KR20100020275A

KR20100020275A - 반도체 소자용 기판과 그 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자

Info

Publication number: KR20100020275A
Application number: KR1020080078984A
Authority: KR
Inventors: 여환국; 장근숙
Original assignee: (주)더리즈
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-02-22
Also published as: KR100984041B1

Abstract

에피층 성장에 제한을 주지 않으면서 외부광추출효율을 증가시키는 반도체 소자용 기판과 그 제조방법, 그리고 그 기판을 이용함에 따라 외부광추출효율이 향상된 고출력 반도체 소자를 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판은, 볼록 렌즈를 다수 포함하고, 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판 제조방법에서는, 기판 상에 식각 마스크를 형성한 다음, 상기 식각 마스크를 통해 건식 식각을 실시하여 상기 기판에 볼록 렌즈를 형성하고 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부를 형성한다.

Description

반도체 소자용 기판과 그 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자 {Substrate for semiconductor device, method for fabricating the same and semiconductor device using the same}

본 발명은 반도체 소자용 기판, 그 제조방법, 그리고 그 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 발광다이오드(LED)와 같은 반도체 발광 소자 제조에 사용될 수 있도록 패턴이 형성된 기판, 그 제조방법, 그리고 그 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.

LED 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다.

LED 개발에 있어서 가장 큰 이슈는 발광 효율을 증가시키는 것이다. 일반적으로, 발광 효율은 빛의 생성 효율(내부양자효율)과, 소자 밖으로 방출되는 효율(외부광추출효율), 및 형광체 변환 효율에 의하여 결정된다. LED의 고출력화를 위 해서는 내부양자효율의 측면에서 활성층 특성을 향상시키는 방법도 중요하지만, 실제 발생된 광의 외부광추출효율을 증가시키는 것이 매우 중요하다.

LED 외부로 빛이 방출되는데 있어서의 가장 큰 장애요인은 LED 각 층간의 굴절률 차에 의한 내부 전반사(internal total reflection)이다. LED 각 층간의 굴절률 차에 의하여, 계면 밖으로 빠져나가는 빛은 생성된 빛의 일부인 50% 정도에 해당된다. 더구나, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 LED 내부를 이동하다가 열로 붕괴(decay)되어버려, 결과적으로 발광효율은 낮으면서 소자의 열 발생량을 늘려, LED의 수명을 단축시키게 된다.

외부광추출효율 향상을 위해서는 소자 표면의 거칠기를 증가시키는 방법, 소자의 기저 부분이면서 에피층이 성장되는 기판의 표면에 굴곡이 있는 모양(이하, 오목 또는 볼록 형상의 모양 모두를 “렌즈”라고 칭하기로 한다)을 형성하는 방법 등이 제시되고 있다. 기판 위에 렌즈를 형성하면 임계각 이상의 광이 소자 내에 반사되면서 흡수되는 확률을 낮춰줌으로써 외부광추출효율 향상 효과가 있다.

도 1a는 사파이어 기판(10)을 식각하여 형성한 렌즈(12) 위로 형성된 LED(30)의 개략적인 단면도이고, 도 1b는 사파이어 기판(10)을 식각하여 형성한 렌즈(12)의 SEM 사진이다.

이와 같은 렌즈(12)를 촘촘히 배열하여 밀도를 높이게 되면 외부광추출효율은 높아지나 렌즈(12) 사이의 간격이 매우 좁게 되어 기판과 그 위에 성장되는 물질이 다른 이종 에피층 성장시, 에피층 성장이 매우 제한을 받게 되는 문제가 있다. 도 2a는 렌즈가 형성된 기판 위에 에피층이 깨끗이 성장된 표면의 현미경 사 진이며, 도 2b는 렌즈 사이가 매우 좁은 기판 위에 에피층이 비이상적으로 성장된 표면의 사진으로서, 사파이어 기판에 GaN을 성장시킨 경우이다. 도 2b와 같이 표면이 메워지지 않은 어두운 부분은 표면 결함으로서, 소자 제작에 있어 치명적인 수율 감소와 불량을 발생하게 한다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 렌즈 형상 변화를 통해 렌즈를 촘촘히 배열하지 않아도 외부광추출효율을 증가시킬 수 있는 반도체 소자용 기판 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 기판을 이용함에 따라 외부광추출효율이 향상된 고출력 반도체 소자를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판은, 볼록 렌즈를 다수 포함하고, 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 소자용 기판 제조방법에서는, 기판 상에 식각 마스크를 형성한 다음, 상기 식각 마스크를 통해 건식 식각을 실시하여 상기 기판에 볼록 렌즈를 형성하고 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부를 형성한다.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자는 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판, 상기 기판 상에 형성된 에피층으로서 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 적어도 포함하는 에피층, 및 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 상에 각각 형성된 전극을 포함한다.

본 발명에 따르면, 볼록한 렌즈 주변을 오목하게 형성함으로써 렌즈가 깊은 효과도 있으며 렌즈의 밀도를 증가시킨 것과 같은 효과가 있다. 이렇게 렌즈의 형태를 변형함으로써, 일부러 렌즈를 촘촘히 배열하지 않아도 외부광추출효율을 증가시킬 수 있으며, 에피층 성장을 원활하게 하여 표면 및 결정성이 우수한 에피층을 성장시킬 수 있다. 이는 반도체 발광 소자와 같은 반도체 소자 제작에 성능 향상이나 수율 증가로 직결된다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 3a는 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판의 개략적인 단면도이다.

기판(110)에는 기준면(G)보다 돌출된 볼록 렌즈(112)가 다수 형성되어 있으며, 렌즈(112) 주변에는 렌즈(112)마다 오목부(115)가 형성되어 있다. 여기서 오 목부(115)는 기준면(G)보다 함몰된 것이다. 기준면(G)은 기판(110)의 표면으로 정의될 수도 있고, 기판(110)에 소정의 물질을 증착한 경우 기판(110)과 그 물질간의 계면으로 정의될 수도 있다. 어느 경우이든 기준면(G)은 렌즈(112) 사이의 기판(110) 표면이라고 지칭하며, 따라서 오목부(115)는 렌즈(112) 사이의 기판(110) 표면보다 함몰된 것이라 정의될 수 있다. 물론 경우에 따라서는 렌즈(112) 사이의 평평한 부분이 없이, 즉 기준면(G) 없이 렌즈(112) 사이가 모두 오목부(115)로 구성될 수도 있다.

기판(110)은 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN 등과 같은 물질 중 어느 하나일 수 있으며, 렌즈(112)는 이러한 기판(110) 자체의 물질이거나, 기판(110) 위에 SiO₂, SiON, SiN 등의 물질을 증착한 후에 이를 식각한 것일 수도 있다. 렌즈(112)의 평면 모양은 원형이나 각종 다각형(정육각형, 정삼각형, 정방형 등)이 모두 가능하며, 단면 모양은 식각 마스크의 종류, 모양이나 식각의 선택비에 따라 사각형, 사다리꼴, 삼각형 등의 여러 모양이 가능하다. 도 3a에는 단면 모양이 삼각형인 경우를 도시하였다.

도 3b는 후술하는 본 발명 제조방법에 따라 실제 제조한 기판의 SEM 사진이며, 도 3c는 렌즈 부분을 더욱 확대한 SEM 사진이다. 여기서는 렌즈의 단면 모양이 사다리꼴에 가까운 오각형임을 볼 수 있으며, 렌즈마다 오목부가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 오목부는 렌즈 외주를 둘러싸는 링 형상으로 기판이 소정 깊이 식각되어 형성되어 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판은 볼록한 렌즈 주변을 오목하게 형성함으로써 렌즈가 깊은 효과도 있으며 렌즈의 밀도를 증가시킨 것과 같은 효과가 있다. 따라서, 일부러 렌즈를 촘촘히 배열하지 않아도 외부광추출효율을 증가시킬 수 있으며, 에피층 성장을 원활하게 하여 표면 및 결정성이 우수한 에피층을 성장시킬 수 있다.

도 4는 렌즈 패턴의 평면도이다.

예컨대, 기판은 사파이어이며 렌즈는 도 4와 같이 형상과 간격이 일정한 패턴으로 되어 있다. 예를 들어 렌즈(112)는 반복 정삼각형 패턴의 정점에 위치하며, 렌즈(112)의 직경(D)은 2.5㎛, 질화물 반도체, 예컨대 GaN의 <11-20> 방향을 따라 렌즈 중심간의 간격(s1)은 4㎛(즉, 렌즈 외에 평평한 부분, 즉 렌즈 사이의 공간(d)은 4-2.5=1.5㎛)이고, GaN의 <1-100> 방향을 따라 렌즈 중심간의 간격(s2)은 6.9282㎛다. 렌즈 중심간의 간격(s1)이 곧 반복 정삼각형 패턴의 한 변에 해당한다.

충진 밀도를 계산하는 방법을 예로 들면, 점선 표시된 평행사변형이 단위셀(unit cell)이며 이 안에 렌즈가 차지하는 면적율이 충진 밀도가 된다. 기존에는 이 충진 밀도를 높이기 위해 렌즈간의 간격을 좁게 하여 렌즈를 촘촘히 배열하였다. 그러나, 본 발명에서는 렌즈간의 간격은 그대로 둔 채 렌즈 주변에 오목부를 형성함으로써 실제적으로는 렌즈 충진 밀도가 증가된 것과 같은 효과를 얻는 데 특징이 있다.

도 5는 도 4와 같은 패턴으로 렌즈를 형성하여 본 발명에 따른 반도체 소자 용 기판을 제조하기 위한 공정 단면도이다.

도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN 등과 같은 기판(110) 상에 식각 마스크(111)를 형성한다. 기판(110) 위에 형성되는 렌즈는 이러한 기판(110) 자체의 물질이거나 기판(110) 위에 SiO₂, SiON, SiN 등의 물질을 증착한 후에 이를 식각한 것일 수 있다. 따라서, 필요한 경우에는 기판(110) 상에 SiO₂, SiON, SiN 등의 물질을 증착한 후에 그 위에 식각 마스크(111)를 형성한다. 이 때 식각 마스크(111)는 포토레지스트나 산화막, 금속막 등을 선택할 수 있다. 본 발명에 따라 음각과 양각을 동시에 형성하기 위해서는 식각 마스크(111) 물질이 단단하며 도 5의 (a)와 같이 수직의 벽면을 갖는 형태로 형성함이 바람직하다.

다음, 도 5의 (b) 내지 (e)에 도시한 바와 같이 식각을 실시하여 렌즈(112)와 그 주변의 오목부(115)를 형성하도록 한다. 주로 건식 식각을 이용하며, 특히 RIE 방식에 의한다. 이 때 처음부터 렌즈(112)와 오목부(115) 형성을 같이 해도 되지만 일단 렌즈(112)부터 만들어 놓고 그 후 압력과 바이어스 등을 조절하여 이온의 입사량을 늘리고 화살표 E로 표시한 바와 같이 렌즈(112) 주변에 방향성을 가지고 입사하게 조절함으로써 볼록한 렌즈(112) 주변에 음각의 오목부(115)가 발생하게 할 수도 있다.

오목부(115)의 깊이는 식각 마스크(111)의 하드니스(hardness)와 형태로 조절가능하다. 식각 마스크(111)의 하드니스가 작아 쉽게 식각되어 없어지는 경우에 는 오목부(115)의 깊이가 얕으며 반대로 하드니스가 커서 쉽게 식각되지 않고 남아 있는 경우에는 오목부(115)의 깊이를 깊게 할 수 있다. 또한 식각 마스크(111)가 수직의 벽면을 갖는 경우에는 오목부(115)를 더 깊이 형성할 수 있지만 식각 마스크(111)가 섬과 같은 둥근 벽면을 갖는 경우에는 오목부(115)를 얕게 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이다.

본 발명에 따른 반도체 소자용 기판(110) 상에 에피층(130)이 형성되어 있다. 기판(110)은 도 3b와 같은 형상과 간격을 지닌 렌즈가 형성되어 있는 경우를 예로 든다.

에피층(130)은 n형 반도체층(120), 활성층(122) 및 p형 반도체층(124)을 적어도 포함한다. 필요한 경우에 n형 반도체층(120) 아래에 렌즈(112) 위로 반도체 단결정막을 먼저 성장시킬 수도 있다. 렌즈(112) 주변에는 오목부(115)가 형성되어 있어 실제 렌즈(112)가 깊어지는 효과와 밀도가 증가한 것 같은 효과가 있다. 그러나 렌즈(112) 사이의 공간은 좁아지지 않고 확보되므로 에피층(130) 성장을 원활하게 하여 표면 및 결정성이 우수한 에피층(130)을 성장시킬 수 있다. 이는 반도체 소자 제작에 성능 향상이나 수율 증가로 직결된다.

n형 반도체층(120)은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAlN 등의 물질에 Si, Ge, Se, Te 등의 불순물을 도핑하여 형성하는데, MOCVD, MBE 또는 HVPE와 같은 증착공정을 통해 형성된다. 활성층(122)은 빛을 발광하기 위한 층으로, 통상 InGaN층을 우물로 하고 GaN층을 벽층으로 하여 다중양자우물을 형성함으로써 이루어진다. p형 반 도체층(124)은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAlN 등의 물질에 Mg, Zn, Be 등의 불순물을 도핑하여 형성한다. 상기 n형 반도체층(120)과 p형 반도체층(124) 상에 각각 전극(140, 142)이 형성되어 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자는 렌즈(112) 및 렌즈 주변 오목부(115)가 형성된 기판(110)을 이용함에 따라 외부광추출효율이 향상된 고출력 LED와 같은 발광 소자로 구현될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

도 1a는 렌즈가 형성된 기판 위에 형성된 LED의 단면도이다.

도 1b는 사파이어 기판을 식각하여 형성한 렌즈의 SEM 사진이다.

도 2a는 렌즈가 형성된 기판 위에 에피층이 깨끗이 성장된 표면의 현미경 사진이다.

도 2b는 렌즈 사이가 매우 좁은 기판 위에 에피층이 비이상적으로 성장된 표면의 사진이다.

도 3b는 본 발명 제조방법에 따라 실제 제조한 기판의 SEM 사진이며, 도 3c는 렌즈 부분을 더욱 확대한 SEM 사진이다.

도 4는 렌즈 패턴의 평면도이다.

도 5는 도 4와 같은 패턴으로 렌즈를 형성하여 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판을 제조하기 위한 공정 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...기판 111...식각 마스크 112...렌즈

115...오목부 120...n형 반도체층 122...활성층

124...p형 반도체층 130...에피층 140, 142...전극

Claims

볼록 렌즈를 다수 포함하고, 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판.
기판 상에 식각 마스크를 형성하는 단계; 및

상기 식각 마스크를 통해 건식 식각을 실시하여 상기 기판에 볼록 렌즈를 형성하고 상기 렌즈 외주를 따라 상기 렌즈 사이의 기판 표면보다 함몰된 오목부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 마스크는 수직의 벽면을 갖는 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 렌즈를 먼저 형성한 다음, 상기 건식 식각의 압력 및 바이어스 중 적어도 어느 하나를 조절하여 이온의 입사량을 늘리고 상기 렌즈 주변에 방향성을 가지고 입사하게 조절함으로써 상기 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판 제조방법.
제1항 기재의 반도체 소자용 기판;

상기 기판 상에 형성된 에피층으로서 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 을 적어도 포함하는 에피층; 및

상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 상에 각각 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.