KR101116067B1 - 수평 구조형 발광다이오드 소자 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 소자 분리시 발생하는 광 출력 저하 문제를 해결할 수 있는 수평 구조형 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로, 수평 구조형 LED 소자 제조방법에 있어서, 기판 상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 표면으로부터 상기 기판의 내부까지 소정의 깊이를 가지는 패턴을 형성하는 단계; 상기 보호층을 제거하는 단계; 상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 반도체층을 메사 식각하는 단계; 상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 하면을 래핑하는 단계;를 포함한다.

Description

수평 구조형 발광다이오드 소자 제조방법{Manufacturing Method of Horizontal Structure LED Device}
본 발명은 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 소자 분리시 발생하는 광 출력 저하 문제를 해결할 수 있는 수평 구조형 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)는 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색상의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근에는 질화갈륨(GaN)계 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물의 연구 개발에 힘입어, 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자가 상용화됨으로써 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치 등의 소자로 널리 이용되고 있다.
도 1은 수평 구조형 LED 소자의 일반적인 구조를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 종래의 기술에 따른 수평 구조형 LED 소자를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
질화갈륨(GaN)계 혼합물을 사용한 LED 소자(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 성장용 기판(1) 상에 n형 반도체층(2, n-GaN), 활성층(3, MQW) 및 p형 반도체층(4, p-GaN)이 순차적으로 적층되어 반도체층을 형성하는 구조를 이룬다. 성장용 기판(1)으로는 사파이어(sapphire)가 주로 사용된다. 사파이어 기판(1)은 절연성 물질이기 때문에, 활성층(3)에 전류를 주입하기 위해 반도체층의 일부는 메사(Mesa) 식각된다. 메사 식각되어 외부로 돌출된 n형 반도체층(2) 상부에는 n형 전극(6)이, p형 반도체층(4) 상부에는 p형 전극(7)이 각각 형성된다. 또한, p형 반도체층(4)과 p형 전극(7) 사이에는 전류의 퍼짐을 향상시키기 위하여 ITO 투명 전극(5)이 더 형성된다.
종래의 기술에 따른 LED 소자(10)의 제조 공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 사파이어 기판(1) 상에 n형 반도체층(2), 활성층(3), p형 반도체층(4) 및 ITO 전극(5)을 순차적으로 성장시킨다(a). 이후 소정의 영역을 따라 메사 에칭으로 n형 반도체층(2) 일부를 노출시키고, 각 반도체층(2,4) 상에 전극(6,7)을 형성시킨다(b). 그리고 얇은 두께를 가지도록 기판(1)의 배면을 래핑(lapping)하고, 각 LED 소자를 구획하기 위하여 스크라이빙(scribing)으로 홈(8)을 형성한다(c). 최종적으로 스크라이빙 홈(8)을 따라 각 LED 소자(10)를 분리하는 과정으로 제조된다(d). 즉, 하나의 기판(1)에 복수개의 LED 소자(10)를 이루는 구조물을 동시에 성장시킨 후, 스크라이빙(scribing)으로 각 소자(10)를 구획하고, 브레이킹(breaking)으로 개별 소자(10)로 분리하게 된다.
종래의 기술에 따른 LED 소자 제조 공정에 있어서, 각 소자를 구획하기 위하여 홈을 형성하는 방법으로는 다이아몬드 팁 스크라이빙(Diamond Tip Scribing) 방식과 레이저 스크라이빙(Laser Scribing) 방식이 주로 이용되었다. 여기서, 다이아몬드 팁 스크라이빙 방식은 우수한 광 출력이 유지될 수 있으나, 고가의 다이아몬드 팁을 사용하여야 하므로 제조 비용의 상승을 초래하는 문제점이 있다. 한편, 레이저 스크라이빙 방식은 다이아몬드 팁 스크라이빙 방식에 비하여 상대적으로 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 그러나, 래핑으로 얇아진 기판(1)의 배면을 스크라이빙함으로써, 레이저의 고열이 반도체층에 그대로 전달되고 이러한 열에 의하여 반도체층이 열화되어, 결국 LED 소자(10)의 광 출력을 저하시키는 문제점이 발생한다. 또한, 스크라이빙시 발생하는 사파이어 입자(9)가 소자의 벽면에 붙어 광을 차폐시켜 광 출력을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, LED 소자의 분리 공정시 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 제조 비용을 절감시킬 수 있으며, 동시에 질화갈륨계 반도체층의 열화를 초래하지 않아 광 출력의 저하를 방지할 수 있는 LED 소자의 제조 방법을 제공하는 적을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 수평 구조형 LED 소자 제조방법에 있어서, 기판 상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 표면으로부터 상기 기판의 내부까지 소정의 깊이를 가지는 패턴을 형성하는 단계; 상기 보호층을 제거하는 단계; 상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 반도체층을 메사 식각하는 단계; 상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 하면을 래핑하는 단계;를 포함한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 패턴은 상기 반도체층에서 상기 기판으로 갈수록 폭이 좁아지는 쐐기 형상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 보호층을 제거하는 단계는 상기 패턴 형성 단계 발생된 기판 입자를 제거하는 1차 에칭 단계와, 상기 보호층을 제거하는 2차 에칭 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법. 것을 특징으로 한다.
상기과 같은 과정으로 이루어지는 LED 소자의 제조 방법은 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 제조 비용을 절감시킬 수 있으며, 동시에 질화갈륨계 반도체층의 열화를 초래하지 않아 다이아몬드 팁 스크라이빙 방식에 의해 제조된 LED 소자와 유사하거나 그 보다 우수한 광 출력을 나타낼 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 수평 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 2는 도 1의 LED 소자의 제조 과정을 나타낸 공정도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수평 구조형 LED 소자의 구조를 나타낸 종단면도, 및
도 4는 도 3의 LED 소자의 제조 과정을 나타낸 공정도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수평 구조형 LED 소자의 구조를 나타낸 종단면도이다. 본 발명의 LED 소자(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 상면에 n형 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 반도체층(140)이 순차적으로 성장되어 반도체층을 형성한다. 또한, 일부가 노출된 n형 반도체층(120)과 p형 반도체층(140) 상에는 n형 전극(160)과 p형 전극(170)이 각각 형성된다.
여기서, 기판(110)은 반도체 단결정을 성장시기키 위한 구성이다. 기판(110)으로는 일반적으로 징크 옥사이드(ZnO), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등이 이용될 수 있다. 최근에는 방위의 정도가 높고, 정밀한 폴리싱으로 흠이나 자국이 없는 사파이어(sapphire)를 포함하는 투명 재질의 기판이 주로 이용된다.
반도체층은 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환시키는 발광 구조물이다. 이러한 반도체층은 n형 GaN계 반도체층(121, n-GaN), 다중 양자 우물(MQW) 구조의 활성층(122) 및 p형 GaN계 반도체층(123, p-GaN)이 순차적으로 성장되어 형성된다. 이때, 기판(110)과 n형 반도체층(120) 사이에는 사파이어와 질화갈륨의 격자 상수 차이에 의한 결함을 방지하기 위하여, AlN이나 GaN 등을 이용한 버퍼층(미도시)이 더 마련된다.
그리고, 전원 공급을 위하여 n형 반도체층(120)과 p형 반도체층(140) 상에는 n형 전극(160)과 p형 전극(170)이 각각 형성된다. 이때, 기판(110)은 비전도성이므로 n형 반도체층(120)에 전극을 형성하기 위해서, n형 반도체층(120) 일부가 노출되도록 메사 구조를 이룬다. 또한, p형 반도체층(140)과 p형 전극(170) 사이에는 도전성의 IPO 투명 전극(150)을 형성할 수 있다. 이러한 ITO 전극(150)은 전류 주입 면적을 증가시키면서 광의 휘도 특성을 저하시키지 않는다.
한편, 본 발명의 LED 소자(100)는 도시된 바와 같이 메사 식각된 반대측의 소자 측면이 경사면을 이룬다.
상기와 같이 구성되는 LED 소자(100)는 각각의 전극(160,170)을 통하여 전압이 인가되면, n형 반도체층(120)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(140)으로부터 정공이 이동하여, 활성층(130)에서 전자 및 정공의 재결합이 일어나 발광하게 된다. 본 발명의 설명에 있어서, 하부 반도체층은 n형 반도체층으로 구성되고, 상부 반도체층은 p형 반도체층으로 구성되었으나, 그 반대로 구성될 수도 있다.
도 4는 도 3의 LED 소자의 제조 과정을 나타낸 공정도이다. 도 4(a) 내지 도 4(f)에 도시된 공정도를 참조하여 본 발명의 LED 소자(100)에 대한 제조 과정을 상세히 살펴본다.
먼저, 도 4(a)에서와 같이 사파이어 기판(110) 상에 n형 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 반도체층(140)으로 이루어지는 반도체층을 순차적으로 성장시킨다. 반도체층의 성장은 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Daposition, MOCVD)과 같은 공정이 이용될 수 있다. 또한, p형 반도체층(140) 상에는 스크라이빙 공정에 의한 반도체층의 열화를 방지하기 위하여 보호층(180)을 형성시킨다. 이러한 보호층(180)은 SiO2를 증착하여 형성시킬 수 있다.
이 후 도 4(b)와 같이 소정의 위치에서 LED 소자(100)를 구획할 수 있도록 패턴(190)을 형성한다. 패턴(190)은 최종적으로 각 LED 소자를 분리하기 위한 것으로, 보호층(180)으로부터 반도체층을 관통하여 기판(110)의 소정의 깊이까지 형성한다. 이러한, 패턴(190)은 레이저 스크리이빙(laser scribing) 방식으로 형성시키며, 반도체층에서 기판(110)으로 갈수록 폭이 좁아지는 쐐기 형상으로 형성한다. 이때, 레이저 스크라이빙 공정에 의하여 발생하는 사파이어 입자(111)는 SiO2 보호층(180)과 패턴(190) 표면에 붙게 된다. 특히, 패턴(190) 표면에 붙은 입자들을 광 출력의 저하를 초래하게 된다.
그리고, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 습식 식각(wet etching)으로 스크라이빙 공정에서 발생된 사파이어 입자(111)와 보호층(180)을 제거한다. 이때, 보호층(180)을 제거하는 공정에서 사파이어 입자(111)를 동시에 제거할 수 있지만, 입자(111) 제거와 보호층(180) 제거는 별도의 공정을 이루어질 수 있다. 즉, 황산과 인산의 혼합 용액이나 인산 용액을 이용한 습식 식각으로 패턴의 깊숙한 곳에 부착된 사파이어 입자(111)까지 완벽히 제거한다. 이 후 BOE 용액이나 HF 용액을 이용한 습식 식각으로 SiO2 보호층(180)을 제거한다.
그리고, 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 전극 형성을 위하여 메사 식각으로 n형 반도체층(120)의 일부를 노출시키며, p형 반도체층(140) 상에는 ITO 투명 전극(150)을 형성한다. 이때, 본 발명의 LED 소자(100)는 하나의 기판(110)에 복수개의 소자(100)가 동시에 제조되는 바, 기판(110) 상에는 스크라이빙 및 메사 식각에 의하여 구획되는 대칭적인 소자가 반복적으로 형성된다. 이어서, 도 4(e)에 도시된 바와 같이, 노출된 n형 반도체층(120)과 ITO 투명 전극(150)이 개입된 p형 반도체층(140) 상에는 메탈 증착에 의한 n형 전극(160)과 p형 전극(170)을 각각 형성시킨다. 이 후 도 4(f)에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 하면을 래핑(lapping)하여 90 내지 100㎛ 정도의 두께가 되도록 얇게 한 다음, 브레이킹(Breaking) 공정으로 각각의 소자로 분리한다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 LED 소자 제조 방법은 레이저 스크라이빙 공정에서 발생하는 사파이어 입자를 습식 식각을 이용하여 보호층과 함께 제거함으로써, 사파이어 입자에 의한 광 출력 저하를 방지할 수 있다. 또한,후면(後面)에 레이저 스크라이빙 공정을 적용하는 경우 브레이킹 공정시 소자가 잘못 분리될 수 있는데, 본 발명은 소자의 전면(前面)에 레이저 스크라이빙 공정을 적용하여 브레이킹 공정에서의 불량률을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것을 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : LED 소자 110 : 사파이어 기판
120 : n형 반도체층 130 : 활성층
140 : p형 반도체층 150 : ITO 투명전극
160 : n형 전극 170 : p형 전극
180 : 보호층 190 : 패턴

Claims (3)

  1. 수평 구조형 LED 소자 제조방법에 있어서,
    기판 상에 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 반도체층 상에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 표면으로부터 상기 기판의 내부까지 깊이를 가지는 패턴을 형성하는 단계;
    상기 보호층을 제거하는 단계;
    상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 반도체층을 메사 식각하는 단계;
    상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 하면을 래핑하는 단계;를 포함하는 LED 소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴은,
    상기 반도체층에서 상기 기판으로 갈수록 폭이 좁아지는 쐐기 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보호층을 제거하는 단계는,
    상기 패턴 형성 단계 발생된 기판 입자를 제거하는 1차 에칭 단계와, 상기 보호층을 제거하는 2차 에칭 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법.
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