KR101534845B1 - high-performance group 3 nitride-based semiconductor light emitting diodes and methods to fabricate them - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 발광면인 상부 질화물계 클래드층의 상층부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체인 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층을 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 구비하는 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a Group III nitride-based conductive thin-film structure, which is an In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y , x + y? 1) layer, and a method of manufacturing the same. The present invention also provides a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device and a method of manufacturing the same.
다시 말하자면, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층이 발광면인 상부 질화물계 클래드층의 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층 상부에서 오믹접촉 계면을 형성하는 동시에 표면 요철 공정을 도입하거나, 또는 기능성 박막층을 구비하여 구동 전압 및 외부 발광 효율을 비롯한 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.In other words, the present invention is characterized in that the ohmic contact current spreading layer including the group III nitride-based conductive thin film structure is a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0 Y < = y, x + y < / = 1) layer, a surface irregularity process is introduced, or a functional thin film layer is provided to effectively improve the overall performance of the light emitting diode device including the driving voltage and the external light emitting efficiency .
그룹 3족 질화물계 반도체, 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체, 오믹접촉 커런트스프레딩층, 결합용 이종물질층, 기능성 박막층, 발광구조체, 레이저 리프트 오프, 화학적 습식에칭, 양성 극성 표면, 음성 극성 표면 A group III nitride-based semiconductor, a group III nitride-based conductive thin film structure, an ohmic contact current spreading layer, a bonding dissimilar material layer, a functional thin film layer, a light emitting structure, a laser lift off, a chemical wet etching, a positive polarity surface,
Description
본 발명은 구동 전압 및 외부 발광 효율을 비롯한 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드(group 3 nitride-based semiconductor light emitting diode) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a group III nitride-based semiconductor light emitting diode (OLED) device capable of improving the overall performance of a light emitting diode device including a driving voltage and an external light emitting efficiency, and a method of manufacturing the same.
발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전류를 인가하면 고체 발광구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시킨다. 초창기 LED 소자 연구 개발은 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성한다. 상기 LED는 녹색 빛의 파장보다 더 긴 파장의 가시광선 영역대의 빛을 발광하는 반면에, 최근 들어 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체의 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화됨으로서 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있으며, 더 나아가서는 적, 녹, 청색의 3개 LED 소자 칩을 조합하거나, 또는 단파장 의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 LED가 개발되어 조명장치로도 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 LED 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길며 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명용 백색광원 분야에서 주목받고 있다.When a forward current of a certain magnitude is applied to a light emitting diode (LED) device, current is converted into light in the active layer in the solid state light emitting structure to generate light. The earliest LED element research and development forms a compound semiconductor such as indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaAs), and gallium phosphorus (GaP) in a p-i-n junction structure. The LED emits light in a visible light region of a wavelength longer than the wavelength of green light, but in recent years, due to the research and development of a group III nitride single crystal semiconductor, elements emitting blue and ultraviolet light are also commercially available Device, a light source device, and an environmental application device. Further, it is possible to combine three LED device chips of red, green, and blue, or to add a phosphor to a short wavelength pumping LED device LEDs for white light source that emits white light by grafting have been developed and the application range thereof has been extended to illumination devices. In particular, LED devices using solid single crystal semiconductors have a high efficiency of converting electrical energy into light energy, have a long life span of 5 years or more on average, and are capable of significantly reducing energy consumption and maintenance costs. It is attracting attention.
이와 같은 그룹 3족 질화물계 반도체로 제조된 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자는 일반적으로 절연성 성장기판(대표적으로, 사파이어) 상부에 성장되어 제조되기 때문에, 다른 그룹 3-5족 화합물계 반도체 발광다이오드 소자와 같이 성장기판의 서로 반대면에 대향 하는 두 전극을 설치할 수 없어, LED 소자의 두 전극을 결정 성장된 단결정 반도체 상부에 형성해야 한다. 이러한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 종래 구조가 도 1에 개략적으로 예시되어 있다.Since a light-emitting diode (hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) device made of a Group III nitride-based semiconductor is generally grown on an insulating growth substrate (typically, sapphire) 5 group compound semiconductor light emitting diode device, two electrodes opposite to the opposite surfaces of the growth substrate can not be provided, so that the two electrodes of the LED device must be formed on the crystal-grown single crystal semiconductor. A conventional structure of such a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device is schematically illustrated in FIG.
도 1을 참조하면, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 사파이어 성장기판(10)과 상기 성장기판(10) 상부에 순차적으로 성장 형성된 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(201)과 상기 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(201)과 다른 조성의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(202)으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물(multi-quantum well)구조의 다른 조성으로 구성된 언도 프(un-dope)된 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)인 반도체 다층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(401)과 상기 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(401)과 다른 조성의 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(402)으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 단결정으로 형성된 하부 질화물계 클래드층/질화물계 활성층/상부 질화물계 클래드층(20, 30, 40)은 MOCVD 또는 MBE 등의 장치를 이용하여 성장될 수 있다. 이때, 상기 하부 질화물계 클래드층(20)의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(201)을 성장하기 전에 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합을 향상시키기 위해, AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(미도시)을 그 사이에 형성할 수도 있다.1, a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device includes a
상기한 바와 같이, 상기 사파이어 성장기판(10)은 전기절연성 물질이므로, LED 소자의 두 전극을 모두 단결정 반도체 성장방향인 동일한 상부에 형성해야 하며, 이를 위해서는 상부 질화물계 클래드층(40)과 질화물계 활성층(30)의 일부 영역을 에칭(즉, 식각)하여 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 상부 영역을 노출하고, 상기 노출된 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(20) 상부에 n형 오믹접촉(ohmic contact interface) 전극 및 전극패드(70)를 형성한다.As described above, since the
특히 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 낮은 캐리어 농도(carrier concentration) 및 이동도(mobility)로 인하여 상대적으로 높은 면저항을 갖고 있기 때문에, p형 전극(60)을 형성하기에 앞서, 양질의 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성할 수 있는 추가적인 물질이 요구된다. 이에 대하여, 미국특허 US5,563,422에 서는, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 위치한 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)의 상부에 p형 전극(60)을 형성하기 전에, 수직방향으로의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성하기 위해 Ni/Au로 구성된 물질을 제안하였다.In particular, since the upper nitride-based
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)에 대한 수평방향으로의 전류 퍼짐(current spreading)을 향상시키면서도 동시에 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면(ohmic interface)을 형성하여 효과적인 전류 주입(current injection)을 할 수 있어, 발광다이오드 소자의 전기적인 특성을 향상시킨다. 그러나 Ni/Au로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)은 열처리를 거친 후에도 평균 70%의 낮은 투과율을 보이며, 이러한 낮은 빛 투과율은 해당 발광다이오드 소자에서 생성된 빛을 외부로 방출될 때, 많은 양의 빛을 흡수하여 전체 외부 발광 효율을 감소시키게 한다.The ohmic contact
상기한 바와 같이, 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)의 높은 빛 투과율을 통한 고휘도의 발광다이오드 소자를 얻기 위한 방안으로, 최근 들어 상기 Ni/Au 물질을 비롯한 각종 불투명성 금속 또는 합금으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(50) 대신에 투과율이 평균 90% 이상인 것으로 알려진 ITO(indium tin oxide) 또는 ZnO(zinc oxide) 등의 투명성 전도성 물질로 형성하는 방안이 제안되었다. 그런데, 상기한 투명성 전기전도성 물질은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N 결정(7.5 eV 이상)에 비해 작은 일함수(4.7~6.1eV), 그리고 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)에 직접 증착하고 열처리를 비롯한 후속 공정을 행하는 후에 오믹접촉 계면(ohmic contact interface)이 아니라 비접촉 저항이 큰 쇼키접촉 계면(schottky contact interface)을 형성하고 있어, 새로운 투명성 전도성 물질 또는 제조 공정이 필요하다.As described above, in order to obtain a high-brightness light-emitting diode device through a high light transmittance of the ohmic contact
이에, 더 최근에는 미국특허 US20070001186 에서는 ZnO을 비롯한 두꺼운 투명성 전기전도성 물질 웨이퍼를 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정으로 p형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체 상부에 접목하여 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성한 기술이 도안 되었다. 하지만, 이러한 두꺼운 웨이퍼 형태로 존재하는 투명성 전기전도성 물질은 10-3 Ω㎝ 이하 수준의 우수한 전기전도성을 갖도록 만들기가 쉽지가 않을뿐더러, 열팽창 계수 차이(difference of thermal expansion coefficient) 등으로 인해 웨이퍼 결합이 어렵고 또한 웨이퍼 제작에 고비용이 들기 때문에 실용적인 측면에선 적합하지가 않다. More recently, U.S. Patent US20070001186 discloses a thick transparent electroconductive material wafer, including ZnO, which is bonded to the top of a p-type In x Al y Ga 1-xy N semiconductor by a wafer bonding process to form an ohmic contact current spreading layer 50) was formed. However, transparency electroconductive materials present in such a thick wafer form are not easy to have excellent electrical conductivity of the order of 10 -3 Ωcm or less, and due to the difference in thermal expansion coefficient, It is not suitable for practical use because it is difficult and expensive to manufacture wafers.
따라서 당 기술 분야에서는 높은 빛 투과율을 유지하는 것과 동시에, 상부 질화물계 클래드층(40)의 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(40)과 양호한 오믹접촉 계면을 형성하는 고품위 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 갖춘 양질의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, in the art, it is necessary to maintain a high light transmittance and to provide a high-quality (high-quality) clad layer which forms a good ohmic contact interface with the p-type In x Al y Ga 1-
또한, LED 소자의 폭넓은 산업적 응용과 조명용 백생광원으로 사용하기 위해서는 무엇보다도 전기 및 열적으로 나쁜 전도성을 지닌 사파이어 성장기판(10) 상부에 성장 및 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 순간적인 역 방향(reverse direction)으로의 전류가 인가될 경우에는 다량의 누설 전류(leaky current)가 발생하여 LED 소자가 완전히 손상되는 경우가 빈번하게 발생하고 있다(정전기 현상). 따라서 전기절연성 성장기판(10)인 사파이어 상부에 제조된 LED 소자의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 반드시 상기 누설 전류와 정전기(electrostatic discharge : ESD) 현상을 개선시켜야 한다. 이와 더불어서, LED 소자 구동 시 발생하는 열을 최대한 감소시켜야 하며, 필연적으로 발생한 열을 외부로 원활하게 방출시킬 수 있는 기술 또한 요구된다.In addition, for use in a wide range of industrial applications of LED devices and as a white light source for illumination, a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device grown and manufactured on top of a
일반적으로 사파이어 성장기판(10) 상부에 성장 형성, 그리고 제조된 그룹 3-5족 화합물계 반도체 발광다이오드 소자에서 심각하게 대두하고 있는 ESD 현상 방지 및 열 방출 문제는 전기 및 광학적인 특성과 밀접하게 연계되어 있다. 상기한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 대두하는 문제점을 해결하는 방안으로는 양질의 반도체 단결정 발광구조체(20, 30, 40) 성장 형성 이외에도, LED 소자 제조 공정에서 상기 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층 상부에 양질의 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성하는 방법이 계속 대두되어 오고 있다.Generally, the problem of ESD prevention and heat emission, which is seriously occurring in a group III-V compound semiconductor light-emitting diode device grown and formed on the
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층의 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체인 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)을 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 구비하고, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층 바로 위의 일부 영역에 쇼키접촉 전극 및 전극패드를 형성하여, LED 소자 구동 시에 수평방향으로의 원활한 전류 퍼짐(current spreading) 및 낮은 구동 전압, 그리고 누설 전류(leaky current)를 감소시킴으로써, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 개선시키고자하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a nitride-based cladding layer of a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y < / = 1) layer comprising a group III nitride-based conductive thin film structure, In x Al y Ga 1-xy N (0 x, 0 y, x + And a shadowing contact electrode and an electrode pad are formed on a part of the ohmic contact current spreading layer immediately above the ohmic contact current spreading layer so that current spreading in a horizontal direction and low driving voltage, And to improve the overall performance of the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device by reducing leakage current.
본 발명의 또 다른 목적으로서 더 나아가, 상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 형성된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 표면 요철(surface texture)을 비교적 용이하게 효과적으로 도입하여 광추출 효율을 비롯한 LED 소자의 전체적인 성능을 향상시키고자하는데 그 목적이 있다.As a further object of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of: (a) forming a p-type cladding layer on a p-type nitride-based clad layer; So as to improve the overall performance of the LED device including the light extraction efficiency.
본 발명의 또 다른 목적으로서 더 나아가, 상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 형성된 투명성 전기전도체를 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 표면 요철 공정을 도입하기 전/후에 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층 상부에 기능성 박막층을 형성하여 광추출 효율을 비롯한 LED 소자의 전체적인 성능을 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.As a further object of the present invention, there is provided a method of manufacturing a p-type cladding layer, comprising the steps of: forming a p-type cladding layer on a p-type cladding layer; forming an ohmic contact current spreading layer on the p- And to improve the overall performance of the LED device including the light extraction efficiency by forming a functional thin film layer on the upper side.
상기한 본 발명의 목적을 성공적으로 수행하기 위하여, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 존재하는 p형 질화물계 클래드층 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 형성은 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding) 공정에 의해 수행하는 것이 바람직하다.In order to accomplish the object of the present invention successfully, an ohmic contact current spreading layer including a group III nitride-based conductive thin film structure is formed on a p-type nitride-based clad layer existing in the uppermost layer of the light- The formation is preferably carried out by a direct wafer bonding process.
상기한 본 발명의 목적을 성공적으로 수행하기 위하여, 또 다른 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 존재하는 p형 질화물계 클래드층 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 포함하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 형성은 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding) 공정으로서, p형 질화물계 클래드층과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 사이에 투명성 결합용 이종물질층을 개재한 것이다.In order to accomplish the object of the present invention successfully, an ohmic contact current soup comprising a group III nitride-based conductive thin film structure on top of a p-type nitride-based clad layer existing in a top layer of another light- Laying layer formation is an indirect wafer bonding process in which a layer of a transparent bonding heterogeneous material is interposed between the p-type nitride-based clad layer and the group III nitride-based conductive thin film structure.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 수평구조의 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조에 있어서,The present invention provides, as a constituent means for achieving the above-mentioned object, a semiconductor device comprising a group III nitride-based semiconductor represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) (Hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) element,
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판을 준비하는 단계;Preparing a growth substrate for growing a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device;
상기 성장기판 상부에 형성되며, n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 상기 하부 질화물계 클래드층의 일부 영역에 형 성된 질화물계 활성층과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층을 성장하여 발광다이오드 소자용 발광구조체를 완성하는 단계;A lower nitride-based clad layer formed on the growth substrate and made of an n-type conductive group III nitride-based semiconductor; a nitride-based active layer formed on a partial region of the lower nitride-based clad layer; and a p- Growing a top nitride-based clad layer made of a semiconductor to complete a light-emitting structure for a light-emitting diode device;
그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 성장시키기 위한 지지기판을 준비하는 단계;Preparing a support substrate for growing a group III nitride-based conductive thin film structure;
상기 지지기판 상부에 형성되며, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 적층 형성하는 단계;Forming a group III nitride-based conductive thin-film structure on the support substrate and denoted by the formula In x Al y Ga 1-x-y N (0? X, 0? Y, x + y? 1);
상기 성장기판 상부의 상부 질화물계 클래드층과 상기 지지기판 상부의 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 맞대어 소정의 압력과 온도에서 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding)으로 결합시켜 복합구조체를 형성하는 단계; Bonding the upper nitride-based clad layer on the growth substrate and the group III nitride-based conductive thin-film structure on the support substrate by direct wafer bonding at a predetermined pressure and temperature to form a composite structure;
상기 웨이퍼 결합한 복합구조체로부터 지지기판을 분리하는 단계;Separating the support substrate from the wafer bonded composite structure;
상기 대기에 노출된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 상부의 일부 영역에 형성되는 쇼키접촉 계면의 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및Forming a p-type electrode pad on a shallow contact interface formed in a part of the upper portion of the group III nitride-based conductive thin film structure exposed to the atmosphere; And
상기 하부 질화물계 클래드층 상부의 일부 영역에 형성되는 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.And forming an n-type ohmic contact electrode and an electrode pad on a part of the upper portion of the lower nitride-based clad layer.
상기 상부 질화물계 클래드층 상부에 위치하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 오믹접촉 계면을 형성하고 있어, 전류 주입 및 전류 퍼짐을 용이하게 하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 역할을 한다. The Group III nitride-based conductive thin film structure located above the upper nitride-based clad layer forms an ohmic contact interface and serves as an ohmic contact current spreading layer that facilitates current injection and current spreading.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 전자(electron)가 다수 캐리어로 작용하는 n형 반도성 또는 전도성으로 형성된 단층(single layer)이외에도, 슈퍼래티스(superlattice) 구조 등을 포함한 다층(multi-layer)으로 형성될 수 있다.Further, the group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may be formed by a single layer formed of an n-type semiconductive or conductive type in which electrons act as a majority carrier, a superlattice structure, and the like.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 정공(hole)이 다수 캐리어로 작용하는 p형 반도성 또는 전도성으로 형성된 단층(single layer)이외에도, 슈퍼래티스(superlattice) 구조 등을 포함한 다층(multi-layer)으로 형성될 수 있다.Further, the group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may be formed by a p-type semiconductive or conductive single layer, in which holes function as a majority carrier, a superlattice structure, and the like.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 표면은 정방정계 결정(cubic crystal) 표면뿐만이 아니라, 금속성 표면(metallic surface)인 양성 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(positive polarity hexagonal surface), 질소 표면(nitrogen surface)인 음성 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(negative polarity hexagonal surface), 상기 두 극성이 혼합된 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(mixed polarity hexagonal surface)으로 형성될 수 있다.Furthermore, the surface of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer is not only a cubic crystal surface but also a hexagonal crystal surface having a positive polarity as a metallic surface a negative polarity hexagonal surface having a negative polarity which is a positive polarity hexagonal surface and a nitrogen surface and a mixed polarity hexagonal surface having a mixed polarity .
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 단결정(epitaxy) 구조 이외에도 다결정체(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous) 구조도 가능하다.Further, the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may have a poly-crystal or amorphous structure in addition to the epitaxial structure.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 표면 상부에 투명성 전기전도성(transparent conducting)인 이종물질, 형광성(luminescent) 물질, 비반사성(anti-reflective) 물질, 또는 광 필터링(light filtering) 물질 등의 기능성 박막층(functional thin film layer)이 더 적층 형성될 수 있다.Furthermore, on top of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer, a transparent conducting dissimilar material, a luminescent material, an anti-reflective material , Or a functional thin film layer such as a light filtering material may be further formed.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 표면에 표면 요철 공정을 도입시킬 수 있다.Furthermore, surface irregularities can be introduced into the surface of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구성수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 수평구조의 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조에 있어서,The present invention provides, as still another constituent means for achieving the above-mentioned object, a group III nitride-based semiconductor represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + (Hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) element using a horizontal structure,
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판을 준비하는 단계;Preparing a growth substrate for growing a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device;
상기 성장기판 상부에 형성되며, n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 상기 하부 질화물계 클래드층의 일부 영역에 형성된 질화물계 활성층과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층을 성장하여 발광다이오드 소자용 발광구조체를 완성하는 단계;A lower nitride-based clad layer formed on the growth substrate and made of an n-type conductive group III nitride-based semiconductor; a nitride-based active layer formed on a partial region of the lower nitride-based clad layer and a p- Growing a top nitride-based clad layer made of a semiconductor to complete a light-emitting structure for a light-emitting diode device;
그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 성장시키기 위한 지지기판을 준비하는 단계;Preparing a support substrate for growing a group III nitride-based conductive thin film structure;
상기 지지기판 상부에 형성되며, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 적층 형성하는 단계;Forming a group III nitride-based conductive thin-film structure on the support substrate and denoted by the formula In x Al y Ga 1-x-y N (0? X, 0? Y, x + y? 1);
상기 성장기판 상부의 상부 질화물계 클래드층과 상기 지지기판 상부의 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 사이에 투명성 결합용 이종물질층을 개재하여 소정의 압력 및 온도에서 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding)으로 결합시켜 복합구조체를 형성하는 단계; Indirect wafer bonding is performed at a predetermined pressure and temperature through a layer of a hetero-junction material for transparent bonding between the upper nitride-based clad layer on the growth substrate and the group III nitride-based conductive thin-film structure on the support substrate. To form a complex structure;
상기 웨이퍼 결합한 복합구조체로부터 지지기판을 분리하는 단계;Separating the support substrate from the wafer bonded composite structure;
상기 대기에 노출된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 상부의 일부 영역에 형성되는 쇼키접촉 계면의 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및Forming a p-type electrode pad on a shallow contact interface formed in a part of the upper portion of the group III nitride-based conductive thin film structure exposed to the atmosphere; And
상기 하부 질화물계 클래드층 상부의 일부 영역에 형성되는 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.And forming an n-type ohmic contact electrode and an electrode pad on a part of the upper portion of the lower nitride-based clad layer.
상기 투명성 결합용 이종물질층은 상기 상부 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면을 형성하고, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체와 강하게 결합하고 있다.The transparent bonding different material layer forms an ohmic contact interface with the upper nitride-based clad layer and is strongly bonded to the group III nitride-based conductive thin film structure.
상기 상부 질화물계 클래드층 상부에 위치하는 상기 투명성 결합용 이종물질층을 포함하는 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 전류 주입 및 전류 퍼짐을 용이하게 하는 오믹접촉 커런트스프레딩층 역할을 한다. The group III nitride-based conductive thin film structure including the transparent bonding different-material layer located above the upper nitride-based clad layer serves as an ohmic contact current spreading layer that facilitates current injection and current spreading.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 전자(electron)가 다수 캐리어로 작용하는 n형 반도성 또는 전도성으로 형성된 단층(single layer)이외에도, 슈퍼래티스(superlattice) 구조 등을 포함한 다층(multi-layer)으로 형성될 수 있다.Further, the group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may be formed by a single layer formed of an n-type semiconductive or conductive type in which electrons act as a majority carrier, a superlattice structure, and the like.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 정공(hole)이 다수 캐리어로 작용하는 p형 반도성 또는 전도성으로 형성된 단층(single layer)이외에도, 슈퍼래티스(superlattice) 구조 등을 포함한 다층(multi-layer)으로 형성될 수 있다.Further, the group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may be formed by a p-type semiconductive or conductive single layer, in which holes function as a majority carrier, a superlattice structure, and the like.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화 물계 전도성 박막구조체 표면은 정방정계 결정(cubic crystal) 표면뿐만이 아니라, 금속성 표면(metallic surface)인 양성 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(positive polarity hexagonal surface), 질소 표면(nitrogen surface)인 음성 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(negative polarity hexagonal surface), 상기 두 극성이 혼합된 극성을 갖는 육방정계 결정 표면(mixed polarity hexagonal surface)으로 형성될 수 있다.Further, the surface of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer is not only a cubic crystal surface but also a hexagonal crystal surface having a positive polarity which is a metallic surface a negative polarity hexagonal surface having a negative polarity which is a positive polarity hexagonal surface and a nitrogen surface and a mixed polarity hexagonal surface having a mixed polarity .
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 단결정(epitaxy) 구조 이외에도 다결정체(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous) 구조도 가능하다.Further, the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer may have a poly-crystal or amorphous structure in addition to the epitaxial structure.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 표면 상부에 투명성 전기전도성(transparent conducting)인 이종물질, 형광성(luminescent) 물질, 비반사성(anti-reflective) 물질, 또는 광 필터링(light filtering) 물질 등의 기능성 박막층(functional thin film layer)이 더 적층 형성될 수 있다.Furthermore, on top of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer, a transparent conducting dissimilar material, a luminescent material, an anti-reflective material , Or a functional thin film layer such as a light filtering material may be further formed.
더 나아가서, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층의 역할을 하는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 표면에 표면 요철 공정을 도입시킬 수 있다.Furthermore, surface irregularities can be introduced into the surface of the Group III nitride-based conductive thin film structure serving as the ohmic contact current spreading layer.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 광전자 소자(발광다이오드)에 있어서, p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 질화물계 반도체인 상부 질화물계 클래드층과 웨이퍼 결합 공정에 의해서 형성된 오믹접 촉 커런트스프레딩층 간(間)의 양호한 오믹접촉 계면을 형성시켜 LED 소자 전체의 양호한 전기적 특성 이외에도, 빛의 투과율 특성이 개선된 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층 사용 결과로 LED 소자의 휘도를 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다. As described above, the present invention relates to a group III nitride-based semiconductor optoelectronic device (light emitting diode), wherein the p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + A good ohmic contact interface between the ohmic contact current spreading layer formed by the wafer bonding process and the upper nitride-based clad layer as a semiconductor is formed so that the light transmittance characteristic of the entire LED device is improved As a result of using the ohmic contact current spreading layer, the brightness of the LED element can be improved.
더하여, 종래 기술들과는 달리 웨이퍼 대 웨이퍼 결합 공정에 의해 형성된 고성능의 오믹접촉 커런트스프레딩층을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 있어서, 습식 또는 건식에칭에 의해 표면 요철을 용이하게 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 형성시킬 수 있기 때문에 LED 소자용 발광구조체 구조 내부로 다시 산란하는 빛을 최소화시켜 LED 소자의 전체 휘도 특성을 한층 더 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.In addition, unlike the prior art, in a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a high-performance ohmic contact current spreading layer formed by a wafer-to-wafer bonding process, surface irregularities can easily be formed by wet or dry etching, It is possible to minimize the light scattering back into the structure of the light emitting structure for the LED device, thereby improving the overall luminance characteristic of the LED device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따라 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a group III nitride-based semiconductor light emitting diode device manufactured according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 지지기판(supporting substrate) 상부에 형성된 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 형성된 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive thin film structure for bonding wafers formed on a supporting substrate according to the present invention.
도 2A를 참조하면, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 지지기판(80) 상부에 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer) 구조로 형성된다.2A, a group III nitride-based conductive
더 상세하게 말하자면, 지지기판 (80) 상부에 단결정의 무극성 표면 정방정계, 양성 극성 표면 육방정계, 음성 극성 표면 육방정계, 또는 혼합된 극성 표면 육방정계로 형성되는 것이 바람직하지만, 더 나아가서는 다결정(poly-crystal) 또 는 비정질(amorphous)인 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)도 가능하다.More specifically, it is preferable to form the non-polar surface tetragonal system, the positive polarity surface hexagonal system, the negative polarity surface hexagonal system, or the mixed polar surface hexagonal system of the single crystal on the
또한 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)는 다수 캐리어인 전자(electron) 또는 정공(hole) 전하에 무관하게 10-2 Ω㎝ 이하의 전기저항을 갖는 전기전도성(conducting) 또는 반도성(semi-conducting)을 갖는 것이 바람직하다.The group III nitride-based conductive
또한 도 2B에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 10-2 Ω㎝ 이하의 전기저항을 갖는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 직접적으로 지지기판(80) 상부에 형성하기에 앞서, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)의 전기 및 광학적 특성 향상과 화학적 습식에칭(chemical lift-off; CLO) 또는 레이저 리프트 오프(laser lift-off; LLO) 후속 공정에 유리한 물질로 구성된 희생층(sacrificial layer; 100)이 도입된다. 무엇보다도, 상기 희생층(100)은 Al, Au, Ag, Ti, In, Sn, Zn, Cr, Pd, Pt, Ni, Mo, W, CrN, TiN, ZnO, In2O3, SnO2, ITO, NiO, SiO2, RuO2, IrO2, SiNx, 그룹 3-5족 화합물, 그룹 2-6족 화합물이 사용될 수 있다.2B, before forming the group III nitride-based conductive
상기 지지기판(80)은 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)를 적층할 수 있는 기판 물질이면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 특히 사파이어(sapphire), 실리콘(Si), 저매니움(Ge), 실리콘저매니움(SiGe), 실리콘카바이드(SiC), 그룹 2-6족 화합물계(group 2-6 compounds), 유리(glass), 그룹 3-5족 화합물계(group 3-5 compounds), 금속(metal) 또는 합금(alloy) 등이 우선적으로 사용될 수 있다.The
도 3은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by a direct wafer bonding process.
일반적으로 널리 공지된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체인 도 3A를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체의 성장을 위한 사파이어 성장기판(10)과, 상기 성장기판(10) 상부에 순차적으로 형성된 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 그룹 3족 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 GaN층과 n형 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 GaN층과 p형 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체층으로 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)를 성장하기에 앞서, 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 적층한다. 이때, 하부 질화물계 클래드층(20)과 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합(lattice match)을 향상시키기 위해, 상기 사파이어 성장기판(10)의 상부에 AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(110)을 더 형성하는 것이 바람직하다.3A, which is a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light emitting diode device, includes a
상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.The upper nitride-based
도 3B는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 형성되는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 위한 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 지지기판(80) 상부에 형성된 단면도로서, 도 2A에서 설명한 것과 동일한 물질 및 구조를 갖는다.3B is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive
도 3C는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40)과 지지기판(80) 상부에 형성된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 소정의 압력(hydrostatic pressure)과 900℃ 이하의 온도(temperature)에서 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding)으로 형성된 복합구조체를 보인 단면도이다.3C is a cross-sectional view of the upper nitride-based
무엇보다도, 상기 웨이퍼 결합 시에 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)의 강한 기계적 결합력 이외에도, 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면을 형성시키는 것이 바람직하다. 더 나아가서, 상기한 바와 같이 오믹접촉 계면을 형성하기 위해서 웨이퍼 결합 공정 전(fore-process)에 상부 질화물계 클래드층(40) 또는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)를 적절한 온도 및 가스(gas) 분위기에서 어닐링(annealing)과 용액(solution), 또는 플라즈마(plasma)를 비롯한 표면처리(surface treatment)를 행할 수가 있으며, 동시에 웨이퍼 결합 후(post-process)에도 상기한 어닐링 또는 표 면처리 공정을 도입할 수도 있다.In addition to the strong mechanical bonding force between the upper nitride-based
도 4는 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by a direct wafer bonding process.
일반적으로 널리 공지된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체인 도 4A를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체의 성장을 위한 사파이어 성장기판(10)과, 상기 성장기판(10) 상부에 순차적으로 형성된 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 그룹 3족 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 GaN층과 n형 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 GaN층과 p형 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체층으로 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)를 성장하기에 앞서, 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 적층한다. 이때, 하부 질화물계 클래드층(20)과 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합(lattice match)을 향상시키기 위해, 상기 사파이어 성장기판(10)의 상부에 AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(110)을 더 형성하는 것이 바람직하다.4A, which is a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light emitting diode device generally known in the art, includes a
상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.The upper nitride-based
도 4B는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 형성되는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 위한 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 지지기판(80) 상부에 형성된 단면도로서, 도 2B에서 설명한 것과 동일한 물질 및 구조를 갖는다.4B is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive
도 4C는 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 복합구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40)과 지지기판(80) 상부에 형성된 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 소정의 정역학 압력(hydrostatic pressure) 및 900℃ 이하의 온도(temperature)에서 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding)으로 형성된 복합구조체를 보인 단면도이다.FIG. 4C is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive
무엇보다도, 상기 웨이퍼 결합 시에 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)의 강한 기계적 결합력 이외에도, 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면을 형성시키는 것이 바람직하다. 더 나아가서, 상기한 바와 같이 오믹접촉 계면을 형성하기 위해서 웨이퍼 결합 공정 전(fore-process)에 상부 질화물계 클래드층(40) 또는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)를 적절한 온도 및 가스(gas) 분위기에서 어닐링(annealing)과 용액(solution), 또는 플라즈마(plasma)를 비롯한 표면처리(surface treatment)를 행할 수가 있으며, 동시에 웨이퍼 결합 후(post-process)에도 상기한 어닐링 또는 표면처리 공정을 도입할 수도 있다.In addition to the strong mechanical bonding force between the upper nitride-based
도 5는 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light emitting structure for a group III nitride-based light emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin film structure according to the present invention are combined by an indirect wafer bonding process.
일반적으로 널리 공지된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체인 도 5A를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체의 성장을 위한 사파이어 성장기판(10)과, 상기 성장기판(10) 상부에 순차적으로 형성된 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 그룹 3족 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 GaN층과 n형 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 GaN층과 p형 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체층으로 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)를 성장하기에 앞서, 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 적층한다. 이때, 하부 질화물계 클래드층(20)과 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합(lattice match)을 향상시 키기 위해, 상기 사파이어 성장기판(10)의 상부에 AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(110)을 더 형성하는 것이 바람직하다.5A, which is a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device generally known in the art, includes a
상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.The upper nitride-based
도 5B는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 형성되는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 위한 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 지지기판(80) 상부에 형성된 단면도로서, 도 2A에서 설명한 것과 동일한 물질 및 구조를 갖는다.5B is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive
도 5C는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층인 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)에 도입되는 투명성 결합용 이종물질층(120)이다. 더 나아가서, 상기 투명성 결합용 이종물질층(120)은 두 물질층(40, 90) 간에 기계적 결합력을 강화시켜주며, 동시에 상부 질화물계 클래드층(40)과의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면 형성에 유리하며 높은 빛 투과율을 갖는 물질이 바람직하다.FIG. 5C is a cross-sectional view of a heterogeneous material for transparent bonding introduced between the upper nitride-based
상기 투명성 결합용 이종물질층(120)은 투명성 전기전도성 물질이면 제한되 지 않고 사용될 수 있으며, 일예로, ITO, ZnO, IZO(indium zinc oxide), ZITO(zinc indium tin oxide), In2O3, SnO2, Sn, Zn, In, Ni, Au, Ru, Ir, NiO, Ag, Pt, Pd, PdO, IrO2, RuO2, Ti, TiN, Cr, CrN 등의 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer) 구조로 사용될 수 있다. For example, ITO, ZnO, IZO (indium zinc oxide), ZITO (zinc indium tin oxide), In 2 O 3, SnO 2, and SnO 2 may be used as the transparent
도 5D는 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)에 기계적 결합력을 한층 강화시킬 수 있는 상기 투명성 결합용 이종물질층(120)을 도입하여 소정의 정역학 압력(hydrostatic pressure) 및 900℃ 이하의 온도(temperature)에서 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding)으로 형성한 복합구조체를 보인 단면도이다.FIG. 5D is a cross-sectional view showing a state in which the mechanical bonding force between the upper nitride-based
더 나아가서, 상기한 바와 같이 수직방향으로의 오믹접촉 계면을 형성하기 위해서 상기 웨이퍼 결합 공정 전(fore-process)에 상부 질화물계 클래드층(40) 또는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)을 적절한 온도 및 가스(gas) 분위기에서 어닐링(annealing)과 용액(solution), 또는 플라즈마(plasma)를 비롯한 표면처리(surface treatment)를 행할 수가 있으며, 동시에 웨이퍼 결합 후(post-process)에도 상기한 어닐링 또는 표면처리 공정을 도입할 수도 있다.Further, in order to form the ohmic contact interface in the vertical direction as described above, the upper nitride-based
도 6은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by an indirect wafer bonding process.
일반적으로 널리 공지된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발 광구조체인 도 6A를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체의 성장을 위한 사파이어 성장기판(10)과, 상기 성장기판(10) 상부에 순차적으로 형성된 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 그룹 3족 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 GaN층과 n형 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 GaN층과 p형 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체층으로 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)를 성장하기에 앞서, 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 적층한다. 이때, 하부 질화물계 클래드층(20)과 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합(lattice match)을 향상시키기 위해, 상기 사파이어 성장기판(10)의 상부에 AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(110)을 더 형성하는 것이 바람직하다.6A, which is a generally known group III nitride-based semiconductor light emitting diode device emitting structure, includes a
상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.The upper nitride-based
도 6B는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 형성되는 오믹접촉 커런트스프레딩층을 위한 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 지지기판(80) 상부에 형성된 단면도로서, 도 2B에서 설명한 것과 동일한 물질 및 구조를 갖는다.6B is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive
도 6C는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층인 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)에 도입되는 투명성 결합용 이종물질층(120)이다. 더 나아가서, 상기 투명성 결합용 이종물질층(120)은 두 물질층(40, 90) 간에 기계적 결합력을 강화시켜주며, 동시에 상부 질화물계 클래드층(40)과의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면 형성에 유리하며 높은 빛 투과율을 갖는 물질이 바람직하다.FIG. 6C is a cross-sectional view of a heterogeneous material for transparent bonding introduced between the upper nitride-based
상기 투명성 결합용 이종물질층(120)은 투명성 전기전도성 물질이면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 일예로, ITO, ZnO, IZO(indium zinc oxide), ZITO(zinc indium tin oxide), In2O3, SnO2, Sn, Zn, In, Ni, Au, Ru, Ir, NiO, Ag, Pt, Pd, PdO, IrO2, RuO2, Ti, TiN, Cr, CrN 등의 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer) 구조로 사용될 수 있다. For example, ITO, ZnO, IZO (indium zinc oxide), ZITO (zinc indium tin oxide), In2O3, SnO2, Sn, and the like may be used as the transparent
도 6D는 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間)에 기계적 결합력을 한층 강화시킬 수 있는 상기 투명성 결합용 이종물질층(120)을 도입하여 소정의 정역학 압력(hydrostatic pressure) 및 900℃ 이하 의 온도(temperature)에서 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding)으로 형성한 복합구조체를 보인 단면도이다.FIG. 6D is a plan view showing a state in which the mechanical bonding force between the upper nitride-based
더 나아가서, 상기한 바와 같이 수직방향으로의 오믹접촉 계면을 형성하기 위해서 상기 웨이퍼 결합 공정 전(fore-process)에 상부 질화물계 클래드층(40) 또는 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)을 적절한 온도 및 가스(gas) 분위기에서 어닐링(annealing)과 용액(solution), 또는 플라즈마(plasma)를 비롯한 표면처리(surface treatment)를 행할 수가 있으며, 동시에 웨이퍼 결합 후(post-process)에도 상기한 어닐링 또는 표면처리 공정을 도입할 수도 있다.Further, in order to form the ohmic contact interface in the vertical direction as described above, the upper nitride-based
도 7은 본 발명에 따른 웨이퍼 결합한 복합구조체에서 지지기판(supporting substrate)을 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로부터 분리(lift-off)시키는 공정을 보인 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a process of lifting a supporting substrate from a group III nitride-based conductive thin film structure in a wafer-bonded composite structure according to the present invention.
도 7A는 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 직접적으로 웨이퍼 결합한 복합구조체의 일예로서, 도 3C에서 도시 설명한 바와 동일한 구조 및 물질로 형성된다.7A is an example of a composite structure in which the light-emitting structure for the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode element and the group III nitride-based conductive thin-
도 7B는 상기 웨이퍼 결합한 복합구조체에서 화학적 습식에칭(chemical lift-off; CLO), 화학-기계적인 에칭 또는 연마(chemical-mechanical polishing; CMP) 공정을 이용하여 지지기판(80)이 분리된 복합구조체의 단면도이다.7B is a cross-sectional view of a composite structure in which the
도 7C는 상기 웨이퍼 결합한 복합구조체에서 레이저 리프트 오프(laser lift-off; LLO) 공정을 이용하여 지지기판(80)이 분리된 복합구조체의 단면도이다.7C is a cross-sectional view of the composite structure in which the supporting
상기 웨이퍼 결합한 복합구조체로부터 지지기판(80)을 분리하는 공정은 지지 기판 특성에 따라, 상기 CLO, CMP, 또는 LLO 공정 중에서 적어도 하나를 선택할 수 있다.At least one of the CLO, CMP, or LLO processes may be selected depending on the characteristics of the support substrate, in order to separate the
도 8은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 웨이퍼 결합으로 형성된 상태를 보인 평면도이다.8 is a plan view showing a state in which a group III nitride-based conductive thin film structure according to the present invention is formed on a top layer of a light emitting structure for a light emitting diode by wafer bonding.
도 8A를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 웨이퍼 전면(total area)으로 웨이퍼 결합 되어 있다.8A, a group III nitride-based conductive thin-
도 8B를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)가 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부인 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 소정의 모양(shape)과 치수로 식각(etching)된 후에 결합한다. 바람직하게는 상기 식각된 소정의 모양과 치수는 LED 소자 단일 칩에서 발광면과 동일한 것이다.8B, a group III nitride-based conductive
더 나아가서, 본 발명에서는 미도시되었지만, 용이한 후속 공정을 위하여 웨이퍼 결합에 앞서 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)를 동시에 일반적인 포토리쏘그래피(photolithography) 공정을 이용하여 에칭(즉, 식각)을 행한 후, 얼라인(align)된 웨이퍼 결합을 할 수도 있다. 특히, 이때 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)의 식각 치수에 비해서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 식각 치수를 더 크게 하는 것이 바람직하다.Further, although not shown in the present invention, the group III nitride-based conductive
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.FIG. 9 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a group III nitride-based LED device according to an embodiment of the present invention.
본 공정 흐름도를 참조하면, 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 성장 공정에 의해서 성장기판 상부에 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 단결정으로 성장시키는 공정 단계(141), 지지기판 상부에 오믹접촉 커런트스프레딩층을 위한 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체를 적층 형성시키는 공정 단계(142), 웨이퍼 대 웨이퍼(wafer to wafer)를 결합시키는 웨이퍼 결합 공정 단계(143), 웨이퍼 결합한 복합구조체에서 지지기판을 분리시키는 공정 단계(144), 식각 또는 증착 공정 등을 이용한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정 단계(145), 최종적으로 성장기판 상부에서 제조된 LED 소자 칩을 단일화하고 팩키징(packaging)하는 공정 단계(146)를 끝으로 완성한다.Referring to this flowchart, a
또한 무엇보다도, 142 공정 단계에서는 높은 캐리어 농도 및 이동도(mobility)로 10-2 Ω㎝ 이하의 전기저항을 갖는 그룹 3족 질화물계 결정질(crystalline)을 형성시키는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 전기저항이 낮은 비정질(amorphous)도 가능하다.Above all, it is desirable to form a Group III nitride-based crystalline material having an electrical resistance of less than 10 < -2 & gt ; cm with a high carrier concentration and mobility in the 142 process step, Amorphous with low resistance is also possible.
또한 143 공정 단계에서는 강한 기계적 결합력을 갖는 동시에, LED 소자용 발광구조체의 최상부에 존재하는 상부 질화물계 클래드층(40)과 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90) 간(間), 또는 상부 질화물계 클래드층(40)과 결합용 이종물질층(120) 간(間)의 오믹접촉 계면 형성이 선행되어야 한다.In the process step 143, the upper nitride-based
또한 144 공정 단계에서는 LED 소자용 발광구조체 및 결합한 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)에 기계, 전기, 및 광학적인 손상 없이 지지기판(80)을 분리시키는 것이 중요하다.In addition, in the step 144, it is important to separate the
또한 145 공정 단계에서는 LED 소자용 발광구조체의 질화물계 활성층 내에서 생성된 빛을 최대한 외부로 많이 방출시키기 위한 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체(90)의 표면 요철 공정, 기능성 박막층 형성, 건식에칭(dry-etching), n형 오믹접촉 전극 및 전극패드 형성, 그리고 쇼키접촉 계면의 p형 전극패드를 형성한다.In the process step 145, the surface of the group III nitride-based conductive
또한 146 공정 단계에서는 웨이퍼 상에서 완성된 LED 소자 칩을 팩키징된 단일화 칩을 완성한다.In the step 146, the completed LED chip is completed on the wafer.
상기한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정은 전체적인 LED 소자 성능 향상을 위해서 공정 순서는 변형될 수 있으며, 특히 본 발명에 기술에 의한 LED 제조 공정 과정에서 각종 공지 또는 기술상 보호된 어닐링 및 표면처리 공정들이 도입될 수 있다.In the manufacturing process of the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device, the process sequence may be modified to improve the overall performance of the LED device. In particular, in the LED manufacturing process according to the present invention, various known or technically- Treatment processes can be introduced.
도 10은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.10 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a first embodiment manufactured by the present invention.
도 10을 참조하면, 기본적으로 성장기판(10) 상부에 완충층(buffering layer)을 포함한 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 하부 질화물계 클래드층(20)이 형성되어 있고, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상부의 일부 영역에 질화물계 활성층(30)과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 상 부 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 형성되어 있다. 또한 도 10에 미도시되었지만, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다. 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 MOCVD 또는 MBE 공정으로 형성될 수 있다.10, a lower nitride-based
도 10A는 직접적인 웨이퍼 결합 공정에 의해 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 단독으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)을 보이었지만, 도 10B는 투명성 결합용 이종물질층(120)과 함께 간접적인 웨이퍼 결합으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)을 보이고 있다.10A shows an ohmic contact current spreading
상기 대기에 노출된 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(70)가 형성되어 있고, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체으로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 상부의 일부 영역에 쇼키접촉 계면을 형성하고 있는 p형 전극패드(60)가 형성된다.An n-type ohmic contact electrode and an electrode pad (70) are formed on a part of the lower nitride-based clad layer (20) exposed to the atmosphere, and the ohmic contact current spreading structure composed of the group III nitride- A p-
본 상기 일부 영역 제거공정에 따른 구조물의 형상은 전극을 형성하고자 하는 위치, 전극 형상 및 크기에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서와 같이 한 모서리에 접하는 영역의 상부 질화물계 클래드층(40) 및 질화물계 활성층(30)을 제거하는 방식으로 구현될 수도 있으며, 전류밀도를 분산시키기 위하여 전극의 길이가 연장되는 경우, 상기 제거된 영역은 해당 전극과 대응하여 연장될 수 있다.The shape of the structure according to the partial region removal process can be changed into various shapes according to the position, electrode shape and size of the electrode. For example, the upper nitride-based
도 11은 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.11 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a second embodiment manufactured by the present invention.
도 11을 참조하면, 기본적으로 성장기판(10) 상부에 완충층(buffering layer)을 포함한 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 하부 질화물계 클래드층(20)이 형성되어 있고, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상부의 일부 영역에 질화물계 활성층(30)과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 상부 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 형성되어 있다. 또한 도 11에 미도시되었지만, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다. 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 MOCVD 또는 MBE 공정으로 형성될 수 있다.11, a lower nitride-based
도 11A는 직접적인 웨이퍼 결합 공정에 의해 상기 상부 질화물계 클래드 층(40) 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 단독으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)과 기능성 박막층(130)을 보이었지만, 도 11B는 투명성 결합용 이종물질층(120)과 함께 간접적인 웨이퍼 결합으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)과 기능성 박막층(130)을 보이고 있다. 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 상부에 위치하는 기능성 박막층(130)은 투명성 전기전도체, 형광체, 비반사체(anti-reflector), 또는 광 필터 역할을 수행할 수 있는 물질로 구성한다.11A shows the ohmic contact current spreading
상기 대기에 노출된 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(70)가 형성되어 있고, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체으로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 상부 또는 기능성 박막층(130)의 일부 영역에 쇼키접촉 계면을 형성하고 있는 p형 전극패드(60)가 형성된다.An n-type ohmic contact electrode and an electrode pad (70) are formed on a part of the lower nitride-based clad layer (20) exposed to the atmosphere, and the ohmic contact current spreading structure composed of the group III nitride- A p-
본 상기 일부 영역 제거공정에 따른 구조물의 형상은 전극을 형성하고자 하는 위치, 전극 형상 및 크기에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서와 같이 한 모서리에 접하는 영역의 상부 질화물계 클래드층(40) 및 질화물계 활성층(30)을 제거하는 방식으로 구현될 수도 있으며, 전류밀도를 분산시키기 위하여 전극의 길이가 연장되는 경우, 상기 제거된 영역은 해당 전극과 대응하여 연장될 수 있다.The shape of the structure according to the partial region removal process can be changed into various shapes according to the position, electrode shape and size of the electrode. For example, the upper nitride-based
도 12는 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.12 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a third embodiment manufactured by the present invention.
도 12를 참조하면, 기본적으로 성장기판(10) 상부에 완충층(buffering layer)을 포함한 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 하부 질화물계 클래드층(20)이 형성되어 있고, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상부의 일부 영역에 질화물계 활성층(30)과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 상부 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 형성되어 있다. 또한 도 12에 미도시되었지만, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다. 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 MOCVD 또는 MBE 공정으로 형성될 수 있다.12, a lower nitride-based
도 12A는 직접적인 웨이퍼 결합 공정에 의해 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 단독으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)과 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철을 보인 반면, 도 12B는 투명성 결합용 이종물질층(120)과 함께 간접적인 웨이퍼 결합으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90)와 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철을 보이고 있다. 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철은 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛의 입사각을 변화시켜서 외부로 방출되어 나오는 빛의 양을 증가시켜 준다.12A is a schematic cross-sectional view of the ohmic contact current spreading
상기 대기에 노출된 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(70)가 형성되어 있고, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체으로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 상부의 일부 영역에 쇼키접촉 계면을 형성하고 있는 p형 전극패드(60)가 형성된다.An n-type ohmic contact electrode and an electrode pad (70) are formed on a part of the lower nitride-based clad layer (20) exposed to the atmosphere, and the ohmic contact current spreading structure composed of the group III nitride- A p-
본 상기 일부 영역 제거공정에 따른 구조물의 형상은 전극을 형성하고자 하는 위치, 전극 형상 및 크기에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서와 같이 한 모서리에 접하는 영역의 상부 질화물계 클래드층(40) 및 질화물계 활성층(30)을 제거하는 방식으로 구현될 수도 있으며, 전류밀도를 분산시키기 위하여 전극의 길이가 연장되는 경우, 상기 제거된 영역은 해당 전극과 대응하여 연장될 수 있다.The shape of the structure according to the partial region removal process can be changed into various shapes according to the position, electrode shape and size of the electrode. For example, the upper nitride-based
도 13은 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.13 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a fourth embodiment manufactured by the present invention.
도 13을 참조하면, 기본적으로 성장기판(10) 상부에 완충층(buffering layer)을 포함한 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 하부 질화물계 클래드층(20)이 형성되어 있고, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상부의 일부 영역에 질화물계 활성층(30)과 p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 상부 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 형성되어 있다. 또한 도 13에 미도시되었지만, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 슈퍼래티스 구조(superlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다. 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 MOCVD 또는 MBE 공정으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 13, a lower nitride-based
도 13A는 직접적인 웨이퍼 결합 공정에 의해 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상부에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체 단독으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90), 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철, 및 기능성 박막층(130)을 보인 반면, 도 13B는 투명성 결합용 이종물질층(120)과 함께 간접적인 웨이퍼 결합으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90), 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철, 및 기능성 박막층(130)을 보이고 있다. 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 표면에 도입된 표면 요철은 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛의 입사각을 변화시켜서 외부로 방출되어 나오는 빛의 양을 증가시켜 준다. 또한 상기 기능성 박막층(130)은 투명성 전기전도체, 형광체, 비반사체(anti-reflector), 또는 광 필터 역할을 수행할 수 있는 물질로 구성한다.13A shows an ohmic contact current spreading
상기 대기에 노출된 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(70)가 형성되어 있고, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체으로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(90) 상부의 일부 영역에 쇼키접촉 계면을 형성하고 있는 p형 전극패드(60)가 형성된다.An n-type ohmic contact electrode and an electrode pad (70) are formed on a part of the lower nitride-based clad layer (20) exposed to the atmosphere, and the ohmic contact current spreading structure composed of the group III nitride- A p-
본 상기 일부 영역 제거공정에 따른 구조물의 형상은 전극을 형성하고자 하는 위치, 전극 형상 및 크기에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서와 같이 한 모서리에 접하는 영역의 상부 질화물계 클래드층(40) 및 질화물계 활성층(30)을 제거하는 방식으로 구현될 수도 있으며, 전류밀도를 분산시키기 위하여 전극의 길이가 연장되는 경우, 상기 제거된 영역은 해당 전극과 대응하여 연장될 수 있다.The shape of the structure according to the partial region removal process can be changed into various shapes according to the position, electrode shape and size of the electrode. For example, the upper nitride-based
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Accordingly, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also within the scope of the present invention.
도 1은 종래 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 도시한 단면도이고,FIG. 1 is a cross-sectional view showing a typical example of a conventional Group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device,
도 2는 본 발명에 따른 지지기판(supporting substrate) 상부에 형성된 웨이퍼 결합용 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 형성된 단면도이고,FIG. 2 is a cross-sectional view of a group III nitride-based conductive thin film structure for bonding wafers formed on a supporting substrate according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이고,FIG. 3 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by a direct wafer bonding process,
도 4는 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 직접적인 웨이퍼 결합(direct wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이고,4 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by a direct wafer bonding process,
도 5는 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이고,5 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by an indirect wafer bonding process,
도 6은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 간접적인 웨이퍼 결합(indirect wafer bonding) 공정으로 결합한 복합구조체의 단면도이고,FIG. 6 is a cross-sectional view of a composite structure in which a light-emitting structure for a group III nitride-based light-emitting diode device and a group III nitride-based conductive thin-film structure according to the present invention are combined by an indirect wafer bonding process,
도 7은 본 발명에 따른 웨이퍼 결합한 복합구조체에서 지지기판(supporting substrate)을 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로부터 분리(lift-off)시키는 공정을 보인 단면도이고,FIG. 7 is a cross-sectional view showing a process of lifting off a supporting substrate from a group III nitride-based conductive thin film structure in a wafer-bonded composite structure according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체가 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 웨이퍼 결합으로 형성된 상태를 보인 평면도이고, 8 is a plan view showing a state in which a group III nitride-based conductive thin film structure according to the present invention is formed on a top layer of a light emitting structure for a light emitting diode by wafer bonding,
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정을 보여주는 흐름도이고,9 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device according to an embodiment of the present invention,
도 10은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,10 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a first embodiment manufactured by the present invention,
도 11은 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,11 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a second embodiment manufactured by the present invention,
도 12는 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,12 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a third embodiment manufactured by the present invention,
도 13은 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.13 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device as a fourth embodiment manufactured by the present invention.
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| KR100295165B1 (en) * | 1995-12-28 | 2001-09-17 | 마찌다 가쯔히꼬 | Nitride group III-V compound semiconductor device and its manufacturing method |
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