KR20120096215A - 질화물 반도체 발광소자 제조방법 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 성장용 기판 상에 화학적으로 식각가능한 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 질화물을 물리적으로 증착함으로써 상기 희생층을 위한 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 갖는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계; 및 상기 희생층을 화학적으로 식각함으로써 상기 성장용 기판으로부터 상기 발광 구조물을 분리시키는 단계를 포함하여, 상기 발광 구조물의 손상 및 열화가 방지된다.

Description

질화물 반도체 발광소자 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제거 가능한 희생층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 전기에너지를 광에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 에너지 밴드 갭에 따른 특정한 파장의 빛을 내는 화합물 반도체로 구성되며, 광통신 및 모바일 디스플레이, 컴퓨터 모니터 등과 같은 디스플레이, LCD용 평면광원(Back Light Unit: BlU)에서부터 조명의 영역까지 그 사용이 확대되고 있는 추세이다.
그에 따라서, 발광 다이오드는 점점 고출력화가 되고 있으나, 발광 다이오드의 내부에서 발산된 빛의 약 20%는 기판으로 방출되며, 약 72%는 발광 다이오드의 내부에서 소실되므로, 약 8%의 빛만이 발광 다이오드의 표면으로 방출되고 있는 실정이다.
이와 같은 발광 다이오드의 낮은 광추출 효율을 개선하기 위하여, 기판이 제거된 발광 다이오드가 구조가 사용되었으나, 레이저 리프트-오프법(laser lift-off : LLO)에 의하여 성장용 기판과 반도체층을 분리하게 되므로, 레이저 빔의 높은 열에 의해 반도체층이 열화되거나 깨지는 손상이 발생하여 발광 다이오드의 품질이 저하되고 수율이 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적 중의 하나는 성장용 기판과 발광 구조물의 분리 시에 발광 구조물의 손상 및 열화가 방지되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 성장용 기판 상에 화학적으로 식각가능한 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 질화물을 물리적으로 증착함으로써 상기 희생층 상에 위한 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 갖는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계; 및 상기 희생층을 화학적으로 식각함으로써 상기 성장용 기판으로부터 상기 발광 구조물을 분리시키는 단계를 포함하고, 상기 ZnO층은 Zn1 -x- yMgxCdyO으로 표현되며, 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 일 수 있다.
또한, 상기 보호층은 AlN, GaN, InN 또는 그 화합물 중 어느 하나를 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성하되, 10㎚~10㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물은 MOCVD법 또는 MBE법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 희생층은 HCl 또는 HF용액에 의해 식각될 수 있다
또한, 상기 희생층은 H2 분위기의 베이킹(baking)에 의해 식각될 수 있으며, 이때, 베이킹 온도는 500℃~100℃ 일 수 있다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 성장용 기판과 반도체층의 분리시에 반도체층의 손상 및 열화가 방지되어 반도체층의 품질이 향상되며 수율이 향상되는 효과를 가진다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 간략하게 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의해 제작된 질화물 반도체 발광소자의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 간략하게 도시한 개략도이다.
도 1a 내지 도 1g에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 성장용 기판(10) 상에 희생층(20)을 형성하는 단계, 상기 희생층(20) 상에 보호층(30)을 형성하는 단계, 상기 보호층(30) 상에 발광 구조물(40)을 형성하는 단계, 상기 발광 구조물(40) 상에 지지 기판(50)을 제공하는 단계 및 상기 희생층(20)을 식각하여 상기 성장용 기판(10)으로부터 상기 발광 구조물(40)을 분리시키는 단계를 포함한다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 성장용 기판(10)을 준비한 후, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 성장용 기판(10) 상에 화학적으로 식각 가능한 희생층(20)을 형성한다.
상기 성장용 기판(10)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 및 갈륨 인화물(GaP) 기판 중의 어느 하나를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
상기 희생층(20)은 높은 식각율을 가지며, 식각액에 의해 선택적으로 식각되는 층이다. 상기 희생층(20)은 후술할 다른 층에 비하여 상대적으로 높은 식각속도를 가지므로, 식각액에 의해 상기 희생층(20)이 제거되면 상기 성장용 기판(10)과 상기 발광 구조물(40)이 분리되는 것이다.
또한, 상기 희생층(20)은 후술할 보호층(30)을 형성하기 위한 형판(template)의 기능을 한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 희생층(20)으로 ZnO층을 사용할 수 있으며, 상기 ZnO층은 Zn의 적어도 일부를 Cd 또는 Mg로 치환하여, Zn1 -x- yMgxCdyO로 표현되는 산화물을 사용할 수도 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
이와 같이, ZnO층에 Cd 또는 Mg를 합금하면, 상기 ZnO층 상에 후속 성장되는 결정층(예를 들어 보호층(30))과의 격자 상수 차이를 완화시킬 수 있으므로, 후속성장되는 결정층을 더욱 안정적으로 형성할 수 있다.
상기 ZnO과 같은 물질은 HCl과 같은 산에 매우 빠르게 식각되는 특성을 가지고 있으므로, 후술한 화학적 식각공정을 통해, 상기 희생층(20)이 제거됨으로써 상기 성장용 기판(10)과 상기 발광 구조물(40)이 분리되는 것이다.
이와 같이 ZnO층을 사용하여 상기 희생층(20)을 형성할 경우에, 상기 희생층(20)은 성장용 기판(10) 상에 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition : MOCVD)으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 희생층(20)은 10㎚~10㎛의 두께로 형성하여 후술할 화학적 식각에 의해 빠르게 제거될 수 있게 할 수도 있다.
그 다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(20) 상에 질화물을 물리적으로 증착함으로서 상기 희생층(20) 상에 보호층(30)을 형성한다.
상기 보호층(30)은 AlN, GaN, InN 또는 그 화합물 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의하여 상기 희생층(20) 상에 증착할 수 있다.
상기 보호층(30)은 질화물 반도체층을 성장시키는 유기금속 기상증착(MOCVD) 공정에 주로 사용되는 H2와 NH3에 의해 희생층(20)이 식각되는 것을 방지하기 위해 형성한다.
앞서 설명한 바와 같이 ZnO과 같은 물질로 형성된 상기 희생층(20)은 매우 불안정하여 쉽게 휘발되므로, 이와 같은 상기 희생층(20) 상에 질화물 반도체층을 형성하기 위해서는 N2 분위기의 유기금속 기상증착(MOCVD) 공정을 사용할 수 밖에 없게 되는데, 이와 같은 N2 분위기의 유기금속 기상증착(MOCVD) 공정에서 제조된 질화물 반도체층은 품질이 낮은 단점이 있다.
그러므로, 상기 희생층(20)을 유지하며, 고품질의 질화물 반도체층을 얻을 수 있는 H2 분위기의 유기금속 기상증착(MOCVD) 공정을 거치기 위해서는 H2에 의해 상기 희생층(20)이 휘발되는 것을 방지할 수 있는 보호층(30)이 필요하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 보호층(30)은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)과 같은 물리적 방법에 의해 증착되므로, 화학적 방법에 의해 상기 희생층(20)이 손상되는 것이 방지되는 것이다.
이와 같이, 상기 보호층(30)은 상기 희생층(20)이 상기 발광 구조물(40) 형성단계에서 유기금속 기상증착(MOCVD) 공정에 의해 손상되는 것을 방지하여, 화학적 식각단계까지 상기 희생층(20)이 유지될 수 있게 한다.
그 다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 보호층(30)의 상에 다층구조의 반도체층을 갖는 발광 구조물(40)을 형성한다.
상기 발광 구조물(40)은 제1 도전형 질화물 반도체층(42), 활성층(45) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(47)을 포함하며, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(42)은 n형 반도체층을, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(47)은 p형 반도체층을 포함한다.
상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 AlxInyGa1 -x- yN 조성식을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 사용될 수 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
본 실시예에서는 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(42, 47)으로 GaN층을 사용할 수 있으며, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(42)으로 n-GaN을, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(47)으로 p-GaN을 사용할 수 있다.
상기 발광 구조물(40)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition : MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy : MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy : HVPE)등으로 성장될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(42)의 하부에는 버퍼(buffer)층(41)을 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 언도프-GaN을 사용할 수 있다.
상기 활성층(45)은 가시광(약 350㎚?680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 단일 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well : MQW )구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성된다.
상기 활성층(45)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 예를 들어 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다.
이때, 상기 활성층(45)은 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(42, 47)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔성장법 및 하이브리드 기상증착법 등으로 성장될 수 있다.
그 다음으로, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 발광 구조물(40) 상에 지지 기판을(50) 부착한다.
상기 지지 기판(50)은 발광 구조물(40)이 부착되는 기판으로, 다양한 종류의 기판을 사용할 수 있으며, 특정한 종류의 기판을 한정하는 것은 아니다.
그 다음으로, 도 1f에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(20)을 화학적 식각하여 상부에 형성된 상기 보호층(30), 상기 발광 구조물(40) 및 상기 지지 기판(50)을 상기 성장용 기판(10)으로부터 분리한다.
앞서 설명한 바와 같이, ZnO과 같은 물질로 구성된 상기 보호층(30)은 HCl과 같은 산에 매우 빠르게 식각되는 특성을 가지고 있으므로, 다층구조의 반도체층인 상기 발광 구조물(40)과 성장용 기판(10)이 분리된다.
상기 화학적 식각은 산성용액을 이용한 습식식각으로 수행될 수 있다. 이때 사용되는 산성용액은, HCl, HF, HF/BOE(Buffered Oxide Etchant) 및 HNO3 등과 같은 식각용액이 사용될 수 있다.
또한, 상기 화학적 식각은 H2 분위기에서 베이킹(baking)하는 방법으로도 수행가능하다. 이때, 상기 베이킹은 500℃~1000℃의 온도로 수행될 수 있다.
이와 같이, 상기 성장용 기판(10)을 화학적 식각을 통하여 리프트-오프하면, 레이저를 사용하여 리프트-오프하는 방법에 비하여 GaN을 포함하는 반도체층의 열화가 발생하지 않으므로, 더욱 고품질의 발광 다이오드를 제작할 수 있으며, 반도체층이 손상이 감소되어 수율이 증가되는 장점이 있다.
그 다음으로, 도 1g에 도시된 바와 같이, 상기 발광 구조물 상의 일 영역에 n형 전극(100)을 형성하여 원하는 질화물 반도체 발광소자를 제조한다. 이때, 상기 n형 전극(100)은 Au 또는 Cr/Au 등과 같은 금속 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 질화물 반도체 제조방법은, 상기 발광 구조물을 형성하는 단계에서 전자장벽층(electron blocking layer : EBL) 또는 초격자(superlattices)층이 더 형성될 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 앞서 설명한 제1 실시예와 같이, 상기 성장용 기판(10) 상에 상기 희생층(20)을 형성한 후, 상기 희생층(20) 상에 상기 보호층(30)을 형성한다.
그 다음으로, 상기 보호층(30) 상에 제2 도전형 질화물 반도체층(47), 전자장벽층(electron blocking layer : EBL)(46), n-초격자(n-superlattices)층(43), 제1 도전형 질화물 반도체층(42), 버퍼층(41)으로 구성되는 발광 구조물(40')을 형성한다.
상기 n-초격자층(43)은 상기 제1 도전형 반도체층(42)과 상기 활성층(42)과의 격자상수 차이를 완화시킬 수 있다.
상기 전자장벽층(46)층은 전자가 상기 활성층(45)에서 정공과 재결합하지 않고, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(47)으로 넘어오는 것을 방지하여, 발광 소자의 내부양자 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
그 다음으로, 앞서 설명한 제1 실시예와 같이 상기 발광 구조물(40') 상에 상기 지지 기판(50)을 부착한 후, 상기 희생층(20)을 화학적으로 식각하여 상기 성장용 기판(10)과 상기 발광 구조물(40')을 분리시킨다.
그 다음으로, 상기 발광 구조물(40')의 제1 도전형 반도체층(42) 상의 일 영역에 n형 전극(100)을 형성하면, 원하는 질화물 반도체 발광소자가 제조된다. 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의해 제조된 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
10 : 성장용 기판 20 : 희생층
30 : 보호층 40, 40' : 발광 구조물
41 : 버퍼층 42 : 제1 도전형 질화물 반도체층
43 : n-초격자층 45 : 활성층
46 : 전자장벽층 47 : 제2 도전형 질화물 반도체층
50 : 지지 기판 100 : n형 전극

Claims (11)

  1. 성장용 기판 상에 화학적으로 식각가능한 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상에 질화물을 물리적으로 증착함으로써 상기 희생층 상에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 갖는 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 희생층을 화학적으로 식각함으로써 상기 성장용 기판으로부터 상기 발광 구조물을 분리시키는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 희생층은 ZnO층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ZnO층은 10㎚~10㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 희생층은 Zn1 -x- yMgxCdyO으로 표현되는 산화물이며, 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 AlN, GaN, InN 또는 그 화합물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 보호층은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 MOCVD법 또는 MBE법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 ZnO층은 HCl 용액에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 ZnO층은 HF 용액에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 ZnO층은 H2 분위기의 베이킹(baking)에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 H2 분위기의 베이킹(baking)은 500℃~1000℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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CN104810444A (zh) * 2015-03-04 2015-07-29 华灿光电(苏州）有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管芯片制备及衬底回收方法

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CN104810444A (zh) * 2015-03-04 2015-07-29 华灿光电(苏州）有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管芯片制备及衬底回收方法
CN104810444B (zh) * 2015-03-04 2018-01-09 华灿光电(苏州）有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管芯片制备及衬底回收方法

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