수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및이의 제조 방법 document_id A220623056606

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 발광다이오드 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. 다시 말하자면, 사파이어 성장기판은 전기적으로 절연체이므로, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 구조에 있어서 큰 제약을 미친다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 성장기판 상면에 형성된 종래의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 구조를 통해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다. 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체는 사파이어 성장기판(10) 상면에 성장되는데, 이러한 종래의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 성장기판(10)과 그 성장기판(10) 상에 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)를 포함한다. 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체(20, 30, 40)는 상기 성장기판(10) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물계 클래드층(20)과 다중양자우물(Multi-Quantum Well)구조의 질화물계 활성층(30)과 p형 질화물계 클래드층(40)으로 구성된다. 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체는 MOCVD 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 이 때, n형 질화물계 클래드층(20)을 성장하기 전에 성장기판(10)과의 격자정합 및 열팽창 계수 차이로 발생하는 응력을 완화하기 위해서, AlN 또는 GaN으로 이루어진 완충층(미도시)을 형성할 수도 있다. 또한, 소정의 영역에 해당하는 p형 질화물계 클래드층(40)과 질화물계 활성층(30)을 건식 식각하여 n형 질화물계 클래드층(20) 일부 상면을 대기에 노출시키고, 그 노출된 n형 질화물계 클래드층(20) 상면과 p형 질화물계 클래드층(40) 상면에 각각 소정의 전압을 인가하기 위한 p형 오믹접촉 전극 및 패드(60)와 n형 오믹접촉 전극 및 패드(70)를 형성한다. 일반적으로 전류주입 면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서, p형 질화물계 클래드층(40) 및 n형 질화물계 클래드층(20) 상면에는 상기 p형 오믹접촉 전극 및 패드(60)와 n형 오믹접촉 전극 및 패드(70)를 형성하기 전에 투명성 커런트 스프레딩층(transparent current spreading layer)를 형성할 수도 있다. 도 1에서는 p형 질화물계 클래드층(40)과 p형 전극 및 패드(60) 사이에 위치하는 투명성 커런트 스프레딩층(50)를 도시하고 있다. 이와 같이, 기존의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 전기절연체인 사파이어 성장기판(10)을 사용하기 때문에, 두 오믹접촉 전극 및 패드(60, 70)를 수평한 방향으로 나란하게 형성시킬 수밖에 없다. 따라서 외부전압 인가 시에 n형 오믹접촉 전극 및 패드(70)로부터 질화물계 활성층(30)을 통해 p형 오믹접촉 전극 및 패드(60)로 향하는 전류 흐름이 수평방향을 따라 협소하게 형성될 수밖에 없다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해서 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 순방향 전압(forward voltage)이 증가하여 전류 주입효율을 격감시키고 (“커런트 크라우딩 현상” 말함), 이로 인해서 정전기 방전(electrostatic discharge)효과가 취약하다는 문제가 발생한다. 또한, 종래의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서는, 전류밀도의 증가에 의해 대량의 열이 발생하게 되고, 반면에 사파이어 성장기판(10)의 낮은 열전도도에 의해 외부로의 열방출이 원할 하지 못하므로, 전류밀도 증가에 따라 사파이어 성장기판(10)과 발광다이오드 소자용 발광구조체 간에 기계적 응력이 발생되어 소자의 전기 및 광학적 특성에 영향을 미치게 된다. 더 나아가서는 종래의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서는, n형 오믹접촉 전극 및 패드(70)를 형성하기 위해, 적어도 형성할 n형 오믹접촉 전극 및 패드(70)의 면적보다 크게 질화물계 활성층(30)의 일부 영역을 제거하여야 하므로, 발광면적이 감소하여 소자크기 대 휘도에 따른 발광효율이 저하된다는 문제도 있다. 상기한 전기절연성인 사파이어 성장기판(10) 상면에 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 문제점을 극복하고, 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 구현하기 위해서는 발광소자 구동 시에 외부에서 대용량 전기에너지를 인가하거나 대면적의 단위칩을 제조해야 한다. 현재 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 발광다이오드 소자 구현은 비교적 용이한 방식인 발광다이오드 소자에 대전류(즉, 대용량)를 인가하여 수행하고 있지만, 대전류 인가 시에 필연적으로 발생하는 다량의 열방출 문제를 해결하는데 어려움을 겪고 있는 실정이다. 최근 새로운 대안으로서, 독일의 오스람(OSRAM) 사가 성장기판 제거를 통한 박막 질화갈륨 발광다이오드(thinGaN LED)라는 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제품을 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 성장기판 제거 기술을 접목하여 개발하였고, 그 이외의 몇몇 선진 회사들도 유사한 형태의 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 개발에 주력하고 있다. 상기 투명한 성장기판 제거를 통한 높은 에너지 전환효율을 갖는 동시에 고휘도 발광 특성을 갖는 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조는 사파이어 성장기판(10)의 제거만 확실하게 수행된다면 제조 공정 및 단가를 월등히 혁신시킬 수 있다. 이외에도, 사파이어 성장기판(10) 상면에 형성된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 제조의 경우 발광면적이 단위칩 면적의 약 50% 정도인데 비하여, 사파이어 성장기판(10)이 제거된 수직구조 발광다이오드 소자의 경우 발광면적이 단위칩 면적의 90% 정도에 이르므로 경제적 및 기술적 관점에서도 사파이어 성장기판(10)을 포함한 수평구조의 발광다이오드 소자에 비해 훨씬 유리하다. 그러나 여전히 상기 사파이어 성장기판(10)을 포함한 수평구조의 발광다이오드 소자와 사파이어 성장기판(10) 제거 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 및 고휘도 특성을 갖는 그룹 3족 질화물계 발광다이오드 소자를 구현하기 위해서는 가능한 대면적 저전류 주입 방식을 이용하는 것이 기술 및 경제적인 면에서 훨씬 유리하다. 현재 상기 사파이어 성장기판(10)을 포함한 수평구조의 발광다이오드 소자는 낮은 p형 질화물계 클래드층의 전기전도성으로 인한 전류밀집(current crowding) 현상이 발생하여 대면적 발광다이오드 소자 제조에 원천적으로 기술적 제한이 있다. 또한 상기 사파이어 성장기판(10) 제거 방식을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자도 발광소자 제조 시에 이용되는 레이저빔(laser beam) 크기 제한으로 인하여 대면적 수직구조 발광소자를 제조하여 저전력 주입을 통한 고휘도 특성을 갖는 광원을 확보하기엔 쉽지 않다. 일반적으로 기존의 레이저 리프트 오프 방식은 1스퀘어센티미터(one square centimeters) 면적을 갖는 균일하고 강한 에너지원의 레이저빔을 조사할 수 있기 때문에, 상기 레이저빔을 조사하기 전에 고체 반도체 박막의 손상 및 크랙(crack) 전파를 최소화하기 위해서 건식 에칭(dry etching) 공정으로 사파이어 성장기판(10)까지 트렌치(trench)를 이용하여 섬화 공정(isolation processing)을 수행해야 한다. 상기 섬화 공정은 그룹 3족 질화물계 반도체 박막 내 미세 크랙 발생과 주위(generation and propagation of crack)로의 전파를 방지하기 위한 기술이다. 그러나 상기 레이저 리프트 오프 방식에 의해 전기전도성 지지대에 전이(transfer)시킨 소정의 발광면적으로 섬화(isolation)된 발광다이오드 소자용 발광구조체 면적은 사용된 레이저빔 모양 및 크기에 제한적이므로 수직구조 발광다이오드 소자의 크기를 자유롭게 증가시킬 수 없다. 상기 트렌치를 통한 섬화 공정 이외에도, 차세대 광원으로서 그룹 3족 질화물계 반도체를 구성된 수직구조 발광다이오드 소자를 구현화하기 위해서는 무엇보다도 레이저 리프트 오프 방식 도입 시에 발생하는 반도체 박막층 손상을 최소화해야 하는데, 이를 위해서는 성장기판(10)과 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 간에 존재하는 잠재 스트레스(latent stress)로 인한 크랙 발생 및 전파, 그리고 깨짐(breaking) 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 우수한 전도성이 있어 최종적으로 제조된 수직구조 발광다이오드 소자 구동 시에 발생하는 다량의 열을 외부로 방출시켜 주는 히트씽크(heat-sink) 역할과 전류주입을 하는 전극 및 패드로서 역할을 할 수 있어야 한다. 현재 상기한 바와 같이, 레이저 리프트 오프 방식을 통한 수직구조 발광다이오드 소자 제조를 위한 지지대 형성 방법으로는 전기도금(electroplating)과 웨이퍼 결합(wafer bonding)이 주로 이용되고 있다. 상기 전기도금에 의해 형성된 지지대를 이용하면 비교적 용이하게 수직구조 발광다이오드 소자를 제조할 수 있는 장점이 있지만, 최종적으로 제조된 수직구조 발광다이오드 소자의 전체적인 소자신뢰성에 심각한 문제점을 유발할 수 있는 많은 여지와 소자 성능 향상에 제한이 있다(도 2 참조). 반면에, 상기 웨이퍼 결합에 의해 형성된 지지대는 안정적인 소자신뢰성 확보와 소자 성능 향상에 잠재적인 여지가 많은 것이 장점이다. 이러한 웨이퍼 결합에 의해 지지대를 형성하는 공정은 열팽창계수(thermal expansion coefficient)가 다른 이종물질간의 웨이퍼 결합을 성공적으로 수행해야 한다. 하지만, 이종물질간의 웨이퍼 결합 후에 열적 스트레스로 인하여 성장기판 또는 반도체 박막층 내에 미세한 크랙 또는 깨짐 문제, 더 나아가서는 비결합(debonding) 현상 등의 여러 심각한 문제점이 대두하고 있다(도 3 참조). 따라서, 현재 웨이퍼 결합을 통한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 300℃ 미만의 온도에서 웨이퍼 결합이 가능한 전도성 웨이퍼 결합층(일예, 유텍틱 공정 반응계)을 이용하고 있는 실정이다. 상기 전기도금(도 2 참조)과 웨이퍼 결합(도 3 참조)을 통해 전기전도성 지지대를 형성하고, 이를 통한 수직구조 발광다이오드 소자 제작에 대해서 더욱 더 상세하게 설명하자면, 하기와 같다. 상기 전기도금(electroplating)에 의해서 형성된 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 성장 형성시키고 후(미도시)에 도 2A에 보인 바와 같이, 트렌치(80)를 이용하여 레이저빔 크기보다 작게 섬화 공정(isolation process)을 수행한다. 그런 후, 소자 패시베이션층(50)과 커런트 블라킹(current blocking) 영역을 포함한 반사층(60), 및 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기도금으로 형성시키기 위한 씨드층(70a)을 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상면 또는 측면에 형성시킨다. 그런 후에 도 2B에 보인 바와 같이, 상기 트렌치(80)된 영역에 유기물 포스트(90)를 세우고, 동시에 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기도금으로 형성시키기 위한 씨드층(70a)을 상기 유기물 포스트(90) 상면에도 형성시킨다. 그런 후에 도 2C에 보인 바와 같이, 상기 지지대(100) 역할을 하는 전기전도성 물질인 Ni, Cu 등의 금속 후막을 전기도금으로 형성시킨다. 그런 후에 도 2D에 보인 바와 같이, 상기 레이저 리프트 오프 방식을 이용하여 성장기판(10) 제거 및 레이저 리프트 오프 잔해물 등을 제거하는 평탄화 공정을 행한다. 그런 후에 도 2E에 보인 바와 같이, 대기 중으로 노출된 n형 질화물계 클래드층(20) 일부영역에 표면 거칠기(surface texture; 110)와 오믹접촉 전극 및 패드(120)를 형성한다. 그런 후에 도 2F에 보인 바와 같이, 마지막 공정으로서 기계 또는 레이저 가공을 통해서 단위칩을 완성한다. 상기 웨이퍼 결합(wafer bonding)에 의해서 형성된 지지대(support)를 이용하여 수직구조 발광다이오드 소자 제조 공정은 도 3에 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 성장 형성시키고 후(미도시)에 도 3A에 보인 바와 같이, 트렌치(80)를 이용하여 레이저빔 크기보다 작게 섬화 공정(isolation process)을 수행한다. 그런 후, 소자 패시베이션층(50), 커런트 블라킹(current blocking) 영역을 포함한 반사층(60), 및 전도성 웨이퍼 결합층(70b)을 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상면 또는 측면에 형성시킨다. 그런 후에 도 3B에 보인 바와 같이, 상기 전도성 웨이퍼 결합층(70b)을 이용하여 전기전도성 기판인 Si 등을 지지대(140)로서 웨이퍼 결합한다. 그런 후에 도 3C에 보인 바와 같이, 상기 레이저 리프트 오프 방식을 이용하여 성장기판(10) 제거 및 레이저 리프트 오프 공정 잔해물 등을 제거하는 평탄화 공정을 행한다. 그런 후에 도 3D에 보인 바와 같이, 대기 중으로 노출된 n형 질화물계 클래드층(20) 일부영역에 표면 거칠기(surface texture; 110)와 오믹접촉 전극 및 패드(120)를 형성한다. 그런 후에 도 3E에 보인 바와 같이, 마지막 공정으로서 기계 또는 레이저 가공을 통해서 단위칩을 완성한다. 상술한 바와 같이, 종래 전기도금 및 웨이퍼 결합을 통한 지지대 형성 공정 기술을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 공통으로 성장기판(10)을 제거하기 전에 레이저빔 크기보다 작은 규격(scale)으로 발광다이오드 소자용 발광구조체를 단일화시키는 섬화 공정(isolation process)을 포함하고 있는 것이 특징이다. 이러한 섬화 공정을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 레이저빔 크기보다 더 큰 발광면적을 갖는 발광소자 제조를 어렵게 한다. 또한, 종래 전기도금 및 웨이퍼 결합을 통한 지지대 형성 공정 기술을 이용한 수직구조 발광다이오드 소자 제조는 공통으로 성장기판(10)을 제거시킨 후, 300℃ 이상의 온도에서 후공정(post-annealing)을 행할 수가 없어, 열적으로 안정한 고신뢰성 단일칩을 제조하기가 어렵다. 설령, 300℃ 이상의 열처리 공정을 거치지 않고 제조된 단일칩은 향후 조명용 광원으로서 이용하는데 많은 제한이 존재할 것으로 사료된다. 이러한 이유로, 전기도금에 의해서 형성된 지지대인 Ni, Cu 등의 전기도금 후막(thick film)은 치밀한 조직을 갖는 것이 아니라, 많은 기공(porosity)을 갖고 있는 비정질(amorphous) 또는 다결정(polycrystal)로 구성되어 있는 동시에, 후막 내에 다량의 황(S) 및 인(P) 성분이 첨가되어 있어 사용 시간과 더불어서 이들 물질들의 확산이 있게 되고, 결국엔 소자신뢰성에 문제를 야기하게 된다. 또한, 상기 웨이퍼 결합에 의해서 형성된 지지대는 열팽창계수 차이로 발생되는 응력을 최소화하기 위해서 300℃ 미만에 온도에서 결합이 형성되기 때문에, 300℃ 이상의 후공정을 행할 수가 없다. 따라서 차세대 조명용 광원으로서, 대면적 수직구조 발광다이오드 소자를 제조하기 위해서는 열적으로 안정하고 치밀한 전기전도성 지지대(support) 형성을 통한 성장기판 제거 공정 기술이 우선적으로 개발되어야 한다.