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KR101438818B1 - 발광다이오드 소자 - Google Patents

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KR101438818B1
KR101438818B1 KR1020080030106A KR20080030106A KR101438818B1 KR 101438818 B1 KR101438818 B1 KR 101438818B1 KR 1020080030106 A KR1020080030106 A KR 1020080030106A KR 20080030106 A KR20080030106 A KR 20080030106A KR 101438818 B1 KR101438818 B1 KR 101438818B1
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Abstract

본 발명은 성장기판과 히트씽크 지지대를 결합시키는 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정 기술과 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체 상부에 형성된 기능성 복합막층을 통한 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체의 전면 분리 공정 기술을 접목하여 단일 수직구조 발광다이오드 소자, 상기 단일 수직구조 발광다이오드가 집적화된 수직구조 발광다이오드 소자, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
성장기판, 히트씽크 지지대, 웨이퍼 플레이트, 발광구조체, 기능성 복합막층, 격자 셀, 전도성 웨이퍼 결합층, 단일 수직구조 발광다이오드, 집적화된 수직구조 발광다이오드

Description

발광다이오드 소자{light emitting diode}
본 발명은 성장기판과 히트씽크 지지대를 결합시키는 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정 기술과 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체 상부에 형성된 기능성 복합막층을 통한 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체의 전면 분리 공정 기술을 접목하여 단일 수직구조 발광다이오드 소자, 상기 단일 수직구조 발광다이오드가 집적화된 수직구조 발광다이오드 소자, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode; LED) 및 레이저다이오드(laser diode; LD) 등의 발광소자는 p-n결합에 순방향으로 전류를 흐르게 함으로써 빛을 발생시키는 고체 반도체 장치이다. 특히 고체 반도체를 이용한 발광다이오드 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 5~10년 이상으로 길며 전력 소모와 유지 보수비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 디스플레이 및 조명용 기기 응용 분야에서 주목받고 있다.
일반적으로 그룹 3족 질화물계 반도체 LED 소자는 투명한 사파이어(sapphire) 성장기판 상면에 성장하지만, 사파이어 성장기판은 단단하고 전기적으로 절연성이며 열전도 특성이 뛰어나지 않아 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광추출 효율, 또는 정전기 방전(electrostatic discharge; 이하, 'ESD'라 칭함) 같은 단위칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다. 향후 차세대 디스플레이 및 조명용 광원으로서 상기한 발광다이오드 고체소자가 광범위하게 응용되기 위해서는 무엇보다도 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성이 있어야 한다.
상기한 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 LED 소자를 구현하기 위해서는 발광소자 구동 시에 외부에서 대용량 전기에너지를 인가하거나 대면적의 단위칩을 제조해야 한다. 현재 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 LED 소자 구현은 비교적 용이한 방식인 LED 소자에 대전류(즉, 대용량)를 인가하여 수행하고 있지만, 대전류 인가 시에 필연적으로 발생하는 다량의 열방출 문제를 해결하는데 어려움을 겪고 있는 실정이다. 상기 열방출 문제를 해결하기 위한 수단으로, 종래에는 플립칩 본딩(flip-chip bonding)에 의해 제조된 수평구조 발광다이오드 소자를 주로 사용하여 왔다. 상기 플립칩 본딩에 의해 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 수평구조 발광다이오드 소자는 발광다이오드 소자용 발광구조체로 만들어진 단위칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼(~150 W/mK) 또는 AlN 세라믹(~180 W/mK) 기판 등의 서브마운트(submount) 기판에 뒤집어 부착시킨 것이다. 이 경우, 서브마운트 기판을 통 하여 열이 방출되므로 사파이어 성장기판을 통하여 열을 방출하는 경우보다 열방출 효율이 향상되기는 하지만, 그 향상 정도가 만족할 만한 수준인 것은 아니며, 더욱이 플립칩 본딩에 의해 제조된 수평구조 발광다이오드 소자 제조공정은 낮은 제품 수율 문제 및 고비용이 양산성에 큰 걸림돌이 되고 있다.
종래 플립칩 본딩에 의해 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 수평구조 발광다이오드 소자 제조의 상기 문제점들을 해결하기 위한 새로운 대안으로 최근, 독일의 오스람(OSRAM)이 박막 질화갈륨 발광다이오드(thinGaN LED)라는 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 제품을 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 성장기판 분리(lift-off) 기술을 접목하여 개발하였고, 그 이외의 몇몇 선진 회사들도 유사한 형태의 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 개발에 주력하고 있다.
상기 투명한 성장기판 분리를 통한 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조는 플립칩 본딩에 의해 제조된 수평구조 발광다이오드와는 달리 미세한 플립칩 본딩 공정이 필요하지 않고, 사파이어 성장기판의 분리만 확실하게 수행된다면 제조 공정 및 단가를 월등히 혁신시킬 수 있다. 이외에도, 플립칩 본딩에 의해 제조된 수평구조 발광다이오드 소자 제조의 경우 발광면적이 단위칩 면적의 약 50% 정도인데 비하여, 사파이어 성장기판이 분리된 수직구조 발광다이오드 소자의 경우 발광면적이 단위칩 면적의 90% 정도에 이르므로 경제적 및 기술적 관점에서도 플립칩 본딩에 의해 제조된 수평구조 발광다이오드 소자에 비해 훨씬 유리하다. 그러나 여전히 상기 플립칩 본딩에 의한 수평구조와 사파이어 성장기판 분리 방식을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자는 일정한 단위칩 발광면적을 갖는 소자에 대전류를 인가하는 방식이라 에너지 전환효율(‘외부에서 인가한 전기에너지 대 방출한 광에너지’ 정의)이 뛰어나지가 않다.
따라서, 차세대 높은 에너지 전환효율 특성을 갖는 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자를 구현하기 위해서는 가능한 대면적 저전류 주입 방식을 이용하는 것이 기술 및 경제적인 면에서 훨씬 유리하다.
현재 상기 플립칩 본딩에 의해 제조된 수평구조 발광소자는 낮은 p형 질화물계 클래드층의 전기전도성으로 인한 전류밀집(current crowding) 현상이 발생하여 대면적 발광다이오드 소자 제조에 원천적으로 기술적 제한이 있다. 또한 상기 사파이어 성장기판 분리(lift-off) 방식을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자도 발광소자 제조 시에 이용되는 레이저빔(laser beam) 크기 제한으로 인하여 대면적 수직구조 발광소자를 제조하여 저전력 주입을 통한 높은 에너지 효율 특성을 갖는 광원을 확보하기엔 쉽지 않다. 일반적으로 종래의 레이저 리프트 오프 방식은 최대 2.5mm x 2.5mm 면적을 갖는 강한 에너지원의 레이저빔을 조사할 수 있기 때문에, 상기 레이저빔을 조사하기 전에 고체 반도체 박막의 손상 및 크랙(crack) 전파를 최소화하기 위해서 선택된 소정의 레이저빔 치수보다 작게 건식에칭(dry etching) 공정으로 사파이어 성장기판까지 트렌치(trench)를 이용하여 섬화(isolation) 시켜야 한다. 상기 레이저 리프트 오프 방식에 도입된 섬화공정은 그룹 3족 질화물계 반도체 박막의 크랙 및 깨짐 방지와 이들의 전파(propagation)를 방지하기 위한 핵 심 방안 기술이다. 그러나 상기 레이저 리프트 오프 방식에 의해 전기전도성 지지대에 전이(transfer)시킨 섬화된 발광다이오드 소자용 발광구조체 면적은 사용된 레이저빔 모양 및 크기에 제한적이므로 수직구조 발광다이오드 소자의 크기를 무한정으로 증가시킬 수 없다. 일반적으로 사용되는 균일한 에너지 분포를 갖는 선택된 소정의 레이저빔 면적은 1mm x 1mm 이다.
상기 트렌치를 통한 섬화공정(isolation process) 이외에도 레이저 리프트 오프 방식 도입 시에 발생하는 반도체 박막층 손상을 최소화하기 위한 또 다른 핵심 방안 기술은 성장기판과 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 간에 존재하는 잠재 스트레스(latent stress)로 인한 크랙 및 깨짐 방지 목적으로 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면면에 밀착성이 뛰어난 지지대(support)를 형성하는 것이다. 상기 지지대는 레이저 리프트 오프 공정 시에 잠재 스트레스를 완화하는 역할 이외에, 동시에 열적 및 전기적으로 전도성이 있어 최종적으로 제조된 수직구조 발광소자 구동 시에 발생하는 다량의 열을 외부로 방출시켜 주는 히트씽크(heat-sink) 역할과 전극으로서의 전류주입 역할을 할 수 있어야 한다.
상기 전기전도성 지지대를 형성시키는 방법으로는 전기 도금(electro-plating)과 웨이퍼 결합(wafer bonding)이 주로 이용되고 있다. 상기 전기 도금에 의해 형성된 전기전도성 지지대를 이용하면 비교적 용이하게 수직구조 발광다이오드 소자를 제조할 수 있는 장점이 있지만, 최종적으로 제조된 수직구조 발광다이오드 소자의 전체적인 소자신뢰성에 심각한 문제점을 갖고 있다(도 1 참조). 반면에, 상기 웨이퍼 결합에 의해 형성된 전기전도성 지지대는 안정적인 소자신뢰성을 확보 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 상기 웨이퍼 본딩에 의해 형성시키는 공정은 열팽창계수(thermal expansion coefficient)가 다른 이종물질간의 웨이퍼 결합을 성공적으로 수행해야 하기 때문에, 이종물질간의 웨이퍼 결합 후에 열적 스트레스로 인하여 기판 또는 반도체 박막층 내에 크랙 또는 깨짐 문제, 더 나아가서는 비결합(debonding) 현상 등의 여러 심각한 문제점이 대두하고 있다(도 2 참조).
상기 전기전도성 지지대를 형성시키는 방법인 전기 도금(도 1 참조)과 웨이퍼 결합(도 2 참조)을 더욱 더 상세하게 설명하자면, 하기 와 같다.
상기 전기 도금(electroplating)에 의해서 형성된 전기전도성 지지대(support)를 이용하여 수직구조 발광다이오드 소자 제조 공정은 도 1에 보인 바와 같다. 우선 성장기판(10) 상면에 기본적으로 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 및 p형 질화물계 클래드층(40)으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시킨 후, 도 1A에 보인 바와 같이, 트렌치(80)를 이용하여 레이저빔 크기보다 작게 섬화공정(isolation process)을 수행한다. 그런 후, 소자 패시베이션층(50)과 커런트 블라킹(current blocking) 영역을 포함한 반사성 오믹접촉 전극층(60), 및 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기 도금으로 형성시키기 위한 씨드층을 포함한 전기전도성 다층막(70a)을 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상면 또는 측면에 형성시킨다. 그런 후, 도 1B에 보인 바와 같이, 상기 트렌치(80)된 영역에 유기물 포스트(90)를 세우고, 동시에 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기 도금으로 형성시키기 위한 씨드층을 포함한 전기전도성 다층막(70a)을 상기 유기물 포스트(90) 상면에도 형성시킨다. 그런 후, 도 1C 에 보인 바와 같이, 상기 지지대(100) 역할을 하는 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기 도금으로 형성시킨다. 그런 후, 도 1D에 보인 바와 같이, 상기 레이저 리프트 오프 방식을 이용하여 성장기판(10) 분리 및 레이저 리프트 오프 잔해물 등을 분리하는 평탄화 공정을 행한다. 그런 후, 도 1E에 보인 바와 같이, 대기 중으로 노출된 n형 질화물계 클래드층(20) 일부 영역에 표면 요철(surface texture; 110)과 오믹접촉 전극 및 전극패드(120)를 형성한다. 그런 후, 도 1F에 보인 바와 같이, 마지막 공정으로서 기계 또는 레이저 가공을 통해서 단위 수직구조 발광다이오드를 완성한다.
상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)에 의해서 형성된 전기전도성 지지대(support)를 이용하여 수직구조 발광다이오드 소자 제조 공정은 도 2에 보인 바와 같다. 우선 성장기판(10) 상면에 기본적으로 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 및 p형 질화물계 클래드층(40)으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시킨 후, 도 2A에 보인 바와 같이, 트렌치(80)를 이용하여 레이저빔 크기보다 작게 섬화공정(isolation process)을 수행한다. 그런 후, 소자 패시베이션층(50), 커런트 블라킹(current blocking) 영역을 포함한 반사성 오믹접촉 전극층(60), 및 전도성 웨이퍼 결합층(70b)을 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상면에 형성시킨다. 그런 후, 도 2B에 보인 바와 같이, 상기전도성 웨이퍼 결합층(70b)을 이용하여 전기전도성 기판인 Si을 지지대(140)로서 웨이퍼 결합한다. 그런 후, 도 1C에 보인 바와 같이, 상기 레이저 리프트 오프 방식을 이용하여 성장기판(10) 분리 및 레이저 리프트 오프 공정 잔해물 등을 분리하는 평탄화 공정을 행한다. 그런 후, 도 1D에 보인 바와 같이, 대기에 노출된 n형 질화물계 클래드층(20) 일부 영역에 표면 요철(surface texture; 110)과 오믹접촉 전극 및 전극패드(120)를 형성한다. 그런 후, 도 1E에 보인 바와 같이, 마지막 공정으로서 기계 또는 레이저 가공을 통해서 단위 수직구조 발광다이오드를 완성한다.
상술한 바와 같이, 종래 전기 도금 및 웨이퍼 결합 공정 기술을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 공통적으로 성장기판(10)을 분리하기 전에 레이저빔 크기보다 작은 규격(scale)으로 발광다이오드 소자용 발광구조체를 단일화시키는 섬화공정(isolation process)을 포함하고 있는 것이 특징이다. 상술한 섬화공정을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 레이저빔 크기보다 더 큰 발광면적을 갖는 발광소자를 제조하는데 기술적 한계가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체에 손상(damage) 없이 웨이퍼 전체의 크기로 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 전면적으로 분리하여, 전기 및 광학적 특성이 우수한 단일 수직구조 발광다이오드 소자뿐만이 아니라, 이들 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 집적화(integration)하여 고효율 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적을 성공적으로 수행하기 위해서는, 종래 트렌치(trench) 형성을 통한 섬화공정(isolation process) 없이 발광다이오드 소자용 발광구조체 박막이 성장기판으로부터 전기전도성인 히트씽크 지지대로 안전하게 전면으로 전이(transfer)되어야 한다. 이를 위해서, 본 발명에서는 종래 성장기판 분리 공정 기술에서 도입되었던 트렌치(trench) 대신 격자 셀 구조의 기능성 복합막층(functional composite film layer) 도입과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 웨이퍼 결합이 가능한 공정 기술을 수행하였다. 다시 말하자면, 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면에 기능성 복합막층 도입과 300℃ 내지 600℃ 사이의 온도 범위에서 웨이퍼 간 결합 공정 기술을 접목하여 종래의 섬화공정 없이 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장기판으로부터 전면 분리시키는 방식을 채택함으로써, 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 단일 수직구조 발광다이오드 소자 및 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조 하고자 한다.
본 발명의 단일 수직구조 발광다이오드 소자의 실시예는, n형 오믹접촉 전극구조체와, 상기 n형 오믹접촉 전극구조체 하면에 형성된 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층으로 구성된 발광구조체와, 상기 발광구조체 하면에 형성된 기능성 복합막층과, 상기 기능성 복합막층 하면에 형성된 반사성 오믹접촉 전극층 및 확산장벽층과, 상기 확산장벽층 하면에 형성된 전도성 웨이퍼 결합층과, 상기 전도성 웨이퍼 결합층 하면에 형성된 히트씽크 지지대와, 상기 히트씽크 지지대 하면에 형성된 다이 결합층(die bonding layer)과, 상기 기능성 복합막층 위에 배치된 소자 패시베이션층을 포함하는 발광다이오드 소자에 있어서;
n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층으로 구성된 상기 발광구조체 하면에 적층된 상기 기능성 복합막층(functional composite film layer)은 공정 도우미 영역, 오믹접촉 영역, 커런트 블라킹 영역으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조로 되어 있으며,
상기 소자 패시베이션층 하면에 형성된 상기 공정 도우미 영역은 대기에 노출되어 있고, 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 반도체와 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성되어 있으며,
상기 오믹접촉 영역은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면을 형성하는 동시에 광학적으로 빛을 흡수하지 않은 투과체(transparentor)이거나 반사체(reflector) 물질로 구성되어 있으며,
상기 커런트 블라킹 영역은 대기(air) 상태 또는 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 클래드층과 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성되어 있으며,
상기 n형 오믹접촉 전극구조체는 상기 n형 질화물계 클래드층 상면에서 상기 기능성 복합막층의 커런트 블라킹 영역과 수직방향으로 동일한 위치에 마주보게 배치하며,
또한, 상기 n형 오믹접촉 전극구조체가 형성되지 않은 상기 n형 질화물계 클래드층 표면에 구조적인 모양을 만드는 표면 요철(surface texture)이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자의 실시예는, 다수개의 n형 질화물계 클래드층 상면의 일부 영역에 형성된 n형 오믹접촉 전극구조체와, 상기 n형 오믹접촉 전극구조체 하면에 형성된 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층으로 구성된 다수개의 발광구조체와, 상기 다수개의 발광구조체 하면에 형성된 기능성 복합막층과, 상기 기능성 복합막층 하면에 형성된 반사성 오믹접촉 전극층 및 확산장벽층과, 상기 확산장벽층 하면에 형성된 전도성 웨이퍼 결합층과, 상기 전도성 웨이퍼 결합층 하면에 형성된 히트씽크 지지대와, 상기 히트씽크 지지대 하면에 형성된 다이 결합층(die bonding layer)과, 상기 기능성 복합막층 위에 배치된 소자 패시베이션층을 포함하는 발광다이오드 소자에 있어서;
n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층으로 구성된 상기 발광구조체 하면에 적층된 상기 기능성 복합막층(functional composite film layer)은 공정 도우미 영역 및 오믹접촉 영역으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조로 되어 있으며,
상기 소자 패시베이션층 하면에 형성된 상기 공정 도우미 영역은 대기에 노출되어 있고, 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 반도체와 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성되어 있으며,
상기 오믹접촉 영역은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면을 형성하는 동시에 광학적으로 빛을 흡수하지 않은 투과체(transparentor)이거나 반사체(reflector) 물질로 구성되어 있으며,
상기 n형 오믹접촉 전극구조체는 상기 다수개의 n형 질화물계 클래드층 상면 일부 영역과 상기 소자 패시베이션층 상면에 형성되면서, 상기 기능성 복합막층의 공정 도우미 영역과 수직방향으로 동일한 위치에 마주보게 배치하며,
상기 n형 오믹접촉 전극구조체가 형성되지 않은 상기 다수개의 n형 질화물계 클래드층 표면에 구조적인 모양을 만드는 표면 요철(surface texture)이 형성된 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 상기 다수개의 p형 질화물계 클래드층과 상기 오믹접촉 영역 사이에 별개의 커런트 블라킹 영역을 구비시킬 수 있고, 상기 별개의 커런트 블랑킹 영역은 대기(air) 상태 또는 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 클래드층과 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 단일 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조 방법은 성장기판 상면에 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층을 순차적으로 성장하는 단계; 상기 p형 질화물계 클래드층 상면에 격자 셀 구조의 기능성 복합막층을 형성하는 단계; 상기 기능성 복합막층 상면에 반사성 오믹접촉 전극층을 형성하는 단계; 상기 반사성 오믹접촉 전극층 상면에 확산장벽층 및 제1 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 히트씽크 지지대 상하면에 각각 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 적층하는 단계; 임시 기판인 웨이퍼 플레이트 상면에 희생분리층 및 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 히트씽크 지지대 상하면의 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층 상부에 상기 성장기판 및 웨이퍼 플레이트를 각각 결합(bonding)하여 샌드위치 복합체를 형성하는 단계; 상기 샌드위치 복합체에서 성장기판을 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 또는 식각(etching) 방식에 의해 전면적으로 분리(lift-off) 하는 단계; 상기 성장기판이 분리된 샌드위치 복합체에서 n형 질화물계 클래드층이 드러나도록 식각하는 단계; 상기 샌드위치 복합체에서 상기 기능성 복합막층이 드러나도록 메사 식각(MESA etching)하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 단일 발광구조체를 패시베이션하는 단계; 상기 n형 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철을 형성하는 단계; 상기 표면 요철이 형성된 n형 질화물계 클래드층 상면에 n형 오믹접촉 전극구조체를 형성하는 단계; 및 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체로 구성된 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 완성하는 단계;를 포함하는 단일 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 집적화된 대면적 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오 드 소자 제조 방법은 성장기판 상면에 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층을 순차적으로 성장하는 단계; 상기 p형 질화물계 클래드층 상면에 격자 셀 구조의 기능성 복합막층을 형성하는 단계; 상기 기능성 복합막층 상면에 반사성 오믹접촉 전극층을 형성하는 단계; 상기 반사성 오믹접촉 전극층 상면에 확산장벽층 및 제1 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 히트씽크 지지대 상하면에 각각 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 형성하는 단계; 임시 기판인 웨이퍼 플레이트 상면에 희생분리층 및 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 히트씽크 지지대 상하면의 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층 상부에 상기 성장기판 및 웨이퍼 플레이트를 각각 결합(bonding)하여 샌드위치 복합체를 형성하는 단계; 상기 샌드위치 복합체에서 성장기판을 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 또는 식각(etching) 방식에 의해 전면적으로 분리(lift-off) 하는 단계; 상기 성장기판이 분리된 샌드위치 복합체에서 n형 질화물계 클래드층이 드러나도록 식각하는 단계; 상기 샌드위치 복합체에서 상기 기능성 복합막층이 드러나도록 메사 식각(MESA etching)하는 단계; 상기 발광다이오드 소자용 단일 발광구조체를 패시베이션하는 단계; 상기 단일 발광구조체의 n형 질화물계 클래드층 상면에 각각 표면 요철을 형성하는 단계; 상기 단일 발광구조체의 n형 질화물계 클래드층 상면이 전기적으로 연결된 n형 오믹접촉 전극구조체를 형성하는 단계; 및 상기 단일 발광구조체가 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 완성하는 단계;를 포함하는 집적화된 대면적 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 제조 방법을 제공한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 격자 셀 구조의 기능성 복합막층과 샌드위치 웨이퍼 결합을 접목하여 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 열 및 기계적인 손상없이 전면으로 분리할 수 있음으로써, 양질의 단일 수직구조 발광다이오드 소자 이외에도 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하여 저전류에서도 고휘도의 발광장치를 실현화 할 수 있다.
그리고, 종래 레이저 리프트 오프 방식을 이용한 성장기판 분리 시에 발광다이오드 소자용 발광구조체의 열 및 기계적인 손상을 방지하기 위해서 도입된 트렌치를 통한 섬화 공정이 생략되기 때문에 발광다이오드 소자 및 발광 장치를 제조하는데 시간 및 비용이 월등히 절감된다.
이하, 도 3 내지 도 30을 참조하여 본 발명의 단일 수직구조 발광다이오드 소자, 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 집적화한 대면적 발광다이오드 소자, 및 이들의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 보인 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, n형 오믹접촉 전극구조체 하면에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층로 구성된 발광구조체가 형성되어 있다.
더욱 상세하게, 본 발명에 따른 단일 수직구조 발광다이오드 소자는 측면을 통해 노출된 질화물계 활성층(30)을 보호하기 위한 소자 패시베이션층(700)이 형성되어 있다. 이때, 상기 소자 패시베이션층(700)은 상기 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a) 상면에 형성되며, 전기절연성 물질인 SiO2, Al2O3, Si3N4로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.
상기 소자 패시베이션층(700)이 형성된 발광구조체의 p형 질화물계 클래드층(40) 하면에는 기능성 복합막층(310), 반사성 오믹접촉 전극층(410a), 및 확산장벽층(410b)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 확산장벽층(410b)의 하면에는 전도성 웨이퍼 결합층(410c, 510c)에 의해 전기전도성 히트씽크 지지대(510a)가 형성되어 있다. 또한 상기 히트씽크 지지대(510a) 하면에 최종 발광다이오드 소자 패키징 공정을 위한 다이 결합층(1100)이 형성되어 있다.
본 발명의 단일 수직구조 발광다이오드 소자의 상기 기능성 복합막층(310)은 공정 도우미 영역(process assisting region), 오믹접촉 영역(ohmic contact region), 커런트 블라킹 영역(current blocking region)으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조를 갖고 있으며, 특히 상기 각각의 영역(region)은 단일 수직구조 발광다이오드 소자 구동 및 제조 과정에서 제각기 중요한 역할을 담당한다.
상기 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a)은 레이저빔을 이용한 레이저 리프트 오프 방식을 통한 성장기판을 분리할 때 유발되는 질화물계 반도체 단결정 박막의 손상을 방지하여 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 전면 분리를 가능케 하는 동시에, 단일화된 단위칩 구조로 섬화(isolation)하는 메사 식각 공정 중에 발생하는 식각 잔류물의 오염 발생과 이로 인한 발광다이오드 소자의 성능저하를 방지한다. 특히, 그룹 3족 질화물계 반도체 물질과 밀착성이 우수한 동시에 건식 식각 입자들과 반응을 일으키지 않은 물질로 이루어진다.
또한, 상기 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a)은 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 반도체(40)와 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질이 바람직하다.
또한, 상기 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a)은 소자 패시베이션층(700)을 형성할 때 양질의 소자 패시베이션층(700) 박막을 형성할 수 있도록 도와주는 역할도 병행한다.
상기 기능성 복합막층(310)의 오믹접촉 영역(310b)은 p형 질화물계 클래드층(40)과 계면접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하고 있어, 외부에서 주입된 전류를 수직방향으로 원활하게 주입시키는 역할을 한다.
또한, 상기 오믹접촉 영역(310b)은 광학적으로 높은 투과율을 갖는 투과체(transparentor)이거나, 또는 높은 반사율을 갖는 반사체(reflector) 물질이 바람직하다. 여기서, 상기 투과체(transparentor) 물질로는 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연산화물(IZO), 산화된 니켈-금(NiO-Au)이 바람직한 반면, 상기 반사체(reflector) 물질로는 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체가 바람직하다.
상기 기능성 복합막층(310)의 커런트 블라킹 영역(310c)은 소자 구동 시에 외부에서 주입되는 커런트(전류)가 발광구조체 일부 영역으로 집중되는 현상을 방지하여 단일 수직구조 발광다이오드의 전체 영역으로 균일한 전류 퍼짐(current spreading)을 유도한다.
또한, 상기 기능성 복합막층(310)의 커런트 블라킹 영역(310c)은 대기(air) 상태 또는 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 클래드층과 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성된다.
한편, 본 발명은 상기 히트씽크 지지대(510a)와 상기 반사성 오믹접촉 전극층(410a) 사이의 강한 결합을 위해 두층의 전도성 웨이퍼 결합층(410c, 510c)을 삽입하여 일정 압력과 최소 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도에서 웨이퍼 간 결합이 수행된다. 더 나아가서, 최소 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도에서 웨이퍼 결합 시에 상기 전도성 웨이퍼 결합층(410c, 510c)의 물질이 상기 반사성 오믹접촉 전극층(410a)으로의 물질 이동인 확산(diffusion)을 방지하여 보호하기 위해 상기 반사성 오믹접촉 전극층(410a) 하면에 확산장벽층(410b)을 추가 삽이 할 수 있다.
상기 단일 수직구조 발광다이오드 소자의 n형 오믹접촉 전극구조체(910)는 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면의 일부 영역에 직접 형성되는 동시에, 상기 기능성 복합막층(310)을 구성하고 있는 커런트 블라킹 영역(310c)과 수직방향으로 동일한 위치에서 마주보게 놓여 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 단일 수직구조 발광다이오드 소자는 공정 도우미 영역(310a), 오믹접촉 영역(310b), 및 커런트 블라킹 영역(310c)으로 구성된 기능성 복합막층(310)을 갖도록 하여, 발광효율 이외에도 전기적 특성이 뛰어난 소자를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 를 보인 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, n형 오믹접촉 전극구조체 하면에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층로 구성된 다수개의 발광구조체가 형성되어 있다.
더욱 상세하게, 본 발명에 따른 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자는 측면을 통해 노출된 질화물계 활성층(30)을 보호하기 위한 소자 패시베이션층(700)이 각각의 단일 수직구조 발광다이오 소자에 형성되어 있다. 이때, 상기 소자 패시베이션층(700)은 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a) 상면에 형성되며, 전기절연성 물질인 SiO2, Al2O3, Si3N4로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.
상기 소자 패시베이션층(700)이 형성된 다수개의 p형 질화물계 클래드층(40) 하면에는 기능성 복합막층(320), 반사성 오믹접촉 전극층(420a), 및 확산장벽층(420b)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 확산장벽층(420b)의 하면에는 전도성 웨이퍼 결합층(420c, 520c)에 의해 전기전도성 히트씽크 지지대(520a)가 연결되어 있다. 또한, 상기 히트씽크 지지대(520a) 하면에 최종 발광다이오드 소자 패키징 공정을 위한 다이 결합층(1100)이 형성되어 있다.
본 발명의 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자의 상기 기능성 복합막층(320)은 공정 도우미 영역(process assisting region) 및 오믹접촉 영역(ohmic contact region)으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조를 갖고 있으며, 특히 상기 각각의 영역(region)은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 구동 및 제조 과정에서 제각기 중요한 역할을 담당한다.
상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 레이저빔을 이용한 레이저 리프트 오프 방식을 통한 성장기판을 분리할 때 유발되는 질화물계 반도체 단결정 박막의 손상을 방지하여 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 전면 분리를 가능케 하는 동시에, 단일화된 단위칩 구조로 섬화(isolation)하는 메사 식각 공정 중에 발생하는 식각 잔류물의 오염 발생과 이로 인한 발광다이오드 소자의 성능저하를 방지한다.
또한, 그룹 3족 질화물계 반도체 물질과 밀착성이 우수한 동시에 건식 식각 입자들과 반응을 일으키지 않은 물질로 이루어진다.
더 나아가서, 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 소자 패시베이션층(700)을 형성할 때 양질의 박막을 형성할 수 있도록 도와주는 역할도 병행한다.
또한, 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 집적화된 대면적 발광다이오드 소자 구동 시에는 외부에서 주입되는 커런트(전류)가 발광구조체 일부 영역으로 집중되는 현상을 방지하여 집적화된 대면적 발광다이오드의 전체 영역으로 균일한 전류 퍼짐(current spreading)을 유도한다.
또한, 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 반도체(40)와 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질이 바람직하다.
또한, 상기 기능성 복합막층(320)의 오믹접촉 영역(320b)은 p형 질화물계 클 래드층(40)과 계면접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하고 있어, 외부에서 주입된 전류를 수직방향으로 원활하게 주입시키는 역할을 한다.
또한, 상기 오믹접촉 영역(320b)은 광학적으로 높은 투과율을 갖는 투과체(transparentor), 또는 높은 반사율을 갖는 반사체(reflector) 물질이 바람직하다. 여기서, 상기 투과체(transparentor) 물질로는 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연산화물(IZO), 산화된 니켈-금(NiO-Au)이 바람직한 반면, 상기 반사체(reflector) 물질로는 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체가 바람직하다.
상기 집접화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자의 n형 오믹접촉 전극구조체(920)는 상기 다수개의 n형 질화물계 클래드층(20) 상면 일부 영역에 직접 형성되는 동시에, 상기 기능성 복합막층(320)을 구성하고 있는 공정 도우미 영역(320a)과 수직방향으로 동일한 위치에서 마주보게 놓여 있다.
미도시되었지만, 상기 집적화된 대면적 발광다이오드 소자를 구성하고 있는 다수개의 p형 질화물계 클래드층(40)과 상기 기능성 복합막층(320)의 오믹접촉 영역(320b) 사이에 별도의 커런트 블라킹 영역을 형성시킬 수 있고, 상기 별도의 커런트 블라킹 영역은 대기(air) 상태 또는 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 반도체(40)와 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성된다.
한편, 본 발명은 상기 히트씽크 지지대(520a)와 상기 반사성 오믹접촉 전극층(420a) 사이의 강한 결합을 위해 두층의 전도성 웨이퍼 결합층(420c, 520c)을 삽입하여 일정 압력과 최소 300℃ 내지 600 ℃ 온도 내에서 웨이퍼 간 결합이 수행된 다.
또한, 최소 300℃ 내지 600 ℃ 온도 내에서 웨이퍼 결합 시에 상기 전도성 웨이퍼 결합층(420c, 520c)의 물질이 상기 반사성 오믹접촉 전극층(420a)으로의 물질 이동인 확산을 방지하여 보호하기 위해 상기 반사성 오믹접촉 전극층(420a) 하면에 확산장벽층(420b)을 추가 삽이 할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자는 공정 도우미 영역(320a) 및 오믹접촉 영역(320b)으로 구성된 기능성 복합막층(320)을 갖도록 하여, 발광효율 이외에도 전기적 특성이 뛰어난 소자를 얻을 수 있다.
도 5 내지 도 17은 본 발명의 단일 수직구조 발광다이오드 소자 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 첫 번째 단계로서, 성장기판에 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체와 기능성 복합막층을 나타내 보인 단면도와 상면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 성장기판(10) 상면에 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 성장한 다음, 상기 p형 질화물계 클래드층(40) 상면에 격자 셀(lattice) 구조(A)의 기능성 복합막층(310)을 형성한다.
여기서, 상기 성장기판(10)으로는 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 사용하며, 특히 사파이어(sapphire) 기판 이 대표적으로 사용되는데, 이는 상기 성장기판(10) 상면에 성장되는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질의 결정 구조와 동일하면서 격자 정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문이다.
상기 성장기판(10) 상면에 적층 성장된 n형 질화물계 클래드층(20)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 n형 도판트(dopant)가 첨가된 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 특히 GaN가 널리 사용된다. 또한 상기 n형 질화물계 클래드층을 성장하기에 앞서 불일치한 격자 정합 및 열팽창 계수 차이로 발생하는 스트레스를 완화시키는 물질층(“완충층” 으로 지칭)을 삽입될 수 있으며, 특히 GaN, AlN, InGaN, AlGaN, SiC, SiCN가 널리 사용된다.
상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 형성되는 질화물계 활성층(30)은 양자 우물(Quantum Well) 구조를 가지며, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진다.
상기 질화물계 활성층(30) 상면에 형성되는 p형 질화물계 클래드층(40)은 상기 n형 질화물계 클래드층(20)과 마찬가지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어지며, p형 도판트가 첨가된다.
상기 p형 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 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 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.
여기서, 상기 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 질화물계 클래드층(40)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법 등과 같은 증착 공정을 사용하여 성장시키되, 특히 MOCVD법으로 성장시키는 것이 바람직하다.
상기 기능성 복합막층(310)은 공정 도우미 영역(process assisting region), 오믹접촉 영역(ohmic contact region), 및 커런트 블라킹 영역(current blocking region)으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조를 갖고 있으며, 상기 기능성 복합막층(310)을 구성하고 있는 각각의 영역(region)은 단일 수직구조 발광다이오드 소자 구동 및 제조 과정에서 제각기 중요한 역할을 담당한다.
상기 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a)은 레이저빔을 이용한 레이저 리프트 오프 방식을 통한 성장기판을 분리할 때 유발되는 반도체 단결정 박막의 발광구조체 손상을 방지하여 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 안전하게 전면 분리를 가능케 하는 동시에, 단일 수직구조 발광다이오드 소자로 섬화(isolation)하는 메사 식각 공정 중에 발생하는 식각 잔류물의 오염 발생과 이로 인한 발광다이오드 소자의 성능저하를 방지한다. 특히, 그룹 3족 질화물계 반도체 물질과 밀착성이 우수한 동시에 건식 식각 입자들과 반응을 일으키지 않은 물 질로 이루어진다.
상기 기능성 복합막층(310)의 오믹접촉 영역(310b)은 p형 질화물계 클래드층(40)과 계면접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하고 있어, 외부에서 주입된 전류를 수직방향으로 원활하게 주입시키는 역할을 한다. 또한, 상기 오믹접촉 영역(300b)은 광학적으로 높은 투과율을 갖는 투과체(transparentor)이거나, 또는 높은 반사율을 갖는 반사체(reflector) 물질이 바람직하다. 이때, 상기 투과체(transparentor) 물질로는 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연산화물(IZO), 산화된 니켈-금(NiO-Au) 등인 반면, 상기 반사체(reflector) 물질로는 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체가 바람직하다.
상기 커런트 블라킹 영역(310c)은 소자 구동 시에 외부에서 주입되는 전류가 발광구조체 일부 영역으로 집중되는 현상을 방지하여 단일 수직구조 발광다이오드 소자의 전체 영역으로 균일한 전류 퍼짐(current spreading)을 유도하며, 특히 전기절연성 물질로 이루어진다.
본 발명에서 기능성 복합막층(310)의 격자 셀 구조에서 하나의 단위(unit)는 도 5에서 하나의 격자 셀 "A"로 도시된 바와 같이, 상기 공정 도우미 영역의 일부(310a), 오믹접촉 영역(310b), 커런트 블라킹 영역(310c)으로 구성된 면적을 의미한다.
또한, 상기 기능성 복합막층(310)의 오믹접촉 영역(310b)과 커런트 블라킹 영역(310c)을 합한 면적은 레이저 리프트 오프 방식에서 사용된 레이저빔 면적보다 작게 설계하는 것이 유리하다.
도 6은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 발광구조체 상면에 적층된 기능성 복합막층 상면에 반사성 오믹접촉 전극층, 확산장벽층, 제1 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 반사성 오믹접촉 전극층(410a)은 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 반대 방향으로 전반사 시켜주는 역할을 하며, 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체로 이루어진다.
상기 확산장벽층(410b)은 하면의 반사성 오믹접촉 전극층(410a)과 상면의 제1 전도성 웨이퍼 결합층(410c) 사이에 공정 및 소자 구동 시에 물질 확산 이동을 억제하는 역할을 하며, 전기전도성 물질로 이루어진다.
또한, 상기 제1 전도성 웨이퍼 결합층(410c)은 전기전도성인 히트씽크 지지대를 상기 발광구조체와 구조적으로 결합시켜 주며, 특히 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 강한 결합을 형성하는 전기전도성 물질로 구성된다.
또한, 상기 제1 전도성 웨이퍼 결합층(410c)을 구성하는 물질로는 Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 7은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 히트씽크 지 지대 상하면에 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 히트씽크 지지대(510a)는 양면(both-side)에 기계 가공된 전기전도성 물질로서, Si, SiGe, ZnO, GaN, AlSiC, GaAs 웨이퍼 기판, 그리고 Cu, Ni, Ag, Al, Nb, Ta, Ti, Au, Pd, Pd, W 성분들 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
또한, 상기 히트씽크 지지대(510a)는 10 마이크론미터 내지 1 밀리미터 이하의 두께를 갖는 판(sheet), 디스크(disk), 또는 호일(foil) 형상을 갖는다.
상기 히트씽크 지지대(510a) 상하면에 형성된 상기 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(510b, 510c)은 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 결합을 형성하는 전기전도성 물질로서, Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 8은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 임시 기판인 웨이퍼 플레이트 상면에 희생분리층과 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 플레이트(510d)는 임시적으로 사용되는 웨이퍼 기판으로서, 상기 발광구조체를 성장하는 성장기판(10)과의 열팽창계수 차이가 2ppm/℃ 이하를 갖는 SiC, 사파이어, 유리, AlN, ZnO, GaN, GaAs 등이 바람직하다.
상기 웨이퍼 플레이트(510d) 상면에 형성된 희생분리층(510e)은 레이저빔을 조사하면 열-화학 분해 반응을 일으키는 ZnO을 포함한 2-6족 화합물, GaN을 포함한 3-5족 화합물, ITO, PZT, SU-8, 또는 습식 용액에서 빠르게 용해되는 Al, Au, Ag, Cr, Ti, SiO2, SiNx 등이 바람직하다.
상기 제2 전도성 웨이퍼 결합층(510f)은 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 강한 결합을 형성하는 전기전도성 물질로서, Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 9는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 성장기판부, 히트씽크 지지대부, 및 웨이퍼 플레이트부를 동시에 웨이퍼 결합시킨 샌드위치 복합체의 단면도이다.
상기 성장기판부(B)는 성장기판(10) 상면에 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40), 기능성 복합막층(310), 반사성 오믹접촉 전극층(410a), 확산장벽층(410b), 및 제1 전도성 웨이퍼 결합층(410c)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 히트씽크 지지대부(C)는 히트씽크 지지대(510a)의 상하면에 각각 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(510b, 510c)이 적층되어 있다.
상기 웨이퍼 플레이트부(D)는 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(510d) 상면에 희생분리층(510e) 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(510f)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 성장기판부(B), 히트씽크 지지대부(C), 및 웨이퍼 플레이트부(D)의 결합은 일정 압력과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 수행한다.
특히, 상기 전도성 웨이퍼 결합층 사이(410c/510c, 510b/510f)에 강한 결합력으로 연결되어 있다.
도 10은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 웨이퍼 결합된 샌드위치 복합체로부터 성장기판을 전면 분리시키는 공정을 보인 단면도이다.
상기 성장기판(10)을 발광구조체로부터 전면 분리하는 공정 기술은 엑사이머 레이저(excimer laser) 등을 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off)의 방식으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다. 특히, 상기 성장기판(10)의 분리는 레이저 리프트 오프 방식으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 성장기판(10)에 일정 영역의 파장을 가지는 엑사이머 레이저빔을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 성장기판(10)과 상기 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층(20)의 경계면에 열에너지가 집중되어 상기 완충층을 포함한 n형 질화물 반도체(20)의 계면이 갈륨(gallium, Ga)과 질소(nitrogen, N) 분자로 열화학적 분해가 발생하면서 레이저빔이 지나가는 부분에서 순간적으로 성장기판(10)의 분리가 일어난다.
또한, 성장기판(10) 분리에 사용되는 레이저빔의 치수를 무한정 증가시킬 수가 없기 때문에, 일반적으로 사용되는 레이저빔의 치수는 한 단위(L1)의 기능성 복합막층보다 크게 한다. 이에 도시된 바와 같이, 첫 번째 레이저빔(1st laser beam)과 두 번째 레이저빔(2nd laser beam)을 연속적으로 이웃하게 조사하게 되면, 상기 기능성 복합막층(310)을 구성하고 있는 공정도우미 영역(310a) 상면에서는 두 레이저빔이 중첩된다. 상세하게 말하자면, 상기 공정 도우미 영역(310a) 위에 존재하는 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40)로 구성된 발광구조체는 레이저빔이 두 번 중첩으로 조사된 영역으로서 레이저 손상(damage)을 심하게 받은 부분이다.
도 11은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 레이저빔을 이용해서 성장기판 분리 후에 레이저빔 손상을 받은 발광구조체를 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
성장기판(10)을 분리한 후에 n형 질화물계 클래드층(20)에 남아 있는 갈륨 드랍렛(Ga-droplet)을 포함한 잔존물을 제거한다. 이에 도시된 바와 같이, 두 번의 레이저빔이 연속적으로 조사되어 손상을 받은 발광구조체 영역(E, F, G)을 표시하고 있다.
도 12는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 소정의 치수를 갖는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하기 위해서 식각 공정을 행한 후 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
상기 두 번의 레이저빔이 연속적으로 조사되어 손상을 받은 발광구조체 영역(E, F, G)을 습식 또는 건식 식각 공정(600)을 이용하여 완전히 제거하여 메사 식각(MESA etching)한다. 이에 도시된 바와 같이, 기능성 복합막층(310)의 공정 도우미 영역(310a)이 대기(air)에 노출될 때까지 메사 식각을 수행한다.
도 13은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 단일 수직 구조 발광다이오드 소자를 보호하기 위해서 소자 패시베이션층을 형성한 후의 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면과 메사 식각된 측면에 소자 패시베이션층(700)을 형성한다. 상기 소자 패시베이션층(700)으로는 실리콘 산화박막(SiO2), 실리콘 질화박막(SiNx), 알루미늄 산화박막(Al2O3) 등이 사용되며, 상기 소자 패시베이션층(700)은 200 ~ 1000㎚의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 14는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 대기에 노출된 n형 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철이 형성된 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 존재하는 소자 패시베이션층(700) 일부 영역을 제거시킨 후, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 구조적인 모양을 만드는 표면 요철(surface texture)을 도입한다. 이러한 표면 요철(800) 도입은 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는데 큰 도움을 주어, 단일 수직구조 발광다이오드 소자의 외부 발광 효율을 상당히 개선할 수 있다.
여기서, 표면 요철(800) 도입은 습식 용액을 이용하여 일정한 규칙성이 없는 패턴을 형성하거나, 각종 리소그래피(lithography) 공정으로 패턴을 형성한 후에 식각 공정을 통하여 칩의 표면에 굴곡을 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도 15는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 표면 요철 이 형성된 n형 질화물계 클래드층 상면에 n형 오믹접촉 전극구조체가 형성된 샌드위치 복합체의 단면도를 보인 것이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 표면 요철(800)이 도입된 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 n형 오믹접촉 전극구조체(910)를 형성한다. 여기서, n형 오믹접촉 전극구조체(910) 형성은 마스크를 이용하여 일부 영역 또는 전체 영역에 형성된다. 특히, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 형성된 n형 오믹접촉 전극구조체(910)의 위치는 상기 기능성 복합막층(310)의 커런트 블라킹 영역(310a)에 대향되게 한다.
도 16은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 수직방향으로 절단하는 공정을 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 완전하게 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하기 위해서 기능성 복합막층(310), 반사성 오믹접촉 전극층(410a), 확산장벽층(410b), 전도성 웨이퍼 결합층(410c, 510c, 510b, 510f), 히트씽크 지지대(510a), 희생분리층(510e)을 수직방향으로 모두 절단(1000) 한다. 여기서, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(510d)가 대기에 노출될 때까지 한다.
도 17은 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 마지막 단계로서, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트로부터 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 분리한 후, 히트씽크 지지대 후면에 다이 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(510d)로부터 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 분리(lift-off)한 후, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(510d) 후면에 다이 결합층(1100)을 형성한다. 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(510d)를 분리하는 공정은 강한 에너지를 갖춘 레이저빔을 이용한 열-화학 분해, 습식 식각, 또는 화학-기계적 폴리싱(CMP), 기계적 연마(polishing) 등을 이용한다.
도 18 내지 도 30은 본 발명의 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 18은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 첫 번째 단계로서, 성장기판에 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체와 또 다른 기능성 복합막층을 나타내 보인 단면도와 상면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 성장기판(10) 상면에 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40)을 순차적으로 성장한 다음, 상기 p형 질화물계 클래드층(40) 상면에 격자 셀(lattice) 구조(H)의 기능성 복합막층(320)을 형성한다.
여기서, 상기 성장기판(10)으로는 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 사용하며, 특히 사파이어(sapphire) 기판이 대표적으로 사용되는데, 이는 상기 성장기판(10) 상면에 성장되는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질의 결정 구조와 동일하면서 격자 정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문이다.
상기 성장기판(10) 상면에 적층 성장된 n형 질화물계 클래드층(20)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 n형 도판 트(dopant)가 첨가된 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 특히 GaN가 널리 사용된다. 또한 상기 n형 질화물계 클래드층을 성장하기에 앞서 불일치한 격자 정합 및 열팽창 계수 차이로 발생하는 스트레스를 완화시키는 물질층(“완충층” 으로 지칭)을 삽입될 수 있으며, 특히 GaN, AlN, InGaN, AlGaN, SiC, SiCN가 널리 사용된다.
상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 형성되는 질화물계 활성층(30)은 양자 우물(Quantum Well) 구조를 가지며, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진다.
상기 질화물계 활성층(30) 상면에 형성되는 p형 질화물계 클래드층(40)은 상기 n형 질화물계 클래드층(20)과 마찬가지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식 (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어지며, p형 도판트가 첨가된다.
상기 p형 질화물계 클래드층(40)은 표면 개질층(interface modification layer)을 별도로 포함할 있다. 상기 표면 개질층은 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 표면 개질층은 그룹 2족, 3족, 또는 4족 원소 성분을 포함하고 있는 질화물(nitride) 또는 탄소질화물(carbon nitride)로 구성된다.
여기서, 상기 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 질화 물계 클래드층(40)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법 등과 같은 증착 공정을 사용하여 성장시키되, 특히 MOCVD법으로 성장시키는 것이 바람직하다.
상기 또 다른 기능성 복합막층(320)은 공정 도우미 영역(process assisting region)과 오믹접촉 영역(ohmic contact region)으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조를 갖고 있으며, 상기 기능성 복합막층(320)을 구성하고 있는 각각의 영역(region)은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 구동 및 제조 과정에서 제각기 중요한 역할을 담당한다.
상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 레이저빔을 이용한 레이저 리프트 오프 방식을 통한 성장기판을 분리할 때 유발되는 반도체 단결정 박막의 발광구조체 손상을 방지하여 성장기판으로부터 발광다이오드 소자용 발광구조체를 안전하게 전면 분리를 가능케 하는 동시에, 단일 수직구조 발광다이오드 소자로 섬화(isolation)하는 메사 식각 공정 중에 발생하는 식각 잔류물의 오염 발생과 이로 인한 발광다이오드 소자의 성능저하를 방지한다. 특히, 그룹 3족 질화물계 반도체 물질과 밀착성이 우수한 동시에 건식 식각 입자들과 반응을 일으키지 않은 물질로 이루어진다.
더 나아가서, 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)은 소자 구동 시에 외부에서 주입되는 전류가 발광구조체 일부 영역으로 집중되는 현상을 방지하여 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자의 전체 영역으로 균일한 전류 퍼짐(current spreading)을 유도하는 커런트 블라킹 역할도 수행하며, 특히 전 기절연성 물질로 이루어진다.
상기 기능성 복합막층(320)의 오믹접촉 영역(320b)은 p형 질화물계 클래드층(40)과 계면접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하고 있어, 외부에서 주입된 전류를 수직방향으로 원활하게 주입시키는 역할을 한다. 또한, 상기 오믹접촉 영역(300b)은 광학적으로 높은 투과율을 갖는 투과체(transparentor)이거나, 또는 높은 반사율을 갖는 반사체(reflector) 물질이 바람직하다. 이때, 상기 투과체(transparentor) 물질로는 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연산화물(IZO), 산화된 니켈-금(NiO-Au) 등인 반면, 상기 반사체(reflector) 물질로는 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체가 바람직하다.
본 발명에서 기능성 복합막층(320)의 격자 셀 구조에서 하나의 단위(unit)는 도 18에서 하나의 격자 셀 "H"로 도시된 바와 같이, 상기 공정 도우미 영역의 일부(320a) 및 오믹접촉 영역(320b)으로 구성된 면적을 의미한다.
또한, 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)과 오믹접촉 영역(320b)을 합한 면적은 레이저 리프트 오프 방식에서 사용된 레이저빔 면적보다 작게 설계하는 것이 유리하다.
도 19는 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 발광구조체 상면에 적층된 기능성 복합막층 상면에 반사성 오믹접촉 전극층, 확산장벽층, 제1 전도성 웨이퍼 결합층을 순차적으로 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 반사성 오믹접촉 전극층(420a)은 상기 기능성 복합막층(320) 상면에 형성되며, 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 반대 방향으로 전반사 시켜주는 역할을 하며, 은(Ag), Ag 관련 합금 및 고용체, 로듐(Rh), Rh 관련 합금 및 고용체, 알루미늄(Al), Al 관련 합금 및 고용체로 이루어진다.
상기 확산장벽층(420b)은 하면의 반사성 오믹접촉 전극층(420a)과 상면의 제1 전도성 웨이퍼 결합층(420c) 사이에 공정 및 소자 구동 시에 물질 확산 이동을 억제하는 역할을 하며, 전기전도성 물질로 이루어진다.
또한, 상기 제1 전도성 웨이퍼 결합층(420c)은 전기전도성인 히트씽크 지지대를 상기 발광구조체와 구조적으로 결합시켜 주며, 특히 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 강한 결합을 형성하는 전기전도성 물질로 구성된다.
또한, 상기 제1 전도성 웨이퍼 결합층(420c)을 구성하는 물질로는 Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 20은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 히트씽크 지지대 상하면에 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 히트씽크 지지대(520a)는 양면(both-side) 기계 가공된 전기전도성 물질로서, Si, SiGe, ZnO, GaN, AlSiC, GaAs 웨이퍼 기판, 그리고 Cu, Ni, Ag, Al, Nb, Ta, Ti, Au, Pd, Pd, W 성분들 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
또한, 상기 히트씽크 지지대(520a)는 10 마이크론미터 내지 1 밀리미터 이하의 두께를 갖는 판(sheet), 디스크(disk), 또는 호일(foil) 형상을 갖는다.
상기 히트씽크 지지대(520a) 상하면에 형성된 상기 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(520b, 520c)은 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 결합을 형성하는 전기전도성 물질로서, Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 21은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 임시 기판인 웨이퍼 플레이트 상면에 희생분리층과 제2 전도성 웨이퍼 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 플레이트(520d)는 임시적으로 사용되는 웨이퍼 기판으로서, 상기 발광구조체를 성장하는 성장기판(10)과의 열팽창계수 차이가 2ppm/℃ 이하를 갖는 SiC, 사파이어, 유리, AlN, ZnO, GaN, GaAs 등이 바람직하다.
상기 웨이퍼 플레이트(520d) 상면에 형성된 희생분리층(520e)은 레이저빔을 조사하면 열-화학 분해 반응을 일으키는 ZnO을 포함한 2-6족 화합물, GaN을 포함한 3-5족 화합물, ITO, PZT, SU-8, 또는 습식 용액에서 빠르게 용해되는 Al, Au, Ag, Cr, Ti, SiO2, SiNx 등이 바람직하다.
상기 제2 전도성 웨이퍼 결합층(520f)은 일정 압력(pressure)과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 물질 간 강한 결합을 형성하는 전기전도성 물질로서, Au, Ni, Cu, Ti, Ag, Al, Si, Ge, Pt, Pd, Rh, W, Mo, V, Sc, Hf, Ir, Re, Co, Zr, Ru, Ta, Nb, Mn, Mn, Cr, 희토류금속 중 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 금속, 합금, 또는 고용체이다.
도 22는 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 성장기판부, 히트씽크 지지대부, 및 웨이퍼 플레이트부를 동시에 웨이퍼 결합시킨 샌드위치 복합체의 단면도이다.
상기 성장기판부(I)는 성장기판(10) 상면에 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40), 또 다른 기능성 복합막층(320), 반사성 오믹접촉 전극층(420a), 확산장벽층(420b), 및 제1 전도성 웨이퍼 결합층(420c)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 히트씽크 지지대부(J)는 히트씽크 지지대(520a)의 상하면에 각각 제1 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(520b, 520c)이 적층되어 있다.
상기 웨이퍼 플레이트부(K)는 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(520d) 상면에 희생분리층(520e) 및 제2 전도성 웨이퍼 결합층(520f)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 성장기판부(I), 히트씽크 지지대부(J), 및 웨이퍼 플레이트부(K)의 결합은 일정 압력과 300℃ 내지 600℃ 이하의 온도 범위 내에서 수행한다.
특히, 상기 전도성 웨이퍼 결합층 사이(420c/520c, 520b/520f)에 강한 결합 력으로 연결되어 있다.
도 23은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 웨이퍼 결합된 샌드위치 복합체로부터 성장기판을 전면 분리시키는 공정을 보인 단면도이다.
상기 성장기판(10)을 발광구조체로부터 전면 분리하는 공정 기술은 엑사이머 레이저(excimer laser) 등을 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off)의 방식으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다. 특히, 상기 성장기판(10)의 분리는 레이저 리프트 오프 방식으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 성장기판(10)에 일정 영역의 파장을 가지는 엑사이머 레이저빔을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 성장기판(10)과 상기 완충층을 포함한 n형 질화물계 클래드층(20)의 경계면에 열에너지가 집중되어 상기 완충층을 포함한 n형 질화물 반도체(20)의 계면이 갈륨(gallium, Ga)과 질소(nitrogen, N) 분자로 열화학적 분해가 발생하면서 레이저빔이 지나가는 부분에서 순간적으로 성장기판(10)의 분리가 일어난다.
또한, 성장기판(10) 분리에 사용되는 레이저빔의 치수를 무한정 증가시킬 수가 없기 때문에, 일반적으로 사용되는 레이저빔의 치수는 한 단위(L2)의 기능성 복합막층보다 크게 한다. 이에 도시된 바와 같이, 첫 번째 레이저빔(1st laser beam)과 두 번째 레이저빔(2nd laser beam)을 연속적으로 이웃하게 조사하게 되면, 상기 기능성 복합막층(320)을 구성하고 있는 공정도우미 영역(320a) 상면에서는 두 레이저빔이 중첩된다. 상세하게 말하자면, 상기 공정 도우미 영역(320a) 위에 존재하는 n형 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 질화물계 클래드층(40)로 구성된 발광구조체는 레이저빔이 두 번 중첩으로 조사된 영역으로서 레이저 손상(damage)을 심하게 받은 부분이다.
도 24는 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 레이저빔을 이용해서 성장기판 분리 후에 레이저빔 손상을 받은 발광구조체를 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
성장기판(10)을 분리한 후에 n형 질화물계 클래드층(20)에 남아 있는 갈륨 드랍렛(Ga-droplet)을 포함한 잔존물을 제거한다. 이에 도시된 바와 같이, 두 번의 레이저빔이 연속적으로 조사되어 손상을 받은 발광구조체 영역(L, M, N)을 표시하고 있다.
도 25는 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 소정의 치수를 갖는 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하기 위해서 식각 공정을 행한 후 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
상기 두 번의 레이저빔이 연속적으로 조사되어 손상을 받은 발광구조체 영역(L, M, N)을 습식 또는 건식 식각 공정(600)을 이용하여 완전히 제거하여 메사 식각(MESA etching)한다. 이에 도시된 바와 같이, 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 영역(320a)이 대기(air)에 노출될 때까지 메사 식각을 수행한다.
도 26은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 보호하기 위해서 소자 패시베이션층을 형성한 후의 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면과 메사 식각된 측면에 소자 패시베이션층(700)을 형성한다. 상기 소자 패시베이션층(700)으로는 실리콘 산화박막(SiO2), 실리콘 질화박막(SiNx), 알루미늄 산화박막(Al2O3) 등이 사용되며, 상기 소자 패시베이션층(700)은 200 ~ 1000㎚의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 27은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 대기에 노출된 다수개의 n형 질화물계 클래드층 상면에 표면 요철이 형성된 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 존재하는 소자 패시베이션층(700) 일부 영역을 제거시킨 후, 상기 다수개의 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 구조적인 모양을 만드는 표면 요철(surface texture)을 도입한다. 이러한 표면 요철(800) 도입은 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는데 큰 도움을 주어, 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자의 외부 발광 효율을 상당히 개선할 수 있다.
여기서, 표면 요철(800) 도입은 습식 용액을 이용하여 일정한 규칙성이 없는 패턴을 형성하거나, 각종 리소그래피(lithography) 공정으로 패턴을 형성한 후에 식각 공정을 통하여 칩의 표면에 굴곡을 형성하는 방법을 사용하고 있다.
도 28은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 표면 요철이 형성된 다수개의 n형 질화물계 클래드층 상면에 연결된 n형 오믹접촉 전극구조체가 형성된 샌드위치 복합체의 단면도를 보인 것이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 표면 요철(800)이 도입된 다수개의 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 연결된 n형 오믹접촉 전극구조체(920)를 형성한다. 여기서, n형 오믹접촉 전극구조체(920) 형성은 마스크를 이용하여 일부 영역 또는 전체 영역에 형성된다. 특히, 상기 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에 형성된 n형 오믹접촉 전극구조체(920)의 위치는 상기 기능성 복합막층(320)의 공정 도우미 일부 영역(320a)에 대향 되게 한다.
도 29는 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 단계로서, 수직방향으로 절단하는 공정을 보인 샌드위치 복합체의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 완전하게 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하기 위해서 기능성 복합막층(320), 반사성 오믹접촉 전극층(420a), 확산장벽층(420b), 전도성 웨이퍼 결합층(420c, 520c, 520b, 520f), 히트씽크 지지대(520a), 희생분리층(520e)을 수직방향으로 모두 절단(1000) 한다. 여기서, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(520d)가 대기에 노출될 때까지 한다.
도 30은 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 마지막 단계로서, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트로부터 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 분리한 후, 히트씽크 지지대 후면에 다이 결합층을 형성시킨 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(520d)로부터 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 분리(lift-off)한 후, 상기 임시 기판인 웨이퍼 플레이트(520d) 후면에 다이 결합층(1100)을 형성한다. 상기 임시 기 판인 웨이퍼 플레이트(520d)를 분리하는 공정은 강한 에너지를 갖춘 레이저빔을 이용한 열-화학 분해, 습식 식각, 화학-기계적 폴리싱(CMP), 기계적 연마(polishing) 이용한다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 공정을 도시한 도면이고,
도 2는 종래기술에 따른 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하는 공정을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 의해 제조된 단일 수직구조 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,
도 4는 본 발명에 의해 제조된 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 보인 단면도이고,
도 5 내지 도 17은 본 발명의 단일 수직구조 발광다이오드 소자 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 단면도이고,
도 18 내지 도 30은 본 발명의 집적화된 대면적 수직구조 발광다이오드 소자 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.

Claims (34)

  1. n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층을 포함하는 발광구조체;
    상기 발광구조체 하면에 배치된 기능성 복합막층;
    상기 기능성 복합막층 하면에 배치된 반사성 오믹접촉 전극층 및 확산장벽층;
    상기 기능성 복합막층 위에 배치된 소자 패시베이션층;
    상기 발광구조체와 상기 소자 패시베이션층 위에 배치된 n형 오믹접촉 전극 구조체; 를 포함하고,
    상기 발광구조체는 상기 소자 패시베이션층의 일부 영역에 의해 복수의 영역으로 분리되어 나누어 지고,
    상기 n형 오믹접촉 전극 구조체는 상기 소자 패시베이션층의 상기 일부 영역 위에 배치된 발광다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물계 클래드층은 슈퍼래티스 구조(superlattice 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 구성된 표면 개질층(interface modification layer)을 포함하는 발광다이오드 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조체의 p형 질화물계 클래드층 하면에 적층된 상기 기능성 복합막층(functional composite film layer)은 공정 도우미 영역, 오믹접촉 영역, 커런트 블라킹 영역으로 구성된 격자 셀(lattice cell) 구조를 포함하는 발광다이오드 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소자 패시베이션층 하면에 형성된 상기 공정 도우미 영역은 대기에 노출되거나, 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 클래드층과 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성된 발광다이오드 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 오믹접촉 영역은 상기 p형 질화물계 클래드층과 오믹접촉 계면을 형성하는 동시에 광학적으로 빛을 흡수하지 않은 투과체(transparentor)이거나 반사체(reflector) 물질로 구성된 발광다이오드 소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 커런트 블라킹 영역은 대기(air) 상태 또는 전기절연성 물질, 또는 상기 p형 질화물계 클래드층과 쇼키접촉 계면을 형성하는 물질로 구성된 발광다이오드 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 n형 오믹접촉 전극구조체가 형성되지 않은 상기 n형 질화물계 클래드층 표면에 구조적인 모양을 만드는 표면 요철(surface texture)이 형성된 발광다이오드 소자.
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