KR101364741B1 - 수직형 발광다이오드 소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직형 발광다이오드 소자 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법은 기판 위에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계와, 상기 발광 구조물 상에 도전성 지지층을 형성하는 단계와, 상기 발광 구조물에서 상기 기판을 분리하는 단계와, 상기 도전성 지지층에서부터 상부에 위치한 n형 반도체층 상에 선택적으로 n형 반도체층이 노출되도록 마스크층을 형성하고 패터닝하는 단계와, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계와, 상기 마스크층을 제거하는 단계와, 상기 n형 반도체층을 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조를 형성함과 동시에 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 부가적인 구조가 패터닝된 표면 처리에 의해 형성되는 단계를 포함함으로써, 습식 식각 시 식각속도를 줄여서 통상적인 습식 식각 공정에서 형성되는 요철 구조에 부가적인 구조가 습식 식각 공정에서 형성되도록 하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 수직형 발광다이오드 소자 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 분리 후 노출된 N-face GaN 표면을 선택적으로 마스크한 후 노출된 면의 표면 처리를 통해 습식 식각 시 식각속도를 줄여서 통상적인 습식 식각 공정에서 형성되는 요철 구조에 부가적인 구조가 습식 식각 공정에서 형성되도록 하여 광추출 효율을 향상시키는 질화물 화합물 수직형 발광다이오드 소자 제조방법에 관한 것이다.
최근, 질화물계 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 포함한 넓은 파장대역의 광을 생성할 수 있는 발광소자로서, 기존의 단순한 디스플레이나 휴대용 액정 디스플레이용 시장에서 벗어나 점점 LCD BLU(Back Light Unit), 전장용, 조명용 등으로 관련 기술분야에서 크게 각광받고 있다.
이러한 질화물계 반도체 발광소자는 일반적으로 수평 구조 및 수직 구조로 제조될 수 있다. 수평 구조의 LED는 p 및 n 전극이 수직 구조가 아닌 평행한 수평 구조로 되어 있기 때문에 발광면적이 감소되어 휘도가 감소되고, 전류 퍼짐이 원활하지 못해 정전 방전(Electrostatic discharge : ESD)에 취약한 신뢰성 문제를 유발시킬 뿐만 아니라, 동일 웨이퍼 상에서 칩의 개수가 감소하여 수율이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 수평 구조의 LED의 문제점을 해결하기 위한 하나의 접근법으로 수직 구조 LED가 제안되었으며, 수직 구조 LED의 경우, 동일한 면적에서 얼마나 광추출 효율(Light Extraction Efficiency)을 높이는가가 중요하다.
수직형 LED 소자의 경우 광추출 효율을 향상시키기 위해 기판을 제거하고 노출된 n형 GaN의 표면에 요철 구조를 형성한다. 통상적으로 N-face n형 GaN는 KOH, NaOH 등을 이용한 습식 식각 방식으로 요철 구조를 형성하거나 N-face GaN 표면을 선택적으로 마스크한 후 건식 식각 방식으로 광추출 효율을 향상시키는 구조를 형성한다.
광추출 효율을 향상시키기 위해서 통상적인 습식 식각을 이용하는 경우, 습식 식각 방식에 의해 표면 요철 구조가 결정되어 광추출 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 또한, N-face GaN 표면을 선택적으로 마스크한 후 건식 식각 방식으로 구조를 형성하는 경우 건식 식각 공정에서 반도체층의 손상 영역이 발생할 수 있으며 건식 식각 공정을 견디는 마스크 층 형성 공정 및 선택적인 마스크 층 형성을 위한 패터닝 공정과 식각 공정 후 마스크 층을 제거하는 공정이 필요하다. 또한 고정세한 구조체를 형성하기 위한 리소그라피 공정의 사용이 건식 식각 공정을 사용하는 경우 식각비에 따른 두꺼운 마스크 층의 형성이 필요하여 제한을 받을 수 있다.
한국등록특허 제10-1018179호는 N face 질화물 반도체의 극성을 레이저 조사를 통해 Ga face로 전환하여, Ga face로 전환된 영역은 식각용액과 반응하지 않아 습식 식각 공정에서 마스크로 이용됨으로써, 식각 저지층으로 작용하여 패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
이와 같은 등록특허는 레이저 조사라는 특수한 장비 및 공정이 수반되어 있으며, 선택적인 영역에 레이저를 조사하기 위해 얼라인(align)이나 마스크(mask)를 형성하는 등의 추가적인 공정이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 기판 분리 후 노출된 N-face GaN 표면을 선택적으로 마스크한 후 노출된 면의 표면 처리를 통해 습식 식각 시 식각속도를 줄여서 통상적인 습식 식각 공정에서 형성되는 요철 구조에 부가적인 구조가 습식 식각 공정에서 형성되도록 하는 수직형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 기판 위에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계와, 상기 발광 구조물 상에 도전성 지지층을 형성하는 단계와, 상기 발광 구조물에서 상기 기판을 분리하는 단계와, 상기 도전성 지지층에서부터 상부에 위치한 n형 반도체층 상에 선택적으로 n형 반도체층이 노출되도록 마스크층을 형성하고 패터닝하는 단계와, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계와, 상기 마스크층을 제거하는 단계와, 상기 n형 반도체층을 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조를 형성함과 동시에 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 부가적인 구조가 패터닝된 표면 처리에 의해 형성되는 단계를 포함하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법이 제공된다.
본 발명에서, 순차적으로 형성된 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층은 InXAlYGa1-X-YN 조성식(여기서, 0≤x, 0≤y, x+y≤1)을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 n형 반도체층을 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조를 형성함과 동시에 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 부가적인 구조가 패터닝된 표면 처리에 의해 형성되는 단계는, KOH, NaOH, H2SO4 및 H2PO4중 어느 하나의 물질을 이용한 습식 식각으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는, Fluorine 계열을 포함하는 가스를 사용하는 플라즈마(Plasma) 처리 방식이나 F ion implant 방식을 사용하여 진행될 수 있다.
이뿐 아니라, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역을 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는, 전자빔 조사 방식을 사용할 수 있으며, 진공 또는 비활성 분위기에서 열처리 공정, IR 조사, UV 조사 중 적어도 하나를 포함해서 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 부가적인 구조는 표면 처리 되지 않은 n형 반도체층에 형성되는 요철구조보다 미세하게 형성되는 미세 요철구조로 이루어질 수 있으며, 상기 부가적인 구조 상에 n형 전극이 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법은 습식 식각 방식에 의해 결정되는 요철 구조에 부가적인 구조를 형성하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 건식 식각 공정을 사용하지 않음으로 공정의 단순화와 고정세한 구조체를 형성하기 위한 리소그라피 공정의 사용이 건식 식각 공정을 사용하는 경우 식각비에 따른 두꺼운 마스크 층의 형성이 필요한 제한을 받지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 도시한 공정별 단면도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 도시한 공정별 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 발광다이오드 소자의 일실시예를 도시한 단면도이고, 도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 도시한 공정별 단면도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 발광다이오드 소자는 도전성 지지층(140)과, 상기 도전성 지지층(140) 상에 순차적으로 형성된 p형 반도체층(123), 활성층(122) 및 n형 반도체층(121)을 구비하는 발광구조물(120)을 포함한다.
상기 도전성 지지층(140)은 열전도성 및 전기전도성이 우수한 기판으로서, p형 전극의 역할과 함께 발광구조물(120)을 지지하는 지지체의 역할을 수행하고, Si, Cu, Ni, Au, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 도전성 지지층(140)과 상기 p형 반도체층(123) 사이에 상기 p형 반도체층과 전기적으로 연결되는 p형 전극(도시안함)이 더 형성될 수 있고, 상기 n형 반도체층(121) 상에는 n형 전극(도시안함)이 형성되어 수직형 발광다이오드 소자를 구성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 발광다이오드 소자는 광방출면인 n형 반도체층(121)의 상면에 요철구조(124)가 형성되어 광추출 효율을 향상시키는 구조로 이루어지는데, 상기 n형 반도체층(121)은 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조(124)를 형성함과 동시에 일부 영역에서 부가적인 구조(126)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 부가적인 구조는 상기 n형 반도체층(121)에 형성되는 요철구조(124)보다 미세하게 형성되는 미세 요철구조(126)로 이루어질 수 있다.
이와 같은 미세 요철구조(126)는 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 미세 요철구조의 상기 부가적인 구조(126) 상에 n형 전극을 형성하게 되면, n형 전극의 형성 영역의 두께가 증가하게 되어, n형 전극에서 주입된 전류 확산의 개선과 누설 전류의 감소 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 발광구조물(120)을 이루는 p형 반도체층(123), 활성층(122) 및 n형 반도체층(121)은 InXAlYGa1 -X- YN 조성식(여기서, 0≤x, 0≤y, x+y≤1)을 가지는 도전형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN 이 있다.
또한, 상기 활성층(122)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 발생하는 층으로서, 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 본 실시 형태에서는 질화물 반도체를 사용하였으나, 이에 제한되지 않으며, 당 기술 분야에서 공지된 다른 종류의 반도체 물질도 얼마든지 사용 가능하다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법을 도시한 공정별 단면도이다.
여기서, 수직형 발광다이오드 소자 제조방법은 소정의 웨이퍼를 이용하여 복수 개로 제조되나, 도 2a 내지 도 2h에서는 설명의 편의를 위해 한 개의 발광소자만을 제조하는 방법을 도시하고 있다.
본 발명의 수직형 발광다이오드 소자 제조방법은 먼저, 성장용 기판(110) 위에 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)을 포함하는 발광 구조물(120)을 성장시킨다(도 2a).
이후, 상기 발광 구조물(120) 상에 도전성 지지층(140)을 형성한다(도 2b).
상기 발광 구조물(120)에서 상기 기판(110)을 분리한다(도 2c).
상기 성장용 기판(110)은 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정 또는 화학적 리프트 오프(chemical lift off) 공정에 의해 상기 발광구조물(120)로부터 분리할 수 있다. 예컨대, 레이저 리프트 오프 공정을 이용할 경우, 성장용 기판(110) 전면에 레이저 빔을 조사하여 성장용 기판(110)을 분리한다. 한편, 화학적 리프트 오프 공정을 이용할 경우, 성장용 기판(110)과 발광구조물(120) 사이에 습식 식각에 의해 제거될 수 있는 희생층을 더 구비하고, 이를 선택적으로 제거할 수 있는 식각액을 이용하여 성장용 기판(110)을 분리한다.
이러한 리프트 오프 공정에 의해 성장용 기판(110)과 접촉하고 있던 n형 반도체층(121)의 면이 외부로 노출된다.
이후, 상기 도전성 지지층(140)에서부터 상부에 위치한 n형 반도체층(121) 상에 마스크층(150)을 형성하고, 선택적으로 n형 반도체층(121)이 노출되도록 마스크층(150)을 패터닝한다(도 2e).
이후, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역(121a)에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리를 한다(도 2f).
즉, 도 2f에서 보는 바와 같이, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역(121a)을 표면처리하여 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 하는 것이다.
상기 노출된 n형 반도체층 영역(121a)을 표면 처리하는 방법으로, 본 발명에서는 Fluorine 계열을 포함하는 가스를 사용하는 플라즈마(Plasma) 처리 방식이나 F ion implant 방식을 사용하여 진행될 수 있다.
이뿐 아니라, 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역을 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는, 전자빔 조사 방식을 사용할 수 있으며, 진공 또는 비활성 분위기에서 열처리 공정, IR 조사, UV 조사 중 적어도 하나를 포함해서 사용할 수 있다.
이후, 상기 마스크층(150)을 제거한다(도 2g).
상기 n형 반도체층(121)을 습식 식각 방식으로 요철구조를 형성한다.
구체적으로는, KOH, NaOH, H2SO4 및 H2PO4중 어느 하나의 물질을 이용한 화학적 식각 공정을 통해 습식 식각한다.
이때, 선택적으로 노출되어 표면처리된 영역(121a)은 습식 식각 시 식각속도가 느리게 되어 표면처리가 되지 않은 n형 반도체층(121)의 영역에 형성된 요철구조에 부가적인 구조가 형성된다.
상기 부가적인 구조는 표면처리가 되지 않은 n형 반도체층(121)의 영역에 형성된 요철구조에 비해 미세한 미세 요철구조(126)이다.
여기서, 미세 요철구조(126)를 형성하기 위한 표면 처리 조건, 습식 식각 조건 등을 조절하여, 발광 영역의 요철보다 작은 미세 요철구조를 형성한다.
이후, n형 반도체층(121) 상에 n형 전극을 형성하여 수직형 발광다이오드 소자가 완성된다. 이 경우, 표면 처리를 통해 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아진 미세 요철구조(126) 상에 n형 전극을 형성할 수 있다.
<실시예 1>
성장용 기판(110) 위에 성장된 n형 반도체층(121), 활성층(122) 및 p형 반도체층(123)을 포함하는 발광구조물(120)의 p형 반도체층(123) 상에 도전성 지지층(140)을 형성한 후 기판(110)을 분리한다.
기판(110) 분리 후 노출된 n형 반도체층(121) 상에 마스크층(150)을 형성하고, 선택적으로 n형 반도체층(121)이 노출되도록 마스크층(150)을 패터닝한다.
노출된 n형 반도체층 영역(121a)을 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 CF4 plasma로 표면 처리를 한다.
마스크층(150)을 제거한 후 KOH를 이용하여 n형 반도체층(121)에 요철 구조를 형성한다.
이때, 노출되어 표면처리된 영역(121a)은 습식 식각 시 식각속도가 느리게 되어 표면처리가 되지 않은 n형 반도체층(121)의 영역에 비해 미세한 미세 요철구조(126)가 형성된다.
이때, 표면 처리 조건, 습식 식각 조건 등을 조절하여 통상적인 습식 식각 공정에서 형성되는 요철 구조에 부가적인 구조가 습식 식각 공정에서 형성된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10 : 성장용 기판 120 : 발광구조물
121 : n형 반도체층 121a : n형 반도체층의 표면 처리 영역
122 : 활성층 123 : p형 반도체층
124 : 요철구조 126 : 미세 요철구조
140 : 도전성 지지층 150 : 마스크층
121 : n형 반도체층 121a : n형 반도체층의 표면 처리 영역
122 : 활성층 123 : p형 반도체층
124 : 요철구조 126 : 미세 요철구조
140 : 도전성 지지층 150 : 마스크층
Claims (8)
- 기판 위에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계;
상기 발광 구조물 상에 도전성 지지층을 형성하는 단계;
상기 발광 구조물에서 상기 기판을 분리하는 단계;
상기 도전성 지지층에서부터 상부에 위치한 n형 반도체층 상에 선택적으로 n형 반도체층이 노출되도록 마스크층을 형성하고 패터닝하는 단계;
상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계;
상기 마스크층을 제거하는 단계; 및
상기 n형 반도체층을 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조를 형성함과 동시에 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 미세 요철구조가 패터닝된 표면 처리에 의해 형성되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제1항에 있어서,
순차적으로 형성된 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층은 InXAlYGa1 -X- YN 조성식(여기서, 0≤x, 0≤y, x+y≤1)을 가지는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 n형 반도체층을 습식 식각 방식으로 식각하여 요철 구조를 형성함과 동시에 상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 미세 요철구조가 패터닝된 표면 처리에 의해 형성되는 단계는,
KOH, NaOH, H2SO4 및 H2PO4중 어느 하나의 물질을 이용한 습식 식각으로 수행되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역에 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는,
Fluorine 계열을 포함하는 가스를 사용하는 플라즈마(Plasma) 처리 방식이나 F ion implant 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역을 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는,
전자빔 조사 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 선택적으로 노출된 n형 반도체층 영역을 습식 식각 시 식각속도가 상대적으로 낮아지도록 표면 처리하는 단계는,
진공 또는 비활성 분위기에서 열처리 공정, IR 조사, UV 조사 중 적어도 하나를 포함해서 사용하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 미세 요철구조 상에 n형 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광다이오드 소자 제조방법.
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