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KR20090119596A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20090119596A
KR20090119596A KR1020080045740A KR20080045740A KR20090119596A KR 20090119596 A KR20090119596 A KR 20090119596A KR 1020080045740 A KR1020080045740 A KR 1020080045740A KR 20080045740 A KR20080045740 A KR 20080045740A KR 20090119596 A KR20090119596 A KR 20090119596A
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KR
South Korea
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layer
semiconductor layer
conductive semiconductor
light emitting
insulating layer
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Application number
KR1020080045740A
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English (en)
Inventor
임우식
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US12/992,950 priority patent/US8530919B2/en
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Priority to CN2009801176605A priority patent/CN102027606B/zh
Publication of KR20090119596A publication Critical patent/KR20090119596A/ko
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Abstract

실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 활성층과, 상기 활성층의 아래에 형성된 제 1도전성 반도체층, 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 적어도 상기 활성층의 외측 둘레에 형성된 절연층을 포함한다.
반도체, 발광소자, 절연층

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 발광 구조물의 적어도 활성층의 외측 둘레에 절연층을 형성해 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 발광 구조물 또는 칩의 일부 층의 둘레에 형성된 절연층에 의해, 전류 누설을 방지하고, 전체적인 공정 단계를 감소시켜 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 활성층과, 상기 활성층의 아래에 형성된 제 1도전성 반도체층, 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 적어도 상기 활성층의 외측 둘레에 형성된 절연층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 기판 위에 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 활성층의 외측 둘레를 포함하는 깊이까지 에칭하고, 적어도 상기 활성층의 외측 둘레에 절연층을 형성하는 단계; 상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 절연층 위에 반사 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 발광 구조물의 외측 둘레에 형성된 절연층에 의해 전류 누설을 방지할 수 있는 효과가 있다.
실시 예는 발광 구조물의 외측 둘레에 형성된 절연층에 의해 전류 누설을 방지할 수 있는 효과가 있다.
실시 예는 절연층을 발광 구조물의 외측 둘레에 형성해 줌으로써, 반사 전극층과 전도성 지지부재 및 에피층 사이의 접착력을 증가시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
실시 예는 발광 구조물의 외측 둘레에 절연층을 형성함으로써, 반사 전극층에 대해 별도의 포토리소그라피 공정을 진행하지 않아도 되므로, 전체 공정이 감소되는 효과가 있다.
실시 예는 반도체 발광소자의 전기적인 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이하, 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 제 1도전성 반도체층(110), 활성층(120), 제 2도전성 반도체층(130), 절연층(140), 반사전극층(150), 전도성 지지부재(160)를 포함한다.
상기 제 1도전성 반도체층(110)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층(110) 아래에는 제 1전극층(170)이 소 정의 패턴으로 형성된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110) 위에는 활성층(120)이 형성된다. 상기 활성층(120)은 제 1도전성 반도체층(110) 위에 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 이러한 활성층 위 또는/및 아래에는 클래드층이 형성될 수도 있다.
상기 활성층(120) 위에는 제 2도전성 반도체층(130)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(130)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기의 제 2도전성 반도체층(130) 위에는 제 3도전성 반도체층(미도시)을 형성할 수도 있다. 또한 상기 제 1도전성 반도체층(110)이 p형 반도체층이고, 제 2도전성 반도체층(130)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 여기서 제 3도전성 반도체층은 제 2도전성 반도체층이 n형 반도체층인 경우 p형 반도체층으로 형성되며, p형 반도체층인 경우 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 이러한 제3도전성 반도체층의 둘레에는 상기 절연층(140)이 형성될 수도 있다.
여기서, 발광 구조물은 상기 활성층(120)의 위 및 아래에 적어도 하나의 도전성 반도체층(110,130)을 포함하는 구조로 제공될 수 있다. 또한 상기 발광 구조물은 np 접합, pn 접합, npn 접합, pnp 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 절연층(140)은 상기 제 1도전성 반도체층(110), 활성층(120) 및 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 둘레에 형성된다. 여기서, 상기 절연층(140)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 등의 절연 재료로 형성될 수 있으며, 이 재료로 한정하지는 않는다.
또한 상기 절연층(140)은 상기 발광 구조물 중에서 적어도 상기 활성층(120)을 포함하는 외측 둘레에 틀 형태로 형성된다. 이러한 상기 절연층(140)의 두께는 상기 발광 구조물의 두께 이하 또는 이상이거나, 상기 활성층(120)의 두께 이상이거나, 상기 제 1도전성 반도체층(110)에서 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 일부까지이거나, 상기 활성층(120)에서 제 2도전성 반도체층(130) 까지 또는 그 이상의 두께로 형성될 수 있다. 또한 상기 절연층(140)의 상면은 상기 제 2도전성 반도체층(130) 표면보다 더 높은 높이로 돌출될 수도 있다.
이러한 상기 절연층(140)은 칩 분리시 또는 다른 환경에서 상기 발광 구조물 영역, 특히 활성층 영역으로 반도체 재료(반사 전극층 포함)가 흘러내리거나 활성층과 쇼트되는 것을 차단할 수 있다. 또한 상기 절연층(140)은 발광 구조물의 반도체층으로 잔류 물질이나 외부 습기가 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 전류 누설을 방지할 수 있다.
상기 제 2도전성 반도체층(130) 및 절연층(140) 위에는 반사 전극층(150)이 형성되며, 상기 반사 전극층(150)의 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성된다.
여기서, 상기 반사 전극층(150)의 형성 전에 상기 발광 구조물의 외측 둘레 에 절연층(140)을 형성해 줌으로써, 기존에 반사 전극층을 에칭하고, 그 둘레에 절연층을 형성하는 2번의 포토 리소그라피(photolithography) 공정이 한 번의 포토 리소그라피 공정을 감소될 수 있다.
또한 상기 반사 전극층(150)이 칩 영역 전체 즉, 상기 제 2도전성 반도체층(130) 및 절연층(140)의 표면에 형성됨으로써, 상기 반사 전극층(150)의 접착력을 개선시켜 줄 수 있다.
여기서, 상기 반사 전극층(150)은 외부로부터의 전류를 발광구조물에 안정적으로 공급할 수 있도록 오믹 컨택트(ohmic contact)하는 p형 전극으로 기능할 수도 있다. 여기서, p형 전극은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 전도성 지지부재(160)는 구리 또는 금, 전도성 기판 등으로 이루어질 수 있으며, 구리에 도금이나 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성하게 된다.
이러한 실시 예에 따른 반도체 발광소자(100)의 발광 구조물의 일부 또는 전체 둘레에는 상기 절연층(140)이 형성되는 데, 상기 절연층(140)은 상기 활성층(120)의 외측 둘레에 형성되거나, 상기 활성층(120), 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 둘레에 형성되거나, 상기 제 1도전성 반도체층(110)의 소정 깊이, 상기 활성층(120), 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 둘레에 형성될 수 있다. 실시 예는 상기 절연층(140)이 적어도 상기 활성층(120)의 외측 둘레 영역에 형성되는 구조이며, 메사 에칭의 깊이에 따라 상기 제 1도전성 반도체층(140)의 둘레까지 형 성될 수 있다. 또한 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 둘레에는 절연층(140)이 형성되지 않고, 상기 반사 전극층(150)이 형성될 수도 있다.
상기 발광 구조물의 외측 둘레에 절연층(140)이 형성됨으로써, 추후 반도체 발광소자(100)의 외측 둘레에 전류 누설 방지를 위해 형성되는 절연층을 형성하지 않아도 된다. 또한 상기 활성층(120)의 측면 또는 칩의 일부 층의 측면에 상기 절연층(140)이 배치됨으로써, 상기 반사 전극층(150)은 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 표면 및 절연층(140)의 표면의 전 영역에 형성되므로, 전도성 지지부재(160) 및 에피층과의 접착성이 개선되고, 전류 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
도 2내지 도 7은 실시 예에 따른 발광 소자 제조 과정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판(101) 위에는 제 1도전성 반도체층(110)을 형성하고, 상기 제 1도전성 반도체층(110) 위에 활성층(120)을 형성하며, 상기 활성층(120) 위에 제 2도전성 반도체층(130)을 형성하게 된다.
상기 기판(101)에는 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 기판(101)에는 버퍼층 또는/및 언도프드 반도체층이 형성될 수도 있으며, 박막 성장 후 분리 또는 제거될 수도 있다.
상기 제 1도전성 반도체층(120)은 n형 반도체층으로, 제 2도전성 반도체층(130)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으며, 또는 그 역의 구조로 구현할 수도 있다. 여기서, 상기 제 2도전성 반도체층(130)은 p형 반도체층이고, 그 위에 n형 제 3도전성 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있다.
상기 제 2도전성 반도체층(120)의 내측 영역에 마스크 패턴(141)을 형성하게 된다. 즉, 포토 리소그라피 공정에 의해 제 2도전성 반도체층(120) 위에 마스크층을 형성한 후, 소정의 패턴에 의해 상기 마스크층을 에칭하여, 상기 제 2도전성 반도체층(120)의 외측 둘레인 메사 에칭 영역(142)을 제외한 내측 영역에 상기 마스크 패턴(141)을 형성하게 된다.
도 3을 참조하면, 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 표면에서 제 1도전성 반도체층(110)의 소정 깊이(M3~M4)까지 메사 에칭을 수행하고, 상기 메사 에칭된 영역에는 절연층(140)이 형성된다. 상기 절연층(140)은 도 4에 도시된 바와 같이, 칩(100A) 단위의 경계 영역(L1,L2)을 따라 소정 폭(T)으로 커팅될 때, 각 칩(100A)의 제 2도전성 반도체층(130)의 테두리 영역에 틀 형태로 형성된다. 상기 마스크 패턴은 절연층 형성 후 제거된다.
여기서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 메사 에칭 영역(142)은 상기 제 2도전성 반도체층(130)에서 활성층(120)까지 형성되거나(M1~M3), 상기 제 2도전성 반도체층(130)에서 활성층(120), 그리고 제 1도전성 반도체층(110)의 일부 깊이 또는 전체 깊이(M1~M4)까지 형성될 수 있다. 이러한 메사 에칭 깊이에 따라 상기 절연층(140)의 형성 영역이 달라질 수 있다. 즉, 실시 예는 적어도 상기 활성층(120)의 외측 둘레(M2~M3)에 상기 절연층(140)이 형성된 구조를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 절연층(140)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 등의 절연 재료로 형성될 수 있으며, 이 재료로 한정하지는 않는다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제 2도전성 반도체층(130) 및 상기 절연 층(140)의 위에는 반사 전극층(150)이 형성되며, 상기 반사 전극층(150) 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성된다. 여기서, 상기 반사 전극층(150)은 상기 절연층(140)이 상기 활성층(120)의 외측 둘레에 형성될 경우, 상기 제 2도전성 반도체층(130)의 외측 둘레에 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 절연층(140)은 각 칩(도 4의 100A)의 발광 구조물의 테두리에 배치되고, 상기 반사 전극층(150)은 웨이퍼 전체 영역에 형성 즉, 상기 제 2도전성 반도체층(130) 및 절연층(140) 위의 전 표면에 형성됨으로써, 상기 반사 전극층(150)의 결합력이 증가될 수 있으며, 또한 상기 전도성 지지부재(140) 및 제 2도전성 반도체층(130)과의 결합력 또는 접착력이 증가될 수 있으며, 전류 효율도 개선될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제 1도전성 반도체층(110)의 아래에 형성된 기판(101)을 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Lift Off) 과정으로 제거하게 된다. 즉, 상기 기판(101)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식(LLO : Laser Lift Off)으로 상기 기판(101)을 분리하게 된다. 또는 상기 기판(101)과 제 1도전성 반도체층(110) 사이에 다른 반도체층(예: 버퍼층)이 형성된 경우, 습식 식각 기술을 이용하여 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 기판을 분리할 수도 있다.
상기 기판(101)이 제거된 제 1도전성 반도체층(110)의 표면에 대해 ICP/RIE(Inductively coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 방식으로 연마하는 공정을 수행할 수 있다.
이때, 상기 반사 전극층(150)은 제 2도전성 반도체층(130) 및 전도성 지지부 재(160) 사이의 접착력을 강화시켜 주어, 외부 충격으로부터 보호하게 된다. 이에 따라 반도체 발광소자의 전기적인 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 상기 기판(101)이 제거된 반도체 발광 소자를 역으로 배치하여, 전도성 지지부재(160)가 반도체 발광 소자의 아래쪽에 놓이도록 한다. 그리고 상기 제 1도전성 반도체층(110)에서 제 2도전성 반도체층(130)의 일부 또는 절연층(140)의 일부 표면이 노출될 때까지 메사 에칭하여 칩 분리를 수행하게 된다. 즉, 칩과 칩 사이의 경계 영역에 대해 메사 에칭을 수행하게 되며, 그 에칭 방식은 건식 또는 습식 에칭 방식을 이용할 수 있다.
이때, 상기 절연층(140)은 메사 에칭 방식에 의해 반도체 재료가 다른 층 특히, 상기 활성층(120)에 흘러내리는 것을 방지하여, 전기적은 쇼트를 방지할 수 있다. 즉, 공정의 안정성을 개선시켜 줄 수 있다. 또한 절연층(140)의 오믹 특성에 의해 발광 효율이 개선될 수 있다. 이때 상기 칩 분리 후 상기 발광 구조물의 일부 측면을 보호하기 위해 별도의 절연층을 형성하는 과정은 생략된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110) 위에는 제 1전극층(170) 또는 투명전극(미도시)을 형성하게 된다.
상기의 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2내지 도 7은 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면.

Claims (11)

  1. 활성층과, 상기 활성층의 아래에 형성된 제 1도전성 반도체층, 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    적어도 상기 활성층의 외측 둘레에 형성된 절연층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 활성층 및 상기 제 1도전성 반도체층의 외측 둘레에 형성되는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 활성층, 상기 제 1도전성 반도체층 및 상기 제 2도전성 반도체층의 외측 둘레에 형성되는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 절연층의 위에 형성된 반사전극층 및, 상기 반사 전극층 위에 형성된 전도성 지지부재를 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 발광 구조물의 외측 가장 자리를 따라 틀 형태로 형성되는 반도체 발광소자.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 2도전성 반도체층은 p형 반도체층을 포함하며,
    상기 제 2도전성 반도체층 위에 적층된 n형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 기판 위에 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 활성층의 외측 둘레를 포함하는 깊이까지 에칭하고, 적어도 상기 활성층의 외측 둘레에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 절연층 위에 반사 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 반사 전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계;
    상기 기판을 제거하고, 상기 제 1도전성 반도체층에 제 1전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 절연층 형성 단계는,
    상기 제 2도전성 반도체층 위의 내측 영역에 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 제 2도전성 반도체층의 외측 표면부터 상기 활성층까지 에칭하는 단계, 상기 활성층 및 제 2도전성 반도체층의 외측 둘레에 절연층을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 절연층 형성 단계는,
    상기 제 2도전성 반도체층 위의 내측 영역에 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 제 2도전성 반도체층의 외측 표면부터 적어도 상기 제 1도전성 반도체층의 소정 깊이까지 에칭하는 단계, 상기 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층의 외측 둘레에 상기 절연층을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 반사 전극층은 상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 활성층 위에 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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