KR20090121812A - 자외선 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자외선 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 제 1 기판 상부에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와, 제 2 도전형 반도체층 상부에 도전성 제 2 기판을 접합한 후 제 1 기판을 분리하는 단계와, 제 1 기판이 분리된 제 1 도전형 반도체층의 상면에 요철 구조를 형성하는 단계와, 제 1 도전형 반도체층의 적어도 일부분에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 제 1 도전형 반도체층은 4 내지 20㎚의 두께로 형성한다.

본 발명에 의하면 수직형으로 자외선 발광 소자를 제조함으로써 종래의 플립칩 구조에 비해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, N형 반도체층의 상부에 요철 구조를 형성함으로써 휘도와 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

LED, 자외선, 수직형, N형 반도체층, 요철

Description

자외선 발광 소자의 제조 방법{Method of manufacturing an ultraviolet light emitting device}

본 발명은 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 수직형 자외선 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 GaN, AlN, InN 등과 같은 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, GaN은 에너지 밴드갭이 상온에서 3.4eV로 매우 크기 때문에 고온 고출력 소자에 이용될 수 있다. 또한, GaN은 InN, AlN 같은 물질과 조합하여 1.9eV(InN)에서 3.4eV(GaN), 6.2eV(AlN)까지의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있어 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역을 갖게 되고, 이로 인해 광소자의 응용 가능성이 매우 큰 물질이다.

여기서, 자외선 발광 소자는 대략 400㎚ 이하 파장의 자외선을 방출한다. 자외선은 인체와 환경에 미치는 영향에 따라서 상대적으로 장파장의 UVA(400∼320㎚ ), 중간 파장의 UVB(320∼280㎚), 그리고 단파장 또는 살균 파장의 UVC(280㎚ 이하)로 구분된다. 자외선 방출 소자는 자외선이 그대로 방출되도록 하여 항균, 방오, 탈취 또는 정화 작용을 하는데 이용된다. 또한, 자외선 발광 소자는 소정의 형광체, 예를들어 적색, 녹색 및 청색 발광체를 이용하여 백색 광을 방출하는 발광 장치로도 이용되고 있다.

자외선 발광 소자는 주로 플립칩 공정으로 제작한다. 즉, 기판 상부에 N형 GaN층, 양자 우물(Quantum Well) 구조의 활성층, P형 GaN층을 적층하여 발광 셀을 형성하고, 발광 셀을 별도의 서브 기판에 연결한다. 여기서, 서브 기판상에는 N형 전극과 P형 전극이 각각 형성되며, N형 솔더 및 P형 솔더에 의해 발광 셀의 N형 GaN층 및 P형 GaN층이 서브 기판의 N형 전극 및 P형 전극에 각각 연결된다.

종래의 플립칩 구조의 자외선 발광 소자는 열 방출 효율이 높은 장점이 있다. 그러나, 플립칩 구조의 자외선 발광 소자는 활성층에서 생성된 광자의 많은 양이 발광 소자의 외부로 빠져나가지 못하고, 내부에서 전반사를 일으키며 순환하다가 흡수되어 소멸된다. 즉, 전기 에너지가 빛 에너지로 변환되어 소자의 외부로 빠져나오는 광 추출 효율(light extraction efficiency)이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 수직형으로 자외선 발광 소자를 제조하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 광 출사면을 요철 구조로 형성하여 휘도와 발광 효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 자외선 발광 소자의 제조 방법은 제 1 기판 상부에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제 2 도전형 반도체층 상부에 도전성 제 2 기판을 접합한 후 상기 제 1 기판을 분리하는 단계; 상기 제 1 기판이 분리된 상기 제 1 도전형 반도체층의 상면에 요철 구조를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 도전형 반도체층의 적어도 일부분에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 도전형 반도체층은 4 내지 20㎚의 두께로 형성한다.

상기 제 1 기판 상부에 형성된 제 1 도전형 반도체층은 언도프트 반도체층과 도프트 반도체층을 포함한다.

상기 도프트 반도체층 상에 상기 요철 구조를 PEC(photoelectrochemical) 에 칭 공정을 이용하여 형성한다.

상기 활성층은 Al_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 배리어층과 Al_yGa_{1 - y}N(0≤y≤1)(x≠y) 웰층이 교대로 적층된 다층 구조로 형성하여 365㎚ 이하의 자외선을 방출한다.

상기 제 1 도전형 반도체층의 요철 구조는 0.7 내지 2㎛ 정도의 높이로 형성한다.

상기 도프트 반도체층이 상기 언도프트 반도체층보다 두껍다.

본 발명에 의하면, 절연성 기판 상부에 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 순차적으로 형성한 후 P형 반도체층 상부에 도전성 기판을 접합하고, 절연성 기판을 분리한 후 N형 반도체층 상부를 요철 구조로 형성하여 수직형 자외선 발광 소자를 제조한다.

이렇게 수직형으로 자외선 발광 소자를 제조함으로써 종래의 플립칩 구조에 비해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 광 출사면, 예를들어 N형 반도체층의 상부를 요철 구조로 형성함으로써 휘도와 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 자외선 발광 소자를 수직형으로 구성함으로써 열 방출 효과도 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 자외선 발광 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 자외선 발광 소자는 기판(100) 상부에 순차적으로 형성된 복수의 반도체층, 즉 P형 반도체층(200), 활성층(300), N형 반도체층(400)을 포함하고, N형 반도체층(400) 상에 형성된 제 1 전극(500) 및 기판(100) 상에 형성된 제 2 전극(600)을 더 포함한다. 또한, 기판(100)과 P형 반도체층(200) 사이에 형성된 반사층(250)을 더 포함한다.

기판(100)은 불순물이 도핑되어 전도성 성질을 갖는 기판, 예를들어 실리콘, 게르마늄, GaAs를 이용할 수 있다.

P형 반도체층(200)은 활성층(300)에 홀을 공급하는 층으로서, P형 불순물이 주입된 GaN층을 이용하는 것이 바람직하고, P형 불순물이 주입된 AlGaN층을 이용하는 것이 더 바람직하다. 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능한데, 예를들어 AlInGaN을 이용할 수 있다. 또한, P형 반도체층(200)은 다층막으로 형성할 수도 있다.

활성층(300)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 바람직하게는 AlGaN을 이용하여 형성한다. 이때, 활성층(300)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되기 때문에 목표로 하는 파장에 따라 활성층(300)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에 따라 자외선, 예를들어 365㎚ 이하의 자외선을 방출하기 위해 활성층(300)은 Al_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 배리어층와 Al_yGa_1-yN(0≤y≤1)(x≠y) 웰층이 교대로 적층된 다층 구조로 형성한다. 이때, 배리어층의 Al 함량은 웰층의 Al 함량보다 높다. 또한, 웰층으로서 GaN도 가능한데, 이 경우 Al 소오스의 유입 및 중단을 반복하여 AlGaN 배리어층와 GaN 웰층을 다층으로 형성할 수 있다.

N형 반도체층(400)은 활성층(300)에 전자를 공급하는 층으로서, N형 불순물이 도핑된 AlGaN층을 이용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층을 이용할 수 있다. 예를들어 GaN을 이용할 수 있다. 또한, N형 반도체층(400)은 다층막으로 형성할 수도 있다. 그리고, N형 반도체층(400)은 언도프트 반도체층과 도프트 반도체층을 적층하여 형성할 수 있다. 즉, N형 반도체층(400)은 활성층(300) 상부로부터 언도프트 반도체층과 도프트 반도체층을 적층하여 형성하며, 도프트 반도체층이 언도프트 반도체층보다 두껍게 형성한다. 그리고, N형 반도체층(400)은 광 방출 효과를 향상시키기 위해 상부, 즉 도프트 반도체층을 요철 구조로 형성한다. 즉, N형 반도체층(400)을 요철 구조로 형성하면 광자가 다 양한 각의 표면에 의해 반사되지 않고 외부로 빠져나가기 때문에 높은 휘도와 발광 효율을 얻을 수 있다. 요철 구조는 광전자화학(Photoelectrochemical; PEC) 에칭(Etching) 공정을 이용하여 형성할 수 있으며, 0.7∼2㎛ 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 요철 구조가 0.7㎛보다 낮으면 광을 추출할 수 없고, 2㎛ 이상으로는 공정상 형성하기 어렵다. 또한, N형 반도체층(400)은 요철 구조를 형성할 때 요철 구조 사이의 골을 따라 하부로 누설이 발생할 수 있는데, 누설을 방지하면서 요철 구조의 높이를 확보할 수 있는 두께, 예를들어 4∼20㎛ 정도의 두께로 형성하며, 바람직하게는 4∼10㎛ 정도의 두께로 형성한다. N형 반도체층(400)이 4㎛ 이하의 두께로 형성될 경우 요철 구조 사이의 골을 따라 누설이 발생될 수 있고, 20㎛ 이상의 두께로 형성될 경우 광 추출이 어렵게 되는 문제가 있다. 한편, 활성층(300)과 N형 반도체층(400) 사이에 N형 클래드층(미도시)이 더 형성될 수 있는데, N형 클래드층은 GaN, AlGaN 또는 InGaN를 이용하여 형성할 수 있다.

제 1 전극(500) 및 제 2 전극(600)은 Ti, Cr, Au, Al 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 단일층 또는 다층으로 형성한다. 예를들어 Ti와 Al의 적층 구조 또는 Ti와 Au의 적층 구조로 형성할 수 있다. 제 1 전극(500)은 요철 구조의 N형 반도체층(400)상에 형성되고, 제 2 전극(600)은 기판(100)상에 형성된다. 즉, 제 1 전극(500)이 N형 반도체층(400)의 언도프트 반도체층에 형성되는 경우 오믹 접촉이 용이하지 않기 때문에 제 1 전극(500)은 N형 반도체층(400)의 도프트 반도체층에 형성된 요철 구조 상에 형성된다.

반사층(250)은 도전성 접착층(260)을 이용하여 기판(100)과 접착된다. 반사 층(250)은 소자 상면으로 향하는 유효 휘도를 향상시키기 위한 층으로서, 반사율이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 예를들어 반사층(250)은 Au, Ni, Ag, Al 및 그 합금을 이용하여 형성할 수 있다.

도전성 접착층(260)은 플립칩 본딩에 이용될 수 있는 합금일 수 있으며, 약 200∼300℃의 낮은 융점을 갖고, 저온에서 접착이 가능한 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 예를들어 도전성 접착층(260)은 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag, Pb-Sn중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질을 이용할 수 있다.

한편, 상술한 물질층들은 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 형성된다.

또한, 상기 실시 예에서는 광 출사면, 즉 N형 반도체층(400)의 상부에 요철 구조를 형성하였다. 그러나, 기판(100)이 N형 반도체층(400)에 접합되고, 광 출사면이 P형 반도체층(200)일 경우 P형 반도체층(200)의 상부에 요철 구조를 형성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 발광 소자의 제조 방법을 도 2(a) 내지 도 2(d)를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 2(a)를 참조하면, 절연성 기판, 예를들어 사파이어 기판(10) 상부에 N형 반도체층(400), 활성층(300) 및 P형 반도체층(200)을 순차적으로 형성한다.

N형 반도체층(400)은 N형 불순물이 도핑된 AlGaN층과 불순물이 도핑되지 않은 AlGaN층으로 형성할 수 있다. 이를 위해 900∼1000℃ 정도의 온도에서 알루미늄 소오스로서 트리메틸알루미늄(trimethyaluminum; TMAl), 갈륨 소오스로서 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa), 질소 소오스로서 암모니아(NH₃)를 유입시키고, N형 불순물로서 SiH₄ 또는 SiH₆의 유입 및 중단시켜 실리콘이 도핑된 AlGaN층과 도핑되지 않은 AlGaN층을 형성한다. 한편, 사파이어 기판(10) 상부에 N형 반도체층(400)을 형성하기 이전에 사파이어 기판(10)을 열 세정(thermal cleaning)한 후 사파이어 기판(10) 표면을 질화시킬 수도 있다. 열 세정 공정은 950∼1050℃의 온도 또는 그보다 약간 높은 온도에서 실시한다. 열 세정을 실시한 후 사파이어 기판(10) 표면을 질화시키기 위해 700∼1000℃의 온도에서 질소 소오스, 예컨데 암모니아(NH₃)를 유입시킨다. 질화는 질화물 막의 형성을 용이하게 하기 위한 과정으로 시스템 또는 성장 조건등에 따라 선택적으로 실시한다.

N형 반도체층(400) 상부에 활성층(300)을 형성하는데, 활성층(40)은 예를들어 AlGaN층으로 구성된 멀티 양자 우물 구조(MQW)로 형성한다. 즉, 활성층은 AlGaN 배리어와 AlGaN 웰이 복수 적층된 구조로 형성한다. 이를 위해 700∼850℃의 온도에서 알루미늄 소오스로서 TMAl, 갈륨 소오스로서 TMGa, 그리고 질소 소오스로서 암모니아(NH₃)를 유입시켜 AlGaN층을 형성한다. 이때, Al 소오스의 유입량을 변화시켜 AlGaN 배리어와 AlGaN 웰의 Al 함량을 다르게 조절하는데, 배리어의 Al 함량이 웰의 Al 함량보다 많도록 조절한다. 또한, 웰은 GaN으로 형성할 수도 있는데, 이 경우 Al의 유입 및 중단을 반복하여 AlGaN 배리어와 GaN 웰이 복수 적층된 구조로 활성층(400)을 형성한다.

활성층(300)을 형성한 후 온도를 900∼1100℃로 유지한 상태에서 갈륨 소오스와 질소 소오스 및 알루미늄 소오스를 유입시켜 P형 반도체층(200)으로 P형 AlGaN층을 형성한다.

도 2(b)를 참조하면, P형 반도체층(200) 상부에 반사층(250)을 형성한다. 반사층(250)은 발광 소자의 유효 휘도를 향상시키기 위해 형성하며, 반사율이 높은 금속, 예를들어 Au, Ni, Ag, Al 및 그 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 반사층(250)은 다른 단결정 구조와는 오믹 콘택을 형성하여 수직 방향으로 전류를 원활하게 도통시킬 수 있다. 반사층(250)은 통상의 스퍼터링 장치를 이용하여 형성할 수 있다. 그리고, 반사층(250) 상부에 도전성 접착층(260)을 이용하여 기판(100)을 접합시킨다. 기판(100)은 불순물이 도핑되어 전도성을 갖는 도전성 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 도전성 접착층(260)을 반사층(250) 상부에 형성한 후 기판(100)을 접합할 수 있고, 도전성 접착층(260)을 기판(100)상에 형성한 후 기판(100)과 반사층(250)을 접합할 수도 있다.

도 2(c)를 참조하면, 기판(100)을 접착한 후 사파이어 기판(10)을 제거한다. 사파이어 기판(10)은 레이저 용융, 기계적 연마, 화학적 식각 등을 이용하여 제거할 수 있다. 그런데, 사파이어 기판(100)은 알루미늄 옥사이드(Al2O3)의 육면체 결정 구조로서 매우 견고하므로 기계적 연마나 화학적 식각 공정을 이용하는 경우 공정 비용이나 시간이 증가할 수도 있다. 따라서, 주로 사파이어 기판(10)과 GaN 발광 구조물의 열팽창 계수(thermal coefficient of expansion; TCE)의 차이를 이용하여 분리하는 방법이 주로 이용된다. 이러한 대표적인 방법이 레이저빔을 이용하는 분리 방법이다.

도 2(d)를 참조하면, 가파이어 기판(10)이 제거되어 노출된 N형 반도체층(400)의 상부, 즉 도프트 반도체층에 요철 구조를 형성한다. 요철 구조는 PEC 에칭 공정을 이용하여 0.7∼2㎛ 정도의 두께로 형성한다. 요철 구조를 형성함으로써 광자가 다양한 각의 표면에 의해 반사되지 않고 외부로 빠져나가기 때문에 높은 휘도와 발광 효율을 얻을 수 있다. 이후 N형 반도체층(400)과 기판(100) 상에 제 1 전극(500) 및 제 2 전극(600)을 형성한다.

한편, 갈륨의 소오스로는 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa) 이외에 트리에틸갈륨(triethylgallium; TEGa)를 사용할 수 있고, 알루미늄 소오스로는 트리메틸알루미늄(trimethyaluminum; TMAl) 이외에 트리에틸알루미늄(triethylaluminum; TEAl), 트리메틸아민알루미늄(trimethylaminealuminum; TMAAl) 또는 디메틸에틸아민알루미늄(dimethylethylaminealuminum; DMEAAl)을 사용 할 수 있다. 그리고, 질소 소오스로는 암모니아(NH₃) 이외에 모노메틸히드라진(monomethylhydrazine; MMHy), 디메틸히드라진(dimethylhydrazine; DMHy)을 사용할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.

도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 200 : P형 반도체층

300 : 활성층 400 : N형 반도체층

500 : 제 1 전극 600 : 제 2 전극

250 : 반사층 260 : 도전성 접착층

Claims (6)

1. 제 1 기판 상부에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 제 2 도전형 반도체층 상부에 도전성 제 2 기판을 접합한 후 상기 제 1 기판을 분리하는 단계;

   상기 제 1 기판이 분리된 상기 제 1 도전형 반도체층의 상면에 요철 구조를 형성하는 단계; 및

   상기 제 1 도전형 반도체층의 적어도 일부분에 전극을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 제 1 도전형 반도체층은 4 내지 20㎚의 두께로 형성하는 자외선 발광 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판 상부에 형성된 제 1 도전형 반도체층은 도프트 반도체층과 언도프트 반도체층을 포함하는 자외선 발광 소자의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 도프트 반도체층 상에 상기 요철 구조를 PEC(photoelectrochemical) 에칭 공정을 이용하여 형성하는 자외선 발광 소자의 제 조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 Al_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 배리어층과 Al_yGa_{1 - y}N(0≤y≤1)(x≠y) 웰층이 교대로 적층된 다층 구조로 형성하여 365㎚ 이하의 자외선을 방출하는 자외선 발광 소자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층의 요철 구조는 0.7 내지 2㎛ 정도의 높이로 형성하는 자외선 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 도프트 반도체층이 상기 언도프트 반도체층보다 두꺼운 자외선 발광 소자의 제조 방법.

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