KR101316121B1 - 수직형 발광 다이오드의 제조방법 - Google Patents

수직형 발광 다이오드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 희생 기판의 상부에 서로 이격된 둘 이상의 오목부를 형성하는 단계와, 상기 희생 기판의 각 오목부에 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 채워 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체층상에 금속 반사층을 형성하는 단계와, 상기 금속 반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체들로부터 상기 희생 기판을 분리하는 단계와, 상기 도전성 기판 및 금속 반사층을 절단하여 개별 수직형 발광 다이오드로 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래의 공정과 비교하여 희생 기판위에 화합물 반도체층을 형성한 후 희생 기판의 분리시 화합물 반도체층들에 발생될 수 있는 크랙을 방지하기 위해 희생 기판을 분리하기 전에 화합물 반도체층에 트렌치 에칭을 하는 종래의 공정이 필요 없음에 따라 수직 발광 다이오드의 공정을 간소화할 수 있다.
VLED, 수직형, 다이오드, 발광, 패턴

Description

수직형 발광 다이오드의 제조방법{METHOD OF FABRICATING VERTICAL LIGHT EMITTING DIODE}
도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
51 : 희생기판 51a, 51b : 오목부
53 : 버퍼층 55: 제 1 화합물 반도체층
57 : 활성층 59 : 제 2 화합물 반도체층
61,62,63 : SiO2 패턴 71 : 절연막
81 : 금속 반사층 83 : 접착층
91 : 도전성 기판 93 : 전극패드
본 발명은 수직형 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 특히 희생 기판에 발광 다이오드 영역을 미리 한정하여 하나의 동일 희생 기판위에 화합물 반도체층을 형성한 후 개별 수직형 발광 다이오드로 절단할 경우에 화합물 반도체층의 손상을 방지할 수 있는 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법에 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 부도체이므 로, 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 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 일반적으로 사파이어 기판과 같은 희생기판(21)위에 제 1 화합물 반도체층(11)과, 활성층(13), 제 2 화합물 반도체층(15)을 금속유기화학기상증착법 등을 사용하여 성장된 후, 화합물 반도체층들 상에 금속 반사층(미도시됨) 및 접착층(미도시됨)이 형성되고, 도전성 기판(미도시됨)이 부착된다. 이어서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 기술 등을 사용하여 희생기판이 화합물 반도체층들로부터 분리된 후 노출된 제 1 화합물 반도체층에 전극 패드(미도시됨)이 형성된다.
그러나, 종래의 수직형 구조의 발광 다이오드를 제조할 때는 희생 기판(21)위에 화합물 반도체층을 성장시킨 후, 화합물 반도체층상에 금속 반사층, 접착층, 도전성 기판을 형성하기 전에 화합물 반도체층에 대한 트렌치 에칭 공정을 수행한다.
이러한 공정은 희생 기판위에 화합물 반도체층을 형성하고, 그 위에 금속 반사층, 접착층, 도전성 기판을 형성한 후에 레이저 리프트 오프를 통하여 희생 기판을 분리해낼 때 화합물 반도체층에 발생될 수 있는 크랙(crack)이나 손상(damage) 를 줄이기 위한 것이다.
그러나, 희생 기판위에 화합물 반도체층을 형성하고, 그 위에 금속 반사층, 접착층, 도전성 기판을 형성하기 전에 화합물 반도체층에 대한 트렌치 에칭이 수행되면, 트렌치 에칭을 통해 화합물 반도체층에 금속 반사층이 형성될 때 평탄하지 않은 표면 때문에 금속 반사층과의 접합이 원할하지 않아 발광 다이오드의 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 희생 기판 위에 화합물 반도체층을 형성하여 수직형 발광 다이오드를 제조할 때 화합물 반도체층에 대한 분리를 위한 별도의 공정을 수행하지 않고도 수직형 발광 다이오드를 제조하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 희생 기판의 상부에 서로 이격된 둘 이상의 오목부를 형성하는 단계와, 상기 희생 기판의 각 오목부에 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 채워 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체층상에 금속 반사층을 형성하는 단계와, 상기 금속 반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체들로부터 상기 희생 기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
바람직하게 상기 도전성 기판을 형성하기 전, 상기 금속 반사층에 확산방지층 및 접착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 오목부 형성 단계는 상기 희생 기판에 상기 둘 이상의 오목부를 한정하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 희생 기판에 오목부가 형성되도록 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 수직형 발광 다이오드 제조방법은 상기 희생기판에 상기 오목부를 형성한 후 상기 화합물 반도체층들을 성장시키기 전에 상기 각 오목부의 바닥을 제외한 희생 기판의 전영역에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 각 오목부 형성 단계는 상기 오목부의 측면이 경사지게 형성할 수 있다.
바람직하게 상기 수직형 발광 다이오드 제조방법은 상기 희생 기판을 분리한 후 상기 도전성 기판 및 금속 반사층을 절단하여 개별 수직형 발광 다이오드로 분리하는 단계를 더 포함할 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(91) 상에 제 1 화합물 반도체층(55), 활성층(57), 제 2 화합물 반도체층(59)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 도전성 기판(91)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. 제 1 화합물 반도체층은 N형 반도체층, 제 2 화합물 반도체층은 P형 반도체층일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 도전성 기판위에 형성된 화합물 반도체층들의 측면이 경사지게 형성되어 있다. 이는 발광 효율을 향상시키기 위한 것이며, 화합물 반도체층들의 측면이 반드시 경사지게 형성되어야 하는 것은 아니다.
화합물 반도체층들과 도전성 기판(91) 사이에 금속 반사층(81)이 개재된다. 금속 반사층(81)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성된다.
한편, 금속 반사층(81)과 도전성 기판(91) 사이에 접착층(83)이 개재될 수 있으며, 접착층(83)은 도전성 기판(91)과 금속 반사층(81)의 접착력을 향상시켜 도전성 기판(91)이 금속 반사층(81)으로부터 분리되는 것을 방지한다.
아울러, 도시되지 않았지만 접착층(83)과 금속 반사층(81) 사이에 확산방지층이 개재될 수 있다. 확산방지층은 접착층(83) 또는 도전성 기판(91)으로부터 금속원소들이 금속 반사층(81)으로 확산되는 것을 방지하여 금속 반사층(81)의 반사 도를 유지시킬 수 있다.
한편, 도전성 기판(91)에 대향하여 화합물 반도체층들의 상부면에 전극패드(93)가 위치한다. 이에 따라, 도전성 기판(91)과 전극 패드(93)를 통해 전류를 공급함으로써 광을 방출할 수 있다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 희생기판(51)을 준비한다. 희생기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다.
희생 기판(51)의 상부에 수직형 발광 다이오드 영역을 한정하는 메사 패터닝 작업을 위해 SiO2 패턴들(61, 62, 63)로 이루어지는 식각 마스크를 형성한다. SiO2 패턴들(61, 62, 63)은 예를 들어 1000Å으로 할 수 있다. 또한 SiO2 패턴들(61, 62, 63)간의 간격은 발광 다이오드의 크기를 감안하여 결정될 수 있다. 예를 들어 100㎛이하로 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 메사 에칭을 통해 희생 기판(51)에 수직형 발광 다이오드를 제조하기 위한 화합물 반도체층을 성장시킬 영역을 식각해 낸다.
즉, 희생 기판(51)위에 형성된 SiO2 패턴들(61, 62, 63)을 식각 마스크로 이용하여 희생 기판(51)을 식각하여 희생 기판(51)에 화합물 반도체층을 성장시킬 일정 영역의 오목부(51a, 51b)가 형성되게 한다.
희생 기판(51)에 대한 식각을 수행한 후 100℃이상의 조건에서 에천트를 이 용하여 식각 후 희생 기판(51)에 남아있는 SiO2 패턴을 제거한다. 이때, 사용될 수 있는 에천트는 H2SO4 + H3PO4 등이 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 희생 기판(51)위에 형성되었던 SiO2 패턴들(61, 62, 63)이 제거된 후 희생 기판(51)에 형성된 오목부(51a, 51b)의 바닥을 제외한 희생 기판(51)의 면에 SiO2 또는 SiN4의 절연막(71)을 증착한다.
도 6을 참조하면, 희생 기판(51)에 형성된 오목부(51a, 51b)에 채워지도록 화합물 반도체층을 형성한다.
한편, 화합물 반도체층들은 제 1 화합물 반도체층(55), 활성층(57), 제 2 화합물 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 희생기판(51)과 화합물 반도체층들의 격자 부정합을 완화하기 위해 채택되며, 일반적으로 질화갈륨 계열의 물질층일 수 있다.
도 7을 참조하면, 화합물 반도체층위에 금속 반사층(81)을 형성한다. 금속 반사층(81)은 예컨대, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 도금 또는 증착기술을 사용하여 형성될 수 있다.
한편, 금속 반사층(81)에는 도전성 기판(91)이 형성된다. 도전성 기판(91)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(91)은 접착층(83)을 통해 금속 반사층(81)에 부착될 수 있으며, 한편, 상기 도전성 기판(91)은 도금기술을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 금속 반사층(81) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(91)이 형성될 수 있으며, 접착력을 향상시키기 위한 접착층(83)이 추가될 수 있다.
아울러, 도시되지는 않았지만 금속원소의 확산을 방지하기 위한 확산방지층이 접착층(83)을 형성하기 전에 금속 반사층(81)에 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 희생기판(51)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층(53)도 함께 제거되어 제 1 화합물 반도체층(55)이 노출된다.
도 9를 참조하면, 희생 기판(51)이 분리되고 화합물 반도체층에 남아있는 절연막(71)을 BOE 또는 HF를 이용하여 제거한다.
이어, 전극패드(93)가 화합물 반도체층상에 각각 형성하면 도 2에 도시된 수직형 발광 다이오드가 완성된다. 전극패드(93)는 화합물 반도체층 상에 오믹콘택된다.
도시되지 않았지만, 화합물 반도체층 상에 ITO 또는 Ni/Au 등의 도전성 투명 전극층을 형성한 후 전극패드(93)를 형성할 수 있다.투명전극층이 형성되면 광효율이 더욱 향상될 수 있다.
이어, 도전성 기판(91)을 절단하여 개별 발광 다이오드 칩들로 분리함으로써 복수개의 수직형 발광 다이오드들이 제조될 수 있다. 이때, 발광 다이오드 칩 영역들 상에 각각 전극패드들(93)이 형성되고, 미리 정의된 스크라이빙 라인들을 따라 도전성 기판(91)이 절단된다.
화합물 반도체층은 이미 분리되어 있음에 따라 도전성 기판(91)의 절단시 해당 화합물 반도체층들이 손상되지 않는다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 화합물 반도체층으로부터 희생 기판을 분리한 후 전극패드를 형성하는 공정에서 패시베이션(passivation) 공정을 수행하여 도전성 기판위에 형성된 화합물 반도체층을 보호하기 위한 보호층(94)을 형성할 수 있다. 또한, 전극 패드(93)가 형성되는 화합물 반도체층의 상부에 러프닝 처리를 하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
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.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 희생기판에 오목부를 형성하고, 오목부의 바닥면을 제외한 전면에 절연막을 형성한 상태에서 화합물 반도체층을 형성하는 것에 대하여 설명하였으나, 오목부가 형성된 희생기판 상에 버퍼층을 형성하고, 오목부의 바닥을 제외한 희생 기판의 전역에 절연막을 형성한 다음, 희생기판의 각 오목부에 형성된 버퍼층 상에 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 형성하는 변형예가 가능하다.
또한, 오목부가 형성된 희생기판 상에 버퍼층 및 제 1 화합물 반도체층을 형성한 다음, 오목부의 바닥을 제외한 상기 희생 기판의 전역에 절연막을 형성하고, 희생기판의 각 오목부에 형성된 제 1 화합물 반도체 상에 제 1 화합물 반도체층을 더 형성하고, 제 1 화합물 반도체층 상에 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 형성하는 변형예가 가능하다.
이와 같이 오목부가 형성된 희생 기판의 바닥면을 제외한 전면에 절연막을 형성하기 전에 미리 버퍼층 또는 버퍼층 및 제 1 화합물 반도체층의 일부를 형성한 다음, 그 후에 절연막을 형성하고 오목부에 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 형성하면 오목부에 형성되는 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체의 결정질이 좀더 향상될 수 있다.
본 발명에 의하면, 수직형 발광 다이오드의 제조시에 희생 기판위에 서로 이격된 여러 개의 오목부를 형성한 후, 각 오목부에 화합물 반도체층을 성장시켜 수직형 발광 다이오드의 제조공정을 수행함으로써 각 수직형 발광 다이오드를 구성하는 화합물 반도체층들은 희생 기판에 형성된 각 오목부에 의해 서로 이격된 상태에서 각각 성장된다.
이에 따라, 종래에 희생 기판위에 화합물 반도체층을 형성한 후 희생 기판의 분리시 화합물 반도체층들에 발생될 수 있는 크랙을 방지하기 위해 희생 기판을 분리하기 전에 화합물 반도체층에 트렌치 에칭을 하는 공정이 필요 없음에 따라 수직 발광 다이오드의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수직형 발광 다이오드의 제조시에 희생 기판위에 수직형 발광 소자의 제조를 위한 화합물 반도체층이 성장될 영역을 서로간에 이격된 오목부를 형성한 후 각 오목부에 화합물 반도체층을 성장시켜 수직형 발광 다이오드를 제조한다. 따라서, 도전성 기판을 절단하여 개별 발광 다이오드 칩들로 분리하는 경우에도 화합물 반도체층에 손상 주지 않음에 따라 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 희생 기판에 여러개의 오목부를 형성할 때 오목부의 벽면의 경사지게 하는 경우, 별도의 공정이 없이도 각 수직 발광 다이오드를 구성하는 화합물 반도체들이 측면들이 경사지게 형성됨에 따라 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 희생 기판의 상부에 서로 이격된 둘 이상의 오목부를 형성하는 단계와,
    상기 오목부의 바닥을 제외한 상기 희생 기판의 전역에 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 오목부가 형성된 상기 희생 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와,
    상기 버퍼층 상에 제 1 화합물 반도체층, 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 채워 형성하는 단계와,
    상기 화합물 반도체층상에 금속 반사층을 형성하는 단계와,
    상기 금속 반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와,
    상기 화합물 반도체들로부터 상기 희생 기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 기판을 형성하기 전, 상기 금속 반사층에 확산방지층 및 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 오목부 형성 단계는,
    상기 희생 기판에 상기 둘 이상의 오목부를 한정하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 식각 마스크를 이용하여 상기 희생 기판에 오목부가 형성되도록 식각하 는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 희생 기판의 상부에 서로 이격된 둘 이상의 오목부를 형성하는 단계와,
    상기 오목부가 형성된 희생기판 상에 버퍼층 및 제 1 화합물 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 오목부의 바닥을 제외한 상기 희생 기판의 전역에 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 희생기판의 각 오목부에 형성된 상기 제 1 화합물 반도체 상에 제 1 화합물 반도체층을 더 형성하는 단계와
    상기 제 1 화합물 반도체층 상에 활성층, 제 2 화합물 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 제2 화합물 반도체층에 금속 반사층을 형성하는 단계와,
    상기 금속 반사층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와,
    상기 화합물 반도체들로부터 상기 희생 기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 각 오목부 형성 단계는
    상기 오목부의 측면이 경사지게 형성하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 희생 기판을 분리한 후 상기 도전성 기판 및 금속 반사층을 절단하여 개별 수직형 발광 다이오드로 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
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