KR20140035062A - 질화갈륨계 반도체 소자를 제조하는 방법 - Google Patents

질화갈륨계 반도체 소자를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법이 개시된다. 이 방법은, 하부면 및 상부면을 갖는 질화갈륨 기판을 준비하고, 질화갈륨 기판의 상부면 측에 질화갈륨 계열의 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층 구조체를 형성하고, 와이어 커팅 기술을 이용하여 반도체 적층 구조체로부터 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하는 것을 포함한다. 이에 따라, 질화갈륨 기판을 반도체 적층 구조체로부터 쉽게 분리할 수 있다.

Description

질화갈륨계 반도체 소자를 제조하는 방법{METHOD OF FABRICATING GALLIUM NITRDED BASED SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 질화갈륨계 반도체 소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히, 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용하여 수직형 구조의 질화갈륨계 발광 다이오드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장되어 왔다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 이용하여 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 사파이어와 같은 이종 기판과 그 위에 성장된 에피층은 서로 다른 물성을 갖기 때문에, 이들 사이의 계면을 이용하여 용이하게 성장 기판을 분리할 수 있다. 분리된 이종 기판은 표면 가공을 거쳐 성장 기판이나 다른 용도로 재사용될 수 있다.
그러나, 이종 기판 상에 성장된 에피층은 성장 기판과의 격자 부정합 및 열팽창 계수 차이에 기인하여 전위 밀도가 상대적으로 높다. 사파이어 기판 상에 성장된 에피층은 일반적으로 1E8/㎠ 이상의 전위밀도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 높은 전위밀도를 갖는 에피층으로는 발광 다이오드의 발광 효율을 개선하는데 한계가 있다.
최근, 이종 기판 상에 성장함으로써 발생되는 결정 결함을 감소시키기 위해, 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용하려는 시도가 있다. 질화갈륨 기판은 그 위에 성장되는 질화갈륨계 반도체층과 동종기판이므로, 결정 결함을 대폭 감소시켜 양질의 질화갈륨계 반도체층을 성장시킬 수 있다.
그러나, 질화갈륨 기판은 그 위에 성장된 질화갈륨계 반도체층과 동종기판이므로, 기판과 에피층의 계면을 이용하여 성장 기판을 분리하는 것이 곤란하다. 이에 따라, 에피층 성장이 완료된 후, 질화갈륨 기판을 연마하여 제거하는 것이 고려되고 있다. 그러나 이 경우, 질화갈륨 기판을 재사용할 수 없어 전체 생산 비용이 증가한다.
한편, 종래 사파이어 기판을 분리하기 위해 사용되는 레이저 리프트 오프 기술을 응용하여 질화갈륨 기판을 에피층으로부터 분리하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 질화갈륨 기판은 그 위에 성장된 에피층과 동종이므로, 레이저 리프트 오프에 선택될 수 있는 레이저의 파장 범위가 대단히 좁다. 따라서, 선택된 레이저를 조사할 경우, 레이저의 대부분이 상대적으로 두꺼운 질화갈륨 기판을 통과하는 동안 기판에 흡수되어 손실될 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 질화갈륨 기판을 에피층으로부터 쉽게 제거할 수 있는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 질화갈륨 기판을 성장기판으로서 재사용할 수 있는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법은, 하부면 및 상부면을 갖는 질화갈륨 기판을 준비하고, 상기 질화갈륨 기판의 상부면 측에 질화갈륨 계열의 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층 구조체를 형성하고, 와이어 커팅 기술을 이용하여 상기 반도체 적층 구조체로부터 상기 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하는 것을 포함한다.
와이어 커팅 기술을 이용하여 질화갈륨 기판을 분리하기 때문에, 그라인딩과 달리, 질화갈륨 기판의 손실을 감소시킬 수 있으며, 분리된 질화갈륨 기판을 성장기판으로 재사용할 수 있다.
나아가, 질화갈륨 기판 상에 반도체 적층 구조체를 형성함으로써, 상기 반도체 적층 구조체는 5×106/㎠ 이하의 전위 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 결정 결함이 적은 반도체 적층 구조체를 이용하여 다양한 종류의 질화갈륨계 반도체 소자를 제조할 수 있으며, 특히 고효율의 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
한편, 상기 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법은, 상기 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하기 전에 상기 반도체 적층 구조체 상에 지지기판을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법은, 상기 반도체 적층 구조체 측에 잔류하는 질화갈륨 기판 부분을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 잔류하는 질화갈륨 기판 부분은 레이저 리프트 오프, 케미컬 리프트 오프, 건식 식각 또는 그라인딩을 통해 상기 반도체 적층 구조체로부터 제거될 수 있다.
상기 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법은, 상기 질화갈륨 기판과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 희생층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 희생층은 상기 질화갈륨 기판보다 좁은 밴드갭을 가질 수 있다. 나아가, 상기 반도체 적층 구조체 측에 잔류하는 질화갈륨 기판 부분은 상기 희생층을 이용하여 케미털 리프트 오프나 레이저 리프트 오프를 통해 상기 반도체 적층 구조체로부터 제거될 수 있다.
상기 희생층은 탄화실리콘, 질화인듐 또는 질화인듐갈륨으로 형성될 수 있으며, 상기 반도체 적층 구조체를 형성하기 전에 상기 질화갈륨 기판 상에 형성된다.
상기 반도체 적층 구조체로부터 분리된 상기 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨계층이 성장될 수 있다. 즉, 상기 반도체 적층 구조체로부터 분리된 상기 질화갈륨 기판이 성장 기판으로 재사용될 수 있다.
한편, 상기 반도체 적층 구조체는, 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층; 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층; 및 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층과 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함할 수 있으며, 상기 질화갈륨계 반도체 소자는 발광 다이오드일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 와이어 커팅 기술을 이용하여 반도체 적층 구조체로부터 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하기 때문에, 질화갈륨 기판을 쉽게 분리할 수 있다. 또한, 분리된 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 재사용할 수 있다. 나아가, 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용하여 반도체층들을 성장시킴으로써 전위밀도가 낮은 반도체 적층 구조체를 형성할 수 있으며, 이에 따라 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예에 있어서, 수직형 구조의 발광 다이오드 제조 방법에 대해 설명하지만, 본 발명이 반드시 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 우선, 하부면 및 상부면을 갖는 질화 갈륨 기판(21)이 준비된다. 질화갈륨 기판(21)은 HVPE 기술 또는 아모노 써멀 기술을 이용하여 성장된 벌크 단결정으로부터 제조될 수 있다. 특히, 성장 기판으로 사용하기 위해, 질화갈륨 기판(21)의 상부면은 표면 폴리싱 등의 표면 처리를 거쳐 준비된다.
이어서, 질화갈륨 기판(21) 상에 질화갈륨계 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층 구조체(30)가 형성된다. 반도체 적층 구조체(30)는 예컨대, 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(29)을 포함할 수 있다. 활성층(29)은 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)과 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(29) 사이에 위치한다. 여기서, 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 그 반대일 수도 있다.
제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25) 및 제2 도전형 질화갈륨계반도체층(29)은 각각 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 또한, 활성층(27)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 질화갈륨 기판(21) 상에 성장함으로써 반도체층들(25, 27, 29)은 약 5×106/㎠ 이하의 전위 밀도를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 반도체 적층 구조체(30)를 형성하기 전에 질화갈륨 기판(21) 상에 희생층(23)이 먼저 형성될 수 있다. 상기 희생층(23)은 질화갈륨 기판(21)에 비해 좁은 밴드갭을 갖는 물질층, 예컨대 탄화실리콘층, 질화인듐층 또는 질화인듐갈륨층을 포함할 수 있다. 도시한 바와 같이, 희생층(23)은 질화갈륨 기판(21) 상에 직접 형성될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 희생층(23)을 형성하기 전에 질화갈륨 기판(21) 상에 다른 물질층, 예컨대 질화갈륨계층이 먼저 형성될 수도 있다.
반도체 적층 구조체(30) 및 희생층(23)은 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 질화갈륨 기판(21) 상에 성장될 수 있다.
도 2를 참조하면, 반도체 적층 구조체(30) 상에 지지 기판(31)이 형성된다. 지지기판(31)은 도전성 또는 절연성 기판일 수 있다. 지지 기판(31)은 반도체 적층 구조체(30)와 별도로 제작된 후, 본딩 메탈(33)을 통해 반도체 적층 구조체(30)에 부착될 수 있다. 이와 달리, 지지기판(31)은 반도체 적층 구조체(30) 상에서 도금 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 지지기판(31)을 형성하기 전에, 반도체 적층 구조체(30) 상에 반사 금속층이 형성될 수 있으며, 반사 금속층을 보호하기 위한 장벽 금속층 및/또는 절연층이 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 와이어(W) 커팅 기술을 이용하여 질화갈륨 기판(21)을 커팅한다. 상기 와이어(W)는 기판(21)과 반도체 적층 구조체(30)의 계면을 커팅하여 기판(21)을 반도체 적층 구조체(30)로부터 분리할 수도 있으며, 도시한 바와 같이 질화갈륨 기판(21)의 측면으로부터 기판(21)을 커팅할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 질화갈륨 기판(21)의 측면으로부터 기판(21)을 커팅할 경우, 반도체 적층 구조체(30)로부터 기판(21a)이 분리되고, 기판의 일부(21b)는 반도체 적층 구조체(30) 측에 잔류할 수 있다. 도 4(a)는 기판의 일부(21b)가 잔류하는 반도체 적층 구조체(30) 측을 나타내고, 도 4(b)는 와이어 커팅에 의해 반도체 적층 구조체(30)로부터 분리된 기판(21a) 부분을 나타낸다.
상기 반도체 적층 구조체(30) 측에 잔류하는 기판의 일부(21b)는 그라인딩을 통해 제거될 수 있다. 이와 달리, 기판의 일부(21b)는 건식 식각, 레이저 리프트 오프(LLO) 또는 케미컬 리프트 오프(CLO) 기술을 이용하여 반도체 적층 구조체(30)로부터 제거될 수 있다.
예컨대, 희생층(23)이 기판(21)에 비해 좁은 밴드갭을 갖기 때문에, 기판(21)의 밴드갭보다 낮으며 희생층(23)의 밴드갭보다 높은 에너지를 갖는 레이저를 이용하여 기판의 일부(21b)를 제거할 수 있다. 레이저는 반도체 적층 구조체(30) 측에 잔류하는 기판의 일부(21b)를 투과하고 희생층(23)에서 흡수된다. 예를 들어, 레이저는 약 370nm~490nm 범위 내의 파장을 가질 수 있다. 이러한 레이저의 예로는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예컨대, InGaN 레이저, Ti:사파이어 또는 알렉산드라이트(Alexandrite) 등이 있다.
종래의 레이저 리프트 오프 기술을 적용할 경우, 상대적으로 두꺼운 기판(21) 전체 두께를 통해 레이저를 조사해야 하므로, 기판(21)에 의한 에너지 손실이 크다. 이에 따라 레이저 리프트 오프 기술을 이용하여 질화갈륨 기판(21)을 분리하는 것은 생각하기 어렵다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 기판(21)을 와이어 커팅 기술을 이용하여 미리 커팅하기 때문에, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 기판의 일부(21b)를 통해 레이저를 조사할 수 있어, 손실되는 에너지를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 레이저 리프트 오프 기술을 이용하여 잔류하는 기판의 일부(21b)를 쉽게 제거할 수 있다.
도 5를 참조하면, 질화갈륨 기판(21)이 제거되어 노출된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25) 상에 전극(35)이 형성된다. 전극(35)을 형성하기 전에 광전 화학 식각 기술을 이용하여 노출된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면을 거칠게 형성할 수도 있다. 또한, 노출된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면을 건식 또는 습식 식각하여 표면에 잔류하는 불순물이나 손상 영역을 제거할 수 있다.
그 후, 개별 소자로 분리함으로써 수직형 구조의 발광 다이오드가 완성될 수 있다.
한편, 반도체 적층 구조체(30)로부터 분리된 기판(21a)은 질화갈륨계 반도체층을 성장하기 위한 성장 기판으로 재사용될 수 있다. 또한, 성장 기판으로 재사용하기 위해, 분리된 기판(21a) 상에 질화갈륨계층을 성장시켜 상대적으로 그 두께를 회복시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 발광 다이오드의 제조 방법에 대해 설명하였지만, 본 발명은 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니며, 질화갈륨 기판 상에 성장된 질화갈륨계 반도체층들을 이용하여 HEMT와 같은 다양한 질화갈륨계 반도체 소자를 제조할 수 있다.

Claims (8)

  1. 하부면 및 상부면을 갖는 질화갈륨 기판을 준비하고,
    상기 질화갈륨 기판의 상부면 측에 질화갈륨 계열의 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층 구조체를 형성하고,
    와이어 커팅 기술을 이용하여 상기 반도체 적층 구조체로부터 상기 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하는 것을 포함하는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질화갈륨 기판의 적어도 일부를 분리하기 전에 상기 반도체 적층 구조체 상에 지지기판을 형성하는 것을 더 포함하는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 적층 구조체 측에 잔류하는 질화갈륨 기판 부분을 제거하는 것을 더 포함하는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 잔류하는 질화갈륨 기판 부분은 레이저 리프트 오프, 케미컬 리프트 오프, 건식 식각 또는 그라인딩을 통해 상기 반도체 적층 구조체로부터 제거되는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 질화갈륨 기판과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 희생층을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 희생층은 상기 질화갈륨 기판보다 좁은 밴드갭을 갖고,
    상기 반도체 적층 구조체 측에 잔류하는 질화갈륨 기판 부분은 레이저 리프트 오프를 통해 상기 반도체 적층 구조체로부터 제거되는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  6. 청구항 5 있어서,
    상기 희생층은 질화인듐 또는 질화인듐갈륨으로 형성된 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 적층 구조체로부터 분리된 상기 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨계층을 성장시키는 것을 더 포함하는 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 적층 구조체는,
    제1 도전형 질화갈륨계 반도체층;
    제2 도전형 질화갈륨계 반도체층; 및
    제1 도전형 질화갈륨계 반도체층과 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하고,
    상기 질화갈륨계 반도체 소자는 발광 다이오드인 질화갈륨계 반도체 소자 제조 방법.
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