KR20130024482A - 수직형 발광 다이오드용 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직형 발광 다이오드용 기판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 도전성 및 반사성을 가지는 기재; 및 상기 기재 상에 형성된 N형 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 도전성 및 반사성을 가지는 기재; 및 상기 기재 상에 형성된 N형 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판을 제공한다.
Description
본 발명은 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직형 발광 다이오드용 기판에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이와 같은 화합물 반도체를 이용한 LED는 종래 에피-업(Epi-Up) 구조에서 플립-칩(Flip-Chip) 구조로 발전하다가 LED의 고효율화 및 고휘도화를 위해 수직형 구조로 변경되고 있다.
이러한 수직형 발광 다이오드는 수평형 발광 다이오드에 비하여 동일 웨이퍼에서 생산되는 발광 다이오드의 수가 많아 생산 수율이 높고, 전류의 흐름이 효율적 일뿐만 아니라, 메사 식각 단계를 거칠 필요가 없으므로 공정이 간단하고 식각에 의한 발광 구조물의 손상을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 수직형 LED를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED 의 제조공정을 살펴보면, 사파이어 기판(10)상에 N형 질화갈륨층(20), 활성층(30), P형 질화갈륨층(40)을 순차적으로 결정성장시키고, P형 질화갈륨층(40) 상에 P형 전극 또는 P형 전극 및 반사막(50)을 형성한 후, 접착층(60)을 형성한다.
그 다음, 접착층(60)에 소정의 온도와 압력을 가한 후 접착층(60) 상에 실리콘(Si) 기판(70)을 접합하여 LED 구조물을 형성한다.
이후, 도 2에 도시한 바와 같이, LLO(Laser Lift-Off) 또는 CLO(Chemical Lift-Off) 공정을 통해 사파이어 기판(10)을 제거한 후, N형 질화갈륨층(20)상에 N형 전극(80)을 형성하고 이후 레이저 스크라이빙, 습식식각 또는 건식식각공정을 통하여 소자분리 공정을 수행하거나, 또는 소자분리 공정 후 상기 N형 전극(80)을 형성한다.
이와 같은, LLO 또는 CLO 공정을 포함하는 LED 제조공정에 의해 기존 에피-업(Epi-Up)구조에서 부도체인 사파이어 기판 때문에 P-GaN쪽에서 N-GaN층까지 식각하여 N-GaN을 노출시키고 여기에 N극을 형성시켜야 했던 문제점을 개선하였고 LED의 효율 및 출력을 향상시켰다.
그러나, 이와 같은 제조공정은 에피택셜(Epitaxial) 공정 이후 실리콘(Si) 기판과의 접합공정, LLO 또는 CLO 공정 등의 추가 공정을 수행해야되고, 실리콘(Si) 기판 추가하여 사용하여야 하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 단순한 공정으로 수직형 발광 다이오드를 제조할 수 있는 수직형 발광 다이오드용 기판을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 도전성 및 반사성을 가지는 기재; 및 상기 기재 상에 형성된 N형 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판을 제공한다.
여기서, 상기 기재는 단일층으로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 기재는 도전층; 및 상기 도전층 상에 형성된 반사층으로 이루어지고, 상기 N형 질화갈륨(GaN)층은 상기 반사층 상에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 도전층과 상기 반사층 사이에 개재된 접착층; 및 상기 접착층과 상기 반사층 사이에 개재된 확산방지층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전층은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는, 상기 도전층은 Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반사층은 Ag, Al, Zn, Au, Pt, Ti, Ge, Cu, 또는 Ni 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기재는 300nm 이상의 파장을 가지는 빛에 대하여 80% 이상의 반사율을 가질 수 있다.
또한, 상기 기재는 열팽창 계수가 2.5 ~ 7.5 일 수 있다.
바람직하게는, 상기 기재는 열팽창 계수가 4.1 ~ 6.9 일 수 있다.
또한, 상기 기재는 두께가 700㎛ 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 기재는 두께가 1000㎛ 이상일 수 있다.
본 발명에 따르며, 접합공정 및 LLO 공정과 같은 추가 공정 없이 수직형 발광 다이오드를 제조할 수 있어 수직형 발광 다이오드의 제조공정이 단순해지고, 생산 효율도 향상된다.
또한, 접합공정에서 실리콘(Si) 기판과 같은 추가 기판을 사용하지 않아도 되므로 제조원가를 감소시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 수직형 LED를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 단일층으로 이루어진 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 적층된 구조를 갖는 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 단일층으로 이루어진 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 적층된 구조를 갖는 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 수직형 발광 다이오드용 기판에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 단일층으로 이루어진 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도이다.
수직형 발광 다이오드용 기판이 되기 위해서는 기재가 도전성을 가져야 하며, 기재의 에피텍셜(Epitaxial) 공정 면이 빛의 흡수로 인한 휘도 저하 현상이 없어야 하며, N형 질화갈륨의 성장이 가능한 표면을 가져야 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드용 기판은 기재 및 N형 질화갈륨(GaN)층을 포함하여 구성될 수 있다.
기재(100)는 발광 다이오드용 기판의 지지층 역할 및 최종적인 발광 다이오드 소자에서 전극으로서의 역할을 수행하며, 도전성 및 반사성을 가진다.
기재(100)의 반사성은 300nm 이상의 파장을 가지는 빛에 대하여 80% 이상의 반반사율 갖는 것이 바람직할 것이다.
또한, 기재(100)는 본 발명에 따른 발광 다이오드용 기판에 의한 발광 다이오드 제조 공정에서의 활성층 및 P형 질화갈륨층 증착 시, 발생하는 스트레인(strain)을 줄이고 결정성을 향상시켜 오작동 및 광효율의 저하를 방지하기 위해 질화갈륨과 열팽창계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)의 정합(matching)성이 좋아야 하므로, 기재의 열팽창 계수는 2.5 ~ 7.5 일 것이며, 바람직하게는 4.0 ~ 7.0, 더욱 바람직하게는 4.1 ~ 6.9일 것이다.
또한, 기재(100)의 두께는 700㎛ 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1000㎛ 이상일 것이다. 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드용 기판을 이용하여 LED를 제조하는 경우 온도가 1000℃ 이상까지 승온되어 공정이 진행되기도 하는데 이러한 온도 차로 인해 기재가 스트레스를 받아 휘는 등의 문제가 발생하게 되므로, 이와 같은 휨을 방지하기 위해 기재의 두께는 두꺼울수록 좋을 것이다.
기재(100)는 도전성 반사 물질로 이루어진 단일층으로 구성될 수 있다.
또한, 기재(100)는 도전층(110) 상에 반사층(120)이 형성되는 적층 구조로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도전성 및 반사성을 가지는 기재가 적층된 구조를 갖는 수직형 발광 다이오드용 기판의 개략적인 단면도이다.
여기서, 도전층(110)은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 중 어느 하나로 이루어지거나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
반사층(120)은 발광 다이오드의 활성층(미도시)으로부터 방출되는 빛의 진행방향을 원하는 쪽으로 조절하기 위한 것으로, 반사율이 큰 금속 물질인 Ag, Al, Zn, Au, Pt, Ti, Ge, Cu, Ni 등의 금속과 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 티타늄 등 산화물 또는 질화물 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 반사층(120)과 도전층(110) 사이에 접착층(미도시)이 개재될 수 있으며, 접착층과 반사층 사이에 확산방지층(미도시)이 개재될 수 있다. 접착층은 도전층(110)과 반사층(120)의 접착력을 향상시켜 도전층이 반사층으로부터 분리되는 것을 방지하며, 확산방지층은 접착층 또는 도전층(110)으로부터 금속원소들이 반사층(120)으로 확산되는 것을 방지하여 반사층(120)의 반사도를 유지시킨다.
N형 질화갈륨층(200)은 기재 상에 N형 질화갈륨 박막을 접합(bonding)하여 형성시킨다.
N형 질화갈륨 박막은 유기금속화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자빔 에픽텍시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 수소기상증착법(HVPE: Hydride Vapor Epitaxy) 등 다양한 방법에 성장된 질화갈륨을 박막을 이용하여 제조될 것이다.
질화갈륨 박막이 c-평면(plane) 사파이어 단결정 기판 위에서 형성된 c-평면 단결정 질화갈륨 박막인 경우, 질화갈륨 박막은 Ga면과 N면의 극성을 가지고 있고, N형 질화갈륨층의 표면이 Ga면이 되어야 하므로, 자립형(freestanding) 질화갈륨 박막을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그러나 c-평면이 아닌 비극성 또는 반극성 질화갈륨 박막의 경우는 자립형 질화갈륨 박막이 아니어도 무관할 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 수직형 발광 다이오드용 기판에 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)를 갖는 활성층 및 P형 질화갈륨층을 형성시켜 발광 다이오드를 제조함으로써, 종래의 접합공정 및 LLO 공정과 같은 추가 공정 없이 수직형 발광 다이오드를 제조할 수 있고, 따라서 수직형 발광 다이오드의 제조공정이 단순해지고, 생산 효율도 향상된다.
즉, 종래의 수직형 발광 다이오드 제조는 사파이어 기판에 화합물 반도체 층을 형성시킨 후, 이를 전도성 기판에 접합한 후, 사파이어 기판을 제거하는 공정에 의해 이루어지는 반면, 본 발명에 따른 전도성 기재가 포함된 수직형 발광 다이오드용 기판을 이용하는 경우 기판 상에 바로 활성층 및 P형 질화갈륨층을 적층하면 되고, 종래와 같이 접합공정 및 사파이어 기판 제거 공정을 거치지 않아도 되는 것이다.
또한, 종래 기술의 경우 수직형 발광 다이오드를 제조함에 2 장의 기판(사파이어 기판 및 전도성 기판)이 사용되나, 본 발명에 따르는 경우 하나의 기판만을 사용하면 되므로 제조원가를 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 사파이어 기판 20 : N형 질화갈륨층
30 : 활성층 40 : P형 질화갈륨층
50 : 반사막 60 : 접착층
70 : 실리콘 기판 80 : N형 전극
100 : 기재 110 : 도전층
120 : 반사층 200 : N형 질화갈륨층
30 : 활성층 40 : P형 질화갈륨층
50 : 반사막 60 : 접착층
70 : 실리콘 기판 80 : N형 전극
100 : 기재 110 : 도전층
120 : 반사층 200 : N형 질화갈륨층
Claims (12)
- 도전성 및 반사성을 가지는 기재; 및
상기 기재 상에 형성된 N형 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 단일층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는
도전층; 및
상기 도전층 상에 형성된 반사층으로 이루어지고,
상기 N형 질화갈륨(GaN)층은 상기 반사층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제3항에 있어서,
상기 도전층과 상기 반사층 사이에 개재된 접착층; 및
상기 접착층과 상기 반사층 사이에 개재된 확산방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제3항에 있어서,
상기 도전층은 Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제3항에 있어서,
상기 도전층은 Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제3항에 있어서,
상기 반사층은 Ag, Al, Zn, Au, Pt, Ti, Ge, Cu, 또는 Ni 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 300nm 이상의 파장을 가지는 빛에 대하여 80% 이상의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 열팽창 계수가 2.5 ~ 7.5 인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 열팽창 계수가 4.1 ~ 6.9 인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 두께가 700㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 기재는 두께가 1000㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드용 기판.
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