그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 document_id A220623056420

발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전류를 인가하면 고체 발광 다층구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시킨다. 초창기 LED 소자 연구 개발은 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성한다. 상기 LED는 녹색 빛의 파장 보다 더 긴 파장대의 가시광선 영역대의 빛을 발광하는 반면에, 최근 들어 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계의 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화됨으로서 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있으며, 더 나아가서는 적, 녹, 청색의 3개 LED 소자 칩을 조합하거나, 또는 단파장의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 LED가 개발되어 조명장치로도 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 LED 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길며 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명용 백색광원 분야에서 주목받고 있다. 이와 같은 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계로 제조된 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자는 일반적으로 절연성 성장 기판(대표적으로, 사파이어) 상부에 성장되어 제조되기 때문에, 다른 그룹 3-5족 화합물계 반도체 발광다이오드 소자와 같이 성장 기판의 서로 반대 면에 대향 하는 두 전극을 설치할 수 없어, LED 소자의 두 전극을 결정 성장된 반도체 물질계 상부에 형성해야 한다. 이러한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 종래 구조가 도 12에 개략적으로 예시되어 있다. 도 12를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 사파이어 성장 기판(10)과 상기 성장 기판(10) 상부에 순차적으로 성장 형성된 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(201)과 상기 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(201)과 다른 조성의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(202)으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물(multi-quantum well)구조의 다른 조성으로 구성된 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)인 반도체 다층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(401)과 상기 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(401)과 다른 조성의 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)층(402)으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 단결정으로 형성된 하부 질화물계 클래드층/질화물계 활성층/상부 질화물계 클래드층(20, 30, 40)은 MOCVD 또는 MBE 등의 장치를 이용하여 성장될 수 있다. 이때, 상기 하부 질화물계 클래드층(20)의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(201)을 성장하기 전에 사파이어 성장 기판(10)과의 격자 정합을 향상시키기 위해, AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(미도시)을 그 사이에 형성할 수도 있다. 상기한 바와 같이, 상기 사파이어 성장 기판(10)은 전기절연성 물질이므로, LED 소자의 두 전극을 모두 단결정 반도체 성장방향인 동일한 상면에 형성해야 하며, 이를 위해서는 상부 질화물계 클래드층(40)과 질화물계 활성층(30)의 일부 영역을 에칭(즉, 식각)하여 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 상면 영역을 노출하고, 상기 노출된 n형 In x Al y Ga 1-x-y N층(20) 상면에 n형 오믹접촉(ohmic contact) 계면 전극 및 전극 패드(70)를 형성한다. 특히 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 낮은 캐리어 농도(carrier concentration) 및 이동도(mobility)로 인하여 상대적으로 높은 면저항을 갖고 있기 때문에, p형 전극(60)을 형성하기에 앞서, 양질의 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성할 수 있는 추가적인 물질계가 요구된다. 이에 대하여, 미국특허 US5,563,422에서는, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체의 최상층부에 위치한 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)의 상면에 p형 전극(60)을 형성하기 전에, 수직방향으로의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성하기 위해 Ni/Au로 구성된 물질계를 제안하였다. 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)에 대한 수평방향으로의 전류퍼짐(current spreading)을 향상시키면서도 동시에 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면(ohmic interface)을 형성하여 효과적인 전류주입(current injecting)을 할 수 있어, 발광다이오드 소자의 전기적인 특성을 향상시킨다. 그러나 Ni/Au로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)은 열처리를 거친 후에도 평균 70%의 낮은 투과율을 보이며, 이러한 낮은 빛 투과율은 해당 발광다이오드 소자에서 생성된 빛을 외부로 방출될 때, 많은 양의 빛을 흡수하여 전체 외부 발광 효율을 감소시키게 한다. 상기한 바와 같이, 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)의 높은 빛 투과율을 통한 고휘도 발광다이오드 소자를 얻기 위한 방안으로, 최근 들어 상기 Ni/Au 물질계를 포함한 각종 불투명성 금속 또는 합금으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(50) 대신에 투과율이 평균 90% 이상인 것으로 알려진 ITO(indium tin oxide) 또는 ZnO(zinc oxide) 등의 투명성 전도성 물질계로 형성하는 방안이 제안되었다. 그런데, 상기한 투명성 전기전도성 물질계는 p형 In x Al y Ga 1-x-y N (0≤x, 0≤y, x+y≤1) (~7.5 eV 이상)에 비해 작은 일함수(4.7~6.1eV), 그리고 p형 In x Al y Ga 1-x-y N층(402)에 직접 증착하고 열처리를 비롯한 후속 공정을 행하는 후에 오믹접촉(ohmic contact) 계면이 아니라 비접촉 저항이 큰 쇼키접촉(schottky contact) 계면을 형성하고 있어, 새로운 투명성 전도성 물질계 또는 제조 공정이 필요하다. 이에, 더 최근에는 미국특허 US20070001186 에서는 ZnO을 비롯한 두꺼운 투명성 전기전도성 물질계 웨이퍼를 웨이퍼 결합(wafer bonding) 공정으로 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상부에 접목하여 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 형성한 기술이 도안 되었다. 하지만, 이러한 두꺼운 웨이퍼 형태로 존재하는 투명성 전기전도성 물질계는 10-3 Ω㎝ 이하 수준의 우수한 전기전도성을 갖도록 만들기가 쉽지가 않을뿐더러, 열팽창 계수 차이(difference of thermal expansion coefficient) 등으로 인해 웨이퍼 결합이 어렵고 또한 웨이퍼 제작에 고비용이 들기 때문에 실용적인 측면에선 적합하지가 않다. 따라서, 당 기술 분야에서는 높은 빛 투명성을 유지하는 것과 동시에, 상부 질화물계 클래드층(40)의 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)과 양호한 오믹접촉 계면을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(50)을 갖춘 양질의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다. 또한, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체 내의 활성층에서 생성된 빛을 최대한 많이 외부로 끄집어내어 패키징된 발광다이오드 소자의 에너지 변환 효율(lm/W)을 증가시켜야 한다. 일반적으로 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드의 외부 발광 효율은 의외로 상당히 낮은 수준이다. 이러한 이유는 GaN을 비롯한 그룹 3족 질화물계 반도체 또는 ITO 등의 오믹접촉 커런트스프레딩층과 몰딩재 간의 큰 굴절률(refractive index) 차에 의하여 LED 구조에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사되어 다시 LED 내부 쪽으로 진행하여 소멸하게 된다. 일예로, 질화갈륨(GaN)의 경우 굴절률을 약 2.3, 몰딩재의 굴절률을 약 1.5 정도로 가정할 경우 두 물질의 접합 면에서 전반사되는 빛의 양은 약 90% 정도로 광추출 효율의 많은 개선이 요구된다. 이를 해결하기 위해서, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 다층구조체의 상부 질화물계 클래드층의 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 식각(etching) 공정을 이용하여 다양한 형상 및 디멘젼의 표면에 요철 또는 패터닝을 도입하는 것이다. 이 경우, 광추출 효율이 상당히 많이 개선되는 것으로 확인되었다. 그러나, 이와 같이 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 요철 또는 패터닝을 도입하는 공정은 추가적인 포토리쏘(photolitho) 및 식각 공정이 요구되어 복잡한 동시에, 상기 최상부층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층 표면에 전기적으로 악영향을 끼쳐 LED 소자의 구동 전압 및 누설 전류를 상승시켜 에너지 변환 효율을 훼손하는 단점이 있다.