KR0179952B1 - 화합물반도체장치 및 그 표면처리 가공방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

화합물반도체장치 및 그 표면처리 가공방법
본 발명은 Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체장치 및 그 표면처리 가공방법에 관한 것이다.
종래 Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체 예컨대 AlGaAs반도체로 이루어지는 고휘도 발광용 LED로서 호모(homo)접합구조 LED에 비해서 캐리어의 주입효율이 높고, 고출력, 고응답속도가 얻어지는 싱글헤테로(single hetero)접합구조 LED가 이용되고 있었다.
이들 헤테로접합구조 LED의 특징은 광취출측에 AlAs혼합결정비율(X;mixed crystal ratio)이 큰 AlxGa1-xAs가 이용되고 있는 점이다. 예컨대 적색발광 고휘도 LED용 기판의 에피택셜 성장예를 들면, p형 GaAs기판[(100)면]상에 p클래드(clad)층으로서 Te도프 Al0.75Ga0.25As층을 50㎕ 정도 형성하고 있다.
그리고 GaAs기판선택성에칭물(etchant)을 이용해서 광흡수성 GaAs기판을 제거하여 고휘도 LED칩을 얻어서 칩표면의 혼합결정비율은 0.75로 높다.이와 같이 AlAs혼합결정비율이 높은 AlxGa1-xAs층은 극히 산화되기 쉽기 때문에 발광특성의 열화를 초래할 수 있고, 소자수명을 현저하게 단축하고 마는 원인으로 되었으며, 이는 수지봉지한 소자에 있어서도 마찬가지였다.
이의 대책으로서 SiNx막을 형성하는 방법이 제안되어 있다. 또 표면에 있어서의 전반사를 방지하여 외부 양자 효율을 높이는 요철을 설치하는 것도 제안되어 있다.
그렇지만 종래의 것에 있어서는 표면에 요철을 설치하거나 SiNx막을 형성하거나 어느 하나만을 행해져야 하며, 표면에 요철을 설치하는 것만으로는 내습성에 문제가 있을 뿐만 아니라 표면산화에 의해 소자수명의 점에서 문제가 있고, 또 단지 보호막으로서 SiNx막을 설치하는 것만으로는 부착강도가 약하여 벗겨지기 쉽다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 발명된 것이다.
본 발명의 목적은 화합물반도체장치의 전반사를 방지하여 외부 양자 효율을 향상시킴에 있다.
본 발명의 다른 목적은 화합물반도체장치 보호막의 부착강도를 크게 하여 보호막을 벗겨짐을 방지함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 화합물반도체장치의 내습성을 향상시켜 산화를 방지함으로써 소자수명을 연장함에 있다.
제1도는 본 발명 고휘도 발광 LED구조의 일례를 나타낸 도면.
제2도는 보호막의 수소함유량, 규소와 질소비율 관계의 일례를 나타낸 도면.
제3도는 수소함유량과 에칭속도와의 관계를 나타낸 도면.
제4도는 굴절율과 규소, 질소비율의 관계를 나타낸 도면.
제5도는 본 발명에 따른 LED휘도의 막대그래프를 나타낸 도면.
제6도는 종래 LED휘도의 막대그래프를 나타낸 도면.
제7도 및 제8도는 굴절율을 변경했을 때 LED휘도의 막대그래프를 나타낸 도면.
제9도는 반사율을 측정하기 위한 설명도.
재10도는 막 두께와 반사율의 관계를 나타낸 도면.
제11도는 산화규소에 있어서의 막 두께와 반사율의 관계를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 이면전극 2 : P클래드층
3 : P액티브층 4 : n클래드층
5 : 표면전극 6 : 요철
7 : SiNx막
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 표면에 요철을 형성하고, 다시 요철 표면상에 SiNx막을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
더욱이 본 발명은 Al이 포함된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 표면처리 가공방법에 있어서, 물리적 또는 화학적방법에 의해 표면에 요철을 형성한 후 감압 CVD법, 플라즈마 CVD법, 또는 스퍼터링법으로 요철표면상에 SiNx막을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
더구나 본 발명은 Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체로서 혼합결정비율이 0AlAs1인 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 SiNx막의 막두께를
Figure kpo00002
/4n(
Figure kpo00003
는 발광광의 파장, n은 SiNx막의 굴절율)의 기수배로 하는 것이 좋다.
또한 본 발명의 SiNx막의 형성에는 플라즈마 CVD법을 이용하는 것이 바람직하다.
제1도는 본 발명에 따른 헤테로접합 고휘도 발광 LED구조의 일례를 나타낸 도면으로서, 1은 이면전극(back electrode), 2는 p클래드(clad)층, 3은 p액티브층, 4는 n클래드층, 5는 표면전극(front electrode), 6은 요철, 7은 SiNx막이다.
제1도의 예로서 나타낸 AlGaAs반도체로 이루어지는 발광다이오드는 p액티브층(3)을 클래드층(2), (4)으로 샌드위치하고, 그 표면과 이면에 각각 전극(1), (5)을 형성한다. 이것은 예컨대 전극을 증착후 열처리하여 반도체와의 경계면을 합금화함으로써 이루어지게 된다. 다음에 전극을 제외한 발광 다이오드의 전면에 샌드브라스트(sandbrast)나 미분말을 뿜는 등의 물리적방법 또는 전극을 증착후 열처리하여 합금전극을 형성한 AlGaAs-LED웨이퍼를 과산화수소:암모늄=1:1로 혼합한 액에 1분간 담근 후 30초간 물로 씻고, 다시 3%HCI 수용액에 5분간 담아서 에칭하며, 15분간 물로 씻어서 메틸알콜에 담아 중화하여 건조시키는 화학적방법으로 요철(6)을 형성한다. 요철(6)을 형성한 후 그 표면상에 예를들면 플라즈마 CVD법으로 SiNx막을 보호막으로서 형성한다.
이 SiNx막은 예컨대 제2도 사선영역에 나타낸 수소함유량(원자수비) 및 규소, 질소비율(원자수비)의 것을 사용할 수 있다. 제2도의 곡선(A)는 SiNx막을중 수소가 모드 규소와 결합해 있는 경우, 곡선(B)는 SiNx는 곡선(A), (B) 사이에 있다. 그리고 보호막으로서 특성상 수소의 함유량을 원자수 비율로 약 20~40%, 굴절율 1.8~2.0으로 되도록 선택하고, 도면의 사선부분과 같은 성분의 보호막으로 하는 것이 바람직하지만 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
SiNx중 수소함유량은 제3도에 도시한 바와 같이 불화암모늄(NH4F)과 불산(HF)의 비율이 13:2인 에칭액을 이용하여 온도 25℃에서 에칭한 때의 에칭속도로부터 구해지게 된다. 즉, 엘립소메터(ellipsometer)로서 막 두께를 측정한 때 10~600nm/min의 에칭속도 범위내에 있으면, 보호막으로서 충분한 기능이 달성된다.
또, 보호막의 굴절율과 질소 대 규소비율의 관계는 제4도에 도시한 바와 같이 되며, 규소와 질소의 원자수비율을 선택함으로써 굴절율을 1.8~2.0으로 할 수 있다.
막 두께는 너무 얇으면, 보호막으로서의 기능을 충분히 완수할 수 없지만, 너무 두꺼워도 막 제조에 시간이 많이 걸림과 더불어 막 자체가 갖는 스트레스(stress) 때문에 막이 벗겨지는 경우가 생기므로 막 두께는 20~500nm 정도가 적당하다.
더구나 SiNx막을 형성하는 방법으로서 플라즈마 CVD법이 가장 좋지만, 그것 이외에도 감압 CVD법, 스퍼터링법 등이 있다.
예컨대 실란 SiH4막을 암모늄 NH3을 챔버(chamber)내에 도입하여 열에 의한 분해반응을 이용해서 기판상에 Si3N4막을 침적하는 열분해 CVD법이 있으며, 이 방법에 의하면, 스토이치오메트릭(stoichiometric)막(Si와 N의 비율이 3:4)에 더 가까운 수소 함유량이 낮은 막이 만들어진다는 이점이 있으며, 이 경우 막 제조 온도가 가장 낮아도 600℃ 이상 필요하다.
또한 반응성 스퍼터법에서는 Si를 타겟트(target)로서 Ar에 소향의 N2를 혼입한 분위기(압력 1×10-2Torr~1Torr)중에서 방전을 일으켜 Si를 스퍼터링하면, 기판상에 SiNx가 침적되게 된다. 이 방법은 기판을 가열할 필요가 없기 때문에 화합물반도체에 사용할 수 있지만, 스토이치오메트릭제어(stoichiometric control) 및 막중의 압력제어에 주의를 요한다.
그리고 굴절율이 1.82로 되도록 규소와 질소원자수비율을 설정하여 270nm의 막 두께(면내 균일성 ±5%)인 보호막을 형성한 발광다이오드에 있어서, 실제로 구동하여 발광파장 660mm의 광에 대해서 휘도 막대그래프를 구하면, 제5도와 같은 결과가 얻어지며, 마찬가지로 요철만 설치한 것 혹은 SiNx막만 형성한 것에 관해서 측정하여 제6도에 나타낸 결과가 얻어졌다. 더구나 도면에 있어서 횡축은 휘도(임의 단위), 종축은 개수(단, 비교하기 쉽도록 최대값으로 규격화)이다.
본 발명에 있어서는 평균휘도 1929가 얻어진 것에 대해서 종래의 것은 1373이며, 본 발명에 의해 휘도를 향상시킬 수 있다.
다음의 SiNx막만 형성한 LED, 표면에 요철만 형성한 LED, 본 발명에 의한 LED에 관해서 수명시험을 한 결과를 표1에 나타냈다.
Figure kpo00004
표중 시험 A는 스텝1(step 1; 온도 85℃, 상대습도 95%의 환경하에서, 구동전류 직류 20mA에서 12시간 구동), 스텝2(온도 20℃, 상대습도 100%의 환경하에서, 구동전류 직류 20mA에서 12시간 구동)에 관해서 스텝1+스텝2를 3회 반복한 것이고, 시험 B는 시험 A를 행한 후 다시 스텝3(온도 85℃, 상대습도 95%의 환경하에서, 구동전류 직류 20mA에서 4시간 구동), 스텝4(온도 20℃, 상대습도 100%의 환경하에서 구동전류 직류 20mA에서 4시간 구동)에 관해서 스텝3+스텝4를 30회 반복한 것이며, 표중 수치는 휘도잔존율(최초로 측정한 때의 값에 대한 비율)을 나타내고 있다.
표1에서 분명한 바와 같이 본 발명에 의한 것은 휘도잔존율이 크고, 수명이 대폭으로 연장되는 것이 분명하다.
더구나 요철의 크기는 광을 산란함과 동시에 SiNx막의 부착강도가 유지되면 좋고, 특히 한정되는 것은 아니지만 바람직하게는 요철의 골에서 골, 또는 산에서 산의 거리는 0.1㎛이상이다.
또한 제5도의 경우와 마찬가지로 굴절율 1.53, 2.21로 되도록 규소와 질소와의 비율을 설정하고, 270nm의 막 두께(면내 균일성 ±5%)인 보호막을 형성한 발광다이오드에 관해서, 발광파장 660nm인 광에 대하여 휘도 막대그래프를 구하면, 각각 제7도, 제8도와 같은 결과가 얻어졌다. 굴절율이 1.53인 경우 평균휘도는 1754, 굴절율이 2.21인 경우의 평균휘도는 1758이었다.
다음에 보호막의 굴절율, 두께와 반사율의 관계에 관해서 제9도에 의해 설명한다.
Figure kpo00005
로 된다.
이상의 관계를 이용하여 굴절율이 1.9인 때의 막 두께 d에 대한 수직방향의 반사율 변화를 구하면 제10도와 같이 된다.
도면에서 86nm의 기수배인 막 두께때에 반사율이 0.2%로 되며, 이 정도의 반사율이면 높은 출력특성을 달성할 수 있다.
그리고 굴절율이 1.80~2.0인 범위에 있으면 만족할 수 있다.
[실시예 1]
전극을 증착후 열처리하여 합금전극을 형성한 AlGaAs-LED 웨이퍼를 과산화수소:암모늄=1:1로 혼합한 액에 1분간 담근 후 30초간 물로 씻고, 다시 3%HCI 수용액에 5분간 담가서 에칭하며, 15분간 물로 씻어서 메틸알콜에 담아 중화하여 건조시켰다. 이와 같이 하여 요철을 형성한 웨이퍼면상에 플라즈마 CVD법으로 SiNx막을 형성시켰다. 막형성조건으로서 가스유량을 SiH4(20%/N2), 희석액을 14sccm(cm3/min, 0℃에서 1기압), 암모늄(NH3) 60sccm, 질소 11sccm을 사용했다. 전압력은 5×10-2Torr, 기판온도 280℃, RF파워 50W에서 플라즈마CVD법으로 막형성시간 28분으로 막을 형성하면, 막 두께가 약 270mm로 굴절율 1.9가 얻어졌다. 요철처리에 의해 외부 양자 효율은 약 40% 향상하고, SiNx막의 형성으로 3000시간의 수명시험에도 휘도의 열화가 발견되지 않고 양호하였다.
[비교예]
보호막으로서 산화규소막(Sio2)을 이용한 경우 n1=1.5인때 막 두께 d에 대한 반사율 변화는 제11도에 나타낸 바와 같게 된다.
도면에서 분명한 바와 같이 막 두께 110mm에서 반사율이 최소로 되지만, 3.6%까지 고휘도 출력이 얻어지지 않는 것이 분명하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체 표면을 요철 처리함으로써 광의 취출효율을 상승시키고, 그 요철 표면상에 SiNx막을 형성함으로써 막 자체의 부착강도가 높아지게 된다.
그에 따라 SiNx막이 벗겨지지 않게 되며, 내습성이 현격하게 상승하고, AlGaAs의 산화에 의한 LED칩의 열화가 체감되어 수명특성을 향상시킬 수 있다. 또한 SiNx막을 보호막으로 함으로서 자연산화막, 산화규소막 등의 다른 패시베이션(passivation)막에 비해서 내습성이 현격하게 향상하고, 소자수명이 길어지며, 또 발광출력을 25% 정도까지 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 표면에 요철을 형성시킴과 더불어 상기 요철 표면상에 SiNx막을 형성시킨 것을 특징으로 하는 화합물반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체가 혼합결정비율이 0AlAs1인 AlGaAs반도체인 것을 특징으로 하는 화합물반도체장치.
  3. 제1항에 있어서, SiNx막의 두께가 20nm~500nm인 화합물반도체장치.
  4. 제1항에 있어서, SiNx막의 막 두께가
    Figure kpo00006
    /4n(
    Figure kpo00007
    는 발광광의 파장, n은 SiNx막의 굴절율)의 기수배인 화합물반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, SiNx막이 플라즈마 CVD법에 의해서 형성된 화합물반도체장치.
  6. Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 표면처리 가공방법에 있어서, 샌드브라스트(sandbrast)나 미분말을 뿜는 등의 물리적 또는 화학적방법에 의해 표면에 요철을 형성한 후 감압 CVD법, 플라즈마 CVD법, 또는 스퍼터링법으로 요철 표면상에 SiNx막을 형성하는 것을 특징으로 하는 화합물반도체장치의 표면처리 가공방법.
  7. 제6항에 있어서, Al이 혼합된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체가 혼합결정비율이 0AlAs1인 AlGaAs반도체인 것을 특징으로 하는 화합물반도체장치의 표면처리 가공방법.
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