KR100616600B1 - 수직구조 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

발명은 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 낮은 열전도성을 갖는 절연성물질인 사파이어기판을 제거하고 실리콘기판과 같은 도전성 기판을 장착함으로써 휘도 및 신뢰성을 향상시킨 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은, 제1 전극이 형성된 상면을 갖는 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 하면에 형성된 활성층; 상기 활성층 하면에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 하면에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및 상기 고반사성 오믹콘택층 하면에 형성된 금속 기판을 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따르면, 열방출효과가 양호해지고, 순방향 전압을 감소시킬 수 있으며, 정전기 방전효과도 향상시킬 수 있다. 또한, 넓은 발광면적을 확보할 수 있어 휘도를 보다 향상시키는 효과가 있다.

수직구조 발광소자, GaN, 사파이어 기판, 금속기판, 질화물 반도체

Description

수직구조 질화물 반도체 발광소자{VERTICAL NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.

도 3a는 Si 기판에 의한 고반사성 오믹콘택층의 오염 상태를 보여주는 확대 사진이다.

도 3b는 본 발명의 금속 기판이 사용된 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 고반사성 오믹콘택층의 상태를 보여주는 확대 사진이다.

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 각 단계별 공정단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

21 : 금속 기판 22 : 고반사성 오믹콘택층

25a : p형 질화물 반도체층 25b : 활성층

25c : n형 질화물 반도체층 25 : 발광구조물

29 : p형 전극

본 발명은 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 낮은 열전도성을 갖는 절연성물질인 사파이어기판을 제거하고 도전성을 갖는 금속기판을 장착함으로써 휘도 및 신뢰성을 향상시킨 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

근래에 GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 현재 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광 받고 있다. 특히, 질화물 반도체 발광소자는 녹색, 청색 및 자외 영역까지의 빛을 생성할 수 있으며, 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 적용되고 있다.

이와 같은 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자로서, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질로 제조되고 있다. 질화물 반도체 결정은 격자정합을 고려하여 사 파이어기판과 같은 질화물 단결정성장용 기판에서 성장된다. 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극과 n측 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.

도 1에 도시된 종래의 질화물 반도체 발광소자의 구조를 통해 종래의 질화물 반도체 발광소자에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 종래의 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 단면도이다. 도 1과 같이 종래의 질화물 반도체 발광소자는, 기판(11) 상에 복수의 층으로 이루어진 질화물 단결정인 발광구조물이 형성된 구조를 갖는다. 보다 구체적으로 종래의 질화물 반도체 발광소자는, 기판(11) 상에 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)을 적층구조로 성장시키고, 상기 n형 질화물 반도체층(12) 및 p형 질화물 반도체층(14) 상에 각각 전극(15, 16a, 16b)을 형성하여 반도체층(12, 14)으로부터 주입되는 정공과 전자의 재결합에 의해 상기 활성층(13)에서 광을 발생시킨다. 이 때, 상기 활성층(13)에서 발생된 광은 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상의 투명전극층(15) 또는 상기 기판(11)으로 방출된다. 상기 투명전극층(15)은 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 거의 전면에 형성된 금속박막 또는 투명 도전막으로 이루어지는 광투과성 전극으로서 오믹 콘택을 형성하기 위한 것이다.

이와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 절연물질인 사파이어 기판 (11)을 사용하기 때문에, 전극(15, 16a, 16b)이 거의 수평한 방향으로 형성될 수 밖에 없다. 따라서, 전압인가시에 n형 전극(16a)으로부터 활성층(13)을 통해 p형 전극(16b)으로 향하는 전류흐름이 수평방향을 따라 협소하게 형성될 수 밖에 없다. 이러한 협소한 전류흐름으로 인해, 종래의 질화물 반도체 발광소자는 순방향 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 정전기방전(electrostatic discharge)효과가 취약하다는 문제가 발생된다.

또한, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)에서는, 전류밀도의 증가에 의해 열발생량이 크고, 반면에 사파이어 기판(11)의 낮은 열전도성에 의해 열방출이 원활하지 못하므로, 열증가에 따라 사파이어기판(11)과 질화물 반도체 발광구조물 간에 기계적 응력이 발생하여 소자가 불안정해질 수 있다.

나아가, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)에서는, n형 전극(16a)을 형성하기 위해서, 적어도 형성할 n형 전극(16a)의 면적보다 크게 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)의 일부영역을 제거하여야 하므로, 발광면적이 감소되어 소자크기 대 휘도에 따른 발광효율이 저하된다는 문제도 있다.

이와 같이, 당 기술분야에서는, 질화물 반도체 물질의 단결정성장에 필요한 사파이어 기판으로 비롯되는 문제를 해소함으로써, 휘도 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 질화물 반도체 발광소자가 요구되어 왔다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 그 목적은 질화물 반도체 발광소자에서 열전도성이 낮은 절연성 사파이어 기판을 제거하고, 금속 기판을 부착함으로써, 대향하는 소자의 양면에 전극이 형성되는 수직구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

제1 전극이 형성된 상면을 갖는 제1 도전형 질화물 반도체층;

상기 제1 도전형 질화물 반도체층 하면에 형성된 활성층;

상기 활성층 하면에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층;

상기 제2 도전형 질화물 반도체층 하면에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및

상기 고반사성 오믹콘택층 하면에 형성된 금속 기판을 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 금속 기판은 열팽창계수가 4 내지 7 ppm/K인 금속 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이와 같은 대표적인 금속 물질로는 As, Cr, Gd, Ge, Hf, Mo, Nd, Zr 등이 있다. 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시형태에서 상기 고반사성 오믹콘택층과 상기 금속기판 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함할 수 있다. 이러한 도전성 접착층으로는, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 전류밀도 분포를 더욱 개선하기 위해서, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하며, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)의 측단면도이다. 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)는 p형 질화물 반도체층(25a), 활성층(25b) 및 n형 질화물 반도체층(25c)을 포함하는 발광구조물(25)과, 상기 p형 질화물 반도체층(25a)의 하면에 고반사성 오믹콘택층(22)과, 상기 고반사성 오믹콘택층(22)에 접착된 금속 기판(21)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 구조에서, 상기 고반사성 오믹콘택층(22)과 상기 금속 기판(21) 사이에 형성된 도전성 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다.

질화물 반도체 물질의 단결정인 상기 발광구조물(25)은 사파이어 기판 상에 성장되나, 사파이어 기판 측의 반대면에 금속 기판(21)을 부착하고, 사파이어기판을 제거하는 공정을 통해 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광소자(20)와 같이 수직구조로 구현된다.

상기 고반사성 오믹콘택층(22)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(25a)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 소자 상면으로 향하는 유효휘도를 향상시키기 위한 층으로서 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 고반사성 오믹콘택층(22)은 플립칩 구조의 발광장치에서 사용되는 발광소자에 구비된 고반사성 오믹콘택층과 동일한 역할을 수행하며, 동일한 물질 및 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 접촉저항 개선과 고반사율의 조건을 만족하기 위해서, 상기 고반사성 오믹콘택층(22)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있으며, 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층(22)은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되어 Ag 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 이층구조로 형성될 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층(22)은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 삼층구조로 형성될 수 있다.

상기 고반사성 오믹콘택층(22)과 금속 기판(21) 사이에는 선택적으로 도전성 접착층이 형성될 수 있다. 상기 도전성 접착층은 상기 고반사성 오믹콘택층(22)과 금속 기판(21)의 접촉을 보다 강화하기 위한 것으로서, 일반적으로 접착성을 갖는 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 이러한 재료로는 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속 접합제를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 도전성 접착층은 접촉시키고자 하는 물질이 Si와 같은 비금속성 물질인 경우에 주로 사용된다. 본 발명에서는 금속 기판(21)을 사용하므로 도전성 접착층을 사용하지 않더라도 비교적 강한 접합이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

상기 금속 기판(21)은 질화물 반도체 물질과의 열팽창계수 차이를 고려하여 열팽창계수가 4 내지 7 ppm/K인 금속 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속 기판(21)은 As, Cr, Gd, Ge, Hf, Mo, Nd, Zr을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 상기 금속 기판(21)의 재료로 제시된 원소들은 질화물 반도체 물질, 특히 GaN와 열팽창 계수의 차이가 작은 금속물질인 특징을 갖는다. 질화물 반도체 물질과 열팽창계수의 차가 큰 물질을 이용하여 상기 금속 기판 대신 사용하게 되면, 열팽창계수 차에 의해 발광구조물을 성장시킨 사파이어 기판이 깨어지는 문제가 발생하게 된다.

하기 표 1은 본 발명의 금속 기판으로 사용될 수 있는 금속 물질 및 금속 기판 대신 사용될 수도 있는 Si의 열팽창 계수의 차를 나타낸다.

재료	열팽창계수(ppm/K)
GaN	5.59
As	5.6
Cr	6.5
Gd	6.4
Ge	5.75
Hf	6.0
Mo	5.1
Nd	6.7
Zr	5.9
Si	2.6

상기 표 1에 나타나듯이, 대표적인 질화물 반도체 물질인 GaN은 열팽창계수가 5.59 ppm/K이다. 따라서, 금속 기판을 구성하는 물질은 5 내지 7 ppm/K인 금속 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 대표적으로, As, Cr, Gd, Ge, Hf, Mo, Nd, Zr은 모두 5 내지 7 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖는 금속 물질로 질화물 반도체 물질인 GaN과 열팽창계수의 차이가 작다. 반면 Si는 금속 기판의 재료로 제시한 물질들에 비해 열팽창계수 차이가 매우 크다. 따라서, Si 기판을 사용하게 되면 접합 공정의 진행중에 열팽창계수 차이로 인한 스트레스로 발광구조물을 성장시킨 사파이어가 파손되는 문제점이 발생한다.

또한, Si 기판의 경우 발광구조물과의 접합을 위해 반드시 도전성 접착층을 형성하여야 한다. 그러나 Si는 도전성 접착층의 구성 물질과 반응하여 화합물을 생성하고 이러한 화합물이 고반사성 오믹콘택층을 오염시켜 반사도에 문제를 발생시킨다. 도 3a는 Si 기판이 사용된 경우 도전성 접착층으로 인해 발생하는 고반사성 오믹콘택층의 오염 상태를 보여주는 확대 사진이다. 이와 같은 고반사성 오믹콘택 층의 오염은 휘도의 저하와 같은 발광소자에 중대한 문제를 발생시킬 수 있다.

이에 비해, 도 3b는 본 발명의 금속 기판을 사용하였을 때의 고반사성 오믹콘택층의 상태를 보여주는 확대 사진이다. 이 결과는 특히 Mo을 재료로 사용한 금속 기판인 경우이다. 도 3a와는 달리 고반사성 오믹콘택층이 거의 오염되지 않고 깨끗한 상태임을 알 수 있다. 또한 Si 기판을 사용할 때와는 달리 별도의 도전성 접착층의 사용을 생략할 수 있다. 따라서, 금속기판을 사용한 경우에는 Si와 같은 반도체 기판을 사용한 경우에 비해 반사층의 오염방지를 통해 높은 휘도를 확보할 수 있으며, 더불어 도전성 접착층을 생략할 수도 있어 제작공정이 단순해지고 제작비용도 절감할 수 있다.

또한, Si는 양호한 도전성을 얻기 위해 불순물을 도핑하여야 하며, 불순물 도핑을 통해 도전성을 갖더라도 Si기판을 사용한 경우에는 기판의 하부에 금속으로 이루어진 별도의 전극을 구비하여야 한다. 이에 비해 금속 기판은 자체로서 충분한 도전성을 갖기 때문에 별도의 전극을 구비할 필요가 없다. 이는 발광소자의 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며 원가 절감에도 큰 도움이 된다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)는 상하부가 전기적으로 도통될 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, n형 질화물 반도체층(25c)의 상면 일부에는 n형 전극(29)을 형성하고, 별도의 전극 형성 공정을 추가하지 않고 금속 기판 자체를 p형 전극으로써 사용하는 도 2와 같은 수직구조 질화물 반도체 발광소자 완성된다.

본 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)는 종래의 수평구조보다 여러 가지 잇점을 제공한다. 우선, 사파이어기판 대신에 금속 기판(21)을 사용함으로써 열방출효과가 양호해지고, 전류흐름도 종래의 수평구조 발광 소자보다 넓은 면적을 통해 형성되어 순방향 전압(Vf)을 감소시킬 수 있으며, 정전기 방전효과도 향상시킬 수 있다.

또한, 공정측면에서는, 견고한 사파이어기판이 제거되므로, 개별 소자 단위로 절단하는 공정이 간소해질 수 있다. 한편, LED의 휘도측면에서도, 종래의 수평구조 발광소자와 달리, 활성층의 일부를 식각하는 공정이 요구되지 않으므로, 넓은 발광면적을 확보할 수 있어 휘도를 보다 향상시킬 수 있다는 잇점이 있다.

본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 구조의 이해를 돕기 위해 도 4a 내지 도 4d를 통해 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정을 간략히 설명한다. 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정은 소정의 웨이퍼를 이용하여 복수개로 제조되나, 도 4a 내지 도 4d에서는 설명의 편의를 위해, 하나의 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 공정을 예시하고 있다.

도 4a와 같이, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조공정은 사파이어기판(31) 상에 질화물 반도체 물질의 단결정인 발광구조물(35)을 성장 하는 단계로 시작된다. 앞서 설명한 바와 같이, 질화물 반도체 발광구조물(35)은 사파이어기판(31)을 성장기판으로 이용하여 성장될 수 있다. 상기 발광구조물(35)은 보다 양질의 결정을 성장시키기 위해, 사파이어기판(31) 상에 GaN/AlN결정층과 같은 버퍼층(미도시)을 형성한 후에 성장시킬 수도 있다.

또한, 최종적인 LED의 상부에 n형 질화물 반도체층(35a)을 위치시키고자 할 때에는, 최종적인 구조에서는 현재의 상하부위치가 반전되므로, 도 4a와 같이 n형 질화물 반도체층(35a), 활성층(35b) 및 p형 질화물 반도체층(35c)을 순차적으로 형성한다.

이어, 도 4b와 같이, 발광소자의 유효휘도를 향상시키기 위해서, p형 질화물 반도체층(35c) 상에 고반사성 오믹콘택층(32)을 형성한다. 상기 고반사성 오믹콘택층(32)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성할 수 있다. 상기 고반사성 오믹콘택층(32)은 다른 단결정 구조와는 오믹접촉을 형성하여 수직방향으로 전류를 원활하게 도통시킬 수 있다. 상기 고반사성 오믹콘택층(32)은 통상의 스퍼터링 장치를 이용하여 당업자에 의해 용이하게 구현될 수 있을 것이다.

다음으로, 도 4c와 같이, 상기 고반사성 오믹콘택층(32) 상에 금속 기판(41)을 접합시킨다. 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조 공정에서는 도전성 접착층을 사용하지 않고서 고반사성 오믹콘택층(32)과 금속 기판(41)을 접합시킬 수 있으며 선택적으로 도전성 접착층을 사용할 수도 있다. 도전성 접착층을 형성하여 접합하는 공정의 경우에는, 도전성 접착층이 고반사성 오믹콘택층(31)에 미리 형성될 수도 있고 금속 기판(41)의 하면에 미리 형성될 수도 있으며, 양측에 모두 형성될 수도 있다.

도 4d와 같이, 금속 기판(41)의 접착공정이 완료되면, 사파이어 기판(도 4c의 31)을 제거한다. 사파이어 기판은 레이저 용융, 기계적 연마, 화학적 식각과 같은 공지 기판제거 기술 중 하나를 이용하여 제거될 수 있으나, 사파이어 기판은 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃)의 육면체결정구조로서 매우 견고하므로, 기계적 연마나 화학적 식각공정을 사용하는 경우에는 공정비용이나 시간이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 주로 사파이어기판과 질화물 반도체 물질로 이루어진 발광구조물과의 열팽창계수의 차이를 이용하여 분리하는 방법이 주로 이용된다. 이러한 대표적인 방법이 레이저빔을 이용하는 분리방법이다. 상기 사파이어 기판을 제거한 후, 최종적으로 사파이어 기판이 제거된 n형 질화물 반도체층의 노출면에 n형 전극(49)을 형성함으로써 수직구조 질화물 반도체 발광소자가 완성된다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자는 수직구조로 형성되어, 소자의 신뢰성 및 휘도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 본 공정에 대한 설명에서는 편의를 위해 개별소자단위의 공정을 예시 하였으나, 실제의 공정과 같이 웨이퍼로 복수개를 동시에 제조하는 경우에, 개별 발광소자로 절단공정하는 공정에서 추가적인 공정과 비용을 유발하는 견고한 사파이어 기판이 미리 제거되므로, 간소한 공정으로 절단될 수 있다.

이상에서 설명한 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에서, 사파이어 기판을 분리하는 공정은 앞서 설명한 바와 같이, 여러 공지기술이 있으나, 실질적으로 적용하는데 많은 문제가 있다. 특히, 바람직한 공정으로 제시될 수 있는 레이저빔을 이용한 분리기술도 실질적으로 사파이어기판과 단결정 질화물 반도체 발광구조물의 열팽창계수 및 격자부정합으로 인해 레이저 빔 조사과정에서 상기 질화물 반도체의 결정면이 손상되는 문제가 발생할 수 있다.

일반적으로 사파이어 기판을 분리하기 위해, 레이저빔을 사파이어 기판의 하부에서 조사할 때에, 사파이어 기판과 질화물 반도체 단결정층의 열팽창계수와 격자부정합으로 인해 잔류 응력이 발생한다. 즉, 사파이어의 열팽창계수는 약 7.5×10^-6ppm/K 인데 반하여, 질화물 반도체 단결정(GaN의 경우)은 약 5.59×10^-6ppm/K으로 약 16%의 격자부정합을 가지며, GaN/AlN 버퍼층을 형성하는 경우에도, 수 %의 격자부정합이 발생하므로, 이로 인해, 레이저빔에 의한 열발생시에, 사파이어기판과 질화물 반도체 단결정층의 표면에서는 각각 큰 압축응력과 인장응력이 발생된다. 특히, 레이저빔의 조사면적이 협소하여(최대 10㎜×10㎜), 사파이어 기판에 국부적으로 조사되면서 수회 반복하는 방식으로 실행되므로, 응력발생문제는 보다 심각해져, 질화물 반도체 단결정층의 표면을 크게 손상시킬 수 있다. 결국, 이러한 손상된 단결정면은 최종적인 GaN 발광 다이오드의 전기적 특성을 크게 저하시키게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에서는, 사파이어 기판의 분리 시 질화물 반도체 단결정층의 표면에 미치는 응력을 최소화하기 위해서 사파이어 기판 상에 질화물 반도체 단결정층을 미리 개별 소자단위로 절단하는 방법이 채택되는 것이 바람직하다. 이하, 사파이어 기판의 분리 시 질화물 반도체 단결정층의 표면에 미치는 응력을 최소화하기 위해서 사파이어 기판 상에 질화물 반도체 단결정층을 미리 개별 소자단위로 절단하는 바람직한 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 바람직한 실시형태에서 사용되는 사파이어 기판 분리공정을 설명하기 위한 각 단계별 측단면도이다.

도 5a를 참조하면, 사파이어 기판(131) 상에 질화물 반도체 단결정층으로 이루어진 발광 구조물(135)이 형성되고 상기 발광구조물(135) 상에 고반사성 오믹콘택층(132)이 형성되어 있다. 상기 발광구조물(135)을 구성하는 질화물 반도체 단결 정층은 n형 질화물 반도체층(135a), 활성층(135b) 및 p형 질화물 반도체층(135c)을 포함한다.

이어, 도 5b와 같이, 상기 고반사성 오믹콘택층(132)과 상기 질화물 반도체 발광구조물(135)을 소정의 크기(S)를 갖도록 절단한다. 본 실시형태와 같이, 발광구조물 부분에 대한 추가적인 절단공정을 하지 않으며, 가능한 발광 구조물의 크기(S)를 작게 하여 레이저빔 조사에 의한 응력발생을 최소화하기 위해서, 상기 소정의 크기는 최종적인 발광 다이오드에 상응하는 크기로 절단하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 레이저 빔 조사면적과 거의 동일하거나 그보다 작은 크기로 절단하는 경우에도, 질화물 반도체 단결정면에 발생되는 응력을 충분히 감소시킬 수 있다.

다음으로, 도 5c와 같이, 금속 기판(141)을 절단된 고반사성 오믹콘택층(132) 상면에 접합시킨다. 이때, 오믹콘택층(132)과 접촉되는 금속기판(141)의 일면에는 도전성 접착층(미도시)을 형성할 수도 있으나, 앞서 설명하였듯이 본 발명에서는 금속 재질의 기판을 사용하므로 도전성 접착층을 사용하지 않더라도 비교적 강한 접합이 이루어질 수 있기 때문에 도전성 접착층은 생략하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 절단된 발광구조물(135)과 고반사성 오믹콘택층(132) 상면에 금속 기판(141)을 접합함으로써 이후 사파이어 기판(131)이 분리되더라도, 각 절단된 발광구조물(135)은 안정적으로 정렬될 수 있으며, 따라서, 컨택형성과 같은 후속공정에서 도 정렬된 상태로 마스크 등을 이용하여 용이하게 실행될 수 있다.

이어, 도 5d와 같이, 사파이어 기판(131)의 하부에 레이저빔을 조사하여 순간적인 응력발생을 이용하여 상기 절단된 각 발광구조물(135)로부터 상기 사파이어 기판을 분리시킨다. 이 때에, 상기 발광구조물(135)의 계면에서 발생되는 응력은 그 감소된 면적에 비례하여, 큰 구경을 갖는 웨이퍼에 레이저빔을 조사할 때보다 발생되는 잔여응력을 감소시킬 수 있다.

또한, 일반적으로, 본 공정에서 레이저빔의 조사면적은 웨이퍼의 면적보다 작으므로, 레이저빔을 수회 반복하는 방식으로 실행된다. 따라서, 1회 레이저빔의 조사시에 그 조사된 부분이 분리될 수 있도록, 도 5b의 발광구조물의 절단공정에서 절단되는 크기는 적어도 레이저빔 조사면적으로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 5e와 같이, 상기 결과물의 n형 질화물 반도체층(135a)의 상면에 n형 전극(149)의 형성공정을 실시한다. 도5e는 도5d의 결과물을 상하가 반전된 상태로 도시한 것이다. 상기 n형 질화물 반도체층(135a)의 상면에 형성되는 n형 전극(149)은 마스크를 이용하여 일부영역(일반적으로 상면의 중앙)에만 선택적으로 형성될 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 본 발명에서는 금속기판(141)이 사용되므로, 별도의 p형 전극의 형성 공정을 생략하고 금속기판(141)을 p형 전극으로 사용할 수 있다.

최종적으로, 도 5f와 같이, 도 5e 공정의 결과물을 개별 발광 다이오드의 크기로 절단하여 최종적인 수직구조 질화물 반도체 발광소자(140)를 얻을 수 있다. 상기 도 5b의 공정에서 발광구조물(135)을 개별 발광다이오드의 크기로 미리 절단되는 경우에는, 본 공정은 금속 기판(141)의 절단공정으로만 실시되나, 레이저 빔 조사면적과 관련된 크기로 절단되는 경우에는, 발광구조물(135)에 대한 절단공정을 동시에 실시할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 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 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 따르면, 사파이어기판을 제거하고 금속 기판을 사용하므로, 열방출효과가 양호해지고, 전류흐름도 종래의 수평구조 발광소자보다 넓은 면적을 통해 형성되어 순방향 전압을 감소시킬 수 있으며, 정전기 방전효과도 향상시킬 수 있다. 또한, 견고한 사파이어기판이 제거되므로, 개별 소자 단위로 절단하는 공정이 간소해질 수 있다.

나아가, LED의 휘도측면에서도, 종래의 수평구조 발광소자와 달리, 활성층의 일부를 식각하는 공정이 요구되지 않으므로, 넓은 발광면적을 확보할 수 있어 휘도 를 보다 향상시킬 수 있다는 잇점이 있다. 또한, 금속 기판을 사용함으로써 금속기판과 발광구조물의 접착시 별도의 접착층을 형성하는 공정을 생략할 수도 있고, 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 상하부에 전기를 도통시키기 위해 일측에만 전극을 형성하고 금속기판 자체를 전극으로 사용함으로써 별도의 전극형성 공정을 생략할 수 있어, 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 제작공정을 단순화시킬 수 있으며 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 제1 전극이 형성된 상면을 갖는 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 하면에 형성된 활성층;

   상기 활성층 하면에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 하면에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및

   상기 고반사성 오믹콘택층 하면에 형성되며, 열팽창계수가 4 내지 7 ppm/K인 금속 물질로 이루어진 금속 기판을 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 금속 기판은 As, Cr, Gd, Ge, Hf, Mo, Nd, Zr을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 고반사성 오믹콘택층과 상기 금속기판 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 도전성 접착층은 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
7. 삭제

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