KR20010079490A

KR20010079490A - Ⅲ-ⅴ족 질화물계 반도체 소자

Info

Publication number: KR20010079490A
Application number: KR1019990056108A
Authority: KR
Inventors: 신종언
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2001-08-22

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 소자, 그 중에서도 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED)에 대한 것으로, 상기 질화물계 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED)의 전극 구조를 개선하여 제조와 조립 공정을 간편화하고 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED) 작동시 발생하는 열을 더욱 효과적으로 방출하여 상기 소자의 신뢰성을 향상시키고자 한다.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 소자 {3-5 Group semiconductor device}

본 발명은 질화물계 반도체 소자, 그 중에서도 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED)에 대한 것으로, 특히 전/후면 전극 구조를 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 레이저 다이오드 및 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 좋은 특성을 갖는 질화물(nitride) 기판을 얻기가 어렵기 때문에 III-V족 질화물(nitride)층의 성장은 이종(異種) 기판인 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 갈륨 아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 등과 같은 기판위에 주로 하게 된다.

그러나, 산화아연(ZnO), 갈륨 아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 등과 같은 기판에 성장된 질화물층은 아직까지 전자 소자를 만들 만큼 좋은 특성을 얻지 못하고 있기 때문에 현재까지는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC)과 같은 물질이 질화물계 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED)와 같은 소자에 많이 이용되고 있다. 그러나 실리콘 카바이드(SiC) 기판은 전기 전도성이 있어 전극 구조를 유리하게 배치할 수 있는 반면 가격이 비싸기 때문에 실용성이 좋지 못하다는 단점이 있다.

따라서, 그 동안 발표된 대부분의 질화물계 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED)는 사파이어(sapphire) 기판 위에 성장된 것이며 여러 성장 기술의 발전으로 인해 상당히 좋은 광학적, 전기적 특성을 나타내고 있다. 그러나 사파이어(sapphire)는 전기적으로 부도체이기 때문에 전기적인 통로를 만들어 주기 위해서는 도 1과 같이 p형 전극과 n형 전극이 모두 전면에 형성되는 전면 전극 구조를 갖게 된다. 즉, 기판위에 전체 소자 성장을 끝낸 후 n형 금속 접촉 층을 만들기 위해서 소자의 일부분을 식각하게 된다.

이와 같은 구조의 문제점은 n형 질화물을 노출시키기 위해서 구조의 일부분을 식각할 경우 이 과정에서 노출된 질화물 면이 손상을 받을 가능성이 많다, 또한, 여러 가지 공정 절차가 필요하기 때문에 시간적, 자원적 손실이 있을 뿐만 아니라 그 만큼 위험에 노출될 가능성도 있다 하겠다.

그 뿐만 아니라 질화물 성장 초기의 소자 크기에서 n형 금속 접촉층을 만들기 위해서 노출되는 크기 만큼의 발광 면적의 감소로 인해 출력 및 휘도의 저하가발생하며 질화물계 이외의 기존 III-V족 반도체 레이저 다이오드(LD) 및 발광 다이오드(LED) 제조시에는 한 번의 전극 전선 형성 과정으로 가능하던 배선이 도 1의 구조를 사용하는 질화물의 경우 두 번의 전극 전선 형성 과정이 필요하다.

이와 같이 기존의 구조를 사용할 경우 여러 가지 공정을 거치는 관계로 최종으로 만들어진 소자의 신뢰성과 수율에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 보다 간편하고 안정적인 소자 구조와 공정의 개발이 시급하다.

도 1은 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 레이저 다이오드/발광 다이오드의 일반적인 구조를 나타내는 도면

도 2는 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드/발광 다이오드의 구조를 나타내는 도면

도 3은 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드/발광 다이오드가 서브 마운트에 장착된 구조를 나타내는 도면

본 발명은 종래의 질화물 반도체 레이저 다이오드 및 발광 다이오드 구조의 한쪽 면에 n과 p 접촉 전극을 갖는 방법에서 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 질화물 성장이 끝난 후 전기적으로 절연체인 사파이어(sapphire) 기판의 밑부분 일부를 제거하여 질화물층과 직접 전류를 통할 수 있도록 소자 구조를 변경하였다.

이와 같이 사파이어 기판 하부에 질화물과 직접 전류를 통할 수 있는 구조를 취하게 되면 기존의 소자 구조를 위해 행해지던 여러 가지 공정이 줄어들 수 있으며 n금속 접촉 층을 만들기 위하여 도입된 식각(etching) 과정에서 발생되는 질화물 층의 손상을 방지할 수 있으며 조립시 두 개(n 과 p)의 전극 연결 과정이 한 번으로 줄어들게 되며 n 접촉에 사용되는 솔더(solder)가 열 방출의 역할을 수행할 수 있기 때문에 소자의 동작과 신뢰성의 향상을 기대할 수 있다.

이하, 도면을 참고하여 더욱 상세한 설명을 하기로 한다.

본 발명은 질화물계 반도체 레이저 다이오드 및 발광 다이오드 제조를 위해사파이어 기판을 준비하고 이 사파이어 기판위에 질화물층을 형성한다. 이와 같이질화물층 성장이 끝난 기판을 약 50 - 70 ㎛두께까지 연마한다. 기판 연마 후 사파이어(sapphire) 기판 위에 실리콘 산화물(SiO₂)나 실리콘 질화물(SiN)을 화학 기상 증착법(Cemical Vapor Deposition, CVD)에 의하여 증착시킨다. 이 때 증착 두께는 사파이어(sapphire) 기판의 두께에 따라 변화를 주어야 한다. 그리고 포토 리소그래피(photolithography)를 이용하여 사파이어(sapphire) 기판에 활성 이온 식각 (Reactive Ion Etching)과 같은 건식 식각 방법에 의해 적당한 크기와 모양으로 구멍을 형성한다.

상기 기판에 형성되는 구멍은 일반적으로 소자의 크기에 따라 크기가 달라질 수 있지만 도 2에서와 같이 보통 80 - 100 ㎛ 크기(지름)의 구멍을 뚫게 되고, 깊이는 연마하고 남은 기판의 두께보다 조금 깊은 55 - 75 ㎛ 두께까지 식각을 하게 된다. 이와 같은 식각 과정이 끝난 후 TCE(TRICHLORO ETHYLENE) , 메탄올(methanol), 아세톤(aceton) 과 같은 세정액으로 세정을 하고 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)의 혼합 용액에서 습식 식각을 하게 된다. 이렇게 하여 식각 공정 중에 발생된 유기물 등의 불필요한 물질을 제거한다.

상기와 같은 공정을 거쳐 제작된 소자는 도 3에서 보는 것과 같이 서브 마운트(submount)위에 올려지게 되는데 소자와 서브 마운트의 결합은 납땜 솔더(solder)에 의해서 이루어진다. 이 때 서브 마운트 위에 올려지게 되는 솔더의 크기는 소자의 크기 보다 작아야 되며 100 ㎛ 정도의 크기가 적당하다. 왜냐하면,솔더의 크기가 너무 클 경우 소자와 솔더의 접합시 솔더가 소자의 옆 벽면을 타고 올라가 전기적인 단락이 일어날 수 있기 때문이다.

서브 마운트 물질로는 실리콘(Si), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 베릴륨(Be) 등이 쓰이며 솔더 재료로는 금(Au), 납(Pb), 주석(Sn), 은(Ag), 인듐(In), 알루미늄(Al) 등이 특성에 따라 혼합되어 사용된다. 이와 같이 n 접촉은 솔더와 서브 마운트를 통하여 하게 되며 p 접촉은 종전과 같이 p 전극을 p 금속에 접합하여 전기적인 회로가 완성되게 된다. 즉, 사파이어 기판위에 질화물 반도체 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 형성하였지만 기판 상/하부에 전/후면 전극을 갖는 구조가 된다.

본 발명에서와 같이 n 전극을 서브 마운트에 직접 연결함으로써 첫째, 질화물 성장 이후의 소자 제작 공정이 간편해지며 둘째, 기존 공정 중의 식각 과정에서 발생할 수 있는 질화물층의 손상을 방지할 수 있으며 세째, n 전극과 p 전극을 형성하기 위하여 두 번의 과정이 필요하던 작업이 p 접촉 전극 형성 한 번으로 끝날 수 있으며 네째, 솔더와 서브 마운트를 통하여 열 방출이 용이하므로 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 다섯째, 종래 구조에서와 같이 n 접촉을 위해서 별도로 질화막 층의 일부를 노출시킬 필요가 없으므로 그 면적 만큼 휘도 및 출력의 향상을 기대할 수 있다.

Claims

관통 구멍이 형성된 부도체 기판과, 상기 부도체 기판 위에 형성되는 질화물층과, 상기 질화물층 위에 형성되는 제 1전극 접촉층과, 상기 부도체 기판 한 쪽 면에 위치한 서브 마운트와, 상기 부도체 기판의 관통 구멍과 상기 서브 마운트 사이에 위치하여 이들을 결합시켜 주고 제 2전극 접촉층 역할을 하는 솔더를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 소자.
제 1항에 있어서,상기 솔더는 금(Au), 납(Pb), 주석(Sn), 은(Ag), 인듐(In), 알루미늄(Al)중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 합금으로 이루어진 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 소자.
제 1항에 있어서,상기 기판에 형성된 관통 구멍의 지름은 기판 위에 형성되는 소자의 크기보다 작게 형성됨을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 반도체 소자.