KR20100061062A - 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
질화물 단결정 박막의 성장 방법이 개시된다. 본 질화물 단결정 박막의 성장 방법은, 질화물 단결정 성장용 기판 상에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계, 질화물 단결정 성장용 기판의 상면이 일부 노출되도록 절연 마스크층을 형성하는 단계, 노출된 질화물 단결정 성장용 기판의 상면으로부터 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계 및 질화물 단결정 성장용 기판 및 절연 마스크층을 식각하여 질화물 단결정 박막을 분리시키는 단계를 포함한다.
질화물 단결정 박막, 대구경, 측방향 성장
Description
본 발명은 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대구경의 질화물 단결정 성장용 기판을 이용한 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
질화물계 화합물은 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 결정으로서, 가시광 및 자외선을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이 같은 발광소자는, 성장용 기판 상에 발광소자용 박막을 증착하고, 이를 칩 단위로 가공하여 패키지하는 공정을 거쳐 제조될 수 있다. 이 경우, 발광소자의 생산성을 증가시키기 위해서는 4인치 이상의 대구경 성장용 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
일반적으로 질화물계 화합물은 결정성장을 위해 격자정합 조건을 만족하는 상용기판이 존재하지 않으므로, 대구경 성장용 기판으로 통상 사파이어 기판이나 SiC기판 혹은 Si 등의 기판을 이용하여 제조되었다. 이러한 사파이어 기판이나 SiC 혹은 Si 기판은 질화물계 화합물과 격자상수가 일치하지 않으므로, 격자상수 차이로 인해 고품위의 질화물계 화합물을 성장시키는 것이 매우 어렵다.
특히, 발광소자 제조시, 성장용 기판 상에 증착된 발광소자용 박막을 저온 냉각하는 경우, 성장용 기판과 발광소자용 박막이 휘어지는 현상이 발생하게 된다. 또한, 이러한 현상은 성장용 기판의 사이즈가 커질수록 두드러지게 된다. 이 같이, 발광소자용 박막이 휘어지는 경우, 박막 내에서의 온도 구배가 야기되어 발광소자용 박막을 구성하는 InGaN계 활성층에서 In 조성이 변화하게 된다.
또한, 발광소자용 박막이 휘어짐에 따라, 칩 가공 공정에서 정확한 정렬(align)이 어려우며 발광소자용 박막의 파손이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 대구경의 질화물 단결정 성장용 기판을 이용하여 대구경이며 고품질의 박막을 형성할 수 있는 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 박막의 성장 방법은, 질화물 단결정 성장용 기판 상에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계, 상기 질화물 단결정 성장용 기판의 상면이 일부 노출되도록 절연 마스크층을 형성하는 단계, 상기 노출된 질화물 단결정 성장용 기판의 상면으로부터 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계 및 상기 질화물 단결정 성장용 기판 및 절연 마스크층을 식각하여 상기 질화물 단결정 박막을 분리시키는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 질화물 단결정 성장용 기판은, 사파이어 기판, SiC 기판, 사파이어, SiC, Si, ZnO 및 MgO 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
또한, 상기 절연 마스크층은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 적어도 하나 이상의 관통홀은 레이저 조사 및 유도결합 플라즈 마 식각중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으며, 상기 적어도 하나 이상의 관통홀은 수평 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 상기 다각형은 n개의 선분으로 이루어진 n각형이며, 여기서, n은 3이상의 자연수인 것이 바람직하다.
본 제조 방법에 이용되는 상기 질화물 단결정 성장용 기판은 4인치 이상의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 질화물 단결정의 성장용 기판 상에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계, 상기 성장용 기판 상에 상기 성장용 기판의 상면이 일부 노출되도록 절연 마스크층을 형성하는 단계, 상기 노출된 성장용 기판의 상면으로부터 제1 질화물 단결정층을 측방향 성장시키는 단계 및 상기 제1 질화물 반도체층 상에 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 질화물 단결정의 성장용 기판은, 사파이어 기판, SiC 기판, 사파이어, SiC, Si, ZnO 및 MgO 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 절연 마스크층은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 제조 방법은, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 도전성을 갖는 지지 기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 성장용 기판 및 절연 마스크층을 식각하여 상기 제1 질화물 단결정층을 노출시키는 단계, 상기 노출된 제1 질화물 단결정층 상에 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 지지 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 질화물 단결정 성장용 기판은 4인치 이상의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 4인치 이상의 대구경의 질화물 단결정 성장용 기판을 이용하여 질화물 단결정 박막을 형성할 수 있다. 이에 따라, 대구경이며, 고품질의 질화물 단결정 박막을 형성할 수 있게 된다. 또한, 질화물 단결정 박막을 이용하여 질화물 반도체 발광소자를 제조함으로써, 발광소자의 제조 수율을 증가시킬 수 있게 되어 생산성 및 제조 비용의 측면에서 향상된 효과를 갖는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 박막의 성장 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a를 참조하면, 질화물 단결정 성장용 기 판(110)을 마련하여 적어도 하나 이상의 관통홀(120)을 형성한다. 이 경우, 질화물 단결정 성장용 기판(110)은 사파이어 기판, SiC 기판, 사파이어, SiC, Si, ZnO 및 MgO 중 어느 하나의 기판일 수 있으며, 이들 기판은 4인치 이상의 대구경을 갖는 것일 수 있다.
한편, 관통홀(120)은 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 레이저 조사 또는 유도결합 플라즈마 식각을 통해 형성할 수 있다. 이 경우, 질화물 단결정 성장용 기판(110)에 형성되는 관통홀(120)의 크기 및 개수는 제한되지 않는다. 또한, 관통홀(120)의 수평 단면도 제한되지 않으며, 예를 들어, 원형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있으며, 다각형은 n개의 선분으로 이루어진 n각형이며, 여기서, n은 3이상의 자연수이다.
다음, 도 1b를 참조하면, 관통홀(120)이 형성된 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 절연 마스크층(130)을 형성한다. 이 경우, 절연 마스크층(130)은 관통홀(120)을 제외한 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 형성되되, 질화물 단결정 성장용 기판(110)의 일부가 노출되도록 질화물 단결정 성장용 기판(110)보다 작은 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 절연 마스크층(130)이 형성되어 있는 형태는 질화물 단결정 성장용 기판(110)의 상면을 도시한 도 1c를 통해 보다 명확하게 알 수 있다. 여기서, 관통 홀(120)의 수평 단면 형상을 원형으로 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1c를 참조하면, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 절연 마스크층(130)이 형성되어 있으며, 관통홀(120)과 절연 마스크층(130) 사이의 공간을 통해 질화물 단결정 성장용 기판(110)이 노출되어 있다. 이 경우, 절연 마스크층(130)은 질화물 단결정 박막이 형성되고 난 후 식각되는 것으로, SiO2 또는 SiN 물질이 이용될 수 있다.
이 후, 도 1d를 참조하면, 절연 마스크층(130)이 형성된 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 ELOG(Epitaxy Lateral Over-Growth) 방법을 이용하여 질화물 단결정 박막(140)을 측방향 성장시킨다. 구체적으로, 질화물 단결정 박막(140)은 질화물 단결정 성장용 기판(100)의 상면 중 노출된 영역에서 성장을 시작하여 화살표와 같이 절연 마스크층(130)의 상면으로 측방향 성장하게 된다.
측방향 성장에 따라, 관통홀(120)의 윗부분에서 합체되어 도 1d에 도시된 것과 같이 질화물 단결정 성장용 기판(110)에 평행한 형태의 질화물 단결정 박막(140)이 형성된다. 이 경우, 관통홀(120)의 윗부분에서의 합체가 용이하게 이루어지기 위해서는, 관통홀(120)의 크기(예를 들어, 직경)이 크지 않은 것이 바람직하다.
한편, 질화물 단결정 박막(140)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y ≤1) 조성을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 유기금속 화합 기상증착법, 분자빔 성장법 등을 이용하여 성장될 수 있다.
또한, 질화물 단결정 박막(140) 성장시, 성장 압력, 성장 온도 및 Ⅲ/Ⅴ 비 등을 조절하여 측면 성장 속도 및 수직 성장 속도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 질화물 단결정 박막(140) 상에 질화물 단결정 박막(140)을 형성하는 경우 처음에는 측면 성장 속도가 빠르도록 온도, 압력 및 Ⅲ/Ⅴ 비 등을 조절하고, 관통홀(120)의 윗부분에서 합체가 이루어지면 수직 성장 속도가 빠르도록 온도, 압력 및 Ⅲ/Ⅴ 비 등을 조절할 수 있다.
이 후, 도 1e에서와 같이, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 및 절연 마스크층(130)을 습식 식각하여 질화물 단결정 박막(140)을 분리시킨다. 이 경우, 절연 마스크(130)는 수백 ㎚에서 수 ㎛ 두께로 형성되는 것으로, 절연 마스크(130)층이 식각되더라도 질화물 단결정 박막(140)은 노출면은 거의 평면을 유지할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 도 1a 내지 도 1e에 도시된 방법으로 제조된 질화물 단결정 박막(140)은 질화물 단결정 성장용 기판(110)과의 격자 상수 불일치로 인해 발생하는 전위 결함 등을 감소시켜 그 결정성이 향상된다. 또한, 4인치 이상의 대구경의 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 형성되는 것으로, 대구경의 질화물 단결정 박막(140)을 형성할 수 있으며, 휘어지거나 변형 및 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a를 참조하면, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 제1 질화물 단결정층(151), 활성층(153) 및 제2 질화물 단결정층(155)을 증착하여 발광구조물(150)을 형성한다. 이 경우, 제1 질화물 단결정층(151)은 도 1a 내지 도 1e에 도시된 바와 같이, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 관통홀(120)을 형성한 후, 절연 마스크층(130)을 형성하여 측방향 성장시키는 방법을 통해 형성될 수 있다.
한편, 발광 구조물(150)은 4인치 이상의 대구경을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 형성되는 것으로, 질화물 단결정 성장용 기판(110)의 크기에 대응되어 대구경을 갖게 된다.
또한, 절연 마스크층(130)이 형성된 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 제1 질화물 단결정층(151)을 측방향 성장시킴에 따라, 질화물 단결정 성장용 기판(110)과의 격자 상수 불일치로 인해 발생하는 전위 결함 및 휨이나 깨짐 등과 같은 변형이 감소되어 그 결정성이 향상된다.
제1 질화물 단결정층(151)이 형성되면, 그 상부에 활성층(153) 및 제2 질화물 단결정층(155)을 순차적으로 성장시켜, 발광 구조물(150)을 형성한다. 이 경우, 제1 질화물 단결정층(151), 활성층(153) 및 제2 질화물 단결정층(155)은 AlxInyGa(1- x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 유기금속 화합 기상증착법, 분자빔 성장법 등을 이용하여 성장될 수 있다.
이 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 질화물 반도체층(155) 상에 발광 구조물(150)을 지지하기 위한 지지 기판(160)을 형성한다. 이 경우, 지지 기판(160)은 도전성을 갖는 물질로써, Si 기판, GaAs 기판 또는 금속 기판이 이용될 수 있다.
다음, 도 2c에서 도시된 바와 같이, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 및 절연 마스크층(130)을 습식 식각하여 제1 질화물 단결정층(151)을 분리시킨다. 그리고, 제1 질화물 단결정층(151) 상에 적어도 하나 이상의 제1 전극(180)을 형성하고, 지지 기판(160) 상에 제2 전극층(180)을 형성하여 도 2d에 도시된 것과 같은 구조물을 형성한다. 이 경우, 발광구조물(150)은 4인치 이상의 대구경을 갖는 것으로, 칩 소자 단위로 분리하여 다수의 발광소자를 제조할 수 있다. 이를 고려하여, 발광구조물(150), 즉, 제1 질화물 단결정층(151)이 상면에는 칩 소자 영역 별로 제1 전극(180)이 형성될 수 있다.
이 후, 도 2e에서와 같이에 도시된 구조물을 칩 단위로 분리하여 다수의 반도체 발광소자를 제조할 수 있게 된다. 이 같은 방법에 의해 제조된 반도체 발광소 자는 고품위 결정성을 갖는 것으로 발광효율이 향상된다. 또한, 대구경을 갖는 발광구조물(150)의 분리를 통해 다수의 반도체 발광소자가 형성되는 것으로, 제조 수율이 증가되어 생산성을 향상시키고, 제조 원가를 낮출수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 적정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 박막의 성장 방법을 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
110 : 질화물 단결정 성장용 기판 120 : 관통홀
130 : 절연 마스크층 140 : 질화물 단결정 박막
150 : 발광구조물 151 : 제1 질화물 단결정층
153 : 활성층 155 : 제2 질화물 단결정층
160 : 지지 기판 170 : 제2 전극층
180 : 제1 전극
Claims (13)
- 질화물 단결정 성장용 기판 상에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계;상기 질화물 단결정 성장용 기판의 상면이 일부 노출되도록 절연 마스크층을 형성하는 단계;상기 노출된 질화물 단결정 성장용 기판의 상면으로부터 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계; 및,상기 질화물 단결정 성장용 기판 및 절연 마스크층을 식각하여 상기 질화물 단결정 박막을 분리시키는 단계;을 포함하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 단결정 성장용 기판은,사파이어 기판, SiC 기판, 사파이어, SiC, Si, ZnO 및 MgO 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연 마스크층은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나 이상의 관통홀은 레이저 조사 및 유도결합 플라즈마 식각중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 제4항에 있어서,상기 적어도 하나 이상의 관통홀은 수평 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 상기 다각형은 n개의 선분으로 이루어진 n각형이며, 여기서, n은 3이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 단결정 성장용 기판은 4인치 이상의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막의 성장 방법.
- 질화물 단결정의 성장용 기판 상에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계;상기 성장용 기판 상에 상기 성장용 기판의 상면이 일부 노출되도록 절연 마스크층을 형성하는 단계;상기 노출된 성장용 기판의 상면으로부터 제1 질화물 단결정층을 측방향 성장시키는 단계; 및,상기 제1 질화물 반도체층 상에 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 적어도 하나 이상의 관통홀은 수평 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 상기 다각형은 n개의 선분으로 이루어진 n각형이며, 여기서, n은 3이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 질화물 단결정의 성장용 기판은,사파이어 기판, SiC 기판, 사파이어, SiC, Si, ZnO 및 MgO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 절연 마스크층은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 제2 질화물 반도체층 상에 도전성을 갖는 지지 기판을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 성장용 기판 및 절연 마스크층을 식각하여 상기 제1 질화물 단결정층을 노출시키는 단계;상기 노출된 제1 질화물 단결정층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및,상기 지지 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 질화물 단결정 성장용 기판은 4인치 이상의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20120010944A (ko) * | 2010-07-27 | 2012-02-06 | 이형곤 | 박막분리용 기판과 그 제조방법과 분리방법 및 발광다이오드와 그래핀 및 에피웨이퍼 |
| WO2012060600A2 (ko) * | 2010-11-03 | 2012-05-10 | Lee Hyeonggon | 기판과 분할기구, 성장박막 및 성장, 분리, 가열방법, 에피웨이퍼, 발광다이오드 |
-
2008
- 2008-11-28 KR KR1020080119940A patent/KR20100061062A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20120010944A (ko) * | 2010-07-27 | 2012-02-06 | 이형곤 | 박막분리용 기판과 그 제조방법과 분리방법 및 발광다이오드와 그래핀 및 에피웨이퍼 |
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| WO2012060600A3 (ko) * | 2010-11-03 | 2012-09-07 | Lee Hyeonggon | 기판과 분할기구, 성장박막 및 성장, 분리, 가열방법, 에피웨이퍼, 발광다이오드 |
| CN103348444A (zh) * | 2010-11-03 | 2013-10-09 | 李亨坤 | 基板和分割机构、生长薄膜及生长方法、分离方法、加热方法、外延晶片、发光二极管 |
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