KR20020003844A - AlGaInP계 LED 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 AlGaInP계 LED(Light Emitting Diode)의 낮은 외부양자효율(External Quantum Efficiency), 열적 문제 그리고 활성층에서의 비균일 전류분포 문제를 향상시키기 위한 새로운 구조의 AlGaInP계 LED 제작에 관한 것이다. 이 제안된 구조의 가장 독창적인 특성은 InGaAlP계 LED의 일부분을 표면으로부터 기판까지, 또 일부분을 n AlGaInP까지만 식각한 후 n-metal과 p-metal을 증착하고 flip chip bonding을 이용하여 n, p-metal면이 접합부가 되게 실리콘 기판에 뒤집어 부착하고 박막성장을 위해서 사용되었던 GaAs기판을 제거하는데 있다. 이 구조의 이점은 기판을 제거함으로 GaAs기판에 의한 광출력 흡수를 제거하고 또한 10㎛ 이하로 얇아진 LED 두께로 인하여 LED 소자내부에서 광재생(Photon Recycling)이 효과적으로 일어나게 하여 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 개선 할 수가 있으며, LED에서 발생한 열이 P-metal을 통해 전면적으로 실리콘 기판으로 쉽게 빠질 수 있으므로 소자의 열적 특성을 크게 개선할 수 있다. 또한 일반적으로 AlGaInP계 LED의 낮은 p-도핑 문제 와 국소적 p-metal 형성 및 n-metal형성 문제로 인하여 나타나는 소자의 활성층 내부에서 전류의 불균일 분포 문제를 크게 개선 할 수가 있다. 이와 함께 LED 소자를 package할 때 wire bonding이 한번만 필요함으로써 소자 제작 비용을 절감할 수 있다.

Description

AlGaInP계 LED 제작 방법{Fabrication Method of AlGaInP related LED}

본 발명은 종래의 AlGaInP계열의 LED(Light Emitting Diode)의 광출력, 열특성 및 활성층에서의 전류의 균일도를 획기적으로 향상시키고 LED 제조 비용 절감을 위한 새로운 구조의 AlGaInP계 LED의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 AlGaInP계 LED(Light Emitting Diode)는, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(20) 상에 DBR(Distributed Bragg Reflector)층(21), n형 AlGaInP clad 층(22), AlGaInP(또는 GaInP) 활성층(23), p형 AlGaInP clad층(24), window 층(25), n형 금속전극(26) 및 p형 금속전극(27)으로 구성되는 것으로서, 상기 GaAs 기판(20) 상에 n형 DBR층(21), n형 AlGaInP clad층(22), AlGaInP(또는 GaInP) 활성층(23) 및 p형 AlGaInP clad층 (24), window 층(25)을 MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)방법에 따라 순차적으로 결정 성장 한 후, p형 금속전극(27)을 window층(25)위에 형성한 다음, n형 금속전극(26)을 기판 위에 증착함으로써 제작된다.

n형, p형 전극을 통해 주입된 전자와 홀은 활성층에서 결합하고 이에 의해서 발생된 빛은 window층을 통하여서 공기 중으로 방출된다. 이런 과정에서 발광면의 p-metal에 의한 흡수 및 반사, 기판에 의한 흡수에 의해 외부양자효율에 제한을 받게 된다. 특히 활성층에서 발생된 광량의 반은 기판 쪽으로 진행하다 DBR(21)구조에 의해 반사되어 LED 표면으로 진행하게 된다. 이때 DBR(21)구조는 경계면과 수직하게 입사하는 빛만을 반사하게 설계된 것으로 실제로는 많은 양의 빛이 DBR(21)구조을 통과하여 기판에 도달하게 되고 GaAs 기판(20)은 AlGaInP(또는 GaInP) 활성층(23)에 의해 발생한 빛은 잘 흡수하므로, 기판에서의 흡수효과에 의해서 대부분의 빛은 흡수되고 이에 따라 활성층에서 발생한 빛의 많은 부분이 손실되게 된다.

또한 도 1과 같은 기존의 LED 구조에 있어서는 이미 많이 알려진 바와 같이 국소적인 p metal 형성 및 낮은 p-window 층의 도핑농도로 인하여 LED 활성층에서의 전류의 불균일도 문제가 발생하게 되고 이로 인하여 출력광의 불균일한 분포 문제가 야기된다. 또한 기존의 LED는 열전도성이 좋지 못한 GaAs 기판이 서브마운터에 접합이 되므로 소자의 열적 특성이 좋지 못한 문제점들이 있다. 이 문제는 소자의 동작 전류가 높아질수록 심각하게 소자의 성능에 영향을 끼치게 된다.

따라서 AlGaInP계 LED의 성능을 향상시키기 위해서는 위에서 상기된 문제점들의 개선이 절대적으로 필요하다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 AlGaInP계 LED가 성장되어 있는 기판을 제거하여서 기판에 의한 광흡수 손실을 제거하여 외부양자 효율을 개선하고, 또한 부분적으로 드러난 n-AlGaInP 박막에 n-metal을 형성하고, p-AlGaInP 쪽은 p-metal을 전면에 증착하여 전류의 균일도을 향상 시키는 것은 물론, 같은 면에 형성되어 있는 소자의 n-metal, p-metal을 열전도가 우수한 실리콘 기판에 접착시켜서 소자의 열적특성 향상을 얻는 것이 발명의 목적이다. 이때 n, p metal을 동시에 실리콘 기판에 미리 형성되어 있는 n, p metal과 접합시켜 package에서의 용이성도 함께 확보할 수 있다.

도 1은 종래 AlGaInP계 LED소자의 일반적인 구조.

도 2는 AlGaInP계 LED를 제작하기 위해 성장된 박막 구조를 나타내는 개념도.

도 3은 LED wafer를 식각한 후의 단위 소자의 개념도.

도 4는 식각한 LED 구조에 metal을 증착한 후의 개념도.

도 5는 p형 실리콘 기판 위에 증착한 유전체막, metal pattern과 그 위에 올려 넣은 flip chip bonding을 위한 bump를 보여 주는 개념도.

도 6은 도4와 같이 제작된 LED wafer를 도5와 같이 준비된 실리콘 기판 위에 metal면을 접합부로 하여 뒤집어 붙인 이후의 개념도.

도 7은 건식 또는 습식 에칭 기법을 이용하여 LED가 성장된 기판을 제거한 후의 개념도.

도 8은 전도성 실리콘 기판과 노출된 n 전극을 이용하여 제작한 LED 소자의 개념도.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞

20. n형 GaAs기판 21. DBR층

22. n-AlGaInP clad층 23. AlGaInP 또는 GaInP 활성층 및 장벽층

24. p-AlGaInP clad층 25. window 층

26. n-metal 27. p-metal.

31. etch stop 층 32. p contact 층

40. 전도성 실리콘 기판 41. 유전체

42. p-metal 43. n-metal

44. metal bump

50. 패키지 마운터의 p 전극 51. 패키지 마운터의 n전극

52. 패키지 submount 53. 본딩 와이어

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 LED wafer의 식각, 실리콘 기판의 준비, LED wafer와 실리콘 기판의 접합, LED 박막 성장에 사용된 기판 제거를 기술적 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 2는 AlGaInP계 LED를 위해 성장된 박막의 구조를 나타내고 있다. 기판(20) 위에 n형 etch stop층 (31), n형 AlGaInP clad층(22), AlGaInP 또는 GaInP 활성층 및 장벽층(23), p-AlGaInP clad층(24), p-contact 층(32)이 순차적으로 형성되어 있는 것을 보여주고 있다. p-AlGaInP clad층에서 공급된 홀과 n-AlGaInP clad층에서 공급된 전자가 활성층에서 결합하여 전류가 빛으로 에너지가 변형이 되어서 그 물질의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 빛을 발생시키게된다. n형 etch stop층(31)은 n형 GaAs 기판과 etching selectivity가 있는 물질로 이루어지는데 AlAs, 혹은 InGaP을 사용할 수 있다. p-AlGaInP clad 층은 큰 밴드갭과 낮은 doping level에 의해 직접적으로 ohmic contact을 형성하기 힘들기 때문에 p-contact층이 필요하다. 이때 p contact층으로는 p-GaP, p-GaAs, p-InGaP을 사용할 수 있는데 이들 물질 중 p-GaAs, p-InGaP은 InGaP이나 AlGaInP 활성층에서 발생한 빛을 흡수할 수 있으므로 이들 p contact층의 두께는 최소화해야 하는데 보통 100nm이면 적합하다. 한편 본 발명에 의한 LED epi wafer는 종래의 도1에 나타나있는 두터운 DBR층, windows을 필요로 하지 않으므로 epi wafer 성장에 있어서도 비용 절감의 효과를 얻을 수 가 있다.

도 3은 이렇게 성장된 LED wafer의 일부는 n-AlGaInP(22)가 드러나게, 일부는 etch stop층을 거쳐 n형 GaAs 기판의 일부까지 식각한 후의 모습이다.

도 4는 이렇게 형성된 LED wafer를 이용하여 p contact층(32) 위에는 p-metal(27) ( Ti/Pt/Au 등)을 드러난 n-AlGaInP(22) 위에는 n-metal (26) (AuGe/Ni/Au등)을 증착한 후의 도면이다.

도 5는 도 4와 같이 형성된 LED wafer를 뒤집어 붙일 실리콘 기판의 모습을 보여주고 있다. 이를 자세히 설명하면 전도성의 n형 혹은 p형 실리콘 기판(40) 위에 SiO₂나 SiN_x등의 유전체 절연막(41)을 성장한 후 그 위에 p-metal(42), n-metal(43) 및 metal bump(44)를 형성시킨다. 이때 p-metal(42)의 경우는 절연막의 일부분을 식각해 내고 그 사이에 증착시키는데 이를 이용하여 전도성 실리콘 기판을 통하여 향후 제작될 LED의 p contact을 형성하게 된다. n-metal(43)은 절연막 위에 증착 시침 으로써 n contact과 p contact을 isolation 시킨다. 이어 각각 n, p metal 위에 flip chip bonding에 사용할 metal bump(44)를 형성 시킨다. 이때 p-metal(42)은 전도성 실리콘 기판과 좋은 ohmic 특성을 얻을 수 있는 것으로 하고, n-metal(43)은 도6에서 설명되는 flip chip bonding에 적합한 것이면 충분하다.

도 6은 도4와 같이 형성된 LED wafer의 metal면을 도5에서처럼 준비된 실리콘 기판상에 뒤집어 붙인 후의 모습을 보여 주고 있다. 이는 종래의 flip chip bonding과 동일한 공정이다.

도 6과 같이 형성된 시료를 습식 내지 건식 에칭(ICP,RIE,등) 방법, 또는 이들을 혼합한 방법으로 n형 GaAs 기판(20)을 제거해 내면 도7과 같은 형태를 띠게 된다. 이때. etch stop 층(31)은 n형 (GaAs 기판(20)과 다른 식각성질을 가지고 있으므로 n형 GsAs 기판(20)만을 식각해 내는 공정은 비교적 용이한 공정이다. 이와 같이 n형 GaAs 기판(20)를 제거하면 LED wafer에서 n형 GaAs 기판까지 식각하였던 부분은 도 7에서와 같이 n형 전극(43)을 일부를 드러내는 형태가 된다. 이때 드러난 n형 전극을 이용하면 도8에서와 같이 일반적인 LED 패키지에 용이하게 부착할 수 있다. 도 8은 도7에서와 같이 형성된 wafer를 단위 소자로 제작한 후 단일 LED chip을 일반적인 LED 패키지 마운터 위에 설치한 모습을 보여 주고 있다. 소자의 p형 실리콘 기판면을 LED 패키지 마운터의 p 전극쪽(52)에 접착이하고 소자의 n형전극(43)과 LED 패키지 마운터의 n 전극(51)을 bonding wire(53)를 이용하여 연결하면 LED 패키지 공정이 끝나게 된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, LED박막성장에 사용된 기판을 제거함으로 기판에 의한 광흡수에 의한 광손실을 제거 할 수 있게 된다. 또한 기판을 제거함으로 LED 소자가 수 ㎛내외로 매우 얇아지므로 소자안에서 광재생(Photon Recycling) 효과가 증가하여 최종적으로 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는 열전도성이 매우 좋은 것으로 알려진 기존의 실리콘 기판을 소자의 Mount로 사용하므로 LED에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있고 이로 인하여 소자의 수명과 전기적 특성들을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에서는 일반적으로 고 농도의 도핑이 어렵다고 알려진 p-AlGaInP 전면에 p-metal을 증착하므로 소자의 직렬저항(serial resistance)을 감소시킬 수 있으며, 또한 전기 전도성이 뛰어난 n-AlGaInP 쪽에 부분적인 n형 전극을 형성함으로써 활성층에서의 전류밀도의 균일도를 크게 향상 시킬 수 있다. 이로 인하여 LED 소자의 광출력면 전면에 걸쳐서 균일한 광 출력을 얻을 수 있게 된다.

또한 이와 같이 제작된 소자를 이용하면 한번의 wire bonding 만으로 LED 패키지를 완성 시킬 수 있으므로 LED 패키지 공정을 단순화 시킬 수 있고 이에 따른 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. p-n 접합 다이오드 구조를 갖는 AlGaInP계 LED 소자 제작에 있어서, LED 박막의 일부는 n-AlGaInP층까지 일부는 n형 GaAs 기판까지 식각한 후 식각 되지 않은 p-contact층 위에 p-metal, 노출된 n-AlGaInP층에는 n-metal을 같은 방향에 형성하여 LED 소자를 제작하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, n형 GaAs 기판 까지 식각할 때 그 식각 깊이를 etch stop층 아래에서 기판 밑 부분 사이의 임의의 깊이로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, n-AlGaInP까지 식각할 때 그 식각 깊이를 AlGaInP 또는 InGaP 활성층과 etch stop layer 중간의 임의의 깊이로 하는 방법.
4. LED 소자와 접합이 되는 실리콘기판 상에 p metal은 실리콘 기판 상에 직접 증착하고 n metal은 절연막 위에 형성하고 전자 또는 정공의 doping 농도가 10¹⁵에서 10²²까지의 범위를 갖는 실리콘 기판을 사용하는 방법.
5. 제 1항에서 기술한 LED 구조를 제 4항에서 기술한 실리콘 기판위에 접합한 후 건식 또는 습식 식각 방법, 또는 이들 2가지방법을 혼용하여 LED박막이 성장된기판(20)을 제거하고 이 기판이 제거된 박막을 LED제작에 응용하는 기법.
6. 제 5항에 의해 제작된 단일 LED 소자를 LED 패키지 마운터에 전도성 실리콘 기판은 LED 패키지 마운터의 p-전극 쪽에 붙이고 난 후 wire bonding을 이용하여 소자의 n전극과 LED 패키지 마운터의 n전극을 연결하여 소자를 제작하는 방법.