KR20080050159A - 반도체 단결정 및 반도체 발광소자 제조방법 - Google Patents

반도체 단결정 및 반도체 발광소자 제조방법 Download PDF

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KR20080050159A
KR20080050159A KR20060121028A KR20060121028A KR20080050159A KR 20080050159 A KR20080050159 A KR 20080050159A KR 20060121028 A KR20060121028 A KR 20060121028A KR 20060121028 A KR20060121028 A KR 20060121028A KR 20080050159 A KR20080050159 A KR 20080050159A
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Abstract

본 발명은 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 실시 형태는, 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 반도체 단결정층을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 단결정 제조방법을 제공한다. 본 발명의 다른 실시 형태는, 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
단결정, 발광소자, 다공성 반사층, 레이저리프트오프, 기판 재사용, LED, 질화물

Description

반도체 단결정 및 반도체 발광소자 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL AND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도1a 내지 도1d는 종래의 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 실시 형태에 따른 분리된 기판을 재사용하는 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도5는 도2의 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조 공정에서 다공성 중간층에 대한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21,31: GaN 기판 22,32: 언도프된(undoped) 제1 GaN층
23,33: 희생층 24,34: 언도프된(undoped) 제2 GaN층
25,35: 다공성 반사층 26: 반도체 단결정
43: n형 질화물 반도체층 44: 활성층
45: p형 질화물 반도체층 46: 반사금속층
47: 도전성 지지기판 48: p측 본딩전극
49: n측 전극 S: 발광구조물
본 발명은 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판 분리과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저로 인한 피해를 최소화하며, 분리된 고가의 기판(예, GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 질화물 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 반도체가 각광을 받고 있다.
하지만, 반도체 단결정은 그 격자상수 및 열팽창계수에 적합한 기판이 보편적이지 않는 문제가 있다. 예를 들어, 사파이어 기판 상에 성장되는 질화물은 격자상수 및 열팽창계수의 차이로 인하여 저온의 핵생성층을 도입하여도 질화물 단결정은 약 109 ~ 1010 ㎝-2의 결정결함을 갖는 것으로 알려져 있다.
최근에는 이러한 반도체의 결정결함을 낮추기 위한 방안으로 GaN 기판을 사용하여 동종접합구조의 반도체 단결정 성장방법이 활용되고 있다. 일반적으로 사용되는 GaN 기판을 이용한 반도체 단결정 성장방법은 도1a 내지 도1d에 예시되어 있다.
우선, 도1a와 같이 MOCVD법을 사용하여 n형 GaN 기판(11) 상에 n형 GaN 층(12), InGaN 활성층(13), p형 GaN 층(14) 등을 순차적으로 성장시킨다. 이어 p형 도펀트를 활성화하기 위한 열처리를 한 후, 도1b와 같이 상기 p형 GaN 층(14)에 반사금속층(15)을 증착시킨다. 다음으로, 도1c와 같이 광추출효율을 증가시키기 위해 상기 n형 GaN 기판(11)을 습식에칭 등을 통해 표면 조도 처리를 한다. 이어, 도1d와 같이 n-전극(16), p-전극(17)을 각각 증착시킨다.
하지만, 이와 같이 방법에서는 고가의 GaN 기판이 손상되며, 기판을 재사용할 수 없으므로, 공정비용이 증가 되는 문제가 있다.
따라서, 반도체 단결정 또는 반도체 발광소자에 있어서, 특히, 질화물인 경우에는, 기판을 재사용할 수 있는 제조공정이 요구한다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 일 목적은 기판 분리 과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저에 의한 피해를 최소화하면서, 고가의 기판(특히 GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 반도체 단결정층을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 단결정 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 반도체 단결정층은 질화물로 이루어진 것일 수 있으며, 이 경우, 상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것이 바람직하다. GaN 기판을 사용하는 경우, 동종접합구조가 되어 질화물층의 결정성을 높일 수 있다.
또한, 상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함할 있다. 상기 언도프된 제1 GaN층은 기판과 발광구조물의 분리가 잘 되도록 하는 기능을 하며, 이 경우, 상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 약 0.1 ~ 1.0㎛인 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 언도프된 제1 GaN층을 채용한 경우에는, 상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여 기판을 재사용할 수 있다.
본 발명에서 채용된 상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있으며, 상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에서 자발적으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 다공성 반사층에서 공극은 상기 반사층의 성장 과정에서 패터닝(patterning) 등의 과정을 거치지 않고 형성될 수 있다. 이는, 유전체 등의 패터닝을 통하여 반사층을 형성하는 경우에 비해 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다. 이 경우, 상기 다공성 반사층은 기판 분리를 위해 조사된 레이저를 반사시키고, 레이저에 의한 열을 차단하는 기능을 한다. 나아가, 상기 공극을 통하여 상기 다공성 반사층 상에서 반도체층의 측방향성장을 유도할 수 있다.
상기 다공성 반사층의 자발적 형성 조건과 관련하여, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하며, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되 도록 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 반도체 단결정층으로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 반도체 단결정층, 다공성 반사층 및 희생층은 질화물로 이루어지며, 상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것이 바람직하다.
한편, 상기 희생층은 레이저 리프트공정에서 제거되어 발광구조물과 기판을 분리하는 기능을 하며, 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하며, 그 두께는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태에서는,
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계와, 상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계와, 상기 다공성 반사층 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적 으로 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계 및 레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
이 경우, 단파장을 발광하는 발광소자 제조를 위해, 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물로 이루어진 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 제1 도전형 반도체층은, n형 불순물이 도핑된 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 반도체층인 것일 수 있다.
또한, 상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것이 바람직하다. 또한, 이 경우에는, 상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있으며, 상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에 서 자발적으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 다공성 반사층의 자발적 형성 조건과 관련하여, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하며, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되도록 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 발광구조물로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 광추출효율 향상을 위해 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 질화물층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 질화물층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광구조물, 다공성 반사층 및 희생층은 질화물로 이루어지며, 상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며, 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛인 것이 바람 직하다.
한편, 상기 희생층 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하며, 그 두께는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 발광구조물을 형성하는 단계와 기판을 제거하는 단계 사이에, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 순차적으로, 반사금속층을 형성하는 단계 및 도전성 지지기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 단결정 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 도2a와 같이, GaN 기판(21) 상에, 순차적으로 언도프된 제1 GaN층(22) 및 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층(23)을 형성한다. 본 실시 형태에서, 상기 GaN 기판(21)은 본 실시 형태에서, 크게 훼손되지 않은 상태로 반도체 단결정으로부터 분리가 가능하므로, 재사용이 가능하다. 다만, 본 발명에서 단결정 성장용 기판은 상기 GaN 기판(21)으로 제한되지 않으며, 단결정 성장용으로 일반적으로 사용될 수 있는 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 채용이 가능하다.
상기 언도프된 제1 GaN층(22)은 GaN 기판(21)과 반도체 단결정의 분리가 용이하도록 하는 기능을 하며 본 실시 형태에서 선택적인 요소이다. 바람직하게는, 상기 언도프된 제1 GaN층(22)은 0.1 ~ 1.0㎛의 두께(t1)가 될 수 있다.
상기 희생층(23)은 레이저 리프트오프 공정에서 제거되어 상기 반도체 단결정과 GaN 기판(21)을 분리시키는데 기여하며, 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시 형태에서 상기 주위영역은 언도프된 GaN층이 된다. 따라서, 상기 희생층(23)은 언도프된 InxGa1 - xN 층일 수 있으며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 후술할 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 상기 희생층(23)의 에너지 밴드갭보다 크고 주위영역의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 상기 GaN 기판(21)을 분리할 수 있다. 따라서, 상기 희생층은(23)은 고가의 상기 GaN 기판(21)을 재사용하는데 기여할 수 있다. 바람직하게는, 상기 희생층(23)의 두께(t2)는 10 ~ 20㎚ 일 수 있다.
상기 언도프된 제1 GaN층(22) 및 희생층(23)은 공지된 공정인 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장시킬 수 있다.
이어, 도2b와 같이, 상기 희생층(23) 상에 순차적으로 언도프된 제2 GaN층(24) 및 다공성 반사층(25)을 형성한다.
상기 언도프된 제2 GaN층(24)은 질화물 단결정으로부터 기판이 쉽게 분리 되도록 하고, 부가적으로, 레이저(L)가 발광구조물로 입사되는 것을 차단하는 기능을 한다. 상기 언도프된 제2 GaN층(24)은, 그 두께(t3)가 0.1 ~ 1.0㎛가 바람직하며, 상기 언도프된 제1 GaN층(22)과 같이 선택적 요소에 해당한다.
본 실시 형태에서 채용된 상기 다공성 반사층(25)은, 상기 GaN 기판(21)의 분리를 위해 레이저(L) 조사 시, 상기 기판(21)과 질화물 단결정층의 분리가 잘 되도록 하는 기능을 한다. 또한, 레이저(L)를 반사시켜 질화물 단결정층에 레이저가 입사되거나 열이 확산 되는 것 방지하는 기능을 할 수 있다. 이 경우, 상기 다공성 반사층(25)의 성장 과정에서 공극(h)이 자발적으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 다공성 반사층(25)의 평면도인 도4에 따르면, 상기 다공성 반사층(25)의 성장 과정에서, 상기 공극(h)은 패터닝된 형태가 아닌 임의의 형태를 갖고 형성될 수 있으며, 이를 통하여 제1 도전형 반도체층(26a)이 성장될 수 있다. 이에 따라, 반사층을 패터닝하여 형성하는 경우에 비하여 공정이 단순화될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다공성 반사층(25)은 SiaMg3 - aN2 일 수 있으며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것일 수 있다.
이 경우, 상기 다공성 반사층(25)의 자발적인 형성 조건을 고려하면, 상기 다공성 반사층(25)을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다공성 반사층(25)에 의한 레이저(L)의 반사도를 고려할 때, 바람직하게는, 상기 공극(h)의 크기(D)는 10 ~ 50㎚일 수 있으며, 상기 다공성 반사층(25)의 두께(t4)는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 일 수 있다.
다음으로, 도2c와 같이, 상기 다공성 반사층(25) 상에 질화물 단결정층(26)을 형성한다. 상기 질화물 단결정층(26)은 상술한 바와 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔성장법 및 하이브리드 기상증착법 등으로 성장될 수 있다.
이어, 도2d와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 레이저(L)를 조사하여 상기 희생층(23)을 제거하는 공정을 통하여 상기 GaN 기판(21)을 상기 다공성 반사층(25)으로부터 분리할 수 있다. 이론적으로, 2.41eV의 에너지를 갖는 레이저가 에너지 밴드갭이 3.4eV인 상기 GaN 기판(21) 하면을 통하여 입사되는 경우, 레이저는 상기 GaN 기판(21)을 투과하고, 에너지 밴드갭이 2.34eV 이하인 상기 희생층(23)에 도달하면서 상기 레이저(L)가 희생층(23)에 흡수되는 반응이 일어난다. 이와 같이, 레이저가 흡수되어 반응이 일어난 영역(R)이 상기 희생층(23) 전체에 확산 됨에 따라, 상기 희생층(23)은 제거되어 분리(ablation)되는 현상이 발생한다. 이에 따라, 상기 다공성 반사층(25)으로부터 상기 GaN 기판(21)이 분리된다. 이 경우, 도2e에 서 화살표로 표시된 부분은 상기 기판(21)이 분리된 상태의 질화물 단결정층(26)과 다공성 반사층(25)을 나타내고 있다.
다음으로, 도2e와 같이, 건식 식각방법 등의 연마 공정을 통하여 상기 질화물 단결정층(26)으로부터 상기 다공성 반사층(25)을 제거한다. 이에 따라, 최종 질화물 단결정(26)을 얻을 수 있다.
다만, 본 실시 형태에서는 질화물 단결정을 얻기 위한 공정으로 상기 기판, 희생층 등이 질화물인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 상기와 같은 방법으로 일반적인 반도체 단결정을 제조할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 형태를 도3a 내지 도3g를 참조하여 설명한다.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 도3a와 같이, GaN 기판(31) 상에, 순차적으로 언도프된 제1 GaN층(32) 및 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층(33)을 형성한다.
상기 언도프된 제1 GaN층(32)은 GaN 기판(31)과 반도체 단결정의 분리가 용이하도록 하는 기능을 하며, 바람직하게는, 0.1 ~ 1.0㎛의 두께(t5)가 될 수 있다.
상기 희생층(33)은 상기 GaN 기판(31)의 분리 과정에서 제거되어 상기 GaN 기판(31)의 분리 및 재사용하는데 기여할 수 있으며, 그 두께(t6)는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.
상기 언도프된 제1 GaN층(32) 및 희생층(33)에 대한 보다 자세한 조건 및 기능 등은 도2a에서 설명한 내용으로 채용될 수 있다.
이어, 도3b와 같이, 상기 희생층(33) 상에 순차적으로, 언도프된 제2 GaN층(34) 및 다공성 반사층(35)을 형성한다.
상기 언도프된 제2 GaN층(34)은 발광구조물로부터 상기 GaN 기판(31)이 쉽게 분리 되도록 하고, 부가적으로, 레이저(L)가 제1 도전형 질화물층으로 입사되는 것을 차단하는 기능을 한다. 바람직하게는, 상기 언도프된 제2 GaN층의 두께(t7)는 0.1 ~ 1.0㎛가 바람직하다.
상기 다공성 반사층(35)은 상기 GaN 기판(31) 분리를 위해 조사된 레이저(L) 및 이에 의해 발생된 열이 상기 발광구조물(S)에 도달하는 것을 방지하는 기능을 한다. 이 경우, 상기 다공성 반사층(35)에 의한 레이저(L)의 반사도를 고려할 때, 바람직하게는, 상기 공극(h`)의 크기(D`)는 10 ~ 50㎚일 수 있으며, 상기 다공성 반사층(35)의 두께(t8)는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 일 수 있다.
상기 언도프된 제2 GaN층(34) 및 다공성 반사층(35)에 대한 보다 자세한 조건 및 기능 등은 도2b에서 설명한 내용으로 채용될 수 있다.
다음으로, 도3c와 같이, 상기 다공성 반사층(35) 상에 발광구조물(S)을 형성 한다. 이 경우, 본 발명에서, 상기 '발광구조물'은, 상기 n형 질화물 반도체층(43), 활성층(44), p형 질화물 반도체층(45)이 순차적으로 적층되어 형성된 구조물 의미한다.상기 발광구조물(S)은 공지된 질화물 성장 공정인 유기금속 기상증착법, 분자빔성장법 및 하이브리드 기상증착법 등으로 성장될 수 있다.
이어, 도3d와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(45) 상에 순차적으로 반사금속층(46), 도전성 지지기판(47) 및 p측 본딩전극(48)을 형성한다.
상기 반사금속층(46)은 상기 활성층(44)에서 발광된 빛을 상기 n형 질화물 반도체층(43) 방향으로 반사하는 기능을 하며, 바람직하게는 70% 이상의 반사율을 가진다. 또한, 상기 반사금속층(46)은 상기 p형 질화물 반도체층(45)과 오믹콘택을 형성한다. 이러한 반사금속층(46)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 반사금속층(46)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 도전성 기판(47)은 최종 발광소자에 포함되는 요소로서, p측 전극 역할과 함께 상기 발광구조물(S)을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 이 경우, 상기 도전성 기판(47)은 Si, Cu, Ni, Au, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 도전성 기판(47)이 금속인 경우에는 도금, 증착, 스퍼 터링 등의 공정이 가능하나, 공정 효율상 도금 공정이 바람직하다. 상기 도금 공정은 전해도금, 비전해도금, 증착도금 등 금속층을 형성하는데 사용되는 공지의 도금 공정을 포함하며, 이 중에서, 도금 시간이 적게 소요되는 전해도금법을 이용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 상기 도전성 기판의 형성 방법은 이에 제한되지 않으며, 웨이퍼 본딩을 통하여 상기 도전성 기판(47)을 상기 반사금속층(46)에 접합시킬 수도 있다.
상기 p측 본딩전극(48)은 최외곽 전극층으로, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 p측 본딩전극(48)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링공정에 의해 형성될 수 있다.
이어, 도3e와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 레이저(L)를 조사하여 상기 희생층(33)을 제거하는 공정을 통하여 상기 GaN 기판(31)을 상기 다공성 반사층(35)으로부터 분리할 수 있다. 이 경우, 도3e에서 화살표로 표시된 부분은 상기 GaN 기판(31)이 분리된 발광구조물(S)과 다공성 반사층(35)을 나타내고 있다.
상기 레이저 리프트오프 공정의 보다 자세한 내용은 도2d의 공정을 채용할 수 있다.
다음으로, 도3f와 같이, 건식 식각방법 등의 연마공정을 사용하여 상기 발광구조물(S)로부터 다공성 반사층(35)을 제거할 수 있으며, 상기 다공성 반사층(35)이 제거된 발광구조물(S)을 화살표로 표시된 부분으로 도시하였다.
마지막으로, 도3g와 같이, 상기 반도체 발광소자의 광추출효율을 향상시키기 위해, 상기 다공성 반사층(35)을 제거하는 단계 후, 상기 n형 질화물 반도체층(43)의 상기 다공성 반사층(35)이 제거된 면에 습식 에칭 등의 공정을 통하여 요철구조를 형성한다. 이어서, 상기 n형 질화물 반도체층(43)의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 n측 전극(49)을 형성한다.
다만, 본 실시 형태에서는 질화물 반도체 발광소자를 얻기 위한 공정으로 상기 기판, 희생층, 다공성 반사층 등이 질화물인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 상기와 같은 방법으로 일반적인 반도체 발광소자를 제조할 수도 있다.
도4a와 도4b는 상기 분리된 GaN 기판을 재사용하는 단계의 일 실시 형태를 나타낸 것이며, 도3의 실시 형태에 따라 분리된 상기 GaN 기판(21)을 기준으로 설명한다.
도4a에 따르면, 상기 분리된 GaN 기판(21)의 상면에 언도프된 제1 GaN층(22) 및 기판 분리 과정에서 표면에 잔존물(22a)이 생길 수가 있으므로, 상기 잔존물(22a)를 제거할 필요가 있다. 이에 따라, 상기 GaN 기판(21)을 재사용할 수 있으며, 상기 분리된 GaN 기판(21)은 원래 두께를 유지하면서 재사용이 가능할 수 있다.
이 경우, 도4b에서와 같이, 상기 언도프된 제1 GaN층(22) 및 표면의 잔존물(22a)은 기계적 또는 화학적 연마장치(40)를 통하여 제거될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기판 분리 과정에서 반도체 단결정 또는 발광구조물에 작용하는 레이저에 의한 피해를 최소화하면서, 고가의 기판(특히 GaN 기판)을 재사용할 수 있는 반도체 단결정 및 반도체 발광소자의 제조방법을 얻을 수 있다.

Claims (38)

  1. 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계;
    상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계;
    상기 다공성 반사층 상에 반도체 단결정층을 형성하는 단계; 및
    레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 단결정 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 단결정층은 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 반도체 단결정 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에서 자발적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  10. 제2항 또는 제7항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  11. 제2항 또는 제7항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 반도체 단결정층으로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반도체 단결정층, 희생층은 질화물로 이루어지며,
    상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 희생층은 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 희생층의 두께는 10 ~ 20㎚인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조방법.
  18. 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판 상에 희생층을 성장시키는 단계;
    상기 희생층 상에 다공성 반사층을 형성하는 단계;
    상기 다공성 반사층 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광구조물을 형성하는 단계; 및
    레이저를 조사하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 다공성 반사층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은, n형 불순물이 도핑된 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 단결정 성장용 기판은 GaN 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 기판을 마련하는 단계와 상기 희생층을 성장시키는 단계 사이에, 상기 기판 상에 언도프된 제1 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 언도프된 제1 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 기판을 분리하는 단계 후에, 상기 분리된 기판 상면에 상기 언도프된 제1 GaN층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 다공성 반사층은 SiaMg3 - aN2 이며, 여기서 a는 0 ≤ a ≤ 3 을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 다공성 반사층의 공극은 상기 다공성 반사층의 형성 과정에서 자발적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 성장 온도를 500 ~ 700℃으로 하며, SiH4의 주입량을 100 ~ 300 nmol/min으로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  28. 제19항 또는 제25항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 공극의 크기가 10 ~ 50㎚이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  29. 제19항 또는 제25항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 형성하는 단계는, 상기 다공성 반사층의 두께가 0.1 ~ 0.5㎛이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  30. 제18항에 있어서,
    상기 기판을 분리하는 단계 후, 상기 발광구조물로부터 상기 다공성 반사층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 질화물층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 후, 상기 제1 도전형 질화물층의 상기 다공성 반사층이 제거된 면에 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 발광구조물, 희생층은 질화물로 이루어지며,
    상기 희생층을 성장시키는 단계와 다공성 반사층을 형성하는 단계 사이에, 상기 희생층 상에 언도프된 제2 GaN층을 성장시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 다공성 반사층을 제거하는 단계 전에, 상기 언도프된 제2 GaN층을 제거 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 언도프된 제2 GaN층의 두께는 0.1 ~ 1.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  35. 제19항에 있어서,
    상기 희생층은 주위영역보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  36. 제19항에 있어서,
    상기 희생층은 언도프된 InxGa1 - xN 층이며, 여기서 x는 0.3 < x ≤ 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 희생층의 두께는 10 ~ 20㎚인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  38. 제19항에 있어서,
    상기 발광구조물을 형성하는 단계와 기판을 제거하는 단계 사이에, 상기 제2 도전형 질화물층 상에 반사금속층을 형성하는 단계 및 도전성 지지기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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