KR101178400B1 - 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은, 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공하는 단계와, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계와, 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계를 포함한다.

Description

단면미러 질화갈륨 기판 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE}
본 발명은 발광다이오드(LED), 레이저다이오드(LD) 등의 발광소자, 태양전지, 광센서 등의 수광소자, 또는 트랜지스터, 파워디바이스 등의 전자 디바이스에 사용될 수 있는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전류를 인가하면 발광구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시키는 전기소자이다. 개발 초기에 발광다이오드(LED) 소자는 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성하였다.
최근 들어, 발광다이오드(LED) 소자는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화되어 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있다. 나아가 적, 녹, 청색의 3개 발광다이오드(LED) 소자 칩을 조합하거나, 단파장의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 발광다이오드(LED) 소자가 개발되어 조명장치로 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 발광다이오드(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.
도 1 은 종래 질화갈륨(GaN) 기판을 성장시키는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도시한 바와 같이, 먼저 사파이어 기판(11)을 반응기 내에 장착한다. 질화갈륨(GaN) 기판을 성장시키기 전에 사파이어 기판(11) 위에 암모니아가스(NH3)와 염화수소(HCl)를 혼합한 가스를 흘려주어 표면처리를 한다. 이후, 반응기 내부 온도를 100℃ 이상의 고온으로 유지한 상태에서 사파이어 기판(11)에 캐리어 가스와 함께 염화갈륨(GaCl)과 암모니아가스(NH3)를 주입하여 질화갈륨(GaN) 기판(21)을 성장시킨다. 이후, 질화갈륨(GaN) 기판(21)이 성장된 사파이어 기판(11)을 8시간 정도 냉각시킨다. 냉각된 질화갈륨(GaN) 기판(21)이 성장된 사파이어 기판(11)은 인산 에칭된다. 이후 질화갈륨(GaN) 기판(21)이 성장된 사파이어 기판(11)을 레이저 분리로로 이송하고, 질화갈륨(GaN) 기판(21)이 성장된 사파이어 기판(11)에 레이저를 조사하여 질화갈륨(GaN) 기판(21)을 분리한다.
사파이어 기판에서 분리된 질화갈륨(GaN) 기판은 손상층이 존재하기 때문에 질화갈륨(GaN) 기판에 휨이 발생한다. 이를 해결하고자 종래에는 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면을 모두 미러(mirror)하게 가공하여 손상층에 의한 기판 휨을 줄였다. 그런데, 이러한 양면 미러를 갖는 질화갈륨(GaN) 기판을 제조하기 위해서는 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면을 연삭(Grinding) 또는 래핑(Lapping) 하고 이후 연마(Polishing)를 하여 질소(N) 면을 미러(mirror)하게 가공하고, 질화갈륨(GaN) 기판의 갈륨(Ga) 면을 연삭(Grinding) 또는 래핑(Lapping) 하고 이후 연마(Polishing)를 하여 갈륨(Ga) 면을 미러(mirror)하게 가공하여야 함으로 공정이 복잡하고, 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.
한편, 질화갈륨(GaN) 기판은 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면에 발광다이오드(LED) 소자가 장착된다. 이에 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면을 모두 미러(mirror)하게 가공하는 것은 기판 휨을 줄이기 위해 유리하지만 실제로 사용하지도 않는 부분까지 불필요하게 가공하여 제조비용을 상승시키고, 생산성을 떨어뜨리는 문제점을 초래하였다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 기판 휨을 줄이면서 동시에 공정을 단순하여 제조비용을 낮추고 생산성을 높일 수 있는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은, 피성장기판에서 성장된 후 분리된 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공하는 단계와, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계와, 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계가 습식조에 전해질용액을 충진하는 단계와, 습식조의 내부 온도를 승온시키는 단계와, 습식조에 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계와, 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 질화갈륨(GaN) 기판에 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은, 습식조에 식각용액을 충진하는 단계와, 습식조의 내부 온도를 승온시키는 단계와, 습식조에 분리된 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따르면, 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공하는 단계와, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계와, 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계를 포함하여 구현됨으로써, 기판 휨을 줄이면서 동시에 공정을 단순하여 제조비용을 낮추고 생산성을 높일 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1 은 종래 질화갈륨(GaN) 기판을 성장시키는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판을 제조하는 과정을 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법에 따라 질화갈륨(GaN) 기판에 손상층이 제거되는 것을 도시한다.
도 4 는 질화갈륨(GaN) 기판과 사파이어 기판 열처리 전과 후 기판 휨 변화율을 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판의 휨 수준을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판을 제조하는 과정을 도시한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은 먼저, 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공한다(S201). 여기서, 질화갈륨(GaN) 기판은 피성장기판에서 성장된 후 분리된 것일 수 있다. 일례로, 피성장기판은 사파이어 기판 또는 질화알루미늄(AlN) 기판 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 피성장기판에 성장시키고자 하는 반도체 기판이 질화갈륨(GaN) 기판인 경우 피성장기판은 질화알루미늄(AlN) 기판으로 구현된다. 이는 질화갈륨(GaN) 기판과 질화알루미늄(AlN) 기판 간의 열팽창 계수 차이가 질화갈륨(GaN) 기판과 사파이어 기판의 열팽창 계수 차이보다 훨씬 작기 때문이다.
일례로, 질화갈륨(GaN) 기판의 어느 한 면을 가공하는 S201 단계는, 연삭(Grinding) 또는 래핑(Lapping) 중 어느 하나를 포함하는 가공법으로 구현될 수 있다. 예를 들어 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면의 거친 정도에 따라 연삭(Grinding) 가공 후에 래핑(Lapping) 가공을 할 수도 있으며, 래핑(Lapping) 가공 후에 연삭(Grinding) 가공을 할 수도 있다. 질화갈륨(GaN) 기판의 어느 한 면을 가공하는 S201 단계에서, 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면은 질소(N) 면일 수 있다. 이는 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면이 기판 휨을 발생시키는 응력집중층이 존재하기 때문이다.
이후, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각한다(S202). 일실시예에 있어서, 단계 S202는 습식조에 전해질용액(예컨대, KOH, H3PO4, H2SO4, NaOH를 단독 또는 혼합하여 사용함.)을 충진하는 단계와, 습식조의 내부 온도를 약 90℃까지 승온시키는 단계와, 습식조에 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계와, 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 질화갈륨(GaN) 기판에 전류를 인가하는 단계로 구현될 수 있다. 여기서, 습식조의 내부 온도는 상온으로 유지되어도 식각이 가능하며, 음극이 연결된 기판은 백금 재질로 구현된 기판일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계 S202는, 습식조에 식각용액(예컨대, KOH, H3PO4, H2SO4, NaOH)을 충진하는 단계와, 습식조의 내부 온도를 약 200℃ 이상으로 승온시키는 단계와, 습식조에 분리된 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계로 구현될 수 있다.
이후, 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공한다(S203). 일례로, 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계 S203은, 연마(Polishing) 가공법으로 구현될 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법에 따라 질화갈륨(GaN) 기판에 손상층이 제거되는 것을 도시한다.
여기서, 참조부호 311은 손상층이 식각을 통해 제거된 질화갈륨(GaN) 기판의 갈륨(Ga) 면이고, 312는 식각된 질화갈륨(GaN) 기판을 래핑(Lapping) 가공 후 900℃ 이상의 고온에서 열처리하여 미러(mirror)하게 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 갈륨(Ga) 면이다.
참조부호 311에서 알 수 있듯이, 식각은 질화갈륨(GaN) 기판의 갈륨(Ga) 면의 손상층까지 진행되다가 갈륨(Ga) 면에서 정지한다. 이는 질화갈륨(GaN) 기판의 갈륨(Ga) 면이 극성 또는 비극성을 띄기 때문이다.
도 4 는 질화갈륨(GaN) 기판과 사파이어 기판 열처리 전과 후 기판 휨 변화율을 도시한다.
도시한 바와 같이, 질화갈륨(GaN) 기판과 사파이어 기판을 900℃ 이상의 고온에서 열처리를 진행할수록 기판 휨 변화율이 줄어듦을 알 수 있다. 일실시예에 있어서, 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법은 식각된 질화갈륨(GaN) 기판을 900℃ 이상의 고온에서 열처리하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판의 휨 수준을 도시한다.
여기서, 참조부호 511은 종래 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면을 모두 미러(mirror)하게 가공한 후의 기판 휨 수준을 보여주며, 512는 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판의 휨 수준을 보여준다. 도 5에서 본 발명에 따른 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판의 휨이 종래보다 적음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 단면미러 질화갈륨(GaN) 기판은 발광다이오드(LED) 소자에 사용될 수 있다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공하는 단계;
    상기 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계; 및
    상기 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계가:
    습식조에 전해질용액을 충진하는 단계;
    상기 습식조의 내부 온도를 승온시키는 단계;
    상기 습식조에 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 상기 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계; 및
    상기 음극이 연결된 기판과 양극이 연결된 상기 질화갈륨(GaN) 기판에 전류를 인가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 질화갈륨(GaN) 기판의 질소(N) 면과 갈륨(Ga) 면 중 어느 한 면을 가공하는 단계가,
    연삭(Grinding) 또는 래핑(Lapping) 중 어느 하나를 포함하는 가공법으로 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 가공하는 단계인 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식조에 전해질용액을 충진하는 단계에서,
    상기 전해질용액은 KOH, H3PO4, H2SO4, NaOH를 단독 또는 혼합한 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가공된 질화갈륨(GaN) 기판의 한 면을 식각하는 단계가:
    습식조에 식각용액을 충진하는 단계;
    상기 습식조의 내부 온도를 승온시키는 단계; 및
    상기 습식조에 상기 가공된 질화갈륨(GaN) 기판을 침수시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 식각된 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계가,
    연마(Polishing) 가공법으로 질화갈륨(GaN) 기판의 반대 면을 가공하는 단계인 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법이:
    상기 식각된 질화갈륨(GaN) 기판을 900℃ 이상의 고온에서 열처리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단면미러 질화갈륨 기판 제조방법.
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