KR20060079159A - Light emitting diode with vertical electrode and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
상하로 관통되도록 형성된 비아홀을 가진 사파이어기초기판, 상기 사파이어 기초기판 위에 형성된 복수개의 질화물계 반도체층, 상기 사파이어 기초기판의 비아홀을 통해 드러나는 상기 질화물계 반도체층 노출면에 형성되는 제 1전극패드, 상기 질화물계 반도체층 위에 형성된 오믹전극, 상기 오믹전극 위에 형성된 씨드금속 및 상기 씨드금속 위에 형성된 리셉터 금속막을 포함하는 수직전극형 발광 다이오드를 마련한다.A sapphire base substrate having a via hole formed to penetrate up and down, a plurality of nitride based semiconductor layers formed on the sapphire base substrate, a first electrode pad formed on an exposed surface of the nitride based semiconductor layer exposed through a via hole of the sapphire base substrate, A vertical electrode light emitting diode including an ohmic electrode formed on a nitride based semiconductor layer, a seed metal formed on the ohmic electrode, and a receptor metal film formed on the seed metal is provided.
발광 다이오드, 수직형 전극구조, 산화막, 사파이어, 비아홀, 질화물계 반도체, 씨드금속 Light emitting diode, vertical electrode structure, oxide film, sapphire, via hole, nitride semiconductor, seed metal
Description
도 1a내지 도1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 중간 제조과정을 도시한 도면이다.1A to 1E illustrate an intermediate manufacturing process of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a first embodiment of the present invention.
도2는 ICP/RIE 건식 식각에 의한 사파이어와 GaN의 식각 속도를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the etching rates of sapphire and GaN by ICP / RIE dry etching.
도 3은 황산과 인산의 혼합 용액으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 식각 속도를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing an etching rate when wet etching sapphire and GaN with a mixed solution of sulfuric acid and phosphoric acid.
도 4는 황산과 인산 혼합 용액의 온도에 따른 사파이어와 GaN의 식각속도를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the etching rate of sapphire and GaN according to the temperature of the sulfuric acid and phosphoric acid mixed solution.
도 5는 습식 식각 방법으로 사파이어 기판에 특정한 패턴을 형성한 후 사파이어 기판을 습식식각한 후의 사파이어 기판 표면 사진이다.5 is a sapphire substrate surface photograph after wet etching the sapphire substrate after forming a specific pattern on the sapphire substrate by a wet etching method.
도 6은 사파이어 기판을 습식 식각 방법으로 제거한 후의 버퍼층의 표면 사진이다.6 is a surface photograph of a buffer layer after removing a sapphire substrate by a wet etching method.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면과 평면을 도시한 도면이다.7 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a second embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오 드의 단면과 평면을 도시한 도면이다.8 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a third embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면과 평면을 도시한 도면이다.9 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a fourth embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면과 평면을 도시한 도면이다.10 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a fifth embodiment of the present invention.
도 11a내지 도 11f는 본 발명의 제6 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 중간 제조과정을 도시한 도면이다.11A to 11F illustrate an intermediate manufacturing process of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a sixth embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
*11 사파이어 기판 12 버퍼층* 11
13 제1 오믹 접촉층 14 제1 클레딩층13 first
15 발광층 16 제2 클레딩층15
17 제2 오믹 접촉층 18 오믹전극 17 Second
19 산화막 20 씨드금속19
21 리셉터 금속막 22 SiO2 식각마스크21 Receptor Metal
23 비아홀 24 제1 전극패드23 Via
25 다이싱 또는 벽개선 26 투명전극 또는 광투과성 전극25 Dicing or
27 망사형전극 191 제 2 비아홀27
본 발명은 수직형 전극구조를 갖는 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode having a vertical electrode structure and a method of manufacturing the same.
발광 다이오드는 일정한 크기의 정방향 전류가 흐르면 빛을 발생하는 광 다이오드의 일종이다. 발광 다이오드는 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합한 구조를 이용하여 적색 또는 녹색을 내는 발광 다이오드가 있으며, 또한 청색 및 자외선 광을 발생하는 발광 다이오드가 개발되어 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용 장치에 널리 이용되고 있다. 근래 들어서는 적, 녹, 청색의 3칩을 이용하거나 형광체를 이용하여 백색광을 내는 색변환 발광 다이오드가 개발되어 조명장치로도 그 응용 범위가 넓어지고 있다.A light emitting diode is a kind of photodiode that generates light when a constant current of a constant magnitude flows. The light emitting diode is a light emitting diode that emits red or green light by using a pin bonded structure of compound semiconductors such as indium phosphorus (InP), gallium arsenide (GaAs), and gallium phosphorus (GaP), and also emits blue and ultraviolet light. Light emitting diodes have been developed and widely used in display devices, light source devices, and environmental application devices. Recently, a color conversion light emitting diode that emits white light using three chips of red, green, and blue or a phosphor has been developed, and its application range has been widened as a lighting device.
이러한 발광 다이오드에서 박막구조로서 질화물 계열을 발광 물질로 사용하는 경우에는 에피택셜 성장시 결정 결함의 발생을 줄이기 위하여 격자정수 및 결정 구조가 유사한 사파이어를 기초기판으로 사용한다. In the case of using a nitride-based light emitting material as a thin film structure in such a light emitting diode, sapphire similar in lattice constant and crystal structure is used as a base substrate to reduce the occurrence of crystal defects during epitaxial growth.
그런데 사파이어는 절연체이기 때문에 제 1전극과 제 2전극을 모두 에피층의 성장면 위에 형성할 수밖에 없었다. 이와 같이 두 전극을 모두 같은 면에 형성하게 되면 와이어 본딩에 필요한 전극의 면적을 확보하여야 하므로 발광 다이오드의 칩 면적도 일정 크기 이상이 되어 웨이퍼 당 칩 생산량의 향상에 장애가 되고, 절연체를 기판으로 사용하기 때문에 외부로부터 유입되는 정전기를 방출하기가 어려워 정전기로 인한 소자 불량을 유발한다. 이는 소자의 신뢰성을 저하시키고 제너다이오 드를 결합해야하는 등의 패키지 공정에 있어서 여러 가지 제약을 가져온다. However, since sapphire is an insulator, both the first electrode and the second electrode had to be formed on the growth surface of the epi layer. Thus, if both electrodes are formed on the same surface, the area of electrodes required for wire bonding must be secured. Therefore, the chip area of the light emitting diode is also over a certain size, which hinders the improvement of chip production per wafer, and uses an insulator as a substrate. Therefore, it is difficult to discharge static electricity flowing from the outside, which causes device defects due to static electricity. This leads to several limitations in the packaging process, such as lowering device reliability and incorporating zener diodes.
또, 사파이어는 열전도도가 낮아 발광 다이오드 구동 중에 발생하는 열을 외부로 방출하는데 어려움이 있어서 고출력을 위한 대 전류를 인가하는데도 한계가 있다. In addition, since sapphire has low thermal conductivity, it is difficult to dissipate heat generated while driving a light emitting diode to the outside, and thus there is a limit to applying a large current for high power.
특히, 발광다이오드는 사파이어 기판을 습식 또는 건식식각하여 제조하므로 사파이어 식각 중에 질화물 반도체 층 및 전극이 손상되지 말아야 하며 칩 성능에 영향을 미치지 말아야 한다. 또한 반도체 소자를 분리하는데 일반적으로 사용하는 다이싱 장비는 다이아몬드 블레이드(blade)를 사용하고 있는데 사파이어 기판을 절단하는 것은 다소 무리가 있고 생산성도 저하된다.In particular, since the light emitting diodes are manufactured by wet or dry etching the sapphire substrate, the nitride semiconductor layer and the electrode should not be damaged during sapphire etching and the chip performance should not be affected. Dicing equipment commonly used to separate semiconductor devices uses diamond blades. Cutting a sapphire substrate is rather cumbersome and reduces productivity.
따라서, 수직형 전극구조를 갖는 발광다이오드 구조를 개발하기 위한 연구가 당 기술분야에서 계속되고 있다. Therefore, research for developing a light emitting diode structure having a vertical electrode structure is continuing in the art.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사파이어 기판 식각기술을 이용한 수직형 전극 구조를 가지는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하고, 그 제조방법을 단순화시키는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a light emitting diode having a vertical electrode structure using a sapphire substrate etching technique and a method of manufacturing the same, and to simplify the method of manufacturing the same.
본 발명은, 특히 여러 단계의 공정을 수행하는데 유리하도록 리셉터기판을 사용하는 경우의 발광다이오드에 있어서, 새로운 기셉터기판 및 내부 연결구조를 갖는 수직형 전극구조의 발광다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a light emitting diode having a vertical electrode structure having a new acceptor substrate and an internal connection structure, particularly in the case of using a light emitting diode in the case of using a receptor substrate to advantageously perform a multi-step process. .
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다음과 같은 발광 다이오드를 제안한다.In order to achieve the above object, the present invention proposes the following light emitting diode.
본 발명은 상하로 관통되도록 형성된 비아홀을 가진 사파이어기초기판; 상기 사파이어 기초기판 위에 형성된 복수개의 질화물계 반도체층; 상기 사파이어 기초기판의 비아홀을 통해 드러나는 상기 질화물계 반도체층 노출면에 형성되는 제 1전극패드; 상기 질화물계 반도체층 위에 형성된 오믹전극; 상기 오믹전극 위에 형성된 씨드금속; 및 상기 씨드금속 위에 도금되어 형성된 리셉터금속막;을 포함하는 수직전극형 발광 다이오드를 제공한다.The present invention provides a sapphire base substrate having a via hole formed to penetrate up and down; A plurality of nitride-based semiconductor layers formed on the sapphire base substrate; A first electrode pad formed on the nitride-based semiconductor layer exposed surface exposed through the via hole of the sapphire base substrate; An ohmic electrode formed on the nitride based semiconductor layer; A seed metal formed on the ohmic electrode; And a receptor metal layer formed by plating on the seed metal.
바람직하게는, 상기 사파이어 기초기판과 비아홀에 걸쳐서 광투과성전극 또는 투명전극이 형성되고, 상기 제 1전극패드는 상기 광투과성전극 또는 투명전극 위의 비아홀을 벗어난 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 상기 광투과성 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 적어도 하나를 포함한다. 또한 바람직하게는 상기 투명전극은 ZnO 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, a light transmissive electrode or a transparent electrode is formed over the sapphire base substrate and the via hole, and the first electrode pad is formed at a position outside the via hole on the light transmissive electrode or the transparent electrode. More preferably, the light transmissive electrode includes at least one of Ni, Au, Pt, Ti, and Al. Also preferably, the transparent electrode is formed of ZnO or ITO (Indium Tin Oxide).
또한 바람직하게는 상기 사파이어 기초기판은 식각되어 완전히 제거되고, 상기 제 1전극패드는 상기 질화물계 반도체층 위에 형성된다. 또한 바람직하게는 상기 질화물계 반도체층 위에는 광투과성 전극 또는 투명전극이 형성되고, 상기 제 1전극패드는 상기 광투과성 전극 또는 투명전극 위에 형성된다. 더욱 바람직하게는 광투과성 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 바람직하게는 상기 투명전극은 ZnO 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the sapphire base substrate is etched and completely removed, and the first electrode pad is formed on the nitride based semiconductor layer. Also preferably, a light transmissive electrode or a transparent electrode is formed on the nitride based semiconductor layer, and the first electrode pad is formed on the light transmissive electrode or the transparent electrode. More preferably, the light transmissive electrode includes at least one of Ni, Au, Pt, Ti, and Al. Also preferably, the transparent electrode is formed of ZnO or ITO (Indium Tin Oxide).
또한 바람직하게는 상기 질화물계 반도체층 위에는 망사형 전극이 형성되고, 상기 제 1전극패드는 상기 망사형 전극위에 형성되는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 상기 망사형 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 적어도 하나를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, a mesh type electrode is formed on the nitride based semiconductor layer, and the first electrode pad is formed on the mesh type electrode. More preferably, the mesh type electrode is formed to include at least one of Ni, Au, Pt, Ti, Al.
또한 바람직하게는 상기 오믹전극 위에는 제 2 비아홀을 포함하는 산화막이 형성되고, 상기 산화막 위에 씨드금속이 형성되어 상기 제 2 비아홀을 통하여 오믹전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. Also preferably, an oxide film including a second via hole is formed on the ohmic electrode, and a seed metal is formed on the oxide film to be electrically connected to the ohmic electrode through the second via hole.
또한 바람직하게는 상기 오믹전극은 Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나를 포함한다. 더욱 바람직하게는 상기 오믹전극은 Pt로 형성된다. 또한 바람직하게는 상기 씨드금속은 Au, W, Pt, Cu, Ni 중 적어도 하나로 형성한다. 또한 바람직하게는 상기 리셉터 금속막은 Au, Cu, CuW, Mo, W, Pt 중 적어도 하나를 도금하는 것을 특징으로 한다. Also preferably, the ohmic electrode includes at least one of Pt, Ni, Au, Rh, and Pd. More preferably, the ohmic electrode is formed of Pt. Also preferably, the seed metal is formed of at least one of Au, W, Pt, Cu, and Ni. Also preferably, the receptor metal film is plated with at least one of Au, Cu, CuW, Mo, W, and Pt.
또한 바람직하게는 상기 질화물계 반도체 층은 Inx(AlyGa1 -y)N 질화물계 반도체로 이루어져 있고 x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한 바람직하게는 상기 제 1전극은 Al, Pt, Ta, Cr, Ni, Au, Ti 중의 적어도 하나를 포함하여 형성한다. Also preferably, the nitride based semiconductor layer is composed of In x (Al y Ga 1 -y ) N nitride based semiconductor, and x and y have values of 1≥x≥0, 1≥y≥0, and x + y> 0. It is characterized by having. Also preferably, the first electrode includes at least one of Al, Pt, Ta, Cr, Ni, Au, and Ti.
상기 구조의 수직전극형 발광 다이오드는 사파이어 기초기판 위에 복수개의 질화물계 반도체 층을 형성하는 단계; 상기 질화물계 반도체층 위에 오믹전극을 형성하는 단계; 상기 오믹전극 위에 씨드금속을 형성하는 단계; 상기 씨드금속 위에 리셉터 금속막을 도금하여 형성하는 단계; 상기 사파이어 기초기판을 소정두께로 가공한 후, 상기 사파이어 기초기판 위에 식각마스크를 형성하는 단계; 상기 식각마스크를 일부 식각하여 사파이어 기초기판을 노출시킨 후, 노출된 사파이어 기초기판을 식각하여 상기 질화물계 반도체 층의 적어도 일부가 노출되도록 식각하는 단계; 및 상기 노출된 질화물계 반도체층 위에 제 1 전극패드를 형성하는 단계;를 포함하여 제조한다.The vertical electrode light emitting diode of the structure comprises the steps of forming a plurality of nitride-based semiconductor layer on the sapphire base substrate; Forming an ohmic electrode on the nitride based semiconductor layer; Forming a seed metal on the ohmic electrode; Plating and forming a receptor metal film on the seed metal; Processing the sapphire base substrate to a predetermined thickness, and then forming an etching mask on the sapphire base substrate; Partially etching the etching mask to expose the sapphire base substrate, and then etching the exposed sapphire base substrate to etch at least a portion of the nitride based semiconductor layer; And forming a first electrode pad on the exposed nitride based semiconductor layer.
*바람직하게는 사파이어 기초기판을 식각한 후에 상기 식각마스크를 전부 식각하여 제거하는 단계를 추가적으로 포함한다.Preferably, after the sapphire base substrate is etched, the etch mask is further removed by etching.
또한 바람직하게는 상기 식각마스크를 전부 식각하여 제거한 후에 상기 사파이어 기초기판 및 상기 노출된 질화물계 반도체층 위에 광투과성 전극을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 제 1전극패드는 상기 광투과성 전극 위에 형성한다. 이때, 상기 광투과성 전극의 형성단계는 Ni/Au/Ni, Al, Ti/Al 중 어느 한 구조를 증착하여 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 400℃내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리하는 것이 더욱 바람직하다. The method may further include forming a light transmissive electrode on the sapphire base substrate and the exposed nitride semiconductor layer after all the etching masks are removed by etching. The first electrode pad is formed on the light transmissive electrode. do. At this time, the step of forming the light transmissive electrode is any one of Ni / Au / Ni, Al, Ti / Al by depositing any one structure in a furnace containing oxygen or nitrogen at a temperature of 400 ℃ to 700
또한 바람직하게는 상기 식각마스크를 전부 식각하여 제거한 후에 상기 사파이어 기초기판 및 상기 노출된 질화물계 반도체층 위에 투명전극을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 제 1전극패드는 상기 투명전극 위에 형성한다.The method may further include forming a transparent electrode on the sapphire base substrate and the exposed nitride-based semiconductor layer after all the etching masks are removed by etching, and the first electrode pad is formed on the transparent electrode.
또한 바람직하게는 상기 사파이어 기초기판의 식각단계는 사파이어 기초기판을 식각하여 완전히 제거하는 것을 특징으로 한다. 이때 노출된 상기 질화물계 반 도체층 위에 광투과성 전극을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 제 1전극패드는 상기 광투과성 전극 위에 형성하는 것이 더욱 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 광투과성 전극은 Ni/Au/Ni, Al, Ti/Al 중 어느 한 구조를 증착하여 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 400℃내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리하여 형성한다. Also preferably, the etching step of the sapphire base substrate is characterized in that to completely remove the sapphire base substrate by etching. In this case, the method may further include forming a light transmissive electrode on the exposed nitride semiconductor layer, and the first electrode pad may be formed on the light transmissive electrode. More preferably, the light transmissive electrode is deposited by any one structure of Ni / Au / Ni, Al, Ti / Al, and in a furnace containing oxygen or nitrogen at a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. for 1 minute to 5 minutes. It is formed by heat treatment.
또한 바람직하게는 상기 사파이어 기초기판을 식각하여 제거한 후에, 상기 노출된 질화물계 반도체층 위에 투명전극을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 제 1전극패드는 상기 투명전극 위에 형성한다. The method may further include forming a transparent electrode on the exposed nitride based semiconductor layer after etching and removing the sapphire base substrate, wherein the first electrode pad is formed on the transparent electrode.
또한 바람직하게는 사파이어 기초기판을 식각하여 제거한 후에, 상기 노출된 질화물계 반도체층 위에 망사형 전극을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 제 1전극패드는 상기 망사형 전극 위에 형성한다. 더욱 바람직하게는 상기 망사형 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al중 적어도 하나를 포함하여 형성하고, 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 400℃내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리하여 형성한다. The method may further include forming a mesh electrode on the exposed nitride-based semiconductor layer after etching and removing the sapphire base substrate, wherein the first electrode pad is formed on the mesh electrode. More preferably, the mesh electrode includes at least one of Ni, Au, Pt, Ti, and Al, and is 1 to 5 minutes at a temperature of 400 ° C to 700 ° C in an furnace containing oxygen or nitrogen. It is formed by heat treatment.
또한 바람직하게는 오믹전극을 형성한 후에, 상기 오믹전극 위에 산화막을 형성하고, 상기 산화막을 식각하여 오믹전극이 노출되도록 제 2 비아홀을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 산화막 위에 씨드금속을 형성하는 것을 특징으로 한다.The method may further include forming an oxide film on the ohmic electrode after forming the ohmic electrode, and etching the oxide film to form a second via hole to expose the ohmic electrode, and forming a seed metal on the oxide film. It is characterized by.
또한 바람직하게는 오믹전극은 Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나를 증착하며, 질소 또는 산소를 포함하는 분위기에서, 300℃ 내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리하여 형성한다. 또한 바람직하게는 리셉터금속막은 Au, Cu, CuW, Mo, W, Pt 중 적어도 하나를 전기도금 또는 무전해질 도금으로 도금하여 형성한다. 또한 바람직하게는 사파이어 기초기판의 식각은 200℃ 내지 400℃온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)으로 혼합된 식각용액으로 습식식각한다. 더욱 바람직하게는 사파이어 기초기판의 식각단계에서 상기 질화물계 반도체 층의 적어도 일부가 노출되도록 식각함과 동시에 식각을 통하여 상기 기초기판을 개별 칩별로 분리하기 위한 벽개라인을 동시에 형성한다. 또한 바람직하게는 제 1전극패드는 Al, Pt, Ta, Cr, Ni, Au, Ti 중의 적어도 하나를 질소분위기의 퍼니스에서 300℃ 내지 600℃의 온도로 2분간 열처리하여 형성한다. Also preferably, the ohmic electrode is formed by depositing at least one of Pt, Ni, Au, Rh, and Pd and heat-treating at a temperature of 300 ° C to 700 ° C for 1 minute to 5 minutes in an atmosphere containing nitrogen or oxygen. Also preferably, the receptor metal film is formed by plating at least one of Au, Cu, CuW, Mo, W, and Pt by electroplating or electroless plating. Also preferably, the sapphire base substrate may be etched by an etching solution mixed with sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. More preferably, in the etching step of the sapphire base substrate, at least a part of the nitride based semiconductor layer is etched and simultaneously formed cleavage lines for separating the base substrate by individual chips through etching. Also preferably, the first electrode pad is formed by heat-treating at least one of Al, Pt, Ta, Cr, Ni, Au, and Ti at a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. for 2 minutes in a furnace in a nitrogen atmosphere.
이하 본 발명에 의한 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a vertical light emitting diode according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail.
<질화물계 반도체 층의 형성><Formation of Nitride-Based Semiconductor Layer>
430μm 정도의 두께의 사파이어 기초기판 (Sapphire, Al2O3)위에 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 Inx(GayAl1 -y)N 질화물 반도체 층을 성장한다. 질화물계 반도체의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 이다. 여기서 질화물계 반도체 층은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장(hydride vapor phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)로 성장하는 것도 가능하다. In x (Ga y Al 1 -y ) N nitride semiconductor layers are grown on a sapphire base substrate (Sapphire, Al 2 O 3 ) with a thickness of about 430 μm using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). . The composition ratio of the nitride semiconductor is 1≥x≥0, 1≥y≥0, and x + y> 0. The nitride-based semiconductor layer may include metal organic chemical vapor deposition, liquid phase epitaxy, hydrogen vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy, and MOVPE. It is also possible to grow with (metal organic vapor phase epitaxy).
성장하는 질화물 반도체 층은 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 단일층 또는 복수층으로 성장할 수 있고, 도전성질을 갖도록 Si, Mg, Zn군 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 불순물로 첨가할 수 있다. n-형 질화물계 반도체 층을 만들기 위해서는 Si를 첨가하고 p-형 질화물계 반도체 층을 만들기 위해서 Mg를 첨가하면 된다. 도핑농도는 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 다르며 1015/cm3내지 1021/cm3 정도로 도핑 할 수 있다. The growing nitride semiconductor layer may be grown in a single layer or in multiple layers according to the type of device to be manufactured, and any one or a plurality of elements of Si, Mg, and Zn groups may be added as impurities to have a conductive property. Si may be added to form an n-type nitride semiconductor layer, and Mg may be added to form a p-type nitride semiconductor layer. The doping concentration depends on the type of device to be manufactured and may be doped at about 10 15 / cm 3 to 10 21 / cm 3 .
따라서 도핑농도에 따라 질화물 반도체를 고저항체 또는 도전성으로 구분하며 고저항체인 경우 비저항은 100Ωcm 이상, 도전성인 경우는 10-1Ωcm이하가 되는 것이 바람직하다. Therefore, depending on the doping concentration, the nitride semiconductor is classified into a high resistor or a conductive material, and in the case of a high resistor, the specific resistance is 10 0 Ωcm As mentioned above, in the case of electroconductivity, it is preferable that it becomes 10 <-1> ( ohm) cm or less.
수직 전극형 발광다이오드를 제작하기 위하여 사파이어 기판(11)위에 버퍼층 (Buffer layer + undoped Inx(AlyGa1 -y)N)(12), n형 도전형 접촉층(13), n형 클래드층(14), 발광층(15), p형 클래드층(16), p형 도전형 접촉층(17)의 Inx(AlyGa1-y)N 질화물계 반도체 층을 성장했다. 즉, 각층(12, 13, 14, 15, 16, 17) 마다 AlGaN, InGaN, AlGaInN 등으로 형성할 수 있다. 특히 발광층(15)의 경우 Inx(AlyGa1-y)N의 장벽층과 Inx(AlyGa1 -y)N의 우물층으로 이루어진 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있고, In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~2.2eV) 밴드갭을 갖는 장파장에서부터 AlN(~6.4eV) 밴드갭을 갖는 단파장의 발광다이오드까지 자유롭게 제작할 수 있다. Buffer layer (undo layer + undoped In x (Al y Ga 1 -y ) N) (12), n-type conductive contact layer (13), n-type cladding on sapphire substrate (11) to fabricate vertical electrode type light emitting diode The In x (Al y Ga 1-y ) N nitride semiconductor layers of the
도면에서 예시하지는 않았지만, 사파이어 기초 기판위에 10Å 두께정도의 SiO2, SiN군 중 어느 하나 또는 이들 조합으로 미세구조(fine cluster)를 형성한 후 버퍼층을 포함하는 발광 다이오드를 성장할 수 있다. 이러한 SiN, 또는 SiO2 미세 구조는 사파이어 기초기판과 질화물 반도체층간의 응력을 최소화시켜, 질화물 반도체 막질을 개선시키며 습식식각을 이용한 사파이어 기판을 제거 할 때 습식식각의 정지층으로 활용되어 질 수 있다. 사파이어 기초기판을 덮는 SiN, 또는 SiO2 미세 구조의 면적 비(wafer coverage)는 90% 이하 이여야 한다. 그 이유는 SiN, 또는 SiO2 미세 구조가 사파이어 기판 전체를 덮었을 경우에는 질화물이 성장될 사파이어가 노출되지 않아 질화물계 반도체가 성장되지 않기 때문이며, 질화물계 반도체는 SiN 또는 SiO2위에는 성장되지 않기 때문이다.Although not illustrated in the drawings, a light emitting diode including a buffer layer may be grown after forming a fine cluster of any one of SiO 2 and SiN groups having a thickness of about 10 μs or a combination thereof on a sapphire base substrate. The SiN or SiO 2 microstructure minimizes the stress between the sapphire base substrate and the nitride semiconductor layer, thereby improving the nitride semiconductor film quality and may be used as a stop layer for wet etching when removing the sapphire substrate using wet etching. The wafer coverage of the SiN or SiO 2 microstructure covering the sapphire base substrate should be 90% or less. This is because when the SiN or SiO 2 microstructure covers the entire sapphire substrate, the nitride semiconductor is not exposed because the sapphire on which the nitride is to be grown is not exposed, and the nitride semiconductor is not grown on the SiN or SiO 2. to be.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 전극 구조를 가지는 발광 다이오드의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, exemplary embodiments of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<제 1실시예><First Embodiment>
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 중간 제조과정을 도시한 도면이다. 도 1a에서 보여 주는 바와 같이, 사파이어 기판(11)위에 질화물계 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17) 성장이 끝나면 제2 오믹 접촉층(17)위에 오믹전극(18) 및 씨드금속(20)을 증착한다. 오믹전극(18)은 Pt, Ni, Au, Rh, Pd, Ti군 중 어느 하나 또는 이들 금속의 합금으로 증 착하여 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서, 300℃ 내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리 한다. 1A to 1E illustrate an intermediate manufacturing process of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, when the nitride-based semiconductor layers 12, 13, 14, 15, 16, and 17 are grown on the
특히, 금속증착시에 형성되는 금속 클러스트 때문에 형성되는 마이크로 파이프(micro pipe)는 식각용액이 흐를 수 있는 통로를 제공하여 식각용액이 질화물 반도체층 속으로 침투하게 됨으로서 제 2 오믹 접촉층(17)을 손상시킬 수 있는데, Pt는 이러한 식각용액에 손상받지 않기 때문에 제 2 오믹접촉층(17)을 보호하기 위해 Pt를 오믹전극으로 형성하는 것이 바람직하다. In particular, the micro pipe formed due to the metal cluster formed during the metal deposition provides a passage through which the etching solution can flow, thereby allowing the etching solution to penetrate into the nitride semiconductor layer, thereby forming the second
사파이어 기판(11) 위에 버퍼층(12) 및 n형 및 p형 도전형 접촉층(13, 17), n형 및 p형 클래딩 층(14, 16), 발광층(15)은 Inx(AlyGa1 -y)N 질화물계 반도체로 이루어져 있고, x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가진다. n형 도전형 접촉층(13)은 Si 불순물이 1018 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm 이하의 비저항을 가지며, p형 접촉층(17)은 Mg 불순물이 1019 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm이하의 비저항을 갖도록 했다. On the
질화물계 반도체 박막의 전체 두께는 사파이어 기판 제거시 응력에 의한 질화물 반도체의 깨짐을 최소화하기 위하여 1μm내지 100μm두께를 갖는 것이 바람직하고, 전류확산 및 식각 선택비를 개선시키기 위하여 n형 도전형 접촉층(13)은 0.5μm 이상 및 p형 접촉층(17)의 두께는 0.1μm이상 두껍게 하는 것이 바람직하다. The total thickness of the nitride-based semiconductor thin film preferably has a thickness of 1 μm to 100 μm in order to minimize the cracking of the nitride semiconductor due to stress when removing the sapphire substrate, and to improve the current diffusion and etching selectivity, 13), the thickness of 0.5 µm or more and the p-
이후에 도1b 에서 도시한 바와 같이 리셉터 금속막(21)을 형성한다. 씨드금속(20)은 도금하고자 하는 금속종류에 따라 다르며 Au, W, Pt, Cu, Ni군 중 어느 하나를 씨드금속으로하여 금속막을 도금하게 된다. 리셉터금속막(21)은 전기전도도 및 열전도도를 고려하여 Au, Cu, CuW, Pt, Mo, W 중 적어도 하나를 도금하는 것이 바람직하고, 오믹전극 및 씨드금속을 증착하여 열처리한 후 전기도금 또는 무전해질 도금으로 도금하면 된다. 전기도금을 하는 경우, 리셉터금속막의 도금속도를 정확히 측정하여 1μm내지 100μm두께로 도금한다.Thereafter, as shown in Fig. 1B, the
도금이 끝난 시료는 도 1c에서 보는 바와 같이, 사파이어 기판(11)을 랩핑(lapping and polishing)하고 SiO2 식각마스크(22)를 1μm정도 증착한후, 사파이어 기판을 식각하여 비아홀을 형성할 부분의 SiO2를 제거하여 사파이어 기판을 노출 시켰다. After the plating is finished, as shown in FIG. 1C, the
이 때, 랩핑단계는 도금 전에 실시해도 상관없으나 랩핑한 후 사파이어 기판 두께의 균일도를 고려하면 도금 전에 하는 것이 바람직할 수 있다. 사파이어 기판(11)의 랩핑 두께는 식각공정 시간을 최소화시키기 위하여 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으나 너무 얇으면 랩핑중에 질화물 반도체를 손상시킬 수 있기 때문에 바람직하게는 5μm내지 200μm정도이다. 또, 사파이어 기판 식각중에 사파이어 기판(11) 표면의 거칠기가 질화물반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 그대로 전달되어 질화물 반도체 구조가 손상될 수 있기 때문에 경면 연마된 사파이어 기판(11) 표면의 거칠기는 20μm이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the lapping step may be performed before the plating, but may be preferable before the plating in consideration of the uniformity of the sapphire substrate thickness after lapping. The lapping thickness of the
여기서 사파이어 기판(11)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), ICP/RIE 건식 식각, 알루미나슬러리(Al2O3 slurry), 다이아몬드 슬러리를 이용한 기 계적 연마 또는 염산(HCl), 질산(HNO3), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 산화크롬(CrO3), 수산화칼륨(KOH), 황산수소칼륨(KHSO4) 및 알루에치 (4H3PO4+4CH3COOH+HNO3+H2O) 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각에 의하여 진행한다. 이 때, ICP/RIE 또는 RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다. The lapping of the
이후 사파이어 기초기판(11)을 식각하여 버퍼층(12)을 노출시켜 제1 전극 접촉면적을 확보했다(도1d). 이 과정에서 식각마스크(22)는 식각하여 완전히 제거하는 것이 바람직하다.Thereafter, the
버퍼층(12)을 노출시키기 위한 사파이어 기판(11)의 습식식각은 다음과 같은 방법으로 진행한다. 200℃ 내지 400℃ 온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)으로 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정하여 사파이어 기판(11) 두께보다 5μm정도 더한 두께를 식각할 만큼의 시간동안 식각 용액에 담가둔다. The wet etching of the
여기서 사용되는 식각 용액을 사용하면 GaN 질화물 반도체의 식각속도는 사파이어 기판(11)에 비하여 1/10 이하의 식각 속도를 보였다. 즉, 사파이어 기초기판(11)에 대한 질화물계 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 식각 선택비가 10 이상이다. 따라서 사파이어 기초기판(11)을 완전히 식각하고도 남을 시간동안 식각을 진행하더라도 질화물 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 식각 속도가 느리 기 때문에 질화물 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)이 손상될 염려는 적다. When the etching solution used herein, the etching rate of the GaN nitride semiconductor was 1/10 or less than that of the
한편, 식각 용액의 온도는 100℃ 이상으로 유지하는 것이 식각 시간 단축을 위하여 바람직하다. 식각 용액의 온도를 100℃ 이상으로 유지하기 위한 가열은 히터 위에 용액을 올려놓거나 히터를 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과 광흡수를 이용한 간접 가열 방식으로 할 수 있다. On the other hand, it is preferable to maintain the temperature of the etching solution at 100 ℃ or more in order to shorten the etching time. The heating for maintaining the temperature of the etching solution above 100 ℃ may be a direct heating method to put the solution on the heater or directly contact the heater and the indirect heating method using light absorption.
제 1 전극패드(24)를 형성하기 위한 사파이어 기초기판(11)의 식각에는 ICP/RIE 기술을 사용할 수도 있다. 사파이어 기판(11)을 빠르게 식각하기 위하여 ICP와 RIE 파워를 가능한 한 높이는 것이 좋지만 에피층을 손상시킬 수 있기 때문에 주의가 필요하다. ICP / RIE technology may be used to etch the
도 2는 ICP/RIE 건식 식각에 의한 사파이어와 GaN의 식각 속도를 나타내는 그래프이다. 도 2에서와 같이, 100sccm의 BCl3, 1800W의 인덕트 파워 (Inductive Power), 10mTorr의 챔버압력에서 실험한 결과, 사파이어 및 질화물계 반도체는 ICP 및 RIE 파워를 증가시킴에 따라 식각 속도가 증가하고 있지만, 사파이어와 질화물계 반도체 사이의 식각비(Al2O3 식각속도 vs. GaN 식각속도)는 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 2 is a graph showing the etching rates of sapphire and GaN by ICP / RIE dry etching. As shown in FIG. 2, as a result of experimenting at 100 sccm of BCl 3 , 1800 W of inductive power, and 10 mTorr of chamber pressure, the sapphire and nitride semiconductors have increased etching rates as the ICP and RIE powers are increased. However, it can be seen that the etching ratio (Al 2 O 3 etching rate vs. GaN etching rate) between the sapphire and the nitride semiconductor is decreasing.
이러한 결과는 건식 식각 기술인 ICP/RIE 기술로 사파이어 기판(11)을 식각할 경우, 질화물계 반도체로 이루어진 버퍼층(12)에서 식각을 정지하기 어렵다는 것을 나타내며, 버퍼층(12)에서 식각을 멈추기 위해서는 광학적 분석 방법 또는 잔류 가스 분석 방법 같은 기술을 활용해야만 한다. 설사 이러한 분석 기술을 사용한 다 할지라도 성공할 확률은 낮다고 하겠다. 그러나 습식 식각 방법에서는 질화물 반도체 층(12, 13)을 식각 정지층으로 사용하여 대량 생산에 필수 요건인 공정 마진을 확보할 수 있다.These results indicate that when the
도 3은 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)을 혼합 용액으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 식각 속도를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 황산과 인산을 혼합한 용액의 질화물계 반도체에 대한 사파이어 식각속도는 황산과 인산의 혼합비에 의존하며 황산이 증가할수록 빠르게 식각된다. GaN질화물 반도체의 식각속도도 황산의 혼합비에 의존하고 있으며 사파이어와의 식각 선택 비는 특정 비율에서 20 이상이 됨을 알 수 있다. 3 is a graph showing the etching rate when wet etching sapphire and GaN with a mixture solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ). As can be seen in Figure 3, the sapphire etching rate of the nitride-based semiconductor of the solution of sulfuric acid and phosphoric acid is dependent on the mixing ratio of sulfuric acid and phosphoric acid and is rapidly etched as the sulfuric acid increases. The etching rate of GaN nitride semiconductor also depends on the mixing ratio of sulfuric acid, and the etching selectivity with sapphire is more than 20 at a specific ratio.
이러한 결과는 사파이어 기판(11)의 식각 정지층으로 질화물 반도체 층(12, 13)을 효과적으로 활용 할 수 있음을 의미하며, 도 4에서 보는 바와 같이 100℃의 고온에서 20 이상의 식각 선택 비를 얻을 수 있었다. These results indicate that the nitride semiconductor layers 12 and 13 can be effectively used as an etch stop layer of the
도 5는 습식 식각 방법으로 사파이어 기판에 특정한 패턴을 형성하고, 습식 식각 방법으로 사파이어 기판을 식각한 후의 사파이어 기판 표면 사진이다. 도 5를 보면, 식각된 경사면과 바닥이 아주 깨끗한 것을 알 수 있다. 사파이어 기판(11)은 325℃의 온도에서 20분 동안에 22.4μm 식각 되어 1.1μm/min의 식각 속도를 나타냈다. 이러한 식각 속도는 괄목할 만한 것이고 양산을 고려해 보더라도 전혀 문제가 없을 것으로 판단되며, 습식 식각은 장비의 생산성에 제약을 받지 않으므로 대량 생산 측면에서 그 어떤 방법보다 많은 장점이 있다고 할 수 있다. 5 is a sapphire substrate surface photograph after forming a specific pattern on the sapphire substrate by the wet etching method, and etching the sapphire substrate by the wet etching method. 5, it can be seen that the etched slope and the bottom are very clean. The
사파이어 기판(11) 식각기술을 활용하여 비아홀 형성과 동시에 소자의 다이싱 라인(dicing line) 또는 벽개(cleve, brake) 라인을 형성시킬 수 있다. 황산 (H2SO4)과 인산(H3PO4)이 혼합된 용액으로 다양한 선폭을 갖는 패턴에 대한 사파이어 기판을 식각한 경우 식각된 깊이는 오픈된 패턴폭에 따라 달랐으며, 오픈된 선폭이 넓을수록 깊었고 선폭이 좁은 패턴인 경우에는 식각깊이가 자동으로 정지되는 것을 알 수 있었다. The
다시 말하면, 습식식각에서 사파이어 기판은 습식식각에서 방향성을 갖고 있으며 식각깊이는 패턴된 선폭에 의존한다. 주로 사용되는 사파이어의 기초기판(11)은 (0001)의 C면이며 습식식각을 하면 방향에 따라 식각면의 각도는 M면, R면, A면에 따라 54° 또는 25° 정도의 경사면을 이룬다. 이러한 현상은 (0001)의 C면과 식각된 (10-10)의 M면, (-1012)의 R면, (11-20)의 A면-식각파셋(etched facet)면이 식각 속도가 다르기 때문이다. 즉 사파이어 식각속도의 면방위 의존성을 살펴본 결과, C면>R면>M면>A면 순서이고, 이와 같은 결과로 미루어 볼 때 식각깊이는 오픈된 선폭에 의해 결정되며 오픈된 선폭을 조절하면 자유자제로 식각깊이를 조절할 수 있다는 것을 의미한다. In other words, in wet etching, the sapphire substrate is oriented in wet etching and the etching depth depends on the patterned line width. The
도 6에서 보는 바와 같이 식각된 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 표면 모폴로지(morphology)는 매우 깨끗했고 큰 두께편차도 관측 할 수 없었다. (0001)면의 사파이어 기판을 일정한 깊이까지 식각하면 식각된 단면은 뾰족한 삼각형 형태 (V-grooved shaped)를 갖게 되어 그 어떤 다이아몬드 펜으로 벽개 라인을 형성했을 때보다 깨끗하게 만들 수 있었다. 다이싱 라인은 20μm 선폭이면 충분하고 비아홀을 식각하는 동안에 일정 깊이에서 식각이 정지되어 자동으로 스크라이빙 라인이 형성되므로 비아홀을 형성한 후 추가 공정없이 개별 칩으로 분리하기 위한 다이싱 라인을 형성할 수 있다. As shown in FIG. 6, when the surface was etched under a microscope, the surface morphology was very clean and no large thickness deviation could be observed. Etching the (0001) side of the sapphire substrate to a certain depth gave the etched cross section a V-grooved shape, making it cleaner than any diamond pen made a cleavage line. Dicing line should be 20μm line width and etching stops at a certain depth during via hole etching, so that scribing line is automatically formed, so dicing line can be formed to separate into individual chips without additional process after forming via hole. Can be.
도 1e에서 도시한 바와 같이 습식 또는 건식 방법을 하나 이상 조합한 방법으로 소자를 분리할 장소에 다이싱라인(25)을 형성시켜 줌으로서 용이하게 소자를 분리 할 수 있을 뿐만 아니라, 절단된 면을 깨끗한 경면으로 만들 수 있다. As shown in FIG. 1E, the dicing
사파이어 습식식각 기술을 양산에 적용했을 경우에 다른 중요한 요소는 사파이어 기판(11)과 질화물 반도체 층(12, 13)과의 식각 선택비를 높일 수 있는 공정 조건을 확보하는 것이며, 특히 질화물 반도체 층(12, 13)을 사파이어 식각 정지층 (etch stop layer)으로 활용하는 것이 효과적이다. 질화물 반도체층(12, 13)으로는 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 계열을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Al의 조성비를 증가시키거나 Mg을 도핑한 p형 GaN를 사용하는 것이 효과적이고, 필요에 따라서는 사파이어 기판(11)에 질화물 반도체층(12)을 형성하기 전에 국지적으로 SiO2나 SiNx 등의 보호막을 형성하여 식각 정지층을 별도로 형성할 수도 있다. 특히 SiO2는 사파이어에 높은 습식식각 선택 비를 갖고 있다.When the sapphire wet etching technology is applied to mass production, another important factor is to secure process conditions that can increase the etching selectivity between the
도 6은 사파이어 기판을 습식 식각 방법으로 제거한 후의 버퍼층(12)의 표면 사진이다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 사파이어 기초기판(11)이 제거된 후에도 응력에 의한 박막의 깨짐이나 손상을 거의 발견 할 수 없었고 질화물 반도체 층(12)의 표면도 아주 깨끗하다는 것을 알 수 있었다.6 is a photograph of the surface of the
이후, RIE를 이용하여 버퍼층(12)을 건식식각하여 제1 오믹 접촉층(13)을 노출시키고 제 1 전극패드(24)를 형성시켜 열처리 한다. 낮은 접촉저항을 얻기 위하여 제1 전극패드(24)는 Al, Pt, Ta, Ni, Cr, Au, Ti 중의 어느 하나 또는 이들 금속의 합금을 증착하여 열처리한다. 열처리는 질소분위기의 퍼니스에서 300℃내지 600℃ 온도로 2분간 수행하였다. Thereafter, the
도1e에서 보는 바와 같이 기판을 다이싱하기 위하여 비아홀을 형성 할때 다이싱할 부분의 사파이어도 제거되도록 SiO2를 패턴닝하였다. 일반적으로 사용하는 다이싱 장비는 다이아몬드 블레이드(blade)를 사용하고 있는데 사파이어 기판을 절단하는 것은 다소 무리가 있고 생산성도 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 비아홀을 형성할 때 다이싱 라인(25)을 동시에 형성하면 공정시간과 공정비용을 절감할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 다이싱 장비를 사용하지 않고 벽개공정을 통해서도 소자를 분리할 수 있으므로 제조원가가 절감된다. 이후 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.As shown in FIG. 1E, when forming a via hole for dicing a substrate, SiO 2 was patterned to remove sapphire of a portion to be diced. Commonly used dicing equipment uses diamond blades, but cutting the sapphire substrate is rather cumbersome and reduces productivity. In order to solve this problem, the dicing
제1 실시예에서 제조된 발광 다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2 전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속막(21)위에 형성되어 있는 씨드금속(20), 오믹전극(18), 상기 오믹전극(18)위에 제1 오믹 접촉층(17), 제 2 클레딩층(16), 발광층(15), 제 1 클레딩층(14), 제 1 오믹 접촉층(13), 버퍼층(12) 및 제 1전극이 되는 제 1 전극패드(24)가 존재하며, 상 기 제 1 전극패드(24)는 사파이어 기판(11) 및 버퍼층(12)이 식각되어 형성된 비아홀(23)을 통하여 제 1 오믹접촉층(13)과 전기적으로 연결(inter-connection)되어 있다. 여기서, 제 1 전극패드(24)는 비아홀(via hole)(23) 내부면의 일부를 덮고 있으며 비아홀을 관통하여 제 1 오믹 접촉층(13)과 접촉하고 있고, 비아홀(23)을 일정 깊이까지 채우는 형태로 형성되어 있다. 비아홀(23)의 수평 단면 모양은 원, 사각형 등 다양하게 변형될 수 있고, 비아홀(23)의 수는 하나는 물론 복수개로 형성할 수 있다. 이러한 구조에서 빛은 발광층(15)에서 발생하여 사파이어 기판(11)을 통하여 외부로 방출된다. 여기서 제1 오믹 접촉층은 n형, 제2 오믹 접촉층은 p형이 될 수 있다. The characteristics of the light emitting diode manufactured in the first embodiment are summarized as follows. The vertical electrode diode is formed on the
<제 2 실시예>Second Embodiment
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면 및 평면을 도시한 도면이다. 도 7에서 보는 바와 같이, 오믹전극(18) 및 씨드금속(20), 질화물계 반도체층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 형성, 사파이어기초기판의 식각, 다이싱라인 형성등의 발광다이오드의 상세한 제작방법은 제 1 실시예와 유사하지만, 광투과성 전극 또는 투명전극(26)의 형성과 제 1 전극패드(24)를 비아홀(23) 안에 형성하지 않고 사파이어 기초기판(11) 위에 형성하는 것이 제 1 실시예와 다르다. 7 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the formation of the
여기서 제 1 전극은 전류확산과 광추출이 용이하도록 광투과성전극 또는 투명전극(26)으로 형성하였다. 광투과성 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 얇게 형성하여 광투과가 용이하게 하는 것이 바람직하 고, 투명전극인 경우에는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO 중 어느 하나로 형성하여 전류확산과 투명도를 확보하여 광추출이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.The first electrode is formed of a light transmissive electrode or a
Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 광투과성 오믹 전극을 형성하는 경우에는, 전류확산에 문제가 없는 한도 내에서 얇게 하는 것이 바람직하지만 전류확산을 고려하여 전체두께를 10Å내지 500Å로 하는 것이 바람직하다. 광투과성전극을 형성하기 위하여 Ni/Au/Ni, Ti/Au, Al 중 어느 하나를 증착하여 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서, 400℃ 내지 700℃의 온도로, 1분내지 5분동안 열처리 하는 것이 바람직하다. 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.When forming a transparent ohmic electrode from any one of Ni, Au, Pt, Ti, and Al or an alloy thereof, it is preferable to thin the current diffusion without causing problems, but the overall thickness is considered in consideration of current diffusion. It is preferable to make 10 kPa to 500 kPa. Ni / Au / Ni, Ti / Au, and Al are deposited to form a light transmissive electrode in a furnace containing oxygen or nitrogen at a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. for 1 minute to 5 minutes. It is preferable to heat-treat. The wafer after heat treatment may be diced according to the size of the device to separate the device.
제2 실시예에서 제조된 발광다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2 전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속막(21)위에 형성 되어 있는 씨드 금속(19) 및 오믹전극(18), 상기 오믹전극(18)위에 제1 오믹 접촉층(17), 제2 클레딩층(16), 발광층(15), 제1 클레딩층(14), 제1 오믹 접촉층(13), 버퍼층(12) 및 사파이어 기초기판(11), 상기 사파이어 기초기판(11)위에 광투과성 전극 또는 투명전극(26)이 존재하며, 상기 광투과성 전극 또는 투명전극(26)은 사파이어 기판(11) 및 버퍼층(12)이 식각되어 형성된 비아홀(23)을 통하여 제1 오믹 접촉층(13)과 전기적으로 연결(inter-connection)되어 있다. 상기 광투과성 전극 또는 투명전극(26) 위의 비아홀을 벗어난 위치에 제 1전극패드(24)가 형성되어 있다. 여기서, 광투과성 전극 또는 투명전극(26)은 비아홀(via hole) 내부면의 일부를 덮고 있으며 비아홀을 관통하여 제1 오믹 접촉 층(13)과 접촉하고 있다. 광투과성 전극 또는 투명전극(26)과 제 1전극패드(24)가 제 1전극의 역할을 한다. 제1 오믹 접촉층은 n형, 제2 오믹 접촉층은 p형이 될 수 있다. The characteristics of the light emitting diodes manufactured in the second embodiment are summarized as follows. The vertical electrode diode includes a
<제 3 실시예>Third Embodiment
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면 및 평면을 도시한 도면이다. 도 8에서 보는 바와 같이, 제3 실시예는 오믹 전극(18) 및 씨드금속(20), 사파이어 기초기판의 식각, 다이싱라인 형성등의 발광다이오드의 상세 제작방법은 제 1 실시예와 유사하지만, 사파이어 기초기판을 전부 식각하여 버퍼층을 노출시킨 후, 버퍼층을 식각하여 제1 오믹접촉층(13)을 노출시켜 제1 전극패드(24)를 형성하는 것이 상이하다. 8 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the third embodiment is similar to the first embodiment in that the manufacturing method of the light emitting diode such as etching the
구체적인 실시예는 다음과 같다. 사파이어 기판(11)위에 질화물 계 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17) 성장이 끝나면 제 2 오믹 접촉층(17)위에 오믹전극(18) 및 씨드금속(20)을 증착한다. 오믹전극(18)은 Pt, Ni, Au, Rh, Pd, Ti 군 중 어느 하나 또는 이들 금속의 합금으로 증착하여 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 300℃ 내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리 한다. Specific embodiments are as follows. After the growth of the nitride based semiconductor layers 12, 13, 14, 15, 16, and 17 on the
사파이어 기판(11)위에 버퍼층(12) 및 n형 및 p형 도전형 접촉층(13, 17), n형, p형 클래딩 층(14, 16), 발광층(15)은 Inx(AlyGa1 -y)N 질화물계 반도체로 이루어져 있고 x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가진다. n형 도전형 접촉층(13)은 Si 불순물이 1018 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm 이하의 비저항을 가지며, p형 접촉층(17)은 Mg 불순물이 1019 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm이하의 비저항을 갖도록 했다. On the
질화물계 반도체 박막의 전체 두께는 사파이어 기판 제거시 응력에 의한 질화물 반도체의 깨짐을 최소화하기 위하여 1μm내지 100μm두께를 갖는 것이 바람직하고, 전류확산 및 식각 선택비를 개선시키기 위하여 n형 도전형 접촉층(13)은 0.5μm 이상 및 p형 접촉층(17)의 두께는 0.1μm이상 두껍게 하는 것이 바람직하다.The total thickness of the nitride-based semiconductor thin film preferably has a thickness of 1 μm to 100 μm in order to minimize the cracking of the nitride semiconductor due to stress when removing the sapphire substrate, and to improve the current diffusion and etching selectivity, 13), the thickness of 0.5 µm or more and the p-
씨드금속(20)은 도금하고자 하는 금속종류에 따라 다르며 Au, W, Pt, Cu, Ni 군 중 어느 하나를 씨드금속으로 하여 리셉터 금속막(21)을 도금하게 된다. 리셉터금속막(21)은 전기전도도 및 열전도도를 고려하여 Au, Cu, CuW, Pt, Mo, W 중 적어도 하나를 도금하는 것이 바람직하고, 오믹 전극(18) 및 씨드금속(20)을 증착하여 열처리한 후 전기도금 또는 무전해질 도금으로 도금한다. 전기도금을 하는 경우, 리셉터금속막의 도금속도를 정확히 측정하여 0.1μm 내지 100μm두께로 도금하면 된다. The
도금이 끝난 시료는 사파이어 기판(11)을 랩핑(lapping and polishing)하고 SiO2 식각 마스크(22)를 1μm정도 증착하고, 사파이어 기판을 식각하여 비아홀을 형성할 부분의 SiO2를 제거하여 사파이어 기판을 노출시켰다. 이 때, 랩핑단계는 도금 전에 실시해도 상관없으나 랩핑한 후의 사파이어 기판 두께의 균일도를 고려하면 도금 전에 하는 것이 바람직할 수 있다. 사파이어 기판(11)의 랩핑 두께는 식각공정 시간을 최소화시키기 위하여 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으나 너무 얇으면 랩 핑 중에 질화물 반도체를 손상시킬 수 있기 때문에 바람직하게는 5μm~200μm 정도이다.After the plating is completed, the
또, 사파이어 기판 식각 중에 사파이어 기판(11) 표면의 거칠기가 질화물반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 그대로 전달되어 질화물 반도체 구조가 손상될 수 있기 때문에 경면 연마된 사파이어 기판(11) 표면의 거칠기는 20μm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 사파이어 기판(11)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), ICP/RIE 건식 식각, 알루미나(Al2O3) 가루를 이용한 기계적 연마 또는 염산(HCl), 질산(HNO3), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 산화크롬(CrO3), 수산화칼륨(KOH), 황산수소칼륨(KHSO4) 및 알루에치(4H3PO4+4CH3COOH+HNO3+H2O)중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각에 의하여 진행한다. 이 때, ICP/RIE 또는 RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다. In addition, since the roughness of the surface of the
이후 사파이어 기판을 전부 식각하여 버퍼층(12)을 완전히 노출시킨후 버퍼층(12)을 건식식각하여 제 1 전극패드(24)의 접촉면적을 확보했다. 버퍼층(12)을 노출시키기 위한 사파이어 기판(11)의 습식식각은 다음과 같은 방법으로 진행한다. 200℃ 내지 400℃온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)으로 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정하여 사파이어 기판(11) 두께보다 5μm 정도의 두께를 더한만큼의 두께를 식각할 시간동안 식각 용액에 담가둔다.Subsequently, all of the sapphire substrates were etched to expose the
한편, 식각 용액의 온도는 100℃ 이상으로 유지하는 것이 식각 시간 단축을 위하여 바람직하다. 식각 용액의 온도를 100℃ 이상으로 유지하기 위한 가열은 히터 위에 용액을 올려놓거나 히터를 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과 광흡수를 이용한 간접 가열 방식으로 할 수 있다. On the other hand, it is preferable to maintain the temperature of the etching solution at 100 ℃ or more in order to shorten the etching time. The heating for maintaining the temperature of the etching solution above 100 ℃ may be a direct heating method to put the solution on the heater or directly contact the heater and the indirect heating method using light absorption.
사파이어 기판(11) 식각기술을 활용하여 비아홀 형성과 동시에 소자의 다이싱 라인 또는 벽개라인(25)을 형성할 수 있고, 습식 또는 건식 방법을 하나 이상 조합한 방법으로 소자를 분리할 장소에 다이싱 라인을 형성시켜 줌으로서 용이하게 소자를 분리 할 수 있을 뿐만 아니라, 절단된 면을 깨끗한 경면으로 만들 수 있다. By using the
이후 ICP/RIE 또는 RIE를 이용하여 버퍼층(12)을 건식식각하여 제 1 오믹 접촉층(13)을 노출시키고 제 1 전극패드(24)를 형성시켜 열처리 한다. 낮은 접촉저항을 얻기 위하여 제1 전극패드(24)는 Al, Pt, Ta, Ni, Cr, Au, Ti 중의 어느 하나 또는 이들 금속의 합금을 증착하여 열처리한다. 열처리는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 300℃내지 600℃의 온도로 2분간 수행하였다. 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.Thereafter, the
도8에서 보는 바와 같이 제3 실시예에서 제조된 발광 다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속막(21)위에 형성 되어 있는 씨드금속(20), 오믹 전극(18), 제 1 오믹 접촉층(17), 제 2 클레딩층(16), 발광층(15), 제 1 클레딩층(14), 제1 오믹 접촉층(13) 및 제 1 전극이 되는 제 1전극패드(24)가 존재한다.As shown in FIG. 8, the characteristics of the light emitting diode manufactured in the third embodiment are summarized as follows. The vertical electrode diode includes a
<제 4 실시예>Fourth Embodiment
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면과 평면을 도시한 도면이다. 도 9에서 보는 바와 같이, 오믹 전극(18) 및 씨드금속(20), 사파이어 기초기판의 식각, 다이싱라인 형성등의 발광다이오드의 상세 제작방법은 제 3 실시예와 유사하지만, 광투과성 전극 또는 투명전극(26)과 제 1 전극패드(24)를 형성하는 것이 제 3 실시예와 다르다. 9 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the detailed manufacturing method of the light emitting diode such as etching of the
여기서 제 1 전극은 전류확산과 광추출이 용이하도록 광투과성전극 또는 투명전극(26)으로 형성하였다. 광투과성 전극은 Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 얇게 형성하여 광투과가 용이하게 하는 것이 바람직하고, 투명전극인 경우에는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO 중 어느 하나로 형성하여 전류확산과 투명도를 확보하여 광추출이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.The first electrode is formed of a light transmissive electrode or a
Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 광투과성 오믹 전극을 형성하는 경우에는, 전류확산에 문제가 없는 한도내에서 얇게 하는 것이 바람직하지만 전류확산을 고려하여 전체두께를 10Å내지 500Å로 하는 것이 바람직하다. 광투과성전극을 형성하기 위하여 Ni/Au/Ni, Ti/Au, Al중 어느 하나를 증착하여 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서, 400℃ 내지 700℃의 온도로, 1분내지 5분동안 열처리 하는 것이 바람직하다. 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.When forming a transparent ohmic electrode made of any one of Ni, Au, Pt, Ti, and Al or an alloy thereof, it is preferable to thin the film within a limit that does not cause a problem in current spreading. It is preferable to make 10 kPa to 500 kPa. Ni / Au / Ni, Ti / Au, and Al are deposited to form a light transmissive electrode in a furnace containing oxygen or nitrogen at a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. for 1 minute to 5 minutes. It is preferable to heat-treat. The wafer after heat treatment may be diced according to the size of the device to separate the device.
제4 실시예에서 제조된 발광다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2 전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속 막(21)위에 형성 되어 있는 씨드 금속(20) 및 오믹 전극(18), 상기 오믹 전극(18)위에 제 1 오믹 접촉층(17), 제 2 클레딩층(16), 발광층(15), 제 1 클레딩층(14), 제 1 오믹 접촉층(13) 및 광투과성 전극 또는 투명전극(26), 상기 광투과성 전극 또는 투명전극(26)위에 제 1 전극패드(24)가 존재한다. 광투과성 전극 또는 투명전극(26)과 제 1 전극패드(24)가 제 1전극이 된다. 여기서 제1 오믹 접촉층은 n형, 제2 오믹 접촉층은 p형이 될 수 있다. The characteristics of the light emitting diodes manufactured in the fourth embodiment are as follows. The vertical electrode diode includes a
<제 5 실시예>Fifth Embodiment
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 단면과 평면을 도시한 도면이다. 도 10에서 보는 바와 같이, 오믹 전극(18) 및 씨드금속(20), 사파이어 기초기판의 식각, 다이싱 라인 형성 등의 발광다이오드의 상세 제작방법은 제 4 실시예와 유사하지만, 광투과성 전극 또는 투명전극 대신 망사형 전극(27)을 형성하는 것이 제 4 실시예와 다르다. 10 is a cross-sectional view and a plan view of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the detailed manufacturing method of the light emitting diode such as etching the
제 1전극은 광 추출이 용이 하도록 망사형 전극(27)으로 형성했다. 망사형 전극(27)은 Ni, Au, Pt, Ti, Al 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 형성하고 산소 또는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 400℃ 내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분 동안 열처리 하는 것이 바람직하다. The first electrode was formed of a
제 1전극패드(24)의 하부는 노출하여 쇼키접촉을 하거나 전극패드 하부에 절연체를 삽입하여 전류패드 하부로의 전류 집중을 막아주는 것이 전류확산과 소자의 신뢰성 향상을 위하여 바람직하다. 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.The lower part of the
제5 실시예에서 제조된 수직형 발광다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2 전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속막(21)위에 형성 되어 있는 씨드금속(20) 및 오믹 전극(18) , 상기 오믹전극(18)위에 제 1 오믹 접촉층(17), 제 2 클레딩층(16), 발광층(15), 제 1 클레딩층(14), 제 1 오믹 접촉층(13), 망사형전극(27) 및 제 1 전극패드(24)가 존재한다. 망사형전극(27)과 제 1전극패드(24)가 제 1전극이 된다.여기서 제1 오믹 접촉층은 n형, 제2 오믹 접촉층은 p형이 될 수 있다. The features of the vertical light emitting diodes manufactured in the fifth embodiment are summarized as follows. The vertical electrode diode is formed of a
<제 6 실시예>Sixth Embodiment
도 11a내지 도 11f는 본 발명의 제6 실시예에 따른 수직형 전극 구조를 갖는 발광 다이오드의 중간 제조과정을 도시한 도면이다. 도 11a에서 보여 주는 바와 같이, 사파이어 기판(11)위에 질화물계 반도체층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 성장이 끝나면 제 2 오믹 접촉층(17)위에 오믹전극(18)을 증착한다. 오믹전극(18)은 Pt, Ni, Au, Rh, Pd, Ti 중 어느 하나 또는 이들 금속의 합금을 증착하여 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 300℃ 내지 700℃의 온도로 1분 내지 5분간 열처리 한다. 11A to 11F illustrate an intermediate manufacturing process of a light emitting diode having a vertical electrode structure according to a sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11A, when the growth of the nitride based semiconductor layers 12, 13, 14, 15, 16, and 17 on the
특히, 금속 증착시에 형성되는 금속 클러스트 때문에 형성되는 마이크로 파이프(micro pipe)는 식각용액이 흐를 수 있는 통로를 제공하여 식각용액이 질화물 반도체층 속으로 침투하게 됨으로서 제 2 오믹 접촉층(17)을 손상시킬 수 있기 때문에, 제 2 오믹접촉층(17)을 보호하기 위하여 식각용액에 손상받지 않는 Pt를 오믹전극으로 형성하는 것이 바람직하다.In particular, the micro pipe formed due to the metal crust formed during the metal deposition provides a passage through which the etching solution can flow, thereby allowing the etching solution to penetrate into the nitride semiconductor layer, thereby forming the second
이후 오믹전극(18) 위에 SiO2의 산화막(19)을 증착하고, 오믹전극(18)과 리셉터 금속막(21)을 전기적으로 연결하기 위한 제 2 비아홀(191)을 형성한다. SiO2의 산화막을 증착하는 것은 사파이어 기판을 습식식각할 때 오믹전극(18)만으로 질화물 반도체 층을 보호할 수 없기 때문에 산에 영향을 덜 받는 SiO2의 산화막을 증착하여 질화물계 반도체층을 보호하기 위함이다. 이후 SiO2의 산화막(19)위에 씨드금속(20)을 증착하여 전기 도금한다.Thereafter, an
사파이어 기판(11)위에 발광다이오드 구조는 버퍼층(12) 및 n형 및 p형 도전형 접촉층(13, 17), n형, p형 클래딩 층(14, 16), 발광층(15)은 Inx(GayAl1 -y)N 질화물계 반도체로 이루어져 있고 x와 y는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 값을 가진다. n형 도전형 접촉층(13)은 Si 불순물이 1018 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm 이하의 비저항을 갖고 있으며, p형 접촉층(17)은 Mg 불순물이 1019 이상의 농도로 도핑되어 1x10-1Ωcm이하의 비저항을 갖도록 했다. The light emitting diode structure on the
질화물계 반도체 박막의 전체 두께는 사파이어 기초기판 제거시 응력에 의한 질화물 반도체의 깨짐을 최소화하기 위하여 1μm 내지 100μm 두께를 갖는 것이 바람직하고, 전류확산 및 식각 선택비를 개선시키기 위하여 n형 오믹 접촉층(13)은 0.5μm 이상 및 p형 접촉층(17)의 두께는 0.1μm 이상 두껍게 하는 것이 바람직하다. The total thickness of the nitride-based semiconductor thin film preferably has a thickness of 1 μm to 100 μm in order to minimize the cracking of the nitride semiconductor due to stress when removing the sapphire base substrate, and the n-type ohmic contact layer ( 13), the thickness of 0.5 µm or more and the p-
씨드금속(20)은 도금하고자 하는 금속종류에 따라 다르며 Au, W, Pt, Cu, Ni 군 중 어느 하나를 씨드금속으로 하여 리셉터금속막(21)을 도금하게 된다. 리셉터금속막(21)은 전기전도도 및 열전도도를 고려하여 Au, Cu, CuW, W, Pt, Mo 중 적어도 하나를 도금하는 것이 바람직하고, 오믹 전극(18) 및 씨드금속(20)을 증착하여 열처리한 후 전기도금 또는 무전해질 도금으로 도금한다. 전기도금을 하는 경우, 리셉터금속막의 도금속도를 정확히 측정하여 0.1μm 내지 100μm 두께로 도금한다.The
도금이 끝난 시료는 도 11e에서 보는 바와 같이, 사파이어 기판(11)을 랩핑(lapping and polishing)하고 SiO2 식각 마스크(22)를 1μm정도 증착하고, 사파이어 기판을 식각하여 비아홀(23)을 형성할 부분의 SiO2를 제거하여 사파이어 기판을 노출 시켰다. As shown in FIG. 11E, the plated sample may wrap and polish the
이때, 랩핑단계는 도금전에 실시해도 상관없으나 랩핑한 후 사파이어 기판 두께의 균일도를 고려하면 도금전에 하는 것이 바람직할 수 있다. 사파이어 기판(11)의 랩핑 두께는 식각공정 시간을 최소화시키기 위하여 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으나 너무 얇으면 립핑중에 질화물 반도체를 손상시킬 수 있기 때문에 바람직하게는 5μm~200μm정도이다. 또, 사파이어 기초기판의 식각중에 사파이어 기판(11) 표면의 거칠기가 질화물반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 그대로 전달되어 질화물 반도체 구조가 손상될 수 있기 때문에 경면 연마된 사파이어 기초기판(11) 표면의 거칠기는 20μm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. At this time, the lapping step may be performed before the plating, but may be preferable before the plating in consideration of the uniformity of the sapphire substrate thickness after lapping. The lapping thickness of the
여기서 사파이어 기판(11)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), ICP/RIE 건식 식각, 알루미나(Al2O3) 가루를 이용한 기계적 연마 또는 염산(HCl), 질산(HNO3), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 산화크롬(CrO3), 수산화칼륨(KOH), 황산수소칼륨(KHSO4) 및 알루에치(4H3PO4+4CH3COOH+HNO3+H2O)중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식식각에 의하여 진행한다. 이 때, ICP/RIE 또는 RIE 의 식각 가스로는 BCL3, Cl2, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다. The lapping of the
이후 SiO2 식각 마스크(22)를 모두 제거한 후, 사파이어 기판을 식각하여 버퍼층(12)을 노출시켜 제 1 전극패드(24)의 접촉면적을 확보했다(도11f). 버퍼층(12)을 노출시키기 위한 사파이어 기판(11)의 습식식각은 다음과 같은 방법으로 진행한다. 200℃ 내지 400℃ 온도의 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)으로 혼합된 식각 용액에 의한 사파이어 기판(11)의 식각 속도를 측정하여 사파이어 기판(11) 두께보다 5μm 정도를 더한 두께를 식각할 만큼의 시간을 더한 시간동안 식각 용액에 담가둔다. After removing all of the SiO 2 etching mask 22, the sapphire substrate was etched to expose the
여기서 사용되는 식각 용액을 사용하면 GaN 질화물 반도체의 식각속도는 사파이어 기판(11)에 비하여 1/10 이하의 식각 속도를 보였다. 즉, 사파이어 기초기판(11)에 대한 질화물계 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 식각 선택비가 10 이상이다. 따라서 사파이어 기초기판(11)을 완전히 식각하고도 남을 시간동안 식각을 진행하더라도 질화물계 반도체 층(12, 13, 14, 15, 16, 17)의 식각 속도가 느리기 때문에 질화물계 반도체층(12, 13, 14, 15, 16, 17)이 손상될 염려는 적다. When the etching solution used herein, the etching rate of the GaN nitride semiconductor was 1/10 or less than that of the
한편, 식각 용액의 온도는 100℃ 이상으로 유지하는 것이 식각 시간 단축을 위하여 바람직하다. 식각 용액의 온도를 100℃ 이상으로 유지하기 위한 가열은 히터 위에 용액을 올려놓거나 히터를 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과 광흡수를 이용한 간접 가열 방식으로 할 수 있다. On the other hand, it is preferable to maintain the temperature of the etching solution at 100 ℃ or more in order to shorten the etching time. The heating for maintaining the temperature of the etching solution above 100 ℃ may be a direct heating method to put the solution on the heater or directly contact the heater and the indirect heating method using light absorption.
사파이어 기초기판(11)의 식각에는 ICP/RIE 기술을 사용할 수도 있다. 사파이어 기판(11)을 빠르게 식각하기 위하여 ICP와 RIE 파워를 가능한 한 높이는 것이 좋지만 에피층을 손상시킬 수 있기 때문에 주의가 필요하다. ICP / RIE technology may be used for etching the
사파이어 기판(11) 식각기술을 활용하여 비아 홀 형성과 동시에 소자의 다이싱 라인(25)을 형성시킬 수 있다. 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)이 혼합된 용액으로 다양한 선폭을 갖는 패턴에 대한 사파이어 기판을 식각한 경우 식각된 깊이는 오픈된 패턴폭에 따라 달랐으며, 오픈된 선폭이 넓을수록 깊었고 선폭이 좁은 패턴인 경우에는 식각깊이가 자동으로 정지되는 것을 알 수 있었다. By using the
다시 말하면, 습식식각에서 사파이어 기판은 습식식각에서 방향성을 갖고 있으며 식각깊이는 패턴된 선폭에 의존한다. 주로 사용되는 사파이어 기초기판(11)은 (0001)의 C면이며 습식식각을 하면 방향에 따라 식각면의 각도는 M면, R면, A면에 따라 54° 또는 25° 정도의 경사면을 이룬다. 이러한 현상은 (0001)의 C면과 식각 된 (10-10)의 M면, (-1012)의 R면, (11-20)의 A면-식각파셋(etched facet)면이 식각 속도가 다르기 때문이다. 즉 사파이어 식각속도의 면방위 의존성을 살펴본 결과, C면>R면>M면>A면 순서이고, 이와 같은 결과로 미루어 볼 때 식각깊이는 오픈된 선폭에 의해 결정되며 오픈된 선폭을 조절하면 자유자제로 식각깊이를 조절할 수 있다는 것을 의미한다. In other words, in wet etching, the sapphire substrate is oriented in wet etching and the etching depth depends on the patterned line width. The
사파이어 습식식각 기술을 양산에 적용했을 경우에 다른 중요한 요소는 사파이어 기판(11)과 질화물 반도체 층(12, 13)과의 식각 선택 비를 높일 수 있는 공정 조건을 확보하는 것이며, 특히 질화물 반도체 층(12, 13)을 사파이어 식각 정지층 (etch stop layer)으로 활용하는 것이 효과적이다. 질화물 반도체 층(12, 13)으로는 Inx(GayAl1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 계열을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Al의 조성비를 증가시키거나 Mg을 도핑한 p형 GaN를 사용하는 것이 효과적이고, 필요에 따라서는 사파이어 기판(11)에 질화물 반도체 층(12)을 형성하기 전에 국지적으로 SiO2나 SiNx 등의 보호막을 형성하여 식각 정지층을 별도로 형성할 수도 있다. 특히 SiO2는 사파이어와 높은 습식식각 선택 비를 갖고 있다.When the sapphire wet etching technology is applied to mass production, another important factor is to secure process conditions for increasing the etching selectivity between the
이후 도11f에서 보는 바와 같이, ICP/RIE 또는 RIE를 이용하여 버퍼층(12)을 건식식각하여 제1 오믹 접촉층(13)을 노출시키고 제 1 전극패드(24)를 형성시켜 열처리 한다. 낮은 접촉저항을 얻기 위하여 제1 전극패드(24)는 Al, Pt, Ta, Ni, Cr, Au, Ti 중의 어느 하나 또는 이들 금속의 합금을 증착하여 열처리한다. 열처리는 질소를 포함하는 분위기의 퍼니스에서 300℃내지 600℃ 온도로 2분간 수행하였다. 이후 열처리가 끝난 웨이퍼는 소자의 크기에 맞게 다이싱하여 소자를 분리하면 된다.Thereafter, as shown in FIG. 11F, the
제6 실시예에서 제조된 발광 다이오드의 특징을 요약하면 다음과 같다. 수직 전극형 다이오드는 제 2 전극의 역할을 하는 리셉터 금속막(21), 상기 리셉터 금속막(21) 위에 형성 되어 있는 씨드금속(20), 상기 씨드금속(20)위에 제 2 비아홀(191)이 형성되어 있는 산화막(19), 상기 산화막(19) 위에 형성되어 있는 오믹전극(18), 상기 오믹전극(18)과 씨드금속(20)은 제 2 비아홀(191)을 통하여 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 오믹전극(18)위에 제1 오믹 접촉층(17), 제2 클레딩층(16), 발광층(15), 제1 클레딩층(14), 제1 오믹 접촉층(13), 버퍼층(12) 및 사파이어 기초기판(11)이 존재하며, 제 1 전극이 되는 제 1 전극패드(24)는 사파이어 기판(11) 및 버퍼층(12)이 식각되어 형성된 비아홀(23)을 통하여 제1 오믹 접촉층(13)과 전기적으로 연결(inter-connection)되어 있다. 여기서, 제 1 전극패드(24)는 비아홀(23) 내부면의 일부를 덮고 있으며 비아홀을 관통하여 제 1 오믹 접촉층(13)과 접촉하고 있고, 비아홀(23)을 일정 깊이까지 채우는 형태로 형성되어 있다. 제 1 전극패드(24)가 제 1 전극이 된다.The characteristics of the light emitting diode manufactured in the sixth embodiment are as follows. The vertical electrode type diode includes a
비아 홀(23)의 수평 단면 모양은 원, 사각형 등 다양하게 변형될 수 있고, 비아 홀(via hole)의 수는 하나는 물론 복수개로 형성할 수 있다. 이러한 구조에서 빛은 발광층(15)에서 발생하여 사파이어 기초기판(11)을 통하여 외부로 방출된다. 여기서 제1 오믹 접촉층은 n형, 제2 오믹 접촉층은 p형이 될 수 있다. The horizontal cross-sectional shape of the via
본 발명에서는 이면 연마와 건식 또는 습식 식각을 이용하여 사파이어 기판 을 제거하기 때문에 생산성이 크게 향상되며, 레이저 리프트 오프 방식의 경우에 에피층이 받을 수 있는 열 손상을 방지할 수 있다. 또한 사파이어 기판과 질화물반도체 간에 식각 선택 비를 활용함으로서 공정의 재현성을 용이하게 향상시킬 수 있으며, 표준화된 공정이 가능하여 대량생산이 용이해진다.In the present invention, since the sapphire substrate is removed by using back grinding and dry or wet etching, the productivity is greatly improved, and in the case of the laser lift-off method, thermal damage that the epi layer can receive can be prevented. In addition, by utilizing the etching selectivity between the sapphire substrate and the nitride semiconductor can be easily improved the reproducibility of the process, and the standardized process is possible to facilitate mass production.
본 발명은 470nm의 파장을 갖는 파란색 계열의 질화물계 발광소자 뿐만 아니라, 사파이어 기초 기판 위에 성장된 Inx(GayAl1 -y)N 계열의 모든 질화물계 반도체에 적용 할 수 있으며, 특히 본 발명으로 질화물계 발광소자를 제작하는 경우, 버퍼층으로 사용된 GaN층을 제거할 수 있기 때문에 GaN 밴드갭 파장인 365nm 이하의 자외선 영역의 빛을 발광하는 소자에 대하여 대단히 유용하게 활용할 수 있다. 신뢰성 및 휘도 향상, 소자의 크기를 줄여 생산성 및 소자의 성능을 향상 시켜 고휘도/고성능 질화물 반도체 발광소자 제작을 가능하게 하는 LED 조명 분야의 핵심 기술이다. The present invention can be applied to all nitride based semiconductors of In x (Ga y Al 1 -y ) N series grown on a sapphire base substrate as well as a blue nitride based light emitting device having a wavelength of 470 nm. In the case of fabricating a nitride-based light emitting device, since the GaN layer used as a buffer layer can be removed, it can be very useful for a device emitting light in an ultraviolet region of 365 nm or less, which is a GaN bandgap wavelength. It is a key technology in the LED lighting field that enables the production of high brightness / high performance nitride semiconductor light emitting devices by improving reliability and brightness, reducing device size, and improving productivity and device performance.
이상과 같이 본 발명과 같은 구조의 수직형 발광다이오드에서는 제 1 전극(24,26,27)과 제 2 전극(21)이 칩의 상하 양면에 별도로 형성되므로 수직형 전극구조를 갖는 발광다이오드를 제조할 수 있으며, 칩의 면적을 줄일 수 있어 웨이퍼 당 칩 생산량을 크게 향상시킬 수 있다. As described above, in the vertical light emitting diode having the same structure as the present invention, since the
또한 리셉터 금속막(21)이 제 2전극의 역할을 하게 되고, 유테틱 금속의 열압착공정이 불필요하므로 제조공정을 간단하게 하여 제조효율을 높일 수 있다.In addition, since the
또한 사파이어 기판(11)에 비아홀(23)을 형성하고 금속으로 제 1 전극(24,26,27)을 형성하므로 제1 전극 및 리셉터 금속막을 통하여 열 방출과 정전기 방출이 효율적으로 이루어져 소자의 신뢰성 향상에 크게 기여한다. 아울러, 전류가 칩의 면적 전체를 통하여 균일하게 흐르므로 대 전류에서도 구동이 가능하게 되어 단일 소자에서도 높은 광 출력을 얻을 수 있다. In addition, since the via holes 23 are formed in the
이러한 소자의 특성은 특히 조명 및 액정 표시 장치의 백라이트 유닛(back light unit)에 응용하기 위한 필수요건인 고 휘도 특성을 만족시키기 때문에 앞으로 활용 가능성은 무궁무진하다고 하겠다.The characteristics of such devices satisfy the high luminance characteristic, which is an essential requirement for the back light unit of lighting and liquid crystal display devices.
본 발명에서는 이면 연마와 건식 또는 습식 식각을 이용하여 사파이어 기판을 제거하기 때문에 생산성이 크게 향상되며, 레이저 리프트 오프 방식의 경우에 에피층이 받을 수 있는 열 손상을 방지할 수 있다. 또한 사파이어 기판과 질화물반도체 간에 식각 선택 비를 활용함으로서 공정의 재현성을 용이하게 향상시킬 수 있으며, 표준화된 공정이 가능하여 대량생산이 용이해진다.In the present invention, since the sapphire substrate is removed using back grinding and dry or wet etching, productivity is greatly improved, and thermal damage that an epitaxial layer can receive in the case of a laser lift-off method can be prevented. In addition, by utilizing the etching selectivity between the sapphire substrate and the nitride semiconductor can be easily improved the reproducibility of the process, and the standardized process is possible to facilitate mass production.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다. While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be understood that various changes and modifications can be made in the art without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that those skilled in the art can easily know.
Claims (23)
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