KR101521574B1 - 반도체 발광소자를 제조하는 방법 - Google Patents

반도체 발광소자를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 반도체 발광소자에 있어서, 제1 발광부 및 제2 발광부;로서, 성장 기판이 제거된 제1 반도체층에 빛을 스캐터링하는 거친 표면이 형성되어 있는 제1 발광부 및 제2 발광부; 제1 발광부 및 제2 발광부를 전기적으로 절연시키며, 제1 발광부 및 제2 발광부 각각을 수용하는 오목부를 구비하고, 각각의 거친 표면이 오목부 내에 위치하는 절연막; 제1 발광부 및 제2 발광부를 제2 반도체층 측에서 전기적으로 연결시키는 연결 전극; 그리고, 제2 반도체층 측에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 지지하는 지지 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자를 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 복수의 발광부를 가지는 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체(GaN, GaAs, InP 등) 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자가 예시되어 있다. 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되며 제1 도전성을 제1 반도체층(300; 예: Si 도핑된 GaN), 제1 반도체층(300) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 이용하여 빛을 생성하는 활성층(400; 예: InGaN/(In)GaN 다중양자우물구조), 활성층(400) 위에 성장되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500; 예: Mg 도핑된 GaN), 제2 반도체층(500) 위에 형성되는 전극(700), 제2 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 형성되는 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다. 보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다. 바람직하게는, 반도체층(300,400,500)의 막질 향상을 위한 버퍼층(200)과, 원활한 전류 확산을 위한 전류 확산 전극(600; 예: ITO)이 구비된다. 제1 반도체층(300; 예: Si 도핑된 GaN)과 제2 반도체층(500; 예: Mg 도핑된 GaN)의 위치는 바뀔 수 있다.
도 2는 미국 등록특허공보 제6,547,249호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 하나의 기판(100) 위에 두 개의 발광부(A,B)를 구비한다. 각각의 발광부(A,B)는 제1 반도체층(300), 활성층(400), 제2 반도체층(500), 그리고 전극(700,800)를 구비한다. 발광부(A)의 전극(700)이 발광부(B)의 전극(800)과 연결 전극(780)에 의해 연결되어, 발광부(A,B)가 직렬로 연결된다. 발광부(A)의 전극(700)은 본딩 패드로 기능하지 않으므로 생략될 수 있으며, 바람직하게는 전류 확산 전극(600)이 구비된다. 연결 전극(780)을 이용함으로써, 발광부(A,B)를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있게 된다. 보호막(900)이 구비되어, 발광부(A,B)를 전기적으로 절연시킨다.
도 3 내지 도 5는 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자의 예들을 나타내는 도면으로서, 도 3에는 두 개의 수직형 발광부(A,B)가 지지 기판(S)을 매개로 직렬로 연결되어 있다. 수직형 발광부(A,B)는 성장 기판이 제거된 반도체 발광소자를 일컫는다. 수직형 발광부(A,B) 각각은 제1 반도체층(300), 활성층(400) 및 제2 반도체층(500)을 구비한다. 발광부(A)의 제1 반도체층(300)은 비아홀(V)을 통해 전기적 연결(780)이 형성되어 지지 기판(S)과 도통한다. 지지 기판(S)은 발광부(B)의 제2 반도체층(500)과 전극(700)을 통해 연결되어 있다. 발광부(B)는 비아홀(V)을 통해 전극(800)이 형성되어 외부와 도통한다. 절연막인 보호막(900)이 이러한 전기적 연결을 보장한다. 도 4에는 발광부(A,B)에 비아홀(V)과 전기적 연결(780)이 구비되어 발광부(A)의 제1 반도체(300)과 발광부(B)의 제1 반도체층(300)이 연결되어 양자가 병렬로 연결되어 있다. 도 5에는 발광부(A)의 전극(700)과 발광부(B)의 전극(700)이 연결되어 양자가 병렬로 연결되어 있다.
본 개시는 수직형 발광부(A,B)를 연결하는 새로운 형태의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자에 있어서, 제1 발광부 및 제2 발광부;로서, 각각이 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며, 성장 기판이 제거된 제1 반도체층에 빛을 스캐터링하는 거친 표면이 형성되어 있는 제1 발광부 및 제2 발광부; 제1 발광부 및 제2 발광부를 전기적으로 절연시키며, 제1 발광부 및 제2 발광부 각각을 수용하는 오목부를 구비하고, 각각의 거친 표면이 오목부 내에 위치하는 절연막; 제1 발광부 및 제2 발광부를 제2 반도체층 측에서 전기적으로 연결시키는 연결 전극; 그리고, 제2 반도체층 측에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 지지하는 지지 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판상에 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층, 그리고 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층을 순차로 성장시키는 단계; 제1 반도체층의 일부를 남겨둔 상태에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 형성하는 단계; 제1 발광부와 제2 발광부를 전기적으로 연결하는 단계; 제2 반도체층 측에 지지 기판을 형성하고, 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고, 남겨진 제1 반도체층을 제거하여 제1 발광부와 제2 발광부를 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국 등록특허공보 제6,547,249호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3 내지 도 5는 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자의 예들을 나타내는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 7 내지 도 12는 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 6은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 발광부(A), 제2 발광부(B), 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)를 수용하는 오목부(93,93)를 구비하며 이들을 절연시키는 절연막(91), 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)를 도통시키는 연결 전극 또는 전기전 연결(53; an electrical connection), 그리고 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)를 지지하는 지지 기판(S)을 포함한다. 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B) 각각은 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: Si 도핑된 GaN), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: Mg 도핑된 GaN), 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; InGaN/(In)GaN 다중양자우물구조)을 구비한다. 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50)은 도전성을 반대로 하여 형성될 수 있지만, 3족 질화물 반도체의 경우에 바람직하지는 않다. 제1 반도체층(30)에는 외부양자효율(EQE)을 높이기 위해 빛을 스캐터링하는 거친 표면(31)이 형성되어 있다. 본 개시에 있어서, 복수의 발광부(두 개에 제한될 필요는 없다.)를 전기적으로 연결하되, 오목부(93,93)를 구비하는 절연막(91)을 이용하여 이들을 수용하는 한편, 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)의 최외곽 면을 형성하는 거친 표면(31)이 오목부(93) 내 또는 오목부(93) 상면의 아래에 위치하도록 구성함으로써, 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)의 leakage 관련 특성을 향상시키는 한편, 반도체 발광소자 제조의 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 제1 발광부(A)의 제1 반도체층(30)에는 와이어 본딩을 위한 전극(80)이 구비될 수 있으며, 지지 기판(S)이 전기적 통로로 기능하는 경우에, 지지 기판(S)과 연결 전극(53) 사이에 절연막(92)이 구비되며, 지지 기판(S)은 도전층(71)을 이용하여 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)와 웨이퍼 본딩될 수 있다. 절연막(91,92)의 대표적인 물질은 SiO2이며, 이에 제한되지 않는다. 도전층(71)은 복수의 층으로 구성될 수 있으며, 웨이퍼 본딩층(예: Sn/Au) 이외에, 전류 확산 전극(ITO), 오믹 금속층(Cr, Ti 등), 반사 금속층(Al, Ag, 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한 전류 확산 전극(ITO), 오믹 금속층(Cr, Ti 등) 및 반사 금속층(Al, Ag, 등)은 절연막(91)을 형성하기에 앞서, 제2 반도체층(50)에 형성될 수 있다. 또한 지지 기판(S)을 도금을 통해 형성하는 것도 가능하다. 도 6에서, 제1 발광부(A)의 제2 반도체층(50)과 및 제2 발광부(B)의 제1 반도체층(30)이 연결 전극(53)에 의해 연결되어 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)가 직렬 연결되어 있지만, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)가 병렬로 연결될 수 있으며, 3개의 이상의 발광부가 구비되는 경우에, 이들이 직병렬로 연결될 수 있음도 물론이다. 도 6에서, 전극(80)을 통해 제1 발광부(A)의 제1 반도체층(30)에 전류(전자)가 공급되며, 지지 기판(S)으로부터 도전층(71)을 경유해서 제2 발광부(B)의 제2 반도체층(50)에 전류(정공)이 공급된다. 지지 기판(S)을 통해 전류를 공급하지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이, 식각되어 노출된 전극(800)을 통해 전류를 공급할 수 있음은 물론이다.
도 7 내지 도 12는 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 성장 기판(10; 예: Al2O3 기판)에 제1 반도체층(30), 활성층(40), 제2 반도체층(50)을 순차로 성장시킨 다음, 제1 반도체층(30)의 일부(30a)를 남겨둔 상태에서 제1 발광부(A) 및 제2 발광부(B)를 형성한다. 또한 도 6에서와 같은 직렬 연결의 경우에, 제1 발광부(A)에서 제2 반도체층(50)과 활성층(40)을 제거하여 제1 반도체층(30)이 노출되는 홀 또는 홈(45)을 형성한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 도전층(71)의 일부로서, 제2 반도체층(50)에는 전류 확산 전극(예: ITO)과 반사 금속층(Al, Ag, 등)을 형성하고, 제1 반도체층(30)에는 오믹 금속층(Ti/Al/Ni/Au의 적층 등)을 구비할 수 있다. 다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 연결 전극(53)을 이용하여 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)를 전기적으로 연결한다. 절연을 위해, 절연막(91)과 절연막(92)이 사용된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 추가적으로, 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)에 반사막(72)을 형성하는 것이 가능하다. 반사막(72)은 절연막(91)이 형성된 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B) 측면으로 향하는 광을 제1 반도체층(30) 측으로 방출되도록 하는 기능을 한다. 반사막(72)은 스퍼터, 이빔 증착기, 도금 등을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 이빔 증착기나 스퍼터 방법을 통해 Al/Ni/Au, Ti/Ag/Ni, Ti/Ni, Cr/Ni/Au 등을 증착할 수 있다. 다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 반도체층(50)에 지지 기판(S)을 형성하고, 성장 기판(10)을 제거한다. 지지 기판(S; 예: Si 기판, Mo 기판)을 별도로 구비하고, 도전층(71)을 이용하여 웨이퍼 본딩할 수 있다. 성장 기판(10)의 제거는 레이저 리프트-오프법, 습식 식각법, 연마법 등 통상의 기술자에게 일반적으로 사용되는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 반사막(72)에 도금을 통해 지지 기판(S)을 형성하는 것도 가능하다. 반사막(72) 자체를 두껍게 형성하여 지지 기판(S)으로 하는 것도 가능하다. 마지막으로, 남겨진 제1 반도체층(30a)을 제거하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 발광부(A)와 제2 발광부(B)를 분리하고, 필요에 따라 전극(80)을 형성한다. 남겨진 제1 반도체층(30a)의 제거에 습식 식각이 이용될 수 있으며, 이 과정에서 제1 반도체층(31; 예: Si 도핑된 GaN)에 외부양자효율을 높이도록 거친 표면(31)을 형성하는 것이 바람직하다. 도 7 내지 도 12에 제시된 공정에 의하는 경우에, 거친 표면(31)은 오목부(93)의 아래에 위치하게 된다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 제1 발광부 및 제2 발광부;로서, 각각이 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며, 성장 기판이 제거된 제1 반도체층에 빛을 스캐터링하는 거친 표면이 형성되어 있는 제1 발광부 및 제2 발광부; 제1 발광부 및 제2 발광부를 전기적으로 절연시키며, 제1 발광부 및 제2 발광부 각각을 수용하는 오목부를 구비하고, 각각의 거친 표면이 오목부 내에 위치하는 절연막; 제1 발광부 및 제2 발광부를 제2 반도체층 측에서 전기적으로 연결시키는 연결 전극; 그리고, 제2 반도체층 측에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 지지하는 지지 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판상에 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층, 그리고 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층을 순차로 성장시키는 단계; 제1 반도체층의 일부를 남겨둔 상태에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 형성하는 단계; 제1 발광부와 제2 발광부를 전기적으로 연결하는 단계; 제2 반도체층 측에 지지 기판을 형성하고, 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고, 남겨진 제1 반도체층을 제거하여 제1 발광부와 제2 발광부를 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법이 제공된다.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 의하면, 복수의 발광부를 가지는 반도체 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 의하면, 절연막이 제공하는 복수의 오목부에 수용된 복수의 발광부를 구비하며, 이들이 전기적으로 연결된 반도체 발광소자를 제조할 수 있게 되며, Leakage 분량을 감소시켜 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 의하면, 복수의 발광부를 전기적으로 절연시키는 절연막의 이면에 반사막을 구비하여, 소자의 광취출효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 의하면, High-Voltage 반도체 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 의하면, 복수의 발광부를 자유롭게 직병렬로 연결할 수 있게 된다.
100: 이종 기판,, 200: 버퍼층, 300: 3족 질화물 반도체층

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서,
    성장 기판상에 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층, 그리고 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층을 순차로 성장시키는 단계;
    제2 반도체층 측으로부터 제2 반도체층, 활성층, 제1 반도체층을 제거하여 제1 반도체층의 일부를 남겨둔 상태에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 형성하는 단계;
    제1 발광부와 제2 발광부를 전기적으로 직렬 연결하는 단계;
    제2 반도체층 측에 지지 기판을 형성하고, 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고,
    남겨진 제1 반도체층을 제거하여 제1 발광부와 제2 발광부를 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  9. 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서,
    성장 기판상에 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층, 그리고 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층을 순차로 성장시키는 단계;
    제2 반도체층 측으로부터 제2 반도체층, 활성층, 제1 반도체층을 제거하여 제1 반도체층의 일부를 남겨둔 상태에서 제1 발광부 및 제2 발광부를 형성하는 단계;
    제1 발광부와 제2 발광부를 전기적으로 병렬 연결하는 단계;
    제2 반도체층 측에 지지 기판을 형성하고, 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고,
    남겨진 제1 반도체층을 제거하여 제1 발광부와 제2 발광부를 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    제1 발광부와 제2 발광부를 분리하는 단계에서, 각각의 제1 반도체층에 빛을 스캐터링하는 거친 표면이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    성장 기판을 제거하는 단계에 앞서, 제1 발광부와 제2 발광부에 반사막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    성장 기판을 제거하는 단계에 앞서, 제1 발광부와 제2 발광부에 반사막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  13. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    제1 발광부 및 제2 발광부는 3족 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    제1 발광부 및 제2 발광부는 3족 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    제1 발광부 및 제2 발광부는 3족 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
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