KR20100061131A - 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법 Download PDF

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KR20100061131A
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본 발명은 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 질화갈륨계 반도체 기판의 일면에 희생층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계; 본딩층이 형성된 성장용 기판을 상기 희생층에 접합시키기 위한 열처리를 실시함으로써, 상기 질화갈륨계 반도체 기판 중 상기 이온주입영역이 제외된 영역을 상기 이온주입영역으로부터 분리하는 단계; 상기 이온주입영역 위에 제1도전형 질화물층, 활성층 및 제2도전형 질화물이 순차 적층된 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 제2도전형 질화물층 위에 제1접합용 금속층을 형성하는 단계; 제2접합용 금속층이 형성된 지지기판을 상기 제1접합용 금속층에 접합하는 단계; 상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물로부터 분리하는 단계; 및 상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계;를 포함한다.
수직구조, 화학적 습식 식각, 질화갈륨계 반도체 발광소자

Description

수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법{Method of manufacturing vertical structure nitride-gallium-based semiconductor light emitting device}
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 리프트 오프를 이용한 성장용 기판 분리시 발생하는 결정 결함을 억제할 수 있고, 또한, 버퍼층의 형성 없이 질화갈륨계 반도체의 결정성을 향상시킬 수 있는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨계 반도체는 청색, 자외선 영역에서 광원으로 적합한 물질로 발광다이오드(LED) 제조에 사용되고 있다. 이러한 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판 위에 성장된 질화갈륨계 성장층에 전극을 형성하여 제조하게 되는데, 두 전극이 수평하게 배치되는 전극 구조를 띠고 있다.
이는 성장용 기판인 사파이어가 전기적으로 절연물질이므로 LED의 활성층에 전류를 주입하기 위해서는 p-전극과 n-전극을 상부에 모두 배치해야만 하는 이유에서 기인한다. 이러한 수평구조 LED의 경우, p전극과 n전극을 상부에 모두 배치하기 위해서 소자의 면적이 넓어져야 하는 문제점이 있다. 또한, 수평구조 LED는 전류퍼짐을 위한 반투명 전극을 채용한 p전극과 n전극의 위치가 서로 가깝게 형성 되어 있어 정전기에 의한 결함이 생길 가능성이 크다.
한편, 수평구조 LED를 대체하기 위해, 전도성 SiC 기판이나 GaN 기판 위에 질화갈륨계 성장층이 형성된 수직구조 질화갈륨계 LED가 제조되고 있지만 고가의 기판 사용으로 인해 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또 다른 형태의 수직 전극 구조 LED는 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 기술 혹은 구리(Cu) 도금 공정을 이용하여 2차 기판을 형성하는 방법과 단파장 레이저 빔을 이용하여 Epi 성장용 기판을 분리하는 방법을 이용하여 분리된 질화갈륨계 성장층의 상부와 2차 기판 하부에 전극을 각각 형성한다.
이러한 수직 전극 구조 LED에서 Epi 성장은 일반 수평 구조 LED와 같은 방법으로 사파이어 기판 위에 GaN 성장층을 형성하며 웨이퍼 본딩 공정 혹은 구리 도금 공정을 통해 지지기판 혹은 금속층을 형성하여 성장층이 박막의 형태로 전도성 지지기판 혹은 금속층에 접합되기 때문에, n-GaN층이 상부에 노출되고, p-GaN층이 본딩 금속으로 지지기판과 접합된다. 그리고 수직 전극 구조 LED의 전극은 상부에 n 전극, 하부에 p전극이 형성된다.
이로써, 상부의 전극이 하나로 형성되기 때문에 칩의 면적이 줄어들어 웨이퍼당 칩 수율이 개선되고, 지지기판으로 열전도성이 우수한 기판 및 금속층을 채용할 수 있다.
그러나, 상기 수직 전극 구조 LED는, Epi 성장층에 지지기판을 형성한 후 단파장 레이저 빔을 조사하여 사파이어 기판을 투과하고 GaN 버퍼층에서 레이저 빔이 흡수되면서 사파이어 기판과 GaN층이 분리된다. 이때, 레이저 빔의 특성에 의해 순간적으로 발생하는 고열에 인해 GaN/사파이어 경계면에서 수 ㎛ 깊이 영영까지 300 ~ 400℃의 온도상승이 0.1㎲ 동안 일어나게 된다. 이러한 열충격(heat shock)이 LED 소자의 결함을 증가시킬 수 있으므로, 낮은 수준으로 레이저 에너지를 조절하여 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정을 여러번 진행해야 하지만, 임계 에너지가 아니면 사파이어와 GaN층의 분리가 이루어지지 않게 된다. 즉, 임계 에너지 이상이면서 GaN층에 damage가 적은 수준의 레이저 에너지 조건을 적용해야 하는 기술적인 상보영역이 존재하는 문제점이 있다.
또한, 사파이어와 GaN층이 서로 분리되면서 GaN층의 표면 200 ~ 300nm 깊이영역에는 레이저 에너지 흡수로 발생한 열충격으로 결정결함이 발생하게 되며, 그러므로, 사파이어 기판이 분리된 결정결함이 존재하는 버퍼층을 에칭하여 제거하는 공정이 요구된다. 즉, 레이저를 이용한 기판 분리 방법은 LED 결함 발생과 버퍼층을 제거해야 하는 추가적인 공정이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 화학적 습식 식각을 이용하여 성장용 기판을 발광구조물로부터 용이하게 분리함으로써 발광소자의 결정 결함을 억제할 수 있고, 버퍼층의 성장없이 고품위의 단결정 성장층을 형성할 수 있는 수직구조의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로써, 질화갈륨계 반도체 기판의 일면에 희생층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계; 본딩층이 형성된 성장용 기판을 상기 희생층에 접합시키기 위한 열처리를 실시함으로써, 상기 질화갈륨계 반도체 기판 중 상기 이온주입영역이 제외된 영역을 상기 이온주입영역으로부터 분리하는 단계; 상기 이온주입영역 위에 제1도전형 질화물층, 활성층 및 제2도전형 질화물이 순차 적층된 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 제2도전형 질화물층 위에 제1접합용 금속층을 형성하는 단계; 제2접합용 금속층이 형성된 지지기판을 상기 제1접합용 금속층에 접합하는 단계; 상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물로부터 분리하는 단계; 및 상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계;를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자 의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 질화갈륨계 반도체 기판은 갈륨 극성의 제1면과, 질소 극성의 제2면을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면에 희생층을 형성하는 단계는, 상기 제2면에 수행되며, 상기 희생층은 절연성이며, SiO2 및 Si3N4로 이루어지며, 상기 성장용 기판은 절연성이며, SiC, Al2O3 및 GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계는, 상기 제2면에 제1도전형 불순물을 이온 주입하는 것에 의해 수행되며, 상기 이온주입영역은 결정결함밀도(DD)가 1×10E6/㎠ 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계 후에, 상기 성장용 기판에 질화갈륨계 반도체의 성장온도를 견디는 물질을 기상 증착 또는 졸 겔(Sol gel)법으로 상기 본딩층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨계 반도체 기판이 분리된 상기 이온주입영역의 표면은 갈륨 극성인 것을 특징으로 한다.
상기 제2도전형 질화물층 위에 제1접합용 금속층을 형성하는 단계 전에, 상기 제2도전형 질화물층 위에 반사금속층 및 확산방지금속층이 순차 적층되도록 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 지지기판은 도전성이며, 열팽창계수가 상기 발광구조물과 동일한 기판이며, 상기 지지기판은 Si-Al 합금 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, 또는 W, Cu, Au, Ni, Ti 등의 금속 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계는, 화학적 습식 식각에 의해 수행되며, 상기 화학적 습식 식각은 HF, KOH 중 적어도 어느 하나의 식각액을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 지지기판에 제2도전형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 희생층이 제거된 면을 표면처리하여 상기 이온주입영역을 제거하는 단계;를 더 포함하 는 것을 특징으로 한다.
상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계는, 상기 포토 레지스트막을 이용하여 상기 발광구조물 위에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 발광구조물 중 상기 마스크 패턴에 의해 노출된 영역을 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma : ICP) 에칭하여 상기 제1접합용 금속층이 노출되도록 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계 후에, 상기 제1도전형 질화물층 위에 제1도전형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법은 화학적 습식 식각을 이용하여 성장용 기판을 발광구조물로부터 분리함으로써 레이저 리프트 오프 공정에 의한 LED 결정 결함을 방지할 수 있고, 성장용 기판에 버퍼층을 형성하지 않고, 질화갈륨계 기판에 이온주입을 통해 전이된 질화갈륨계 영역(이온주입영역)을 형성하고, 상기 전이된 질화갈륨계 영역에 발광구조물의 에피층을 성장시킴으로써 결정 결함이 적은 발광소자가 제조 가능하다. 또한, 성장용 기판에 버퍼층의 형성 및 이의 제거를 위한 추가적인 공정이 불필요하여 제조공정이 간단해 지는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있을 수 있음이 고려되어야 하며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 측단면도이다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자(100)는 제1도전형 질화물층(161), 활성층(163) 및 제2도전형 반도체층(165)으로 이루어진 발광구조물(160), 지지기판(180) 및 발광구조물(160)과 지지기판(180) 사이에 형성된 제1 및 제2접합용 금속층(170, 190)을 포함한다. 그리고, 제1도전형 질화물층(161) 및 지지기판(180)에 각각 제1도전형 전극(220) 및 제2도전형 전극(200)이 형성되어 있다.
여기서, 발광구조물(160)은 제1도전형 질화물층(161), 활성층(163) 및 제2도전형 반도체층(165)으로 이루어지되, 지지기판(180) 위에 제2도전형 질화물층(165), 활성층(163) 및 제1도전형 질화물층(161)이 순착적으로 적층되어 형성된 구조물이다.
본 일 실시 형태에서, 발광구조물(160)을 이루는 제1도전형 및 제2도전형 질화물층(161, 165)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 제1도전형 불순물 및 제2도전형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 제1도전형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
활성층(163)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 발생하는 층으로서, 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는 질화물 반도체층으로 구성된다. 그리고, 활성층(163)은 제1도전형 질화물층(161) 및 제2도전형 질화물층(165)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하여 성막한다.
예를 들어 제1도전형 질화물층(161) 및 제2도전형 질화물층(165)이 질화갈륨계 화합물 반도체인 경우, 질화갈륨계 화합물 반도체의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN계 화합물 반도체를 이용하여 활성층(163)을 형성할 수 있다.
이때, 활성층(163)의 특성상, 불순물은 도핑되지 않는 것이 바람직하며, 장벽의 높이나 우물층의 두께, 조성, 우물의 개수를 조정하여 파장이나 양자효율을 조절할 수 있다.
이와 같은 제1도전형 질화물층(161), 활성층(163) 및 제2도전형 질화물층(165)은 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이드라이드 기상증착법(HVPE)등으로 성장될 수 있다.
지지기판(180)은 발광구조물을 지지하기 위한 기판이다. 발광구조물(160)의 성장영 기판이 사파이어 기판이나 스피넬(MgAl2O4)과 같이, 발광구조물을 구성하는 반도체층과 결정격자상수가 유사하여 성막특성이 우수하나 전극형성이 불가능한 부도전성 기판인 경우, 성장기판을 제거하고 지지기판(180)의 접합이 필요하게 된다.
따라서, 지지기판(180)은 발광구조물을 지지하면서 제1도전형 질화물층(161) 또는 제2도전형 질화물층(165)과 접합되어 전압을 인가하기 위한 전극을 형성할 수 있는 도전성 기판인 것이 바람직하다. 이러한 지지기판(180)은 Si 기판, SiAl 기 판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, 및 GaN 기판 중 어느 하나일 수 있다.
제1 및 제2접합용 금속층(170, 190)은 발광구조물(160) 및 지지기판(180)에 각각 형성되어 발광구조물(160)과 지지기판(180) 사이를 접합시킨다.
수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 경우, 지지기판(180)을 도금방법으로 형성하지 않고, 접합방법으로 발광구조물(160)에 접합하는 경우에는 접합용 금속층(170, 190)이 필요하다.
그러나, 접합용 금속층(170, 190)은 제2도전형 질화물층(165) 및 지지기판(180)을 접합하는 기능을 하나, 이와 함께 가열 및 가압으로 인하여 그 구성성분이 제2도전형 질화물층(165) 또는 지지기판(180)으로 확산되는 경우가 있다. 따라서, 접합용 금속층(170, 190)의 금속 물질이 확산되는 것을 방지하기 위하여 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)는 접합용 금속층(170, 190)의 일면에 확상방지금속층을 더 포함할 수 있으며, 이에 관련하여서는 도 3에서 설명한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 수직구조의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 측단면도이다. 수직구조의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법은 소정의 웨이퍼를 이용하여 복수 개로 제조되나, 도 2에 서는 설명의 편의를 위해 두 개의 발광소자만을 제조하는 방법을 도시하고 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 질화갈륨계 기판(110)을 마련한다. 이 질화갈륨계 기판(110)은 갈륨(Ga)이 풍부한 표면(110a)(이후, Ga-극성이라 함)과 질소(N)가 풍부한 표면(110b)(이하, N-극성이라 함)을 갖는다. 여기서, 질화갈륨계 기판(110)은 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 또는 하이드라이드 기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)과 같은 공지의 증착 공정을 이용하여 형성된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 질화갈륨계 기판(110)의 N-극성 표면(110b)에 희생층(120)을 형성한 후, 희생층(120) 표면에 이온을 주입하여 질화갈륨계 기판(110)의 N-극성 표면(110b) 측에 이온주입영역을 형성한다.
이때, 이온 주입 공정은 고품위의 Ga-극성 표면을 갖는 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 우수한 결정성을 갖는 층을 형성하기 위해 임플랜테이션(implantation) 기술을 사용하여 이루어지며, H, He 등의 원소를 1 ~ 5×10E17/㎤ 농도의 이온을 주입하여 형성한다. 이러한 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온주입영역은 결정결함밀도(DD)가 1×10E6/㎠ 이하의 우수한 결정성을 가지므로, 고품위의 질화갈륨계 반도체층을 성장시킬 수 있다.
여기서, 희생층(120)은 이온 주입시 주입되는 이온의 에너지를 줄여주어 이온이 주입되는 깊이를 제어할 수 있게 하며, 또한, 습식 식각에 의해 선택적으로 제거됨으로써 성장용 기판(110)을 발광구조물로부터 용이하게 분리가능하게 한다. 이러한 희생층(120)은 SiO2 및 Si3N4 중 하나의 물질을 선택하여 형성된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 이온주입영역(130)은 고품위의 Ga-극성 표면을 갖는 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 층으로, 질화갈륨계 기판(110)과 희생층(120) 사이의 계면에서부터 일정 깊이까지 형성된다. 구체적으로, 질화갈륨계 기판(110)의 N-극성 표면으로부터 일정 깊이로 형성되며, 바람직하게는, 1 ~ 5 ㎛ 로 형성된다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 이온주입영역(130)이 형성된 질화갈륨계 기판(110)에 성장용 기판(140)을 접착한다. 이 성장용 기판(140)은 예컨대 SiC, Al2O3, GaN 중 어느 하나의 기판일 수 있다. 이러한 성장용 기판(110)을 희생층(120)에 접착하기 위해 본딩층(150)을 성장용 기판(110) 위에 형성한다. 이때, 본딩층(150)은 희생층과 동일한 물질, 유전막 및 화학적으로 제거가능하며 질화갈륨계 반도체층이 성장되는 성장온도(예컨대, 1100℃)에서 견딜수 있는 물질을 기상 증착이나 졸 겔(Sol gel)법으로 형성할 수 있다.
그런 후, 고온/고압 조건의 열처리를 실시하여 본딩층(150) 상에 희생층(120)을 접합하는 본딩 공정을 진행한다. 이때, 본딩 공정으로는 양극접합(anodic bonding) 또는 접착접합(adhesive bonding) 중 본딩층(150)을 이루는 물질에 따라 선택하여 진행할 수 있으며, 접합온도는 300 ~ 700℃ 정도 이다.
동시에, 본딩층(150)을 이용하여 성장용 기판(140)을 본딩하기 위한 고온/고압 조건의 열처리시, 이온주입영역(130)이 질화갈륨계 기판(110)과 분리된다. 질화갈륨계 기판(110)이 분리된 이온주입영역(130)의 표면(130a)은 갈륨이 풍부한 표면으로 Ga-극성을 가지며, 희생층(120)과 접합된 표면(130b)은 질소가 풍부한 N-극성을 갖는다.
여기서, 질소가 풍부한 표면을 갖는 N-극성은 갈륨이 풍부한 표면을 갖는 Ga-극성에 비해 불순물로 작용하는 물질이 훨씬 더 잘 결합하게 된다. 이로 인해 N-극성 표면을 갖는 질화갈륨계 반도체의 결정성이 Ga-극성 표면을 갖는 질화갈륨계 반도체층에 비해 결정성이 저하된다. 따라서, 즉, 이온주입영역(130)의 Ga-극성 표면(130a) 위에 발광구조물을 이루는 질화물층을 성장시킴으로써, 고품위의 에피성장층을 얻을 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 질화갈륨계 기판(110)이 분리된 이온주입영역(130)의 Ga-극성 표면(130a)에 질화갈륨계 물질을 성장시켜 발광구조물(160)을 형성한다. 이때, 발광구조물(160)을 형성하기 전에, 이온주입영역(130)의 Ga-극성 표면(130a)을 폴리싱(polishing) 처리를 실시할 수 있다.
여기서, 발광구조물(160)은 제1도전형 질화물층(161), 활성층(163) 및 제2도전형 질화물층(165)이 이온주입영역(130) 위에 순차적으로 적층된 구조물이다. 여기서, 제1 및 제2도전형 질화물층(161, 165)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 또는 하이드라이드 기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)과 같은 공지의 증착 공정을 이용하여 이온주입영역(130) 상에 순차적으로 성장시킴으로써 형성할 수 있다.
그리고, 활성층(163)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물구조를 갖는 GaN 또는 InGaN 등의 질화물층으로 구성되며 제1 및 제2도전형 질화물층(161, 165)과 동일한 방법으로 성장시킬 수 있다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 성장된 발광구조물(160)의 제2도전형 질화물층(165) 위에 제1접합용 금속층(170)을 형성한다. 제1접합용 금속층(170)은 제2도전형 질화물층(165)과 양호한 오믹 컨택을 형성한다.
그리고, 발광구조물(160)에 접합될 지지기판(180) 위에 제2접합용 금속층(190)을 형성한다. 이러한 제1 및 제2접합용 금속층(170, 190)은 Au, Ti, Ni, Pt, Rh, Al, In, Sn 등과 같은 물질 하나 이상 포함된 물질로 형성될 수 있다.
그런 다음, 제1접합용 금속층(170)과 제2접합용 금속층(190)을 접합하여 지지기판(180)을 발광구조물(160)에 접합한다.
여기서, 지지기판(180)은 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 기판으로서, 특히 열팽창계수가 발광구조물(160)을 질화물층과 동일한 기판을 이용한다. 이러한 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 지지기판(180)은 Si-Al 합금 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, 또는 W, Cu, Au, Ni, Ti 등의 금속 기판을 사용할 수 있다.
그런 다음, 화학적 습식 식각을 실시하여 희생층(120)을 식각함으로써 성장용 기판(140)을 발광구조물(160)로부터 분리한다. 이때, 화학적 습식 식각은 희생층(120)만을 선택적으로 식각하는 식각액(화살표)을 이용하여 수행되며, 화학적 식각에 사용되는 물질의 상으로는 용액, Gas, 이온 상태일 수 있으며, 본 발명에서는 용액을 사용한 경우를 들어 설명하며, 화학적 식각에 사용되는 식각액은 희생층(120)을 선택적으로 식각할 수 있는 것이면 제한되지 않고 선택할 수 있으며, 바람직하게는, HF, KOH 등의 용액을 선택하여 사용하는 것이 좋다. 그리고, 식각 속 도는 식각액의 농도와 식각액의 온도에 의하여 조절할 수 있다. 이처럼 화학적 식각 방법은 식각 용액을 제외하고는 종래에 잘 알려진 습식 식각 방법을 동일하게 사용할 수 있다.
그런 다음, 희생층(120)이 식각된 면, 즉 이온주입영역(130)은 표면처리를 통해 제1도전형 질화물층(161)이 드러날 때까지 전면 식각하여 제거한다.
이어서, 도 2g에 도시된 바와 같이, 발광구조물(160)과 접합된 면과 대향되는 면에 제2도전형 전극(200)을 형성한다. 그리고, 제1도전형 질화물층(161)위에 발광구조물(160)을 칩 크기로 분리하기 위한 포토 레지스트막을 이용한 마스크 패턴(210)을 형성한다.
이어서, 도 2h에 도시된 바와 같이, 제1도전형 질화물층(161) 중 마스크 패턴(210)에 의해 노출된 영역을 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma : ICP) 에칭 공정을 통해 제1접합용 금속층(170)이 노출될때까지 식각하여 발광구조물(160)을 칩 크기별로 분리한다.
여기서, ICP 에칭 공정은 저압력으로 RF 전력을 유도적으로 플라즈마에 결합시킴으로써 1011/㎤ 이상의 플라즈마 밀도를 달성하여 고선택비 및 고 에칭레이트의 에칭을 실행 가능하게 하는 공지된 방법이다.
그리고, 칩 크기별로 분리된 발광구조물(160')에 따라(점선) 제1 및 제2접합용 금속층(170, 190), 지지기판(180) 및 제2도전형 전극(200)을 절단하기 위한 다이싱(dicing) 공정을 수행한다. 다이싱 방법으로는 다이아몬드 소잉(sawing) 또는 레이저 절단(scribing) 등이 이용된다.
이어서, 도 2i에 도시된 바와 같이, 도 2h의 결과인 발광구조물(160')의 제1도전형 질화물층(161') 위에 제1도전형 전극(220)을 형성함으로써 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자가 완성된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 측단면도이다. 여기서, 도 1에 도시된 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자와 동일한 용어는 동일한 구성요소이며, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자(300)는 제1도전형 질화물층(361), 활성층(363) 및 제2도전형 반도체층(365)으로 이루어진 발광구조물(360), 지지기판(380) 및 발광구조물(360)과 지지기판(380) 사이에 형성된 제1 및 제2접합용 금속층(370, 390)을 포함한다. 여기서, 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자(300)은 제2도전형 질화물층(365)과 제1접합용 금속 층(190) 사이에 반사금속층(373) 및 확상방지금속층(371)이 더 구비된다.
이때, 반사금속층(373)은 활성층(363)에서 생성된 빛에 대해 75% 이상의 반사율을 가지며, 빛의 반사에 의해 발광소자의 광추출 효율을 증가시킨다. 또한, 반사금속층(373)은 Al, Ag, Ni, Pd, Pt, Ru 및 이들 중 2 이상의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
확산방지금속층(371)은 반사금속층(373)과 제1접합용 금속층(370) 간의 확산 상호작용을 억제하는 역할을 한다. 제1접합용 금속층(3700을 이루는 물질이 반사금속층(373) 또는 제2도전형 질화물층(365)으로 확산될 경우, 반사금속층(373)의 오믹 특성이 악화될 수 있다. 즉, 확산방지금속층(371)은 반사금속층(373)과 제2도전형 질화물층(365) 간의 오믹 컨택의 악화를 방지한다. 이러한 확산방지금속층(371)은 Ti, W, Mo, Co, Pd, Pt, Ni 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 따라 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 따라 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 수직 구조의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 측단면도이다.

Claims (18)

  1. 질화갈륨계 반도체 기판의 일면에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계;
    본딩층이 형성된 성장용 기판을 상기 희생층에 접합시키기 위한 열처리를 실시함으로써, 상기 질화갈륨계 반도체 기판 중 상기 이온주입영역이 제외된 영역을 상기 이온주입영역으로부터 분리하는 단계;
    상기 이온주입영역 위에 제1도전형 질화물층, 활성층 및 제2도전형 질화물이 순차 적층된 발광구조물을 형성하는 단계;
    상기 제2도전형 질화물층 위에 제1접합용 금속층을 형성하는 단계;
    제2접합용 금속층이 형성된 지지기판을 상기 제1접합용 금속층에 접합하는 단계;
    상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 상기 발광구조물로부터 분리하는 단계; 및
    상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계;를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 반도체 기판은 갈륨 극성의 제1면과, 질소 극성의 제2면을 갖는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면에 희생층을 형성하는 단계는, 상기 제2면에 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 희생층은 절연성이며, SiO2 및 Si3N4로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계는, 상기 제2면에 제1도전형 불순물을 이온 주입하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온주입영역은 결정결함밀도(DD)가 1×10E6/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 반도체 기판의 일면 측에 이온 주입에 의한 이온주입영역을 형성하는 단계 후에, 상기 성장용 기판에 질화갈륨계 반도체의 성장온도를 견디는 물질을 기상 증착 또는 졸 겔(Sol gel)법으로 상기 본딩층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 반도체 기판이 분리된 상기 이온주입영역의 표면은 갈륨 극성인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 성장용 기판은 절연성이며, SiC, Al2O3 및 GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 질화물층 위에 제1접합용 금속층을 형성하는 단계 전에, 상기 제2도전형 질화물층 위에 반사금속층 및 확산방지금속층이 순차 적층되도록 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 지지기판은 도전성이며, 열팽창계수가 상기 발광구조물과 동일한 기판인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지지기판은 Si-Al 합금 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, 또는 W, Cu, Au, Ni, Ti 등의 금속 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계는, 화학적 습식 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 화학적 습식 식각은 HF, KOH 중 적어도 어느 하나의 식각액을 이용하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 지지기판에 제2도전형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하여 상기 성장용 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 희생층이 제거된 면을 표면처리하여 상기 이온주입영역을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계는,
    상기 포토 레지스트막을 이용하여 상기 발광구조물 위에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 발광구조물 중 상기 마스크 패턴에 의해 노출된 영역을 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma : ICP) 에칭하여 상기 제1접합용 금속층이 노출되도록 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물, 제1 및 제2접합용 금속층 및 지지기판을 칩 크기로 절단하는 단계 후에, 상기 제1도전형 질화물층 위에 제1도전형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방 법.
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