KR20130093375A - 발광 다이오드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법은 성장 기판 상에 그래핀(Graphene)을 코팅하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 그래핀 박막 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 버퍼층 상에 질화갈륨계 발광 구조물을 형성하는 단계 및 그래핀 박막이 형성된 성장 기판으로부터 질화갈륨계 발광구조물이 분리되도록 버퍼층을 식각하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명의 실시예들은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 레이저 리프트 오프(laser lift off)를 이용하지 않는 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨계 발광 다이오드(light emitting diode)는 사파이어 기판 상에 성장한다. 그러나, 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않기 때문에, 발광 다이오드의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나 광출력 및 칩의 특성을 개선 시키는데 한계가 있다.
특히, 발광 다이오드의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로, 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함)를 이용하여 사파이어 기판을 제거하여 제조된 수직구조의 발광 다이오드가 제안되었다.
구체적으로, 발광 다이오드는 사파이어 기판 상에 질화갈륨계의 발광 구조물을 성장시키고 발광 구조물의 후면에 도전성 지지기판을 형성시킨 후, 레이저 리프트 오프를 이용하여 사파이어 기판을 제거하는 방식으로 제조된다. 그러나 레이저 리프트 오프는 고가의 레이저를 이용하는 것으로, 사파이어 기판의 제거 공정에 높은 비용이 소요되며, 고출력의 레이저에 의해 발광 구조물의 결정성을 저하시킨다.
한편, 사파이어 기판과 질화갈륨계의 발광 구조물은 약 16%의 격자상수 차이를 갖는다. 이 같은 격자상수 차이에 따라 질화갈륨계 발광 구조물이 사파이어 기판 상에 성장되는 과정에서 통과전위(threading dislocation), 적층 결함(stacking fault) 등과 같은 결함을 발생시키며, 이 결함들은 발광 다이오드의 특성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
또한, 사파이어 기판은 질화갈륨계의 발광 구조물을 성장시키기 위한 성장 기판으로만 이용되는 것으로, 기판 활용도에 대비하여 비용이 높다는 문제가 있었다.
본 발명의 실시예들은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 성장 기판으로 사파이어 기판을 이용하지 않음으로써 레이저 리프트 오프(laser lift off)를 필요로 하지 않는 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 성장 기판 상에 그래핀(Graphene)을 코팅하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 그래핀 박막 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 질화갈륨계 발광 구조물을 형성하는 단계 및 상기 그래핀 박막이 형성된 기판으로부터 상기 질화갈륨계 발광구조물을 분리되도록 상기 버퍼층을 식각하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 성장 기판은 실리콘 기판 및 유리 기판 중 어느 하나일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 버퍼층은 상기 그래핀 박막과 13% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 버퍼층은 상기 질화갈륨계 발광 구조물과 5% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 버퍼층은 아연 산화물(ZnO)일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 버퍼층을 식각하는 단계는 질산 용액(HNO3)를 식각 용액으로 하여 상기 버퍼층을 선택적으로 습식 식각할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 발광 다이오드의 제조 방법은 상기 버퍼층을 식각하는 단계 전에, 상기 질화갈륨계 발광 구조물 상에 도전성 지지 기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 발광 다이오드의 제조 방법은 상기 버퍼층의 식각에 의해 노출된 상기 질화갈륨계 발광 구조물의 일면에 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 질화갈륨계 발광 구조물의 타면에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법은 성장 기판으로 사파이어 기판보다 저가의 기판을 이용하고, 그에 따라 레이저 리프트 오프를 수행할 필요가 없게 되어 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 갈륨질화물계 물질과 격자 상수 차이가 비교적 적은 그래핀 박막 및 아연 산화물 버퍼층을 이용하여 발광 구조물을 형성하기 때문에, 결함이 감소되어 발광 다이오드의 특성이 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서, 층이 다른 층 또는 기판 "상에" 또는 "위에" 위치하는 것으로 기재된 경우, 이 기재는 상기 다른 층 또는 기판의 바로 위에 위치할 수 있거나, 중간에 삽입되는 층들이 존재할 수도 있음을 나타낼 수 있다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 성장 기판(110) 상에 그래핀 박막(120)을 형성하는 과정을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 성장 기판(110) 상에 그래핀(Graphene)을 코팅하여 그래핀 박막(120)을 형성한다. 그래핀은 그래핀 산화물 용액을 성장 기판(110)의 표면에 증착시킨 후, 건조 및 열처리하는 방식으로 코팅될 수 있다. 이 과정에서 필요에 따라 성장 기판(110) 상에 코팅된 그래핀을 압착할 수도 있다.
그래핀은 탄소로 이루어진 육방정계 구조의 2차원 평면 형태를 갖는 물질이다. 그래핀은 높은 전하 이동도, 낮은 비저항(resistivity) 및 우수한 투광성을 갖는다.
이 실시예에서, 성장 기판(110)은 실리콘 기판 및 유리 기판 중 어느 하나가 될 수 있다. 이들 기판은 사파이어 기판에 비해 저가이며, 특히, 실리콘 기판의 경우 사파이어 기판의 1/10 정도의 가격을 가지며, 사파이어 기판보다 가공이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 유리 기판의 경우, 사파이어 기판보다 싸며 대면적의 가공이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 실리콘 기판이나 유리 기판을 이용하여 발광 다이오드의 제조 비용을 낮출 수 있다.
도 2는 그래핀 박막(120) 상에 버퍼층(130)을 형성하는 과정을 나타낸다. 그래핀 박막(120)과 버퍼층(130)은, 성장 기판(110)과 버퍼층(130) 상에 형성될 질화갈륨계의 발광 구조물에 대한 격자상수 차이를 보상하기 위한 층이 될 수 있다.
버퍼층(130)은 그래핀 박막(120)과 13% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이와 동시에, 버퍼층(130)은 버퍼층(130) 상에 형성될 질화갈륨계의 발광 구조물과 5% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 버퍼층(130)은 아연 산화물(ZnO)일 수 있다. 아연 산화물은 그래핀 박막(120)과 12.6%의 격자상수 차이를 가지며, 질화갈륨계의 발광구조물과 1.9%의 격자상수 차이를 갖는다. 따라서, 아연 산화물을 그래핀 박막(120) 상에 증착하여 버퍼층(130)을 형성할 수 있다.
아연 산화물 외에도, 그래핀 박막(120)과 13% 미만의 격자상수 차이를 가지며, 질화갈륨계의 발광 구조물과 5% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질일 경우 버퍼층(130)으로 형성 가능하다.
도 3은 버퍼층(130) 상에 질화갈륨계 발광 구조물을 형성하는 과정을 나타낸다. 버퍼층(130) 상에 질화갈륨(GaN) 물질을 증착하여 제1 질화갈륨 반도체층, 활성층 및 제2 질화갈륨 반도체층으로 이루어진 질화갈륨계의 발광 구조물(140)(이하, "발광 구조물"이라 함)을 형성한다. 그래핀 박막(120)을 성장 기판(110) 상에 미리 형성해 놓음에 따라, 버퍼층(130)뿐만 아니라 발광 구조물(140) 형성을 위한 증착 공정을 700℃ 이하의 저온에서 수행할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 아연 산화물로 이루어진 버퍼층(130)은 발광 구조물(140)과 1.9%의 격자상수 차이를 가질 수 있다. 이는, 기존의 사파이어 기판과 질화갈륨계의 발광 구조물 간의 격자상수 차이인 16%에 비해 현저히 감소된 것으로, 버퍼층(130)과 발광 구조물(140)의 격자상수 불일치를 감소시킬 수 있다.
격자상수 불일치가 감소됨에 따라, 발광 구조물(140)은 버퍼층(130) 상에 성장되는 과정에서 통과전위(threading dislocation), 적층 결함(stacking fault) 등과 같은 결함 발생이 감소되어 발광 다이오드의 특성이 향상될 수 있다.
또한, 격자상수 불일치로가 감소됨에 따라 발광 구조물(140)에 발생할 수 있는 인장 응력(tensile stress)이 감소되어 발광 구조물(140)의 휨 현상을 방지 또는 감소시킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 버퍼층(130) 및 발광 구조물(140)의 성장 형태를 나타낸다.
도 4에서와 같이, 버퍼층(130) 및 발광 구조물(140)은 그래핀 박막(120) 상에서 육방정계의 결정 구조를 갖는 형태로 성장된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 그래핀 박막(120), 버퍼층(130) 및 발광 구조물(140)은 결정 방향이 일치한다. 즉, 그래핀 박막(120), 버퍼층(130) 및 발광 구조물(140)은 동일한 [110] 결정 방향 및 [100] 결정 방향을 갖는다.
또한, 그래핀 박막(120)의 결정 격자 간격은 1.42Å이고, 아연 산화물로 이루어진 버퍼층(130)의 결정 격자 간격은 3.249Å이며, 질화갈륨계 발광 구조물(140)의 결정 격자 간격은 3.189Å이 될 수 있다.
도 6는 발광 구조물(140) 상에 도전성 지지 기판(150)을 형성하는 과정을 나타낸다. 발광 구조물(140)은 그 자체로 이용될 수도 있으나, 발광 구조물(140)이 박막 형태로 형성되어 그 두께가 매우 얇을 수 있다. 따라서, 이 발광 구조물(140)을 지지할 수 있도록 발광 구조물(140)의 일면 상에 도전성 지지 기판(150)을 형성한다. 도전성 지지 기판(150)은 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나 이상의 금속 물질을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 상술한 금속 물질 외에도, 다양한 금속 물질 또는 도전성을 갖는 금속 산화물을 이용하여 도전성 지지 기판(150)을 형성할 수 있다.
도 7은 그래핀 박막(120)이 형성된 성장 기판(110)으로부터 발광 구조물(140)이 분리되도록 버퍼층(130)을 식각하는 과정을 나타낸다. 아연 산화물로 이루어진 버퍼층(130)은 질산 용액(NiHNO3)를 식각 용액으로 하여 선택적으로 습식 식각될 수 있다. 성장 기판(110)을 실리콘 기판 또는 유리 기판을 이용하기 때문에, 발광 구조물(140)을 분리하는데 레이저 리프트 오프를 이용하지 않고, 버퍼층(130)을 습식 식각할 수 있다. 습식 식각은 발광 구조물(140)가 손상되는 정도가 작으며, 특히, 레이저 리프트 오프와 비교할 때, 손상이 현저히 감소된다. 따라서, 습식 식각 공정이 완료되더라도 발광 구조물(140)의 결정성에 큰 영향이 없다.
도 8은 버퍼층(130)의 식각에 의해 노출된 발광 구조물(140)의 일면 상에 제1 전극(160)을 형성하고, 발광 구조물(140)의 타면 상에 제2 전극(170)을 형성하는 과정을 포함한다. 이 경우, 제2 전극(170)은 도전성 지지 기판(150)을 통해 발광 구조물(140)의 타면 상에 형성될 수 있다.
제1 전극(160) 및 제2 전극(170)은 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 투광성을 갖는 물질로 형성될 경우, 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)은 발광 구조물(140) 각각의 전면에 형성될 수 있다.
상술한 과정에 의해 고출력의 수직 구조를 갖는 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 이 발광 다이오드 제조시, 사파이어 기판을 이용하지 않기 때문에 레이저 리프트 오프를 수행하지 않으며, 그에 따라 저비용의 제조가 가능하고, 결정성 저하를 방지하여 우수한 특성을 갖는 발광 다이오드를 제조할 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 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 성장 기판
120: 그래핀 박막
130: 버퍼층
140: 발광 구조물
150: 도전성 지지 기판
160: 제1 전극
170: 제2 전극
120: 그래핀 박막
130: 버퍼층
140: 발광 구조물
150: 도전성 지지 기판
160: 제1 전극
170: 제2 전극
Claims (8)
- 성장 기판 상에 그래핀(Graphene)을 코팅하여 그래핀 박막을 형성하는 단계;
상기 그래핀 박막 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 질화갈륨계 발광 구조물을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀 박막이 형성된 상기 성장 기판으로부터 상기 질화갈륨계 발광구조물이 분리되도록 상기 버퍼층을 식각하는 단계
를 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 성장 기판은,
실리콘 기판 및 유리 기판 중 어느 하나인 발광 다이오드 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은,
상기 그래핀 박막과 13% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질인 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은,
상기 질화갈륨계 발광 구조물과 5% 미만의 격자상수 차이를 갖는 물질인 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은,
아연 산화물(ZnO)인 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층을 식각하는 단계는,
질산 용액(HNO3)를 식각 용액으로 하여 상기 버퍼층을 선택적으로 습식 식각하는 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층을 식각하는 단계 전에, 상기 질화갈륨계 발광 구조물 상에 도전성 지지 기판을 형성하는 단계
를 더 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층의 식각에 의해 노출된 상기 질화갈륨계 발광 구조물의 일면 상제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 질화갈륨계 발광 구조물의 타면 상에 제2 전극을 형성하는 단계
를 더 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120014933A KR20130093375A (ko) | 2012-02-14 | 2012-02-14 | 발광 다이오드의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130093375A (ko) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105914272A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-31 | 芜湖德豪润达光电科技有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN107369748A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-11-21 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种基于石墨烯的led外延生长方法 |
| KR102049248B1 (ko) * | 2018-05-28 | 2019-11-28 | 한국세라믹기술원 | 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 |
| KR20200116006A (ko) * | 2019-03-31 | 2020-10-08 | 경기대학교 산학협력단 | 단결정층 구조체와 이를 포함하는 마이크로 엘이디와 마이크로 엘이디 모듈 및 이들의 제조 방법 |
| WO2024058370A1 (ko) * | 2022-09-13 | 2024-03-21 | 한국광기술원 | 저 전위밀도를 갖는 질화물 기판 및 그의 제조방법 |
-
2012
- 2012-02-14 KR KR1020120014933A patent/KR20130093375A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105914272A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-31 | 芜湖德豪润达光电科技有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN107369748A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-11-21 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种基于石墨烯的led外延生长方法 |
| KR102049248B1 (ko) * | 2018-05-28 | 2019-11-28 | 한국세라믹기술원 | 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 |
| KR20200116006A (ko) * | 2019-03-31 | 2020-10-08 | 경기대학교 산학협력단 | 단결정층 구조체와 이를 포함하는 마이크로 엘이디와 마이크로 엘이디 모듈 및 이들의 제조 방법 |
| WO2024058370A1 (ko) * | 2022-09-13 | 2024-03-21 | 한국광기술원 | 저 전위밀도를 갖는 질화물 기판 및 그의 제조방법 |
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