KR20120121951A - 수직형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 도전성 지지층이 요철구조로 이루어진 질화갈륨(GaN)을 기반으로 하는 질화갈륨계 수직형 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, n형 전극, n형 전극 하면에 형성된 n형 질화갈륨층, n형 질화갈륨층 하면에 형성된 활성층, 활성층 하면에 형성된 p형 질화갈륨층, p형 질화갈륨층 하면에 형성된 p형 전극, p형 전극의 하면과 상기 p형 전극에서 노출된 상기 p형 질화갈륨층의 하면에 형성된 금속층 및 금속층 하면에 형성된 요철 구조의 도전성 지지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 수직형 LED 소자 제조방법은 먼저, 반도체 기판 상에 순차적으로 n형 질화갈륨층, 활성층 및 p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성한 후, p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계, p형 전극의 상면과 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계, 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist)패턴을 형성하는 단계, 감광액패턴이 형성된 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계, 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계, 감광액이 제거된 상태에서 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 절단부 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계, 반도체 기판을 분리하는 단계, 소자 영역이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계 및 n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 수직형 LED 소자 제조방법은 먼저, 반도체 기판 상에 순차적으로 n형 질화갈륨층, 활성층 및 p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성한 후, p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계, p형 전극의 상면과 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계, 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist)패턴을 형성하는 단계, 감광액패턴이 형성된 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계, 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계, 감광액이 제거된 상태에서 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 절단부 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계, 반도체 기판을 분리하는 단계, 소자 영역이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계 및 n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 도전성 지지층이 요철구조로 이루어진 질화갈륨(GaN)을 기반으로 하는 질화갈륨계 수직형 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)와 같은 반도체 발광 다이오드 소자는 전류를 광으로 변환시키는 고체 전자 소자 중 하나로서, 통상적으로 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 삽입된 반도체 물질의 활성층을 포함한다. 반도체 발광소자에서 p형 반도체층과 n형 반도체층 양단에 구동 전류를 인가하면, p형 반도체층과 n형 반도체층으로부터 활성층에 전자(Electron) 및 정공(Hole)이 주입된다. 주입된 전자와 정공은 활성층에서 재결합하여 광을 생성한다.
일반적으로 질화갈륨계 발광다이오드 소자는 AlxlnyGa(1-x-y)N 조성식(0≤x<1,0≤y<1, 0≤x+y<1)을 갖는 질화물계 3-5족 반도체 화합물로 제조된다. 이 반도체 화합물은 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 발광할 수 있는 소자가 된다. 질화물계 화합물 반도체는 결정 성장을 위한 격자 정합 조건을 만족하는 사파이어(Sapphire) 기판이나 실리콘 카바이드(Silicon Cabide; SiC) 기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조된다. 따라서, 구동 전류 인가를 위해 p형 반도체층 및 n형 반도체층에 연결시키는 2개의 전극이 발광구조물의 상면에 수평으로 배열되는 수평(Planar) 구조를 가진다.
수평형 LED 소자는 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층으로 구성된 발광 구조물을 포함한다. 발광 구조물은 메사 식각으로 n형 반도체층의 일부 영역이 노출되는 구조로 이루어진다. 하지만, n형 전극과 p형 전극을 발광구조물의 상면에 수평으로 배열하면 발광면적이 감소되어 휘도가 감소되고, 전류 퍼짐이 원활하지 못해 정전 방전(ElectroStatic Discharge; ESD)에 취약해 신뢰성 문제를 유발한다. 또한, 동일 웨이퍼 상에서 칩의 개수가 감소하여 수율이 저하되는 문제점이 있다. 아울러, 사파이어 기판은 열전도율이 좋지 않기 때문에 고전류 구동시 열 방출이 원활하지 않아, 소자 성능에 제약을 초래하고, 전류 퍼짐이 원활하지 못해 칩 사이즈를 증가시키는데 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 고출력 레이져의 고밀도 에너지를 이용하여 사파이어 기판과 질화물계 화합물 반도체 층 사이의 경계면을 분해하고, 사파이어 기판과 질화물계 화합물 반도체 층 부분을 분리하는 레이져 리프트 오프(Laser lift off) 공법을 이용해 수직 구조의 반도체 발광 소자를 제조한다.
수직형 LED 소자의 경우, 도전성 지지층, 금속층, p형 전극, p형 반도체층, 활성층, n형 반도체층 및 n형 전극으로 이루어져, 수평형 LED 소자에 비해 열 방출효과 및 전류 확산 효과가 뛰어나 고출력 LED에 주로 사용된다. 도전성 지지층은 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 특히, 레이져 리프트 오프 공정으로 반도체 기판의 제거 시 도전성 지지층은, 상대적으로 두께가 10㎛ 내외인 얇은 발광구조물의 파손을 방지하며, 용이하게 반도체 기판을 다룰 수 있게 한다.
하지만, 도전성 지지층이 금속재일 경우, LED 소자간의 분리 공정 시 금속의 물성에 의해 칩 분리 공정이 용이하지 않은 문제가 있다. 일반적인 Sawing 공정을 사용하는 경우 하부 도전성 지지 금속층의 절단부가 상부의 n형 질화갈륨층까지 올라와 쇼트 불량 발생 빈도를 높인다. 레이져를 이용하여 절단하는 공정을 사용하는 경우 도전성 지지층 두께가 얇아져야 하는 제약이 발생하고, 두께가 얇은 경우 LED소자 분리 후 패키지 공정의 작업 효율성 및 생산성이 저하된다.
본 발명은 위에서 서술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, LED 소자 간의 분리 공정이 용이하고, 분리 후 패키지 공정이 용이한 질화갈륨(GaN)계 수직형 LED 소자 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
나아가, 발광 효율을 개선시키고, 열 방출효과 및 전류 확산 효과가 뛰어나 고휘도를 구현하는 질화갈륨계 수직형 LED 소자 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직형 LED 소자는 n형 전극, n형 전극 하면에 형성된 n형 질화갈륨층, n형 질화갈륨층 하면에 형성된 활성층, 활성층 하면에 형성된 p형 질화갈륨층, p형 질화갈륨층 하면에 형성된 p형 전극, p형 전극의 하면과 상기 p형 전극에서 노출된 상기 p형 질화갈륨층의 하면에 형성된 금속층 및 금속층 하면에 형성된 요철 구조의 도전성 지지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 수직형 LED 소자 제조방법은 먼저, 반도체 기판 상에 순차적으로 n형 질화갈륨층, 활성층 및 p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성한 후, p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계, p형 전극의 상면과 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계, 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 형성하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist)패턴을 형성하는 단계, 감광액패턴이 형성된 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계, 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계, 감광액이 제거된 상태에서 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 절단부 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계, 도전성 지지층에 서포트 캐리어를 부착하고, 반도체 기판을 분리하는 단계, 소자 영역 이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계 및 n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명은 금속층 하면에 절단부(Street line) 와 반도체 구조 영역으로 이루어진 도전성 지지층을 형성하고, 이 절단부의 두께를 반도체 구조 영역의 두께보다 얇게 형성함으로써, LED 소자 간의 분리 공정 시 불량률을 낮추고, 패키지 공정의 효율성 및 생산성을 높인다.
나아가, 도전성 지지층을 전기도금(Electro-plating) 방식 및 포토리소그라피(Photolithography)공정 방식으로 형성함으로써, 제조 시 재료의 소모가 적고, 효율적인 공정이 가능하다.
더 나아가, GaN계 수직형 LED 소자를 통해 발광 효율을 개선하고, 열 방출효과 및 전류 확산 효과가 뛰어난 고휘도를 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 수직형 발광다이오드를 설명하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 또 다른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다.
도 4는 종래 수직형 발광다이오드의 절단부를 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 분리된 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 또 다른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다.
도 4는 종래 수직형 발광다이오드의 절단부를 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 분리된 상태를 설명하는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 종래 수직형 발광다이오드를 설명하는 단면도이다. 종래 기술에 따른 수직형 LED 소자는 n형 전극(101), n형 전극(101) 하면에 형성되는 n형 질화갈륨층(102), n형 질화갈륨층(102) 하면에 형성되는 활성층(103), 활성층(103) 하면에 형성되는 p형 질화갈륨층(104), p형 질화갈륨층(104) 하면에 형성되는 p형 전극(105) 및 이 p형 전극(105) 하면에 형성되는 금속층(106), 금속층(106) 하면에 형성되는 도전성 지지층(107)을 포함하여 이루어진다.
도시된 바와 같이, 수직형 LED 소자의 n형 전극(101), p형 전극(105)은 한 쌍으로 이루어지고, 발광 구조물들이 사이에 위치하도록 발광 구조물의 상하부에 형성된다. 도전성 지지층(107)은 본딩(Bonding) 방식이나 전기도금 방식을 통해 p형 전극(105) 하면에 형성된 금속층(106) 하부에 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다. 도시된 바와 같이 수직형 발광 다이오드 소자(200)는 n형 전극(101), n형 전극 하면에 형성된 n형 질화갈륨층(102), n형 질화갈륨층(102) 하면에 형성된 활성층(103), 활성층(103) 하면에 형성된 p형 질화갈륨층(104), p형 질화갈륨층(104) 하면에 형성된 p형 전극(105), p형 전극(105)의 하면과 이 p형 전극(105)에서 노출된 p형 질화갈륨층(104)의 하면에 형성된 금속층(106) 및 금속층(106) 하면에 형성된 요철 구조의 도전성 지지층(107)을 포함한다.
일 실시 예에 있어서, n형 전극(101)은 Ti, Cr, Al, Mo, Cu, Ni, Ag, Pt, Au, La, In 또는 Se과 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. n형 전극(101)은 열 증착(thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter) 또는 다양한 전극 형성법에 의해 형성 가능하다.
일 실시 예에 있어서, n형 질화갈륨층(102), 활성층(103), p형 질화갈륨층(104)은 AlxlnyGa(1-x-y)N 조성식(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, HVPE(Hybrid Vapor Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 방식에 의해 형성할 수 있다.
n형 질화갈륨층(102)은 n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, p형 질화갈륨층(104)는 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.
일 실시 예에 있어서, 활성층(103)은 광을 생성하여 방출하기 위한 층으로써, 통상 InGaN층을 우물로 하고, GaN층을 벽층으로 하여 다중양자우물(Multi-Quantum Well)을 형성함으로써 이루어진다. 활성층(103)은 하나의 양자우물층 또는 양자우물층이 밴드갭 에너지가 큰 p형 및 n형 재료에서 좁아진 더블헤테로 구조로 구성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, p형 전극(105)은 p형 질화갈륨층(104)의 하면에 형성된다. p형 전극(105)은 Pt, Pb, Rh, Ni, Ag, Cu, Au와 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 도전성 투명 전극인 ITO, ZnO, SnO, NiO가 사용될 수 있다. p형 전극(105)은 열 증착(thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter) 또는 다양한 전극 형성법에 의해 형성 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 금속층(106)은 p형 전극(105)의 하면과 p형 전극(105)에서 노출된 p형 질화갈륨층(104)의 하면에 형성된다. 금속층(106)은 Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au 또는 Pt와 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Al, Cu, W, TiN 등 다양한 금속재를 포함할 수 있다.
또한, 금속층(106)은 열 증착(Thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter), 전기도금(Electro-plating) 방식 또는 다양한 금속층(106) 형성법에 의해 형성한다.
일 실시 예에 있어서, 도전성 지지층(107)은 금속층(106)의 하면에 요철 구조로 형성된다. 도전성 지지층(107)은 측방 일면에 구비된 절단부(Street line)(107a) 및 반도체 구조 영역(107b)으로 이루어지며, 두 영역의 두께 차에 의해 요철 구조 형상을 가진다. 또한, Al, TiN, Cu, Ni, W, Mo 계열의 금속 또는 금속 합금으로 이루어진다.
절단부(Street line)(107a)는 폭이 30㎛~300㎛이고, 소자 분리 영역인 금속층(106)의 두께가 10㎛~100㎛이다. 반도체 구조 영역(107b)은 금속층의 두께가 30㎛~200㎛로 절단부(Street line)(107a)보다 두껍다. 절단부(Street line)(107a)의 두께를 반도체 구조 영역(107b)의 두께보다 얇게 형성함으로써, LED 소자 간의 분리 공정 시 불량률을 낮추고, 패키지 공정의 효율성 및 생산성을 높인다.
또한, 도전성 지지층(107)은 전기도금(Electro-plating) 방식 및 포토리소그라피(Photolithography)공정 방식으로 형성함으로써, 제조 시 재료의 소모가 적고 효율적인 공정이 가능하다.
위에서 상술한 n형 및 p형으로 상술한 도전형은 각각 p형 및 n형으로 나타낼 수 있으며, 수직형 발광다이오드 소자(200)의 제조방법은 도 3에서 설명하는 바와 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다. 도시된 바와 같이 제조방법은 먼저, 반도체 기판 상에 n형 질화갈륨층, 활성층 및 p형 질화갈륨층을 형성한 후, p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계(s101), 형성된 p형 전극의 상면과 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계(s102), 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist)패턴을 형성하는 단계(s103), 감광액패턴이 형성된 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계(s104), 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계(s105), 감광액이 제거된 상태에서 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 절단부(Street line) 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계(s106), 도전성 지지층에 서포트 캐리어를 부착하고, 반도체 기판을 분리하는 단계(s107), 소자 영역이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계(s108), n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계(s109), 도전성 지지층에 형성된 절단부를 레이져로 절단하는 단계(s110)를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계(s101)는 GaN, AlGaN, InGaN 등으로 이루어진 p형 질화갈륨층의 상면에 Pt, Pd, Rh, Ni, Ag, Cu, Au와 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 P형 전극을 형성한다. 전극은 열 증착(Thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter) 또는 다양한 전극 형성법에 의해 형성한다.
일 실시 예에 있어서, 형성된 p형 전극의 상면과 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계(s102)는 Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au 또는 Pt와 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 금속층(106)을 형성한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Al, Cu, W, TiN 등 다양한 금속재를 포함할 수 있다.
금속층(106)의 형성은 열 증착(Thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter), 전기도금(Electro-plating) 또는 다양한 금속층(106) 형성법에 의해 형성한다.
일 실시 예에 있어서, 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist)패턴을 형성하는 단계(s103)는 금속층(106)에 감광액(Photoresist)을 형성하는 것으로, 두께가 30㎛~150㎛이다.
감광액(Photoresist)은 반도체 제조 시 기판 또는 반도체 원판 표면 위에 미세한 회로를 그리기 위해 빛을 이용하는 광학 공정에 사용되는 액체이다. 감광액(Photoresist)은 빛에 노출되면 화학적 성질이 변하고, 그 부분만을 제거함으로써 기판 또는 반도체 원판 표면 위에 원하는 감광액 패턴만을 남길 수 있다.
감광액(Photoresist)은 빛에 노출된 부분이 제거되느냐, 노출되지 않는 부분이 제거되느냐에 따라 포지티브(Positive) 및 네거티브(Negative) 형으로 분류된다.
포토리소그라피(Photolithography)는 기판 또는 반도체 원판 표면 위에 감광 성질이 있는 감광액(Photoresist)을 얇게 형성한 후, 원하는 마스크 패턴을 설치하고 빛을 가해 노광(Exposure) 사진을 찍는 것과 같은 방법으로 패턴을 현상(Develope)하는 것이다.
일 실시 예에 있어서, 감광액패턴이 형성된 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계(s104)는 Cu를 전기도금(Electro-plating) 방식으로 금속층을 30㎛~200㎛ 두께로 형성한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Al, Ni, Mo, W, Ti 등 다양한 금속재 및 Plasma 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 구현 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계(s105)는 스트리퍼(Stripper)로 감광액(Photoresist)을 제거한다.
일 실시 예에 있어서, 감광액이 제거된 상태에서 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 절단부(Street line) 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계(s106)는 Cu를 전기도금(Electro-plating) 방식으로 s105 단계에서 감광액(Photoresist) 제거 후 형성한 금속층에 30㎛~100㎛의 도전성 지지층(107)을 2차로 형성한다.
일 실시 예에 있어서, 도전성 지지층에 서포트 캐리어를 부착하고, 반도체 기판을 분리하는 단계(s107)는 접착제(Adhesive)를 사용하여 서포트 캐리어에 부착하고, 레이져 리프트 오프(Laser lift-off) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법으로 기판을 분리한다.
레이져 리프트 오프(Laser lift-off) 고출력 레이져의 고밀도 에너지를 이용하여 사파이어 기판과 질화물계 화합물 반도체 층 사이의 경계면을 분해하여 사파이어 기판을 분리하는 방법이다.
수평형 구조의 LED 소자 제조 시 휘도 향상에 제약이 있음으로, 수직형 구조 LED 제조 시 질화갈륨층과 사파이어 기판을 분리하는 것이 필수적이다. 따라서, 공정 수율이 높고 속도가 빠른 레이져 리프트 오프(LLO) 방식을 주로 채용하고 있다.
일 실시 예에 있어서, 소자 영역 이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계(s108)는 식각(Etching) 공정을 사용하여, 금속층(106)의 일부 영역이 노출되도록 질화갈륨층(102, 103, 104)를 제거한다.
일 실시 예에 있어서, n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계(s109)는 n형 질화갈륨층(102)에 Ti, Cr, Al, Mo, Co, Ni, Ag, Pt, Au, La, In 또는 Se과 같은 도전성 물질 중 어느 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 n형 전극(101)을 포함한다. n형 전극(101)은 열 증착(Thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter) 또는 다양한 전극 형성법에 의해 형성한다.
도전성 지지층에 형성된 절단부를 레이져로 절단하는 단계(s110)는 서포트 캐리어를 분리한 후, UV 필름을 부착하고 레이져를 이용해 도전성 지지층(107)의 절단부(Street line)(107a) 및 금속층(106)을 절단한다. 이때, 도전성 지지층(107)의 두께는 30㎛, 넓이는 10㎛로 수직형 LED 소자를 분리한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 LED 소자(200)의 전극 및 질화갈륨층의 도전형을 n형에서 p형으로 변형하여 제조할 수 있으며, p형을 n형으로 변형하여 제조할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 또 다른 수직형 발광다이오드 소자를 설명하는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 LED 소자는 도전성 지지층(107) 상면에 p형 반도체층(301), 활성층(103), n형 반도체층(302)으로 구성된 발광 구조물에 메사 식각으로 n형 반도체층(302)의 일부 영역이 노출되는 영역에 n형 전극(101)이 금속층(106)을 통해 도전성 지지층(107)과 전기적으로 연결된 구조로 변형하여 제조할 수 있다. 이 경우, p형 전극(105)은 절연층(303)을 통해 도전성 지지층(107)과 전기적으로 분리된 구조를 형성한다.
위에서 상술한 제조방법을 통해 도 4에서 설명하는 수직형 LED 소자(200)의 절단시 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.
도 4는 종래 수직형 발광다이오드의 절단부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 Sawing 공정을 이용하여 절단한 금속재 도전성 지지층 구조의 수직형 발광다이오드를 나타내는 것으로, 절단했을 때 발생하는 하부 p전극(106)과 연결된 금속층(201) 절개부가 n 질화갈륨층(103) 까지 올라온 것을 확인할 수 있다. 따라서, 쇼트 불량의 발생 빈도가 높아지고, 레이져를 이용해 금속층(201)을 scribing하는 경우 금속층(201) 두께에 제약을 받아 패키지 공정의 효율성을 저하시킨다. 이와 같은 현상은 도 3에서 설명한 제조방법을 통해 해결할 수 있다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 분리된 상태를 설명하는 도면이다. 도 5는 분리된 상태의 수직형 발광다이오드 소자 뒷면, 도 6은 절단부(Street line)의 단면을 나타낸다. 도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 GaN계 수직형 LED 소자는 금속층(201) 하면에 절단부(Street line) 와 반도체 구조 영역으로 이루어진 도전성 지지층을 형성하고, 이 절단부의 두께를 반도체 구조 영역의 두께보다 얇게 형성함으로써, LED 소자 간의 분리 공정 시 불량률을 낮추고, 패키지 공정의 효율성 및 생산성을 높인다.
나아가, 금속층 및 도전성 지지층을 전기도금(Electro-plating) 방식 및 포토리소그라피(Photolithography) 방식으로 형성함으로써, 제조 시 재료의 소모가 적고, 효율적인 공정이 가능하다.
더 나아가, GaN계 수직형 LED 소자를 통해 발광 효율을 개선하고, 열 방출효과 및 전류 확산 효과가 뛰어난 고휘도를 구현할 수 있다.
본 발명의 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조 되는 바람직한 실시 예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
101: n형 전극
102: n형 질화갈륨층
103: 활성층
104: p형 질화갈륨층
105: p형 전극
106: 금속층
107: 도전성 지지층
107a: 절단부(Street line)
107b: 반도체 구조 영역
200: 수직형 LED 소자
301: p형 반도체층
302: n형 반도체층
303: 절연층
102: n형 질화갈륨층
103: 활성층
104: p형 질화갈륨층
105: p형 전극
106: 금속층
107: 도전성 지지층
107a: 절단부(Street line)
107b: 반도체 구조 영역
200: 수직형 LED 소자
301: p형 반도체층
302: n형 반도체층
303: 절연층
Claims (12)
- n형 전극;
상기 n형 전극 하면에 형성된 n형 질화갈륨층;
상기 n형 질화갈륨층 하면에 형성된 활성층;
상기 활성층 하면에 형성된 p형 질화갈륨층;
상기 p형 질화갈륨층 하면에 형성된 p형 전극;
상기 p형 전극의 하면과 상기 p형 전극에서 노출된 상기 p형 질화갈륨층의 하면에 형성된 금속층 및
상기 금속층 하면에 형성된 요철 구조의 도전성 지지층
을 포함하는 수직형 발광다이오드 소자. - p형 전극;
상기 p형 전극 하면에 형성된 p형 질화갈륨층;
상기 p형 질화갈륨층 하면에 형성된 활성층;
상기 활성층 하면에 형성된 n형 질화갈륨층;
상기 n형 질화갈륨층 하면에 형성된 n형 전극;
상기 n형 전극의 하면과 상기 n형 전극에서 노출된 상기 n형 질화갈륨층의 하면에 형성된 금속층 및
상기 금속층 하면에 형성된 요철 구조의 도전성 지지층
을 포함하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 1 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은,
Ni, Au, Cr, Au, Al, Cu, W, TiN 또는 Pt 중 적어도 하나 이상의 금속재 또는 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전성 지지층은,
측방 일면 절단부(Street line 영역)의 두께가 반도체 구조 영역의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 4항에 있어서, 상기 절단부(Street line)는,
폭이 30㎛~300㎛이고, 소자 분리 영역인 금속 두께가 10㎛~100㎛인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직형 발광다이오드 소자는,
측면 하부에 단차를 이루는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 4항에 있어서, 상기 반도체 구조 영역은,
금속층 두께가 30㎛~200㎛인 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전성 지지층은,
Al, TiN, Cu, Ni, W, Mo 계열의 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자. - p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계;
형성된 상기 p형 전극의 상면과 상기 p형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고, 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist) 패턴을 형성하는 단계;
상기 감광액 패턴이 형성된 상기 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계;
상기 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계;
상기 감광액이 제거된 상태에서 상기 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 상기 절단부(Street line) 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계;
상기 도전성 지지층에 서포트 캐리어를 부착하고, 반도체 기판을 분리하는 단계;
소자 영역이외 영역의 질화갈륨층을 제거하는 단계 및
상기 n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - n형 질화갈륨층의 상면에 n형 전극을 형성하는 단계;
상기 n형 전극의 상면과 상기 n형 질화갈륨층의 상면에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 전면에 감광액(Photoresist)을 도포하고 포토리소그라피(Photolithography)공정을 활용하여 절단부(Street line) 영역에 감광액(Photoresist) 패턴을 형성하는 단계;
상기 감광액패턴이 형성된 상기 금속층 전면에 도전성 지지층을 1차 형성하는 단계;
상기 절단부(Street line) 영역에 형성된 감광액(Photoresist)을 제거하는 단계;
상기 감광액이 제거된 상태에서 상기 도전성 지지층을 2차 형성함으로써, 상기 절단부(Street line) 및 반도체 구조 영역의 두께가 상이한 요철 구조의 도전성 지지층을 형성하는 단계;
상기 도전성 지지층에 서포트 캐리어를 부착하고, 반도체 기판을 분리하는 단계;
소자 영역이외 영역에 질화갈륨층을 제거하는 단계 및
상기 p형 질화갈륨층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제 9항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은,
전기도금(Electro-plating) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제 9항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직형 발광다이오드 소자 제조방법은,
상기 도전성 지지층에 형성된 절단부를 레이져로 절단하는 단계를 더 포함하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
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