발광 다이오드 제조 방법 document_id A220623045182

본 발명은 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 크랙을 줄일 수 있는 레이저 리프트 오프 방법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물을 이용한 반도체는 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가진다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 반도체는 그 조성에 따라 다양한 크기의 밴드 갭을 얻을 수 있어, 황색부터 자외선에 이르는 다양한 파장 대역의 빛을 발광하도록 제조할 수 있으며, 최근에는 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. 이러한 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체를 대량 생산하는 데에는 몇몇 기술적 어려움이 있지만 점차 개선되고 있다. 그 중에서, 양질의 질화물계 반도체층을 성장시키기에 적합한 동일 격자 구조의 열전도율 높은 전도성 기판을 찾기 어렵다는 점을 극복하는 과정에서 특히 많은 개선이 이뤄지고 있다. 사파이어(sapphire, Al2O3) 단결정은 극저온에서 초고온까지 결정이 변화하지 않는 매우 우수한 열적 안정성과, 모스 경도(Mohs scale of hardness)가 9에 이르러 다이아몬드에 버금가는 높은 기계적 안정성과, 산 및 알카리에 모두 강한 화학적 안정성과, 빛의 투과성이 높은 광학적 특성을 가지는데, Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정과 동일한 육방 정계의 격자 구조를 갖는다. 따라서, 사파이어 단결정을 성장 기판으로 하고, 그 성장 기판 위에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체 단결정을 성장시키는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 사파이어 단결정은 전기적으로 부도체이므로, 별도의 전극층 또는 전극면을 형성해야 하는 등 발광 다이오드 구조를 제한한다. 전극층은 발광 효율을 위해 높은 투명도를 가져야 하며, 또한 금속 와이어와 전극층 또는 전극층과 반도체층 사이에서 접합 저항이 낮아야 하며 열 전도율도 높아야 한다. 하지만, 높은 투명도와 낮은 접합 저항을 가지면서 열전도율이 높은 물질 또는 그러한 구조를 개발하는 데에는 어려움이 많다. 사파이어 단결정 자체의 열전도율도 낮기 때문에 발광 다이오드 내에서 발생하는 열을 외부로 방출하는데 좋지 않다. 사파이어는 부도체이므로 외부에서 유입된 정전기를 방출하기 어려워 정전기로 인한 불량이 발생할 수 쉽다. 게다가, 사파이어 단결정은 안정적인 기계적 화학적 특성으로 인해 절단 및 형상화(shaping) 등의 가공도 쉽지 않다. 한편, GaN을 단결정으로 성장시킬 수 있는 동종의 전도성 기판으로서, 전기적 및 열적으로 안정하며 열전도율도 사파이어 기판에 비해 상당히 높은 실리콘 카바이드(SiC) 기판이 제안되고 있지만, 제작이 어렵고 빛 흡수율이 높아 실용적이지 못하다. 이러한 사파이어 기판을 이용함으로써 발생하였던 단점은 반도체 층을 사파이어 기판 위에서 성장시킨 뒤, 사파이어 기판을 제거 또는 분리(lift off)하는 방법이 제안되면서 극복될 수 있었다. 사파이어 기판을 제거하는 기법에는 물리적, 기계적으로 깎아서 제거하거나 화학적으로 식각하는 기법 등이 있다. 사파이어 기판을 분리하는 기법에는 사파이어 기판과 GaN 층 사이에 특정한 파장의 레이저를 조사(illumination)하여 사파이어 기판과 GaN 층을 분리하는 레이저 리프트 오프(Laser lift off; LLO) 기법이 널리 사용된다. 도 1은 종래의 레이저 리프트 오프 기법을 이용한 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 사파이어 기판(11)의 상부에 GaN 층(13)이 형성된다. GaN층(13)은 세부적으로 제1 화합물 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 화합물 반도체층(133)을 포함한다. 사파이어 기판(11)을 분리하기 전에 GaN 층(13) 위에 보조 지지 기판(secondary supporting substrate)(미도시)에 접합시킨다. 이때, 보조 지지 기판은 상술한 사파이어 기판(11)과 같은 단점이 없고 열전도성이 우수한 전도성 기판인 실리콘 웨이퍼(Si wafer), 갈륨비소 웨이퍼(GaAs wafer) 또는 메탈 플레이트(metal plate)일 수 있다. 실리콘 결정, 갈륨비소 결정 또는 메탈 플레이트인 보조 지지 기판을 GaN 층(13)과 그냥 접합하면, 두 층의 결정 구조가 다르기 때문에 그 접합면에서 균일하지 않은 응력이 발생하여 접합면이 스트레스 상태에 놓인다. 이런 상태에서 레이저를 조사하는 경우, 레이저가 조사되는 부분의 사파이어 기판은 GaN 층과 분리되지만 레이저가 아직 조사되지 않은 부분의 사파이어 기판은 아직 GaN 층과 접합되어 있다. 따라서, 스트레스 상태에 있던 GaN 층(13)과 웨이퍼(또는 메탈 플레이트) 사이의 접합면에서 크랙이 발생하게 되고, 심지어 GaN 층(13)이 파괴되기도 한다. 이런 현상을 피하기 위해, 지지 기판을 접합하기 전에 미리 GaN 층(13)을 소정의 크기(예를 들어, 최종 제작되는 발광 다이오드 제품의 소자 크기)로 식각하여 트렌치(trench)(15)를 형성한다. 사파이어 기판(11)을 분리하는 과정에서 크랙은 피할 수 없지만, 대부분의 크랙이 상기 트렌치(15)로 유도되기 때문에 발광 다이오드 소자에서 사용되는 GaN 층(13) 부분에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 종래 기술에서는 GaN 층을 식각하는 과정에서 GaN 층의 표면이 손상되고 홈이나 굴곡을 초래할 수 있다. 결과적으로 크랙의 영향은 줄일 수 있어도 GaN 층의 표면을 평평하지 못하게 되어 제품의 발광 특성을 오히려 나쁘게 할 수 있다. 다른 종래 기술에서는 GaN 층 표면의 홈을 다른 물질로 채우고 지지 기판을 접합하는 기술도 제안되었지만, 효율이 떨어지고 공정이 추가된다는 단점을 여전히 갖고 있다.