KR102474696B1 - 반도체 소자 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로서, 금속, 실리콘 또는 AlN으로 이루어지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형의 제1 반사층; 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고 중앙부에 도전영역이 형성된 차단영역; 및 상기 차단영역 상에 배치되는 제2 도전형의 제2 반사층을 포함하고, 상기 도전영역의 둘레의 영역에서 상기 제2 반사층으로부터 상기 차단영역과 상기 활성층 및 상기 제1 반사층의 일부까지 메사 식각된다.
Description
실시예는 반도체 소자 및 제조 방법에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다. 이러한 레이저 다이오드를 LDAF(Laser Diode Autofocus), ToF (Time of Flght), 구조광 센서 등에 적용하게 되면 수 KW의 고전류에서 작동하게 되므로 사용광도출력이 감소하고, 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
실시예는 열특성을 개선할 수 있는 반도체 소자 및 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 의한 반도체 소자는 금속, 실리콘 또는 AlN으로 이루어지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형의 제1 반사층; 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고 중앙부에 도전영역이 형성된 차단영역; 및 상기 차단영역 상에 배치되는 제2 도전형의 제2 반사층을 포함하고, 상기 도전영역의 둘레의 영역에서 상기 제2 반사층으로부터 상기 차단영역과 상기 활성층 및 상기 제1 반사층의 일부까지 메사 식각될 수 있다.
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다.
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는, AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층은 제1 층과 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층의 알루미늄 조성비가 상기 제2 층의 알루미늄 조성비보다 더 클 수 있다.
상기 제2 반사층은 제3 층과 제4 층을 포함하고, 상기 제3 층의 알루미늄 조성비가 상기 제4 층의 알루미늄 조성비보다 더 클 수 있다.
상기 제1 반사층은 제1 층과 제2 층이 n회 반복되고, 상기 제2 반사층은 제3 층과 제4 층이 m회 반복되며, 상기 n은 상기 m보다 클 수 있다.
상기 활성층에서 650 내지 980 나노미터 파장 영역의 광이 방출되고, 상기 제1 반사층 또는 제2 반사층의 두께는 λ/4n이고, 여기서 λ는 상기 활성층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 각 층의 굴절률일 수 있다.
상기 기판과 상기 제1 반사층은 접착층으로 유테틱 본딩될 수 있다.
상기 접착층은 AuSn, NiSn 또는 InAu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층의 가장 자리 영역의 상부에 배치되는 제2 접촉 전극을 더 포함하고, 상기 제2 접촉 전극은 상기 차단영역과 대응되어 배치될 수 있다.
상기 제2 접촉 전극을 노출시키며, 상기 제1 반사층의 상부면과, 상기 제1 반사층과 차단영역 및 활성층의 측면과, 상기 제2 반사층의 표면에 배치되는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 의한 반도체 소자 제조 방법은 성장 기판 상에 제2 반사층, 활성층, 제1-1 층 및 제1 반사층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계; 상기 발광 구조물 상에 금속, 실리콘 또는 AlN으로 이루어지는 기판을 배치시키는 단계; 상기 발광 구조물로부터 상기 성장 기판을 분리하는 단계; 상기 발광 구조물을 메사 식각하는 단계; 상기 제1-1 층을 산화시켜 중앙부에 도전영역이 형성된 차단영역을 구비하는 단계; 및 상기 제2 반사층에 제2 접촉 전극을 배치시키고, 상기 기판의 하단에 제1 전극을 배치시키는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자와 제조 방법은 열특성을 개선하여 광도출력을 증가시키고, 문턱전류를 증가시킬 수 있으므로 반도체 소자의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 소자를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2f는 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 근접센서 모듈을 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 광통신 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2f는 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 근접센서 모듈을 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 광통신 모듈을 나타내는 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly) 접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
반도체 소자는 발광 소자, 수광 소자 등 각종 전자 소자 포함할 수 있으며, 발광 소자와 수광 소자는 모두 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 반도체 소자는 발광 소자일 수 있다.
발광 소자는 전자와 정공이 재결합함으로써 빛을 방출하게 되고, 이 빛의 파장은 물질 고유의 에너지 밴드갭에 의해서 결정된다. 따라서, 방출되는 빛은 상기 물질의 조성에 따라 다를 수 있다.
이하, 전술한 발광 소자에 포함되는 레이저 다이오드에 해당하는 기능을 수행하는 실시예에 의한 반도체 소자를 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 소자를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 기판(110), 제1 반사층(120), 활성층(130), 차단영역(142) 및 제2 반사층(150)을 포함할 수 있으며, 제1 반사층(120), 활성층(130), 차단영역(142) 및 제2 반사층(150)을 발광 구조물이라 할 수 있다.
기판(110)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판을 사용할 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자(100) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용하거나 실리콘(Si) 기판을 사용할 수 있다.
비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
기판(110)은 전체 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 상술한 발광 구조물로부터 성장 기판을 분리하는 공정이나, 각 반도체 소자 단위로 분리하는 공정을 진행할 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
기판(110) 상에는 제1 반사층(120)이 배치될 수 있고, 제1 반사층(120)은 제1 도전형일 수 있으며, 제1 반사층(120)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 반사층(120)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 즉, 제1 반사층(120)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제1 층과 제2 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 층 또는 제2 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 제1 층 및 제2 층 각각의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)이고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
제1 층과 제2 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성층에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라, 상술한 수식에 의하여 결정될 수 있다.
제1 반사층(120)은 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 그리고, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
기판(110)의 상부면에는 접착층(160)이 배치될 수 있다. 그리고, 접착층(160)은 기판의 상부면에 배치될 수 있다.
그리고, 기판(110)의 하부면에는 제1 전극(115)이 배치될 수 있다.
제1 반사층(120)은 접착층(160)을 통하여 기판(110)과 유테틱 본딩될 수 있으며, 여기서, 접착층(160)은 AuSn, NiSn 또는 InAu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 반사층(120) 상에는 활성층(130)이 배치될 수 있다.
활성층(130)은 제1 반사층과 제2 반사층의 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(130)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(130) 상에는 차단영역(142)이 배치될 수 있는데, 중앙부에 도전영역(141)이 형성된 차단영역(142)이 배치될 수 있다. 차단영역(142)은 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 중앙 영역에는 도전영역(141)이 구비될 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자(100)의 제조 단계에서 활성층(130) 상에 배치되는 제1-1 층(140)은 알루미늄 갈륨 아세나이드(aluminum gallium arsenide)를 포함할 수 있고, 제1-1 층(140)은 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성된 차단영역(142)과 AlGaAs로 이루어진 도전영역(141)으로 구비될 수 있다. 도전영역(141)을 통해 활성층에서 방출된 광을 도 1의 상부 영역으로 방출할 수 있으며, 차단영역(142)과 비교하여 제1-1 층의 광투과율이 우수할 수 있다. 제1-1 층의 재료는 후술한다. 차단영역(142) 상에는 제2 반사층(150)이 배치될 수 있다.
제2 반사층(150)은 제2 도전형일 수 있으며, 제2 반사층(150)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다.
제2 반사층(150)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 그리고, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다.
반대로, 제1 반사층(120)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(150)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제2 반사층(150)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 즉, 제1 반사층(120)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 제3 층 및 제4 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제3 층과 제4 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제3 층 및 제4 층 각각의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제1 반사층은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
제1 반사층(120)과 제2 반사층(150)은 제1 층/제3 층과 제2 층/제4 층이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(120) 내에서 제1 층과 제2 층의 페어(pair) 수는 제2 반사층(150) 내에서 제3 층과 제4 층의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(120)의 반사율은 99.999% 정도로 제2 반사층의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다. 예를 들면, 제1 반사층(120) 내에서 제1 층과 제2 층의 페어 수는 20 내지 40회일 수 있고, 제2 반사층(150) 내에서 제3 층과 제4 층의 페어 수는 10 내지 30회일 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자(100)는 도전영역(141)의 둘레의 영역에서 제2 반사층(150)으로부터 차단영역(142)과 활성층(130)까지 메사 식각될 수 있으며, 또는 제1 반사층(120)의 일부까지 메사 식각될 수 있다.
제2 반사층(150) 상에는 제2 접촉 전극(155)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(155)의 사이의 영역에서 제2 반사층(150)이 노출되는 영역은 상술한 차단영역(142)의 중앙 영역의 도전영역과 대응될 수 있다. 여기서, 도전영역(141)의 폭은 제2 접촉 전극(155) 사이의 폭보다 넓거나 좁을 수 있다. 도전영역(141)의 폭이 제2 접촉 전극(155) 사이의 폭보다 좁게 형성되면, 활성층에서 방출된 광이 확산되어 투과될 수 있고, 도전영역(142)의 폭이 제2 접촉 전극(155) 사이의 폭보다 넓게 형성되면 활성층에서 방출된 광이 수렴되어 투과될 수 있다. 접촉 전극(155)은 제2 반사층과 후술하는 제2 전극의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1에서 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층의 상부면에 패시베이션층(170)이 배치되고 있다. 패시베이션층(170)은 소자 단위로 분리된 반도체 소자(100)의 측면에도 배치되어, 반도체 소자(100)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(170)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다.
패시베이션층(170)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극보다 얇을 수 있으며, 이때 제2 접촉 전극이 패시베이션층 상부로 노출될 수 있다. 노출된 제2 접촉 전극과 전기적으로 접촉하며 제2 전극(180)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(180)은 패시베이션층의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 잇다.
제2 전극은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있고, 상세하게는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 성장 기판(210) 상에 제2 반사층(150), 활성층(130) 및 제1 반사층(120)을 성장시킨다.
성장 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
그리고, 성장 기판(210) 상에는 식각 저지층(220)이 형성될 수 있다.
예를 들면 본 실시예에서는 제2 반사층과 동종의 GaAs 기판을 사용할 수 있다. 성장 기판(210)이 제2 반사층(150)이 동종일 때 격자 상수가 일치하여, 제2 반사층에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
즉, 제2 반사층(150)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 제4 층(151-1, 154-1) 및 제3 층(151-2, 154-2)이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층은 상술한 바와 같이 DBR 구조를 가질 수 있으므로, 제4 층과 제3 층의 재료인 AlGaAs가 공급되어 성장될 수 있고, 이때, Al(알루미늄)과 Ga(갈륨)의 공급량을 달리하여, 상술한 바와 같이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질의 제2 반사층을 성장시킬 수 있다.
예를 들면 제3 층은 Al0.88Ga0.12As를 포함할 수 있으며, 제4 층은 Al0.16Ga0.84As로 성장될 수 있다. 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
제2 반사층(150) 상에는 제1-1 층(145)을 성장시킬 수 있다. 제1-1 층(145)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 상세하게는 제1 반사층 및 제2 반사층과 동일한 재료로 이루어질 수 있으며, AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있다.
그리고, 제1-1 층 상에 활성층과 제1 반사층을 성장시킬 수 있으며, 활성층과 제1 반사층의 조성은 도 1에서 설명한 바와 동일하며, 성장 방법은 상술한 제2 반사층의 성장 방법과 유사할 수 있다.
제1 반사층(120)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 층(121-1, 124-1) 및 제2 층(121-2, 124-2)이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(110)을 제1 반사층(120)에 결합할 수 있다.
기판(110)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판을 사용할 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자(100) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용하거나 실리콘(Si) 기판을 사용할 수 있다.
비전도성 기판을 사용할 경우, 알루미늄 질화물 예를 들면 AlN 기판을 사용할 수 있다. 기판(110)은 접착층(160)을 통하여 제1 반사층과 유테틱 본딩될 수 있으며, 접착층(160)의 조성은 상술한 바와 같다.
접착층(160)은 제1 접착층(161)과 제2 접착층(162)을 포함할 수 있으며, 제1 접착층(161)은 기판(110)의 상부에 배치되고, 제2 접착층(162)은 제1 반사층(120)의 하부에 배치되어 제1 접착층(161)과 제2 접착층(162)이 서로 접착되어 기판(110)과 제1 반사층(120)이 본딩될 수 있다.
기판(110)의 하부에는 제1 전극(115)이 배치될 수 있다.
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이 성장 기판(210)을 분리할 수 있다. 성장 기판(210)의 제거는 사파이어 기판의 경우 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
여기서, 식각 저지층(200)은 성장 기판(210) 상에 성장된 발광 구조물을 제거할 때, 제2 반사층(120)을 보호해 줄 수 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 성장 기판(210) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 성장 기판(210)과 제2 반사층(150)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 성장 기판(210)의 분리가 일어날 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 메사 식각할 수 있다. 이때, 제2 반사층으로부터 제1-1 층)과 활성층까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층으로부터 제1-1 층과 활성층을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
그리고, 도 2e에 도시된 바와 같이 제1-1 층(140)의 가장 자리 영역을 차단영역으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다. 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1-1 층(140)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, 제1-1 층의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, 제1-1 층의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리 영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물이 형성될 수 있도록 한다. 또한 이온 주입(Ion implantation)을 통해 제1-1 층의 가장 자리 영역을 차단영역으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 제1-1 층의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성층에서 방출되는 광이 도 1의 상부 영역으로 진행되는 부분이므로, 상술한 바와 같이 도전영역이라고 할 수 있다.
그리고, 도 2f에 도시된 바와 같이, 제2 접촉 전극(155)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(155)의 사이의 영역에서 제2 반사층(150)이 노출되는 영역은 상술한 차단영역(142)의 중앙 영역의 도전영역과 대응될 수 있다. 접촉 전극(155)은 제2 반사층과 후술하는 제2 전극의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
패시베이션층(170)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극보다 얇을 수 있으며, 이때 제2 접촉 전극이 패시베이션층 상부로 노출될 수 있다. 노출된 제2 접촉 전극과 전기적으로 접촉하며 제2 전극(180)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(180)은 패시베이션층의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
그리고, 패시베이션층(170)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있고, 상세하게는알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상술한 반도체 소자는 레이저 다이오드일 수 있으며, 2개의 반사층 내부가 공진기로 작용할 수 있다. 이때, 제1 도전형의 제1 반사층과 제2 도전형의 제2 반사층으로부터 전자와 정공이 활성층으로 공급되어, 활성층에서 방출된 광이 공진기 내부에서 반사되어 증폭되고 문턱 전류에 도달하면, 상술한 도전영역을 통하여 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자에서 방출된 광은 단일 파장 및 단일 위상의 광일 수 있으며, 제1,2 반사층과 활성층의 조성 등에 따라 단일 파장 영역이 변할 수 있다.
종래의 레이저 다이오드는 GaAs는 기판의 열전도율(52W/m-K)이 낮아서 문턱 전류가 증가하여 광출력이 감소하는 문제점이 있었다. 그러나, 실시예에 따른 레이저 다이오드는 금속 예를 들면 MoCu나 실리콘이나 AlN을 기판으로 사용하여 열전도율이 종래의 GaAs보다 높아서, 문턱 전류가 감소하여 광출력이 증가할 수 있다. 또한, 제1, 2 반사층이 반사율이 100%에 가까운 DBR 구조를 이루어서, 광효율이 향상될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 근접센서 모듈을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 근접센서 모듈(400)은 기판(430)과, 기판(430) 위에 실장되는 발광 다이오드 칩(410) 및 수직 공진 표면 발광 레이저 칩 또는 공진 발광 다이오드 칩(420), 이 칩들(410, 420)로부터 이격되어 기판(430) 위에 실장되는 센서(450), 그리고 기판(430)에 부착되며 칩들(410, 420)과 센서(450)를 둘러싸는 케이스(440)를 포함하여 구성된다.
센서(450)는 복수의 기능을 가지고 동작하는 것이 가능한바, 예컨대 발광 다이오드 칩(410)이 출사한 광으로 피사체의 3차원 움직임, 즉 3D 모션을 센싱할 수 있고, 수직 공동 표면 발광 레이저 칩 또는 공진 공동 발광 다이오드 칩(420)이 출사한 광으로는 피사체와 근접센서 모듈(400) 간 거리를 센싱할 수 있다. 또는, 센서(450)가 2개로 구성되어 하나의 센서는 3D 모션 센싱, 다른 하나의 센서는 거리 센싱을 하는 것도 가능하다. 센서(450)는 피사체의 움직임 센싱, 피사체의 형상 센싱, 피사체와의 거리 센싱 등 다양한 기능을 할 수 있으며, 그 기능에는 제한이 없다.
도 4는 실시예에 따른 반도체 소자가 배치된 광통신 모듈을 나타내는 도면이다.
광통신 모듈(500)은 영상 신호 발생 장치(510)에서 발생된 영상 신호를 액정 디스플레이 등의 화상 표시 장치(520)에 전송하기 위해서, 실시예에 따른 반도체 소자가 실장된 광전송 장치를 이용하고 있다.
즉, 광통신 모듈(500)은 영상 신호 발생 장치(510), 화상 표시 장치(520), DVI용 전기 케이블(530), 송신 모듈(540), 수신 모듈(550), 영상 신호 전송 광신호용 커넥터(560), 광파이버(570), 제어 신호용 전기 케이블 커넥터(580), 전원 어댑터(590), DVI용 전기 케이블(600)을 포함한다.
광통신 모듈(500)은, 영상 신호 발생 장치(510)와 송신 모듈(540) 및 수신 모듈(550)과 화상 표시 장치(520) 사이를 전기 케이블(530, 600)에 의한 전기 신호의 전송으로 하였지만, 이들 사이의 전송을 광신호에 의해 행할 수도 있다. 예를 들어, 전기-광 변환 회로 및 광-전기 변환 회로를 커넥터에 포함하는 신호 전송용 케이블을 전기 케이블(530, 600) 대신에 사용하도록 할 수도 있다.
이외에도 실시예에 따른 반도체 소자는 Ethernet, 광 저장장치 네트워크, SoNet과 같은 데이터 광통신 분야, LDAF(Laser autofocus), 3D 동작인식센서, VR/AR 등의 센싱 분야, 적외선 조명 분야 등에 적용되어 이용될 수 있다.
상술한 발광소자는 발광소자 패키지로 구성되어, 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 광원이나 조명 장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치의 광원으로 사용될 때 등기구나 벌브 타입으로 사용될 수도 있으며, 또한 이동 단말기의 광원으로 사용될 수도 있다.
발광 소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드가 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광도전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 반도체 소자 110: 기판
115: 제1 전극 120: 제1 반사층
130: 활성층 140: 제1-1 층
141: 도전영역 142: 차단영역
150: 제2 반사층 155: 제2 반도체 전극층
160: 접착층 170: 패시베이션층
180: 제2 전극 210: 성장 기판
220: 식각 저지층 300: 마스크
115: 제1 전극 120: 제1 반사층
130: 활성층 140: 제1-1 층
141: 도전영역 142: 차단영역
150: 제2 반사층 155: 제2 반도체 전극층
160: 접착층 170: 패시베이션층
180: 제2 전극 210: 성장 기판
220: 식각 저지층 300: 마스크
Claims (12)
- 금속, 실리콘 또는 AlN으로 이루어지는 기판;
상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형의 제1 반사층;
상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
상기 활성층 상에 배치되고 중앙부에 도전영역이 형성된 차단영역;
상기 차단영역 상에 배치되는 제2 도전형의 제2 반사층;
상기 제2 반사층의 가장 자리 영역의 상부에 배치되는 제2 접촉 전극; 및
상기 제2 접촉 전극이 노출되도록, 상기 제1 반사층의 상부면과, 상기 제1 반사층과 상기 차단영역 및 상기 활성층의 측면과, 상기 제2 반사층의 표면에 배치된 패시베이션층;을 포함하고,
상기 제2 반사층 상의 상기 패시베이션층의 두께는 상기 제2 접촉 전극의 두께보다 얇은, 반도체 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)인 반도체 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는, AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함하는 반도체 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 반사층은 제1 층과 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층의 알루미늄 조성비가 상기 제2 층의 알루미늄 조성비보다 더 큰 반도체 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 제2 반사층은 제3 층과 제4 층을 포함하고, 상기 제3 층의 알루미늄 조성비가 상기 제4 층의 알루미늄 조성비보다 더 큰 반도체 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 반사층은 제1 층과 제2 층이 n회 반복되고, 상기 제2 반사층은 제3 층과 제4 층이 m회 반복되며, 상기 n은 상기 m보다 큰 반도체 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 활성층에서 650 내지 980 나노미터 파장 영역의 광이 방출되고, 상기 제1 반사층 또는 제2 반사층의 두께는 λ/4n이고, 여기서 λ는 상기 활성층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 각 층의 굴절률인 반도체 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 반사층은 접착층으로 유테틱 본딩되는 반도체 소자. - 제8 항에 있어서,
상기 접착층은 AuSn, NiSn 또는 InAu 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 접촉 전극은 상기 차단영역과 대응되어 배치되는 반도체 소자. - 삭제
- 성장 기판 상에 제2 반사층, 활성층, 제1-1 층 및 제1 반사층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계;
상기 발광 구조물 상에 금속, 실리콘 또는 AlN으로 이루어지는 기판을 배치시키는 단계;
상기 발광 구조물로부터 상기 성장 기판을 분리하는 단계;
상기 발광 구조물을 메사 식각하는 단계;
상기 제1-1 층을 산화시켜 중앙부에 도전영역이 형성된 차단영역을 구비하는 단계;
상기 제2 반사층의 가장 자리 영역 상부에 제2 접촉 전극을 배치시키고, 상기 기판의 하단에 제1 전극을 배치시키는 단계; 및
상기 제2 접촉 전극이 노출되도록, 상기 제1 반사층의 상부면과, 상기 제1 반사층과 상기 차단영역 및 상기 활성층의 측면과, 상기 제2 반사층의 표면에 패시베이션층을 배치하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 반사층 상의 상기 패시베이션층의 두께는 상기 제2 접촉 전극의 두께보다 얇은, 반도체 소자 제조 방법.
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| KR1020160055733A KR102474696B1 (ko) | 2016-05-04 | 2016-05-04 | 반도체 소자 및 제조 방법 |
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| KR1020160055733A KR102474696B1 (ko) | 2016-05-04 | 2016-05-04 | 반도체 소자 및 제조 방법 |
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