KR100504178B1 - 발광 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 기판의 상부에 N-웨이브 가이드층, 활성층, P-웨이브 가이드층, 투명전극, 반사막, 솔더 반응 방지층과 금속층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와; 상기 금속층의 상부에 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판을 솔더에 의해 본딩하는 제 2 단계와; 상기 사파이어 기판을 제거하고, 노출된 N-웨이브 가이드층에 N-전극을 형성하는 제 3 단계를 수행하여 발광 다이오드를 제조한다.

따라서, 본 발명은 공정의 까다로움을 개선하고, 전극을 상, 하부로 배열시켜 단위 칩의 크기를 축소화시켜 양산수율을 증가시킬 수 있고, 고반사율의 반사막을 소자의 상면에 적층함으로써 소자의 광효율을 증가시키고, 상부의 N-전극패드에만 와이어 본딩을 수행할 수 있어 조립공정의 단순화 및 제조 경비를 줄일 수 있는 효과가 발생한다.

Description

발광 다이오드 및 그의 제조방법{Light emitting diode and method of manufacturing the same}

본 발명은 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정의 까다로움을 개선하고, 전극을 상, 하부로 배열시켜 단위 칩의 크기를 축소화시켜 양산수율을 증가시킬 수 있고, 고반사율의 반사막을 소자의 상면에 적층함으로써 소자의 광효율을 증가시키고, 상부의 N-전극패드에만 와이어 본딩을 수행할 수 있어 조립공정의 단순화 및 제조 경비를 줄일 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 청색, 녹색, 흰색광을 방출하는 발광 다이오드(Light emitting diode, LED)는 소, 대형 전광판뿐만 아니라 지시계, LCD의 백라이트 및 휴대폰의 키패드(Key pad)의 백라이트 등 사회전반에 그 응용범위가 점차 넓어지고 있다.

특히, 청록색 발광 다이오드로 기존의 신호등을 대체하려는 시도가 있고, 광효율이 좀더 높은 흰색 발광 다이오드가 개발되면, 기존에 쓰이던 전등마저 대체가 될 수 있을 것이다.

현재, 상용화되고 있는 청색 및 녹색 발광 다이오드 칩의 제조는 아래 설명과 같이 제작되고 있다.

우선, 질화갈륨 물질로 소자를 구성하기 위한 박막은 금속 유기 화학 증착(Metal Organic Chemical Vaper Deposition, MOCVD)법으로 형성하고, 이를 위한 기판으로는 사파이어(Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC)가 주로 사용되고 있다.

도 1a 내지 1d는 종래 기술에 따른 발광 다이오드 소자를 제조하는 공정도로서, 먼저, 사파이어 기판(11)의 상부에 MOCVD의 공정을 수행하여, 도핑되지 않은 GaN층(12), N-GaN층(13), In_xGa_1-xN층(14), P-GaN층(15)을 순차적으로 적층하고, 상기 P-GaN층(15)의 불순물을 활성화시키기 위해 600℃에서 약 20분 정도 열처리한다.(도 1a)

그 후, 상기 N-GaN층(13)의 일부가 드러나도록, 상기 P-GaN층(15)에서 상기 N-GaN층(13)의 일부까지 반응이온 식각법(Reaction Ion Etching, RIE)으로 식각하고(도 1b), 상기 P-GaN층(15)의 전면에 얇은 오믹 접촉(Ohmic Contact)용 금속층(16)을 형성한다.(도 1c)

그 다음, 상기 오믹 접촉용 금속층(16)의 상부에 칩의 조립시 본딩을 하기 위한 P-전극패드(17)를 형성하고, 상기 식각되어 노출된 N-GaN층(13') 상부에 오믹접촉되는 N-전극패드(18)를 형성한다.(도 1d)

이러한 방법으로 의하여 발광 다이오드는 형성되며, 복수개의 발광 다이오드를 사파이어 웨이퍼에 일괄적으로 제조하고, 사파이어 웨이퍼의 뒷면을 래핑(Lapping)하여 약 100㎛이하로 얇게 한다.

그 후, 스크라이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking) 공정을 수행하여 각각 개별의 발광 다이오드 칩을 분리시킨다.

완성된 발광 다이오드 칩은 패키징과 몰딩의 공정을 거쳐 램프 형태로 만들어지게 된다.

전술된 공정으로 제조된 발광 다이오드의 동작을 설명하면,

먼저, N-전극패드 및 P-전극패드를 통하여 전압을 가하면, N-GaN층 및 P-GaN층으로부터 전자 및 정공이 활성층으로 흘러 들어가 In_xGa_1-xN층에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 발광을 하게 된다.

이 In_xGa_1-xN층은 활성층으로, 이 활성층으로부터 발광된 광은 활성층의 상, 하부로 진행하게 되고, 그 위로 진행된 광은 P-GaN층을 통하여 외부로 방출되고, 상부로 진행된 광의 일부분은 하부로 진행하면서 발광 다이오드 칩 외부로 빠져나가고, 일부분은 사파이어 기판의 아래로 빠져나가 발광 다이오드 칩의 조립시 사용되는 솔더(Solder)에 흡수되거나 반사되어 다시 위로 진행하여 일부는 활성층에 다시 흡수되기도 하고, 상기 활성층을 통하여 외부로 빠져나가게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 전술된 종래 기술에 따른 제조 방법으로 발광 다이오드를 만들게 되면 몇 가지 문제점이 발생하게 된다.

첫째, 현재 GaAs나 InP같은 다른 화합물에서와는 달리 격자정수가 맞고 물질의 특성이 비슷한 GaN기판이 아직 존재하지 않아, GaAs계의 발광 다이오드처럼 전극을 상부와 하부로 형성하지 못하고, 도 1d에 도시된 바와 같이, 모두 동일 방향으로 향할 수밖에 없다.

이런 구조적인 제한으로 GaAs계와 같이, 상부와 하부로 전극을 형성하는 경우와 비교해 볼 때, 동일 웨이퍼에서 칩의 개수가 줄어들 수밖에 없고, 제조하기 위한 공정도 어렵고, 또한 조립시 본딩을 두 번해야 하는 어려움이 있다.

물론, 실리콘 카바이드를 기판으로 사용할 경우는 예외이나, 실리콘 카바이드의 가격이 고가이라 제조 경비가 많이 소요되는 등의 문제점이 있다.

두 번째의 문제점은 사파이어를 기판으로 사용할 경우는 전술된 바와 같이, 발광 다이오드의 구동시 활성층으로부터 발생한 광의 일부가 사파이어의 기판 외부로 나와 조립시 사용되는 솔더에 흡수되어 광 방출의 효율이 그만큼 떨어지게 된다.

세 번째의 문제점은 웨이퍼상에 발광 다이오드 칩의 공정이 종료된 후, 단위 칩으로 분리하기 위해 하는 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing), 스크라이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking) 공정시 사파이어를 기판으로 사용했을 경우, 사파이어의 단단함과 질화갈륨과의 벽개면의 불일치로 인하여 생산수율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 사파이어 기판을 이용한 발광 다이오드의 제조시 발생되는 공정의 까다로움을 개선하고, 전극을 상, 하부로 배열시켜 단위 칩의 크기를 축소화시킬 수 있어, 동일크기의 웨이퍼상에서 제조되는 소자의 개수가 늘어나 양산수율을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 고반사율의 반사막을 소자의 상면에 적층함으로써, 기판방향으로 진행하는 광이 조립공정에 적용된 솔더에 흡수되지 않고, 외부로 방출됨으로써, 소자의 광효율을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발광 다이오드를 조립시 기존에는 N과 P전극에 각각 와이어 본딩을 수행하였지만, 본 발명에서는 상부의 N-전극패드에만 와이어 본딩을 수행함으로써, 조립공정의 단순화 및 제조 경비를 줄일 수 있는 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 금속층, 솔더 반응 방지층, 투명전극, P-웨이브 가이드층, 활성층, N-웨이브 가이드층과 N-전극이 순차적으로 적층된 적층 구조와;

상기 적층구조의 금속층에 본딩되며, 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판로 구성된 발광 다이오드가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 사파이어 기판의 상부에 N-웨이브 가이드층, 활성층, P-웨이브 가이드층, 투명전극, 반사막, 솔더 반응 방지층과 금속층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와;

상기 금속층의 상부에 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판을 솔더에 의해 본딩하는 제 2 단계와;

상기 사파이어 기판을 제거하고, 노출된 N-웨이브 가이드층에 N-전극을 형성하는 제 3 단계로 구성된 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 또 다른 양태(樣態)는, 사파이어 기판의 상부에 도핑되지 않은 질화물 화합물 반도체층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-웨이브 가이드층, 투명전극, 반사막, 솔더 반응 방지층과 금속층을 순차적으로 형성하여 복수개의 발광 다이오드의 적층구조를 형성하는 제 1 단계와;

상기 금속층의 상부에 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판을 솔더에 의해 본딩하는 제 2 단계와;

상기 사파이어 기판과 상기 도핑되지 않은 질화물 화합물 반도체층을 제거하고, 노출된 N-웨이브 가이드층에 N-전극을 형성하는 제 3 단계와;

상기 복수개의 발광 다이오드의 적층구조와 서브마운트 기판에 절단공정을 수행하여 개별 소자로 분리시키는 제 4 단계로 구성된 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정도로서, 먼저 사파이어 기판(21)의 상부에 MOCVD의 공정을 수행하여, 도핑되지않은 GaN층(22), N-GaN층(23), In_xGa_1-xN층(24), P-GaN층(25)을 순차적으로 적층하고, 상기 P-GaN층(25)의 불순물을 활성화시키기 위해 600℃에서 약 20분 정도 열처리한다.(도 2a)

여기서, 상기 N-GaN층(23)은 N-웨이브 가이드층이고, 상기 In_xGa_1-xN층(24)은 활성층이며, 상기 P-GaN층(25)은 P-웨이브 가이드층이다.

연이어, 상기 P-GaN층(25)의 상부에 투명전극(26)을 형성하고(도 2b), 상기 투명전극(26)의 상부에 Ag,Al,Pt,Au,Ni,Ti와 ITO 중 선택된 어느 하나로 형성된 0.2㎛이상의 반사막(27)을 형성한다.(도 2b)

그 후, 상기 반사막(27)의 상부에 발광 다이오드 칩과 서브마운트(Submount) 기판의 조립 및 발광 다이오드의 구동시 발생하는 열에 의해 솔더와 상기 반사막(27)이 반응하여 반사막(27)의 반사도를 저하시키는 것을 방지할 수 있는 솔더 반응 방지층(28)을 형성하고(도 2c), 상기 솔더 반응 방지층(28)의 상부에 Ti/Au, Ni/Au와 Pt/Au 중 선택된 어느 하나의 금속층(29)을 형성한다.(도 2d)

여기서, 상기 솔더 반응 방지층(28)은 ITO막 또는 ATO(Sb를 도핑한 SnO₂)막으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 3a와 3b는 본 발명에 따른 서브마운트 기판을 제조하는 공정도로서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전류가 흐를 수 있는 베이스 기판(30)의 상부와 하부 각각에 제 1과 2 오믹 접촉(Ohmic contact)용 금속층(31,32)을 형성한다.

여기서, 상기 베이스 기판(30)은 Si, AlN, SiC와 GaAs 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 제 1 오믹 접촉용 금속층(31)의 상부에 발광 다이오드 칩 부착용 솔더(33)를 형성한다.(도 3b)

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따라 사파이어 기판에 제조된 복수개의 발광 다이오드를 서브 마운트 기판에 실장하기 위한 공정도로서, 전술된 도 2a 내지 2d의 공정에 의해 복수개의 발광 다이오드들이 제조된 웨이퍼(50)의 금속층(29)을 도 3a 내지 3b에서 제조된 서브마운트 기판(70)의 솔더(33)에 본딩한다.(도 4a)

그 후, 상기 복수개의 발광 다이오드들이 제조된 웨이퍼(50)의 사파이어 기판(21)에 245㎚ ~ 305㎚의 레이저를 조사하여 사파이어 기판(21)을 복수개의 발광 다이오드들로부터 이탈시킨다.(도 4b)

이 때, 조사된 레이저는 사파이어 기판(21)을 투과하여 사파이어 기판(21)과 도핑되지 않은 GaN층(22)의 경계면에서 흡수되어, GaN물질이 Ga과 N₂로 분리되고, 분리된 N₂는 레이저 조사시 외부로 빠져나가고, 계면에는 Ga 금속만 남게 된다.

Ga 금속은 융점이 30℃ 정도이므로, 열을 인가하면, 쉽게 녹일 수 있다.

따라서, 사파이어 기판(21)은 복수개의 발광 다이오드들로부터 이탈된다.

여기서, 복수개의 발광 다이오드들의 최상층인 도핑되지 않은 GaN층은 전술된 레이저 리프트 오프(Lift Off)공정에 의해서, 표면의 어느 정도의 두께까지는 손상된 층으로 남게 된다.

그러므로, 도 4c에서는 전술된 Ga 금속을 묽은 염산용액을 사용하여 제거하고, 도 4d에서는 상기 각각의 발광 다이오드들에 해당하는 N-GaN층(21)의 상부에 N-전극 패드들(41,42)을 형성한다.

여기서, Ga 금속이 제거되면, 건식식각공정을 이용하여 N-GaN층이 드러날 때까지 전면 식각하고, 식각과정 중 발생한 격자의 손실을 회복시키기 위해 열처리를 수행한다.

그리고, 상기 N-전극 패드들(41,42)은 전류의 분산을 위하여 '+'자형으로 형성하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 복수의 발광 다이오드들과 서브마운트 기판에 스크라이빙(Scribing)과 브레이킹(Breaking)의 절단공정을 수행하여 개별 소자(101,102)로 분리한다.(도 4e)

상기 개별 소자(101,102)는 금속층, 솔더 반응 방지층, 투명전극, P-웨이브 가이드층, 활성층, N-웨이브 가이드층과 N-전극이 순차적으로 적층된 적층 구조와;상기 적층구조의 금속층에 본딩되며, 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판으로 구성된다.

따라서, 본 발명의 발광 다이오드는 발광 다이오드의 상부와 하부에 각각 전극을 구비하는 구조로 제조되며, 기존의 식각공정을 수행하지 않으므로, 제조 공정이 간단한 장점이 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 하기의 효과가 있다.

1. 기존의 사파이어 기판을 이용한 발광 다이오드의 제조시 발생되는 공정의 까다로움을 개선하고, 전극을 상, 하부로 배열시켜 단위 칩의 크기를 축소화시킬 수 있어, 동일크기의 웨이퍼상에서 제조되는 소자의 개수가 늘어나 양산수율을 증가시킬 수 있다.

2. 고반사율의 반사막을 소자의 상면에 적층함으로써, 기판방향으로 진행하는 광이 조립공정에 적용된 솔더에 흡수되지 않고, 외부로 방출됨으로써, 소자의 광효율을 증가시킬 수 있다.

3. 발광 다이오드를 조립시 기존에는 N과 P전극에 각각 와이어 본딩을 수행하였지만, 본 발명에서는 상부의 N-전극패드에만 와이어 본딩을 수행함으로써, 조립공정의 단순화 및 제조 경비를 줄일 수 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1a 내지 1d는 종래 기술에 따른 발광 다이오드를 제조하는 공정도이다.

도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조 공정도이다.

도 3a와 3b는 본 발명에 따른 서브마운트 기판을 제조하는 공정도이다.

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따라 사파이어 기판에 제조된 복수개의 발광 다이오드를 서브 마운트 기판에 실장하기 위한 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11,21 : 사파이어 기판 12,22 : 도핑되지 않은 GaN층

13,23 : N-GaN층 14,24 : In_xGa_1-xN층

15,25 : P-GaN층 16,31,32 : 오믹접촉용 금속층

17 : P-전극패드 18,41,42 : N-전극패드

26 : 투명전극 27 : 반사막

28 : 솔더 반응 방지층 29 : 금속층

30 : 베이스 기판 33 : 솔더

50 : 웨이퍼 70 : 서브마운트 기판

101,102 : 개별소자

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 사파이어 기판의 상부에 도핑되지 않은 질화물 화합물 반도체층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-웨이브 가이드층, 투명전극, 반사막, 솔더 반응 방지층과 금속층을 순차적으로 형성하여 복수개의 발광 다이오드의 적층구조를 형성하는 제 1 단계와;

   상기 금속층의 상부에 전류가 흐를 수 있는 서브마운트 기판을 솔더에 의해 본딩하는 제 2 단계와;

   상기 사파이어 기판에 레이저를 조사하여 사파이어 기판을 제거하고, 상기 도핑되지 않은 질화물 화합물 반도체층을 제거하고, 노출된 N-웨이브 가이드층에 N-전극을 형성하는 제 3 단계와;

   상기 복수개의 발광 다이오드의 적층구조와 서브마운트 기판에 절단공정을 수행하여 개별 소자로 분리시키는 제 4 단계로 구성된 발광 다이오드의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 도핑되지 않은 질화물 화합물 반도체층은 GaN층이고,

   상기 N-웨이브 가이드층은 N-GaN층이고,

   상기 활성층은 In_xGa_1-xN층이며,

   상기 P-웨이브 가이드층은 P-GaN층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 반사막은 Ag, Al, Pt, Au, Ni, Ti와 ITO 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 솔더 반응 방지층은 ITO막 또는 ATO막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 서브마운트 기판은,

   전류가 흐를 수 있는 베이스 기판의 상부와 하부 각각에 제 1과 2 오믹 접촉(Ohmic contact)용 금속층을 형성하고,

   상기 제 1 오믹 접촉용 금속층의 상부에 솔더를 부착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 베이스 기판은 Si, AlN, SiC와 GaAs 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제 5 항에 있어서,

    상기 제 3 단계의 N전극은,

    상기 전류의 분산을 원활하게 하기 위하여 '+'자형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조 방법.