KR101945791B1 - 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 성장용 기판이 노출되지 않는 깊이로 상기 발광구조물의 표면에 트랜치를 형성하는 단계; 상기 발광구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계; 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물에서 분리시키는 단계; 및 상기 발광구조물을 절단하여 각각의 반도체 발광소자로 분리하는 단계를 포함하여, 반도체층의 파손이 감소되므로, 수율이 향상되고 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자의 제조방법{FABRICATION METHOD OF SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 전기에너지를 이용하여 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 발광 다이오드는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광 다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품과 같이, 발광 다이오드의 용도가 점차 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하고 있으므로 이와 같은 용도에 사용되는 발광 다이오드의 특성도 이를 충족하는 높은 수준이 요청되고 있다.
종래의 발광 다이오드는 제조공정에서 반도체층이 파손되는 문제점이 있었으며, 당 기술 분야에서는 반도체층의 파손이 감소되는 반도체 발광소자의 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일측면은 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 성장용 기판이 노출되지 않는 깊이로 상기 발광구조물의 개별소자 단위로 분리되는 부분에 트랜치를 형성하는 단계; 상기 발광구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계; 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물에서 분리시키는 단계; 및 상기 발광구조물을 절단하여 각각의 반도체 발광소자로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 트랜치는 상기 발광구조물을 각각의 반도체 발광소자로 절단할 때에 제거될 영역 내에 형성될 수 있다.
또한, 상기 트랜치는 상기 발광구조물의 개별소자의 각각이 격리되도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 트랜치는 상기 발광구조물의 두께의 3 ~ 25%의 깊이로 형성될 수 있으며, 2000 ~ 15000Å의 깊이로 형성될 수 있다.
또한, 상기 트랜치는 ICPRIE(inductively coupled plasma reactive ion etching)법에 의해 형성될 수 있으며, 습식식각법에 의해 형성될 수도 있다.
또한, 상기 트랜치는 경사진 측벽을 갖을 수 있다.
또한, 상기 발광구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계 이전에, 상기 트랜치의 내면에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 SiO2, SiNx, Si3N4, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 발광구조물의 일면에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반사층은 ITO, Ag, Ni, Al, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir, AgCu 또는 AgCuPd를 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)이 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 트랜치의 내면에 절연층을 형성하는 단계 이후에 상기 트랜치에 접착층을 충진하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착층은 Ni, Sn, Pt, Ti, Au, Au-Sn, In, Au-Ag 또는 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물에서 분리시키는 단계는 레이저 리프트 오프법에 수행될 수 있다.
또한, 상기 트랜치는 폭이 7 ~ 20㎛일 수 있다.
상술된 반도체 발광소자는 반도체층의 파손이 감소되므로, 수율이 향상되고 생산비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나태낸 도면이다.
도 8은 비교예의 크랙 전파경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 비교예의 크랙을 반도체 발광소자의 상부에서 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자의 크랙 전파경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예의 트랜치를 2000Å의 깊이로 형성하였을 때에 발생한 크랙을 촬영한 사진이다.
도 12a 내지 도 12c는 반도체 발광소자에 트랜치를 형성하지 않았을 때와, 본 발명의 일실시예의 트랜치를 15000Å의 깊이로 형성하였을 때에 발생한 크랙을 비교한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나태낸 도면이다.
우선, 도 1에 도시된 것과 같이, 성장용 기판(110) 상에 상면에 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)을 적층하여 발광구조물(120)을 형성한다.
상기 성장용 기판(110)은 반도체 단결정, 특히, 질화물 단결정 성장을 위한 기판이 사용될 수 있으며, 구체적으로, 사파이어, Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 , GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 반도체의 성장용 기판으로 주로 사용된다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)은 질화물 반도체, 즉, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑 된 반도체 물질로 각각 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN일 수 있다. 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)의 경우, 당 기술 분야에서 공지된 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy ; MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy ; HVPE) 등으로 성장될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(123)의 사이에는 활성층(122)이 형성된다. 상기 활성층(122)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 예를 들어 AlxInyGa(1-x-y)N (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(multiple quantum well ; MQW )로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광할 수 있다. 상기 활성층(122)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)과 동일하게 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 제1 도전형 반도체층(121)을 형성하기 전, 상기 성장용 기판(110) 상에 버퍼층이 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층은 상기 성장용 기판(110)과 제1 도전성 반도체층(121)과의 격자상수 차이를 완화하기 위하여 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 질화갈륨층이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 발광구조물(120)의 표면을 식각하여, 트랜치(trench, 130)를 형성한다.
상기 트랜치(130)는 상기 성장용 기판(110)이 노출되지 않는 깊이로, 상기 발광구조물(120)의 표면에서 소정의 깊이로 식각하여 형성할 수 있으며, 상기 식각공정에는 ICPRIE(inductively coupled plasma reactive ion etching)법 또는 습식식각법이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 트랜치(130)는 상기 발광구조물(120)을 각각의 반도체 발광소자(100)로 절단하는 격리(isolation)공정에서 제거될 영역 내에 형성될 수 있으며, 상기 트랜치(130)의 측벽은 상기 트랜치(130)의 바닥면을 향하여 소정의 각도를 이루도록 경사지게 형성될 수도 있다. 이와 같이 트랜치(130)의 측벽을 경사지게 형성하면, 수직한 측벽에 비해 물질층의 성장이 용이한 장점이 있다.
이와 같이, 상기 트랜치(130)는 경사진 측벽과 바닥면을 가진 단면을 가지도록 형성할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. 구체적으로 예를 들면, 상기 트랜치(130)는 단면이 경사진 측벽만을 가지도록 V자형으로 형성할 수도 있으며, 수직의 측벽을 가지게 형성할 수도 있다. 또한, 상기 트랜치(130)는 상기 발광구조물(120)의 상면에서 보아 연장된 직선의 형태가 되도록 형성할 수 있으며, 간헐적인 점선의 형태가 되도록 형성할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자(100)의 크랙 전파경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 트랜치(130)는 반도체 발광소자(100) 제조공정에서 성장용 기판(110)을 제거하기 위한 레이저 리프트-오프(laser-lift off ; LLO) 공정에서 상기 성장용 기판 (110) 상의 발광구조물(120)이 레이저의 열충격 또는 스트레스(stress) 등에 의해 상기 발광구조물(120)의 일영역에 크랙(crack, C)이 발생했을 경우, 상기 크랙(C)이 발광구조물(120) 전체로 퍼져나가는 것을 방지한다.
도 11의 B1, B2 부분과 도 12c의 D에서 볼 수 있는 바와 같이, 트랜치(130)를 형성한 경우에는 발광구조물(120)의 일부 영역에서 크랙(C)이 발생하더라도, 크랙(C)이 발광구조물(120)의 전체로 퍼지지 않고 차단되는 것을 볼 수 있다.
반면에, 도 8에 도시된 바와 같이, 트랜치를 형성하지 않은 경우에는 발생한 크랙(C)이 차단되지 못하고 전파되게 된다. 도 9의 A부분을 보면 크랙(C)이 개별 반도체 발광소자(100)들을 가로질러 퍼져나간 것을 확인할 수 있다.
상기 트랜치(130)는 상기 발광구조물(120)을 깊게 식각할수록 크랙(C)의 차단효과가 우수하나, 상기 발광구조물(120)을 성장용 기판(110)이 노출될 정도로 식각하면, 상기 발광구조물(120)이 각각 분리되어 상기 성장용 기판(110)을 상기 발광구조물(120)에서 분리시키기 어렵게 된다. 반면에 상기 트랜치(130)의 깊이가 너무 얕게 되면, 크랙(C)이 차단되지 못하고 전파되는 문제점이 발생한다. 그러므로, 앞서 설명한 문제점이 발생하지 않는 깊이로 상기 트랜치(130)를 형성하는 것이 중요하다.
본 발명의 일실시예에서는 상기 발광구조물(120)의 두께의 3 ~ 25%의 깊이가 되도록 상기 트랜치(130)를 형성할 수 있으며, 상기 발광구조물(120)의 두께가 약 6㎛ 인 경우에 상기 트랜치(130)는 2000 ~ 15000Å의 깊이로 형성될 수 있다. 도 11은 2000Å의 깊이로 트랜치가 형성된 경우에, 발광구조물(120)의 일영역에 발생한 크랙(C)이 다른 영역으로 전파되지 못하고 차단된 것을 보여준다. 상기 트랜치(130)는 상기 발광구조물(120)의 영역에서 발생한 크랙(C)을 차단하므로, 크랙(C)이 발생하더라도 상기 트랜치(130)로 분할된 영역 내에서만 전파된다. 이와 같이, 크랙(C)의 전파가 차단되므로, 개별 반도체 발광소자(100)가 파손될 위험이 감소하게 되며, 이는 반도체 발광소자 생산수율의 상승으로 연결된다.
도 12a는 트랜치를 형성하지 않은 반도체 발광소자를 촬영한 사진이고, 도 12b는 반도체 발광소자에 15000Å의 깊이로 트랜치(130)를 형성한 사진이며, 도 12c는 발생한 크랙이 상기 트랜치(130)에 의해 차단(D 부분)된 것을 촬영한 사진이다.
또한, 상기 트랜치(130)는 폭을 넓게 형성할수록, 크랙(C)의 차단효과가 우수하나, 폭이 과도하게 넓어지면 제거되는 영역이 증가하여 반도체 발광소자의 수율이 감소될 수 있다. 그러므로, 앞서 설명한 문제점이 발생하지 않는 폭으로 상기 트랜치(130)를 형성하는 것이 중요하다. 다만, 상기 트랜치(130)의 폭이 증가함에 따라 크랙(C)이 차단되는 효과는, 트랜치(130)와 깊이가 증가함에 따라 크랙(C)이 감소되는 효과에 비해 제한적이다.
본 발명의 일실시예에서는 상기 트랜치(130)의 폭을 70㎛미만으로 형성할 수 있으며, 좀 더 구체적으로는 7 ~ 20㎛의 범위로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 발광구조물(120)의 표면 중 트랜치(130)의 내면에는 절연층(130b)을 형성하고, 그 이외의 부분에는 반사층(130a)을 형성한다.
상기 절연층(130b)은 상기 트랜치(130)의 내면에 형성되나, 상기 트랜치(130)의 내면 이외에도 상기 발광구조물(120)을 절단하여 각각의 반도체 발광소자(100)로 분리하는 단계에서 식각되어 제거되는 영역에도 형성될 수 있으며, 상기 발광구조물(120)의 일 표면에 반사층(130a)을 증착하기 위한 마스크로 사용된다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 절연층(130b)은 SiO2, SiNx, Si3N4, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
상기 반사층(130a)은 상기 반도체 발광소자(100)의 일면에 위치하여 상기 활성층(122)에서 형성된 광을 상기 반도체 발광소자(100)의 타면으로 반사하여 광추출 효율을 향상시킨다. 상기 반사층(130a)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 공정 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 다층 또는 단층으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 반사층(130a)은 ITO, Ag, Ni, Al, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir, AgCu 또는 AgCuPd를 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있으며, DBR(Distributed Bragg Reflector)이 더 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 발광구조물(120) 상에 지지 기판(140)을 부착한다. 상기 지지 기판(140)으로 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, 상기 지지 기판(140)은 접착층(150)을 통해 발광구조물(120)에 부착될 수 있으며, 상기 지지 기판(140)은 도금공정을 사용하여 형성될 수도 있다. 즉, 발광구조물(120) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금하여 지지 기판(140)을 형성할 수 있다.
상기 접착층(150)은 상기 절연층(130b)이 증착된 상기 트랜치(130)의 내면에 충진되어 형성될 수 있으며, 상기 접착층(150)은 Ni, Sn, Pt, Ti, Au, Au-Sn, In, Au-Ag 또는 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 성장용 기판(110)을 레이저 리프트-오프(Laser Lift-Off ; LLO)와 같은 물리적 방법에 의해 상기 발광구조물(120)로 부터 분리한다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 트랜치(130)를 포함한 상기 발광구조물(120)의 일영역을 식각하여 상기 발광구조물(120)을 개별 반도체 발광소자(100)로 격리(isolation)한다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(121) 상에 전극(160)을 형성하고, 이후 레이저 스크라이빙(scribing) 또는 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 개별 반도체 발광소자(100)로 분리한다.
상기 전극(160)은 상기 발광구조물(120)의 제1 도전형 반도체층(121)에 오믹콘택(ohmic contact) 된다. 이때, 상기 전극(160)은 Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있으며, 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 공정 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
도시하지 않았으나, 상기 제1 도전형 반도체층(121) 상에 ITO 또는 Ni/Au 등의 투명 전극층을 형성할 수 있으며, 투명 전극층이 형성되면 전류의 확산이 촉진되어 광추출효율이 더욱 향상될 수 있다.
100: 반도체 발광소자
110: 성장용 기판
120: 발광구조물
121: 제1 도전형 반도체층
122: 활성층
123: 제2 도전형 반도체층
130: 트랜치
130a: 반사층
130b: 절연층
140: 지지 기판
150: 접착층
160: 전극

Claims (17)

  1. 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물을 형성하는 단계;
    상기 성장용 기판이 노출되지 않는 깊이로, 상기 발광구조물을 각각의 반도체 발광소자로 절단할 때에 제거되는 상기 발광구조물의 제1면의 일 영역 내에 트랜치를 형성하는 단계;
    상기 일 영역에 절연층을 형성하고 그 이외의 영역은 반사층을 형성하는 단계;
    상기 트랜치 내의 상기 절연층에 접착층을 충진하고 상기 발광구조물의 상기 제1면 상에 지지 기판을 부착하는 단계;
    상기 성장용 기판을 상기 발광구조물에서 분리시키는 단계;
    상기 제1면에 대향하는 상기 발광구조물의 제2면에서, 상기 일 영역에 대응되는 영역을 제거하여 상기 절연층을 노출시키는 단계; 및,
    상기 절연층이 노출된 영역에서 상기 지지 기판을 절단하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 상기 발광구조물을 각각의 반도체 발광소자로 절단할 때에 제거될 영역 내에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 상기 발광구조물의 개별소자 각각의 활성층이 격리되도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 상기 발광구조물의 두께의 3 ~ 25%의 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트랜치는 2000 ~ 15000Å의 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 ICPRIE(inductively coupled plasma reactive ion etching)법 또는 습식식각법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 경사진 측벽을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 트랜치는 폭이 7 ~ 20㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  11. 삭제
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