KR100585914B1 - 질화물계 발광소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 반도체 소자에 있어서, 전기적, 광학적 특성을 향상시키고 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 기판을 제거하는 질화물계 반도체소자의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조 방법은 기판 상에 완충층 및 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층으로 이루어진 소자층을 형성하는 공정과, 상기 소자층 상에 제 1 전극을 형성한 후, 상기 제 1 전극, 소자층 및 완충층의 일부를 제거하여 홈을 형성하는 공정과, 상기 홈이 형성된 제 1 전극 상에 도전형 마운팅층을 접착하는 공정과, 상기 기판을 제거하여 상기 완충층의 하면을 노출시키는 공정과, 상기 노출된 완충층에 제 2 전극을 형성한 후, 개별 소자로 분리하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법은 소자의 상하면에 각각 제 1 및 제 2 전극이 형성되어 소자의 박막화 및 경량화를 실현할 수 있고, 특히 발광소자의 경우 발광 면적 확대를 통해 광출력을 향상시킬 수 있으며, 발광시 활성층에서 발생되는 열이 하부 프레임을 통해 직접 전달되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
질화물계 반도체, 홈, 완충층, 레이저 용융 방법, 기판 제거, 마운팅
Description
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시하는 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자를 조립한 후의 단면도.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물계 발광소자의 제조 방법을 단계적으로 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 질화물계 발광소자를 조립한 후의 단면도.
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로 특히, 전기적, 광학적 특성을 향상시키고 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 기판을 제거하여 소자 상하부에 각각 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 질화물계 반도체소자의 제조 방법에 관한 것이다.
상용화된 질화물계 반도체 소자의 제작은 질화갈륨(GaN)의 단결정 성장이 어려운 이유로 산화물 및 탄화물 기판을 이용하여 기판 상에 유기금속 화학기상증착법(이하, 'MOCVD'라 칭함)을 이용한 헤테로 에피택셜(Hetero epitaxial) 성장을 통해 소자 구조를 획득한 후 소자를 제작하고 있다. 이때 기판으로 사용되는 물질은 질화갈륨의 합성온도인 1000 ℃ 이상의 고온에서 안정한 산화물 계통의 사파이어(Al2O3)가 주를 이루고 있다.
그러나, 사파이어는 고온 안정한 장점에도 불구하고, 전기적으로 절연 특성을 나타내고, 낮은 열전도도를 갖으며, 모스 경도 값이 9로 매우 단단한 특성이 있어 소자 제작시 여러 가지 제약이 따르게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 개략적인 구조를 도시하는 것으로 도시된 바와 같이 절연성 기판(11) 상에 n형층(13), 활성층(15) 및 p 형층(17)이 순차적으로 적층되고, 상기 n형층(13) 및 상기 p형층(17) 상의 각각 소정 부분에 n전극(18) 및 p전극(19)이 형성되어 상기 절연성 기판(11)으로 인한 제 1 및 제 2 전극(18)(19)이 일면 상에 형성되는 두상부전극 구조를 갖게된다.
이러한 구조를 갖는 질화물계 발광소자를 실장한 것을 나타낸 것이 도 2에 나타낸 바와 같다. 기판(11)의 절연 특성으로 인해 소자 구조 획득 후 제 1 전극(18) 및 제 2 전극(19)이 모두 소자의 상부에 형성되어 발광 영역의 감소를 가져오게 된다.
특히 발광소자에 대해서는 기판과 질화갈륨 사이의 굴절률 차이로 인하여 외부 양자효율을 급격히 저하시키며 고품질의 질화갈륨을 얻기 위해 기판과 질화갈륨 사이의 버퍼층을 형성하기도 하나, 이러한 상기 버퍼층은 광흡수를 수반하여 광출력 저하를 일으키는 원인이 된다.
또한, 사파이어의 낮은 열전도성으로 말미암아 소자의 열적 특성은 저하되어 소자의 신뢰성을 저하시키는 근본적 원인을 제공한다.
상기와 같은 단점에도 불구하고 사파이어 기판을 이용한 질화갈륨 소자가 상 용화된 이유는 사파이어를 대체할 만한 기판 개발이 아직 이루어지지 않고 있기 때문에, 상기 단점을 보완하기 위해 반도체 소자 구조를 획득한 후 기판으로 사용된 사파이어를 인위적으로 제거하는 연구가 진행되어 왔다.
사파이어를 인위적으로 제거하는 방법으로 제시되어진 것 중에서 성장 챔버 내에서 사파이어 기판 상에 후막 질화갈륨을 성장한 후 레이저를 이용하여 사파이어 기판을 제거하는 기술이 특허 공개번호2003-90996에 제시되었으나, 이 방법은 웨이퍼 전체에 대해 균일하게 제거하기 어렵다. 그 이유는 2인치 이상의 대면적 질화갈륨에 대해 레이저 용융시 질화갈륨이 분해하면서 가스가 발생되고 이렇게 발생된 가스는 고온의 높은 증기압을 가지게 되어 부분적으로 기판이 균열을 일으키며 박리되는 현상을 나타내기 때문이다.
또 다른 방법으로 기판 상에 MOCVD 방법을 이용하여 반도체 소자구조를 갖는 박막 질화갈륨을 성장한 후, 성장 면 윗부분에 실리콘 기판을 마운팅한 후 기판까지 홈을 내어 다시 기계적·화학적 방법으로 기판을 제거하는 방법이 특허 공개번호 2001-88931에 제시되고 있다. 그러나, MOCVD 방법을 통해 얻어진 10 ㎛ 이내의 박막 질화갈륨은 기계적·화학적 방법으로 기판을 제거하는 과정에서 심각한 손상을 받게되어 반도체 소자로서 성능을 발휘하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기적·광학적 특성을 향상시키고, 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 기판을 제거한 질화물계 반도체소자의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조 방법은 기판 상에 완충층 및 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층으로 이루어진 소자층을 형성하는 공정과, 상기 소자층 상에 제 1 전극을 형성한 후, 상기 제 1 전극, 소자층 및 완충층의 일부를 제거하여 홈을 형성하는 공정과, 상기 홈이 형성된 제 1 전극 상에 도전형 마운팅층을 접착하는 공정과, 상기 기판을 제거하여 상기 완충층의 하면을 노출시키는 공정과, 상기 노출된 완충층에 제 2 전극을 형성한 후, 개별 소자로 분리하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참고로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물계 발광소자의 제조 방법을 순차적으로 도시하는 공정도이다.
도 3에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(31) 상에 질화갈륨층(33)을 형성하고, 상기 질화갈륨층(33) 상에 MOCVD 법을 이용하여 n형 질화갈륨층(35), 활성층(37) 및 p형 질화갈륨층(39)을 순차적으로 형성하여 소자 구조(40)를 형성한다. 상기 사파이어 기판(31) 대신 MgAl2O4, AlN, GaN, SiC, ZnSe, ZnO 또는 BN 등을 이용하기도 한다.
상기에서 질화갈륨층(33)은 이후에 기판(31) 제거 공정시 소자 구조(40)를 보호하기 위한 완충층으로, 상기 질화갈륨층(33)은 성장 두께가 커질 경우, 상기 질화갈륨층(33)과 상기 기판(31)과의 열팽창 계수 및 격자상수의 불일치로 심각한 휨 현상과 질화갈륨층 내의 크랙을 발생시키므로 1 ∼ 200 ㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 질화갈륨층(33)은 빠른 시간 내에 양질의 후막을 얻을 수 있는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxial)법을 이용하여 형성할 수도 있다.
그런 다음, 도 4와 같이 상기 p형 질화갈륨층(33) 상에 p형 전극(41)을 형성하고, 기계적, 화학적 방법으로 상기 기판(31)에 이르는 홈(43)을 형성한 후, 전도성 마운팅판(45)을 접착한다. 상기에서 전도성 마운팅판(45)은 마운팅, 탈열기 및 제 1 전극 역할을 담당하는 것으로 Si, GaAs, GaP, AlGaInP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 기판 등의 전도성 기판을 사용하거나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr, Fe의 단일 금속, 상기 금속들의 합금 또는 상기 금속을 0.1% 이상 포함하는 합금 금속을 사용하는 전도성 금속판 등을 사용한다.
상기에서 홈(43)은 레이저 용융방법을 이용한 기판(31) 제거시 질화갈륨의 용융으로 발생되는 고온 고압의 가스 통로 역할 및 열팽창 역할을 담당하게 되어 2인치 이상의 대면적 질화갈륨 박막을 기판으로부터 얻을 수 있도록 해준다.
또한, 상기 홈(43)의 간격, 깊이 및 넓이는 가스 통로 역할 및 열평형을 이루는 매우 중요한 함수로 작용하여 홈의 넓이가 작은 경우 가스 통로 역할을 충분히 수행하지 못하게 되어 기판제거시 소자가 박리되는 현상이 나타나며, 반면 넓이가 큰 경우에는 국부적으로 열평형이 이루어지지 않게 되어 역시 박리현상이 나타 나게 된다. 때문에, 상기 홈의 간격은 100 ㎛ 이상을 갖고, 홈의 넓이는 1 ㎛ 이상을 갖도록 형성한다.
이후에, 도 5에서 도시한 바와 같이 상기 기판(31)을 기계적·화학적 방법을 이용하여 제거하여 질화갈륨층(33)을 노출시킨다.
상용화된 기판 분리 기술로는 현재 레이저 용융 방법이 가장 널리 알려져 있으나 소자의 열적 손상 및 대면적의 질화갈륨을 균일하게 얻어내지 못하고 있다. 때문에, 본 발명에서는 충분한 두께의 질화갈륨층(33)을 기판(31)과 소자(40)층 사이에 형성하여 기판(31) 제거 공정시 완충 역할을 담당하게 하며, 이미 형성한 홈(43)을 통해 질화갈륨층(33)의 용융으로 인한 가스 및 열원을 배출시킨다.
다음에는 도 5의 공정 중에 상기 레이저 용융 방법을 이용하여 기판(31)을 제거한 경우, 레이저 열원에 의해 질화갈륨층(33)이 용융되면서 상기 노출된 질화갈륨층(33)은 매우 거친면을 나타내므로, 도 6과 같이 상기 질화갈륨층(33)을 경면 처리한 후, 상기 질화갈륨층(33) 하면의 소정 부분 상에 n형 전극(47)을 형성한다.
최종적으로 도 7에 도시된 바와 같이 개별 소자로 분리한다. 이때, 반도체 소자의 경량화, 박막화의 요구에 의한 마운팅 목적으로 사용된 마운팅판(45)이 Si 기판 등과 같을 경우 최종적으로 소자에 손상 없이 기계적·화학적 방법으로 제거하거나 박막화 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 형성한 질화물 반도체 발광소자는 상·하면 각각에 제 1 및 제 2 전극이 형성되는 구조를 갖는 다는 이점이 있으며, 이렇게 형성된 소자는 도 8과 같이 전도성 고형체를 이용하여 패키지에 고정함과 동시에 제 1 전극을 형성하고, 소자 상부에 형성된 제 2 전극에 전도성 와이어를 조립한다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법은 소자의 상하면에 각각 제 1 및 제 2 전극이 형성되어 소자의 박막화 및 경량화를 실현할 수 있고, 특히 발광소자의 경우 발광 면적 확대를 통해 광출력을 향상시킬 수 있으며, 발광시 활성층에서 발생되는 열이 하부 프레임을 통해 직접 전달되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
Claims (8)
- 기판 상에 완충층 및 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층으로 이루어진 소자층을 형성하는 공정과,상기 소자층 상에 제 1 전극을 형성한 후, 상기 제 1 전극, 소자층 및 완충층의 일부를 제거하여 홈을 형성하는 공정과,상기 홈이 형성된 제 1 전극 상에 도전형 마운팅층을 접착하는 공정과,상기 기판을 제거하여 상기 완충층의 하면을 노출시키는 공정과,상기 노출된 완충층에 제 2 전극을 형성한후, 개별 소자로 분리하는 공정으로 이루어 진것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 완충층의 두께가 1 ∼ 200 ㎛ 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 기판은 MgAl2O4, Al2O3, AlN, GaN, SiC, ZnSe, ZnO 또는 BN을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
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- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 기판 제거시 레이저 용융 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,상기 기판 제거시 발생한 완충층의 손상면을 경면 처리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 도전형 마운팅층은 Si, GaAs, GaP, AlGaInP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 기판을 사용하거나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr, Fe의 단일 금속, 상기 금속들의 합금 또는 상기 금속을 0.1% 이상 포함하는 합금 금속의 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
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