KR101308126B1

KR101308126B1 - 발광 다이오드 제조 방법

Info

Publication number: KR101308126B1
Application number: KR1020070016152A
Authority: KR
Inventors: 김창연; 김윤구
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2013-09-12
Also published as: KR20080076345A

Abstract

발광 다이오드 제조 방법은 기초 기판 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 형성하는 단계, 상기 기초 기판에 스크라이빙 선을 형성하는 단계 및 상기 기초 기판과 상기 화합물 반도체층 사이에 레이저를 조사하여 상기 화합물 반도체층들로부터 상기 기초 기판을 분리하는 단계를 포함한다.

Description

발광 다이오드 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING LIGHT EMITTING DIDOES}

도 1은 종래의 레이저 리프트 오프 기법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리프트 오프(LLO) 방법을 이용한 발광다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11, 21, 31 : 기초 기판

13 : GaN층

23, 33 : 화합물 반도체층

15 : 트렌치

25, 35 : 후면 스크라이빙 선

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 크랙을 줄일 수 있는 레이저 리프트 오프 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물을 이용한 반도체는 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가진다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 반도체는 그 조성에 따라 다양한 크기의 밴드 갭을 얻을 수 있어, 황색부터 자외선에 이르는 다양한 파장 대역의 빛을 발광하도록 제조할 수 있으며, 최근에는 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 반도체를 대량 생산하는 데에는 몇몇 기술적 어려움이 있지만 점차 개선되고 있다. 그 중에서, 양질의 질화물계 반도체층을 성장시키기에 적합한 동일 격자 구조의 열전도율 높은 전도성 기판을 찾기 어렵다는 점을 극복하는 과정에서 특히 많은 개선이 이뤄지고 있다.

사파이어(sapphire, Al₂O₃) 단결정은 극저온에서 초고온까지 결정이 변화하지 않는 매우 우수한 열적 안정성과, 모스 경도(Mohs scale of hardness)가 9에 이르러 다이아몬드에 버금가는 높은 기계적 안정성과, 산 및 알카리에 모두 강한 화학적 안정성과, 빛의 투과성이 높은 광학적 특성을 가지는데, Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정과 동일한 육방 정계의 격자 구조를 갖는다. 따라서, 사파이어 단결정을 성장 기판으로 하고, 그 성장 기판 위에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또 는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정을 성장시키는 방법이 널리 사용되고 있다.

그러나, 사파이어 단결정은 전기적으로 부도체이므로, 별도의 전극층 또는 전극면을 형성해야 하는 등 발광 다이오드 구조를 제한한다. 전극층은 발광 효율을 위해 높은 투명도를 가져야 하며, 또한 금속 와이어와 전극층 또는 전극층과 반도체층 사이에서 접합 저항이 낮아야 하며 열 전도율도 높아야 한다. 하지만, 높은 투명도와 낮은 접합 저항을 가지면서 열전도율이 높은 물질 또는 그러한 구조를 개발하는 데에는 어려움이 많다. 사파이어 단결정 자체의 열전도율도 낮기 때문에 발광 다이오드 내에서 발생하는 열을 외부로 방출하는데 좋지 않다. 사파이어는 부도체이므로 외부에서 유입된 정전기를 방출하기 어려워 정전기로 인한 불량이 발생할 수 쉽다. 게다가, 사파이어 단결정은 안정적인 기계적 화학적 특성으로 인해 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공도 쉽지 않다.

한편, GaN을 단결정으로 성장시킬 수 있는 동종의 전도성 기판으로서, 전기적 및 열적으로 안정하며 열전도율도 사파이어 기판에 비해 상당히 높은 실리콘 카바이드(SiC) 기판이 제안되고 있지만, 제작이 어렵고 빛 흡수율이 높아 실용적이지 못하다.

이러한 사파이어 기판을 이용함으로써 발생하였던 단점은 반도체 층을 사파이어 기판 위에서 성장시킨 뒤, 사파이어 기판을 제거 또는 분리(lift off)하는 방법이 제안되면서 극복될 수 있었다.

사파이어 기판을 제거하는 기법에는 물리적, 기계적으로 깎아서 제거하거나 화학적으로 식각하는 기법 등이 있다. 사파이어 기판을 분리하는 기법에는 사파이어 기판과 GaN 층 사이에 특정한 파장의 레이저를 조사(illumination)하여 사파이어 기판과 GaN 층을 분리하는 레이저 리프트 오프(Laser lift off; LLO) 기법이 널리 사용된다.

도 1을 참조하면, 사파이어 기판(11)의 상부에 GaN 층(13)이 형성된다. GaN층(13)은 세부적으로 제1 화합물 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 화합물 반도체층(133)을 포함한다. 사파이어 기판(11)을 분리하기 전에 GaN 층(13) 위에 보조 지지 기판(secondary supporting substrate)(미도시)에 접합시킨다. 이때, 보조 지지 기판은 상술한 사파이어 기판(11)과 같은 단점이 없고 열전도성이 우수한 전도성 기판인 실리콘 웨이퍼(Si wafer), 갈륨비소 웨이퍼(GaAs wafer) 또는 메탈 플레이트(metal plate)일 수 있다.

실리콘 결정, 갈륨비소 결정 또는 메탈 플레이트인 보조 지지 기판을 GaN 층(13)과 그냥 접합하면, 두 층의 결정 구조가 다르기 때문에 그 접합면에서 균일하지 않은 응력이 발생하여 접합면이 스트레스 상태에 놓인다. 이런 상태에서 레이저를 조사하는 경우, 레이저가 조사되는 부분의 사파이어 기판은 GaN 층과 분리되지만 레이저가 아직 조사되지 않은 부분의 사파이어 기판은 아직 GaN 층과 접합되어 있다. 따라서, 스트레스 상태에 있던 GaN 층(13)과 웨이퍼(또는 메탈 플레이트) 사이의 접합면에서 크랙이 발생하게 되고, 심지어 GaN 층(13)이 파괴되기도 한다.

이런 현상을 피하기 위해, 지지 기판을 접합하기 전에 미리 GaN 층(13)을 소정의 크기(예를 들어, 최종 제작되는 발광 다이오드 제품의 소자 크기)로 식각하여 트렌치(trench)(15)를 형성한다. 사파이어 기판(11)을 분리하는 과정에서 크랙은 피할 수 없지만, 대부분의 크랙이 상기 트렌치(15)로 유도되기 때문에 발광 다이오드 소자에서 사용되는 GaN 층(13) 부분에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에서는 GaN 층을 식각하는 과정에서 GaN 층의 표면이 손상되고 홈이나 굴곡을 초래할 수 있다. 결과적으로 크랙의 영향은 줄일 수 있어도 GaN 층의 표면을 평평하지 못하게 되어 제품의 발광 특성을 오히려 나쁘게 할 수 있다.

다른 종래 기술에서는 GaN 층 표면의 홈을 다른 물질로 채우고 지지 기판을 접합하는 기술도 제안되었지만, 효율이 떨어지고 공정이 추가된다는 단점을 여전히 갖고 있다.

본 발명의 목적은 화합물 반도체층을 식각하지 않고서도 레이저로 사파이어 기판을 분리하는 동안 화합물 반도체층에 발생할 수 있는 크랙의 영향을 줄일 수 있도록 하는 레이저 리프트 오프 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 기초 기판 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화 합물 반도체층들을 형성하는 단계, 상기 기초 기판에 스크라이빙 선을 형성하는 단계 및 상기 기초 기판과 상기 화합물 반도체층 사이에 레이저를 조사하여 상기 화합물 반도체층들로부터 상기 기초 기판을 분리하는 단계를 포함한다.

실시예에 따라, 상기 기초 기판을 연마하여 얇게 만드는 단계를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 기초 기판은 육방 정계의 격자 구조를 갖는 사파이어 기판(Al₂O₃)일 수 있다. 실시예에 따라, 상기 스크라이빙 선은 플라즈마를 이용한 건식 식각, 화학 용액을 이용한 습식 식각, 다이아몬드를 이용한 팁 스크라이빙, 톱날을 이용한 다이싱, 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙 중 적어도 어느 한 방법을 통해 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리프트 오프(LLO) 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2a를 참조하면, 사파이어 기판(21) 위에 GaN 계열의 화합물 반도체층(23)이 형성되어 있다. 화합물 반도체층(23)은 제1 도전형 반도체 층(예를 들어 n형)(231)과 활성층(232), 제2 도전형 반도체 층(예를 들어 p형)(233) 등으로 구성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 층(231)과 상기 사파이어 기판(21) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 개재될 수 있다.

다른 반도체 소자와 마찬가지로, 발광 다이오드는 개별 소자들을 하나씩 제조하는 것이 아니라, 넓은 사파이어 기판 위에 화합물 반도체층들을 성장시킨 후에 소자 크기로 잘라서 제조한다. 일반적으로 이렇게 잘라내는 공정을 위해 소자의 경계에는 스크라이빙 선(scribing line)을 미리 형성하기도 한다.

사파이어 기판(21)의 아래 면에는 상기 화합물 반도체층(23)을 소자 크기로 잘라내기 위한 후면 스크라이빙 선(25)이 형성된다. 상기 후면 스크라이빙 선(25) 은 플라즈마를 이용한 건식 식각(dry etching), 화학 용액을 이용한 습식 식각(wet etching), 다이아몬드를 이용한 팁 스크라이빙(tip scribing), 금속 톱날을 이용한 다이싱(dicing), 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙(laser scribing) 등을 이용하여 형성할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 사파이어 기판(21)과 화합물 반도체층(23) 사이에 레이저가 조사되고, 레이저가 조사된 부분의 사파이어 기판(21)은 화합물 반도체층(23)과 분리된다. 이때, 사파이어 기판(21)과 화합물 반도체층(23) 사이에 버퍼층이 있을 경우에는, 상기 버퍼층이 레이저에 의해 고온으로 가열되어 분해되면서 사파이어 기판(21)이 분리될 수 있다.

이때 레이저는 레이저 빔의 가장 자리가 상기 후면 스크라이빙 선(25) 위에 놓일 수 있도록, 소자로 제조될 부분을 중심으로 조사되는 것이 바람직하다. 사파이어 기판(21)이 이미 분리된 화합물 반도체층(23)의 영역과 아직 분리되지 않은 화합물 반도체층(23)의 영역 사이의 응력 및 열팽창계수 차이로 인해 화합물 반도체층(23)에 크랙이 발생할 수 있다. 하지만, 크랙은 상기 후면 스크라이빙 선(25)의 홈으로 유도되므로, 대부분의 크랙은 후면 스크라이빙 선(25)이 형성된 부분에서 발생한다. 반면, 소자로 제조될 영역에서는 크랙 발생이 억제된다.

또한, 이러한 공정으로 레이저 리프트 오프를 수행하면 화합물 반도체층(23)에 트렌치를 식각할 필요가 없으므로 화합물 반도체층(23)의 표면이 손상되는 것도 피할 수 있다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 방법을 이 용한 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 사파이어 기판(31) 위에 화합물 반도체층(33)이 형성되어 있다. 화합물 반도체층(33)은 제1 도전형 반도체 층(예를 들어 n형)(331)과 활성층(332), 제2 도전형 반도체 층(예를 들어 p형)(333) 등으로 구성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 층(331)과 상기 사파이어 기판(31) 사이에 버퍼층(미도시)이 더 개재될 수 있다.

사파이어 기판(31)은 원래 상기 화합물 반도체층(33)에 비해 상대적으로 두껍다. 이러한 두꺼운 사파이어 기판(21)에 스크라이빙 선을 그냥 깊게 형성하는 대신에, 먼저 사파이어 기판(31)의 후면을 기계적 화학적 수단으로 연마하여 얇게 만든다.

사파이어 기판(31)을 충분히 연마한 후, 연마된 사파이어 기판(31)의 아래 면에는 화합물 반도체층(33)을 소자 크기로 잘라내기 위한 후면 스크라이빙 선(35)이 형성된다. 사파이어 기판(31)의 두께가 도 2a의 경우보다 얇기 때문에 후면 스크라이빙 선(35)은 화합물 반도체층(33)에 가까울 정도로 충분히 깊이 형성될 수 있다.

상기 후면 스크라이빙 선(35)은 도 2a의 경우와 같이, 건식 식각, 습식 식각, 다이아몬드 팁 스크라이빙, 다이싱, 레이저 스크라이빙 등을 이용하여 형성할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 사파이어 기판(31)과 화합물 반도체층(33) 사이에 레이저가 조사되고, 레이저가 조사된 부분의 사파이어 기판(31)은 화합물 반도체층(33)과 분리된다. 이때, 상기 사파이어 기판(31)과 화합물 반도체층(33) 사이에 버퍼층이 있을 경우에는, 상기 버퍼층이 레이저에 의해 분해되면서, 상기 사파이어 기판(31)이 분리될 수 있다.

이때 레이저는 레이저 빔의 가장 자리가 상기 후면 스크라이빙 선(35) 위에 놓일 수 있도록, 소자로 제조될 부분을 중심으로 조사되는 것이 바람직하다. 사파이어 기판(31)이 이미 분리된 화합물 반도체층(33)의 영역과 아직 분리되지 않은 화합물 반도체층(33)의 영역 사이의 응력 및 열팽창계수의 차이로 인해 화합물 반도체층(33)에 크랙이 발생할 수 있다. 그렇지만, 크랙은 상기 후면 스크라이빙 선(35)의 홈으로 유도되므로, 대부분의 크랙은 후면 스크라이빙 선(35)이 형성된 부분에서 발생한다. 반면, 소자로 제조될 안쪽 영역에서는 크랙 발생이 억제된다.

또한, 이러한 공정으로 레이저 리프트 오프를 수행하면 화합물 반도체층에 트렌치를 식각할 필요가 없으므로 화합물 반도체층들의 표면이 손상되는 것 또한 피할 수 있다.

지금까지 발광 다이오드의 반도체층을 이루는 물질이 GaN 계열인 경우를 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 반도체층이 GaN 계열인 경우에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 반도체층이 Ⅲ족 질화물 계열 또는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 계열과 같이 밴드갭이 큰 반도체 물질을 이용하는 경우에 당해 기술에 대해 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 적용될 수 있다.

또한, 지금까지 사파이어 기판을 이용하여 반도체층을 성장시키는 경우를 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 기초 기판이 사파이어인 경우에 한정되는 것은 아 니다. 본 발명은 기초 기판 위에 반도체층을 성장시킨 후 기초 기판을 분리하는 경우라면 기초 기판의 종류에 상관없이 당해 기술에 대해 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 방법은 화합물 반도체층의 표면을 손상시키는 트렌치 식각 공정을 제거할 수 있으며, 레이저 리프트 오프 공정에서 발생하는 크랙의 영향을 최소화할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

기초 기판 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 형성하는 단계;

상기 기초 기판의 상기 화합물 반도체층이 형성된 면의 반대측 면에 스크라이빙 선을 형성하는 단계; 및

상기 기초 기판과 상기 화합물 반도체층 사이에 레이저를 조사하여 상기 화합물 반도체층들로부터 상기 기초 기판을 분리하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 기초 기판에 스크라이빙 선을 형성하기 전에 상기 기초 기판을 연마하여 얇게 만드는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 기초 기판은 육방 정계의 격자 구조를 갖는 사파이어 기판(Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스크라이빙 선은 플라즈마를 이용한 건식 식각, 화학 용액을 이용한 습식 식각, 다이아몬드를 이용한 팁 스크라이빙, 톱날을 이용한 다이싱, 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙 중 적어도 어느 한 방법을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.