KR20120099544A - 습식식각형 버퍼층을 이용한 수직형 발광다이오드 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 습식 식각형 버퍼층을 이용한 수직형 발광다이오드의 에피성장과 버퍼층의 형성 시 자발적으로 발생하는 표면 나노 구조체를 통해 광 추출 효율이 향상된 수직형 발광다이오드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 습식 식각형 버퍼층을 적용하게 되면 종래의 레이저 리프트 오프 기술에 비해 낮은 제조 단가로 수직형 발광 다이오드를 제작할 수 있으며 평탄한 n형 반도체 표면을 가지는 수직 발광다이오드에 비해 광출력이 2~3배 이상 증가할 수 있어 고출력 발광다이오드에 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 제조단가가 높으며 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않기 때문에, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 나노구조물을 형성할 수 있는 특징이 있어, 대면적 적용이나 제조단가, 그리고 공정시간 단축의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 습식 식각형 버퍼층을 적용하게 되면 종래의 레이저 리프트 오프 기술에 비해 낮은 제조 단가로 수직형 발광 다이오드를 제작할 수 있으며 평탄한 n형 반도체 표면을 가지는 수직 발광다이오드에 비해 광출력이 2~3배 이상 증가할 수 있어 고출력 발광다이오드에 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 제조단가가 높으며 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않기 때문에, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 나노구조물을 형성할 수 있는 특징이 있어, 대면적 적용이나 제조단가, 그리고 공정시간 단축의 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 습식 식각형 버퍼층을 이용한 수직형 발광다이오드의 에피성장과 버퍼층의 형성 시 자발적으로 발생하는 표면 나노 구조체를 통해 광 추출 효율이 향상된 수직형 발광다이오드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명 (solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.
질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 작고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다.
이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이다. 이러한 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점을 가지고 있다. 수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어, 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다. 이러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 3 ~ 4배 이상 증가하므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것으로 전망되고 있어, 현재 일본의 니치아케미컬사, 미국의 필립스루미레드사, 독일의 오스람사와 같은 국외 발광다이오드 선두 기업들과 서울반도체, 삼성전기, LG 이노텍과 같은 국내 기업들이 질화갈륨계 수직형 발광다이오드의 상용화 및 성능향상을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있고, 오스람과 같은 일부 기업에서는 이미 관련 제품을 판매하고 있는 실정이다.
질화갈륨계 수직형 발광다이오드 제작에 있어서 열전도율이 나쁜 사파이어 기판을 다이오드로부터 분리하기 위해 레이저 리프트 오프 방법을 사용한다. 하지만, 사용되는 레이저 (KrF excimer laser)는 고가의 장비이며 레이저 발생을 위해 사용되는 가스 또한 대기 오염의 문제가 있는 실정이다. 뿐만 아니라, 흡수된 레이저에 의해 용융된 금속 갈륨이 n형 반도체 표면에 잔류하는 문제점 또한 공정상의 문제점을 유발한다.
질화갈륨계 수직형 발광다이오드의 제조에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분은 소자 상부의 n형 반도체 층이다. n형 반도체층이 매끄러운 평면으로 이루어진 반도체층의 굴절류과 대기의 굴절률에 큰 차이가 있기 때문에, 대기/반도체층 계면에서 일어나는 전반사가 발생하여 활성층에서 발생된 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다. 따라서 반도체층 표면을 인위적으로 변형하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져나오게 하는 것이 필요하다.
이에 따라 종래에는 n형 반도체 표면을 KOH, NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 습식 식각을 이용하여 n형 반도체 표면층에 피라미드 형태의 나노 구조물을 형성함으로써, 발광다이오드의 광추출이 획기적으로 향상될 수 있었다.
그런데, 습식 식각을 이용한 피라미드 구조물 형성 방법의 경우, 습식 식각 과정 중에 n형 전극, 전도성 기판, 발광다이오드 메사 구조 등이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막의 형성이 요구되는 문제점이 있다.
또한, 한국공개특허공보 제2010-91856호에는, 적층된 질화물계 반도체의 상부면에 다결정 산화막을 형성하고, 상기 다결정 산화막에 산성 용액을 이용한 습식식각을 적용하여 나노구(nanosphere)를 형성한 후, 상기 나노구를 마스크로 활용하여 건식 식각함으로써 질화물계 반도체 표면에 반구형의 패턴이 형성되도록 하는 방법이 개시되어 있다. 그런데, 이 방법의 경우 기술적으로 대면적의 나노구조물 균일하게 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 습식 에칭이 가능한 버퍼층을 사파이어 기판과 질화갈륨 사이에 삽입하여 레이져를 사용하지 않고 습식 에칭을 통해 효과적으로 사파이어 기판을 제거하는 수직형 발광다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 증착하는 버퍼층의 표면에 자가 정렬형 나노 구조체를 형성시켜 습식 에칭 후 나노 패턴이 형성된 n형 반도체를 통해 광 추출 향상되는 발광다이오드를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, (a) 기판상에 자가 정렬에 의해 요철부를 형성하는 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층의 상부에 순차적으로 n형 반도체, 활성층 및 p형 반도체를 형성하는 단계; (c) 상기 p형 반도체의 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 p형 반도체 상에 금속 지지층을 형성하는 단계; 및 (e) 습식 에칭을 통해 버퍼층을 제거하는 단계;를 포함하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 자가 정렬 버퍼층은 MgO, CaO, BaO, SrO, TiN, TaN, ZrN, CrN, NiO, CoO, MnO, TiO, CdO, VO, CsCl, CsBr, CsI 및 Y2O3 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 자가 정렬 요철부의 크기는 10nm ~ 10㎛인 것이 바람직하며, 본 발명에 있어서, 요철부의 크기는 기판을 위에서 아래로 보았을 때 각 요철부의 넓이 방향의 크기를 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 자가 정렬형 피라미드 버퍼층 상부에 형성되는 상기 반도체는 Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, AlN, GaN, InN, InAs, Graphene,GaP, InP 및 ZnTe 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 금속 지지층은 모든 단원자 금속과 이들의 합금이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 습식식각은 HCl 등을 포함하는 용액에서 1분 ~ 60분간 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계 전에, 추가로 상기 요철부 상에 나노선 또는 나노막대를 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 종래의 레이저 리프트 오프 기술과 달리 습식식각용 버퍼층을 활용하여 기판과 발광다이오드 소자를 분리하므로, 레이저 오프 기술에 비해 저비용으로 발광다이오드를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 자가정렬형 버퍼층을 통해 상기 버퍼층 상에 형성되는 n형 반도체 표면에 자연적으로 광출력을 증대시킬 수 있는 피라미드 형상과 같은 요철부를 형성할 수 있어, 표면이 편평한 n형 반도체층을 갖는 발광다이오드에 비해 광출력을 2 ~ 3배 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 현재 널리 사용되고 있는 질화물갈륨계 발광다이오드의 제조공정에 즉시 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 제조비용이 많이 들뿐 아니라 대면적 웨이퍼 공정에 적용하기 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않기 때문에, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 나노구조물을 형성할 수 있는 특징이 있어, 대면적 적용이 가능하고 제조비용이 줄며, 더불어 공정시간 단축을 통한 생산성 향상의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 나노 피라미드 구조를 이용한 발광 다이오드 에피탁시와 습식 에칭을 통한 기판 층 분리를 통해 고효율의 수직형 발광 다이오드를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 사용한 MgO 버퍼층과 질화 갈륨계 반도체의 기본 격자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증착된 MgO 버퍼층과 사파이어 계면간의 우수한 에피탁시 특성을 보여주는 투과 전자 현미경 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 MgO 버퍼층 표면의 나노피라미드 형상의 주사전자현미경 사진 및 투과 전자 현미경사진 그리고 피라미드 구조의 결정학적 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 사용한 MgO 버퍼층과 질화 갈륨계 반도체의 기본 격자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증착된 MgO 버퍼층과 사파이어 계면간의 우수한 에피탁시 특성을 보여주는 투과 전자 현미경 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 MgO 버퍼층 표면의 나노피라미드 형상의 주사전자현미경 사진 및 투과 전자 현미경사진 그리고 피라미드 구조의 결정학적 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소 및 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, '버퍼층'이란 발광 다이오드를 성장하기 위한 기판과 반도체 사이의 격자 불일치도를 효과적으로 줄여줄 수 있는 모든 재료를 포괄하는 의미로 사용한다.
도 1은 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조공정을 보여주는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드의 제조공정은 기판상에 버퍼층, 반도체층 및 금속지지판을 형성하는 1 단계(도 1a 참조)와, 습식식각을 통해 버퍼층을 제거함으로써 기판과 반도체층을 분리하는 2 단계(도 1b 참조) 및 분리된 반도체층에 n형 전극을 형성하여 소자를 완성하는 3 단계(도 1c 참조)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에서는 사파이어로 제조된 기판상에 버퍼층을 형성하는데, 버퍼층은 기판과 반도체 사이에 격자 불일치도를 줄여 주고, 습식 에칭이 가능한 재료를 버퍼층으로 사용한다. 또한, 버퍼층의 표면을 결정구조적인 특성을 이용하여 도 1a에 도시된 바와 같이, 나노 크기의 피라미드를 형성시켜주게 되면 상기 버퍼층 상에 형성되는 n형 반도체층의 표면에 상기 버퍼층의 피라미드 형상이 전사되어, 습식식각 이후 도 1b에 도시된 바와 같이, n-형 반도체 표면의 거칠기가 크게 증가된 수직형 발광 다이오드를 쉽게 형성시킬 수 있다.
표면 거칠기가 없는 매끈한 표면의 반도체 기판의 경우, 질화갈륨 반도체 기판의 굴절률(n~2.5)과 대기의 굴절률(n=1)이 크게 다르기 때문에 전반사에 대한 임계각이 23.5°에 불과하다. 이에 따라 반도체 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나오지 못하고, 내부에서 소멸하여 광 추출 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 비해 도 1c와 같이 반도체 표면에 피라미드 모양의 구조체를 형성시킬 경우, 내부에서 발생한 빛이 대기 중으로 방출될 확률이 급격하게 증가하여 발광 다이오드의 광 추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 MgO 버퍼층과 질화 갈륨계 반도체의 기본 격자를 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 사파이어 (0006) 면과 MgO (111) 면, 그리고 질화 갈륨(0002) 면은 모두 최대 밀집면의 특징을 가지고 있다. 한편, 질화 갈륨과 사파이어는 약 16%의 격자 불일치도를 가지고 있지만 MgO 버퍼층을 이용하게 되면 격자 불일치도를 약 7%까지 줄여 줄 수 있기 때문에 우수한 에피탁시 특성을 가질 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 형성한 MgO 버퍼층과 사파이어 기판 사이의 고 분해능 투과 전자 현미경 사진과 이를 토대로 한 퓨리에 필터링 결과를 나타낸 것이다. 도 3의 퓨리에 필터링 결과를 통해 MgO 12개의 격자와 사파이어 13개의 격자가 도메인 일치를 하면서 성장하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, MgO 버퍼층이 사파이어 기판상에 에피탁시로 성장하고 있어, 사파이어 기판상에 고품질의 MgO 버퍼층을 형성할 수 있고, 음을 알 수 있다. 이를 통해 질화 갈륨의 에피탁시 특성 (0001)[1-210]GaN∥(111)[1-10]MgO∥(0001)[1-100]Sapphire 또한 개선될 것으로 기대된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 MgO 버퍼층 표면의 피라미드 구조에 대한 주사 전자 현미경 사진 및 고해상도 투과전자현미경 사진과 MgO 피라미드의 결정 구조를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 투과전자현미경 사진에서 MgO 피라미드 구조는 (200)면으로 끝나있으며, (111)의 성장 방향을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 Rock salt 구조를 가지는 MgO층에서 (111)면에 비해 (200)면이 더욱 낮은 표면 에너지는 가지기 때문에, 증착 과정에서 박막의 에너지를 낮추기 위해 자발적으로 이루어지는 과정으로 설명할 수 있다.
Claims (7)
- (a) 기판상에 자가 정렬에 의해 요철부를 형성하는 버퍼층을 형성하는 단계;
(b) 상기 버퍼층의 상부에 순차적으로 n형 반도체, 활성층 및 p형 반도체를 형성하는 단계;
(c) 상기 p형 반도체의 전극을 형성하는 단계;
(d) 상기 p형 반도체 상에 금속 지지층을 형성하는 단계; 및
(e) 습식 에칭을 통해 버퍼층을 제거하는 단계;를 포함하는 발광다이오드의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자가 정렬 버퍼층은 MgO, CaO, BaO, SrO, TiN, TaN, ZrN, CrN, NiO, CoO, MnO, TiO, CdO, VO, CsCl, CsBr, CsI 및 Y2O3 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 요철부 각각의 크기는 10nm ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자가 정렬 버퍼층 상부에 형성되는 반도체는 Si, Ge, GaAs, ZnSe, ZnS, CdSe, ZnO, SiGe, AlP, AlN, GaN, InN, InAs, Graphene,GaP, InP 및 ZnTe 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 지지층은 단원자 금속 또는 이의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 습식식각은 HCl을 포함하는 용액에서 1분 ~ 60분간 수행되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계 전에, 추가로 상기 요철부 상에 나노선 또는 나노막대를 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
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