KR101525768B1 - 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법이 제공된다. 상세하게는, 기판 상에 다공성 구조층을 형성하는 단계, 상기 다공성 구조층 상에 차례로 제2 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 구성된 발광 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 다공성 구조층을 식각하여 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 다공성 구조층은 언도프트 GaN층, 희생패턴층 및 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 의해 형성되는 나노포러스 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 제조할 수 있다. 이에, 다공성 구조층을 이용하여 기판을 분리함으로써 발광다이오드의 제조시 기판 분리 공정을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 다공성 구조층의 식각을 통해 발광 적층체에 가해질 수 있는 손상을 감소시킴으로써, 제조공정 수율 및 이를 적용한 발광 소자의 광출력을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
GaN계 발광다이오드는 저전력 동작 특성을 가지며, 다른 발광다이오드 소자보다 고온에서 안정된 동작을 수행할 수 있어, 발광소자 및 차세대 조명용 광원 등에 적용되며 주목받고 있다. 일반적인 GaN계 발광다이오드는 기판 위에 성장된 n형 도펀트가 도핑된 GaN층, 활성층, 및 p형 도펀트가 도핑된 GaN층을 차례로 적층한 수평 발광다이오드 구조를 가진다. 이러한 GaN계 반도체에서 주로 사용하는 사파이어 기판은 열 저항이 크고 계면에서 형성되는 응력에 의해 발광효율이 감소될 수 있으며, 적층 구조에 의해 활성층에 불균일한 전류분포가 나타날 수 있다. 즉, 수평 발광다이오드는 주입전류의 전류밀집 현상(current crowding)이 나타나는 문제점이 있고, 전극형성에 따른 발광 면적의 감소가 발광다이오드의 효율 저하를 유발하여 이를 개선하기 위한 수직형 발광다이오드의 제작에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
수직형 발광 다이오드는 리프트 오프(lift off)를 통해 기판을 제거하는 구성을 가짐으로써 광 출력 향상, 동작전압 하강, 및 효율적인 열 방출 등의 많은 이점을 가질 수 있다. 그러나, 상기 기판 제거를 위한 리프트 오프 방법 중 레이저 리프트 오프(Laser lift off, LLO) 방법은 레이저빔의 불균일한 강도와 초점크기로 인해 국부 영역에서 1000℃ 이상의 높은 열응력이 발생하여 발광소자의 효율을 저해하고 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 있다.
최근에는 이러한 레이저 리프트 오프(LLO)의 문제점을 해결하고자 화학적 리프트 오프(Chemical lift off, CLO)가 연구되고 있다. 이는, 소자와 기판 사이에 화학적 반응성이 큰 CrN 또는 ZnO와 같은 희생층을 삽입함으로써 기판을 분리하는 방법이다[IEEE photo. Tech. Lett. 02, 3,(2008)/J.Vac.Sci.Technol.A28,4 (2010)]. 하지만 화학적 리프트 오프(Chemical Lift Off, CLO) 방법도 희생층 위에 고품위 GaN층을 성장해야 하는 문제점과 기판 분리가 국소영역에서만 느리게 진행된다는 단점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기판 분리가 용이한 발광다이오드의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은, 기판 상에 다공성 구조층을 형성하는 단계, 상기 다공성 구조층 상에 차례로 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 구성된 발광 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 다공성 구조층을 식각하여 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 다공성 구조층은 언도프트 GaN층, 희생패턴층 및 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 의해 형성되는 나노포러스 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 다공성 구조층을 이용하여 기판을 분리함으로써 발광다이오드의 제조시 기판 분리 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 다공성 구조층의 식각을 통해 발광 적층체에 가해질 수 있는 손상을 감소시킴으로써, 제조공정 수율 및 이를 적용한 발광 소자의 광출력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 2(a), 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포러스 GaN층의 측면, 및 정면을 나타낸 SEM이미지들이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 상기 도 3 내지 도 9의 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 따라 제조된 발광다이오드의 SEM 이미지이다.
도 11 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2(a), 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포러스 GaN층의 측면, 및 정면을 나타낸 SEM이미지들이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 상기 도 3 내지 도 9의 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 따라 제조된 발광다이오드의 SEM 이미지이다.
도 11 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 내용을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
먼저, 기판 상에 다공성 구조층을 형성한다(S10).
상기 기판은 보통 격자상수가 유사한 사파이어(Al2O3)를 사용할 수 있지만, ZnO, GaN, AlN, SiC, Si, GaAs, 유리 등을 사용할 수도 있다. 상기 기판으로 사파이어를 사용할 경우 성장면으로 주로 C면이 사용되는데, 이는 C면이 비교적 질화갈륨계(GaN계) 박막층을 성장시키기에 용이하기 때문일 수 있다.
상기 다공성 구조층은 언도프트 GaN층, 희생패턴층 및 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 의해 형성되는 나노포러스 GaN층(Nanoporous GaN Layer)을 포함할 수 있다. 상기 다공성 구조층은 기판과 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 이루어진 발광 적층체와의 분리를 위해 본 발명이 구성하는 것으로써, 상기 다공성 구조층에 의해 기판의 분리가 용이해지고, 상기 발광 적층체의 품질을 확보할 수 있어, 종래의 레이저 리프트 오프(LLO) 및 화학적 리프트 오프(CLO)의 문제점을 개선할 수 있다.
상기 다공성 구조층의 형성에 있어, 본 발명의 실시예들에 따라 상기 기판 상에 형성된 제1 언도프트 GaN층 상에 나노포러스 GaN층을 형성하고, 상기 나노포러스 GaN층 상에 희생패턴층을 형성하여, 상기 희생패턴층 상에 제2 언도프트 GaN층을 형성한 형태로 구성할 수 있다. 또는 상기 기판 상에 형성된 희생패턴층 상에 상기 희생패턴층의 패턴 내측면으로 제1 언도프트 GaN층을 형성하고, 상기 희생패턴층 및 상기 제1 언도프트 GaN층 상부에 나노포러스 GaN층을 형성하여, 상기 나노포러스 GaN층 상에 제2 언도포트 GaN층을 형성한 형태로 구성할 수 있다.
상기 언도프트 GaN층은 도펀트에 의해 도핑되지 않은 GaN층을 의미하는 것으로, 상기 기판과의 격자정합을 향상시키기 위해 형성될 수 있다. 또한, 상기 언도프트 GaN층은 구성에 따라 제1 언도프트 GaN층 및 제2 언도프트 GaN층으로 나뉘어서 형성될 수 있다. 상기 언도프트 GaN층은 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 등으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 다공성 구조층을 구성하는 희생패턴층은 SiO2 또는 SiN으로 구성할 수 있다. 상기 희생패턴층을 형성하기 위하여, 먼저 상기 기판 상부 또는 상기 나노포러스 GaN층 상부에 SiO2 또는 SiN을 화학적 기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)를 포함하는 기상증착법 또는 스퍼터링(sputtering)법 등을 이용하여 형성시킬 수 있다. 본 발명의 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 희생패턴층을 HF 등과 같은 산 계열의 식각용액(etchant)에 쉽게 용해되는 특성을 가진 SiO2 또는 SiN으로 구성함으로써, 추후 기판 분리 단계를 더욱 용이하게 수행할 수 있다.
상기 희생패턴층은 0.01㎛ 내지 5㎛의 두께로 구성할 수 있다. 이는, 상기 희생패턴층이 0.01㎛ 이하인 경우, 후속되는 습식 식각 공정에서 상기 희생패턴층의 선택적 식각이 곤란할 수 있고, 식각 시간의 제어가 어려울 수 있다. 상기 희생패턴층이 5㎛ 이상인 경우, 상기 희생패턴층의 식각 시간이 길어질 수 있어 발광다이오드 제조공정 수율을 저하시킬 수 있다.
상기 희생패턴층은 리소그라피 공정을 통해 패터닝되는 것으로, 격자패턴 또는 스트라이프 패턴으로 구성할 수 있다. 상기 희생패턴층이 격자패턴 또는 스트라이프 패턴으로 구성됨으로써, 추후 기판 분리에서 식각용액의 침투통로를 제공함으로써 식각속도를 높여 기판분리를 용이하게 할 수 있다.
상기 기판 상부 또는 상기 나노포러스 GaN층 상부에 형성된 SiO2층 또는 SiN층에 리소그라피 공정을 수행할 수 있다. 상기 희생패턴층의 리소그라피 공정은, 상기 SiO2층 또는 SiN층 상에 격자 패턴 또는 스트라이프 패턴이 형성될 수 있도록 포토레지스트를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트를 패턴 마스크로 이용하는 경우에, 상기 희생패턴층의 격자패턴 또는 스트라이프 패턴은, 포토 리소그래피(Photo-Lithography), 이온빔 리소그래피(Ion-beam Lithography), 전자빔 리소그래피(E-beam Lithography), 나노 임프린트 리소그래피(Nano imprint Lithography), 극자외선 리소그래피(Extreme Ultraviolet Lithography), 또는 근접 X선 리소그라피(Proximity X-ray Lithography) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 다공성 구조층을 구성하는 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 의해 형성되는 나노포러스 GaN층은, 예비 n-GaN층의 n형 도펀트의 농도와 식각 전압을 조절하는 전기화학적 식각을 통해 공극들이 형성되는 나노포러스 GaN층으로 구성할 수 있다. 상기 나노포러스 GaN층을 형성하기 위하여, 먼저 상기 제1 언도프트 GaN층 상부 또는 상기 희생패턴층 및 제1 언도프트 GaN층 상부에 예비 n-GaN층을 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD), 액상에피텍셜법(Liquid Phase Epitaxy) 등의 방법에 의해 형성할 수 있다. 상기 예비 n-GaN층은 나노포러스 GaN층을 형성하기 위한 예비층으로서, n형 도펀트(dophant)가 도핑된 GaN층일 수 있다. 상기 n형 도펀트로는 규소(Si), 저마늄(Ge), 셀레늄(Se), 또는 텔루륨(Te)을 사용할 수 있으나, 바람직하게는, 규소(Si)를 사용할 수 있다.
상기 예비 n-GaN층에 전기화학적 식각에 있어, 상기 예비 n-GaN층을 일정 식각전압에서 도핑농도를 증가시켜 식각하는 경우 식각속도가 빨라질 수 있고, 일정 도핑농도에서 식각전압을 증가시켜 식각하는 경우에도 식각속도가 빨라질 수 있다. 상기 전기화학적 식각은 상기 예비 n-GaN층을 양극으로 구성하고, 백금(Pt)전극을 음극으로 구성하여 두 전극을 연결해 전압을 인가하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 전기화학적 식각에 있어서 전해용액으로는 옥살산(COOH-COOH), 인산(H3PO4), 수산화칼륨(KOH), 또는 염화수소(HCl) 중 선택되는 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 전기화학적 식각의 전압은 예를 들어, 1V ~ 100V 일 수 있으며, 상기 전기화학적 식각의 전해용액 농도는 0.01M ~ 1M일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 2(a), 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포러스 GaN층의 측면, 및 정면을 나타낸 SEM이미지들이다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상에 형성된 제1 언도프트 GAN층 상에 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 따라 형성된 나노포러스 GaN층의 측면을 나타낸 SEM 이미지인 도 2(a)에서 n형 도펀트로 쓰인 규소(Si)가 전기화학적 식각에 의한 용해로 예비 n-GaN층의 크랙(crack)을 따라 식각됨으로써 공극들(pores)이 형성된 나노포러스 GaN층으로 변화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 나노포러스 GaN층의 정면을 나타낸 이미지인 도 2(b)에서도 공극들이 고르게 분포되어 있는 나노포러스 GaN층이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 상기 나노포러스 GaN층의 공극들이 상기 예비 n-GaN층의 n형 도펀트의 용해에 의해 생성되는 것을 알 수 있고, 이에, 상기 나노포러스 GaN층의 다공성 밀도는 상기 전기화학적 식각 수행시 도펀트의 농도와 식각전압에 영향을 많이 받는다는 것을 추정할 수 있다.
상기 나노포러스 GaN층의 다공성 밀도가 작으면, 이 후 나노포러스 GaN층 상에 형성되는 발광 적층체와 상기 다공성 구조층 간에 결합되어 있는 표면적이 넓어져 기판 분리가 용이하지 않게 되고, 상기 나노포러스 GaN층의 다공성 밀도가 크면 상기 나노포러스 GaN층 상에 발광 적층체를 성장하기가 어려울 수 있다. 상기 전기화학적 식각 수행시 도펀트의 농도와 식각전압을 적정하게 조절하여, 상기 나노포러스 GaN층 표면의 편평도(flatness)를 유지하면서 상기 나노포러스 GaN층의 다공성 밀도를 향상시킬 수 있게 할 수 있다.
상기 다공성 구조층 상에 차례로 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 구성된 발광 적층체를 형성한다(S20)
상기 발광 적층체를 형성하기 위하여 먼저, 상기 언도프트 GaN층, 희생패턴층 및 나노포러스 GaN층을 포함하는 다공성 구조층 상에 n-GaN층을 형성할 수 있다.
상기 n-GaN층은 n형 도펀트(dophant)가 도핑된 GaN층으로서, 상기 n형 도펀트로는 규소(Si), 저마늄(Ge), 셀레늄(Se), 또는 텔루륨(Te)을 사용할 수 있으나, 바람직하게는, 규소(Si)를 사용할 수 있다.
상기 활성층은 상기 n-GaN층 상에 형성될 수 있다. 상기 활성층은 전자 및 정공인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)가 반복적으로 형성된 다중양자우물(multi-quantum well, MQW)구조 또는 단일양자우물 구조를 가질 수 있다. 상기 우물층과 장벽층은 화학식 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 0≤x+y<1)로 표현되는 질화물계 반도체층일 수 있으며, InGaN, AlGaN, GaN, 또는 AlInGaN을 포함할 수 있다.
상기 p-GaN층은 상기 활성층 상에 형성될 수 있다. 상기 p-GaN층은 p형 도펀트가 도핑된 GaN층으로서, 상기 p형 도펀트로는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 또는 베릴륨(Be)를 사용할 수 있다. 상기 n-GaN층, 활성층 및 상기 p-GaN층은 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy) 등의 방법에 의해 형성할 수 있으므로, 상기와 같은 방법으로 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 구성된 발광 적층체를 형성할 수 있다.
상기 다공성 구조층을 식각하여 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리한다(S30).
HF, KOH, NaOH, H3PO4, NaOCl, NaCl, H2SO4, HCl, H2O2, 및 2종 이상의 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 식각용액을 이용한 습식식각 공정을 통해 수행할 수 있다. 상기 다공성 구조층을 이루는 희생패턴층, 나노포러스 GaN층, 또는 언도프트 GaN층의 습식식각은, 예를 들어, 희생패턴층은 HF를 식각용액으로 사용할 수 있고, 나노포러스 GaN층 또는 언도프트 GaN층은 KOH 또는 NaOH를 식각용액으로 사용할 수 있다. 상기 식각용액의 온도는 식각 시간의 단축을 위하여 100℃ 내지 120℃ 정도를 유지할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 식각용액에 의해 상기 다공성 구조층을 습식식각시 상기 나노포러스 GaN층의 다공성과 상기 희생패턴층의 식각용액 침투통로 제공에 의해 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리하는 것이 용이해질 수 있다. 이는, GaN층의 표면 원자들의 강한 결합력으로 기판과의 분리가 어려웠던 종래의 화학적 리프트 오프(CLO)의 문제점을 개선할 수 있는 효과를 가질 수 있다. 또한, 이로 인해 상기 발광 적층체에 가해질 수 있는 물리적인 손상을 감소시킴으로써, 제조공정 수율이 높아질 수 있고, 이를 적용하는 발광 소자의 광출력이 향상될 수 있다.
상기 기판이 분리된 발광 적층체에 전극을 형성할 수 있다. 상기 전극은 제1 전극과 제2 전극으로 구성할 수 있으며, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Mo, 및 W 중 선택되는 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 어느 둘 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 진공증착법이나 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 다공성 구조층을 형성하는 단계는, 기판 상에 제1 언도프트 GaN층을 형성하는 단계, 상기 제1 언도프트 GaN층 상에 예비 n-GaN층을 형성하는 단계, 상기 예비 n-GaN층에 n형 도펀트 식각을 수행하여 나노포러스 GaN층으로 변화시키는 단계, 상기 나노포러스 GaN층 상에 희생패턴층을 형성하는 단계, 및 상기 희생패턴층 및 상기 나노포러스 GaN층 상에 제2 언도프트 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3을 참조하면, 기판(100)은 사파이어로 구성할 수 있고, 상기 사파이어 기판(100) 상에 제1 언도프트 GaN층(210)을 형성할 수 있다. 상기 제1 언도프트 GaN층(210)은 도핑되지 않은 GaN층으로서 버퍼층을 역할을 할 수도 있다. 상기 제1 언도프트 GaN층(210) 상에 나노포러스 GaN층 형성을 위한 예비 n-GaN층(220)을 성장시킬 수 있다. 상기 예비 n-GaN층은 n형 도펀트가 도핑된 GaN층일 수 있다.
도 4를 참조하면, 전기화학적 식각을 진행하여 예비 n-GaN층(220)을 n형 도펀트 식각함으로써, n-GaN층(220)을 나노포러스 GaN층(225)으로 변화시킬 수 있다. 상기 전기화학적 식각은 상기 예비 n-GaN층(220)의 크랙(crack)을 따라 n형 도펀트인 규소(si)가 용해되는 것으로, 이로 인해 공극들(pores)이 형성하며 나노포러스 GaN층(225)으로 변화시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 나노포러스 GaN층(225) 상에 SiO2 박막층(230)을 형성시킬 수 있다. 상기 SiO2 박막층(230)은 희생패턴층을 형성하기 위한 것으로써, 0.01㎛ 내지 20㎛ 두께로 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, SiO2 박막층(230)에 리소그라피를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 희생패턴층(235)을 형성할 수 있다. 상기 리소그라피 공정은 포토리소그라피를 통한 패터닝 공정일 수 있다. 상기 포토리소그라피 공정에 의해 상기 희생패턴층은 격자 패턴 또는 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 희생패턴층(235) 상부와 상기 희생패턴층(235)의 SiO2 박막층이 식각되어 노출되어 있는 나노포러스 GaN층(225) 상에 제2 언도프트 GaN층(215)을 형성할 수 있다. 상기와 같이, 도 3 내지 도 7의 제조방법을 통하여 기판(100) 상에 다공성 구조층(200)을 형성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 다공성 구조층(300) 상에 차례로 n-GaN층(310), 활성층(320), 및 p-GaN층(330)이 적층되어 이루어진 발광 적층체(300)를 형성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 다공성 구조층(200) 상에 발광 적층체(300)와 상기 기판(100)을 분리하기 위하여, HF 및 NaOH가 포함된 식각용액을 통해 상기 다공성 구조층(200)의 희생패턴층(235) 및 나노포러스 GaN층(225)을 식각할 수 있다. 상기 다공성 구조층(200)의 희생패턴층(235)은 HF와 같은 산 계열의 식각용액에 의해 식각될 수 있으며, 격자 패턴 및 스트라이프 패턴으로 구성된 희생패턴층(235)은 식각용액이 침투하기에 유리한 구조를 가져 식각 속도가 빨라질 수 있다.
상기 다공성 구조층(200)의 나노포러스 GaN층(225)은 NaOH와 같은 염기성 계열의 식각용액에 의해 식각될 수 있다. 상기 희생패턴층(235)의 식각과 함께 진행되거나, 상기 희생패턴층(235)의 식각 이후에 진행될 수 있으므로, 상기 희생패턴층(235)이 제거된 영역의 공기층(air cavity)을 통해 식각용액의 침투 경로가 넓어질 수 있어 식각속도와 효율이 더욱 향상 될 수 있다. 이에, 본 발명은 상기 다공성 구조층(200)을 이용하여 기판(100) 분리 공정시간을 단축할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 10은 상기 도 3 내지 도 9의 다공성 구조층을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 따라 제조된 발광다이오드의 SEM 이미지이다.
도 10을 참조하면, 제1 언도프트 GaN층 상에 나노포러스 GaN층이 형성되어 있고, 상기 나노포러스 GaN층 상에 희생패턴층이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 10의 이미지에서 확인할 수 있듯이, 희생패턴층의 형성으로 희생패턴층의 하부영역과 나노포러스 GaN층의 공극들에 의해 다공성 구조층의 다공성 밀도가 높아지게 될 수 있고, 이에, 발광 적층체와 상기 다공성 구조층 간의 접합 표면적을 크게 감소시켜 추후 발광적층체와 상기 다공성 구조층 간의 접합면에 습식식각을 수행시 기판 분리 효율에 있어 유리한 효과를 가질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 다공성 구조층을 형성하는 단계는, 기판 상에 희생패턴층을 형성하는 단계, 상기 희생패턴층의 내측면에 제1 언도프트 GaN층을 형성하는 단계, 상기 제1 언도프트 GaN층 및 희생패턴층 상에 예비 n-GaN층을 형성하는 단계, 상기 예비 n-GaN층에 n형 도펀트 식각을 수행하여 나노포러스 GaN층으로 변화시키는 단계, 및 상기 나노포러스 GaN층 상에 제2 언도프트 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11을 참조하면, 기판(100)은 사파이어로 구성할 수 있고, 상기 사파이어 기판(100) 상에 SiO2 박막층(230)을 형성할 수 있다. 상기 SiO2 박막층(230)은 희생패턴층을 형성하기 위한 것일 수 있다.
도 12를 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 SiO2 박막층(230)에 리소그라피 를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 희생패턴층(235)을 형성할 수 있다. 상기 리소그라피 공정은 포토리소그라피를 통한 패터닝 공정일 수 있으며, 상기 포토리소그라피 공정에 의해 상기 희생패턴층(235)은 격자패턴 또는 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 희생패턴층(235)의 내측면인 SiO2패턴이 형성되어 있지 않은 영역에 제1 언도프트 GaN층(210)을 형성할 수 있다. 상기 제1 언도프트 GaN층(210)은 도핑되지 않은 GaN층으로서 버퍼층을 역할을 할 수 있다.
도 14를 참조하면, 희생패턴층(235) 및 제1 언도프트 GaN층(210) 상에 예비 n-GaN층(220)을 형성할 수 있다. 상기 예비 n-GaN층(220)은 n형 도펀트가 도핑된 GaN층으로, 상기 예비 n-GaN층(220)은 나노포러스 GaN층을 구성하기 위한 예비층일 수 있다.
도 15를 참조하면, 예비 n-GaN층(220)에 전기화학적 식각을 수행하여 사아기 예비 n-GaN층(220)의 전기화학적 식각을 진행하여 예비 n-GaN층(220)을 n형 도펀트 식각함으로써, n-GaN층(220)을 나노포러스 GaN층(225)으로 변화시킬 수 있다. 상기 전기화학적 식각은 상기 예비 n-GaN층(220)의 크랙(crack)을 따라 n형 도펀트인 규소(si)가 용해되는 것으로, 이로 인해 공극들(pores)이 형성하며 나노포러스 GaN층(225)으로 변화시킬 수 있다.
도 16을 참조하면, 나노포러스 GaN층(225) 상에 제2 언도프트 GaN층(215)을 형성할 수 있다. 상기와 같이, 도 11 내지 도 15의 제조방법을 통하여 기판(100) 상에 다공성 구조층(200)을 형성할 수 있다.
도 17을 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 다공성 구조층(300) 상에 차례로 n-GaN층(310), 활성층(320), 및 p-GaN층(330)이 적층되어 이루어진 발광 적층체(300)를 형성할 수 있다.
도 18을 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 다공성 구조층(200) 상에 발광 적층체(300)와 상기 기판(100)을 분리하기 위하여, HF 및 NaOH가 포함된 식각용액을 통해 상기 다공성 구조층(200)의 희생패턴층(235) 및 나노포러스 GaN층(225)을 식각할 수 있다. 상기 다공성 구조층(200)의 희생패턴층(235)은 HF와 같은 산 계열의 식각용액에 의해 식각될 수 있으며, 상기 다공성 구조층(200)의 나노포러스 GaN층(225)은 NaOH와 같은 염기성 계열의 식각용액에 의해 식각될 수 있다. 상기와 같이 희생패턴층(235), 및 나노포러스 GaN층(225)으로 구성된 다공성 구조층(200)은 희생패턴층(235)의 구조적 특징 및 나노포러스 GaN층(225)의 다공성 밀도를 갖는 특징이 복합적으로 작용하여, 식각속도와 식각효율이 더욱 향상될 수 있게 할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: (사파이어) 기판 200: 다공성 구조층
210: 제1 언도프트 GaN층 215: 제2 언도프트 GaN층
220: 예비 n-GaN층 225: 나노포러스 GaN층
230: SiO2 박막층 235: 희생패턴층
300: 발광 적층체 310: n-GaN층
320: 활성층 330: p-GaN층
210: 제1 언도프트 GaN층 215: 제2 언도프트 GaN층
220: 예비 n-GaN층 225: 나노포러스 GaN층
230: SiO2 박막층 235: 희생패턴층
300: 발광 적층체 310: n-GaN층
320: 활성층 330: p-GaN층
Claims (8)
- 기판 상에 다공성 구조층을 형성하는 단계;
상기 다공성 구조층 상에 차례로 n-GaN층, 활성층, 및 p-GaN층으로 구성된 발광 적층체를 형성하는 단계; 및
상기 다공성 구조층을 식각하여 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하며,
상기 다공성 구조층은 예비 n-GaN층의 n형 도펀트 식각에 의해 형성되는 나노포러스 GaN층, 상기 나노포러스 GaN층의 일면에 형성되는 하나의 언도프트 GaN층, 및 상기 나노포러스 GaN층의 타면에 형성되되, 상기 타면과 교대로 접촉하는, 다른 하나의 언도프트 GaN층과 희생패턴층을 포함하며,
상기 다공성 구조층을 형성하는 단계는,
기판 상에 희생패턴층을 형성하는 단계;
상기 희생패턴층의 내측면에 제1 언도프트 GaN층을 형성하는 단계;
상기 제1 언도프트 GaN층 및 희생패턴층 상에 예비 n-GaN층을 형성하는 단계;
상기 예비 n-GaN층에 n형 도펀트 식각을 수행하여 나노포러스 GaN층으로 변화시키는 단계; 및
상기 나노포러스 GaN층 상에 제2 언도프트 GaN층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 예비 n-GaN층에 n형 도펀트 식각을 수행하여 형성되는 나노포러스 GaN층은,
예비 n-GaN층의 n형 도펀트의 농도와 식각 전압을 조절하는 전기화학적 식각을 통해 공극들이 형성되는 나노포러스 GaN층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 희생패턴층은 SiO2 또는 SiN로 구성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 희생패턴층은 0.01㎛ 내지 5㎛의 두께로 구성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 희생패턴층은 리소그라피 공정을 통해 패터닝되는 것으로, 격자 패턴 또는 스트라이프 패턴으로 구성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 구조층을 식각하여 상기 발광 적층체로부터 상기 기판을 분리하는 단계는,
HF, KOH, NaOH, H3PO4, NaOCl, NaCl, H2SO4, HCl, H2O2, 및 2종 이상의 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 식각용액을 이용한 습식식각 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 삭제
- 삭제
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