KR20080085519A - 발광 소자용 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 형성하는 단계와, 상기 실리콘층위에 서로 이격된 육면체 마스크 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 육면체 마스크 패턴들에 따라 상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격된 사면체 실리콘 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 사면체 실리콘 패턴들에 따라 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 기판의 상부에 서로 이격된 사면체 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자용 기판 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 기판에 패턴을 형성할 때 기판위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 형성한 후 그 실리콘층을 식각함으로써 실리콘의 결정구조 특성에 의해 (111)면이 드러나도록 하여 사면체 실리콘 패턴을 형성하고, 그 사면체 실리콘 패턴을 마스크 패턴으로 하여 기판에 식각을 수행함으로써 기판에 사면체 패턴을 가지는 기판을 제작할 수 있다. 사면체 형상의 돌출된 패턴을 가지는 기판위에 발광 소자의 제작을 위한 에피층을 형성시키면 다른 형상의 돌출된 패턴을 가질 때 보다 광방출 효율을 향상시킬 수 있다.

PSS, 기판, 마스크, 식각, 패턴, 사파이어,실리콘

Description

발광 소자용 기판 및 그 제조방법{SUBSTRATE FOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래 기술에 따른 패턴된 사파이어 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 사면체 패턴을 가지는 발광 소자용 기판을 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 발광 소자용 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 마스크층으로 이용하여 패턴된 발광 소자용 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

대표적인 발광 소자인 발광다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산하도록 구성된다. 위와 같은 발광다이오드로는 GaN계 발광다이오드가 공지되어 있다. GaN계 발광다이오드는 예컨대, 사파이어 또는 SiC 등의 소재로 이루어진 기판 위에 GaN계의 N형 반도체층, 활성층(또는, 발광층), P형 반도체층을 순차적으로 적층하고, 투명전극을 형성하여 제조된다.

일반적으로 발광다이오드에서는 광이 생성되면 전체 외부로 방출되지 않고 전반사되어 내부에 갇힘으로 인해 내부에서 손실되는 광이 많다.

광의 특성상, 광이 서로 다른 굴절율을 가지는 두 매질 사이를 통과할 때 그 경계면에서 반사와 투과가 일어나는데, 입사각이 어떤 각보다 커지게 되면 투과는 이루어지지 않고 전반사가 일어난다. 이때 각을 임계각이라고 한다.

이러한, 전반사 현상에 의하여, 발광 다이오드에서는 활성층에서 방출된 광이 임계각 이상의 각도를 가지고 투명전극에 진행되면, 광은 투명전극에서 전반사되어 발광다이오드의 내부에 갇히게 되어, 발광다이오드의 에피층과 사파이어 기판에 흡수되게 됨으로써, 발광다이오드의 광효율이 낮아지게 되는 문제점이 발생된다.

이를 해결하기 위한 방법의 하나로 패턴된 사파이어 기판(PSS:Patterned Sapphire Substrate)을 이용하는 방법이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 패턴된 사파이어 기판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 사파이어 기판(1)의 굴곡 패턴(3)이 형성되어 있다. 사파이어 기판(1)의 굴곡 패턴(3) 상부에 발광다이오드의 발광셀이 성장되는 것이다.

즉, 발광셀을 형성하기 위한 반도체층이 성장되기 전에 사파이어 기판을 패 터닝하여 특정한 형태의 굴곡을 만든 다음, 그 굴곡된 형상 상부에 반도체층을 성장시켜 발광다이오드에서 전반사에 의해 외부로 추출되지 못하던 광량을 추출할 수 있게 된다.

이렇게, 내부 광량이 외부로 추출될 수 있는 것은 측면방향으로 굴절률 차이를 갖도록 발광 다이오드 구조를 디자인하므로서 가능하다.

그러나, 종래의 기술은 기판(10)상에 패턴(3)을 형성하기 위한 포토레지스트 마스크막(2)을 형성하고 마스크막(2)의 일정 영역을 제거하는 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하여 패턴 마스크막을 제조하기 때문에 패턴의 형상에 제약을 받는다.

예를 들어, 종래의 기술로는 광추출효과가 큰 사면체 패턴을 가지는 기판을 제작하는데 어려움이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 용이한 공정을 통해 사면체 패턴을 가지는 발광 소자용 기판 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 기판위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 형성하는 단계와, 상기 실리콘층위에 서로 이 격된 육면체 마스크 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 육면체 마스크 패턴들에 따라 상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격된 사면체 실리콘 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 사면체 실리콘 패턴들에 따라 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 기판의 상부에 서로 이격된 사면체 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자용 기판 제조방법을 제공한다.

바람직하게 상기 육면체 마스크 패턴 형성단계는, 상기 실리콘층위에 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층을 형성하는 단계와, 상기 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층을 포토리소그래피 공정을 통하여 서로 이격된 육면체 마스크 패턴들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 기판은 사파이어 기판, 스피넬 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있다.

바람직하게 상기 식각은 습식 식각 기법을 통해 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 평평한 면을 가지는 베이스와, 상기 베이스의 상부에 서로 이격되어 돌출된 사면체 패턴들을 포함하는 발광 소자용 기판을 제공한다.

바람직하게 상기 기판은 사파이어 기판, 스피넬 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하도록 한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 사면체 패턴을 가지는 발광 소자용 기판을 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 기판(10)위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층(20)을 형성한다. 여기에서 기판(10)은 사파이어기판이 이용될 수 있다. 사파이어 기판 이외에도 스피넬(spinel) 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등 다른 종류의 기판이 사용될 수 있음은 물론이다.

실리콘층(20)위에 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층(30)을 형성한다. SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층(30)은 실리콘층(20)의 일부를 식각하여 실리콘 사면체 패턴을 형성하기 위한 마스크 패턴으로 사용될 층이다.

도 3을 참조하면, 실리콘층(20)위에 형성된 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층(30)을 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통하여 서로 이격된 육면체 패턴들(31)을 형성한다. 육면체 패턴들(31)의 개수 및 배치는 다양하게 변형이 가능하다.

육면체 패턴들(31)을 마스크 패턴으로 하여 실리콘층(20)을 식각한다. 이때, 식각은 습식 식각 및 건식 식각이 사용될 수 있으며, 이등방성 식각(anisotropic etching)이 사용된다.

이등방성 식각은 결정 재료의 애칭 속도가 결정의 면방위보다 크게 다른 것을 이용한 가공법으로, 결정의 면방위와 형성하는 패턴 방위를 조합시키는 것에 의해서 식각의 깊이 방향에 대한 형태를 제어할 수 있다.

여기에서는 KOH 용액을 이용하여 습식 식각을 수행하도록 한다. 실리콘층(20)은 (100)면으로 우선배양되어 형성되어 있음에 따라 식각을 수행하면, 실리콘층(20)의 다른 면에 비하여 (111)면이 더디게 식각되어 (111)이 드러나도록 식각 된다. 계속적으로 식각을 수행하여 기판(10)이 드러나고 육면체 패턴들(31)이 제거될 때까지 식각이 진행되면 도 4에 도시된 바와 같이 기판(10)위에 사면체 실리콘 패턴(21)만 남게 된다. 식각후 SiO2 층을 제거해준다.

이 상태에서, 사면체 실리콘 패턴(21)을 마스크층으로 하여 기판(10)을 1:l 식각하면 사면체 실리콘 패턴(21)에 의해 한정되지 않은 부분은 식각되어 평평한 베이스(12)를 형성하게 되고, 사면체 실리콘 패턴(21)에 의해 한정된 영역은 돌출된 사면체 패턴(11)으로 남는다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 시중에 시판되고 있는 SOS(Silicon-On-Saphire) 기판은 (100) 면 실리콘이 얹혀 있는 것이다. r-평면 사파이어 위에 질화물 화합물 반도체인 GaN를 성장하면, a-평면 GaN를 얻게된다. 이는 비극성(non-polar)의 특징을 가지게 된다. 따라서, 이러한 기술을 이용하여 비극성 GaN을 가지는 발광 소자를 제작할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 기판에 패턴을 형성할 때 기판위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 형성한 후 그 실리콘층을 식각함으로써 실리콘의 결정구조 특성에 의해 (111)면이 드러나도록 하여 사면체 실리콘 패턴을 형성하고, 그 사면체 실리 콘 패턴을 마스크 패턴으로 하여 기판에 식각을 수행함으로써 기판에 사면체 패턴을 가지는 기판을 용이하게 제작할 수 있다.

사면체 형상의 돌출된 패턴을 가지는 기판위에 발광 소자의 제작을 위한 에피층을 형성시키면 다른 형상의 돌출된 패턴을 가질 때 보다 광방출 효율을 향상시킬 수 있다.

즉, 기판의 상부에 돌출되어 형성된 사면체 패턴에 의해 외부로 반사되는 효과가 더욱 증가됨에 따라 광방출 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 기판위에 (100)면으로 우선 배양된 실리콘층을 형성하는 단계와,

   상기 실리콘층위에 서로 이격된 육면체 마스크 패턴들을 형성하는 단계와,

   상기 육면체 마스크 패턴들에 따라 상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격된 사면체 실리콘 패턴들을 형성하는 단계와,

   상기 사면체 실리콘 패턴들에 따라 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 기판의 상부에 서로 이격된 사면체 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자용 기판 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 육면체 마스크 패턴 형성 단계는

   상기 실리콘층위에 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층을 형성하는 단계와,

   상기 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 층을 포토리소그래피 공정을 통하여 서로 이격된 육면체 마스크 패턴들을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자용 기판 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은,

   사파이어 기판, 스피넬 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 중 어느 하나의 기판인 발광 소자용 기판 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 식각은 습식 식각 기법을 통해 수행된 발광 소자용 기판 제조방법.
5. 평평한 면을 가지는 베이스와,

   상기 베이스의 상부에 서로 이격되어 돌출된 사면체 패턴들을 포함하는 발광 소자용 기판.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 기판은,

   사파이어 기판, 스피넬 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 중 어느 하나인 발광 소자용 기판.

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