KR20080106377A - 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자의 제조방법 Download PDF

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KR20080106377A
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코지 야쿠시지
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쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 기판 상에 적어도 제1 도전형 반도체층(2), 활성층(3) 및 제2 도전형 반도체층(4)을 적층하여 웨이퍼를 형성한 다음, 반도체층의 성장면측에 제1 도전형 반도체층을 노출하는 제1 트렌치(40)를 형성하고, 또한 상기 제1 트렌치로부터 기판에 도달하는 제2 트렌치(50)를 레이저빔으로 형성하고, 이어서 제2 트렌치에 대응하는 위치에 기판으로부터 제3 트렌치(60)를 형성하고, 최후에 웨이퍼를 칩으로 절단하는 것을 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다. 제조된 반도체칩은 그 단면이 매끈한 표면인 경우에도 향상된 광추출 효율을 제공하고 칩의 단면의 변형없이 반도체층을 절단할 수 있다.
Figure 112008081915006-PAT00001
반도체 발광소자, 트렌치

Description

반도체 발광소자의 제조방법{METHOD FOR FABRICATION OF SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은 35 U.S.C. §111(b)의 조항하에 2004년 8월 31일에 출원된 미국 가출원 제60/605,500호 및 일본특허출원 제2004-240764호의 출원일의 이익을 35 U.S.C. §119(e)(1)에 따라 주장하는 35 U.S.C. §111(a)의 규정하에 출원된 출원이다.
본 발명은 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 깨끗하고 매끈한 표면을 획득하고, 발광칩으로부터의 개선된 광추출 효율을 제공하도록 절단된 고휘도 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
사파이어 기판 등의 절연기판에 n형층, 활성층 및 p형층을 적층하여 얻어진 질화물계 화합물 반도체 웨이퍼를 칩으로 절단하여 발광소자를 제조하는 공정은, 예컨대 일본특허공개 평05-343742호 공보의 예에 개시되어 있는 바와 같이, 웨이퍼를 에칭하여 n형층을 노출시켜 각 칩의 둘레와 같은 형상의 트렌치를 형성하는 단계, 기판을 연마하여 그 두께를 얇게 하는 단계, 트렌치에 다이싱 소우(dicing saw)의 다이아몬드 블레이드를 삽입하고 기판을 노출하는 단계, 스크라이버로 다이싱의 자국에 스크라이브 라인을 넣는 단계 및 기판을 눌러 쪼개어 칩을 얻는 단계를 포함하고 있다. 일본특허공개 평11-354841호 공보에는 에칭으로 n형층을 노출시키고 칩과 같은 형상의 트렌치를 형성하는 단계, 트렌치에 다이싱 소우의 다이아몬드 블레이드를 삽입하고 기판을 노출하는 단계, 상기 기판의 제2면측에서 다이싱 라인에 대응하는 위치에 스크라이버로 스크라이브 라인을 넣는 단계 및 기판을 눌러 쪼개어 칩을 얻는 단계를 포함하는 절단공정이 개시되어 있다. 이들 종래기술 참조문헌에는, 사파이어 기판 및 질화물계 화합물 반도체층이 너무 단단해서 GaAs 및 GaP처럼 쪼갬에 의한 칩으로의 용이한 분리가 곤란하기 때문에, 이들 기판을 용이하게 쪼개기 위해서 칩으로 분리하기 이전에 두께를 줄이는 것이 필요하고, 또한 쪼개짐을 용이하게 하는 응력집중부의 부여 또는 소망하는 위치에 필요한 쪼개짐이 발생하게 하는 국소적인 얇은 부분의 형성을 위한 다이싱 또는 스크라이빙이 필요하다고 기재되어 있다.
칩을 역원뿔대와 같은 형상으로 한 경우 개선된 광추출 효율을 얻는다는 것이 종래부터 알려져 있다. 발광소자의 발광영역으로부터 출사되어 칩의 측면을 통해 입사되는 광을 칩 상부의 발광 관측면 방향으로 반사되어 칩 상부면에 거의 수직으로 충돌시키는 경우에, 칩 내부를 향하여 발광 관측면에 다시 반사되는 일 없이 칩으로부터 광을 추출할 수 있다는 것이, 예컨대 Journal of Applied Physics, Vol.35, 1964, p.1153에 개시되어 있다. 상기 기술은 사파이어 기판을 사용한 질화물계 화합물 반도체 웨이퍼에 효과적으로 적용될 수 있다. 예컨대 일본특허공개 평 06-244458호 공보에는, 플립칩형 소자를 칩으로부터 절단함에 있어서, 측면이 경사진 칩을 자르기 위해 칩을 다이싱으로 절단하는 기술이 개시되어 있다.
종래의 가공장치는 다이아몬드 칩을 사용한 다이싱 소우 및 다이아몬드 칩을 사용한 스크라이버를 채용하였다. 예컨대 미국특허 제6,413,839호에 개시되어 있는 바와 같이, 최근 레이저빔을 사용하여 칩을 절단하는데 사용되는 트렌치를 형성하는 장치가 개발되었다. 레이저빔은 지금까지 널리 사용된 다이싱 소우 및 스크라이버의 단순한 대체수단으로서 사용가능할 뿐만 아니라, 종래의 방법으로는 할 수 없었던 가공방법을 실현하는 유망한 가공기술을 구성한다. 상기 기술은, 레이저빔의 빔직경 및 초점위치, 또한 레이저 출력 및 노광시간을 조절하는 것에 의해, 형성되는 트렌치의 폭 및 깊이를 변화시킬 수 있다. 예컨대 일본특허공개 평11-163403호 공보에는, 레이저빔이 조사된 면의 반대쪽 면에 트렌치를 형성하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본특허공고 제2004-26766호 공보에는, 기판 상에 n형 GaN층, 발광층 및 p형 GaN층을 적층함으로써 제조되어 발광소자로 사용되는 GaN 에피택셜 웨이퍼의 p형층 및 발광층의 일부를 에칭으로 제거하여 n형층을 노출시켜 칩과 같은 형상의 트렌치를 형성하는 단계, 기판을 연마하여 두께를 얇게 하는 단계, 레이저빔으로 트렌치를 조사하여 기판을 노출하는 트렌치를 형성하는 단계 및 기판을 눌러 쪼개는 단계를 포함하는 공정으로 칩을 제조하는 것이 개시되어 있다. SiC 및 사파이어를 통상적으로 사용하는 질화물계 화합물 반도체 및 기판은 다이아몬드에 비할 수 있는 단단한 기판이므로, 그 위에 다이싱 소우 및 스크라이버를 사용하여 행하는 가공에는 고도의 기술이 필요하고 시간이 오래 걸렸다. 레이저빔을 사용하 면 종래의 가공장치보다 좁고 깊은 트렌치를 형성할 수 있으므로, 종래의 방법에서는 곤란했던 가공을 실현할 수 있다.
레이저 가공장치를 사용함으로써 종래의 다이싱 소우 또는 스크라이버로 얻는 것보다 깊고 안정한 형상의 트렌치를 형성할 수 있다. 그 위에 가해진 응력을 트렌치의 저부에 집중시키면서 사파이어 기판을 눌러 칩으로 쪼개는 메커니즘은 종래의 방법과 동일하지만, 트렌치의 형상이 안정하기 때문에 기판이 쪼개지는 부분을 형성하는 칩의 단면이 종래의 방법과 비교하여 매끈한 표면 형상으로 절단될 수 있다. 그러나 레이저 가공장치의 사용은 종래의 방법보다 LED칩의 발광휘도를 저하시킨다. 상기 휘도저하에 대해서 2가지 원인을 생각할 수 있다. 하나는 레이저 가공시 사용되는 열이 에피택셜층을 열화시킬 수 있다는 문제이다. 다른 하나는 칩의 단면이 매끈하게 마무리되므로 칩의 단면에서의 광추출 효율이 종래의 방법에 비하여 저하된다는 사실이다. 종래의 방법은 매끈한 형상의 트랜스를 얻을 수 없으므로 쪼개진 면이 울퉁불퉁한 외형이 되어 분할된 칩의 단면에 불규칙한 요철이 자연적으로 부여된다. 반대로, 레이저 방법은 매끈하고 안정한 형상으로 트렌치를 형성할 수 있으므로, 쪼개진 면을 매끈한 형상으로 마무리할 수 있다. 발광영역으로부터 매끈한 형상으로 조사된 광은 칩 내부로 반사되어 되돌아오는 경향이 있어서, 칩의 단면을 통한 광추출 효율이 악화된다. 이것을 가공에 관한 제1 과제라고 한다.
종래의 가공방법에서 발생하고 또한 레이저 방법에서도 발생하는 가공에 관한 제2 과제가 있다. 레이저 방법이 트렌치를 더 깊게 형성한 경우에도, 기판이 칩으로 분할되는 동안 응력이 발생하는 방법에 따라 단면방향으로 깨끗하게 쪼개어지 지 않을 수 있다. 즉, 응력이 칩의 단면을 휘게할 가능성이 있다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토하였고, 그 결과 본 발명에 도달하였다.
본 발명은 매끈한 표면에서도 방사된 광을 효과적으로 추출할 수 있는 제1 과제 및 쪼개는 과정에서 칩 단면의 휘어짐 없이 기판을 칩으로 쪼갤 수 있는 제2 과제를 동시에 해결하는 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법은 기판 상에 적어도 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 적층하여 웨이퍼를 형성하는 단계, 반도체층들의 성장면측에 제1 도전형 반도체층을 노출하는 제1 트렌치를 형성하는 단계, 상기 제1 트렌치 위부터 기판에 도달하는 제2 트렌치를 레이저빔을 사용하여 형성하는 단계, 제2 트렌치에 대응하는 위치의 기판의 제2면측으로부터 제3 트렌치를 형성하는 단계 및 웨이퍼를 칩으로 분할하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 형태에 따른 방법을 포함하는 제2 형태에서는, 상기 제3 트렌치가 제2 트렌치보다 넓은 폭을 갖는다.
본 발명의 제1 또는 제2 형태에 따른 방법을 포함하는 제3 형태에서는, 상기 제3 트렌치가 제1 트렌치보다 넓은 폭을 갖는다.
본 발명의 제1 내지 제3 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제4 형태에서는, 상기 제3 트렌치는 레이저빔 또는 다이싱 블레이드를 사용하여 형성된다.
본 발명의 제1 내지 제4 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제5 형태에서는, 상기 제3 트렌치는 레이저빔과 다이싱 블레이드를 조합하여 형성된다.
본 발명의 제1 내지 제4 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제6 형태에서는, 상기 제3 트렌치는 레이저빔을 2회 이상 조사하여 형성된다.
본 발명의 제1 내지 제6 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제7 형태에서는, 상기 제3 트렌치를 형성하기 이전에 그 두께가 에피택셜층을 포함하여 100㎛ 이하가 될 때까지 기판을 래핑, 그라인드 또는 연마한다.
본 발명의 제1 내지 제7 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제8 형태에서는, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층이다.
본 발명의 제1 내지 제8 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제9 형태에서는, 상기 기판은 사파이어 기판이다.
본 발명의 제1 내지 제9 형태 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하는 제10 형태에서는, 상기 반도체 발광소자는 질화물계 반도체 발광소자 또는 질화갈륨계 반도체 발광소자이다.
본 발명의 제11 형태는 본 발명의 제1 내지 제10 형태 중 어느 하나에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 사용하여 제조한 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 의해 숙고되는 반도체 발광소자의 제조방법을 사용함으로써, 매끈하고 안정된 외관을 갖고, 발광면에 대하여 거의 수직으로 곧게 절단된 매끈한 쪼개진 면이 형성되어 있고, 또한 칩의 제2면 또는 칩의 외주부로부터의 광추출 효율이 충분히 만족스러운 칩인 반도체 발광소자를 얻는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 상기 및 그 외 목적, 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 이하에 나타낸 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서 반도체층에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 적어도 제1 도전형 반도체층(2), 발광층(3)(활성층) 및 제2 도전형 반도체층(4)이 형성되어 있다. 또한, 접촉층 및 완충층이 더 형성되어 있어도 좋다. 이들 층은, 예컨대 MOCVD법으로 사파이어 기판 상에 적층된다.
상기 반도체층 상에, 제1 도전형 반도체층(도 2에서는 n형)을 노출하기 위한 폭이 W1인 제1 트렌치(40)를 에칭장치 및 포토리소그래피장치를 사용해서 형성한다. 트렌치는 제1 도전형 반도체층을 노출하는데 필요하므로, 제1 도전형 반도체층 두께의 약 3/4의 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 이때, n형 전극을 형성하기 위한 면을 동시에 형성해도 좋다. 제2 도전형 반도체층(도 2에서는 p형) 상에는, 진공증착장치 및 포토리소그래피장치를 사용하여 p형 전극(5)을 형성한다. n형 반도체층 상에는, n형 전극을 형성한다.
그 다음, 폭이 W2이고 제1 트렌치로부터 기판(1)으로 도달하는 제2 트렌치(50)를 레이저빔을 사용하여 형성한다. 제2 트렌치(50)는 깊이가 약 20~50㎛의 범위 내인 것이 바람직하다. 제2 트렌치는 제1 트렌치보다 좁은 폭으로 형성한다. 상기 폭의 관계는 제2 트렌치를 형성하는데 행해진 레이저 가공이 발광층 및 p형층(제2 도전형 반도체층)에 손상을 주는 것을 방지한다. 특히 발광층은 레이저빔으로 직접 조사되지 않으므로, 레이저빔은 발광층에 거의 영향을 주지 않는다. 필요에 따라, 폭이 W1보다 좁고 기판에 도달하는 제2 트렌치를 형성하기 위한 레이저 가공 이전에, 레이저 가공의 과정 동안 발생하는 먼지가 직접 부착되지 않게 하기 위해서, 반도체층을 레지스트 등의 보호막으로 피복한 다음 상기 제1 트렌치 위로부터 레이저빔을 피복된 반도체층에 조사해도 좋다.
또한, 반도체층측으로부터 기판을 노출하기에 충분히 깊은 제2 트렌치를 형성함으로써, 칩의 단면을 만족스러운 재현성을 갖는 안정한 형상으로 마무리할 수 있다. 그 결과, 제조된 칩은 시판의 제품으로서 형상이 우수하고, 또한 그 단면으로부터 방사된 광의 강도분포가 높은 재현성으로 충분히 만족스럽게 안정될 수 있다.
기판을 노출하는 제2 트렌치의 삽입은 에피택셜층을 분할하게 하므로, 웨이퍼는 그 안에서 발생하는 휘어짐이 개선될 수 있다.
웨이퍼의 휘어짐이 개선되는 경우에, 기판의 제2면이 용이하게 연마, 래핑 또는 그라인드될 수 있어 그 두께가 균일하게 될 수 있다. 연마 후에도 웨이퍼의 휘어짐을 억제할 수 있으므로, 제3 트렌치의 삽입시 레이저빔으로 초점위치의 변동 을 억제할 수 있다. 상기 억제는 제3 트렌치의 형상을 안정시키는데 효과적이다.
이어서, 제2 트렌치에 대응하는 위치의 기판의 제2면측으로부터 레이저 가공장치 또는 다이싱 블레이드를 사용하여 폭 W3이 폭 W2보다 넓은 제3 트렌치(60)를 형성한다(도 3). 레이저 가공 이전에 레지스트 등의 보호막을 형성했을 경우에는, 본 단계에서 제거해도 좋다. 그 다음, 브레이커를 사용하여 각각의 칩을 절단하여 분리한다. 브레이커에 의해 응력이 기판에 가해지면, 제2 트렌치 및 제3 트렌치의 저부에 집중된다. 이후에 발생되는 쪼개짐은 제2 또는 제3 트렌치 중 어느 하나의 저부로 들어가서 다른 트렌치의 저부 방향으로 진행한다. 이렇게 하여 얻어진 분할된 칩은 결과적으로 높은 재현성을 갖고 깨끗한 형상의 균일한 쪼개짐을 얻을 수 있다. 제3 트렌치의 V자형 트렌치의 벽면이 칩의 단면을 향하여 경사져 있거나 또는 벽면이 U자형 트렌치로 형성되는 경우에, 벽면은 칩의 단면에 대하여 단차가 생긴다. 결과적으로, 단차부는 광을 다시 추출할 수 있어 외부로의 광의 추출효율이 개선된다.
외부로의 광추출 효율의 관점에서, 제3 트렌치는 제2 트렌치보다 폭이 넓고, 제1 트렌치보다도 넓은 것은 것이 바람직하다. 제3 트렌치는 트렌치 폭의 약 1/4 내지 3/4 범위의 깊이를 갖는 것이 바람직하고 보다 바람직하게는 2/5 내지 3/5의 범위이다. 종래의 다이싱법으로 제3 트렌치의 형성을 행해도 좋지만, 가공속도 및 다이싱 블레이드(70)의 유지를 고려한 실질적인 작동시간을 고려하여 레이저 가공장치를 사용하여 완성하는 것이 바람직하다. 레이저 가공장치는, 예컨대 선택에 제공되는 칩의 종류 등의 각종 편의에 적합하게 제3 트렌치의 형상을 자주 변화시킬 수 있다. 반도체층에 어떤 손상도 주지 않고 레이저 가공장치로 큰 폭의 트렌치를 형성할 목적으로, 레이저빔의 초점을 기판과 떨어져 있도록 형성할 필요가 있다. 초점이 기판으로부터 떨어져 있는 경우에, 트렌치는 그 폭이 증가하고 그 깊이가 얕아진다. 초점이 기판으로부터 더 떨어져 있는 경우에는, 트렌치는 브로드한 V자형 홈이 된다. 분리가 더 진행되는 경우에는, 트렌치는 결국 U자형 홈으로 된다. 분리가 더 계속되는 경우에는, W자형 홈으로 변한다. 상기 형상의 변화 정도는 광학 시스템 및 사용되는 레이저빔의 출력에 따라 다르다. W자형 홈으로 하면, 응력이 더 이상 트렌치 저부의 고정된 한군데에 집중되지 않아서 결과적으로 기판이 안정적으로 분리되지 않고 직선으로 쪼개어 지지 않는다. 폭이 넓고 깊이가 깊은 제3 트렌치를 형성하기 위해서, 레이저빔으로 W자형 홈의 트렌치를 미리 형성하고 이어서 다이싱 장치를 사용하여 형상의 교정을 위한 다이싱 처리를 하는 방법 또는 W자형 홈의 저부에 레이저빔을 다시 한번 조사하는 방법을 채택하는 것이 바람직하다.
다이싱 장치만을 사용하여 제3 트렌치를 형성하는 경우에, 상기 공정은 레이저 가공장치를 사용하는 것보다 오랜 시간이 걸린다. 레이저빔으로 먼저 형성하고 형상을 보정하는 정도로 추가적인 다이싱 처리를 행하는 경우에, 다이싱의 기계 허용치는 저감될 수 있고 다이싱 장치를 사용하는 작동시간을 단축할 수 있다. 제3 트렌치의 형상을 엄격히 조절할 필요가 있는 경우에도, 상기 가공방법은 유효하다. 트렌치의 형상을 엄격히 조절할 필요가 없는 경우에는, 레이저빔으로 W자형 홈의 저부를 조사하여 큰 폭의 V형 홈을 형성할 수 있다. 상기 방법은 저비용으로 제조하는데 효과적이다. 목적하는 형상을 얻을 목적으로, 레이저빔 조사를 더 반복해도 좋다.
기판을 에피택셜층을 포함한 그 두께가 100㎛ 이하로 얇게 될 때까지 연마, 래핑 또는 그라인드하는 경우에, 두께의 감소는 기판의 분할을 더 용이하게 하는 이점이 있다. 기판의 연마가공 이후에 반도체층측으로부터 삽입된 제2 트렌치에 대응하는 위치의 기판측으로부터 제1 또는 제2 트렌치보다 폭이 넓은 제3 트렌치를 삽입함으로써, 기판의 제2면에 약한 부분을 형성할 수 있게 된다. 이들 약한 부분은 쪼개지는 과정에서 칩의 단면이 그 길이방향에 따른 중간에서 구부러지는 것을 방지하는 기능을 한다. 또한, 제3 트렌치는 기판으로부터 분리된 칩의 모서리부가 챔퍼된 것과 같이 형성되므로, 챔퍼 모서리로부터의 광추출 효율이 개선된다.
제2 트렌치 형성단계를 기판을 연마하기 이전에 행하면, 기판은 여전히 두껍고 휘어짐이 거의 없으므로, 레이저 가공의 과정에서 레이저빔의 초점위치가 적게 변하여 트렌치를 안정한 형상으로 얻을 수 있다. 또한, 제2 트렌치는 기판을 노출하므로, 제2 트렌치의 형성 후에 기판의 휘어짐을 억제하는데 효과가 있다. 상기 수단은 기판을 연마, 래핑 또는 그라인드하는 과정에서 과도한 응력의 필요를 방지하게 된다. 결과적으로, 기판을 연마, 래핑 또는 그라운드하는 동안 금이 가거나 칩이 깨지는 것을 방지할 수 있으므로 안정하게 연마, 래핑 또는 그라인드할 수 있다. 웨이퍼의 표면 전체에 기판의 두께를 균일하게 할 수 있으므로, 제3 트렌치의 벽면을 통해 출사되는 광량이 안정해진다. 칩의 단면이 테이퍼된 면으로 분리되는 것을 방지하기 위해서는, 기판의 두께를 얇게 하는 것이 좋다. 연마하고 쉐이브한 기판의 제2면을 갖는 웨이퍼는 두께가 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 만족스러운 재현성을 갖는 제2 트렌치로부터 제3 트렌치로의 절단면을 얻기 위해서는, 상기 두께를 80㎛ 이하 또는 60㎛ 이하 정도로 가능한 얇게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 두께가 너무 얇으면, 기판에서의 휘어짐이 과도하게 증가하여 제3 트렌치의 삽입을 방해할 뿐만 아니라 기판이 만족스러운 재현성으로 분할될 수 없다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1:
질화물계 화합물 반도체로 형성되는 청색 발광소자를 하기와 같이 제조하였다.
사파이어 기판 상에, AlN층, 두께가 4㎛이고 언도프 GaN으로 형성된 하층, 두께가 2㎛이고 Ge-도프(농도: 1×1019/cm3) GaN로 형성된 n측 접촉층, 두께가 12.5nm이고 Si-도프(농도: 1×1018/cm3) In0.2Ga0.9N으로 형성된 n측 클래딩층, 두께가 16nm이고 GaN으로 형성된 배리어층 및 두께가 2.5nm이고 In0.2Ga0.8N으로 형성된 우물층을 교대로 최대 5회 적층시키고, 최후에 배리어층, 두께가 2.5nm이고 Mg-도프(농도: 1×1020/cm3) Al0.07Ga0.93N으로 형성된 p측 클래딩층 및 두께가 0.16㎛이고 Mg-도프(농도: 8×1019/cm3) Al0.02Ga0.98N으로 형성된 p측 접촉층이 형성된 다중양자우물구조의 발광층을 순차 적층하여 질화물계 화합물 반도체 적층구조를 형성하였다.
상기 질화물계 화합물 반도체 적층구조의 p측 접촉층 상의 소정의 위치에, p측 접촉층으로부터 Pt 및 Au를 순서대로 적층하여 구성된 투명한 양극을 본 분야에서 공지된 포토리소그래피 기술 및 리프트오프 기술을 사용하여 형성하였다. 이어서, 반도체측으로부터 Au/Ti/Al/Ti/Au층을 순서대로 적층하여 구성된 양극 본딩패드를 공지된 포토리소그래피 기술을 사용하여 형성하였다.
그 다음, 도 1에 나타낸 바와 같이 공지된 포토리소그래피 기술 및 공지된 활성이온 에칭기술로 n형층을 노출하기 위한 에칭처리를 행하여 깊이가 1㎛인 제1 트렌치를 삽입하고 피치가 350㎛이고 폭이 18㎛인 칩으로 분할하였다. 동시에, 도 1에 나타낸 바와 같이 n측 전극형성면(30)을 에칭하여 반원형으로 형성하였다. 이어서, n측 전극형성면에 Cr/Ti/Au 3층 구조의 n측 전극을 형성하였다.
이렇게 해서 얻어진 질화물계 화합물 반도체 웨이퍼를 절단공정으로 보냈다. 먼저, 레이저 가공시 절단동작으로 인해 발생한 먼지가 질화물께 화합물 반도체층에 부착되는 것을 방지하기 위해서 수용성 레지스트를 스핀코터로 웨이퍼의 전체 반도체층측 표면에 균일하게 적용하고, 적용된 레지스트의 도포물을 건조하여 두께가 0.2㎛인 보호막을 형성하였다.
그 다음, 사파이어 기판 측에 UV테이프를 붙인 후 웨이퍼를 펄스 레이저 가공장치의 스테이지에 진공 척으로 고정하였다. 스테이지는 X축(측면) 및 Y축(세로) 방향으로 이동하고 회전하도록 구성되어 있다. 진공 척에 고정한 후, 레이저 광학 시스템을 조정하여 보호막의 제1면에 레이저의 초점을 형성하였다. 그 다음, 도 2에 나타낸 바와 같이 제1 트렌치에 레이저를 조사하여 X축 방향으로 350㎛ 간격을 두어 깊이 25㎛, 폭 10㎛의 제2 트렌치(50)를 형성하고 사파이어 기판을 노출하였다. 이때, 트렌치는 V형 단면으로 형성되었다. 90도로 회전하는 스테이지를 사용하여, Y축 방향으로 제2 트렌치를 동일하게 형성하였다. 트렌치의 형성이 종료된 후에, 진공 척을 풀고 웨이퍼를 스테이지로부터 해방시켰다.
그 다음, 웨이퍼를 세정장치의 스테이지에 놓고 웨이퍼를 회전시키면서 반도체층측 표면에 물을 분사하여 씻어내는 것에 의해 보호막을 제거하였다.
이어서, 사파이어 기판의 제2면측을 래핑 및 연마하여 에피택셜층을 포함한 두께가 80㎛가 되도록 웨이퍼를 박막화하였다. 기판의 제2면에 균일한 반사성을 부여하여 마무리하고 사파이어 기판으로부터 제2 트렌치를 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 연마하였다.
그 다음, 질화물계 화합물 반도체층측에 새로운 UV테이프를 부착한 후에, 웨이퍼를 펄스 레이저 진공장치의 스테이지에 진공 척으로 다시 고정하였다. 레이저의 초점이 기판보다 위쪽에 형성되도록 레이저 광학 시스템을 조정하여, 도 3에 나타낸 바와 같이 기판에 대하여 제2 트렌치의 반대측 위치에 깊이 15㎛, 폭 13㎛인 제3 트렌치(60)를 X축 방향으로 형성하였다. 또한, 스테이지를 90도 회전시켜서, Y축 방향으로 제3 트렌치를 동일하게 형성하였다. 이들 트렌치의 형성을 종료한 후, 진공 척을 풀고 웨이퍼를 스테이지로부터 해방시키고 흐르는 물로 세정하였다. 제조된 질화물계 화합물 반도체 발광장치 웨이퍼의 표면을 육안으로 확인하였을 때, 더러움의 흔적은 거의 관찰되지 않았다. 사파이어 기판으로부터 웨이퍼를 눌러 분할하고 분할된 웨이퍼의 조각을 분리하여 350㎛ 평방의 칩을 다수 얻었다. 이들 칩 의 단면을 육안으로 관찰했을 때, 칩의 주면에 거의 수직하도록 제2 트렌치의 V형 홈의 저면으로부터 제3 트렌치로 연장된, 반사성은 아니지만 매끈한 면이 관찰되었고, 제3 트렌치는 기판 둘레를 챔퍼하여 얻어진 것과 같은 형상이 되는 것으로 관찰되었다. 외부 형상결함이 없는 칩을 꺼내었을 때, 비율은 90%이었다. 베어칩 마운트를 적분구법으로 측정하였고, 상기 발광소자는 20mA의 전류에서 4.9~5.1mW의 범위에서 발광출력을 보였다.
비교예 1:
제3 트렌치의 형성을 생략하는 것을 제외하고는 실시예 1의 공정에 따라서 칩과 같은 형상의 질화물계 화합물 반도체 발광소자를 제조하였다. 이들 칩의 단면을 육안으로 관찰했을 때, 반사성은 아니지만 매끈한 면이 관찰되었다. 이들 대부분의 칩은 V형 제2 트렌치의 말단부로부터 질화물계 화합물 반도체층으로 덮여진 주면으로 거의 수직으로 분리되었다. 도 4에 나타낸 바와 같이 몇몇의 칩은 기판측 상의 주면에 대하여 거의 수직으로 분리되었지만, 다른 몇몇의 칩은 수직으로 분리되지 않았다. 이와 같이, 본 실험에서 제조된 칩은 형상이 불안정하였다. 기판측 상의 주면에 대하여 거의 수직인 단면을 형성하고 외부 형상결함이 없는 칩을 꺼내었을 때, 비율은 50%이었다. 베어칩 마운트를 적분구법으로 측정하였고, 상기 발광소자는 20mA의 전류에서 4.4~4.6mW의 범위에서 발광출력을 보였다. 기판측 상에 주면에 대하여 거의 수직인 단면을 형성하지 않고 다른 외부 형상결함을 보이지 않는 칩을 베어칩 마운트로 형성하고 적분구법으로 측정하였을 때, 상기 발광소자는 20mA의 전류에서 4.6~5.2mW의 범위에서 발광출력을 보였다. 기판측에 경사지도록 쪼개어진 점에 의해 광추출 효율이 개선되었을 것이라고 생각된다. 쪼개짐 상태가 불규칙하였으므로, 발광출력도 분산되었다.
실시예 2:
폭 20㎛, 깊이 30㎛인 제3 트렌치를 형성하기 위해서 레이저 가공에 이어서 다이싱 처리를 행하는 것을 제외하고는 실시예 1의 과정에 따라 칩과 같은 형상의 질화물계 화합물 반도체 발광소자를 제조하였다. 제3 트렌치를 형성하는 동안, 기판으로부터 약 30㎛ 떨어진 위치에 초점이 형성되도록 레이저빔을 조사하였다. 레이저빔의 조사 종료 후에, 폭 20㎛, 깊이 15㎛인 제3 트렌치를 형성하였다. 이어서, 도 5에 나타낸 바와 같이 V형 가장자리를 갖는 다이아몬드 블레이드 및 폭이 20㎛인 블레이드를 사용하여 레이저 가공처리함으로써 제3 트렌치의 형상을 교정하였다. 형상의 교정이 종료된 후에, 제3 트렌치는 폭 20㎛, 깊이 30㎛이었다. 상기 웨이퍼를 분할하여 칩을 얻었다. 이들 칩의 단면은 기판측 상의 주면에 대하여 거의 수직이었다. 외부 형상결함이 없는 칩을 꺼내었을 때, 비율은 90%이었다. 베어칩 마운트의 상태를 가정한 적분구의 측정에서, 발광소자는 20mA의 전류에서 4.9~5.5mV의 범위 내에서 발광출력을 보였다.
형상 교정 후 제3 트렌치의 제1면은 형상 교정 전보다 더 조잡하였고 미세한 불균일을 억제하기 위해 다이아몬드 블레이드로 힘을 가하였다. 시험방법에 따른 측정에 의해서, 표면은 30~100nm 범위 내의 조도를 얻었다. 다이아몬드 블레이드 가공으로 소정의 트렌치 형상에 따라 증가된 표면조도의 중요성이 높아졌다. 상기 사실은 칩의 반원의 말단부의 챔퍼형상으로의 형성은 광추출 효과를 개선시키고 미 세한 불규칙이 칩의 반원 말단부에 형성되고 광의 외부추출의 효과가 더 개선된다는 것을 나타낸다.
실시예 3:
폭 20㎛, 깊이 30㎛인 제3 트렌치를 형성하기 위해 2개의 스테이지에서 레이저 가공처리를 행하는 것을 제외하고는 실시예 1의 공정에 따라 칩과 같은 형상의 질화물계 화합물 반도체 발광소자를 제조하였다. 제1 스테이지의 레이저가공에 있어서, 기판으로부터 약 30㎛ 떨어진 위치에 초점이 형성되도록 레이저를 조사하였다. 레이저빔 조사 후 제3 트렌치는 폭 20㎛, 깊이 15㎛이었고 그 저부의 중심부 근처가 위로 팽창된 W형 단면이었다. 제2 스테이지에서의 레이저빔 조사를 W형 단면의 중심 근처를 향한 초점으로 행하였다. 완성된 제3 트렌치는 폭 20㎛, 깊이 35㎛이고, 다이싱 처리에서 얻은 트렌치와 비교하여 약간 변형되었지만 거의 V형 홈이었다. 상기 웨이퍼를 쪼개어 칩을 얻었다. 쪼개진 칩의 단면은 기판측 상의 주면에 대하여 거의 수직이었다. 외부 형상결함이 없는 칩을 꺼내었을 때, 비율은 90%이었다. 베어칩 마운트 상태에서의 적분구 측정에 있어서, 발광소자는 20mA의 전류에서 4.9~5.4mW의 범위 내에서 발광출력을 보였다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 광추출 효율이 높고 사파이어 기판을 사용한 질화갈륨계 화합물 발광소자, SiC 기판을 사용한 질화갈륨계 화합물 발광소자 및 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 발광소자에 사용될 수 있다. 상기 소자가 형광물질 또는 그 재료로 형성된 발광소자와 조합하면, 고휘도의 백색광을 방사할 수 있다.
도 1은 기판 상의 반도체층에 형성된 트렌치 및 전극의 평면도이다.
도 2는 기판 상의 반도체층에 형성된 제1 및 제2 트렌치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 기판의 제2면에 형성된 제3 트렌치의 단면도이다.
도 4는 제3 트렌치가 구비되지 않는 비교예의 분리면을 나타내는 단면도이다.
도 5는 W의 형상을 갖는 제3 트렌치의 단면 및 이 트렌치의 형상에 대응하는 다이싱 블레이드의 단면도이다.

Claims (1)

  1. 기판 상에 적어도 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 적층하여 웨이퍼를 형성하는 단계;
    상기 반도체층들의 성장면측에 상기 제1 도전형 반도체층을 노출하는 제1 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 제1 트렌치 위로부터 기판에 도달하는 제2 트렌치를 레이저빔을 사용하여 형성하는 단계;
    상기 제2 트렌치에 대응하는 위치의 기판의 제2면측으로부터, 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치보다 폭이 넓은 제3 트렌치를 레이저빔을 사용하여 형성하는 단계;
    다이싱 블레이드를 사용하여 상기 제3 트렌치의 형상을 교정하는 단계; 및
    상기 웨이퍼를 칩으로 분할하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
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