KR101125339B1

KR101125339B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101125339B1
Application number: KR1020060014091A
Authority: KR
Inventors: 이상열
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2012-03-27
Also published as: US20100219442A1; WO2007094613A1; US20130146935A1; US8659051B2; KR20070081863A; US8368111B2

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에 패턴홀을 형성하고 이를 통하여 n형 전극이 n형 질화물 반도체층까지 오믹 접촉시킨 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자 제조방법은, 기판의 일측면 일부를 식각하여 패턴홀을 형성하는 단계; 상기 패턴홀을 소정 물질로 충진하는 단계; 상기 기판의 일측면 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 구비하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 패턴홀이 형성된 기판의 타측을 제거하여 상기 패턴홀을 외부로 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 타측면 상에 n형 전극을 형성하여, 상기 형성되는 n형 전극이 상기 패턴홀을 통하여 n형 질화물 반도체층에 오믹 접촉되는 단계를 포함한다.

질화물계 반도체 발광소자, n형 전극, 패턴홀, 오믹 접촉

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법{Nitride compound based light-emitting semiconductor and fabricating method thereof}

도 1은 종래 질화물계 반도체 발광소자 구조를 나타내는 종단면도이고;

도 2는 일반적인 반도체 발광소자를 패키징하여 형성된 표면 실장형 발광 다이오드를 나타내는 종단면도이며;

도 3은 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 종단면도이고;

도 4a 내지 도 4f는 본 발명 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 제조하는 공정을 순차적으로 나타내는 종단면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1, 100 : 반도체 발광소자 10, 110 : 사파이어 기판

20, 120 : n형 질화물 반도체층 30, 130 : 활성층

70, 170 : n형 전극 40, 140 : p형 질화물 반도체층

111 : 패턴홀

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판에 패턴홀을 형성하고 그 패턴홀을 통해 n형 전극이 n형 질화물 반도체층에 오믹 접촉(ohmic contact)할 수 있도록 한 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 반도체 pn 접합에 순방향 전압을 인가하여 발생한 전자와 홀(hole)의 재결합 발광 현상을 이용하는 반도체 발광소자를 포함하는 광원으로서, 소형, 저소비 전력, 고신뢰성 등의 특징을 겸비하고 있으므로 그 용도가 비약적으로 확대되고 있는 광원이다.

이러한 발광 다이오드는 도 1에서 보여지는 바와 같은 구조를 갖는 반도체 발광소자(1)를 포함하며, 하기에서는 청색광을 발광하는 수직형 질화물계 반도체 발광소자를 예로 설명한다.

수직형 질화물계 반도체 발광소자(1)는 도전성을 갖는 서브 마운트(Sub-Mount, 60)의 상면으로 p형 전극층(50), p형 질화물 반도체층(40), 활성층(30) 및 n형 질화물 반도체층(20)이 순차적으로 위치되고, 상기 n형 질화물 반도체층(20) 상에는 n형 전극(70)이 존재한다.

이와 같은 구조를 갖는 수직형 질화물계 반도체 발광소자(1)는 사파이어 기판상에 n형 질화물 반도체층, 다층구조 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시킨 후, n형 질화물 반도체 층 일부분이 노출되도록 식각하여 그 위에 n형 전극을 형성하여, 소자의 상면에서 보면 전극 2개가 보이는 수평형 구조를 갖는 수평형 반도체 발광소자와 달리, n형 전극(70)과 p형 전극층(50)이 수직으로 배열된 구조를 갖는다.

이러한 수직형 질화물계 반도체 발광소자(1)의 제작 과정은 하기와 같다.

사파이어 기판(미도시)상에 유기 금속 기상 성장법(MOCVD, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)에 의하여, n형 질화물 반도체층(20), 활성층(30) 및 p형 질화물 반도체층(40)을 순차적으로 증착한 후, p형 질화물 반도체층(40) 상에 p형 전극층(50)을 형성하고, 상기 p형 전극층(50)의 상부에 서브 마운트(Sub-Mount, 60)를 부착한다.

그리고, 레이저를 이용하여 상기 사파이어 기판을 상기 n형 질화물 반도체층(20)이 드러나도록 완전히 제거한 후, 상기 n형 질화물 반도체층 (20) 상면에 n형 금속 전극(70)을 형성하는 공정을 통해 수직형 질화물계 반도체 발광소자(1)가 제작된다.

상기한 구조를 갖는 반도체 발광소자(1)를 반전시켜, 도 2와 같이, 외부로부터 전력이 인가되는 도선 역할을 하는 리드 프레임(2) 상에 도전 페이스트를 이용하여 접착하고, n형 전극(70)과 리드 프레임(2)의 전극을 전선으로(3) 연결한다.

그리고, 빛의 발광 각도를 조절할 수 있도록 내부면에 소정 기울기를 갖는 프레임(4)을 상기 리드 프레임(2) 상에 고정하고, 그 내부에 에폭시(5)를 주입하여 상기 반도체 발광소자(1)를 피복 함으로써 발광 다이오드가 완성된다.

이와 같은 종래 수직형 반도체 발광소자를 구비하는 발광 다이오드에 있어서, 리드 프레임(2)에 전압이 인가되면 상기 활성층(30)에서 광이 발생하여 외부로 방출된다.

그러나, 도 1과 같이, 사파이어 기판(미도시)이 질화물계 반도체 층(20)으로부터 레이저, 습식 또는 건식, 기계적인 연마 방법을 통하여 완전히 제거되는 경우, n형 질화물 반도체층(20) 등이 손상된다.

그리고, 손상이 발생한 n형 질화물 반도체층(20)에 n형 전극(70)을 형성함에 따라, 그 접촉면이 불균일하게 되어, n형 전극에 인가되는 전압에 비해 발광효율이 낮아질 수 있고, 발광 소자의 동작 과정에서 발생하는 열 방출 특성이 낮아져서 발광 소자의 수명을 단축될 수도 있다.

특히, n형 전극(70)은 n형 질화물 반도체층(20)과 오믹 접촉(ohmic contact)을 취할 수 있는 전극 재료인 동시에, 활성층(30)으로부터 발생되는 광을 외부로 용이하게 방출시키기 위하여 고반사율을 갖는 금속 재료로 형성되어야 하기 때문에, 만일 n형 질화물 반도체층(20) 상에 n형 전극(70)이 반도체층(20)의 손상으로 인하여 얇은 두께로 형성되면 전극의 도전율 저하로 인하여, 소자저항의 상승 및 신뢰성 저하가 발생된다.

본 발명은 수직형 전극구조를 갖는 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 발광 소자의 발광 특성과 신뢰성이 향상된 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법은,

기판의 일측면 일부를 식각하여 패턴홀을 형성하는 단계; 상기 패턴홀을 소정 물질로 충진하는 단계; 상기 기판의 일측면 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 구비하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 패턴홀이 형성된 기판의 타측을 제거하여 상기 패턴홀을 외부로 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 타측면 상에 n형 전극을 형성하여, 상기 형성되는 n형 전극이 상기 패턴홀을 통하여 n형 질화물 반도체층에 오믹 접촉되는 단계를 포함한다.

또한 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 일측면에 패턴홀이 형성된 기판; 상기 패턴홀이 형성된 기판의 일측면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 패턴홀을 통하여 상기 n형 질화물 반도체층과 오믹 접촉되도록 상기 기판의 타측면에 형성된 n형 전극을 포함한다.

본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 도 3과 같이, 서브 마운트(Sub-Mount, 160)의 상면에는 p형 전극층(150), p형 질화물 반도체층(140), 활성층(130), n형 질화물 반도체층(120)이 순차적으로 위치되고, 상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 사파이어 기판(110)과 n형 전극(170)이 존재한다.

특히, 본 발명에 따른 수직형 질화물계 반도체 발광소자(100)는 사파이어 기 판(110)상에 위치되는 n형 전극(170)과 p형 전극층(150)이 수직으로 배열된 구조로서, 상기 n형 전극(170)은 사파이어 기판(110)에 형성된 다수개의 패턴홀(111)을 통하여 사파이어 기판(110)의 하부에 위치되는 n형 질화물 반도체층(120)과 오믹 접촉(Ohmic Contact)하고 있다.

이 때, 사파이어 기판(110)은 그 두께가 대략 수백㎛이고, 투명하기 때문에 활성층(130)에서 발생되는 광이 외부로 용이하게 빠져나올 수 있으며, 일측면에 형성되는 n형 전극(170)의 형성 위치에 존재하는 패턴홀(111)은 기판을 소정의 깊 이로 식각하여 형성한 것이다.

그리고, 상기 n형 전극(170)은 전자빔 증착법 등에 의하여 막두께가 약 수천 Å에서 수 ㎛인 Au 등의 고도전률을 갖는 재료로 형성되며, 상기 n형 전극(170)은 리드 프레임(미도시)과 와이어(미도시)에 의해 전기적으로 접속된다.

상기한 구조를 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 수직형 질화물계 반도체 발광소자의 제조공정을 도 4a 내지 도 4f의 단면도를 이용하여 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에 따른 수직형 질화물계 반도체 발광소자는 도 4a와 같이, n형 전극이 형성될 위치의 기판면의 대향면에 리소그래피기술과 RIE(Reactive Ion Etching)법 등을 이용하여 소정 두께로 디스크 형태의 사파이어 기판(110)을 패터닝하여 적어도 하나 이상의 패턴홀(111)을 형성한다.

상기 패턴홀(111)은 그 상면에 형성될 n형 전극(170)이 구조적으로 안정적으로 결합될 수 있도록 다양한 깊이와 형상으로 제작될 수 있으며, 예를 들어, 패턴 홀 모양은 +모양, * 모양 등 여러 가지 모양으로 형성될 수 있으며, 패턴 홀(111)의 깊이는 수 ㎛~수백 ㎛의 깊이로 형성될 수 있다.

그리고, 도 4b와 같이, 상기 사파이어 기판(110)의 패턴홀(111) 내부를 충진물(112)로 채워넣어, 사파이어 기판(110)의 표면을 균일하게 형성한다.

이때, 상기 충진물(112)은 상기 패턴홀(111) 내부를 고온 고압에서 진행되는 질화물 반도체의 박막 성장 과정에서 그 형태를 유지할 수 있는 재료 중에서 선택된다. 예를 들어, SiO₂, ITO, ZnOx, TiOx, W, Ti, Ta, Pt, Cr, Si, Mo, Ru, Re 등이 될 수 있다.

도 4c와 같이, 상기 사파이어 기판(110)상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키며, 이를 성장시키는 방법들로는, MOCVD((Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 유기 금속 기상 성장)법, MBE(molecular beam epitaxy), HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 등을 포함한 다양한 방법들이 사용될 수 있다.

그리고, 도 4d와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에 MOCVD 방법으로 다중양자우물(Multi-Quantum Well : MQW)의 활성층(130)을 형성한 후, p형 질화물 반도체층(140)을 성장시킨다.

이 후, 상기 p형 질화물 반도체층(140)의 상면에는 p형 전극층(150)이 형성되며, 상기 p형 전극층(150)은 반사층과, 중간층과, 투명 전도성 산화막층을 포함한다.

그리고, 상기 p형 전극층(150) 상에는 실리콘기판 등으로 형성된 서브 마운 트(160)를 부착한다.

이와 같이 서브 마운트(160)까지 부착된 반도체 발광소자에 대하여, 도 4e에서 도시된 것과 같이, 상기 사파이어 기판(110)을 그 상부에 위치되는 질화물 반도체층들을 지지할 수 있는 두께 정도로 기판(110) 하부면으로부터 소정 두께로 식각하거나 또는 그라인딩하여 제거한다.

이에 따라, 상기 사파이어 기판(110)의 하부면(즉, 반대면)에 형성된 패턴홀(111)이 상기 사파이어 기판(110)의 하부면을 통해 노출된다.

한편, 상기한 방법으로 하부면이 제거된 사파이어 기판(110)의 두께는 대략 수십 ~ 수백 ㎛이며, ECR, CAIBE, ICP 및　RIE 중 어느 한 방법으로 실시하는 것이 바람직하며, 주요 식각가스로써 Cl2, BCl3 또는 HBr가스를 사용하며, 이때, 첨가가스로써 Ar 또는 H2가스를 사용한다.

또한, 습식식각 방법을 이용하여 사파이어 기판(110)의 하부면을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 사파이어 기판(110)의 하부면은 기계적으로 그라인딩(grinding)，래핑(lapping) 또는 폴리싱(polishing) 방법 및 레이저 방법으로 연마할 수도 있다.

상기 사파이어 기판(110)은 그 두께가 사파이어 기판 상부면 상에 형성된 발광 소자를 적어도 지지할 수 있도록 제거하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 패턴홀(111)의 내부에 채워진 충진물(112)을 패턴홀(111) 내부에서 제거한다. 이때, 상기 충진물(112)이 n형 질화물 반도체층과 오믹 접합이 가능하면 제거하지 않아도 무방하다.

그리고, 도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 패턴홀(111) 내부와 상기 사파이어 기판상에 n형 전극(170)이 형성되도록 전자빔 증착법을 이용하여 도전률이 큰 재료를 증착한다.

본 발명에 따라 상기 n형 전극(170)을 막두께가 약 수천 Å에서 수 ㎛인 고도전률의 전극으로 형성하며, 이는 Ti, Al, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag 및 Au 등으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진다.

특히, 상기 n형 전극(170)은 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 n형 질화물 반도체층(120)과 닿도록 상기 사파이어 기판의 소정 영역과 배선층 내부에 Al, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag 및 Au 등의 적어도 하나의 재료를 증착시키기 때문에 상기 n형 질화물 반도체층(120)과 균일하게 접촉된다.

상기한 방법으로 형성된 반도체 발광소자(100)를 반전시켜 리드 프레임 상에 실장하여 전류를 인가한다.

그리고, 도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자(100)에 있어서, p형 전극층을 상세하게 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, p형 전극층(150)은 반사층(150-1)과, 중간층(150-2)과, 투명 전도성 산화막층(150-3)을 포함한다. 상기 투명 전도성 산화막층(150-3)은 광경로(Photon Path)와 전류 퍼짐(Current Spreader)의 기능을 수행하며, 다른 층과의 안정한 계면 상태를 유지할 수 있도록 하며, 주로 CVD(chemical vapor deposition) 등의 방법을 이용하여 ZnO, RuO, NiO, CoO, 및 ITO(Indium-Tin-Oxide)의 금속 산화물을 증착시킨 층으로서, 바람직하게는 ITO로 이루어진다.

그리고, 상기 중간층(150-2)은 전자빔 증착법 또는 열 증착 등의 방법에 의하여 다른 층과의 접합특성이 우수한 층으로 형성되며, 예를 들어, Ti, Cr, Ni, Ir, Ru, Pt, Pd, TiOx, NiO_x, PtO_x, PdOx, CrO 등의 물질로 형성되고, 열처리를 통하여 투명하게 형성되어 광 투과성을 높이게 된다.

또한, 상기 반사층(150-1)은 Al, Ag, Rh, Pt 등을 포함하는 반사특성이 우수한 물질로 이루어지고, 중간층(150-2)의 형성 방법과 동일하게 전자빔 증착법 또는 열 증착 등의 방법을 이용하여 증착된다. 또한, 반사층(150-1)은 전술한 반사특성이 우수한 물질들중 어느 하나의 단일층 구조, 및 전술한 반사특성이 우수한 물질들에 Au, Pt, Cr, Ti, Ni, Rh, Pd 등의 물질을 소정 몰 비율로 혼합한 혼합층 또는 2개 이상의 적층 구조를 형성할 수 있다.

이와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 따른 수직형 반도체 발광소자(100)는 사파이어 기판의 패턴홀(111)을 따라 n형 전극(170)이 n형 질화물 반도체층(120)에 직접적으로 연결될 수 있으므로 n형 전극(170)으로부터 주입된 전류가 누설 없이 활성층(130)에 주입되기 때문에, 효율이 좋은 발광이 얻어진다.

그리고, 전극이 형성될 위치에 패턴홀(111)이 위치되어 있으므로 n형 전극(170)의 위치결정이 용이하므로 반도체 발광소자의 제조성을 향상시킬 수 있다.

또한, 서브 마운트를 매개로 접착함으로써 방열효율을 향상시킬 수 있기 때문에 반도체 발광소자의 동작 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

광반사율이 높은 재료로 p형 전극이 형성되므로 이에 도달한 광은 재차 질화 물계 반도체 발광소자 내부로 반사되어 반도체 발광소자의 외부 발광 효율을 높여준다.

또한, 본 발명에 따르면 사파이어 기판을 완전히 제거하는 공정의 수행시 발생하는 사파이어 기판과 반도체 질화물층의 데미지 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 사파이어 기판상에 n형 전극을 안정되게 부착할 수 있고, n형 전극을 질화물 반도체층과 연결함으로써 발광 소자의 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본원 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 실시단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다. 더욱이, 상기 실시형태에는 여러 가지 단계의 발명이 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성요건에서의 적당한 조합에 의해 여러 가지 발명이 추출될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 사파이어 기판에 패턴홀을 형성하여 상기 패턴홀을 따라 n형 전극과 n형 질화물 반도체층을 연결함으로써, 사파이어 기판의 제거시 발생하는 반도체 발광소자의 파손을 방지할 수 있다.

Claims

기판의 일측면 일부를 식각하여 패턴홀을 형성하는 단계;

상기 패턴홀을 소정 물질로 충진하는 단계;

상기 기판의 일측면 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 구비하는 발광 구조물을 형성하는 단계;

상기 패턴홀이 형성된 기판의 타측을 제거하여 상기 패턴홀을 외부로 노출시키는 단계; 및

상기 기판의 타측면 상에 n형 전극을 형성하여, 상기 형성되는 n형 전극이 상기 패턴홀을 통하여 n형 질화물 반도체층에 오믹 접촉되는 단계;

를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 기판의 패턴홀에 충진되는 물질은 고온/고압의 n형 질화물 반도체층의 증착 공정을 견딜 수 있는 재료인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 기판의 패턴홀에 충진되는 물질은 SiO₂, ITO, ZnO_x, TiO_x, W, Ti, Ta, Pt, Cr, Si, Mo, Ru, Re 등의 재료 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 패턴홀은 수 ㎛~수백 ㎛의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 n형 전극이 형성되는 기판면은 건식 식각, 습식 식각, 기계적 연마방법 중에서 선택된 적어도 하나의 방법에 의해 소정 높이를 갖도록 제거되는 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 패턴홀이 외부로 노출되면, 상기 패턴홀 내부에 충진된 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
일측면에 패턴홀이 형성된 기판;

상기 패턴홀이 형성된 기판의 일측면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 구조물;

상기 패턴홀을 통하여 상기 n형 질화물 반도체층과 오믹 접촉되도록 상기 기 판의 타측면에 형성된 n형 전극;

을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자.
제 7항에 있어서,

상기 패턴홀은 수 ㎛~수백 ㎛의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제 7항에 있어서,

상기 패턴홀은 + 또는 * 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.