드(83)를 통해 전류를 공급함으로써 광을 방출할 수 있다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3을 참조하면, 희생 기판(51) 상에 화합물 반도체층들이 형성된다. 희생 기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 N 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59)을 포함한다. 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들로, 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 성장될 수 있다.

한편, 화합물 반도체층들을 형성하기 전, 버퍼층(53)이 형성될 수 있다. 버퍼층(53)은 희생 기판(51)과 화합물 반도체층들의 격자 부정합을 완화하기 위해 채택되며, 일반적으로 질화갈륨 계열의 물질층일 수 있다.

도 4를 참조하면, 화합물 반도체층들 상에 금속 반사층(61)을 형성한다. 금속 반사층(61)은 예컨대, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 도금 또는 증착기술을 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 금속 반사층(61)에는 보호 금속층(63)이 형성된다. 보호 금속층(63)은 건식 식각에 의해 부산물이 발생되는 경우, 예를 들어 탄탈륨(Ta)과 같이 그 부산 물이 절연성을 가지는 금속이 사용될 수 있다.

보호 금속층(63)위에는 도전성 기판(71)이 형성된다. 도전성 기판(71)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판을 화합물 반도체층들 상에 부착하여 형성될 수 있다. 이때, 도전성 기판(71)은 접착층(67)을 통해 보호 금속층(63)에 부착될 수 있으며, 한편, 상기 도전성 기판(71)은 도금기술을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 보호 금속층(63)상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(71)이 형성될 수 있으며, 접착력을 향상시키기 위한 접착층(67)이 추가될 수 있다.

도 5를 참조하면, 희생 기판(51)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생 기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층(53)도 함께 제거되어 N형 반도체층(59)이 노출된다.

도 6을 참조하면, 화합물 반도체층을 각각의 셀영역으로 분리하기 위하여 건식 식각을 수행한다. 이 건식 식각 과정을 통해 N형 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59), 금속 반사층(61), 보호 금속층(63)의 일부가 제거된다. 이 과정에서 보호 금속층(63)의 부산물들이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59)의 분리된 셀영역들의 측면에 부착되어 진다. 보호 금속층(63)의 부산물들은 Ta₂O₅로서 절연성 물질이다. 따라서, 그 부산물이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)의 측면에 부착되더라도 전기적으로는 아무런 영향을 미치지 않게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드에서 보호 금속층을 탄탈륨외에 Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 보호 금속층은, 탄탈륨으로 이루어지는 제1 보호 금속층(63)과, Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나로 이루어지는 제2 보호 금속층(65)을 포함할 수 있다. 상기 제1 보호 금속층(63) 및 상기 제2 보호 금속층(65)은 번갈아 반복적으로 적층 형성될 수 도 있다. 또는 상기 보호 금속층을 탄탈륨과, Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 어느 하나와의 합금으로 형성할 수 도 있다.

도시된 바와 같이 보호 금속층을 탄탈륨으로 이루어지는 제1 보호 금속층(63)과, Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나로 이루어지는 제2 보호 금속층(65)으로 형성하는 경우, 화합물 반도체층을 각각의 셀영역으로 분리하기 위하여 건식 식각을 수행할 때, 건식 식각 과정을 통해 N형 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59), 금속 반사층(61), 제1 보호 금속층(63), 제2 보호 금속층(65)의 일부까지 제거될 수 있다. 이에 따라, 제1 보호 금속층(65)의 식각 부산물들이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59)의 측면에 부착될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 제2 보호 금속층(65)이 건식 식각에 의해 식각 부산물이 발생시키 기 전에 이미 제1 보호 금속층(63)에 의한 Ta₂O₅의 부산물들이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)에 부착되어 있음에 따라 절연층으로 작용한다. 이 때문에, 건식 식각 과정에서 제2 보호 금속층(65)의 일부가 식각됨으로 인해 부산물이 발생된다고 하더라도 Ta₂O₅의 부산물위에 부착되어짐에 따라 보호 금속층(65)의 부산물들이 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)에 전기적으로 미치는 영향을 차단할 수 있다. 이후, 건식 식각과정을 통해 발생된 식각 부산물들을 제거하기 위해 습식 식각을 수행할 수 있다. 물론 이러한 습식 식각을 수행하더라도 이미 설명한 바와 같이 제2 보호 금속층(65)의 식각 부산물들이 완전하게 제거될 수는 없을 것이다. 이와 같이 습식 식각에 의한 부산물 제거가 어렵기 때문에 제2 보호 금속층의 식각 부산물에 의한 특성 저하를 막기 위하여 탄탈륨(Ta)과 같은 제1 보호 금속층의 기능이 유용하다.

이어서, 전극패드(83)가 N형 반도체층(55) 상에 형성된다. 이후, 도전성 기판(71)을 절단하여 개별 발광 다이오드 칩들로 분리함으로써 복수개의 수직형 발광 다이오드들이 제조될 수 있다. 이때, 미리 정의된 스크라이빙 라인들을 따라 도전성 기판(71)이 절단된다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

도 1은 종래의 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

Claims

수직형 발광 소자에 있어서,

제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층이 차례대로 형성된 화합물 반도체층;

상기 화합물 반도체층위에 형성된 금속 반사층;

상기 금속 반사층위에 형성된 보호 금속층;

상기 보호 금속층 위에 형성된 도전성 기판을 포함하되,

상기 보호 금속층은 건식 식각에 의한 식각 부산물로 절연성 산화물을 생성하는 금속이며,

상기 보호 금속층은 탄탈륨(Ta)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 보호 금속층은 Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
청구항 3에 있어서, 상기 보호 금속층은,

상기 탄탈륨으로 이루어지는 제1 보호 금속층과,

상기 Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나로 이루어지는 제2 보호 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
청구항 4에 있어서,

상기 제1 보호 금속층 및 상기 제2 보호 금속층은 번갈아 반복적으로 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
수직형 발광 소자 제조 방법에 있어서,

희생 기판위에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 금속 반사층을 차례대로 형성하는 단계;

상기 금속 반사층위에 보호 금속층을 형성하는 단계;

상기 보호 금속층위에 도전성 기판을 형성하는 단계;

상기 희생 기판을 제거하는 단계; 및

상기 제1 도전형 반도체층이 드러난 상태에서 개별 발광셀 영역별로 분리하기 위한 건식 식각을 수행하는 단계를 포함하되,

상기 건식 식각은 상기 보호 금속층, 및 상기 도전성 기판중 어느 하나가 드러날때 까지 수행하며,

상기 보호 금속층은 건식 식각에 의한 식각 부산물로 절연성 산화물을 생성하는 금속이며,

상기 보호 금속층은 탄탈륨(Ta)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조 방법.
삭제
청구항 6에 있어서,

상기 보호 금속층은 Ni, Ti, Pt, W, Cr,Pd중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 보호 금속층은,

상기 탄탈륨으로 이루어지는 제1 보호 금속층과,

상기 Ni, Ti, Pt, W, Cr, Pd중 적어도 하나로 이루어지는 제2 보호 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제1 보호 금속층 및 상기 제2 보호 금속층은 번갈아 반복적으로 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조 방법.