KR20090115903A - Fabrication of vertical structured light emitting diodes using group 3 nitride-based semiconductors and its related methods - Google Patents
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본 발명은 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기되는 단결정 그룹 3족 질화물계 반도체(epitaxial group 3 nitride-based semiconductor)를 이용한 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게 말하면, 성장 기판 상층부에 p형 전극구조체를 포함한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체가 성장된 성장 기판 웨이퍼(growth substrate wafer)와 본 발명자에 의해 개발된 샌드위치 구조의 웨이퍼 대 웨이퍼로 결합(wafer to wafer bonding) 공정과 기판 분리(lift-off) 공정을 접목하여 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a vertical structure using an
최근 그룹 3족 질화물계 반도체 단결정을 이용한 발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 질화물계 활성층으로 사용되는 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 물질계는 그 에너지 대역폭(band gap)의 범위가 광범위하 다. 특히 In의 조성에 따라 가시광의 전 영역에서의 발광이 가능한 물질로 알려져 있는 동시에 Al의 조성에 따라서는 초단파장 영역인 자외선 빛을 생성할 수 있어, 이를 이용한 제조된 발광다이오드는 전광판, 표시소자, 백라이트용의 소자, 백색광원을 비롯한 의료용 광원 등 그 응용영역이 매우 넓으며 점차 응용의 범위가 확대 및 증가되는 추세에 있어 양질의 발광다이오드의 개발이 매우 중요시되고 있다.Recently, a light emitting diode (LED) device using a Group III nitride-based semiconductor single crystal is an In x Al y Ga 1-xy N (0≤x, 0≤y, x + y≤1 used as a nitride-based active layer). The material system has a wide range of energy band gaps. In particular, according to the composition of In is known as a material capable of emitting light in all areas of visible light, and according to the composition of Al can generate ultraviolet light, which is an ultra-short wavelength region, and the light emitting diodes manufactured using the same are used for display plates, display devices, Development of high quality light emitting diodes is very important in the application area of backlight, medical light source including white light source and so on, and the range of application is gradually expanded and increased.
도 27은 종래 기술에 따른 수평구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 개략적인 구성 단면도로서, 사파이어 성장 기판(10) 상부에 버퍼층(buffering layer, 20), n형 질화물계 클래드층(30), 질화물계 활성층(40)과 p형 질화물계 클래드층(50)으로 구성된 발광다이오드 소자용 다층구조체가 순차적으로 성장되어 있고, 상기 p형 질화물계 클래드층(50)에서 n형 질화물계 클래드층(30) 일부 영역이 식각(etching)되어 있고, 상기 p형 질화물계 클래드층(50) 상부에 투명성 p형 오믹접촉 전극(60) 및 전극패드(70)가 순차적으로 형성되어 있고, 상기 일부 영역이 식각되어 대기(air)에 노출된 n형 질화물계 클래드층(30) 상부에 n형 오믹접촉 전극구조체(80)가 형성되어 있다.FIG. 27 is a schematic cross-sectional view of a horizontal group III-nitride semiconductor light emitting diode device according to the related art, and includes a
도 27에서 보인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 몰드컵(mold cup)에 사파이어 성장 기판 후면에 접착제를 발라 접착(bonding)시키고, 하나의 리드 프레임과 n형 오믹접촉 전극구조체(80)를 연결시키고, 동시에 또 다른 하나의 리드 프레임과 p형 전극패드(70)를 와이어 결합 연결하여 조립한다. 상기와 같은 발광다이오드 소자 구동은 n 및 p 전극패드를 통하여 외부전압을 인가하면 n형 질화물계 클래드층(30) 및 p형 질화물계 클래드층(50)으로부터 각각 전자(electron) 및 정공(hole) 전하 캐리어(carrier)가 질화물계 활성층(40)으로 흘러 들어가 두 전하 캐리어의 재결합이 일어나면서 빛을 발광하게 된다. 상기 질화물계 활성층(40)으로부터 발광된 빛은 상기 질화물계 활성층(40)의 사방(四方)으로 방출하게 되며 상부 진행된 빛은 p형 질화물계 클래드층(50)을 통하여 외부로 방출되고, 상부로 진행된 빛의 일부분은 하부로 진행하면서 발광다이오드 소자 외부로 빠져나가고, 일부분은 사파이어 성장 기판(10)의 아래로 빠져나가 발광다이오드 소자의 조립시 사용되는 솔더에 흡수 또는 반사되어 다시 위로 진행하여 일부는 질화물계 활성층(40)을 비롯한 발광다이오드 소자용 다층구조체 내부에서 다시 흡수되기도 하고, 상기 질화물계 활성층(40)을 통하여 외부로 빠져나가게 된다.The group III-nitride semiconductor light emitting diode device shown in FIG. 27 is bonded to a mold cup by applying an adhesive to the back of the sapphire growth substrate, and one lead frame is connected to the n-type ohmic
하지만, 상기의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 수평구조로서, 낮은 열전도 및 전기절연성인 사파이어 성장 기판(10)에 제조되기 때문에, 발광다이오드 소자 구동 시 필연적으로 발생하는 다량의 열을 원활히 방출하는데 어려움이 있어 소자의 전체적인 특성을 저하시키는 문제점이 있다.However, since the group III-nitride semiconductor light emitting diode device is a horizontal structure, and is manufactured on the
또한, 도 27에 도시된 바와 같이, 두 오믹접촉 전극 및 전극패드 형성을 위해서는 질화물계 활성층(40)의 일부 영역을 제거해야 하며, 이에 따라 발광면적이 감소하여 양질의 발광다이오드소자를 실현하기 어렵고, 동일한 사이즈 웨이퍼에서 칩의 개수가 줄어들어 단가 경쟁력에서 뒤처지게 된다.In addition, as shown in FIG. 27, in order to form two ohmic contact electrodes and electrode pads, a portion of the nitride-based
또한, 웨이퍼 상부에 발광다이오드 소자의 제조 공정이 완료된 후, 단일화된 발광다이오드 소자로 분리하기위해 하는 래핑(lapping), 폴리싱(polishing), 스크라이빙(scribing), 소잉(sawing), 및 브레이킹(breaking) 등의 기계적인 공정 시에 사파이어 성장 기판(10)과 그룹 3족 질화물계 반도체의 벽개면(cleavage plane)의 불일치로 인하여 불량률이 높아 전체적인 제품수율이 떨어지는 단점도 갖고 있다.In addition, after the manufacturing process of the light emitting diode device on the wafer is completed, lapping, polishing, scribing, sawing, and braking to separate into a single light emitting diode device Due to the mismatch between the
최근 들어, 상기의 수평구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 성장 기판(10)을 제거하여 두 오믹접촉 전극 및 전극패드가 발광다이오드 소자의 상/하부에 대향되게 위치시켜, 외부에서 인가된 전류가 한 방향으로 흐르게 되어 발광효율이 향상된 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자가 많은 문헌들(미국특허, US 6,071,795, US 6,335,263, US 20060189098)에서 개시되고 있다.Recently, in order to solve the problem of the group III-nitride-based semiconductor LED device having a horizontal structure, the
도 28은 종래 기술의 일예로서, 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 일반적인 제조 공정을 보인 단면도이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 일반적인 수직구조 발광다이오드 소자 제조 방법은 사파이어 성장 기판(10) 위에 MOCVD 또는 MBE 성장 장비를 이용하여 발광다이오드 소자용 다층구조체를 형성시킨 후에 상기 다층구조체의 최상층부에 존재하는 p형 질화물계 클래드층(50) 상부에 반사성 p형 오믹접촉 전극구조체(90)를 형성시킨 다음, 상기 성장 기판 웨이퍼와 별도로 준비된 지지 기판 웨이퍼를 300℃ 미만의 온도에서 솔더링 결합(solder bonding)한 다음, 사파이어 성장 기판을 제거하여 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 것이다.28 is a cross-sectional view showing a general manufacturing process of a vertical group III-nitride semiconductor light emitting diode device as an example of the prior art. As shown in FIG. 28, a general vertical structure light emitting diode device manufacturing method is formed on the
도 28을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 먼저 사파이어 기판(10)의 상부에 MOCVD 성장 장비를 이용하여, 언도프(undope)된 GaN 또는 InGaN 버퍼층(20), n형 질화물계 클래드층(30), InGaN 및 GaN으로 형성된 질화물계 활성층(40), p형 질 화물계 클래드층(50)을 순차적으로 성장한 다층구조체를 형성한 다음(도 28A), 상기 p형 질화물계 클래드층(50)의 상부에 반사성 p형 오믹접촉 전극구조체(90), 및 솔더링 반응 방지층(100)을 순차적으로 형성하여 성장 기판 웨이퍼(growth substrate wafer)를 준비한다(도 28B). 그런 다음, 도 28C에 나타난 바와 같이, 전기전도성인 지지 기판(110)의 상부와 하부 각각에 두 오믹접촉 전극(120, 130)을 형성하고, 상기 발광다이오드 소자용 다층구조체을 결합시키기 위한 솔더링 물질(140)을 증착하여 지지 기판 웨이퍼를 준비한다. 그런 후에, 제조된 성장 기판 웨이퍼의 솔더링 물질 확산방지층(100)과 지기기판 웨이퍼의 솔더링 물질(140)을 도 28D에 도시된 바와 같이 맞닿게 하여 솔더링 결합한다. 그 후, 상기 단일화된 다수개의 발광다이오드 소자들이 제조된 성장 기판 웨이퍼의 후면인 사파이어 성장 기판(10) 후면에 강한 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 사파이어 성장 기판(10)을 다수개의 발광다이오드 소자들로부터 분리시키고(레이저 리프트 오프 ; LLO), 레이저에 의해 손상된 언도프(undope)된 GaN 또는 InGaN 버퍼층(20)은 건식식각 공정을 이용하여 n형 질화물계 클래드층(30)이 노출될 때까지 전면으로 식각하고(도 28E), 상기 다수개의 발광다이오드 소자들에 해당하는 n형 질화물계 클래드층(30)의 상부에 n형 오믹접촉 전극구조체(80)를 형성한다(도 28F). 마지막으로, 상기 다수개의 발광다이오드 소자들과 전기전도성 지지 기판(110)에 래핑(lapping), 폴리싱(polishing), 스크라이빙(scribing), 소잉(sawing), 및 브레이킹(breaking) 등의 기계적인 절단공정을 수행하여 단일화된 발광다이오드 소자로 분리한다(도 28G).Referring to FIG. 28, the undoped GaN or InGaN
하지만, 상기의 종래 수직구조 발광다이오드 소자 제조 공정 기술은 하기와 같은 여러 문제점이 있어, 단일화된 수직구조 발광다이오드 소자를 대량으로 안전하게 확보하기가 어렵다. 즉, 상기 솔더링 결합을 낮은 온도 범위 내에서 수행하기 때문에, 그 이후에 행해지는 공정에서는 솔더링 결합 온도보다 높은 고온 공정을 행할 수 없어, 열적으로 안정한 발광다이오드 소자 구현이 어렵다. 더 나아가서, 열팽창계수와 격자상수가 다른 웨이퍼(dissimilar wafer) 사이에 결합을 하기 때문에, 결합 시에 열적 응력을 발생시켜 발광다이오드 소자의 신뢰성에 치명적인 영향을 미친다.However, the conventional vertical structure light emitting diode device manufacturing process technology has a number of problems as described below, it is difficult to secure a large number of unified vertical structure light emitting diode devices safely. That is, since the soldering bonding is performed in a low temperature range, a subsequent high temperature process cannot be performed at a higher temperature than the soldering bonding temperature, and it is difficult to implement a thermally stable light emitting diode device. Furthermore, since the thermal expansion coefficient and the lattice constant are bonded between the wafers (dissimilar wafer), the thermal stress is generated during the bonding, which has a fatal effect on the reliability of the light emitting diode device.
더 최근 들어, 상기의 솔더링 결합에 의해 제조되는 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 발생되는 문제점을 해결하기 위해서, 솔더링 결합에 의해서 형성된 전기전도성 지지 기판 대신에 Cu, Ni 등의 금속 후막을 전기도금(electroplating) 공정에 의해 상기 반사성 p형 오믹접촉 전극구조체(90) 상부에 형성시키는 기술이 개발되어 부분적으로 제품 생산에 이용되고 있다. 그러나, 상기 전기도금 공정과 접목되어 제조된 수직구조 발광다이오드 제조 공정에서 발생되는 후속 공정들, 즉 고온 열처리, 래핑, 폴리싱, 스크라이빙, 소잉(sawing), 및 브레이킹 등의 기계적인 절단공정이 행해질 때 소자의 성능 저하 및 불량 발생 등의 문제점이 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다. More recently, in order to solve the problems occurring in the vertical group III-nitride semiconductor light emitting diode device manufactured by the soldering bond, a metal thick film such as Cu, Ni, or the like instead of the electrically conductive supporting substrate formed by the soldering bond. Is developed on the reflective p-type ohmic
본 발명은 상기 지적된 문제들을 인식하여 이루어진 것으로, 성장 기판(growth substrate) 상면에 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기되는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 박막층과 효과적인 커런트 블라킹 구조를 포함한 p형 전극구조체로 구성된 발광다이오드 소자용 다층구조체 형성된 성장 기판 웨이퍼(growth substrate wafer)와 본 발명자에 의해 개발된 샌드위치 구조의 웨이퍼 대 웨이퍼로 결합(wafer to wafer bonding) 공정과 기판 분리(lift-off) 공정을 접목하여 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been made in recognition of the above-mentioned problems, and is a group represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) on the growth substrate. A growth substrate wafer formed with a multilayer structure for a light emitting diode device comprising a thin film layer for a group III nitride semiconductor light emitting diode device and an effective current blocking structure, and a wafer having a sandwich structure developed by the present inventors The present invention provides a method for manufacturing a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure by combining a wafer to wafer bonding process and a lift-off process.
보다 상세하게는, 성장 기판 상면에 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체가 형성된 성장 기판 웨이퍼, 히트씽크 지지대인 이종 기판 웨이퍼(dissimilar support substrate), 및 임시 기판 웨이퍼(temporary substrate wafer)를 샌드위치 구조로 웨이퍼 결합을 수행한 다음, 기판 분리(lift-off) 공정을 통해 상기 성장 기판 및 임시 기판을 각각 제거하여 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.More specifically, a growth substrate wafer having a multi-layer structure for group III nitride-based semiconductor light emitting diode devices formed on an upper surface of the growth substrate, a dissimilar support substrate as a heatsink support, and a temporary substrate wafer After the wafer bonding is performed in a sandwich structure, the growth substrate and the temporary substrate are removed through a substrate lift-off process to provide a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure and a method of manufacturing the same. .
상기의 목적을 달성하기 위해,In order to achieve the above object,
n형 전극구조체; 상기 n형 전극구조체 하면에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층, 커런트스프레딩층이 순차적으로 적층된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체; 상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 최상부에 참호(trench) 형태의 커런트 블라킹 구조(current blocking structure)와 전극박막층으로 구성된 p형 전극구조체; 상기 p형 전극구조체 하면에 형성된 웨이퍼 결합층; 상기 웨이퍼 결합층 하면에 형성된 히트씽크 지지대; 및 상기 히트씽크 지지대 하며에 형성된 p형 오믹접촉 전극패드;를 포함하는 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제공한다.n-type electrode structure; A multi-layer structure for group III nitride semiconductor light emitting diode devices in which an n-type nitride cladding layer, a nitride-based active layer, a p-type nitride cladding layer, and a current spreading layer are sequentially stacked on the lower surface of the n-type electrode structure; A p-type electrode structure including a current blocking structure in a trench shape and an electrode thin film layer on a top of the multilayer structure for a light emitting diode device; A wafer bonding layer formed on the bottom surface of the p-type electrode structure; A heatsink support formed on the bottom surface of the wafer bonding layer; And a p-type ohmic contact electrode pad formed on the heat sink supporter.
상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체의 상부에 위치한 커런트스프레딩층은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다. 특히, 상기 커런트스프레딩층은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)이 바람직하다.The current spreading layer located on the multi-layer structure for the group III-nitride semiconductor light emitting diode device forms an ohmic contacting interface with the p-type nitride cladding layer to inject current in a vertical direction. In addition to having low sheet resistance, it is an electrically conductive thin film with excellent current spreading in the horizontal direction. In particular, the current spreading layer is formed of a transparent material that can transmit the light generated in the nitride-based active layer without absorption. In this case, the current spreading layer is preferably indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), or oxidized nickel-gold (NiO-Au).
상기 p형 전극구조체 일부인 커런트 블라킹 구조는 적어도 커런트스프레딩층의 두께보다 더 깊게 수직방향으로 식각(etching)하여 상기 p형 질화물계 클래드층의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖는다.The current blocking structure, which is a part of the p-type electrode structure, is etched in a vertical direction at least deeper than the thickness of the current spreading layer so that a portion of the p-type nitride cladding layer is exposed to the air. ) Has a form.
상기 p형 전극구조체 일부인 전극박막층은 상기 커런트스프레딩층과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층에 전기전도성인 물질막을 부분적(partial) 또는 완전한(complete) 증착을 통해서 형성한다.The electrode thin film layer, which is a part of the p-type electrode structure, forms an electrically conductive material film through partial or complete deposition on the current spreading layer and the p-type nitride cladding layer exposed to the atmosphere.
상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 p형 질화물계 클래드층에 접하고 있는 전기전도성 전극박막층은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하는 반면에, 상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 커런트스프레딩층에 접하고 있는 전기전도성 전극박막층은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.The electroconductive electrode thin film layer in contact with the p-type nitride cladding layer of the multilayer structure for the light emitting diode device forms a schottky contacting interface, while in contact with the current spreading layer of the multilayer structure for the light emitting diode device. The electrically conductive electrode thin film layer forms an ohmic contacting interface.
상기 커런트 블라킹 구조를 포함하고 있는 p형 전극구조체는 수직구조의 발광다이오드 소자 구동 시에 일방적인 수직방향으로의 전류주입(vertical current injection)을 막고, 수평방향으로의 전류퍼짐(horizontal current spreading)을 촉진시켜 LED의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.The p-type electrode structure including the current blocking structure prevents unidirectional vertical current injection when driving a vertical light emitting diode device, and spreads horizontal current spreading in a horizontal direction. By improving the overall performance of the LED.
p형 전극구조체는 수직방향으로의 전류 집중 현상을 막는 역할 이외에도, 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 다층(multi-layer) 구조인 별도의 전극박막층을 포함하는 것이 바람직하다.In addition to preventing current concentration in the vertical direction, the p-type electrode structure has a multi-layer that can play a role of high reflection of light, prevention of diffusion of materials, improvement of adhesion of materials, or prevention of oxidation of materials. It is preferable to include a separate electrode thin film layer having a structure.
상기의 목적을 달성하기 위해,In order to achieve the above object,
n형 전극구조체; 상기 n형 전극구조체 하면에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층, 표면개질층, 커런트스프레딩층이 순차적으로 적층된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체; 상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 최상부에 참호(trench) 형태의 커런트 블라킹 구조(current blocking structure)와 전극박막층으로 구성된 p형 전극구조체; 상기 p형 전극구조체 하면에 형성된 웨이퍼 결합층; 상기 웨이퍼 결합층 하면에 형성된 히트씽크 지지대; 및 상기 히트씽크 지지대 하면에 형성된 p형 오믹접촉 전극패드;를 포함하는 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제공한다.n-type electrode structure; Multi-layer structure for group III nitride semiconductor light emitting diode device in which an n-type nitride cladding layer, a nitride-based active layer, a p-type nitride cladding layer, a surface modification layer, and a current spreading layer are sequentially stacked on the lower surface of the n-type electrode structure ; A p-type electrode structure including a current blocking structure in a trench shape and an electrode thin film layer on a top of the multilayer structure for a light emitting diode device; A wafer bonding layer formed on the bottom surface of the p-type electrode structure; A heatsink support formed on the bottom surface of the wafer bonding layer; And a p-type ohmic contact electrode pad formed on a bottom surface of the heat sink supporter.
상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체의 상부에 위치한 표면개질층은 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계이다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.The surface modification layer on the multi-layer structure for the group III-nitride semiconductor light emitting diode device has a superlattice structure, n-type conductive InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, and p-type InGaN. , Group III-nitride based on AlInN, InN, AlGaN, or nitrogen-polar surface (nitrogen-polar surface). In particular, the surface modification layer of the superlattice structure is composed of nitride or carbon
상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체의 상부에 위치한 커런트스프레딩층은 상기 표면개질층과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다. 특히, 상기 커런트스프레딩층은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)이 바람직하다.The current spreading layer on the multi-layer structure for the group III-nitride semiconductor light emitting diode device forms an ohmic contacting interface with the surface modification layer to perform current injection in the vertical direction. In addition, it is an electrically conductive thin film having low sheet resistance and excellent current spreading in the horizontal direction. In particular, the current spreading layer is formed of a transparent material that can transmit the light generated in the nitride-based active layer without absorption. In this case, the current spreading layer is preferably indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), or oxidized nickel-gold (NiO-Au).
상기 p형 전극구조체 일부인 커런트 블라킹 구조는 적어도 커런트스프레딩의 두께와 표면개질층의 두께를 합한 두께보다 더 깊게 수직방향으로 식각(etching)하여 상기 p형 질화물계 클래드층의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖는다.The current blocking structure, which is a part of the p-type electrode structure, is etched in a vertical direction deeper than at least the thickness of the current spreading and the thickness of the surface modification layer, thereby waiting for a portion of the p-type nitride cladding layer. in the form of trenches exposed to air.
상기 p형 전극구조체 일부인 전극박막층은 상기 커런트스프레딩층, 표면개질층과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층에 전기전도성인 물질막을 부분적(partial) 또는 완전한(complete) 증착을 통해서 형성한다.An electrode thin film layer, which is a part of the p-type electrode structure, is formed by partial or complete deposition of an electrically conductive material film on the current spreading layer, the surface modification layer, and the p-type nitride cladding layer exposed to the atmosphere.
상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 p형 질화물계 클래드층에 접하고 있는 전기전도성 전극박막층은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하는 반면에, 상기 발광다이오드 소자용 다층구조체의 커런트스프레딩층과 표면개질층에 접하고 있는 전기전도성 전극박막층은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.The electrically conductive electrode thin film layer in contact with the p-type nitride cladding layer of the multilayer structure for the light emitting diode device forms a schottky contacting interface, whereas the current spreading layer and the surface of the multilayer structure for the light emitting diode device are constructed. The electrically conductive electrode thin film layer in contact with the modified layer forms an ohmic contacting interface.
상기 커런트 블라킹 구조를 포함하고 있는 p형 전극구조체는 수직구조의 발광다이오드 소자 구동 시에 일방적인 수직방향으로의 전류주입(vertical current injection)을 막고, 수평방향으로의 전류퍼짐(horizontal current spreading)을 촉진시켜 LED의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.The p-type electrode structure including the current blocking structure prevents unidirectional vertical current injection when driving a vertical light emitting diode device, and spreads horizontal current spreading in a horizontal direction. By improving the overall performance of the LED.
상기 p형 전극구조체는 수직방향으로의 전류 집중 현상을 막는 역할 이외에도, 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 다층(multi-layer)구조인 별도의 전극박막층을 포함하는 것이 바람직하다.In addition to preventing current concentration in the vertical direction, the p-type electrode structure is multi-layered to play a role of high reflection of light, prevention of diffusion of materials, improvement of adhesion of materials, or prevention of oxidation of materials. It is preferable to include a separate electrode thin film layer (layer) structure.
상기의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)로, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체를 이용한 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 방법에 있어서,In a preferred aspect for achieving the above object, the present invention provides a method of manufacturing a vertical light emitting diode device using a multi-layer structure for group III nitride semiconductor light emitting diode device,
성장 기판 상부에 버퍼층을 포함한 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층, 커런트스프레딩층으로 구성된 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 다층구조체를 순차적으로 성장시킨 성장 기판 웨이퍼를 준비하는 단계와; 상기 커런트스프레딩층에 식각 공정을 이용하여 참호 형태의 커런트 블라킹 구조를 형성하는 단계와; 상기 커런트 블라킹 구조와 접목하여 p형 전극구조체을 형성하는 단계와; 상기 p형 전극구조체 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계와; 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판 상/하면에 웨이퍼 결합층을 적층 형성하는 단계; 상기 임시 기판 상면에 희생분리층 및 웨이퍼 결합층을 적층 형성하는 단계; 상기 이종 지지 기판의 상/하면에 상기 성장 기판과 임시 기판을 위치시킨 샌드위치 구조로 웨이퍼를 결합시켜 복합체를 형성시키는 단계; 상기 샌드위치 구조로 웨이퍼 결합된 복합체에서 상기 성장 기판 및 임시 기판을 각각 분리(lift-off)시키는 단계; 상기 성장 기판이 제거된 복합체의 n형 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철과 n형 전극구조체를 형성하는 단계와; 상기 임시 기판이 제거된 복합체의 이종 지지 기판 후면에 p형 오믹접촉 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.A growth substrate wafer in which a multi-layer structure for group III nitride light-emitting diode devices consisting of an n-type nitride cladding layer including a buffer layer, a nitride-based active layer, a p-type nitride cladding layer, and a current spreading layer is sequentially grown on the growth substrate. Preparing a; Forming a trench blocking current blocking structure in the current spreading layer using an etching process; Grafting the current blocking structure to form a p-type electrode structure; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the p-type electrode structure; Stacking a wafer bonding layer on the upper and lower surfaces of the heterogeneous supporting substrate which is a heat sink support; Stacking a sacrificial separation layer and a wafer bonding layer on an upper surface of the temporary substrate; Bonding a wafer to a sandwich structure in which the growth substrate and the temporary substrate are positioned on upper and lower surfaces of the heterogeneous supporting substrate to form a composite; Lifting off the growth substrate and the temporary substrate in the wafer-bonded composite with the sandwich structure, respectively; Forming surface irregularities and an n-type electrode structure on the n-type nitride-based cladding layer upper surface of the composite from which the growth substrate is removed; And forming a p-type ohmic contact electrode pad on a rear surface of the heterogeneous supporting substrate of the composite from which the temporary substrate is removed.
상기 커런트스프레딩층 상면에 형성된 p형 전극구조체의 커런트 블라킹 구조는 소자 구동 시에 수평방향으로의 전류퍼짐(horizontal current spreading)을 극대화시키기 위한 것으로서, 상기 n형 질화물계 클래드층 상부에 존재하는 n형 전극구조체와 동일한 치수와 형상으로 하는 동시에 수직방향으로 같은 위치에서 마주보는 대향되게 배치한다.The current blocking structure of the p-type electrode structure formed on the upper surface of the current spreading layer is for maximizing horizontal current spreading in the horizontal direction when the device is driven, and is present on the n-type nitride cladding layer. The same dimensions and shapes as the n-type electrode structure are arranged and faced oppositely at the same position in the vertical direction.
상기 임시 기판 웨이퍼의 희생분리층(sacrificial separation layer)은 지지 기판을 분리하는데 유리한 물질로 이루어진다. 이때, 강한 에너지를 갖는 특정 파장 대역의 포톤 빔(photon-beam)을 조사하여 분리할 경우는 ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, 또는 습식 식각 용액(wet etching solution) 내에서 식각하여 분리할 경우는 Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The sacrificial separation layer of the temporary substrate wafer is made of a material that is advantageous for separating the support substrate. In this case, when the photon-beam of a specific wavelength band having a strong energy is irradiated and separated, ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, or wet etching solution (wet) In the case of etching and separating in the etching solution) is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx.
상기 히트씽크 지지대(heat-sink support)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous support substrate, which is the heat-sink support, preferably has excellent electrical or thermal conductivity. In this case, the heat sink support may be a wafer such as Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC, or a plate such as Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu, or the like. It is formed of any one selected from the group consisting of foils.
상기 성장 기판, 이종 지지 기판, 및 임시 기판 상/하면에 존재하는 웨이퍼 결합층(wafer bonding layer)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layer on the growth substrate, the heterogeneous support substrate, and the temporary substrate is formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or more. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 성장 기판 및 지지 기판 분리하는 공정은 화학-기계적인 연마(CMP), 습식 식각 용액을 이용한 화학적 식각 분해, 또는 강한 에너지를 갖는 포톤 빔을 조사하여 열-화학 분해 반응을 이용한다.The process of separating the growth substrate and the support substrate uses a thermal-chemical decomposition reaction by chemical-mechanical polishing (CMP), chemical etching decomposition using a wet etching solution, or photon beam having a strong energy.
상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 전기 및 광학적 특성뿐만이 아니라, 각 층간의 기계적 결합력을 강화시키기 위한 수단으로서 어닐 링(annealing) 및 표면처리(surface treatment)와 같은 공정들을 각 단계 전/후에 도입하는 것이 바람직하다.As well as the electrical and optical properties of the Group III-nitride semiconductor light emitting diode devices, processes such as annealing and surface treatment are performed before and after each step as a means for enhancing the mechanical bonding between the layers. It is preferable to introduce.
상기의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)로, 본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체를 이용한 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 방법에 있어서,In a preferred aspect for achieving the above object, the present invention provides a method of manufacturing a vertical light emitting diode device using a multi-layer structure for group III nitride semiconductor light emitting diode device,
성장 기판 상면에 버퍼층을 포함한 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층, 표면개질층, 커런트스프레딩층으로 구성된 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자용 다층구조체를 순차적으로 성장시킨 성장 기판 웨이퍼를 준비하는 단계와; 상기 커런트스프레딩층와 표면개질층에 식각 공정을 이용하여 참호 형태의 커런트 블라킹 구조를 형성하는 단계와; 상기 커런트 블라킹 구조와 접목하여 p형 전극구조체을 형성하는 단계와; 상기 p형 전극구조체 상면에 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계와; 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판 상/하면에 웨이퍼 결합층을 적층 형성하는 단계; 상기 임시 기판 상면에 희생분리층 및 웨이퍼 결합층을 적층 형성하는 단계; 상기 이종 지지 기판의 상/하면에 상기 성장 기판과 임시 기판을 위치시킨 샌드위치 구조로 웨이퍼를 결합시켜 복합체를 형성시키는 단계; 상기 샌드위치 구조로 웨이퍼 결합된 복합체에서 상기 성장 기판 및 임시 기판을 각각 분리(lift-off)시키는 단계; 상기 성장 기판이 제거된 복합체의 n형 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철과 n형 전극구조체를 형성하는 단계와; 상기 임시 기판이 제거된 복합체의 이종 지지 기판 후면에 p형 오믹접촉 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.A multi-layer structure for group III nitride light-emitting diode devices consisting of an n-type nitride cladding layer including a buffer layer, a nitride-based active layer, a p-type nitride-based cladding layer, a surface modification layer, and a current spreading layer is sequentially grown on the growth substrate. Preparing a grown substrate wafer; Forming a trench blocking current blocking structure in the current spreading layer and the surface modification layer by using an etching process; Grafting the current blocking structure to form a p-type electrode structure; Forming a wafer bonding layer on an upper surface of the p-type electrode structure; Stacking a wafer bonding layer on the upper and lower surfaces of the heterogeneous supporting substrate which is a heat sink support; Stacking a sacrificial separation layer and a wafer bonding layer on an upper surface of the temporary substrate; Bonding a wafer to a sandwich structure in which the growth substrate and the temporary substrate are positioned on upper and lower surfaces of the heterogeneous supporting substrate to form a composite; Lifting off the growth substrate and the temporary substrate in the wafer-bonded composite with the sandwich structure, respectively; Forming surface irregularities and an n-type electrode structure on the n-type nitride-based cladding layer upper surface of the composite from which the growth substrate is removed; And forming a p-type ohmic contact electrode pad on a rear surface of the heterogeneous supporting substrate of the composite from which the temporary substrate is removed.
상기 커런트스프레딩층와 표면개질층 상부에 형성된 p형 전극구조체의 커런트 블라킹 구조는 소자 구동 시에 수평방향으로의 전류퍼짐(horizontal current spreading)을 극대화시키기 위한 것으로서, 상기 n형 질화물계 클래드층 상부에 존재하는 n형 전극구조체와 동일한 치수와 형상으로 하는 동시에 수직방향으로 같은 위치에서 마주보는 대향되게 배치한다.The current blocking structure of the p-type electrode structure formed on the current spreading layer and the surface modification layer is to maximize horizontal current spreading in the horizontal direction when the device is driven, and the upper portion of the n-type nitride cladding layer The same dimension and shape as the n-type electrode structure present at the same time, and at the same time in the vertical position to face opposite.
상기 임시 기판 웨이퍼의 희생분리층(sacrificial separation layer)은 지지 기판을 분리하는데 유리한 물질로 이루어진다. 이때, 강한 에너지를 갖는 특정 파장 대역의 포톤 빔(photon-beam)을 조사하여 분리할 경우는 ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, 또는 습식 식각 용액(wet etching solution) 내에서 식각하여 분리할 경우는 Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The sacrificial separation layer of the temporary substrate wafer is made of a material that is advantageous for separating the support substrate. In this case, when the photon-beam of a specific wavelength band having a strong energy is irradiated and separated, ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, or wet etching solution (wet) In the case of etching and separating in the etching solution) is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx.
상기 히트씽크 지지대(heat-sink support)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous support substrate, which is the heat-sink support, preferably has excellent electrical or thermal conductivity. In this case, the heat sink support may be a wafer such as Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC, or a plate such as Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu, or the like. It is formed of any one selected from the group consisting of foils.
상기 성장 기판, 이종 지지 기판, 및 임시 기판 상/하면에 존재하는 웨이퍼 결합층(wafer bonding layer)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그 룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layer on the growth substrate, the heterogeneous support substrate, and the temporary substrate is formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or more. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 성장 기판 및 지지 기판 분리하는 공정은 화학-기계적인 연마(CMP), 습식 식각 용액을 이용한 화학적 식각 분해, 또는 강한 에너지를 갖는 포톤 빔을 조사하여 열-화학 분해 반응을 이용한다.The process of separating the growth substrate and the support substrate uses a thermal-chemical decomposition reaction by chemical-mechanical polishing (CMP), chemical etching decomposition using a wet etching solution, or photon beam having a strong energy.
상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 전기 및 광학적 특성뿐만이 아니라, 각 층간의 기계적 결합력을 강화시키기 위한 수단으로서 어닐링(annealing) 및 표면처리(surface treatment)와 같은 공정들을 각 단계 전/후에 도입하는 것이 바람직하다.In addition to the electrical and optical properties of the group III-nitride semiconductor light emitting diode devices, processes such as annealing and surface treatment are introduced before and after each step as a means for enhancing the mechanical bonding between the layers. It is desirable to.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드는 커런트 블라킹 구조를 갖는 p형 전극구조체를 구비하고 있기 때문에 수직구조 발광다이오드 소자 구동 시에 일방적인 수직방향으로의 전류주입(vertical current injection)을 막고, 수평방향으로의 전류퍼짐(horizontal current spreading)을 촉진시켜 LED의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the group III-nitride-based semiconductor light emitting diode manufactured by the present invention includes a p-type electrode structure having a current blocking structure, so that the current in one vertical direction when driving the vertical light emitting diode device is generated. It can improve the overall performance of the LED by preventing vertical current injection and by promoting horizontal current spreading.
이와 더불어서, 본 발명에 의한 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 제조 방법에 의하면, 웨이퍼 대 웨이퍼 결합 시에 웨이퍼 휨(bending) 현상과 단일화된 발광다이오드 소자의 다층구조체에 아무런 손상 없이 제조할 수 있기 때문에 팹(fab) 공정의 가공성 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the method of manufacturing a vertical group III-nitride semiconductor light emitting diode according to the present invention, it is possible to manufacture without damaging the wafer bending during the wafer-to-wafer bonding and the multilayer structure of the unified light emitting diode device. As a result, the processability and yield of the fab process can be improved.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따라 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 광전자 소자인 발광다이오드 및 소자 제조에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in more detail with respect to the light emitting diode and the device manufacturing a group III nitride-based semiconductor optoelectronic device manufactured according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a first embodiment according to the present invention.
도시한 바와 같이, n형 전극구조체(303) 하면에 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 커런트스프레딩층(601), 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(701), 웨이퍼 결합층(901, 902), 히트씽크 지지대(302), 및 p형 오믹접촉 전극패드(403)를 포함하는 수직구조의 발광소자인 발광다이오드(1) 소자가 형성되어 있다.As shown, the n-type
보다 상세하게 설명하면, 상기 질화물계 활성층(401)에서 생성된 빛이 효과적으로 외부로 방출하는데 유리하게 발광면인 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)이 형성되어 있고, 상기 n형 전극구조체(303)가 상기 n형 질화물계 클래드층(301) 위에 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)으로 형성되어 있다.In more detail, the
미도시되었지만, 상기 수직구조의 발광다이오드(1) 소자 측면에는 측면을 통해 노출된 상기 질화물계 활성층(401)을 보호하기 위한 패시베이션막이 형성되어 있다. 이때, 상기 패시베이션막은 전기절연성인 산화물(oxide), 질화물(nitride), 불화물(fluoride)로 형성되어 있으며, 구체적으로 SiNx, SiO2, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다. Although not shown, a passivation film for protecting the nitride based
상기 패시베이션막이 형성된 발광다이오드(1) 소자의 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 하면에는 커런트스프레딩층(601)이 형성되어 있고, 상기 커런트스프레딩층(601) 하면에는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(701)가 형성되어 있다.A current spreading
상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501)을 성장한 후에 물질 증착 및 열처리의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.The current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
상기 p형 전극구조체(701)는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성되어 있고, 상기 커런트 블라킹 구조(11)는 상기 커런트스프레딩층(601) 두께보다 더 깊게 식각하여 p형 질화물계 클래드층(501)의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖으며, 상기 커런트스프레딩층(601)과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)에 전기전도성인 전극박막층(12)을 증착하여 형성한다.The p-
확대된 도 1을 참조하면, 상기 p형 전극구조체(701)를 구성하고 있는 전극박 막층(12)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 커런트스프레딩층(601)을 동시에 접하고 있다. 이때, 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12e)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있는 반면에, 상기 커런트스프레딩층(601)과 접하는 전기전도성 물질막(12c, 12d,)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.Referring to FIG. 1, the electrode
한편, 상기 커런트 블라킹 구조(701)의 일부 영역(11)은 대기(air) 또는 전기절연성 물질로 형성되어 있다.Meanwhile, some
상기 p형 전극구조체(701)는 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성하고 있다.The p-
상기 p형 전극구조체(701)와 웨이퍼 결합층(901) 사이에 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 시에 발생하는 물질 확산 이동을 방지(diffusion barrier)하는 물질 확산 장벽층(미도시)을 별도로 개재할 수 한다.A material diffusion barrier layer (not shown) may be separately interposed between the p-
상기 물질 확산 장벽층(미도시)을 구성하는 물질은 상기 p형 전극구조체(701)와 웨이퍼 결합층(901)을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라서 결정되지만, 일예로, Pt, Pd, Cu, Rh, Re, Ti, W, Cr, Ni, Si, Ta, TiW, TiNi, NiCr, TiN, WN, CrN, TaN, TiWN, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the material diffusion barrier layer (not shown) is determined according to the type of material constituting the p-
웨이퍼 결합층(901, 902)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 901 and 902 are formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or higher. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 히트씽크 지지대(302)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous supporting substrate, which is the
상기 p형 전극구조체(701)는 수직방향으로의 전류 집중 방지(current blocking)와 빛에 대한 반사체(reflecting) 역할 이외에도, 물질의 확산 방지(diffusion barrier), 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.The p-
특히, 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 발광다이오드(1) 소자는 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 위에 형성된 커런트스프레딩층(601)을 이용하여 쇼키접촉 계면 및 오믹접촉 계면을 동시에 갖춘 p형 전극구조체(701)를 포함하고 있어, 수평방향으로의 전류퍼짐을 향상시켜 외부 발광 효율을 증가시킬 수 있다.In particular, the vertical
도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a second embodiment according to the present invention.
도시한 바와 같이, n형 전극구조체(303) 하면에 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 커런트스프레딩층(601), 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조 체(801), 웨이퍼 결합층(901, 902), 히트씽크 지지대(302), 및 p형 오믹접촉 전극패드(403)를 포함하는 수직구조의 발광소자인 발광다이오드(2) 소자가 형성되어 있다.As shown, the n-type
보다 상세하게 설명하면, 상기 질화물계 활성층(401)에서 생성된 빛이 효과적으로 외부로 방출하는데 유리하게 발광면인 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)이 형성되어 있고, 상기 n형 전극구조체(303)가 상기 n형 질화물계 클래드층(301) 위에 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)으로 형성되어 있다.In more detail, the
미도시되었지만, 상기 수직구조의 발광다이오드(2) 소자 측면에는 측면을 통해 노출된 상기 질화물계 활성층(401)을 보호하기 위한 패시베이션막이 형성되어 있다. 이때, 상기 패시베이션막은 전기절연성인 산화물(oxide), 질화물(nitride), 불화물(fluoride)로 형성되어 있으며, 구체적으로 SiNx, SiO2, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Although not shown, a passivation film for protecting the nitride based
상기 패시베이션막이 형성된 발광다이오드(2) 소자의 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 하면에는 커런트스프레딩층(601)이 형성되어 있고, 상기 커런트스프레딩층(601) 하면에는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(801)가 형성되어 있다.A current spreading
상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501)을 성장한 후에 물질 증착 및 열처리의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로 의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.The current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
상기 p형 전극구조체(801)는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성되어 있고, 상기 커런트 블라킹 구조(11)는 상기 커런트스프레딩층(601) 두께보다 더 깊게 식각하여 p형 질화물계 클래드층(501)의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖으며, 상기 커런트스프레딩층(601)과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)에 전기전도성인 전극박막층(12)을 증착하여 형성한다.The p-
확대된 도 2를 참조하면, 상기 p형 전극구조체(801)를 구성하고 있는 전극박막층(12)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 커런트스프레딩층(601)에 동시에 접하고 있다. 이때, 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12e)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있는 반면에, 상기 커런트스프레딩층(601)과 접하는 전기전도성 물질막(12c, 12d,)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.2, the electrode
한편, 상기 커런트 블라킹 구조(801)의 일부 영역(12)은 전기전도성 물질로 형성되어 있다.Meanwhile, some
상기 p형 전극구조체(801)는 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질 의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성하고 있다.The p-
상기 p형 전극구조체(801)와 웨이퍼 결합층(901) 사이에 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 시에 발생하는 물질 확산 이동을 방지(diffusion barrier)하는 물질 확산 장벽층(미도시)을 별도로 개재할 수 한다.A material diffusion barrier layer (not shown) may be separately interposed between the p-
상기 물질 확산 장벽층(미도시)을 구성하는 물질은 상기 p형 전극구조체(801)와 웨이퍼 결합층(901)을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라서 결정되지만, 일예로, Pt, Pd, Cu, Rh, Re, Ti, W, Cr, Ni, Si, Ta, TiW, TiNi, NiCr, TiN, WN, CrN, TaN, TiWN, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the material diffusion barrier layer (not shown) is determined according to the type of the material constituting the p-
웨이퍼 결합층(901, 902)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 901 and 902 are formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or higher. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 히트씽크 지지대(302)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous supporting substrate, which is the
상기 p형 전극구조체(801)는 수직방향으로의 전류 집중 방지(current blocking)와 빛에 대한 반사체(reflecting) 역할 이외에도, 물질의 확산 방지(diffusion barrier), 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.The p-
특히, 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 발광다이오드(2) 소자는 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 위에 형성된 커런트스프레딩층(601)을 이용하여 쇼키접촉 계면 및 오믹접촉 계면을 동시에 갖춘 p형 전극구조체(801)를 포함하고 있어, 수평방향으로의 전류퍼짐을 향상시켜 외부 발광 효율을 증가시킬 수 있다.In particular, the vertical light emitting
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a third embodiment according to the present invention.
도시한 바와 같이, n형 전극구조체(303) 하면에 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601), 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(702), 웨이퍼 결합층(901, 902), 히트씽크 지지대(302), 및 p형 오믹접촉 전극패드(403)를 포함하는 수직구조의 발광소자인 발광다이오드(3) 소자가 형성되어 있다.As shown, the n-type
보다 상세하게 설명하면, 상기 질화물계 활성층(401)에서 생성된 빛이 효과적으로 외부로 방출하는데 유리하게 발광면인 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)이 형성되어 있고, 상기 n형 전극구조체(303)가 상기 n형 질화물계 클래드층(301) 위에 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)으로 형성되어 있다.In more detail, the
미도시되었지만, 상기 수직구조의 발광다이오드(3) 소자 측면에는 측면을 통 해 노출된 상기 질화물계 활성층(401)을 보호하기 위한 패시베이션막이 형성되어 있다. 이때, 상기 패시베이션막은 전기절연성인 산화물(oxide), 질화물(nitride), 불화물(fluoride)로 형성되어 있으며, 구체적으로 SiNx, SiO2, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Although not shown, a passivation film for protecting the nitride based
상기 패시베이션막이 형성된 발광다이오드(3) 소자의 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 하면에는 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)이 연속적으로 형성되어 있고, 상기 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601) 하면에는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(702)가 형성되어 있다.A
상기 p형 질화물계 클래드층(501) 상부에 위치한 표면개질층(502)은 단결정 그룹 3족 질화물계 반도체 성장 장비인 MOCVD, MBE를 이용하여 성장 장비 챔버(chamber) 내에서 연속적으로 형성되며, 이미 널리 공지된 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면개질층(502)은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성하는 것이 바람직하다.In particular, the
상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502)을 성장한 후에 물질 증착 및 열처리의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 표면개질층(502)과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.The current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
상기 p형 전극구조체(702)는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성되어 있고, 상기 커런트 블라킹 구조(11)는 상기 커런트스프레딩층(601) 두께와 표면개질층(502) 두께를 합한 두께보다 더 깊게 식각하여 p형 질화물계 클래드층(501)의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖으며, 상기 커런트스프레딩층(601), 표면개질층(502)과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)에 전기전도성인 전극박막층(12)을 증착하여 형성한다.The p-
확대된 도 3을 참조하면, 상기 p형 전극구조체(702)를 구성하고 있는 전극박막층(12)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601)을 동시에 접하고 있다. 이때, 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12g)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형 성하고 있는 반면에, 상기 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)과 접하는 전기전도성 물질막(12c, 12d, 12e, 12f)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.Referring to FIG. 3, the electrode
한편, 상기 커런트 블라킹 구조(702)의 일부 영역(11)은 대기(air) 또는 전기절연성 물질로 형성되어 있다.Meanwhile, some
상기 p형 전극구조체(702)는 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성하고 있다.The p-
상기 p형 전극구조체(702)와 웨이퍼 결합층(901) 사이에 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 시에 발생하는 물질 확산 이동을 방지(diffusion barrier)하는 물질 확산 장벽층(미도시)을 별도로 개재할 수 한다.A material diffusion barrier layer (not shown) may be separately interposed between the p-
상기 물질 확산 장벽층(미도시)을 구성하는 물질은 상기 p형 전극구조체(702)와 웨이퍼 결합층(901)을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라서 결정되지만, 일예로, Pt, Pd, Cu, Rh, Re, Ti, W, Cr, Ni, Si, Ta, TiW, TiNi, NiCr, TiN, WN, CrN, TaN, TiWN, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the material diffusion barrier layer (not shown) is determined according to the type of material constituting the p-
웨이퍼 결합층(901, 902)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 901 and 902 are formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or higher. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 히트씽크 지지대(302)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous supporting substrate, which is the
상기 p형 전극구조체(702)는 수직방향으로의 전류 집중 방지(current blocking)와 빛에 대한 반사체(reflecting) 역할 이외에도, 물질의 확산 방지(diffusion barrier), 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.The p-
특히, 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 발광다이오드(3) 소자는 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 위에 형성된 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)을 이용하여 쇼키접촉 계면 및 오믹접촉 계면을 동시에 갖춘 p형 전극구조체(702)를 포함하고 있어, 수평방향으로의 전류퍼짐을 향상시켜 외부 발광 효율을 증가시킬 수 있다.In particular, in the vertical light emitting
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a fourth embodiment according to the present invention.
도시한 바와 같이, n형 전극구조체(303) 하면에 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601), 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(802), 웨이퍼 결합층(901, 902), 히트씽크 지지대(302), 및 p형 오믹접 촉 전극패드(403)를 포함하는 수직구조의 발광소자인 발광다이오드(4) 소자가 형성되어 있다.As shown, the n-type
보다 상세하게 설명하면, 상기 질화물계 활성층(401)에서 생성된 빛이 효과적으로 외부로 방출하는데 유리하게 발광면인 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)이 형성되어 있고, 상기 n형 전극구조체(303)가 상기 n형 질화물계 클래드층(301) 위에 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)으로 형성되어 있다.In more detail, the
미도시되었지만, 상기 수직구조의 발광다이오드(4) 소자 측면에는 측면을 통해 노출된 상기 질화물계 활성층(401)을 보호하기 위한 패시베이션막이 형성되어 있다. 이때, 상기 패시베이션막은 전기절연성인 산화물(oxide), 질화물(nitride), 불화물(fluoride)로 형성되어 있으며, 구체적으로 SiNx, SiO2, Al2O3로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Although not shown, a passivation film for protecting the nitride based
상기 패시베이션막이 형성된 발광다이오드(4) 소자의 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 하면에는 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)이 연속적으로 형성되어 있고, 상기 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601) 하면에는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성된 p형 전극구조체(802)가 형성되어 있다.A
상기 p형 질화물계 클래드층(501) 상면에 위치한 표면개질층(502)은 단결정 그룹 3족 질화물계 반도체 성장 장비인 MOCVD, MBE를 이용하여 성장 장비 챔버(chamber) 내에서 연속적으로 형성되며, 이미 널리 공지된 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면개질층(502)은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성하는 것이 바람직하다.In particular, the
상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 n형 질화물계 클래드층(301), 질화물계 활성층(401), p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502)을 성장한 후에 물질 증착 및 열처리의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 표면개질층(502)과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.The current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
상기 p형 전극구조체(802)는 커런트 블라킹 구조(11)와 전극박막층(12)으로 구성되어 있고, 상기 커런트 블라킹 구조(11)는 상기 커런트스프레딩층(601) 두께와 표면개질층(502) 두께를 합한 두께보다 더 깊게 식각하여 p형 질화물계 클래드 층(501)의 일부 영역을 대기(air)에 노출된 참호(trench) 형태를 갖으며, 상기 커런트스프레딩층(601), 표면개질층(502)과 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)에 전기전도성인 전극박막층(12)을 증착하여 형성한다.The p-
확대된 도 3을 참조하면, 상기 p형 전극구조체(802)를 구성하고 있는 전극박막층(12)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601)을 동시에 접하고 있다. 이때, 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12g)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있는 반면에, 상기 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)과 접하는 전기전도성 물질막(12c, 12d, 12e, 12f)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.3, the electrode
한편, 상기 커런트 블라킹 구조(802)의 일부 영역(11)은 전기전도성 물질로 형성되어 있다.Meanwhile, some
상기 p형 전극구조체(802)는 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성하고 있다.The p-
상기 p형 전극구조체(802)와 웨이퍼 결합층(901) 사이에 수직구조의 발광다이오드 소자 제조 시에 발생하는 물질 확산 이동을 방지(diffusion barrier)하는 물질 확산 장벽층(미도시)을 별도로 개재할 수 한다.A material diffusion barrier layer (not shown) may be separately interposed between the p-
상기 물질 확산 장벽층(미도시)을 구성하는 물질은 상기 p형 전극구조체(802)와 웨이퍼 결합층(901)을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라서 결정되지만, 일예로, Pt, Pd, Cu, Rh, Re, Ti, W, Cr, Ni, Si, Ta, TiW, TiNi, NiCr, TiN, WN, CrN, TaN, TiWN, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The material constituting the material diffusion barrier layer (not shown) is determined according to the type of the material constituting the p-
웨이퍼 결합층(901, 902)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 901 and 902 are formed of an electrically conductive material film having a strong bonding force at a predetermined pressure and a temperature of 200 ° C. or higher. At this time, it is formed of any one selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, metallic silicide.
상기 히트씽크 지지대(302)인 이종 지지 기판은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The heterogeneous supporting substrate, which is the
상기 p형 전극구조체(802)는 수직방향으로의 전류 집중 방지(current blocking)와 빛에 대한 반사체(reflecting) 역할 이외에도, 물질의 확산 방지(diffusion barrier), 물질간의 결합 및 결합성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 별도의 박막층을 포함하는 것이 바람직하다.The p-
특히, 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 발광다이오드(4) 소자는 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 위에 형성된 표면개질층(502)과 커런트스프레딩층(601)을 이용하여 쇼키접촉 계면 및 오믹접촉 계면을 동시에 갖춘 p형 전극구조체(802)를 포함하고 있어, 수평방향으로의 전류퍼짐을 향상시켜 외부 발광 효율을 증가시 킬 수 있다.In particular, the vertical light emitting
도 5 내지 도 15는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 방법을 보인 단면도이다.5 to 15 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as an embodiment according to the present invention.
도 5는 성장 기판(growth substrate) 상면에 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체가 성장 및 적층된 성장 기판 웨이퍼(growth substrate wafer)를 보인 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a growth substrate wafer in which a multi-layer structure for group III-nitride semiconductor light emitting diode devices is grown and stacked on a growth substrate.
도 5를 참조하면, 상기 성장 기판(growth substrate; 101) 상부에 기본적으로 n형 도전성의 단결정 반도체 물질로 이루어진 n형 질화물계 클래드층(301)과, 질화물계 활성층(401)과, p형 도전성의 단결정 반도체 물질로 이루어진 p형 질화물계 클래드층(501), 커런트스프레딩층(601)을 포함한다. 보다 구체적인 설명을 도 5A를 참조하면, 상기 n형부 질화물계 클래드층(301)은 n형 도전성의 GaN층과 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(401)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 또한, p형 질화물계 클래드층(501)은 p형 도전성의 GaN층과 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 반도체층으로 구성된 기본적인 발광다이오드 소자용 다층구조체를 이미 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 성장하기에 앞서, n형 질화물계 클래드층(301)과 상기 성장 기판(101)의 최상층부인 성장면과의 격자정합을 향상시키기 위해, 상기 성장 기판(101)의 최상층부인 성장면의 상부에 InGaN, AlN, SiC, SiCN, 또는 GaN와 같은 또 다른 버퍼층(201)을 더 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, an n-type
도 5B를 참조하면, 상기 p형 질화물계 클래드층(501) 상부에 위치한 커런트스프레딩층(601)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501)을 성장한 후, 물질 증착(deposition) 및 열처리(heat-treatment)의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501)과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.Referring to FIG. 5B, the current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층(601)은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
도 6은 성장 기판 웨이퍼의 상층부에 p형 전극구조체의 일부인 커런트 블라킹 구조(current blocking structure)를 형성하기 위한 첫 번째 공정인 식각(etching)을 수행한 후에 보인 단면도이다.FIG. 6 is a cross-sectional view of the growth substrate wafer after etching, which is a first process for forming a current blocking structure that is a part of a p-type electrode structure.
도 6을 참조하면, 수직방향으로 상기 커런트스프레딩층(601)의 두께(h)보다 더 깊게 식각하여 상기 p형 질화물계 클래드층(501)을 대기(air)에 노출시킨다.Referring to FIG. 6, the p-type
도 7은 성장 기판 웨이퍼의 p형 전극구조체의 일부인 전극박막층을 형성하기 위한 두 번째 공정인 전기전도성 물질막을 증착시킨 후에 보인 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the deposition of an electrically conductive material film as a second process for forming an electrode thin film layer that is part of a p-type electrode structure of a growth substrate wafer.
도 7을 참조하면, 전기전도성인 전극박막층(12)을 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501) 및 커런트스프레딩층(601) 상부에 증착하여 형성하여 p형 전극구 조체(701)를 완성한다. 특히, 상기 p형 전극구조체(701)는 여섯 영역으로 구분할 수 있는데, 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12e)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있으며, 반면에 상기 커런트스프레딩층(601) 상부에 접하는 전극박막층(12c, 12d)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.Referring to FIG. 7, the p-
또한, 상기 p형 전극구조체(701)의 일부 영역(11)은 대기(air) 내지 전기절연성인 산화물로 구성될 수 있다.In addition, the
도 8 내지 9는 p형 전극구조체 상부에 웨이퍼 결합층(wafer bonding layer)을 형성시킨 후에 보인 단면도이다.8 to 9 are cross-sectional views after forming a wafer bonding layer on the p-type electrode structure.
도 8을 참조하면, 상기 p형 전극구조체(701) 상부의 일부 영역에 전기전도성인 웨이퍼 결합층(901)을 증착한다. 이때, 상기 웨이퍼 결합층(901) 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성시킬 수 있다. 이 경우, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Referring to FIG. 8, an electrically conductive
도 9를 참조하면, 상기 p형 전극구조체(701) 상부의 전체 영역에 전기전도성인 웨이퍼 결합층(901)을 증착한다. 이때, 상기 웨이퍼 결합층(901) 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성시킬 수 있다. 이 경우, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr로 이루어진 그룹에서 선택 된 어느 하나로 형성되어 있다.Referring to FIG. 9, an electrically conductive
도 10은 본 발명자에 의해 개발된 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판 웨이퍼와 임시 기판 웨이퍼를 각각 준비한 단면도이다.10 is a cross-sectional view of preparing a heterogeneous supporting substrate wafer and a temporary substrate wafer, which are heat sink supports developed by the present inventors, respectively.
도 10A에 도시된 바와 같이, 이종 지지 기판 웨이퍼는 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302)과 상기 이종 지지 기판(302) 상/하면에 형성된 두층의 웨이퍼 결합층(902, 903)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 10A, the hetero support substrate wafer is composed of a
상기 이종 지지 기판 웨이퍼의 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302)은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)을 우선적으로 선택한다.The
상기 이종 지지 기판 웨이퍼의 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302) 상/하면에 형성된 웨이퍼 결합층(902, 903)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 902 and 903 formed on the upper and lower surfaces of the
도 10B에 도시된 바와 같이, 임시 기판 웨이퍼는 임시 기판(170), 희생분리층(180), 웨이퍼 결합층(904)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 10B, the temporary substrate wafer is composed of a
상기 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판(170)은 500 나노미터(nm) 이하 파장 영역대에서 광학적으로 70 퍼센트(%) 이상의 투과율을 갖거나, 상기 성장 기판(101) 과의 열팽창 계수 차이가 2 피피엠(ppm/℃) 이하인 물질이 바람직하다. 이 경우, 임시 기판(170)은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알루미늄(AlN), 스피넬(spinel), 리튬니오베이트(lithium niobate), 네오듐갈라이트(neodymium gallate), 갈륨산화물(Ga2O3)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 임시 기판 웨이퍼의 희생분리층(180)은 지지 기판을 분리하는데 유리한 물질로 이루어진다. 이때, 강한 에너지를 갖는 특정 파장 대역의 포톤 빔(photon-beam)을 조사하여 분리할 경우는 ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, 또는 습식 식각 용액(wet etching solution) 내에서 식각하여 분리할 경우는 Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 임시 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(904)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 11은 이종 지지 기판의 상/하면의 웨이퍼 결합층과 성장 기판과 임시 기판의 웨이퍼 결합층을 각각 맞대어 정렬시킨 후에 샌드위치 구조로 웨이퍼를 결합시켜 복합체를 형성한 단면도이다.FIG. 11 is a cross-sectional view of forming a composite by bonding wafers in a sandwich structure after aligning the wafer bonding layers on the upper and lower surfaces of the heterogeneous support substrate with the wafer bonding layers of the growth substrate and the temporary substrate, respectively.
도 11을 참조하면, 상기 성장 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(901)과 상기 이 종 지지 기판 웨이퍼 상면의 웨이퍼 결합층(902), 상기 상기 이종 지지 기판 웨이퍼 하면의 웨이퍼 결합층(903)와 상기 임시 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(904)을 각각 맞대어 웨이퍼 결합 공정에 의해 샌드위치 구조의 복합체(5)를 형성한다.Referring to FIG. 11, the
상기 웨이퍼 결합은 상온 내지 700℃ 이하의 온도 및 진공(vacuum), 산소(oxygen), 아르곤(argon), 또는 질소(nitrogen) 가스 분위기 하에서 소정의 정압력(hydrostatic pressure)을 인가하여 형성하는 것이 바람직하다.The wafer bond is preferably formed by applying a predetermined hydrostatic pressure under a temperature of room temperature to 700 ° C. and under a vacuum, oxygen, argon, or nitrogen gas atmosphere. Do.
더 나아가서, 상기 웨이퍼 결합 공정을 수행하기 전/후에 두 물질 간(901/902, 903/904)의 기계적인 결합력 및 오믹접촉 계면 형성을 향상시키기 위해서 표면처리(surface treatment) 및 열처리(heat treatment) 공정이 도입될 수도 있다.Furthermore, surface treatment and heat treatment to improve the mechanical bonding between the two materials (901/902, 903/904) and the formation of the ohmic contact interface before and after performing the wafer bonding process. Processes may be introduced.
도 12는 웨이퍼 결합된 샌드위치 구조의 복합체에서 성장 기판과 임시 기판을 각각 분리(lift-off)하는 공정을 보인 단면도이다.12 is a cross-sectional view illustrating a process of lifting off a growth substrate and a temporary substrate, respectively, in a wafer bonded sandwich structure composite.
도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 결합된 샌드위치 구조의 복합체(5)에서 성장 기판 웨이퍼의 일부인 성장 기판(101)과 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판(170)을 분리(lift-off)하는 공정은 강한 에너지를 갖는 포톤 빔인 레이저 빔(103)을 상기 광학적으로 투명한 성장 기판(101) 및 임시 기판(170) 후면에 조사하여, 상기 성장 기판(101)과 발광다이오드 소자용 다층구조체의 n형 질화물계 클래드층 간의 계면에서 열-화학 분해 반응을 발생시켜 상기 성장 기판(101)을 분리한다. 또한, 상기 임시 기판(170)과 희생분리층(180) 간의 계면에서 열-화학 분해 반응을 발생시켜 상기 임시 기판(170) 분리 제거한다.As shown, the process of lifting off the
또한, 상기 성장 기판(101) 및 임시 기판(170)의 물리 및 화학적 물성에 따라서 화학-기계적인 연마 또는 식각 용액을 이용한 화학 습식 식각을 이용할 수 있다.In addition, according to the physical and chemical properties of the
도 13은 성장 기판 웨이퍼의 성장 기판과 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판을 분리시킨 후에 n형 질화물계 클래드층 상부에 표면 요철이 도입된 복합체의 단면도이다.FIG. 13 is a cross-sectional view of a composite in which surface irregularities are introduced on the n-type nitride cladding layer after separating the growth substrate of the growth substrate wafer and the temporary substrate of the temporary substrate wafer.
도 13을 참조하면, 상기 성장 기판(101)과 임시 기판(170)을 안정적으로 완전히 제거 시킨 후에 행하는 공정 단계로서, 화학적 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 n형 질화물계 클래드층(301)이 대기(air)에 노출되도록 식각하고, 습식 또는 건식 식각을 이용하여 대기에 노출된 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)을 수행한다.Referring to FIG. 13, as a process step performed after the
도 14는 표면 요철이 형성된 n형 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 n형 전극구조체를 형성한 복합체의 단면도이다.14 is a cross-sectional view of a composite in which an n-type electrode structure is formed on a portion of the upper surface of an n-type nitride clad layer on which surface irregularities are formed.
도 14를 참조하면, 표면 요철(203)이 형성된 n형 질화물계 클래드층(301) 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체(303)를 형성시킨다. 상기 n형 전극구조체(303)는 600nm 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 물질로 형성하는 바람직하다. 이 경우, n형 전극구조체(303)는 Cr/Al/Cr/Au으로 구성할 수 있다.Referring to FIG. 14, a partial n-
또한, 상기 n형 전극구조체(303)는 p형 질화물계 클래드층(501) 상면에 형성된 p형 전극구조체의 커런트 블라킹 구조(11)와 동일한 형상과 치수로 하는 동시 에, 상기 발광다이오드 단면도 관점에서 수직방향으로 같은 위치에서 대향되게 배치한다.In addition, the n-
도 15는 히트씽크 지지대 후면에 p형 오믹접촉 전극패드를 형성한 후에 완성한 수직구조의 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode device having a vertical structure after forming a p-type ohmic contact electrode pad on a rear surface of a heat sink supporter.
도 15를 참조하면, 상기 임시 기판(170)을 분리 제거시킨 히트씽크 지지대(302) 후면에 p형 오믹접촉 전극패드(403)를 형성하여 최종적으로 수직구조의 발광다이오드 소자를 완성한다.Referring to FIG. 15, a p-type ohmic
도 16 내지 도 26은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 방법을 보인 단면도이다.16 to 26 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as an embodiment according to the present invention.
도 16은 성장 기판(growth substrate) 상부에 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체가 성장 및 적층된 성장 기판 웨이퍼(growth substrate wafer)를 보인 단면도이다.FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a growth substrate wafer in which a multi-layer structure for group III-nitride semiconductor light emitting diode devices is grown and stacked on a growth substrate.
도 16을 참조하면, 상기 성장 기판(growth substrate; 101) 상부에 기본적으로 n형 도전성의 단결정 반도체 물질로 이루어진 n형 질화물계 클래드층(301)과, 질화물계 활성층(401)과, p형 도전성의 단결정 반도체 물질로 이루어진 p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601)을 포함한다.Referring to FIG. 16, an n-type
보다 구체적인 설명을 도 16A를 참조하면, 상기 n형부 질화물계 클래드층(301)은 n형 도전성의 GaN층과 AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(401)은 다중양자우물구조(multi-quantum well)의 언도프(undope)된 InGaN층 으로 이루어질 수 있다. 또한, p형 질화물계 클래드층(501)은 p형 도전성의 GaN층과 AlGaN층으로 구성될 수 있다. 상술한 그룹 3족 질화물계 반도체층으로 구성된 기본적인 발광다이오드 소자용 다층구조체를 이미 널리 공지된 MOCVD 또는 MBE 단결정 성장법 등의 공정을 이용하여 성장하기에 앞서, n형 질화물계 클래드층(301)과 상기 성장 기판(101)의 최상층부인 성장면과의 격자정합을 향상시키기 위해, 상기 성장 기판(101)의 최상층부인 성장면의 상부에 InGaN, AlN, SiC, SiCN, 또는 GaN와 같은 또 다른 버퍼층(201)을 더 형성하는 것이 바람직하다.16A, the n-type part nitride-based
상기 p형 질화물계 클래드층(501) 상부에 위치한 표면개질층(502)은 단결정 그룹 3족 질화물계 반도체 성장 장비인 MOCVD, MBE를 이용하여 성장 장비 챔버(chamber) 내에서 연속적으로 형성되며, 이미 널리 공지된 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), n형 도전성의 InGaN, GaN, AlInN, AlN, InN, AlGaN, p형 도전성의 InGaN, AlInN, InN, AlGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 그룹 3족 질화물계로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
특히, 상기 슈퍼래티스 구조의 표면개질층(502)은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성하는 것이 바람직하다.In particular, the
도 16B를 참조하면, 상기 표면개질층(502) 상부에 위치한 커런트스프레딩층(601)은 상기 p형 질화물계 클래드층(501)을 성장한 후, 물질 증착(deposition) 및 열처리(heat-treatment)의 후속 공정을 통해서 형성되며, 상기 커런트스프레딩 층(601)은 상기 표면개질층(502)과 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하여 수직방향으로의 전류주입(current injecting)을 할 수 있을 뿐만이 아니라, 낮은 면저항을 갖고 있어 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)이 우수한 전기전도성 박막이다.Referring to FIG. 16B, the current spreading
특히, 상기 커런트스프레딩층(601)은 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 흡수 없이 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성한다. 이 경우, 상기 커런트스프레딩층(601)은 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 산화시킨 니켈-금(NiO-Au)로 구성된다.In particular, the current spreading
도 17은 성장 기판 웨이퍼의 상층부에 p형 전극구조체의 일부인 커런트 블라킹 구조(current blocking structure)를 형성하기 위한 첫 번째 공정인 식각(etching)을 수행한 후에 보인 단면도이다.FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the first process for forming a current blocking structure, which is a part of a p-type electrode structure, on an upper layer of a growth substrate wafer.
도 17을 참조하면, 수직방향으로 상기 커런트스프레딩층(601) 두께와 표면개질층(502) 두께를 합한 두께(h)보다 더 깊게 식각하여 상기 p형 질화물계 클래드층(501)을 대기(air)에 노출시킨다.Referring to FIG. 17, the p-type
도 18은 성장 기판 웨이퍼의 p형 전극구조체의 일부인 전극박막층을 형성하기 위한 두 번째 공정인 전기전도성 물질막을 증착시킨 후에 보인 단면도이다.FIG. 18 is a cross-sectional view after deposition of an electrically conductive material film as a second process for forming an electrode thin film layer that is part of a p-type electrode structure of a growth substrate wafer.
도 18을 참조하면, 전기전도성인 전극박막층(12)을 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501), 표면개질층(502), 커런트스프레딩층(601) 상부에 증착하여 형성하여 p형 전극구조체(801)를 완성한다. 특히, 상기 p형 전극구조체(801)는 여덟 영역으로 구분할 수 있는데, 대기에 노출된 p형 질화물계 클래드층(501)과 접하는 전극박막층(12a, 12b, 12g)은 쇼키접촉 계면(schottky contacting interface)을 형성하고 있으며, 반면에 상기 커런트스프레딩층(601)과 표면개질층(502) 상부에 접하는 전극박막층(12c, 12d, 12e, 12f)은 오믹접촉 계면(ohmic contacting interface)을 형성하고 있다.Referring to FIG. 18, an electroconductive electrode
또한, 상기 p형 전극구조체(801)의 일부 영역(11)은 대기(air) 내지 전기절연성인 산화물로 구성될 수 있다.In addition, the
도 19 내지 20은 p형 전극구조체 상부에 웨이퍼 결합층(wafer bonding layer)을 형성시킨 후에 보인 단면도이다.19 to 20 are cross-sectional views of the p-type electrode structure after the wafer bonding layer is formed.
도 19를 참조하면, 상기 p형 전극구조체(801) 상부의 일부 영역에 전기전도성인 웨이퍼 결합층(901)을 증착한다. 이때, 상기 웨이퍼 결합층(901) 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성시킬 수 있다. 이 경우, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Referring to FIG. 19, an electrically conductive
도 20을 참조하면, 상기 p형 전극구조체(801) 상부의 전체 영역에 전기전도성인 웨이퍼 결합층(901)을 증착한다. 이때, 상기 웨이퍼 결합층(901) 빛에 대한 높은 반사, 물질의 확산 방지, 물질의 접착성 향상, 또는 물질의 산화 방지 역할을 수행할 수 있는 금속, 합금, 또는 고용체의 다층(multi-layer)으로 형성시킬 수 있다. 이 경우, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.Referring to FIG. 20, an electrically conductive
도 21은 본 발명자에 의해 개발된 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판 웨이퍼와 임시 기판 웨이퍼를 각각 준비한 단면도이다.21 is a cross-sectional view of preparing a heterogeneous supporting substrate wafer and a temporary substrate wafer, which are heat sink supports developed by the present inventors, respectively.
도 21A에 도시된 바와 같이, 이종 지지 기판 웨이퍼는 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302)과 상기 이종 지지 기판(302) 상/하면에 형성된 두층의 웨이퍼 결합층(902, 903)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 21A, the hetero support substrate wafer is composed of a
상기 이종 지지 기판 웨이퍼의 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302)은 전기 또는 열적으로 우수한 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 히트씽크 지지대는 Si, GaAs, Ge, SiGe, AlN, GaN, AlGaN, SiC, AlSiC 등의 웨이퍼(wafer)와 Ni, Cu, Nb, CuW, NiW, NiCu 등의 플레이트(plate) 또는 호일(foil)을 우선적으로 선택한다.The
상기 이종 지지 기판 웨이퍼의 히트씽크 지지대인 이종 지지 기판(302) 상/하면에 형성된 웨이퍼 결합층(902, 903)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The wafer bonding layers 902 and 903 formed on the upper and lower surfaces of the
도 21B에 도시된 바와 같이, 임시 기판 웨이퍼는 임시 기판(170), 희생분리층(180), 웨이퍼 결합층(904)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 21B, the temporary substrate wafer is composed of a
상기 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판(170)은 500 나노미터(nm) 이하 파장 영역대에서 광학적으로 70 퍼센트(%) 이상의 투과율을 갖거나, 상기 성장 기판(101)과의 열팽창 계수 차이가 2 피피엠(ppm/℃) 이하인 물질이 바람직하다. 이 경우, 임시 기판(170)은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알루미늄(AlN), 스피넬(spinel), 리튬니오베이트(lithium niobate), 네오듐갈라이트(neodymium gallate), 갈륨산화물(Ga2O3)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 임시 기판 웨이퍼의 희생분리층(180)은 지지 기판을 분리하는데 유리한 물질로 이루어진다. 이때, 강한 에너지를 갖는 특정 파장 대역의 포톤 빔(photon-beam)을 조사하여 분리할 경우는 ZnO, GaN, InGaN, InN, ITO, AlInN, AlGaN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN, 또는 습식 식각 용액(wet etching solution) 내에서 식각하여 분리할 경우는 Au, Ag, Pd, SiO2, SiNx로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
상기 임시 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(904)은 소정의 압력 및 200℃ 이상의 온도에서 강한 결합력을 갖는 전기전도성 물질막으로 형성한다. 이때, Au, Ag, Al, Rh, Cu, Ni, Ti, Pd, Pt, Cr, Sn, In, Si, Ge, 금속 실리사이드(metallic silicide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.The
도 22는 이종 지지 기판의 상/하면의 웨이퍼 결합층과 성장 기판과 임시 기판의 웨이퍼 결합층을 각각 맞대어 정렬시킨 후에 샌드위치 구조로 웨이퍼를 결합시켜 복합체를 형성한 단면도이다.FIG. 22 is a cross-sectional view of a wafer bonded layer on the top and bottom surfaces of a heterogeneous supporting substrate and a wafer bonded layer of a growth substrate and a temporary substrate, respectively, and then bonded to each other in a sandwich structure to form a composite.
도 22를 참조하면, 상기 성장 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(901)과 상기 이종 지지 기판 웨이퍼 상면의 웨이퍼 결합층(902), 상기 상기 이종 지지 기판 웨이 퍼 하면의 웨이퍼 결합층(903)와 상기 임시 기판 웨이퍼의 웨이퍼 결합층(904)을 각각 맞대어 웨이퍼 결합 공정에 의해 샌드위치 구조의 복합체(6)를 형성한다.Referring to FIG. 22, a
상기 웨이퍼 결합은 상온 내지 700℃ 이하의 온도 및 진공(vacuum), 산소(oxygen), 아르곤(argon), 또는 질소(nitrogen) 가스 분위기 하에서 소정의 정압력(hydrostatic pressure)을 인가하여 형성하는 것이 바람직하다.The wafer bond is preferably formed by applying a predetermined hydrostatic pressure under a temperature of room temperature to 700 ° C. and under a vacuum, oxygen, argon, or nitrogen gas atmosphere. Do.
더 나아가서, 상기 웨이퍼 결합 공정을 수행하기 전/후에 두 물질 간(901/902, 903/904)의 기계적인 결합력 및 오믹접촉 계면 형성을 향상시키기 위해서 표면처리(surface treatment) 및 열처리(heat treatment) 공정이 도입될 수도 있다.Furthermore, surface treatment and heat treatment to improve the mechanical bonding between the two materials (901/902, 903/904) and the formation of the ohmic contact interface before and after performing the wafer bonding process. Processes may be introduced.
도 23은 웨이퍼 결합된 샌드위치 구조의 복합체에서 성장 기판과 임시 기판을 각각 분리(lift-off)하는 공정을 보인 단면도이다.FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a process of lifting off a growth substrate and a temporary substrate in a wafer bonded sandwich structure composite.
도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 결합된 샌드위치 구조의 복합체(6)에서 성장 기판 웨이퍼의 일부인 성장 기판(101)과 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판(170)을 분리(lift-off)하는 공정은 강한 에너지를 갖는 포톤 빔인 레이저 빔(103)을 상기 광학적으로 투명한 성장 기판(101) 및 임시 기판(170) 후면에 조사하여, 상기 성장 기판(101)과 발광다이오드 소자용 다층구조체의 n형 질화물계 클래드층 간의 계면에서 열-화학 분해 반응을 발생시켜 상기 성장 기판(101)을 분리한다. 또한, 상기 임시 기판(170)과 희생분리층(180) 간의 계면에서 열-화학 분해 반응을 발생시켜 상기 임시 기판(170) 분리 제거한다.As shown, the process of lifting off the
또한, 상기 성장 기판(101) 및 임시 기판(170)의 물리 및 화학적 물성에 따 라서 화학-기계적인 연마 또는 식각 용액을 이용한 화학 습식 식각을 이용할 수 있다.In addition, depending on the physical and chemical properties of the
도 24는 성장 기판 웨이퍼의 성장 기판과 임시 기판 웨이퍼의 임시 기판을 분리시킨 후에 n형 질화물계 클래드층 상부에 표면 요철이 도입된 복합체의 단면도이다.24 is a cross-sectional view of a composite in which surface irregularities are introduced on an n-type nitride cladding layer after separating a growth substrate of a growth substrate wafer and a temporary substrate of a temporary substrate wafer.
도 24를 참조하면, 상기 성장 기판(101)과 임시 기판(170)을 안정적으로 완전히 제거 시킨 후에 행하는 공정 단계로서, 화학적 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 n형 질화물계 클래드층(301)이 대기(air)에 노출되도록 식각하고, 습식 또는 건식 식각을 이용하여 대기에 노출된 n형 질화물계 클래드층(301)의 표면에 요철(203)을 수행한다.Referring to FIG. 24, as a process step performed after the
도 25는 표면 요철이 형성된 n형 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 n형 전극구조체를 형성한 복합체의 단면도이다.FIG. 25 is a cross-sectional view of a composite in which an n-type electrode structure is formed on a portion of the upper surface of an n-type nitride clad layer in which surface irregularities are formed.
도 25를 참조하면, 표면 요철(203)이 형성된 n형 질화물계 클래드층(301) 상면 일부 영역에 부분 n형 전극구조체(303)를 형성시킨다. 상기 n형 전극구조체(303)는 600nm 이하의 파장대역에서 50% 이상의 반사율을 갖는 반사성 물질로 형성하는 바람직하다. 이 경우, n형 전극구조체(303)는 Cr/Al/Cr/Au으로 구성할 수 있다.Referring to FIG. 25, a partial n-
또한, 상기 n형 전극구조체(303)는 p형 질화물계 클래드층(501) 상면에 형성된 p형 전극구조체의 커런트 블라킹 구조(11)와 동일한 형상과 치수로 하는 동시에, 상기 발광다이오드 단면도 관점에서 수직방향으로 같은 위치에서 대향되게 배 치한다.In addition, the n-
도 26은 히트씽크 지지대 후면에 p형 오믹접촉 전극패드를 형성한 후에 완성한 수직구조의 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.FIG. 26 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode device having a vertical structure after forming a p-type ohmic contact electrode pad on a rear surface of a heat sink supporter.
도 26을 참조하면, 상기 임시 기판(170)을 분리 제거시킨 히트씽크 지지대(302) 후면에 p형 오믹접촉 전극패드(403)를 형성하여 최종적으로 수직구조 발광다이오드 소자를 완성한다.Referring to FIG. 26, a p-type ohmic
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be variously modified and changed by those skilled in the art, which should be regarded as included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. something to do.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a first embodiment according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a second embodiment according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,3 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a third embodiment according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,4 is a cross-sectional view showing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as a fourth embodiment according to the present invention.
도 5 내지 도 15는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 방법을 보인 단면도이고,5 to 15 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as an embodiment according to the present invention.
도 16 내지 도 26은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 방법을 보인 단면도이고,16 to 26 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure as an embodiment according to the present invention.
도 27은 종래기술에 따른 수평구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 개략적인 구성 단면도이고,27 is a schematic cross-sectional view of a group III-nitride semiconductor light emitting diode device having a horizontal structure according to the prior art;
도 28은 종래기술에 따른 수직구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 공정 단면도이다.28 is a cross-sectional view of a method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode device having a vertical structure according to the prior art.
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KR20080041613A KR20090115903A (en) | 2008-05-05 | 2008-05-05 | Fabrication of vertical structured light emitting diodes using group 3 nitride-based semiconductors and its related methods |
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WO2021201580A1 (en) * | 2020-04-02 | 2021-10-07 | 웨이브로드 주식회사 | Method for manufacturing iii-nitride semiconductor device |
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2008
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