KR20080076344A

KR20080076344A - 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080076344A
Application number: KR20070016151A
Authority: KR
Inventors: 김창연; 윤여진; 김윤구
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-20
Also published as: KR101364167B1

Abstract

본 발명은 수직형 발광 다이오드에 있어서, 도전성 기판과, 상기 도전성 기판상에 형성된 금속 반사층과, 상기 금속 반사층에 형성된 N형 반도체층과, 상기 N형 반도체층에 형성된 활성층과, 상기 활성층 위에 형성된 P형 반도체층을 포함하는 수직형 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명에 의하면, N형 반도체층에 도전성 기판이 접합되는 구조의 수직형 발광소자를 제작할 수 있음에 따라 종래의 수직형 발광소자 구조에서 얇은 두께의 P-GaN과 도전성 기판과의 접합계면에서 누설전류가 형성됨으로 인해 수직형 발광 다이오드의 발광 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

VLED, 수직형, 다이오드, 발광, 러프닝

Description

수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법{VERTICAL LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

51 : 희생기판 53 : 버퍼층

55: N형 반도체층 57 : 활성층

59 : P형 반도체층 61 : 접착층

63 : SiO₂층 65 : 본딩 메탈층

71 : 임시 기판 81 : 금속 반사층

83 : 접착층 91 : 희생기판

93 : 전극패드

본 발명은 수직형 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 P형 전극이 발광 다이오드의 상부에 위치하는 수직형 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 III족 원소의 질화물 반도체층, 특히 GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므 로, 발광 다이오드 구조를 제한하며, 기계적 화학적으로 매우 안정하여 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공이 어렵고, 열전도율이 낮다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층들을 성장시킨 후, 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 발광 다이오드를 제조하는 기술이 연구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1을 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 도전성 기판(31)을 포함한다. 도전성 기판(31) 상에 N형 반도체층(15), 활성층(17) 및 P형 반도체층(19)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 또한, 도전성 기판(31)과 P형 반도체층(19)사이에는 금속반사층(23) 및 접착층(27)이 개재된다.

화합물 반도체층들은 일반적으로 사파이어 기판과 같은 희생기판(도시하지 않음) 상에 금속유기화학기상증착법 등을 사용하여 성장된다. 그 후, 화합물 반도체층들 상에 금속반사층(23) 및 접착층(27)이 형성되고, 도전성 기판(31)이 부착된다. 이어서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 기술 등을 사용하여 희생기판이 화합물 반도체층들로부터 분리되고, N형 반도체층(15)이 노출된다. 그 후, 노출된 N형 반체층(15) 상에 전극 패드(33)가 형성된다. 이에 따라, 열방출 성능이 우수한 도전성 기판(31)을 채택함으로써, 발광 다이오드의 발광 효율을 개선할 수 있으며, 수직형 구조를 갖는 도 1의 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

그러나, 종래의 수직형 구조의 발광 다이오드에서는 도전성 기판(31)과 접합되는 P형 반도체층(19)으로 사용되는 P-GaN의 두께가 약 1000 - 3000Å로 이루어져 있다. 따라서, 얇은 두께의 P-GaN(19)과 도전성 기판(31)과의 접합계면에서 누설전류가 형성될 수 있어 수직형 발광 다이오드의 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수직형 발광 다이오드의 구조에서 화합물 반도체층과 도전성 기판과의 접합구조를 개선하여 발광 효율을 향상시키는 것에 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 수직형 발광 다이오드에 있어서, 도전성 기판과, 상기 도전성 기판상에 형성된 금속 반사층과, 상기 금속 반사층에 형성된 N형 반도체층과, 상기 N형 반도체층에 형성된 활성층과, 상기 활성층 위에 형성된 P형 반도체층을 포함하는 수직형 발광 다이오드를 제공한다.

바람직하게 상기 수직형 발광 다이오드는 상기 P형 반도체층위에 ITO 또는 Ni/Au로 형성된 투명 전극층을 더 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 N형 반도체층은 상기 금속반사층과 접하는 면이 러프닝 처리된 것 일 수 있다.

바람직하게 상기 수직형 발광 다이오드는 상기 금속반사층과 상기 도전성 기 판 사이에 개재된 접착층과, 상기 접착층과 상기 금속반사층 사이에 개재된 확산방지층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 희생 기판 상에 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 형성하는 단계와, 상기 P형 반도체층위에 접착층을 개재하여 임시 기판을 형성하는 단계와, 상기 N형 반도체층이 드러나도록 상기 희생 기판을 분리하는 단계와, 상기 드러난 N형 반도체층에 금속 반사층을 형성하는 단계와, 상기 금속 반사층에 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체층으로부터 상기 임시 기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.

바람직하게 수직형 발광 다이오드 제조방법은 상기 도전성 기판을 형성하기 전, 상기 금속반사층에 확산방지층 및 접착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 임시 기판 형성 단계는 상기 P형 반도체층 위에 폴리머 계열의 접착필름을 개재하여 임시 기판을 형성할 수 있다.

바람직하게 상기 임시 기판 형성 단계는, 상기 P형 반도체층 위에 SiO₂층을 형성하는 단계와, 상기 SiO₂층위에 본딩 메탈을 형성하는 단계와, 상기 본딩 메탈위에 임시 기판을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 희생 기판 분리 단계는 레이저 리프트 오프를 통해 희생기판을 분리하고, 상기 금속 반사층 형성 단계는 상기 레이저 리프트 오프를 통해 드 러난 N형 반도체층이 러프닝 처리된 상태에서 그 위에 금속 반사층을 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 도전성 기판(91) 상에 N형 반도체층(55), 활성층(57), P 반도체층(59)을 포함하는 화합물 반도체층들이 위치한다. 도전성 기판(91)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들이다. 예를 들어, (Al,Ga,In)N 반도체층이다.

N형 반도체층(55)에는 러프닝 처리가 되어 있다. 이에 따라 활성층으로부터 발생된 광을 러프닝 처리된 계면에서 반사시킬 수 있다.

화합물 반도체층들과 도전성 기판(91) 사이에 금속반사층(81)이 개재된다. 금속반사층(81)은 반사율이 큰 금속물질, 예컨대 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형 성된다.

한편, 금속반사층(81)과 도전성 기판(91) 사이에 접착층(83)이 개재될 수 있으며, 접착층(83)은 도전성 기판(91)과 금속반사층(81)의 접착력을 향상시켜 도전성 기판(91)이 금속반사층(81)으로부터 분리되는 것을 방지한다.

아울러, 도시되지 않았지만 접착층(83)과 금속반사층(81) 사이에 확산방지층이 개재될 수 있다. 확산방지층은 접착층(83) 또는 도전성 기판(91)으로부터 금속원소들이 금속반사층(81)으로 확산되는 것을 방지하여 금속반사층(81)의 반사도를 유지시킬 수 있다.

한편, 도전성 기판(91)에 대향하여 화합물 반도체층들의 상부면에 전극패드(93)가 위치한다. 이에 따라, 도전성 기판(91)과 전극 패드(93)를 통해 전류를 공급함으로써 광을 방출할 수 있다.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3을 참조하면, 희생기판(51) 상에 화합물 반도체층들이 형성된다. 희생기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 N 반도체층(55), 활성층(57), P형 반도체층(59)을 포함한다. 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체층들로, 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 성장될 수 있다.

한편, 화합물 반도체층들을 형성하기 전, 버퍼층(53)이 형성될 수 있다. 버 퍼층(53)은 희생기판(51)과 화합물 반도체층들의 격자 부정합을 완화하기 위해 채택되며, 일반적으로 질화갈륨 계열의 물질층일 수 있다.

도 4를 참조하면, 화합물 반도체층들 상에 접착층(61)을 개재하여 임시 기판(71)을 형성한다. 접착층(61)은 폴리머 계열의 접착 필름이 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 임시 기판(71)은 예를 들어 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 5를 참조하면, 희생기판(51)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생기판(51)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층(53)도 함께 제거되어 N형 반도체층(55)이 노출된다.

도 6을 참조하면, 레이저 리프트 오프(LLO)기술에 의해 드러난 N형 반도체층(55)이 드러난 상태에서 PEC(photoelecrochemical) 식각을 수행하여 N형 반도체층(55)에 러프닝 처리를 한다. 러프닝 처리를 통해 N형 반도체층(55)에 거친 표면이 형성됨에 따라 N형 반도체층(55)의 거친 면과 금속 반사층(81)의 계면에서 광반사율이 향상된다.

도 7을 참조하면, 러프닝 처리된 N형 반도체층(55)에 금속반사층(81)을 형성한다. 금속반사층(81)은 예컨대, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 도금 또는 증착기술을 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 금속반사층(81)에는 도전성 기판(91)이 형성된다. 도전성 기판(91)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 기판을 화합물 반도체층들 상에 부착하여 형성될 수 있다. 이때, 도전성 기판(91)은 접착층(83)을 통해 금속반사층(81)에 부착될 수 있으며, 한편, 상기 도전성 기판(91)은 도금기술을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 금속반사층(81) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금함으로써 도전성 기판(91)이 형성될 수 있으며, 접착력을 향상시키기 위한 접착층(83)이 추가될 수 있다.

아울러, 도시되지는 않았지만 금속원소의 확산을 방지하기 위한 확산방지층이 접착층(83)을 형성하기 전에 금속반사층(81)에 형성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 임시 기판(71)이 화합물 반도체층들로부터 분리된다. 희생기판(71)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다.

이때, 접착층(61)도 함께 제거되어 P형 반도체층(59)이 노출된다. 이어서, 전극패드(93)가 P형 반도체층(59) 상에 형성된다. 전극패드(93)는 P형 반도체층(59)에 오믹콘택된다.

도시되지 않았지만, P형 반도체층(59)상에 ITO 또는 Ni/Au 등의 도전성 투명 전극층을 형성한 후 전극패드(93)를 형성할 수 있다.투명전극층이 형성되면 광효율이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 단일의 수직형 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하였으나, 일반적으로 도전성 기판(91)을 절단하여 개별 발광 다이오드 칩들로 분리함으로써 복수개의 수직형 발광 다이오드들이 제조될 수 있다. 이때, 발광 다 이오드 칩 영역들 상에 각각 전극패드들(93)이 형성되고, 미리 정의된 스크라이빙 라인들을 따라 도전성 기판(91)이 절단된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드는 도 4를 참조하여 설명한 수직형 발광 다이오드와 비교하여, 화합물 반도체층들 상에 접착층 대신에 SiO₂층(63)과 본딩 메탈층(65)을 개재하여 임시 기판(71)을 형성하는 구조가 다르고, 다른 구성요소는 동일하다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 금속 반사층과 접하는 N형 반도체층의 면에 러프닝 처리를 하는 것에 대하여 설명하였으나, 이는 반사효율을 더욱 향상시키기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않을 것이다.

아울러, N형 반도체층에 러프닝 처리를 수행하여 거친 면을 형성한 상태에서 금속 반사층에 접합시키는 경우 활성층으로부터 발생된 광을 러프닝 처리된 계면에서 반사시킬 수 있어 수직형 발광 다이오드 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims

수직형 발광 다이오드에 있어서,

도전성 기판과,

상기 도전성 기판상에 형성된 금속 반사층과,

상기 금속 반사층에 형성된 N형 반도체층과,

상기 N형 반도체층에 형성된 활성층과,

상기 활성층 위에 형성된 P형 반도체층을 포함하는 수직형 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 P형 반도체층위에 ITO 또는 Ni/Au로 형성된 투명 전극층을 더 포함하는 수직형 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 N형 반도체층은 상기 금속반사층과 접하는 면이 러프닝 처리된 수직형 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 금속반사층과 상기 도전성 기판 사이에 개재된 접착층과,

상기 접착층과 상기 금속반사층 사이에 개재된 확산방지층을 더 포함하는 수직형 발광 다이오드.
희생 기판 상에 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체층들을 형성하는 단계와,

상기 P형 반도체층위에 접착층을 개재하여 임시 기판을 형성하는 단계와,

상기 N형 반도체층이 드러나도록 상기 희생 기판을 분리하는 단계와,

상기 드러난 N형 반도체층에 금속 반사층을 형성하는 단계와,

상기 금속 반사층에 도전성 기판을 형성하는 단계와,

상기 화합물 반도체층으로부터 상기 임시 기판을 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 도전성 기판을 형성하기 전, 상기 금속반사층에 확산방지층 및 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 5에 있어서, 상기 임시 기판 형성 단계는,

상기 P형 반도체층 위에 폴리머 계열의 접착필름을 개재하여 임시 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 5에 있어서, 상기 임시 기판 형성 단계는,

상기 P형 반도체층 위에 SiO₂층을 형성하는 단계와,

상기 SiO₂층위에 본딩 메탈을 형성하는 단계와,

상기 본딩 메탈위에 임시 기판을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 희생 기판 분리 단계는 레이저 리프트 오프를 통해 희생기판을 분리하고,

상기 금속 반사층 형성 단계는 상기 레이저 리프트 오프를 통해 드러난 N형 반도체층이 러프닝 처리된 상태에서 그 위에 금속 반사층을 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 제조방법.