KR101115571B1 - ＧａＮ계 화합물 반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GaN계 화합물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 종래 수평형 LED 소자에서의 문제를 해결하기 위해 금속 지지 기판을 사용하는 수직형 GaN LED를 발명하였다. 종래의 수평형 GaN LED에서는 다음과 같은 단점이 있었다. 첫째, 빛이 p-형 GaN를 통해 방출하는 구조인데, p-형 GaN 박막의 저항이 크므로 전류의 확산 저항 (current spreading)을 줄이기 위하여 p-GaN 전면에 투명 전극을 형성한다. 빛 방출시 투명전극에서 빛의 흡수가 일어나므로 광출력 향상에 어려움이 있다. 둘째, GaN 박막이 열 전도도가 매우 작은 사파이어 위에 성장되므로 소자 동작시 발생한 열의 방출이 어려운 단점을 갖고 있다
GaN 를 이용한 수직형 구조의 LED는 기존의 수평형 구조의 LED 에 비해서 다음과 같은 장점을 지니고 있다. 첫째, InGaN 층에서 발생한 빛 입자 (photon)가 n-GaN 층을 통해 방출된다. 따라서 빛 입자가 방출되는 경로가 짧기 때문에 방출 중 흡수되는 photon의 수를 줄일 수 있고, 또한 n-GaN 층에 도핑을 크게 할 수 있으므로 (> 10¹⁹/cm³) 전류 확산저항을 줄일 수 있으므로 광 출력특성을 향상시킬 수 있다. 둘째, 사파이어 기판 대신 금속 지지판을 사용하기 때문에 소자 동작시 전류 인가에 따라 발생하는 열 방출을 용이하게 할 수 있으므로 고출력 소자로 적합하다. 셋째, p형 전극으로 p형 GaN 위에 두꺼운 전극을 사용하기 때문에 전류 밀도를 감소시킬 수 있으므로 제품의 안정성 향상을 기대할 수 있다.
본 발명에서는 종래 수평형 LED와 flip-chip 구조의 LED 소자에서의 문제를 해결하기 위해 도 4와 같은 4종의 수직형 GaN LED를 발명하였다. 본 발명의 첫번째 수직형 GaN LED구조는 제일 밑에 금속 지지층을 사용하고, 그 위에 p형 반사막 오믹 전극층, 그 위에p형 GaN층, InGaN 활성층, n-형 GaN층으로 순차적으로 구성되어 있다. 본 발명의 두번째 수직형 GaN LED구조는 제일 밑에 금속 지지층으로 이중 금속지지층을 사용하여 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖고 있다. 본 발명의 세번째 수직형 GaN LED구조는 p형 반사막 전극을 p-GaN 위에 mesh 형태로 부분적으로 형성시키고 그 사이에 반사막을 넣으므로써 i-InGaN에서 형성한 빛 입자가 n-GaN 층 쪽으로 방출되는 것을 극대화 시킬 수 있는 특징을 갖고 있다. 본 발명의 네번째 수직형 GaN LED구조는 본 발명의 세번째 구조의 수직형 GaN LED와 비교하여 이중 금속지지층을 사용하므로 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 사파이어 기판으로부터 레이저를 이용하여 LED 구조의 GaN 박막층을 분리하는 기술과 분리된 박막층 위에 수직형 GaN LED를 만드는 제조공정을 포함한다.

Description

ＧａＮ계 화합물 반도체 발광 소자{GaN compound semiconductor light emitting element}

본 발명은 질화갈륨계(Gallium Nitride, GaN) 청색 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 수직형 구조의 GaN LED 소자에 관한 것이다.

GaN는 최근 GaN 반도체를 이용한 LED가 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 수 있다는 전망이 지배적으로 형성되면서, 고출력 GaN LED에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 GaN LED를 제조하기 위한 기판은 부도체인 사파이어(sapphire) 기판(10) 위에 n형 GaN(12), 도핑하지 않은 InGaN(활성층; 14), p형 GaN(16)를 순차적으로 성장한 박막층으로 도 1과 같이 구성되어 있다. 사파이어 기판(10)은 부도체이기 때문에 LED 소자는 통상 도 2와 같이 수평형 구조를 갖게 된다. 이때 도면부호 18은 P형 투명전극을 지칭하고, 20은 P형 패드를 지칭하고, 22는 N형 전극을 지칭하고, 24는 N형 패드를 지칭한다.

따라서 고출력 동작 시 전류 확산저항(current spreading-resistance)이 커서 광출력이 낮아지는 단점이 있다. 또 소자 동작 시 발생되는 열이 사파이어 기판(10)을 통해 원활히 제거되지 못하기 때문에 소자의 열적 안정성이 떨어져 고출력 동작에 문제점을 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하여 고출력 GaN LED를 구현하기 위한 플립칩 패키지(flip-chip package)방법을 이용한 플립칩(flip-chip)형 LED가 제안되어 사용되고 있다. 도 3과 같은 플립칩(Flip-chip) 구조의 LED의 경우, 활성층(14)에서 나온 빛이 사파이어 기판(10)을 통해 밖으로 빠져나가기 때문에, 투명 전극(18) 대신 두꺼운 p형 오믹 전극(19)의 사용이 가능하게 되어 전류 확산 저항을 낮출 수 있다. 여기서 도면부호 25는 솔더를 지칭하고, 30은 히트 싱크(heat sink)를 지칭하고, 32는 컨덕팅 마운트(Counducting mount)를 지칭한다. 그러나 플립칩 형태로 패키지를 해야 하므로 제조공정이 복잡하고, 활성층(14)에서 나온 빛이 사파이어 기판(10)을 통해 밖으로 빠져나가는 동안 많은 양의 빛 입자들이 사파이어에 흡수되므로 광 효율 특성이 감소하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 수직형 GaN LED의 제일 밑에 금속 지지층으로 이중 금속지지층을 사용하여 칩 분리를 용이하게 할 수 있으며, p형 반사막 전극을 p-GaN 위에 메시(mesh) 형태로 부분적으로 형성시키고 그 사이에 반사막을 넣으므로써 활성층에서 형성한 빛 입자가 n-GaN 층 쪽으로 방출되는 것을 극대화시킬 수 있으며, 사파이어 기판 대신 금속 기판 또는 전도층 기판 또는 전도성 세라믹 기판을 사용함으로써 소자 동작시 발생하는 열 방출을 용이하게 할 수 있으므로 고출력 소자로 적합하고, InGaN 층에서 발생한 빛 입자 (photon)가 n-GaN 층을 통해 방출되므로 빛 입자가 방출되는 경로가 짧기 때문에 방출 중 흡수되는 광자(photon)의 수를 줄일 수 있고, n-GaN 층에 도핑을 크게 할 수 있으므로 (> 10¹⁹/cm³) 전기 전도도가 크므로 전류 확산저항이 향상되므로 광 출력특성을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고, 사파이어 기판으로부터 레이저를 이용하여 LED 구조의 GaN 박막층을 분리하는 기술과 분리된 박막층 위에 수직형 GaN LED를 만드는 제조공정을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 금속지지층과, 상기 금속지지층 상에 형성된 p형 반사막 전극과, 상기 p형 반사막 전극 상에 순차적으로 적층된 p-질화물 반도체 층, 활성층 및 n-질화물 반도체 층 및 상기 n-질화물 반도체 층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 수직형 반도체 발광 소자를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 금속지지층과, 상기 금속지지층 상에 형성된 반사막과, 상기 반사막 상부 영역에 메시 형태로 형성된 p형 반사막 전극과, 상기 p형 반사막 전극을 포함한 상기 반사막 상부에 순차적으로 형성된 p-질화물 반도체 층, 활성층 및 n-질화물 반도체 층 및 상기 n-질화물 반도체 층 상의 소정영역에 형성된 n형 전극을 포함하는 수직형 반도체 발광 소자를 제공한다.

상기에서, 상기 금속지지층이 이중의 지지층 구조일 수 있다. 그리고, 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 n-질화물 반도체 층의 측면 및/또는 하부의 일부 영역에 형성된 보호막을 더 포함한다. 뿐만 아니라 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 n-질화물 반도체 층층을 감싸는 반사 방지층을 더 포함한다.

또한, 본 발명은 사파이어 기판상에 n-질화물 반도체 층, 활성층 및 p-질화물 반도체 층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층, 상기 n-질화물 반도체 층 및 상기 사파이어 기판의 일부를 식각하여 소자간을 분리하는 단계와, 분리된 상기 p-질화물 반도체 층상에 p형 반사막 전극을 형성하고, 전체 구조상에 제 1 금속지지층을 형성하는 단계와, 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계 및 상기 n-질화물 반도체 층상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 사파이어 기판상에 n-질화물 반도체 층, 활성층, p-질화물 반도체 층, p형 반사막 전극 및 제 1 금속지지층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계와, 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 n-질화물 반도체 층의 일부를 식각하여 소자간을 분리하는 단계 및 상기 n-질화물 반도체 층상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 제 1 금속 지지층 상에 소자간 분리된 제 2 금속지지층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 그리고, 상기 제 1 금속지지층으로 Nb가 도핑된 SrTiO₃, Al이 도핑된 ZnO, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 전도성 세라믹 기판이나 B가 도핑된 Si, As가 도핑된 Si, 불순물 도핑된 다이아몬드 등의 불순물 도핑된 반도체 기판을 사용한다.

이때, 상기 제 1 및 제 2 금속 지지층을 전기도금으로 형성하거나, 열 증착기, 전자선 증착기, 레이저 증착기, 스퍼터, MOCVD과 같은 진공증착기로 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 금속 지지층으로 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Ag, Pt 및 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하여 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 금속지지층의 총 두께가 0.5 내지 200 mm인것이 바람직하다.

상기에서 상기 소자간을 분리하는 단계 이후, 분리된 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 n-질화물 반도체 층을 보호하기 위한 보호막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 소자간을 분리하는 단계 이후, 분리된 상기 p-질화물 반도체 층, 상기 활성층 및 상기 n-질화물 반도체 층을 감싸는 반사방지층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 이때, 상기 n-질화물 반도체 층 상부에 형성된 상기 반사 방지층의 일부를 식각한 후, 상기 반사 방지층이 제거된 영역에 상기 n형 전극을 형성한다. 상기 반사 방지층으로 ITO, ZnO, SiO₂, Si₃N₄ 및 IZO중 어느 하나를 사용하고, 10 내지 5000nm 두께로 형성한다.

그리고, 상기 p형 반사막 전극이 메시 형태이다. 또한, 상기 p형 반사막 전극을 2층 구조로 형성하되, 첫번째 층으로 Ni, Pt, Ru, Ir, Rh, Ta, Mo, Ti, Ag, W, Cu, Cr, Pd, V, Co, Nb 및 Zr 중 적어도 어느 하나의 원소를 사용하고, 두번째 층으로 Ag 및/또는 Al을 사용한다. 이때, 상기 첫번째 층은 5nm 내지 1000nm의 두께로 형성하고, 상기 두번째 층은 10nm 내지 1000nm의 두께로 형성하고, 상기 p형 반사막 전극을 형성한 다음 반사막을 형성한다. 물론 상기 반사막은 Ag 및/또는 Al을 사용하거나, 상기 Ag에 소정의 금속이 10%미만으로 포함되는 합금 또는 상기 Al에 소정의 금속이 10%미만 포함된다. 한편, 상기 P형 반사막 전극을 형성한 후, 질소분위기, 산소분위기 또는 공기분위기에서 300~600℃의 온도 범위에서 30초 ~ 30분간 열처리하는 것이 바람직하다. 상기의 P형 반사막 전극 형성 전에 상기 p-질화물 반도체 층 상에 보호막을 먼저 증착시키고, 상기 보호막을 에칭한 후, 상기 P형 반사막 전극을 형성한다.

상기 제 1 금속지지층으로 금속 판을 상기 p형 반사막 전극이나 상기 반사막에 공융본딩(eutectic bonding) 이나 확산본딩(diffusion bonding)을 시켜 형성히돠, Mo, Ta, Ni, W, Cu, Al 및 Ag 중 적어도 어느 하나의 금속원소로 이루어진 금속 판으로 두께가 5 미크론 내지 200 미크론인 것이 바람직하다.

또한, 상기 n형 전극은 x형상으로 형성한다.

또한, 본 발명에 따른 금속지지층과, 상기 금속지지층 상에 형성된 반사막과, 상기 반사막 상에 순차적으로 형성된 p-질화물 반도체 층, 활성층 및 n-질화물 반도체 층과, 상기 n-질화물 반도체 층 상에 형성된 반사방지막 및 n형 전극을 포함하는 발광소자를 제공한다.

여기서, 상기 p-질화물 반도체 층 하부에 개구부가 포함된 보호막이 형성된다.

또한, 상기 보호막 하부에 반사막 전극을 더 포함하고, 상기 반사막 전극은 상기 p-질화물 반도체 층 하부에 오믹전극을 형성하며, 또한, 상기 반사막 전극은 Ni, Pt, Ru, Ir, Rh, Ta, Mo, Ti, Ag, W, Cu, Cr, Pd, V, Co , Nb, Zr 중 적어도 어느 하나의 원소를 사용하는 제 1 층과 Ag, Al 중 적어도 어느 하나의 원소를 사용하는 제 2 층으로 형성된다.

또한, 상기 반사방지막은 ITO, ZnO, SiO2, Si3N4 및 IZO 중 어느 하나를 포함한다.

또한, 상기 반사방지막은 측면으로 연장되어 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.

또한, 상기 n형 전극은 상기 반사방지막이 형성되지 않은 곳에 형성되고, 이때, 상기 n형 전극은 서로 다른 방향으로 연장된 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자

또한, 상기 금속지지층은 전도성 세라믹기판, Si, 다이아몬드 중 어느 하나를 포함하여 형성되고, 이때, 상기 금속지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Ag, Pt 및 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함한다.

또한, 상기 전도성지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Pt, Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하여 형성된 제 1 금속지지층을 포함하며, 이때, 상기 전도성지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Pt, Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하여 형성된 제 2 금속지지층을 더 포함한다.

본 발명은 수직형 GaN LED의 제일 밑에 금속 지지층으로 이중 금속지지층을 사용하여 칩 분리를 용이하게 할 수 있다.

또한, p형 반사막 전극을 p-GaN 위에 메시(mesh) 형태로 부분적으로 형성시키고 그 사이에 반사막을 넣으므로써 활성층에서 형성한 빛 입자가 n-GaN 층 쪽으로 방출되는 것을 극대화 시킬 수 있다.

또한, 사파이어 기판대신 금속 기판 또는 전도층 기판 또는 전도성 세라믹 기판을 사용함으로써 소자 동작시 발생하는 열 방출을 용이하게 할 수 있으므로 고출력 소자로 적합하고, InGaN 층에서 발생한 빛 입자 (photon)가 n-GaN 층을 통해 방출되므로 빛 입자가 방출되는 경로가 짧기 때문에 방출 중 흡수되는 광자의 수를 줄일 수 있고, n-GaN 층에 도핑을 크게 할 수 있으므로 (> 10¹⁹/cm³) 전기 전도도가 크므로 전류 확산저항이 향상되므로 광 출력특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 사파이어 기판으로부터 레이저를 이용하여 LED 구조의 GaN 박막층을 분리하는 기술과 분리된 박막층 위에 수직형 GaN LED를 만드는 제조공정을 제공할 수 있다.

도 1은 통상 GaN계 청색 LED용 기판의 에피 박막 구조.
도 2는 수평형 LED의 단면도.
도 3은 Flip-chip 형 LED의 단면도.
도 4는 본 발명의 수직형 LED의 단면도.
도 5 내지 도 12는 본 발명에 따른 수직형 LED소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 13은 "X"형 구조를 가지는 n형 전극.
도 14는 본 발명에 따른 LED소자의 SEM 사진.
도 15는 본 발명의 제 5도 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 종래의 수평형 LED 소자와의 전기적, 광학적 특성 비교한 그래프.
도 16은 종래의 수평형 LED와 본 발명 수직형 LED의 주입 전류에 따른 광출력 특성을 비교한 그래프.
도 17은 본 발명의 도 9에 따른 제조 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 도 5에 다른 제조 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와의 전기적, 광학적 특성을 비교한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명에서는 종래 수평형 LED와 플립칩 구조의 LED 소자에서의 문제를 해결하기 위해 도 4와 같은 4종의 수직형 GaN LED를 제공한다. 본 발명의 도 4a와 같은 수직형 GaN LED는 제일 밑에 금속 지지층(100)을 사용하고, 그 위에 p형 반사막 오믹 전극층(반사막 전극; 110), 그 위에p형 GaN층(120), InGaN 활성층(130), n-형 GaN층(140)으로 순차적으로 구성되어 있다. 본 발명의 도 4b와 같은 수직형 GaN LED는 제일 밑에 금속 지지층(100)으로 이중 금속지지층(제 1 및 제 2 금속지지층; 101 및 102)을 사용하여 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖고 있다. 도 4c와 같은 수직형 GaN LED는 p형 반사막 전극(110)을 p-GaN 위에 메시(mesh) 형태로 부분적으로 형성시키고 그 사이에 반사막(103)을 넣으므로써 i-InGaN(활성층; 130)에서 형성한 빛 입자가 n-GaN 층(140) 쪽으로 방출되는 것을 극대화시킬 수 있다. 도 4d와 같은 수직형 GaN LED는 도 4c와 같은 수직형 GaN LED와 비교하여 이중 금속지지층(101 및 102)을 사용하므로 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖게 된다. 도면 부호 150은 n형 오믹 전극을 지칭하고, 160은 반사방지층을 지칭하고, 162는 보호막을 지칭한다.

이하 이러한 구조를 갖는 수직형 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 5를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 수직형 LED 소자 제작공정의 상세 도면이다. 도 5a는 통상 사용하는 GaN LED 기판의 단면도이다. 사파이어 기판(200)위에 n-GaN(140), InGaN 활성층(130), p-GaN(120) 박막을 순차적으로 성장시킨다. 박막의 총 두께는 대략 4 미크론 이고, 박막은 금속-유기물 화학증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 증착시킨다.

도 5b는 소자 영역 이외의 부분을 에칭하는 공정이다. 에칭은 통상 감광막 (photo-resist) 또는 SiO₂ 로 마스킹 한 후 Cl₂ 가스를 흘리면서 건식식각 방법으로 에칭한다. 도 5d는 p형 반사막 오믹전극(110) 제작 형성공정이다. 소자 분리를 위해 에칭 시킨 기판 위에 SiO₂ 보호막(162)을 0.05~ 5.0 미크론 두께로 PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착시킨다. 반사막 오믹 전극(110) 형성을 위해 미세 패턴을 형성한 후 감광막을 마스크로 하여 BOE (buffered oxide etchant) 또는 CF₄ 가스를 이용하여 건식식각 방법으로 에칭시킨 후, 오믹 금속 층을 증착시킨다. 통상 Ni과 Au를 수십에서 수백 나노미터 두께로 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용하지만, 도 4와 같은 수직형 LED의 경우는 반사도가 중요하므로 Ni/Ag, Pt/Ag. Ru/Ag, Ir/Ag 등의 금속을 사용한다. 이 후 300 ~ 600 ^oC 사이에서 열처리하여 반사막 오믹 전극(110)을 형성한다.

도 5d는 수 마이크론 ~ 수 십 마이크론 두께의 금속 지지층(100)을 만들고 레이저를 조사하는 공정을 보여준다. 금속 지지층(100)은 금속 도금(electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator) 등과 같은 진공증착법 또는 금속기판을 p형 전극 위에 올려놓고 300 ^oC 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 붙이는 기판 확산본딩(wafer diffusion bonding) 방법을 이용한다. 레이저를 사파이어를 통해 조사시키면 레이저가 GaN 층에 흡수되며 GaN 기판은 Ga 금속과 N₂ 가스로 분해된다. 이때, 금속 지지층(100)은 레이저 조사에 의해 사파이어 기판(200)이 분리될 때 약 4 미크론 정도의 얇은 GaN 박막층이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 5e는 사파이어 기판(200)이 분리된 후, GaN 박막 층이 금속지지층(100)에 붙어있는 모습을 보여준다. 도 5f는 i-InGaN(활성층; 130)에서 발생한 광 입자 (photon)가 기판 밖으로 잘 빠져나가게 하기 위해 n-GaN층(140) 위에 반사 방지층(160) 코팅(anti-reflective coating)을 하였을 때의 단면도이다. 반사 방지층(160)으로는 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 등이 이용되며, 이 막들은 PECVD로 증착시킨다. 도 5g는 반사 방지층(160)의 일 부분을 에칭하고 n-형 오믹 전극(150)을 형성한 후의 단면도이다. N형 전극으로는 Ti/Al, Cr/Au. 또는 이 층 위에 Cr/Au 혹은 Ni/Au층을 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용한다. 도 5h는 칩을 분리한 후의 단면도이다. 칩은 디싱(dicing )이나 레이저 커팅(cutting) 방법으로 분리한다.

이하 본 발명의 제 2 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 6a는 도 5a와 같이 소정의 GaN층이 형성된 사파이어 기판(200)을 마련한다. 다음으로, 트렌치(Trench) 에칭을 하기 전에 먼저 p형 반사막 오믹전극(110)과 금속지지층(100)을 형성한 다음(도 6b 및 6c), 레이저를 조사하여 사파이어 기판(200)을 분리한다(도 6d). 기판(n-GaN, i-InGaN, p-GaN)을 에칭하여 소자 분리를 한다(도 6e). 반사 방지층(Anti-reflective coating; 160)을 한 후(도 6f), n형 전극(150)을 형성하고(도 6g), 칩 분리를 시켜 (도 6h) 수직형 LED 구조를 완성한다.

이하 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 7은 본 발명의 도 4b의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 앞선 도 5a 내지 도 5d에서 설명한 기판을 마련한다. 즉, 제 1 금속지지층(102)이 형성된 기판을 마련한다. 칩의 면적에 해당하는 영역에 감광막으로 패턴을 형성한 후, 감광막으로 마스크 하여 제 2 금속 지지층(101)을 형성시킨다(도 7a). 이 후의 사파이어 기판(200) 분리를 위해 레이저를 조사한다(도 7b). 즉 도 5e 단계 공정과 그 이후의 공정을 사용하면 도 4b 구조의 수직형 LED가 제작된다.

구체적으로, 도 7b는 도 5d 공정인 레이저를 조사하여 기판을 분리시킨 후 도 5e 공정에서 칩의 면적에 해당하는 영역에 감광막으로 패턴을 형성한 후, 감광막으로 마스크 하여 제 2 금속 지지층(101)을 형성시킨다. 이 후의 사파이어 기판(200) 분리를 위해 레이저를 조사한다. 그 이후의 공정은 도 5e 이후의 공정과 동일하다. 이중 금속지지층을 사용하므로 도 7c와 같이 브레이킹(breaking)이 수월하며 따라서, 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖게 된다. 결국, 최종적으로 도 4b 구조의 수직형 LED가 제작된다.

이하 본 발명의 제 4 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 8은 본 발명의 도 4b의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 8a는 앞서 설명한 도 6a 내지 도 6c 공정을 진행한 후, 제 2 금속지지층(101)을 더 형성시킨 후, 사파이어 기판을 레이저로 분리한 후의 단면도이다. 구체적으로, 도 6d 공정과 그 이후의 공정을 사용하면 도 4b 구조의 수직형 LED가 제작된다.

도 8b는 도 6d 공정인 레이저를 조사하여 사파이어 기판(200)을 분리시킨 후 도 6e 공정에서 소자 분리를 위해 기판을 에칭시킨 후 제 2 금속 지지층(101)이 형성된 공정이다. 그 이후의 공정은 도 6f 이후의 공정과 동일하다. 이중 금속지지층을 사용하므로 도 7c와 같이 브레이킹(breaking)이 수월하며 따라서, 칩 분리를 용이하게 하는 장점을 갖게 된다. 최종적으로 도 4b 구조의 수직형 LED가 제작된다.

이하 본 발명의 제 5 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 9는 본 발명의 도 4c의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 단면 흐름도이다.

도 9a는 도 5b 공정까지 진행한 후, 전 면에 SiO₂ 보호막(162)을 0.05~ 5.0 미크론 두께로 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착시킨다. 이 후, 메시 형태의 미세 패턴을 형성한 후 감광막을 마스크로 하여 BOE(buffered oxide etchant) 또는 CF₄ 가스를 이용하여 건식식각 방법으로 SiO₂ 보호막(162)을 에칭 시킨 후, SiO₂가 제거된 부분 위에 p형 반사막 오믹 금속을 증착시킨 후, 열처리를 하여 p-형 반사막 오믹전극(110)을 형성시킨다. 여기서 Ni과 Au를 수십에서 수백 나노미터 두께로 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용할 수 있지만, 도 4와 같은 수직형 LED의 경우는 반사도가 중요하므로 Ni/Ag, Pt/Ag. Ru/Ag, Ir/Ag 등의 금속을 사용한다. 이 후 300 ~ 600 ^oC 사이의 온도에서 수 초 ~ 수 분 급속열처리 방법(rapid thermal annealing)을 사용하여 열처리하여 전극을 형성한다.

이후, 도 9b와 같이 메시 형상의 p-형 반사막 오믹 전극 위에 Ag 또는 Al 계의 반사막(103)을 증착시킨다. 도 9c는 수 마이크론 ~ 수 십 마이크론 두께의 금속 지지층(100)을 만들고 레이저를 조사하는 공정을 보여준다. 금속 지지층(100)은 금속 도금(electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터, 전자빔, 열증착 등과 같은 진공증착법 또는 금속기판을 p형 전극 위에 올려놓고 300 ^oC 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 붙이는 기판 확산본딩(wafer diffusion bonding) 방법을 이용한다. 레이저를 사파이어를 통해 조사시키면 레이저가 GaN 층에 흡수되며 GaN 기판은 Ga 금속과 N₂ 가스로 분해된다. 이때, 금속 지지층(100)은 레이저 조사에 의해 사파이어 기판(200)이 분리될 때 약 4 미크론 정도의 얇은 GaN 박막층이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이 후의 공정은 도 5e, 도 5f, 도 5g와 같다. 칩을 분리한 후의 단면도는 도 9d와 같다.

이하 본 발명의 제 6 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명한다.

도 10은 본 발명의 도 4c의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 단면 흐름도이다.

도 10a는 도 6a에 따른 소정의 기판 상에 SiO₂ 보호막(162)을 0.05~ 5.0 미크론 두께로 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착시킨다.

도 10b는 메시 형태의 미세 패턴을 형성한 후 감광막을 마스크로 하여 BOE(buffered oxide etchant) 또는 CF₄ 가스를 이용하여 건식식각 방법으로 SiO₂ 보호막(120)를 에칭 시킨 후, SiO₂가 제거된 부분 위에 p형 반사막 오믹 금속을 증착시킨 후, 열처리를 하여 p-형 반사막 오믹 전극(110)을 형성시킨다. Ni과 Au를 수십에서 수백 나노미터 두께로 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용할 수 있지만, 도 4와 같은 수직형 LED의 경우는 반사도가 중요하므로 Ni/Ag, Pt/Ag. Ru/Ag, Ir/Ag 등의 금속을 사용한다. 이 후 300 ~ 600 ^oC 사이의 온도에서 수 초 ~ 수 분 급속열처리 방법 (rapid thermal annealing)을 사용하여 열처리하여 전극을 형성한다. 이후, p-형 반사막 오믹 전극(110) 위에 Ag 또는 Al 계의 반사막(103)을 증착시킨다.

도 10c는 수 마이크론 ~ 수 십 마이크론 두께의 금속 지지층(100)을 만들고 레이저를 조사하는 공정을 보여준다. 금속 지지층(100)은 금속 도금(electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator) 등과 같은 진공증착법 또는 금속기판을 p형 전극 위에 올려놓고 300 ^oC 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 붙이는 기판 확산본딩(wafer diffusion bonding) 방법을 이용한다. 레이저를 사파이어를 통해 조사시키면 레이저가 GaN 층에 흡수되며 GaN 기판은 Ga 금속과 N₂ 가스로 분해된다. 이때, 금속 지지층(100)은 레이저 조사에 의해 사파이어 기판(200)이 분리될 때 약 4 미크론 정도의 얇은 GaN 박막층이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이 후의 공정은 도 6e, 도 5f, 도 5g와 같다. 칩을 분리한 후의 단면도는 도 10d와 같다.

이하, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 11은 본 발명의 도 4d의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 단면 흐름도이다.

도 11a는 도 5b 공정 후, 전 면에 SiO₂ 보호막(162)을 0.05~ 5.0 미크론 두께로 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착시킨다. 이 후, 메시 형태의 미세 패턴을 형성한 후 감광막을 마스크로 하여 BOE(buffered oxide etchant) 또는 CF₄ 가스를 이용하여 건식식각 방법으로 SiO₂를 에칭 시킨 후, SiO₂가 제거된 부분 위에 p형 반사막 오믹 금속을 증착시킨 후, 열처리를 하여 p-형 반사막 오믹전극(110)을 형성시킨다. 이때 Ni과 Au를 수십에서 수백 나노미터 두께로 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용할 수 있지만, 도 4와 같은 수직형 LED의 경우는 반사도가 중요하므로 Ni/Ag, Pt/Ag. Ru/Ag, Ir/Ag 등의 금속을 사용한다. 이 후 300 ~ 600 ^oC 사이의 온도에서 수 초 ~ 수 분 급속열처리 방법(rapid thermal annealing)을 사용하여 열처리하여 전극을 형성한다.

도 11b는 메시 형상의 p-형 반사막 오믹 전극(110) 위에 Ag 또는 Al 계의 반사막을 증착시킨다. 이후, 도 11c는 수 마이크론 ~ 수 십 마이크론 두께의 제 1 금속 지지층(102)을 만들고, 칩의 면적에 해당하는 영역에 감광막으로 패턴을 형성한 후, 감광막으로 마스크 하여 제 2 금속 지지층(101)을 형성시킨다. 이 후, 레이저를 조사하여 사파이어 기판(200)을 분리시킨다. 제 1 금속 지지층(102)은 금속 도금(electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator)등과 같은 진공증착법 또는 금속기판을 p형 전극 위에 올려놓고 300 ^oC 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 붙이는 기판 확산본딩(wafer diffusion bonding) 방법을 이용한다. 제 2 금속 지지층(101)은 금속 도금(electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator) 등과 같은 진공증착법을 이용한다. 레이저를 사파이어를 통해 조사시키면 레이저가 GaN 층에 흡수되며 GaN 기판은 Ga 금속과 N₂ 가스로 분해된다. 이때, 금속 지지층은 레이저 조사에 의해 사파이어 기판(200)이 분리될 때 약 4 미크론 정도의 얇은 GaN 박막층이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이 후의 공정은 도 5e, 도 5f, 도 5g와 같다. 칩을 분리한 후의 단면도는 도 11d와 같다.

이하, 본 발명의 제 8 실시예에 따른 LED소자의 제조 방법을 설명한다.

도 12는 본 발명의 도 4d의 수직형 LED의 제조 방법을 설명하기 위한 단면 흐름도이다.

도 12a는 도 6a 기판 위에 SiO₂ 보호막(162)을 0.05~ 5.0 미크론 두께로 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착시킨다. 이 후, 메시 형태의 미세 패턴을 형성한 후 감광막을 마스크로 하여 BOE (buffered oxide etchant) 또는 CF₄ 가스를 이용하여 건식식각 방법으로 SiO₂를 에칭 시킨 후, SiO₂가 제거된 부분 위에 p형 반사막 오믹 금속을 증착시킨 후, 열처리를 하여 p-형 반사막 오믹전극(110)을 형성시킨다. 통상 Ni과 Au를 수십에서 수백 나노미터 두께로 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시켜 사용할 수 있지만, 도 4와 같은 수직형 LED의 경우는 반사도가 중요하므로 Ni/Ag, Pt/Ag. Ru/Ag, Ir/Ag 등의 금속을 사용한다. 이 후 300 ~ 600 ^oC 사이의 온도에서 수 초 ~ 수 분 급속열처리 방법 (rapid thermal annealing)을 사용하여 열처리하여 전극을 형성한다. 이후, 메시 형상의 p-형 반사막 오믹 전극(110) 위에 Ag 또는 Al 계의 반사막(103)을 증착시킨다.

도 12b는 수 마이크론 ~ 수 십 마이크론 두께의 제 1 금속 지지층(102)을 만들고, 칩의 면적에 해당하는 영역에 감광막으로 패턴을 형성한 후, 감광막으로 마스크 하여 제 2 금속 지지층(101)을 형성시킨다. 이 후, 레이저를 조사하여 사파이어 기판(200)을 분리시킨다. 제 1 금속 지지층(102)은 금속 도금 (electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator)등과 같은 진공증착법 또는 금속기판을 p형 전극 위에 올려놓고 300 ^oC 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 붙이는 기판 확산본딩(wafer diffusion bonding) 방법을 이용한다. 제 2 금속 지지층(101)은 금속 도금 (electro-plating of metals) 방법, 또는 스퍼터(sputter), 전자선 증착(e-beam evaporator), 열 증착(thermal evaporator)등과 같은 진공증착법을 이용한다. 레이저를 사파이어를 통해 조사시키면 레이저가 GaN 층에 흡수되며 GaN 기판은 Ga 금속과 N₂ 가스로 분해된다. 이때, 금속 지지층은 레이저 조사에 의해 사파이어 기판(200)이 분리될 때 약 4 미크론 정도의 얇은 GaN 박막층이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 12c는 사파이어 기판(200)을 분리시킨 후의 단면도이다. 이 후의 공정은 도 6e, 도 5f, 도 5g와 같다. 칩을 분리한 후의 단면도는 도 10d와 같다.

본 발명의 수직형 LED 소자는 상술한 공정에 한정되지 않고, 반도체 소자의 제조를 위한 다양한 공정을 통해 제작될 수 있다. 즉, 각각의 층들은 다양한 증착 공정을 통해 제조될 수 있고, 식각 또한 건식/습식을 이용한 식각공정을 수행할 수 있고, 패터닝 공정시에도 감광막 대신 별도의 배리어막을 사용할 수도 있다.

도 13은 "X"형 구조를 가지는 n형 전극 구조를 설명하기 위한 평면도이다.

도 13과 같이 n-형 전극의 패드 주위에 크로스 'x'형태의 가지를 달게 되면 빛 특성을 전류의 확산 저항을 줄일 수 있으므로 전자를 균일하게 주입할 수 있으므로 광출력을 향상시킬 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 광출력의 향상을 위해 N형 전극으로 다양한 형상이 가능하다.

도 14는 본 발명에 따른 LED소자의 SEM 사진이다.

구체적으로, 도 14는 2인치 기판을 이용하여, 본 발명의 도 5의 공정으로 사파이어를 분리한 2인치 LED 기판과 그 위에 제작한 LED 소자가 배열되어 있는 것을 주사전자현미경(scanning electron microscope)으로 관찰한 사진으로 본 발명의 예시이다. 2인치 기판 모두가 완벽하게 사파이어로부터 분리된 것을 보여주며, 그 안에 제작된 소자가 모두 양호한 상태를 유지하고 있음을 보여준다.

도 15는 본 발명의 제 5도 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 종래의 수평형 LED 소자와의 전기적, 광학적 특성 비교한 그래프이다.

도 15a는 수평형 LED와 수직형 LED 소자의 전류-전압 특성을 비교한 결과 그래프이다. 주입 전류가 20 mA일 때 수직형 LED의 순방향 전압(forward voltage)은 3.3 V로 수평형 LED의 3.5 V에 0.2 V 정도 낮은 것으로 분석되었다. 이것은 수직형 구조의 LED가 전력소모가 작은 것을 보여준다. 도 15b는 수평형 LED와 수직형 LED 소자의 광출력 특성을 비교한 결과이다. 광 출력 특성이 2.5배 이상 향상됨을 보여준다. 이것은 수직형 구조의 LED가 같은 전력 소모에 비해 2.5배 더 밝은 빛을 방출함을 보여준다.

도 16은 종래의 수평형 LED와 본 발명 수직형 LED의 주입 전류에 따른 광출력 특성을 비교한 그래프이다.

도 1과 같은 구조의 LED 기판 위에 도 2와 같은 수평형 LED와 도 5의 공정으로 도 4a와 같은 수직형 LED를 만들고 주입 전류에 따른 빛의 광출력 특성을 조사하였다. 도 16에서 보여주는 바와 같이 수직형 LED가 수평형 LED에 비해 약 2.5배 밝은 빛을 방출하는 것을 확인하였다.

도 17은 본 발명의 도 9에 따른 제조 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 도 5에 다른 제조 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와의 전기적, 광학적 특성을 비교한 그래프이다.

여기서, 반사막으로는 순도 99% 이상의 Ag를 500 nm 두께로 열증착 시킨 Ag 막을 사용하였다. 도 17a는 도 9에 따른 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 도 5에 따른 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와의 소자의 전류-전압 특성을 비교한 결과이다. 주입 전류가 20 mA일 때 두 소자 모두 순방향 전압(forward voltage)은 3.3 V로 분석되었다. 도 17b는 도 9에 따른 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와 도 5에 따른 공정으로 제작한 수직형 LED 소자와의 광출력 특성을 비교한 결과이다. 광 출력 특성이 20% 이상 향상됨을 확인하였다. 이것은 Ag 막의 반사도가 98% 이상이기 때문이다. 즉 도 9에 따른 공정을 통해서 수직형 LED 소자의 빛 특성을 20% 이상 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

10, 200 : 사파이어 기판 12 , 140: n-GaN
14, 130 : 활성층 16, 120 : p-GaN
18 : p형 투명전극 20 : p형 패드
22, 150 : n형 전극 24 : n형 패드
100 : 금속 지지층 110 : p형 반사막 전극
103 : 반사막 160 : 반사 방지막
162 : 보호막

Claims (13)

1. 금속지지층;
   상기 금속지지층 상에 형성된 반사막;
   상기 반사막 상에 순차적으로 형성된 p-질화물 반도체 층, 활성층 및 n-질화물 반도체 층;
   상기 n-질화물 반도체 층 상에 형성된 반사방지막; 및
   n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 p-질화물 반도체 층 하부에 개구부가 포함된 보호막이 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 보호막 하부에 반사막 전극을 더 포함함을 특징으로 하는 발광소자.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 반사막 전극은 상기 p-질화물 반도체 층 하부에 오믹전극을 형성함을 특징으로 하는 발광소자.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 반사막 전극은 Ni, Pt, Ru, Ir, Rh, Ta, Mo, Ti, Ag, W, Cu, Cr, Pd, V, Co , Nb, Zr 중 적어도 어느 하나의 원소를 사용하는 제 1 층과 Ag, Al 중 적어도 어느 하나의 원소를 사용하는 제 2 층으로 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 반사방지막은 ITO, ZnO, SiO2, Si3N4 및 IZO 중 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 발광소자.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 반사방지막은 측면으로 연장되어 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 n형 전극은 상기 반사방지막이 형성되지 않은 곳에 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 n형 전극은 서로 다른 방향으로 연장된 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자
   
10. 제 1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속지지층은 전도성 세라믹기판, Si, 다이아몬드 중 어느 하나를 포함하여 형성됨을 특징으로 하는 발광소자.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Ag, Pt 및 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함함을 특징으로 하는 발광소자.
    
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Pt, Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하여 형성된 제 1 금속지지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전도성지지층은 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Pt, Cr 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하여 형성된 제 2 금속지지층을 더 포함함을 특징으로 하는 발광소자.

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