KR20140135557A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20140135557A
KR20140135557A KR20130056028A KR20130056028A KR20140135557A KR 20140135557 A KR20140135557 A KR 20140135557A KR 20130056028 A KR20130056028 A KR 20130056028A KR 20130056028 A KR20130056028 A KR 20130056028A KR 20140135557 A KR20140135557 A KR 20140135557A
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light emitting
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김승용
송정섭
김동우
황성주
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일진엘이디(주)
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Abstract

내부가공 레이저 후면 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 기판의 내부에 레이저 흔적이 분포되도록 제어하여 광 추출 효율을 증대시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 차례로 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하며, 가장자리가 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물; 상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 p-전극 패드; 및 상기 발광구조물의 n형 질화물층의 노출 영역에 형성된 n-전극 패드;를 포함하며, 상기 기판은 데브리스 프리 영역(debris free area) 및 표면 개질 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 가공 레이저(Inner laser) 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 기판의 내부에 레이저 흔적이 분포되도록 제어하여 광 추출 효율을 증대시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 발광 소자로는 GaN계 발광 소자가 주로 연구되고 있다. 이러한 GaN계 발광 소자는 그 응용분야에 있어서 청색과 녹색 LED의 발광소자, MESFET, HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자에 응용되고 있다.
특히, 청색과 녹색 LED 발광소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며, 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.
이러한 발광 소자의 휘도는 활성층의 구조, 빛을 외부로 효과적으로 추출할 수 있는 광 추출 구조, 발광 소자에 사용된 반도체 재료, 칩의 크기 등 다양한 조건들에 의해 좌우된다.
도 1은 종래에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래에 따른 발광 소자(1)는 기판(10) 상에 n형 반도체층(21), 활성층(22) 및 p형 반도체층(23)을 차례로 성장시켜 발광구조물(20)을 형성하고, p-전극 패드(30) 및 n-전극 패드(40)를 형성한 후, 이를 스크라이빙 공정을 이용하여 절단하게 된다.
이때, 스크라이빙은 다이아몬드 팁을 이용한 기계적 스크라이빙 방법과 레이저를 이용한 물리적 스크라이빙 방법으로 구분될 수 있으며, 이 중 물리적 스크라이빙 방법이 각광받고 있다.
그러나, 종래에는 레이저를 이용한 물리적 스크라이빙 방법을 적용할시, 발광구조물(20)과 이격된 상측에서 기판(10) 방향으로 레이저를 조사하는 방식으로 실시하였는데, 이 경우 스크라이빙 과정 중에 레이저에 의하여 기판(10)의 표면, 보다 구체적으로는 발광구조물(20)과 기판(10) 간의 접합 계면 부분에 파편에 해당하는 레이저 파편(laser debris, LD)이 다량 분포하였다.
이러한 기판(10)의 표면에 분포하는 다량의 레이저 흔적(LD)은 활성층(22)으로부터 입사되는 광의 굴절, 회절, 산란, 반사 등을 저하시키는 결함으로 작용하여 발광 효율을 저하시키는 요인으로 작용하였다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0024489호(2012.03.14. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 반도체 발광다이오드 칩, 발광장치 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 내부가공 레이저 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 기판의 내부에 개질층을 형성시켜 표면에 발생되는 레이저 파편 형성을 근본적으로 차단하여 광 추출 효율을 증대시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광구조물의 가장자리를 역테이퍼 단면을 갖도록 형성하여 사이드 에미팅(side emitting)을 유도할 수 있음과 더불어, 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 표면 개질 영역이 구비되도록 하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 차례로 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하며, 가장자리가 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물; 상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 p-전극 패드; 및 상기 발광구조물의 n형 질화물층의 노출 영역에 형성된 n-전극 패드;를 포함하며, 상기 기판은 데브리스 프리 영역(debris free area) 및 표면 개질 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법은 (a) 복수의 활성 영역을 갖는 기판 상에 n형 질화물 물질층, 활성 물질층 및 p형 질화물 물질층을 차례로 증착하는 단계; (b) 상기 p형 질화물 물질층, 활성 물질층 및 n형 질화물 물질층을 차례로 식각하여 p형 질화물층, 활성층 및 n형 질화물층을 구비하며, 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물을 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 일측 가장자리에 배치된 p-형 질화물층, 활성층 및 n형 질화물층을 차례로 제거하여, 상기 n형 질화물층의 일부를 노출시키는 단계; (d) 상기 p형 질화물층과 n형 질화물층의 노출 영역에 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 각각 형성하는 단계; 및 (e) 상기 기판의 후면에서 발광구조물 방향으로 내부가공 레이저를 조사하는 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계에서, 상기 내부가공 레이저 스크라이빙에 의해, 상기 기판의 1/2 두께 지점의 상부에 데브리스 프리 영역(debris free area)이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법은 내부가공 레이저 후면 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 비교적 용이하게 기판을 절단하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 활성층으로부터 입사되는 광의 추출에 방해가 되는 레이저 흔적이 기판의 내부에 분포되도록 제어할 수 있으므로 레이저 흔적에 의한 광 추출의 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법은 프론트 레이저의 조사시 기판의 표면에 데미지를 가하지 않으면서 역테이퍼 구조의 발광구조물을 형성하고 나서 내부가공 스텔스 후면 레이저를 도입하여 기판을 분리함으로써, 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 표면 개질 영역이 구비되도록 함과 더불어, 발광구조물의 가장자리 상측 부분에서의 역테이퍼에 의한 사이드 에미팅(side emitting)을 유도하여 이 부분에서의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 기판 및 발광구조물 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 변형예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 기판 및 발광구조물 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자(100)는 기판(110), 발광구조물(120), p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)를 포함한다.
기판(110)은 절연 기판, 도전성 기판, 반도체 기판 등을 사용할 수 있다. 구체적으로, 기판으로는 사파이어 기판(Al2O3), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, GaAs 등에서 선택될 수 있다. 이러한 기판(110) 상에는 복수의 요철 구조(115)가 형성될 수 있다. 복수의 요철 구조(115)는 기판(110)의 표면을 에칭하는 방식에 의해 형성되거나, 또는 별도의 절연 물질을 이용하여 형성할 수도 있다.
특히, 본 발명에서 기판(110)은 복수의 요철 구조(115)를 구비하는 사파이어 기판(patterned sapphire substrate : PSS)을 이용하는 것이 바람직하다. 기판(110)의 요철 구조(115)는 복수 개가 등 간격 또는 불규칙한 간격으로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 요철 구조(115)의 간격은 1 ~ 3㎛, 높이는 2 ~ 6㎛, 그리고 폭은 0.5 ~ 2㎛로 형성될 수 있다.
이러한 복수의 요철 구조(115)를 구비한 기판(110)은 격자 결함을 해소함과 더불어, 발광구조물(120)의 활성층(122)으로부터 입사된 광의 굴절, 회절, 산란, 반사 등의 특성을 향상시켜 광 추출 효율을 증가시키게 된다.
발광구조물(120)은 기판(110) 상에 차례로 형성된 n형 질화물층(121), 활성층(122) 및 p형 질화물층(123)을 구비한다.
n형 질화물층(121)은 기판(110) 상에 형성된다. 이러한 n형 질화물층(121)은 실리콘(Si)을 도핑한 AlGaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, n형 질화물층(121)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하나, 제1층과 제2층이 교번적으로 형성된 적층 구조로 성장시켜야 크랙이 없는 우수한 결정성을 확보할 수 있으므로, 적층 구조로 형성하는 것이 더 바람직하다.
활성층(122)은 n형 질화물층(121) 상에 형성된다. 이러한 활성층(122)은 n형 질화물층(121)과 p형 질화물층(123) 사이에서 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있다. 즉, 활성층(122)은 양자장벽층은 Al이 포함된 AlGaInN의 4원계 질화물층이고, 양자우물층은 InGaN으로 이루어진 다중양자우물 구조를 갖는다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(122)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
p형 질화물층(123)은, 일 예로, Mg을 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층(미도시)과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 또한, p형 질화물층(123)은 n형 질화물층(121)과 마찬가지로 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
특히, 상기 발광구조물(120)은, 단면 상으로 볼 때, 가장자리가 역테이퍼(revered taper) 단면을 갖는다. 이때, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도(θ)는 30 ~ 70°를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서와 같이, 발광구조물(120)의 가장자리를 역테이퍼 단면 구조로 형성하게 되면, 발광구조물(120)의 가장자리 상측 부분에서의 역테이퍼에 의한 사이드 에미팅(side emitting)을 유도할 수 있다. 이 결과, 발광구조물(120)의 가장자리 부분에서의 휘도를 증가시킬 수 있게 된다. 이때, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도가 30° 미만일 경우에는 광 추출 효율면에서는 유리하나, 과도한 식각에 의해 필요 이상의 발광구조물이 유실되어 폭 제어에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도가 70°를 초과할 경우에는 사이드 발광이 원활히 이루어지지 못하는 관계로, 광 휘도 향상 효과가 미미할 수 있다.
p-전극 패드(130)는 발광구조물(120)의 p형 질화물층(123) 상에 형성된다. 그리고, n-전극 패드(140)는 발광구조물(120)의 n형 질화물층(121)의 노출 영역에 형성된다.
p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증발 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링 증착(Sputtering deposition) 등에서 선택된 어느 하나의 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 동일한 마스크를 사용하는 것에 의해 동일한 물질로 형성된다. 이때, p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 Au, Cr-Au 합금 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
특히, 기판(110)은 표면 개질 영역(SA) 및 데브리스 프리 영역(debris free area, DA)을 포함한다. 데브리스 프리 영역(DA)은 기판(110)의 1/2 두께 지점의 상부에 배치되고, 표면 개질 영역(SA)은 데브리스 프리 영역(DA)의 하측에 배치된다. 이러한 표면 개질 영역(SA)은 발광구조물(120)의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판(110)의 내부에 배치될 수 있다.
종래에는 발광구조물에 식각 홈을 형성하는 과정시, 발광구조물과 더불어 발광구조물의 하측에 배치되는 기판의 표면에 대해서도 프론트 레이저를 조사하였는데, 이는 결국 기판의 표면에 레이저 파편을 남기는 데 기인하여 광 효율을 저하시키는 요인으로 작용하였다.
반면, 본 발명에서는 프론트 레이저의 조사시 기판(110)의 표면에 데미지를 가하지 않으면서 역테이퍼 구조의 발광구조물(120)을 형성함으로써, 발광구조물(120)의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판(110)의 내부에 표면 개질 영역(SA)이 구비되도록 함으로써 이 부분에서의 광 추출 저하 문제를 해소할 수 있게 된다.
또한, 기판(110)은 기판(110)과 이격된 하측에서 발광구조물(120) 방향으로 내부가공 레이저를 조사하는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙(Inner laser backward scribing)을 실시하는 것에 의해, 데브리스 프리 영역(DA)의 하부에 배치되는 표면 개질 영역(SA)에 레이저 흔적이 생성된다. 따라서, 레이저 흔적은 발광구조물(120)의 바닥면과 맞닿는 기판(110)의 표면과 일정한 간격(d)으로 이격 배치되게 된다. 이때, 내부가공 레이저의 파장은 900 ~ 1100nm인 것을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 상기의 파장 범위로 내부가공 레이저를 조사하는 것이 기판(110)과 발광구조물(120)을 용이하게 스크라이빙할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 흔적이 생성되는 것을 최소화할 수 있기 때문이다.
특히, 본 발명에서와 같이, 내부가공 레이저 후면 스크라이빙을 실시할 경우, 기판(110)의 후면에 대하여 1차적으로 내부가공 레이저가 조사된 이후에 발광구조물(120)에 2차적으로 조사되기 때문에 기판(110)이 버퍼 역할을 하여 레이저 흔적이 생성되는 것을 감소시킬 수 있으며, 레이저 흔적이 생성되더라도 기판(110)의 표면이 아니라, 기판(110)의 내부에 레이저 흔적이 집중적으로 분포하도록 제어하는 것이 용이해질 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에서는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 비교적 용이하게 기판(110)을 활성 영역별로 절단하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 활성층(122)으로부터 입사되는 광의 추출에 방해가 되는 레이저 흔적이 기판(110)의 내부에 집중적으로 분포되도록 제어할 수 있으므로 레이저 흔적에 의한 광 추출의 저하 문제를 개선할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 변형예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 발광 소자(100)는 기판(110), 발광구조물(120), p-전극 패드(130), n-전극 패드(140), 투명 도전층(150) 및 전류 차단층(160)을 포함한다. 이때, 본 발명의 변형예에 따른 기판(110), 발광구조물(120), p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 일 실시예에 따른 기판(도 1의 110), 발광구조물(도 1의 120), p-전극 패드(도 1의 130) 및 n-전극 패드(도 1의 140)와 실질적으로 동일한바, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
투명 도전층(150)은 p형 질화물층(123)과 p-전극 패드(130) 사이에 형성된다. 투명 도전층(150)은 전류 주입면적을 증가시키기 위한 목적으로 형성되며, 휘도에 악 영향을 미치는 것을 미연에 방지하기 위해 투명한 도전 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 투명 도전층(150)은 인듐주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 인듐아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), FTO(fluorine doped tin oxide, SnO2) 등에서 선택된 1종 이상의 재질로 형성될 수 있다.
전류 차단층(160)은 투명 도전층(150)과 p-전극 패드(130) 사이에 형성된다. 이러한 전류 차단층(160)은 p-전극 패드(130)와 대응되는 하부면에서 광자흡수(photon absorption)로 인해 광 손실이 발생하는 것을 보상하는 역할을 한다. 또한, 전류 차단층(160)은 n형 질화물층(121)에 비하여 상대적으로 얇은 두께로 p형 질화물층(123)이 형성되는데 기인하여 p-전극 패드(130)의 주변에서의 전기전도도가 낮아 전류가 편중되는 것을 미연에 방지하는 역할을 한다.
이러한 전류 차단층(160)은 SiO2, SiNx 등에서 선택된 1종 이상으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 전류 차단층(160)은 500 ~ 5000Å의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000 ~ 4000Å의 두께를 제시할 수 있다. 전류 차단층(160)의 두께가 500Å 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 전류 차단 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전류 차단층(160)의 두께가 5000Å을 초과할 경우에는 전류를 차단하는 측면에서는 유리하나, 두께 증가로 인해 오히려 광 추출 효율을 저하시킬 우려가 크다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 비교적 용이하게 기판을 활성 영역별로 절단하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 활성층으로부터 입사되는 광의 추출에 방해가 되는 레이저 흔적이 기판의 내부에 분포되도록 제어할 수 있으므로 레이저 흔적에 의한 광 추출의 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광 소자는 프론트 레이저의 조사시 기판의 표면에 데미지를 가하지 않으면서 역테이퍼 구조의 발광구조물을 형성함으로써, 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 표면 개질 영역이 구비되도록 함과 더불어, 발광구조물의 가장자리 상측 부분에서의 역테이퍼에 의한 사이드 에미팅(side emitting)을 유도하여 이 부분에서의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 복수의 활성 영역(AA)을 갖는 기판(110) 상에 n형 질화물 물질층(121a), 활성 물질층(122a) 및 p형 질화물 물질층(123a)을 차례로 증착한다. 이때, 기판(110)은 복수의 요철 구조(미도시)를 구비하는 사파이어 기판(patterned sapphire substrate : PSS)을 이용하는 것이 바람직하다. 기판(110)의 요철 구조는 복수 개가 등 간격 또는 불규칙한 간격으로 형성될 수 있다.
이때, n형 질화물 물질층(121a), 활성 물질층(122a) 및 p형 질화물 물질층(123a)은 금속유기화학증착법(MOCVD), 액상에피텍셜법(LPE), 분자빔에피텍셜법(MBE) 등에서 선택된 어느 하나의 방식을 이용하여 차례로 증착될 수 있다.
도 6을 참조하면, n형 질화물 물질층(도 5의 121a), 활성 물질층(도 5의 122a) 및 p형 질화물 물질층(도 5의 123a) 상부에 마스크 패턴(M)을 형성한 후, 프론트 레이저를 선택적으로 조사하여 n형 질화물층(121), 활성층(122) 및 p형 질화물층(123)을 구비하는 발광구조물(120)의 일부가 제거된 식각 홈(V)을 형성한다. 이때, 마스크 패턴(M)은 n형 질화물 물질층, 활성 물질층 및 p형 질화물 물질층 상부 전면에 도포레지스트를 도포 및 경화한 후, 발광구조물 형성 영역을 제외한 부분을 선택적으로 제거하는 것에 의해 형성될 수 있다.
이때, 프론트 레이저의 조사시 레이저의 파워 및 속도를 조절하여 발광구조물(120)의 일부만을 선택적으로 제거하여 기판(110)의 표면에 프론트 레이저에 의한 데미지가 가해지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 발광구조물(120)의 식각 홈(도 6의 V)을 습식 또는 건식 식각으로 오버 에칭(over etching)하여, 역테이퍼 구조를 갖는 발광구조물(120)을 형성한다.
특히, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도(θ)는 30 ~ 70°를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서와 같이, 발광구조물(120)의 가장자리를 역테이퍼 단면으로 형성하게 되면, 발광구조물(120)의 가장자리 상측 부분에 역테이퍼에 의한 사이드 에미팅(side emitting)이 유도되어 이 부분에서의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도가 30° 미만일 경우에는 광 추출 효율면에서는 유리하나, 과도한 식각에 의해 필요 이상의 발광구조물이 유실되어 폭 제어에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 발광구조물(120)의 역테이퍼 각도가 70°를 초과할 경우에는 전류 집중이 원활히 이루어지지 못하는 관계로, 광 휘도 향상 효과가 미미할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물(120) 상부에 잔존하는 마스크 패턴(도 7의 M)을 스트립 공정으로 제거한다. 이러한 스트립 공정에 의해, 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물(120)이 외부로 노출된다.
도 9를 참조하면, 기판(110)의 일측 가장자리에 배치된 p-형 질화물층(121), 활성층(122) 및 n형 질화물층(123)을 차례로 제거하여, n형 질화물층(123)의 일부를 노출시킨다. 이때, 메사 식각 방식을 이용하여 p-형 질화물층(121), 활성층(122) 및 n형 질화물층(123)의 일 부분을 차례로 제거하는 것에 의해, n형 질화물층(123)의 일 부분이 외부로 노출되게 된다.
도 10을 참조하면, p형 질화물층(121)과 n형 질화물층(123)의 노출 영역에 p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)를 각각 형성한다. 이때, p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증발 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링 증착(Sputtering deposition) 등에서 선택된 어느 하나의 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 동일한 마스크를 사용하는 것에 의해 동일한 물질로 형성된다. 이때, p-전극 패드(130) 및 n-전극 패드(140)는 Au, Cr-Au 합금 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 기판(110)의 후면에서 발광구조물(120) 방향으로 내부가공 레이저(L)를 조사하는 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시한다.
이때, 기판(110)은 기판(110)과 이격된 하측에 배치되는 내부가공 레이저 조사장치(200)로부터 발광구조물(120) 방향으로 내부가공 레이저를 조사하는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙(inner laser backward scribing)을 실시하는 것에 의해, 데브리스 프리 영역의 하부에 배치되는 표면 개질 영역에 레이저 흔적이 생성된다. 이러한 내부가공 레이저(L)의 파장은 900 ~ 1100nm인 것을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 상기의 파장 범위로 내부가공 레이저(L)를 조사하는 것이 기판(110)과 발광구조물(120)을 용이하게 스크라이빙할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 흔적(LD)이 생성되는 것을 최소화할 수 있기 때문이다.
이와 같이, 내부가공 레이저 후면 스크라이빙을 실시할 경우, 기판(110)의 후면에 대하여 1차적으로 내부가공 레이저(L)가 조사된 이후에 발광구조물(120)에 2차적으로 조사되기 때문에 기판(110)이 버퍼 역할을 하여 레이저 흔적이 생성되는 것을 감소시킬 수 있으며, 레이저 흔적이 생성되더라도 기판(110)의 표면이 아니라, 기판(110)의 내부에 레이저 흔적이 집중적으로 분포하도록 제어하는 것이 용이해질 수 있게 된다.
도 11을 참조하면, 내부가공 레이저 스크라이빙에 의해 예비 절단된 후, 기판(110)은 단위 칩별로 분리된다.
상기의 과정으로 제조되는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙 공정을 도입함으로써, 비교적 용이하게 기판을 활성 영역별로 분리하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 활성층으로부터 입사되는 광의 추출에 방해가 되는 레이저 흔적이 기판의 내부에 분포되도록 제어할 수 있으므로 레이저 흔적에 의한 광 추출의 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 발광 소자는 프론트 레이저의 조사시 기판의 표면에 데미지를 가하지 않으면서 역테이퍼 구조의 발광구조물을 형성함으로써, 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 표면 개질 영역이 구비되도록 함과 더불어, 발광구조물의 가장자리 상측 부분에서의 역테이퍼에 의한 사이드 에미팅(side emitting)을 유도하여 이 부분에서의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
지금까지 본 발명에서는 기판 상에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층, p-전극 패드 및 n-전극 패드가 순차적으로 적층되는 질화물 반도체 발광 소자에 대하여 설명하였으나, 이는 일 예에 불과하며, n측과 p측이 상호 역 순으로 적층되는 구조를 가질 수도 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편 제조
실시예 1
450㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판 상에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층이 차례로 적층되며, 45°의 역테이퍼 각도를 갖는 발광 구조물을 형성한 후, 메사식각으로 n형 질화물층의 일부를 노출시키고 나서 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 형성하였다.
이후, 기판과 이격된 후면에서 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시하여 활성 영역별로 기판을 분리하였다.
실시예 2
0° 역테이퍼 각도를 갖는 발광 구조물을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조하였다.
비교예 1
450㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판 상에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층이 차례로 적층되며, 45°의 역테이퍼 각도를 갖는 발광 구조물을 형성한 후, 메사식각으로 n형 질화물층의 일부를 노출시키고 나서 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 형성하였다.
이때, 발광 구조물은 전면 레이저 스크라이빙을 이용하여 활성 영역별로 절단하였다.
2. 광 출력 특성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 2 및 비교예에 대한 시편들에 따른 광 추출 효율을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시한 실시예 1 ~ 2의 경우 전기적 특성의 차이는 없으며, 광 출력 특성이 103 ~ 105%로 측정된 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예의 경우 전기적 특성의 차이는 없으나, 광 출력 특성이 실시예 1 ~ 2에 비해 낮은 값으로 측정된 것을 확인할 수 있다.
이때, 실시예 1 ~ 2가 비교예에 비하여 광 출력이 높게 측정된 것은 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시하는 것에 의해 레이저 흔적(LD) 분포 위치가 50㎛ 이상인 기판의 내부 깊숙한 위치에 분포한 데 기인한 것으로 파악된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 질화물 반도체 발광 소자 110 : 기판
115 : 요철 구조 120 : 발광구조물
121 : p형 질화물층 122 : 활성층
123 : n형 질화물층 130 : p-전극 패드
140 : n-전극 패드 150 : 투명도전층
160 : 전류 차단층 200 : 내부가공 레이저 조사 유닛
L : 내부가공 레이저 M : 마스크 패턴
θ : 역테이퍼 각도

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 차례로 형성된 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 구비하며, 가장자리가 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물;
    상기 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성된 p-전극 패드; 및
    상기 발광구조물의 n형 질화물층의 노출 영역에 형성된 n-전극 패드;를 포함하며,
    상기 기판은 데브리스 프리 영역(debris free area) 및 표면 개질 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데브리스 프리 영역은
    상기 기판의 1/2 두께 지점의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 기판 하측에서 발광구조물 방향으로 내부가공 레이저를 조사하는 내부가공 레이저 후면 스크라이빙에 의해, 상기 데브리스 프리 영역의 하부에 배치되는 표면 개질 영역에 레이저 흔적이 생성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 표면 개질 영역은
    상기 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물의 역테이퍼 각도는
    30 ~ 70°을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    표면에 형성된 복수의 요철 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는
    상기 p형 질화물층과 p-전극 패드 사이에 형성된 투명 도전층과,
    상기 투명 도전층과 p-전극 패드 사이에 형성된 전류 차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. (a) 복수의 활성 영역을 갖는 기판 상에 n형 질화물 물질층, 활성 물질층 및 p형 질화물 물질층을 차례로 증착하는 단계;
    (b) 상기 p형 질화물 물질층, 활성 물질층 및 n형 질화물 물질층을 차례로 식각하여 p형 질화물층, 활성층 및 n형 질화물층을 구비하며, 역테이퍼 단면을 갖는 발광구조물을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기판의 일측 가장자리에 배치된 p-형 질화물층, 활성층 및 n형 질화물층을 차례로 제거하여, 상기 n형 질화물층의 일부를 노출시키는 단계;
    (d) 상기 p형 질화물층과 n형 질화물층의 노출 영역에 p-전극 패드 및 n-전극 패드를 각각 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 기판의 후면에서 발광구조물 방향으로 내부가공 레이저를 조사하는 내부가공 레이저 스크라이빙을 실시하는 단계;를 포함하며,
    상기 (e) 단계에서, 상기 내부가공 레이저 스크라이빙에 의해, 상기 기판의 1/2 두께 지점의 상부에 데브리스 프리 영역(debris free area)이 배치되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b-1) 상기 발광구조물에 프론트 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 발광구조물의 일부가 제거된 식각 홈을 형성하는 단계; 및
    (b-2) 상기 발광구조물의 식각 홈을 습식 또는 건식 식각으로 오버 에칭(over etching)하여, 역테이퍼 구조를 갖는 발광구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 기판은 발광구조물의 바닥 표면으로부터 50㎛ 이상 이격되는 기판의 내부에 배치되는 표면 개질 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 내부가공 레이저는 900 ~ 1100nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
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