KR100717276B1

KR100717276B1 - 발광 소자용 구조체, 이를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100717276B1
Application number: KR20050102645A
Authority: KR
Inventors: 성태연
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-10-29
Filing date: 2005-10-29
Publication date: 2007-05-15
Anticipated expiration: 2025-10-29
Also published as: KR20070046224A; CN101371370A

Abstract

본 발명은 발광 소자용 구조체, 이를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 고휘도 발광 소자로서, 이는 대면적의 발광부(light emitting area)와 대용량으로서 큰 주입전류(injection current)에 의해서 동작된다. 본 발명에 의한 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 방법을 접목하기 위한 질화물계 반도체(nitride-based semiconductor)로 구성된 양질의 질화물계 발광구조체를 사파이어(sapphire) 성장기판 상층부에 성장하기 전에 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer), 질화물계 평탄층(nitride-based flattening layer), 및 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)을 순차적으로 적층하고, 상기한 고융점 지지기판층 상층부에 질화물계 반도체들로 구성된 양질의 질화물계 발광구조체를 연속적으로 성장한다. 질화물계 발광구조체 성장시에 완충층(buffering layer) 역할을 하는 언돕드 질화물계층(un-doped nitride-based layer)과 N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 사이에 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer) 또는 최상층인 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer) 상층부에 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 도입하여 적층한 다음, 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 방법을 접목하여 양질의 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작할 수 있다. 본 발명에 의하면, 기존의 레이저 리프트 오프(LLO) 기술이 접목된 질화물계 발광소자 공정과는 달리 강한 에너지원인 레이저 조사 시 열적 및 기계적 변형으로부터 야기되는 질화물계 반도체 박막의 변형 또는 분해됨을 억제할 수 있을 뿐만이 아니라, N형 및 P형 질화물계 클래드층의 상부에 각각 형성되는 N형 및 P형 고투명성 또는 고반사성 오믹컨택트층의 전기 및 광학적 특성을 획기적으로 개선시켜 질화물계 발광소자의 우수한 전류-전압(current-voltage) 및 빛의 밝기(brightness) 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 외부발광효율(extraction quantum efficiency : EQE)을 향상시키기 위해서 도입된 표면 거칠기(surface roughness) 공정과 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 질화물계 클래드층 및 오믹컨택트층 상하부에 매우 용이하게 적용하여 대면적 및 대용량을 갖는 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하여 차세대 백색광원을 제공할 수 있다.

고휘도 질화물계 발광소자, 고융점 지지기판층, 터널 정션층, 레이저 리프트오프, 포토닉크리스탈 효과

Description

발광 소자용 구조체, 이를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법 {Structure for light emitting device, light emitting device using the same and method of fabricating the same}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer) 및 평탄층(nitride-based flattening layer)이 순차적으로 적층된 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)(A)과 상기한 질화물계 박막층 상층부에 형성된 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)(B)을 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라서, 절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 박막층(nitride-based thin film layer)과 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)이 순차적으로 형성된 상층부에 양질의 성장기판용 또 다른 두꺼운 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)(A)과 질화물계 발광구조체층(nitride-based light emitting structure layer)(B)이 성장된 모습을 보인 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따라서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 기술을 이용하여 절연성 성장기판인 사파이어를 제거시킨 후, 고융점 지지 기판층(refractory supporting substrate layer)과 그 상층부에 형성된 양질의 성장기판용 또 다른 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)과 그룹 3족 질화물계 발광구조체층(nitride-based light emitting structure layer)을 각각 (A, B) 및 (C, D)에 나타내 보인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따라서, 레이저 리프트 오프(LLO) 방법에 의해서 절연성 성장기판인 사파이어를 제거 시킨 후에, 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer) 상층부에 형성되어 있는 각기 다른 4종류(A, B, C, D)의 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 나타내 보인 단면도이고,

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P- side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 1개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N-side down vertical structured nitride-based light emitting device)를 각각 도 A, B와 C에 각각 나타내 보인 단면도이고,

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 및 제 1 터널 정션층 ( first tunnel junction layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P-side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 1개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N- side down vertical structured nitride-based light emitting device)을 각각 도 A, B와 C에 각각 나타내 보인 단면도이고,

도 7은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 및 제 2 터널 정션층 ( second tunnel junction layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N-side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 3개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P- side down vertical structured nitride-based light emitting device)을 각각 도 A, B와 C, D, E에 각각 나타내 보인 단면도이고,

도 8은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ), 제 1 터널 정션층 ( first tunnel junction layer ), 및 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P- side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 2개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N- side down vertical structured nitride-based light emitting device)을 각각 도 A, B와 C, D에 각각 나타내 보인 단면도이다.

본 발명은 발광 소자용 구조체, 이를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 사파이어(sapphire) 성장기판 상층부에 질화물계 반도체(nitride-based semiconductor)로 형성된 발광구조체 성장과 강한 에너지원을 제공하는 레이저 빔(laser beam)을 접목하여 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하는 것이다. 특히, 레이저 빔을 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 기술을 사용하여 절연성 성장기판인 사파이어를 제거할 때 질화물계 발광구조체의 열적/기계적 변형 및 분해(thermo-mechanical strain and broken-out)를 최소화하기 위해서 질화물계 핵생성(nitride-based nucleation layer)을 비롯한 질화물계 반도체를 이용한 두꺼운 박막층(nitride-based thin film layer) 또는 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 적층하기에 앞서, 절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물(group Ⅲ nitride)로 형성된 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer), 평탄층(nitride-based flattening layer), 및 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)을 순차적으로 적층 도입한다. 이와 더불어, 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 적층할 때는 완충층(buffering layer) 역할을 하는 언돕드 질화물계층(un-doped nitride-based layer)과 N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 사이에 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer) 또는 최상층인 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer) 상층부에 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 도입/적층하고 레이저 리프트오프(LLO) 기술을 접목하여 양질의 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하는 것이다.

그룹 3족 질화물계 반도체(group Ⅲ nitride-based semiconductor)는 광반도체 산업에 이용되고 있는 가장 넓은 밴드갭을 갖는 직접형 화합물 반도체 물질이다. 현재 이러한 질화물계 반도체를 이용하여 노란색(yellow)에서 자외선(ultraviolet) 영역의 폭넓은 파장대역의 빛을 발광하는 고효율 발광소자를 제작하고 있다. 하지만 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하여 광범위한 산업분야에서 상품화하기 위해서 수년간 많은 노력을 하고 있지만, 하기와 같은 몇몇 물질 및 기술적 한계로 인하여 많은 어려움을 겪고 있는 상황이다.

첫째, 양질의 질화물계 반도체를 성장하기에 적합한 전도성 기판의 부재.

둘째, 각각 높은 인듐(In) 또는 알루미늄(Al) 성분을 갖는 InGaN 및 AlGaN 박막 성장의 어려움.

셋째, 높은 홀(hole) 캐리어 농도를 갖는 P형 질화물계 반도체 성장의 어려움.

넷째, N형 및 P형 질화물계 반도체에 적합한 고품위 오믹접촉 전극(=오믹컨택트층) 형성의 어려움.

상기한 기본적인 물질 및 기술적 한계에도 불구하고, 1993년 말에 일본의 니치아 화학(Nichia chemicals) 사에서 질화물계 반도체를 이용하여 세계 최초로 청색 발광소자를 성공적으로 제작한 이후에 고휘도 청/녹색 발광소자 및 형광체(phosphor)가 결합된 조명용 백색광 발광소자가 제작되어 일반조명 분야에서 점진적으로 실용화되고 있는 상황이다.

무엇보다도 양질의 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(light emitting diode : LED) 및 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등과 같은 대면적 및 대용량의 차세대 고효율 발광소자를 구현하기 위해서는 낮은 외부발광효율(extraction quantum efficiency : EQE) 극복과 발광소자 구동시 발생되는 다량의 열 방출(heat dissipation)을 얼마나 잘 하느냐가 실용적인 면에서 중요한 관건이다.

현재 질화물계 발광다이오드는 발광소자 형상과 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 외부로 방출되는 방식에 따라서 각각 2종류로 나눠진다. 우선 발광소자의 형상에 따른 분류는 지지 기판(supporting substrate)의 전기적 특성에 의해서 행해지는데, 사파이어 물질과 같이 절연성 성장기판 상층부에 질화물계 발광구조체가 성장되고 N형 및 P형 오믹컨택트층이 같은 방향으로 수평하게 배열되는 메사구조의 질화물계 발광다이오드(MESA-structured nitride-based LED)와 절연성 사파이어 성장기판과는 달리 실리콘(Si) 및 실리콘카바이드(SiC) 등과 같은 전도성 성장기판 상층부에 성장 제작되는 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED)가 있다. 빛의 밝기, 열 제거, 및 소자 신뢰성 관점에서는 메사구조의 질화물계 발광다이오드 보다는 전기 및 열적으로 우수한 전도성 기판 상층부에 제작된 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED) 형태가 많은 장점을 지니고 있다. 또한 질화물계 발광소자의 활성층(active layer)에서 생성된 빛이 P형 오믹컨택트층 또는 기판(substrate)을 통해서 외부로 방출되느냐에 따라서 탑에미트형 발광다이오드(top-emitting light emitting diode)와 플립칩 발광다이오드(flip-chip light emitting diode)로 나뉘어 진다. 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 P 형 오믹컨택트층을 통해서 외부로 방출되는 반면, 질화물계 플립칩형 발광다이오드는 고반사성 P형 오믹컨택트층을 이용하여 질화물계 발광구조체 내부에서 생성된 빛이 투명한 기판(사파이어)을 통해서 외부로 방출된다.

현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 메사구조의 탑에미트형 질화물계 발광다이오드는 P형 질화물계 클래드층의 상층부에서 직접 접촉하고 있는 P형 오믹컨택트층을 통해서 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 외부로 출사된다. 따라서 양질의 질화물계 메사구조의 탑에미트형 발광다이오드를 구현하기 위해서는 고품위 P형 오믹컨택트층이 반드시 필요한데, 이러한 고품위 P형 오믹컨택트층은 90% 이상의 높은 빛투과도(light transmission)를 갖고 동시에 최대한 낮은 비접촉 오믹저항(specific contact ohmic resistance)을 지녀야 한다. 다시 말하자면, 낮은 홀(hole) 농도로 인하여 발생되는 P형 질화물계 클래드층의 높은 면저항(sheet resistance)을 보상하기 위해서 P형 전극에서 측면방향(lateral direction)으로의 커런트스프레딩(current spreading)과 수직방향(vertical direction)으로의 컨런트인젝팅(current injecting)을 동시에 원활하게 수행하는 낮은 비접촉 오믹저항 및 면저항을 갖는 전기적 특성 이외도 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 P형 오믹컨택트층을 통해서 외부로 출사 될 때 흡수되는 빛을 최소화하기 위해서 높은 빛투과도의 광학적 특성을 갖는 P형 오믹컨택트층 개발이 차세대 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 탑메미트형 발광다이오드를 제작하기 위해서는 필수적이다.

현재까지 알려진 질화물계 반도체를 이용한 메사구조의 탑에미트형 발광다이오드에서 P형 오믹컨택트층으로 P형 질화물계 클래드층 상층부에 얇은 니켈(Ni)-금 (Au)의 이중층 또는 인듐 주석 산화물(ITO) 등과 같은 두꺼운 투명전도성 박막층을 단독으로 두껍게 적층한 후에 산소(O2) 또는 질소(N2) 분위기에서 열처리하여 P형 오믹컨택트층으로 사용하고 있다. 특히, 10-3 ~ 10-4 ㎠ 정도의 낮은 비접촉 오믹저항값을 갖는 반투명 니켈-금(Ni-Au)으로 구성된 오믹컨택트층의 낮은 비접촉 오믹저항값은 500 정도의 온도에서 열처리할 때, P형 질화물계 클래드층과 니켈-금의 오믹컨택트층 사이에 형성된 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되며 NiO의 섬모양 사이에 분포되어 있는 높은 전도성을 갖는 금(Au) 입자(particle)가 채워진 미세구조를 갖고 있다. 이러한 미세구조는 p형 질화물계 클래드층과 니켈-금 오믹컨택트층의 사이에 형성되는 쇼트키 장벽의 높이 및 폭(Schottky barrier height and width : SBH and SBW)을 감소시키며 P형 질화물계 클래드층으로의 원활한 홀(Hole) 캐리어 공급 및 전도성이 우수한 금(Au)의 분포로 양호한 커런트스프래딩 역할을 한다. 그러나 니켈-금으로 형성되는 P형 오믹컨택트층을 이용한 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 빛투과도를 저해하고 있는 금(Au) 성분을 포함하고 있어 외부발광효율(EQE)이 낮아 차세대 대용량 및 대면적의 고휘도 발광다이오드를 구현하는데 기본적인 한계점을 여전히 갖고 있다.

또한 가장 이상적인 고투명성 오믹접촉 전극물질로 알려진 두꺼운 투명전도성 박막층인 인듐(In), 주석(Sn), 또는 아연(Zn) 금속을 모체로 하여 형성된 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO)과 타이타늄(Ti) 및 탄탈륨(Ta) 등의 천이금속계 투명전도성 질화물(transitional metal-based transparent conducting nitride : TCN)을 직접 P형 질화물계 클래드층 상층부에 적층하여 반투 명 니켈-금 층 대신 p형 오믹컨택트층으로 이용하고자 하였다. 하지만 이러한 P형 오믹컨택트층 구조는 광학적 특성인 빛투과도는 우수하나 P형 질화물계 클래드층과 좋지 못한 오믹접촉 계면특성과 이로 인한 나쁜 전기적 특성 때문에 메사구조의 탑에미트형 질화물계 발광다이오드에 적용하기가 쉽지 않다.

또 다른 한편으로, 현재 부분적으로 널리 이용되고 있는 전기 및 열적으로 안정하고 광학적으로 최대 외부발광효율을 지닌 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 제작하기 위해서는 기존에 P형 오믹컨택트층으로 사용되고 있는 기존의 반투명 니켈-금 전극구조보다 더 높은 빛투과도를 갖도록 금(Au) 및 백금(Pt) 등의 귀금속(noble metal) 성분을 완전히 배제시키고 니켈(Ni) 및 루세늄(Ru) 등과 같은 일반 금속과 ITO처럼 광학적으로 매우 투명하고 전기전도성이 매우 뛰어난 투명전도성산화물을 결합하여 p형 오믹컨택트층으로 이용하고자 하는 연구내용이 여러 문헌[IEEE PTL, Y. C. Lin, etc. Vol. 14, 1668 and IEEE PTL, Shyi-Ming Pan, etc. Vol. 15, 646]을 통해 보고되었다. 최근 P형 오믹컨택트층으로 ITO 투명박막을 이용하여 기존의 니켈-금 오믹컨택트층 구조와 비교시 보다 향상된 출력(output power)을 나타내는 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 구현하였다는 내용이 [Semicond. Sci. Technol., C S Chang, etc. 18 (2003), L21]을 통해 보고되었다. 그러나 상기한 바와 같이, 인듐 주석 산화물(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 등과 같은 투명전도성 물질만을 이용한 P형 오믹컨택트층은 발광다이오드의 일시적인 외부발광효율을 최대화시킬 수 있는 반면, 상대적으로 높은 비접촉 오믹저항값으로 인하여 질화물계 발광다이오드 구동시에 다량의 열(heat)을 발생시켜 대면적 및 대용량 의 고휘도 질화물계 발광다이오드로의 폭넓은 응용은 한계점을 지니고 있다. 또 다른 한편으로, 투명전도성산화물(TCO) 또는 질화물(TCN)을 P형 오믹컨택트층으로 사용할 때, 문제시 되고 있는 나쁜 전기적 특성을 개선하기 위해서 미국의 루미엘이디(LumiLeds Lighting)사는 산화처리 시킨 얇은 니켈-은(Ni-Au) 또는 니켈-은(Ni-Ag)-인듐 주석 산화물(ITO)의 접목을 통한 향상된 빛투과도와 전기적 특성을 갖는 발광다이오드를 제작하였다고 보고한 바 있다 [Michael J. Ludowise etc., US patent 6,287,947]. 하지만, 이들 발명된 결과보고는 복잡한 P형 오믹컨택트층 형성 공정과 금(Au) 또는 은(Ag)을 사용하기 때문에 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 구현 하는데 여전히 많은 한계점이 존재하게 된다.

최근 들어, P형 질화물계 클래드층과 ITO 및 ZnO 등의 투명전도성산화물 전극 사이에 높은 오믹접촉 저항값을 낮추기 위해서 100nm 크기 이하의 제 2의 새로운 투명전도성산화물을 구형 파티클(particle) 형태로 계면에 도입하여 양질의 P형 오믹컨택트층을 개발하여 메사구조의 탑에미트형 질화물계 발광다이오드에 적용하여 삼성전자에서는 제품화 하고 있다.

고투명전도성 박막으로 널리 알려진 ITO, ZnO, In2O3, 및 TiN 등을 직접적으로 P형 오믹컨택트층으로 이용하기 위해서 각광받고 있는 또 다른 발명기술로는 P형 질화물계 클래드층 상부에 얇은 n+-AlInGaN/AlInGaN 및 p+-AlInGaN/AlInGaN 등의 슈퍼래티스(superlattice) 구조를 반복적으로 성장시킨 후, 그 상층부에 상기한 고투명전도성 박막층을 증착 및 열처리하여 양질의 P형 오믹컨택트층을 형성하여 터널링 정션(tunneling junction)을 통해서 양질의 메사구조의 탑에미트형 질화물 계 발광다이오드 제작에 대한 발명기술이 대만을 비롯한 몇몇 회사에서 적용하고 있다.

현재 많은 기업에서 사파이어 성장기판 상층부에 질화물계 발광구조체를 성장시킨 후에 투명한 P형 오믹컨택트층을 접목하여 만든 메사구조의 탑에미트형 질화물계 발광다이오드 발명기술은 발광소자 구동시 활성층 및 여러 계면에서 발생되는 다량의 열로 인해서 대면적 및 대용량의 고휘도 차세대 광원으로서는 적합하지 않은 것으로 인식되고 있다.

차세대 고휘도 광원을 개발하기 위한 또 다른 진보된 질화물계 발광소자는 절연성인 사파이어 성장기판 상층부에 적층된 질화물계 발광구조체를 이용한 고휘도 발광다이오드 제작은 미국의 루미엘이디(LumiLeds Lighting) 및 일본의 도요다 고세이(Toyoda Gosei)사를 비롯한 많은 회사에서 각각 고반사성 금속박막인 은(Ag)과 로듐(Rh) 물질을 P형 오믹컨택트층으로 접목하여 1mm x 1mm 크기 규모의 대면적 및 대용량의 LED 칩인 메사구조의 질화물계 플립칩형 발광다이오드(MESA-structured nitride-based flip-chip LED)를 만들고 있다. 하지만, 이러한 메사구조의 질화물계 플립칩형 발광다이오드는 복잡한 공정에서 비롯된 낮은 제품 수율과 현재 이용되고 있는 Ag 및 Rh 고반사성 오믹성 전극물질의 열적 불안정성 문제와 400nm 이하의 파장대역 빛에 대한 낮은 반사율 때문에 단파장 빛을 방출시키는 (근)자외선 발광다이오드에는 적합하지가 않다.

현재 차세대 백색광원으로 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드 제작 기술로 각광 받고 있는 것은 전기 및 열적으로 양호한 전도성 성장기판인 실 리콘 카바이드(SiC) 상층부에 질화물계 발광구조체를 적층하여 제작한 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED), 또는 절연성 성장기판인 사파이어 기판 상층부에 질화물계 발광구조체를 적층한 후에 강한 에너지원인 레이저 빔(laser beam)을 이용한 사파이어 제거 기술(laser lift-off : LLO)로 사파이어 기판을 제거시킨 후에 Ag 및 Rh 고반사성 오믹성 전극물질과 구리(Cu) 및 구리관련 합금(Cu-related alloy) 등의 우수한 열발산 기능을 갖는 히트 씽크(heat sink) 상층부에 본딩(bonding)한 후에 만든 수직구조의 질화물계 발광다이오드이다. 상기한 수직구조의 질화물계 발광다이오드는 열적 전도성이 좋은 히트 씽크(heat sink)를 사용하기 때문에 대면적 및 대용량의 발광다이오드 구동시에 발생되는 다량의 열을 비교적 용이하게 외부로 발산시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 하지만, 상기한 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED)는 여전히 열적으로 안정한 P형 고반사성 오믹컨택트층 부재, 생성된 빛의 내부 반사 및 흡수(total internal reflection/absorption)로 인해서 낮은 외부발광효율(EQE) 및 낮은 양산 수율(low product yield)로 인해서 비생산성/고비용 문제로 인해서 향후 고휘도 백색광원으로 이용하기 위해서는 더 진보된 기술이 필요로 하고 있다. 특히, 실리콘 카바이드(SiC) 성장기판 상층부에 적층 제작된 발광소자는 열적 발산은 좋으나 양질의 실리콘 카바이드 기판 자체를 생산하기 위한 고비용과 기술적 어려움, 그리고 높은 빛 흡수율로 인한 낮은 외부발광효율(EQE)이 실리콘 카바이드 기판을 사용한 질화물계 발광다이오드를 범용화 하는데 결정적 단점을 제공한다.

현재 차세대 고휘도 백색광원으로 가장 주목받고 있는 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 활용한 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED)는 활성층에서 생성된 빛을 N형 또는 P형 질화물계 클래드층을 통해서 외부로 방출하느냐에 따라서 각각 피(P) 사이드 다운(P-side down)또는 엔(N) 사이드 다운(N-side down) 수직구조의 질화물계 발광다이오드로 나누어진다. 일반적으로 N형 질화물계 클래드층을 통해서 빛을 방출시키는 피(P) 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드(P-side down vertical structured nitride-based LED)가 P형 질화물계 클래드층을 통해서 빛을 방출시키는 엔(N) 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드(N-side down vertical structured nitride-based LED)보다 더 간단한 제조공정과 우수한 광학 및 전기적 특성을 나타내는 것으로 보고 되고 있다. 이처럼 피(P) 사이드 다운과 엔(N) 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드간의 광학 및 전기적 특성에 있어서 현격한 차이는 제조공정에서 사용되는 반사 및 투명 오믹컨택트층의 특성차이로 인해서 발생되는 것으로 알려져 있다. 피(P) 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드(P-side down vertical structured nitride-based LED) 경우는 여러 문헌에서 공지된 바와 같이, 은(Ag) 또는 로듐(Rh) 고반사성 금속을 P형 오믹컨택트층으로 이용하고 최상층부에 면저항이 상당히 낮은 N형 질화물계 클래드층을 위치시키기 때문에 별도의 고투명성 N형 오믹컨택트층이 필요로 하지 않고 N형 질화물계 클래드층을 통해서 직접 빛을 외부로 발광시킬 수 있기 때문에 더 우수한 발광다이오드 특성을 갖게 되는 것이다. 하지만, 이러한 피 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드는 상기한 바와 같이 400nm 이하의 파장대역 빛을 발광시키는 발광구조체에서는 고반사성 P형 오믹컨택트층의 문제로 인해서 여러 특성들이 현저하게 저하되는 단점을 여전히 지니고 있다. 피 사이드 다운 수직구조와는 달리 엔(N) 사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광다이오드(N-side down vertical structured nitride-based LED) 경우는 은(Ag) 또는 로듐(Rh) 금속을 N형 고반사성 오믹컨택트층 물질로 사용할 수 있을 뿐만이 아니라 400nm 이하의 단파장 영역에서는 상당히 우수한 반사율을 갖는 알루미늄(Al) 물질을 고반사성 N형 오믹컨택트층으로 사용할 수 있다. 하지만 최상층부에 높은 면저항을 갖는 P형 질화물계 클래드층이 존재하기 때문에 별도의 고투명전도성 P형 오믹컨택트층이 반드시 필요로 하고 있다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이, 고투명전도성 P형 오믹컨택트층을 개발은 낮은 P형 질화물계 클래드층의 나쁜 전기적 특성 때문에 많은 어려움이 존재하는 실정이다.

독일의 오스람(OSRAM)을 비롯한 일본, 대만, 및 미국의 유명한 질화물계 발광소자 관련 업체들은 상기한 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 이용하여 부분적으로 대면적 및 대용량의 고휘도 백색광원체인 발광다이오드를 제조/판매하고 있다. 하지만 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 도입한 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 제작은 50% 이하의 낮은 양산 수율(product yield)로 인해서 비생산성/고비용의 결정적 단점을 갖고 있다.

본 발명은 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 구현화하기 위해서 창안된 것으로서, 상세하게는 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프 트 오프(laser lift - off : LLO ) 방법을 접목하기 위한 질화물계 반도체들(nitride-based semiconductors)로 구성된 양질의 질화물계 발광구조체를 사파이어(sapphire) 성장기판 상층부에 성장하기 전에 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer), 질화물계 평탄층(nitride-based flattening layer), 및 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)을 순차적으로 적층하고, 상기한 고융점 지지기판층 상층부에 질화물계 반도체들로 구성된 양질의 두꺼운 질화물계 박막층 또는 질화물계 발광구조체를 연속적으로 성장한다. 두꺼운 질화물계 박막층은 고품위 질화물계 발광소자인 레이저 다이오드(laser diode: LD) 및 발광 다이드오 (LED)와 고품위 질화물계 전자소자인 각종 트랜지스터(transistors)를 만들기 위한 또 다른 성장용 기판을 제공할 수 있다. 또한 양질의 질화물계 발광구조체 성장시에 완충층(buffering layer) 역할을 하는 언돕드 질화물계층(un-doped nitride-based layer)과 N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 사이에 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer) 또는 최상층인 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer) 상층부에 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 도입하여 적층하고 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프 ( laser lift - off : LLO ) 방법을 접목하여 양질의 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작할 수 있다. 본 발명에 의하면, 기존의 레이저 리프트 오프(LLO) 기술이 접목된 질화물계 발광소자 공정과는 달리 강한 에너지원인 레이저 조사 시 열적 및 기계적 변형으로부터 야기되는 질화물계 반도체 박막의 변형 또는 분해됨을 억제할 수 있을 뿐만이 아니라, N 형과 P형 질화물계 클래드층의 상부에 각각 형성되는 N형 및 P형 고투명성 또는 고반사성 오믹컨택트층의 전기 및 광학적 특성을 획기적으로 개선시켜 질화물계 발광소자의 우수한 전류-전압(current-voltage) 및 빛의 밝기(brightness) 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 외부발광효율(extraction quantum efficiency : EQE)을 향상시키기 위해서 도입된 표면 거칠기(surface roughness) 공정과 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 질화물계 클래드층 및 오믹컨택트층 상하부에 매우 용이하게 적용하여 대면적 및 대용량을 갖는 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하여 차세대 백색광원을 제공할 수 있다.

다시 말하자면, 절연성 사파이어 성장기판 제거를 통한 열 발산 문제를 해결하기 위해서 공지된 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 도입하지만, 기존의 질화물계 발광 적층구조와는 확연히 다른 적층구조를 사용하여 (1) 절연성 사파이어 성장기판으로부터 분리된 두꺼운 질화물계 박막층 또는 발광구조체의 열 및 기계적 변형 및 분해를 최소화 할 수 있으며 (2) 적어도 한층 이상의 터널 정션층(tunnel junction layer)이 도입된 질화물계 발광구조체를 성장기판인 사파이어 상층부에 적층해서 N형 및 P형의 고반사성 또는 고투명성 오믹컨택트층, 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 기술을 자유롭게 적용할 수 있고 (3) 이를 통해서 양질의 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하기 위해서는 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 이용하여 고 휘도 질화물계 발광소자의 최대 생산 수율을 얻어야 하는데, 이를 위해서는 무엇보다도 양질의 호모에피텍셜 성장(homo-epitaxial growth)을 위한 두꺼운 기판용 그룹 3족 질화물계층(group Ⅲ nitride-based layer) 박막층과 발광구조체가 필요하다. 본 발명에서는 양질의 호모에피텍셜 기판용 두꺼운 질화물계층 또는 핵생성층(nucleation layer)/완충층(buffering layer) 역할하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)/N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)/다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)/P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)으로 구성된 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 성장하기에 앞서, 절연성 성장기판 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물(group Ⅲ nitride)로 형성된 희생층(sacrificial layer)과 평탄층(flattening layer), 그리고 각종 고융점 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride)로 단층 (single layer), 이중층 (bi-layer), 및 삼중층(trilayer)으로 구성된 양질의 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 우선 적층한다.

자세하게는, 상기한 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer)은 700도 이하의 온도에서 성장된 저온 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화인듐갈륨(InGaN) 상이 우선적으로 적용되며, 이러한 질화물계 희생층은 이러한 희생층 상부에 고온에서 성장하는 평탄층을 형성하는 핵생성 역할을 할 뿐만이 아니라, 투명 한 사파이어 뒤면을 통해서 조사되어 들어오는 강한 에너지원인 레이빔을 맞게 되면 이 희생층에서 강한 레이저 빛 흡수가 발생되는 동시에 대략 1000도 정도의 온도가 생성되며 이로 인해서 절연성 기판인 사파이어가 분리된다. 또한 질화물계 평탄층(nitride-based flattening layer)은 800도 이상의 고온에서 성장시킨 질화물계 화합물 반도체층(nitride-based compound semiconductor layers)이 바람직하다. 특히, 상기한 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)은 적층순서와 무관하게 각종 고융점 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride)로 단층(single layer), 이중층(bi-layer), 또는 삼중층(tri-layer)으로 형성되며 바람직하게는 육방정계(hexagonal system) 또는 정방정계(cubic)인 비정질(amorphous layer) 보다는 단결정(epitaxy) 및 다결정(poly-crystal) 물질층을 말한다. 상기한 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)으로 사용되는 각종 고융점 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride)은 고온 및 수소 분위기에서 안정한 하기와 같다.

금속(metal): Ta, Ti, Zr, Cr, Sc, Si, Ge, W, Mo, Nb, Al.

질화물(nitride): Ti, V, Cr, Be, B, Hf, Mo, Nb, V, Zr, Nb, Ta, Hf, Al, B, Si, In, Ga, Sc, 및 W 및 각종 희토류 금속계 질화물.

산화물(oxide): Ti, Ta, Li, Al, Ga, In, Be, Nb, Zn, Zr, Y, W, V, Mg, Si, Cr, La, 및 각종 희토류 금속계 산화물.

보라이드(boride): Ti, Ta, Li, Al, Be, Mo, Hf, W, Ga, In, Zn, Zr, V, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 각종 희토류 금속계 보라이드.

카바이드(carbide): Ti, Ta, Li, B, Hf, Mo, Nb, W, V, Al, Ga, In, Zn, Zr, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 각종 희토류 금속계 카바이드.

실리사이드(silicide): Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Th, Ti, W, V, Zr, 및 각종 희토류 금속계 실리사이드.

산화질화물(oxynitride): Al-O-N.

카본질화물(carbon nitride): Si-C-N.

또한, 무엇보다도 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer) 성장시에, 상기한 그룹 3족 질화물계 반도체로 구성된 발광구조체에서 언돕드 버퍼링 질화물계층과 N형 질화물계 클래드층 사이의 계면(interface)과 최상층인 P형 질화물계 클래드층 표면(Surface)에 적어도 한층 이상의 터널 정션층(tunnel junction layer)을 금속 유기 화학 증기 증착기(metallorganic chemical vapor deposition : MOCVD) 장치 내부에서 발광구조체 적층 과정에서 도입시킨다. 다시 말하자면, 언돕드 버퍼링 질화물계층과 N형 질화물계 클래드층 사이의 계면(interface)에 존재하는 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer)과 최상층인 P형 질화물계 클래드층 표면(surface)에 적층 도입된 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 말한다. 상기한 터널 정션층은 AlaInbGacNxPyAsz (a, b, c, x, y, z ; 정수)로 형성된 단층(single layer), 이중 층(bi-layer), 또는 삼중층(tri-layer)으로 형성되며 바람직하게는 그룹 2족원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 말한다.

더욱 바람직하게는 이미 여러 문헌에서 공지된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 터널 정션층(tunnel junction layer)로 한다. 일예로 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 또는 AlGaAs/InGaAs 등처럼 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍 (30 pairs) 까지를 적층할 수 있다.

더욱 바람직하게는 그룹 2족 원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족 원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 말한다.

또 다른 발명 기술로서 터널 정션층(tunnel junction layer)의 하부 또는 상부에 표면 거칠기(surface roughness) 및 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 통한 질화물계 발광소자의 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위해서 레이저 빔의 간섭현상과 광감성폴리머(photo-reactive polymer)를 이용한 인터페로미터(interferometer) 방법과 에칭기술(etching technology)을 접목하여 10nm 이하 크기의 다양한 형태의 닷(dot), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 나노기둥(nano-columnar), 또는 홀(hole)을 도입시킬 수 있다.

또 다른 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 통한 발광소자의 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위한 방법으로는 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 또는 수 소(H2) 분위기 개스(gas)가 적어도 한 성분 이상 포함된 분위기와 상온 내지 800이내 온도에서 10초 내지 1시간 이하의 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 공지된 여러 기술들, 즉 건식 및 습식 에칭(dry and wet etching), 고투명성 또는 고반사성 P형 오믹컨택트층(N-type or P-type ohmic contact layer) 형성, 기판 본딩 또는 디본딩(substrate bonding or debonding), 포토 리쏘그래피(photo-lithography), 일렉트로플레이팅(electroplating), 및 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 등을 접목하여 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 제작한다.

절연성 성장기판인 사파이어(sapphir)로부터 레이저 리프트 오프(LLO) 방법을 통해서 얇은 질화물계 발광구조체를 제거 하는 공정에서 발광구조체의 보호 및 열 발산체인 히트 씽크(heat sink)로 사용되고 있는 순수 실리콘(Si) 기판이 아닌 본딩을 비교적 용이하게 할 수 있는 실리콘 기판 상층부에 금속간화합물(intermetallic compound)인 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 또는 고용체(Al-related alloy or solid solution), 구리(Cu), 구리계 합금 또는 고용체(Cu-related alloy or solid solution), 은(Ag), 또는 은계 합금 또는 고용체(Ag-related alloy or solid solution) 등을 비롯한 전기 및 열적 전도성이 우수한 금속, 합금, 또는 고용체를 사용하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기한 건식 및 습식 에칭(dry and wet etching)은 P형 오 믹컨택트층을 형성하기 전과 후와 같이 공정순서에는 상관없이 일반적으로 알려진 방법과 목적으로 행하되, N형 및 P형 질화물계 클래드층 표면 및 측면에 에칭 데미지(damage)를 최대한 감소시켜야 한다.

더욱 바람직하게는 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 방법을 통한 사파이어 성장기판 제거 공정에서 기판 분리 생산수율 향상 목적과 동시에 질화물계 반도체로 형성된 평탄층(nitride-based flattening layer)에 형성된 갈륨(Ga)과 같은 금속 및 산화물 제거를 통한 표면 평탄화(planarization)를 위해서 가능한 40도 이상의 온도를 유지하는 염산(HCl)를 비롯한 산(acid) 또는 염기(base)성 용액 내에서 행하는 것이 더욱 바람직하다.

최상층부인 N형 및 P형 질화물계 클래드층 상층부(N-type and P-type nitride-based cladding layers)에 적층되는 오믹 커런트스프레드층(ohmic current spreading layer)으로 가능한 물질은 투명전도성 박막층인 산화물(oxide) 또는 천이금속계 질화물(transitional metal-based nitride)로 형성되며, 특히 투명전도성산화물(transparent conducting oxide : TCO)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 란탄(La) 원소계열의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 산화물(oxide)로 형성된다.

상기한 천이금속계 질화물(transitional metal-based nitride)은 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 또는 몰리브덴늄(Mo) 금속과 질소(N)가 결합된 질화물(nitride)이다.

더 바람직하게는 N형 및 P형 질화물계 클래드층 상부에 적층되는 오믹 커런트스프래드층으로는 상기한 투명전도성 박막층과 N형 및 P형 질화물계 클래드층과의 질소 또는 산소 분위기에서 열처리시 새로운 투명전도성 박막을 형성할 수 있는 금속성분들과 결합할 수도 있다.

바람직하게는 본딩 물질층 상부에 도입되는 고반사 N형 및 P형 오믹컨택트층으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 니켈( Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 고반사성 금속과 이들을 모체로 하는 합금 또는 고용체(alloy or solid solution)도 가능하다. 특히, 본 발명에서는 N형 및 P형 고반사성 오믹컨택트층으로 열적으로 안정하며 400nm 이하 파장대역의 빛에 대한 반사율이 우수한 알루미늄(Al) 금속, 합금, 또는 고용체를 우선적으로 사용한다.

더 바람직하게 다른 고반사성 N형 및 P형 오믹컨택트층으로는 상기한 투명전도성 박막층인 투명전도성산화물(TCO) 또는 투명전도성 천이금속계 투명전도성질화물(TCN)과 상기한 고반사성 금속들과의 접목도 가능하다.

더욱 바람직하게는 또 다른 발명으로 N형 또는 P형 질화물계 클래드층을 통해서 발광되는 빛의 양을 최대화하기 위해서 표면 거칠기(surface roughness) 또는 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 도입한다. 이러한 표면 거칠기 또는 포토닉크리스탈 효과가 도입되는 발광구조층은 터널 정션층, N형 질화물계 클 래드층, 또는 N형 및 P형 커런트스프래드층 상/하층부이며, 도입한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로미터 이하의 일정한 크기의 닷(dot), 홀(hole), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 나노기둥(nano-columnar), 또는 다양한 형태로 배열 시킨다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 활용한 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드의 제조방법은 (1) 절연성 성장기판인 사파이어(sapphire) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)/평탄층(nitride-based flattening layer)/ 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 적층시킨 후, 핵생성층(nucleation layer)/완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)/N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)/다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)/P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer), (2) 절연성 성장기판인 사파이어(sapphire) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)/평탄층(nitride-based flattening layer)/ 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 적층시킨 후, 핵생성층(nucleation layer)/완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)/제 1 터널 정션층( first tunnel junction layer)/N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)/다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)/P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer), (3) 절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)/평탄층(nitride-based flattening layer)/ 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 적층시킨 후, 핵생성층(nucleation layer)/완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)/N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)/다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)/P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)/제 2 터널 정션층( second tunnel junction layer ), 또는 (4) 절연성 성장기판인 사파이어(sapphire) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)/평탄층(nitride-based flattening layer)/ 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 적층시킨 후, 핵생성층(nucleation layer)/완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)/제 1 터널 정션층( first tunnel junction layer)/N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)/다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)/P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)/제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 갖는 양질의 질화물계 발광구조체를 갖는 고휘도 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 사파이어 성장기판 상층부에 질화물계 핵생성층을 비롯한 발광구조체를 적 층/성장하기에 앞서, 그룹 3족 질화물 반도체로 구성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)과 평탄층(nitride-based flattening layer), 그리고 AlaObNc (a, b, c; 정수)와 GaxOy (x, y; 정수)로 적층순서와 무관하게 형성된 단층(single layer), 이중층(bi-layer), 또는 삼중층(tri-layer)으로 형성시키며 바람직하게는 육방정계(hexagonal system)인 Al2O3와 Ga2O3 화학식을 갖는 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 적층하는 단계와;

나. 고융점 지지기판층(supporting substrate layer) 상층부에 질화물계 핵생성층을 비롯한 일반적으로 공지된 그룹 3족 질화물계 발광구조체를 적층하거나 또는 적어도 언돕드 버퍼링 질화물계층과 N형 질화물계 클래드층 사이의 계면(interface)과 최상층인 P형 질화물계 클래드층 표면(surface)에 한층 이상의 터널 정션층(tunnel junction layer)을 기본적으로 삽입하고 N형 질화물계 클래드층, 다중양자우물 질화물계 활성층 및 P형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 양질의 질화물계 발광구조체를 형성하는 단계와;

다. 상기 가 및 나 단계처럼 성장된 발광구조체에서 절연성 성장기판인 사파이어 제거, N형 또는 P형 오믹 커런트스프래드층, 얇은 질화물계 발광구조체를 보호하기 위한 기판 본딩 또는 디본딩, 또는 N형 또는 P형 고반사성 오믹컨택트층을 적층하고 열처리하는 단계와;

바람직하게는 양질의 N형 또는 P형 고투명성/고반사성 오믹컨택트층을 형성하기 위해서는 700도 이하의 온도에서 산소(O2), 질소(N2), 또는 공기 분위기에서 열처리 하는 것이 좋다.

라. 상기 가 및 나 단계를 거쳐서 제작된 수직구조의 질화물계 발광다이오드(vertical structured nitride-based LED)의 외부발광효율(EQE)을 최대화하기 위해서 N형 또는 P형 질화물계 클래드층, N형 또는 P형 반사 오믹컨택트층, 터널 정션층, 또는 N형 또는 P형 오믹 커런트스프래드층 표면에 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 위한 10nm 이하 크기의 닷(dot), 홀(hole), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 나노기둥(nano-columnar), 또는 다양한 형상를 도입시키는 단계;이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 N형 또는 P형 고반사성 오믹컨택트층 및 N형 또는 P형 오믹 커런트스프래드층의 품질을 향상시키기 위해서 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 또는 수소(H2) 등의 플라즈마(plasma)를 이용한 스퍼터링 증착(sputtering deposition)과 강한 레이저 빔을 에너지원으로 하는 레이저 증착(pulsed laser deposition : PLD) 방법을 우선적으로 이용하며, 이 이외에도 이빔 또는 열저항을 이용한 증착기(electron-beam or thermal evaporator), 원자층 증착(atomic layer deposition : ALD)을 비롯한 화학 반응을 이용한 증착(chemical vapor deposition : CVD), 일렉트로플레이팅(electroplating)을 비롯한 전기화학 증착(Electrochemistry deposition) 등의 방법을 사용할 수 있다. 특히, 이미 상용화되고 있는 모든 레이저 리프트 오프(LLO)를 이용한 수직구조의 질화물계 발광소자들은 N형 또는 P형 고반사성 오믹컨택트층 및 N형 또는 P형 오믹 커런트스프래드층을 질화물계 클래드층 상부에 증착할 때, 강한 에너지를 갖고 있는 이온(ion)들이 질화물계 클래드층의 표면에 악영향을 미치고 있기 때문에 이를 회피하기 위해 서 이빔 또는 열저항을 이용한 증착기(evaporator)를 사용한다.

또한 N형 또는 P형 고반사성 오믹컨택트층 및 N형 또는 P형 오믹 커런트스프래드층 표면 상층부에 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 통한 질화물계 발광소자의 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위해서 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 또는 수소(H2) 분위기 개스(gas)가 적어도 한 성분 이상 포함된 분위기와 상온 내지 800이내 도에서 10초 내지 1시간 이하의 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 절연성 성장기판인 사파이어 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 희생층(nitride-based sacrificial layer) 및 평탄층(nitride-based flattening layer)이 순차적으로 적층된 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)(A)과 상기한 질화물계 박막층 상층부에 형성된 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)(B)을 나타내 보인 단면도이다.

도 1-A는 최초 성장기판인 사파이어(100) 상층부에 700도 이하의 온도에서 성장된 100nm 이하의 두께를 지닌 저온 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화인듐갈륨(InGaN)으로 형성된 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer)(110)과 800도 이상의 온도에서 성장되어 매우 좋은 표면 상태를 지닌 질화갈륨(GaN)으로 구성된 질화물계 평탄층(120)이 우선적으로 적층/성장된다. 특히 모든 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 질화물계 박막층 또는 질화물계 발광구조체 는 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 투명한 사파이어 뒤쪽 면을 통해서 조사시키면 상기한 질화물계 희생층(110)에서 갈륨(Ga) 금속과 질소 개스(N2) 또는 알루미늄(Al) 금속과 질소 개스(N2)로 열화학 분해반응이 유발되어 절연성 사파이어 성장기판을 크랙킹(cracking) 없이 자유로운 분리를 도와주는 역할을 한다.

도 1-B는 상기한 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 평탄층(120) 상층부에 본 발명기술의 핵심기술인 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)(130)이 적층/성장되어 있다. 이러한 고융점 지지기판층(130)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 이용하여 절연성 성장기판(100)을 제거할 때, 최초 성장시 도입된 열 및 기계적 변형에서 유발된 응력을 완화시켜서 상기한 고융점 지지기판층(130) 상부에 성장된 질화물계 박막층 또는 발광구조체의 열 및 기계적 변형 방지와 분해를 막아주는 역할을 담당한다. 상기한 고융점 지지기판층(130)은 적층순서와 무관하게 형성된 단층(single layer), 이중층(bi-layer), 또는 삼중층(tri-layer)으로 형성되며 바람직하게는 육방정계(hexagonal system) 또는 정방정계(cubic system) 결정구조를 갖는 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 우선적으로 적용한다.

더욱 바람직하게는, 상기한 고융점 지지기판층(130)은 1000도 이상의 온도 및 다량의 수소 개스 및 이온 분위기에서 내 환원성을 갖는 물질이 선택되며, 이들 물질로서는 하기와 같은 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride)이다.

금속(metal): Ta, Ti, Zr, Cr, Sc, Si, Ge, W, Mo, Nb, Al.

산화질화물(oxynitride): Al-O-N.

카본질화물(carbon nitride): Si-C-N.

또한, 바람직하게는 상기한 고융점 지지기판층(130)은 금속 유기 화학 증기 증착(metalorganic chemical vapor deposition : MOCVD) 등의 화학 반응을 통한 화학적 증착 방법(chemical vapor deposition : CVD) 외에도 높은 에너지를 지닌 개스 이온들(gas ions)을 이용한 스퍼터링(sputtering) 증착, 레이저 에너지원을 이용한 PLD(pulsed laser deposition) 등의 물리적 증착 방법(physical vapor deposition : PVD)등을 이용하여 10 m 이하의 두께를 증착한다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라서, 절연성 성장기판인 사파이어 상층부 에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 박막층(nitride-based thin film layer)과 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)이 순차적으로 형성된 상층부에 양질의 성장기판용 또 다른 두꺼운 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)(A)과 질화물계 발광구조체층(nitride-based light emitting structure layer)(B)이 성장된 모습을 보인 단면도이다.

상기한 도 1-B에서 언급한 바와 같은 구조, 즉 최초 성장기판인 사파이어(100) 상층부에 질화물계 희생층(110)과 평탄층(120), 그리고 1000도 이상의 온도와 수소 개스 및 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 상기한 물질로서 형성된 단층(single layer), 이중층(bi-layer), 또는 삼중층(tri-layer)으로 형성된 단결정, 다결정, 또는 비정질의 고융점 지지기판층(130)이 순차적으로 형성되어 있는 상층부에 성장기판용인 또 다른 질화물계 박막층(240)과 질화물계 발광구조체층(250)이 성장된다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따라서, 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 기술을 이용하여 절연성 성장기판인 사파이어를 제거시킨 후, 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer)과 그 상층부에 형성된 양질의 성장기판용 또 다른 질화물계 박막층(nitride-based thin film layer)과 그룹 3족 질화물계 발광구조체층(nitride-based light emitting structure layer)을 각각 (A, B) 및 (C, D)에 나타내 보인 단면도이다.

특히 3-B 및 3-D는 3-A 및 3-C와는 달리, 레이저 리프트 오프(LLO) 방법을 도입하여 최초 성장기판인 사파이어(100)를 제거한 후에도 고융점 지지기판층(130) 하층부에 질화물계 평탄층(120)이 계속적으로 남아 있는 형태를 갖는다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따라서, 레이저 리프트 오프(LLO) 방법에 의해서 절연성 성장기판인 사파이어를 제거 시킨 후에, 고융점 지지기판층(supporting substrate layer) 상층부에 형성되어 있는 각기 다른 4종류(A, B, C, D)의 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 나타내 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따라서, 레이저 리프트 오프(LLO) 방법에 의해서 절연성 성장기판인 사파이어를 제거 시킨 후에, 고융점 지지기판층(refractory supporting substrate layer) 상층부에 형성되어 있는 각기 다른 4종류(A, B, C, D)의 질화물계 발광구조체(nitride-based light emitting structure layer)를 나타내 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P- side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 1개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N-side down vertical structured nitride-based light emitting device)를 각각 도 A, B와 C에 각각 나타내 보인 단면도이다.

상세하게는 도 5는 도 4-A에서 보인 바와 같이, 1000도 이상의 온도와 수소 개스 및 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 상기한 물질로서 형성된 고융점 지지기판층(130) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 핵생성층(nitride-based nucleation layer)(10)을 비롯해서 완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)(20), N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)(30), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)(40), 및 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)(50)로 구성된 질화물계 발광구조체와 발광소자 구동시 발생된 열을 원활하게 외부로 방출하기 위한 히트씽크(80)와 본딩층(90), 그리고 n형 및 p형 질화물계 클래드층(30, 50)과 직접적으로 접촉하고 있는 오믹 커런트스프래드층(150) 및 고반사성 오믹컨택트층(140)을 결합하여 제작된 3가지 형태의 질화물계 발광소자를 보여주고 있다.

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 및 제 1 터널 정션층 ( first tunnel junction layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P-side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 1개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N- side down vertical structured nitride-based light emitting device)을 각각 도 A, B와 C에 각각 나타내 보인 단면도이다.

상세하게는 도 6은 도 4-B에서 보인 바와 같이, 1000도 이상의 온도와 수소 개스 및 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 상기한 물질로서 형성된 고융점 지지기판층(130) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 핵생성층(nitride-based nucleation layer)(10)을 비롯해서 완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층 (un-doped buffering nitride-based layer)(20), 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer)(60), N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)(30), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)(40), 및 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)(50)로 구성된 질화물계 발광구조체와 발광소자 구동시 발생된 열을 원활하게 외부로 방출하기 위한 히트씽크(80)와 본딩층(90), 그리고 n형 및 p형 질화물계 클래드층(30, 50)과 직접적으로 접촉하고 있는 오믹 커런트스프래드층(150) 및 고반사성 오믹컨택트층(140)을 결합하여 제작된 3가지 형태의 질화물계 발광소자를 보여주고 있다.

도 7은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 고융점 지지기판층( refractory supporting substrate layer ) 및 제 2 터널 정션층 ( second tunnel junction layer ) 도입과 레이저 리프트 오프 ( LLO ) 방법을 사용하여 제작된 2개의 N-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(N-side down vertical structured nitride-based light emitting device)와 3개의 P-사이드 다운 수직구조의 질화물계 발광소자(P- side down vertical structured nitride-based light emitting device)을 각각 도 A, B와 C, D, E에 각각 나타내 보인 단면도이다.

상세하게는 도 7은 도 4-C에서 보인 바와 같이, 1000도 이상의 온도와 수소 개스 및 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 상기한 물질로서 형성된 고융점 지지기판층(130) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 핵생성층(nitride-based nucleation layer)(10)을 비롯해서 완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층 (un-doped buffering nitride-based layer)(20), N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)(30), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)(40), P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)(50), 및 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)(70)로 구성된 질화물계 발광구조체와 발광소자 구동시 발생된 열을 원활하게 외부로 방출하기 위한 히트씽크(80)와 본딩층(90), 그리고 n형 및 p형 질화물계 클래드층(30, 50)과 직접적으로 접촉하고 있는 오믹 커런트스프래드층(150) 및 고반사성 오믹컨택트층(140)을 결합하여 제작된 5가지 형태의 질화물계 발광소자를 보여주고 있다.

상세하게는 도 8은 도 4-D에서 보인 바와 같이, 1000도 이상의 온도와 수소 개스 및 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 상기한 물질로서 형성된 고융점 지지기판층(130) 상층부에 그룹 3족 질화물계 반도체로 형성된 핵생성층(nitride-based nucleation layer)(10)을 비롯해서 완충층 역할 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)(20), 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer)(60), N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)(30), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)(40), P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)(50), 및 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)(70)로 구성된 질화물계 발광구조체와 발광소자 구동시 발생된 열을 원활하게 외부로 방출하기 위한 히트씽크(80)와 본딩층(90), 그리고 n형 및 p형 질화물계 클래드층(30, 50)과 직접적으로 접촉하고 있는 오믹 커런트스프래드층(150) 및 고반사성 오믹컨택트층(140)을 결합하여 제작된 4가지 형태의 질화물계 발광소자를 보여주고 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의해서 제작된 질화물계 발광소자에서 공통적으로 사용된 발광구조체의 보호 및 열 발산체인 히트 씽크(heat sink)로 사용되는 지지기판(80)은 기존의 일반적으로 사용되고 있는 실리콘(Si) 기판이 아닌 실리콘 기판 상층부에 금속간화합물(intermetallic compound)인 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 또는 고용체(Al-related alloy or solid solution), 구리(Cu), 구리계 합금 또는 고용체(Cu-related alloy or solid solution), 은(Ag), 또는 은계 합금 또는 고용체(Ag-related alloy or solid solution) 등을 비롯한 전기 및 열 전도성이 우수한 금속, 합금, 또는 고용체을 지지기판으로 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 지지기판의 제조공정의 기계, 전기화학, 또는 물리 화학적 증착법을 이용한다.

절연성 사파이어(100) 기판으로부터 질화물계 발광구조체를 제거하기 위해서 본 발명에서 도입된 레이저 리프트 오프(LLO) 방법은 기존처럼 상온 상압에서 행하는 것이 아니라, 공정 중에 질화물계 발광구조체의 크랙(crack) 발생으로 인한 낮은 수율 문제를 해결하기 위해서 40도 이상의 온도를 유지하고 있는 염산(HCl)과 같은 산성용액(acid) 또는 염기성용액(base)에서 담근 상태에서 레이저 빔을 조사하여 분리한다.

상기한 본딩 물질층(90)는 점성이 뛰어나고 녹는점(melting point)이 낮은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 금속, 이들 금속들을 모체로 하는 합금 또는 고용체를 사용하는 것이 바람직하다.

P형 고반사성 오믹컨택트층(P-reflective ohmic contact layer)(140)은 P형 질화물계 클래드층 상부에서 전기적으로 낮은 비접촉 저항값을 갖고 높은 빛 반사율을 나타내는 고반사성 금속인 알루미늄(Al) 및 알루미늄계 합금 또는 고용체(Al-related alloy or solid solution)를 제외한 은(Ag)과 로듐(Rh)을 두껍게 단독으로 사용하거나, 이들 고반사성 금속과 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 또는 금(Au) 금속들과 이중, 또는 삼중층으로 형성된 반사막을 사용하거나, 공지된 얇은 투명전도성 박막층인 투명전도성산화물(TCO) 또는 천이금속계 투명전도성질화물(TCN)과 상기한 고반사성 금속을 순차적으로 접목한 구조를 이용한다.

P형 질화물계 클래드층(50), 다중양자우물 질화물계 활성층(40), 및 N형 질화물계 클래드층(30)까지의 각 층은 그룹 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성하고 P형 질화물계 클래드층(50) 및 N형 질화물계 클래드층(30)은 해당 도펀트(dopant)가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(40)은 단층(single layer) 또는 다층의 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일예로 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, N형 질화물계 클래드층(30)은 GaN에 N형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(40)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, P형 질화물계 클래드층(50)은 GaN에 P형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등이 첨가되어 형성된다.

본 발명의 핵심부분인 제 1 및 제 2 터널 정션층(60, 70)은 그룹 3-5족 원소로 구성되는 AlaInbGacNxPyAsz (a, b, c, x, y, z ; 정수)로 표현한 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 50nm 이하의 두께로 형성된 단층(single layer), 바람직하게는 이중층(bi-layer), 삼중층(tri-layer), 또는 그 이상의 적층구조로 형성된다.

더욱 바람직하게는 이미 여러 문헌에서 공지된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 제 1 및 제 2 터널 정션층(60, 70)로 한다. 일예로 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 또는 AlGaAs/InGaAs 등처럼 그룹 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍(30 pairs)까지를 적층할 수 있다.

또 다른 발명 기술로서 터널 정션층의 하층부 또는 상층부에 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 통한 질화물계 발광소자의 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위해서 레이저 빔의 간섭현상과 광감성폴리머(photo-reactive polymer)을 이용한 인터페로미터(interferometry) 방법과 에칭기술(etching technology)을 이용하여 10nm 이하 크기의 닷(dot), 홀(hole), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 나노기둥(nano-columnar), 또는 다양한 형상을 도입시킬 수 있다.

또 다른 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 통한 발광소자의 전기 및 광학적 특성을 향상시키기 위한 방법으로는 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 또는 수소(H2) 분위기 개스(gas)가 적어도 한 성분 이상 포함된 분위기와 상온 내지 800도 이내에서 10초 내지 1시간 이하의 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

N형 전극 패드(170)는 공지된 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 또는 텅스텐(W)을 비롯한 고융점 금속(refractory metal)들이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

전극 패드(160)는 공지된 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 또는 텅스텐(W)을 비롯한 고융점 금속(refractory metal)들이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

본 발명의 목적인 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 제작에 있어서 결정적 중요 기술에 대한 공정 방법 및 순서에 대해서는 상세한 설명을 회피하 였다. 따라서 본 발명과 관련된 상세 기술들은 이 특허내용에 포함된 내용에 국한되지 아니한다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명 기술은 대면적 및 대용량을 통한 고휘도 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것인데, 사파이어(sapphire) 성장기판 상층부에 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프 ( laser lift - off : LLO ) 방법을 접목하기 위한 질화물계 반도체들(nitride-based semiconductors)로 구성된 양질의 질화물계 발광구조체를 성장하기 전에 질화물계 희생층(nitride-based sacrificial layer), 질화물계 평탄층(nitride-based flattening layer), 및 고융점 지지기판층(supporting substrate layer)을 순차적으로 적층하고, 상기한 고융점 지지기판층 상층부에 질화물계 반도체들로 구성된 양질의 질화물계 발광구조체를 연속적으로 성장한다. 질화물계 발광구조체 성장시에 완충층(buffering layer) 역할을 하는 언돕드 질화물계층(un-doped nitride-based layer)과 N형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 사이에 제 1 터널 정션층(first tunnel junction layer) 또는 최상층인 P형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer) 상층부에 제 2 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 도입하여 적층하고 레이저 빔을 이용한 사파이어 제거 기술인 레이저 리프트 오프(laser lift - off : LLO ) 방법을 접목하여 양질의 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자를 제작할 수 있다. 본 발명에 의하면, 기존의 레이저 리프트 오프(LLO) 기술이 접목된 질화물계 발광소자 공 정과는 달리 강한 에너지원인 레이저 조사 시 열적 및 기계적 변형으로부터 야기되는 질화물계 반도체 박막의 변형 또는 분해됨을 억제할 수 있을 뿐만이 아니라, N형 및 P형 질화물계 클래드층의 상부에 각각 형성되는 N형 및 P형 고투명성 또는 고반사성 오믹컨택트층의 전기 및 광학적 특성을 획기적으로 개선시켜 질화물계 발광소자의 우수한 전류-전압(current-voltage) 및 빛의 밝기(brightness) 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 외부발광효율(extraction quantum efficiency : EQE)을 향상시키기 위해서 도입된 표면 거칠기(surface roughness) 공정과 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 질화물계 클래드층 및 오믹컨택트층 상하부에 매우 용이하게 적용하여 대면적 및 대용량을 갖는 고휘도 질화물계 발광소자를 제작하여 차세대 백색광원을 제공할 수 있다

Claims

성장 기판;

상기 성장 기판상에 형성된 질화물계 반도체 박막층;

상기 질화물계 반도체 박막층상에 형성된 지지 기판층(supporting substrate layer); 및

상기 지지 기판층상에 형성된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 질화물계 반도체 박막층은 그룹 3족 원소 질화물계 반도체로 구성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 2항에 있어서,

상기 질화물계 반도체 박막층은 상기 희생층상에 형성된 평탄층(nitride-based flattening layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 지지 기판층은 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride) 중 적어도 하나를 포함하는 단층(single layer) 또는 다중층(multi-layer)의 물질층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 4항에 있어서,

상기 물질층에 포함된 상기 금속(metal)은 Ta, Ti, Zr, Cr, Sc, Si, Ge, W, Mo, Nb, 및 Al 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 질화물(nitride)은 Ti, V, Cr, Be, B, Hf, Mo, Nb, V, Zr, Nb, Ta, Hf, Al, B, Si, In, Ga, Sc, W, 및 희토류 금속계 질화물 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 산화물(oxide)은 Ti, Ta, Li, Al, Ga, In, Be, Nb, Zn, Zr, Y, W, V, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 보라이드(boride)는 Ti, Ta, Li, Al, Be, Mo, Hf, W, Ga, In, Zn, Zr, V, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 보라이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 카바이드(carbide)는 Ti, Ta, Li, B, Hf, Mo, Nb, W, V, Al, Ga, In, Zn, Zr, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 카바이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 실리사이드(silicide)는 Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Th, Ti, W, V, Zr, 및 희토류 금속계 실리사이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 산화질화물(oxynitride)은 Al-O-N를 포함하고,

상기 카본질화물(carbon nitride)은 Si-C-N를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 5항에 있어서,

상기 물질층은 비정질, 육방정계(hexagonal system)나 정방정계(cubic)의 단결정(epitaxy) 및 다결정(poly-crystal) 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 6항에 있어서,

상기 지지 기판층은 1000도 이상의 고온과 수소 개스 또는 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 열 및 화학적으로 안정한 10 마이크로 미터 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 발광층은 핵생성층(nucleation layer), 완충층 역할을 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer), 제1 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer), 및 제2 형 질화물계 클래드층( nitride-based cladding layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 형 중 어느 하나는 N형이고 나머지 하나는 P형인 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 8항에 있어서,

상기 발광층은 상기 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)과 상기 제1 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer)의 사이, 및 상기 제2 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer)상부 중 적어도 하나에 형성된 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 10항에 있어서,

상기 터널 정션층은 그룹 3-5족 원소로 구성되는 AlaInbGacNxPyAsz(a, b, c, x, y, z ; 정수)의 화합물을 포함하는 50nm 이하 두께의 단층 또는 다중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 11항에 있어서,

상기 터널 정션층은 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 및 AlGaAs/InGaAs 중 적어도 하나를 포함하는 그룹 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍(30 pairs)까지 적층된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 12항에 있어서,

상기 터널 정션층은 그룹 2족 원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족 원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(single-crystal), 다결정(poly-crystal), 및 비정질(amorphous) 중 적어도 하나의 물질층을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
제 10항에 있어서,

상기 터널 정션층, 상기 제1 및 제2 형의 질화물계 클래드층 중 적어도 하나의 표면에는 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 제공하기 위해 10nm 이하 크기의 닷(dot), 홀(hole), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 및 나노기둥(nano-columnar) 중 적어도 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자용 구조체.
성장 기판상에 질화물계 반도체 박막층을 형성하는 단계;

상기 질화물계 반도체 박막층상에 지지 기판층(supporting substrate layer)을 형성하는 단계;

상기 지지 기판층상에 발광층을 형성하는 단계;

상기 성장 기판과 상기 질화물계 반도체 박막층 중 적어도 상기 성장 기판을 제거하는 단계;

상기 발광층 하부의 상기 성장 기판이 제거된 부분 및 상기 발광층의 상부 중 적어도 하나의 부분에 오믹층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 질화물계 반도체 박막층은 그룹 3족 원소 질화물계 반도체로 구성된 희생층(nitride-based sacrificial layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 16항에 있어서,

상기 질화물계 반도체 박막층은 상기 희생층상에 형성된 평탄층(nitride-based flattening layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 지지 기판층은 금속(metal), 질화물(nitride), 산화물(oxide), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide), 산화질화물(oxynitride), 및 카본질화물(carbon nitride) 중 적어도 하나를 포함하는 단층(single layer) 또는 다중층(multi-layer)의 물질층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 18항에 있어서,

상기 물질층에 포함된 상기 금속(metal)은 Ta, Ti, Zr, Cr, Sc, Si, Ge, W, Mo, Nb, 및 Al 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 질화물(nitride)은 Ti, V, Cr, Be, B, Hf, Mo, Nb, V, Zr, Nb, Ta, Hf, Al, B, Si, In, Ga, Sc, W, 및 희토류 금속계 질화물 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 산화물(oxide)은 Ti, Ta, Li, Al, Ga, In, Be, Nb, Zn, Zr, Y, W, V, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 보라이드(boride)는 Ti, Ta, Li, Al, Be, Mo, Hf, W, Ga, In, Zn, Zr, V, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 보라이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 카바이드(carbide)는 Ti, Ta, Li, B, Hf, Mo, Nb, W, V, Al, Ga, In, Zn, Zr, Y, Mg, Si, Cr, La, 및 희토류 금속계 카바이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 실리사이드(silicide)는 Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Th, Ti, W, V, Zr, 및 희토류 금속계 실리사이드 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 산화질화물(oxynitride)은 Al-O-N를 포함하고,

상기 카본질화물(carbon nitride)은 Si-C-N를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 19항에 있어서,

상기 물질층은 비정질, 육방정계(hexagonal system)나 정방정계(cubic)의 단결정(epitaxy) 및 다결정(poly-crystal) 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 20항에 있어서,

상기 지지 기판층은 1000도 이상의 고온과 수소 개스 또는 이온 분위기에서 내환원성을 갖는 열 및 화학적으로 안정한 10 마이크로 미터 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 발광층은 핵생성층(nucleation layer), 완충층 역할을 하는 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer), 제1 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer), 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer), 및 제2 형 질화물계 클래드층( nitride-based cladding layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 22항에 있어서,

상기 제1 및 제2 형 중 어느 하나는 N형이고 나머지 하나는 P형인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 22항에 있어서,

상기 발광층은 상기 언돕드 버퍼링 질화물계층(un-doped buffering nitride-based layer)과 상기 제1 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer)의 사이, 및 상기 제2 형 질화물계 클래드층(nitride-based cladding layer)상 중 적어도 하나에 형성된 터널 정션층(second tunnel junction layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 24항에 있어서,

상기 터널 정션층은 그룹 3-5족 원소로 구성되는 AlaInbGacNxPyAsz(a, b, c, x, y, z ; 정수)의 화합물을 포함하는 50nm 이하 두께의 단층 또는 다중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 25항에 있어서,

상기 터널 정션층은 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 및 AlGaAs/InGaAs 중 적어도 하나를 포함하는 그룹 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍(30 pairs)까지 적층된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 26항에 있어서,

상기 터널 정션층은 그룹 2족 원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족 원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(single-crystal), 다결정(poly-crystal), 및 비정질(amorphous) 중 적어도 하나의 물질층을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 27항에 있어서,

상기 오믹층, 상기 터널 정션층, 상기 제1 및 제2 형의 질화물계 클래드층 중 적어도 하나의 표면에는 표면 거칠기 및 포토닉크리스탈 효과를 제공하기 위해 10nm 이하 크기의 닷(dot), 홀(hole), 피라미드(pyramid), 나노라드(nano-rod), 및 나노기둥(nano-columnar) 중 적어도 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 성장 기판은 레이저 빔을 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 오믹층에 상기 발광층을 보호하고 열을 발산할 수 있는 지지 기판을 본딩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 30항에 있어서,

상기 지지 기판은 실리콘 기판 상층부에 금속간화합물(intermetallic compound)인 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄계 합금, 알루미늄 고용체, 구리(Cu), 구리계 합금, 구리 고용체, 은(Ag), 은계 합금, 및 은 고용체(Ag-related alloy or solid solution)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 오믹층은 고투명성의 커런트 스프레드층 및 고반사성의 컨택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 32항에 있어서,

상기 고투명성의 커런트 스프레드층은 투명전도성산화물(TCO) 또는 천이금속계 투명전도성질화물(TCN)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 33항에 있어서,

상기 투명전도성산화물(TCO)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 란탄(La) 원소계열의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 33항에 있어서,

상기 천이금속계 투명전도성질화물(TCN)은 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 또는 몰리브덴늄(Mo) 금속과 질소(N)가 결합된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 32항에 있어서,

상기 고반사성의 컨택층은 고반사성 금속인 알루미늄(Al), 은(Ag), 및 로듐(Rh) 중 어느 하나를 단독으로 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 32항에 있어서,

상기 고반사성의 컨택층은 고반사성 금속인 알루미늄(Al), 은(Ag), 및 로듐(Rh) 중 어느 하나를 모체로 하는 합금(alloy), 상기 어느 하나의 고반성 금속을 모체로 하는 고용체(solid solution), 또는 상기 어느 하나의 고반사성 금속과 함께 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 및 금(Au) 중 적어도 어느 하나를 이용한 다중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 32항에 있어서,

상기 고반사성의 컨택층은 고반사성 금속인 알루미늄(Al), 은(Ag), 및 로듐(Rh) 중 어느 하나와 함께 투명전도성산화물(TCO) 및 천이금속계 투명전도성질화물(TCN) 중 적어도 어느 하나를 순차적으로 접목한 다중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 오믹층은 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 수소(H2) 중 적어도 하나의 플라즈마(plasma)를 이용한 스퍼터링 증착(sputtering deposition) 또는 레이저 빔을 에너지원으로 하는 레이저 증착(pulsed laser deposition : PLD) 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 오믹층을 형성한 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 40항에 있어서,

상기 열처리하는 단계는 반응기내에 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 공기(air), 및 진공(vacuum) 중 적어도 한 조건에서 상온 내지 800도 이내에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항에 있어서,

상기 성장 기판을 제거한 후 상기 지지 기판층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제 15항 내지 제 42항의 제조 방법에 따라 제조되는 발광 소자.