KR101316115B1

KR101316115B1 - 수직형 발광 다이오드 제조방법

Info

Publication number: KR101316115B1
Application number: KR1020070031076A
Authority: KR
Inventors: 김경훈
Original assignee: 서울바이오시스 주식회사
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-10-11
Also published as: KR20080088278A

Abstract

수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 희생 기판을 패터닝하여 요철패턴을 형성하는 것을 포함한다. 상기 요철패턴을 갖는 희생기판 상에 저온버퍼층이 형성된다. 상기 저온버퍼층은 상기 요철패턴의 요부 및 철부를 덮도록 형성된다. 이어서, 상기 저온버퍼층 상에 고온버퍼층이 형성된다. 상기 고온버퍼층은 상기 철부들 상에 형성된 공극들을 내부에 갖는다. 한편, 상기 고온버퍼층 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들이 형성되고, 상기 화합물 반도체층들 상에 도전성 기판이 형성된다. 이어서, 상기 화합물 반도체층들로부터 상기 희생 기판이 분리된다. 상기 고온버퍼층 내에 공극들이 형성됨에 따라, 상기 희생기판을 용이하게 분리할 수 있으며, 희생기판과 화합물 반도체층들 사이의 격자부정합 및 열팽창계수 차이에 기인한 휨 현상을 방지할 수 있다.

수직형 발광 다이오드, 저온버퍼층, 고온버퍼층, 기판분리, 레이저 리프트오프, 습식식각

Description

수직형 발광 다이오드 제조방법{VERTICAL LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

본 발명은 수직형 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판을 쉽게 분리할 수 있으며, 기판 분리 후 휨(bowing)을 방지할 수 있는 수직형 발광 다이오드 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 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한하며, 기계적 화학적으로 매우 안정하여 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공이 어렵다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층들을 성장시킨 후, 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 발광 다이오드를 제조하는 기술이 연구되고 있다.

도 1 (a)를 참조하면, 사파이어 기판과 같은 희생기판(11) 상에 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층들이 차례로 성장된다. 상기 화합물 반도체층들은 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)을 포함한다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(15)과 희생기판(11) 사이에 저온 버퍼층 및 고온버퍼층으로 형성된 버퍼층(13)이 개재된다.

도 1 (b)를 참조하면, 상기 화합물 반도체층들 상에 도전성 기판(23)이 부착된다. 상기 도전성 기판(23)은 일반적으로 접합층(21)에 의해 상기 화합물 반도체층들 상에 부착된다. 한편, 도전성 기판(23)과 화합물 반도체층들 사이에 반사층 (도시하지 않음)이 또한 개재될 수 있다.

도 1 (c)를 참조하면, 상기 화합물 반도체층들로부터 희생기판(11)이 분리된다. 이때, 버퍼층(13)도 함께 제거되고, 제1 도전형 화합물 반도체층(15)이 노출된다. 그 후, 노출된 제1 도전형 화합물 반도체층(15) 상에 전극 패드(27)가 형성되고, 도전성 기판(23)을 절단함으로써 개별 발광 다이오드 칩들이 완성된다.

종래기술에 따르면, 열방출 성능이 우수한 도전성 기판(23)을 채택함으로써, 발광 다이오드의 발광 효율을 개선할 수 있으며, 수직형 구조의 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

그러나, 희생기판(11) 상에 화합물 반도체층들이 견고하게 성장되므로, 습식 식각과 같은 단순한 공정에 의해 화합물 반도체층들로부터 희생기판(11)을 분리하는 것이 어려워, 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 공정 등 상대적으로 고비용의 공정이 사용되고 있다.

또한, 희생기판(11)을 분리한 후에, 화합물 반도체층들과 희생기판(11) 사이의 격자 부정합에 따른 잔류응력(residual stress) 및 도전성 기판(23)과 화합물 반도체층들 사이의 열팽창 계수의 차이 등에 기인하여, 화합물 반도체층들의 휨이 발생한다. 이러한 화합물 반도체층들의 휨 현상은 반도체층들 상에 전극 패드(27) 등의 금속을 증착하는 공정을 어렵게 하며, 발광 다이오드의 수율을 감소시킨다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 희생기판을 쉽게 분리할 수 있는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 희생기판 분리 후에 나타나는 화합물 반도체층의 휨 현상을 방지할 수 있는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다. 이 방법은 희생 기판을 패터닝하여 요철패턴을 형성하는 것을 포함한다. 상기 요철패턴을 갖는 희생기판 상에 저온버퍼층이 형성된다. 상기 저온버퍼층은 상기 요철패턴의 요부 및 철부를 덮도록 형성된다. 이어서, 상기 저온버퍼층 상에 고온버퍼층이 형성된다. 상기 고온버퍼층은 상기 철부들 상에 형성된 공극들을 내부에 갖는다. 한편, 상기 고온버퍼층 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들이 형성되고, 상기 화합물 반도체층들 상에 도전성 기판이 형성된다. 이어서, 상기 화합물 반도체층들로부터 상기 희생 기판이 분리된다. 상기 고온버퍼층 내에 공극들이 형성됨에 따라, 상기 희생기판을 용이하게 분리할 수 있으며, 희생기판과 화합물 반도체층들 사이의 격자부정합 및 열팽창계수 차이에 기인한 휨 현상을 방지할 수 있다.

상기 요철 패턴들의 요부들은 반구형상을 갖도록 형성될 수 있다. 한편, 상기 요부들 사이의 거리는 상기 요부들의 직경에 비해 상대적으로 작을 수 있다.

또한, 상기 희생기판을 분리하는 것은 레이저 리프트 오프 또는 통상의 습식식각기술을 사용하여 수행될 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 2를 참조하면, 화합물 반도체층을 성장시키기에 적합한 희생기판(51)이 준비된다. 상기 희생기판(51)은 일반적으로 사파이어 기판이나, 다른 이종기판일 수 있다.

상기 희생기판(51)을 패터닝하여 요부들(51a)을 갖는 요철패턴이 형성된다. 상기 요부들(51a)은 도시된 바와 같이 반구형상으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 서로 평행한 라인패턴들 또는 메쉬 형상으로 형성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 요철패턴이 형성된 기판(51) 상에 저온버퍼층(53a)이 형성된다. 상기 저온버퍼층(53a)은 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 AlxGa1-xN(0≤x<1)로 형성될 수 있다. 예컨대, 금속유기화학기상증착법에 의해 400~600℃의 온도에서 저온버퍼층(53a)이 형성되며, 상기 저온 버퍼층(53a)은 상기 요철패턴의 요부들(53a) 및 상기 요부들 사이의 철부들을 덮는다.

발광 다이오드 제조공정에서 일반적으로 형성되는 저온버퍼층은 수십nm의 두 께를 갖는다. 그러나, 이러한 저온버퍼층은 그 두께가 상대적으로 얇아 요부들 및 철부들을 완전히 덮지 못한다. 따라서, 상기 저온버퍼층(53a)은 상기 요부들 및 철부들을 모두 덮도록 충분한 두께로 형성되며, 예컨대 100~1000nm의 두께로 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 저온버퍼층(53a)이 형성된 후, 상기 희생기판(51)의 온도를 올리어 고온버퍼층(53)을 형성한다. 상기 고온 버퍼층은 800~1200℃의 온도에서 성장되며, 이에 따라 전위나 핀홀 등의 결정결함이 적은 고온버퍼층(53)이 성장된다. 상기 고온버퍼층(53)이 성장함에 따라, 상기 요부들(53a) 사이의 철부들 상에 공극들(53b)이 형성되며, 그 상부면이 평평하게 된다. 상기 공극들(53b)은 요철패턴의 형상, 요부들(53a) 사이의 거리, 고온버퍼층(53)의 성장속도 또는 성장기구를 제어함으로써 다양하게 형성될 수 있다. 예컨대, 고온버퍼층(53)의 성장속도를 빠르게 제어하면, 철부들 상부에 비해 요부들(53a) 상부에서 버퍼층이 빠르게 성장하고, 이에 따라 상대적으로 큰 공극들을 형성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 고온버퍼층(53) 상에 화합물 반도체층들을 형성한다. 상기 화합물 반도체층들은 제1 도전형 화합물 반도체층(55), 활성층(57) 및 제2 도전형 화합물 반도체층(59)을 포함한다. 상기 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들로, 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 성장될 수 있다. 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 N형 및 P형, 또는 P형 및 N형을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 상기 화합물 반도체층들 상에 도전성 기판(61)이 형성된 다. 상기 도전성 기판(61)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 상기 화합물 반도체층들 상에 부착하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 도전성 기판(61)은 접합층(63)을 통해 상기 화합물 반도체층들에 부착될 수 있으며, 반사층(도시하지 않음)이 상기 도전성 기판(61)과 화합물 반도체층들 사이에 개재될 수 있다. 한편, 상기 도전성 기판(61)은 도금기술을 사용하여 형성될 수도 있다. 즉, 상기 화합물 반도체층들 상에 도금기술을 사용하여 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(61)이 형성될 수 있다.

도 7을 참조하면, 희생기판(51)이 상기 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 습식식각 등 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 상기 버퍼층(53)도 함께 제거되어 제1 도전형 화합물 반도체층(55)이 노출된다.

본 실시예에 있어서, 고온버퍼층(53) 내에 공극들이 형성되어 있으므로, 희생기판을 분리하는 것이 용이하다. 특히, 기계적인 힘에 의해 희생기판(51)이 분리될 수도 있으며, 통상의 습식식각기술과 같이 단순한 공정을 사용하여 분리될 수도 있다. 한편, 상기 희생기판(51)이 분리된 후, 잔류하는 고온버퍼층(53)은 연마기술 또는 식각 기술을 사용하여 제거될 수 있다. 한편, 상기 고온버퍼층(53)이 n형 화합물 반도체로 형성된 경우, 고온버퍼층(53)을 제거하는 공정은 생략될 수도 있다.

이어서, 전극패드(67)가 제1 도전형 반도체층(55) 상에 형성된다. 상기 전극패드(67)는 제1 도전형 화합물 반도체층(55)에 오믹콘택된다.

본 실시예에 따르면, 희생기판(51)과 화합물 반도체층들 사이에 위치하는 고온버퍼층(53) 내에 공극들이 형성된다. 상기 공극들은 희생기판(51)가 화합물 반도체층들 사이의 격자부정합 및 열팽창 계수 차이에 기인한 응력을 완화한다. 이에 따라, 상기 희생기판(51)을 분리한 후, 잔류응력에 의해 발생하는 상기 화합물 반도체층들의 휨 현상이 방지된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 희생기판을 쉽게 분리할 수 있으며, 희생기판 분리 후에 나타나는 화합물 반도체층의 휨 현상을 방지할 수 있는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims

희생 기판을 패터닝하여 요철패턴을 형성하고,

상기 요철패턴을 갖는 희생기판 상에 400~600℃의 온도에서 저온버퍼층을 형성하되, 상기 저온버퍼층은 상기 요철패턴의 요부들 및 철부들을 덮고,

상기 저온버퍼층 상에 800~1200℃의 온도에서 고온버퍼층을 형성하되, 상기 고온버퍼층은 상기 철부들 상에 형성된 공극들을 내부에 갖고,

상기 고온버퍼층 상에 제1 도전형 화합물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 형성하고,

상기 화합물 반도체층들 상에 도전성 기판을 형성하고,

상기 화합물 반도체층들로부터 상기 희생 기판을 분리하는 것을 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 요철 패턴들의 요부들은 반구형상을 갖도록 형성되는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 2에 있어서,

상기 요부들 사이의 거리는 상기 요부들의 직경에 비해 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.