KR101697462B1 - 수직형 자외선 발광소자, 이의 제조 방법, 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직형 자외선 발광소자, 이의 제조 방법, 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자를 제조하는 방법으로서, (a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계; (b) 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단결정 AlN층 상에 UV LED 에피를 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계는 비연속 공정으로 이루어지는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 수직형 자외선 발광소자, 이의 제조 방법, 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 220~340㎚의 자외선을 방출하는 자외선 발광소자는 1300℃ 이상의 고온 MOCVD 장비에서 제조되었다. 보다 구체적으로는 종래의 자외선 발광소자는 1300℃ 이상의 고온 MOCVD 장비에서 사파이어 기판 상에 1㎛ 이상의 두께를 갖는 AlN 질화물반도체를 모체로 하여 원하는 자외선 파장대역(UV-C : 220~280㎚,UV-B : 280~340㎚)에 맞게 n-AlGaN 질화물반도체와 다중양자우물 활성층과 p-AlGaN 질화물반도체 및 최종적으로 p-GaN 전극 접촉층을 성장시키는 방법으로 제조되었다.
기존 UV-B/C LED는 AlN 기판 또는 AlN 템플릿(Template) 상에 성장이 되었기 때문에 Flip chip으로만 제작이 가능하다.
자외선 발광소자를 수직형(Vertical)으로 제조하기 위해 Laser Lift Off의 과정이 필요하고 사파이어 상에 GaN 층을 반드시 필요로 한다.
그러나 GaN와 AlN의 결정 격자 차이는 GaN층 상에 바로 단결정 AlN층의 성장을 불가능한 것으로 알려져 있다.
이러한 문제를 해결하고자 AlGaN 초격자층, AlGaN 내 Al 조성 변화층을 제공하는 등 다양한 기술을 시도하고 있으나, 다른 층을 게재시키는 경우, 자외선 발광소자 제작에 필요하지 않은 층을 성장/제거시키는 공정이 필요하기 때문에 제조 비용의 상승하는 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2008-0008306(2008.01.23. 공개)에 개시된 자외선 발광소자와 그 제조방법이 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 휨 특성이 개선되며 수율이 향상될 수 있는 수직형 자외선 발광소자, 이의 제조 방법, 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 및 이의 제조 방법을 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자를 제조하는 방법으로서, (a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계; (b) 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단결정 AlN층 상에 UV LED 에피를 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계는 비연속 공정으로 이루어지는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법이 제공된다.
상기 반응 챔버는 MOCVD 반응 챔버이고, 상기 (a) 단계는 상기 MOCVD 반응 챔버에서 미리 설정된 온도 및 압력 조건에서 상기 사파이어 기판 상에 상기 GaN을 포함하는 단결정 층을 성장시키고, 상기 (a) 단계 이후, 미리 설정된 시간 동안 상기 사파이어 기판 및 상기 GaN을 포함하는 단결정 층을 대기압 이하 및 상온 조건으로 유지시킨 후, 상기 MOCVD 반응 챔버에서 상기 (b) 단계가 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계는 1000 내지 1200℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계는 과량의 Al 조건 하에서 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 Al의 농도는 500 내지 3000 μmole 범위를 가질 수 있다.
상기 GaN을 포함하는 단결정 층의 두께는 1 내지 5㎛ 범위를 가질 수 있다.
상기 단결정 AlN층의 두께는 0.1 내지 0.4㎛ 범위를 가질 수 있다.
상기 단결정 AlN층은 상기 GaN을 포함하는 단결정 층에 직접 접하면서 형성될 수 있다.
상기 사파이어 기판은 2 내지 6인치의 지름을 가질 수 있다.
상기 GaN을 포함하는 단결정 층은 단결정 GaN층, 단결정 InGaN층 및 단결정 InAlGaN층 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 (a) 단계에 선행하여 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿을 제조하는 방법으로서, (a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계는 비연속 공정으로 이루어지는 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿을 제조하는 방법으로서, (a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계 이후 미리 설정된 시간 동안 상기 GaN을 포함하는 단결정 층의 열 에너지를 제거하는 단계; 및 (c) 상기 열 에너지 제거 이후, 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계를 포함하는 AlN 템플릿 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수직형 자외선 발광소자로서, 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성되는 GaN을 포함하는 단결정 층; 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 형성되는 단결정 AlN층; 및 상기 단결정 AlN층 상에 성장되는 UV LED 에피층을 포함하되, 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 및 상기 단결정 AlN층은 동일 반응 챔버 내에서 비연속 공정을 통해 형성되는 수직형 자외선 발광소자가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿으로서, 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 상에 형성되는 GaN을 포함하는 단결정 층; 및 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 형성되는 단결정 AlN층을 포함하되, 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 및 상기 단결정 AlN층은 동일 반응 챔버 내에서 비연속 공정을 통해 형성되는 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿이 제공된다.
본 발명에 따르면, GaN을 포함하는 단결정 층 상에 열에너지 제거를 통해 단결정 AlN층을 직접 성장시킬 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 방법을 통한 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 과정을 통해 형성된 AlxGa1-xN(0<x<1)층의 현미경 이미지 및 PL map data를 나타낸 도면이다.
도 3은 고온 조건 하에서 AlN 버퍼층 도입을 통한 단결정 AlN층 또는 AlGaN(>80%)층을 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 1100 내지 1200℃ 온도 조건 하에서 AlN 버퍼 도입을 통한 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7은 상기한 방법을 통해 형성된 AlN층의 다양한 형태의 크랙을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상에 AlN 템플릿을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상의 AlN 템플릿의 단결정 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿의 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿 및 이를 포함하는 자외선 발광소자 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 자외선 발광소자의 제1 전극층 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 자외선 발광소자의 제1 및 제2 전극 금속층 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 과정을 통해 형성된 AlxGa1-xN(0<x<1)층의 현미경 이미지 및 PL map data를 나타낸 도면이다.
도 3은 고온 조건 하에서 AlN 버퍼층 도입을 통한 단결정 AlN층 또는 AlGaN(>80%)층을 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 1100 내지 1200℃ 온도 조건 하에서 AlN 버퍼 도입을 통한 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7은 상기한 방법을 통해 형성된 AlN층의 다양한 형태의 크랙을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상에 AlN 템플릿을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상의 AlN 템플릿의 단결정 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿의 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿 및 이를 포함하는 자외선 발광소자 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 자외선 발광소자의 제1 전극층 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 자외선 발광소자의 제1 및 제2 전극 금속층 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 자세하게 설명하기에 앞서, 수직형 자외선 발광소자 제조가 어려운 이유에 대해 설명한다.
Vertical
용
AlN
template
성장 기술
기존 UV-B/C LED는 AlN 기판 또는 AlN 템플릿(Template) 상에 성장이 되었기 때문에 Flip chip으로만 제작이 가능하다.
자외선 발광소자를 수직형(Vertical)으로 제조하기 위해 Laser Lift Off의 과정이 필요하고 사파이어 상에 GaN 층을 반드시 필요로 한다.
AlN층의 Laser Lift Off 공정도 가능하나, 현재 GaN Laser Lift Off를 할 수 있는 장비로는 AlN층의 Laser Lift Off는 불가능하기에 새로운 장비가 필요하고, 설사 AlN Laser Lift Off 장비를 구매한다고 할지라도 실제 AlN Laser Lift Off 진행시 Laser의 에너지가 높아 AlN와 사파이어의 계면이 아닌 내부까지 영향을 주어 Laser Lift Off 공정 이후 남아 있는 소자 품질을 저하시키는 문제가 있다.
그렇기 때문에 수직형 자외선 발광소자의 UV LED 에피층 성장을 위해서는 GaN층이 반드시 필요하다.
그러나 GaN와 AlN의 결정 격자 차이는 GaN층 상에 바로 단결정 AlN층의 성장을 불가능하게 한다.
이러한 문제를 해결하고자 AlGaN 초격자층, AlGaN 내 Al 조성 변화층을 제공하는 등 다양한 기술을 시도하고 있다.
또한 단결정 GaN의 성장 방법과 유사하게 AlN 버퍼층을 삽입하기도 하지만 이후 단결정 AlN를 성장하기 위하여는 상기의 기술 AlGaN 초격자층, AlGaN 내 Al 조성 변화층 등을 삽입하여 GaN와 AlN의 결정 격자 차이를 줄이기 위한 층으로 삽입하고 이후 AlN 단결정을 성장시키거나 조성이 높은(>80%) AlGaN층을 성장시키게 된다.
이러한 GaN와 AlN의 결정 격자 차이를 줄이기 위한 층은 이후 수직형 소자 제조 공정에서 제1 전극(n 전극)층의 형성 시 반드시 제거되어야 하는 층이다. 이는 수직형 자외선 발광소자 제작에 있어 필요하지 않은 층을 성장/제거함으로 인해 제조 비용의 상승의 이유가 된다.
그렇기 때문에 GaN층에 접하고 크랙 없는 높은 조성의 AlGaN층 또는 AlN층을 형성하는 과정은 어렵고 복잡하다.
Vertical
용
AlN
템플릿
성장 방법
사파이어 상에 GaN 버퍼를 성장시킨다. 성장 온도는 550 내지 650℃이며 성장된 두께는 30 내지 100nm이다. 이후 GaN 단결정을 성장시킨다. 성장 온도는 1000 내지 1100℃이며 성장된 두께는 1.O 내지 5.0㎛이다.
GaN을 성장시킨 이후, AlN 또는 AlGaN(>80%) 단결정을 성장시키는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
일반적으로, 단결정 GaN 성장 후에 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 반응 챔버 내부에 연속적으로 가스를 공급하고 성장 온도를 조정하여 AlN 성장 조건으로 변경한 후에 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 방법을 사용한다.
그러나, 종래의 일반적인 방법은 GaN 성장 후 사파이어/GaN에 남아 있는 열 에너지의 제거 없이 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)성장 조건으로 변경하는 과정이 존재하게 된다. AlN 성장 조건의 경우 GaN 성장 조건에 비하여 MOCVD 반응 챔버 내 암모니아의 함유량이 작고 그 성장 온도 또한 같거나 높아야 한다. MOCVD 반응 챔버 내의 이러한 환경 변화는 이미 성장한 GaN의 해리를 유도하여 GaN decompose의 과정을 일으키게 하고 이렇게 분해된 Ga이 AlN의 성장을 위해 공급되는 Al와 N과 재결합하는 과정을 진행하여 AlN층이 아닌 AlxGa1 - xN층 (0<x<1)이 형성된다.
도 1은 종래의 일반적인 방법을 통한 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 과정을 통해 형성된 AlxGa1 -xN(0<x<1)층의 현미경 이미지 및 PL map data를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 방법에 따라 형성된 AlxGa1 - xN층은 단일 조성을 가지는 AlGaN층과 달리 다양한 단일 층 내에 위치에 따른 Al 조성이 불균일한 층 또는 GaN와 AlN간의 결정 격자 차이로 인해 다량의 크랙(crack)이 존재하게 된다.
상기한 종래기술에 따른 AlN 성장 방법의 문제점을 개선하기 위해 AlN 버퍼층을 도입하기도 한다.
AlN 버퍼층을 도입하는 방법은 아래 세 가지로 나누어진다.
첫째, GaN 성장 이후 AlN 성장 조건으로 변경하는 과정에서 암모니아의 변화 없이 GaN 성장 온도보다 낮게 이동 후 GaN 성장 온도보다 상대적으로 낮은 온도에서 AlN 버퍼층을 성장시키는 방법이다.
둘째는 암모니아와 GaN 성장 온도보다 낮게 변경한 후 AlN 버퍼층을 성장시킨 후에 다시 고온(>1300도)으로 변경하여 단결정 AlN층을 성장시키는 방법이다.
셋째는 암모니아와 GaN 성장 온도보다 낮게 변경한 후 AlN 버퍼층을 성장시킨 후 1100~1200℃ 사이에서 단결정 AlN층이나 AlGaN(>80%)층을 성장시키는 방법이 있다.
위의 세 가지 방법 중 단결정 AlN층을 성장시키기 위하여는 고온(1300℃ 이상)에서 진행하는 방법은 고온(>1300℃)에서 암모니아가 공급된다 하더라도 GaN의 분해가 진행되어 단결정 AlN층의 성장을 불가능하게 하고, 만약 고온에서 단결정 AlN층이 가능하다 할지라 고온(>1300℃)으로 이동하기 위하여는 현재 상용화된 blue LED Epi용 MOCVD 반응 챔버로는 성장이 불가능하고 새로운 MOCVD 반응 챔버를 구입하거나 Blue LED Epi용 MOCVD 반응 챔버의 개조작업이 진행되어야 한다. 이는 MOCVD 반응 챔버의 대대적인 개조 작업이 필요하기 때문에 실질적으로 진행할 수 없다.
도 3은 고온 조건 하에서 AlN 버퍼층 도입을 통한 단결정 AlN층 또는 AlGaN(>80%)층을 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
이외 나머지 두 가지 방법은 1100 내지 1200℃에서 단결정 AlN층을 성장시키거나 AlGaN(80%) 단결정을 성장시키는 방법이다. 그러나 1100 내지 1200℃에서 단결정 AlN층이 성장된다고 하여도 좋은 품질을 얻을 수 없고 단결정 AlN층이 성장된다고 하여도 많은 크랙이 발생할 수밖에 없다.
도 5는 1100 내지 1200℃ 온도 조건 하에서 AlN 버퍼 도입을 통한 단결정 AlN 또는 AlGaN(>80%)를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 과정을 통해 형성된 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
이러한 문제로 인해 단결정 AlN층의 성장이 아닌 AlGaN(>80%)층이 성장하기도 한다. 그러나 이러한 방법 또한 GaN의 결정 격자 차이 및 Ga와 Al의 성장 속도 차이를 극복하기 위하여 inter layer(초격자 층, Al 조성 변화층 등)이 필요하다. 이는 앞에서 기술한 것과 같이 이후 vertical chip process상에 제거를 해야 하는 공정의 시간을 증가하여 원가 상승의 원인이 된다.
1100 내지 1200℃에서 단결정 AlN의 성장이 어려운 이유는 Al의 경우 Ga/In에 비하여 원자의 크기가 작고 기판상에서 충분히 움직이기 위한 필요 에너지가 높기 때문이다. 그렇기 때문에 blue LED Epi용 MOCVD 반응 챔버를 사용하여 1100 내지 1200℃에서 단결정 AlN를 성장시키게 되면 성장시키고자 하는 웨이퍼 내에서 완벽하게 merge 된 flat & shine 한 형태로 단결정 AlN층이 성장이 되는 것이 아닌 rough한 웨피어 전반에 걸쳐 AlN의 높낮이가 완전히 다른 형태로 성장이 되거나 크랙으로 갈라진 형태 등 다양한 형태로 발생하게 된다.
도 7은 상기한 방법을 통해 형성된 AlN층의 다양한 형태의 크랙을 나타낸 도면이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, MOCVD 반응 챔버 내에서 GaN 단결정을 성장시킨 이후 사파이어/GaN 버퍼층/GaN 층을 MOCVD 반응 챔버에서 대기압/상온 또는 저압/상온으로 이동시켜, 기 성장된 Sapphire/GaN 버퍼층/GaN에 남아 있는 열에너지를 제거하여 GaN 결정을 안정화한 이후 다시 MOCVD 반응 챔버로 이동시켜 AlN 성장하는 방법을 사용한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상에 AlN 템플릿을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 550 내지 650℃ 온도 조건 하에서 GaN 버퍼층을 성장시키고, 이후, 1000 내지 1100℃ 온도 조건 하에서 단결정 GaN층을 성장시킨다.
다음으로 사파이어/GaN 버퍼층/GaN 층을 대기압 이하, 상온 조건으로 이동시켜 열 에너지를 제거하고 난 후에 반응 챔버 내에서 단결정 AlN 층 형성 과정이 수행된다. 이때, 웨이퍼의 온도가 200℃ 미만으로 유지되도록 한다.
이처럼, 본 실시예에 따른 AlN 템플릿에서 단결정 GaN층 및 단결정 AlN층은 MOCVD 반응 챔버에서 비연속 공정으로 이루어진다.
본 명세서에서 비연속 공정은, 1000℃ 이상의 온도에서 단결정 GaN층을 형성한 이후, 사파이어/GaN 버퍼층/GaN층을 일정 시간 동안 대기압 이하 및 상온 조건에서 열에너지를 제거하고, 다시 1000℃ 이상의 온도에서 단결정 AlN층을 형성하는 공정과 같이, 단결정 GaN층과 단결정 AlN층 형성 사이에 급격한 온도 조건의 변화가 있는 공정으로 정의된다.
이하에서와 같이, 본 실시예에 따른 비연속 공정은 반응 챔버 내에서 단결정 GaN층을 형성하고, 이후, 사파이어/GaN 버퍼층/GaN층을 반응 챔버 외부로 이동시킨 후에 다시 단결정 AlN층을 형성하는 공정일 수 있다.
그러나 이에 한정됨이 없이 반응 챔버 내에서 단결정 GaN층을 형성하고 반응 챔버의 온도를 열 에너지의 제거가 가능한 온도까지 내리고 다시 단결정 AlN층을 형성하는 것도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
상기한 바와 같이, 사파이어 기판 상에 단결정 GaN 층이 형성될 수 있으나, 이에 한정됨이 없이 단결정 InGaN층 또는 단결정 InAlGaN층과 같이 GaN을 포함하는 단결정 층이 형성될 수도 있다.
여기서, 단결정 AlN층 형성을 위한 온도 조건은 1100 내지 1200℃일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 템플릿 상의 AlN 템플릿의 단결정 AlN층의 현미경 이미지를 나타낸 도면이며, 도 10은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿의 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 공정을 통해 AlN 템플릿을 제조하는 경우, 크랙이 제거되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 공정을 통해 도 10과 같이 단결정 GaN층 상에 직접 단결정 AlN층이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 성장 조건 변화는 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫 번째 AlN 성장 조건으로 변경 시 GaN층에 가해지는 에너지 등의 조건이 GaN 해리/분해의 시작에 필요한 최소 필요 에너지보다 낮아 GaN의 해리/분해되는 과정을 방지할 수 있다.
1100 내지 1200℃ 조건을 이용하는 공정에서는, 단결정 AlN의 성장을 위해 과량의 암모니아를 MOCVD 반응 챔버 내부로 흘려 GaN의 분해를 원천적으로 막고, Al이 N와 바로 결합하여 AlN로 안정화하려는 성질을 증가시켰다.
세 번째 일반적으로 알려진 AlN 성장 온도 (>1300℃)보다 낮은 온도(1100 내지 1200℃)에서 단결정 AlN층을 성장시키기 위하여 과량의 Al을 MOCVD 반응 챔버 내부로 공급하여 단결정 AlN층 성장시킨다.
본 실시예에 따른 단결정 GaN층 및 단결정 AlN층 성장 조건은 하기와 같다.
성장 온도 (℃) |
성장 압력 (Torr) |
NH3 (L/min) |
Ga () |
Al () |
|
GaN | 1000~1100 | 100~300 | 20~60 | 100~10,000 | |
AlN | 1000~1200 | 25~100 | 5~60 | 500~3,000 |
도 11은 본 실시예에 따른 AlN 템플릿 및 이를 포함하는 자외선 발광소자 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 반응 챔버 내에서 사파이어 기판 상에 단결정 GaN층을 형성하고, 이후, 미리 설정된 시간 동안 대기압/상온 또는 저압/상온에서 웨이퍼 온도가 200℃ 미만이 되도록 한다.
이후, 사파이어/단결정 GaN층을 반응 챔버로 이동시키고 과량의 Al을 첨가하여 단결정 AlN층을 형성한다.
AlN 템플릿 제작 이후, UV LED 에피층을 성장시킨다.
UV LED 에피층의 성장은 반응 챔버 내에서 연속 공정으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정됨이 없이 반응 챔버 내에서 사파이어 기판 상에 단결정 GaN층을 형성하고, 이후, 미리 설정된 시간 동안 대기압/상온 또는 저압/상온에서 웨이퍼 온도가 200℃ 미만이 되도록 유지시킨 후에 진행될 수도 있다.
여기서, UV LED 에피층은 AlxGa1 - xN층, nAlyGa1 - yN층, 활성층 및 pAlzGa1 - zN층을 포함할 수 있다. 또한, pAlzGa1 - zN층 상에 pGaN층이 추가로 형성될 수 있다.
여기서, nAlyGa1 - yN층은 제1 도전형 질화물 반도체 층으로 정의되고, pAlzGa1 -zN층은 제2 도전형 질화물 반도체 층으로 정의된다.
제1 도전형 질화물 반도체층은 제1 도전형 불순물이 도핑된 AlyGa1 - yN(0.4≤y≤1)로 형성되고, 활성층은 AleGa1 -eN(0<e<1)층 및 AlfGa1 -fN(0<f<1, e<f)층이 1회 이상 교대로 적층되어 형성되며, 제2 도전형 질화물 반도체층은 제1 도전형 불순물과 반대되는 제2 도전형 불순물이 도핑된 AlzGa1 - zN층(0.4≤z≤1)층으로 형성될 수 있다.
이후, 제2 도전형 질화물 반도체 층 상에 반사/옴믹/제2 전극 금속층 형성한다.
제2 전극 금속층 형성 이후, Laser Lift Off 공정을 통해 사파이어 기판을 제거하고, 습식 에칭을 통해 단결정 GaN층을 제거한다.
도 12는 본 실시예에 따른 자외선 발광소자의 제1 전극층 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 전극 층은 구멍(hall)을 통해 형성할 수 있으며, AlN 층 및 AlxGa1 - xN 제거 후에 형성할 수도 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1 전극 금속층과 제2 전극 금속층은 동일면에 제공될 수 있으며, 이처럼 제1 전극 금속층과 제2 전극 금속층 형성 이후에 Laser Lift Off 공정을 통해 사파이어 기판을 제거하고, 습식 에칭을 통해 단결정 GaN층을 제거한다.
Bow
제어 기술
AlN와 사파이어의 결정 격자 차이로 인해 AlN 템플릿 또는 AlN 기판상에 성장하는 자외선 발광소자는 UV LED 에피 제작 후 높은 웨이퍼 휨을 가지고 있고 이러한 휨은 fab 공정을 어렵고 복잡하게 하고 공정 수율을 낮추게 한다.
그렇기 때문에 아직 UV LED Epi 성장의 경우 2 인치를 사용하는 경우가 대부분이며, 2인치로 UV LED 에피층을 성장시킨다고 하여도 낮은 수율(<50%)의 문제에 직면하고 있다.
휨 특성 개선
아래의 [표 2]에서와 같이 사파이어 기판 상에 단결정 GaN층 또는 단결정 AlN층을 성장시켜 GaN 템플릿 또는 AlN 템플릿를 제작 후 상온에서 웨이퍼 휨(Bow) 값을 측정하면 동일한 두께에서 AlN층의 휨값이 높음을 알 수 있다. 이는 단결정 AlN층의 결정 격자 간격이 GaN의 결정 격자 간격보다 좁기 때문에 템플릿을 제작하고 나면 웨이퍼의 휨 현상을 더욱 커지기 때문이다.
두께(㎛) | Bow | |
AlN template | 2.81 | 50 |
GaN template | 3.0 | 30 |
이러한 AlN/GaN 템플릿을 사용하여 UV LED Epi를 성장시키면 성장되는 UV LED Epi의 주요 Al 함량이 50%이상이므로 GaN의 결정의 특성이 아닌 AlN의 결정과 유사한 특성을 가지게 된다. 이로 인해 UV LED Epi 성장 완료 후 측정되는 웨이퍼 휨 값은 [표 3]에서 보는 것 같이 더욱 큰 값을 가지게 된다.
|
전 | 후 | 전/후 차이 | ||||
두께① | Bow② | 두께③ | Bow④ | 두께③-① | Bow④-② | ||
AlN template |
Sample 1 | 1.249 | 12.107 | 2.508 | 63.821 | 1.259 | 51.714 |
Sample 2 | 1.162 | 8.162 | 2.494 | 50.961 | 1.332 | 42.799 | |
Sample 3 | 1.097 | 7.128 | 2.43 | 53.999 | 1.333 | 46.871 | |
Sample 4 | 1.132 | 12.442 | 2.413 | 58.716 | 1.281 | 46.274 | |
Average | 1.16 | 9.96 | 2.46 | 56.87 | 1.30 | 46.91 | |
GaN template |
Sample 1 | 2.185 | 21.977 | 3.466 | 27.719 | 1.281 | 5.742 |
Sample 2 | 2.192 | 21.249 | 3.563 | 28.932 | 1.371 | 7.683 | |
Sample 3 | 2.193 | 21.402 | 3.572 | 29.057 | 1.379 | 7.655 | |
Sample 4 | 2.152 | 23.541 | 3.515 | 30.56 | 1.363 | 7.019 | |
Average | 2.18 | 22.04 | 3.53 | 29.07 | 1.35 | 7.02 |
그러나 실제 UV LED Epi 소자를 구성하기 위하여는 [표 3]에서 성장된 두께(1.3㎛)보다 더욱 두꺼운 3~4㎛의 성장이 필요하다. 이러한 두께를 AlN / GaN 템플릿에서 성장시켜 비교하여 보면 [표 4]와 같이 그 편차가 훨씬 큰 것이 확인된다.
|
성장 전 | 성장 후 | 편차 | |||
두께① | Bow② | 두께③ | Bow④ | 두께③-① | Bow④-② | |
AlN template |
1.4 | 11 | 5.4 | 112 | 4 | 101 |
GaN template |
2.4 | 27 | 6.4 | 54 | 4 | 27 |
[표 4]에서와 같이 AlN 템플릿의 두꺼운 휨 값은 UV 칩 제조 공정 상 반드시 Flat한 상태가 필요한 photo 공정 등에 공정 난이도를 높게 하고 공정 수율을 낮게 하는 원인이 된다.
그렇기 때문에 단결정 GaN층 상에 단결정 AlN층을 성장시키고 이후, UV LED Epi layer를 성장시키면 웨이퍼 휨 값을 AlN 템플릿에 비하여 낮게 유지하여 fab 공정이 용이해진다.
사파이어 상에서 성장하는 GaN의 두께 또한 이후 성장되는 UV LED Epi layer의 휨 값을 결정하는 중요한 인자가 된다.
|
전 | 후 | 전/후 차이 | ||||
두께① | Bow② | 두께③ | Bow④ | 두께③-① | Bow④-② | ||
GaN template |
두께 2.4㎛ | 2.387 | 19.285 | 3.918 | 39.147 | 1.531 | 19.862 |
두께 3.0㎛ | 3.014 | 30.983 | 4.534 | 44.135 | 1.52 | 13.152 |
상기에서 기술한 것과 같이 단결정 GaN층 상에 단결정 AlN층의 성장 및 UV LED Epi 성장은 기존에 비해 낮은 휨 값을 가지도록 하여 이후 진행되는 칩 제작공정을 용이하게 하고 수율 향상 효과를 기대할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (15)
- 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자를 제조하는 방법으로서,
(a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계;
(b) 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 단결정 AlN층 상에 UV LED 에피를 성장시키는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계 및 (b) 단계는 비연속 공정으로 이루어지는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 반응 챔버는 MOCVD 반응 챔버이고,
상기 (a) 단계는 상기 MOCVD 반응 챔버에서 미리 설정된 온도 및 압력 조건에서 상기 사파이어 기판 상에 상기 GaN을 포함하는 단결정 층을 성장시키고,
상기 (a) 단계 이후, 미리 설정된 시간 동안 상기 사파이어 기판 및 상기 GaN을 포함하는 단결정 층을 대기압 이하 및 상온 조건에서 유지시킨 후, 상기 MOCVD 반응 챔버에서 상기 (b) 단계가 수행되는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 (b) 단계는 1000 내지 1200℃ 온도 범위에서 수행되는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 Al의 농도는 500 내지 3000 μmole 범위를 갖는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 GaN을 포함하는 단결정 층의 두께는 1 내지 5㎛ 범위를 갖는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단결정 AlN층의 두께는 0.1 내지 0.4㎛ 범위를 갖는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단결정 AlN층은 상기 GaN을 포함하는 단결정 층에 직접 접하면서 형성되는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 사파이어 기판은 2 내지 6인치의 지름을 갖는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 GaN을 포함하는 단결정 층은 단결정 GaN층, 단결정 InGaN층 및 단결정 InAlGaN층 중 적어도 하나인 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에 선행하여 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 자외선 발광소자 제조 방법. - 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿을 제조하는 방법으로서,
(a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계 및 (b) 단계는 비연속 공정으로 이루어지는 수직형 자외선 발광소자용 AlN 템플릿 제조 방법. - 반응 챔버를 이용하여 수직형 자외선 발광소자를 제조하는 방법으로서,
(a) 사파이어 기판 상에 GaN을 포함하는 단결정 층을 형성하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계 이후 미리 설정된 시간 동안 상기 GaN을 포함하는 단결정 층의 열 에너지를 제거하는 단계; 및
(c) 상기 열 에너지 제거 이후, 상기 GaN을 포함하는 단결정 층 상에 단결정 AlN층을 형성하는 단계를 포함하는 AlN 템플릿 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
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