KR20050071238A - 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판 상에 트랜치(trench) 구조물을 형성하여 확산층의 표면적을 증가시킴으로써 발광 면적을 넓히고 그에 따라 휘도를 크게 높일 수 있도록 한 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 종래 발광 소자들은 평면 기판 상에 활성층을 2차원 평면으로 배치하고, 그 상하부에 연결된 접촉 전극을 외부 전극과 연결하는 구조를 사용하므로 소자의 크기에 의해 발광 효율이 결정되며, 제한된 크기로 효율이 높은 발광 소자를 제조하기 어려워 비용이 높은 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 발광 소자가 제작되는 기판을 하프컷 다이싱이나 식각하여 그 상부 일부에 다양한 형태의 트랜치를 형성한 후 그 상부에 발광 소자를 제조하도록 한 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공함으로써 기존의 2차원 평면상에 발광 영역을 형성하는 방법에 비해 빛이 발생하는 활성층, 재결합 효율을 증가시키는 클래딩층 및 캐리어를 공급하는 접촉층의 영역을 넓혀 소자의 제조 영역에 대비한 광 휘도 및 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법{HIGH BRIGHTESS LIGHTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판 상에 트랜치 구조물을 형성하여 확산층의 표면적을 증가시킴으로써 발광 면적을 넓히고 그에 따라 휘도를 크게 높일 수 있도록 한 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 광 방출 소자는 단순한 발광을 이용한 표시 장치로서 사용되었으나, 최근에는 다양한 파장 및 에너지를 가지는 광원으로서의 가능성이 연구되고 있다. 현재 활발하게 사용되는 발광소자로서는 레이저 다이오드(Laser Diode:LD)와 발광 다이오드(Light Emitting Diode:LED)로 크게 나눌 수 있는데, LD는 광통신 분야에서 광원으로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 컴팩트 디스크(CD) 재생기, 컴팩트 디스크 기록 재생기(CD-RW) 분야 뿐만 아니라, DVD 재생기, 레이저 디스크(LD) 재생기, 미니 디스크(MD) 재생기 등의 광 미디어 분야에서도 중요한 부품으로 사용되고 있다. 또한, LED는 일반적인 표시 장치는 물론이고 조명장치나 엘씨디(LCD) 표시장치의 백라이트 소자에도 응용되는 등 적용 영역이 점차 다양해 지고 있다.

특히 LED는 비교적 낮은 전압으로 구동이 가능하면서도 높은 에너지 효율로 인해 발열이 낮고 수명이 긴 장점을 가지고 있으며, 종래에는 구현이 어려웠던 백색광을 고휘도로 제공할 수 있는 기술이 속속 개발됨에 따라 현재 사용되는 대부분의 조명 장치(형광등이나 백열등 전구, 신호등이나 자동차용 라이트등)를 대체할 꿈의 기술로 기대되고 있다.

이러한 LED를 어레이(array)로 배열하여 자체 발광이 어려운 표시 소자의 백라이트로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 최근 사용이 급증하고 있는 박막 필름 트랜지스터(TFT) LCD에서 사용되는 냉음극관(CCFL)을 대체할 수 있는 백라이트 광원으로 기대를 모으고 있다.

이러한 LED나 LD와 같은 직접 천이형 화합물 반도체의 3-5족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 소자들은 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발에 따라 녹색, 청색 및 자외선과 같은 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로서 효율이 좋은 백색 광선도 구현 가능하여 언급한 바와 같은 다양한 용도로 사용될 수 있다.

이러한 다양한 용도로 사용되기 위한 필수 조건으로는 낮은 동작 전압과 높은 휘도가 제공되어야 한다.

도 1은 일반적인 LED(10)의 구조를 보이는 단면도로서, 도시한 바와 같이 사파이어나 n-GaAs 등의 기판(11) 상부에 순차적으로 버퍼층(12), n-접촉(n-contact)층(13), 활성층(14), p-접촉층(15)을 화학 기상 증착 기법에 의하여 연속 증착하고, 사진 식각 공정 및 습식/건식 식각 방법에 의하여 n-접촉층(13)이 노출되도록 메사(MESA)패터닝 한다. 이후, 형성된 구조물 상부에 광 투과가 용이한 투명전극으로 전류확산층(16)을 증착하고 전기적인 연결을 위하여 구조물 상부의 p-접촉층 (15) 및 전류확산층(16) 상부에 p-전극(17-p)을 형성하고 노출된 n-접촉층(13) 상에 n-전극(17-n)을 형성한다. 비록 도시되지는 않았지만, n-접촉층(13)과 활성층(14) 사이에는 n-클래딩(clading)층이 형성되고 활성층(14)과 p-접촉층(15) 사이에는 p-클래딩층이 형성된다.

상기와 같이 구성된 발광 다이오드는 p-전극(17-p)과 n-전극(17-p) 사이에 전압을 인가하는 것으로 발광하게 되는데, 전압이 인가되면 p-전극(17-p)과 n-전극(17-n)으로 정공과 전자가 주입되고 활성층(14)에서 정공과 전자가 재결합하면서 여분의 에너지가 광으로 변환되어 외부로 방출되는 원리를 이용한다. 즉, 상기 활성층(14)의 표면적과 특성이 발광효율을 결정하게 되는데, 종래에는 상기 클래딩층을 활성층(14)의 상하부에 형성하는 방법등을 사용하였다.

하지만, 종래와 같은 구조에서는 2차원 평면상에 형성되는 활성층(14)의 표면적이 효율을 결정하므로 소자의 크기에 비해 효율이 낮고, 하나의 웨이퍼로부터 생산할 수 있는 고휘도 칩의 수가 한정되므로 제조 비용이 높아지게 된다.

상기한 바와 같이 종래 발광 소자들은 평면 기판 상에 활성층을 2차원 평면으로 배치하고, 그 상하부에 연결된 접촉 전극을 외부 전극과 연결하는 구조를 사용하므로 소자의 크기에 의해 발광 효율이 결정되며, 제한된 크기로 효율이 높은 발광 소자를 제조하기 어려워 비용이 높은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 발광소자의 기판 상에 다양한 구조의 트랜치를 형성하도록 하여 그 상부에 형성될 활성층의 표면적을 증가시키고 발광 영역을 확장시켜 효율을 높이며, 동일한 휘도를 가지는 고휘도 발광소자를 작은 크기에서 실현하도록 함으로써 비용과 수율을 높일 수 있도록 한 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 다양한 트랜치 구조를 가지는 발광소자 기판과; 상기 기판 상에 상기 형성된 트랜치 구조에 따라 차례로 형성된 버퍼층, n-접촉층, 활성층, p-접촉층 및 상기 각 접촉층에 연결된 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 발광소자 제조를 위한 기판의 상부 일부 영역에 하프컷 다이싱이나 식각을 통해 표면적 향상을 위한 트랜치를 형성하는 단계와; 상기 형성된 구조물 상부에 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 형성된 버퍼층 상부에 발광 소자의 종류에 따라 상이한 방식으로 접촉층, 활성층 및 전극을 포함하는 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판 상에 트랜치를 형성하는 단계는 기 설정된 발광 면적에 따라 선택된 V형이나 U형 다이싱 블래이드를 이용하여 기판의 일부만을 절삭하여 트랜치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판 상에 트랜치를 형성하는 단계는 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 상기 기판의 일부를 이방성 건식 식각, 습십 식각, 또는 등방성 건식 식각하도록 하여 원하는 발광 면적을 원하는 영역에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 3은 각각 본 발명 실시예들에 사용되는 발광소자용 기판(21)에 트랜치(trench)를 형성하는 과정을 보인 것으로, 소정 형태의 다이싱 블래이드(dicing blade)(30)를 이용하여 기판의 일부만을 절삭하는 히프컷 다이싱(half cut dicing) 기법으로 기판 상에 다양한 형태의 트랜치를 형성한 것이다.

상기 방법을 적용할 수 있는 발광소자용 기판(21)으로서는 사파이어(Al2O3) 기판, 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 질화갈륨(GaN) 기판이 있으며, 그 외에도 현재 연구가 진행중인 실리콘 기판 등 발광 소자를 형성하기 위해 사용될 수 있는 모든 종류의 기판에 본 발명의 하프컷 다이싱 방법을 적용할 수 있다.

도 2a는 V형 다이싱 블래이드를 이용하는 방법을 보인 것으로 도시한 바와 같이 발광소자용 기판(21)을 V형 다이싱 블래이드(30-V)로 일부 절삭하는데, 발광 소자의 형광층이 형성될 영역에 대해서만 소정 방향으로 연속하여 지그재그 절삭하게 되면 도 2b와 같은 구조를 형성할 수 있게 된다. 이 경우 이후 전극이 형성되어야 하는 부분에는 트랜치를 형성하지 않는다는데 주의한다.

특히 상기 V형 다이싱 블래이드(30-V)를 사용하는 경우 기판의 표면과 이루는 사이 각을 변형하기 쉬우므로 이후 활성층이 형성될 발광 면적을 쉽게 변형할 수 있어 원하는 효율을 가지는 발광 소자를 얻기 쉬우며, 원하는 칩 크기로 원하는 효율을 가지는 발광 소자를 제조하기 용이하다. 또한 이후 발광 소자를 형성하기 위한 제조 과정에서 2차원 사진식각 공정을 적용할 수 있어 공정이 용이해진다.

도 3a는 U형 블래이드(30-U)를 이용하는 방법으로, 이를 적용하는 경우 도 3b와 같은 형태의 트랜치를 형성할 수 있다. 이 경우 역시 적용하는 블래이드의 폭이나 절삭 깊이등을 조절하여 원하는 표면적을 가지는 트랜치를 형성할 수 있어 광 효율을 조절할 수 있다. 하지만, 도 2a내지 도 2b에 도시한 경우 보다는 발광 소자 형성 공정에 제약이 따르게 된다. 즉, 이후 공정에서 일반적인 사진 식각 공정을 사용할 수 없고 3차원 사진식각 공정을 적용해야 한다. 하지만, 최근의 공정에서 이러한 3차원 사진 식각 공정이 적용되고 있으므로 어렵지 않게 구현할 수 있다.

상기와 같이 다이싱 블래이드를 이용한 하프컷 다이싱은 공정 시간이 빠르며, 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있고, 공정 정밀도 역시 원하는 공차 범위에 속할 정도로 정밀하다. 특히 절삭면이 유리질의 표면 정도로 대단히 깨끗하기 때문에 후속하는 박막 공정을 적용하는데 무리가 없다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명 다른 실시예에 적용되는 트랜치 형성 과정을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 사진 식각 공정을 이용하여 트랜치를 형성하는 방법이다. 도시된 것은 발광소자용 기판(21) 상에 포토레지스트 패턴(31)을 형성(도 4b)한 후, 상기 포토레지스트 패턴(31)을 마스크로 하여 상기 기판(21)의 일부를 이방성 건식 식각하여 트랜치를 형성(도 4c)한 것이다.

하지만, 상기 패턴을 이용하여 습식 식각, 등방성 건식 식각을 실시하여 상이한 형태의 식각면을 형성할 수도 있다는데 주의한다.

따라서, 상기 언급한 본 발명의 기판 구조는 기존의 2차원 평면 형태의 구조에 비해 표면적이 증가되며, 이는 발광 조사의 발광영역을 넓히는 역할을 하게 된다.

도 5는 본 발명 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 V형 트랜치를 가지는 발광소자용 기판(21) 상에 발광을 위한 물질층들이 형성된 구조이다.

상기 발광 다이오드(20)의 구성을 보면, 먼저, V형 트랜치가 일부 영역에 형성된 기판(21) 상부에 차례로 버퍼층(22), n-접촉층(23), n-클래딩층(미도시), 활성층(24), p-클래딩층(미도시), p-접촉층(25), 전류확산층(26)이 배치되며, 노출된 n-접촉층(23) 상부에 n-전극(27-n)이 위치하고 전류 확산층(26) 상부에 p-전극(27-p)이 위치한다.

상기 구조에서 알 수 있듯이 상기 트랜치가 형성된 영역에는 발광 영역에 속하는 접촉층(23, 25) 및 활성층(24)이 위치하며, 트랜치가 형성되지 않은 영역에는 전극(27-p, 27-n)이 위치한다. 이를 통해 실제 발광이 실시되는 영역인 활성층(24)의 표면적이 늘어나 휘도가 증가하게 된다.

즉, 동일 휘도의 소자를 형성하기 위해서 필요한 기판의 면적이 줄어들게 되므로 하나의 웨이퍼에서 다수의 소자들이 제조될 수 있으며, 동일한 수의 소자를 형성하는 경우 휘도가 더 높은 발광 소자를 제조할 수 있게 된다.

상기 도 5를 제조하는 과정을 도 6a 내지 6d에 도시한 수순단면도를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, V형 트랜치를 형성한 발광소자용 기판(21)을 준비하고 일반적인 세정과정을 통해 세정한다. 상기 구조를 가지는 기판을 형성하는 방법은 이미 도 2a 내지 도 2b를 통해 설명한 바 있다.

그 다음, 도 6b에 도시한 바와 같이 상기 기판(21) 상에 반도체층을 증착하기 위해 금속 유기 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD), 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy:MBE), 액상 에피텍시(Liquid Phase Epitaxy:LPE)등의 방법에 의해 버퍼층(22)과 n-접촉층(23)을 형성한다.

그 다음, 도 6c에 도시한 바와 같이 상기 n-접촉층(23) 상부에 연속적으로 상기 MOCVD, MBE, LPE등의 박막 증착 방법을 통해 n-클래딩층(미도시), 활성층(24), p-클래딩층(미도시), p-접촉층(25)을 형성한다.

그 다음, 도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 구조물을 반응로에서 꺼낸 후 상기 트랜치가 형성되지 않은 영역 상부의 n-접촉층(23)을 노출시키기 위해 메사(MESA) 식각한 후 상기 p-접촉층(25) 상부에 얇은 Ni/Au 혹은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 전류 확산용 투명 금속을 형성하여 전류확산층(26)을 형성한다.

그 다음, 결과물인 도 5에 도시한 바와 같이, 기판 상부에 전기적 절연을 위한 절연층(미도시)을 형성하고, 외부 회로와 연결이 필요한 부분(전류확산층(26)의 일부와 n-접촉층(23)의 일부) 상에 형성된 절연층을 패터닝한다. 이후 상기 패터닝된 영역에 전극을 형성하는데, 상기 p-접촉층(25) 상부 전류확산층(26)에는 p-전극(27-p), 상기 n-접촉층(23) 상부에는 n-전극(27-n)이 위치되도록 한다.

상기와 같이 형성된 발광소자를 칩 형태로 다이싱 한 후 직접 사용하거나 패키지를 구성하여 다양한 용도로 활용할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 고휘도 발광 소자 및 그 제조 방법은 발광 소자가 제작되는 기판을 하프컷 다이싱이나 식각하여 그 상부 일부에 다양한 형태의 트랜치를 형성한 후 그 상부에 발광 소자를 제조하도록 함으로써, 기존의 2차원 평면상에 발광 영역을 형성하는 방법에 비해 빛이 발생하는 활성층, 재결합 효율을 증가시키는 클래딩층 및 캐리어를 공급하는 접촉층의 영역을 넓혀 소자의 제조 영역에 대비한 광 휘도 및 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명 일 실시예에 따른 트랜치 형성 과정을 보인 수순도.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명 다른 실시예에 따른 트랜치 형성 과정을 보인 수순도.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명 또다른 실시예에 따른 트랜치 형성 과정을 보인 수순도.

도 5는 본 발명 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명 일 실시예에 다른 발광 다이오드 제조과정을 보인 수순 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20: 발광 다이오드 21: 기판

22: 버퍼층 23: n-접촉층

24: 활성층 25: p-접촉층

26: 전류확산층 27: 전극

Claims (8)

1. 다양한 트랜치 구조를 가지는 발광소자 기판과; 상기 기판 상에 상기 형성된 트랜치 구조에 따라 차례로 형성된 버퍼층, n-접촉층, 활성층, p-접촉층 및 상기 각 접촉층에 연결된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 트랜치 구조를 가지는 발광소자 기판은 V 형 구조와 U형 구조를 포함하는 복잡한 표면적 증가 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 트랜치 구조를 가지는 발광소자 기판은 V형 구조의 트랜치를 가지며 기판과의 사이각 변경을 통해 발광면적 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자.
4. 발광소자 제조를 위한 기판의 상부 일부 영역에 하프컷 다이싱이나 식각을 통해 표면적 향상을 위한 트랜치를 형성하는 단계와; 상기 형성된 구조물 상부에 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 형성된 버퍼층 상부에 발광 소자의 종류에 따라 상이한 방식으로 접촉층, 활성층 및 전극을 포함하는 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 기판 상에 트랜치를 형성하는 단계에서, 트랜치를 형성하는 기판의 일부 영역은 이후 활성층이 형성될 영역으로 한정되며 이후 전극이 형성될 부분은 트랜치를 형성하지 않는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자 제조방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 기판 상에 트랜치를 형성하는 단계는 기 설정된 발광 면적에 따라 선택된 V형이나 U형 다이싱 블래이드를 이용하여 기판의 일부만을 절삭하여 트랜치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자 제조방법.
7. 제 4항에 있어서, 상기 기판 상에 트랜치를 형성하는 단계는 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 상기 기판의 일부를 이방성 건식 식각, 습십 식각, 또는 등방성 건식 식각하도록 하여 원하는 발광 면적을 원하는 영역에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자 제조방법.
8. 제 4항에 있어서, 상기 발광소자 제조를 위한 기판은 사파이어 기판, 갈륨 아세나이드 기판, 실리콘 카바이드 기판, 질화갈륨 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 소자 제조방법.