KR20070122120A - 수직형 발광 다이오드의 제조방법 - Google Patents

수직형 발광 다이오드의 제조방법 Download PDF

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KR20070122120A
KR20070122120A KR20060093465A KR20060093465A KR20070122120A KR 20070122120 A KR20070122120 A KR 20070122120A KR 20060093465 A KR20060093465 A KR 20060093465A KR 20060093465 A KR20060093465 A KR 20060093465A KR 20070122120 A KR20070122120 A KR 20070122120A
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Abstract

본 발명의 수직형 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로서, 수직형 발광 다이오드의 제조에 있어 필수적으로 요구되는 공정인 사파이어 기판을 GaN 계열의 층으로부터 분리하는 공정에 있어서 계면에 스트레스성 음파의 발생을 유도함으로써 그 분리 속도를 현저히 향상시키고, 결과적으로 단위시간당 생산량을 크게 향상시키는 효과를 갖는다. 또한, GaN 계열의 층을 통과하여 사파이어 기판의 일부분까지 이어지는 트렌치를 형성하고 금속 지지층으로 상기 트렌치를 채운 후 사파이어 기판과 GaN 층 사이의 계면에 스트레스성 음파를 발생시킴으로써 사파이어 기판의 분리 속도를 현저히 향상시킴과 동시에 GaN 계열의 층에 발생될 수 있는 결함을 최소화할 수 있다.
수직형 발광 다이오드, 스트레스성 음파, 트렌치, GaN, 분리.

Description

수직형 발광 다이오드의 제조방법{Method for Fabricating Vertical-Type Light Emitting Diode}
도 1a는 종래기술에 의한 수평형 발광 다이오드의 수직 단면도.
도 1b는 종래기술에 의한 수평형 발광 다이오드를 위에서 바라본 평면도.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드의 제조방법을 나타내는 공정 단면도.
도 3a 내지 3d는 본 발명에 따라 사파이어 기판을 GaN 계열의 층으로부터 분리하는 과정을 나타내는 단면도.
도 4 및 5는 통상의 피조 필름 센서(piezo film sensor)를 사용하여 레이저 빔 조사에 의해 발생되는 압력(pressure)을 측정한 실험을 개략적으로 나타낸 개략도 및 그 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 248 nm 및 193 nm의 레이저 빔 각각에 대하여 에너지 밀도에 따른 음파 스트레스를 나타낸 그래프.
도 7은 1 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 248 nm의 레이저 빔이 계면에 조사되었을 때 발생한 스트레스성 음파에 의해 가해진 충격을 나타내는 SEM 사진.
도 8a 내지 8f는 레이저 빔의 에너지 밀도 증가에 따라 발생하는 GaN 층의 손상 정도의 변화를 나타내는 SEM 사진들.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
200 : 사파이어 기판 300 : GaN 계열의 층들
400 : 트렌치 500 : 금속 지지층
600 : 콘텍층
본 발명은 수직형 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 사파이어 기판의 즉각적인 분리가 가능한 수직형 구조를 갖는 발광 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 전류를 빛으로 변환시키는 주지의 반도체 소자이다. 발광 다이오드는 반도체로 형성된 활성층에서 충만대에 위치한 전자를 밴드 갭을 뛰어 넘어 전도대로 여기시킨 후 이 전자가 다시 충만대로 전이될 때 발산하는 빛을 이용하여 발광한다. 이러한 전자 전이는 밴드 갭의 크기에 의존하는 파장의 빛을 방출한다. 따라서, 발광 다이오드에 의해 방출되는 빛의 파장 또는 색은 활성층의 반도체 물질에 의해 결정된다. 밴드 갭은 물질의 고유 특성 중 하나이기 때문이다.
발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색, 황색 등과 같이 다양한 범위의 색을 발광하는데 사용된다. 그러나, 발광 다이오드는 단색 광원이라는 한계를 갖는다. 적색, 녹색, 청색을 모두 포함하는 백색 발광이 요구되는 경우가 있는데, 예를 들면 LCD를 사용하는 노트북은 백색의 백라이트가 필수적이다. 흔히 백색은 백열 전구 또는 형광 램프에 의해 제공된다. 가격은 저렴하지만 백열 전구는 그 수명이 매우 짧고 발광 효율도 낮다. 형광 램프는 그 효율이 상대적으로 백열 전구에 비해 우수하지만 그 수명이 제한적이라는 단점이 있다. 더욱이, 형광 램프는 안정기와 같은 상대적으로 크고 무겁고 비싼 부가물이 요구된다.
백색 발광 다이오드 광원은 적당한 비율로 빛을 발하는 적색, 녹색, 및 청색 발광소자를 서로 밀접하게 위치하도록 형성함으로써 제조할 수 있다. 그러나, 청색 발광 다이오드는 알맞은 밴드 갭을 갖는 양질의 결정을 제조하기가 어렵기 때문에 그 제조가 상대적으로 어렵다. 특히 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체를 이용하는 경우에는 양질의 청색 발광 다이오드를 구현하기 어렵다.
이러한 어려움에도 불구하고 GaN을 이용한 청색 발광 다이오드가 상업적으로 이용되기 시작하였고, 특히, 1994년에 시장에 소개된 이 후로 GaN에 기초한 발광 다이오드 기술이 급속도로 발전하고 있고 현재에는 조명 분야에서 백열등이나 형광등을 월등히 능가하는 효율을 나타내고 있다.
한편, 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 계열의 발광 다이오드의 경우에는 반도체 층이 도전성 기판 위에 성장되기 때문에 p-n접합 구조를 갖는 수직형 발광 다이오드를 만드는 것은 어려운 것이 아니었다. 그러나, GaN에 기초한 발광 다이오드의 경우에는 에피텍셜 성장시 결정 결함이 발생하는 것을 줄이기 위 하여 사파이어(Al2O3)를 기판으로 사용한다. 그런데 사파이어는 절연체이기 때문에 제1 전극과 제2 전극 모두를 에피층의 상면 측에 형성시키는 수평형 구조가 일반적이었다.
도 1a 및 도 1b는 사파이어 기판을 이용한 종래의 수평형 발광 다이오드의 개략적인 구조를 나타낸다.
종래의 전형적인 발광 다이오드의 단면도인 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 사파이어 기판(100) 상에 n-GaN층(110), 다중 양자 우물(multiple quantum wells)을 갖는 활성층(120), p-GaN층(130) 및 투명 도전층(140)이 순차적으로 적층된다. 이어서 투명 도전층(140)의 특정 부분 상에 제1 전극(150)이 형성된다.
그리고, 제1 전극(150)이 형성되지 않은 부분의 투명 도전층(140)의 일부분이 노출되도록 제1 전극(150)을 포함한 투명 도전층(140) 상에 포토리소그래피 공정을 통해 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 투명 도전층(140), p-GaN층(130) 및 활성층(120)을 선택적으로 식각한다. 이 때, n-GaN층(110)의 일부도 얇게 식각된다. GaN는 그 식각의 어려움 때문에 습식 식각보다는 건식 식각이 주로 이용된다.
이어서, 포토레지스트 패턴을 스트립 공정을 통해 제거한 후 노출된 n-GaN층(110) 상에 제2 전극(160)을 형성한다.
종래 발광 다이오드를 위에서 내려다 본 상면도인 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 이와 같은 수평형 구조에서는 두 전극(150, 160) 모두에 와이어 본딩이 필요하기 때문에 전극 면적의 확보를 위해 발광 다이오드의 칩 면적도 일정 크기 이상이 될 것이 요구되었다. 이는 웨이퍼의 단위 면적당 칩 생산량을 향상시키는데 제한으로 작용하였을 뿐만 아니라 패키징 공정에서 와이어 본딩의 복잡성으로 인해 제조 비용이 증가하였다.
더욱이, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하기 때문에 외부로부터 유입되는 정전기를 방출하기 어려워 정전기로 인한 불량 유발 가능성이 컸고, 이는 소자의 신뢰성을 현저히 저하시켰다. 또한, 사파이어는 열전도도가 낮기 때문에 발광 다이오드 구동 중에 발생하는 열을 외부로 방출하는데 어려움이 있어서 발광 다이오드의 고출력을 위한 대전류 인가에도 제약이 따랐다.
위와 같은 수평형 구조의 발광 다이오드의 단점 및 사파이어 기판을 사용함으로써 야기되는 단점들을 보완하기 위하여 수직형 구조의 발광 다이오드, 특히 최종 산물이 사파이어 기판을 포함하지 않는 수직형 구조의 발광 다이오드에 대하여 활발한 연구가 진행되고 있다.
최종 산물이 사파이어 기판을 포함하지 않는 수직형 구조의 발광 다이오드는 사파이어 기판 상에 GaN 계열의 에피층을 성장시키고 상기 에피층 상에 금속 지지층을 형성시킨다. 이 금속 지지층이 후속 공정에서 GaN 계열의 에피층을 지지하기 때문에 사파이어 기판을 에피층으로부터 분리할 수 있다. 이때 사파이어 기판을 에피층으로부터 분리하기 위하여 특히 레이저 리프트-오프(Laser Lift-Off) 방식이 주로 이용된다. 레이저 리프트-오프 방식은 레이저 빔을 통해 사파이어 기판과 에피층의 계면 부분을 가열하여 계면 상의 에피층을 분해함으로써 사파이어 기판과 에피층을 분리한다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 진공 척(vacuum chuck)을 이용하여 사파이어 기판을 나머지 구조로부터 분리시키기 위한 바이어스를 가한 상태에서 사파이어 기판으로 레이저 빔을 조사한다. 이 레이저 빔은 사파이어 기판을 통과하지만 에피층에서는 흡수되기 때문에 사파이어 기판과 에피층 사이의 계면에서 에피층을 가열한다. 이렇게 가열된 에피층은 계면에서 분해반응이 일어나고 이는 바이어스와 함께 사파이어 기판을 에피층으로부터 분리시킨다.
이와 같은 레이저 리프트-오프 방식은 가열에 의해 에피층, 보다 정확하게는 사파이어 기판과의 계면에 위치한 GaN 계열의 에피층 부분을 갈륨 금속과 질소 가스로 분해함으로써 사파이어 기판을 에피층으로부터 분리하는 방식이었기 때문에 사파이어 기판을 분리하는데 소요되는 시간이 상대적으로 오래 걸리는 문제점이 있었다. 즉, 즉각적인 사파이어 기판의 분리가 즉각적으로 이루어지지 않았기 때문에 단위 시간당 발광 다이오드의 생산량이 제한되었다.
본 발명의 수직형 발광 다이오드의 제조방법은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사파이어 기판을 GaN 에피층으로부터 분리시키는 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 수직형 발광 다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 사파이어 기판을 GaN 에피층으로부터 분리시키는 속도를 현저히 향상시키면서도 상기 에피층에 손상이 가는 것을 방지하거나 최소화함으로써 전체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수직형 발광 다이오드의 제조방법 을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명의 수직형 발광 다이오드 제조방법은 기판상에 반도체 층을 형성하는 단계 및 상기 기판과 상기 반도체 층 사이의 계면에 스트레스성 음파(acoustic stress wave)의 발생을 유도함으로써 상기 기판을 상기 반도체 층으로부터 분리하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명의 수직형 발광 다이오드 제조방법은 기판상에 반도체 층을 형성하는 단계, 상기 기판과 상기 반도체 층 사이의 계면에 표면 플라즈마(surface plasma)를 발생시키기 위하여 상기 반도체 층의 일부분을 기화(vaporizing)시키는 단계, 및 상기 표면 플라즈마가 스트레스성 음파를 발생시켜 상기 기판을 상기 반도체층으로부터 분리할 수 있도록 상기 표면 플라즈마를 팽창(expanding)시키는 단계를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면으로서, 본 발명의 수직형 발광 다이오드 제조방법은 기판 상에 제1 GaN 층을 형성하는 단계, 상기 제1 GaN 층 상에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층 상에 제2 GaN층을 형성하는 단계, 상기 제2 GaN 층 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 도전성 지지층을 형성하는 단계, 및 상기 기판과 상기 제1 GaN 층 사이의 계면에 스트레스성 음파의 발생을 유도함으로써 상기 기판을 상기 제1 GaN 층으로부터 분리하는 단계를 포함한다.
상기 기판의 분리 단계에서 스트레스성 음파에 의해 상기 반도체 층에 손상 이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 상기 기판을 상기 반도체 층으로부터 분리하는 단계 이전에 상기 반도체 층을 통과하고 상기 기판의 일부분까지 이어지는 트렌치를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분리 단계는 상기 기판을 통해 상기 반도체 층에 레이저 빔을 조사함으로써 수행할 수 있는데, 이때 상기 레이저 빔은 0.50 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.60 내지 0.65 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는다.
상기 레이저 빔이 조사될 때 빔 스팟(beam spot) 내의 레이저 에너지 밀도가 균일하게 분포되도록 하기 위하여 상기 기판과 상기 레이저 빔의 광원 사이에 빔 균일제(beam homogenizer)가 삽입되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
첨부된 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타냈으며, 도면에 나타난 각 층간의 두께 비가 실제 두께 비를 나타내는 것은 아니다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 한편, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 형성 또는 위치한다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 형성되어 직접 접촉하는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 존재하는 경우도 포함하는 것을 이해하여야 한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드의 제조방법의 제 1 실시예를 나타내는 공정 단면도이다.
도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 사파이어 기판(200) 상에 통상의 반도체 공정 기술, 예를 들면 MOCVD(Metal Oxide Chemical Vapor Depositon) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법에 의해 GaN 버퍼층(310), N형의 GaN 층(320), 다중 양자 우물을 갖는 InGaN/GaN/AlGaInN 활성층(330), 및 P형 GaN 층(340)을 포함하는 일련의 GaN 층들(300)을 순차적으로 형성시킨다. (001) 결정 구조를 갖는 사파이어(Al2O3) 기판 상에 GaN로 이루어지는 박막을 성장시킬 경우 격자 부정합이 생겨 박막의 평면이 불균일할 우려가 있기 때문에, 사파이어 기판 상에 먼저 버퍼층(310)을 형성하고 그 버퍼층(310) 위에 GaN 박막들을 형성하는 것이 바람직하다. 통상적으로 사파이어 기판(200)은 약 330-430 ㎛의 두께를 갖으며 상기 일련의 GaN 계열의 층들(300)은 그 전체 두께가 약 10 ㎛ 이하이다.
이어서, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, ICP RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) 방법을 사용하여 상기 일련의 GaN 계열의 층들(300)을 관통하는 다수의 트렌치(trench)(400)를 형성한다.
이때, 경우에 따라, 상기 트렌치(400)가 사파이어 기판(200)의 일정 부분까지 파고 들어가도록 형성할 수도 있다.
상기 일련의 GaN 계열의 층들(300)과 사파이어 기판(200)은 그 경도가 강하기 때문에 RIE 방식, 특히 ICP RIE 방식에 의해 트렌치(400)를 형성하는 것이 바람직하다. 트렌치(400) 형성을 위하여 감광막(미도시)을 스핀 코팅에 의해 GaN 계열 의 층들(300) 상에 도포한다. 이후 도포된 감광막의 선택적 노광 및 현상 공정을 거쳐 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 이렇게 형성된 감광막 패턴을 에칭 마스크로 이용하여 ICP RIE 방식에 의해 GaN 계열의 층들(300) 및 사파이어 기판(200) 일부를 에칭함으로써 트렌치(400)를 형성하게 된다.
이어서, 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 트렌치(400)가 채워지도록 GaN 계열의 층들(300a) 상에 도전성 지지층(500)을 형성한다. 도전성 지지층(500)은 물리증착방법(physical vapor deposition) 또는 전기도금 등의 방법에 의해 형성될 수 있다. 도전성 지지층(500)은 약 200 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 도전성 지지층(500)의 물질로는 Cu, Au, Al, Ti, Ni, Mo, Cr, 또는 Co 중 하나 또는 이들 중 적어도 두 가지 이상의 합금이 사용될 수 있다.
특히, Cu를 주 원소로 하며, Au, Al, Ti, Ni, Mo, Cr, 및 Co 중 적어도 어느 하나 이상의 금속이 합금되어 사용될 수 있고, 예를 들면, Cu와 Ni 및 Co의 합금이 이용될 수 있다. 한편, 그 외에 Si와 같이 전기 전도성을 갖는 물질이라면 그 어느 것이라도 이용이 가능하다.
GaN 계열의 층들(300a)과 도전성 지지층(500) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 그 사이에 Cr, Au, 또는 Ni 등을 포함하는 접착층(미도시)을 더 형성시킬 수도 있다.
이렇게 도전성 지지층(500)을 형성한 후에, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 사파이어 기판(200a)을 GaN 계열의 층들(300a)로부터 분리한다. 상기 분리는 사파이어 기판(200a) 및 도전성 지지층(500) 상에 진공 척(vacuum chuck)을 부착시 키고 서로 반대 방향으로 힘을 준 상태에서 사파이어 기판(200a)과 GaN 계열의 층들(300a) 사이에 스트레스성 음파(acoustic stress wave)를 발생시킴으로써 수행된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이어서, 도 2e에 도시되어 있는 바와 같이, 트렌치(400)를 채우고 있는 도전성 지지층(500a) 부분들에 의해 물리적으로 분리되어 있는 각각의 GaN 계열의 층들(300a) 상에 콘택층(600)을 형성한다. 상기 콘택층(600)은 GaN 계열의 층들(330a)과 직접적으로 접촉하는 인터페이스층(610)과 상기 인터페이스층(610) 상에 형성되는 콘택 패드(620)를 포함한다. 인터페이스층(610)은 Ti, Al, 또는 Ni을 함유하고, 콘택 패드(620)는 Cr 또는 Au를 함유하는 것이 바람직하다.
이와 같이 콘택층(600)을 각각의 GaN 계열의 층들(300a) 상에 형성시킨 후에는 칩 분리 공정을 통하여 각각의 개별 LED 소자로 분리한다. 다이싱 공정은 다양한 기계적 또는 화학적 방법을 통해 수행될 수 있다. 도 2f는 이와 같이 개별 LED 소자로 분리된 최종 제품의 단면도이다.
상기 공정들 중에서 도전성 지지층(500)을 형성한 후에 사파이어 기판(200)을 GaN 계열의 층들(300)로부터 분리하는 공정은 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(300) 사이에 스트레스성 음파(acoustic stress wave)를 발생시킴으로써 즉각적으로 수행될 수 있다. 이하에서는, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(300)의 분리에 대해 보다 상세히 살펴보도록 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 방법에 따라 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(200)이 분리되는 과정을 나타낸다. 설명의 편의를 위하여 트렌치 및 도전 성지지층에 대한 도시는 생략하고 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(300) 만이 보이도록 도면을 간단히 하였다.
먼저, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이 사파이어 기판(200)을 통해 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(300) 사이의 계면에 248 nm의 파장을 갖는 KrF 엑시머 레이저 빔 또는 193 nm의 파장을 갖는 ArF 엑시머 레이저 빔을 조사한다. 타겟 계면에 조사되는 레이저 빔 스팟(spot)에서 레이저 빔의 에너지 밀도가 균일하게 분포되도록 하기 위하여 빔 균일제(beam homogenizer)(미도시)를 레이저 광원(미도시)과 사파이어 기판 사이에 위치시킨 상태에서 레이저 빔을 조사하는 것이 바람직하다. 이와 같이 빔 균일제를 사용할 경우 레이저 빔의 에너지 밀도의 균일도는 약 95% 이상을 나타낸다. 상기 파장의 빛은 사파이어 기판(200)에 의해서는 흡수되지 않지만 GaN 계열의 층들(300)에 의해서는 흡수되기 때문에, 사파이어 기판(200)을 통과한 레이저 빔은 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층들(300) 사이의 계면에서 GaN 계열의 층(300)에 의해 흡수된다. GaN 계열의 층(300)은 레이저 빔의 에너지를 흡수함으로써 급속히 가열된다.
이렇게 가열된 GaN 계열의 층(300)은 융해된 후, 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 고압 및 고온의 표면 플라즈마(surface plasma)를 발생시키기 시작한다. 이러한 플라즈마 발생 현상은 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(300) 사이의 계면에서만 국한되어 나타난다.
이어서, 도 3c에 도시되어 있는 바와 같이, GaN 계열의 층(300)이 융해되어 발생한 플라즈마는 그 주변으로 급속히 팽창하게 된다. 플라즈마의 급속한 팽창은 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(300) 사이의 계면 부근에 스트레스성 음파(acoustic stress wave)를 발생시키게 된다. 상기 계면에서 발생한 이러한 스트레스성 음파는 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(300)에 대하여 서로 반대 방향으로 물리적 힘을 가하는 작용을 한다. 따라서, 도 3d에 도시되어 있는 바와 같이, 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(300)의 분리가 즉각적으로 이루어지게 된다.
레이저 빔을 조사할 때 시간의 경과에 따라 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(200) 사이의 계면에서 발생하는 압력의 변화를 알아보는 실험을 하였다. 도 4는 통상의 피조 필름 센서(piezo film sensor)를 사용하여 레이저 빔 조사에 의해 발생되는 압력(pressure)을 측정한 실험장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 5는 그 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 에폭시 수지(720)를 이용하여 피조 필름 센서(710)를 GaN 계열의 층(300) 상에 부착하였다. 단일 펄스의 레이저를 조사함에 따라 발생되는 음파의 압력이 피조 필름 센서(710)에 의해 검출되고, 센서(710)로부터 출력되는 전기적 신호를 모니터하기 위하여 오실로스코프(730)를 피조 필름 센서(710)에 연결하였다. 레이저로는 248 nm의 파장을 갖는 KrF 엑시머 레이저가 사용되었으며 에너지 밀도는 0.9 J/cm2이었다. 센서(710)에 의해 감지된 음파의 압력은 13×10-3 V/N의 변환 상수를 사용하여 전기적 신호로 변환되어 출력되었다.
도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, 최대치의 신호는 약 15 ㎲ 부근에서 검출되었으며, 첫 번째 주요 피크의 기간은 약 30 ㎲이었고 이 후 그 크기가 급격히 쇠퇴한 몇 개의 피크가 나타났다. 그래프의 첫 번째 피크에 1,2,3, 및 4로 표시된 구간은 도 3A, 3B, 3C, 및 3D에 각각 대응한다. 즉, 1로 표시된 시점은 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(200) 사이의 계면에 레이저 빔이 조사되는 단계이고, 2로 표시된 시점은 레이저 빔의 조사로 인해 계면에 위치한 GaN 계열의 층(200) 부분이 융해된 후 플라즈마가 발생하는 단계이고, 3으로 표시된 시점은 발생된 플라즈마가 급격히 팽창하여 스트레스성 음파를 발생시키는 단계이며, 4로 표시된 시점은 스트레스성 음파에 의해 사파이어 기판(200)이 GaN 계열의 층(200)과 즉각적으로 분리되는 단계이다. 첫 번째 피크의 기간은 약 30 ㎲이었다. 따라서 상기 그래프는 사파이어 기판(200)과 GaN 계열의 층(300) 사이의 계면에서 발생하는 스트레스성 음파에 의해 사파이어 기판(200)이 GaN 계열의 층(300)으로부터 분리되는 시간이 약 30 ㎲에 불과함을 잘 설명하여 주고 있다.
한편, 레이저 빔의 에너지 밀도가 스트레스성 음파의 발생에 미치는 영향을 알아보기 위하여 에너지 밀도에 변화를 주면서 248 nm의 레이저 에너지 빔과 193 nm의 레이저 에너지 빔을 각각 조사하고 스트레스성 음파에 의해 발생되는 스트레스의 최고치를 측정하였다. 도 6은 248 nm 및 193 nm의 레이저 빔 각각에 대하여 에너지 밀도에 따른 음파 스트레스를 나타낸 그래프이다.
도 6의 그래프에 나타난 바와 같이, 248 nm의 레이저 빔의 경우 0.50 J/cm2 이하의 에너지 밀도에서는 음파 스트레스가 매우 약하거나 거의 감지되지 않았으며, 248 nm 및 193 nm의 레이저 빔 모두에 대해 0.60 J/cm2 미만의 에너지 밀도의 경우 사파이어 기판을 즉각적으로 분리할 수 없었다. 즉, GaN 계열의 층이 융해된 후 플라즈마가 발생하는 현상이 나타나는 임계 에너지 밀도는 약 0.30 J/cm2 정도이기 때문에 조사되는 레이저가 0.30 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 가질 경우 사파이어 기판의 분리 자체는 가능할지 모르나 0.60 J/cm2 미만에서는 즉각적인 분리를 기대할 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 사파이어 기판을 GaN 계열의 층으로부터 분리할 때 스트레스성 음파라는 기계적 또는 물리적 힘을 이용하기 위해서는 최소한 0.50 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 레이저가 가져야 하며, 사파이어 기판의 즉각적인 분리를 위해서는 레이저가 0.60 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 가지는 것이 바람직하다.
한편, 도 6의 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 동일 조건에서 193 nm의 레이저 빔에 비해 248 nm의 레이저 빔의 경우 음파 스트레스가 월등히 높게 측정되었는데 이는 레이저 빔이 사파이어 기판을 통과할 때 248 nm의 레이저 빔에 비해 192 nm의 레이저 빔의 손실이 더 크기 때문이다. 450 ㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판을 투과할 때 발생되는 손실을 측정한 결과 248 nm의 레이저 빔의 경우 약 15%의 손실이 발생한 데 비하여 193 nm의 레이저 빔의 경우 그 손실율이 약 22%에 달했다.
위에서 살펴본 바와 같이, 사파이어 기판과 GaN 계열의 층 사이의 계면에서 발생한 스트레스성 음파는 레이저 빔 스팟 영역 내의 GaN 층에 높은 충격을 가하게 된다. 도 7은 1.0 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 248 nm의 레이저 빔이 일체형의(monolithic) GaN 층과 사파이어 기판 사이의 계면에 조사되었을 때 발생한 스트레스성 음파에 의해 가해진 충격을 나타내는 SEM 사진이다. 화살표 a는 사각형의 빔 스팟 가장자리 부근에서 발생한 GaN 계열 층의 손상을 가리키고, 화살표 b는 계면에서 전개되는 스트레스성 음파의 궤적을 가리킨다. 즉, 도 7의 사진이 가리키는 바와 같이, 조사되는 레이저 빔이 지나치게 높은 에너지 밀도를 가질 경우 스트레스성 음파로 인한 높은 충격으로 인해 GaN 층에 손상이 발생할 수도 있다.
따라서, 사파이어 기판을 즉각적으로 분리시킴과 동시에 GaN 층의 손상을 방지하기 위해서는 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도의 최적화가 요구된다.
레이저 빔의 최적의 에너지 밀도를 구하기 위하여 일체형의(monolithic) GaN 층과 사파이어 기판 사이의 계면에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 각각 0.75 J/cm2, 0.80 J/cm2, 0.85 J/cm2, 0.90 J/cm2, 0.95 J/cm2, 및 1.00 J/cm2인 경우에 발생되는 GaN 계열의 층의 손상을 관찰한 결과, 도 8a 내지 8f의 SEM 사진을 얻을 수 있었다.
도 8a 내지 8f에서 알 수 있는 바와 같이, 일체형의 GaN 층과 사파이어 기판을 분리하는 경우 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.75 J/cm2인 경우에는 발생하는 손상이 경미하나 0.75 J/cm2를 초과할 경우 에너지 밀도가 높아짐에 따라 GaN 계열 층의 손상이 점점 더 심해짐을 알 수 있다. 따라서, 일체형의 GaN 층과 사파 이어 기판을 분리할 때 최적의 레이저 빔 에너지 밀도의 범위는 0.60 내지 0.75 J/cm2이다.
선택적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에서 이미 언급한 바와 같이 GaN 계열의 층에 트렌치를 형성할 때 GaN 계열의 층을 통과하여 사파이어 기판의 일부분까지 파고들어가는 트렌치를 형성함으로써 사파이어 기판과 GaN 층 사이의 계면에서 발생하는 스트레스성 음파의 측방향 전파를 차단할 수 있다. 따라서, 보다 광범위한 범위의 에너지 밀도 영역에서 GaN 층의 손상을 방지할 수 있게 되는데, 1.10 J/cm2까지의 높은 에너지 밀도까지도 GaN 층에 손상이 전혀 발생하지 않는 것을 관측할 수 있었다. 따라서, 위와 같은 트렌치가 형성되어 있는 경우 바람직한 레이저 빔의 에너지 밀도는 0.60 내지 1.1 J/cm2이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 수직형 발광 다이오드의 제조방법에 따르면, 수직형 발광 다이오드의 제조에 있어 필수적으로 요구되는 공정인 사파이어 기판을 GaN 계열의 층으로부터 분리하는 공정에 있어서 계면에 스트레스성 음파의 발생을 유도함으로써 그 분리 속도를 현저히 향상시키고, 결과적으로 단위시간당 생산량을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, GaN 층을 통과하여 사파이어 기판의 일부분까지 파고들어가는 트렌치를 형성한 후 도전성 지지층으로 트렌치를 채운 후 사파이어 기판과 GaN 층 사이의 계면에 스트레스성 음파를 발생시킴으로써 사파이어 기판의 분리 속도를 현저히 향 상시킴과 동시에 GaN 계열의 층에 발생될 수 있는 결함을 최소화할 수 있다.

Claims (21)

  1. 기판 상에 반도체 층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판과 상기 반도체 층 사이의 계면에 스트레스성 음파(acoustic stress wave)의 발생을 유도함으로써 상기 기판을 상기 반도체 층으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 단계는 상기 기판을 통해 상기 반도체 층에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 KrF 엑시머 레이저 빔 또는 ArF 엑시머 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.50 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.60 내지 0.75 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 기판을 상기 반도체 층으로부터 분리하는 단계 이전에는,
    상기 반도체 층을 통과하고 상기 기판의 일부분까지 이어지는 트렌치를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.60 내지 1.10 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  8. 기판 상에 반도체 층을 형성하는 단계;
    상기 기판과 상기 반도체 층 사이의 계면에 표면 플라즈마(surface plasma)를 발생시키기 위하여 상기 반도체 층의 일부분을 기화(vaporizing)시키는 단계; 및
    상기 표면 플라즈마가 스트레스성 음파를 발생시켜 상기 기판을 상기 반도체층으로부터 분리할 수 있도록 상기 표면 플라즈마를 팽창(expanding)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기화 단계는 상기 기판을 통해 상기 반도체 층에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제 조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 KrF 엑시머 레이저 빔 또는 ArF 엑시머 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.50 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.60 내지 0.75 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 기화 단계 이전에는,
    상기 반도체 층을 통과하고 상기 기판의 일부분까지 이어지는 트렌치를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.60 내지 1.10 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  15. 기판 상에 제1 GaN층을 형성하는 단계;
    상기 제1 GaN층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 제2 GaN층을 형성하는 단계;
    상기 제2 GaN층 상에 도전성 지지층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판과 상기 제1 GaN층 사이의 계면에 스트레스성 음파의 발생을 유도함으로써 상기 기판을 상기 제1 GaN층으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 도전성 지지층은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 GaN층은 n형이고 상기 제2 GaN층은 p형인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 기판을 상기 제1 GaN층으로부터 분리하는 단계는 상기 제1 GaN층의 일 부분을 분해하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 분해 단계는 상기 기판을 통해 상기 제1 GaN층에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 레이저 빔은 KrF 엑시머 레이저 빔 또는 ArF 엑시머 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.50 J/cm2 이상의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 레이저 빔은 0.60 내지 0.75 J/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
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