KR20050090186A

KR20050090186A - 발광 다이오드의 제조 방법

Info

Publication number: KR20050090186A
Application number: KR20040015431A
Authority: KR
Inventors: 장준호; 하준석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-13
Also published as: KR100593536B1

Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하고, 사파이어 기판을 제거함으로써, 발광 다이오드의 광전 특성을 향상시키고, 발광 다이오드를 열전도율이 우수한 전도성 기판에 접합시킴으로써, 소자의 열특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

발광 다이오드의 제조 방법 {Method of fabricating light emitting diode}

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하고, 사파이어 기판을 제거함으로써, 발광 다이오드의 광전 특성을 향상시키고, 발광 다이오드를 열전도율이 우수한 전도성 기판에 접합시킴으로써, 소자의 열특성을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, III-V족 화합물 반도체는 직접 천이형으로 되어 있어, 발광효율이 높고, In 농도 조절을 통해 적색부터 보라색 및 자외선 영역까지 발광 파장으로 사용할 수 있고, 특히, 단파장 발광 소자 용도로 유용하게 되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 업(Up) 방식으로 조립된 발광 다이오드의 개략적인 구성 단면도로서, 업 방식으로 조립되는 발광 다이오드는 사파이어 기판(10) 상부에 N-GaN층(11), 활성층(12)과 P-GaN층(13)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 P-GaN층(13)에서 N-GaN층(11) 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 P-GaN층(13) 상부에 투명전극(14)과 P-금속층(15)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 N-GaN층(11) 상부에 N-금속층(16)이 형성되어 있다.

이렇게 구성된 발광 다이오드를 몰딩컵에 접착제(18)를 이용하여 본딩하고, 하나의 외부 인출 리드와 연결된 제 1 리드프레임(19a)과 N-금속층(13)을 와이어 본딩하고, 다른 하나의 외부 인출 리드와 연결된 제 2 리드프레임(19b)과 P-금속층(15)을 와이어 본딩하여 업 방식으로 조립한다.

이러한 발광 다이오드는 낮은 열전도도를 갖는 사파이어 기판에 제조되기 때문에, 소자 동작시 발생하는 열을 원활히 방출하기가 어려워, 소자의 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

이를 개선하기 위하여, 발광 다이오드를 다운(Down) 방향으로 조립할 수 있는 플립칩(Flip chip) 방식으로 발광 다이오드를 제조하려는 시도가 있었다.

도 2는 종래 기술에 따른 플립칩(Flip chip) 방식으로 조립된 발광 다이오드의 개략적인 구성 단면도로서, 플립칩 방식으로 조립되는 발광 다이오드는 사파이어 기판(20) 상부에 n타입 GaN층(21), 활성층(22)과 P-GaN층(23)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 P-GaN층(23)에서 N-GaN층(21) 일부까지 메사(Mesa)식각 되어있고; 상기 P-GaN층(23) 상부에 투명전극(24), 반사막(25)과 UBM층(25)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 N-GaN층(21) 상부에 N-금속층(27)이 형성되어 있다.

이러한, 발광 다이오드를 뒤집어서, 상기 N-금속층(27)과 UBM(Under Bump Metalization)층(25)을 솔더(31,32)와 함께 리플로우(Reflow)하여 서브 마운트 기판(50)의 상부에 형성된 전극패드(51,52)에 플립칩 본딩한다.

전술된 종래의 플립칩 방식의 발광 다이오드는 서브 마운트 기판에 플립칩 본딩을 위한 UBM층을 형성하여야 한다.

한편, 발광 다이오드의 P-GaN층 상부에 형성되는 전극은 P-GaN층과 오믹(Ohmic) 컨택(Contact)이 되어야 하는데, P-GaN층과 오믹 컨택을 이루는 금속은 제한적이며, 통상 P-GaN층 상부에 투명전극을 증착하여 오믹 컨택을 형성하였다,

그리고, 그 투명전극 상부에 반사막과 UBM층, 그리고 솔더를 순차적으로 증착하여 리플로우(Reflow)시켜 플립칩 방식의 발광 다이오드를 제조하였다.

그러나, 증착된 반사막과 P-전극인 투명전극과 반응하여 오믹 컨택에서 저항이 높은 쇼트키(Shottky) 컨택으로 바뀌게 된다.

이로 인해, 접촉저항이 커지게 되어 작동전압이 증가하게 되는 단점을 가지고 있다.

또한, 반사막 표면이 반응에 의하여, 원치않는 응집작용(Agglomeration) 발생되어, 이로 인한 반사 효율이 40-60%정도로 떨어지게 되는 문제점이 발생된다.

이러한, 발광 다이오드는 열을 낮은 열 전도도(Thermal conductivity)를 갖는 사파이어 기판 상에 제조되고 조립 시 남아 있기 때문에, 소자 동작 시 발생하는 열의 원활한 방출을 방해하여 소자의 특성 저하를 유발시키게 되는 문제점을 야기시킨다.

또한, 발광 다이오드에는 사파이어 기판이 존재함으로 인하여, 활성층에서 사파이어 기판으로 진행하는 광을 반사시키기 어려워 외부로 방출되는 광량이 줄어드는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하고, 사파이어 기판을 제거함으로써, 발광 다이오드의 광전 특성을 향상시키고, 발광 다이오드를 열전도율이 우수한 전도성 기판에 접합시킴으로써, 소자의 열특성을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 사파이어 기판 상부에 N-GaN층, 활성층과 P-GaN층을 순차적으로 형성하고, 상기 P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하는 제 1 단계와;

상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택(Ohmic contact)용 및 반사용 전극을 형성하는 제 2 단계와;

상기 오믹 컨택용 및 반사용 전극 상부에 솔더를 증착하는 제 3 단계와;

UBM층이 형성된 전도성 기판을 상기 UBM층이 상기 솔더 상부에 접촉되도록 올려놓고 본딩하는 제 4 단계와;

상기 사파이어 기판 하부에서 레이저광을 조사하여, 상기 N-GaN층으로부터 상기 사파이어 기판을 분리시키는 리프트 오프(Lift-off) 공정을 수행하는 제 5 단계와;

상기 N-GaN층 하부에 N-메탈층을 형성하는 제 6 단계로 구성된 발광 다이오드의 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정 단면도로서, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(100) 상부에 N-GaN층(110), 활성층(120)과 P-GaN층(130)을 순차적으로 형성하고, 상기 P-GaN층(130) 상부에 N+ 질화물 반도체층(140)을 형성한다.

이 때, 상기 N+ 질화물 반도체층(140)은 GaN층, InGaN층, AlGaN층과 InAlGaN층 중 선택된 어느 하나의 층 또는 둘 이상이 조합되어 적층된 층으로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 N+ 질화물 반도체층(140)은 질화물 반도체층에 10¹⁸ ~ 10¹⁹/㎝³의 n타입 캐리어를 도핑하여 형성하는 것이 바람직하고, n+ 질화물 반도체층(140)의 두께는 20 ~ 100Å인 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹 컨택(Ohmic contact)용 및 반사용 전극(150)을 형성한다.(도 3b)

여기서, 상기 P-GaN층(130) 상부에 N+ 질화물 반도체층(140)을 형성하고, 상기 N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150)을 형성하면, 발광 다이오드가 제조된 후, 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150)을 통하여 주입된 정공은 N+ 질화물 반도체층(140)을 터널링(Tunneling)하여 P-GaN층(130)에 공급됨으로써, 전기적인 특성이 향상되게 된다.

그러므로, 종래에는 P-GaN층에 형성되는 오믹 컨택용 전극 물질이 제한적이나, 본 발명에서는 N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹 컨택용 전극을 형성하여 종래보다 전극 물질의 선택 폭을 더 넓힐 수 있는 장점이 있다.

그 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150) 상부에 솔더(160)를 증착한다.

그리고, 전도성 기판(200) 상부에 UBM(Under Bump Metalization)층(210)을 형성한다.(도 3d)

여기서, 상기 UBM층(210)은 솔더(160)와의 본딩을 원활히 수행하기 위하여 형성하는 것이며, Ti/Pt/Au와 같은 적층구조로 형성한다.

그리고, 상기 전도성 기판(200)은 발광 다이오드의 열방출을 용이하게 하기 위하여 열전도도가 우수하고 전기 전도성이 우수한, Si, Cu, W와 Mo 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

계속하여, 상기 전도성 기판(200)의 UBM층(210)이 상기 솔더(160) 상부에 접촉되도록 상기 전도성 기판(200)을 뒤집어서 올려놓고 본딩한다.(도 3e)

연이어, 상기 사파이어 기판(100) 하부에서 레이저광을 조사하여, 상기 N-GaN층(110)으로부터 상기 사파이어 기판(100)을 분리시키는 리프트 오프(Lift-off) 공정을 수행한다.(도 3f)

이 때, 레이저광은 엑시머 레이저 또는 NdYAG 레이저 등을 이용한다.

도 3f의 리프트 오프 공정에 의하여, 도 3g와 같이, 상기 N-GaN층(110) 하부에는 사파이어 기판(100)이 존재하지 않는다.

마지막으로, 상기 N-GaN층(110) 하부에 N-메탈층(300)을 형성한다.

도 4a와 4b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도로서, 본 발명에서 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하는 방법은 도 4a와 같이, N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹용 전극(150a)과 반사용 전극(150b)을 순차적으로 형성하는 방법이 있고 또는, 도 4b에 도시된 바와 같이, N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹용 전극과 반사용 전극의 합금으로 이루어진 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150c)을 형성하는 방법이 있다.

즉, 상기 오믹용 전극(150a) 물질은 일함수가 높은 Se, Pt, Ir, Ni, Pd, Au와 Co 중 선택된 어느 하나이며, 이들 물질은 N+ 질화물 반도체층(140)과 오믹 컨택용이 된다.

그리고, 상기 반사용 전극(150b) 물질은 Ag, Rh, Cu와 Al 중 선택된 어느 하나이다.

또한, 상기 도 4b와 같이, N+ 질화물 반도체층(140) 상부에 오믹용 전극과 반사용 전극의 합금으로 이루어진 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150c)은 상기 오믹용 전극과 반사용 전극이 혼합된 AgPdCu와 같은 합금으로 형성한다.

도 5는 본 발명에 따라 오믹 컨택용 및 반사용 전극과 솔더 사이에 UBM층을 형성한 상태를 도시한 단면도로서, 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150)에 솔더(160)의 본딩력을 향상시키기 위하여, 상기 오믹 컨택용 및 반사용 전극(150) 상부에 UBM층(190)을 형성하고, 그 UBM층(190) 상부에 솔더(160)를 형성한다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하고, 사파이어 기판을 제거함으로써, 발광 다이오드의 광전 특성을 향상시키고, 발광 다이오드를 열전도율이 우수한 전도성 기판에 접합시킴으로써, 소자의 열특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 업(Up) 방식으로 조립된 발광 다이오드의 개략적인 구성 단면도

도 2는 종래 기술에 따른 플립칩(Flip chip) 방식으로 조립된 발광 다이오드의 개략적인 구성 단면도

도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정 단면도

도 4a와 4b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 오믹 컨택용 및 반사용 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도

도 5는 본 발명에 따라 오믹 컨택용 및 반사용 전극과 솔더 사이에 UBM층을 형성한 상태를 도시한 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 사파이어 기판 110 : N-GaN층

120 : 활성층 130 : P-GaN층

140 : N+ 질화물 반도체층

150 : 오믹 컨택(Ohmic contact)용 및 반사용 전극

150a : 오믹용 전극 150b : 반사용 전극

60 : 솔더

190,210 : UBM(Under Bump Metalization)층

200 : 전도성 기판 300 : N-메탈층

Claims

사파이어 기판 상부에 N-GaN층, 활성층과 P-GaN층을 순차적으로 형성하고, 상기 P-GaN층 상부에 N+ 질화물 반도체층을 형성하는 제 1 단계와;

상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹 컨택(Ohmic contact)용 및 반사용 전극을 형성하는 제 2 단계와;

상기 오믹 컨택용 및 반사용 전극 상부에 솔더를 증착하는 제 3 단계와;

하부에 UBM(Under Bump Metalization)층이 형성된 전도성 기판을 상기 UBM층이 상기 솔더 상부에 접촉되도록 올려놓고 본딩하는 제 4 단계와;

상기 사파이어 기판 하부에서 레이저광을 조사하여, 상기 N-GaN층으로부터 상기 사파이어 기판을 분리시키는 리프트 오프(Lift-off) 공정을 수행하는 제 5 단계와;

상기 N-GaN층 하부에 N-메탈층을 형성하는 제 6 단계로 구성된 발광 다이오드의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 N+ 질화물 반도체층은,

GaN층, InGaN층, AlGaN층과 InAlGaN층 중 선택된 어느 하나의 층 또는 둘 이상이 조합되어 적층된 층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 N+ 질화물 반도체층은,

질화물 반도체층에 10¹⁸ ~ 10¹⁹/㎝³의 n타입 캐리어를 도핑하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 n+ 질화물 반도체층의 두께는 20 ~ 100Å인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전도성 기판은,

Si, Cu, W와 Mo 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 오믹 컨택용 및 반사용 전극은,

상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹용 전극과 반사용 전극을 순차적으로 형성하거나 또는, 상기 N+ 질화물 반도체층 상부에 오믹용 전극과 반사용 전극의 합금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 오믹용 전극 물질은,

Se, Pt, Ir, Ni, Pd, Au와 Co 중 선택된 어느 하나이며,

상기 반사용 전극 물질은,

Ag, Rh, Cu와 Al 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조 방법.