KR20060016177A - 레이저를 이용하여 발광 다이오드 기판을 표면 처리하는발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 발광 다이오드 기판의 표면 처리 과정을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것이다. 본 발명은 레이저빔을 사파이어 기판에 투사하여 미세한 요철 형상을 형성하므로 발광 다이오드의 기판을 종래기술에 비해 더욱 미세하게 표면 처리할 수 있다. 따라서, 발광 다이오드의 광추출효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 종래기술에서 문제되는 화학적 식각 및/또는 물리적 연마에 따른 기판의 스트레스나 결함 등을 방지할 수 있다.
발광 다이오드, 전반사, 광손실, 스트레스, 레이저, 요철

Description

레이저를 이용하여 발광 다이오드 기판을 표면 처리하는 발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드{FABRICATION METHOD OF LIGHT EMITTING DIODE INCORPORATING LASER SURFACE TREATMENT OF SUBSTRATE AND LIGHT EMITTING DIODE FABRICATED THEREBY}
도 1과 2는 플립 칩 타입 발광 다이오드에서 발생하는 광손실을 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다.
도 9 내지 11은 본 발명에 따라 발광 다이오드의 사파이어 기판에 미세 요철 구조를 형성하는 장치의 실시예들을 보여주는 사시도이다.
<도면의 주요 부분의 부호의 설명>
102, 202, 302: 기판 104, 204, 304: n-GaN층
106, 206, 306: 활성층 108, 208, 308: p-GaN층
110, 210, 310: p-전극 112, 214, 314: n-전극
114, 116, 214, 216, 314, 316: 솔더 범프
120, 222, 320, 322: 미세 요철 형상
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것이며, 구체적으로는 레이저를 이용한 발광 다이오드 기판의 표면 처리 과정을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 레이저를 이용하여 발광 다이오드의 기판을 종래기술에 비해 더욱 미세하게 표면 처리함으로써 발광 다이오드의 광추출효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 종래기술에 서 문제되는 화학적 식각 및/또는 물리적 연마에 따른 기판의 스트레스나 결함 등을 방지할 수 있다.
일반적으로, InAlGaN 등의 질화물계 반도체 또는 질화물 반도체는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자 또는 LED(Light Emitting Diode) 등에 사용되고 있다. 질화물 반도체의 대표적인 조성식은 AlxInyGa(1-x-y)N이며, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1이다. 질화물 반도체는 유기화학기상증착(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 사파이어 등의 기판 상에 n형 클래딩층, 활성층, p형 클래딩층 등의 질화물 에피택시층을 성장시켜 제조된다.
발광 다이오드의 광효율(light emitting efficiency)은 외부에서 주입된 전류에 대한 발광 다이오드 내부에서 발생되는 광량을 나타내는 내부양자효율(internal quantum efficiency)과 발광 다이오드 외부에서 측정된 광량을 나타내는 외부양자효율(external quantum efficiency)에 의해 결정된다. 여기서 외부양자효율은 내부양자효율과 광추출효율(extraction efficiency)의 곱으로 표현된다. 따라서, 발광 다이오드의 광효율을 높이기 위해서는 내부양자효율 뿐만 아니라 외부양자효율을 개선하는 것이 중요하다. 일반적으로 내부양자효율은 주로 활성층의 구조와 에피택시 막질에 의해 결정되며, 외부양자효율은 재료의 굴절률과 표면 평활도(flatness)에 의해 결정된다.
한편, 현재 플립 칩 타입의 발광 다이오드 사용이 증가하고 있는 추세인데, 플립 칩 타입 발광 다이오드의 경우 활성층에서 발생한 빛은 사파이어 등의 기판을 통해 외부로 방출된다. 따라서, 이와 같은 발광 다이오드의 외부양자효율은 기판과 버퍼층 또는 n-클래딩층 사이의 계면 상태와 기판 외면의 표면 상태에 의해 정해진다.
이하 이와 같은 플립 칩 타입 발광 다이오드에서 발생하는 문제를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)는 사파이어 등의 기판(12)에 n-GaN층(14), 활성층(16) 및 p-GaN층(18)을 순차적으로 성장시킨 다음 상기 n-GaN층(14)의 일부가 노출되도록 전체 구조를 메사 식각한다. 그런 다음 p-GaN층(18)과 n-GaN층(14)의 노출된 일부 영역에 각각 p- 및 n-전극(20, 22)을 형성한다. 이때, p-전극(20)은 활성층(16)에서 발생하는 빛을 사파이어 기판(12) 쪽으로 반사시키도록 가능한 p-GaN층(18) 전체를 덮도록 형성되며, 높은 반사율을 갖는 은 또는 알루미늄이 적절하며, 특히 은이 바람직하다. 전극(20, 22)을 형성하여 완성된 발광 다이오드(10)는 도전성 페이스트로 된 솔더 범프(24, 26)에 의해 기판에 장착되고 그 패턴에 전기적으로 연결된다.
하지만 이와 같은 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)는 다음과 같은 문제를 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 활성층(16)에서 발생한 빛(L1)은 p-전극(20)에 반사된 다음 사파이어 기판(12)에 진입할 때 또는 활성층(16)으로부터 직접 사파이어 기판(12)에 진입할 때, n-GaN층(14)과 사파이어 기판(12) 사이의 굴절률 차이로 인해 일정 각도 범위에서 내부 전반사가 일어난다. 이렇게 되면, 빛(L1)은 n-GaN층(14)과 사파이어 기판(12) 사이의 계면과 반사층인 p-전극(20) 사이에서 다중 반 사되면서 n- 및 n-GaN층(14, 18) 등에 흡수되어 소멸한다. 그 결과, 광손실이 발생하여 상기 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)의 광추출효율 및 그에 따른 외부양자효율을 감소시킨다.
이와 같은 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)의 광손실과 관련된 문제를 극복하기 위해 여러 가지 방안들이 제안되었다. 이들 중에서 대표적인 것으로는 일본특허공개 제2002-164296호 및 제2002-280611호를 들 수 있다. 이들 특허는 모두 기판과 n-GaN층 사이에 요철 형상을 두어 기판과 n-GaN층 사이의 굴절률 차이에 의한 광손실을 줄이고 있다.
하지만 이들 기술은 공히 화학적 식각을 통해서 요철 형상을 얻기 때문에 미세한 형상을 얻기 어렵다는 단점이 있다. 사파이어 등의 기판은 식각에 강하기 때문에 강력한 식각 조건(harsh etching condition)이 필요하며, 이러한 조건하에서는 요철을 얻기 위해 사용되는 요철과 상응하는 형상의 패턴을 갖는 포토레지스트도 역시 식각된다. 따라서, 포토레지스트를 사용하는 식각으로는 미세한 요철 형상 예컨대 1㎛ 이하의 요철 형상을 기판 표면에 형성하기 어렵다. 물론, 미세 요철 형상을 균일하게 얻는 것은 더욱 어렵다.
상기 기술들의 다른 단점으로는 얻어진 요철의 상부에 식각 스트레스 등의 결함이 존재한다는 것이다.
결과적으로 이러한 식각의 단점에 의해 플립 칩 타입 발광 다이오드의 발광은 불균일해지고 그 효율 역시 저하된다. 아울러, 이렇게 얻어진 기판은 사진식각 및 건식 식각 등의 추가 공정을 필요로 하므로 전체 공정 시간을 증가시켜 비용을 증가시킨다.
한편, 플립 칩 타입 발광 다이오드에는 다음과 같은 광손실 문제도 역시 발생하는데, 이는 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 도시된 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)는 도 1에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조이다. 이 발광 다이오드(10)가 발광하면, 반사면인 p-전극(20)이 아닌 사파이어 기판(12) 쪽으로 직접 진행하는 빛(L2)은 사파이어 기판(12)과 공기 또는 실리콘 또는 수지 등의 외부의 밀봉제 사이의 굴절률 차이로 인해 일정 각도 범위에서 내부 전반사가 일어난다. 이렇게 되면, 빛(L2)은 사파이어 기판(12)과 p-전극(20) 사이에서 다중 반사되면서 사파이어 기판(12)과 n- 및 n-GaN층(14, 18) 등에 흡수되어 소멸한다. 그 결과, 광손실이 발생하여 상기 플립 칩 타입 발광 다이오드(10)의 광추출효율 및 그에 따른 외부양자효율을 감소시킨다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 사파이어 기판(12)의 외면에도 역시 전술한 바와 같이 요철 형상을 주어야 하지만 현재로는 적절한 방법이 없는 것이 현실이다. 구체적으로, 발광 다이오드(10)는 전극(20, 22)을 형성한 다음 기판(12)을 예컨대 다이아몬드 슬러리 등으로 된 연마 기구로 연마하여 그 두께를 감소시켜야 한다. 따라서, 기판(12)의 외면에 요철을 형성하는 공정은 상기 연마 공정 이후에 실시해야 하는데, 전술한 바와 같은 식각 등을 통한 요철 형성은 사파이어 기판(12)에 반도체층(12-18)과 전극(20, 22) 등을 형성한 이후에는 실시할 수 없다.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저를 이용하여 발광 다이오드의 기판을 더욱 미세하게 표면 처리함으로써 발광 다이오드의 광추출효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 화학적 식각 및/또는 물리적 연마에 따른 기판의 스트레스나 결함 등을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 발광 다이오드 기판의 표면 처리 과정을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 방법에 의해 제조된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따라 제공되는 발광 다이오드 제조 방법은
(가) 사파이어 기판을 준비하는 단계;
(나) 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하는 단계;
(다) 상기 요철 처리된 사파이어 기판의 일면에 n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
(라) 얻어진 구조를 상기 n-반도체층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각하는 단계; 및
(마) 상기 p-반도체층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-반도체층의 노출된 영 역에 n-전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법은 상기 (마) 전극 형성 단계 이후에,
(바) 상기 기판의 타면을 연마하여 상기 기판의 두께를 감소시키는 단계; 및
(사) 레이저빔을 상기 기판 타면에 조사하여 미세한 요철을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따라 제공되는 발광 다이오드 제조 방법은
(가) 사파이어 기판을 준비하는 단계;
(나) 상기 사파이어 기판의 일면에 미세한 요철을 형성하는 단계;
(다) 상기 요철 처리된 사파이어 기판의 일면에 n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
(라) 얻어진 구조를 상기 n-반도체층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각하는 단계; 및
(마) 상기 p-반도체층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-반도체층의 노출된 영역에 n-전극을 형성하는 단계;
(바) 상기 기판의 타면을 연마하여 상기 기판의 두께를 감소시키는 단계; 및
(사) 레이저빔을 상기 사파이어 기판 타면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 (나) 요철 형성 단계는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하면 바람직하다.
상기 제조 방법들에서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판을 상기 일면이 위로 가게 이동형 받침대 위에 적재한 다음, 상기 이동형 받침대를 미리 정해진 속도로 이동시키면서 상기 레이저빔을 조사하되, 미리 정해진 길이(pitch)만큼 이동할 때마다 홈이 형성되도록 레이저 광원과 상기 기판 사이의 상기 레이저빔의 경로에서 셔터를 개방할 수 있다.
상기 제조 방법들에서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판을 상기 일면이 위로 가게 받침대 위에 적재하고, 상기 요철 형상에 해당하는 다수의 개구를 갖는 마스크를 상기 기판 위쪽에 배치한 다음, 상기 마스크 위쪽의 레이저 광원으로부터 상기 기판 쪽으로 레이저빔을 조사하여 상기 마스크의 구멍을 통해 상기 기판의 일면에 도달하도록 할 수 있다.
상기 제조 방법들에서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판이 상기 일면이 위로 가게 이동형 받침대 위에 적재하고, 상기 이동형 받침대를 이동시키면서 상기 요철의 홈 이하의 직경을 갖는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사할 수 있다.
상기 제조 방법들에서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판이 상기 일면이 위로 가게 받침대 위에 적재하고, 레이저 광원을 이동시키면서 상기 요철의 홈 이하의 직경을 갖는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사할 수 있다.
상기 제조 방법들에서, 상기 사파이어 기판은 탄화규소, 산화물 및 탄화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 이루어진 기판으로 대체할 수 있다.
전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따라 제공되는 발광 다이오드는 레이저빔 조사에 의해 일면에 미세한 요철 형상이 형성된 사파이어 기판; 상기 요철 형상을 갖는 상기 기판 일면에 형성된 n-반도체층; 상기 n-반도체층의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 순차적으로 형성된 활성층 및 p-반도체층; 상기 p-반도체층 상에 형성된 p-전극; 및 상기 n-반도체층의 노출된 영역에 형성된 n-전극을 포함한다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 사파이어 기판은 타면이 연마되어 두께가 감소되고 상기 타면은 레이저빔 조사에 의해 미세한 요철 형상이 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따라 제공되는 발광 다이오드는 일면에 미세한 요철 형상이 형성되고 타면이 연마되어 두께가 감소되고 상기 타면은 레이저빔 조사에 의해 미세한 요철 형상이 형성된 사파이어 기판; 상기 요철 형상을 갖는 상기 기판 일면에 형성된 n-반도체층; 상기 n-반도체층의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 순차적으로 형성된 활성층 및 p-반도체층; 상기 p-반도체층 상에 형성된 p-전극; 및 상기 n-반도체층의 노출된 영역에 형성된 n-전극을 포함한다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 기판 일면의 요철 형상은 레이저빔 조사에 의 해 형성되면 바람직하다.
상기 발광 다이오드들에서, 상기 사파이어 기판은 탄화규소, 산화물 및 탄화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 이루어진 기판으로 대체할 수 있다.
본 발명의 여러 가지 특징 및 장점을 첨부도면과 연계하여 하기와 같이 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 예컨대 사파이어로 된 기판을 준비하고(S102), 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성한다(S104). 이어서, 상기 요철 처리된 사파이어 기판의 일면에 반도체층들 즉 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층을 순차적으로 형성하고(S106-S110), 얻어진 구조를 상기 n-GaN층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각한다(S112). 그런 다음, 상기 p-GaN층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-GaN층의 노출된 영역에 n-전극을 형성하여(S114) 발광 다이오드를 완성한다.
본 발명은 상기 기판 표면에 미세 요철 형상을 형성하기 위해 308nm, 428nm 및 193nm 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 등을 사용할 수 있다. 이들 레이저는 원하는 부분에 광 초점을 모으면 미세 패턴을 쉽게 형성할 수 있고 특히 레이저빔의 파장이 짧을수록 더욱 세밀한 요철 형상을 형성할 수 있다. 따라서, 레이저빔의 폭과 강도를 발광 다이오드 기판인 사파이어의 물성과 얻고자 하는 요철 치수에 맞춰 조절하여 상기 기판 일면에 조사하면, 레이저빔이 기판 표면에 원하는 치수의 홈을 형성함으로써 기판 표면에 전체적으로 미세한 요철 형상을 부여할 수 있게 된다.
상기 방법에 의하면, 조사되는 레이저빔의 폭을 조절함으로써 요철 형상의 폭을 미세한 치수 구체적으로는 1㎛ 이하로 균일하게 형성할 수 있다. 또한, 이와 같이 미세 치수로 요철 즉 홈을 형성하여도 종래기술에서와 같이 요철 형상의 상부에 스트레스가 생기는 일이 없으므로 양질의 발광 다이오드를 얻을 수 있다.
한편, 상기 사파이어 기판 대신 탄화규소(SiC), 산화물 또는 탄화물로 된 기판을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예의 발광 다이오드(100)는 레이저빔에 의해 미세 요철 형상(120)이 일면에 형성된 사파이어 기판(102), 상기 사파이어 기판(102)의 일면 상에 형성된 n-GaN층(104), 상기 n-GaN층(104)의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 형성된 활성층(106), 상기 활성층(106) 상에 형성된 p-GaN층(108), 상기 p-GaN층(108) 상에 형성된 p-전극(110) 및 상기 n-GaN층(104)의 노출된 영역에 형성된 n-전극(112)을 포함한다. 이때, p-전극(110)은 활성층(106)에서 발생하는 빛을 사파이어 기판(102) 쪽으로 반사시키도록 가능한 p-GaN층(108) 전체를 덮도록 형성되며, 높은 반사율을 갖는 은 또는 알루미늄이 적절하며, 특히 은이 바람직하다. 또한, 상기 p- 및 n-전극(110, 112) 상에 는 각기 도전성 페이스트로 된 솔더 범프(114, 116)가 형성되어 상기 발광 다이오드(100)를 기판에 장착하고 그 패턴에 전기적으로 연결시킨다.
이와 같이 사파이어 기판(102)의 일면에 미세한 요철 형상(120)을 형성하면, 본 실시예의 발광 다이오드(100)가 발광할 때, 활성층(106)에서 발생된 빛(L)이 직접 또는 p-전극(110)에 반사되어 전반사를 일으키는 각도 범위로 사파이어 기판(102)에 입사되더라도 상기 미세 요철 형상(120)에 의해 전반사 없이 n-GaN층(104)으로부터 사파이어 기판(102)으로 투과되어 다시 외부로 방출된다.
한편, 전술한 반도체층은 GaN로 구성된 것으로 기재하였지만 필요한 경우 ZnSe로 구성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이다. 도 5를 참조하면, 먼저 예컨대 사파이어로 된 기판을 준비하고(S202), 상기 사파이어 기판의 일면을 표면 처리하고(S204), 이 표면 처리된 사파이어 기판의 일면에 복수의 반도체층 즉 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층을 순차적으로 형성하고(S206-S210), 얻어진 구조를 상기 n-GaN층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각한다(S212). 그런 다음, 상기 p-GaN층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-GaN층의 노출된 영역에 n-전극을 형성한다(S214). 이어, 예컨대 다이아몬드 슬러리 등으로 된 연마 기구로 사파이어 기판의 타면을 연마하여 기판의 두께를 감소시킨 다음 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 타면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성한다(S216).
본 실시예는 상기 기판 표면에 미세 요철 형상을 형성하기 위해 308nm, 428nm 및 193nm 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 등을 사용할 수 있다. 이들 레이저는 원하는 부분에 광 초점을 모으면 미세 패턴을 쉽게 형성할 수 있고 특히 레이저빔의 파장이 짧을수록 더욱 세밀한 요철 형상을 형성할 수 있다. 따라서, 레이저빔의 폭과 강도를 발광 다이오드 기판인 사파이어의 물성과 얻고자 하는 요철 치수에 맞춰 조절하여 상기 기판 타면에 조사하면, 레이저빔이 기판 표면에 원하는 치수의 홈을 형성함으로써 기판 표면에 전체적으로 미세한 요철 형상을 부여할 수 있게 된다.
상기 방법에 의하면, 조사되는 레이저빔의 폭을 조절함으로써 요철 형상의 폭을 미세한 치수 바람직하게는 1㎛ 이하로 균일하게 형성할 수 있다. 따라서, 사파이어 기판의 연마 작업 이후에 레이저빔의 조사에 의한 요철 형성 작업을 수행할 수 있으므로, 종래기술에서와 달리 사파이어 기판의 타면 즉 외면에도 미세한 요철 형상을 용이하게 부여할 수 있다. 그 결과, 사파이어 기판의 타면 즉 외면에서 전반사에 의해 광손실이 발생하여 발광 다이오드의 광추출효율 및 그에 따른 외부양자효율을 감소시키는 문제를 해결할 수 있다.
한편, 상기 사파이어 기판 대신 탄화규소, 산화물 또는 탄화물로 된 기판을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 발광 다이오드(200)는 레이저빔에 의해 미세 요철 형상(222)이 외면에 형성된 사파이어 기판 (202), 상기 사파이어 기판(202)의 내면 상에 형성된 n-GaN층(204), 상기 n-GaN층(204)의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 형성된 활성층(206), 상기 활성층(206) 상에 형성된 p-GaN층(208), 상기 p-GaN층(208) 상에 형성된 p-전극(210) 및 상기 n-GaN층(204)의 노출된 영역에 형성된 n-전극(212)을 포함한다. 이때, p-전극(210)은 활성층(206)에서 발생하는 빛을 사파이어 기판(202) 쪽으로 반사시키도록 가능한 p-GaN층(208) 전체를 덮도록 형성되며, 높은 반사율을 갖는 은 또는 알루미늄이 적절하며, 특히 은이 바람직하다. 또한, 상기 p- 및 n-전극(210, 212) 상에는 각기 도전성 페이스트로 된 솔더 범프(214, 216)가 형성되어 상기 발광 다이오드(200)를 기판에 장착하고 그 패턴에 전기적으로 연결시킨다.
이와 같이 사파이어 기판(202)의 외면에 미세한 요철 형상(220)을 형성하면, 본 실시예의 발광 다이오드(200)가 발광할 때, 활성층(206)에서 발생된 빛(L)이 직접 또는 p-전극(210)에 반사되어 전반사를 일으키는 각도 범위로 사파이어 기판(202)의 외면에서 외부로 투사되더라도 상기 미세 요철 형상(222)에 의해 전반사 없이 사파이어 기판(202)으로부터 외부의 공기층 또는 실리콘 및 수지 등의 밀봉제로 투과된다. 따라서, 종래기술에서와 같이 사파이어 기판(202)의 외면과 (공기 및 밀봉제와 같은) 외부 물질 사이의 굴절률 차이에 의해 기판(202)의 외면에서 발광 다이오드(200) 내부로 빛이 전반사되어 광손실이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법의 순서도이 다. 도 7을 참조하면, 먼저 예컨대 사파이어로 된 기판을 준비하고(S302), 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하고(S304), 이 표면 처리된 사파이어 기판의 일면에 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층을 순차적으로 형성하고(S306-S310), 얻어진 구조를 상기 n-GaN층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각한다(S312). 그런 다음, 상기 p-GaN층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-GaN층의 노출된 영역에 n-전극을 형성한다(S314). 이어, 예컨대 다이아몬드 슬러리 등으로 된 연마 기구로 사파이어 기판의 타면을 연마하여 기판의 두께를 감소시킨 다음 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 타면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성한다(S316).
본 실시예에서 사파이어 기판의 일면 즉 내면과 타면 즉 외면에 레이저빔을 이용하여 미세한 요철 형상을 형성하는 작업은 제1 및 제2 실시예에서 전술한 바와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 추가 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법에 의해 제조한 발광 다이오드의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 발광 다이오드(300)는 레이저빔에 의해 미세 요철 형상(320, 322)이 일면 즉 내면과 타면 즉 외면에 각각 형성된 사파이어 기판(302)을 구비하는 점에서 제1 및 제2 실시예의 발광 다이오드(100, 200)와 구별된다.
이와 같이 사파이어 기판(302)의 일면 즉 n-GaN층(304)이 성장되는 표면에 미세한 요철 형상(320)을 레이저빔에 의해 형성하면, 도 3과 4를 참조하여 제1 실시예의 발광 다이오드(100)에서 전술한 바와 같이 기판(302)과 n-GaN층(304) 사이 에 스트레스 등의 결함을 줄이면서도 전반사를 방지하여 광손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 사파이어 기판(302)의 타면 즉(공기 및 밀봉제 등의) 외부 물질 사파이어 기판(302)의 외면에 미세한 요철 형상(322)을 레이저빔에 의해 형성하면, 사파이어 기판(302)과 외부 물질 사이의 전반사에 의해 빛(L) 발광 다이오드(300) 내에서 손실되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 기판(302)의 내면과 외면에 각기 미세한 요철 형상(320, 322)을 형성함으로써 광손실을 더욱 줄이고 그에 따라 광추출효율을 더욱 개선할 수 있다.
이하 도 9 내지 11을 참조하여, 본 발명에 따라 발광 다이오드의 사파이어 기판에 미세 요철 구조를 형성하는 장치의 예들을 설명한다.
도 9에 도시된 장치는 레이저 광원(400), 셔터(402) 및 이동형 받침대(404)를 포함한다. 상기 이동형 받침대(404)는 사파이어 기판(102)이 적재되어 있으며, 미리 정해진 속도로 화살표(A) 방향 및/또는 다른 방향으로 이동 가능하게 설계된다.
상기 레이저 광원(400)은 사파이어 기판(102)에 미리 정해진 폭과 깊이로 미세한 요철 형상(120)을 형성할 수 있는 미세한 레이저빔(L)을 조사하도록 구성된다. 셔터(402)는 (점선으로 도시된 바와 같이) 레이저 광원(400)과 사파이어 기판(102) 사이에서 레이저빔(L)의 경로에 위치하다가 사파이어 기판(102)이 적재된 이동형 받침대(404)가 미리 정해진 길이 또는 피치(P)만큼 이동할 때마다 화살표(B)를 따라 실선으로 도시된 위치로 이동하여 레이저빔(L)이 사파이어 기판(102)에 미 세 요철 형상(120)의 홈을 형성하게 한다. 따라서, 이와 같은 동작에 의해 사파이어 기판(102)에는 미리 정해진 간격을 두고 홈과 돌기가 교대로 형성된다. 즉 하나의 피치(P)마다 한 쌍의 홈과 돌기가 형성된다. 이와 같은 동작을 반복하면 사파이어 기판(102)에 다수의 홈과 돌기를 형성함으로써 미세한 요철 형상(120)을 부여할 수 있게 된다.
이때 사용할 수 있는 레이저 광원으로는 전술한 바와 같이 308nm, 428nm 및 193nm 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 등을 사용할 수 있다. 또한, 사파이어 기판 대신에 탄화규소, 산화물 또는 탄화물로 된 기판을 사용할 수 있다.
도 10에 도시된 장치는 큰 면적의 레이저빔(L1)을 조사할 수 있는 레이저 광원(500), 원하는 직경 또는 폭과 간격의 다수의 미세 개구(504)를 갖는 마스크(502) 및 사파이어 기판(102)이 적재되는 받침대(506)를 포함한다.
상기 레이저 광원(500)은 사파이어 기판(102)의 전체 면적을 조사할 수 있는 레이저빔(L1)을 조사하도록 구성되며, 상기 마스크(502)의 개구(502)들은 사파이어 기판(102)의 상면과 합치하는 형태로 배열되어 이 레이저빔(L1)을 원하는 직경 또는 폭과 간격의 미세한 다수의 레이저빔(L2)으로 변환한다. 이렇게 하면, 미세한 다수의 레이저빔(L2)이 사파이어 기판(102)의 상면에 조사되어 원하는 직경 또는 폭의 홈들과 이들 사이의 간격 즉 돌기로 이루어진 미세한 요철 형상(120)을 사파이어 기판(102) 상면에 부여하게 된다.
이 작업에 사용 가능한 레이저 광원은 도 9와 관련하여 전술한 바와 같지만, 상기 레이저 광원(500)에서 방사되는 레이저빔(L1)은 반드시 기판(102) 전체 면적을 한번에 조사할 필요는 없다. 즉 레이저빔은 기판(102)의 일정 면적을 조사할 정도면 되고, 이를 마스크를 이용해서 다수의 미세한 레이저빔으로 변환하여 기판(102) 표면의 일정 부분에 미세한 요철 형상(120)을 부여하고 받침대(506) 또는 레이저 광원(500)을 이동시켜 기판(102) 표면의 다른 부분에 미세 요철 형상(120)을 만드는 작업을 반복할 수 있다.
사용 가능한 레이저 광원으로는 전술한 바와 같이 308nm, 428nm 및 193nm 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 등을 사용할 수 있다. 또한, 사파이어 기판 대신에 탄화규소, 산화물 또는 탄화물로 된 기판을 사용할 수 있다.
도 10에 도시된 장치는 레이저 광원(600) 및 이동형 받침대(602)를 포함한다. 상기 이동형 받침대(602)는 사파이어 기판(102)이 적재되어 있으며, 미리 정해진 속도로 화살표(C) 방향으로 이동한다. 물론, 받침대(602)는 화살표(C)와 직교 방향 및 대각선 방향 등 여러 방향으로 이동 가능하게 설계된다.
도 10에서와 같이, 이동형 받침대(602) 위에 사파이어 기판(102)을 놓고 이받침대(602)를 화살표(C) 방향으로 이동시키면서 레이저 광원(600)으로부터 레이저빔(L)을 사파이어 기판(102)에 조사하면 슬릿(120A)들이 형성된다. 또한, 받침대(602)를 화살표(C)와 직교 방향으로 이동시켜도 슬릿(120B)이 형성되는데, 편의상 하나만을 도시하였다. 이와 같이 슬릿(120A, 120B)을 어느 한쪽 방향으로 또는 교차하게 형성하여 본 발명에서 원하는 요철 형상을 기판(102) 표면에 부여할 수 있 다.
이와 달리, 받침대(602)를 고정시킨 상태에서 레이저 광원(600)을 이동시키면서 기판(102) 표면에 슬릿(120A, 120B)을 형성할 수도 있다.
사용 가능한 레이저 광원으로는 전술한 바와 같이 308nm, 428nm 및 193nm 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 등을 사용할 수 있다. 또한, 사파이어 기판 대신에 탄화규소, 산화물 또는 탄화물로 된 기판을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 레이저를 이용하여 발광 다이오드의 기판을 더욱 미세하게 표면 처리함으로써 발광 다이오드의 광추출효율을 증가시킬 수 있다. 아울러, 종래기술에서 발견되는 것과 같은 화학적 식각 및/또는 물리적 연마에 따른 기판의 스트레스나 결함 등을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있다.

Claims (14)

  1. (가) 사파이어 기판을 준비하는 단계;
    (나) 레이저빔을 상기 사파이어 기판의 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하는 단계;
    (다) 상기 요철 처리된 사파이어 기판의 일면에 n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
    (라) 얻어진 구조를 상기 n-반도체층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각하는 단계; 및
    (마) 상기 p-반도체층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-반도체층의 노출된 영역에 n-전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (마) 전극 형성 단계 이후에,
    (바) 상기 기판의 타면을 연마하여 상기 기판의 두께를 감소시키는 단계; 및
    (사) 레이저빔을 상기 기판 타면에 조사하여 미세한 요철을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  3. (가) 사파이어 기판을 준비하는 단계;
    (나) 상기 사파이어 기판의 일면에 미세한 요철을 형성하는 단계;
    (다) 상기 요철 처리된 사파이어 기판의 일면에 n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
    (라) 얻어진 구조를 상기 n-반도체층의 일부 영역이 노출되도록 메사 식각하는 단계; 및
    (마) 상기 p-반도체층 상에 p-전극을 형성하고 상기 n-반도체층의 노출된 영역에 n-전극을 형성하는 단계;
    (바) 상기 기판의 타면을 연마하여 상기 기판의 두께를 감소시키는 단계; 및
    (사) 레이저빔을 상기 사파이어 기판 타면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (나) 요철 형성 단계는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사하여 미세한 요철 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판을 상기 일면이 위로 가게 이동형 받침대 위에 적재한 다음, 상기 이동형 받침대를 미리 정해진 속도로 이동시키면서 상기 레이저빔을 조사하되, 미리 정해 진 길이(pitch)만큼 이동할 때마다 홈이 형성되도록 레이저 광원과 상기 기판 사이의 상기 레이저빔의 경로에서 셔터를 개방하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판을 상기 일면이 위로 가게 받침대 위에 적재하고, 상기 요철 형상에 해당하는 다수의 개구를 갖는 마스크를 상기 기판 위쪽에 배치한 다음, 상기 마스크 위쪽의 레이저 광원으로부터 상기 기판 쪽으로 레이저빔을 조사하여 상기 마스크의 구멍을 통해 상기 기판의 일면에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상기 기판이 상기 일면이 위로 가게 이동형 받침대 위에 적재하고, 상기 이동형 받침대를 이동시키면서 상기 요철의 홈 이하의 직경을 갖는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 각각의 상기 (나) 및 (사) 요철 형성 단계는 상 기 기판이 상기 일면이 위로 가게 받침대 위에 적재하고, 레이저 광원을 이동시키면서 상기 요철의 홈 이하의 직경을 갖는 레이저빔을 상기 기판 일면에 조사하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 사파이어 기판은 탄화규소, 산화물 및 탄화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 이루어진 기판으로 대체되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조 방법.
  10. 레이저빔 조사에 의해 일면에 미세한 요철 형상이 형성된 사파이어 기판;
    상기 요철 형상을 갖는 상기 기판 일면에 형성된 n-반도체층;
    상기 n-반도체층의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 순차적으로 형성된 활성층 및 p-반도체층;
    상기 p-반도체층 상에 형성된 p-전극; 및
    상기 n-반도체층의 노출된 영역에 형성된 n-전극을 포함하는 발광 다이오드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사파이어 기판은 타면이 연마되어 두께가 감소되고 상기 타면은 레이저빔 조사에 의해 미세한 요철 형상이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 일면에 미세한 요철 형상이 형성되고 타면이 연마되어 두께가 감소되고 상기 타면은 레이저빔 조사에 의해 미세한 요철 형상이 형성된 사파이어 기판;
    상기 요철 형상을 갖는 상기 기판 일면에 형성된 n-반도체층;
    상기 n-반도체층의 일부 영역을 노출시키도록 그 위에 순차적으로 형성된 활성층 및 p-반도체층;
    상기 p-반도체층 상에 형성된 p-전극; 및
    상기 n-반도체층의 노출된 영역에 형성된 n-전극을 포함하는 발광 다이오드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기판 일면의 요철 형상은 레이저빔 조사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  14. 제10항 또는 제12항에 있어서, 상기 사파이어 기판은 탄화규소, 산화물 및 탄화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 이루어진 기판으로 대체되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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