KR20080060223A - 금속 지지 기판을 가지는 반도체 발광 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 다중막 구조물을 포함하는 반도체 발광 장치를 제공한다. 다중막 구조물은 제 1 도핑된 막과, 활성 막과, 그리고 제 2 도핑된 막을 포함한다. 반도체 발광 장치는 나아가, 제 1 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 1 옴-콘택트 막과; 제 2 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 2 옴-콘택트 막; 그리고 15 중량% 이상의 크롬(Cr)을 함유하는 지지 기판을 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 발광 장치의 디자인에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 금속 지지 기판을 가지는 신규한 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
고체 조명(Solid-state lighting)이 미래의 조명 흐름이 될 것이라고 기대된다. 고휘도 다이오드(HB-LEDs:High-brightness light-emitting diodes)는, 특히 디스플레이 장치용 광원으로서, 그리고 일반적인 조명의 백열 전구 대체물로서, 점점 더 많은 수의 애플리케이션을 잠식하고 있다. 비용, 유효성, 밝기가, LED에 대한 상업적 실용성을 결정하는 세 가지 주요한 이점이다.
LED는, 양이온으로 도핑된 클래딩 레이어(p형 클래딩 레이어, p-type cladding layer)와 음이온으로 도핑된 클래딩 레이어(n형 클래딩 레이어, n-type cladding layer) 사이에 "샌드위치 된" 활성 영역으로부터 빛을 생성한다. LED가 순 방향 바이어스될 때, 캐리어(이는 p형 클래딩 레이어로부터의 홀 및 n형 클래딩 레이어로부터의 전자를 포함)가 활성 영역에서 재결합한다. 직접 밴드 갭(direct band-gap) 물질에 대해, 이러한 재결합 프로세스가 광자(photon)나 빛 형태의 에너지를 방출하며, 이의 파장은 활성 영역 내 물질의 에너지 밴드 갭에 대응한다.
최근 몇 년간, 파랑 LED에 대한 수요가 증가하였다. 파랑 LED는 일반적은 넓은 밴드-갭 반도체 물질에 기반하며, 이는 GaN과 같은 질화물을 포함한다. 질화물의 성공적인 에피택시얼 성장을 위해, 기판과 에피택시얼 막의 격자 상수(lattice constance) 및 열-팽창 계수를 일치시킬 필요가 있다. 결과적으로, 사파이어(Al2O3) 및 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 일반적이지 않은 기판 물질이 종종 이러한 매칭(matching)을 위해 필요하다. 사파이어는 저 전도성이기 때문에, 이러한 기판상에 제조된 LED는, 기판의 다른 측면에 놓일 전극을 필요로 한다. 그러나, 이러한 수평-전극 구성은 발광 효율을 낮추고, 제조 복잡성을 증가시키며, 그리고 동작 중에 열 분산을 제한한다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 연구자들은 수직-전극 LED를 구성하는 웨이퍼-접착 기술을 시도하였다. 웨이퍼 접착 중에, 제 2 지지 웨이퍼가 LED 장치 구조물의 상부에 접착된다. 그리고 장치가 에피택시얼 형성되는 초기 성장 기판이 제거된다. 이후에, 전체 장치가 거꾸로 뒤집힌다. 새로운 지지 기판이 고 전도성을 가질 수 있으며, 이에 따라 수직 전극 구성을 실현할 수 있다.
그러나, 웨이퍼 접착 단계는 종종 비싼 접착 물질(가령, 금)을 요하고, 장치 신뢰성을 낮추며 공정 수율을 감소시킬 수 있는 접착 프로세스 내 기계적 결합을 불러일으킬 수 있다. 이에 따라, 수직 전극 구성을 실현하며, 비싸지 않고, 신뢰성이 더 높으며, 더 좋은 기계적 특성을 제공하는 수직 전극 구성을 실현할 장치 구조가 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 다중막 구조물을 포함하는 반도체 발광 장치를 제공한다. 다중막 구조물은 제 1 도핑된 막과, 활성 막과, 그리고 제 2 도핑된 막을 포함한다. 반도체 발광 장치는 나아가, 제 1 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 1 옴-콘택트 막과; 제 2 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 2 옴-콘택트 막; 그리고 15 중량% 이상의 크롬(Cr)을 함유하는 지지 기판을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판이 Cr 막 또는 Cr-합금 막이다.
추가 변형 예에서, 상기 지지 기판이 철(Fe)을 더 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판의 두께가 10 마이크론 이상이고 200 마이크론 이하이다.
추가 변형 예에서, 상기 지지 기판의 두께가 20 마이크론 이상, 150 마이크론 이하이다.
이 실시예의 변형 예에서, 반도체 발광 장치는, 상기 지지 기판과 제 1 옴-콘택트 막 사이에 접착-물질 막을 더 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 지지 기판이, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착 및 전자 플레이팅(elelctroplating) 방법 중 하나 이상에 의해 제조된다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판이, 아크 이온 증착(arc ion desposition), 스퍼터링(sputtering), 및 전자-빔 증착(ion-beam depostion) 방법 중 하나 이상에 의해 제조된다.
추가 변형 예에서, 상기 지지 기판이 아크 이온 증착 공정에 의해 제조되며, 상기 지지 기판의 소스 물질은 크롬과 스테인리스 스틸을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 제 1 옴-콘택트 막이 플래티넘(Pt)을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 제 2 옴-콘택트 막이 금(Au), 게르마늄(Ge) 및 니켈(Ni)을 포함하거나 Au/Ge/Ni의 합금을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 다중막 반도체 구조물이 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함한다. 상기 제 1 도핑된 막이 p형 또는 n형 도핑된 막이며, 상기 제 2 도핑된 막이 n형 또는 p형 도핑된 막이다. 나아가, 상기 활성 막이 InGaN/GaN 다중-양자-우물 구조물이다.
본 발명의 일 실시예는 반도체 발광 장치 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 성장 기판상에, 제 1 도핑된 막과, 활성 막과 그리고 제 2 도핑된 막을 포함하는 다중막 구조물을 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은 추가로, 상기 제 1 도핑된 막으로 제 1 전도 경로를 형성하는, 제 1 옴-콘택트 막을 제조하는 단계와, 상기 제 2 도핑된 막으로 제 2 전도 경로를 형성하는, 제 2 옴-콘택트 막을 제조하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 상기 다중막 구조물 상부에, 15 중량% 이상의 크롬을 함유하는 지지 기판 막을 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 상기 성장 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판을 제조하는 단계는 Cr 막 또는 Cr-합금 막을 제조하는 단계를 포함한다.
추가 변형 예에서, 상기 Cr-합금 막을 제조하는 단계는 Cr-Fe 합금 막을 제조하는 단계를 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판의 두께가 10 마이크론 이상이고, 200 마이크론 이하이다.
추가 변형 예에서, 상기 지지 기판의 두께가 20 마이크론 이상이고, 150 마이크론 이하이다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 성장 기판이, 실리콘, 사파이어, 실리콘 카바이드, 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
이 실시예의 변형 예에서, 이 방법은 상기 다중막 구조물을 제조하는 단계 전에, 상기 성장 기판을 에칭하여 메사를 생성하는 단계를 더 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 상기 성장 기판을 제거하는 단계 전에, 접착-물질 막을 사용하여, 상기 지지 기판을 상기 다중막 구조물에 접착하는 단계를 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착 및 전자 플레이팅 중 하나 이상을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 아크 이온 증착, 스퍼터링, 및 전자-빔 증착 중 하나 중 하나 이상을 포함한다.
추가 변형 예에서, 상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 아크 이온 증착 공정을 이용하는 단계를 포함하며, 상기 아크 이온 증착 공정의 소스 물질은 크롬과 스테인리스 스틸을 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 제 1 옴-콘택트 막을 제조하는 단계는 Pt 막을 제조하는 단계를 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 제 2 옴-콘택트 막을 제조하는 단계는, Au, Ge 및 Ni을 포함하거나 Au/Ge/Ni의 합금을 포함하는 막을 제조하는 단계를 포함한다.
이 실시예의 변형 예에서, 상기 다중막 반도체 구조물은 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함한다. 상기 제 1 도핑된 막은 p형 또는 n형 도핑된 막이고, 제 2 도핑된 막은 n형 또는 p형 도핑된 막이다. 상기 활성 막이 InGaN/GaN 다중-양자-우물 구조를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 반도체 발광 장치 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 메사(mesas)를 형성하도록 성장 기판을 에칭하는 단계와; 상기 성장 기판상에 버퍼 막을 제조하는 단계와; n형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 막을 제조하는 단계와; 다중-양자 우물 활성 막을 제조하는 단계와; p형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 막을 제조하는 단계와; 상기 p형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN 막으로 전도 경로를 형성하는, p-측 옴-콘택트 막을 제조하는 단계와; 15 중량% 이상의 크롬(Cr)을 함유하는 지지 기판을 제조하는 단계와; 상기 성장 기판을 제거하는 단계와; 상기 버퍼 막을 제거하는 단계; 그리고 상기 n형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN 막으로 전도 경로를 형성하는, n-측 옴-콘택트 막을 제조하는 단계를 포함한다.
도 1은 수직 전극을 포함하는 LED 구조물을 나타낸다.
도 2는 웨이퍼 접착 단계를 이용하여 수직 전극을 포함하는 LED를 제조하는 프로세스를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 수직 전극과 금속 지지 기판을 포함하는 LED를 제조하는 프로세스를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 사전-처리된 실리콘 기판에 기반한 수직 전극 및 금속 지지 기판을 포함하는 LED를 제조하는 프로세스를 나타낸다.
이하에서, 첨부된 도면 및 실시예와 함께 본 발명을 상세히 설명한다.
이하의 설명은 본 발명이 속하는 분야의 당업자가 본 발명을 제조 및 사용할 수 있도록 하기 위한 것이며, 특정한 애플리케이션 및 그 조건에 관해 제공된다. 게시된 실시예에 대한 다양한 변경이 가능함은 당업자에게 자명하며, 이 명세서에 정의된 일반적인 원리가, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 다른 실시예와 애플리케이션에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 도시된 실시예에 제한되는 것이 아니며, 청구범위에 모순되지 않는 가장 넓은 범위로 이해되어야 한다.
수직 전극을 포함하는
LED
일반적으로, LED의 두 개의 전극이 기판의 동일한 측면에 배치되거나(수평 전극), 기판의 서로 다른 측면에 배치될 수 있다(수직 전극). 패키징의 용이성 및 더 나은 신뢰도에 기인하여, 수직-전극 구성이 바람직한 디자인이다. 또한, 수평 전극 장치 구조 및 고유 기판 특성(가령, 낮은 전기 전도성, 낮은 투명도 및 낮은 열 전도성)과 관련된 한계점 때문에, 수직 전극이 더 바람직하다.
도 1은 수직 전극을 포함하는 전형적인 LED 구조물을 나타낸다. 활성 막(106)이 상부 막(104)과 하부 막(108) 사이에 "샌드위치" 된다. 상부 막(102)이나 하부 막(108)이, n형 또는 p형 도핑된 클래딩 막, 기판 막 또는 버퍼 막과 같은 추가 막들을 포함할 수 있음에 주의한다. 일부 문헌에 사용된 바와 같은 "클래딩 막"이 활성 막에 바로 인접한 도핑된 막만을 일컬으나, 클래딩 막이 하나 이상의 물질막을 포함할 수 있다.
상부 막(104) 위에 상부 전극(102)이 존재하며, 이는 상부 막(104)으로의 전도 경로를 형성하는 전도성 또는 저저항 물질로 이루어진 막이다. 하부 막(108) 아래에 하부 전극(110)이 존재하며, 이는 전도성 또는 저저항 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(102) 및 하부 전극(110)이 모두 옴-콘택트 막일 수 있다. 옴-콘택트 막이 인접한 막과 옴 콘택트를 형성할 수 있으며, 이는 일반적으로 저저항을 나타내는 것에 주의한다. 옴-콘택트 막이 하나 이상의 금속, 합금 또는 화합물(가령, Pt, Ni, NiO 및 ITO(indium tim oxide))에 기반할 수 있다. 상부 막(104)이 n형 도핑된 막을 포함하고, 하부 막(108)이 p형 도핑된 막을 포함한다.
InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 물질에 대한 최근 개발 결과가 초록, 파랑 및 자외선 영역으로 LED 발광 스펙트럼을 확장시켰다. 나아가, InGaAlN-기반 LED가 이전 세대의 LED에서 사용할 수 없었던 높은 밝기를 얻을 수 있게 되었더, 현재, InGaAlN LED가 보통 사파이어나 SiC 기판상에 제조된다. 사파이어 기판이 낮은 전기 및 열 전도성을 가지며, 그 단단함 때문에 자르기가 어려울 수 있다. SiC 기판이 전기적 전도성이 있으며, 높은 열 전도성을 가진다. 그러나, 이에 관련된 고비용은, SiC 기판이 대규모의 생업적 생산에 적합하지 않게 한다.
최근의 연구는 실리콘 기판을 사용하여 나이트라이드 LED를 제작하는 데 집중되고 있다. 기판 물질로서, 실리콘이 좋은 전기 및 열 전도성 모두를 가질 수 있다. 나아가, 실리콘 기판의 비용이 사파이어나 SiC 기판의 비용보다 현저히 낮다. 그러나, 실리콘은 가시 광선에 대해 투명하지 않다. 이에 따라, 원래 실리콘 기판에 기반한 간단한 수직-전극 장치 구조는, 실리콘에 의해 흡수도 기인하여, 낮은 발광 효율을 나타낸다.
실리콘이나 사파이어 기판에 관하여 이전에 언급한 문제를 감소시키기 위해, 오리지날 성장 기판으로부터 다른 지지 기판으로, 다중막 구조를 전달하는데 웨이퍼 접착 방법을 사용할 수 있다. 실리콘 기판의 경우에, 장치 및 지지 기판 사이의 반사 막이 광 흡수도를 감소시킬 수 있다. 또한, 사파이어 기판에 대해, 웨이퍼-접착 기술이 낮은 전기 및 열 전도성과 관련된 문제를 완화할 수 있다.
다음의 설명에 대해, "질화물" 및 "GaN 물질"이 일반적으로 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)를 포함하며, 이는 2성분, 3성분 또는 4성분 화합물(가령, GaN, InGaN, GaAlN 및 InGaAlN)을 포함할 수 있다.
도 2는 웨이퍼 접착 단계를 이용하여 수직 전극을 가지는 LED를 제조하기 위한 프로세스를 나타낸다. 단계 A에서, 일반적으로 알려진 InGaAlN 장치 제조 프로세스에 기반하여, GaN 발광 다중막 구조물이 먼저 성장 기판(202)에 형성된다. 선택적으로, 격자 상수 및/또는 열-팽창 계수를 일치시키기 위한 목적으로, 버퍼 막(204)이 기판(202) 상에서 성장된다. 이후에, n형 도핑된 막(206)이 버퍼 막(204) 상에 성장된다. InGaN/GaN 다중-양자-우물 활성 막(207)과 p형 도핑된 막(208)이 n형 도핑된 막(206) 상에 형성된다.
결과적으로, 옴-콘택트 막(210)이 p형 도핑된 막(208) 상에 형성된다. 옴-콘택트 막(210)의 형성시, 화학적 또는 물리적 기상 증착 방법(가령, 전자-빔 증착, 필라멘트 증착, 또는 스퍼터 증착)을 사용할 수 있다. 옴-콘택트 막(210)은 또한, 30% 이상의 반사도를 가지는 반사 물질일 수 있다.
단계 B에서, 접착 금속 물질(212)이 옴-콘택트 막(210) 상부에 적층된다. 금(gold)은 그 연성 및 상대적으로 낮은 용융 온도 및 저 저항성 때문에 후보 물질이 된다.
단계 C에서, 전체 다중 막 구조물(214)이 반대로 뒤집히고, 접착 물질 막(212)이, 지지 기판의 일 측면 상의 대응하는 접착 물질 막(216)과, 증가한 온도 및 압력 하에서 접착된다. 지지 기판(218)이 다른 측면을 덮는 제 2 금 막(gold layer, 220)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 습식 에칭이 이용되는 경우에, 지지 기판(218)이 성장 기판(202)의 후속 제거를 견뎌낼 수 있다.
전체 웨이퍼 영역에 걸쳐 강하고 견고한 성공적인 웨이퍼 접착에는, 양쪽 표 면의 높은 평탄도(flatness)가 요구된다. 접착 단계는 고온 및 고압에서 이루어진다. 어떠한 표면 결합도 접착의 질을 손상시킬 수 있으며, 단계 C에서 확대도에 도시된 바와 같이, 두 개의 접착 막 사이에 간극(갭, gap)을 남긴다.
단계 D에서, 접착된 구조물(222)이 형성되고, 이는 성장 기판 및 지지 기판 모두를 포함하며, 이들 사이에 LED 구조물이 "샌드위치" 된다.
단계 E에서, 오리지널 성장 기판(202)이 제거된다. 레이저 리프트-오프가 사파이어 기판을 제거하는데 공통적으로 사용된다. KOH 또는 HNA에 기반한 습식 에칭이 실리콘 기판을 제거하는 데 사용될 수 있다. 접착 막 내의 물리적 결함(가령, 평탄하지 않은 표면 사이의 간극)이 습식 에칭 중에 장치의 질을 떨어트릴 수 있음에 주목한다.
단계 F에서, 버퍼 막(204)이 제거되고, n형 도핑된 레이어 상부에, 제 2 옴-콘택트 막(226)이 적층되며, 패턴화되고, 그리고 에칭된다. 따라서, 옴-콘택트 막(226, 210)이 한 쌍의 수직 전극을 형성한다.
웨이퍼 접착이, 수직 전극 LED를 제조하는 데 실용적인 접근법이긴 하나, 접착 물질(가령, 금)은 너무 비싸다. 나아가, 접착 프로세스 중에 발생되는 물리적 결함이 장치의 신뢰도 및/또는 생산 수율을 낮추고, 이는 대용량 LED 생산에 치명적이다.
금속 지지 기판
본 발명의 실시예는 신규한 LED 구조물을 제조하도록 하며, 이 구조물은 웨이퍼 접착 단계를 필요로 하지 않는 금속 지지 기판을 포함한다. 장치의 높은 신뢰 도 및 수율을 유지하면서, LED 다중막 구조물이 성장 기판으로부터 지지 기판으로, 낮은 비용으로 전달될 수 있다. 나아가, 금속 지지 기판이 열 분산 문제를 개선하고, LED 동작 온도를 낮추며, 장치 절단(dicing)을 더 쉽게 한다.
일 실시예에서, LED 다중막 구조물이 성장 기판상에 제조된 후에, 금속으로 이루어진 막이 옴-콘택트 막 상부에 바로 적층된다. 이러한 금속 막은 장치 구조물을 지지하기 위한 기계적 강도를 제공하기에 충분할 만큼 두껍다. 결과적으로, 별개의 웨이퍼-접착 프로세스가 필요하기 않다. 일 실시예에 따르면, LED 장치가 금속 지지 기판, 제 1 옴-콘택트 막, 반도체 다중 막 구조물 및 제 2 옴-콘택트 막을 포함한다.
반도체 다중 막 구조물이 서로 다른 물질에 기반할 수 있다. 이러한 물질은 InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1), InxGayAl1 -x- yP(0≤x≤1, 0≤y≤1); 및 InxGayAl1 -x-yAs(0≤x≤1, 0≤y≤1) 및 MgxZnyCd1 -x-y(0≤x≤1, 0≤y≤1)를 포함한다. 바람직한 실시에에서, 반도체 다중 막 장치가 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)에 기반한다. 다중 막 구조물은 하부로부터, p형 도핑된 막, 활성 막, 그리고 n형 도핑된 막을 포함한다. 선택적으로, 다중 막 구조물이, 하부로부터, n형 도핑된 막, 활성 막 및 p형 도핑된 막을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 수직 전극과 금속 지지 기판으로 LED를 제조하기 위한 프로세스를 나타낸다. 단계 A에서, 반도체 다중 막 구조물이 성장 기판(302) 상에 제조된다. 다중 막 구조물이 버퍼 막(304)과, n형 도핑된 막(306) 과, 활성 막(307), p형 도핑된 막(308) 및 옴-콘택트 막(310)을 포함한다. 성장 기판이 실리콘, 사파이어, GaAs 또는 다른 가능한 물질에 기반할 수 있다. 일 실시예에서, 성장 기판이 실리콘- 또는 GaAS-기반이다. 왜냐하면, 이러한 물질은 습식 에칭을 사용하여 쉽게 제거될 수 있기 때문이다.
추가 실시예에서, 성장 기판(302)이 실리콘 기판이며, 버퍼 막(304), n형 도핑된 GaN 막(306) 및 InGaN/GaN 다중-양자-우물 막(307) 및 p형 도핑된 GaN 막(308)이 성장 기판(302)에, 화학적 기상 증착(CVD)을 이용하여 적층된다. 이어서, 전체 구조물이 섭씨 720도의 어닐링(annealing) 온도하에 배치되며, p형 불순물(dopant)을 활성화한다. 나아가, Pt 옴-콘택트 막(310)이 p형 도핑된 막(308) 상부에 형성된다.
단계 B에서, 금속 막(312)이 옴-콘택트 막(310) 상부에 적층되어 다중막 구조물(314)에 대한 지지 기판의 기능을 한다. 금속 막(312)이 금속 또는 전도성 물질에 기반한다. 바람직하게는, 금속 막(312)이 크롬과 같은, 부식에 내성을 가지는 금속을 포함한다. 일 실시예에서, 금속 막(312)이 크롬(Cr), 또는 크롬 합금을 포함하고, 금(Au), 플래티넘(Pt), 구리(Cu) 또는 철(Fe)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 금속 막(312)이 15 중량% 이상의 크롬을 포함한다. 크롬은 부식에 대한 내성과, 낮은 가격, 높은 전기 및 열 전도성 그리고 높은 반사율 덕에, 금속 막(312)의 바람직한 물질이 된다. 추가로, 크롬의 열 팽창 계수는 GaN의 열 팽창 계수에 근접하고, 또한 크롬의 경도는 장치 절단을 용이하게 할 수 있다.
이상적으로는, 금속 막(312)이, 후속 공정 단계 및 장치 절단 단계 중에, 다 중막 구조물을 기계적으로 지지할 수 있을 정도로 충분히 두껍다. 일 실시예에서, 금속 막(312')의 두께가 10 마이크론 이상이고 200 마이크론 이하이다. 추가 실시예에서, 금속 막(312')의 두께가 20 마이크론 이상이고 150 마이크론 이하이다.
금속 막(312)가 플레이팅(plating), 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 증착될 수 있다. 이러한 방법은 전자 플레이팅(electroplating), 아크 이온 증착(arc ion deposition), 전지 빔 증착(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 금속 유기 CVD(MOCVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 원자층 증착(ALD), 및 분자 빔 에피택시(MBE:moledular beam epitaxy). 다른 증착 방법도 가능하다.
바람직하게는, 선택된 증착 방법이 상대적으로 빠른 속도로 금속 막(312)을 증착하도록 하며, 이로써 생산 효율을 개선하고 과도하게 밀집된 금속 막의 형성을 방지한다. 과도하게 밀집된 금속 막이, 다중 막 구조에서 GaN 막과 현저한 열적 불일치(thermal mismatch)를 나타낼 수 있다. 장치가 후속 공정에서 또는 동작 중에, 고온 변화를 거치면, 이러한 열적-팽창 불일치(mismatch)가 장치의 물질적 균열(cracking)을 일으킬 수 있다.
일 실시예에서, 금속 막(312)이 아크 이온 증착 방법을 이용하여 증착된다. 전통적으로, 아크 이온 증착법은, 경도 및 습도 내성을 증가시키기 위해 절단 도구 및 몰드(주형, mould)의 표면에 하드 코팅(hard coating)을 형성하는 데 사용된다. 여기서, 아크 이온 증착법이 장치 웨이퍼의 상부에 빠르게 크롬 막을 적층하는 데 사용될 수 있다. 나아가, 아크 이온 증착법에 의해 적층된 금속 박막은 일반적으 로, 더 느린 증착 방법에 의해 적층된 것과 같이 밀집되지 않는다. 결과적으로, 최종 지지 기판이, 반도체 막과 금속 막 사이의 열적- 팽창 불일치를 더 완화한다.
전자 플레이팅 방법이 금속 지지 기판을 증착에 사용될 수 있다. 그러나, 성장 기판이 좋은 전도 물질이 아닌 경우에, 전자 플레이팅 방법을 수행하기 어렵다. 예를 들어, 성장 기판이 고 저항 실리콘인 경우에, 크롬이나 크롬 합금의 아크 이온 증착이 더 효과적인 증착 방법이다. 일 실시예에서, 금속 막(312)이, 크롬 및 스테인리스 스틸 모두를 소스 물질로 포함하는 아크 이온 증착 공정을 사용하여 증착될 수 있다.
단계 C에서, 성장 기판(302)이 제거되고, 성장 기판(302)이 실리콘 기판이 일 실시예에서, 습식 에칭이 사용된다. 다른 제거 방법(가령, 레이저 리프트-오프(laser lift-off)가 사용될 수 있다.
단계 D에서, 버퍼 레이어(304)가, 예를 들면 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 전체적으로 또는 부분적으로 제거됨으로서, n형 도핑된 막(306)이 노출된다.
단계 E에서, 다른 옴-콘택트 막(314)이 n형 도핑된 막(306) 상에 추가로 증착된다.
직접 증착하는 대신에, 금속 지지 기판을 장치에 부착하는 접착법을 사용할 수도 있다. 이 경우에, 접착 물질로 이루어진 추가적인 막이 금속 막(312)과 옴-콘택트 막(310) 사이에 배치되어, 이러한 두 개의 막 사이에 접착력을 증가시킨다.
추가 실시예에서, LED 다중 막 구조물을 제조하기 전에, 메사(mesas)를 형성하도록 실리콘 성장 기판을 사전 처리할 수 있다. 이러한 메사는, GaN 물질 및 기 판 물질 사이의 열-팽창 불일치에 의해 발생하는 스트레스에 대한, 기판의 스트레스 허용도(tolerance)를 증가시킨다. 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 사전 처리된 실리콘 기판에 근거한 수직 전극과 금속 지지 기판을 포함하는 LED를 제조하는 프로세스를 나타낸다.
단계 A에서, 실리콘 성장 기판이 패턴화되고, 식각되어, 복수의 메사를 생성한다. 각각의 메사는 GaN-물질 다중 막에 대한 영역을 정의한다.
단계 B에서, 다중 막 구조물(404)이 기판 메사 상부에 형성된다. 또한, 옴-콘택트 막(406)이 각각의 개별적인 구조물의 p형 도핑된 막 상부에 증착된다. 일 실시에에서, 메사가 충분 떨어져 존재함으로써, 서로 다른 막의 에피택시얼 성장이 두 개의 개별적인 구조물 사이의 결합을 생성하지 않는다.
단계 C에서, 크롬 지지-기판 막(408)이 다중막 구조물 상부에 증착된다. 크롬 막(408)이 충분히 두꺼우며 메사 사이의 간극(gap)을 채운다.
단계 D에서, 실리콘 성장 기판(402)이 습식 에칭을 이용하여 제거된다. 크롬 지지 기판(402)이 각각의 다중 막 구조물을 지지한다. 최종 구조물에서, 크롬은 개개의 다중 막 구조물 사이의 간극을 채운다.
단계 E에서, 크롬 지지 기판(408)이 다중 막 구조물의 활성 막 하부에서 추가로 에칭되어 누설 전류를 방지한다. 또한, 제 2 옴-콘택트 막(410)이 다중 막 구조 상부에 적층된다.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 정의된다.
Claims (29)
- 제 1 도핑된 막과, 활성 막과, 그리고 제 2 도핑된 막을 포함하는 다중막 구조물과;상기 제 1 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 1 옴-콘택트 막과;상기 제 2 도핑된 막으로 전도 경로를 형성하는 제 2 옴-콘택트 막; 그리고15 중량% 이상의 크롬(Cr)을 함유하는 지지 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 기판이 Cr 막 또는 Cr-합금 막인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 지지 기판이 철(Fe)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 기판의 두께가 10 마이크론 이상, 200 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 지지 기판의 두께가 20 마이크론 이상, 150 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 기판과 제 1 옴-콘택트 막 사이에 접착-물질 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 기판이, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착 및 전자 플레이팅(elelctroplating) 방법 중 하나 이상에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 기판이, 아크 이온 증착, 스퍼터링, 및 전자-빔 증착 방법 중 하나 이상에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 지지 기판이 아크 이온 증착 공정(process)에 의해 제조되며, 상기 지 지 기판의 소스 물질은 크롬과 스테인리스 스틸을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 옴-콘택트 막이 플래티넘(Pt)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 옴-콘택트 막이 금(Au), 게르마늄(Ge) 및 니켈(Ni)을 포함하거나, Au/Ge/Ni의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 다중막 반도체 구조물이 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함하고,상기 제 1 도핑된 막이 p형 또는 n형 도핑된 막이며, 상기 제 2 도핑된 막이 n형 또는 p형 도핑된 막이며, 그리고상기 활성 막이 InGaN/GaN 다중-양자-우물 구조물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
- 성장 기판상에, 제 1 도핑된 막과, 활성 막과 그리고 제 2 도핑된 막을 포함 하는 다중막 구조물을 제조하는 단계와;상기 제 1 도핑된 막으로 제 1 전도 경로를 형성하는, 제 1 옴-콘택트 막을 제조하는 단계와;상기 제 2 도핑된 막으로 제 2 전도 경로를 형성하는, 제 2 옴-콘택트 막을 제조하는 단계와;상기 다중막 구조물 상부에, 15 중량% 이상의 크롬을 함유하는 지지 기판을 제조하는 단계; 그리고상기 성장 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 기판을 제조하는 단계는 Cr 막 또는 Cr-합금 막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 Cr-합금 막을 제조하는 단계는 Cr-Fe 합금 막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 기판의 두께가 10 마이크론 이상이고, 200 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 지지 기판의 두께가 20 마이크론 이상이고, 150 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 성장 기판이, 실리콘, 사파이어, 실리콘 카바이드, 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 성장 기판이 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 다중막 구조물을 제조하는 단계 전에, 상기 성장 기판을 에칭하여 메사를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 상기 성장 기판을 제거하는 단계 전에, 접착-물질 막을 사용하여, 상기 지지 기판을 상기 다중막 구조물에 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착 및 전자 플레이팅 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 아크 이온 증착, 스퍼터링, 및 전자-빔 증착 중 하나 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 지지 기판을 제조하는 단계는, 아크 이온 증착 공정을 사용하는 단계를 포함하며, 상기 아크 이온 증착 공정의 소스 물질은 크롬과 스테인리스 스틸을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 옴-콘택트 막을 제조하는 단계는 Pt 막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 2 옴-콘택트 막을 제조하는 단계는, Au, Ge 및 Ni을 함유하거나Au/Ge/Ni의 합금을 포함하는 막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 다중막 반도체 구조물은 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함하고;상기 제 1 도핑된 막은 p형 또는 n형 도핑된 막이고, 제 2 도핑된 막은 n형 또는 p형 도핑된 막이며; 그리고상기 활성 막이 InGaN/GaN 다중-양자-우물 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 메사(mesas)를 형성하도록 성장 기판을 에칭하는 단계와;상기 성장 기판상에 버퍼 막을 제조하는 단계와;n형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 막을 제조하는 단계와;다중-양자 우물 활성 막을 제조하는 단계와;p형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 막을 제조하는 단계와;상기 p형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN 막으로 전도 경로를 형성하는, p-측 옴-콘택트 막을 제조하는 단계와;15 중량% 이상의 크롬(Cr)을 함유하는 지지 기판을 제조하는 단계와;상기 성장 기판을 제거하는 단계와;상기 버퍼 막을 제거하는 단계; 그리고상기 n형 도핑된 InxGayAl1 -x- yN 막으로 전도 경로를 형성하는, n-측 옴-콘택트 막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
- 제 28 항에 있어서,상기 성장 기판이 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치 제조 방법.
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