KR100415522B1 - 벽개면을갖는반도체장치 - Google Patents

Abstract

반도체 발광 장치는 주면으로서 {11-20} 면(a면)을 갖는 기판(1) 상에 적어도 제 1클래딩층(6), 발광층(7), 및 제 2클래딩층(8)을 포함한 적층 구조의 반도체층(2)을 형성하는 단계 ; 및 가열 상태하에서 반도체층(2) 및 기판(1)을 일체로 절단하여, {1-102} 면(r면) 내에 벽개된 면에 의한 상술한 기판 상에 한 쌍의 마면을 형성함과 동시에 반도체 층(2) 상에 기판(1)의 상술한 한 쌍의 마면을 따라 연장하는 한쌍의 마면(3)을 형성하는 단계에 의해 제공된다.

Description

벽개면을 갖는 반도체 장치.

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 레이저와 같은, 벽개면(cleaved surface)을 갖는 발광 장치에 관한 것이다.

합성 반도체 레이저와 같은 반도체 장치에서 유도 방출을 발생시키기 위하여, 발광 영역의 양측에 광을 밀폐함과 동시에 마면(facet)들 간에 공진기를 형성하기 위한 한 쌍의 광학 마면이 요구된다.

이 마면들은 일반적으로 결정 기판에 또는 결정 기판 상에 에피택셜 성장으로 된 반도체층에 수직하는 벽개면에 의해 형성되며, 이 벽개면은 결정의 벽개성(cleavage) 평면을 사용하여 형성된다. 이 경우, 벽개성이 시작되는 기점을 결정하기 위해 반도체층의 정면 또는 기판의 반대측 상에 표시하여 스크래치가 형성된다. 마면은 다른 방법들, 예를 들어, RIE(반응성 이온 에칭) 또는 화학적 웨트 에칭에 의해 형성될 수 있다. 일반적으로, 이들 에칭 방법에 의해 형성된 마면은 벽개성 마면에 비해 광학적으로 열등하다. 또한, 에칭 처리는 매우 복잡하고, 대량 생산에 있어 불리한 효과를 갖는다.

벽개성이 상술한 바와 같이 이용될 경우, 반도체층이 에피택셜 성장으로 된 기판의 두께는 에피택셜 성장한 반도체층의 두께보다 현저하게 두껍다. 이런 이유로, 기판의 벽개성의 강도가 특히 중요하다. 벽개성이 강한 GaAs 등의 재료들은 AlGaAs 또는 AlGaInP 와 같은 Ⅲ-V족 또는 널리 사용되거나 개발중에 있는 ZnSSe또는 ZnCdSe와 같은 Ⅱ-Ⅵ족으로 형성된 반도체 레이저에 대한 기판으로서 사용된다. 따라서, 공진기 마면들은 벽개성을 이용하여 형성될 수 있다.

짧은 파장의 발광이 반도체 레이저와 같은 반도체 발광 장치에 요구된다는 점에서, 블루에서 자외선 범위까지 방출할 수 있는 것으로, {Ga, Al, In} 의 Ⅲ족 원소와 N(질소)의 V족 원소를 포함한 Ⅲ-V족 화합물 반도체를 사용한 반도체 레이저가 주목된다. 이 경우, 재료의 벽개성을 활용할 수 있는 것으로, 기판으로서 MgAl₂O₄또는 LGO(즉, LiGaO₂) 결정을 사용한 {Ga, Al, In} - N 화합물 반도체층의 에피택셜 성장이 시도되고 있다.

{Ga, Al, In} 및 N 중의 임의의 하나를 함유한 화합물 반도체층이 예를 들어, 소정의 반도체 레이저를 형성하기 위해 사파이어 기판에 에피택셜 성장된다고 가정해 보자. 화합물 반도체층의 벽개면과 일치하는 사파이어 기판 내에 벽개면이 없기 때문에, 상술한 경우에서와 달리 벽개성으로 마면을 형성하는 것이 어렵다.

본 발명의 목적은 GaN등의 Ⅲ-V족 화합물의 반도체층을 갖는 반도체 레이저 등이 벽개성에서의 어려움이 있고 벽개면이 반도체층의 강한 벽개성면과 다른 반도체층 또는 기판에서와 일치하는 벽개면이 없는 기판을 사용하여 구성되어, 절단(breakage) 또는 벽개성이 반도체층의 벽개면을 따라 쉽고 정확하게 전달되는 반도체 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 기판과, N 및 {Ga, Al, In} 중에서 선택된 적어도 1개의원소를 함유한 화합물 반도체로 구성되는 적어도 1개의 층을 포함하는 반도체 장치가 기판 상에 제공되며, 이 기판은 {1-102} 면의 한 쌍의 마면 또는 {1-102} 면으로부터 ±5도 이내로 떨어져 있는 면을 갖는다.

본 발명에 따르면, 기판면이 반도체층의 표면과 일치하지 않더라도, 기판 상에 에피택셜 성장한 반도체층 내에 벽개성이 우수한 한 쌍의 마면을 형성하는 것이 가능하다. 한 쌍의 마면이 기판 상의 반도체층 내로 제한될 수 있으므로, 이들 마면은 반도체 발광 장치의 공진기로서 활용된다. 결과적으로, 우수한 발광 특성을 갖는 반도체 레이저 등의 반도체 발광 장치가 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면, {11-20} 면 또는 {1-102} 면으로부터 약 ±5° 경사진 면과 같은 {11-20} 면 또는 {1-102} 면과 실질적으로 등가인 면도 각각 {11-20} 면 또는 {1-102} 면으로 간주된다.

도1은 본 발명에 따른 반도체 장치의 일례를 도시한 개략사시도.

도2는 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 공정의 일례의 한 공정에 대한 단면도.

도3는 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 공정의 일례의 한 공정에 대한 단면도.

도4는 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 공정의 일례의 한 공정에 대한 단면도.

도5A, 5B, 및 5C는 본 발명의 제조 공정에 따른 기판에 형성된 홈의 형상의 예를 각각 도시한 사시도.

도6은 본 발명의 제조 방법의 일례의 한 공정에 대한 개략단면도.

도7은 본 발명의 제조 방법의 일례의 한 공정에 대한 개략단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기판

2 : 반도체층

3 : 마면

21 : 표면층

본 발명의 실시 형태에 관하여 설명하고자 한다. 도1은 본 발명에 따른 반도체 장치의 일례의 개략사시도이다.

본 발명에 따르면, 기판 상에 {Ga, Al, In} 및 N (즉, GaN계 반도체)을 함유한 화합물 반도체층(2)이 형성된다. 이 예는 GaN계 반도체 레이저에 본 발명이 적용될 경우, 반도체 레이저와 같은 GaN계 반도체 발광 장치, 적어도 제 1클래딩(clading)층(6), 예로, 활성층(7)과 같은 발광층, 및 제 2클래딩층(8)으로 구성된 반도체층(2)이 사파이어 등으로 된 기판(1) 상에 형성된다.

특히, 본 발명에서, 사파이어 기판(1)은 {11-20} 면의 주면(1a) 즉, <a면> ,그 위에 형성된 반도체층, 및 {1-102} 면 즉, <a면> 에 수직인 <r면> 을 갖는 기판으로 구성된다.

본 발명의 장치의 이해를 돕기 위해서, 본 발명에 따른 반도체 장치 제조 방법의 예를 도2 내지 4의 사시도를 참고하여 설명할 것이다. 도1의 파선에 따른 도2의 단면도에서와 같이, GaN의 버퍼층(4)을 예로, 사파이어 기판(1)의 주면의 (도면에서 면(11-20)으로 도시된) {11-20} 면 상에 요구되는 것으로, 30nm로 에피택셜 성장한다. 그 후, 상기와 같은 에피택셜 성장 공정을 이용하여, 기판(1) 상에, 제 1도전층 예컨대, n형 불순물 Si로 도핑된 약 3㎛ 두께의 n형 전극 콘택트층(5), n형 불순물 Si로 도핑된 AlGaN으로 구성된 약 0.5㎛ 두께의 n형의 제 1클래딩층(6), 낮은 n형 불순물 농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 GaN으로 구성된 약 0.05㎛ 두께의 활성층(7), 제 2도전형으로 p형 불순물 Mg로 도핑된 AlGaN으로 구성된 약 0.5㎛의 제 2클래딩층(8), 및 p형 불순물 Mg로 도핑된 GaN으로 구성된 약 1.0㎛ 두께의 캡층(9)을 형성한다. 이들 반도체층(3 내지 9)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 유기 금속 화학적 기상 성장)법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy, 분자선 에피택시)법에 의해 에피택셜 성장 가능하다.

도2의 마면과 직교하는 마면을 나타내는 도3에 도시된 바와 같이, 캡층(9)의 표면으로부터 RIE와 같은 화학적 웨트 에칭 또는 드라이 에칭에 의해 층(6-9)의 일부를 제거하고 상술한 <r면> 과 어떤 각도를 유지하거나 직교하는 방향으로 전극 콘택트층(5)의 일부를 노출시키기 위한 스트라이프 형상으로 전극 콘택트 홈(10)을 형성한다. SiO2등의 절연층(11)은 홈(10) 내에 표면 및 저면을 포함한 캡층(9)의전면 상에 스퍼터링 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학적 기상 성장)법으로 형성된다. 그 후, 전극 콘택트 창(11w1)이 캡(9) 상에 절연막(11) 상에 홈(10)의 연장 방향 즉, <r면> 과 어떤 각도를 유지하거나 직교하는 방향으로 스트라이프 형상으로 형성된다. 다른 전극 콘택트 창(11w2)은 홈(10) 내의 전극 콘택트층(5) 상에 절연막(11) 사이에 형성된다. 창(11w1 및 11w2)들은 예컨대, 포토리소그래피를 이용한 패턴 에칭에 의해 형성된다.

예를 들어, Au 전극을 전극 콘택트 창(11w1)을 통하여 캡층(9) 상에 옴으로 피착하는 한편, Ti, Al, 및 Au의 금속층들로 구성된 적층 전극(13)을 다른 전극 콘택트 창(11w2)을 통하여 전극 콘택트층(5) 상에 옴으로 피착하여, 전체적으로 어닐링 처리를 행한다.

도2와 같은 평면 내의 단면도를 도시하는 즉, 도3과 직교하는 도4에서와 같이, 2 이상의 스트라이프 홈(18)들은 반도체층(2)의 (1-102)면 또는 등가 {1-102} 면과 평행하는 방향을 따라서 절단(break)된다. 홈(18)들은 예로, 슬라이싱에 의해 형성될 수 있다. 기판 면(1b)의 각각의 홈들의 개구폭은 20㎛ 내지 200㎛와 같다. 기판(1)의 {1-102} 면을 따라 연장하는 홈(18)의 선상단(18S)가 홈의 저부에 응력을 집중시키도록 형성된다.

홈(18)의 깊이는 홈(18)이 반도체층(2)에 도달하지 않도록 되어 있다. 기판(1)의 두께가 T이고, 기판의 홈의 깊이가 D라 하면,또는 0 <T-D의 관계가 설정된다.

예를 들어, 도5의 기판(1)의 반대측으로부터 얻어지는 사시도에서와 같이,홈(18)의 깊이는 도5A에 도시된 것과 같은 V자형 마면, 도5B에 도시된 것과 같은 U자형 마면, 또는 도5에 도시된 것과 같은 수직 측면과 같은 여러 가지 형상을 가정해 볼 수 있다. 기판(1)의 {1-102} 면을 따라 선형으로 연장된 첨예부가 홈(18)의 선상단(18S)에 형성된다. 선상단(18S)의 이러한 첨예부에 응력이 집중된다.

그 후, 반도체층(2)과 함께 형성된 기판(1)에 외력을 주고, 그의 표면을 따라 장력을 준다. 예로, 외부 기계적 응력, 열적 응력 또는 초음파가 기판(1)을 구부리는 것과 같은 방식으로 가해진다. 그렇게 하여, 홈(18)의 저부에 응력을 집중시킨다. 결국, 도1에서와 같이, 기판(1)은 홈(18)을 따라 절단되고, 그 결과 반도체층(2)도 홈(18)을 따라 절단되어 반도체칩을 생성하게 되는데, 이는 사파이어 기판(1)의 {1-102} 면의 강한 벽개성때문이다. 결과적으로, 기판(1)보다 훨씬 얇은 반도체층(2)이 절단된다. 이 경우, 기판(1)의 두께가 수백㎛이고, 반도체층의 두께가 수㎛이므로, 기판(1) 및 반도체층(2)은 일체로 절단된다. 특히, 반도체층(2)에서, 기판(1)의 <r면>에 기초한 마면과 일치하여 확실하게 절단되는 한 쌍의 마면(3)이 형성된다.

한편, {1-102} 면 즉, <r면>은 벽개성이 강한 것으로 기록되어 있다(S.M. Wiederhorn, Journal of the American Ceramic Society, 52(9), (1969) 485-91./E. Stofel and Hans Conrad, Trans, AIME, 227(5)(1963)1053. 참조).

아울러, 홈(18)이 기판(1)에 형성되고 상술한 바와 같이 그 저부에 응력이 집중될 때, 상술한 <r면>의 벽개성은 더욱 효과적으로 되고, 홈(18)의 위치에 의해 설정된 소정의 위치에서 행해진다.

이러한 절단은 실내 온도보다 높은 온도에서, 양호하게는 150℃ 이상에서, 기판(1)의 탄성이 감소하는 곳에서는 300℃ 이상, 반도체층(2)의 에피택셜 성장 온도보다 낮은 온도에서 가능한 에피택셜 성장 온도에 근접한 온도로서 전달될 수 있다.

가능한 한 반도체층(2)에 대한 에피택셜 성장 온도에 근접하여 절단이 양호하게 전달되는 이유에 대하여 설명하고자 한다. 기판(1) 및 반도체층(2)이 일체로 절단된다. 반도체층(2) 및 기판(1) 간의 격자 불일치(lattice mismatch)에 의한 탄성 변형(elastic strain)이 존재할 경우, 기판(1) 및 반도체층(2)이 일체로 절단되기 어렵다. 기판(1) 상의 반도체층(2)의 에피택셜 성장을 위한 온도는 일반적으로 격자 불일치에 의한 변형이 가장 적은 온도로 고려된다. 따라서, 에피택셜 성장 온도에 가까운 온도에서, 반도체층(2) 및 기판(1) 간의 변형이 적다. 이에 따라, 이러한 온도에서, 반도체층(2) 및 기판(1)은 서로 일체로 절단되는 것이 비교적 쉽다.

상술한 바와 같이, 탄성 특성이 저하된 상태에서 절단은 기판(1) 및 반도체층(2) 상에서 절단이 확산될 것을 확신한다.

사파이어의 강도는 온도를 300 내지 600℃까지 증가시킴으로써 가장 낮아짐은 이미 보고된 바다(예로는, A. H. Heuer and J. P. Roberts, "Temperature Dependence of the Strength of Corundum Single Crystals", American Ceramic Society Bulletin,47(4)(1968)354.참조).

그에 따라 형성된 마면(3)은 광학적으로 우수한 평탄면을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 반도체층(2)의 개략적인 단면도의 도6에서와 같이, 미세한 요철이 원자 스텝에 의해 발생될 수 있다. 따라서, 미세한 요철부(3a)를 충전함으로써 표면의 미러 페이스를 평활하게 하기 위해서, 마면 상에 절연표면층(21)을 형성한다.

표면층(21)이 적어도 공진기로서 작용하는 마면의 일부를 통하여 클래드되고, 즉, 표면층(21)은 발광층으로서 작용하는 적어도 활성층(7)의 엔드 페이스 상에 또한 광 분산(dispersion)을 제한하는 층들 상에 예를 들어, 제 1 및 제 2 클래딩층들(6, 8) 상에 코팅된다.

표면층(21)의 재료는 예를 들어, 활성층(7) 및 이 활성층의 양측 상에 광을 형성하는 층들, 예컨대, 적어도 제 1 및 제 2클래딩층들(6, 8) 중의 하나와 가능한한 같거나 근접한 굴절률을 갖는 예로, 질화 알루미늄(AIN)을 사용한 진공 피착, 스퍼터링, 또는 CVD 법에 의해 형성된다.

또한, 도6과 유사한 개략적인 단면도를 갖는 도7에서와 같이, 표면층(21)의 외부 페이스가 반사 다층(22)으로 클래드하여, 엔드 페이스(3) 상에서 굴절률을 증가시킬 수 있다.

이런 방식으로, 본 발명에 따른 반도체 레이저가 생성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 마면(3)은 기판(1) 내에 형성된 홈(18)들을 따라 형성된다. 이에 따라 인접한 홈(18)들의 간격은 최종 형성된 반도체 레이저의 공진기의 길이에 대응하는 방식으로 선택된다.

상술한 본 발명에 따른 반도체 장치에 있어서, 공진기를 구성하는 반도체층(2)의 마면(3)이 반도체층(2)의 벽개성에 의해 형성되어, 광학적으로 우수한 평탄면을 형성할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 반도체층(2)과 같은 굴절률을 갖는 절연막이 끝면에 형성될 경우, 원자 스텝들 즉, 벽개면들의 재료에 의해 발생 가능한 미세한 오정렬이 평활면으로 형성될 수 있다. 이에 따라 공진기의 실제 끝면 (두 단부 상의 반사면)이 우수한 평활면들로서 형성될 수 있다.

도면들은 홈(18)들이 기판(1)상의 한 방향에 평행하여 연장되는 경우를 나타낸다. 하지만, 반도체 레이저의 실제 제조 공정에 있어서, 기판(1)을 분할하여 형성된 회로 칩들은, 공진기의 길이 방향에 수직으로 즉, 마면(3)들을 형성하는 것과 같은 방향의 절단 뿐만 아니라 그 방향에 평행한 방향에 따른 절단에 의해 생성된다. 이러한 이유로, 홈(18)들과 유사한 홈들이 칩 폭에 대응하는 간격 즉, 홈(18)들과 직교하는 방향을 따라 소정의 간격으로 기판(1) 내에 형성된다. 이 경우, 반도체층(2)이 벽개성이 어려운 평면 내에서 절단될 수 있다. 하지만, 그러한 절단면은 공진기의 마면들을 구성하지 않으므로, 광학적으로 우수한 표면이 요구되지 않으며, 반도체 레이저의 특성상의 효과를 갖지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 사파이어로 형성될 경우, 기판(1)은 벽개성에 쉽게 압도된다. 그럼에도 불구하고, 소정 방향에 따른 절단은 홈(18)들을 형성함으로써 또한 이에 따라 단면 형성을 적절하게 선택하여 집중되는 응력을 발생시킴으로써 실행 가능하다. 따라서, 홈(18)은 기판(1) 상의 반도체층(2) 내에 벽개성이 강한 평면을 따라 형성된다. 이 방식으로, 적어도 공진기는 기판(1)의 벽개면을 사용하지 않고서 소정의 결정면, 즉, 반도체층(2)의 강한 벽개면 내에 형성될 수 있다.

결국, 본 발명은 상술한 사파이어 기판으로 한정되지 않으며 벽개성에 쉽게 압도되지 않는 기판들에도 적용될 수 있다. 달리, 본 발명은 상술한 예에서와 같이, 반도체 발광 장치를 구성하는 AlGaN계 반도체층(2)으로 제한되지 않는다.

반도체층(2)은 {Ga, Al, In} 및 N 중에서 적어도 하나의 원소를 함유한 화합물 반도체층으로 구성된다. 표면층(21)이 마면(3)을 평탄화하기 위한 마면(3)들상에 피착될 경우, 각각의 반도체층의 굴절률은 GaN에서 2.67, AIN에서 2.15, 및 InN에서 2.85∼3.05 이다. 이러한 관점에서, 마면(3)들에 형성된 표면층(21)은 진공 기상 성장법, 스퍼터링, 또는 1.5∼3.05의 굴절률의 중간값을 갖는 AlN, GaN, InN, AlGaN, 또는 InGaN막의 CVD법에 의해 형성된다.

전술한 내용은 활성층이 클래딩층들 사이에 배치되는 이른바, 이중 헤테로구조형의 반도체 레이저에 관한 것이다. 하지만, 본 발명은 상술한 반도체 레이저에 제한되지 않고 활성층 및 클래딩층 사이에 광 가이드층이 배치된, 이른바, SCH(Separate Confinment Heterostructure, 분리 폐쇄형 헤테로 접합)에 마찬가지로 적용될 수 있다. 따라서, 반도체 레이저 또는 발광 다이오드를 사용한 여러 가지 구성이 가능하다.

상술한 바와 같이, 상기 실시 형태에 따르면, 기판(1)은 사파이어 기판이며, 기판(1) 상에 배치된 반도체 기판(2)은 {Ga, Al, In} 및 N 중에서 적어도 하나의 원소를 함유한 화합물 반도체이고, 두 재료 모두의 벽개면이 서로 일치하지 않더라도, 이는 기판(1)에 관하여 벽개성이 존재하는 평면 내의 재료들 전부를 절단하는데 적합하여, 기판(1) 및 그 위에 배치되는 반도체층이 일체로 절단된다. 이에 따라, 마면(3)은 예컨대, 에칭 공정에 의해 준비된 평면보다 더욱 양호한 표면 특성을 갖는 평탄면으로 형성될 수 있다. 또한, 제조 공정이 간단하고, 공정의 재현성이 우수하며, 반도체 레이저와 같은 특수 목적을 갖는 반도체 장치의 신뢰성 있는 제조가 가능하다.

본 기술 분야에 숙련된 자에 의해 다른 수정 및 변경이 제안되고 있으나, 발명자의 의도는 본 기술에 기여하는 범위 내에서 모든 변형 및 변경을 합리적이고 적절하게 구체화시키는 것이다.

Claims (8)

1. 반도체 장치에 있어서,

   기판, 및

   상기 기판 상에 N 및 {Ga, Al, In} 중에서 선택된 적어도 1개의 원소를 함유한 반도체 화합물로 구성된 적어도 1개의 층

   을 포함하며,

   상기 기판이 상기 기판의 {1-102} 면으로부터 5도 이내에 한 쌍의 마면(facet)을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 층이 상기 기판의 상기 마면들에 평행는 한 쌍의 마면을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 1개의 층의 상기 한 쌍의 마면이 반도체 발광소자의 공진기인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판이 사파이어(sapphire) 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 기판이 {11-20} 면의 주면(main surface)을 갖는 것을특징으로 하는 반도체 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 적어도 1개의 층의 상기 마면 상에 상기 반도체 화합물과 거의 유사한 굴절률을 갖는 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 절연막은 본질적으로 N과 배합된 Al, Ga, 및 In 중에서 선택된 적어도 1개의 원소의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
8. 반도체 장치에 있어서,

   {11-20} 면의 주면을 갖는 사파이어 기판, 및

   상기 기판의 상기 주면 상에 GaN의 적어도 1개의 층

   을 포함하며,

   상기 기판이 상기 기판의 {1-102} 면으로부터 5도 이내에 한 쌍의 마면을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.