KR20090003961A - 수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예는 수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 산화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 산화막 패턴이 형성된 기판 위에 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물의 외측 경계 영역에 대해 기판 표면까지 식각한 후 절연막을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 및 절연막 위에 제 1전극을 형성하는 단계; 상기 제 1전극 위에 전도성 지지 기판을 형성하는 단계를 포함한다.

수직형, 반도체, 발광소자, 산화막 패턴

Description

수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Vertically structured light emitting diode and manufacturing method thereof}

본 발명의 실시 예는 수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 발광소자는 질화갈륨(GaN) 결정을 성장시켜서 만드는데, 질화갈륨 결정을 성장시키기 위해서 가장 좋은 것은 질화갈륨 기판이다. 그러나, 질화갈륨 기판은 질화갈륨 결정 성장의 어려움 등으로 인해 가격이 매우 비싸다.

그렇기 때문에, 일반적인 질화 갈륨계 발광소자(GaN LED)는 대부분 이종기판에서 성장시키게 되는데, 그러한 용도의 이종기판에는 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘카바이드(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs)등으로 이루어진 기판이 있으며, 이 가운데서도 가장 많이 사용되는 기판은 사파이어 기판이다.

한편, 발광소자는 전극의 배치 구조에 따라 수평형(일반형) 발광소자와 수직형 발광소자로 구분된다.

먼저, 수평형 발광소자는 p-반도체층 상부에 p-전극이 형성되어 있고, p-반도체층에서 n-반도체층의 일부까지 메사(Mesa) 식각하여, 노출된 n-반도체층 상부 에 N-전극이 형성되어 있는 전극 구조를 갖는다. 이와 같은 수평형 발광소자는, 열 도전 계수나 열 발산이 낮은 사파이어 기판이 발광 구조물 하부에 막혀 있어서, 내부의 열이 효과적으로 배출되기가 어려워 발광소자의 성능이 저하되고, 수명이 짧아지는 단점이 있다.

그리고, 수평형 발광소자는 전극을 수평 위치에 배치하므로, 그 구조상 칩 면적이 클 수밖에 없고, 웨이퍼 단위 면적당 칩 생산 효율도 낮은 편이며, 패키징 공정시, 와이어 본딩(Wire Bonding)이 복잡하여 제조비용을 증가시키는 등의 여러 가지 단점을 가지고 있다. 이와 같이, 수평형 전극 구조의 발광소자 제조방법으로는 출력과 발광 효율을 향상시키고 양산하는 데 한계가 있다.

반면에, 수직형 발광소자는 양 전극이 소자의 상,하단에 위치하여서 빛을 한 방향으로 증폭시키는데 유리하기 때문에, 수평형 발광소자보다 광 출력과 발광 효율을 향상시키는데 훨씬 효과적이다.

도 1은 종래 수직형 반도체 발광소자(10)를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 분리될 사파이어 기판(11) 위에 복수의 질화갈륨(GaN) 발광 구조물(13)이 절연막(15)에 의해 상호 격리되어 형성된다. 상기 복수의 발광 구조물(13) 각각은 빛이 생성되도록 하는 버퍼층, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 구조를 가지며, 상기의 복수의 발광 구조물(13) 각각의 측면에 절연막(passivation)(15)이 증착되어 발광 구조물(13) 상호 간을 격리시켜 준다.

상기 복수의 발광 구조물(13) 상부에는 외부로부터의 전류를 발광 구조물(13)에 안정적으로 공급할 수 있도록 오믹 컨택트(ohmic contact)하는 p-전 극(17)을 증착하게 된다.

상기 발광 구조물(13) 상부에 도금 등의 방법을 이용하여 금속막(19)을 형성하게 된다. 상기 금속막(19)을 발광 구조물(13) 상부에 형성함으로써 간단한 접합만으로 수직형 구조를 제조할 수 있으며, 또한 금속의 특성상 높은 열과 전기 전도성을 가지고 있기 때문에 소자 제조 및 구동에 있어서 아주 유용하다는 장점이 있다.

그리고 사파이어 기판(11)의 하부에 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Lift Off) 방법을 통해 레이저 빔(Laser beam)을 조사하여 상기 금속막(17)이 형성된 복수의 발광 구조물(13)로부터 사파이어 기판(11)을 분리, 제거하는 공정을 수행하게 된다.

상기 레이저 리프트 오프 과정은 발광 구조물(13)로부터 사파이어 기판(11)을 분리해 내는 기술로서, 매우 짧은 파장을 갖는 레이저 빔을 사파이어 기판면에 조사하게 된다. 이때 사파이어 기판(11)은 상기 레이저 빔을 투과시키고, 발광 구조물(13)은 흡수하게 되어, 발광 구조물(13)과 사파이어 기판(11)의 계면에서 플라즈마 폭발(plasma explosion)이 발생하여 사파이어 기판(1)이 분리된다.

그러나, 레이저 빔을 조사하게 되면 페시베이션 영역인 절연막(15) 부분이 레이저 충격에 의해 분리되거나 표면 박리 등으로 인해 발광 구조물이 손상을 입을 수 있다. 이로 인해 수직형 반도체 발광소자의 특성이 저하되고 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 된다.

본 발명의 실시 예는 베이스 기판 위에 산화막 패턴을 형성하여, 조사되는 레이저 빔에 의해 스트레스로 인해 발광 구조물 하부 표면의 박리나 손상을 최소화하기 위한 수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 산화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 산화막 패턴이 형성된 기판 위에 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물의 외측 경계 영역에 대해 기판 표면까지 식각한 후 절연막을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 및 절연막 위에 제 1전극을 형성하는 단계; 상기 제 1전극 위에 전도성 지지 기판을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자는, 표면이 요철 구조로 형성되며, n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 아래에 형성된 활성층, 상기 활성층 아래에 형성된 p형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 아래에 형성된 제 1전극; 상기 제 1전극 아래에 형성된 전도성 지지기판을 포함한다.

본 발명 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 사파이어 기판 위에 산화막 패턴을 형성해 줌으로써, 발광 구조물로 조사되는 레이저 빔으로 인해 발생되는 충격을 흡수하여 발광 구조물을 보호함으로써, 수직형 발 광 구조물의 박리나 손상을 줄여줄 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 실시 예에 있어서, 기판 제거 전의 수직형 반도체 발광소자를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 수직형 반도체 발광소자(100)는 분리될 베이스 기판(111) 위에 패턴으로 형성된 산화막(SiO₂)(113), 발광 구조물(115), 반사 전극(121), 전도성 지지 기판(121)을 포함한다. 상기 베이스 기판(111)은 이종 기판으로서 사파이어 기판(Al₂0₃)으로 이용할 수 있다.

상기 베이스 기판(111) 위에 도 3의 (a) 및 도 4와 같이 산화막(113)의 패턴이 형성된다. 이러한 산화막(113)은 기판 표면에 산화막을 증착한 후 마스크 패턴을 이용한 식각 공정(예: 건식 또는 습식 식각)을 통해 기판 표면에 서로 일정 간격을 갖는 산화막 패턴을 형성해 준다.

여기서 상기 산화막(113)의 폭(w)은 1~10um로 형성되며, 산화막 간의 간격은 1~10um 내에서 형성될 수 있다. 또한 산화막(113)의 두께(t)는 1 또는 2um 이하로 형성될 수 있는데, 이는 기판 위에 형성될 버퍼층의 표면 보다 낮은 높이로 형성된다.

여기서 산화막(113)의 패턴은 기판 전체 표면에 대해 주기적으로 형성되거나 반도체 칩으로 사용될 영역에만 주기적으로 형성해 주고, 그 이외의 영역인 반도체 칩 경계 영역은 형성해 주지 않을 수도 있다.

또한 상기 베이스 기판(111)의 표면에 산화막 형성 전에 폴리싱한 후 산화막을 형성해 줄 수 있다. 예컨대, 폴리싱 과정은 CMP(chemical mechanical polishing), 기계적 연마 또는 염산, 질산 등의 용액을 식각액으로 하는 습식 식각에 의하여 진행할 수 있다.

이러한 베이스 기판(111) 위에 도 3의 (b)와 같이 발광 구조물(115)을 형성하게 된다. 상기 발광 구조물(115)은 질화갈륨계 반도체층으로 예컨대 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층이 차례대로 또는 이의 역순으로 적층되는 pn 접합이거나 npn 접합으로 구성될 수 있으며, 또는 상기 n형 반도체층 아래에 버퍼층(GaN, AlN 등)을 포함하는 한 층 이상의 반도체층을 더 적층할 수도 있다. 실시 예는 상기와 같은 적층 구조로 한정하지 않는다. 상기 발광 구조물의 물질층들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성될 수 있다.

상기 발광 구조물이 형성되면, 도 3의 (c)와 같이 발광 구조물의 경계 영역에 대해 기판 표면까지 ICP 장비를 이용하여 식각하여 홈(116)을 형성해 준다. 상기 홈(116)으로 도 3의 (d)와 같이 절연막(117)을 형성해 주어 발광 구조물(115)의 표면까지 노출시켜 준다. 이때 상기 절연막(117)의 표면에 상기 발광 구조물(115)이 성장되지 않게 하여 복수개의 발광 구조물(115)이 서로 격리될 수 있는 구조가 된다. 여기서 절연막(117)은 SiO₂ 또는 SU-8을 형성해 줄 수 있다.

그리고 도 4의 (e)와 같이 상기 발광 구조물(115) 위 및 절연막(117) 위의 전면에 반사 전극(119)이 형성된다. 상기 반사 전극(119)은 외부로부터의 전류를 발광 구조물(115)에 안정적으로 공급할 수 있도록 오믹 컨택트(ohmic contact)하는 p형 전극으로 동작할 수 있다. 여기서, p형 전극은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 구조로 형성될 수 있다.

상기 반사 전극(119) 위에는 전도성 지지 기판(121)이 형성된다. 상기 전도성 지지 기판(121)은 Ni 또는 Cu를 도금이나 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 100~150um 두께로 형성될 수 있다. 상기 전도성 지지 기판(121)은 발광 구조물(115) 상부에 형성함으로써 간단한 접합만으로도 수직형 구조를 제조할 수 있으며, 또한 금속의 특성상 높은 열과 전기 전도성을 가지기 때문에 소자 제조 및 구동에 있어서 아주 유용하다는 장점이 있다. 여기서, 도금 공정은 전해도금, 비 전해도금, 증착 도금 등 금속층을 형성하는데 사용될 수 있는 공지의 도금법을 포함할 수 있다.

이러한 전도성 지지 기판(121)이 형성되면, 도 4의 (f)와 같이 발광 구조물(115)로부터 베이스 기판(111)을 분리하게 된다. 상기 베이스 기판 분리 공정은 레이저 리프트 오프(LL0) 기술을 이용하는 데, 베이스 기판(111)의 표면에 레이저 빔을 조사하게 되면, 상기 레이저 빔은 베이스 기판(111)을 투과하고, 투과된 광의 일부는 발광 구조물(115)에 흡수되고 나머지는 산화막(113) 패턴에 의해 광 산란이 일어나게 된다. 이때 발광 구조물(115), 베이스 기판(111) 및 산화막(113) 사이의 계면에서 플라즈마 폭발이 발생하여 베이스 기판(111)이 발광 구조물(115)로부터 분리된다.

이때 레이저 빔에 의해 발광 구조물(115)로 전달되는 스트레스를 상기 산화막(113)이 대부분을 흡수하게 됨으로써, 절연막(117)이나 발광 구조물(115)의 버퍼층에 전달되는 스트레스를 줄여주어, 레이저 리프트 오프에 의한 기판 분리시 칩의 박리나 깨워지는 부분을 현저히 개선해 준다. 이때, 산화막(113)은 발광 구조물(115)에 부착된 상태로 남아있을 수 있으며, 이러한 산화막(113)에 대해서는 습식 식각(wet etching)을 이용하여 제거해 준다.

이러한 산화막(113)을 제거한 발광 구조물(115)의 표면은 소정 주기 또는 간격을 갖는 요철 구조로 형성되며, 상기 요 구조는 다면체, 상부가 구 또는 평면인 반구형, 렌즈형 중에서 적어도 한 형상으로 형성된다. 이러한 요철 구조는 발광 구조물(115)의 n형 반도체층 또는 버퍼층에 형성되며, 상기 요철 구조의 표면 일부 또는 전체에 n형 전극(미도시)이 형성된다.

이후, 개별 반도체 칩 단위로 분리시켜 준다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 산화막 패턴을 다양한 구조를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)(b)와 같이 기판(111) 표면에 다면체(예: 육면체) 형태의 산화막(113) 패턴으로 형성해 주거나, 도 5의 (a)(b)와 같이 기판(111)의 표면에 반구형 또는 렌즈형 형태의 산화막(123) 패턴을 형성해 줄 수 있다. 또한 도 6의 (a)(b)와 같이 기판(111) 표면에 상부가 평면인 반구형 형태의 산화막(133) 패턴을 형성해 줄 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래 수직형 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 수직형 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면.

도 4 내지 도 6은 본 발명 실시 예에 따른 산화막 패턴의 예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 수직형 반도체 발광소자 111 : 기판

113 : 산화막 115 : 발광 구조물

117 : 절연막 119 : 반사 전극

121 : 도전성 지지기판

Claims (18)

1. 기판 위에 산화막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 산화막 패턴이 형성된 기판 위에 발광 구조물을 형성하는 단계;

   상기 발광 구조물의 외측 경계 영역에 대해 기판 표면까지 식각한 후 절연막을 형성하는 단계;

   상기 발광 구조물 및 절연막 위에 제 1전극을 형성하는 단계;

   상기 제 1전극 위에 전도성 지지 기판을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산화막 패턴은 요철 구조로 형성되는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 산화막 패턴은 다면체, 반구형, 렌즈형 중에서 적어도 한 형상으로 형성된 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 산화막 패턴은 기판 표면 전체 또는 반도체 칩으로 사용될 영역에 형성 되는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 산화막 패턴은 1~10um의 폭 또는 주기로 형성되는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 산화막 패턴은 1um 또는 2um의 높이 이하로 형성되는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 절연막은 Si0₂ 또는 SU-8로 이루어지는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 기판에 대해 레이저 리프트 오프(LLO) 공정을 수행하여, 사파이어 기판을 발광 구조물로부터 분리하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어 기판을 포함하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 전도성 지지기판은 도금 또는 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 기판이 분리된 발광 구조물에 제 2전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 발광 구조물에 제 2전극이 형성되면, 발광 구조물 단위로 분리하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 발광 구조물은 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 위에 형성된 활성층, 상기 활성층 위에 형성된 p형 반도체층의 순서로 적층되는 수직형 반도체 발광소자 제조방법.
14. 표면이 요철 구조로 형성되며, n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 아래에 형 성된 활성층, 상기 활성층 아래에 형성된 p형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;

    상기 발광 구조물의 아래에 형성된 제 1전극;

    상기 제 1전극 아래에 형성된 전도성 지지기판을 포함하는 수직형 반도체 발광소자.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 발광 구조물은 n형 반도체층 위에 형성된 버퍼층을 포함하는 수직형 반도체 발광소자.
16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,

    상기 요 구조는 발광 구조물의 n형 반도체층 또는 버퍼층 위에 다면체, 반구형, 렌즈형 중에서 적어도 한 형상으로 형성된 수직형 반도체 발광소자.
17. 제 14항에 있어서,

    상기 발광 구조물의 요철 구조의 표면에 형성된 제 2전극을 포함하는 수직형 반도체 발광소자.
18. 제 14항에 있어서,

    상기 발광 구조물의 요 또는 철 구조는 1~10um의 폭 또는 주기로 형성되는 수직형 반도체 발광소자.

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