KR20110138563A - 수평구조형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 성장 기판의 배면에 반사층이 형성되어 배면으로 누설되는 빛을 전면으로 반사시킴으로 인하여 휘도를 향상시킬 수 있는 수평구조형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 LED 소자 제조 방법은 성장용 기판 상에 다수개의 반도체층을 형성하는 단계; 반도체층이 형성된 상기 기판이 일정한 두께를 가지도록 기판의 배면을 그라인딩(grinding)하는 단계; 다수개의 LED 칩을 구획하도록 상기 기판에 스크라이빙(scribing)을 형성 단계; 상기 기판의 배면에 배리어(barrier)층을 형성하는 단계; 상기 배리어층의 배면에 반사층을 형성하는 단계; 및 상기 스크라이빙(scribing)을 따라 각 LED 칩을 분리하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 수평구조형 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성장 기판의 배면에 반사층이 형성되어 배면으로 누설되는 빛을 전면으로 반사시킴으로 인하여 휘도를 향상시킬 수 있는 수평구조형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)는 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색상의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 이들은 p형 반도체 및 n형 반도체가 접합된 형태로 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환하여 방출하며, 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
최근 그룹 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물의 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화 함으로서 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있으며, 더 나아가서는 적, 녹, 청색의 3개 LED 소자 칩을 조합하거나, 단파장의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 LED가 개발되어 조명장치로도 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 LED 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길며 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명용 백색광원 분야에서 주목받고 있다.
그룹 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물에서 일반적으로 질화갈륨계(GaN) 혼합물이 많이 사용되는데, GaN계 LED 소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 성장 기판(10) 상에 n형 반도체층(21), 활성층(22) 및 p형 반도체층(23)이 순차적으로 적층되어 반도체층(20)을 형성하는 구조를 이루며, n형 반도체층(21)에는 n형 전극(24)이, p형 반도체층(23)에는 p형 전극(15)이 각각 형성된다.
여기서 성장용 기판으로 사용되는 사파이어 기판(10)은 절연성 물질이기 때문에, 활성층(22)에 전류를 주입하기 위해 활성층(22) 및 p형 반도체층(23) 일부를 에칭한 후 노출된 n형 반도체층(21) 상에 n형 전극(24)을 형성한다.
상기와 같이 종래의 기술에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물을 이용한 수평구조의 LED 소자는 활성층(22)에서 발광되는 빛의 대부분은 상측으로 출사되지만, 일부는 하측의 사파이어 기판(10)을 통과하여 외부로 누설된다. 이렇게 사파이어 기판(10) 배면으로 누설 빛은 LED 소자의 휘도에 관여하지 못하므로, 동일한 전원에 의하여 LED 소자의 휘도는 상대적으로 낮아지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Ti 혼합물을 이용한 반사층을 기판 배면에 형성시키는 기술이 제안되기도 하였으나, 사파이어 기판과의 접착력과 휘도의 증가율이 미약한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 사파이어 기판의 배면으로 누설되는 빛을 전면으로 반사시키는 반사층이 형성되어 휘도를 향상시킬 수 있는 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 광투과율이 우수한 배리어층이 기판의 배면과 반사층 사이에 더 형성되어 휘도의 증가율을 향상시킴과 동시에 반사층의 접착력을 향상시킬 수 있는 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LED 소자 제조 방법은 성장용 기판 상에 다수개의 반도체층을 형성하는 단계; 반도체층이 형성된 상기 기판이 일정한 두께를 가지도록 기판의 배면을 그라인딩(grinding)하는 단계; 다수개의 LED 칩을 구획하도록 상기 기판에 스크라이빙(scribing)을 형성하는 단계; 상기 기판의 배면에 배리어(barrier)층을 형성하는 단계; 상기 배리어층의 배면에 반사층을 형성하는 단계; 및 상기 스크라이빙(scribing)을 따라 각 LED 칩을 분리하는 단계;를 포함한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 스크라이빙은 스텔스 레이저(stealth laser)를 이용하여 기판의 내부에 형성하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 배리어층은 SiO2를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 반사층은 Al을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 LED 소자는 성장용 기판; 상기 기판 상면에 형성되는 반도체층; 상기 기판의 배면에 형성되는 배리어(barrier)층; 및 상기 배리어층의 배면에 형성되는 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 배리어층은 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 반사층은 Al을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 LED 소자는 기판의 배면에 형성되는 반사층에 의하여 기판 배면으로 누설되는 빛을 전면으로 효과적으로 반사시켜 휘도를 향상시킬 수 있다.
또한, 기판과 반사층 사이에 형성되는 우수한 광 투과율의 배리어층에 의하여 휘도의 증가율을 향상시킴과 동시에 반사층의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 소자를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 나타낸 단면도,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 나타낸 단면도,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자는 기판(110)의 전면(前面)에 통상의 반도체층(120)이 형성되고, 기판(110)의 배면(背面)에는 배리어층(130)과 반사층(140)이 형성되는 구조를 이룬다. 이하, 본 발명의 설명에 있어서, 기판(110)을 중심으로 반도체층(120)이 형성되는 방향을 전면(前面)이라 칭하고, 배리어층(130)과 반사층(140)이 형성되는 방향을 배면(背面)이라 칭한다.
구체적으로 살펴보면, 전술한 기판(110)은 반도체 단결정을 성장시기키 위한 구성으로, 징크 옥사이드(ZnO), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등이 이용될 수 있으나, 방위의 정도가 높고, 정밀한 폴리싱으로 흠이나 자국이 없는 사파이어(sapphire)를 포함하는 투명 재질의 재료를 주로 이용한다. 사파이어를 포함하는 기판(110)을 습식 또는 건식 공정을 통하여 표면을 처리하고, 그 위에 반도체 박막 성장 장치를 이용하여 반도체층(120)을 형성한다.
전술한 반도체층(120)은 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환시키는 발광 구조물로서, 일반적으로 그룹 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물로 구성되며, 기판(110)의 전면에 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)이 순차적으로 적층된 구조를 이룬다.
또한, n형 반도체층(121)에는 n형 전극(124)이, p형 반도체층(123)에는 p형 전극(125)이 각각 형성되며, 기판(110)과 n형 반도체층(121) 사이에는 사파이어와 질화갈륨의 격자 상수 차이에 의한 결함을 방지하기 위한 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 LED 소자(100)는 각각의 전극(124,125)을 통하여 전압이 인가되면, n형 반도체층(121)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(123)으로부터 정공이 이동하여, 활성층(122)에서 전자 및 정공의 재결합이 일어나 발광하게 되는 것이다.
특히 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자(100)는 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(110)의 배면에는 반도체층(120)으로부터 기판(110)의 배면으로 누설되는 빛을 기판(110)의 전면으로 반사시키기 위한 반사층(140)이 형성되며, 반사층(140)은 배리어층(barrier, 130)을 매개로 형성된다.
여기서 배리어층(130)은 SiO2로 구성되며, 반사층(140)은 Al 로 구성된다. 배리어층(130)을 구성하는 SiO2는 광투과율이 우수하여 휘도의 증가율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 사파이어 기판(110)과 Al 반사층(140) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, SiO2 배리어층(130)을 매개로 형성되는 Al 반사층(140)은 광반사율이 우수하여, LED 소자(100)의 휘도를 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 LED 소자(100)는 Al로 구성되는 반사층(140)에 의하여 사파이어 기판(110) 배면으로 누설되는 빛이 전면으로 반사됨으로써 휘도가 증가되고, 사파이어 기판(110)과 Al 반사층(140) 사이에 개입되는 SiO2 배리어층(130)에 의하여 휘도의 증가율이 향상됨과 동시에 Al 반사층(140)의 접착력을 향상되는 효과를 나타낸다.
[표 1]에는 본 발명의 실시예에 따라 기판의 배면에 SiO2 배리어층, Al 반사층이 형성되는 구조의 LED 소자와, 기판의 배면에 Ti 배리어층, Al 반사층이 형성되는 구조의 LED 소자()를, 각각 반사층이 형성되지 않은 경우의 LED 소자에 대한 휘도 증가율을 나타내었다.
| 증착메탈 |
메탈증착 전 | 메탈증착 후 | 휘도 증가율 |
||
| VF(80㎃) | IV(80㎃) | VF(80㎃) | IV(80㎃) | ||
| 측정값(V) | 측정값(mcd) | 측정값(V) | 측정값(mcd) | ||
| SiO2/Al(215/300㎚) | 2.98 | 1156.31 | 2.97 | 1631.00 | 41.05% |
| Ti/Al(2/300㎚) | 2.97 | 1200.43 | 2.96 | 1489.75 | 24.10% |
[표 1]에 나타난 바와 같이, 기판의 배면에 SiO2 배리어층을 매개로 AL 반사층을 형성한 LED 소자의 경우, 반사층을 형성하지 않은 LED 소자에 비하여 41.05%의 휘도 증가율을 보였지만, Ti 배리어층을 매개로 Al 반사층을 형성한 LED 소자의 경우 반사층을 형성하지 않은 LED 소자에 비하여 24.10%의 휘도 증가율을 보였다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자(100)는 SiO2 배리어층(130)에 의하여 Al 반사층(140)의 접착력을 향상시킴과 동시에 반사층이 형성되지 않은 소자에 비하여 휘도의 증가율이 현저히 향상시키는 효과를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 수평구조형 LED 소자(100)의 제조 방법을 살펴보면, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 성장용 기판(110)의 전면(前面)에 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)을 순차적으로 성장시켜 복수개의 반도체층(120)을 형성한다.
여기서, 기판(110)은 사파이어(sapphire)를 포함하는 투명 재질의 재료로 구성되며, 반도체층(120)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물을 이용하는데, 주로 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물을 이용한다. 이러한 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물을 이용하여 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)에 의한 에피택셜(epitaxial) 성장법 등으로, 기판(110)의 전면에 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)을 순차적으로 성장시킨다.
구체적으로는 n형 반도체층(121)은 n형 도전성 불순물이 도핑된 GaN 층 또는 GaN/AlGaN 층으로 형성될 수 있고, n형 도전성 불순물로는 Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있다. p형 반도체층(123)은 p형 도전성 불순물이 도핑된 GaN 층 또는 GaN/AlGaN 층으로 형성될 수 있고, p형 도전성 불순물로는 Mg, Zn, Be 등을 사용할 수 있다. 활성층(122)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGsN/GaN 층으로 형성되며, 하나의 양자우물층 또는 더블헤테르 구조로도 형성될 수 있다. 이러한 활성층(122)은 이를 구성하고 있는 인듐(In)의 양으로 다이오드가 녹색 발광소자인지 청색 발광소자인지를 결정한다.
또한, n형 반도체층(121)에는 n형 전극(124)을, p형 반도체층(123)에는 p형 전극(125)을 접촉 저항값이 최소가 되도록 형성시킨다. 이때, 기판의 종류에 따라서 전극의 위치가 달라질 수 있는데, 본 실시예에서와 같이 부도전성의 사파이어 기판으로 구성되는 경우 n형 전극(124)은 부도전성 사파이어 기판(110)상에 형성될 수 없고, n형 반도체층(12)에 형성되어야 한다. 이를 위하여 활성층(122)과 p형 반도체층(123) 일부를 식각하여 n형 반도체층(121) 일부를 외부로 노출시키고, 노출된 n형 반도체층(121) 상에 n형 전극(124)을 형성한다.
한편, 반도체층(120)은 버퍼층(미도시)을 매개로 사파이어 기판(110)의 전면에 형성될 수 있다. n형 반도체층(121)을 기판(110) 상에 직접 성장시킬 경우 사파이어와 질화갈륨의 격자 상수 차이에 의하여 n형 반도체층(121)에 결함(defect)이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 사파이어 기판(110) 상에 버퍼층(미도시)을 먼저 형성시키고, 그 위에 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)을 성장시킨다. 이러한 버퍼층(미도시)은 도핑되지 않은 순수한 GaN 층으로 구성되며, 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
반도체층(120)을 형성한 후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 기판(110)이 소정의 두께가 되도록 배면(背面) 일부를 그라인딩(grinding)으로 제거한다. 이때, LED 소자의 내구성과 크기를 고려하여 기판(110)의 두께는 120㎛ 내외가 되도록 그라인딩하는 것이 바람직하다.
이 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 최종적으로 각 LED 소자(100)를 용이하게 분리할 수 있도록 복수개의 반도체층(120)이 형성된 기판(110)에 각 반도체층(120)을 구획하는 스크라이빙(scribing, 111)을 형성한다. 이때, 스크라이빙(11)은 기판의 외면에 손상이 발생하지 않도록, 스텔스 레이저(Stealth Laser)를 이용하여 기판 내부에 형성하는 것이 바람직하다.
스크라이빙(111)을 형성한 후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(110)의 배면에 배리어층(130)을 형성한다. 배리어층(130)은 반사층(140)의 접착력을 향상시킴과 동시에 휘도 증가율을 향상시키기 위한 구성으로, 광투과율이 우수한 SiO2를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)으로 형성할 수 있다. 이때, SiO2 배리어층(130)은 215㎚ 내외의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
배리어층(130)을 형성한 후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 배리어층(130)의 배면에 반사층을 형성한다. 반사층(140)은 사파이어 기판(110)의 배면으로 누설되는 빛을 전면으로 반사시켜 LED 소자의 휘도를 향상시키기 위한 구성으로, 광반사율이 우수한 Al을 이용하여 전자빔 증착법(E-beam evaporation)으로 형성할 수 있다. 이때, Al 반사층(140)은 300nm 내외의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
반사층(140)을 형성한 후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 각 반도체층(120)을 기준으로 스크라이빙(111)을 따라 레이저 스크라이빙(laser scribing)이나 다이싱(dicing) 등의 기술을 이용하여 복수개의 개별 LED 소자(100)를 분리한다.
이러한 공정을 통하여 최종적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판의 배면에 배리어층(130)과 반사층(140)이 형성된 LED 소자(100)가 제조된다.
본 발명의 실시예에 따라 상기와 같은 공정으로 제조된 수평구조형 LED 소자()는 사파이어 기판(110) 배면으로 누설되는 빛이 반사층(140)에 의하여 전면으로 다시 반사되어 휘도를 증가시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것을 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : LED 소자
110 : 기판(사파이어) 111 : 스크라이빙
120 : 반도체층 121 : n형 반도체층
122 : 활성층 123 : p형 반도체층
124 : n형 전극 125 : p형 전극
130 : 배리어층(SiO2) 140 : 반사층(Al)
110 : 기판(사파이어) 111 : 스크라이빙
120 : 반도체층 121 : n형 반도체층
122 : 활성층 123 : p형 반도체층
124 : n형 전극 125 : p형 전극
130 : 배리어층(SiO2) 140 : 반사층(Al)
Claims (7)
- 성장용 기판의 전면에 다수개의 반도체층을 형성하는 단계;
반도체층이 형성된 상기 기판이 일정한 두께를 가지도록 기판의 배면을 그라인딩(grinding)하는 단계;
다수개의 LED 칩을 구획하도록 상기 기판에 스크라이빙(scribing)을 형성하는 단계;
상기 기판의 배면에 배리어(barrier)층을 형성하는 단계;
상기 배리어층의 배면에 반사층을 형성하는 단계; 및
상기 스크라이빙(scribing)을 따라 각 LED 칩을 분리하는 단계;를 포함하는 LED 소자 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 스크라이빙은,
스텔스 레이저(stealth laser)를 이용하여 기판의 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 배리어층은,
SiO2를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 반사층은,
Al을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법. - 성장용 기판;
상기 기판의 전면에 형성되는 반도체층;
상기 기판의 배면에 형성되는 배리어(barrier)층; 및
상기 배리어층의 배면에 형성되는 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자. - 제5항에 있어서, 상기 배리어층은,
SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자. - 제5항에 있어서, 상기 반사층은,
Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자.
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