KR20090113349A

KR20090113349A - 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20090113349A
Application number: KR20080039083A
Authority: KR
Inventors: 송준오
Original assignee: 송준오
Priority date: 2008-04-27
Filing date: 2008-04-27
Publication date: 2009-10-30

Abstract

본 발명은 열방출이 우수한 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate) 상면에 적층 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 발광면인 하부 질화물계 클래드층의 상면에 표면 요철(surface texture)이 형성된 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

상세하게 말하자면, 본 발명은 열방출이 우수한 라미네이트 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체가 형성된 성장기판의 웨이퍼 결합(wafer bonding), 성장기판 분리(lift-off), 및 발광면에 형성된 표면 요철을 통해 구동 전압 및 외부 발광 효율이 향상된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드, 라미네이트 지지기판, 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층, 웨이퍼 결합, 표면 요철, 레이저 리프트 오프, 화학적 습식 에칭, 전기 도금

Description

그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법{group 3 nitride-based semiconductor light emitting diodes and methods to fabricate them}

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 열방출이 우수한 라미네이트 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체가 형성된 성장기판의 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.

발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전류를 인가하면 고체 발광구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시킨다. 초창기 LED 소자 연구 개발은 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성한다. 상기 LED는 녹색 빛의 파장보다 더 긴 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.

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.

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.

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 contact interface) 전극 및 전극 패드(70)를 형성한다.

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.

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 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.

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 contact interface)이 아니라 비접촉 저항이 큰 쇼키접촉 계면(schottky contact interface)을 형성하고 있어, 새로운 투명성 전도성 물질 또는 제조 공정이 필요하다.

또한, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체 내의 질화물계 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 발생된 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.

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.

상기한 양질의 p형 오믹접촉 전극 설계와 광추출 효율 향상 이외에도 차세대 조명용 백색광원으로서 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조에서 해결해야 할 점은 소자 구동 시에 발생하는 다량의 열을 효과적으로 외부로 방출시켜야 한다. 만일 발생한 열의 효과적인 외부 방출이 수행되지 않으면, 소자의 퇴화 현상으로 인해서 낮은 소자 신뢰성 및 짧은 수명을 초래하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 시에 해결해야 할 문제로 인식되고 있는 양질의 오믹접촉 전극 배치와 설계, 광추출 효율, 및 열방출 등의 소자 전체적인 성능을 향상시키기 위해서, 열방출이 우수한 라미네이트 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 최소화와 효과적인 외부로의 열방출로 인하여 소자 신뢰성 및 수명을 향상시키고자 하였다.

본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 광추출 효율과 열방출을 향상시키기 위하여, 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정을 이용하여 라미네이트 지지기판(laminate 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.

또 다른 한편으로, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 광추출 효율과 열방출을 향상시키기 위하여, 상기 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate) 이외에도, 발광면인 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철(surface texture)을 구비하는 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반 도체 발광다이오드 소자를 제공한다.

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,

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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 형성하는 단계; 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)을 준비하는 단계; 상기 라미네이트 지지기판 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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 대기에 노출시킨 다음, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함한다.

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,

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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 형성하는 단계; 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)을 준비하는 단계; 상기 라미네이트 지지기판 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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 대기에 노출시킨 다음, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역에 전면 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드 층 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.

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(reflective ohmic contacting current spreading layer)은 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 반사율 특성을 지니면서, 동시에 상기 상부 질화물계 클래드층과의 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하는 물질이 바람직하다.

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층은 계면개질을 통한 오믹접촉 향상, 물질의 확산 방지, 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위한 성장기판으로 사용된 물질과 동일한 지지기판 상면에 두꺼운 금속 후막층(metallic thick layer)이 형성된 이중층 이상의 구조이다.

상기 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)은 지지기판(supporting substrate)과 두꺼운 금속 후막층 사이에 결합력을 향상시키기 위한 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)을 통한 복합체를 형성하기에 앞서, 성장기판 상면에 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체, 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층, 및 웨이퍼 결합층을 소정의 형상 및 치수를 갖는 구조로 성장기판이 대기에 노출될 때까지 아이솔레이션(isolation) 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)은 700℃ 이하의 온도와 소정의 압력으로 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 또는 진공(vacuum) 등의 다양한 개스(gas) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 웨이퍼 결합층은 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 라미네이트 지지기판 간에 강한 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Al 등과 같이 열전도성이 우수한 물질이 바람직하다.

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) 등을 우선적으로 사용한다.

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.

상기 전면 n형 전극구조체(full n-type electrode system)는 상기 하부 질화 물계 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.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광소자(발광다이오드) 소자에 있어서, 열방출이 우수한 라미네이트 지지기판 상면에 발광다이오드 소자용 발광구조체의 발광면에 소정의 형상 및 치수를 갖는 표면 요철을 형성시켜 LED 소자 전체의 높은 신뢰성 및 긴 수명 이외에도, 발광다이오드 소자 내부에서 일어나는 빛의 전반사를 최소화하여 발광다이오드 소자의 휘도를 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도를 참조하여, 본 발명에 따라 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 라미네이트 지지기판(H‘) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207), 반사성 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), 및 p형 전극패드(302)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에는 표면 요철(surface texture: 305)이 도입되지 않았다.

상기 라미네이트 지지기판(H‘)은 지지기판(supporting substrate: 101), 결합 강화층(102), 및 금속 후막층(103)으로 구성된다. 이때, 상기 라미네이트 지지기판(H’)의 지지기판(101)은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위해서 사용되는 성장기판(growth substrate)과 동일한 물질로 선택한다. 일예로, 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.

상기 라미네이트 지지기판(H‘)의 금속 후막층(103)은 소자 구동 시에 발생한 열을 외부로 방출시키는 역할을 하는 영역으로서, 5 마이크론미터(μm) 이상의 두께를 갖는 금속 또는 합금이 전기 도금(electro-plating), 스퍼터(sputter), 또는 증착기(evaporator) 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다. 일예로, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈크롬(NiCr), 구리텅스텐(CuW)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.

상기 라미네이트 지지기판(H‘)의 결합 강화층(102)은 지지기판(supporting substrate: 101) 상면에 금속 후막층(103)을 형성하기에 앞서, 결합력 강화 또는 전기 도금을 하기 위한 씨딩층(seeding layer) 역할을 하는 영역으로서, 금속 도는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207)은 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층과 라미네이트 지지기판(H‘) 사이에 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Al 등과 같이 열전도성이 우수한 물질이 바람직하다. 상기 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207)은 두 층 사이에 강한 웨이퍼 결합력으로 접착되어 있다.

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층은(206)은 산화된 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh) 등과 같이, 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 반사율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하기 전/후에 계면개질을 통한 오믹접촉 향상, 물질의 확산 방지, 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(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.

상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.

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.

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.

상기 n형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(203)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.

한편, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)과 상기 반사성 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.

상기 p형 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 전극패드(302)는 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.

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.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 라미네이트 지지기판(H‘) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207), 반사성 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), 및 p형 전극패드(302)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 표면 요철(surface texture: 305)이 도입되었다.

상기 라미네이트 지지기판(H‘)의 금속 후막층(103)은 소자 구동 시에 발생된 열을 외부로 방출시키는 역할을 하는 영역으로서, 5 마이크론미터(μm) 이상의 두께를 갖는 금속 또는 합금이 전기 도금(electro-plating), 스퍼터(sputter), 또는 증착기(evaporator) 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다. 일예로, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈크롬(NiCr), 구리텅스텐(CuW)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.

상기 p형 도전성의 상부 질화물계 클래드층(205)은 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(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.

상기 부분 n형 전극구조체(301)는 표면 요철(305)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(305)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.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 라미네이트 지지기판(H‘) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207), 반사성 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), 및 p형 전극패드(302)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에는 표면 요철(surface texture: 305)이 도입되지 않았다.

상기 전면 n형 전극구조체(304, 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(304, 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(304)과 상기 투명성 오믹접촉 전극(304) 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 라미네이트 지지기판(H‘) 상면에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 두층의 웨이퍼 결합층(104, 207), 반사성 오믹 접촉 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), 및 p형 전극패드(302)를 포함한다. 이 경우, 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 표면 요철(surface texture: 305)이 도입되었다.

상기 전면 n형 전극구조체(304, 301)는 표면 요철(305)이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 전면 n형 전극구조체(304, 301)는 표면 요철(305)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(304)과 상기 투명성 오믹접촉 전극(304) 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.

그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제조 하는 각 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도 5 내지 17은 본 발명에 따른 일 실시예이다.

도 5는 라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)을 보인 단면도이다.

도시한 바와 같이, 라미네이트 지지기판(H)은 지지기판(supporting substrate: 101), 결합 강화층(102), 및 금속 후막층(103)으로 구성된다.

상기 라미네이트 지지기판(H)의 지지기판(101)은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위해서 사용되는 성장기판(growth substrate)과 동일한 물질로 선택한다. 일예로, 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 단결정 사파이어(epitaxial sapphire), 다결정 사파이어(polycrystalline sapphire), 또는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.

상기 라미네이트 지지기판(H)의 금속 후막층(103)은 소자 구동 시에 발생된 열을 외부로 방출시키는 역할을 하는 영역으로서, 5 마이크론미터(μm) 이상의 두께를 갖는 금속 또는 합금이 전기 도금(electro-plating), 스퍼터(sputter), 또는 증착기(evaporator) 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다. 일예로, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈크롬(NiCr), 구리텅스텐(CuW)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.

상기 라미네이트 지지기판(H)의 결합 강화층(102)은 지지기판(supporting substrate: 101) 상면에 금속 후막층(103)을 형성하기에 앞서, 결합력 강화 또는 전기 도금을 하기 위한 씨딩층(seeding layer) 역할을 하는 영역으로서, 금속 도는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 6은 성장기판 상면에 성장된 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 발광구조체와 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면에 형성된 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 보인 단면도이다.

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.

상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 GaN층, InGaN층, AlInN층, AlGaN층, 또는 AlInGaN층 등을 연속적으로 형성하여 이루어질 수 있으며, MOCVD 또는 MBE 공정으로 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.

도 6B에 보인 바와 같이, 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클대드층(205) 상면에 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(reflective ohmic contact current spreading layer: 206)이 형성되어 있다. 낮은 홀(hole) 캐리어 농도로 인해서 낮은 전기전도성을 갖는 상부 질화물계 클래드층을 보완하기 위한 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)은 600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 반사율 특성을 갖는 Al, Ag, Rh 등의 물질을 상온 내지 700도 이하의 온도 범위 내에서 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.

더 나아가서, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)을 형성하기 전/후에 계면개질을 통한 오믹접촉 향상, 물질의 확산 방지, 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.

더 나아가서, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)을 증착한 후에 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리(annealing)를 수행할 수 있다.

도 7은 라미네이트 지지기판 상부의 금속 후막층과 성장기판 상부의 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 웨이퍼 결합층을 형성한 단면도이다.

도 7A에 보인 바와 같이, 라미네이트 지지기판(H)의 금속 후막층(103) 상면에 웨이퍼 결합층(104)이 형성되어 있다. 또한, 도 7B에 보인 바와 같이, 성장기판 상부의 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에도 웨이퍼 결합층(207)이 형성되어 있다.

상기 두 웨이퍼 결합층(104, 207)은 기계 및 열적으로 안정한 결합력을 형성하는 물질이면 모두 가능하지만, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Al 등과 같이 열전도성이 우 수한 물질이 바람직하다.

또한, 상기 금속 후막층 상면의 웨이퍼 결합층(104)과 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면의 웨이퍼 결합층(207)은 동일 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.

도 8은 두 웨이퍼 결합층을 접착시켜 라미네이트 지지기판과 발광다이오드 소자용 발광구조체를 갖는 성장기판이 웨이퍼 결합된 복합체의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 라미네이트 지지기판(H)의 금속 후막층(103) 상면에 형성된 웨이퍼 결합층(104)과 성장기판(201)의 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 형성된 웨이퍼 결합층(207)을 접착시켜 강하게 웨이퍼를 결합시켜 복합체(C)를 형성한다.

상기 웨이퍼 결합은 700℃ 이하의 온도와 소정의 압력으로 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 또는 진공(vacuum) 등의 다양한 개스(gas) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.

특히, 웨이퍼 결합을 통한 복합체(C) 형성 시에 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층(205)과 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 사이의 계면의 오믹접촉 물성이 퇴화(degradation)되지 않게 해야 한다.

도 9는 웨이퍼 결합시킨 복합체로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체 성장을 위한 성장기판을 분리시킨 단면도이다.

도시된 바와 같이, 웨이퍼 결합시킨 복합체(C)에서 상기 성장기판(201)을 분리(lift-off) 제거한다. 상기 복합체(C)로부터 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 화학적 식각 반응을 이용하는 것이다.

특히, 상기 성장기판(201)을 복합체(C)로부터 분리한 후에 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면에 남아 있는 버퍼층(202)의 잔해물을 완전히 제거하는 것이 바람직하다.

도 10은 성장기판이 제거된 복합체에서 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 제거하여 대기에 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 노출시킨 단면도이다.

도시된 바와 같이, 외부에서 전류를 인가하기 위해서 발광다이오드 소자용 발광구조체(203, 204, 205)의 일부 영역을 제거하고, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)을 대기에 노출시킨다.

상기 발광다이오드 소자용 발광구조체(203, 204, 205)의 일부 영역을 제거하는 방법(208)은 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.

도 11은 표면 요철이 형성되지 않은 하부 질화물계 클래드층 상면과 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 n형 전극구조체와 p형 전극패드를 형성한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 대기에 노출된 상기 하부 질화물계 클래드층(203) 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체(301)가 형성되어 있는 동시에, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 p형 전극패드(302)가 형성되어 있다.

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.

상기 p형 전극패드(302)는 대기에 노출된 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206) 상면에 위치한다. 상기 p형 전극패드(302)는 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층(206)과 오믹접촉 계면을 형성하는 물질, 예를 들어 Pt/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있다.

도 12는 박형화된 라미네이트 지지기판을 구비한 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정의 마지막 단계로서, 상기 라미네이트 지지기판(H)의 지지기판(101)의 후면을 기계적인 연마 공정인 랩핑(303)을 이용해서 80 마이크론미터(μm) 이하의 두께를 갖도록 하여 박형화된 라미네이트 지지기판(H')을 구비한 발광다이오드 소자를 완성한다.

도 13은 박형화된 라미네이트 지지기판을 구비한 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 도 10과 도12에서 설명한 식각(208) 및 랩핑(303) 공정을 거친 후에 상기 전면 n형 전극구조체(304, 301)를 표면 요철이 형성되지 않은 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성시켜 박형화된 라미네이트 지지기판(H')을 구비한 발광다이오드 소자를 완성한다.

상기 전면 n형 전극구조체(304, 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(304)과 상기 투명성 오믹접촉(304) 전극 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.

도 14는 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철을 도입한 단면도이다.

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(305) 구조를 형성한다.

도 15는 표면 요철이 형성된 하부 질화물계 클래드층 상면과 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 각각 n형 전극구조체와 p형 전극패드를 형성한 단면도이다.

도 16은 박형화된 라미네이트 지지기판을 구비한 발광다이오드 소자의 단면도이다.

도 17은 박형화된 라미네이트 지지기판을 구비한 발광다이오드 소자의 단면 도이다.

도시된 바와 같이, 도 14와 도16에서 설명한 표면 요철(305) 및 랩핑(303) 공정을 거친 후에 상기 전면 n형 전극구조체(304, 301)를 표면 요철(305)이 형성된 n형 도전성의 하부 질화물계 클래드층(203)의 노출면 위에 형성시켜 표면 요철(305)과 박형화된 라미네이트 지지기판(H')을 포함한 발광다이오드 소자를 완성한다.

상기 전면 n형 전극구조체(304, 301)는 표면 요철(305)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(304)과 상기 투명성 오믹접촉 전극(304) 상면 일부 영역에 형성하고, 600 나노미터(nm) 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 전극패드(301)로 구성한다.

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.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,

도 2는 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,

도 3은 본 발명에 의해 제조된 제3 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,

도 4는 본 발명에 의해 제조된 제4 실시예로서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이고,

도 5 내지 17은 본 발명에 따른 실시예로서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정을 보여주는 단면도이고,

도 18은 종래 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 도시한 단면도이다.

Claims

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 제조 방법에 있어서,

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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 형성하는 단계;

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계;

라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)을 준비하는 단계;

상기 라미네이트 지지기판 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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 대기에 노출시킨 다음, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및

상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층 상면에 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하기에 앞서, 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 개재하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 반사율 특성을 갖는 동시에, 상기 상부 질화물계 클래드층과의 오믹접촉 계면을 형성하는 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 구비하도록 700℃ 이하의 온도에서 열처리를 수행하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 지지기판, 결합 강화층, 및 금속 후막층으로 구성된 라미네이트 지지기판을 구비한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 4항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 지지기판은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위해서 사용되는 성장기판(growth substrate)과 동일한 물질로 선택된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 4항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 금속 후막층은 5 마이크론미터(μm) 이상의 두께를 갖는 금속 또는 합금이 전기 도금(electro-plating), 스퍼터(sputter), 또는 증착기(evaporator) 방법에 의해서 형성되는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 4항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 결합 강화층은 지지기판 상면에 금속 후막층을 형성하기에 앞서, 결합력 강화 또는 전기 도금을 하기 위한 씨딩층(seeding layer) 역할을 하는 금속 도는 합금으로 형성하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)을 통한 복합체를 형성하기에 앞서, 성장기판 상면에 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체, 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층, 및 웨이퍼 결합층을 소정의 형상 및 치수를 갖는 구조로 성장기판이 대기에 노출될 때까지 아이솔레이션(isolation) 공정을 수행하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

기계 및 열적으로 안정한 결합력을 갖는 동시에, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Al 등과 같이 열전도성이 우수한 물질을 이용하여 700℃ 이하의 온도에서 소정의 압력으로 웨이퍼 결합을 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 성장기판을 분리하는 방법은 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) 방법을 사용한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 하부 질화물계 클래드층 상면에 부분 n형 전극구조체를 형성하기에 앞서, 상기 하부 질화물계 클래드층 상면에 소정의 형상 및 치수를 갖는 표면 요철(surface texture)을 도입하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

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 구성된 부분 n형 전극구조체를 형성하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 지지기판을 기계적인 연마 공정인 랩핑(lapping)을 이용해서 80 마이크론미터(μm) 이하의 두께를 갖도록 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
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 제조 방법에 있어서,

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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 형성하는 단계;

상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계;

라미네이트 지지기판(laminate supporting substrate)을 준비하는 단계;

상기 라미네이트 지지기판 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 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층를 대기에 노출시킨 다음, 상기 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성하는 단계; 및

상기 하부 질화물계 클래드층 상면 전체 영역에 전면 n형 전극구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층 상면에 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하기에 앞서, 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 개재하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

600 나노미터(nm) 이하의 파장 영역대에서 70% 이상의 높은 빛 반사율 특성을 갖는 동시에, 상기 상부 질화물계 클래드층과의 오믹접촉 계면을 형성하는 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층을 구비하도록 700℃ 이하의 온도에서 열처리를 수행하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 지지기판, 결합 강화층, 및 금속 후막층으로 구성된 라미네이트 지지기판을 구비한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 17항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 지지기판은 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장하기 위해서 사용되는 성장기판(growth substrate)과 동일한 물질로 선택된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 17항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 금속 후막층은 5 마이크론미터(μm) 이상의 두께를 갖는 금속 또는 합금이 전기 도금(electro-plating), 스퍼터(sputter), 또는 증착기(evaporator) 방법에 의해서 형성되는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 17항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 결합 강화층은 지지기판 상면에 금속 후막층을 형성하기에 앞서, 결합력 강화 또는 전기 도금을 하기 위한 씨딩층(seeding layer) 역할을 하는 금속 도는 합금으로 형성하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)을 통한 복합체를 형성하기에 앞서, 성장기 판 상면에 형성된 발광다이오드 소자용 발광구조체, 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층, 및 웨이퍼 결합층을 소정의 형상 및 치수를 갖는 구조로 성장기판이 대기에 노출될 때까지 아이솔레이션(isolation) 공정을 수행하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

기계 및 열적으로 안정한 결합력을 갖는 동시에, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Al 등과 같이 열전도성이 우수한 물질을 이용하여 700℃ 이하의 온도에서 소정의 압력으로 웨이퍼 결합을 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 성장기판을 분리하는 방법은 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) 방법을 사용한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 하부 질화물계 클래드층 상면에 전면 n형 전극구조체를 형성하기에 앞서, 상기 하부 질화물계 클래드층 상면에 소정의 형상 및 치수를 갖는 표면 요 철(surface texture)을 도입하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

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 구성된 전면 n형 전극구조체를 형성하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
제 14항에 있어서,

상기 라미네이트 지지기판의 지지기판을 기계적인 연마 공정인 랩핑(lapping)을 이용해서 80 마이크론미터(μm) 이하의 두께를 갖도록 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 소자 제조 방법.
라미네이트 지지기판 상면에 웨이퍼 결합층, 반사성 오믹접촉 커런트스프페딩층, p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 부분 n형 전극구조체, 및 p형 전극패드를 포함하고 있는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.
제 27항에 있어서,

상기 하부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 및 상부 질화물계 클래드층으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 완전히 제거한 다음, 대기에 노출시킨 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성한 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.
제 27항에 있어서,

상기 n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철이 개재된 것을 특징으로 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.
라미네이트 지지기판 상면에 웨이퍼 결합층, 반사성 오믹접촉 커런트스프페딩층, p형 도전성의 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 전면 n형 전극구조체, 및 p형 전극패드를 포함하고 있는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.
제 30항에 있어서,

상기 하부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 및 상부 질화물계 클래드층으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체의 일부 영역을 완전히 제거한 다음, 대기에 노출시킨 반사성 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 p형 전극패드를 형성한 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.
제 30항에 있어서,

상기 n형 도전성의 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철이 개재된 것을 특징으로 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자.