KR101132910B1 - 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고, 가스 분위기 하에서 어닐링(Annealing) 하는 단계; 상기 금속층 상부에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 적층하여 질화갈륨 박막 구조물을 형성하는 단계; 리프트 오프(Lift-off) 공정에 의해 상기 질화갈륨 박막 구조물로부터 상기 기판 및 금속층을 분리시키는 단계; 및 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계;를 포함하여 발광 다이오드를 제조하는 경우, 금속층을 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 리프트 오프 시킴으로써, 종래와 같이 별도의 서브마운트를 사용하지 않고도 탑-다운(Top-Down) 형태의 발광 다이오드 소자를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

다이오드, 리프트 오프, 어닐링

Description

발광 다이오드 제조방법{Manufacturing Process of Light Emitting Diode}

도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따라 전극이 수평 구조 형태로 이루어진 발광 다이오드의 제조 사시 공정도,

도 2a 내지 도 2h는 종래 기술에 따라 전극이 수직 구조 형태로 이루어진 발광 다이오드의 제조 사시 공정도,

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도,

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따라 전극이 탑-다운(Top-Down)로 이루어진 발광 다이오드의 제조 단면 공정도이다.

**도면의 주요부분에 대한 상세한 설명**

1: 기판 1-1: 금속(Metal)층

2: N-GaN층 3: 활성층

4: P-GaN층 5: P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금

6: P-전극패드 7: N-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금

8: N-전극패드

본 발명은 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로 특히, 기판을 분리시키는 방법을 특징으로 하는 것이다. 더욱 상세하게는 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고 어닐링(Annealing) 과정을 거치며, 질화갈륨 박막 구조물을 형성한 뒤 상기 금속층을 낮은 온도로 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 리프트 오프(Lift Off) 시키는 방법에 관한 것이다.

GaN계를 이용한 발광소자는 청색, 녹색 계의 발광소자로 주목받고 있다. 이 소자는 전광판, 표시소자, 백라이트용의 소자, 전구 등 그 응용영역이 매우 넓으며 점차 응용의 범위가 확대, 증가되는 추세에 있으므로 효율이 좋은 소자의 개발은 매우 중요하다 하겠다.

종래 구조의 LED 제작 공정을 도 1a 내지 도 1e를 참고로 설명하면 다음과 같다. 기판 물질로 사파이어를 이용하고, GaN계 반도체를 이용한 청색 LED의 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 우선 도 1a에 도시한 바와 같이, MOCVD를 이용하여 사파이어 기판(111) 위에 도핑되지 않은 GaN층(112), 하부 클래드층인 N-GaN층(113), 활성층(114), 상부 클래드층인 P-GaN층(115)을 차례로 적층하고, P-GaN층(115)을 활성화시킨다. 이어 도 1b에 도시한 바와 같이, N-GaN층(113)이 노출되도록 RIE를 이용하여, P-GaN층(115), 활성층(114), N-GaN층(113)의 일부를 식각한다. 이어 도 1c에 도시한 바와 같이, P-GaN층(115)의 전면에 오믹 금속 물질로 Ni, Cr, Au등의 조합을 이용하여 200Å이하의 두께로 투명전극으로 오믹컨택층(116)을 형성한 다음 합금을 한다. 이어 도 1d에 도시한 바와 같이, 오믹컨택층(116)의 일부에 Ni, Cr, Au, Ti, Pt등의 조합을 이용하여 2000Å 이상의 두께로 두껍게 형성하여 P-전극패드(117)를 형성한 다음, 다시 오믹컨택층(116)과의 접촉저항을 줄이기 위해 적당한 온도에서 합금을 한다. 이어 도 1e에 도시한 바와 같이, 노출된 N-GaN층(113)의 영역 상에 Ni, Cr, Ti, Al, Au등의 조합을 이용하여 2000Å 이상의 두께로 두껍게 형성하여 N-전극패드(118)를 형성한 다음 합금을 하여 칩을 완성한다.

이렇게 해서 완성된 칩은 P-전극패드(117)에 양의 부하를, N-전극패드(118)에 음의 부하를 가하게 되면, P-GaN층(115)과 N-GaN층(113)으로부터 각각 정공과 전자들이 활성층(114)으로 모여 재결합함으로써 활성층(114)에서 발광을 하게 된다. 이 LED칩은 솔더(solder)를 사용하여 P-GaN층(115)이 위로 향하게 조립되어 사용된다. 활성층(114)에서 발광된 광은 모든 방향으로 발광을 하게 되는데, 활성층(114)이 칩의 윗부분에 위치하고 있기 때문에 주로 윗부분으로 광이 방출되게 된다. 하지만 투명전극으로 이루어진 오믹컨택층(116) 위에 불투명한 금속으로 P-전극패드(117)가 형성되어 있으므로 활성층(114)에서 발생한 광의 상당한 부분이 P-전극패드(117)의 밖으로 빠져 나올 수 없게 됨으로써 그만큼의 광출력의 손실이 발생한다.

이와 같은 청색광을 위한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 중 GaN는 다른 Ⅲ족 질화물계와 마찬가지로, 벌크 단결정체를 형성할 수 있는 실용가능한 기술이 없다. 따라서, GaN결정의 성장을 적합한 기판을 사용하여야 한다. 이와 같은 GaN결정을 위한 성장기판으로는 사파이어, 즉 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃)기판이 대표적이다. 하지만, 종래의 GaN 발광다이오드는 이와 같이 절연물질인 사파이어 기판(111)을 사용하기 때문에, 두 전극패드(117, 118)가 거의 수평한 방향으로 형성될 수 밖에 없다. 따라서, 전압인가시에 N-전극패드(118)로부터 활성층(114)를 통해 P-전극패드(117)로 향하는 전류흐름이 수평방향을 따라 협소하게 형성될 수 밖에 없다. 이러한 협소한 전류흐름으로 인해, 상기 발광 다이오드는 순방향 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 정전기방전(electrostatic discharge)효과가 취약하다는 문제가 발생된다. 또한, 종래의 GaN 발광다이오드에서는, 전류밀도의 증가에 의해 열발생량이 크고, 반면에 사파이어 기판(111)의 낮은 열전도성에 의해 열방출이 원할하지 못하므로, 열증가에 따라 사파이어 기판(111)과 질화갈륨 박막 구조물 간에 기계적 응력이 발생하는 소자가 불안정해질 수 있다. 나아가, 종래의 GaN 발광다이오드에서는, N-전극패드(118)를 형성하기 위해서, 적어도 형성할 전극패드(118)의 면적보다 크게 활성층(114)의 일부영역을 제거하여야 하므로, 발광면적이 감소되어 소자크기 대 휘도에 따른 발광효율이 저하된다는 문제도 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 수직 구조를 갖는 발광 다이오드가 요구된 다. 하지만, 수직구조를 갖는 발광다이오드는 발광다이오드의 상하면에 컨택층을 형성하기 위해서, 사파이어 기판을 제거하는 공정이 수반되어야 한다.

종래 수직 구조 형태를 가진 LED 제작공정을 설명하면 아래와 같다. 도 2a 내지 도 2h는 본 발명자에 의해 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0067283호에 개시된 것으로, 종래 기술에 따라 전극이 수직 구조 형태로 이루어진 발광 다이오드의 제조 사시 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명자의 수직 구조 형태의 발광소자 제조방법은 사파이어 기판(121) 위에 MOCVD를 이용하여 LED의 구조를 적층하고 P-GaN(125) 상부에 전극 및 반사막을 형성한 다음 이 웨이퍼(120)를 따로 제작된 서브마운트(Submount, 130)에 붙이고 사파이어 기판을 제거하여 수직 구조의 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

먼저 도 2a에 나타난 바와 같이, 사파이어 기판(121)의 상부에 MOCVD의 공정을 수행하여, 도핑되지않은 GaN층(122), N-GaN층(123), In_xGa_1-xN층(124), P-GaN층(125)을 순차적으로 적층하고, 연이어, 상기 P-GaN층(125)의 상부에 투명전극(126), 반사막(127), 솔더 반응 방지층(128), Ti/Au, Ni/Au와 Pt/Au 중 선택된 어느 하나의 금속층(129)을 순차적으로 형성하여 웨이퍼(120)를 제작한다. 다음, 도 2b 내지 도 2c에 나타난 바와 같이, 전류가 흐를 수 있는 베이스 기판(130)의 상부와 하부 각각에 제 1과 2 오믹 접촉(Ohmic contact)용 금속층(131,132)을 형성하고, 발광 다이 오드 칩 부착용 솔더(133)를 형성하여 서브마운트 기판(130)을 제작한다. 다음, 제조된 웨이퍼(120)의 금속층(129)을 도 2d에 도시된 바와 같이 제조된 서브마운트 기판(130)의 솔더(133)에 본딩한다(도 2d). 그 후, 상기 복수개의 발광 다이오드들이 제조된 웨이퍼(120)의 사파이어 기판(121)에 레이저를 조사하여 사파이어 기판(121)을 복수개의 발광 다이오드들로부터 이탈시키고(도 2e), 도핑되지 않은 GaN층(122)은 전술된 레이저 리프트 오프(Lift Off)공정에 의해서, 표면의 어느 정도의 두께까지는 손상된 층으로 남게 되고(도 2f), 건식식각공정을 이용하여 N-GaN층(123)이 드러날 때까지 전면 식각하고, 상기 각각의 발광 다이오드들에 해당하는 N-GaN층(123)의 상부에 N-전극 패드(141)를 형성한다(도 2g). 마지막으로, 상기 복수의 발광 다이오드들과 서브마운트 기판에 스크라이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking)의 절단공정을 수행하여 개별 소자(101,102)로 분리한다(도 2h). 따라서, 본 발명의 발광 다이오드는 발광 다이오드의 상부와 하부에 각각 전극을 구비하는 수직 구조로 제조되며, 기존의 식각공정을 수행하지 않으므로 제조 공정이 간단한 장점이 있다.

그러나, 상기의 본 발명자의 종래 기술도 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 에피층을 형성하기 위한 기판으로 사파이어 기판을 사용하기 때문에 에피층인 GaN계와 격자 부정합에 의해 에피층의 품질이 떨어져서 발광효율이 나쁘고 ESD(ElectroStatic Damage) Level도 낮고, 신뢰성도 악화되는 등의 문제가 있다. 또한, 이러한 사파이어 기판의 문제점을 해결하기 위해 대체 기판으로 질화물반도체 기판이 연구되고 있으나 미흡한 실정이며, 이러한 질화물반도체 기판은 고가이어서 일회성으로 사용할 경우 제조비용이 증가되는 난제(難題)가 있다.

이와 같이 사파이어기판을 제거하는 공정은 사파이어기판의 기계적 강도가 크므로, 기계적 연마를 통한 제거에는 한계가 있으며, 레이저 빔을 이용한 분리기술도 실질적으로 사파이어기판과 단결정 GaN 발광구조물의 열팽창계수 및 격자부정합으로 인해 레이저 빔 조사과정에서 상기 GaN 결정면이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 결국, 이러한 손상된 단결정면은 최종적인 GaN 발광 다이오드의 전기적 특성을 크게 저하시키게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고 어닐링(Annealing) 과정을 거치며, 질화갈륨 박막 구조물을 형성한 뒤 상기 금속층을 낮은 온도로 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 리프트 오프(Lift Off) 시키는 방법에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명에 의하여 모든 종류의 기판을 사용해서 발광 다이오드를 제작할 수 있으며 금속(Metal)층 위에 성장되는 후막의 GaN 기판에 의해 LED 에피(Epi)층의 특성을 개선하고 소자의 특성을 향상시켜 신뢰성을 개선 시키고자 함이다. 뿐만 아니라, 온도(Thermal) 및 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의한 기판 리 프트 오프(Lift-off) 공정으로 종래의 수직 구조 다이오드 제조방법 처럼 별도의 서브마운트(Submount) 또는 캐리어(Carrier)를 제작할 필요가 없이 탑-다운(Top Down) 형태의 LED 소자를 제작할 수 있고, 이를 통하여 웨이퍼(Wafer) 당 칩(Chip) 갯 수를 늘림으로써 저가격으로 LED 칩을 제작, 공급하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법은 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고, 가스 분위기 하에서 어닐링(Annealing) 하는 단계; 상기 금속층 상부에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 적층하여 질화갈륨 박막 구조물을 형성하는 단계; 리프트 오프(Lift-off) 공정에 의해 상기 질화갈륨 박막 구조물로부터 을 분리시키는 단계; 및 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가스 분위기 하에서 어닐링 하는 단계는 가스와 금속이 반응하여 나노 보이드(Nano Void)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있고, 구체적으로 이러한 어닐링은 800~900℃ 에서 1분 내지 3시간 동안 진행하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명에 있어서 상기 리프트 오프 공정은 온도를 내리고 질화갈륨 박막 구조물 및 기판에 진공척(Vacuum Chuck)을 접촉시켜 상기 기판 및 금속층을 분리하거나 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 분리시키는 것이 가능한 발광 다이오드 제조방법이다.

본 발명의 다른 특징은 금속층을 어닐링 하기 위해 사용되는 상기 가스가 질소(N₂), 수소(H₂) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상이 선택된 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법이다. 또한, 본 발명의 대상이 되는 상기 기판은 사파이어(Sapphire) 기판, 실리콘(Si) 기판, 질화물(GaN) 기판 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판일 수 있고, 이러한 기판의 두께는 0.001㎛ 내지 100 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 것이 가능하며, 본 발명의 기술적 특징이 되는 상기 금속층은 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징으로 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계는 상기 N-GaN층 하부에 N-오믹 컨택층, 반사막(Reflcetor)층 또는 이것들의 합금을 형성한 뒤 상기 N-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금 하부에 N-전극패드를 형성하고, 상기 P-GaN층 상부에 P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금을 형성한 뒤 상기 P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계도 가능하다. 상기한 N-전극패드 및 P-전극패드를 형성하는 단계 이후에는 상기 발광 다이오드를 스트라 이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking) 공정을 수행하여 개별소자로 분리하는 단계를 더 포함함으로써 발광 다이오드 제조를 완성하는 방법이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로하여 본 발명의 기술적 특징을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고, 가스 분위기 하에서 어닐링(Annealing) 하는 단계(S10), 상기 금속층 상부에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 적층하여 질화갈륨 박막 구조물을 형성하는 단계(S20), 리프트 오프(Lift-off) 공정에 의해 상기 질화갈륨 박막 구조물로부터 상기 기판 및 금속층을 분리시키는 단계(S30) 및 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계(S40)를 포함하여 이루어지는 발광 다이오드 제조방법이다. 도 4a 내지 도 4f에서는 이와 같이 각 단계에 따라 순차적으로 이루어지는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 단면도 형태로 공정순서에 따라 나타내었다.

먼저, 본 발명에 있어서 기판 상부에 금속층을 형성하고 가스 분위기 하에서 어닐링 하는 단계(S10)는 본 발명의 가장 중심이 되는 기술적 특징으로써, 이후에 기판을 원할히 분리시키고 상기 금속층 위에 성장되는 질화갈륨 박막 구조물에 의해 LED 에피층의 특성을 개선하여 소자특성을 향상시키고자 함이다. 또한 수직 구조 형태를 가진 발광 다이오드를 제작함에 있어서, 별도의 서브마운트 없이도 기판을 분리시킬 수 있게 함으로써 탑-다운 형태의 수직 구조를 가진 다이오드를 제작할 수 있는 것이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판(1) 상부에 금속층(1-1)을 형성하고 가스 분위기 하에서 어닐링 하는 단계를 포함한다. 본 발명에 있어서 어닐링이라함은 충분히 확산할 수 있을 정도의 온도로 가열한 다음 서서히 냉각하는 처리과정을 말하는 것으로, 재료를 평형상태도에 나타난 그대로의 안정상태로 만들기 위한 처리방법중 하나이다.

여기서 사용되는 기판(1)은 사파이어(Sapphire) 기판, 실리콘(Si) 기판, 질화물(GaN) 기판이거나 이들의 조합이 가능하고, 바람직하게는 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN 기판인 것이 에피층의 특성 향상을 위해 좋다. 그러나 여기에 제한되지 않고 상기 기판(1)은 기본적으로 GaN 에피층을 성장시킬 수 있는 모든 종류의 기판을 사용할 수 있으며, GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판일 수도 있다. 더불어 이와 같은 기판(1)의 두께는 0.001 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.

본 발명은 이러한 기판(1) 상부에 금속층(1-1)을 형성하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 금속층(1-1)은 금속을 포함하는 것이면 무엇이든 가능하고, 질소(N₂), 수소(H₂) 또는 아르곤(Ar) 등의 혼합 가스와 반응하여 금속화합물을 형성하는 것이 바람직하며, 본 발명에 있어서는 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함하는 금속층이 가장 바람직하다.

이렇게 기판(1) 위에 형성된 금속층(1-1)을 대상으로 본 발명에서는 어닐링하는 단계를 거치는 것을 특징으로 한다. 어닐링은 상술한 바와 같이 적절한 온도로 가열한 다음 서서히 냉각하는 과정으로써, 본 발명에서는 이러한 어닐링 과정이 적절한 가스 분위기 하에서 진행되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 질소(N₂), 수소(H₂) 또는 아르곤(Ar) 등의 가스가 포함될 수 있고, 상기 가스들중 적어도 하나 이상이 혼합된 혼합가스도 가능하다. 본 발명에 있어서, 어닐링 방법은 800~900℃ 에서 1분 내지 3시간 동안 가열한 후 냉각시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 방법으로 적절한 가스 분위기 하에서 어닐링을 하게 되면 상기 가스와 금속이 반응하여 금속화합물을 형성(N₂가 포함된 가스로 어닐링 하면 금속질화물(Metal Nitride)이 형성)하고 이에 따라 미세한 크기의 나노 보이드(Nano Void)가 형성되게 되는 것이다. 상기 나노 보이드는 나노크기의 미세한 빈공간을 말하는 것으로, 이렇게 형성된 나노 보이드가 금속층 위에 존재함으로써 이후에 상기 금속층 상부로 질화갈륨 박막을 적층한뒤 기판을 분리시키는 경우, 기계적 스트레스만으로도 상기 금속층으로 하여금 쉽게 기판을 분리시킬 수 있게 되는 것이다. 더불어, 이와 같은 금속층에 의한 나노 보이드는 상기 금속층 상부에 성장되는 후막의 GaN 기판에 의해 LED 에피(Epi)층의 특성이 개선되어 소자특성이 향상되고 신뢰성을 개선시킬 수 있는 것이다.

다음으로, 기판(1) 상부에 금속층(1-1)을 형성하고 가스 분위기 하에서 어닐링 하는 단계(S10) 이후에는 상기 금속층(1-1) 상부에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 적층하여 질화갈륨 박막 구조물을 형성하는 단계(S20)를 거친다. 이것은 도 4b에 나타난 바와 같이, N-GaN층(2), 활성층(3) 및 P-GaN층(4)을 순차적으로 적층하여 금속층(1-1)이 형성된 기판(1)위에 질화갈륨 박막 구조물, 즉 LED 에피층을 형성하는 것이다. 본 발명은 P-GaN층(4) 및 N-GaN층(2)의 정공과 전자들이 활성층(3)에서 발광하는 특성을 이용한 GaN계 발광 다이오드에 관한 것이므로, 본 발명에 있어서 N-GaN층(2), 활성층(3) 및 P-GaN층(4)을 적층하는 것은 필수적이다.

이러한 과정은 먼저, 금속층(1-1)이 형성된 반도체 기판(10)의 상부에 MOCVD의 공정을 수행하여, N-GaN층(2), 활성층(3), P-GaN층(4)을 순차적으로 적층하고, 상기 P-GaN층(4)의 불순물을 활성화시키기 위해 600℃에서 약 20분 정도 열처리한다. 상기 N-GaN층(2)은 N-웨이브 가이드층이고, 상기 활성층(3)은 In_xGa_1-xN 등으로 이루어지며, 상기 P-GaN층(4)은 P-웨이브 가이드층이다.

상기한 과정을 거친 본 발명은 도 4b에 도시된 바와 같이, 기판 상부에 GaN 단결정층으로 이루어진 질화갈륨 박막 구조물이 형성되어 있다. 상기 박막 구조물을 구성하는 단결정층은 N-GaN층(2), 활성층(3), P-GaN층(4)을 포함한다. 도 4b에는 도시되지 않았으나, 보다 높은 반사효과를 얻기 위해서 반사율이 높은 Au, Ni, Ag, Al 또는 그 합금으로 이루어진 반사층을 도 4b의 단계에서 상기 박막 구조물의 상면에 추가적으로 형성할 수도 있다.

이어서, 질화갈륨 박막 구조물이 적층된 GaN계 반도체 기판에서 기판을 제거하기 위한 리프트 오프(Lift-off) 공정을 수행한다. 이것은 리프트 오프 공정에 의해 상기 질화갈륨 박막 구조물로부터 상기 기판 및 금속층을 분리시키는 단계(S30)이다.

상기 리프트 오프 공정은 종래와 같이 레이저를 이용하는 것이 아니라, 온도조절이나 기계적 스트레스에 의한 방법만으로도 기판의 분리가 가능하다. 도 4c에 나타난 바와 같이, 온도를 내리고 질화갈륨 박막 구조물과 기판 양쪽에서 진공척 (vacuum chuck)을 접촉시키고 이를 잡아당겨 분리시키는 것이 가능하다. 이외에 온도조절이나 기타 다른 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 분리시키는 것도 제한되지 않는다.

본 발명에 있어서, 레이저를 사용하지 않고 단지 기계적 스트레스 만으로 기판을 분리시키는 것이 가능한 이유는 기판 상부에 형성된 금속층에 기인한다. 상기 금속층에 의해 형성된 나노 보이드로 하여금 기판과 질화갈륨 박막 구조물이 분리되는 층에 미세한 빈 공간을 가지게 함으로써 기계적 스트레스만으로도 상기 기판 및 금속층이 쉽게 분리될 수 있는 것이다. 뿐만 아니라 이것은 기계적 스트레스에 의한 기판 리프트 오프 공정을 가능하게 하여 종래의 수직 구조 다이오드 제조방법과 같이 별도의 서브마운트(Submount) 또는 캐리어(Carrier)를 제작할 필요가 없이도 탑-다운(Top Down) 형태의 LED 소자를 제작할 수 있는 것이다.

이렇게 분리된 기판 및 금속층은 질화갈륨 박막 구조물로부터 이탈되고, 도 4d에 나타난 바와 같이, GaN 단결정층으로 이루어진 질화갈륨 박막 구조물만이 남게된다. 상기 질화갈륨 박막 구조물을 구성하는 단결정층은 N-GaN층(2), 활성층(3), P-GaN층(4)을 포함한다.

계속해서, 기판 및 금속층이 분리된 질화갈륨 박막 구조물에는 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계 (S40)를 거친다. 상기 결과물의 양면에 전극패드 형성공정을 실시하는 것이다. 여기서 전극패드 형성공정은 질화갈륨 박막 구조물인 N-GaN층(2)의 하면과 P-GaN층(4)의 상면에 대해 실시된다. 다만, P-GaN층(4)의 상면에 형성되는 P-전극패드(6)는 마스크를 이용하여 일부영역에만 선택적으로 형성되며, N-전극패드(8)는 배면전극으로써 N-GaN층(2)의 하면에 전체적으로 형성될 수 있다.

더불어, 이와 같은 본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드는 N-GaN층(2), 활성층(3), P-GaN층(4)을 가지고 N-전극패드(8) 및 P-전극패드(6)를 포함하며, 선택적으로는 상기 N-GaN층(2)의 하부 또는 상기 P-GaN층(4)의 상부에 형성된 오믹 컨택층 또는 반사막층을 더 포함할 수 있다. 상기 오믹 컨택층은 GaN층에 전극을 형성할 경우 높은 투과율을 유지하는 것과 동시에 양호한 오믹컨택을 형성할 수 있도록 하기 위해 마련되는 것이며, 상기 반사막층은 소자의 상하면으로 향하는 유효휘도를 높이기 위한 층이다.

도 4e는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 오믹 컨택층 또는 반사막층이 형성된 구조를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 있어서 오믹 컨택층 또는 반사막(Reflcetor)층은 상기 N-GaN층(2) 하부에 N-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금(7)이 형성될 수 있고 상기 N-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금(7) 하부에 N-전극패드(8)가 형성될 수 있다. 반대면에 있어서도 마찬가지로 상기 P-GaN층(4) 상부에 P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금(5)이 형성될 수 있고 상기 P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금(5) 하부에 P-전극패드(6)가 형성될 수 있는 것이다.

이러한 오믹 컨택층 또는 반사막층을 형성하는 방법은 오믹 컨택층과 반사막층을 순차적으로 형성하는 방법이 있고, 또는 오믹 컨택층과 반사막층의 합금으로 이루어진 오믹 컨택 및 반사막층을 형성하는 방법이 있다. 이러한 상기 오믹 컨택층 물질은 일함수가 높은 Se, Pt, Ir, Ni, Pd, Au와 Co 중 선택된 하나이며, 이들 물질은 N-GaN층(2)의 하부 또는 P-GaN층(4)의 상부와 오믹 컨택용이 된다. 그리고 상기 반사막층은 반사율이 높은 금속으로 이루어지며, 제한은 없으나 Ag, Al, Pt, Au, Ni, Ti, ATO(Sb를 도핑한 SnO₂)와 ITO 중 어느 하나 이상 선택되어 형성되는 것이 바람직하고 그 두께는 0.2㎛ 이상이 바람직하다. 또한, 오믹 콘택층과 반사막층의 합금으로 이루어진 오믹 컨택 및 반사막층은 상기 오믹 컨택 물질과 반사막 물질이 혼합된 AgPdCu와 같은 금속으로 형성한다. 바람직하기로는 상기 오믹컨택층의 외측에 반사막층을 형성하는 것이 광효율면에서 우수하다.

최종적으로, 도 4f와 같이, 도 4e 고정의 결과물을 개별 발광 다이오드 크기, 즉 분리된 질화갈륨 박막 구조물의 크기로 절단하여 최종적인 수직 구조의 GaN 발광 다이오드를 얻을 수 있다. 일반적으로 상기 N-GaN층을 포함하는 질화갈륨 박막 구조물은 사파이어 기판에 비해 강도가 작으므로, 통상의 절단 공정을 통해 용 이하게 절단될 수 있다.

이와 같은 본 실시형태에 따른 GaN 발광 다이오드는 상하부가 전기적으로 도통될 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 상기 N-GaN층의 하면과 P-GaN층의 상면 일부에는 각각 N-전극패드(8)와 P-전극패드(6)를 형성함으로써 도 4f와 같은 수직 구조 GaN 발광 다이오드가 완성된다.

본 실시형태에 따른 GaN 발광 다이오드는 종래의 수평구조보다 여러가지 잇점을 제공한다. 우선, 사파이어 기판 대신에 N-GaN층을 포함하는 질화갈륨 박막 구조물을 사용함으로써 열방출 효과가 양호해지고, 전류흐름도 종래의 수평 구조 발광 다이오드보다 넓은 면적을 통해 형성되어 순방향 전압(Vf)을 감소시킬 수 있으며, 정전기 방전효과도 향상시킬 수 있다. 또한, 공정측면에서도 전류밀도 분포를 충분히 개선할 수 있으므로 투명전극의 형성공정이 필요하지 않으며, 견고한 사파이어 기판이 제거되므로, 개별 다이오드 소자 단위로 절단하는 공정이 간소해 질 수 있다. 한편, LED 휘도 측면에서도 종래의 수평 구조 발광 다이오드와 달리 활성층의 일부를 식각하는 공정이 요구되지 않으므로 넓은 발광면적을 확보할 수 있어 휘도를 보다 향상시킬 수 있다는 잇점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기판을 분리시키는 방법을 특징으로 하여, 특히 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고 어닐링(Annealing) 과정을 거치며, 질화갈륨 박막 구조물을 형성한 뒤 상기 금속층을 낮은 온도로 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 리프트 오프(Lift Off) 시키는 방법을 통하여 발광 다이오드를 제조하는 신규한 방법을 제공한 것이다.

이와 같은 본 발명에 따르는 경우, 모든 종류의 기판을 사용할 수 있으며 금속(Metal)층 위에 성장되는 후막의 GaN 기판에 의해 LED 에피(Epi)층의 특성이 개선되어 소자특성 향상되고 신뢰성을 개선시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 온도(Thermal) 및 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의한 기판 리프트 오프(Lift-off) 공정으로 종래의 수직 구조 다이오드 제조방법과 같이 별도의 서브마운트(Submount) 또는 캐리어(Carrier)를 제작할 필요가 없이 탑-다운(Top Down) 형태의 LED 소자를 제작할 수 있어 웨이퍼(Wafer) 당 칩(Chip) 갯 수를 늘릴 수 있기 때문에 저가격의 LED 칩을 제작할 수 있는 효과가 있다. 이 때 N-GaN층 또는 P-GaN층 중 어느 한쪽에 반사막(Reflector)을 정의하고 상기 반사막이 정의된 부분으로 조립을 하면 열 및 광추출 효율에 더욱 효과가 있는 것이다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 기판 상부에 금속(Metal)층을 형성하고, 가스 분위기 하에서 어닐링(Annealing) 하는 단계;

   상기 금속층 상부에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 적층하여 질화갈륨 박막 구조물을 형성하는 단계;

   리프트 오프(Lift-off) 공정에 의해 상기 질화갈륨 박막 구조물로부터 상기 기판 및 금속층을 분리시키는 단계; 및

   상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계;를 포함하고,

   상기 가스 분위기 하에서 어닐링 하는 단계는 가스와 금속이 반응하여 나노 보이드(Nano Void)가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 어닐링은 800~900℃ 에서 1분 내지 3시간 동안 하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 리프트 오프 공정은 온도를 내리고 질화갈륨 박막 구조물과 기판에 진공척(vacuum chuck)을 접촉시켜 분리시키거나 기계적 스트레스(Mechanical Stress)에 의해 분리시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 질소(N₂), 수소(H₂) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어(Sapphire) 기판, 실리콘(Si) 기판, 질화물(GaN) 기판 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 기판의 두께는 0.001 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위인 것을 특 징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
9. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 N-GaN층 하부에 N-전극패드를 형성하고 상기 P-GaN층 상부에 P-전극패드를 형성하는 단계는, 상기 N-GaN층 하부에 N-오믹 컨택층, 반사막(Reflcetor)층 또는 이것들의 합금을 형성한 뒤 N-전극패드를 형성하고, 상기 P-GaN층 상부에 P-오믹 컨택층, 반사막층 또는 이것들의 합금을 형성한 뒤 P-전극패드를 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 N-전극패드 및 P-전극패드를 형성하는 단계 이후에 상기 발광 다이오드를 스트라이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking) 공정을 수행하여 개별소자로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.

Images