발광다이오드 소자 document_id A220623056574

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 통하여 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 핵심 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 확보할 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 1C에 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.