KR20080050775A - 수직구조 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법 - Google Patents

수직구조 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법 Download PDF

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KR20080050775A
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본 발명은 수직구조 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 측면은, 요철 형상의 상면을 갖는 도전성 기판과, 상기 도전성 기판 상에서, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부에 의해 상기 도전성 기판과 부분적으로 접하도록 형성된 제2 도전형 질화물층과, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 질화물층 및 상기 제1 도전형 질화물층 상의 일 영역에 형성된 전극부를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명의 다른 측면은 상기 구조를 갖는 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 발광구조물로부터 예비기판을 분리하는 과정에서 생기는 스트레스를 줄임으로써 발광구조물의 변형, 열적 피해 등을 최소화하며, 이에 따라, 광학적 특성이 보다 향상된 수직구조 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 얻을 수 있다.
질화물 반도체, 발광소자, LED, 레이저 리프트오프, 요철, 지지기판

Description

수직구조 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법{VERTICAL NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
도1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도1b는 도1a의 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서 요철부를 설명하기 위한 도전성 기판의 평면도이다.
도1c는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서 요철부를 설명하기 위한 도전성 기판의 평면도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도3a 내지 도3e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도5a 및 도5b는 종래 기술과 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 레이저 리프트오프 공정 시 발광구조물에 작용하는 응력을 시뮬레이션한 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,31,41: n형 질화물 반도체층 12,32,42: 활성층
13,33,43: p형 질화물 반도체층 14,34,44: 오믹콘택층
15,15`,25,35,45: 도전성 기판 16a,16b: n측 전극 및 p측 본딩전극
30,40: 사파이어 기판 37: 감광막 패턴
47: 절연층 패턴 A: 시드금속층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발광구조물로부터 예비기판을 분리하는 과정에서 발광구조물에 작용하는 스트레스를 줄임으로써 발광구조물의 변형, 열적 피해 등을 최소화하며, 이에 따라, 광학적 특성이 보다 향상된 수직구조 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
이러한 III족 질화물 반도체를 이용한 발광소자를 구성하는 질화물 단결정은 사파이어 또는 SiC 기판과 같이 특정의 단결정 성장용 기판 상에서 형성된다. 하지만, 사파이어와 같이 절연성 기판을 사용하는 경우에는 전극의 배열에 큰 제약을 받게 된다. 즉, 종래의 질화물 반도체 발광소자는 전극이 수평방향으로 배열되는 것이 일반적이므로, 전류흐름이 협소 해지게 된다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해, 발광소자의 순방향 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 이와 더불어 정전기 방전(Electrostatic discharge)에 취약해지는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 수직구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자가 요구된다. 하지만, 수직구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자는 그 상하면에 전극을 형성하기 위해서는, 사파이어와 같은 절연성 예비기판을 제거하는 공정이 수반되어야 한다.
종래 기술에 따른 발광구조물로부터 사파이어 예비기판을 제거하는 공정은, 질화물 단결정 발광구조물 상에 도전성 접착층을 사용하여 도전성 지지기판을 부착한 후, 레이저 리프트오프 공정(Laser lift-off)에 의해 사파이어 예비기판을 제거 하는 방식이다. 하지만, 사파이어의 열팽창계수는 약 7.5 × 10-6 /K 인데 반하여, 상기 발광구조물을 구성하는 주요 물질인 GaN 단결정의 열팽창계수는 약 5.9 × 10-6 /K 이며, 이에 따라, 약 16%의 격자 부정합 및 큰 스트레스(stress)가 발생하게 된다.
또한, 상기 도전성 지지기판으로 주로 사용되는 구리의 열팽창계수는 약 16 × 10-6 /K 로서, 상기 GaN 단결정의 열팽창계수와 큰 차이를 보이므로, 상술한 스트레스 효과는 도전성 지지기판을 부착함으로써 더 커지게 된다. 즉, 도전성 지지기판과 GaN 단결정의 열팽창 계수 차이로 인해, 레이저 리프트오프 공정 또는 발광소자의 작동 시 발생하는 열에 의하여 상기 GaN 단결정층에는 인장응력 또는 압축응력이 작용할 수 있다.
이러한 응력에 의하여 상기 GaN 단결정층, 특히, 활성층의 내부양자효율 등의 성능이 저하되며, 이에 따라 종래 기술에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 광학적 특성 및 신뢰성 저하를 가져오는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 일 목적은 발광구조물로부터 예비기판을 분리하는 과정에서 상기 발광구조물에 작용하는 스트레스를 줄임으로써 발광구조물의 변형, 열적 피해 등을 최소화하며, 이에 따라, 광학적 특성이 보다 향상된 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 측면의 목적은 상기 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은,
요철 형상의 상면을 갖는 도전성 기판과, 상기 도전성 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부에 의해 상기 도전성 기판과 부분적으로 접하는 제2 도전형 질화물층과, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 질화물층 및 상기 제1 도전형 질화물층 상의 일 영역에 형성된 전극부를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에서 채용된 상기 도전성 기판의 요철 구조는 레이저오프공정이나 발광소자의 작동 중에, 발광구조물과의 응력을 완화하는 기능을 하며, 상기 제2 도전형 질화물층은, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부와 접촉하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제1 도전형 질화물층은 n형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이며, 상기 제2 도전형 질화물층은 p형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층일 수 있다.
효율적인 응력완화 효과를 거두기 위한 상기 요철 구조의 형태와 관련하여, 상기 도전성 기판의 상면 중 볼록부의 폭은 5 ~ 30㎛이며, 오목부의 폭은 5 ~ 15㎛이 것이 바람직하다. 또한, 상기 도전성 기판 상면은 기둥 형상의 볼록부 또는 오목부를 갖는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에서 채용된 상기 도전성 기판은, 금속으로 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는, Ni, Au, Cu, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 도전성 기판의 두께는 50 ~ 100㎛ 인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태에서는,
요철 형상의 상면을 갖는 도전성 기판과, 상기 도전성 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부에 의해 상기 도전성 기판과 부분적으로 접하는 오믹콘택층과, 상기 오믹콘택층 상에 형성된 제2 도전형 질화물층과, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 질화물층 및 상기 제1 도전형 질화물층 상의 일 영역에 형성된 전극부를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이 경우, 상기 오믹콘택층은, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부와 접촉하는 것이 바람직하며, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은,
질화물 단결정 성장용 예비기판 상에 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 순차적으로 성장시키는 단계와, 상기 제2 도전형 질화물층 상에, 요철 형상의 하면을 가지며 상기 하면 중 볼록부에 의해 상기 제2 도전형 질화물층과 부분적으로 접하도록 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 제1 도전형 질화물층의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 예비기판을 제거하는 단계 및 상기 제1 도전형 질화물층 중 상기 예비기판이 제거되어 노출된 영역에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
이 경우, 상기 도전성 기판이 금속으로 이루어진 경우에는, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 도금, 증착, 스퍼터링 중에서 선택된 어느 한 가지 공정에 의할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 제2 도전형 질화물층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 제2 도전형 질화물층을 선택적으로 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 제2 도전형 질화물층 및 감광막 패턴 전면에 도금하는 공정일 수 있다. 이 경우, 더욱 바람직하게는, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 후, 감광막 패턴을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 제2 도전형 질화물층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 시드금속층을 형성하는 단계 및 상기 시드금속층을 선택적으로 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 시드금속층의 노출된 면에 도금하는 공정일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는,
질화물 단결정 성장용 예비기판 상에 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 순차적으로 성장시키는 단계와, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 오믹콘택층을 형성하는 단계와, 상기 오믹콘택층 상에, 요철 형상의 하면을 가지며 상기 하면 중 볼록부에 의해 상기 오믹콘택층과 부분적으로 접하도록 도전성 기판을 형성하는 단계와, 상기 제1 도전형 질화물층의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 예비기판을 제거하는 단계 및 상기 제1 도전형 질화물층의 노출된 영역 중 일부 영역에 전극부를 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 오믹콘택층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 오믹콘택층을 선택적으로 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 오믹콘택층 및 감광막 패턴 전면에 도금하는 공정일 수 있다. 이 경 우, 더욱 바람직하게는, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 후, 감광막 패턴을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 오믹콘택층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 오믹콘택층 상에 시드금속층을 형성하는 단계 및 상기 시드금속층을 선택적으로 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 시드금속층의 노출된 면에 도금하는 공정일 수 있다.
바람직하게는, 상기 예비기판을 제거하는 단계는, 레이저 리프트오프 공정에 의하는 것이 바람직하며, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 채용된 상기 요철구조에 의해 발광구조물에 발생하는 응력을 완화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.
도1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도1b는 도1a의 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서 요철부를 설명하기 위한 도전성 기판의 평면도이다. 도1c는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서 요철부를 설명하기 위한 도전성 기판의 평면도이다. 도2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도3a 내지 도3e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 도4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다. 도5a 및 도5b는 종래 기술과 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 레이저 리프트오프 공정 시 발광구조물에 작용하는 응력을 시뮬레이션한 사시도이다.
도1a를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(10)는, n형 질화물 반도체층(11) 및 p형 질화물 반도체층(13)과 그 사이에 형성된 활성층(12)으로 구성된 발광구조물을 포함하며, 상기 발광구조물의 제1면에 형성된 전극부(16a)과 제2면에 순차적으로 형성된 도전성 기판(15) 및 p측 본딩전극(16b)를 포함한다. 본 발명에서, 상기 '발광구조물'은, 상기 n형 질화물 반도체층(11), 활성층(12), p형 질화물 반도체층(13)이 순차적으로 적층되어 형성된 구조물 의미한다.
본 실시 형태에서 채용된 상기 n형 질화물 반도체층(11) 및 p형 질화물 반도체층(13)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으 로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
또한, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(11,13)은 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장될 수 있다.
상기 활성층(12)은 가시광(약 350∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성된다. 이 경우, 상기 활성층(12)은 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(11,13)과 같이 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장될 수 있다.
상기 도전성 기판(15)은 최종 발광소자에 포함되는 요소로서, 상기 수직구조 질화물 반도체 발광소자(10)의 p측 전극 역할과 함께 상기 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 따라서, 상기 도전성 기판(15)은 전기전도도가 높은 것이 바람직하므로, 금속이 일반적으로 채용될 수 있다. 구체적으로, 상기 도전성 기판(15)는 Cu, Ni, Au, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 도전성 기판(15)은 상면에 요철이 형성된 구조로서, 상기 도전성 기판(15) 상면 중 볼록부(B)에 의해 상기 p형 질화물 반도체층(13)과 부분적으로 접하도록 형성되며, 오목부(C)에서는 상기 p형 질화물 반도체층(13)과 접하지 않는다. 이는, 상기 도전성 기판(15)과 p형 질화물 반도체층(13)과 접촉하는 면적을 줄여 상기 발광구조물에 작용하는 응력을 줄이기 위한 것이다. 즉, 상기 도전성 기판(15)으로 주로 사용되는 구리의 열팽창계수는 약 16 × 10-6 /K 이고, 상기 발광구조물을 구성하는 주요 물질인 GaN 단결정의 열팽창계수는 약 5.9 × 10-6 /K 으로서 큰 차이를 보여, 상기 GaN 단결정에는 큰 응력이 작용할 수 있으므로, 상기 도전성 기판(15)이 상기 발광구조물과 접하는 면적을 줄임으로써 상기 발광구조물에 작용하는 응력을 줄일 수 있다. 다만, 본 발명은 본 실시 형태에 제한되지 않으며, 상기 p형 질화물 반도체층(13)과 도전성 기판(15)은, 마주보는 각각의 면 전체가 접촉하지 않는 범위에서는, 상기 오목부(C)에서 일부 접촉할 수도 있다.
효율적인 응력완화 효과를 거두기 위한 상기 요철 구조의 형태와 관련하여, 상기 요철의 형태는 상기 도전성 기판(15)과 상기 p형 질화물 반도체층(13)의 접촉 면적을 줄이기 위해 가능한 형태가 채용될 수 있다. 도1b를 참조하여 이를 설명하면, 상기 도전성 기판(15)의 상면은 복수의 직각기둥 형태의 오목부(C) 및 상기 p형 질화물 반도체층(13)과 접하는 볼록부(B)를 갖는다. 이 경우, 상기 볼록부(B)의 폭은 5 ~ 30㎛인 것이 바람직하며, 상기 오목부의 폭(W)은 5 ~ 15㎛인 것이 바람직하다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 상기 오목부(C)는 원기둥 등 다른 기둥 형상이 될 수도 있다. 또한, 도1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에서는 도전성 기판(15`)의 상면은 복수의 볼록부(B) 및 오목부(C)를 가지며, 상기 복수의 볼록부(B)가 직각기둥 형태일 수도 있다.
한편, 도1a, 도1b 및 도1c에서 설명한, 상기 도전성 기판(15,15`)은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 구체적으로는, Ni, Au, Cu, W, Ti 등이 채용될 수 있다. 이 경우, 상기 도전성 기판(15,15`)은 증착, 도금, 스퍼터링 공정 등을 통하여 형성될 수 있으며, 공정 효율 측면에서 도금 공정이 바람직하다. 또한, 도1a를 참조하면, 상기 도전성 기판의 두께(t)는 50 ~ 100㎛의 범위가 바람직하다.
마지막으로 n측 전극 및 p측 본딩전극(16a,16b)은 최외곽 전극층으로, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 n측 전극 및 p측 본딩전극(16a, 16b)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링공정에 의해 형성될 수 있다.
도2를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하면, 본 실시 형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)는, n형 질화물 반도체층(21) 및 p형 질화물 반도체층(23)과 그 사이에 형성된 활성층(22)으로 구성된 발광구조물을 포함하며, 상기 발광구조물의 제1면에 형성된 전극부(26a)과 제2면에 순차적으로 형성된 오믹콘택층(24), 도전성 기판(25) 및 p측 본딩전극(26b)를 포함한다.
다른 구성요소는 도1a에서 설명한 바와 동일하므로, 오믹콘택층(24)에 대하여만 설명한다. 상기 오믹콘택층(24)은, 바람직하게는 70% 이상의 반사율을 가지며, 상기 p형 질화물 반도체층(23)과의 오믹콘택을 형성한다. 이러한 오믹콘택 층(24)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 바람직하게 상기 오믹콘택층(24)은 Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al 또는 Ni/Ag/Pt로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 수직구조 반도체 발광소자에 대한 제조공정의 일 실시 형태를 도3a 내지 도3e를 참조하여 설명한다.
우선, 도3a와 같이, 질화물 단결정 성장용 예비기판인 사파이어 기판(30) 상에 순차적으로 n형 질화물 반도체층(31), 활성층(32), p형 질화물 반도체층(33)을 성장시키고, 상기 p형 질화물 반도체층(33) 상에 오믹콘택층(34)을 형성한다.
상기 사파이어 기판(30)은, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å , a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이러한 상기 사파이어 기판(30)의 C면의 경우 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 다만, 본 실시 형태에서 사용되는 기판은 상기 사파이어 기판(30)에 한정되지 않으며, SiC 기판과 같은 다른 질화물 단결정 성장용 기판 또는 동종 질화물 단결정 기판이 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(31), 활성층(32), p형 질화물 반도체층(33)은 공지된 질화물 성장 공정인 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 수소화물 기상증착법(HVPE) 등으로 성장될 수 있다.
한편, 상기 오믹콘택층(34)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다. 특히, 오믹콘택 특성을 향상시키기 위해서 약 400∼900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
이어, 도3b와 같이, 상기 오믹콘택층(34) 상에 상기 오믹콘택층(34)을 노출시키도록 감광막 패턴(37)을 형성한다. 상기 감광막 패턴(37)은 상기 도전성 기판에 요철 구조를 형성하기 위한 것으로 상기 오믹콘택층(34)과 도전성 기판이 서로 접촉되는 형상에 맞게 형성된다. 즉, 도3b와 같은 경우, 상기 감광막 패턴(37)은 나란히 배열된 복수 개의 스트라이프 형상을 갖도록 형상되며 각각의 패턴은 기둥 형상의 볼록부 갖는다. 이에 따라, 상기 도전성 기판에는 상기 감광막 패턴(37)과 같은 오목부가 형성된다.
다음으로, 도3c와 같이, 상기 오믹콘택층(34) 및 상기 감광막 패턴(37) 전면에 도전성 기판(35)을 형성한다. 이 경우, 상기 감광막 패턴(37)에 의하여 상기 도전성 기판(35)에는 본 실시 형태에서 요구되는 요철 구조가 형성될 수 있다.
상기 도전성 기판(35)은 Cu, Ni, Au, Ti, W 등의 금속으로 이루어지며, 상술한 바와 같이 도금, 증착, 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있으나, 공정 효율을 고려하였을 때 도금 공정이 가장 바람직하다. 이 경우, 상기 도금 공정은 전해도 금, 비전해도금, 증착도금 등 금속층을 형성하는데 사용되는 공지의 도금 공정을 포함하며, 이 중에서, 도금 시간이 적게 소요되는 전해도금법을 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도3d와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 상기 사파이어 기판(30) 하면으로 레이저빔(L)을 조사하여 상기 발광구조물로부터 상기 사파이어 기판(30)을 제거한다. 상기 레이저빔(L)은 사파이어 기판(30)의 전면에 조사되는 것이 아니라, 상기 사파이어 기판(30) 상에 형성된 최종 발광소자의 크기로 분리된 발광구조물 각각에 정렬되어 복수 회 조사되는 것이 바람직하다. 상기 사파이어 기판(30)을 제거하는 단계는 본 실시 형태와 같이 레이저 리프트오프 공정이 가장 바람직하나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 기계적 또는 화학적 공정을 통하여서도 분리가 가능하다.
마지막으로, 도3e와 같이, 상기 발광구조물의 제1면, 즉, 상기 n형 질화물 반도체층(31) 상의 일 영역에 n측 전극(36a)을 형성하고, 상기 도전성 기판(35) 하면에 p측 본딩전극(36b)을 형성한다. 상기 전극구조의 형성 과정 역시, APCVD, LPCVD, PECVD 등을 이용한 금속박막증착 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 감광막 패턴(37)은 최종 발광소자 내부에 그대로 남아 있을 수 있다. 이는, 상기 감광막 패턴(37)이 남아 있다 하더라도 상기 도전성 기판(35)의 요철 구조에 의한 응력완화 효과에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다. 다만, 도시하 지는 않았으나 응력완화 효과를 보다 향상시키기 위해, 상기 도전성 기판(35)을 형성하는 단계 후, 상기 감광막 패턴(37)을 제거하는 단계를 더 거칠 수도 있으며, 이 경우에는, 최종 발광소자는 도2에 도시된 구조가 된다. 이 경우, 상기 감광막 패턴(37)을 제거하는 단계는 공지된 공정인, 애싱 또는 스프리핑 공정 등이 사용될 수 있다.
상기 구조를 갖는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조공정의 다른 실시 형태를 도4를 참조하여 설명한다.
도4에 따르면, 본 실시 형태에서는, 질화물 단결정 성장용 예비기판인 사파이어 기판(40) 상에 순차적으로 n형 질화물 반도체층(41), 활성층(42), p형 질화물 반도체층(43)을 성장시키고, 상기 p형 질화물 반도체(43) 상에 오믹콘택층(44)을 형성한다. 이후, 도전성 기판(45)의 요철 구조를 형성하기 위해 상기 오믹콘택층(44) 상에, 시드금속층(A)을 형성한 후, 상기 시드금속층(A)을 선택적으로 노출시키는 절연층 패턴(47)을 형성한다. 이어, 상기 시드금속층의 노출된 면에 도금 공정을 하여 도전성 기판(45)을 형성한다. 이 경우, 도4에 도시된 바와 같이, 상기 시드금속층(A)에서 화살표로 표시한 상기 절연층 패턴(47) 방향으로 성장한다. 이후의 레이저 리프트오프 등의 공정은 도3에서 설명한 바와 같다.
여기서, 상기 절연층 패턴(47)은 도3b에서 설명한 상기 감광막 패턴(37)과 같이 상기 도전성 기판(45)과 오믹콘택층(44)의 접촉면적을 줄이기 위해 상기 도전성 기판(45)에 요철구조를 형성하기 위한 것이다. 일반적으로 상기 절연층 패 턴(47)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 절연층 패턴(47)은 상기 감광막 패턴(37)과 같이 최종 발광소자에 남아있어도 응력완화 효과에 큰 영향을 미치지 않는다.
마지막으로, 도5a 및 도5b를 참조하여 종래 기술과 본 발명에 따른 수직구조 질화물 발광소자 제조방법에서 레이저 리프트오프 공정 시 발광구조물에 작용하는 응력의 차이를 설명한다.
우선, 도5a를 참조하면, 종래 기술에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서는 도전성 기판과 발광구조물(L)의 접촉면(T)이 넓으며, 이에 따라, 상기 접촉면(T)에서 발생하는 인장응력이 약 5 × 105 Pa 정도임을 알 수 있다. 또한, 최대 스트레스가 발생하는 지점(M)에서는 약 1 × 106 Pa 이상의 인장응력이 작용한다.
반면에, 도5b를 참조하면, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서는 도전성 기판과 발광구조물(L)의 접촉면(T)이 상기 도전성 기판의 볼록부에 한정되어, 상기 접촉면(T)에서는 압축응력이 발생하며, 그 크기는 약 6 × 104 Pa 정도이다. 또한, 최대 응력이 작용하는 지점(M)에서 1 × 106 Pa 이하의 인장응력이 작용한다. 즉, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서는 종래 기술에 비하여 상기 발광구조물(L)에 작용하는 응력의 크기가 현저하게 저하된 것을 볼 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 발광구조물로부터 예비기판을 분리하는 과정에서 생기는 스트레스를 줄임으로써 발광구조물의 변형, 열적 피해 등을 최소화하며, 이에 따라, 광학적 특성이 보다 향상된 수직구조 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 얻을 수 있다.

Claims (21)

  1. 요철 형상의 상면을 갖는 도전성 기판;
    상기 도전성 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부에 의해 상기 도전성 기판과 부분적으로 접하는 제2 도전형 질화물층;
    상기 제2 도전형 질화물층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 질화물층; 및
    상기 제1 도전형 질화물층 상의 일 영역에 형성된 전극부를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물층은 n형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이며, 상기 제2 도전형 질화물층은 p형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 기판의 상면 중 볼록부의 폭은 5 ~ 30㎛이며, 오목부의 폭은 5 ~ 15㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 기판 상면은 기둥 형상의 볼록부 또는 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 Ni, Au, Cu, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  6. 요철 형상의 상면을 갖는 도전성 기판;
    상기 도전성 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 기판 상면 중 볼록부에 의해 상기 도전성 기판과 부분적으로 접하는 형성된 오믹콘택층;
    상기 오믹콘택층 상에 형성된 제2 도전형 질화물층;
    상기 제2 도전형 질화물층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 질화물층; 및
    상기 제1 도전형 질화물층 상의 일 영역에 형성된 전극부를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
  8. 질화물 단결정 성장용 예비기판 상에 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    상기 제2 도전형 질화물층 상에, 요철 형상의 하면을 가지며 상기 하면 중 볼록부에 의해 상기 제2 도전형 질화물층과 부분적으로 접하도록 도전성 기판을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물층의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 예비기판을 제거하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 질화물층의 노출된 영역 중 일부 영역에 전극부를 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물층은 n형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이며, 상기 제2 도전형 질화물층은 p형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 기판의 하면은 기둥 형상의 볼록부 또는 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 Ni, Au, Cu, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 도금, 증착, 스퍼터링 중에서 선택된 어느 한 가지 공정에 의하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에,
    상기 제2 도전형 질화물층을 선택적으로 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 제2 도전형 질화물층 및 감광막 패턴 전면에 도금하는 공정인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계 후, 감광막 패턴을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에,
    상기 제2 도전형 질화물층 상에 시드금속층을 형성하는 단계 및 상기 시드금속층을 선택적으로 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 시드금속층의 노출된 면에 도금하는 공정인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 질화물 단결정 성장용 예비기판 상에 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    상기 제2 도전형 질화물층 상에 오믹콘택층을 형성하는 단계;
    상기 오믹콘택층 상에, 요철 형상의 하면을 가지며 상기 하면 중 볼록부에 의해 상기 오믹콘택층과 부분적으로 접하도록 도전성 기판을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물층의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 예비기판을 제거하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 질화물층의 노출된 영역 중 일부 영역에 전극부를 형성하는 단계를 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 오믹콘택층을 형성하는 단계는, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 오믹콘택층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에,
    상기 오믹콘택층을 선택적으로 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 오믹콘택층 및 감광막 패턴 전면에 도금하는 공정인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계 후, 감광막 패턴을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 오믹콘택층을 성장시키는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사 이에,
    상기 오믹콘택층 상에 시드금속층을 형성하는 단계 및 상기 시드금속층을 선택적으로 노출시키는 절연층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 시드금속층의 노출된 면에 도금하는 공정인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제8항 또는 제16항에 있어서,
    상기 예비기판을 제거하는 단계는, 레이저리프트오프 공정에 의하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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