KR20100128449A

KR20100128449A - 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20100128449A
Application number: KR1020090046842A
Authority: KR
Inventors: 첸-케 수; 윈-짐 수; 챠-밍 츄앙; 첸 오우
Original assignee: 에피스타 코포레이션
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-08
Also published as: KR101434235B1

Abstract

본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로，제1 주표면 및 제2 주표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 제1 주표면 위에 복수의 발광 적층(light-emitting stack)을 형성하는 단계; 상기 발광 적층 위에 식각 보호층을 형성하는 단계; 불연속성 레이저로 상기 기판 위에 복수의 불연속 구멍(hole)을 형성하는 단계; 상기 복수의 불연속 구멍을 식각하는 단계; 및 상기 복수의 불연속 구멍을 따라 상기 기판을 분할하여 발광 소자를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 발광 소자의 기판 측벽은 적어도 실질적으로 평탄한 표면인 제1 구조면 및 실질적으로 평탄하지 않은 표면인 제2 구조면을 포함한다.

발광 소자, 주표면, 발광 적층, 식각 보호층, 기판 측벽, 구조면, 반도체 에피택시층, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 투명 도전 산화층

Description

발광 소자 및 그 제조 방법 {LIGHT-EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로，특히 발광 소자의 기판 측벽이 적어도 실질적으로 평탄한 표면인 제1 구조면 및 실질적으로 평탄하지 않은 표면인 제2 구조면을 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(light-emitting diode, LED)의 발광원리는 전자가 n형 반도체 및 p형 반도체 사이에 이동하는 에너지 차를 이용하여 빛의 형태로 에너지를 방출하는 것이다. 이러한 발광 원리는 백열전구의 발광원리와 상이하여 발광 다이오드는 냉광원으로 불린다. 한편, 발광 다이오드는 내구성이 좋고, 수명이 길며, 가볍고, 전기소모가 적은 등 장점이 있으므로 현재 조명시장에서 각광받는 조명 도구로 부상함에 따라 종래의 광원을 점차 대체하고 있으며, 각종 분야, 예를 들면 교통 지시등, 백라이트 모듈, 가로등 조명, 의료기기 등에 응용되고 있다.

도 1은 종래 발광 소자의 구조를 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 발광 소자(100)는 투명 기판(10), 투명 기판(10) 위에 위치하는 반도체 적층(12)，및 상기 반도체 적층(12) 위에 위치하는 하나 이상의 전극(14)을 포 함한다. 여기서, 상기 반도체 적층(12)은 위로부터 아래 순으로 적어도 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(122)，및 제2 도전형 반도체층(124)을 포함한다.

그리고, 상기 발광 소자(100)는 기타 다른 소자와 조립되어 발광 장치(light-emitting apparatus)를 형성한다. 도 2는 종래의 발광 장치를 나타내는 개략도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 발광 장치(200)는 하나 이상의 전기회로(202)를 구비하는 서브 장착부(sub-mount)(20); 상기 발광 소자(100)를 서브 장착부(20) 위에 부착 고정하여 발광 소자(100)의 기판(10)이 서브 장착부(20) 위의 전기회로(202)와 전기적으로 연결되도록 하는, 상기 서브 장착부(20) 위에 위치하는 하나 이상의 솔더(solder)(22); 및 발광 소자(100)의 전극(14)과 서브 장착부(20)의 전기회로(202)를 전기적으로 연결하는 전기적 연결 구조체(24)를 포함한다. 여기서，상기 서브 장착부(20)는 리드 프레임(lead frame) 또는 큰 사이즈의 마운팅 기판(mounting substrate)를 사용할 수 있어 발광 장치(200)의 회로 설계에 편리를 제공할 뿐만 아니라 방열 효과를 향상시킬 수 있다.

그러나, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 발광 소자(100)에 있어서 투명 기판(10)의 표면은 평탄한 표면이고 투명 기판(10)의 굴절률은 외부 환경의 굴절률과 다르므로, 활성층(122)이 방출한 광선(A)이 기판으로부터 외부 환경으로 진입될 때, 전반사(Total Internal Reflection, TIR)가 쉽게 일어나 발광 소자(100)의 광방출 효율이 낮아진다.

본 발명의 주된 목적은 발광 소자를 제공하는 것으로, 상기 발광 소자는, 적어도 기판 및 기판 위에 위치하는 발광 적층을 포함한다. 여기서 기판은 하나 이상의 측벽을 구비하고, 상기 측벽은 적어도 실질적으로 평탄한 표면인 제1 구조면과 실질적으로 평탄하지 않은 표면인 제2 구조면을 포함한다.

본 발명의 다른 목적은, 적어도 기판 및 기판 위에 위치하는 발광 적층을 포함하는 발광 소자를 제공하는 것이다. 여기서 기판은 하나 이상의 측벽을 구비하고 상기 측벽은 적어도 제1 구조면과 제2 구조면으로 이루어진 실질적으로 불연속적인 구조체를 포함한다. 상기 제1 구조면은 실질적으로 평탄한 표면이고 제2 구조면은 실질적으로 평탄하지 않은 표면이다. 본 발명은 기판 측벽의 실질적으로 불연속적인 구조체에 의해 발광 소자의 광적출 효율을 향상한다.

본 발명의 또 다른 목적은 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 제1 주표면 및 제2 주표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 제1 주표면 위에 반도체 에피택시층을 형성하는 단계; 상기 반도체 에피택시층 위에 식각 보호층을 형성하는 단계; 불연속성 레이저로 기판 위에 복수의 불연속 구멍을 형성하는 단계; 상기 복수의 불연속 구멍을 식각하는 단계; 및 상기 복수의 불연속 구멍의 분할에 의해 발광 소자를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법을 개시한다. 이하, 첨부도면 3a 내지 도 6을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3i는 본 발명에 따른 제조 흐름을 나타낸 개략도이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 주표면(302)과 제2 주표면(304)을 포함한 기판(30)을 제공한 후, 도 3b에 도시한 바와 같이, 기판(30)의 제1 주표면(302) 위에 복수의 반도체 에피택시층(31)을 형성한다. 여기서 반도체 에피택시층(31)은 아래로부터 위로의 순으로 적어도 제1 도전형 반도체층(310), 활성층(312)，및 제2 도전형 반도체층(314)을 포함한다.

그런 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 리소그래피 식각기술을 이용하여 상기 반도체 에피택시층(31)을 식각하여 기판(30)의 일부를 노출시켜 반도체 에피택시층(31)에 대형(臺形) 구조를 갖는 복수의 발광 적층(32)을 형성한다. 여기서，각각의 발광 적층(32)은 모두 제1 도전형 반도체층(310)의 일부분이 노출된다. 또한 도 3d에 도시한 바와 같이, 발광 적층(32) 위에 식각 보호층(34)을 형성한다. 다른 실시예에서는 식각 보호층(34)이 발광 적층(32)과 기판(30) 위를 동시에 피복할 수도 있는데, 여기서 식각 보호층(34)을 이루는 재질은 이산화규소(SiO₂) 또는 질화규소(SiN_x) 등의 재료로 이루어질 수 있다. 이어서, 도 3e에 도시한 바와 같이, 불연속성 레이저 빔으로 기판(30)의 제1 주표면(302)에 복수의 불연속 구멍(36)을 형성한다. 여기서 소위 "불연속 레이저 빔"이란 기판(10) 위에서 레이저 빔이 이동하는 과정에 일정 또는 일정하지 않은 시간 간격으로 방출됨으로써 기판(30)의 제1 주표면(302)에 복수의 불연속 구멍(36)을 형성하도록 하는 것이다. 본 실시예에서 소위 "불연속 레이저 빔"은 점발식(點發式) 레이저를 사용할 수 있 는데, 예를 들면, 펄스형 레이저 빔(pulsed laser beam)이 그것이다. 도 3f는 도 3e를 위에서 바라본 구조를 나타낸 개략도이다. 도 3e에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서, 불연속성 레이저 빔에 의해 형성된 불연속 구멍(36)은 복수의 발광 적층(32)의 주위를 둘러싸고 있다.

이어서, 도 3g에 도시한 바와 같이, 섭씨 100도 내지 300도의 온도 조건에서 식각액으로 불연속 구멍(36)을 약 10 내지 50분 동안 식각한다. 본 실시예에서, 섭씨 150도 내지 250도의 온도 조건에서, 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)의 농도비가 3:1인 식각액으로 약 20 내지 40분간 식각하는 것이 바람직하다. 그리고 다른 실시예에서, 식각액으로 인산용액을 사용할 수도 있다. 마지막으로, 도 3h에 도시한 바와 같이, 식각 보호층(34)을 제거하고，기판(30)의 제2 주표면(304)을 연마하여 기판(30)의 두께를 얇게 만든 다음 복수의 불연속 구멍(36)에 따라 분할함으로써 복수의 발광 소자(300)를 형성한다.

또한, 도 3i에 도시한 바와 같이, 분할하기 전에 발광 적층(32) 위에 하나 이상의 투명 도전 산화층(Transparent Conductive Oxide, TCO)(38)을 형성하고, 이 투명 도전 산화층(38) 위에 하나 이상의 전극(40)을 형성한다.

한편, 상기한 실시예에서는, 불연속성 레이저 빔으로 기판(30)의 제1 주표면(302)을 분할함으로써 복수의 불연속 구멍(36)을 형성하지만, 상기한 단계는 본 발명의 일례에 불과하며 본 발명의 권리범위는 여기에 한정되지 않는다. 본 발명의 해당 기술분야의 기술자라면 본 발명을 실시함에 있어서 기판의 다른 부분에 대 해서도 불연속성 레이저 빔으로 분할을 진행할 수 있다. 예를 들면, 기판(30)의 제2 주표면(304)에 대하여 분할을 진행함으로써 제2 주표면에 복수의 불연속 구멍을 형성할 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 발광 소자(300)는 적어도 기판(30) 및 기판(30) 위에 위치하는 발광 적층(32)을 포함한다. 기판(30)은 적어도 제1 주표면(302), 제2 주표면(304)，및 하나 이상의 측벽(306)을 포함한다. 여기서，기판(30)의 측벽(306)은 적어도 실질적으로 평탄한 표면인 제1 구조면(3060) 및 실질적으로 평탄하지 않은 표면인 제2 구조면(3062)을 포함한다. 여기서，제2 구조면(3062)의 두께는 약 5㎛ 내지 20㎛이고, 본 실시예에서 제2 구조면(3062)은 기판(30)의 측벽(306)에서 제1 주표면(302)과 가까운 곳에 위치하고 그 실질적으로 평탄하지 않은 표면은 불연속성 레이저에 의한 분할 및 식각 공정으로 형성된 요철부이다. 그 중 상기 요철부는 연장방향(B)을 가지는데, 상기 연장방향(B)은 세로방향으로 연장되어 있으며，소위 "세로방향 연장"은 기판(30)의 제1 주표면(302)으로부터 제1 주표면(302)에서 멀어지는 방향으로 연장되거나, 기판(30)의 제2 주표면(304)으로부터 제2 주표면에서 멀어지는 방향으로 연장되거나 또는 기판(30)의 제1 주표면(302)으로부터 제2 주표면(304) 방향으로 연장되는 것 등을 가리킨다. 즉, 연장방향(B)은 제1 주표면(302)의 법선방향(C)과 협각(夾角)θ를 이루며，상기 협각 θ의 크기는 0°≤θ≤90°이다. 상기한 실시예에서, 요철부의 연장방향(B)은 실질적으로 기판(30) 위의 제1 주표면(302)의 법선방향(C)과 평행하며, θ는 대체로 0°이다.

그리고, 기판(30)은 사파이어(Sapphire), 산화아연 등 투명 기판으로 이루어질 수 있으며, 본 실시예는 사파이어 기판을 채택하였다. 발광 적층(32)은 아래로부터 위로의 순으로 제1 도전형 반도체층(310), 활성층(312) 및 제2 도전형 반도체층(314)을 포함하고 그 재질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 비소 (As), 인(P) 또는 질소(N)를 포함하는 반도체 재료일 수 있다. 예를 들면, 질화갈륨(GaN)계열의 재료 또는 알루미늄-갈륨-인듐 인화물(AlGaInP) 계열의 재료 등으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따른 발광 적층(32)의 재질은 질화갈륨 계열의 재료이다.

한편, 발광 소자(300)는 발광 적층(32) 위에 위치하는 하나 이상의 투명 도전 산화층(38) 및 상기 투명 도전 산화층(38) 위에 위치하는 하나 이상의 전극(40)을 더 포함한다. 여기서，투명 도전 산화층(38)의 재질은 인듐-주석 산화물(ITO), 인듐 산화물(InO), 주석 산화물(SnO), 카드뮴-주석 산화물(CTO), 안티몬-주석 산화물(ATO), 안티몬-아연 산화물(AZO) 및 아연 산화물(ZnO)로 이루진 군으로부터 선택된 1종 또는 1종 이상 포함한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다. 실질적으로 평탄하지 않은 표면의 제2 구조면(3062)이 제2 주표면(304)과 가까운 측벽(306) 위에 위치하는 것 외에，도 5에 도시한 발광 소자의 각 소자, 구성 및 연결관계 등은 모두 도 4와 동일하다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다. 실질적으로 평탄하지 않은 표면의 제2 구조면(3062)이 기판(30) 측벽(306)의 중간 위치 에 위치하는 것 외에, 제2 구조면(3062)의 상하부는 실질적으로 평탄한 제1 구조면(3060)이다. 도 6에 도시한 발광 소자의 각 소자, 구성 및 연결관계 등은 도 4에 도시한 바와 동일하다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주사식 전자현미경으로 관찰한 미세 구조도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 기판(30)의 제2 구조면(3062)은 요철부를 갖는 평탄하지 않은 표면이다.

이상 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술사상 및 특징을 설명하기 위한 것으로, 그 목적은 해당 기술분야의 기술자가 본 발명의 내용을 이해하고 실시하도록 하는 것이다. 본 발명의 권리범위는 여기에 한정되지 않으며 본 발명의 내용에 대한 다양한 수정 및 변형은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다.

도 1은 종래 발광 소자의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2는 종래 발광 장치의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 3a 내지 도 3i는 본 발명에 따른 제조 흐름을 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다.

도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 구조를 나타낸 개략도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주사식 전자 현미경으로 관찰한 미세 구조를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 발광 소자 10: 투명 기판

12: 반도체 적층 14: 전극

120: 제1 도전형 반도체층 122: 활성층

124: 제2 도전형 반도체층 200: 발광 장치

20: 서브 마운트 202: 전기회로

22: 솔더 24: 전기적 연결 구조체

30: 기판 302: 제1 주표면

304: 제2 주표면 306: 측벽

32: 발광 적층 310: 제1 도전형 반도체층

312: 활성층 314: 제2 도전형 반도체층

34: 식각 보호층 36: 구멍

300: 발광 소자 38: 투명 도전 산화층

40: 전극 3060: 제1 구조면

3062: 제2 구조면

Claims

제1 주표면 및 제2 주표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계;

상기 기판의 제1 주표면 위에 복수의 발광 적층을 형성하는 단계;

상기 복수의 발광 적층 위에 식각 보호층을 형성하는 단계;

불연속성 레이저로 상기 기판에 복수의 불연속 구멍을 형성하는 단계;

상기 복수의 불연속 구멍을 식각하는 단계; 및

상기 복수의 불연속 구멍을 따라 상기 기판을 분할하는 단계

를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 식각 보호층을 제거하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 발광 적층을 형성하는 단계는, 적어도

상기 기판의 제1 주표면 위에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;

상기 제1 도전형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;

리소그래피 식각기술을 이용하여 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층을 식각하여 복수의 대형(臺形) 구조의 발광 적 층을 형성하는 단계

를 포함하는, 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 복수의 불연속 구멍을 식각하는 단계는 섭씨 100도 내지 300도의 온도범위 조건에서 10 내지 50분 동안 식각액으로 식각하는, 발광 소자의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 식각액은 황산 및 인산의 성분비가 3:1인 용액, 또는 인산용액인, 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 불연속성 레이저로 상기 기판에 복수의 불연속 구멍을 형성하는 단계에 서, 상기 불연속성 레이저가 점발식(點發式) 레이저인, 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 불연속성 레이저로 상기 기판에 복수의 불연속 구멍을 형성하는 단계에서, 상기 구멍을 상기 제1 주표면 또는 상기 제2 주표면에 형성하는, 발광 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 발광 적층 위에 하나 이상의 전극을 형성하고, 상기 발광 적층과 상기 전극 사이에 하나 이상의 투명 도전 산화층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
하나 이상의 제1 주표면, 제2 주표면 및 측벽을 포함하는 기판; 및

상기 기판 위에 위치하는 발광 적층

을 적어도 포함하고,

상기 기판의 측벽은 적어도 실질적으로 평탄한 표면인 하나 이상의 제1 구조면 및 실질적으로 평탄하지 않은 표면인 하나 이상의 제2 구조면을 구비하는, 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 제2 구조면은 요철부로 이루어지는, 발광 소자.
제10항에 있어서,

상기 요철부는 상기 기판의 주표면의 법선방향과 대체로 평행인 세로방향으로 연장된 연장방향을 가지는, 발광 소자.
제10항에 있어서,

상기 요철부는 상기 제1 주표면으로부터 상기 제2 주표면 방향으로 연장되거나, 상기 제1 주표면으로부터 상기 제1 주표면에서 멀어지는 방향으로 연장되거나, 또는 상기 제2 주표면으로부터 상기 제2 주표면에서 멀어지는 방향으로 연장된 연장방향을 가지는, 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 제2 구조면은 상기 기판 측벽에서 상기 제1 주표면 또는 상기 제2 주표면에 근접한 위치에 형성되어 있는, 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 제2 구조면은 상기 기판의 측벽에 형성되어 있고, 상기 제2 구조면의 상하부는 모두 상기 제1 구조면으로 이루어지는, 발광 소자.