KR100843408B1 - Manufacturing method of semiconductor single crystal and semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 실시 형태는, 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 반도체 단결정층을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 단결정 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시 형태는, 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor single crystal and a semiconductor light emitting device, and an embodiment of the present invention comprises the steps of providing a substrate for single crystal growth, growing a sacrificial layer on the substrate, and Forming a porous reflective layer on the substrate, forming a semiconductor single crystal layer on the porous reflective layer, and separating the substrate from the porous reflective layer by removing the sacrificial layer by irradiating a laser to the semiconductor single crystal manufacturing method. to provide. Another embodiment of the present invention is to provide a single crystal growth substrate, growing a sacrificial layer having a lower energy bandgap than the surrounding area on the substrate, and forming a porous reflective layer on the sacrificial layer And sequentially growing a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer on the porous reflective layer to form a light emitting structure, and irradiating a laser to remove the sacrificial layer from the porous reflective layer. It provides a method for manufacturing a semiconductor light emitting device comprising the step of separating the substrate.
단결정, 발광소자, 다공성 반사층, 레이저리프트오프, 기판 재사용, LED, 질화물 Single Crystal, Light Emitting Device, Porous Reflective Layer, Laser Lift Off, Substrate Reuse, LED, Nitride
Description
도1a 내지 도1d는 종래의 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views of processes for explaining a method of manufacturing a conventional semiconductor light emitting device.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a semiconductor single crystal according to one embodiment of the present invention.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views of processes for describing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
도4a 및 도4b는 본 발명의 실시 형태에 따른 분리된 기판을 재사용하는 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views illustrating processes for reusing a separated substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
도5는 도2의 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조 공정에서 다공성 중간층에 대한 평면도이다.5 is a plan view of a porous intermediate layer in a semiconductor single crystal manufacturing process according to the embodiment of FIG. 2.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
21,31: GaN 기판 22,32: 언도프된(undoped) 제1 GaN층21,31: GaN
23,33: 희생층 24,34: 언도프된(undoped) 제2 GaN층23,33:
25,35: 다공성 반사층 26: 반도체 단결정25, 35: porous reflective layer 26: semiconductor single crystal
43: n형 질화물 반도체층 44: 활성층43: n-type nitride semiconductor layer 44: active layer
45: p형 질화물 반도체층 46: 반사금속층45: p-type nitride semiconductor layer 46: reflective metal layer
47: 도전성 지지기판 48: p측 본딩전극47: conductive support substrate 48: p-side bonding electrode
49: n측 전극 S: 발광구조물49: n-side electrode S: light emitting structure
본 발명은 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판 분리과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저로 인한 피해를 최소화하며, 분리된 고가의 기판(예, GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor single crystal and a semiconductor light emitting device, and in particular, minimizes damage caused by a laser acting on a semiconductor single crystal or a light emitting structure during substrate separation, and reuses a separated expensive substrate (eg, a GaN substrate) A method for manufacturing a semiconductor single crystal and a semiconductor light emitting device that can be used.
반도체 발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 질화물 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 반도체가 각광을 받고 있다. BACKGROUND A light emitting diode (LED) is a semiconductor device capable of generating light of various colors based on recombination of electrons and holes at a junction portion of a p and n-type nitride semiconductor when current is applied thereto. These LEDs have a number of advantages over filament based light emitting devices, such as long life, low power, excellent initial driving characteristics, high vibration resistance, and high tolerance for repetitive power interruptions. In recent years, group III semiconductors capable of emitting light in blue short wavelength regions have been in the spotlight.
하지만, 반도체 단결정은 그 격자상수 및 열팽창계수에 적합한 기판이 보편적이지 않는 문제가 있다. 예를 들어, 사파이어 기판 상에 성장되는 질화물은 격자상수 및 열팽창계수의 차이로 인하여 저온의 핵생성층을 도입하여도 질화물 단결정은 약 109 ~ 1010 ㎝-2의 결정결함을 갖는 것으로 알려져 있다.However, a semiconductor single crystal has a problem that a substrate suitable for its lattice constant and thermal expansion coefficient is not common. For example, nitride grown on a sapphire substrate is known to have a crystal defect of about 10 9 to 10 10 cm -2 even when a low temperature nucleation layer is introduced due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient. .
최근에는 이러한 반도체의 결정결함을 낮추기 위한 방안으로 GaN 기판을 사용하여 동종접합구조의 반도체 단결정 성장방법이 활용되고 있다. 일반적으로 사용되는 GaN 기판을 이용한 반도체 단결정 성장방법은 도1a 내지 도1d에 예시되어 있다.Recently, a method of growing a semiconductor single crystal having a homojunction structure using a GaN substrate has been used to reduce the crystal defects of the semiconductor. A semiconductor single crystal growth method using a commonly used GaN substrate is illustrated in FIGS. 1A to 1D.
우선, 도1a와 같이 MOCVD법을 사용하여 n형 GaN 기판(11) 상에 n형 GaN 층(12), InGaN 활성층(13), p형 GaN 층(14) 등을 순차적으로 성장시킨다. 이어 p형 도펀트를 활성화하기 위한 열처리를 한 후, 도1b와 같이 상기 p형 GaN 층(14)에 반사금속층(15)을 증착시킨다. 다음으로, 도1c와 같이 광추출효율을 증가시키기 위해 상기 n형 GaN 기판(11)을 습식에칭 등을 통해 표면 조도 처리를 한다. 이어, 도1d와 같이 n-전극(16), p-전극(17)을 각각 증착시킨다.First, as shown in FIG. 1A, an n-
하지만, 이와 같이 방법에서는 고가의 GaN 기판이 손상되며, 기판을 재사용할 수 없으므로, 공정비용이 증가 되는 문제가 있다.However, in this method, the expensive GaN substrate is damaged and the substrate cannot be reused, thereby increasing the process cost.
따라서, 반도체 단결정 또는 반도체 발광소자에 있어서, 특히, 질화물인 경우에는, 기판을 재사용할 수 있는 제조공정이 요구한다.Therefore, in the semiconductor single crystal or the semiconductor light emitting device, especially in the case of nitride, a manufacturing process capable of reusing a substrate is required.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 일 목적은 기판 분리 과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저에 의한 피해를 최소화하면서, 고가의 기판(특히 GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, one object is to reuse the expensive substrate (particularly GaN substrate) while minimizing the damage caused by the laser acting on the semiconductor single crystal or the light emitting structure during the substrate separation process. There is provided a method for manufacturing a semiconductor single crystal and a semiconductor light emitting device.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,In order to solve the above technical problem, an embodiment of the present invention,
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 반도체 단결정층을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 단결정 제조방법을 제공한다.Providing a single crystal growth substrate, growing a sacrificial layer on the substrate, forming a porous reflective layer on the sacrificial layer, forming a semiconductor single crystal layer on the porous reflective layer, and laser Irradiating to remove the sacrificial layer to provide a semiconductor single crystal manufacturing method comprising the step of separating the substrate from the porous reflective layer.
바람직하게는, 상기 반도체 단결정층은 질화물로 이루어진 것일 수 있으며, 이 경우, 상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것이 바람직하다. GaN 기판을 사용하는 경우, 동종접합구조가 되어 질화물층의 결정성을 높일 수 있다.Preferably, the semiconductor single crystal layer may be made of nitride, in this case, the single crystal growth substrate is preferably a GaN substrate. When using a GaN substrate, it becomes a homogeneous bonded structure, and can improve the crystallinity of a nitride layer.
또한, 상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함할 있다. 상기 언도프된 제1 GaN층은 기판과 발광구조물의 분리가 잘 되도록 하는 기능을 하며, 이 경우, 상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 약 0.1 ~ 1.0㎛인 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 언도프된 제1 GaN층을 채용한 경우에는, 상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여 기판을 재사용할 수 있다.The method may further include growing an undoped first GaN layer on the substrate between preparing the substrate and growing the sacrificial layer. The undoped first GaN layer functions to facilitate separation of the substrate and the light emitting structure. In this case, the thickness of the undoped first GaN layer is preferably about 0.1 μm to about 1.0 μm. As such, when the undoped first GaN layer is employed, the method may further include removing the undoped first GaN layer on the separated substrate after the separating of the substrate. Through the substrate can be reused.
본 발명에서 채용된 상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있으며, 상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에서 자발적으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 다공성 반사층에서 공극은 상기 반사층의 성장 과정에서 패터닝(patterning) 등의 과정을 거치지 않고 형성될 수 있다. 이는, 유전체 등의 패터닝을 통하여 반사층을 형성하는 경우에 비해 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다. 이 경우, 상기 다공성 반사층은 기판 분리를 위해 조사된 레이저를 반사시키고, 레이저에 의한 열을 차단하는 기능을 한다. 나아가, 상기 공극을 통하여 상기 다공성 반사층 상에서 반도체층의 측방향성장을 유도할 수 있다.The porous reflective layer employed in the present invention is Si a Mg 3 - a N 2 , where a may be 0 ≤ a ≤ 3, the pores of the porous reflective layer is formed spontaneously in the formation of the porous reflective layer It is desirable to be. That is, the pores in the porous reflective layer may be formed without undergoing a patterning process or the like during the growth of the reflective layer. This has the advantage of simplifying the process as compared with the case of forming the reflective layer through the patterning of the dielectric. In this case, the porous reflective layer reflects the irradiated laser to separate the substrate, and functions to block heat by the laser. Furthermore, lateral growth of the semiconductor layer may be induced on the porous reflective layer through the pores.
상기 다공성 반사층의 자발적 형성 조건과 관련하여, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.In relation to the spontaneous forming conditions of the porous reflective layer, the step of forming the porous reflective layer, the growth temperature is preferably 500 to 700 ℃, SiH 4 It is preferable to include a process for the injection amount of 100 to 300 nmol / min. .
또한, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하며, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되 도록 하는 것이 바람직하다.In the forming of the porous reflective layer, the pore size of the porous reflective layer is 10 to 50 nm, and the thickness of the porous reflective layer is preferably 0.1 to 0.5 μm.
바람직하게는, 상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 반도체 단결정층으로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 반도체 단결정층, 다공성 반사층 및 희생층은 질화물로 이루어지며, 상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것이 바람직하다.Preferably, after separating the substrate, the method may further include removing the porous reflective layer from the semiconductor single crystal layer. In particular, the semiconductor single crystal layer, the porous reflective layer and the sacrificial layer is made of nitride, and between the step of growing the sacrificial layer and the step of forming the porous reflective layer, growing the undoped second GaN layer on the sacrificial layer The method may further include removing the undoped second GaN layer before removing the porous reflective layer. In this case, the thickness of the undoped second GaN layer is preferably 0.1 ~ 1.0㎛.
한편, 상기 희생층은 레이저 리프트공정에서 제거되어 발광구조물과 기판을 분리하는 기능을 하며, 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다.On the other hand, the sacrificial layer is removed in the laser lift process to function to separate the light emitting structure and the substrate, it is preferable to have an energy band gap lower than the surrounding area.
또한, 상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하며, 그 두께는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.In addition, the sacrificial layer is an undoped In x Ga 1 - x N layer, where x satisfies 0.3 <x ≤ 1, the thickness is preferably 10 ~ 20nm.
본 발명의 다른 실시 형태에서는,In another embodiment of the present invention,
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적 으로 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.Preparing a single crystal growth substrate, growing a sacrificial layer on the substrate, forming a porous reflective layer on the sacrificial layer, and sequentially forming a first conductive semiconductor layer and an active layer on the porous reflective layer And growing the second conductive semiconductor layer sequentially to form a light emitting structure, and separating the substrate from the porous reflective layer by removing the sacrificial layer by irradiating a laser. .
이 경우, 단파장을 발광하는 발광소자 제조를 위해, 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물로 이루어진 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 제1 도전형 반도체층은, n형 불순물이 도핑된 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 반도체층인 것일 수 있다.In this case, in order to manufacture a light emitting device emitting light having a short wavelength, the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer are preferably made of nitride, and in this case, the first conductive semiconductor layer is n The semiconductor layer may be doped with type impurities, and the second conductive semiconductor layer may be a semiconductor layer doped with p-type impurities.
또한, 상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것이 바람직하다.In addition, the single crystal growth substrate is preferably a GaN substrate.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것이 바람직하다. 또한, 이 경우에는, 상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, the method may further include growing an undoped first GaN layer on the substrate, between preparing the substrate and growing the sacrificial layer. The thickness of the first GaN layer thus obtained is preferably 0.1 to 1.0 µm. In this case, after the separating of the substrate, it is preferable to further include the step of removing the undoped first GaN layer on the separated substrate.
상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있으며, 상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에 서 자발적으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 다공성 반사층의 자발적 형성 조건과 관련하여, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.The porous reflective layer is Si a Mg 3 - a N 2 , where a may satisfy 0 ≦ a ≦ 3, and the pores of the porous reflective layer are preferably spontaneously formed during the formation of the porous reflective layer. . In this case, with respect to the spontaneous formation conditions of the porous reflective layer, the step of forming the porous reflective layer, the growth temperature is 500 ~ 700 ℃, the amount of SiH 4 injected to include 100 to 300 nmol / min It is preferable.
또한, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하며, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되도록 하는 것이 바람직하다.In the forming of the porous reflective layer, the pore size of the porous reflective layer is 10 to 50 nm, and the thickness of the porous reflective layer is preferably 0.1 to 0.5 μm.
바람직하게는, 상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 발광구조물로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 광추출효율 향상을 위해 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, after separating the substrate, the method may further include removing the porous reflective layer from the light emitting structure. In this case, after removing the porous reflective layer to improve light extraction efficiency, The method may further include forming an uneven structure on a surface from which the porous reflective layer of the first conductive semiconductor layer is removed.
또한, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming an electrode on a surface from which the porous reflective layer of the first conductive semiconductor layer is removed after removing the porous reflective layer.
또한, 상기 발광구조물, 다공성 반사층 및 희생층은 질화물로 이루어지며, 상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛인 것이 바람 직하다.In addition, the light emitting structure, the porous reflective layer and the sacrificial layer is made of nitride, and between the step of growing the sacrificial layer and forming a porous reflective layer, growing an undoped second GaN layer on the sacrificial layer The method may further include removing the undoped second GaN layer before removing the porous reflective layer. In this case, the thickness of the undoped second GaN layer is preferably 0.1 ~ 1.0㎛.
한편, 상기 희생층 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하며, 그 두께는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable to have a lower energy band gap than the area around the sacrificial layer. In addition, the sacrificial layer is an undoped In x Ga 1 - x N layer, where x satisfies 0.3 <x ≤ 1, the thickness is preferably 10 ~ 20nm.
바람직하게는, 상기 발광구조물을 형성하는 단계와 기판을 제거하는 단계 사이에, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 순차적으로, 반사금속층을 형성하는 단계 및 도전성 지지기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method may further include sequentially forming a reflective metal layer on the second conductive semiconductor layer and forming a conductive support substrate between the forming of the light emitting structure and the removing of the substrate. Can be.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a semiconductor single crystal according to one embodiment of the present invention.
우선, 도2a와 같이, GaN 기판(21) 상에, 순차적으로 언도프된 제1 GaN층(22) 및 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층(23)을 형성한다. 본 실시 형태에서, 상기 GaN 기판(21)은 본 실시 형태에서, 크게 훼손되지 않은 상태로 반도체 단결정으로부터 분리가 가능하므로, 재사용이 가능하다. 다만, 본 발명에서 단결정 성장용 기판은 상기 GaN 기판(21)으로 제한되지 않으며, 단결정 성장용으로 일반적으로 사용될 수 있는 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 채용이 가능하다.First, as shown in FIG. 2A, a
상기 언도프된 제1 GaN층(22)은 GaN 기판(21)과 반도체 단결정의 분리가 용이하도록 하는 기능을 하며 본 실시 형태에서 선택적인 요소이다. 바람직하게는, 상기 언도프된 제1 GaN층(22)은 0.1 ~ 1.0㎛의 두께(t1)가 될 수 있다.The undoped
상기 희생층(23)은 레이저 리프트오프 공정에서 제거되어 상기 반도체 단결정과 GaN 기판(21)을 분리시키는데 기여하며, 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시 형태에서 상기 주위영역은 언도프된 GaN층이 된다. 따라서, 상기 희생층(23)은 언도프된 InxGa1 - xN 층일 수 있으며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하다. The
이에 따라, 후술할 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 상기 희생층(23)의 에너지 밴드갭보다 크고 주위영역의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 상기 GaN 기판(21)을 분리할 수 있다. 따라서, 상기 희생층은(23)은 고가의 상기 GaN 기판(21)을 재사용하는데 기여할 수 있다. 바람직하게는, 상기 희생층(23)의 두께(t2)는 10 ~ 20㎚ 일 수 있다.Accordingly, as will be described later, in the present embodiment, the
상기 언도프된 제1 GaN층(22) 및 희생층(23)은 공지된 공정인 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장시킬 수 있다.The undoped
이어, 도2b와 같이, 상기 희생층(23) 상에 순차적으로 언도프된 제2 GaN층(24) 및 다공성 반사층(25)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
상기 언도프된 제2 GaN층(24)은 질화물 단결정으로부터 기판이 쉽게 분리 되도록 하고, 부가적으로, 레이저(L)가 발광구조물로 입사되는 것을 차단하는 기능을 한다. 상기 언도프된 제2 GaN층(24)은, 그 두께(t3)가 0.1 ~ 1.0㎛가 바람직하며, 상기 언도프된 제1 GaN층(22)과 같이 선택적 요소에 해당한다.The undoped
본 실시 형태에서 채용된 상기 다공성 반사층(25)은, 상기 GaN 기판(21)의 분리를 위해 레이저(L) 조사 시, 상기 기판(21)과 질화물 단결정층의 분리가 잘 되도록 하는 기능을 한다. 또한, 레이저(L)를 반사시켜 질화물 단결정층에 레이저가 입사되거나 열이 확산 되는 것 방지하는 기능을 할 수 있다. 이 경우, 상기 다공성 반사층(25)의 성장 과정에서 공극(h)이 자발적으로 형성될 수 있다. The porous
한편, 상기 다공성 반사층(25)의 평면도인 도4에 따르면, 상기 다공성 반사층(25)의 성장 과정에서, 상기 공극(h)은 패터닝된 형태가 아닌 임의의 형태를 갖고 형성될 수 있으며, 이를 통하여 제1 도전형 반도체층(26a)이 성장될 수 있다. 이에 따라, 반사층을 패터닝하여 형성하는 경우에 비하여 공정이 단순화될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다공성 반사층(25)은 SiaMg3 - aN2 일 수 있으며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있다. Meanwhile, according to FIG. 4, which is a plan view of the porous
이 경우, 상기 다공성 반사층(25)의 자발적인 형성 조건을 고려하면, 상기 다공성 반사층(25)을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.In this case, considering the spontaneous formation conditions of the porous
한편, 상기 다공성 반사층(25)에 의한 레이저(L)의 반사도를 고려할 때, 바람직하게는, 상기 공극(h)의 크기(D)는 10 ~ 50㎚일 수 있으며, 상기 다공성 반사층(25)의 두께(t4)는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 일 수 있다. On the other hand, when considering the reflectance of the laser (L) by the porous
다음으로, 도2c와 같이, 상기 다공성 반사층(25) 상에 질화물 단결정층(26)을 형성한다. 상기 질화물 단결정층(26)은 상술한 바와 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔성장법 및 하이브리드 기상증착법 등으로 성장될 수 있다.Next, as shown in FIG. 2C, a nitride
이어, 도2d와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 레이저(L)를 조사하여 상기 희생층(23)을 제거하는 공정을 통하여 상기 GaN 기판(21)을 상기 다공성 반사층(25)으로부터 분리할 수 있다. 이론적으로, 2.41eV의 에너지를 갖는 레이저가 에너지 밴드갭이 3.4eV인 상기 GaN 기판(21) 하면을 통하여 입사되는 경우, 레이저는 상기 GaN 기판(21)을 투과하고, 에너지 밴드갭이 2.34eV 이하인 상기 희생층(23)에 도달하면서 상기 레이저(L)가 희생층(23)에 흡수되는 반응이 일어난다. 이와 같이, 레이저가 흡수되어 반응이 일어난 영역(R)이 상기 희생층(23) 전체에 확산 됨에 따라, 상기 희생층(23)은 제거되어 분리(ablation)되는 현상이 발생한다. 이에 따라, 상기 다공성 반사층(25)으로부터 상기 GaN 기판(21)이 분리된다. 이 경우, 도2e에 서 화살표로 표시된 부분은 상기 기판(21)이 분리된 상태의 질화물 단결정층(26)과 다공성 반사층(25)을 나타내고 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, the
다음으로, 도2e와 같이, 건식 식각방법 등의 연마 공정을 통하여 상기 질화물 단결정층(26)으로부터 상기 다공성 반사층(25)을 제거한다. 이에 따라, 최종 질화물 단결정(26)을 얻을 수 있다.Next, as shown in FIG. 2E, the porous
다만, 본 실시 형태에서는 질화물 단결정을 얻기 위한 공정으로 상기 기판, 희생층 등이 질화물인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 상기와 같은 방법으로 일반적인 반도체 단결정을 제조할 수도 있다.In the present embodiment, the substrate, the sacrificial layer, and the like have been described as a process for obtaining a nitride single crystal. However, the present invention is not limited thereto, and a general semiconductor single crystal may be manufactured by the above method.
본 발명의 다른 실시 형태를 도3a 내지 도3g를 참조하여 설명한다.Another embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 3A to 3G.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views of processes for describing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
우선, 도3a와 같이, GaN 기판(31) 상에, 순차적으로 언도프된 제1 GaN층(32) 및 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층(33)을 형성한다. First, as shown in FIG. 3A, a
상기 언도프된 제1 GaN층(32)은 GaN 기판(31)과 반도체 단결정의 분리가 용이하도록 하는 기능을 하며, 바람직하게는, 0.1 ~ 1.0㎛의 두께(t5)가 될 수 있다.The undoped
상기 희생층(33)은 상기 GaN 기판(31)의 분리 과정에서 제거되어 상기 GaN 기판(31)의 분리 및 재사용하는데 기여할 수 있으며, 그 두께(t6)는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.The
상기 언도프된 제1 GaN층(32) 및 희생층(33)에 대한 보다 자세한 조건 및 기능 등은 도2a에서 설명한 내용으로 채용될 수 있다. More detailed conditions and functions of the undoped
이어, 도3b와 같이, 상기 희생층(33) 상에 순차적으로, 언도프된 제2 GaN층(34) 및 다공성 반사층(35)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 3B, the undoped
상기 언도프된 제2 GaN층(34)은 발광구조물로부터 상기 GaN 기판(31)이 쉽게 분리 되도록 하고, 부가적으로, 레이저(L)가 제1 도전형 질화물층으로 입사되는 것을 차단하는 기능을 한다. 바람직하게는, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께(t7)는 0.1 ~ 1.0㎛가 바람직하다.The undoped
상기 다공성 반사층(35)은 상기 GaN 기판(31) 분리를 위해 조사된 레이저(L) 및 이에 의해 발생된 열이 상기 발광구조물(S)에 도달하는 것을 방지하는 기능을 한다. 이 경우, 상기 다공성 반사층(35)에 의한 레이저(L)의 반사도를 고려할 때, 바람직하게는, 상기 공극(h`)의 크기(D`)는 10 ~ 50㎚일 수 있으며, 상기 다공성 반사층(35)의 두께(t8)는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 일 수 있다.The porous
상기 언도프된 제2 GaN층(34) 및 다공성 반사층(35)에 대한 보다 자세한 조건 및 기능 등은 도2b에서 설명한 내용으로 채용될 수 있다. More detailed conditions and functions of the undoped
다음으로, 도3c와 같이, 상기 다공성 반사층(35) 상에 발광구조물(S)을 형성 한다. 이 경우, 본 발명에서, 상기 '발광구조물'은, 상기 n형 질화물 반도체층(43), 활성층(44), p형 질화물 반도체층(45)이 순차적으로 적층되어 형성된 구조물 의미한다.상기 발광구조물(S)은 공지된 질화물 성장 공정인 유기금속 기상증착법, 분자빔성장법 및 하이브리드 기상증착법 등으로 성장될 수 있다.Next, as shown in FIG. 3c, the light emitting structure S is formed on the porous
이어, 도3d와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(45) 상에 순차적으로 반사금속층(46), 도전성 지지기판(47) 및 p측 본딩전극(48)을 형성한다.3D, the
상기 반사금속층(46)은 상기 활성층(44)에서 발광된 빛을 상기 n형 질화물 반도체층(43) 방향으로 반사하는 기능을 하며, 바람직하게는 70% 이상의 반사율을 가진다. 또한, 상기 반사금속층(46)은 상기 p형 질화물 반도체층(45)과 오믹콘택을 형성한다. 이러한 반사금속층(46)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. The
한편, 상기 반사금속층(46)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다.The
상기 도전성 기판(47)은 최종 발광소자에 포함되는 요소로서, p측 전극 역할과 함께 상기 발광구조물(S)을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 이 경우, 상기 도전성 기판(47)은 Si, Cu, Ni, Au, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 도전성 기판(47)이 금속인 경우에는 도금, 증착, 스퍼 터링 등의 공정이 가능하나, 공정 효율상 도금 공정이 바람직하다. 상기 도금 공정은 전해도금, 비전해도금, 증착도금 등 금속층을 형성하는데 사용되는 공지의 도금 공정을 포함하며, 이 중에서, 도금 시간이 적게 소요되는 전해도금법을 이용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 상기 도전성 기판의 형성 방법은 이에 제한되지 않으며, 웨이퍼 본딩을 통하여 상기 도전성 기판(47)을 상기 반사금속층(46)에 접합시킬 수도 있다.The
상기 p측 본딩전극(48)은 최외곽 전극층으로, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 p측 본딩전극(48)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링공정에 의해 형성될 수 있다. The p-
이어, 도3e와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 레이저(L)를 조사하여 상기 희생층(33)을 제거하는 공정을 통하여 상기 GaN 기판(31)을 상기 다공성 반사층(35)으로부터 분리할 수 있다. 이 경우, 도3e에서 화살표로 표시된 부분은 상기 GaN 기판(31)이 분리된 발광구조물(S)과 다공성 반사층(35)을 나타내고 있다.Subsequently, as shown in FIG. 3E, the
상기 레이저 리프트오프 공정의 보다 자세한 내용은 도2d의 공정을 채용할 수 있다.For details of the laser liftoff process, the process of FIG. 2D may be employed.
다음으로, 도3f와 같이, 건식 식각방법 등의 연마공정을 사용하여 상기 발광구조물(S)로부터 다공성 반사층(35)을 제거할 수 있으며, 상기 다공성 반사층(35)이 제거된 발광구조물(S)을 화살표로 표시된 부분으로 도시하였다.Next, as illustrated in FIG. 3F, the porous
마지막으로, 도3g와 같이, 상기 반도체 발광소자의 광추출효율을 향상시키기 위해, 상기 다공성 반사층(35)을 제거하는 단계 후, 상기 n형 질화물 반도체층(43)의 상기 다공성 반사층(35)이 제거된 면에 습식 에칭 등의 공정을 통하여 요철구조를 형성한다. 이어서, 상기 n형 질화물 반도체층(43)의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 n측 전극(49)을 형성한다.Finally, as shown in FIG. 3G, after removing the porous
다만, 본 실시 형태에서는 질화물 반도체 발광소자를 얻기 위한 공정으로 상기 기판, 희생층, 다공성 반사층 등이 질화물인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 상기와 같은 방법으로 일반적인 반도체 발광소자를 제조할 수도 있다. In the present embodiment, the substrate, the sacrificial layer, the porous reflective layer, and the like have been described as a process for obtaining a nitride semiconductor light emitting device, but the present invention is not limited thereto. It can also manufacture.
도4a와 도4b는 상기 분리된 GaN 기판을 재사용하는 단계의 일 실시 형태를 나타낸 것이며, 도3의 실시 형태에 따라 분리된 상기 GaN 기판(21)을 기준으로 설명한다. 4A and 4B illustrate an embodiment of reusing the separated GaN substrate, and will be described based on the separated
도4a에 따르면, 상기 분리된 GaN 기판(21)의 상면에 언도프된 제1 GaN층(22) 및 기판 분리 과정에서 표면에 잔존물(22a)이 생길 수가 있으므로, 상기 잔존물(22a)를 제거할 필요가 있다. 이에 따라, 상기 GaN 기판(21)을 재사용할 수 있으며, 상기 분리된 GaN 기판(21)은 원래 두께를 유지하면서 재사용이 가능할 수 있다.According to FIG. 4A, since the
이 경우, 도4b에서와 같이, 상기 언도프된 제1 GaN층(22) 및 표면의 잔존물(22a)은 기계적 또는 화학적 연마장치(40)를 통하여 제거될 수 있다.In this case, as shown in FIG. 4B, the undoped
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기판 분리 과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저에 의한 피해를 최소화하면서, 고가의 기판(특히 GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법을 얻을 수 있다. As described above, according to the present invention, a semiconductor single crystal and a semiconductor light emitting device capable of reusing an expensive substrate (particularly a GaN substrate) while minimizing damage caused by a laser acting on a semiconductor single crystal or a light emitting structure during substrate separation. A manufacturing method can be obtained.
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