KR101875416B1 - Si(111)/(001) SOI 기판 또는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈 - Google Patents

Si(111)/(001) SOI 기판 또는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SOI 기판 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 것으로서, SOI(실리콘(111)층/절연물/실리콘(001)층) 기판 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서, 패터닝 공정을 통해 GaAs의 성장이 필요한 영역의 실리콘(111)층을 제거하는 제1단계와, 상기 실리콘(111)층을 제거하고 그 상층에 절연막을 증착하는 제2단계와, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막을 제거하여 실리콘(111)층을 노출시키는 제3단계와, 상기 노출된 실리콘(111)층 상에 GaN버퍼층을 성장시키는 제4단계와, 상기 GaN버퍼층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 청색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제5단계와, 상기 청색LED에피층 영역의 노출된 GaN버퍼층 상에 청색LED에피층을 성장시키는 제6단계와, 상기 청색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 녹색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제7단계와, 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 녹색LED에피층을 성장시키는 제8단계와, 상기 녹색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 적색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층을 노출시키는 제9단계와, 상기 노출된 실리콘(001)층에 GaAs버퍼층을 형성하고 적색LED에피층을 성장시키는 제10단계 및 상기 청색LED에피층 및 녹색LED에피층 상부에 남은 절연막을 제거하는 제11단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 반도체 발광 소자 모듈을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 결정구조가 서로 다른 반도체 재료를 동일한 공정 기판 상에서 연속 공정에 의해 에피성장을 구현함으로써, 공정 단계의 획기적인 감소로 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있으며, 연속 공정 상에서 이루어지게 되어 소자 간 품질의 차이를 최소화 시키면서, 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자의 공정 재현성이 우수하여 고품위의 반도체 발광 소자를 제공하는 이점이 있다.

Description

Si(111)/(001) SOI 기판 또는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈{Continuous manufacturing method of GaN and GaAs semiconductor epi-layer on Si(111)/(001) SOI substrate or Si(001)/(111) SOI substrate, semiconductor light device module}
본 발명은 SOI 기판 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 것으로서, 특히 단일 웨이퍼 상에 결정구조가 다른 GaN계와 GaAs계 재료의 연속적인 에피 성장이 가능하도록 한 Si(111)/(001) SOI 기판 또는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈에 관한 것이다.
반도체 발광 소자로서 화합물 반도체의 특성을 이용하여 백라이트 광원, 표시 광원, 일반 광원과 풀 칼라 디스플레이 등에 응용되는 LED가 널리 각광 받고 있다.
이러한 LED의 재료로서 대표적으로는 청색과 녹색을 발광하는 GaN계, 적색을 발광하는 GaAs계 등과 같은 III-V족 화합물 반도체가 알려져 있는 바, 상기 재료는 직접 천이형의 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있어 이를 이용한 발광 소자는 평판 디스플레이 장치, 광통신, 바이오, 마이크로LED, 스마트워치, 스마트 섬유, HMD 등 차세대 디스플레이 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다.
여기에서, GaN (0001)면의 에피성장을 위한 기판으로는 c-면 기판, 예를 들면 GaN과 동일한 Wurtzite 구조의 Al2O3(사파이어), SiC (0001), ZnO (0001), GaN (0001) 등이나, Cubic 구조를 가지는 Si (111)이 사용된다.
그리고, GaAs (001)면의 에피성장을 위한 기판으로는 GaAs와 동일한 cubic 구조의 GaAs (100), Ge (100), Si (100)이 사용된다.
한편, 일반적인 LED를 이용한 디스플레이 장치는 다수의 LED들을 포함하는 LED 도트 매트릭스를 사용하고 있으며, 적색, 녹색, 청색의 3종류의 LED 칩을 도트화하여 다양한 색상의 디스플레이를 구현하고 있다.
종래의 이러한 적색, 녹색, 청색의 LED를 구현하기 위해서는 도 1과 같이 각 해당되는 색상을 발광하는 화합물 반도체와 그의 에피성장을 위해 상술한 바와 같은 특정 기판을 선택하여 사용하여 왔다.
즉, 청색 LED의 구현을 위해서는 도 1(a)에 도시된 바와 같이, Si(111), Al2O3(0001) 기판 상에 버퍼층을 형성하고 청색LED에피층(GaN계)을 성장시키고, 녹색 LED의 구현을 위해서는 도 1(b)에 도시된 바와 같이, Si(111), Al2O3(0001) 기판 상에 버퍼층을 형성하고 녹색LED에피층(GaN계)을 성장시키고, 적색 LED의 구현을 위해서는 도 1(c)에 도시된 바와 같이 GaAs(001), Si(001) 기판 상에 버퍼층을 형성하고 적색LED에피층(GaAs계)을 성장시키는 것으로, 에피 성장을 위해 특정 기판을 선택하여 각각 성장시켜야 한다.
따라서, 적색, 녹색, 청색의 3색 LED 도트 매트릭스를 구현하기 위해서는 상기와 같이 각 선택된 기판 상에서 일일이 특정 색상을 발광하는 에피층을 성장시켜야 하므로, 공정이 번거롭고 공정 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단일 웨이퍼 상에 결정구조가 다른 GaN계와 GaAs계 재료의 연속적인 에피 성장이 가능하도록 한 Si(111)/(001) SOI 기판 또는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, SOI(실리콘(111)층/절연물/실리콘(001)층) 기판 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서, 패터닝 공정을 통해 GaAs의 성장이 필요한 영역의 실리콘(111)층을 제거하는 제1단계와, 상기 실리콘(111)층을 제거하고 그 상층에 절연막을 증착하는 제2단계와, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막을 제거하여 실리콘(111)층을 노출시키는 제3단계와, 상기 노출된 실리콘(111)층 상에 GaN버퍼층을 성장시키는 제4단계와, 상기 GaN버퍼층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 청색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제5단계와, 상기 청색LED에피층 영역의 노출된 GaN버퍼층 상에 청색LED에피층을 성장시키는 제6단계와, 상기 청색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 녹색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제7단계와, 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 녹색LED에피층을 성장시키는 제8단계와, 상기 녹색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 적색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층을 노출시키는 제9단계와, 상기 노출된 실리콘(001)층에 GaAs버퍼층을 형성하고 적색LED에피층을 성장시키는 제10단계 및 상기 청색LED에피층 및 녹색LED에피층 상부에 남은 절연막을 제거하는 제11단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 반도체 발광 소자 모듈을 기술적 요지로 한다.
또한, 본 발명은, SOI(실리콘(001)층/절연물/실리콘(111)층) 기판 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 실리콘(001)층을 제거하는 (가)단계와, 상기 실리콘(001)층을 제거하고 그 상층에 절연막을 증착하는 (나)단계와, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막을 제거하여 상기 절연물을 노출시키는 (다)단계와, 상기 노출된 절연물 상에 GaN버퍼층을 성장시키는 (라)단계와, 상기 GaN버퍼층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 청색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 (마)단계와, 상기 청색LED에피층 영역의 노출된 GaN버퍼층 상에 청색LED에피층을 성장시키는 (바)단계와, 상기 청색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 녹색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 (사)단계와, 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 녹색LED에피층을 성장시키는 (아)단계와, 상기 녹색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 적색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층을 노출시키는 (자)단계와, 상기 노출된 실리콘(001)층에 GaAs버퍼층을 형성하고 적색LED에피층을 성장시키는 (차)단계 및 상기 청색LED에피층 및 녹색LED에피층 상부에 남은 절연막을 제거하는 (카)단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법 및 그에 의해 제조된 반도체 발광 소자 모듈을 또 다른 기술적 요지로 한다.
본 발명은 단일 웨이퍼 상에 결정구조가 다른 GaN계와 GaAs계 재료의 연속적인 에피 성장이 가능한 효과가 있다.
또한, 결정구조가 서로 다른 반도체 재료를 동일한 공정 기판 상에서 연속 공정에 의해 에피성장을 구현함으로써, 공정 단계의 획기적인 감소로 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있으며, 연속 공정 상에서 이루어지게 되어 소자 간 품질의 차이를 최소화 시키면서, 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자의 공정 재현성이 우수하여 고품위의 반도체 발광 소자를 제공하는 효과가 있다.
또한, 공일한 기판 내에서의 다양한 패터닝 공정에 의해 반도체 발광 소자의 조합 및 배열 형태를 다양하게 구현할 수 있어, 광소자 또는 전자소자뿐만 아니라, 바이오, 가상 현실, 스마트 소자, 마이크로 LED 등과 같은 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
도 1 - 종래의 반도체 발광 소자의 구현 모식도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따른 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법에 대한 공정 순서도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 모식도(a), 평면 모식도(b).
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따른 측면 모식도(a), 평면 모식도(b).
도 5 - 본 발명의 일실시예를 활용한 반도체 소자 평면 모식도(a), 공지된 반도체 발광 소자에 대한 측면 모식도(b),(c).
도 6 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법에 대한 공정 순서도.
도 7 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면 모식도.
도 8 - 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸 반도체 소자의 평면 모식도.
도 9 - 본 발명의 기술을 활용한 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자를 활용한 디스플레이 형상을 나타낸 모식도.
본 발명은 SOI 기판 상에 반도체 소자를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 특히 단일 웨이퍼 상에 결정구조가 다른 GaN계와 GaAs계 재료의 연속적인 에피 성장이 가능하도록 한 것이다.
또한, 연속 공정에 의해 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자가 단일 웨이퍼 상에서 제공이 가능하여 공정을 획기적으로 줄일 수 있어 소자 간 품질의 차이가 최소화된 고품위의 반도체 소자를 얻을 수 있다.
또한, 단일 웨이퍼를 이용한 다양한 패터닝 공정에 의해 반도체 발광 소자의 조합 및 배열 형태를 다양하게 구현할 수 있어, 광소자 또는 전자소자와 같은 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법에 대한 공정 순서도를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모식도(a), 평면 모식도(b)이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 모식도(a), 평면 모식도(b)이고, 도 5는 본 발명의 일실시예를 활용한 반도체 소자 평면 모식도(a), 공지된 반도체 발광 소자에 대한 측면 모식도(b),(c)이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법에 대한 공정 순서도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면 모식도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸 반도체 소자의 평면 모식도이고, 도 9는 본 발명의 기술을 활용한 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자를 활용한 디스플레이 형상을 나타낸 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 Si(111)/(001) SOI 기판(10) 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법은, SOI(실리콘(111)층(13)/절연물(12)/실리콘(001)층(11)) 기판(10) 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서, 패터닝 공정을 통해 GaAs의 성장이 필요한 부위의 실리콘(111)층(13)을 제거하는 제1단계와, 상기 실리콘(111)층(13)을 제거하고 그 상층에 절연막(110)을 증착하는 제2단계와, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 부위의 상기 절연막(110)을 제거하여 실리콘(111)층(13)을 노출시키는 제3단계와, 상기 노출된 실리콘(111)층(13) 상에 GaN버퍼층(120)을 성장시키는 제4단계와, 상기 GaN버퍼층(120)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 청색LED에피층(130) 부위의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층(130) 부위의 GaN버퍼층(120)을 노출시키는 제5단계와, 상기 청색LED에피층(130) 부위의 노출된 GaN버퍼층(120) 상에 청색LED에피층(130)을 성장시키는 제6단계와, 상기 청색LED에피층(130)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 녹색LED에피층(140) 부위의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층(140) 부위의 GaN버퍼층(120)을 노출시키는 제7단계와, 상기 녹색LED에피층(140) 부위의 GaN버퍼층(120) 상에 녹색LED에피층(140)을 성장시키는 제8단계와, 상기 녹색LED에피층(140)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 적색LED에피층(160) 부위의 패터닝에 의해 실리콘(001)층(11)을 노출시키는 제9단계와, 상기 노출된 실리콘(001)층(11)에 GaAs버퍼층(150)을 형성하고 적색LED에피층(160)을 성장시키는 제10단계 및 상기 청색LED에피층(130) 및 녹색LED에피층(140) 상부에 남은 절연막(110)을 제거하는 제11단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 SOI 기판(10)은 일반적인 반도체 소자 제조 공정시 사용되는 SOI 기판(10)을 사용하는 것으로, 하부 실리콘층과 상부 실리콘층 사이에 절연물(insulator)(12)이 형성된 것으로, 상부 실리콘층은 (111)면 방향으로 성장 또는 폴리싱된 것이고, 하부 실리콘층은 (001)면 방향으로 성장 또는 폴리싱된 것이다. 본 발명에서는 편의상 이를 Si(111)/(001) SOI 기판(10)이라고 한다.
상기 SOI 기판(10)에 포함되는 절연물(12)은 SiO2, SiNx, SiOxNy, AlN, HfOx, ZrOx 중에 어느 하나의 물질 또는 상기 물질의 혼합물질이 이용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 패터닝 공정을 통해 GaAs의 성장이 필요한 영역의 실리콘(111)층(13)을 제거한다(제1단계).
상기 SOI 기판(10)에서 상부 실리콘층을 에피 성장이 필요한 부위를 패터닝하기 위해서 포토리소그래피법 및 식각 공정을 통해 상부 실리콘층을 제거하여, 그 영역에는 절연물(12)만 노출된 상태를 구현한다.
또한, 이 영역은 상대적으로 고온 공정이 필요한 GaN의 성장을 먼저 수행할 수 있도록 후술할 절연막(110)에 의해 가려진 상태가 계속 유지되도록 하여, 각 공정에서 서로 간의 열적 영향을 최소화하도록 한다.
그리고, 상기 실리콘(111)층(13)을 제고하고, 그 상층에 절연막(110)을 증착한다(제2단계). 상기 절연막(110)은 SiO2나 SiNx 등과 같은 물질을 사용하며, 두께는 1~10㎛ 정도로 구현한다.
그리고, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막(110)을 제거하여 실리콘(111)층(13)을 노출시킨다(제3단계).
여기에서, GaN의 성장이 필요한 영역은 트렌치 또는 홀 형태로 형성되며, 다양한 배열 및 패턴으로 복수개로 구현될 수 있으며, 포토리소그래피법 및 식각 공정을 이용한 패터닝을 통해 에피 성장이 필요한 부위를 오픈(open)하여 상부 실리콘층의 (111)면이 노출되도록 하는 것이다.
그리고, 상기 노출된 실리콘(111)층(13) 상에 GaN버퍼층(120)을 성장시킨다(제4단계).
상기 GaN버퍼층(120)은 GaN의 성장이 필요한 영역 전체에 동시에 형성되도록 하거나, 각 영역마다 별도의 공정으로 진행할 수도 있다. 상기 GaN버퍼층(120)은 기판(10)과의 격자 결함이나 열팽창계수 차이에 따른 결함을 최소화하기 위한 것이다.
본 발명에서의 버퍼층은 선택적 성장이 가능하도록 MOCVD 방법에 의해 구현되며, 절연막(110)은 공지된 박막 증착 방법에 의하여 구현되도록 한다.
그리고, 상기 GaN버퍼층(120)을 성장시킨 후 공정 기판 전 영역 상에 절연막(110)을 증착하고, 청색LED에피층(130) 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120)을 노출시킨다(제5단계).
즉, 상기 GaN버퍼층(120)이 형성된 복수개의 영역에서 패터닝 공정에 의해 청색LED에피층(130) 영역이 형성될 부분만 절연막(110)을 제거하여 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120)을 노출시키게 된다.
그리고, 상기 청색LED에피층(130) 영역의 노출된 GaN버퍼층(120) 상에 청색LED에피층(130)을 성장시킨다(제6단계). 상기 청색LED에피층(130)은 공지된 구조를 갖는 것으로서, 도 5(b)의 실시예와 같은 구조로 형성시킨다.
여기에서, 청색LED에피층(130)은 GaN계 물질을 사용하며, 900~1200℃의 고온 조건에서 성장하게 된다.
따라서, SOI(실리콘(111)층(13)/절연물(12)/실리콘(001)층(11)) 기판(10) 상에서 다른 영역은 절연막(110)에 의해서 가려지도록 하여, 상대적으로 고온 공정인 GaN계 에피 성장시에도 다른 영역에 영향이 최소화되도록 한다.
이와 같이, Wurzite구조의 GaN계 재료는 GaN(0001)면과 동일한 원자배열을 갖는 Si(111)면 상에서 성장되도록 하여 에피성장이 구현되도록 한다.
그리고, 상기 청색LED에피층(130)을 성장시킨 후 공정 기판 전 영역 상에 절연막(110)을 증착하고, 녹색LED에피층(140) 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120)을 노출시킨다(제7단계)
그리고, 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 녹색LED에피층(140)을 성장시킨다(제8단계). 녹색LED에피층(140) 성장 공정 또한 900~1200℃의 고온 공정으로 이루어지게 된다.
상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120) 노출 및 녹색LED에피층(140)의 성장은 상기 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120) 노출과 청색LED에피층(130)의 성장과 동일한 공정에 의해 진행되며, 상기 녹색LED에피층(140)의 성장과 청색LED에피층(130)의 성장은 공정 환경에 따라 순서를 바꾸어 수행하여도 무방하다.
그리고, 상기 녹색LED에피층(140)을 성장시킨 후 공정 기판 전 영역에 절연막(110)을 증착하고, 적색LED에피층(160) 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층(11)을 노출시킨다(제9단계).
상기 제1단계에서 GaAs의 성장이 필요한 영역의 실리콘(111)층(13)을 미리 제거하여, 실리콘(111)층(13) 상에는 절연막(110)만 형성되어 있으며, 패터닝 공정에 의해 이를 제거함으로써 실리콘(001)층(11)이 노출되도록 한 것이다.
각 공정에서의 절연막(110)은 공정이 진행되지 않는 다른 부분을 쉴드하고, 패터닝 공정에 의해 선택적으로 공정 영역이 노출되도록 하는 것으로서, 공정이 완료된 청색LED에피층(130) 영역과 녹색LED에피층(140) 영역을 쉴드하도록 한다.
그리고, 상기 노출된 실리콘(001)층(11)에 GaAs버퍼층(150)을 형성하고 적색LED에피층(160)을 성장시킨다(제10단계).
상기 적색LED에피층(160)은 공지된 구조를 갖는 것으로서, 도 5(c)의 실시예와 같은 구조로 형성시킨다.
여기에서, 적색LED에피층(160)은 GaAs계 물질을 사용하며, 600~800℃의 고온 조건에서 성장하게 된다. 앞서의 청색 또는 녹색LED에피층(140)이 공정 조건에 비해 낮은 온도에서 수행되므로, 적색LED에피층(160)에 영향이 없도록 청색 또는 녹색LED에피층(140)의 성장을 먼저 수행한 것이다.
따라서, SOI(실리콘(111)층(13)/절연물(12)/실리콘(001)층(11)) 기판(10) 상에서 공정이 완료된 다른 영역은 절연막(110)에 의해서 가려지도록 하고, GaAs계 에피 성장시에도 다른 영역에 영향이 최소화되도록 한다.
이와 같이, Zinc Blende 구조의 GaAs계 재료는 GaAs(001)면과 동일한 원자배열을 갖는 Si(001)면 상에서 성장되도록 하여 에피성장이 구현되도록 한다.
한편, 녹색LED에피층(140), 청색LED에피층(130) 및 적색LED에피층(160)은 절연 격벽 또는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격벽(170)이 형성되어 상호 간에 전기적으로 절연하거나 빛에 의한 간섭을 제어할 수 있도록 한다.
이러한 절연 격벽(170)은 전자소자로 활용시 절연물 단일층(SiO2, SiNx)에 의해 구현되거나, 에피층 간의 광절연을 위한 DBR 격벽(170)은 Al2O3/TiO2, Al2O3/SiO2 등의 구조로 형성되게 된다.
상기 DBR 격벽(170)이 구현된 본 발명의 일실시예로 도 4에 도시하였다.
상기 청색LED에피층(130) 및 녹색LED에피층(140) 상부에 남은 절연막(110)을 제거(제11단계)함으로써, 본 발명에 따른 Si(111)/(001) SOI 기판(10) 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장이 완료되게 된다.
이에 의해 제조된 반도체 발광 소자 모듈은 SOI(실리콘(111)층(13)/절연물(12)/실리콘(001)층(11)) 기판(10)과, 상기 실리콘(111)층(13) 상에 형성되며, 청색LED에피층(130) 영역 및 녹색LED에피층(140) 영역에 형성된 GaN버퍼층(120)과, 상기 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 형성된 청색LED에피층(130)과, 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 형성된 녹색LED에피층(140)과, 상기 실리콘(111)층(13) 및 절연물(12)의 식각에 의해 노출된 적색LED에피층(160) 영역의 상기 실리콘(001)층(11) 상에 형성되는 GaAs버퍼층(150) 및 상기 GaAs버퍼층(150) 상에 형성된 적색LED에피층(160)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 Si(111)/(001) SOI 기판(10) 상에 GaN 및 GaAs 에피층이 연속 성장된 반도체 소자를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 전체 하부 실리콘(001)층(11) 상에 절연물(12)을 사이에 두고 상부 실리콘(111)층(13) 상에 청색 및 녹색 반도체 발광 소자가 형성되어 있으며, 적색 반도체 발광 소자는 하부 실리콘(001) 층 상에 바로 형성되어 있다. 버퍼층이나 다른 구조는 생략하여 도시한 것이다.
도 3은 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자가 하나의 모듈로 형성된 것으로 도시한 것이며, 각각의 반도체 발광 소자는 SiO2와 같은 절연 격벽(170)에 의해 전기적으로 절연되도록 하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예로 각 반도체 발광 소자 간에 DBR 격벽(170)이 형성된 것을 도시한 것으로, 전체 하부 실리콘(001)층(11) 상에 절연물(12)을 사이에 두고 상부 실리콘(111)층(13) 상에 버퍼층을 포함하는 청색 및 녹색 반도체 발광 소자가 형성되어 있으며, 적색 반도체 발광 소자는 하부 실리콘(001)층(11) 상에 버퍼층과 함께 형성되어 있다.
여기에서, 적색 반도체 발광 소자는 상부 실리콘(111)층(13)과 절연물(12)을 제거 후 하부 실리콘(001)층(11) 상에 형성되게 되므로, 그 만큼 버퍼층을 다른 영역에 비해서 두껍에 형성하여 활성층의 두께는 다른 영역과 유사하게 구현되도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예를 활용한 반도체 소자 평면 모식도(a)와 공지된 반도체 발광 소자에 대한 측면 모식도(b),(c)를 나타낸 것으로, 도 5(b)는 청색 또는 녹색 반도체 발광 소자이며, 도 5(c)는 적색 반도체 발광 소자를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, Si(001)/(111) SOI 기판(10) 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법은, SOI(실리콘(001)층(11)/절연물(12)/실리콘(111)층(13)) 기판(10) 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 실리콘(001)층(11)을 제거하는 (가)단계와, 상기 실리콘(001)층(11)을 제거하고 그 상층에 절연막(110)을 증착하는 (나)단계와, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막(110)을 제거하여 상기 절연물(12)을 노출시키는 (다)단계와, 상기 노출된 절연물(12) 상에 GaN버퍼층(120)을 성장시키는 (라)단계와, 상기 GaN버퍼층(120)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 청색LED에피층(130) 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120)을 노출시키는 (마)단계와, 상기 청색LED에피층(130) 영역의 노출된 GaN버퍼층(120) 상에 청색LED에피층(130)을 성장시키는 (바)단계와, 상기 청색LED에피층(130)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 녹색LED에피층(140) 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120)을 노출시키는 (사)단계와, 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 녹색LED에피층(140)을 성장시키는 (아)단계와, 상기 녹색LED에피층(140)을 성장시킨 후 절연막(110)을 증착하고, 적색LED에피층(160) 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층(11)을 노출시키는 (자)단계와, 상기 노출된 실리콘(001)층(11)에 GaAs버퍼층(150)을 형성하고 적색LED에피층(160)을 성장시키는 (차)단계 및 상기 청색LED에피층(130) 및 녹색LED에피층(140) 상부에 남은 절연막(110)을 제거하는 (카)단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 6에 따른 실시예는 도 2에 따른 실시예와 비교하여, SOI 기판(10)에서 상부 실리콘층이 실리콘(001)층(11)이고, 하부 실리콘층이 실리콘(111)층(13)으로, 청색 및 녹색 반도체 발광 소자의 에피 성장이 하부 실리콘층 상에서 이루어져야 하므로, 패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상부 실리콘층인 실리콘(001)층(11)을 제거하는 공정이 선행되게 된다((가)단계).
그 이후에는 절연막(110)을 증착하여 패터닝 공정에 의해 공정 영역은 노출시키고 비공정 영역은 쉴드하는 것에 의해 하부 실리콘층인 실리콘(111)층(13) 상에는 GaN버퍼층(120) 성장, 청색LED에피층(130) 성장, 녹색LED에피층(140)을 성장시키고, 상부 실리콘층인 실리콘(001)층(11) 상에는 GaAs버퍼층(150) 성장, 적색LED에피층(160)을 성장시키는 것으로, 상기 도 2의 실시예의 공정과 동일, 유사하게 진행된다.
도 6의 실시예에서도 마찬가지로 공정 온도가 높은 청색 또는 녹색LED에피층(140) 공정이 먼저 수행되게 되며, 그 이후에 적색LED공정이 수행되어, 적색LED에피층(160)의 성장에 지장을 주지 않도록 한다.
도 7은 도 6의 실시예에 따라 각 반도체 발광 소자 간에 DBR 격벽(170)이 형성된 것을 도시한 것으로, 전체 하부 실리콘(111)층(13) 상에 절연물(12)을 사이에 두고 상부 실리콘(001)층(11) 상에 버퍼층을 포함하는 적색 반도체 발광 소자가 형성되어 있으며, 청색 및 녹색 반도체 발광 소자는 하부 실리콘(111)층(13) 상에 버퍼층과 함께 형성되어 있다.
여기에서, 청색 또는 녹색 반도체 발광 소자는 상부 실리콘(001)층(11)과 절연물(12)을 제거 후 하부 실리콘(111)층(13) 상에 형성되게 되므로, 그 만큼 버퍼층을 다른 영역에 비해서 두껍에 형성하여 활성층의 두께는 다른 영역과 유사하게 구현되도록 한다.
본 실시예에 의해 제조된 반도체 발광 소자 모듈은, SOI(실리콘(001)층(11)/절연물(12)/실리콘(111)층(13)) 기판(10)과, 상기 실리콘(001)층(11) 상에 형성되며, 적색LED에피층(160) 영역에 형성된 GaAs버퍼층(150)과, 상기 GaAs버퍼층(150) 상에 형성된 적색LED에피층(160)과, 상기 실리콘(001)층(11) 및 절연물(12)의 식각에 의해 노출된 청색LED에피층(130) 영역 및 녹색LED에피층(140) 영역의 상기 실리콘(111)층(13) 상에 형성되는 GaN버퍼층(120)과, 상기 청색LED에피층(130) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 형성된 청색LED에피층(130)과, 상기 녹색LED에피층(140) 영역의 GaN버퍼층(120) 상에 형성된 녹색LED에피층(140)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸 반도체 소자의 평면 모식도로, 앞서 설명한 트렌치 구조가 아닌 격자 형태로 구현된 것이다. 이는 청색 반도체 발광 소자, 적색 반도체 발광 소자 각 하나씩과 녹색 반도체 발광 소자 두개씩을 모듈로 하여 구현된 것을 도시한 것이다.
필요에 의해 다양한 색상의 반도체 발광 소자의 패턴, 배열 및 조합으로 구현할 수 있으며, 각 모듈의 어느 하나의 픽셀은 백색 발광 소자 또는 형광 소자도 적용이 가능하다.
도 9는 본 발명의 기술을 활용한 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자를 활용한 디스플레이 형상을 나타낸 것으로, R.G.B LED 매트릭스 상의 하나의 픽셀이 본 발명에 따라 동일 기판(10) 상에서 에피성장된 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자에 의해 구현되도록 한다.
이와 같이 본 발명은 SOI 기판 상에 반도체 소자를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 특히 단일 웨이퍼 상에 결정구조가 다른 GaN계와 GaAs계 재료의 연속적인 에피 성장이 가능하도록 한 것이다.
또한, 결정구조가 서로 다른 반도체 재료를 동일한 공정 기판 상에서 연속 공정에 의해 에피성장을 구현함으로써, 공정 단계의 획기적인 감소로 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있으며, 연속 공정 상에서 이루어지게 되어 소자 간 품질의 차이를 최소화 시키면서, 청색, 녹색, 적색 반도체 발광 소자의 공정 재현성이 우수하여 고품위의 반도체 발광 소자를 제공할 수 있는 것이다.
또한, 공일한 기판 내에서의 다양한 패터닝 공정에 의해 반도체 발광 소자의 조합 및 배열 형태를 다양하게 구현할 수 있어, 광소자 또는 전자소자뿐만 아니라, 바이오, 가상 현실, 스마트 소자, 마이크로 LED 등과 같은 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
10 : SOI 기판 11 : 실리콘(001)층
12 : 절연물 13 : 실리콘(111)층
110 : 절연막 120 : GaN버퍼층
130 : 청색LED에피층 140 : 녹색LED에피층
150 : GaAs버퍼층 160 : 적색LED에피층
170 : 절연 격벽 또는 DBR 격벽

Claims (20)

  1. SOI(실리콘(111)층/절연물/실리콘(001)층) 기판 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서,
    패터닝 공정을 통해 GaAs의 성장이 필요한 영역의 실리콘(111)층을 제거하는 제1단계;
    상기 실리콘(111)층을 제거하고 그 상층에 절연막을 증착하는 제2단계;
    패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막을 제거하여 실리콘(111)층을 노출시키는 제3단계;
    상기 노출된 실리콘(111)층 상에 GaN버퍼층을 성장시키는 제4단계;
    상기 GaN버퍼층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 청색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제5단계;
    상기 청색LED에피층 영역의 노출된 GaN버퍼층 상에 청색LED에피층을 성장시키는 제6단계;
    상기 청색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 녹색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 제7단계;
    상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 녹색LED에피층을 성장시키는 제8단계;
    상기 녹색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 적색LED에피층(160) 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층을 노출시키는 제9단계;
    상기 노출된 실리콘(001)층에 GaAs버퍼층을 형성하고 적색LED에피층을 성장시키는 제10단계; 및
    상기 청색LED에피층 및 녹색LED에피층 상부에 남은 절연막을 제거하는 제11단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    절연 격벽 또는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격벽이 형성되어 상호 간에 전기적으로 절연하거나 빛에 의한 간섭을 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    트렌치 구조 또는 격자 형태로 어레이되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    각각 단일개로 이루어진 모듈 형태 또는 어느 하나가 복수개로 이루어진 모듈 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 모듈에는,
    백색LED가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  6. SOI(실리콘(001)층/절연물/실리콘(111)층) 기판 상에 반도체 에피층을 성장하는 방법에 있어서,
    패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 실리콘(001)층을 제거하는 (가)단계;
    상기 실리콘(001)층을 제거하고 그 상층에 절연막을 증착하는 (나)단계;
    패터닝 공정을 통해 GaN의 성장이 필요한 영역의 상기 절연막을 제거하여 상기 절연물을 노출시키는 (다)단계;
    상기 노출된 절연물 상에 GaN버퍼층을 성장시키는 (라)단계;
    상기 GaN버퍼층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 청색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 (마)단계;
    상기 청색LED에피층 영역의 노출된 GaN버퍼층 상에 청색LED에피층을 성장시키는 (바)단계;
    상기 청색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 녹색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층을 노출시키는 (사)단계;
    상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 녹색LED에피층을 성장시키는 (아)단계;
    상기 녹색LED에피층을 성장시킨 후 절연막을 증착하고, 적색LED에피층 영역의 패터닝에 의해 실리콘(001)층을 노출시키는 (자)단계;
    상기 노출된 실리콘(001)층에 GaAs버퍼층을 형성하고 적색LED에피층을 성장시키는 (차)단계; 및
    상기 청색LED에피층 및 녹색LED에피층 상부에 남은 절연막을 제거하는 (카)단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    절연 격벽 또는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격벽이 형성되어 상호 간에 전기적으로 절연하거나 빛에 의한 간섭을 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    트렌치 구조 또는 격자 형태로 어레이되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    각각 단일개로 이루어진 모듈 형태 또는 어느 하나가 복수개로 이루어진 모듈 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 모듈에는,
    백색LED가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 GaN 및 GaAs 에피층의 연속 성장방법.
  11. SOI(실리콘(111)층/절연물/실리콘(001)층) 기판;
    상기 실리콘(111)층 상에 형성되며, 청색LED에피층 영역 및 녹색LED에피층 영역에 형성된 GaN버퍼층;
    상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 형성된 청색LED에피층;
    상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 형성된 녹색LED에피층;
    상기 실리콘(111)층 및 절연물의 식각에 의해 노출된 적색LED에피층 영역의 상기 실리콘(001)층 상에 형성되는 GaAs버퍼층; 및
    상기 GaAs버퍼층 상에 형성된 적색LED에피층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    절연 격벽 또는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격벽이 형성되어 상호 간에 전기적으로 절연하거나 빛에 의한 간섭을 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    트렌치 구조 또는 격자 형태로 어레이되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    각각 단일개로 이루어진 모듈 형태 또는 어느 하나가 복수개로 이루어진 모듈 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 모듈에는,
    백색LED가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 Si(111)/(001) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  16. SOI(실리콘(001)층/절연물/실리콘(111)층) 기판;
    상기 실리콘(001)층 상에 형성되며, 적색LED에피층 영역에 형성된 GaAs버퍼층;
    상기 GaAs버퍼층 상에 형성된 적색LED에피층;
    상기 실리콘(001)층 및 절연물의 식각에 의해 노출된 청색LED에피층 영역 및 녹색LED에피층 영역의 상기 실리콘(111)층 상에 형성되는 GaN버퍼층;
    상기 청색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 형성된 청색LED에피층;
    상기 녹색LED에피층 영역의 GaN버퍼층 상에 형성된 녹색LED에피층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    절연 격벽 또는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격벽이 형성되어 상호 간에 전기적으로 절연되거나 빛에 의한 간섭을 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    트렌치 구조 또는 격자 형태로 어레이되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 녹색LED에피층, 청색LED에피층 및 적색LED에피층은,
    각각 단일개로 이루어진 모듈 형태 또는 어느 하나가 복수개로 이루어진 모듈 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 모듈에는,
    백색LED가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 Si(001)/(111) SOI 기판 상에 연속 형성된 GaN 및 GaAs 에피층을 이용한 반도체 발광 소자 모듈.



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