KR102049248B1 - SEPARATION METHOD OF GaN CRYSTAL LAYER USING SACRIFICIAL LAYER - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 및 이를 포함하는 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시킬 수 있음과 더불어, 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시킬 수 있는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 및 이를 포함하는 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating a GaN crystal layer using a sacrificial layer and a light emitting device including the same, and more particularly, the GaN crystal layer can be grown on the graphene layer while minimizing damage to the graphene layer. The present invention relates to a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer capable of easily separating a graphene layer, a GaN buffer layer and a GaN crystal layer from a carrier substrate, and a light emitting device including the same.
일반적으로, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 만들어진 벌집 구조의 2차원 박막을 말한다. 이때, 탄소 원자는 sp2 혼성 궤도에 의해 화학 결합시 이차원 구조를 가지는 탄소 육각망 면을 형성한다. 이 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀인데, 그 두께가 단지 탄소 원자 한 개에 불과한 약 0.34 nm이다. 이러한 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 약 100배 정도 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 약 100배 정도 많은 전류를 흐르게 할 수 있다.In general, graphene refers to a two-dimensional thin film of a honeycomb structure made of a layer of carbon atoms. At this time, the carbon atoms form a carbon hexagonal network surface having a two-dimensional structure during chemical bonding by sp 2 hybrid orbits. The aggregate of carbon atoms with this planar structure is graphene, which is about 0.34 nm thick, with only one carbon atom. Such graphene is structurally and chemically very stable, and has excellent charge mobility about 100 times faster than silicon, and is capable of flowing about 100 times more current than copper.
또한, 그래핀은 투명도가 우수한데, 종래에 투명 전극으로 사용되던 ITO(indium tin oxide)보다 높은 투명도를 가질 수 있다. 이러한 그래핀은 열전도성이 우수하여 뛰어난 방열 특성까지 가지고 있다.In addition, graphene has excellent transparency, and may have a higher transparency than indium tin oxide (ITO), which is conventionally used as a transparent electrode. Such graphene has excellent thermal conductivity and has excellent heat dissipation characteristics.
이에 따라, 그래핀의 특성들을 이용하여 전자 소자에 그래핀을 적용하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있다.Accordingly, various studies are being conducted to apply graphene to electronic devices using the characteristics of graphene.
그러나, 그래핀의 표면에는 불포화 결합(dangling bond)이나 작용기가 거의 없어서 그래핀의 표면은 강한 소수성을 띤다. 이로 인해, 그래핀 상에 GaN 등과 같은 다른 무기물을 성장시키는 것이 매우 어렵다. 이에 따라, 그래핀 상에 무기물을 성장시키기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다. 예를 들어, 그래핀 상에 GaN을 성장시키는 방법으로는, 그래핀의 표면을 산화시킨 후, 산화된 그래핀의 표면 상에 ZnO로 이루어진 버퍼층을 먼저 형성하고, ZnO 버퍼층 위에 GaN을 성장시키는 방법이 있다.However, since the surface of graphene has almost no dangling bonds or functional groups, the surface of graphene has strong hydrophobicity. For this reason, it is very difficult to grow other inorganic materials, such as GaN, on graphene. Accordingly, various methods for growing an inorganic material on graphene have been proposed. For example, as a method of growing GaN on graphene, after oxidizing the surface of graphene, a buffer layer made of ZnO is first formed on the surface of oxidized graphene, and GaN is grown on the ZnO buffer layer. There is this.
그러나, 이 방법의 경우 그래핀과 GaN 사이에 이종물질인 ZnO가 존재하기 때문에 성장된 GaN 결정의 품질을 저하시키게 된다. 이로 인해, 이종물질인 ZnO 상에서 성장된 GaN 결정층을 이용하여 제조된 발광소자의 경우에는 광학적 및 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.However, in this method, since ZnO, which is a heterogeneous material, exists between graphene and GaN, the quality of the grown GaN crystal is degraded. For this reason, in the case of a light emitting device manufactured using a GaN crystal layer grown on ZnO, which is a heterogeneous material, there is a problem in that optical and electrical characteristics are deteriorated.
이 외에도, 그래핀 상에 GaN을 성장시키기 위한 다양한 방법이 제안되고 있으나, 그래핀의 손상이 크거나 성장된 GaN 경정층의 품질이 저하되는 등의 이유로 발광소자의 특성이 저하되는 문제가 있었다.In addition, various methods for growing GaN on graphene have been proposed, but there is a problem in that the characteristics of the light emitting device are deteriorated due to large damage of graphene or deterioration of the quality of the grown GaN crystal layer.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0707166호(2007.04.13. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 GaN 기판의 제조방법이 기재되어 있다.Related prior arts are Korean Patent Publication No. 10-0707166 (Apr. 13, 2007), which discloses a method for manufacturing a GaN substrate.
본 발명의 목적은 그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시킬 수 있음과 더불어, 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시킬 수 있는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 및 이를 포함하는 발광소자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to grow a GaN crystal layer on the graphene layer while minimizing damage to the graphene layer, and to easily separate the graphene layer, GaN buffer layer and GaN crystal layer from the carrier substrate using a sacrificial layer. A method of separating a GaN crystal layer using a sacrificial layer and a light emitting device including the same are provided.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 캐리어 기판 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층의 일부가 노출되도록 상기 희생층 상에 그래핀층을 트랜스퍼하여 적층하는 단계; 상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계; 및 상기 캐리어 기판 상의 희생층을 제거하여, 상기 캐리어 기판으로부터 상기 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 리프트 오프하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a sacrificial layer on a carrier substrate; Transferring and laminating a graphene layer on the sacrificial layer to expose a portion of the sacrificial layer; Forming a GaN buffer layer on the graphene layer; Growing a GaN crystal layer on the GaN buffer layer; And removing the sacrificial layer on the carrier substrate to lift off the graphene layer, the GaN buffer layer, and the GaN crystal layer from the carrier substrate.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 배치된 그래핀층; 상기 그래핀층 상에 배치된 GaN 버퍼층; 상기 GaN 버퍼층 상에 배치된 GaN 결정층; 상기 GaN 버퍼층과 GaN 결정층을 메사 에칭하여 노출된 상기 그래핀층의 일측 가장자리 표면 상에 배치된 제1 전극 패드; 및 상기 GaN 결정층의 상부 표면에 배치된 제2 전극 패드;를 포함하며, 상기 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층은 캐리어 기판으로부터 리프트 오프된 것이 이용되는 것을 특징으로 한다.A light emitting device including a GaN crystal layer according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a substrate; A graphene layer disposed on the substrate; A GaN buffer layer disposed on the graphene layer; A GaN crystal layer disposed on the GaN buffer layer; A first electrode pad disposed on one edge surface of the graphene layer exposed by mesa etching the GaN buffer layer and the GaN crystal layer; And a second electrode pad disposed on an upper surface of the GaN crystal layer, wherein the graphene layer, the GaN buffer layer, and the GaN crystal layer are lifted off from the carrier substrate.
본 발명에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 캐리어 기판 상에 희생층을 형성하고, 희생층 상에 그래핀층을 트랜스퍼하여 적층한 후, 그래핀층 상에 저온 공정으로 GaN 버퍼층을 먼저 형성하고 나서 고온 공정으로 GaN 결정층을 성장시키기 때문에 고온에 의한 그래핀층의 손상을 최소화하면서 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시키는 것이 가능해질 수 있다.In the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the present invention, a sacrificial layer is formed on a carrier substrate, a graphene layer is transferred and laminated on the sacrificial layer, and a GaN buffer layer is first formed on the graphene layer by a low temperature process. Then, since the GaN crystal layer is grown by a high temperature process, it may be possible to easily separate the graphene layer, the GaN buffer layer and the GaN crystal layer from the carrier substrate using the sacrificial layer while minimizing the damage of the graphene layer due to the high temperature.
또한, 본 발명에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 저가의 쿼츠 재질의 캐리어 기판이 이용되며, 희생층을 선택적으로 제거시키는 리프트 오프 공정에 의해 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 분리시킨 후에는 캐리어 기판을 세척 처리하여 재활용하는 것이 가능하므로, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the present invention is a low-cost quartz carrier substrate is used, the graphene layer, GaN buffer layer and GaN crystal from the carrier substrate by a lift off process to selectively remove the sacrificial layer After separating the layers, it is possible to wash and recycle the carrier substrate, thereby reducing the manufacturing cost.
또한, 본 발명에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 그랜핀층이 본래의 특성을 유지하고 있기 때문에 발광소자의 투명 전극으로 사용되거나, 또는 그래핀층의 우수한 열전도성을 활용하여 방열 수단으로 사용될 수도 있다.In addition, the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the present invention is used as a transparent electrode of the light emitting device because the granene layer maintains its original characteristics, or used as a heat dissipation means by utilizing the excellent thermal conductivity of the graphene layer It may be.
또한, 본 발명에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광 소자는 그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시킬 수 있음과 더불어, 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시킬 수 있으므로, 우수한 품질을 갖는 GaN 결정층의 확보로 우수한 발광 효율을 가질 수 있다.In addition, the light emitting device including the GaN crystal layer according to the present invention can grow the GaN crystal layer on the graphene layer while minimizing damage to the graphene layer, and using the sacrificial layer, the graphene layer and the GaN buffer layer from the carrier substrate. And since the GaN crystal layer can be easily separated, it can have an excellent luminous efficiency by securing a GaN crystal layer having excellent quality.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광소자를 나타낸 단면도.
도 7 및 도 8은 750℃의 저온에서 결정 성장시킨 GaN-그래핀에 대한 SEM 사진.
도 9는 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 리프트 오프시킨 상태를 촬영하여 나타낸 실측 사진.1 is a process flowchart showing a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention.
2 to 5 are cross-sectional views showing a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view showing a light emitting device including a GaN crystal layer according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are SEM photographs of GaN-graphene crystal grown at a low temperature of 750 ℃.
Fig. 9 is a photograph showing photographing a state in which a graphene layer, a GaN buffer layer, and a GaN crystal layer are lifted off from a carrier substrate.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법 및 이를 포함하는 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to a preferred embodiment of the present invention and a light emitting device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법을 나타낸 공정 단면도이다.1 is a process flow chart showing a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention, Figures 2 to 5 is a process showing a GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention. It is a cross section.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 희생층 형성 단계(S110), 그래핀층 적층 단계(S120), GaN 버퍼층 형성 단계(S130), GaN 결정층 성장 단계(S140) 및 리프트 오프 단계(S150)를 포함한다.As shown in FIG. 1, in the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the embodiment of the present invention, a sacrificial layer forming step (S110), a graphene layer stacking step (S120), a GaN buffer layer forming step (S130), and GaN Crystal layer growth step (S140) and lift off step (S150).
희생층Sacrificial layer 형성 formation
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 희생층 형성 단계(S110)에서는 캐리어 기판(110) 상에 희생층(120)을 형성한다.1 and 2, in the sacrificial layer forming step S110, the
캐리어 기판(110)은 쿼츠 재질이 이용될 수 있다. 이러한 쿼츠 재질의 캐리어 기판(110)은 사파이어 재질의 기판에 비하여 가격이 훨씬 저렴하기 때문에 가격 경쟁력 측면에서 우위를 차지할 수 있다.The
희생층(120)은 선택적인 제거가 가능한 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 희생층(120)은 습식 식각이 가능한 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 SiO2를 이용하는 것이 좋다.The
이러한 희생층(120)은 캐리어 기판(110)의 전면에 형성되어, 캐리어 기판(110)과 동일한 면적을 갖는다.The
그래핀층Graphene layer 적층 Lamination
도 1 및 도 3을 참조하면, 그래핀층 적층 단계(S120)에서는 희생층(120) 상에 그래핀층(130)을 트랜스퍼하여 적층한다.1 and 3, in the graphene layer stacking step (S120), the
이때, 그래핀층(130)은 상당히 두꺼운 두께로 형성하는 경우에는 기계력(mechanical force)에 의해 리프트 오프가 가능하며, 희생층(120)의 제거를 통해 리프트 오프시에는 단층(monolayer)의 그래핀만 있더라도 가능하다. 구체적으로, 그래핀층(130)은 0.2 (monolayer) ~ 100 (multilayers) nm의 두께를 갖는 것이 좋다.In this case, the
이러한 그래핀층(130)은 그래핀이 다층 구조로 적층되어 있는 그래핀 다중층일 수 있다. 그래핀 다중층을 형성하기 위한 다양한 방법들이 개시되어 있다. 예를 들어, 기재 상에 산화 그래핀을 도포한 후 환원시키는 방법으로 그래핀 다중층을 형성할 수 있으며, 또는 금속 촉매를 이용하여 화학적기상증착 방식으로 그래핀 다중층을 형성할 수도 있다.The
이와 같은 방법으로 제조된 그래핀층(130)은 전기 전도도 및 열전도성이 우수하고 매우 투명하기 때문에 발광소자나 디스플레이 패널 등의 투명 전극 재료로 사용하기에 적합하다.The
이때, 본 발명에서는 희생층(120)이 형성된 캐리어 기판(110) 상에 그래핀층(130)을 직접 형성하는 것이 아니라, 상술한 방법에 의해 이미 제조된 그래핀층(130)을 이송 수단을 이용하여 희생층(120) 상에 적층하는 방식으로 배치시키는 것이므로 공정이 단순화될 수 있다.At this time, in the present invention, instead of directly forming the
여기서, 그래핀층(130)은 희생층(120) 및 캐리어 기판(110) 보다 작은 면적을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 희생층(120)의 일부가 그래핀층(130)의 외측으로 노출될 수 있게 된다.Here, the
GaNGaN 버퍼층Buffer layer 형성 formation
도 1 및 도 4를 참조하면, GaN 버퍼층 형성 단계(S130)에서는 그래핀층(130) 상에 Ga 시드를 형성한 후, Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시켜 GaN 버퍼층(140)을 형성한다.1 and 4, in the GaN buffer layer forming step S130, after forming Ga seeds on the
본 단계에서, 그래핀층(130) 상에 저온으로 GaN 버퍼층(140)을 먼저 성장시키게 되는데, 이는 저온으로 GaN 버퍼층(140)을 먼저 성장시키야 GaN 버퍼층(140)을 성장시키는 동안 GaN 버퍼층(140) 하부에 배치되는 그래핀층(130)이 손상되는 것을 최소화할 수 있기 때문이다.In this step, the GaN
즉, 그래핀층을 적층시킨 캐리어 기판(110)을 증착 챔버(미도시) 내에 투입시킨 후, 300 ~ 700℃의 제1 온도 범위에서 그래핀층(130)의 노출된 상부 표면으로 Ga 소스(source)를 흘려주면서 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방식으로 그래핀층(130) 상에 Ga 시드(미도시)를 형성한다. 이때, Ga 시드의 형성은 대략 5 ~ 10분 정도로 실시될 수 잇다.That is, after the
다음으로, Ga 시드가 그래핀층(130)의 노출된 상측 표면 전체를 덮게 되면, 증착 챔버 내의 온도를 700 ~ 1,100℃의 온도로 상승시키면서, 예를 들어 암모니아(NH3)와 같은 질화수소 화합물을 증착 챔버 내에 제공한다. 그러면, 그래핀층(130) 상의 Ga 시드가 질소와 결합하면서 GaN 결정이 성장될 수 있다. GaN 결정의 성장은 대략 1 ~ 30분 정도 수행될 수 있다.Next, when the Ga seed covers the entire exposed upper surface of the
본 실시예에 따르면, GaN 결정의 성장 과정에서 증착 챔버 내의 온도를 700 ~ 1,100℃로 상승시키더라도 그래핀층(130)의 표면 상에는 이미 Ga 시드가 형성된 상태이므로 Ga 시드에 의해 그래핀층(130)이 보호될 수 있으므로 그래핀층(130)이 손상되는 것을 최소화할 수 있게 된다. 전술한 공정에 의해 형성된 GaN 결정은 GaN 버퍼층(140)이 될 수 있다.According to the present embodiment, even though the temperature in the deposition chamber is increased to 700 to 1,100 ° C. during the growth of the GaN crystal, the
이와 같이, 그래핀층(130) 상에 GaN 버퍼층(140)이 형성된 후에는 증착 챔버 내의 온도를 다시 300 ~ 600℃로 하강시켜 GaN 버퍼층(140)을 냉각시키고 내부 응력을 완화시키는 풀림 공정을 수행한다.As such, after the
GaNGaN 결정층Crystalline layer 성장 growth
도 1 및 도 4를 참조하면, GaN 결정층 성장 단계(S140)에서는 GaN 버퍼층(140) 상에 GaN 결정층(150)을 성장시킨다.1 and 4, in the GaN crystal layer growth step S140, the
즉, 증착 챔버 내의 온도를 다시 700 ~ 1,100℃의 제2 온도 범위로 상승시키면서 증착 챔버 내에 암모니아(NH3)와 같은 질화수소 화합물을 공급하는 HVPE 방식으로 GaN 버퍼층(140) 위에 GaN 결정층(150)을 성장시키게 된다.That is, the
따라서, GaN 버퍼층(140)의 성장과 GaN 결정층(150)의 성장은 하나의 증착 챔버 내에서 연속적으로 수행될 수 있다.Therefore, the growth of the
이때, GaN 결정층(150)의 성장 과정에서 증착 챔버 내의 온도가 700 ~ 1,100℃로 다시 상승하더라도 그래핀층(130) 상에는 그래핀층(130)과 동일한 폭을 갖는 GaN 버퍼층(140)이 배치되어 있는 상태이므로 GaN 버퍼층(140)에 의해 그래핀층(130)을 안정적으로 보호하는 것이 가능해질 수 있게 된다.At this time, the
따라서, GaN 결정층(150)을 성장시키는 동안, GaN 버퍼층(140)이 그 하부의 그래핀층(130)을 보호하기 때문에 그래핀층(130)이 손상되는 것을 최소화할 수 있게 된다.Therefore, since the
이와 같이, 본 발명에서는 GaN 결정층(150)이 GaN 버퍼층(140) 상에서 성장되기 때문에 우수한 결정 품질을 확보하는 것이 가능해질 수 있으므로, 그래핀층(130)의 손상 없이 우수한 품질의 GaN 결정층(150)을 형성할 수 있게 된다.As such, in the present invention, since the
전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 그래핀층(130) 상에 성장된 GaN 결정층(150)의 품질은 사파이어 기판 상에 직접 형성된 일반적인 GaN 결정층의 품질과 거의 차이가 없다. 따라서, 본 발명의 GaN 결정층(150)은 발광 소자 등의 제조에 충분히 사용할 수 있게 된다.The quality of the
리프트 lift 오프off
도 1 및 도 5를 참조하면, 리프트 오프 단계(S150)에서는 캐리어 기판(110) 상의 희생층(도 4의 120)을 제거하여, 캐리어 기판(110)으로부터 그래핀층(130), GaN 버퍼층(140) 및 GaN 결정층(150)을 리프트 오프(lift-off)한다.1 and 5, in the lift-off step S150, the sacrificial layer on the carrier substrate 110 (120 of FIG. 4) is removed to remove the
이때, 희생층은 플루오르화수소(HF) 용액 및 버퍼된 산화 식각(BOE) 용액 중 어느 하나를 이용하여 제거하게 된다.In this case, the sacrificial layer is removed by using any one of a hydrogen fluoride (HF) solution and a buffered etch (BOE) solution.
즉, 리프트 오프 단계(S150) 시, GaN 결정층(150)을 성장시킨 캐리어 기판(110)에 플루오르화수소(HF) 용액 및 버퍼된 산화 식각(BOE) 용액 중 어느 하나를 1 ~ 30분 동안 분사 또는 침지시키는 에칭 공정으로 그래핀층(130), GaN 버퍼층(140) 및 GaN 결정층(150)의 외측으로 노출된 희생층을 제거하게 된다.That is, during the lift-off step (S150), any one of a hydrogen fluoride (HF) solution and a buffered oxide etching (BOE) solution is sprayed on the
이에 따라, 캐리어 기판(110) 상의 희생층이 제거되고, 희생층의 제거로 인하여 캐리어 기판(110) 상의 그래핀층(130), GaN 버퍼층(140) 및 GaN 결정층(150)을 손쉽게 떼어내어 분리시킬 수 있게 된다.Accordingly, the sacrificial layer on the
이후, 캐리어 기판(110)은 대략 5 ~ 10초 동안 DI(deionized)로 세척(Rinse) 처리하게 된다. 이와 같이 세척 처리된 캐리어 기판(110)은 재활용하는 것이 가능하기 때문에 제조 원가를 절감할 수 있게 된다.Thereafter, the
전술한 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 캐리어 기판 상에 희생층을 형성하고, 희생층 상에 그래핀층을 트랜스퍼하여 적층한 후, 그래핀층 상에 저온 공정으로 GaN 버퍼층을 먼저 형성하고 나서 고온 공정으로 GaN 결정층을 성장시키기 때문에 고온에 의한 그래핀층의 손상을 최소화하면서 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시키는 것이 가능해질 수 있다.In the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the embodiment of the present invention described above, a sacrificial layer is formed on the carrier substrate, the graphene layer is transferred and laminated on the sacrificial layer, and then GaN is formed on the graphene layer by a low temperature process. Since the GaN crystal layer is grown by the high temperature process after forming the buffer layer first, it is possible to easily separate the graphene layer, GaN buffer layer and GaN crystal layer from the carrier substrate using the sacrificial layer while minimizing the damage of the graphene layer due to the high temperature. Can be.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 저가의 쿼츠 재질의 캐리어 기판이 이용되며, 희생층을 선택적으로 제거시키는 리프트 오프 공정에 의해 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 분리시킨 후에는 캐리어 기판을 세척 처리하여 재활용하는 것이 가능하므로, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the embodiment of the present invention, a low-cost quartz carrier substrate is used, and the graphene layer and the GaN buffer layer are removed from the carrier substrate by a lift-off process to selectively remove the sacrificial layer. After the GaN crystal layer is separated, the carrier substrate can be washed and recycled, thereby reducing manufacturing costs.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법은 그랜핀층이 본래의 특성을 유지하고 있기 때문에 발광소자의 투명 전극으로 사용되거나, 또는 그래핀층의 우수한 열전도성을 활용하여 방열 수단으로 사용될 수도 있다.In addition, the GaN crystal layer separation method using the sacrificial layer according to the embodiment of the present invention is used as a transparent electrode of the light emitting device because the granule layer maintains its original characteristics, or heat dissipation utilizing the excellent thermal conductivity of the graphene layer It may be used as a means.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광소자를 나타낸 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a light emitting device including a GaN crystal layer according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광소자(200)는 기판(210)과, 기판(210) 상에 배치된 그래핀층(230)과, 그래핀층(230) 상에 배치된 GaN 버퍼층(240)과. GaN 버퍼층(240) 상에 배치된 GaN 결정층(250)과, GaN 버퍼층(240)과 GaN 결정층(250)을 메사 에칭하여 노출된 그래핀층(230)의 일측 가장자리 표면 상에 배치된 제1 전극 패드(260)와, GaN 결정층(250)의 상부 표면에 배치된 제2 전극 패드(270)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 6, the
이때, 그래핀층(230), GaN 버퍼층(240) 및 GaN 결정층(250)은 상술한 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 성장 방법에 의하여 캐리어 기판(미도시)으로부터 리프트 오프(lift-off)된 것이 이용될 수 있다.In this case, the
GaN 결정층(250)은 n-도핑된 n-GaN 결정층(252), 다중 양자우물 구조의 활성층(254) 및 p-도핑된 p-GaN 결정층(256)을 포함할 수 있다.The
그래핀층(230)은 n-GaN 결정층(252)에 전류를 제공하는 전극으로서 역할을 할 수 있다. 알려진 바와 같이, 그래핀은 우수한 도전성을 갖기 때문에 발광소자(200)의 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.The
또한, 그래핀은 우수한 열전도성도 갖기 때문에, 그래핀층(230)은 활성층(254)에서 발생하는 열을 방출하는 방열 기능도 수행할 수 있다. 따라서, 그래핀층(230)은 열로 인한 발광소자(200)의 열화 및 성능 저하를 방지할 수 있다.In addition, since graphene also has excellent thermal conductivity, the
전술한 본 발명의 실시예에 따른 GaN 결정층을 포함하는 발광 소자는 그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시킬 수 있음과 더불어, 희생층을 이용하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 손쉽게 분리시킬 수 있으므로, 우수한 품질을 갖는 GaN 결정층의 확보로 우수한 발광 효율을 가질 수 있다.The light emitting device including the GaN crystal layer according to the embodiment of the present invention described above can grow the GaN crystal layer on the graphene layer while minimizing damage to the graphene layer and, using the sacrificial layer, the graphene layer from the carrier substrate. Since the GaN buffer layer and the GaN crystal layer can be easily separated, the GaN buffer layer can have excellent light emission efficiency by securing a GaN crystal layer having excellent quality.
한편, 도 7 및 도 8은 750℃의 저온에서 결정 성장시킨 GaN-그래핀에 대한 SEM 사진이다.7 and 8 are SEM photographs of GaN-graphene grown with crystals at a low temperature of 750 ° C.
도 7 및 도 8을 참조하면, SEM 사진에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 이용한 GaN 결정층 성장 방법으로 750℃의 저온에서 GaN 결정 성장으로 GaN 결정층을 성장시킨 후, BOE 처리로 희생층을 제거하여 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 리프트 오프시키게 되면, 그래핀층이 거의 손상 없이 그대로 존재한다는 것을 확인하였다.7 and 8, as can be seen in the SEM image, after the GaN crystal layer was grown by GaN crystal growth at a low temperature of 750 ° C. by the GaN crystal layer growth method using the sacrificial layer according to an embodiment of the present invention, When the sacrificial layer was removed by BOE treatment to lift off the graphene layer, GaN buffer layer and GaN crystal layer from the carrier substrate, it was confirmed that the graphene layer remained almost intact.
도 9는 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 리프트 오프시킨 상태를 촬영하여 나타낸 실측 사진이다.9 is an actual photograph showing a state in which the graphene layer, the GaN buffer layer and the GaN crystal layer are lifted off from the carrier substrate.
도 9에 도시된 바와 같이, 희생층이 형성된 캐리어 기판 상에 그래핀층을 적층하고, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 형성하고 나서, BOE 처리를 통하여 희생층을 선택적으로 제거하게 되면, 캐리어 기판으로부터 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층이 손쉽게 리프트 오프되는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 9, when the graphene layer is laminated on the carrier substrate on which the sacrificial layer is formed, the GaN buffer layer and the GaN crystal layer are formed, and the sacrificial layer is selectively removed through BOE treatment, the graphene layer is removed from the carrier substrate. It was confirmed that the pinned layer, GaN buffer layer, and GaN crystal layer were easily lifted off.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.
S110 : 희생층 형성 단계
S120 : 그래핀층 적층 단계
S130 : GaN 버퍼층 형성 단계
S140 : GaN 결정층 성장 단계
S150 : 리프트 오프 단계
110 : 캐리어 기판
120 : 희생층
130 : 그래핀층
140 : GaN 결정층S110: sacrificial layer forming step
S120: graphene layer lamination step
S130: GaN buffer layer forming step
S140: GaN crystal layer growth stage
S150: lift off stage
110: carrier substrate
120: sacrificial layer
130: graphene layer
140: GaN crystal layer
Claims (12)
상기 희생층의 일부가 노출되도록 상기 희생층 상에 그래핀층을 트랜스퍼하여 적층하는 단계;
상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계; 및
상기 캐리어 기판 상의 희생층을 제거하여, 상기 캐리어 기판으로부터 상기 그래핀층, GaN 버퍼층 및 GaN 결정층을 리프트 오프하는 단계;를 포함하며,
상기 캐리어 기판은 쿼츠 재질이 이용되며,
상기 리프트 오프 단계 이후에, 상기 캐리어 기판은 세척 처리하여 재활용되며,
상기 희생층 형성 단계에서, 상기 희생층은 상기 캐리어 기판과 동일한 면적을 갖고, 상기 그래핀층은 상기 희생층 및 캐리어 기판 보다 작은 면적을 가져, 상기 그래핀층의 외측으로 상기 희생층의 일부가 노출되는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
Forming a sacrificial layer on the carrier substrate;
Transferring and laminating a graphene layer on the sacrificial layer to expose a portion of the sacrificial layer;
Forming a GaN buffer layer on the graphene layer;
Growing a GaN crystal layer on the GaN buffer layer; And
Removing the sacrificial layer on the carrier substrate to lift off the graphene layer, GaN buffer layer, and GaN crystal layer from the carrier substrate;
The carrier substrate is a quartz material,
After the lift off step, the carrier substrate is washed and recycled,
In the forming of the sacrificial layer, the sacrificial layer has the same area as the carrier substrate, the graphene layer has a smaller area than the sacrificial layer and the carrier substrate, a portion of the sacrificial layer is exposed to the outside of the graphene layer GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer, characterized in that.
상기 희생층은
SiO2인 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 1,
The sacrificial layer
GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer, characterized in that SiO 2 .
상기 GaN 버퍼층 형성 단계는,
상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계; 및
상기 Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시켜 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 1,
The GaN buffer layer forming step,
Forming a Ga seed on the graphene layer; And
Growing a GaN crystal on the Ga seed to form a GaN buffer layer.
상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계는,
HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방식으로 300 ~ 700℃의 제1 온도 범위 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 5,
Forming a Ga seed on the graphene layer,
GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer characterized in that carried out in the first temperature range condition of 300 ~ 700 ℃ by HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method.
상기 그래핀층은
0.2 ~ 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 1,
The graphene layer is
GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer characterized in that it has a thickness of 0.2 ~ 100nm.
상기 그래핀층은
그래핀이 다층 구조로 적층되어 있는 그래핀 다중층인 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 1,
The graphene layer is
GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer, characterized in that the graphene multilayer is laminated in a multilayer structure.
상기 GaN 결정층 성장 단계는,
상기 Ga 시드 상에 질화수소 화합물을 공급하면서 700 ~ 1,100℃의 제2 온도 범위 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 5,
The GaN crystal layer growth step,
GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer, characterized in that carried out under a second temperature range of 700 ~ 1,100 ℃ supplying a hydrogen nitride compound on the Ga seed.
상기 리프트 오프 단계에서,
상기 희생층은 플루오르화수소(HF) 용액 및 버퍼된 산화 식각(BOE) 용액 중 어느 하나를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 희생층을 이용한 GaN 결정층 분리 방법.
The method of claim 1,
In the lift off step,
The sacrificial layer is GaN crystal layer separation method using a sacrificial layer, characterized in that the removal using any one of hydrogen fluoride (HF) solution and buffered etch (BOE) solution.
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