KR20040050280A - separating method of thick semiconductor layer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 반도체 적층 구조의 기판을 형성하는 반도체 후막을 분리하는 방법에 관한 것이다. 자세히는, 사파이어 기판의 상면에 적층되는 질화갈륨(GaN)계반도체 후막을 사파이어 기판과 분리하여, 분리된 질화갈륨계 반도체 후막을 새로운 반도체 적층 구조의 기판으로 사용할 수 있도록 하는 반도체 후막의 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating a semiconductor thick film forming a substrate having a semiconductor laminate structure of the present invention. Specifically, a gallium nitride (GaN) -based semiconductor thick film laminated on the upper surface of the sapphire substrate is separated from the sapphire substrate, so that the separated gallium nitride-based semiconductor thick film can be used as a substrate of a new semiconductor laminated structure. It is about.
종래, 질화갈륨(GaN)계열의 반도체를 적층하기 위한 기판으로는 사파이어가 사용되어 왔으며, 도 1은 일반적인 발광 다이오드의 반도체 화합물의 적층구조를 설명하는 도면이다.Conventionally, sapphire has been used as a substrate for laminating gallium nitride (GaN) series semiconductors, and FIG. 1 is a view for explaining a laminated structure of a semiconductor compound of a general light emitting diode.
도 1을 참조하면, 종래 발광 다이오드의 반도체 화합물 적층구조는 사파이어 기판(1)과, 상기 사파이어 기판의 상면에 적층되는 n형-반도체층(2)과, 활성층(3), p형-반도체층(4)및, 상기 n형-반도체층(2)과, p형-반도체층(4)의 상면에 각각 형성되는 n-전극(5) 및 p-전극(6)으로 이루어진다. 이러한 기본적인 구성에 클래드층 및 양자웰층이 더해지거나 교체됨으로써, 발광 다이오드의 성능을 더 개선시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, a semiconductor compound stack structure of a conventional light emitting diode includes a sapphire substrate 1, an n-type semiconductor layer 2 stacked on an upper surface of the sapphire substrate, an active layer 3, and a p-type semiconductor layer. (4) and the n-semiconductor layer 2 and the n-electrode 5 and the p-electrode 6 formed on the upper surface of the p-semiconductor layer 4, respectively. By adding or replacing a cladding layer and a quantum well layer to this basic configuration, the performance of the light emitting diode can be further improved.
그러나, 종래 반도체 적층 구조에서, 사파이어 기판(1)은 기판위에 성장되는 질화갈륨계열의 에피 레이어(epi-layer)와의 격자상수의 불일치 및 열팽창계수의 차이로 인하여, 성장되는 질화갈륨계 반도체층은 높은 결함밀도(예를들면, 107~1010㎝-2)를 갖게되는 문제점이 있다. 이 때문에, 레이저 다이오드의 경우에는 동작시 높은 문턱 전압이 요구되고, 발광 다이오드의 경우에는 누설전류가 발생되고 소자의 신뢰성을 해치는 원인이 되고있다.However, in the conventional semiconductor laminate structure, the sapphire substrate 1 is formed of a gallium nitride based semiconductor layer due to a mismatch in lattice constant and a thermal expansion coefficient of the gallium nitride based epi-layer grown on the substrate. There is a problem in that it has a high defect density (for example, 10 7 ~ 10 10 cm -2 ). For this reason, in the case of a laser diode, a high threshold voltage is calculated | required at the time of operation, and in the case of a light emitting diode, a leakage current arises and it becomes a cause which impairs the reliability of an element.
이러한 문제점을 개선하기 위한 방법으로서, 사파이어 기판과 반도체층의 사이에 완충층을 삽입하는 방법이 제시된 바가 있고, 또 다른 방법으로는 사파이어 기판 위에 100㎛에 이르는 후막의 질화갈륨계 반도체층을 형성한 후, 사파이어 기판을 분리 제거함으로써, 후막 반도체층을 새로운 기판으로 하여 후막 반도체를 새로운 기판으로 사용하는 방법이 제시된 바가 있다.As a method for improving such a problem, a method of inserting a buffer layer between a sapphire substrate and a semiconductor layer has been proposed. As another method, after forming a thick gallium nitride based semiconductor layer having a thickness of 100 μm on a sapphire substrate, By separating and removing the sapphire substrate, a method has been proposed in which a thick film semiconductor layer is used as a new substrate and a thick film semiconductor is used as a new substrate.
도 2의 a내지 도 2의 c는 종래 사파이어 기판과 후막 반도체층을 분리하는 방법을 설명하는 도면이다.2A to 2C are diagrams for explaining a method of separating a conventional sapphire substrate and a thick film semiconductor layer.
도 2a를 참조하면, 사파이어 기판(11)과, 사파이어 기판(11)의 상면에 차례로 적층 형성되는 버퍼층(13) 및 후막 반도체 성장층(12)이 포함된다.Referring to FIG. 2A, a sapphire substrate 11, a buffer layer 13 and a thick film semiconductor growth layer 12 that are sequentially stacked on the top surface of the sapphire substrate 11 are included.
도 2b에서는 상기 버퍼층(13)을 제거함으로써 사파이어 기판(11)을 분리하기 위하여, 고온의 조건에서 고출력 레이저를 상기 버퍼층(13)에 조사하여 버퍼층(13)을 제거한다. 그리고, 도 2c에 보이는 바와 같이, 상기 후막 반도체 성장층(12)의 상면에 새로운 버퍼층(15)을 개재하고, 상기 버퍼층(15)의 상면으로 박막 반도체 성장층(14)을 형성하여, 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드가 형성되도록 한다.In FIG. 2B, in order to separate the sapphire substrate 11 by removing the buffer layer 13, a high power laser is irradiated to the buffer layer 13 under high temperature to remove the buffer layer 13. As shown in FIG. 2C, a thin film semiconductor growth layer 14 is formed on the top surface of the buffer layer 15 through a new buffer layer 15 on the top surface of the thick film semiconductor growth layer 12. Or a laser diode is formed.
그러나, 레이저를 조사하여 버퍼층(13)을 제거하는 방법은 고온의 조건에서 성장 후 버퍼층(13)을 제거하기 때문에, 성장 장비의 구조가 복잡해지고, 그 부피도 커지는 문제점이 있다.However, since the method of removing the buffer layer 13 by irradiating a laser removes the buffer layer 13 after growth under high temperature conditions, there is a problem that the structure of the growth equipment becomes complicated and its volume is also large.
그리고, 버퍼층(13)을 제거하는 과정에서 1000도씨에 이르는 고온을 계속해서 유지해야 되기 때문에, 전력소모가 많은 문제점이 있었다.In the process of removing the buffer layer 13, high temperatures of up to 1000 degrees Celsius must be maintained continuously, resulting in a lot of power consumption problems.
본 발명은 상기된 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전력소모를줄이면서, 상기 버퍼층을 제거할 수 있고, 나아가 전력의 소모를 줄이면서도 사파이어 기판과, 후막 반도체층 사이의 버퍼층을 손쉽게 제거할 수 있는 후막 반도체의 분리 방법을 제거하는 것으로 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and can reduce the power consumption, remove the buffer layer, and further reduce the power consumption, and can easily remove the buffer layer between the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer. It is an object to remove the thick film semiconductor separation method.
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 반도체 화합물의 적층구조를 설명하는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure explaining the laminated structure of the semiconductor compound of a general light emitting diode.
도 2의 a내지 도 2의 c는 종래 사파이어 기판과 후막 반도체층을 분리하는 방법을 설명하는 도면.2A to 2C are diagrams for explaining a method of separating a conventional sapphire substrate and a thick film semiconductor layer.
도 3의 a내지 도 3의 c는 본 발명에 따른 사파이어 기판과 후막 반도체층을 분리하는 방법을 설명하는 도면.3a to 3c are views for explaining a method of separating the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1, 11, 21 : 사파이어 기판2 : n형-반도체층1, 11, 21: sapphire substrate 2: n-type semiconductor layer
3 : 활성층4 : p형-반도체층5 : n-전극3: active layer 4: p-semiconductor layer 5: n-electrode
6 : p-전극13, 15, 23, 25 : 버퍼층6: p-electrode 13, 15, 23, 25: buffer layer
12, 22 : 후막 반도체 성장층14, 24 : 박막 반도체 성장층12, 22: thick film semiconductor growth layer 14, 24: thin film semiconductor growth layer
상기된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후막 반도체의 분리 방법은 사파이어 기판, 새로운 기판으로 사용될 후막 반도체층 및 상기 사파이어 기판과 후막 반도체층의 사이에 열팽창계수가 다른 버퍼층을 적층 성장하는 공정; 및 가열/냉각을 수행하여 상기 사파이어 기판 및 상기 후막 반도체층과는 다르게 상기 버퍼층이 열변형되어 상기 버퍼층이 분리되는 공정이 포함되는 것을 특징으로 한다.The thick film semiconductor separation method according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of laminating a sapphire substrate, a thick film semiconductor layer to be used as a new substrate and a buffer layer having a different thermal expansion coefficient between the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer; And performing a heating / cooling process to separate the buffer layer by thermally deforming the buffer layer, unlike the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer.
이러한 방법에 의해서, 사파이어 기판과, 새로운 기판으로 사용되는 후막 반도체층을 손쉽고 저렴하게 분리할 수 있는 효과가 있다.By this method, there is an effect that the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer used as a new substrate can be easily and inexpensively separated.
본 발명은 사파이어 기판과, 새로운 기판으로 사용되는 후막 반도체층과, 상기 사파이어 기판과, 후막 반도체층의 사이에 개재되는 버퍼층을, 각각의 적층된 구조의 열팽창계수 차이를 이용하여 급온/서냉의 방법을 이용하여 상호간에 분리하는 것을 그 특징으로 하고 있다.The present invention relates to a method of rapid cooling / slow cooling using a sapphire substrate, a thick film semiconductor layer used as a new substrate, and a buffer layer interposed between the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer by using a thermal expansion coefficient difference of each stacked structure. It is characterized by separating from each other using.
이하에서는 본 발명의 사상의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상은 후술되는 실시예에 제한되지 아니하면, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 또 다른 실시예를 용이하게 만들어낼 수 있다.Hereinafter, specific embodiments of the spirit of the present invention will be described in detail. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments described below, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention can easily make another embodiment.
도 3은 본 발명에 따른 사파이어 기판과, 후막 반도체층을 분리하는 방법을 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining a method of separating the sapphire substrate and the thick film semiconductor layer according to the present invention.
도 3의 a를 참조하면, 사파이어 기판(21)과, 상기 사파이어 기판(21)의 상면에 형성되는 버퍼층(23) 및 후막 반도체층(22)이 형성된다.Referring to FIG. 3A, a sapphire substrate 21, a buffer layer 23 and a thick film semiconductor layer 22 formed on an upper surface of the sapphire substrate 21 are formed.
바람직하게, 상기 버퍼층(23)은 질화규소(Si3N4)가 사용되고, 후막 반도체층(22)은 질화갈륨(GaN)의 단결정이 사용될 수 있다. 그리하여, 각각의 층을 이루는 소재의 열 팽창계수를 살펴보면, 사파이어 기판의 열팽창 계수는 Δa/Δc=7.3/8.1×10-6/K정도 이고, 후막 반도체층(22)을 이루는 질화갈륨은 Δa/Δc=5.59/3.17×10-6/K정도이고, 버퍼층(23)을 이루는 질화규소(Si3N4)는 Δa=3.3×10-6/K정도에 이른다. 이와 같이 버퍼층(23)에 비하여 후막 반도체층(22) 및 사파이어 기판(21)은 높은 열팽창계수를 가지는 것이다.Preferably, the buffer layer 23 may be formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the thick film semiconductor layer 22 may be formed of a single crystal of gallium nitride (GaN). Thus, when the thermal expansion coefficient of each layer of the material is examined, the thermal expansion coefficient of the sapphire substrate is about Δa / Δc = 7.3 / 8.1 × 10 −6 / K, and the gallium nitride constituting the thick film semiconductor layer 22 is Δa / Δc = 5.59 / 3.17 × 10 −6 / K, and silicon nitride (Si 3 N 4 ) constituting the buffer layer 23 reaches Δa = 3.3 × 10 −6 / K. As described above, the thick film semiconductor layer 22 and the sapphire substrate 21 have a higher coefficient of thermal expansion than the buffer layer 23.
또한, 상기 후막 반도체층(22)이 성장되는 방법은 고온고압법(High Pressure High Temperature), 승화법(Sublimation Method), 및 수소 기상 에피텍시법(Hydride Vapor Phase Epitaxy)이 사용될 수 있다.In addition, the thick film semiconductor layer 22 may be grown by using a high pressure high temperature method, a sublimation method, and a hydrogen vapor phase epitaxy method.
한편, 상기 사파이어 기판(21)의 두께는 200~500㎛, 후막 반도체층(22)의 두께는 50~400㎛인 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the thickness of the said sapphire substrate 21 is 200-500 micrometers, and the thickness of the thick film semiconductor layer 22 is 50-400 micrometers.
도 3의 b를 참조하면, 가열/냉각 과정이 반복적으로 가해짐으로써, 열팽창계수의 차이에 의해서 사파이어 기판(21) 및 후막 반도체층(22)과, 버퍼층(23)이 자연적으로 분리된다.Referring to FIG. 3B, the heating / cooling process is repeatedly applied to naturally separate the sapphire substrate 21, the thick film semiconductor layer 22, and the buffer layer 23 by the difference in the coefficient of thermal expansion.
바람직하게는, 저온으로는 200도씨에서 고온으로는 1200도씨의 범위에서 반복해서, 급격하게 가열을 한뒤에 서서히 냉각(급온/서냉)되도록 함으로써, 버퍼층(23)이 자연적으로 분리되도록 하는 것이다.Preferably, the buffer layer 23 is naturally separated by repeatedly cooling in a range of 200 ° C. at low temperature to 1200 ° C. at high temperature, and then gradually cooling (heating / slow cooling) after heating rapidly.
이때, 냉각의 과정이 서서히 진행되는 것은 열팽창계수의 차이로 인해서 후막 반도체층(22)에 크랙(crack)이 발생되는 것을 막기 위한 것이다.At this time, the progress of the cooling process is to prevent the cracks in the thick film semiconductor layer 22 due to the difference in the coefficient of thermal expansion.
바람직하게, 후막 반도체층(22)를 분리하는 과정에서 암모니아(NH3)의 분위기가 조성되어 질소의 환경이 조성되도록 함으로써, 후막 반도체층(22)을 이루는 질화갈륨이 분압에 의해서 열분해되지 않도록 하는 것이 바람직하다.Preferably, in the process of separating the thick film semiconductor layer 22, an atmosphere of ammonia (NH 3 ) is formed so that an environment of nitrogen is formed, so that gallium nitride forming the thick film semiconductor layer 22 is not thermally decomposed by partial pressure. It is preferable.
한편, 상기 버퍼층으로 제시될 수 있는 물질은 사파이어 및 질화갈륨에 비하여 열팽창 계수가 작은 질화규소뿐만이 아니라, 열팽창 계수가 사파이어 및 질화갈륨에 비하여 높거나 낮은 다른 물질이 사용될 수도 있다.On the other hand, the material that can be presented as the buffer layer is not only silicon nitride having a smaller thermal expansion coefficient than sapphire and gallium nitride, but also other materials having a higher or lower thermal expansion coefficient than sapphire and gallium nitride may be used.
상세하게는, 버퍼층(23)의 열팽창계수가 사파이어 및 질화갈륨에 비하여 작은 경우에는, 가열 과정중에 버퍼층이 사파이어 기판(21) 및 후막 반도체층(22)에 비하여 상대적으로 작게 변형하여 사파이어 기판(21) 및 후막 반도체층(23)이 버퍼층(23)에 의해서 분리된다. 그리고, 버퍼층(23)의 열팽창계수가 사파이어 및 질화갈륨예 비하여 큰 경우에는, 가열의 과정 중에 버퍼층이 사파이어 기판(21) 및 후막 반도체층(22)에 비하여 상대적으로 크게 변형하여 사파이어 기판(21) 및 후막 반도체층(23)이 버퍼층(23)에 의해서 분리된다.In detail, when the thermal expansion coefficient of the buffer layer 23 is smaller than that of sapphire and gallium nitride, the buffer layer deforms relatively smaller than that of the sapphire substrate 21 and the thick film semiconductor layer 22 during the heating process so that the sapphire substrate 21 ) And the thick film semiconductor layer 23 are separated by the buffer layer 23. In the case where the thermal expansion coefficient of the buffer layer 23 is larger than that of sapphire and gallium nitride, the buffer layer is relatively larger than the sapphire substrate 21 and the thick film semiconductor layer 22 during the heating process so that the sapphire substrate 21 And the thick film semiconductor layer 23 is separated by the buffer layer 23.
도 3의 c를 참조하면, 질화갈륨 단결정으로 이루어진 분리된 후막 반도체층(22)의 상면에, 또 다른 버퍼층(25)과 다수의 박막 반도체층(24)이 성장되도록 함으로써, 후막 반도체(22)은 새로운 기판으로서의 역할이 수행되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3C, the thick film semiconductor 22 is formed by growing another buffer layer 25 and a plurality of thin film semiconductor layers 24 on the upper surface of the separated thick film semiconductor layer 22 made of gallium nitride single crystal. It can be seen that the role as a new substrate is performed.
본 발명은 질화갈륨 단결정으로 이루어지는 기판을 얻기 위하여 사파이어 기판위에 버퍼층이 개재되어 성장된 질화갈륨의 후막 반도체층이, 가열/냉각이 반복되는 과정에서 열팽창 계수가 다른 버퍼층에 의해서 분리되도록 하여, 새로운 기판을 형성하는 것을 그 특징으로 하고 있으며, 질화갈륨계 반도체의 기판 뿐만 아니라, 다른 반도체에 대해서도 이러한 방법이 용이하게 변경되어 사용될 수 있을 것이다.According to the present invention, a gallium nitride thick film semiconductor layer grown by interposing a buffer layer on a sapphire substrate in order to obtain a substrate made of a single crystal of gallium nitride is allowed to be separated by a buffer layer having a different coefficient of thermal expansion during heating / cooling repeated. It is characterized in that the form, and not only the substrate of the gallium nitride-based semiconductor, but also for other semiconductors such a method can be easily changed and used.
본 발명은 발광 다이오드 및 레이저 다이오드를 이루는 반도체 적층 구조에서, 격자 결함을 줄일 수 있는 기판을 저렴한 가격에서 구현할 수 있고, 그 제조 공정이 간편하게 이루어지는 장점이 있다.According to the present invention, in a semiconductor laminate structure of a light emitting diode and a laser diode, a substrate capable of reducing lattice defects can be realized at a low price, and the manufacturing process thereof is simplified.
결국, 간단한 제조 공정으로 레이저 다이오드에서는 발진개시 전압을 낮출 수 있고, 발광 다이오드에서는 발광 효율을 높힐 수 있고, 소자의 신뢰성을 높힐 수 있는 효과가 있다.As a result, the oscillation start voltage can be lowered in the laser diode by a simple manufacturing process, the light emitting efficiency can be increased in the light emitting diode, and the reliability of the device can be improved.
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