KR101246735B1 - 모스-아이 구조를 이용한 고효율 반도체소자 및 그 제조방법 - Google Patents

모스-아이 구조를 이용한 고효율 반도체소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모스-아이(moth-eye) 구조를 포함하는 반도체소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 발광소자(Light Emitting Diode;LED) 또는 태양전지(Solar Cell)와 같은 광전변환소자 등 빛과 관련된 반도체소자에 있어서, 수광영역에 모스-아이(moth-eye) 구조를 형성함으로써 광반사를 효율적으로 방지하여 고효율을 갖는 고품질의 반도체소자에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명의 일측면에 의하면, 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층 순으로 형성되어 이루어지며, 상기 활성층 및 제 2반도체층의 소정영역이 식각되어 상기 제 1반도체층의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되는 발광 구조물; 상기 제 1반도체층의 노출된 영역에 형성되는 제 1전극; 및 제 2반도체층 상에 형성되는 제 2전극;을 포함하되, 상기 제 1반도체층의 하부면에 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자를 제공한다.

Description

모스-아이 구조를 이용한 고효율 반도체소자 및 그 제조방법 {Efficiency enhanced semiconductor device using moth-eye structure and Its manufacturing method}
본 발명은 모스-아이(moth-eye) 구조를 포함하는 반도체소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 발광소자(Light Emitting Diode;LED) 또는 태양전지(Solar Cell)와 같은 광전변환소자등 빛과 관련된 반도체소자에 있어서, 수광영역에 모스-아이(moth-eye) 구조를 형성함으로써 광반사를 효율적으로 방지하여 고효율을 갖는 고품질의 반도체소자에 관한 것이다.
최근 각종 전자관련기술이 발전함에 따라, 반도체소자의 이용이 광범위화되고 있는 바, 반도체 소자는 반도체를 포함한 전자회로 소자, 정류기, 트랜지스터, 발광소자, 수광소자 등의 장치를 말하는 것으로서, 특히 빛과 관련된 소자로서 발광소자와 수광소자는 반도체층을 포함하고 있으면서 빛을 발생시키거나 빛을 이용하여 전기에너지로 변환시키는 소자라고 할 수 있다.
상기 수광소자는 광전변환소자인 태양전지가 대표적인데, 이러한 태양전지 또는 발광소자(LED)는 각각 청정에너지원과 광원으로서, 앞으로 친환경적 대체에너지 시장과 조명시장을 지배할 소자로서 각광받고 있는 것이 현실이다.
이와 같은 발광소자 또는 광기전력(photovoltaic)소자는 그동안 활발한 연구에 의해 그 성능이나 효율이 점차로 향상되어 왔다. 현재 백색 발광다이오드(LED)의 경우 이미 백열전구의 성능을 뛰어 넘어, 형광등 수준의 밝기까지 발전해 왔다.태양전지 또한 최근 그 효율이 지속하여 개선되어 단결정 실리콘 태양전지는 20%를 넘어섰으며, 화합물 반도체 태양전지는 40%를 넘어서고 있다.
광소자로서 상기 두 영역 모두 그 성능개선에 따라 시장확대 속도가 더욱 빨라질 것이며, 그러한 확대속도는 결국 원가절감 또는 단위소자당 가지고 있는 효율성에 달려있을 것이다.
즉, 발광다이오드(LED)의 경우는 같은 전력소비당 발광세기가 주요한 이슈가 될 것이며, 태양전지는 동일 조사량에 대한 발전량이 될 것이다. 그러나, 상기 두 영역의 소자에 있어서 한가지 공통점은 두 영역의 소자 모두 고굴절율을 가진 반도체층을 가지고 있다는 점이다.
이러한 고굴절율을 가지는 반도체층을 포함하는 발광소자의 경우에는 외부, 즉 공기와의 굴절율 차로 인해 생성되어 발광된 빛을 전반사로 인해 소자 내부에 가두어 둠으로써 발광효율이 감소되는 문제가 있다. 즉, 발광다이오드의 경우 내부 반도체층은 발광층으로서 빛을 방출하게 되는데 이때 추출된 빛이 전반사 효과에 의해 다시 소자 내부로 반사되어 발광효율이 저하됨을 알 수 있다.
한편, 고굴절율을 가지는 반도체층을 포함하는 광전변환소자의 경우에는 외부에서 입사된 빛을 어느 정도 반사하는 법칙을 따르게 되어 수광된 빛을 전량 사용하지 못하고 그로 인해 광전변환효율을 감소하는 문제가 발생된다. 즉, 외부에서 빛이 집광될 때 빛이 전량 입사하는 것이 아니라 굴절과 반사가 동시에 이루어지기 때문에 반사되는 빛의 양만큼 광전변환효율이 손실되는 것이다.
따라서, 공정비용이 저렴하고 공정절차가 간편하면서도 빛의 반사도를 획기적으로 줄일 수 있어 고효율을 갖는 발광소자, 태양전지 등 반도체소자의 구조 및 그 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 반도체 소자 중 발광소자인 경우에는 광의 전반사에 의한 내부포집을 방지하고, 수광소자인경우에는 광반사를 막아 광전변환에 이용될 수 있는 광을 더 많이 획득하기 위한 나노사이즈의 미세구조를 형성하는 반도체소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 광반사도를 저감하는 구조를 구현하는 기존 반도체소자의 제조공정보다 비용면에서 저렴하고, 공정절차가 간편한 반도체소자의 제조방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일측면에 의하면, 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층 순으로 형성되어 이루어지며, 상기 활성층 및 제 2반도체층의 소정영역이 식각되어 상기 제 1반도체층의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되는 발광 구조물; 상기 제 1반도체층의 노출된 영역에 형성되는 제 1전극; 및 제 2반도체층 상에 형성되는 제 2전극;을 포함하되, 상기 제 1반도체층의 하부면에 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자를 제공한다.
본 발명에서 상기 제 1반도체층 및 제 2반도체층은 질화물계 반도체층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자를 포함한다.
본 발명은 상기 제 1반도체층과 활성층 사이 또는/및 상기 활성층과 제 2반도체층 사이에 모스-아이(moth eye) 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자를 포함한다.
본 발명은 상기 제 2반도체층과 제 2전극사이에 오믹접촉을 형성하기 위한 투명전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자를 포함한다.
본 발명에서 상기 모스-아이(moth eye) 구조의 높이는 10nm 내지 1000nm 인 것을 특징으로 하는 반도체소자를 포함한다.
본 발명에서 상기 반도체소자는 발광소자(Light emitting Diode; LED) 또는 태양전지(Solar Cell)인 것이 바람직하다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 타측면에 의하면, (a) 서브스트레이트 기판상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 제 1반도체층의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되도록 제 2반도체층 및 활성층의 소정영역을 식각하는 단계; (c) 상기 노출되는 제 1반도체층의 소정영역상에 제 1전극을 형성하는 단계; (d) 상기 제 2반도체층상에 제 2전극을 형성하는 단계; (e) 상기 서브스트레이트 기판과 제 1반도체층의 경계영역을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 서브스트레이트 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 반도체소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 (e) 단계후에, 상기 제 1반도체층 및 제 2반도체층의 경계영역을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 (e) 단계후에, 상기 활성층 및 제 2반도체층의 경계영역을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 (f) 단계후에, 상기 서브스트레이트 기판과 분리된 상기 제 1반도체층의 경계면에 나노사이즈의 모스 아이(moth eye)구조를 정밀하게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 (d)단계는, 상기 제 2반도체층상에 투명전극을 형성하는 단계 및
상기 투명전극상에 제 2전극을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 경계영역의 식각방법은, 화학적 습식식각법(Wet etching), 가스를 이용한 건식식각법(Dry etching), 포토인핸스드 식각법(Photo Enhanced etching; PEC) 또는 전기적 식각법(Electrical enhanced etching) 중에서 선택되는 어느 하나의 식각법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 나노사이즈의 모스 아이(moth eye) 구조를 정밀하게 형성하는 방법은, 나노 임프린트(Nano Imprint)법, 레이저 홀로그래피(Laser holography)법 또는 메탈 어그리게이션(Metal aggregation)법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용하여 모스 아이(moth eye) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 의하면, 모스-아이(moth eye) 구조를 적용한 반도체 소자를 구현함으로써, 반도체소자 내부의 전반사율 또는 표면 반사율이 현저하게 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 이로 인해 반도체 소자가 i) 발광소자인 경우 내부 반사율이 저하되어 발광효율이 높은 고품질의 발광소자를 제공할 수 있으며, ii) 광전변환소자인 태양전지인 경우 표면 반사율이 저하되어 수광되는 빛의 양을 증가시켜 고광전변환 효율을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 나노 사이즈의 모스-아이(moth eye) 구조를 식각방식에 의해 구현함으로써, 반도체 소자의 성능 향상과 더불어 공정비용 절감 및 대량양산이 가능한 효과를 도출할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 의한 질화물계 태양전지소자의 구조를 나타낸 예시도.
도 2는 종래기술에 의한 질화물계반도체층의 반사도 및 투과도를 나타낸 측정결과도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 단계별 제조공정을 나타낸 일예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모스-아이 구조의 SEM 이미지.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모스-아이 구조의 유무에 따른 반사도 측정결과도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 제조방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 의한 질화물계 태양전지소자의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 1은 종래의 질화물계 태양전지소자의 구조로 multi-junction 구조나 multi-band 구조를 이용하여 광전변환효율을 높이는 구조를 도시하고 있다. 즉, 종래의 질화물 태양전지소자는 서브스트레이트 기판상에 순차적으로 형성된 버퍼층, 제1 질화물 반도체층, 다중양자우물구조인 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 포함하여 형성된다.
최근 태양전지의 광전변환효율을 높이려는 연구에 있어서, 이러한 다중양자우물구조의 밴드 갭(Band Gap)이나, 양자우물의 갯수를 조절하여 광전변환효율을 올리려는 시도가 활발하게 이루어지고 있다.
단일원소 반도체 물질에 기초한 태양전지의 전력 변환 효율의 한계치는 31%이다. 이러한 한계의 원인은 그 어떤 물질도 유용한 영역인 0.4eV 내지 4eV의 광자에너지를 갖는 태양복사 에너지영역을 포괄하지 못한다는 점에 있다.
즉, 반도체 밴드 갭 에너지보다 작은 에너지의 빛은 흡수되지 못해 태양전지에서 전기에너지로 변환될 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 밴드 갭보다 더 큰 에너지의 빛은 흡수되지만, 밴드 갭을 초과하는 여분의 에너지는 열의 형태로 손실되게 된다.
종래기술에 의하면, 다른 밴드 갭을 가진 반도체 물질들을 쌓아 층(Stack)구조를 만들면 더 높은 효율의 전지를 만들 수 있다는 것이 알려져 왔다.
이러한 층 구조에서 밴드 갭이 큰 물질은 높은 광자 에너지를 변환시키지만 더 낮은 에너지의 광자를 흡수하지 않기 때문에 그냥 통과해서 그 아래의 작은 밴드 갭을 갖는 물질층에 도달하게 된다. 2개, 3개, 그리고 36개의 접합을 가진 층 구조는 이론적 예측 효율은 최고 50%, 56%, 72%로 증가한다. 3개나 되는 반도체를 접합시킨 태양전지들이 지난 10년 동안 개발되어 가장 높은 효율로 약 30%까지 가능하게 됐다.
한편, 최근의 연구에 의하면 3성분 합금 물질인 In1-xGaxN 시스템의 밴드 갭(Eg)이 0.7eV 내지 3.4eV의 폭넓은 에너지 영역의 값을 가져 태양 에너지 스펙트럼과 거의 완벽하게 일치한다는 것을 밝혀냈다. 이로써 이론적인 최대치에 근접하는 효율을 갖는 다중접합 태양전지(Multijunction Solar Cell)의 고안과 제작이 가능해져 근적외선에서 원자외선에까지 이르는 폭 넓은 태양광 에너지를 전류로 변환시켜 놓을 수 있게 되었다.
다중접합 태양전지들의 광범위한 보급을 위해서 극복해야 할 중요한 난제는 적절한 밴드 갭을 가진 소재들을 찾아내는 일이라 할 수 있는데, 50% 에너지 변환 효율을 가진 2층 접합 전지는 위층과 아래층 전지의 밴드갭이 각각 1.7eV와 1.1eV이 되어야 한다. 지금까지 성장된 2층 접합 전지(Two-Layer Tandem Cell)들은 이보다 효율이 떨어져서 가장 좋은 효율이 1.85/1.43eV의 밴드갭 조합으로서 Ga0.5In0.5P와 GaAs의 격자 일치의 장점을 이용한 것이었다.
만일 3성분 합금 시스템을 사용할 수 있다면 1.7/1.1eV 밴드갭 전지는 간단하게 만들어질 수 있을 것이지만 이렇게 적절한 영역의 직접 밴드갭(Direct Bandgap) 값들을 가지는 시스템은 있을 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 최근에는 정교하게 제어된 조건 하에서 성장된 초고품질 InN(질화인듐) 및 InxGa1-xN 박막들에 대해서 빛 흡수에 의한 발광(Photoluminescence) 테스트를 수행했다. 실험 측정 결과, InN의 직접 밴드 갭은 이전에 보고된 2.0eV가 아니고 0.7eV 라는 사실이 밝혀졌다. 더욱이 InN을 GaN와 합금시켜 In1-xGaxN 를 형성시켜 주면 밴드 갭이 0.7eV에서 3.4eV 까지 연속적으로 변할 수 있음도 밝혀졌다.
따라서 이 단일 합금 시스템 소재가 거의 완벽하게 태양 스펙트럼에 일치하는 것이다. 이 에너지는 영역은 2층 접합 전지에 적합한 적절한 밴드 갭 값(1.1eV 내지 1.7 eV)을 포함할 뿐만 아니라 추가로 다른 물질층들을 접합시켜 에너지 가용 태양 에너지 영역을 더 넓게 포함할 수 있게 할 만들 있게도 해 줄 것이다.
또한, 최근의 연구 결과에 따르면 InxAl1-xN 시스템은 0.7eV 내지 6.2eV에 이르는 더욱 폭 넓은 에너지 영역에 걸치는 밴드 갭 값들을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
따라서 이들 관련 소재 시스템은 향후 태양에너지 변환뿐만 아니라 근적외선에서 부터 자외선 영역에 이르는 광전응용을 제시하고 있다. 비록 격자상수가 다른 기판에 성장되긴 했으나 모든 InxGa1-xN 박막들은 예외적으로 대단히 강하고 지속성이 뛰어난 광냉광(光冷光)(Photoluminescence), 즉 빛의 흡수에 의한 발광현상을 보여 주어, 구조적인 결함이 광전 특성에 민감하게 영향을 주지 않는다는 것을 보여 주었다.
이러한 사실은 거친 환경 조건에서도 이들 소재가 활용될 수 있음을 시사한다. 이제 InxGa1-xN 합금을 광기전(Photovoltaic) 시스템에 활용할 수 있으려면 P형 도핑 문제가 해결돼야 한다. 하지만 이 연구 결과는 InxGa1-xN와 같은 3-5족 질화물 신소재가 50%까지의 높은 에너지 변환효율을 갖는 새로운 태양전지의 개발이 가능할 것임을 말해준다. 하지만, 이러한 구조의 합금을 만드는 것은 상당히 어려운 일이며, 이로 인하여 질화물계 태양전지의 효율은 일정 수준이상 올라가지 못하고 있다.
따라서, 특히 태양전지에 있어서, 다중양자우물구조의 밴드 갭(Band Gap)이나, 양자우물의 갯수를 조절하여 광전변환효율을 올리려는 시도보다 소자의 구조적 측면에 착안하여 광반사도를 획기적으로 저감시키는 구조가 요구된다고 할 수 있다.
도 2는 종래기술에 의한 질화물계 반도체층의 반사도 및 투과도를 나타낸 측정결과도이다.
도 2는 GaN를 이용하여 형성된 질화물계 반도체층의 반사도 및 투과도를 나타내고 있는데, 가시광선 영역인 800nm 부분을 관찰하면, 투과도에 따른 곡선(201)이 약 80%를 나타내고 있고, 반사도에 따른 곡선(202)가 약 20%를 나타내고 있다. 즉, 광반사도가 약 20%를 나타내고 있으므로, 질화물계 반도체층을 이용하더라도 광반사도를 획기적으로 줄일 수 있는 구조가 요구되고 있다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 단계별 제조공정을 나타낸 일예시도이다.
본 발명에 의한 반도체소자에 의하면, 제 1반도체층(302), 활성층(303), 제 2반도체층(304) 순으로 형성되어 이루어지며, 상기 활성층(303) 및 제 2반도체층(304)의 소정영역이 식각되어 상기 제 1반도체층(302)의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되는 발광 구조물과, 상기 제 1반도체층(302)의 노출된 영역에 형성되는 제 1전극(306) 및 제 2반도체층 상에 형성되는 제 2전극(307)을 포함하되,상기 제 1반도체층의 하부면에 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조(308)를 구비하는 것을 특징한다.
또한, 발명의 필요에 따라, 상기 제 2반도체층(304)과 제 2전극(307)사이에는 오믹접촉을 형성하기 위한 투명전극(305)를 더 구비할 수 있으며, 상기 제 1반도체층(302)과 활성층(303) 사이 또는/및 상기 활성층(303)과 제 2반도체층(304) 사이에 모스-아이(moth eye) 구조를 더 구비할수도 있다.
본 발명에서 상기 반도체소자는 발광소자(Light emitting Diode; LED) 또는 수광소자인 태양전지(Solar Cell)인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 상기의 구조를 적용할 수 있는 반도체소자라면 어떠한 소자라도 적용될 수 있을 것이다.
또한, 상기 제 1반도체층(302) 및 제 2반도체층(304)는 질화물계 반도체층으로 형성되는 것이 바람직한데, 이하 설명과 이해의 편의를 위하여 질화물계 반도체층으로 형성되는 발광소자(LED)를 기준으로 설명하기로 한다. 물론 태양전지 등에도 이러한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 3a는 서브스트레이트 기판상에 제 1반도체층을 형성한 모습을 도시하고 있다.
본 발명에서 상기 서브스트레이트 기판(301)은 사파이어 기판, SiC 기판 등을 이용하여 구성될 수 있다.
상기 제 1반도체층(302)은 n형 질화갈륨층(n-GaN)층으로 형성될 수 있으며, 실리콘(Si)을 도펀트(Dopant)로 사용하여 도핑될 수 있다. 고온에서 진행되며 암모니아(NH₃)를 캐리어가스로 Ga, N, Si를 화합물로 결합시킬수 있다.
물론 제 1반도체층(302)은 GaN에 한정되지 않고 InN, InxGa1-xN 또는 In1-xGaxN을 이용하여 형성하는 것도 가능할 것이다.
또한 본 발명에서는 필요에 따라 제 1반도체층(302)를 형성하기 전에 서브스트레이트 기판(301)상에 버퍼층(미도시)을 형성하여 서브스트레이트 기판(301)과 반도체층의 격자상수 차이를 줄여 발광 다이오드 소자의 안정성을 증대시킬 수도 있다.
도 3b는 상기 제 1반도체층 상에 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성한 모습을 도시하고 있다.
상기 활성층(303)은 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층일 수 있고 이외에도 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층으로 이용될 수 있다., 이때 활성층(303)은 InGaN/GaN 양자우물(QW) 구조를 이룰 수 있으며, 이러한 활성층(303)은 휘도 향상을 위하여 양자우물 구조가 복수로 형성되어 다중 양자우물(MQW) 구조를 이룰 수도 있다.
제 2반도체층(304)은 질화갈륨층(p-GaN층)으로 형성될 수 있으며, 마그네슘(Mg)을 도펀트로 사용할 수 있다. 본 공정은 고온에서 진행되며 암모니아(NH₃ 캐리어가스로 Ga, N, Mg를 화합물로 결합시킬 수 있다.
물론 상기 제 2반도체층(304)도 GaN에 한정되지 않고 InN, InxGa1-xN 또는 In1-xGaxN을 이용하여 형성하는 것이 가능할 것이다.
도 3c는 제 1반도체층의 상면이 노출되도록 상기 활성층 및 제 2반도체층의 소정영역을 식각한 모습을 도시하고 있다.
상기 소정영역의 식각은 제 1전극(306)을 제 1반도체층(302)의 상면에 형성하기 위해 수행하는 공정인데, 습식 식각법(Wet Etching) 또는 건식식각법(Dry Etching) 이 이용될 수 있다. 다만, 제 1반도체층(302) 및 제 2반도체층(304)을 질화물계 반도체층으로 형성하는 경우, 질화물계 화합물의 화학적 속성 때문에 습식 식각이 어려워 건식 식각을 사용하는 것이 바람직할 것이다.
도 3d는 상기 제 2반도체층 상에 투명전극을 형성한 모습을 도시하고 있다.
상기 투명전극(305)은 상기 제 2반도체층(304)과 제 2전극(307)사이에 오믹접촉을 위한 투과성 산화막으로써, ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중에서 선택되는 어느 하나의 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 발명의 필요에 따라서는 하나의 층이 아닌 복수의 층으로 형성될 수도 있을 것이다.
도 3e는 제 1전극 및 제 2전극을 형성한 모습을 도시하고 있다.
즉, 투명전극(305)상에 제 1전극(306)을 형성하고, 상기 소정영역이 식각되어 노출된 제 1반도체층(302)상에 제 2전극(307)을 형성한다. 이 때, 발명의 필요에 따라 전극을 형성(Metallization)하고 소자 보호를 위한 산화 공정을 거칠 수도 있다.
도 3f는 상기 서브스트레이트 기판을 제거하고 제 1반도체층의 하부면에 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조가 형성된 모습을 도시하고 있다.
먼저, 서브스트레이트 기판(301)과 제 1반도체층(302)의 경계영역을 식각하게 되는데, 화학적 습식식각법(Wet etching)을 이용하여 식각하는 것이 가능하다.
상기의 식각공정을 수행하여, 서브스트레이트 기판(301)을 발광구조물로부터 분리시키면, 제 1반도체층(302)의 하부면에 나노사이즈의 미세구조가 형성되게 된다. 이러한 나노사이즈의 미세구조만으로도 광투과율을 향상시키고, 광반사도를 감소시킬 수 있다.
다만, 광반사도를 더욱 더 감소시키기 위해서, 보다 더 정밀한 나노사이즈의 미세구조인 모스-아이(moth eye) 구조(308)를 형성할 수 있다.
즉, 상기 제 1반도체층(302)의 하부면에 나노 임프린트(Nano Imprint)법, 레이저 홀로그래피(Laser holography)법 또는 메탈 어그리게이션(Metal aggregation)법을 이용하여 보다 규격화되고 정밀한 나노구조의 형성이 가능하다.
상기 나노 임프린트(Nano Imprint)법, 레이저 홀로그래피(Laser holography)법 또는 메탈 어그리게이션(Metal aggregation)법은 이미 공지된 기술에 불과하므로 자세한 공정수행법은 생략하기로 한다.
또한 본 발명에서 상기 모스-아이(moth eye) 구조(308)는 그 하부의 제 1반도체층(302)과 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직할 것이다. 즉, 모스-아이(moth eye) 구조(308)의 형성을 위해서 상기 제 1반도체층(302)은 수광층 또는 발광층으로서 기능하면서 그 두께가 모스-아이(moth eye) 구조(308)의 두께보다 충분히 두꺼워야 할 것이다.
다만, 발명의 필요에 따라 제 1반도체층(302)의 하부에 제 1반도체층(302)을 구성하는 물질과 상이한 물질로 이루어진 층을 형성하고 이를 이용하여 모스-아이(moth eye) 구조(308)를 형성하는 것도 가능할 것이다.
상기 상이한 물질은 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지의 물질로서 반도체 소자에서 반도체층 이외에 구성될 수 있는 투명전극층, 전도층, 버퍼층, 중간층 등을 구성할 수 있는 물질을 이용하여 형성하는 것도 가능할 것이다.
도 3g 내지 도 3i는 각각의 반도체층의 경계면에 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조가 형성된 모습을 도시하고 있다.
본 발명에서는 각각의 반도체층의 경계영역에 나노사이즈의 미세구조를 형성할 수 있는데, i) 제 1반도체층(302)와 활성층(303) 사이, ii) 활성층(303)과 제 2반도체층(304) 사이는 물론, iii) 제 1반도체층(302)와 활성층(303) 사이 및 활성층(303)과 제 2반도체층(304) 사이 모두에 나노사이즈의 미세구조를 형성할 수 있다.
이러한 나노사이즈의 미세구조는 각각의 반도체층의 경계면을 식각하여 형성하게 되는데, 화학적 습식식각법(Wet etching), 가스를 이용한 건식식각법(Dry etching), 포토인핸스드 식각법(Photo Enhanced etching; PEC) 또는 전기적 식각법(Electrical enhanced etching)을 이용하여 식각하는 것이 가능하다.
상기 화학적 습식식각법(Wet etching), 가스를 이용한 건식식각법(Dry etching), 포토인핸스드 식각법(Photo Enhanced etching; PEC) 또는 전기적 식각법(Electrical enhanced etching)은 이미 공지된 기술이므로 자세한 공정수행법은 생략하기로 한다.
도 3k는 나노사이즈의 모스-아이(moth eye)구조를 확대한 모습을 도시하고 있다.
모스 아이(moth eye)구조(308)란, 반도체층 등의 표면에 돌기형상의 미세 구조가 형성됨으로써 굴절률을 연속적으로 변화시켜 빛의 반사를 억제하도록 한 구조를 가리킨다.이러한 미세구조는 오목부와 볼록부를 포함하는 구조일 수 있다.
본 발명에서 미세구조의 오목부와 볼록부의 형상은 특별히 제한되지 아니하나, 상기 미세구조의 볼록부는 표면의 법선 방향으로 신장하는 미세 돌기이고, 상기 돌기는 그의 선단을 향하여 가늘어지는 형상일 수 있다. 바람직하게는 원추형의 미세 돌기를 가질 수 있으며, 원추형의 미세돌기의 가장 최상부가 꼭지점이 아닌 수평으로 잘려진 형상일 수도 있다.
즉, 상기의 미세 구조가 상기 반도체 소자 표면의 법선 방향으로 신장하는 미세 돌기이고, 또한 상기 돌기가 선단을 향하여 가늘어짐으로써, 반도체 소자 표면과 공간부 계면에서의 반사율을 대폭 저하시킬 수 있어 반사되는 확률이 감소된다.
본 발명에서 상기 모스 아이(moth eye)구조의 높이(309)는 10nm 내지 1000nm의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 모스 아이(moth eye)구조간의 거리는 특별히 제한되지 않지만 바람직하게는 1nm 내지 1000㎛의 범위에서 형성될 수 있을 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 제 1반도체층(302)의 하부면에 모스 아이(moth eye)구조(308)를 형성함으로써, 본 발명에 적용되는 반도체소자가 i) 발광소자인 경우에는 광의 전반사에 의한 내부포집을 방지하여 발광효율을 높여주고, ii) 태양전지 경우에는 광반사를 저감하여 광전변환효율을 높여주는 효과를 가져온다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모스-아이 구조의 SEM 이미지이다.
상기 SEM 이미지를 참조하면, 제 1반도체층 상에 형성된 나노 사이즈의 모스 아이(moth eye)구조를 확인할 수 있다. 본 SEM 이미지상의 모스 아이(moth eye)구조는 원추형으로 형성되어있음을 확인할 수 있는데, 상면에서 관찰하면, 그물망의 구조를 나타낼 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모스-아이 구조의 유무에 따른 반사도 측정결과도이다.
질화물 반도체층을 포함하는 반도체소자에 있어서, i) 질화물 반도체층의 일면에 모스-아이 구조가 없는 경우의 반사도 측정곡선(501)은 광의 파장에 관계없이 5%내지 6%의 광반사도를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. ii) 이에 비해 모스-아이 구조가 있는 경우의 반사도 측정곡선(502)은 광의 파장에 관계없이 광반사도가 1% 이하를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 모스 아이(moth eye)구조의 유무에 따라 광반사도가 현격하게 달라지므로, 본 발명이 제안하는 모스 아이(moth eye)구조를 구비하는 발광소자 또는 태양전지 등은 고효율을 담보할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 제조방법의 순서도이다.
먼저, 서브스트레이트 기판상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 거친다.(S601) 상기의 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층의 형성공정은 LED 또는 태양전지 제조분야에서 통상적으로 반도체층을 성장시키는 방법을 이용할 수 있다.
이어서, 상기 제 1반도체층의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되도록 제 2반도체층 및 활성층의 소정영역을 식각하는 단계를 거친다.(S602) 이는 제 1전극을 형성하기 위한 전제작업인데, 건식식각법 또는 습식식각법에 의해 수행될 수 있다.
이후, 상기 노출되는 제 1반도체층의 소정영역상에 제 1전극을 형성하고(S603), 상기 제 2반도체층상에 투명전극을 형성한 후(S604), 상기 투명전극상에 제 2전극을 형성하는 단계(S605)를 순차적으로 거치게 된다.
이와 같은 과정 후에, 상기 서브스트레이트 기판과 제 1반도체층의 경계영역을 식각하는 단계를 거치게 된다.(S606) 상기 식각방법은 화학적 습식식각법(Wet etching)을 이용할 수 있다.
물론, 상기 서브스트레이트 기판과 제 1반도체층의 경계영역의 식각후에, 발명의 필요에 따라 i) 상기 제 1반도체층 및 제 2반도체층의 경계영역을 식각하거나, ii) 상기 활성층 및 제 2반도체층의 경계영역을 식각할 수 있고, iii) 상기 i)과 ii)의 공정을 동시에 또는 이시에 수행할 수도 있다.
이와 같이 제 1반도체층의 하부면 뿐만 아니라 각각의 반도체층의 경계영역에 나노사이즈의 모스 아이(moth eye)구조를 형성하게 되면, 발광소자에 있어서 광의 전반사를 저감시켜 광의 내부포집을 더욱 줄여주게 되고, 태양전지에 있어서 광반사를 저감시켜 광전변환을 더욱 높여주게 된다.
상기 단계 S606에 의해 상기 서브스트레이트 기판이 제거되게 된다.(S607)
즉, 상기 서브스트레이트 기판과 제 1반도체층의 식각공정 수행에 의해 서브스트레이트 기판을 제거하게 되면, 자연스럽게 모스 아이 구조가 형성되게 된다. 즉, 서브스트레이트 기판은 일종의 마스크 역할을 수행한다고 할 수 있다.
마지막으로, 상기 서브스트레이트 기판과 분리된 상기 제 1반도체층의 경계면에 나노사이즈의 모스 아이(moth eye)구조를 정밀하게 형성하는 단계(S608)을 거치게 된다. 즉 나노사이즈의 미세돌기 간의 간격 또는 높이를 보다 더 균일하게 형성하기 위함인데, 나노 임프린트(Nano Imprint)법, 레이저 홀로그래피(Laser holography)법 또는 메탈 어그리게이션(Metal aggregation)법을 이용하여 형성하는 것이 가능하다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
101: 빛의 진행방향
201: 투과도에 따른 곡선
202: 반사도에 따른 곡선
301: 서브스트레이트 기판
302: 제 1반도체층
303: 활성층
304: 제 2반도체층
305: 투명전극
306: 제 1전극
307: 제 2전극
308: 모스-아이 구조
309: 모스-아이 구조의 높이
401: 모스-아이 구조의 SEM 이미지의 사시도.
402: 모스-아이 구조의 SEM 이미지의 정면도.
501: 모스-아이 구조가 없는 경우의 반사도 측정곡선
502: 모스-아이 구조가 있는 경우의 반사도 측정곡선

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  7. (a) 서브스트레이트 기판상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
    (b) 상기 제 1반도체층의 일정영역이 소정 폭을 갖는 형태로 노출되도록 제 2반도체층 및 활성층의 소정영역을 식각하는 단계;
    (c) 상기 노출되는 제 1반도체층의 소정영역상에 제 1전극을 형성하는 단계;
    (d) 상기 제 2반도체층상에 제 2전극을 형성하는 단계;
    (e) 상기 서브스트레이트 기판과 제 1반도체층의 경계영역을 식각하여 상기 서브스트레이트 기판을 제거하는 단계;
    (f) 상기 서브스트레이트 기판과 분리된 상기 제 1반도체층의 경계면에 나노 임플린트법 레이저 홀로그래피법 또는 메탈 어그리게이션법 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 나노사이즈의 모스 아이(moth eye)구조를 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자의 제조방법.
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