KR20090112854A - Group 3 nitride-based semiconductor light emitting diodes and methods to fabricate them - Google Patents
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본 발명은 구동 전압 및 외부 발광 효율을 비롯한 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 다시 말하자면, 본 발명은 패턴된 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체가 형성된 성장기판과의 웨이퍼 결합(wafer bonding), 성장기판 분리(lift-off), 및 발광면에 형성된 표면 요철(surface texture)을 통해 구동 전압 및 외부 발광 효율이 향상된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a group III-nitride semiconductor light emitting diode 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. In other words, the present invention provides a wafer bonding between the patterned support substrate and the growth substrate on which the light emitting structure for the light emitting diode device is formed, the growth substrate lift-off, and the surface texture formed on the light emitting surface. The present invention provides a group III nitride semiconductor light emitting diode device having improved driving voltage and 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 파장 보다 더 긴 파장대의 가시광선 영역대의 빛을 발광하는 반면에, 최근 들어 그 룹 3족 질화물계 반도체 물질계의 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 단파장의 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.A light emitting diode (LED) device generates light by applying a current of a predetermined magnitude to convert current into light in an active layer in a solid light emitting structure. Early research and development of LED devices formed compound semiconductors such as indium phosphorus (InP), gallium arsenide (GaAs), and gallium phosphorus (GaP) with p-i-n junction structure. While the LED emits light in the visible light region longer than the wavelength of green light, the device that emits blue and ultraviolet light has also been commercialized recently, thanks to the research and development of the Group III nitride semiconductor material system. It is widely used in display devices, light source devices, and environmental application devices. Furthermore, a combination of three red, green, and blue LED device chips, or a short wavelength pumping LED device is used as a phosphor. A white light source LED for emitting white light by grafting has been developed, and its application range is widening as a lighting device. In particular, LED devices using solid single crystal semiconductors are highly efficient in converting electrical energy to light energy, have an average lifespan of more than 5 years, and can greatly reduce 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 성장 기판(대표적으로, 사파이어) 상부에 성장되어 제조되기 때문에, 다른 그룹 3-5족 화합물계 반도체 발광다이오드 소자와 같이 성장 기판의 서로 반대면에 대향하는 두 전극을 설치할 수 없어, LED 소자의 두 전극을 결정 성장된 반도체 물질계 상부에 형성해야 한다. 이러한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 종래 구조가 개략적으로 도 18에 예시되어 있다.Since a light emitting diode (hereinafter, referred to as a group III nitride semiconductor light emitting diode) device made of such a group III nitride semiconductor is generally grown and manufactured on an insulating growth substrate (typically, sapphire), another group 3- Since two electrodes facing each other of the growth substrate cannot be provided like the Group 5 compound semiconductor light emitting diode device, two electrodes of the LED device must be formed on the crystal-grown semiconductor material system. The conventional structure of such a group III-nitride semiconductor light emitting diode device is schematically illustrated in FIG.
도 18을 참조하면, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 사파이어 성장 기판(10)과 상기 성장 기판(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(20a)과 상기 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(20a)과 다른 조성의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(20b)으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물(multi-quantum well)구조의 다른 조성으로 구성된 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(40a)과 상기 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(40a)과 다른 조성의 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(40b)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(20a)을 성장하기 전에 사파이어 성장 기판(10)과의 격자정합을 향상시키기 위해, AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(미도시)을 그 사이에 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 18, the group III-nitride semiconductor light emitting diode device includes a lower nitride-based cladding layer 20 formed of a
상기한 바와 같이, 상기 사파이어 성장 기판(10)은 전기절연성 물질이므로, LED 소자의 두 전극을 모두 단결정 반도체 성장방향인 동일한 상면에 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 상면 영역을 노출시키고, 상기 노출된 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(20) 상면에 n형 오믹접촉(ohmic contacting interface) 전극 및 전극 패드(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 있 기 때문에, p형 전극(60)을 형성하기에 앞서, 양질의 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성할 수 있는 추가적인 물질계가 요구된다. 이에 대하여, 미국특허 US5,563,422에서는, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 최상층부에 위치한 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(40b)의 상면에 p형 전극(60)을 형성하기 전에, 수직방향으로의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성하기 위해 Ni/Au로 구성된 물질계를 제안하였다.In particular, since the upper nitride-based
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(40b)에 대한 수평방향으로의 전류 퍼짐(current spreading)을 향상시키면서도 동시에 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면(ohmic contacting 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 고휘도 발광다이오드 소자를 얻기 위한 방안으로, 최근 들어 상기 Ni/Au 물질계를 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 물질계로 형성하는 방안이 제안되었다. 그런데, 상기한 투명성 전기전도성 물질계는 p형 In x Al y Ga 1-x-y N (0≤x, 0≤y, x+y≤1) (~7.5 eV 이상)에 비해 작은 일함수(4.7~6.1eV), 그리고 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(40b)에 직접 증착하고 열처리를 비롯한 후속 공정을 행하는 후에 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)이 아니라 비접촉 저항이 큰 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있어, 새로운 투명성 전도성 물질계 또는 제조 공정이 필요하다.As described above, in order to obtain a high-brightness light emitting diode device through the high light transmittance of the ohmic contact
이에, 더 최근에는 미국특허 US20070001186 에서는 ZnO을 비롯한 두꺼운 투명성 전기전도성 물질계 웨이퍼를 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정으로 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상부에 접목하여 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성한 기술이 도안 되었다. 하지만, 이러한 두꺼운 웨이퍼 형태로 존재하는 투명성 전기전도성 물질계는 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.Thus, more recently, US patent US20070001186 describes p-type In x Al y Ga 1-xy N (0≤x, 0≤y, x + y) in a wafer bonding process of a thick transparent electroconductive material wafer including ZnO. ≤1) A technique in which an ohmic contact current spreading
따라서, 당 기술 분야에서는 높은 빛 투명성을 유지하는 것과 동시에, 상부 질화물계 클래드층(40)의 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)과 양호한 오믹접촉 계면을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 갖춘 양질의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, in the art, while maintaining high light transparency, p-type In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y, which is the uppermost layer of the upper nitride-based cladding layer 40) There is a need for a high quality group III-nitride semiconductor light emitting diode device having an ohmic contact
또한, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체 내의 질화 물계 활성층에서 생성된 빛을 최대한 많이 외부로 끄집어내어 패키징된 발광다이오드 소자의 에너지 변환 효율(lm/W)을 증가시켜야 한다. 일반적으로 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 외부 발광 효율은 의외로 상당히 낮은 수준이다. 이러한 이유는 GaN을 비롯한 그룹 3족 질화물계 반도체 또는 ITO 등의 오믹접촉 커런트스프레딩층과 몰딩재 간의 큰 굴절률(refractive index) 차에 의하여 LED 구조에서 발생한 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사되어 다시 LED 내부 쪽으로 진행하여 소멸하게 된다. 일예로, 질화갈륨(GaN)의 경우 굴절률을 약 2.3, 몰딩재의 굴절률을 약 1.5 정도로 가정할 경우 두 물질의 접합면에서 전반사되는 빛의 양은 약 90% 정도로 광추출 효율의 많은 개선이 요구된다. 이를 해결하기 위해서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층의 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 식각(etching) 공정을 이용하여 다양한 형상 및 치수의 표면 요철 또는 패터닝을 도입하는 것이다. 이 경우, 광추출 효율이 상당히 많이 개선되는 것으로 확인되었다.In addition, the energy conversion efficiency (lm / W) of the packaged light emitting diode device should be increased by drawing out the light generated in the nitride active layer in the light emitting structure for the group III nitride semiconductor light emitting diode device to the outside as much as possible. In general, the external luminous efficiency of group III-nitride semiconductor light emitting diodes is surprisingly low. This is because the large refractive index difference between the ohmic contact current spreading layer and the molding material, such as group III-nitride semiconductor or GaN, or ITO, does not emit much of the light generated in the LED structure to the outside. It will go back to the inside of LED and disappear. For example, assuming that the refractive index of gallium nitride (GaN) is about 2.3 and the refractive index of the molding material is about 1.5, the amount of light totally reflected at the joint surface of the two materials is about 90%. To solve this problem, p-type In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y, which is the uppermost layer of the upper nitride cladding layer of the light emitting structure for group III-nitride semiconductor light emitting diode device) ≤1) or surface irregularities or patterning of various shapes and dimensions using an etching process on the surface of the ohmic contact current spreading layer. In this case, it was confirmed that the light extraction efficiency is significantly improved.
그러나, 이와 같이 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 표면 요철 또는 패터닝을 도입하는 공정은 추가적인 포토리쏘(photolitho) 및 식각 공정이 요구되어 복잡한 동시에, 상기 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 전기적으로 악영향을 끼쳐 LED 소자의 구동 전압 및 누설 전류를 상승시켜 에너지 변환 효율을 훼손하는 단점이 있다.However, the step of introducing surface irregularities or patterning on the surface of the p-type In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) or ohmic contact current spreading layer as the top layer. At the same time, the additional layer of p-type In x Al y Ga 1-xy N (0≤x, 0≤y, x + y≤1) or ohmic contact current is complicated by requiring additional photolitho and etching processes. Electrically adversely affects the surface of the spreading layer to increase the driving voltage and leakage current of the LED device to impair the energy conversion efficiency.
본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 향상시키기 위해서, 패턴된 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체가 형성된 성장기판의 웨이퍼 결합, 성장기판 분리, 및 표면 요철 공정을 접목시켜 발광다이오드 소자를 제조함으로써 소자의 활성층에서 생성된 빛이 내부로 전반사되는 양을 최소화하여 광추출 효율을 증가시키고자 하였다.In order to improve the overall performance of group III-nitride-based semiconductor light emitting diode devices, the present invention provides a combination of wafer bonding, growth substrate separation, and surface irregularities of a growth substrate on which a patterned support substrate and a light emitting structure for a light emitting diode device are formed. By manufacturing a light emitting diode device, it was intended to increase the light extraction efficiency by minimizing the total amount of light generated in the active layer of the device is totally reflected inside.
본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 활성층에서 생성된 빛의 입사각을 변화시켜 광추출 효율을 향상시키기 위하여, 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정을 이용하여 패턴된 지지기판(patterned supporting substrate) 상면에 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층과, 또 다른 반도체로 이루어진 질화물계 활성층과, n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층을 순차적으로 적층 형성시킨 발광다이오드 소자용 발광구조체를 포함한 발광다이오드 소자를 제공한다.The present invention provides a patterned supporting substrate using a wafer bonding process to change the incident angle of light generated in the active layer in the group III nitride-based semiconductor LED device to improve light extraction efficiency. A light emitting diode device including a light emitting structure for a light emitting diode device in which a p-type conductive upper nitride cladding layer, a nitride active layer made of another semiconductor, and an n-type conductive lower nitride cladding layer are sequentially stacked on an upper surface thereof; to provide.
또 다른 한편으로, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 활성층에서 생성된 빛의 입사각을 변화시켜 광추출 효율을 향상시키기 위하여, 상기 패턴된 지지기판(patterned supporting substrate) 이외에도, 발광면인 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철(surface texture)을 구비하는 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제공한다.On the other hand, in order to improve the light extraction efficiency by changing the angle of incidence of light generated in the active layer in the group III-nitride semiconductor light emitting diode device, in addition to the patterned supporting substrate, the n-type light emitting surface Provided is a group III nitride semiconductor light emitting diode device characterized by having a surface texture on the upper surface of a conductive lower nitride based cladding layer.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성 수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조 방법에 있어서,The present invention provides a light emitting device using 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) as a structural means for achieving the above object. In the method of manufacturing a diode (hereinafter, group 3 nitride-based semiconductor light emitting diode) device,
발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판을 준비하는 단계; 상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층과, 또 다른 반도체로 이루어진 질화물계 활성층과, p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층이 순차적으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체를 형성하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층 상면에 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계; 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 패턴된 지지기판(patterned supporting substrate)을 준비하는 단계; 상기 패턴된 지지기판 상면에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 패턴된 지지기판에 형성된 평탄화층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 상기 두 웨이퍼 결합층을 접촉시켜 상기 성장기판과 지지기판을 웨이퍼 결합(wafer bonding)시켜 복합체를 형성하는 단계; 상기 웨이퍼 결합된 복합체에서 성장기판을 분리 제거하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 제거하고, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 대기에 노출시킨 다음, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계; 및 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함한다.Preparing a growth substrate for growing a light emitting structure for a light emitting diode device; A light emitting diode device having a lower nitride cladding layer made of an n-type conductive semiconductor, a nitride active layer made of another semiconductor, and an upper nitride cladding layer made of a p-type semiconductor Forming a structure; Forming a transparent ohmic contact current spreading layer on an upper surface of the nitride based cladding layer of the light emitting structure for the light emitting diode device; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the transparent ohmic contact current spreading layer; Preparing a patterned supporting substrate; Forming a planarization layer on an upper surface of the patterned support substrate; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the planarization layer formed on the patterned support substrate; Contacting the two wafer bonding layers to wafer bond the growth substrate and the support substrate to form a composite; Separating and removing a growth substrate from the wafer-bonded composite; Removing a portion of the light emitting structure for the light emitting diode device, exposing the transparent ohmic contact current spreading layer to air, and forming a p-type ohmic contact electrode and an electrode pad on an upper surface of the transparent ohmic contact current spreading layer; step; And forming a partial n-type electrode structure on a portion of the upper surface of the lower nitride-based cladding layer.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구성 수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조 방법에 있어서,The present invention provides a group III nitride-based semiconductor represented by the chemical formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) as another means for achieving the above object. In the light emitting diode (hereinafter referred to as group III nitride semiconductor light emitting diode) device manufacturing method,
발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판을 준비하는 단계; 상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층과, 또 다른 반도체로 이루어진 질화물계 활성층과, p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층이 순차적으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체를 형성하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층 상면에 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계; 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 패턴된 지지기판(patterned supporting substrate)을 준비하는 단계; 상기 패턴된 지지기판 상면에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 패턴된 지지기판에 형성된 평탄화층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 상기 두 웨이퍼 결합층을 접촉시켜 상기 성장기판과 지지기판을 웨이퍼 결합(wafer bonding)시켜 복합체를 형성하는 단계; 상기 웨이퍼 결합된 복합체에서 성장기판을 분리 제거하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 제거하고, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 대기에 노출시킨 다음, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계; 및 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역에 전면 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함한다.Preparing a growth substrate for growing a light emitting structure for a light emitting diode device; A light emitting diode device having a lower nitride cladding layer made of an n-type conductive semiconductor, a nitride active layer made of another semiconductor, and an upper nitride cladding layer made of a p-type semiconductor Forming a structure; Forming a transparent ohmic contact current spreading layer on an upper surface of the nitride based cladding layer of the light emitting structure for the light emitting diode device; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the transparent ohmic contact current spreading layer; Preparing a patterned supporting substrate; Forming a planarization layer on an upper surface of the patterned support substrate; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the planarization layer formed on the patterned support substrate; Contacting the two wafer bonding layers to wafer bond the growth substrate and the support substrate to form a composite; Separating and removing a growth substrate from the wafer-bonded composite; Removing a portion of the light emitting structure for the light emitting diode device, exposing the transparent ohmic contact current spreading layer to air, and forming a p-type ohmic contact electrode and an electrode pad on an upper surface of the transparent ohmic contact current spreading layer; step; And forming a front n-type electrode structure on the entire upper surface of the lower nitride-based cladding layer.
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층 상면에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice)를 형성하는 것이 바람직하다.An n-type conductive InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN having a thickness of 5 nanometers (nm) or less conventionally known on the upper surface of the p-type conductive upper nitride-based cladding layer of the light emitting diode device , SiC, SiCN, MgN, ZnN monolayers, p-type conductive InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN monolayers with thicknesses of 5 nanometers (nm) or less, or other dopants and compositions ( It is desirable to form a superlattice composed of nitride or carbon nitride of group 2, 3, or 4 elements having a composition.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(transparent ohmic contacting current spreading layer)은 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니면서, 동시에 상기 상부 질화물계 클래드층과의 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하는 물질이 바람직하다.The transparent ohmic contacting current spreading layer has a high light transmittance characteristic of 70% or more in the wavelength range of 600 nanometers (nm) or less, and simultaneously with the upper nitride-based cladding layer. Preferred are materials that form an ohmic contacting interface.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은 물질의 확산 방지, 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.The transparent ohmic contact current spreading layer may include a separate thin film layer which may serve to prevent diffusion of a material, improve bonding and bonding between materials, or prevent oxidation of a material.
상기 지지기판(patterned supporting substrate)은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위한 성장기판의 열팽창계수(thermal expansion coefficient) 차이가 2 피피엠(ppm) 이하인 물질이 바람직하다.The patterned supporting substrate is preferably a material having a thermal expansion coefficient difference of 2 ppm or less in a growth substrate for growing a light emitting structure for a light emitting diode device.
상기 패턴된 지지기판(patterned supporting substrate)은 지지기판 상면에 소정의 형상(shape) 및 치수(dimensions)를 갖는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성한다. 더 나아가서, 규칙적인 패턴(regular pattern)을 갖는 소정의 형상 및 치수로 형성하는 것이 바람직하다.The patterned supporting substrate is formed by introducing a wet or dry etching process of an irregular pattern having a predetermined shape and dimensions on the upper surface of the supporting substrate. do. Furthermore, it is desirable to form a predetermined shape and dimension with a regular pattern.
상기 평탄화층(leveling layer)은 MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)하는 것이 바람직하다. It is preferable that the leveling layer grows transparent materials using MOCVD, HVPE, and MBE equipment, or deposits transparent materials using sputter, evaporator, PLD, and spin-coater equipment. .
상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)을 통한 복합체를 형성하기에 앞서, 성장기판 상면에 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체, 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층, 및 웨이퍼 결합층을 소정의 형상 및 치수를 갖는 구조로 성장기판이 대기에 노출될 때까지 아이솔레이션(isolation) 공정을 수행하는 것이 바람직하다.Prior to forming the composite through wafer bonding, the light emitting structure for the light emitting diode device, the transparent ohmic contact spreading layer, and the wafer bonding layer formed on the upper surface of the growth substrate may have a predetermined shape and dimensions. It is desirable to perform an isolation process until the growth substrate is exposed to the atmosphere.
상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)은 상온 내지 700℃ 이하의 온도와 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 또는 진공(vacuum) 등의 다양한 개스(gas) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The wafer bonding is preferably performed at a temperature of from room temperature to 700 ° C. and various gas atmospheres such as oxygen, nitrogen, argon, or vacuum. .
상기 웨이퍼 결합은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 패턴된 지지기판 간에 강한 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The wafer bonding may be made of any material that forms a strong mechanical and thermally stable bonding force between the transparent ohmic contact current spreading layer and the patterned support substrate, but may emit as much light generated inside the light emitting diode device as possible. It is desirable to preferentially select transparent materials such as SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, ZnO, ZnS, MgF 2, spin on glass (SOG).
상기 성장기판 분리(lift-off)는 화학-기계적인 폴리싱(chemical-mechanical polishing: CMP), 특정 파장대역의 포톤 빔을 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off: LLO), 또는 습식 식각 용액을 이용한 화학적 리프트 오프(chemical lift-off: CLO) 등이 우선적으로 사용한다.The growth substrate separation (lift-off) is chemical-mechanical polishing (CMP), laser lift-off (LLO) using a photon beam of a specific wavelength band, or using a wet etching solution Chemical lift-off (CLO) and the like are preferred.
상기 부분 n형 전극구조체(partial n-type electrode system)는 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 소정의 형상 및 치수를 갖고 있으며, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 오믹접촉 전극 및 전극패드로 구성한다.The partial n-type electrode structure (partial n -type electrode system) is more than 50% reflectivity at the lower nitride-based cladding layer and the upper surface of a partial area having a predetermined shape and dimensions of 600 nanometers (nm) wavelength range of less than It comprises a reflective ohmic contact electrode and electrode pad which have.
상기 전면 n형 전극구조체(full n-type electrode system)는 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역과 오믹접촉 계면을 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 투과율을 갖는 투명성 오믹접촉 전극과 상기 투명성 오믹접촉 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드로 구성한다.The front n-type electrode structure (full n -type electrode system) is transparent with the lower nitride-based cladding layer region and the ohmic total upper surface to form a contact interface, and 600 nanometers (nm) of 70% or more transmittance in the wavelength range of less than An ohmic contact electrode and a portion of the upper surface of the transparent ohmic contact electrode are formed, and a reflective electrode pad having a reflectance of 50% or more in a wavelength band of 600 nm or less is formed.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광소자(발광다이오드) 소자에 있어서, 패턴된 지지기판 상면에 발광다이오드 소자용 발광구조체의 발광면에 소정의 형상 및 치수를 갖는 표면 요철을 형성시켜 양호한 LED 소자 전체의 양호한 전기적 특성 이외에도, 발광다이오드 소자 내부에서 일어나는 빛의 전반사를 최소화하여 발광다이오드 소자의 휘도를 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다. As described above, the present invention is a group III nitride-based semiconductor light emitting device (light emitting diode) device, the surface irregularities having a predetermined shape and dimensions on the light emitting surface of the light emitting structure for a light emitting diode device on the patterned support substrate In addition to the good electrical characteristics of the entire LED device by forming a good, there is an excellent effect to minimize the total reflection of the light generated inside the light emitting diode device to improve the brightness of the light emitting diode device.
이하, 첨부된 도를 참조하여, 본 발명에 따라 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in more detail with respect to the Group III nitride semiconductor light emitting diode device manufactured according to the present invention.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a first embodiment manufactured by the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 패턴된 지지기판(101) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 평탄화층(102), 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207), 투명성 오믹접촉 커런트스프페딩층(206), p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(205), 질화물계 활성층(204), n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(203), 부분 n형 전극구조체(301), p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302), 및 후면 반사체(303)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에는 표면 요철(surface texture)이 도입되지 않았다.Referring to Figure 1, the light emitting diode device according to an embodiment of the present invention on the upper surface of the patterned
상기 패턴된 지지기판(101)은 소정의 형상(shape) 및 치수(dimensions)를 갖는 규칙 또는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 패턴된 지지기판(101)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The patterned
상기 평탄화층(102)은 상기 패터된 지지기판(101) 상면에 직접적으로 형성되며, MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)시킬 수 있다. 이때, 상기 평탄화층(102)은 GaN, AlGaN, ZnO, SiO2, SiNx, SOG, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 패턴된 지지기판 간에 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The two wafer bonding layers 103 and 207 may be any materials that form a mechanical and thermally stable bonding force between the transparent ohmic contact current spreading layer and the patterned support substrate, but light generated inside the light emitting diode device may be used. It is preferable to preferentially select transparent materials such as SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, ZnO, ZnS, MgF 2, and spin on glass (SOG), which can emit as much as possible to the outside.
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 두 층간에 강한 웨이퍼 결합력으로 접착되어 있다.The two wafer bonding layers 103 and 207 are bonded by a strong wafer bonding force between the two layers.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206)은 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 아연산화막(ZnO) 등과 같이, 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.The transparent ohmic contact current spreading
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 일부 영역에 위치하며 정공(hole)을 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 질화물계 발광층(204)은 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205) 상면에 위치하며 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다. 상기 질화물계 발광층(204)을 이루는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다. 상기 질화물계 발광층(204)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 또는 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The nitride-based
상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 상기 질화물계 발광층(204) 상면에 위치하며 전자(electron)를 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 n형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(203)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
한편, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)과 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 사이에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구 조(superlattice)를 개재할 수 있다.On the other hand, the p-type conductive upper nitride-based
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철이 형성되지 않은 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 부분 n형 전극구조체(301)는 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 소정의 형상 및 치수를 갖고 있으며, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 오믹접촉 전극 및 전극패드로 구성한다.The partial n-
상기 후면 반사체(303)는 패턴된 지지기판 후면(back-side)에 위치하며 발광다이오드 소자에서 발광하는 빛을 반대 방향으로 전향시켜 주는 역할을 한다. 이때, 상기 후면 반사체(303)는 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 물질이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 2는 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a second embodiment produced by the present invention.
도 2를 참조하여 설명하면, 패턴된 지지기판(101) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 평탄화층(102), 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207), 투명성 오믹접촉 커런트스프페딩층(206), p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(205), 질화물계 활성층(204), n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(203), 전면 n형 전극구조체(304, 301), p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302), 및 후면 반사체(303)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 표면 요철(surface texture)이 도입되었다.Referring to Figure 2, the light emitting diode device according to an embodiment of the present invention on the upper surface of the patterned
상기 패턴된 지지기판(101)은 소정의 형상(shape) 및 치수(dimensions)를 갖는 규칙 또는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 패턴된 지지기판(101)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The patterned
상기 평탄화층(102)은 상기 패터된 지지기판(101) 상면에 직접적으로 형성되며, MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)시킬 수 있다. 이때, 상기 평탄화층(102)은 GaN, AlGaN, ZnO, SiO2, SiNx, SOG, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 패턴된 지지기판 간에 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이 면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The two wafer bonding layers 103 and 207 can be made of any material that forms a mechanically and thermally stable bonding force between the transparent ohmic contact current spreading layer and the patterned support substrate, but is formed inside the light emitting diode device. It is preferable to first select transparent materials such as SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, ZnO, ZnS, MgF 2, and spin on glass (SOG), which can emit as much light as possible to the outside.
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 두 층간에 강한 웨이퍼 결합력으로 접착되어 있다.The two wafer bonding layers 103 and 207 are bonded by a strong wafer bonding force between the two layers.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206)은 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 아연산화막(ZnO) 등과 같이, 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.The transparent ohmic contact current spreading
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 일부 영역에 위치하며 정공(hole)을 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 질화물계 발광층(204)은 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205) 상면에 위치하며 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다. 상기 질화물계 발광층(204)을 이루는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다. 상기 질화물계 발광층(204)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 또는 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The nitride-based
상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 상기 질화물계 발광층(204) 상면에 위치하며 전자(electron)를 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 n형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(203)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
한편, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)과 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 사이에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice)를 개재할 수 있다.On the other hand, the p-type conductive upper nitride-based
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오 믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철(304)이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철(304)이 형성된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 소정의 형상 및 치수를 갖고 있으며, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 오믹접촉 전극 및 전극패드로 구성한다.The partial n-
상기 후면 반사체(303)는 패턴된 지지기판 후면(back-side)에 위치하며 발광다이오드 소자에서 발광하는 빛을 반대 방향으로 전향시켜 주는 역할을 한다. 이때, 상기 후면 반사체(303)는 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 물질이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 3은 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a third embodiment of the present invention.
도 3을 참조하여 설명하면, 패턴된 지지기판(101) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 평탄화층(102), 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207), 투명성 오믹접촉 커런트스프페딩층(206), p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(205), 질화물계 활성층(204), n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(203), 전면 n형 전극구조체(305, 301), p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302), 및 후면 반사체(303)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에는 표면 요철(surface texture)이 도입되지 않았다.Referring to Figure 3, the light emitting diode device according to an embodiment of the present invention on the upper surface of the patterned
상기 패턴된 지지기판(101)은 소정의 형상(shape) 및 치수(dimensions)를 갖는 규칙 또는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 패턴된 지지기판(101)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The patterned
상기 평탄화층(102)은 상기 패터된 지지기판(101) 상면에 직접적으로 형성되며, MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)시킬 수 있다. 이때, 상기 평탄화층(102)은 GaN, AlGaN, ZnO, SiO2, SiNx, SOG, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 패턴된 지지기판 간에 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The two wafer bonding layers 103 and 207 may be any materials that form a mechanical and thermally stable bonding force between the transparent ohmic contact current spreading layer and the patterned support substrate, but light generated inside the light emitting diode device may be used. It is preferable to preferentially select transparent materials such as SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, ZnO, ZnS, MgF 2, and spin on glass (SOG), which can emit as much as possible to the outside.
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 두 층간에 강한 웨이퍼 결합력으로 접착되어 있다.The two wafer bonding layers 103 and 207 are bonded by a strong wafer bonding force between the two layers.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206)은 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 아연산화막(ZnO) 등과 같이, 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.The transparent ohmic contact current spreading
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 일부 영역에 위치하며 정공(hole)을 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 질화물계 발광층(204)은 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205) 상면에 위치하며 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다. 상기 질화물계 발광층(204)을 이루는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다. 상기 질화물계 발광층(204)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우 물층은 일반식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 또는 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The nitride-based
상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 상기 질화물계 발광층(204) 상면에 위치하며 전자(electron)를 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 n형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(203)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
한편, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)과 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 사이에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice)를 개재할 수 있다.On the other hand, the p-type conductive upper nitride-based
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성 하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철이 형성되지 않은 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철이 형성되지 않은 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 전체 영역과 오믹접촉 계면을 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 투과율을 갖는 투명성 오믹접촉 전극(305)과 상기 투명성 오믹접촉 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.The front n-
상기 후면 반사체(303)는 패턴된 지지기판 후면(back-side)에 위치하며 발광다이오드 소자에서 발광하는 빛을 반대 방향으로 전향시켜 주는 역할을 한다. 이때, 상기 후면 반사체(303)는 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 물질이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 4는 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a fourth embodiment manufactured by the present invention.
도 4를 참조하여 설명하면, 패턴된 지지기판(101) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 평탄화층(102), 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207), 투명성 오믹접촉 커런트스프페딩층(206), p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(205), 질화물계 활성층(204), n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(203), 전면 n형 전극구조체(304, 301), p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302), 및 후면 반사체(303)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 표면 요철(surface texture)이 도입되었다.Referring to Figure 4, the light emitting diode device according to an embodiment of the present invention on the patterned
상기 패턴된 지지기판(101)은 소정의 형상(shape) 및 치수(dimensions)를 갖는 규칙 또는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 패턴된 지지기판(101)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The patterned
상기 평탄화층(102)은 상기 패터된 지지기판(101) 상면에 직접적으로 형성되며, MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)시킬 수 있다. 이때, 상기 평탄화층(102)은 GaN, AlGaN, ZnO, SiO2, SiNx, SOG, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 패턴된 지지기판 간에 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The two wafer bonding layers 103 and 207 may be any materials that form a mechanical and thermally stable bonding force between the transparent ohmic contact current spreading layer and the patterned support substrate, but light generated inside the light emitting diode device may be used. It is preferable to preferentially select transparent materials such as SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, ZnO, ZnS, MgF 2, and spin on glass (SOG), which can emit as much as possible to the outside.
상기 두층의 웨이퍼 결합층(103, 207)은 두 층간에 강한 웨이퍼 결합력으로 접착되어 있다.The two wafer bonding layers 103 and 207 are bonded by a strong wafer bonding force between the two layers.
상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206)은 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 아연산화막(ZnO) 등과 같이, 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.The transparent ohmic contact current spreading
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 일부 영역에 위치하며 정공(hole)을 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 질화물계 발광층(204)은 상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205) 상면에 위치하며 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다. 상기 질화물계 발광층(204)을 이루는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다. 상기 질화물계 발광층(204)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우 물층은 일반식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 또는 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The nitride-based
상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 상기 질화물계 발광층(204) 상면에 위치하며 전자(electron)를 제공하는 영역으로서, 이때, 상기 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성된 단층 또는 다층 구조를 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 n형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(203)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
한편, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)과 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206) 사이에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice)를 개재할 수 있다.On the other hand, the p-type conductive upper nitride-based
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성 하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철(304)이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철(304)이 형성된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 전체 영역과 오믹접촉 계면을 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 투과율을 갖는 투명성 오믹접촉 전극(305)과 상기 투명성 오믹접촉 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.The front n-
상기 후면 반사체(303)는 패턴된 지지기판 후면(back-side)에 위치하며 발광다이오드 소자에서 발광하는 빛을 반대 방향으로 전향시켜 주는 역할을 한다. 이때, 상기 후면 반사체(303)는 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 물질이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제조 하는 각 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도 5 내지 17은 본 발명에 따른 일 실시예이다.5 to 17 illustrate one embodiment of the group III-nitride semiconductor LED device in detail.
도 5는 패턴된 지지기판 상면에 평탄화층이 형성된 단면도이다.5 is a cross-sectional view in which a planarization layer is formed on an upper surface of a patterned support substrate.
도시한 바와 같이, 지지기판(supporting substrate: 101) 상면에 소정의 형 상 및 치수를 갖는 규칙 또는 불규칙한 패턴(irregular pattern)을 습식 또는 건식 식각(wet or dry etching) 공정을 도입하여 형성한다. 이때, 상기 패턴된 지지기판(101)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.As shown, a regular or irregular pattern having a predetermined shape and dimension is formed on the upper surface of the supporting
상기 패턴된 지지기판(101) 상면에 위치한 평탄화층(leveling layer: 102)은 MOCVD, HVPE, MBE 장비를 이용하여 투명한 물질을 성장(growth)하거나, sputter, evaporator, PLD, spin-coater 장비를 이용하여 투명한 물질을 증착(deposition)하여 형성한다. 이때, 상기 평탄화층(102)은 GaN, AlGaN, ZnO, SiO2, SiNx, SOG, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 6은 성장기판 상면에 성장된 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체과 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면에 형성된 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 보인 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a light emitting structure for a group III nitride-based light emitting diode device grown on an upper surface of a growth substrate and a transparent ohmic contact current spreading layer formed on the light emitting structure for a light emitting diode device.
도 6A에 보인 바와 같이, 사파이어, SiC, GaN, AlN 등의 성장기판(growth substrate: 201) 상면에 성장기판과의 격자정합을 통한 스트레스 완하를 위한 버퍼층(202), n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203), 질화물계 활성층(204), p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장 형성한다.As shown in FIG. 6A, a
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 GaN층, InGaN층, AlInN층, AlGaN층, 또는 AlInGaN층 등을 연속적으로 형성하여 이루어질 수 있으며, MOCVD 또는 MBE 공 정으로 형성될 수 있다. 더 나아가서, p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205) 상면에 기존 공지된 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC, SiCN, MgN, ZnN 단층, 5 나노미터(nm) 이하의 두께를 갖는 p형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN 단층, 또는 다른 도판트(dopant)와 조성(composition) 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소의 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice)를 형성할 수도 있다.The light emitting structure for the light emitting diode device may be formed by continuously forming a GaN layer, an InGaN layer, an AlInN layer, an AlGaN layer, or an AlInGaN layer, and may be formed by a MOCVD or MBE process. Furthermore, n-type conductive InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, AlInGaN, SiC having a thickness of 5 nanometers (nm) or less conventionally known on the upper surface of the p-type conductive upper nitride-based
도 6B에 보인 바와 같이, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클대드층(205) 상면에 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(transparent ohmic contact current spreading layer: 206)이 형성되어 있다. 낮은 홀(hole) 캐리어 농도로 인해서 낮은 전기전도성을 갖는 상부 질화물계 클래드층을 보완하기 위한 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)은 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 갖는 산화된 니켈-금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 아연산화막(ZnO) 등의 물질을, 상온 내지 700도 이하의 온도 범위 내에서 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.As shown in FIG. 6B, a transparent ohmic contact current spreading
더 나아가서, 상기 투명성오믹접촉 커런트스프레딩층(206)을 증착한 후에 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리(annealing)를 수행할 수 있다.Furthermore, after the transparent ohmic contact current spreading
도 7은 패턴된 지지기판 상부의 평탄화층과 성장기판 상부의 투명성 오믹접 촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 웨이퍼 결합층을 형성한 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of a wafer bonding layer formed on the planarization layer on the patterned support substrate and the upper surface of the transparent ohmic contact spreading layer on the growth substrate.
도 7A에 보인 바와 같이, 패턴된 지지기판 상부의 평탄화층 상면에 웨이퍼 결합층(103)이 형성되어 있다. 또한, 도 7B에 보인 바와 같이, 성장기판 상부의 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에도 웨이퍼 결합층(207)이 형성되어 있다.As shown in Fig. 7A, a
상기 두 웨이퍼 결합층(103, 207)은 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, 상기 발광다이오드 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 최대한 많이 방출시킬 수 있는 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 투명한 물질을 우선적으로 선택하는 것이 바람직하다.The two wafer bonding layers 103 and 207 may be any materials that form mechanically and thermally stable bonding forces, but SiO 2, SiN x, Al 2 O 3, and the like may emit as much light as possible from the inside of the light emitting diode device to the outside. It is preferable to preferentially select transparent materials such as ZnO, ZnS, MgF 2, spin on glass (SOG).
또한, 상기 평탄화층 상면의 웨이퍼 결합층(103)과 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면의 웨이퍼 결합층(207)은 동일 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.In addition, the
도 8은 두 웨이퍼 결합층을 접착시켜 패턴된 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체를 갖는성장기판이 웨이퍼 결합된 복합체의 단면도이다. 8 is a cross-sectional view of a composite wafer bonded to a growth substrate having a support substrate patterned by bonding two wafer bonding layers and a light emitting structure for a light emitting diode device.
도시된 바와 같이, 패턴된 지지기판(101)의 평탄화층(102) 상면에 형성된 웨이퍼 결합층(103)과 성장기판(201)의 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 형성된 웨이퍼 결합층(207)을 접착시켜 강하게 웨이퍼를 결합시켜 복합체(C)를 형성한다.As shown, the
상기 웨이퍼 결합은 상온 내지 700℃ 이하의 온도와 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 또는 진공(vacuum) 등의 다양한 개스(gas) 분위기에 서 수행하는 것이 바람직하다.The wafer bonding is preferably performed at a temperature of from room temperature to 700 ° C. and various gas atmospheres such as oxygen, nitrogen, argon, or vacuum.
특히, 웨이퍼 결합을 통한 복합체(C) 형성 시에 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층(205)과 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 간의 계면 물성이 퇴화(degradation)되지 않게 해야 한다. In particular, the interfacial property between the upper nitride-based
도 9는 웨이퍼 결합시킨 복합체로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체 성장을 위한 성장기판을 분리시킨 단면도이다.9 is a cross-sectional view of a growth substrate for growing a light emitting structure for a light emitting diode device from a wafer-bonded composite.
도시된 바와 같이, 웨이퍼 결합시킨 복합체(C)에서 상기 성장기판(201)을 분리(lift-off) 제거한다. 상기 복합체로부터 성장기판(201)을 분리하는 방법은 특정 파장(wavelength)을 갖는 포톤 빔(photon-beam)을 투명한 성장기판(201) 후면(back-side)에 조사시켜 상기 버퍼층(buffering layer)의 열-화학 분해 반응을 이용하거나, 특정 식각 용액(etching solution)을 이용하여 화학 식각 반응을 이용하는 것이다.As shown, the
특히, 상기 성장기판(201)을 복합체로부터 분리한 후에 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 남아 있는 버퍼층(202)의 잔해물을 완전히 제거하는 것이 바람직하다.In particular, after the
도 10은 성장기판이 제거된 복합체에서 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 제거하여 대기에 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 노출시킨 단면도이다.FIG. 10 is a cross-sectional view of a transparent ohmic contact current spreading layer exposed to the atmosphere by removing a portion of the light emitting structure for a light emitting diode device from the composite in which the growth substrate is removed.
도시된 바와 같이, 외부에서 전류를 인가하기 위해서 발광다이오드 소자용 발광구조체(203, 204, 205)의 일부 영역을 제거하고, 상기 투명성 오믹접촉 커런트 스프레딩층(206)을 대기에 노출시킨다.As shown in the drawing, a portion of the
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체(203, 204, 205)의 일부 영역을 제거하는 방벙은 종래 공지된 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)을 이용한다. 특히, KOH를 비롯한 염기(base), 염(salt), 또는 산성(acid) 용액을 이용하는 것이 한층 바람직하다.As a method for removing a portion of the light emitting structure for the light emitting
도 11은 표면 요철이 형성되지 않은 하부 질화물계 클래드층 상면과 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 n형 전극구조체와, p형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성한 단면도이다.FIG. 11 is a cross-sectional view of an n-type electrode structure, a p-type ohmic contact electrode, and an electrode pad formed on an upper surface of a lower nitride-based cladding layer having no surface irregularities and an upper surface of a transparent ohmic contact current spreading layer, respectively.
도시된 바와 같이, 대기에 노출된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체(301)가 형성되어 있는 동시에, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)가 형성되어 있다.As illustrated, a partial n-
상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철이 형성되지 않은 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철이 형성되지 않은 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 소정의 형상 및 치수를 갖고 있으며, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 오믹접촉 전극 및 전극패드로 구성한다.The partial n-
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극 패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
도 12는 패턴된 지지기판 하면에 후면 반사체가 형성된 발광다이오드 소자의 단면도이다. 12 is a cross-sectional view of a light emitting diode device in which a rear reflector is formed on a bottom surface of a patterned support substrate.
도시된 바와 같이, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정의 마지막 단계로서, 상기 패턴된 지지기판(101) 후면에 높은 반사율을 갖는 물질로 후면 반사체(303)를 형성시켜 패턴된 지지기판(101)을 포함한 발광다이오드 소자를 완성한다.As shown in the drawing, as a final step of the group III-nitride-based semiconductor light emitting diode manufacturing process, a
상기 후면 반사체(303)를 구성하고 있는 물질은 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the
도 13은 표면 요철이 형성되지 않은 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역에 전면 n형 전극구조체가 형성된 발광다이오드 소자의 단면도이다.FIG. 13 is a cross-sectional view of a light emitting diode device in which a front n-type electrode structure is formed in an entire region of an upper surface of a lower nitride based clad layer in which surface irregularities are not formed.
도시된 바와 같이, 도 10에서 설명한 공정을 거친 후에 상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)를 표면 요철이 형성되지 않은 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성시켜 패턴된 지지기판(101)을 포함한 발광다이오드 소자를 완성한다.As shown, after the process described with reference to FIG. 10, the front n-
상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철이 형성되지 않은 상기 하 부 질화물계 클래드층(203) 상면 전체 영역과 오믹접촉 계면을 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 투과율을 갖는 투명성 오믹접촉 전극(305)과 상기 투명성 오믹접촉 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.The front n-
도 14는 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철을 도입한 단면도이다.14 is a cross-sectional view of surface unevenness introduced into an upper surface of a lower nitride cladding layer.
도시된 바와 같이, 도 10에서 설명한 공정을 거친 후에 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 KOH을 포함한 다른 용액 또는 건식 식각 공정을 통해서 소정의 형상 및 치수를 갖는 표면 요철(304) 구조를 형성한다.As shown in FIG. 10, after the process described with reference to FIG. 10, the surface
도 15는 표면 요철이 형성된 하부 질화물계 클래드층 상면과 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 n형 전극구조체와, p형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성한 단면도이다. FIG. 15 is a cross-sectional view of an n-type electrode structure, a p-type ohmic contact electrode, and an electrode pad formed on an upper surface of a lower nitride-based cladding layer having surface irregularities and an upper surface of a transparent ohmic contact current spreading layer, respectively.
도시된 바와 같이, 대기에 노출된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체(301)가 형성되어 있는 동시에, 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)가 형성되어 있다.As illustrated, a partial n-
상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철(304)이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철(304)이 형성된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 소정의 형상 및 치수가 있으며, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 오믹접촉 전극 및 전극패드로 구성한다.The partial n-
상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 오믹접촉 전극 및 전극패드(302)는 상기 투명성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.The p-type ohmic contact electrode and the
도 16은 패턴된 지지기판 하면에 후면 반사체가 형성된 발광다이오드 소자의 단면도이다. 16 is a cross-sectional view of a light emitting diode device in which a rear reflector is formed on a bottom surface of a patterned support substrate.
도시된 바와 같이, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정의 마지막 단계로서, 상기 패턴된 지지기판(101) 후면에 높은 반사율을 갖는 물질로 후면 반사체(303)를 형성하여 표면 요철(304)과 패턴된 지지기판(101)을 포함한 발광다이오드 소자를 완성한다.As shown in the drawing, as a final step of the group III-nitride semiconductor LED manufacturing process, a
상기 후면 반사체(303)를 구성하고 있는 물질은 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하며, 일예로, 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the
도 17은 표면 요철이 형성된 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역에 전면 n형 전극구조체가 형성된 발광다이오드 소자의 단면도이다.FIG. 17 is a cross-sectional view of a light emitting diode device in which a front n-type electrode structure is formed in an entire region of an upper surface of a lower nitride based clad layer having surface irregularities.
도시된 바와 같이, 도 14에서 설명한 공정을 거친 후에 상기 전면 n형 전극 구조체(305, 301)를 표면 요철이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성시켜 표면 요철(304)과 패턴된 지지기판(101)을 포함한 발광다이오드 소자를 완성한다.As shown in FIG. 14, after the process described with reference to FIG. 14, the front n-
상기 전면 n형 전극구조체(305, 301)는 표면 요철이 형성된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 전체 영역과 오믹접촉 계면을 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 70% 이상의 투과율을 갖는 투명성 오믹접촉 전극(305)과 상기 투명성 오믹접촉 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.The front n-
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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. 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 as defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a first embodiment manufactured by the present invention,
도 2는 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,2 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a second embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,3 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a third embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,4 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown as a fourth embodiment manufactured by the present invention;
도 5 내지 17은 본 발명에 따른 실시예로서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정을 보여주는 단면도이고,5 to 17 are cross-sectional views showing a group 3 nitride-based semiconductor LED device manufacturing process as an embodiment according to the present invention.
도 18은 종래 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 도시한 단면도이다.18 is a cross-sectional view showing a representative example of a group III nitride semiconductor light emitting diode device according to the related art.
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