KR102115755B1 - 수직형 자외선 발광 다이오드(uv-led) 제조 방법 - Google Patents

수직형 자외선 발광 다이오드(uv-led) 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직형 UV-LED 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 기판상에 순차적으로 적층된 버퍼층, n-컨택층 및 p-컨택층을 포함하는 UV-LED 에피구조를 형성하고, 기판으로부터 n-컨택층까지 연장한 비아홀을 형성하고, 비아홀 측벽에 제공되고 상기 n-컨택층에 노출되는 절연스페이스를 형성하고, 그리고 비아홀과 n-형 컨택층과 연결하는 금속전극을 형성하는 공정을 수행하는 것을 포함한다.

Description

수직형 자외선 발광 다이오드(UV-LED) 제조 방법{Method for manufacturing vertical Ultra-violet light emitting diode}
본 발명은 UV-LED 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 비아홀을 이용한 수직형 UV-LED 의 제조방법에 관한 것이다.
질화물계 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체로서, 가시광선에서 자외선까지 파장 제어가 가능하다. 질화물계 화합물 반도체는 높은 열적?화학적 안정성, 높은 전자 이동도, 포화 전자속도 및 큰 에너지 밴드갭을 갖고, 기존의 GaAs 및 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 특성을 가지고 있다. 질화물계 화합물 반도체는 가시광 영역의 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD)등의 광소자, 고출력 및 고주파 특성을 요구하는 차세대 무선통신에 사용되고 있다. 또한 질화물계 화합물 반도체는 위성통신 시스템에 사용되는 전자소자 분야에 사용되고 있다. 특히, Al, In 및 Ga을 포함하는 질화물 반도체(AlxInyGa1 -x- yN)(0≤x<1)는 조성비 제어를 통하여 자외선의 넓은 파장대역(200nm ~ 400nm)의 발광소자에 사용될 수 있다.
질화물 반도체를 이용한 UV-LED 제작하는 방법으로는 Blue LED 제작에 적용되는 수평형(lateral) 구조가 있다. 열 방출 특성의 개선을 위한 플립칩(flip-chip) 구조가 널리 사용되고 있으나, 소자 및 패키지 제작 수율의 저하로 양산화에 많은 어려움이 있는 상황이다. Blue LED 구조에서 많이 사용되는 수직형 소자의 경우, Al 조성비가 낮은 360nm ~ 400nm 파장대역의 LED에서는 기판위에 GaN 버퍼층을 사용하기 때문에 기존의 LLO 공정 적용이 가능하다. 그러나 Al 조성비가 큰 360nm 이하의 파장대역의 LED는 고품질의 에피성장을 위하여 AlN or AlxGa1 -xN(0≤x<1) 버퍼층을 사용한다. 이런 경우 버퍼층에 흡수되는 레이저 광원의 파장이 짧아진다. 따라서 고가의 레이저 장비를 이용하는 LLO 공정을 적용하기 어렵다. 따라서 Al 조성비가 큰 자외선 파장대역에서 광출력을 향상시키기 위한 수직형 UV-LED 소자 제작방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 광출력을 증가시키는 수직형 UV-LED 제조에 대한 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 열방출 특성을 개선할 수 있는 수직형 UV-LED 제조방법을 제시한다.
본 발명은 수직형 UV-LED 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 기판상에 순차적으로 적층된 버퍼층, n-컨택층 및 p-컨택층을 포함하는 UV-LED 에피구조를 형성하고, 기판으로부터 n-컨택층까지 연장한 비아홀을 형성하고, 비아홀 측벽에 제공되고 상기 n-컨택층에 노출되는 절연스페이스를 형성하고, 그리고 비아홀과 n-형 컨택층과 연결하는 금속전극을 형성하는 공정을 수행하는 것을 포함한다.
본 발명에서 제안된 레이저 드릴링 공정 기반의 비아홀을 이용하는 경우 장파장의 레이저를 이용함으로써 UV-LED 소자 제작 단가를 낮출 수 있다. 열방출 특성이 우수한 지지기판을 형성함으로써 열의 방출이 용이한 장점을 가진다. 또한 수직형 UV-LED 소자이므로, LED 소자의 발광면적을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 UV-LED 소자의 평면도를 나타낸다
도 2는 도1의 A-A'선에 따른 단면도를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3k는 본발명의 실시예에 따른 수직형 UV-LED 제조방법을 설명하는 단면도들을 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수직형 UV-LED 의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 기판의 부분적인 식각 및 전극층 형성을 위한 비아홀 공정을 위하여 레이저 드릴링 방법을 이용하는 수직형 UV-LED 소자 제작방법을 주된 특징으로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 수직형 UV-LED 소자의 평면도와 도 1의 A-A'선에 따른 단면도를 설명한다.
수직형 UV-LED 는 기판(100)상에 순차적으로 적층된 버퍼층(110), n-전류확산층(120), 초격자층(130), n-컨택층(140), 활성층(150), p-전류확산층(160) 및 p-컨택층(170)을 갖는 LED 에피구조를 포함한다.
기판(100)은 예를 들어 사파이어, 실리콘, 또는 SiC을 포함할 수 있다.
버퍼층(110)은 예를들어 알루미늄 나이트라이드 또는 AlxGa1 -xN(0≤x<1)을 포함할 수 있다. 버퍼층(110)은 기판(100)과 n-전류확산층(120) 사이의 격자차이에 따른 스트레스를 줄이는 역할을 한다. 따라서, 격자 결함으로 인한 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다.
n-전류확산층(120)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다.
초격자층(130)은 알루미늄 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드층 을 포함할 수 있다. 상기 초격자층은 AlN층과 AlxGa1 -xN(0≤x<1)층이 교대로 적층된 구조이다. 활성층(150)의 조성과 유사한 AlN/AlxGa1 - xN 초격자층을 n-전류확산층(120)과 활성층(150) 사이에 형성함으로써 활성층(150)에 발생되는 스트레스를 완화시킬 수 있으며, 양자우물의 결정성을 개선하여 캐리어의 재결합율을 높일 수 있다.
n-컨택층(140)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다.
활성층(150)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 방출할 수 있다. 상기 활성층(150)은 조성이 서로 다른 AlxGa1 -xN(0≤x<1)층들이 적층된 양자우물층일 수 있다. 상기 활성층(150)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
p-전류확산층(160)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다
p-컨택층(170)은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다.
p-형 전극(180)이 p-컨택층(170)위에 형성된다. 예컨대, p-형 전극(180)은 Cr/Au막으로 형성될 수 있다. p-형 전극(180)은 평면적으로 보아 제1방향으로 연장되는 제 1 p-형 전극(180) 및 제2방향으로 연장되는 제2 p-형 전극(181)을 포함할 수 있다. 제1 p-형 전극(181)과 제2 p-형 전극(182)은 서로 교차한다. P-형 전극(180)은 메쉬구조를 가질 수 있다.
기판(100)의 하부면으로부터 n-컨택층(140)까지 연장된 비아홀(101)이 제공된다.
비아홀(101)은 ICP 식각에 의해 형성된다. 비아홀(101)은 p-형 전극(180)과 중첩되도록 배치된다.
비아홀(101)의 측벽에 절연 스페이서(103)가 제공된다. 절연 스페이서(103)는 SiNx을 포함할 수 있다. 절연 스페이서(103)는 n-형 컨택층(140)을 노출한다. 비아홀(101)내에 n-형 전극층(104)을 형성하여 n-컨택층(140)에 접촉되도록 한다.
오목부(102)가 기판(100) 하부면에 제공된다. 오목부(102)는 버퍼층(110)에 노출되지 않도록 기판(100)에만 형성된다. 오목부(102)는 제1 p-형 전극(181)과 제2 p-형 전극(182) 사이의 영역에 중첩된다.
오목부(102)와 기판(100)의 후면에 활성층(150)에서 발생된 빛을 반사시킬 수 있는 반사층(105)이 형성된다. 반사층(105)는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 오목부(102)와 기판(100) 하부면의 반사층(105)으로 인해 빛이 새어 나가는 것을 막을 수 있다.
기판(100)의 하부면, 오목부(102) 및 비아홀(101)상에 금속층(106)이 형성된다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 UV-LED 제조방법을 설명하는 단면도들이다.
도 3a를 참조하여, 기판(100) 상에 순차적으로 적층되는 버퍼층(110), n-전류 확산층(120), 초격자층(130), n-컨택층(140), 활성층(150), P-전류 확산층(160) 및 p-컨택층(170)을 포함하는 UV-LED 에피구조가 형성된다.
기판(100)은 예를 들어 사파이어, 실리콘, 또는 SiC을 포함할 수 있다.
버퍼층(110)은 예를들어 알루미늄 나이트라이드 또는 AlxGa1 -xN(0≤x<1)을 포함할 수 있다. 버퍼층(110)은 기판(100)과 n-전류확산층(120) 사이의 격자차이에 따른 스트레스를 줄이는 역할을 한다. 따라서, 격자 결함으로 인한 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다.
n-전류확산층(120)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다.
초격자층(130)은 알루미늄 나이트라이드 또는 알루미늄 갈륨 나이트라이드층 을 포함할 수 있다. 상기 초격자층은 AlN층과 AlxGa1 -xN(0≤x<1)층이 교대로 적층된 구조이다. 활성층(150)의 조성과 유사한 AlN/AlxGa1 - xN 초격자층을 n-전류확산층(120)과 활성층(150) 사이에 형성함으로써 활성층(150)에 발생되는 스트레스를 완화시킬 수 있으며, 양자우물의 결정성을 개선하여 캐리어의 재결합율을 높일 수 있다.
n-컨택층(140)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다.
활성층(150)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 방출할 수 있다. 상기 활성층(150)은 조성이 서로 다른 AlxGa1 -xN(0≤x<1)층들이 적층된 양자우물층일 수 있다. 상기 활성층(150)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
p-전류확산층(160)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다
p-컨택층(170)은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다.
p-형 전극(180)이 p-컨택층(170)위에 형성된다. 예컨대, p-형 전극(180)은 Cr/Au막, Ni/Au막 또는 pt/Au막을 포함할 수 있다.
도 3b를 참조하여, 레이저 드릴링에 의한 기판의 가공시 UV-LED 에피구조의 변형이나 깨어짐을 방지하기 위하여 캐리어 기판(200)이 LED 에피구조의 상부면에 부착된다.
도 3c를 참조하여, 기판(100)의 하부면에 오목부(102)가 형성된다. 오목부(102)는 레이저 드릴링을 통해 형성 될 수 있다. 오목부(102)는 버퍼층(110)을 노출하지 않는다. 레이저를 이용하여 형성된 오목부(102)는 원형의 패턴 모양을 가지며, 크기는 50um ~ 100um 일 수 있다.
도 3d를 참조하여, 비아홀(101)이 기판(100)으로부터 n-컨택층(140)까지 연장되도록 형성한다. 비아홀(101)을 형성하기 위해 ICP 식각을 이용 할 수 있다. 이 때, 건식 식각장비를 이용한 기존의 LLO 공정을 적용하기 위해서는 매우 고가인 단파장 레이저 광원(<200nm)이 필요하게 된다. 이로 인해 LED 소자제작 단가가 높아지게 되고, 상용화에 많은 어려움을 가지게 된다. 레이저 드릴링의 경우 기존에 널리 사용되는 532nm 레이저를 이용하여 공정이 가능하며, 다양한 레이저 파장과 출력을 이용하여 비아홀(101)의 형성이 가능하다. 비아홀(101)과 오목부(102)는 전류 분포 확산을 위하여 일정 간격(10um ~ 50um)으로 배치된다
도 3e를 참조하여, 비아홀(101) 측벽에 절연 스페이서(103)가 증착된다. 이때 절연 스페이서(103)는 예를들어 SiNx을 포함할 수 있다. 절연 스페이서(103)는 이방성 식각하여 형성될 수 있다. 절연 스페이서(103)는 절연막을 형성하고, n-컨택층(140)을 노출한다.
도 3f를 참조하여, 비아홀(101) n-형 전극층(104)을 증착한다. n-형 전극층(104)은 비아홀(101)을 모두 채우지 않을 수 있다. n-형 전극층(104)은 예를 들면, Ti/Al막 또는 Ni/Au막을 포함할 수 있다.
도 3g를 참조하여, 광출력 향상을 위하여 기판(100) 하부면으로 방출되는 빛을 기판(100) 상부 및 측면으로 반사시키 위해 기판(100)의 하부면에 반사층(105)을 형성한다.
도 3h를 참조하여, 비아홀(101)을 통하여 n-형 전극층과 연결하기 위하여 금속층(106)을 형성하고, LED 소자를 지지하기 위한 support 기판(107)을 형성한다. 이 때, 열방출 특성이 우수한 support 기판(107)을 형성함으로써 열의 방출이 용이한 장점을 가진다.
도 3i를 참조하여, 기판(100)의 식각과정에서 LED 소자의 변형을 방지하기 위하여 형성한 캐리어 기판(200)을 제거한다.
도 3j를 참조하여, p-형 전극층(180)을 p-컨택층(170) 상에 형성한다. p-형 전극층(180)은 예를 들면, Cr/Au막, Ni/Au막 또는 pt/Au막을 포함할 수 있다.
도 3k를 참조하여, p-컨택층(170)과 p-형 전극층(180)을 함께 패터닝한다. p-컨택층(170)과 p-형 전극층(180)의 식각을 통해 기판(100) 상부로 방출되는 빛의 흡수를 최소화한다. p-컨택층(170)과 p-형 전극층(180)을 함께 식각 함으로써 식각의 정밀성과 효율성이 높아진다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 순차적으로 적층된 버퍼층, n-컨택층 및 p-컨택층을 포함하는 에피(epi)구조를 형성하는 것;
    레이저를 이용하여 상기 기판의 하부면에 상기 버퍼층을 노출시키지 않는 오목부들을 형성하는 것, 상기 오목부들은 제1 폭 및 제2 폭을 가지고, 상기 제1 폭은 상기 제2 폭보다 작고;
    상기 제1 폭을 가지는 오목부들을 건식 식각 공정을 이용하여 복수개의 비아홀들을 형성하는 것,상기 비아홀들은 상기 기판으로부터 상기 n-컨택층까지 연장되고;
    상기 비아홀들 각각의 측벽에 제공되고, 상기 n-컨택층을 노출시키는 절연 스페이서를 형성하는 것;
    상기 각각의 비아홀 내에 상기 n-컨택층과 접촉하고, 상기 각각의 비아홀들의 일부를 채우는 n-형 전극을 형성하는 것, 상기 n-형 전극은 상기 절연 스페이서의 일부를 노출시키고;
    상기 기판의 하부면에 반사층을 형성하는 것, 상기 반사층은 상기 n-형 전극 및 상기 절연 스페이서를 덮고;
    상기 기판의 하부면, 오목부 및 비아홀들 상에 금속층을 형성하는 것,상기 금속층은 상기 반사층을 사이에 두고 상기 n-형 전극과 이격하되, 상기 반사층과 접촉하고;
    p-형 전극들을 p-컨택층 상에 형성하는 것을 포함하되, 상기 p-형 전극들은 상기 비아홀과 수직으로 중첩하되,상기 오목부들과는 수직으로 중첩하지 않는 수직형 자외선 발광 다이오드(UV-LED) 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 알루미늄 나이트라이드 또는 알루미늄-갈륨-나이트라이드(AlxGa1-xN(0≤x<1))를 포함하는 수직형 자외선 발광 다이오드(UV-LED) 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 비아홀들 및 상기 오목부들은 10um 내지 50um의 일정 간격으로 배치되는 수직형 UV-LED 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 비아홀들을 형성하는 것은 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 공정을 포함하는 수직형 자외선 발광 다이오드(UV-LED) 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 532nm 파장을 가지는 수직형 자외선 발광 다이오드(UV-LED) 제조방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 p-형 전극들을 형성하는 것은:
    상기 n-형 전극을 형성한 후에,
    상기 p-컨택층 상에 p-형 전극층을 형성하는 것; 및
    상기 p-형 전극층을 패터닝하는 것을 포함하는 수직형 자외선 발광 다이오드 (UV-LED) 제조방법.
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