상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직형 발광다이오드는 반도체층이 적층된 발광다이오드 상부에 본딩 금속층을 매개로 접합되고, 내부에 금속으로 충진되어 발광다이오드를 외부와 전기적으로 소통시키는 비아홀을 구비한 세라믹 기판을 포함한다.
상기 발광다이오드의 측면은 보호박막층으로 둘러싸고 개별 발광다이오드 소자 간의 측면 공간에는 고분자유기화합물층으로 충진한다. 상기 보호박막층은 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이루어질 수 있으며, 상기 고분자유기화합물은 에폭시수지 등이 바람직하다.
상기 발광다이오드는 반도체층은 질화물 반도체화합물로 이루어진 서로 다른 타입의 반도체층, 활성층, 및 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광다이오드는 트렌치형으로 식각된 반도체층의 측면에 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이루어진 보호박막층 및 고분자유기화합물층이 추가로 포함된 개별소자인 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹 기판의 접합은 발광다이오드 상부에 본딩 금속층을 매개로 할 수 있는데, 상기 본딩 금속층은 시드(seed)금속층과 도전성 접착층을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 시드 금속층은 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 탄탈륨(Ta), 구리(Cu)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속일 수 있다.
또한, 상기 도전성 접착층은 팔라듐인듐화합물(Pd/In), 팔라듐주석화합물(Pd/Sn), 금주석화합물(Au-Sn), 주석(Sn), 인듐(In), 금(Au), 금은화합물(Au/Ag), 납주석화합물(Pb-Sn)로 구성된 그룹 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에서, 상기 비아홀에 충진되는 금속은 구리(Cu), 동탄(CuW), 알루미늄(Al), 금(Au)으로 구성된 그룹 중에서 선택될 수 있다.
또한 상기 세라믹 기판은 절연체 물질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 열 전도도가 100 W/mK 이상이다.
따라서, 상기 세라믹 기판은 질화붕소(BN), 알루미나(Alumina), 질화알루미늄(AlN), 베릴륨 옥사이드(BeO) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질일 수 있다.
본 발명에서, 상기 세라믹 기판의 비아홀 상부에는 전도성의 컨택 금속이 결합될 수 있는데, 비아홀의 충진 금속의 상부에 결합된다.
상기 발광다이오드의 적어도 한 면은 텍스쳐링 구조를 포함할 수 있는데, 비아홀이 구비된 세라믹 기판이 결합되는 면과 반대편의 면을 텍스쳐링 함으로써 요철구조를 가지도록 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직형 발광다이오드 제조방법은 기판 위에 개별소자로 형성된 발광다이오드 상부에 금속으로 충진된 비아홀을 구비한 세라믹 기판을 접합하는 단계와, 상기 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
그 후, 세라믹 기판이 접합된 발광다이오드 개별소자를 절단하여 분리해 낼 수 있다.
상기 개별소자로 형성된 발광다이오드는 기판 위의 발광다이오드를 트렌치형으로 식각한 후 분할하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 상기 세라믹 기판을 접합하는 단계 이전에, 상기 발광다이오드의 개별소자 측면에 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이 루어진 보호박막층, 및 고분자유기화합물층을 순차로 형성하여 발광다이오드를 둘러싸는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 세라믹 기판이 접합된 발광다이오드 개별소자의 상부에 전극 및 반사막을 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.
상기 반사막은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 인듐 산화물, 주석산화물, 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 알류미늄 산화물, 티타늄 산화물, 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)으로 구성된 그룹 중에서 선택될 수 있다.
상기 발광 다이오드 구조물 상에 P형 전극 및 반사막을 형성한 이후 상기 발광 다이오드 구조물의 측면에 보호박막층을 형성하면 발광소자의 측면으로의 전류손실을 감소시킬 수 있다. 또한 상기 발광 구조물의 트렌치 영역에 에폭시 수지와 같은 고분자유기화합물층을 충진하면 상기 성장용 기판을 제거하는 단계에서의 상기 발광 소자의 깨짐(크랙킹)을 방지할 수 있게 된다.
본 발명에서, 상기 기판을 제거한 이후에, 발광다이오드의 적어도 한 면에 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있으며, 이를 위하여 나노 임프린팅법, 리소그래피법, 또는 레이저 홀로그라프법으로 패터닝한 후의 건식 식각법, 또는 패터닝하지 않는 습식화학에칭법을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한 다. 하기의 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2a 내지 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드의 제조방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.
도면 2a를 참조하면, 발광소자의 성장용 기판(200)상에 버퍼층(201), n형 반도체층(202), 활성층(203) 및 p형 반도체층(204)을 순차적으로 적층한다. 발광소자 성장용 기판은 사파이어 기판이 주로 사용된다.
발광소자는 질화물 반도체 발광소자인 것이 바람직하므로 상기 반도체층은 질화갈륨과 같은 질화물 화합물 반도체층일 수 있다.
이때 p형 반도체층(204) 상에 n형 반도체층을 한번 더 성장시킬 수도 있다.
상기 n형 및 p형 반도체층으로 구성된 발광소자는 복수 개의 층으로 성장될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 발광소자를 적층하고 난 후, 적층된 발광 구조물을 다수개의 소자로 분리하기 위하여 트랜치(205)를 형성한다. 트렌치는 발광 구조물의 측면에 경사를 주어 식각하여 형성할 수 있으며, 그 형태는 측단면도로 살펴볼 때 사다리꼴의 형상을 가지게 될 수 있다.
경사 구조인 측면을 가지는 개별적인 발광 소자로 분리되는 것이 바람직할 것이지만, 사각형의 단면구조를 가질 수도 있다.
이후 도 2c를 참조하면, 상기 개별적으로 분리된 발광 다이오드의 p형 반도체층(204) 상에 p형 전극 및 반사막(206)을 형성한다. 상기 p형 전극 및 반사막은 반사성 오믹 컨택층으로 기능한다.
상기 반사성 오믹컨택층(206)은 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 전도성 금속을 포함할 수 있으며, 다양한 구조를 선택할 수 있다.
바람직하게는 ITO, In2O3, SnO2, SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2, Ag, Ni, Al, Cu, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir의 조합으로 이루어진 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어지고 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다음 단계로서, 도 2d에서 발광 구조물의 측면에 SiO2, Si3N4 와 같은 절연체 물질을 이용하여 보호박막층(207)을 형성한다. 상기 보호막의 경우 상기 발광 구조물의 측면으로의 전류 흐름을 차단하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
이후 도 2e에서, p형 반도체층 측의 본딩 금속을 용이하게 접합하기 위하여 상기 개별 발광소자간의 빈 공간인 트렌치 영역에 에폭시 수지(208)를 충진한다.
상기 에폭시 수지는 고분자유기화합물을 대표하는 물질로서, 반드시 이에 한정하지는 않으며, 본딩 금속의 접합을 용이하게 하고 개별 소자간의 빈 공간을 충진하여내구성을 부여하는 역할을 하는 것이면 족할 것이다.
상기 트렌치 영역(205)에 에폭시를 충진하는 공정은 공정의 편의를 위하여 제외 할 수도 있다. 하지만 바람직하게는 성장용 기판(200)을 제거하는 단계에서 질화갈륨(GaN)과 같은 화합물 반도체층으로 구성된 발광소자에 깨짐(크랙킹)현상을 야기할 수 있어 에폭시를 충진하는 것이 바람직하다.
다음 단계로서, 도 2f에서 상기 p형 전극 및 반사막(206) 상에 본딩 금속층(209)을 형성한다.
상기 본딩 금속층(209)은 비아홀이 형성된 세라믹 기판(210)과 상기 발광 구조물을 접합하는 매개 역할을 한다.
상기 본딩 금속층(209)은 비아홀이 형성된 세라믹 기판(210)과 결합하기 위한 시드 금속으로서 Ag, Ni, Al, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir, Ta, Cu, Ta로 이루어진 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 시드 금속층과, Au-Sn, Sn, In, Au-Au, Pd-Sn 및 Pd-In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 도전성 접착층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 비아홀이 형성된 세라믹 기판(210)은 열전도도가 100 W/mK 이상인 절연체 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이와 같은 대표적인 물질로는 AlN, BN 등이 있다.
바람직하게는 가격 대비 열전도도가 우수하고 질화갈륨(GaN)층과의 열 팽창계수 차이가 적을 뿐만 아니라 대면적에도 사용 가능한 AlN를 사용하는 것이 바람직하다.
도 2g를 참조하면, 본 발명의 발광 소자에서 성장용 기판(200)을 제거한다.
바람직하게는 도 2g에 도시된 것처럼, 상기 비아홀이 형성된 세라믹 기판과 상기 발광 구조물을 접합한 후, 레이저광을 이용하여 성장 기판층으로 사용한 사파이어 기판(200)을 제거한다.
상기 기판을 제거하고 난 후 n형 반도체층 상에 n형 전극을 결합할 수 있도록 n형 반도체층(202)이 노출되도록 일면을 세정하고 식각한다.
도 2h에서는 상기 드러난 n형 반도체층(202)의 면에 n형 전극(212)을 결합하는 과정을 도시하고 있다.
마지막 과정은 도 2i에서 알 수 있듯이, 각 개별 발광소자로 분리하는 과정이다.
개별 발광다이오드로 절단하는 방법은 당업자에 의해 알 수 있는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 다이싱 공정이나 스크라이빙 공정을 통하여 상기 비아홀이 형성된 세라믹 기판을 분리하여 개별 소자로 분리된 복수의 수직 구조 발광 다이오드를 얻는다.
상기 절단과정에서 발광소자의 깨짐이 없이 내구성이 있도록 절단하려면 각 개별 발광소자 사이에 에폭시 수지와 같은 물질이 충진되어야 한다.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드에 구비되는 비아홀이 형성된 세라믹 기판을 제조하는 방법에 대하여 단계적으로 설명하였다.
도 3a를 참조하면, 먼저 세라믹 기판(310)에 상하를 관통하여 공간을 가지는 비아홀(311)을 형성한다.
도 3b에서 세라믹 기판(310)의 하부면에, 이하 과정에서 비아홀에 충진될 금속층과 상기 세라믹 기판과의 결합을 용이하게 하기 위한 시드 금속층(312)을 형성한다.
상기 시드 금속층을 구성하는 물질은 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 탄탈륨(Ta), 구리(Cu) 등의 전도성 금속이다.
이후 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 세라믹 기판의 상하를 관통하는 비아홀과 시드 금속층(312)의 하면을 커버하여 충진되는 충진 금속층(313)을 형성한다.
상기 비아홀에 충진되는 금속의 경우 구리(Cu), 동탄(CuW), 알루미늄(Al), 금(Au)로부터 선택된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로 도 3d를 참조하면, 비아홀에 충진된 금속이 세라믹 기판의 상부에까지 돌출되어 충진되었을 때 세라믹 기판의 상부면을 편평하고 고르게 하는 평판화 공정을 거친다. 상기 평탄화 공정은 반드시 시기가 정해진 것은 아니며 도 3e에서 알 수 있듯이 후에 컨택 금속층을 형성하기 전이면 어느 때든지 가능하다.
세라믹 기판의 하부면의 충진 금속층(313) 상에 본딩 금속층(314)이 형성된다.
상기 본딩 금속층은 성장용 기판 상에 발광 다이오드를 순차로 형성하면서 개별 발광소자로 구성하였을 때 그 위에 순차로 적층될 수도 있으나, 상기 본 발명의 일 실시예에서 알 수 있듯이, 비아홀이 구비된 세라믹 기판을 형성하는 과정에서 본딩 금속층을 형성할 수도 있다.
도 3e를 참조하면, 상기 세라믹 기판 상면에 형성된 충진 금속층(313)의 평판화 공정을 진행한 뒤, 상기 세라믹 기판 상면의 충진 금속(313) 상에 컨택 금속층(315)을 형성한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 수직형 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같은 구조의 발광다이오드를 형성하기 위한 이전 공정은 상기 도 2a 내지 2i를 참조하여 이미 설명한 바와 같다.
다만 사파이어 기판(200)의 제거에 의해 노출된 n형 반도체층(402) 상면을 세정한 뒤 n형 반도체층 상에 텍스쳐링(420) 구조를 형성한다.
상기 텍스쳐링 구조는 규칙적인 패턴을 이용하는 방법 또는 랜덤 패터닝을 이용하는 방법으로 형성될 수 있다.
규칙적인 패턴을 이용하는 방법으로는 나노 임프린팅, 전자빔 리소그라피 및 레이저 홀로그라프를 이용하는 방법이 바람직하다. 상기 규칙적인 패턴을 형성한 뒤 건식식각을 통하여 n형 반도체층 상에 텍스쳐링 구조를 형성할 수 있다.
랜덤 패터닝을 이용하는 방법으로는, 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 금속의 열처리를 통하여 나노 사이즈의 클러스터를 형성한 뒤 건식 식각을 통하여 랜덤한 텍스쳐링 구조를 형성할 수 있다.
또는 습식화학에칭법으로 랜덤한 텍스쳐링을 형성할 수 있는데, 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하여 식각한 후 n형 반도체층 상에 랜덤한 텍스쳐링 구조를 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.