KR20090125677A - Supporting substrates for semiconductor light emitting device and high-performance vertical structured semiconductor light emitting devices using supporting substrates - Google Patents
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본 발명은 그룹 3-5족 질화물계 반도체로 구성된 다층 발광구조체 박막을 이용하여 고성능 수직구조의 발광소자의 제조에 사용되는 "준비된 지지기판(prepared supporting substrate; 이하 'PSS'라 한다)"과, 상기 PSS를 이용하여 제조된 고성능 수직구조의 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a "prepared supporting substrate (hereinafter referred to as" PSS ") used in the manufacture of a high-performance vertical light emitting device using a multi-layer light emitting structure thin film composed of a group 3-5 nitride-based semiconductor, The present invention relates to a light emitting device having a high performance vertical structure manufactured using the PSS and a method of manufacturing the same.
더욱 상세하게는 상/하 방향인 수직구조의 오믹접촉 전극구조를 가지는 3-5족 질화물계 반도체 발광소자에 있어, 상기 그룹 3-5족 질화물계 반도체를 성장하기 위하여 사용하는 최초 성장기판(즉, Al2O3 , SiC, Si, GaAs, GaP)로부터 다층 발광구조체 박막을 레이저 리프트 오프(laser lift-off), 화학-기계 연마(chemo-mechanical polishing), 또는 습식 에칭(wet-etching) 공정을 사용하여 분리(lift-off)하기 앞서, 결과물에 본딩하여 지지기판으로 사용할 준비된 지지기판(PSS), 상기 PSS과 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 공정을 이용함으로써 성장기판인 사파이어로부터 분리된 반도체 단결정 다층 발광구조체 박막의 손상(damage)을 최소화하게되 고, 그 결과 전체적인 성능이 향상되는 고성능 수직구조의 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.More specifically, in a group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having an vertical ohmic contact electrode structure in up / down direction, the first growth substrate used for growing the group 3-5 nitride-based semiconductor (ie Thin film of multi-layered light emitting structure from Al2O3, SiC, Si, GaAs, GaP) using laser lift-off, chemo-mechanical polishing, or wet-etching process Prior to lift-off, a thin film of a semiconductor single crystal multi-layered light emitting structure separated from sapphire, a growth substrate by using a support substrate (PSS) prepared by bonding to a resultant substrate and a wafer bonding process with the PSS. The present invention relates to a semiconductor light emitting device having a high performance vertical structure that minimizes damage and consequently improves overall performance.
일반적으로 반도체 발광소자는 정방향의 전류(forward current)가 흐를 경우 빛을 발생하는 발광다이오드(light-emitting diode; LED) 및 레이저다이오드(laser diode; LD)가 있다. 특히 LED 및 LD는 공통적으로 p-n 접합 구조(p-n junction)를 가지고 있으며, 이러한 발광소자들에 전류를 인가하면 전류가 광자(photon)로 변환되어 소자로부터 빛(light)이 나오게 된다. LED 및 LD에서 발광되는 빛은 반도체 물질의 종류에 따라 장파장 빛에서부터 단파장 빛 영역까지 다양하며, 무엇보다도 넓은 띠 에너지 밴드갭을 갖는 반도체(wide band-gap semiconductor)로 제작된 LED를 이용하여 가시광선 영역인 적색, 녹색, 청색 구현이 가능하게 되어 각종 전자장치의 표시부품, 교통신호등, 각종 디스플레이용 광원장치에 폭넓게 산업적으로 응용되고 있으며, 최근 들어 백색광원 개발로 인하여 차세대 일반 조명용 광원장치에 널리 이용될 수 있을 것으로 확실시 되고 있다.In general, semiconductor light emitting devices include a light-emitting diode (LED) and a laser diode (LD) that generate light when a forward current flows. In particular, the LED and the LD have a p-n junction in common, and when a current is applied to the light emitting elements, the current is converted into a photon so that light is emitted from the device. Light emitted from LEDs and LDs varies from long-wavelength light to short-wavelength light range depending on the type of semiconductor material. Above all, visible light using LEDs made of semiconductors with wide band-gap semiconductors. It is possible to realize red, green, and blue areas, which are widely applied to display parts of various electronic devices, traffic signals, and various display light source devices. Recently, due to the development of white light sources, it is widely used in next-generation general lighting light source devices. It is sure to be possible.
일반적으로 그룹 3-5족 질화물계 반도체는 양질의 반도체 박막을 얻기 위하여 격자상수(lattice constant) 및 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)가 상당하게 다른 최초 성장기판인 사파이어(sapphire), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si) 상부에 헤테로에피택셜(hetro-epitaxial)하게 성장하고 있다. 그러나 사파이어 최초 성장기판은 열전도도가 좋지 않아 LED에 큰 전류를 인가할 수 없는 단점을 가질 뿐만 아니라, 사파이어 최초 성장기판이 전기절연체이기 때문에 외부로부 터 유입되는 정전기에 대응하기가 어려워 정전기로 인한 불량 유발 가능성이 큰 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 소자의 신뢰성을 저하할 뿐만이 아니라 패키징 공정에 있어서 많은 공정제약을 유발하게 된다.In general, Group 3-5 nitride-based semiconductors are the first growth substrates, sapphire and silicon carbide (SiC), which have significantly different lattice constants and thermal expansion coefficients in order to obtain high quality semiconductor thin films. It is growing hetero-epitaxially on top of silicon (Si). However, Sapphire's first growth substrate has the disadvantage of not being able to apply a large current to the LED due to poor thermal conductivity, and since Sapphire's first growth substrate is an electrical insulator, it is difficult to cope with static electricity flowing from the outside. There is a big problem that is likely to cause failure. These problems not only lower the reliability of the device but also cause a lot of process constraints in the packaging process.
또한, 전기절연체인 사파이어 최초 성장기판은 n형 오믹접촉 전극(이하, '제 1 오믹접촉 전극'이라 한다)과 p형 오믹접촉 전극(이하, '제 2 오믹접촉 전극'이라 한다)을 모두 다층발광구조체의 성장방향과 동일하게 형성되는 메사구조(MESA-structure)를 가질 뿐만 아니라, LED 칩 면적도 일정 크기 이상이 되어야 하기 때문에, LED 칩 면적을 줄이는 데에는 한계가 있으며, 이로 인해서 2인치 웨이퍼 한 개당 발광소자인 LED 칩 생산량의 향상에 장애가 되고 있다.In addition, the first growth substrate of sapphire, which is an electrical insulator, has a multi-layered n-type ohmic contact electrode (hereinafter referred to as 'first ohmic contact electrode') and a p-type ohmic contact electrode (hereinafter referred to as 'second ohmic contact electrode'). In addition to having a mesa structure formed in the same direction as the growth direction of the light emitting structure, the LED chip area must also be larger than a certain size, so there is a limit to reducing the LED chip area. It is an obstacle to the improvement of LED chip production quantity per light emitting device.
상기한 바와 같이, 최초 성장기판인 사파이어 상부에 제작된 메사구조의 LED의 단점들 이외에도, 사파이어 성장기판의 나쁜 열전도율 때문에 발광소자 구동시 필연적으로 발생하는 다량의 열을 외부로 원활하게 발산하는데 어려움이 있다. 이러한 이유로 인하여, 향후 대형 디스플레이 및 일반조명용 광원처럼 대면적 및 대용량(즉, 대 전류)으로 사용되는 발광소자에는 사파이어가 부착되어 있는 메사구조 적용은 한계가 있다. 즉 대전류를 장시간 발광소자에 주입하게 되면, 발생한 다량의 열로 인해서 발광 활성층의 내부 온도는 점진적으로 상승하게 되고, 이로 인해서 LED 발광효율이 점차 감소하게 되는 문제점이 발생하게 된다.As described above, in addition to the shortcomings of the mesa structure LED fabricated on the sapphire, which is the first growth substrate, it is difficult to dissipate a large amount of heat inevitably generated when driving the light emitting device to the outside due to the poor thermal conductivity of the sapphire growth substrate. have. For this reason, there is a limit to the application of a mesa structure in which sapphire is attached to a light emitting device used in a large area and a large capacity (that is, a large current), such as a large display and a general light source. That is, when a large current is injected into the light emitting device for a long time, the internal temperature of the light emitting active layer is gradually increased due to a large amount of heat generated, thereby causing a problem that the LED luminous efficiency gradually decreases.
실리콘카바이드(SiC) 성장기판은 사파이어와는 달리, 열적 및 전기적 전도율이 우수하며, 동시에 양질의 반도체 단결정 박막 성장시 중요한 변수인 격자 상수(lattice constant) 및 열팽창 계수(thermal expansion coefficient; TEC)가 그 룹 3-5족 질화물계 반도체와 유사하여 양호한 다층 발광구조체 박막을 성공적으로 적층 성장하고 있으며, 이를 이용하여 다양한 형태의 수직구조의 발광소자가 제작되고 있다. 하지만 결정적으로 양질의 SiC 성장기판 제작이 용이하지 않기 때문에, 다른 단결정 성장기판에 비해서 상당히 고가(high-cost)이고 그 결과 대량 생산에 적용하기에는 많은 제약이 있다.Unlike sapphire, silicon carbide (SiC) growth substrates have excellent thermal and electrical conductivity, and at the same time, lattice constant and thermal expansion coefficient (TEC), which are important variables in growing high-quality semiconductor single crystal thin films, Similar to the Group 3-5 nitride-based semiconductor, a good multilayer light emitting structure thin film has been successfully laminated and grown, and various types of vertical light emitting devices have been manufactured. However, since it is not easy to manufacture a good quality SiC growth substrate, it is considerably higher cost than other single crystal growth substrates, and as a result, there are many limitations in applying to mass production.
따라서, 현재의 기술, 경제, 및 성능 면에서 고려해 볼때, 사파이어 성장기판에 적층 성장된 다층 발광구조체를 이용하여 고성능 발광소자를 제작하는 것이 가장 바람직하다. 상기한 바와 같이, 최초 성장기판인 사파이어 상부에 적층/성장된 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체인 박막을 이용하여 제작된 메사구조의 LED 문제점들을 해결하기 위해서, 최근 들어, 사파이어 최초 성장기판 상부에 양질의 다층 발광구조체 박막을 성장시킨 후, 사파이어로부터 안전하게 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체 박막을 분리(lift-off)하고, 이를 이용한 고성능 수직구조의 발광다이오드(high-performance vertical structured LED)를 제작하려고 많은 노력이 행해지고 있다.Therefore, in view of the current technology, economy, and performance, it is most preferable to manufacture a high-performance light emitting device using a multilayer light emitting structure laminated on a sapphire growth substrate. As described above, in order to solve the LED problems of the mesa structure fabricated using a thin film, which is a group III-nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure stacked / grown on the sapphire, which is the first growth substrate, the first growth of sapphire recently. After growing a high quality multilayer light emitting structure thin film on the substrate, the group 3-5 nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure thin film is lifted off safely from sapphire, and a high performance vertical light emitting diode using the same Many efforts have been made to fabricate vertical structured LEDs.
도 1은 종래의 기술에 따라 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 이용하여 상기 최초 성장기판인 사파이어를 분리하는 과정을 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, LLO 기술을 이용하여 강한 에너지원(energy source)인 레이저 빔(laser beam)을 투명한 사파이어로 형성된 최초 성장기판(100)의 후면(backside)에 조사하면, 계면에서 레이저 빔 흡수가 강하게 발생하고, 이로 인해서 900℃ 이상의 온도가 순간적으로 발생하게 되어 계면의 질화갈륨(GaN)이 열화학 분해가 발생하고, 사 파이어로 된 최초 성장기판(100)과 질화물계 반도체 박막(120)으로 분리되는 레이저 리프트 오프(laser lift-off; LLO)를 들 수 있다. 그러나 많은 선행 문헌 등에서 언급된 바와 같이 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체 박막은 레이저 리프트 오프(LLO) 공정을 거칠 때, 다른 격자상수 및 열팽창 계수로 인하여 그룹 3-5족 질화물계 반도체 박막과 두꺼운 최초 성장기판인 사파이어 사이에 발생한 기계적 응력을 견디지 못하여, 사파이어로부터 분리(separation)된 후에 반도체 단결정 박막에 많은 손상(damage)과 깨짐(braking)이 발생하는 현상을 볼 수 있다. 상기한 바와 같이 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체 박막이 손상과 깨짐을 입게 되면, 많은 누설전류(leaky current)가 발생할 뿐만이 아니라 LED을 비롯한 많은 발광소자의 칩 수율이 크게 저하되고, 발광소자인 LED 칩의 전체적인 성능 저하를 유발하게 된다. 따라서 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체 박막의 손상을 최소화할 수 있는 사파이어 성장기판 분리 공정과 분리된 반도체 단결정 박막을 이용하여 고성능 수직구조의 LED 제조 공정이 꾸준히 연구되고 있는 실정이다.1 is a cross-sectional view illustrating a process of separating the first growth substrate sapphire using a laser lift off (LLO) technique according to the prior art. As shown in FIG. 1, when the laser beam, which is a strong energy source, is irradiated to the backside of the first growth substrate 100 formed of transparent sapphire using LLO technology, the laser at the interface is exposed. The beam absorption is strongly generated, resulting in instantaneous temperature of 900 ° C. or higher, resulting in thermal chemical decomposition of gallium nitride (GaN) at the interface, and the first growth substrate 100 made of sapphire and the nitride semiconductor
그 결과, 상기 LLO 공정을 이용하여 최초 성장기판인 사파이어를 분리할 때, 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체 박막의 손상과 깨짐을 최소화시키기 위한 다양한 방안들이 제안되고 있다. 도 2는, 반도체 다층 발광 구조체 박막의 손상과 깨짐을 방지하기 위한 종래의 기술에 따라, LLO 공정을 행하기 전에 웨이퍼 본딩(wafer bonding)과 전기도금(electroplating 또는 electroless plating) 공정을 도입하여 성장방향([0001])에 강하게 밀착되어 있는 지지기판(stiffening supporting substrate)을 형성시키는 과정을 도시한 단면도이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 투명한 사파이어로 형성된 최초 성장기판(200)의 뒷면(back-side)을 통해서 레이저 빔(laser beam)을 조사하여 최초 성장기판(200)으로부터 반도체 단결정 다층 발광구조체 박막(210, 220)을 분리하기에 앞서, 본딩층(230)의 상부에 웨이퍼 본딩 및 전기도금 공정을 이용하여 구조적으로 안정하며 강하게 밀착되어 있는 지지 기판(240)을 형성시킨다. 또한, 도 2의 (b)를 참조하면, 사파이어로 형성된 최초 성장기판(200)으로부터 반도체 단결정 다층 발광구조체 박막(210, 220)을 분리하기에 앞서, 씨드층(232)의 상부에 웨이퍼 본딩 및 전기도금 공정을 이용하여 구조적으로 안정하며 강하게 밀착되어 있는 지지기판(242)을 형성시킨다.As a result, various methods have been proposed for minimizing damage and breakage of the Group 3-5 nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure thin film when the sapphire, which is the first growth substrate, is separated using the LLO process. Figure 2 is a growth direction by introducing wafer bonding and electroplating (electroplating or electroless plating) process before performing the LLO process, according to a conventional technique for preventing damage and cracking of the semiconductor multilayer light emitting structure thin film ([0001]) is a cross-sectional view showing a process of forming a stiffening supporting substrate (stiffening supporting substrate) is in close contact. Referring to FIG. 2A, a semiconductor single crystal multilayer light emitting structure is formed from the
도 3은 도 2의 방법을 이용한 종래의 기술에 따라, LLO 공정과 구조적으로 안정하며 강하게 밀착되어 있는 지지기판을 접목하여 제작한 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 반도체 발광소자들에 대한 단면도들이다.FIG. 3 is a cross-sectional view of a group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having a vertical structure manufactured by grafting a support substrate that is structurally stable and strongly adhered to the LLO process according to the conventional technique using the method of FIG. 2. admit.
도 3의 (a)는 도 2의 (a)의 지지 기판을 형성하는 방법을 이용하여 제작된 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다. 웨이퍼 본딩과 접목된 LED 단면을 보인 도 3의 (a)를 참조하면, 열적 및 전기적 전도체인 지지기판(240), 본딩층(230), 제 2 오믹접촉 전극을 포함한 다층 금속층(250), 제 2 반도체 클래드층(280), 발광 활성층(270), 제 1 반도체 클래드층(260), 제 1 오믹접촉 전극(290)이 순차적으로 구성되어 있다. 상기 전기전도체인 지지기판(240)은 열적 및 전기적 전도율이 우수한 실리콘(Si), 저매니움(Ge), 실리콘저매니움(SiGe), 갈륨아세나이드(GaAs) 등의 반도체 웨이퍼가 우선적으로 사용하고 있다.FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating a semiconductor light emitting device manufactured by using the method of forming the supporting substrate of FIG. 2A. Referring to (a) of FIG. 3, which shows a cross-section of the LED bonded to the wafer bonding, the
그러나, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 수직구조의 발광소자(LED)에 사용된 지지기판(240)은 반도체 단결정 박막이 적층/성장된 사파이어 성장기판과 큰 열팽창 계수(TEC) 때문에, 상기 Si 또는 다른 전도성 지지기판 웨이퍼를 웨이퍼 본딩에 의해서 결합시키면, 웨이퍼 휨(wafer warpage) 현상 및 반도체 다층 발광구조체 내부에 미세한 마이크로 크랙(micro-crack)이 다량으로 생성되어 공정상의 어려움과 제작된 LED의 성능 저하로 인해서 낮은 제품 수율이 문제시되고 있다.However, the
한편, 도 3의 (b)는 도 2의 (b)의 지지 기판을 형성하는 방법을 이용하여 제작된 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다. 전기도금과 접목된 LED에 대한 단면도를 도시한 도 3의 (b)를 참조하면, LLO와 전기도금 공정 접목에 의해 제작된 수직구조의 발광소자(LED)는 전기전도체인 지지기판(242), 씨드층(232), 제 2 오믹접촉 전극을 포함한 다층 금속층(252), 제 2 반도체 클래드층(280), 발광 활성층(270), 제 1 반도체 클래드층(260), 제 1 오믹접촉 전극(290)이 순차적으로 구성되어 있다. 상기 전기전도체인 지지기판(242)은 전기도금에 의해 형성된 금속성 후막(metallic thick film)이며, 특히 열적 및 전기적 전도율이 우수한 Cu, Ni, W, Au, Mo 등의 단일 금속 또는 이들 금속들로 구성된 합금(alloy)을 우선적으로 사용하고 있다.3B is a cross-sectional view illustrating a semiconductor light emitting device manufactured by using the method of forming the supporting substrate of FIG. 2B. Referring to Figure 3 (b) showing a cross-sectional view of the LED grafted with electroplating, a vertical light emitting device (LED) produced by the LLO and electroplating process graft is a
전술한 구조를 갖는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같은 LED 지지기판(242)은 전기도금에 의해서 제작된 금속(metal) 또는 합금 후막(alloy thick film) 때문에 성장기판인 사파이어에 비해서 상당히 큰 열팽창 계수와 연성이 있어 기계적 절단(sawing) 또는 레이저 절단(laser scribing) 등의 단일 칩 공정상에서 말림 또는 휨(warpage), 깨짐(braking) 등의 많은 문제점을 발생시키고 있다.The
따라서 LLO 공정을 이용하여 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 반도체 발광소자를 제작할 때, 웨이퍼 휨 및 깨짐, 마이크로 크랙 발생, 열처리(annealing) 및 단일 칩(singulate chip) 공정을 비롯한 많은 후속공정(post-processing) 제약, 그리고 낮은 제품 수율(low product yield) 등을 고려하면 반드시 효율적인 지지기판 및 이를 이용한 고성능 수직구조의 발광소자 제조 공정이 개발되어야 한다.Therefore, when fabricating a group III-nitride semiconductor light emitting device having a vertical structure using the LLO process, many subsequent processes including wafer bending and cracking, micro crack generation, annealing and single chip processes ( Considering post-processing constraints and low product yield, an efficient support substrate and a high-performance vertical light emitting device manufacturing process using the same must be developed.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체인 박막이 적층 성장된 최초 성장기판인 사파이어와 지지기판을 본딩 물질로 웨이퍼 본딩 할 때, 웨이퍼 휨(wafer warpage) 현상이 전혀 발생하지 않으며, LLO 공정 후에도 반도체 다층 발광구조체인 박막 내에 깨짐(braking)은 물론 미세한 마이크로 크랙(micro-crack)까지도 전혀 없는 질화물계 반도체 단결정 다층 박막을 얻기 위한 "준비된 지지기판(prepared supporting substrate; PSS)"을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is a wafer warpage when wafer bonding a sapphire and a support substrate, which is the first growth substrate on which a thin film, which is a group 3-5 nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure, are stacked and bonded with a bonding material. Is not prepared at all, and after the LLO process, a "prepared ready substrate" is obtained to obtain a nitride-based semiconductor single crystal multilayer thin film having no cracking and no micro-crack in the semiconductor multilayer light emitting structure. supporting substrate "(PSS)".
본 발명의 다른 목적은 전술한 PSS를 이용하여, 그룹 3-5족 질화물계 반도체 단결정으로 구성된 다층 발광구조체 박막을 최초 성장기판인 사파이어 상부에 적층/성장시킨 후, 효율적인 지지기판 제조와 LLO 공정을 접목하여 반도체 단결정 박막의 손상(damage)과 깨짐(braking)을 최소화시킬 수 있는 고성능 수직구조의 3-5족 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use a PSS as described above, after stacking / growing a multi-layered light emitting structure thin film composed of group 3-5 nitride-based semiconductor single crystals on top of sapphire, which is the first growth substrate, an efficient support substrate manufacturing and LLO process The present invention provides a group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having a high-performance vertical structure capable of minimizing damage and breaking of a semiconductor single crystal thin film.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 고성능 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having the high performance vertical structure described above.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 수직구조의 반도체 발광소자의 지지기판으로 사용되는 반도체 발광소자용 준비된 지지기판(prepared supporting substrate;이하 'PSS'라 한다)에 관한 것으로서, 상기 PSS는A feature of the present invention for achieving the above object relates to a prepared supporting substrate (hereinafter referred to as 'PSS') for a semiconductor light emitting device used as a support substrate of a vertical semiconductor light emitting device,
소정의 물질로 형성된 선택된 지지기판(selected supporting substrate; 이하 'SSS'라 한다),A selected supporting substrate (hereinafter referred to as 'SSS') formed of a predetermined material;
상기 SSS의 상부에 적층되어 형성되는 희생층(sacrificial layer),A sacrificial layer is formed by stacking on top of the SSS,
상기 희생층의 상부에 적층되어 형성되는 열적 및 전기적 전도율이 뛰어난 히트 씽크층(heat-sink layer),A heat-sink layer having excellent thermal and electrical conductivity formed by being stacked on top of the sacrificial layer,
상기 히트 씽크층의 상부에 적층되어 형성되는 본딩층을 포함한다.And a bonding layer formed by being stacked on the heat sink layer.
전술한 특징을 갖는 PSS의 상기 SSS는 최초 성장기판(growth substrate)과의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 차이가 2ppm 이하인 전기절연성 물질이 바람직하며, 일예로 사파이어(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2, 유리(glass) 등의 단결정, 다결정, 또는 비정질 기판의 웨이퍼로 이루어진다.The SSS of the PSS having the aforementioned characteristics is preferably an electrically insulating material having a difference in thermal expansion coefficient of 2 ppm or less from the original growth substrate. For example, sapphire (Al 2 O 3), aluminum nitride (AlN), It consists of a wafer of single crystal, polycrystalline, or amorphous substrate, such as MgO, AlSiC, BN, BeO,
상기 희생층은 질소(nitrogen) 또는 산소(oxygen)와 결합된 단결정, 다결정 또는 비정질상의 화합물로서, 일예로 GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO 등으로 이루어지며, The sacrificial layer is a single crystal, polycrystalline or amorphous compound combined with nitrogen or oxygen. For example, GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO Etc.,
상기 히트 씽크층은 열적 및 전기적으로 전도율이 높은 금속으로 이루어지거나, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si 중 적어도 한 성분 이상 포함하고 있는 합금 또는 고용체로 이루어지거나, 또는 이들로 구성된 질화물 및 산화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 히트 씽크층의 두께는 0.1 마이크론미터 내지 100 마이크론미터 이하인 것을 특징으로 하며,The heat sink layer is made of a metal having high thermal and electrical conductivity, or at least one of Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, and Si. It is made of a material containing at least one or more of an alloy or a solid solution, or a nitride or oxide consisting of the above, wherein the heat sink layer is characterized in that the thickness of 0.1 micrometer to 100 micrometers or less ,
상기 본딩층은 Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, Ge 들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 솔더링(soldering) 또는 브레이징(brazing)의 합금 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.The bonding layer may be a soldering or brazing alloy material including at least one of Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, and Ge. It is preferable to make.
전술한 특징을 갖는 상기 반도체 발광소자용 PSS의 희생층, 히트 씽크층 및 본딩층 중 적어도 하나 이상의 층이 선택적으로 소정 형상의 모양으로 패터닝되거나,At least one or more layers of the sacrificial layer, heat sink layer and bonding layer of the PSS for semiconductor light emitting device having the above-mentioned characteristics is selectively patterned into a shape of a predetermined shape,
상기 반도체 발광소자용 PSS의 희생층, 히트 씽크층 및 본딩층이 소정 형상의 모양으로 모두 패터닝되고 SSS도 소정의 깊이까지 식각되는 것이 바람직하다.Preferably, the sacrificial layer, heat sink layer, and bonding layer of the PSS for semiconductor light emitting device are all patterned into a predetermined shape, and the SSS is etched to a predetermined depth.
본 발명의 다른 특징에 따른 PSS를 이용한 반도체 발광소자의 제조 방법은,Method for manufacturing a semiconductor light emitting device using a PSS according to another feature of the present invention,
(a) 최초 성장기판의 상부에 반도체 다층 발광구조체가 적층 성장된 제 1 웨이퍼를 준비하는 단계,(a) preparing a first wafer in which a semiconductor multilayer light emitting structure is stacked and grown on top of an initial growth substrate;
(b) 준비된 지지기판(PSS)인 제 2 웨이퍼 준비하는 단계,(b) preparing a second wafer which is a prepared support substrate (PSS),
(c) 상기 제 1 웨이퍼의 상부에 상기 제 2 웨이퍼를 본딩하는 단계,(c) bonding the second wafer on top of the first wafer,
(d) 상기 본딩된 결과물로부터 제 1 웨이퍼의 최초 성장기판을 분리하는 단계,(d) separating the first growth substrate of the first wafer from the bonded result,
(e) 제 1 오믹접촉 전극을 형성하고 패시배이션하여 칩을 완성하는 단계, 및(e) forming and passivating the first ohmic contact electrode to complete the chip, and
(f) 절단하여 단일 칩으로 제작하는 단계를 구비하고,(f) cutting to produce a single chip,
상기 PSS는 선택된 지지기판(SSS)상에 희생층, 히트 씽크층 및 본딩층이 순차적으로 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.The PSS may be formed by sequentially stacking a sacrificial layer, a heat sink layer, and a bonding layer on the selected support substrate SSS.
전술한 특징을 갖는 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 (a) 단계 에서의 상기 반도체 다층 발광구조체는 n형 반도체 클래드층, 발광 활성층, p형 반도체 클래드층을 구비하며, 상기 반도체 다층 발광구조체 박막을 이루는 각 층은 Inx(GayAl1-y)N (1=x=0, 1=y=0, x+y> 0)인 조성을 갖는 단결정으로 이루어지는 것이 바람직하다.In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device having the features described above, the semiconductor multilayer light emitting structure in the step (a) comprises an n-type semiconductor cladding layer, a light emitting active layer, a p-type semiconductor cladding layer, the semiconductor multilayer light emitting structure Each layer constituting the thin film is preferably made of a single crystal having a composition of Inx (GayAl1-y) N (1 = x = 0, 1 = y = 0, x + y> 0).
전술한 특징을 갖는 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 (f) 단계의 최종적인 단일 칩을 제작하는 단계는In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device having the above characteristics, the step of manufacturing the final single chip of the step (f)
(f1) PSS의 정반대 방향에 유기 또는 무기 본딩 물질로 형성된 임시적인 지지기판(temporary supporting substrate)을 부착하는 단계와,(f1) attaching a temporary supporting substrate formed of an organic or inorganic bonding material in the opposite direction of the PSS,
(f2) 상기 희생층으로 사용된 물질에 따라 적정한 흡수 파장대를 갖는 레이저 빔을 선택하여 상기 희생층을 열-화학분해 반응시켜서 상기 SSS를 분리 제거시키는 단계와,(f2) separating and removing the SSS by thermally chemically reacting the sacrificial layer by selecting a laser beam having an appropriate absorption wavelength band according to the material used as the sacrificial layer;
(f3) 만약 상기 히트 씽크층의 두께가 80 마이크론 미터 내지 500 마이크론 미터 이하인 경우, 별도의 지지기판의 접합 공정 없이 상기 결과물을 수직방향으로 절단하는 단계를 구비하여, 단일 칩의 반도체 발광소자를 완성한다.(f3) if the thickness of the heat sink layer is 80 micrometers or less than 500 micrometers or less, cutting the resultant in a vertical direction without a separate supporting substrate bonding process, thereby completing a semiconductor chip of a single chip. do.
전술한 특징을 갖는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 (f) 단계의 최종적인 단일 칩을 제작하는 단계는In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device having the above characteristics, the step of manufacturing the final single chip of the step (f)
(f1) PSS의 정반대 방향에 유기 또는 무기 본딩 물질로 형성된 임시적인 지지기판(temporary supporting substrate)을 부착하는 단계와,(f1) attaching a temporary supporting substrate formed of an organic or inorganic bonding material in the opposite direction of the PSS,
(f2) 상기 희생층으로 사용된 물질에 따라 적정한 흡수 파장대를 갖는 레이저 빔을 선택하여 상기 희생층을 열-화학분해 반응시켜서 상기 SSS를 분리 및 제거 시키는 단계와,(f2) separating and removing the SSS by thermo-chemical decomposition reaction of the sacrificial layer by selecting a laser beam having an appropriate absorption wavelength band according to the material used as the sacrificial layer;
(f3) 만약 히트 씽크층의 두께가 기설정된 값(80 마이크론미터)보다 얇은 경우, 전기전도성 금속 또는 합금으로 이루어지는 추가의 본딩층을 형성하고, 상기 추가의 본딩층을 이용하여 제 3 지지기판을 상기 히트 씽크층에 접합(bonding)시키는 단계와,(f3) If the thickness of the heat sink layer is thinner than a predetermined value (80 microns), an additional bonding layer made of an electrically conductive metal or alloy is formed, and the third supporting substrate is formed using the additional bonding layer. Bonding to the heat sink layer;
(f4) 상기 결과물을 수직방향으로 절단하는 단계를 구비하여 단일 칩의 반도체 발광소자를 완성하며, 상기 제 3 지지기판은 열적 및 전기적으로 전도성을 갖는 Si, Ge, SiGe, ZnO, GaN, AlGaN, GaAs 등의 단결정 또는 다결정 웨이퍼 또는 Mo, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, Au, Ag, Cr, NiCr, CuW, CuMo, NiW 등의 금속 호일(foil)로 형성되는 것이 바람직하다.(f4) cutting the resultant in a vertical direction to complete a semiconductor light emitting device of a single chip, wherein the third support substrate is thermally and electrically conductive Si, Ge, SiGe, ZnO, GaN, AlGaN, It is preferably formed from a single crystal or polycrystalline wafer such as GaAs or metal foil such as Mo, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, Au, Ag, Cr, NiCr, CuW, CuMo, NiW.
이상과 같이, 본 발명은 제 1 및 2 오믹접촉 전극을 그룹 3-5족 질화물계 반도체 단결정 다층 발광구조체의 상/하면에 각각 위치시켜 웨이퍼 당 발광소자인 LED 칩 생산량을 향상하고, 최초 성장기판인 사파이어를 분리함으로서 열발산과 정전기 방지가 효율적으로 이루어지는 수직구조의 발광소자인 LED를 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명은 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 사파이어 성장기판을 분리하기 전에, 준비된 지지기판을 웨이퍼 휨(wafer warpage)이 전혀 없는 웨이퍼 본딩을 함으로서 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 사파이어 성장기판을 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체로부터 분리 시에 그룹 3-5족 질화물계 반도체층들이 받게 될 응력을 줄여 그룹 3-5족 질화물계 반도체의 마이크로 크랙이나 깨짐, 그룹 3-5족 질화물계 반도체 박막이 웨이퍼 본딩 물질로 분리되는 손실을 최소화하였다.As described above, according to the present invention, the first and second ohmic contact electrodes are positioned on the upper and lower surfaces of the group 3-5 nitride semiconductor single crystal multilayer light emitting structure, respectively, to improve the yield of LED chips, which are light emitting devices per wafer, and the first growth substrate. Separation of the sapphire has the advantage that it is easy to manufacture a LED, a light emitting device of a vertical structure in which heat dissipation and antistatic effectively. In addition, according to the present invention, before the separation of the sapphire growth substrate using the laser lift-off process, the sapphire growth substrate is grouped using the laser lift-off process by performing wafer bonding of the prepared support substrate with no wafer warpage. Micro cracks or cracks in group III-nitride semiconductors, which reduce the stress that group III-nitride semiconductor layers will receive when separated from the group 5 nitride semiconductor multilayer light emitting structure, and group III-nitride semiconductors The loss of separation of the thin film into the wafer bonding material was minimized.
또한 상기 준비된 지지기판 상부에 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체로 발광소자를 제작할 때, 열처리 및 패시배이션 등의 후속공정을 자유롭게 할 수 있어, 그 결과 열적 및 기계적 손상이 전혀 없는 고신뢰성 발광소자를 얻을 수 있다. 또한, 상기 준비된 지지기판 상부에 제작된 고신뢰성 발광소자를 단일화된 칩 공정을 할 때, 기존의 기계 및 레이저 가공 보다는 습식식각 공정을 이용할 수 있기 때문에 종래의 지지기판으로 웨이퍼 본딩 공정에서는 달성할 수 없었던 칩 수율과 생산성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, when fabricating a light emitting device using a group 3-5 nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure on the prepared support substrate, subsequent processes such as heat treatment and passivation can be freed, resulting in high thermal and mechanical damage. A reliable light emitting element can be obtained. In addition, when a highly reliable light emitting device fabricated on the prepared support substrate is subjected to a unified chip process, a wet etching process may be used rather than a conventional machine and laser process, and thus it may be achieved in a wafer bonding process using a conventional support substrate. It has the advantage of greatly improving chip yield and productivity which were not available.
상기 "준비된 지지기판(PSS)"은 양호한 웨이퍼 본딩을 통한 양질의 질화물계 반도체 단결정 다층 박막을 얻게 할 수 있을 뿐만이 아니라, 성장기판인 사파이어 분리 후에 행해지는 모든 후속공정(post-processing)을 자유롭게 할 수 있으며, 그 결과 고성능 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 발광소자인 LED를 제작하는데 반드시 필요하다.The " prepared support substrate " can not only obtain a high quality nitride based semiconductor single crystal multilayer thin film through good wafer bonding, but also free all post-processing after sapphire separation, a growth substrate. As a result, it is essential to manufacture LEDs of group III-nitride-based light emitting devices having a high performance vertical structure.
또한, 본 발명에서는 창안된 " 준비된 지지기판(PSS) " 웨이퍼 상부에 제작된 많은 단일화된 발광소자(LED)를 기계적 연마인 소잉(sawing) 또는 레이저 절단(laser scribing) 등의 몇몇 기계적인 가공 없이도, 준비된 지지기판(PSS) 상부에 형성시킨 희생층(sacrificial layer)을 이용해서 단일 칩 형태의 고성능 수직구조의 발광소자를 제작할 수도 있다.In addition, in the present invention, many unified light emitting devices (LEDs) fabricated on top of a "prepared support substrate (PSS)" wafer, which are invented, are not mechanically polished without some mechanical processing such as sawing or laser scribing. In addition, a light emitting device having a high performance vertical structure having a single chip shape may be manufactured by using a sacrificial layer formed on the prepared support substrate PSS.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 준비된 지지기판(PSS), 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 순차적으로 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a prepared support substrate (PSS) according to a preferred embodiment of the present invention, a group group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having a vertical structure, and a method of manufacturing the same will be described in detail.
준비된 지지기판(Prepared support substrate ( PSSPSS ))
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PSS의 구조 및 제조 과정을 순차적으로 설명한다.Hereinafter, the structure and manufacturing process of the PSS according to the preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PSS를 도시한 단면도이다.Figure 4 (a) is a cross-sectional view showing a PSS according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4의 (a)를 참조하면, PSS(40)는 선택된 지지기판(selected supporting substrate: 이하 'SSS'라 한다;400), 희생층(sacrificial layer;410), 히트 씽크층(heat-sink layer;420), 본딩층(bonding layer;430)을 구비한다.Referring to FIG. 4A, the PSS 40 is referred to as a selected supporting substrate (hereinafter referred to as an 'SSS') 400, a sacrificial layer 410, and a heat-sink layer. 420 and a bonding layer 430.
전술한 구조를 갖는 PSS(400)의 제조 공정은 a. 선택된 지지기판(selected supporting substrate: SSS) 준비; b. 희생층(sacrificial layer) 형성; c. 히트 씽크층(heat-sink) 형성; d. 본딩층(bonding layer) 형성하는 공정단계들을 포함한다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PSS(40)는 SSS(400)의 상부에 기본적으로 세층(tri-layer)으로 구성되어 있다. 즉, 전기부도체인 SSS(400)의 상부에 희생층(410), 히트 씽크층(420), 본딩층(430)이 순차적으로 적층되어 있다. 이하, 전술한 PSS의 구조 및 제조 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.The manufacturing process of the PSS 400 having the above-described structure is a. Preparing a selected supporting substrate (SSS); b. Sacrificial layer formation; c. Forming a heat-sink; d. Process steps of forming a bonding layer. As shown in (a) of FIG. 4, the PSS 40 according to the preferred embodiment of the present invention basically consists of a tri-layer on top of the SSS 400. That is, the sacrificial layer 410, the heat sink layer 420, and the bonding layer 430 are sequentially stacked on the SSS 400, which is an electrical conductor. Hereinafter, the structure and manufacturing process of the above-described PSS will be described in detail.
상기 선택된 지지기판(SSS;400)은 최초 성장기판(growth substrate)과의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 차이가 2ppm 이하인 전기절연성 물질이 바람직하며, 일예로 사파이어(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2, 유리(glass) 등의 단결정, 다결정, 또는 비정질 기판의 웨이퍼로 이루어진다.The selected support substrate (SSS) 400 is preferably an electrically insulating material having a thermal expansion coefficient difference of 2 ppm or less from an initial growth substrate. For example, sapphire (Al 2 O 3), aluminum nitride (AlN), It consists of a wafer of single crystal, polycrystalline, or amorphous substrate, such as MgO, AlSiC, BN, BeO,
상기 선택된 지지기판(400)은 최초 성장기판인 사파이어로부터 그룹 3-5족 질화물계 반도체 단결정 다층 발광구조체 박막을 강한 에너지원인 레이저 빔을 이용하여 분리(LLO) 할 때, 분리된 수 마이크론미터 두께를 지닌 단결정 다층 발광구조체 박막의 손상을 최소화하기 위해서 필요한 레이저 빔의 기계적인 충격 흡수(relief of mechanical impact) 및 지지대(supporting) 역할을 한다.The selected support substrate 400 is separated from the first growth substrate sapphire by using a laser beam, which is a strong energy source, to separate the group 3-5 nitride-based semiconductor single crystal multilayer light-emitting structure thin film by a few microns thick. It acts as a support of the mechanical impact absorbing (relief of mechanical impact) of the laser beam required to minimize the damage of the thin film having a single crystal multilayer light emitting structure.
특히, 상기 지지기판(SSS)을 선정할 때는 최종적으로 제작하고자 하는 단일화된 수직구조의 발광소자인 LED 제작 공정에 따라서 적절하게 선택돼야 한다. 다시 말하자면, LLO 공정을 행하기 전에 PSS을 제 1 웨이퍼와 접합하는 웨이퍼 본딩(wafer bonding)을 수행하는데, 이때 웨이퍼 본딩 후에 접합된 웨이퍼가 열적 물성(즉, 열팽창 계수)으로 인해서 웨이퍼 휨(wafer warpage)이 주로 발생한다. 따라서 이러한 웨이퍼 휨 현상을 최소화하기 위해서, SSS는 최초 성장기판인 사파이어와 열팽창 계수와 동일 또는 2ppm 이하를 갖는 사파이어(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2, 유리(glass) 등의 단결정, 다결정, 또는 비정질 기판의 웨이퍼가 바람직하다.In particular, when selecting the support substrate (SSS) should be appropriately selected according to the LED manufacturing process, which is a light emitting device of a single vertical structure to be finally manufactured. In other words, wafer bonding is performed to bond the PSS to the first wafer prior to performing the LLO process, in which the wafer bonded after wafer bonding is subjected to wafer warpage due to thermal properties (ie, coefficient of thermal expansion). ) Occurs mainly. Therefore, in order to minimize the wafer warpage phenomenon, SSS is the first growth substrate sapphire and sapphire (Al2O3), aluminum nitride (AlN), MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2, Preferred are wafers of single crystal, polycrystalline or amorphous substrate such as glass.
상기 희생층(sacrificial layer;410)은 강한 에너지원인 레이저 빔을 이용하여 SSS(400)을 최종적으로 완성된 발광소자인 LED 칩으로부터 분리 제거하는데 필요한 물질층로서, GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO 등을 포함한 질소(nitrogen) 또는 산소(oxygen)와 결합된 단결정, 다결정, 또는 비정질 상의 물질이 바람직하며, Si 단결정, 다결정, 또는 비정질 상의 물질도 가능하다.The sacrificial layer 410 is a material layer necessary to separate and remove the SSS 400 from the LED chip, which is a final light emitting device, by using a laser beam as a strong energy source. The sacrificial layer 410 is GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3. Preferred are monocrystalline, polycrystalline, or amorphous phase materials in combination with nitrogen or oxygen, including ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO, etc., and Si single crystal, polycrystalline, or amorphous phase materials. It is also possible.
상기 희생층(410)은 상기 선택된 지지기판(SSS)의 특성과 최종적으로 제작하고자 하는 단일화된 수직구조의 발광소자인 LED 구조에 따라 조성 물질이 선택돼야 한다.The sacrificial layer 410 has to be selected from the composition material according to the characteristics of the selected support substrate (SSS) and the LED structure, which is a light emitting device having a single vertical structure to be finally manufactured.
상기 히트 씽크층(heat-sink layer;420)은 상기 최종적으로 제작된 단일화된 수직구조의 발광소자인 LED 구동시 발생하는 다량의 열을 외부로 원활하게 발산시켜 주는 동시에 상/하층의 강한 접합 및 지지대(support) 역할을 한다. 따라서, 상기 히트 씽크층(420)은 열적 및 전기적인 전도율이 뛰어난 금속, 합금, 또는 고용체로 구성하는 것이 바람직하며, 여러 물리-화학적인 증착(CVD 또는 PVD) 방법에 의해서 형성될 수 있으나, 우선적으로 전기도금(electroplating 또는 electroless plating) 방법에 의해서 행하는 것이 더 바람직하다.The heat-sink layer 420 smoothly dissipates a large amount of heat generated when driving the LED, which is the finally manufactured vertically structured light emitting device, to the outside and at the same time, a strong bonding of upper and lower layers, It serves as a support. Accordingly, the heat sink layer 420 is preferably composed of a metal, an alloy, or a solid solution having excellent thermal and electrical conductivity, and may be formed by various physico-chemical deposition (CVD or PVD) methods. More preferably, it is carried out by an electroplating or electroless plating method.
상기 본딩층(bonding layer;430)은 3-5족 질화물계 반도체 단결정 다층 박막이 적층/성장된 사파이어 성장기판인 제 1 웨이퍼와 상기 준비된 지지기판(PSS)을 접합(bonding)시키기 위해서 형성하는 물질층으로서, Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, Ge 들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 솔더링(soldering) 또는 브레이징(brazing)의 합금 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.The bonding layer 430 is a material formed to bond the first wafer, which is a sapphire growth substrate on which a group 3-5 nitride-based semiconductor single crystal multilayer thin film is laminated / grown, and the prepared support substrate PSS. The layer is made of a soldering or brazing alloy material containing at least one of Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, Ge It is preferable.
도 4의 (b) 내지 (f)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PSS의 다양한 실시형태들을 예시적으로 도시한 적층 단면도들이다. 도 4의 (a) 및 (d)는 패터닝되 지 않은 PSS의 실시 형태들을 예시적으로 도시한 단면도들이며, 도 4의 (b), (c), (e), (f)는 패터닝된 PSS의 실시 형태들을 예시적으로 도시한 단면도들이다. 도 4의 (b)는 본딩층과 히트 씽크층을 패터닝한 PSS이며, 도 4의 (c)는 본딩층, 히트 씽크층 및 희생층까지 패터닝한 PSS이다. 도 4의 (d)는 히트 씽크층(422)이 소정 이상의 두께를 갖도록 형성한 PSS이며, 도 4의 (e) 및 (f)은 두꺼운 히트 씽크층을 갖는 PSS를 패터닝한 실시형태들을 도시하고 있다.4B to 4F are stacked cross-sectional views illustrating various embodiments of the PSS according to the preferred embodiment of the present invention. 4A and 4D are cross-sectional views illustrating embodiments of the unpatterned PSS, and FIGS. 4B, 4C, and 4F are patterned PSSs. Are cross-sectional views illustrating exemplary embodiments of the present invention. FIG. 4B is a PSS patterning the bonding layer and the heat sink layer, and FIG. 4C is a PSS patterning the bonding layer, the heat sink layer, and the sacrificial layer. 4D illustrates a PSS in which the heat sink layer 422 is formed to have a predetermined thickness or more, and FIGS. 4E and 4F illustrate embodiments in which a PSS having a thick heat sink layer is patterned. have.
도 4의 (b), (c), (e), (f)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PSS는 본딩층과 히트 씽크층 또는 본딩층, 히트 씽크층 및 희생층을 패터닝함으로써, 향후 SSS(400)의 제거 공정을 용이하게 할 수 있게 한다.As shown in (b), (c), (e), and (f) of FIG. 4, a PSS according to a preferred embodiment of the present invention includes a bonding layer and a heat sink layer or a bonding layer, a heat sink layer, and a sacrificial layer. By patterning this, it is possible to facilitate the removal process of the SSS 400 in the future.
PSSPSS 를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자의 제 1 The first of the high performance vertical semiconductor light emitting device using 실시예Example
이하, 본 발명에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자의 제 1 실시예의 구조 및 그 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a structure of a first embodiment of a high performance vertical semiconductor light emitting device using PSS and a method of manufacturing the same will be described.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다. 도 5에 도시된 반도체 발광소자(50)는 상대적으로 얇은(80 마이크론미터 이하) 두께로 이루어진 히트 씽크층(680)을 갖는 PSS을 이용하여 제작되는 발광소자이다.5 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor light emitting device having a high performance vertical structure using PSS according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting device 50 shown in FIG. 5 is a light emitting device fabricated using a PSS having a heat sink layer 680 having a relatively thin thickness (less than 80 microns).
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 고성능 수직구조의 반도체 발광소자(50)는, 제 1 오믹접촉 전극(580), 버퍼층(510), n형 반도체 클래드층(n-type semiconductor cladding layer;520), 발광 활성층(light-emitting active layer;530), p형 반도체 클래드층(p-type semiconductor cladding layer;540), 제 2 오믹접촉 전극(550) 및 제 1 본딩층(bonding layer;560)이 적층되어 형성되고, 상기 제 1 본딩층(560)에는 제 2 본딩층(688), 히트 씽크층(686), 제 3 본딩층(620) 및 제 3 지지기판(630)이 적층되어 형성된다. 상기 제 3 지지기판(630)은 열적 및 전기적으로 우수한 전도성을 갖는 Si, Ge, SiGe, ZnO, GaN, AlGaN, GaAs 등의 단결정 또는 다결정 웨이퍼 또는 Mo, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, Au, Ag, Cr, NiCr, CuW, CuMo, NiW 등의 금속 호일(foil)이 바람직하다. 또한 제 3 지지기판(630)과 히트 씽크층(686) 사이에 존재하는 제 3 본딩층(620)은 열적으로 안정한 금속, 합금, 고용체로 형성하는 것이 바람직하다.As illustrated in FIG. 5, the high performance vertical semiconductor light emitting device 50 may include a first ohmic contact electrode 580, a
더욱 바람직하게 상기 제 1 오믹접촉 전극(580)은 상기 버퍼층(510)을 제거한 후에 상기 n형 반도체 클래드층(520) 상면에 형성될 수도 있다.More preferably, the first ohmic contact electrode 580 may be formed on the n-type semiconductor clad
이하, 도 6의 (a) 내지 (h)를 참조하여, 본 실시예에 따라 전술한 구조를 갖는 고성능 수직구조의 반도체 발광소자의 제조 공정을 순차적으로 설명한다.Hereinafter, referring to FIGS. 6A to 6H, a process of manufacturing a semiconductor light emitting device having a high performance vertical structure having the above-described structure according to the present embodiment will be described sequentially.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자의 제조 공정은, a. 최초 성장기판인 사파이어 상부에 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 발광구조체가 적층/성장된 제 1 웨이퍼 준비(도 6의 (a) 참조); b. 준비된 지지기판(PSS)인 제 2 웨이퍼 준비(도 6의 (b) 참조); c. 웨이퍼 본딩(wafer bonding)(도 6의 (c) 참조); d. 최초 성장기판인 사파이어 분리(lift-off)(도 6의 (d) 참조); e. 후속공정(post-processing)(도 6의 (e) 내지 (h) 참조); f. 단일칩(singulate chip) 제작하는 공정 단계들을 포함한다. 이하, 전술한 각 공정 단계들에 대하여 구체적으로 설명한다.Referring to Figure 6, the manufacturing process of the semiconductor light emitting device of the high performance vertical structure using the PSS according to the present embodiment, a. Preparing a first wafer having a group III-nitride-based semiconductor multilayer light emitting structure stacked / grown on top of sapphire, which is the first growth substrate (see FIG. 6A); b. Preparing a second wafer which is a prepared support substrate (PSS) (see FIG. 6 (b)); c. Wafer bonding (see FIG. 6C); d. Sapphire lift-off, the first growth substrate (see FIG. 6 (d)); e. Post-processing (see (e) to (h) of FIG. 6); f. Process steps of manufacturing a single chip. Hereinafter, each process step described above will be described in detail.
도 6의 (a)를 참조하면, 상기 a 단계 공정인 제 1 웨이퍼 준비 단계는, 그룹 3-5족 질화물계 반도체로 구성된 다층 발광구조체 박막을 LLO 공정을 적용하여 성장기판으로부터 분리(lift-off)하기 위해서, 양질의 반도체 단결정 다층 박막을 반드시 투명한 사파이어(transparent sapphire) 성장기판(600)에 적층 성장한다. 가장 일반적인 그룹 3-5족 질화물계 반도체 박막 성장장비인 MOCVD 및 MBE 시스템을 사용하여, 최초 성장기판 사파이어(600) 상부에 발광소자의 기본적인 다층 발광구조체 박막인 저온 및 고온 버퍼층(low and high temperature buffering layer;510), n형 반도체 클래드층(n-type semiconductor cladding layer;520), 발광 활성층(light-emitting active layer;530), p형 반도체 클래드층(p-type semiconductor cladding layer;540)을 순차적으로 적층/성장한다. 다음, 다층 발광구조체 박막의 최상층부인 p형 반도체 클래드층 상부에 고반사성 제 2 오믹접촉 전극(550)을 형성하고, 확산장벽층(diffusion barrier layer;562)을 포함한 제 1 본딩층(bonding layer;560)을 연속적으로 적층/형성한다. 또한 제 2 웨이퍼와 웨이퍼 본딩을 행하기 전에, 다수개의 직사 또는 정사각형이 규칙적으로 배열된 패터닝(patterning)과 건식식각(dry etching) 공정을 이용해서 단일칩을 만들기 위해서 사파이어 성장기판 또는 더 깊게까지 트렌치(trench;670)를 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 고반사성 제 2 오믹접촉 전극(550)은 Ag, Al, Rh, Pt, Au, Cu, Ni, Pd, 금속성 실리사이드(metallic silicide), Ag계 합금, Al계 합금, Rh계 합금, CNTNs(carbon nanotube networks), 투명 전도성 산화물, 투명 전도성 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질층으로 형성되고, 상기 확산장벽층(562)은 Ti, W, Cr, Ni, Pt, NiCr, TiW, CuW, Ta, TiN, CrN, TiWN 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질층으로 형성되고, 상기 제 1 본딩층(560)은 Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, Ge 들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 솔더링(soldering) 또는 브레이징(brazing)의 합금 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.Referring to (a) of FIG. 6, in the first wafer preparation step, the multi-layered light emitting structure thin film formed of the group 3-5 nitride-based semiconductor is separated from the growth substrate by applying an LLO process. In order to improve the quality, the semiconductor single crystal multilayer thin film of the high quality is necessarily grown on a transparent sapphire growth substrate 600. Low and high temperature buffering, which is the basic multilayer light emitting structure thin film of the light emitting device on the first growth substrate sapphire 600, using MOCVD and MBE systems, the most common group III-nitride semiconductor thin film growth equipment. a layer; 510, an n-type
상기 a 단계 공정에서 최초 성장기판인 투명한 사파이어(600) 상부에 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장(hydride vapor phase epitaxy), 분자빔 에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy) 장비를 이용하여 적층/성장된 그룹 3-5족 질화물계 반도체 박막은 Inx(GayAl1-y)N(1=x=0, 1=y=0, x+y> 0)인 조성을 갖는 것이 바람직하며, 상기 발광소자의 다층 발광구조체는 사파이어 성장기판(600) 상부에 600℃ 이하의 온도에서 직접적으로 적층 성장한 저온 버퍼층(low-temperature buffering layer)을 비롯한 고온 버퍼층(high-temperature buffering layer; 510), 실리콘(Si)이 도핑된 n형 반도체 클래드층(Si-doped semiconductor cladding layer; 520), 반도체 발광 활성층(semiconductor light-emitting active layer; 530), 마그네슘(Mg)이 도핑된 p형 반도체 클래드층(Mg-doped semiconductor cladding layer; 540)이 순차적으로 다층구조체로 적층/성장되며, 상기 고온 버퍼층(510)은 실리콘(Si)이 도핑된 그룹 3-5족 질화물계 반도체인 것이 바람직하다. 상기 발광 활성층(530)은 Inx(GayAl1-y)N의 장벽층과 Inx(GayAl1-y)N의 우물층으로 이루어진 단일 양자 우물(single quantum well; SQW) 구조 또는, 다중 양자 우물(multi quantum well; MQW) 구조일 수 있으며, 발광 활성층(530)의 In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~0.7eV) 밴드갭을 갖는 장파장에서부터 AlN(~6.2eV) 밴드갭을 갖는 단파장의 발광소자까지 자유롭게 제작할 수 있다. 우물층은 장벽층보다 밴드갭(band gab)을 낮게 하여 캐리어인 전자 및 정공이 우물에 모이도록 하는 것이 내부양자효울 향상을 위해 바람직하며, 특히, 발광특성을 향상시키고 순방향 구동전압을 낮추기 위하여 우물층, 장벽층 중 적어도 어느 한 곳에 Si 또는 Mg을 도핑(doping)할 수 있다.In the a-stage process, the first organic substrate, the transparent organic sapphire 600, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), liquid phase epitaxy (hydride vapor phase epitaxy), The group III-nitride-based semiconductor thin films deposited / grown using a molecular beam epitaxy and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) equipment are Inx (GayAl1-y) N (1 = x = 0). , 1 = y = 0, x + y> 0), and the multi-layer light emitting structure of the light emitting device is a low temperature buffer layer (low-growth layer directly grown on the sapphire growth substrate 600 at a temperature of 600 ° C. or less). high-
또한 제 1 웨이퍼를 PSS(680)인 제 2 웨이퍼에 웨이퍼 본딩 하기 전에, 다수개의 직사 또는 정사각형이 규칙적으로 배열된 패터닝과 건식식각 공정을 이용해서 단일 칩을 만들기 위해서 사파이어 성장기판까지 또는 더 깊게 트렌치(trench; 670)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 경우에 따라서는 트렌치가 없는 제 1 웨이퍼 기판도 적용 가능하다.Also prior to wafer bonding the first wafer to the second wafer, the PSS 680, trenches to or deeper into the sapphire growth substrate to make a single chip using patterning and dry etching processes in which a plurality of rectangular or square arrays are regularly arranged. It is desirable to form a trench 670. In some cases, a trench-free first wafer substrate is also applicable.
다음, 도 6의 (b)를 참조하면, 상기 b 단계 공정은 제 2 웨이퍼인 준비된 지지기판(PSS;680)을 준비한다. 상기 PSS(680)는 사용하고자 하는 선택된 지지기판(SSS;682) 상부에 희생층(sacrificial layer;684), 히트 씽크층(heat-sink layer;686), 제 2 본딩층(bonding layer;688)의 세개의 층이 순차적으로 적층되어 구성된다. Next, referring to FIG. 6B, the step b process prepares a prepared support substrate (PSS) 680 which is a second wafer. The PSS 680 may include a sacrificial layer 684, a heat-sink layer 686, and a second bonding layer 688 on top of a selected support substrate (SSS) 682 to be used. Three layers of are sequentially stacked.
더욱 더 상세하게 설명하면, 상기 SSS(682)는 최초 성장기판(growth substrate)과의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 차이가 2ppm 이하인 전기절연성 물질인 사파이어(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2, 유리(glass) 등의 단결정, 다결정, 또는 비정질 기판의 웨이퍼 중 하 나로 형성된다.In more detail, the SSS 682 is an electrically insulating material of sapphire (Al 2 O 3), aluminum nitride (AlN), MgO, which is an electrically insulating material having a difference in thermal expansion coefficient of 2 ppm or less from the original growth substrate. AlSiC, BN, BeO,
상기 SSS(682) 상부에 형성된 제 1층인 상기 희생층(684)은 최종적으로 단일 칩을 제작할 때, 강한 에너지원인 레이저 빔을 이용하여 단일화 공정을 원활하게 수행하기 위해서 GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO 등을 포함한 질소(nitrogen) 또는 산소(oxygen)와 결합된 단결정, 다결정, 또는 비정질상의 화합물이 바람직하나, Si 단결정, 다결정, 또는 비정질 상의 물질도 가능하다.The sacrificial layer 684, which is the first layer formed on the SSS 682, is a GaN, InGaN, ZnO, InN, in order to smoothly perform the unification process by using a laser beam as a strong energy source when finally manufacturing a single chip. Compounds of monocrystalline, polycrystalline, or amorphous phase in combination with nitrogen or oxygen, including In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO, etc., are preferred, but Si monocrystalline, polycrystalline, or amorphous phase compounds are preferred. Material is also possible.
상기 SSS(682) 상부에 형성된 제 2층인 열적 및 전기적으로 우수한 전도율을 갖는 물질로 형성된 히트 씽크층(686)은 발광소자 구동시 발생되는 열을 외부로 용이하게 발산하는(dissipating) 동시에 발광소자인 다층 발광구조체를 지지대(support) 역할을 하는 금속, 합금, 고용체, 반도체 물질이 바람직하다. 또한, 상기 히트 씽크층은 상대적으로 얇은 두께(80 마이크론미터 이하)로 이루어지는 것이 바람직하다.The heat sink layer 686 made of a material having thermally and electrically good conductivity, which is a second layer formed on the SSS 682, is a light emitting device that dissipates heat generated when the light emitting device is driven to the outside. Metals, alloys, solid solutions, and semiconductor materials that serve as a support for the multilayer light emitting structure are preferred. In addition, the heat sink layer is preferably made of a relatively thin thickness (80 microns or less).
상기 SSS(682) 상부에 형성된 제 3층인 제 1 웨이퍼와 웨이퍼 결합(wafer bonding)을 하기 위한 제 2 본딩층(688)은 제 1 웨이퍼 최상층부에 위치하는 제 1 본딩층(560)과 동일한 물질로 이루어지는 것이 가장 바람직하지만, 다른 물질로 구성할 수도 있다. 또한 상기 PSS의 SSS위에 형성되는 세층은 물리적 또는 화학적인 증착 방법으로 행하는 것이 바람직하지만, 특히, 히트 씽크층(686)은 전기도금(electroplating 또는 electroless plating) 방법을 통해서 행하는 것이 더 바람직하다.The second bonding layer 688 for wafer bonding with the first wafer, which is the third layer formed on the SSS 682, is made of the same material as the first bonding layer 560 positioned on the uppermost layer of the first wafer. It is most preferable to make it, but it may be composed of other materials. In addition, the three layers formed on the SSS of the PSS is preferably carried out by a physical or chemical vapor deposition method, in particular, the heat sink layer 686 is more preferably carried out by the electroplating (electroplating or electroless plating) method.
상기 PSS(680)를 구성하고 있는 SSS(682)는 전기절연체인 사파이어(Al2O3), AlN, MgO, AlSiC, BN, BeO, TiO2, SiO2 기판 등의 웨이퍼 중 하나를 선택하고, 상기 희생층(684)은 GaN, InGaN, ZnO, InN, In2O3, ITO, SnO2, In2O3, Si3N4, SiO2, BeMgO, MgZnO 등을 포함한 질소(nitrogen) 또는 산소(oxygen)와 결합된 단결정, 다결정, 또는 비정질상의 물질층, 또는 Si 단결정, 다결정, 또는 비정질 상의 물질층도 가능하며, 상기 상대적으로 얇은 히트 씽크층(686)은 열적 및 전기적으로 전도율이 높은 금속, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si 중 적어도 한 성분 이상 포함하고 있는 합금 또는 고용체로 이루어지거나, 또는 이들로 구성된 질화물 및 산화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 제 2 본딩층(688)은 Ga, Bi, In, Sn, Pb, Au, Al, Ag, Cu, Ni, Pd, Si, Ge 들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 솔더링(soldering) 또는 브레이징(brazing)의 합금 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 이들 물질계 이외의 것으로도 형성할 수 있다.The SSS 682 constituting the PSS 680 selects one of wafers such as sapphire (Al 2 O 3), AlN, MgO, AlSiC, BN, BeO,
다음, 도 6의 (c)를 참조하면, 다음 c 단계 공정인 웨이퍼 본딩은 열-압축(thermocompressive)방법에 의해서 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 접합(bonding)한다. 상기 c 단계 공정에서의 열-압축 본딩은 100℃ 이상의 온도에서 1Mpa 내지 200Mpa의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다.Next, referring to FIG. 6C, wafer bonding, which is the next step c, bonds the first wafer and the second wafer by a thermocompressive method. Heat-compression bonding in the step c process is preferably carried out at a pressure of 1Mpa to 200Mpa at a temperature of 100 ℃ or more.
다음, 도 6의 (d)를 참조하면, d 단계 공정은 LLO 기술을 이용하여 최초 성장기판인 사파이어 기판을 분리시키는 단계이다. 최초 성장기판을 분리시키기 위하여, 강한 에너지원인 레이저 빔(laser beam)을 투명한 사파이어 후면(back-side)을 통해서 조사시키면, 반도체 단결정 다층 발광구조체와 사파이어 사이인 계면에서 강하게 레이저 흡수가 일어나고, 이로 인해서 계면에 존재하는 질화갈륨(GaN)의 열화학 분해(thermo-chemical dissolution) 반응에 의해서 최초 성장기판인 사파이어가 분리(lift-off)된다.Next, referring to Figure 6 (d), the step d process is a step of separating the sapphire substrate which is the first growth substrate using the LLO technology. In order to separate the first growth substrate, the laser beam, a strong energy source, is irradiated through the transparent sapphire back-side, resulting in a strong laser absorption at the interface between the semiconductor single crystal multilayer light emitting structure and the sapphire. The first growth substrate sapphire is lifted off by thermo-chemical dissolution reaction of gallium nitride (GaN) at the interface.
상기 d 단계 공정에서 최초 성장기판(600)인 투명한 사파이어 분리(liftoff)는 우선적으로 강한 에너지원인 레이저 빔을 투명한 사파이어 후면(back-side)을 조사시켜 열화학 분해 반응을 통해서 하는 것이 바람직하며, 이때 공기에 노출되는 그룹 3-5족 질화물계 반도체 박막의 표면을 H2SO4, HCl, KOH, BOE 중 적어도 어느 하나 이상으로 30℃ 내지 200℃ 온도에서 처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 추가로 기계-화학적 연마(mechanical-chemical polishing)와 연이은 습식 식각을 통해서 최초 성장기판(600)를 완전히 제거하는 것도 바람직하다. 상기 사파이어 성장기판(600)의 습식 식각은 황산(H2SO4), 크롬산 (CrO3), 인산(H3PO4), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 알루미늄(Al) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각 용액으로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 습식 식각 용액의 온도는 200℃ 이상인 것이 더욱 바람직하다.In the d-step process, transparent sapphire liftoff, which is the first growth substrate 600, is preferably performed through a thermochemical decomposition reaction by irradiating a transparent sapphire back-side with a laser beam, which is a strong energy source. It is preferable to include the step of treating the surface of the group 3-5 nitride-based semiconductor thin film exposed to at least one of H2SO4, HCl, KOH, BOE at a temperature of 30 ℃ to 200 ℃. It is also desirable to completely remove the original growth substrate 600 further through mechanical-chemical polishing and subsequent wet etching. The wet etching of the sapphire growth substrate 600 is any one of sulfuric acid (
다음, 도 6의 (e)를 참조하면, e 단계 공정에 의한 후속공정(post-annealing)은 웨이퍼 클리닝(cleaning)을 비롯한 발광소자의 패시배이션(passivation), 건식에칭(dry-etching), 제 1 오믹접촉 전극물질 증착 및 열처리 등의 후속공정을 행한다.Next, referring to FIG. 6E, post-annealing by the step e process includes passivation, dry etching, and the like of the light emitting device, including wafer cleaning. Subsequent processes, such as vapor deposition and heat treatment of the first ohmic contact electrode material, are performed.
상기 e 단계 공정에서 버퍼층(510) 또는 n형 반도체 클래드층(520) 상부에 제 1 오믹접촉 전극물질 증착 및 열처리 공정을 거쳐서 열적으로 안정한 제 1 오믹접촉 전극(580)을 형성시키고, Si3N4, SiO2, 또는 각종 전기절연체 물질들 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 소자의 표면 또는 측면(side)을 전기적으로 패시배이션(passivation)하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 제 1 오믹접촉 전극(580)은 Al, Ti, Cr, Ta, Ag, Al, Rh, Pt, Au, Cu, Ni, Pd, In, La, Sn, Si, Ge, Zn, Mg, NiCr, PdCr, CrPt, NiTi, TiN, CrN, SiC, SiCN, InN, AlGaN, InGaN, 희토류 금속 및 합금, 금속성 실리사이드(metallic silicide), 반도체성 실리사이드(semiconducting silicide), CNTNs(carbonnanotube networks), 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 투명 전도성 질화물(transparent conducting nitride, TCN) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.In the step e, the thermally stable first ohmic contact electrode 580 is formed on the
다음, 최종적인 f 단계 공정인 단일칩(singulate chip) 제작은 상기 b 단계 공정에서 PSS(680)의 히트 씽크층(686)의 두께(즉, 80 마이크론미터 미만 또는 이상)에 따라 웨이퍼 본딩(c 단계 공정) 후에 각자 다른 후속공정(post-processing)을 거치면서 최종적인 단일칩 형태의 발광소자 구조가 도 5에 도시된 바와 같이 제작된다.Next, the final f step process, a single chip fabrication, is performed by wafer bonding (c) according to the thickness of the heat sink layer 686 of the PSS 680 (ie, less than or greater than 80 microns) in the b step process. After the step process), the final single-chip type light emitting device structure is manufactured as shown in FIG. 5 after undergoing different post-processing.
도 6의 (f)를 참조하면, PSS(680)의 히트 씽크층(686)의 두께가 80 마이크론 미터 미만인 경우, PSS(680)의 정반대 방향에 유기 또는 무기 본딩 물질로 임시적인 지지기판(temporary supporting substrate; 이하 'TSS'라 한다:610)을 부착한다. 다음, 도 6의 (g)에 도시된 바와 같이, 희생층(686)으로 사용된 물질에 따라 적정한 흡수 파장대를 갖는 레이저 빔을 선택하여 희생층(686)을 열-화학분해 반응시켜서 전기절연체인 SSS(682)를 분리(separation)시켜 제거한다. 다음, 도 6의 (h)에 도시된 바와 같이, 전기전도성 솔더링 또는 브레이징 금속 또는 합금으로 이루어지는 제 3 본딩층(620)을 이용하여 전기전도체로 이루어지는 제 3 지지기판(630)과 히트 씽크층(686)을 결합(bonding)하고 수직방향으로(도 6의 (h)의 A-A' 화살표 방향) 절단하여 최종적으로 도 5에 도시된 발광소자인 LED 칩을 제작한다.Referring to FIG. 6F, when the thickness of the heat sink layer 686 of the PSS 680 is less than 80 microns, the temporary support substrate is formed of an organic or inorganic bonding material in the opposite direction of the PSS 680. supporting substrate; hereafter referred to as 'TSS': 610). Next, as shown in FIG. 6G, the sacrificial layer 686 is thermally chemically reacted by selecting a laser beam having an appropriate absorption wavelength band according to the material used as the sacrificial layer 686, thereby forming an electrical insulator. SSS 682 is separated and removed. Next, as shown in (h) of FIG. 6, the third support substrate 630 and the heat sink layer made of an electric conductor using the third bonding layer 620 made of an electrically conductive soldering or brazing metal or an alloy is formed. 686 is bonded and cut in the vertical direction (in the direction of the AA ′ arrow in FIG. 6H) to finally produce an LED chip, which is the light emitting device shown in FIG. 5.
PSSPSS 를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자의 제 2 Second of the high performance vertical semiconductor light emitting device using 실시예Example
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 설명한다.7 and 8, a semiconductor light emitting device having a high performance vertical structure using a PSS according to a second embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described.
도 7은 본 실시예에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다. 본 실시예에 따른 PSS(880)는 전술한 바람직한 제 1 실시예에 따른 PSS(880)와 그 적층 구조 및 제조 공정은 동일하며, 다만 히트 씽크층(886)의 두께가 80 마이크론 미터 내지 500 마이크론 미터 이하로 형성되어 두께가 두꺼워진다.7 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device having a high performance vertical structure using the PSS according to the present embodiment. PSS 880 according to the present embodiment is the same as the PSS 880 according to the first preferred embodiment described above and its laminated structure and manufacturing process, except that the heat sink layer 886 has a thickness of 80 microns to 500 microns It is formed below the meter, thickening.
도 7에 도시된 반도체 발광소자(70)는 두께가 두꺼운 히트 씽크층을 갖는 PSS(880)를 이용하여 제작되는 발광 소자로서, PSS(880)의 선택된 지지기판(SSS;882)의 상부에 적층된 히트 씽크층(884)이 80 마이크론 미터 내지 500 마이크론 미터 이하로 이루어지므로, 히트 씽크층(884)의 두께가 상대적으로 두꺼운 것을 특징으로 한다.The semiconductor light emitting device 70 shown in FIG. 7 is a light emitting device manufactured using a PSS 880 having a thick heat sink layer, and is stacked on top of a selected support substrate (SSS) 882 of the PSS 880. Since the heat sink layer 884 is made of 80 to 500 microns or less, it is characterized in that the thickness of the heat sink layer 884 is relatively thick.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 고성능 수직구조의 반도체 발광소자(70)는, 제 1 오믹접촉 전극(780), 버퍼층(710), n형 반도체 클래드층(n-type semiconductor cladding layer;720), 발광 활성층(light-emitting active layer;730), p형 반도체 클래드층(p-type semiconductor cladding layer;740), 제 2 오믹접촉 전극(750) 및 제 1 본딩층(bonding layer;760)이 적층되어 형성되고, 상기 제 1 본딩층(760)에는 제 2 본딩층(888), 히트 씽크층(886)이 적층되어 형성된다. 따라서, 본 실시예에 따른 PSS를 이용하여 제작되는 반도체 발광소자(70)는, 제조 공정 중에 전기절연체인 SSS(882)를 LLO 공정을 이용하여 희생층(884)을 통해서 제거한 후에 별도의 제 3 지지기판 같은 지지대(support)가 없어도 두꺼운 히트 씽크층(886)이 반도체 발광소자의 다층 발광구조체를 지탱할 수 있게 된다.As illustrated in FIG. 7, the high performance vertical semiconductor light emitting device 70 may include a first ohmic contact electrode 780, a buffer layer 710, and an n-type semiconductor cladding layer 720. A light-emitting active layer 730, a p-type semiconductor cladding layer 740, a second ohmic contact electrode 750, and a first bonding layer 760 are stacked. The second bonding layer 888 and the heat sink layer 886 are stacked on the first bonding layer 760. Therefore, in the semiconductor light emitting device 70 fabricated using the PSS according to the present embodiment, after the SSS 882, which is an electrical insulator, is removed through the sacrificial layer 884 by using the LLO process, a separate third light emitting device 70 may be used. Even without a support such as a support substrate, the thick heat sink layer 886 can support the multilayer light emitting structure of the semiconductor light emitting device.
더욱 바람직하게 상기 제 1 오믹접촉 전극(780)은 상기 버퍼층(710)을 제거한 후에 상기 n형 반도체 클래드층(720) 상면에 형성될 수 있다.More preferably, the first ohmic contact electrode 780 may be formed on an upper surface of the n-type semiconductor clad layer 720 after removing the buffer layer 710.
도 8의 (a) 내지 (h)는 본 실시예에 따른 PSS를 이용한 고성능 수직구조의 발광소자의 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도들이다. 도 8의 (a) 내지 (g)는 PSS의 히트 씽크층(886)의 두께 차이를 제외하고는, 도 6의 (a) 내지 (g)와 동일하므로, 도 6과 중복되는 설명은 생략한다.8A to 8H are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a light emitting device having a high performance vertical structure using the PSS according to the present embodiment. 8 (a) to (g) are the same as FIG. 6 (a) to (g) except for the difference in thickness of the heat sink layer 886 of the PSS, a description overlapping with FIG. 6 will be omitted. .
도 8의 (a) 내지 (g)에 도시된 바와 같이, 전술한 제 1 실시예에서와 동일한 제조 공정을 거쳐 본 실시예에 따른 PSS를 이용하여 반도체 발광소자를 제작한 후 PSS의 SSS(882)를 제거한다. 다음, 도 8의 (h)에 도시된 바와 같이, 수직방향으로(도 8의 (h)의 A-A' 화살표 방향) 절단하여 최종적으로 도 7에 도시된 발광소자(70)인 LED 칩을 제작한다. 본 실시예에 따른 반도체 발광소자(70)의 제작에 사 용되는 PSS(880)는 두꺼운 히트 씽크층(886)을 구비함으로써, 별도의 제 3 지지기판을 본딩하지 않더라도 두꺼운 히트 씽크층이 다층의 반도체 발광소자를 지탱할 수 있게 된다.As shown in (a) to (g) of FIG. 8, after fabricating a semiconductor light emitting device using the PSS according to the present embodiment through the same manufacturing process as in the first embodiment described above, the SSS 882 of the PSS ). Next, as shown in FIG. 8 (h), the LED chip, which is the light emitting device 70 shown in FIG. . The PSS 880 used to fabricate the semiconductor light emitting device 70 according to the present exemplary embodiment includes a thick heat sink layer 886, so that the thick heat sink layer may have a multi-layer structure even if the third support substrate is not bonded. The semiconductor light emitting device can be supported.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 특히 사파이어 성장기판 상부에 그룹 3-5족 질화물계 반도체를 성장함으로써 제작되는 호모에피택셜 그룹 3-5족 질화물계 반도체 성장기판, 그룹 3-5족 질화물계 반도체 다층 박막을 이용한 수직 구조의 레이저다이오드(laser diode) 및 트랜지스터(transistor) 등을 포함한 각종 광전자 소자도 응용이 가능하다는 점도 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings, it is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be. In particular, a homogeneous group III-nitride-based semiconductor growth substrate and a group III-nitride-based semiconductor multilayer thin film fabricated by growing a group III-nitride-based semiconductor on the sapphire growth substrate, and a vertical laser diode It will be appreciated that various optoelectronic devices, including laser diodes and transistors, can also be applied. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
도 1은 종래의 기술에 따라 수직구조의 반도체 발광소자를 제조함에 있어서, 일반적으로 행해지는 레이저 리프트 오프(laser lift-off; LLO) 공정을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a laser lift-off (LLO) process that is generally performed in manufacturing a semiconductor light emitting device having a vertical structure according to the related art.
도 2는 종래의 기술에 따라, 레이저 리프트 오프(laser lift off; LLO) 공정을 행하기 전, 그룹 3-5족 질화물계 반도체 단결정 박막 성장방향에 구조적으로 안정하며 강하게 밀착되어 있는 지지기판이 형성된 단면도들이다.FIG. 2 illustrates a structure in which a support substrate is structurally stable and tightly adhered to a group 3-5 nitride-based semiconductor single crystal thin film growth direction before performing a laser lift off (LLO) process according to the related art. Cross-sectional views.
도 3은 종래의 기술에 따라, LLO 공정과 구조적으로 안정하며 강하게 밀착되어 있는 지지기판을 접목하여 제작한 수직구조의 그룹 3-5족 질화물계 반도체 발광소자의 단면도들이다.3 is a cross-sectional view of a group 3-5 nitride-based semiconductor light emitting device having a vertical structure manufactured by incorporating a support substrate that is structurally stable and strongly adhered to the LLO process according to the related art.
도 4의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 준비된 지지기판 (prepared supporting substrate; 이하 'PSS'라 한다)들을 예시적으로 도시한 적층 단면도들이다.4A to 4F are stacked cross-sectional views illustrating exemplary prepared supporting substrates (hereinafter, referred to as 'PSS') according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 PSS를 이용하여 제작된 최종적인 단일칩 형태의 수직구조의 반도체 발광소자인 LED의 제 1 실시예를 도시한 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of an LED which is a semiconductor light emitting device having a vertical single chip shape manufactured using PSS according to the present invention.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직구조의 반도체 발광소자의 제조 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.6 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of a semiconductor light emitting device having a vertical structure according to a first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 PSS를 이용하여 제작된 최종적인 단일칩 형태의 수직구조의 반도체 발광소자인 LED의 제 2 실시예를 도시한 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view showing a second embodiment of an LED which is a semiconductor light emitting device having a vertical single chip shape manufactured using PSS according to the present invention.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직구조의 반도체 발광소자의 제조 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.8 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of a semiconductor light emitting device having a vertical structure according to a second embodiment of the present invention.
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