KR20100120780A - 반도체 소자용 기판 및 이를 이용한 반도체 소자 - Google Patents

Abstract

에피층 성장에 제한을 주지 않으면서 렌즈의 충진 밀도를 높여 외부광추출효율을 증가시키는 반도체 소자 제조용 기판, 그리고 그 기판을 이용함에 따라 외부광추출효율이 향상된 고출력 반도체 소자를 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 기판은, 볼록 또는 오목 형상의 렌즈가 다수 형성되어 있는 기판으로서, 기판 상에 형성할 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격이 다른 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격에 비해 좁게 되도록 상기 복수 개의 렌즈가 형성된다.

Description

반도체 소자용 기판 및 이를 이용한 반도체 소자{Substrate for semiconductor device and semiconductor device using the same}

본 발명은 반도체 소자용 기판, 그리고 그 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 발광다이오드(LED)와 같은 반도체 발광 소자 제조에 사용될 수 있도록 패턴이 형성된 기판, 그리고 그 기판을 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.

LED 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다.

LED 개발에 있어서 가장 큰 이슈는 발광 효율을 증가시키는 것이다. 일반적으로, 발광 효율은 빛의 생성 효율(내부양자효율)과, 소자 밖으로 방출되는 효율(외부광추출효율), 및 형광체 변환 효율에 의하여 결정된다. LED의 고출력화를 위해서는 내부양자효율의 측면에서 활성층 특성을 향상시키는 방법도 중요하지만, 실 제 발생된 광의 외부광추출효율을 증가시키는 것이 매우 중요하다.

LED 외부로 빛이 방출되는데 있어서의 가장 큰 장애요인은 LED 각 층간의 굴절률 차에 의한 내부 전반사(internal total reflection)이다. LED 각 층간의 굴절률 차에 의하여, 계면 밖으로 빠져나가는 빛은 생성된 빛의 일부인 50% 정도에 해당된다. 더구나, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 LED 내부를 이동하다가 열로 붕괴(decay)되어, 결과적으로 발광효율은 낮으면서 소자의 열 발생량을 늘려, LED의 수명을 단축시키게 된다.

외부광추출효율 향상을 위해서는 소자 표면의 거칠기를 증가시키는 방법, 소자의 기저 부분이면서 에피층이 성장되는 기판의 표면에 굴곡이 있는 모양(이하, 오목 또는 볼록 형상의 모양 모두를 “렌즈”라고 칭하기로 한다)을 형성하는 방법 등이 제시되고 있다. 기판 위에 렌즈를 형성하면 임계각 이상의 광이 소자 내에 반사되면서 흡수되는 확률을 낮춰줌으로써 외부광추출효율 향상 효과가 있다.

도 1a는 사파이어 기판(10)을 식각하여 형성한 렌즈(12) 위로 형성된 LED(30)의 개략적인 단면도이고, 도 1b는 사파이어 기판(10)을 식각하여 형성한 렌즈(12)의 SEM 사진이다.

이와 같은 렌즈(12)의 밀도를 높이게 되면 외부광추출효율은 높아지나 렌즈(12) 사이의 간격이 매우 좁게 되어 기판과 그 위에 성장되는 물질이 다른 이종 에피층 성장시, 에피층 성장이 매우 제한을 받게 되는 문제가 있다. 도 2는 렌즈가 형성된 기판 위에 에피층이 깨끗이 성장된 표면의 현미경 사진이며, 도 3a 및 도 3b는 렌즈 사이가 매우 좁은 기판 위에 에피층이 비이상적으로 성장된 표면의 사진 이다.

이와 같은 비이상적인 성장의 원인을 이해하기 위해서, 렌즈가 나열된 기판 위에 에피층 성장의 초기 단계를 보면, 도 4와 같이 물이 차오르는 듯 한 모양으로 렌즈(12)를 제외한 주변부에서 에피층(20)이 성장해서 올라오는 것을 알 수 있다. 이와 같이 렌즈(12)가 형성된 기판 위에서의 바람직한 박막 성장은 렌즈(12) 위에서 타 결정방향으로 박막이 성장되지 않고 렌즈(12) 외에 평평한 부분, 예를 들면 (0002) 면 같은 곳에서 질화물 반도체 에피층이 우세하게 형성되는 것이다. 이때, 렌즈(12)가 너무 조밀하게 되면 평평한 영역이 매우 작아지게 되고 이 영역의 면적이 어느 이하가 되면 도 3a 및 도 3b와 같이 표면이 메워지지 않은 어두운 부분이 발생하게 되는 것이다. 이것은 표면 결함으로서, 소자 제작에 있어 치명적인 수율 감소와 불량을 발생하게 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 에피층 성장에 제한을 주지 않으면서 렌즈의 충진 밀도를 높여 외부광추출효율을 증가시키는 반도체 소자용 기판을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 기판을 이용함에 따라 외부광추출효율이 향상된 고출력 반도체 소자를 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판은 볼록 또는 오목 형상의 렌즈가 복수 개 형성되어 있는 반도체 소자 제조용 기판으로, 상기 기판 상에 형성할 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격이 다른 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격에 비해 좁게 되도록 상기 복수 개의 렌즈가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 소자용 기판에 있어서, 상기 복수 개의 렌즈는 상기 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향으로 복수 개의 열을 이루도록 배열되고, 상기 복수 개의 열과 열 사이는 동일한 간격으로 이격되어 있을 수 있다. 그리고 상기 각 열을 이루는 렌즈는 서로 맞닿아 있을 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 소자용 기판에 있어서, 상기 기판은 사파이어이고 상기 에피층은 질화물 반도체이며, 상기 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향은 상기 사파이어 기판의 <11-20> 방향이다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 반도체 소자는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 기판; 상기 기판 상에 형성된 에피층으로서, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 적어도 포함하는 에피층; 및 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 상에 각각 형성된 전극;을 구비한다.

본 발명에 따르면, 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격을 좁힘으로써 렌즈의 충진 밀도는 향상시키면서 결정성이 우수한 에피층을 성장시킬 수 있다. 따라서 이와 같이 렌즈가 형성된 기판을 이용하여 발광다이오드와 같은 반도체 소자를 제조하게 되면, 높은 외부광추출효율을 가지면서도 결정성이 우수한 에피층을 성장시킬 수 있게 되어, 소자의 성능 향상과 수율 증가를 가져오게 된다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자용 기판 및 이를 이용한 반도체 소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

종래의 렌즈는 도 5와 같이 간격이 일정한 패턴으로 되어 있다.

도 5를 참조하면, 렌즈(12)는 반복 정삼각형 패턴의 정점에 위치하며, 렌즈(12)의 직경(D)은 2.5㎛, 질화물 반도체, 예컨대 GaN의 <11-20> 방향을 따라 렌 즈 중심간의 간격(s1)은 4㎛(즉, 렌즈 외에 평평한 부분, 즉 렌즈 사이의 공간(d)은 4-2.5=1.5㎛)이고, GaN의 <1-100> 방향을 따라 렌즈 중심간의 간격(s2)은 6.9282㎛다. 렌즈 중심간의 간격(s1)이 곧 반복 정삼각형 패턴의 한 변에 해당한다. 충진 밀도를 계산하는 방법을 예로 들면, 점선 표시된 평행사변형이 단위셀(unit cell)이며 이 안에 렌즈가 차지하는 면적율이 충진 밀도가 된다.

종래의 렌즈간 간격이 일정한 패턴 형상에서 렌즈간 간격만을 좁히는 방법으로 렌즈의 충진 밀도를 높이게 되면, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 에피층으로 메워지지 않는 부분이 나타나게 된다. 그리고 질화물 반도체는 <11-20> 방향으로는 측면 성장이 매우 빠르며, <1-100>으로는 성장이 매우 느리다.

이와 같은 현상과 이론을 가지고 본 발명에서는 렌즈의 충진 밀도를 높이면서 에피층 성장 문제점을 해결하기 위하여, 렌즈 사이의 간격을 일정하게 하지 않고 GaN의 측면 성장이 잘 되는 방향과 직교하는 방향 <1-100>(사파이어 기판 위에 InGaAlN는 수직방향으로 형성되므로 사파이어 기판의 방향은 <11-20>이다)으로는 좁은 간격의 패턴을 형성하고 다른 방향으로는 패턴을 넓게 형성하는 비대칭적인 렌즈의 배열 방법을 제시한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 패턴이다. 기판 위에 볼록 또는 오목 형상의 렌즈를 다수 형성하는 데 있어, 렌즈(112)의 평면 모양의 대칭성은 유지하면서 간격을 조절한다. 구체적으로, 그 위에 성장될 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향으로는 다른 방향에 비해 렌즈 사이의 간격을 좁게 렌즈를 배열한다. 즉, 도 5에 도시되어 있는 렌즈 패턴을 90° 회전한 후, 상하 방향의 렌 즈 간격을 좁게 배열하는 것이다. 예를 들어, 기판은 사파이어이고 에피층은 질화물 반도체, 예컨대, GaN, AlGaN, GaInN, InGaAlN 등이며, 특히 GaN인 경우 GaN의 <1-100> 방향(사파이어 기판 위에 InGaAlN는 수직방향으로 형성됨으로 사파이어 기판의 방향은 <11-20>이다)으로는 좁은 간격의 패턴을 형성하고 다른 방향으로는 패턴을 넓게 형성한 것이다.

바람직하게는 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향으로 복수 개의 열이 형성되도록 렌즈(112)를 배열한다. 그리고 복수 개의 열과 열 사이의 간격은 동일하게 이격되도록 렌즈(112)를 배열한다. 특히 기판이 사파이어이고 에피층이 GaN인 경우 도 6에 도시된 바와 같이, GaN의 <1-100> 방향(사파이어 기판의 방향은 <11-20>이다)으로 복수 개의 열이 형성되도록 렌즈(112)를 배열한다. 이때 각 열에 형성된 렌즈(112) 사이의 간격(d₁)은 열과 열 사이의 간격(d₂)에 비해 좁게 되도록 렌즈(112)를 배열한다. 그리고 각 열에 형성된 렌즈(112)는 맞닿도록, 즉 d₁이 0이 되도록 렌즈(112)를 배열할 수 있다.

실제 기판 제작에 있어서는, 도 6과 같은 패턴으로 기판(사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN 등) 위에 식각 마스크를 형성한다. 이때, 식각 마스크는 포토레지스트나 산화막, 금속막 등을 선택할 수 있다. 식각 마스크를 사용하여 건식 또는 습식 식각하고 식각 마스크를 제거한다. 기판 위에 형성되는 렌즈는 이러한 기판 자체의 물질이거나 기판 위에 SiO₂, SiON, SiN 등의 물질을 증착한 후에 이를 식각한 것일 수 있다. 렌즈는 도 6과 같은 모양, 간격으로 형성되며 양각 또 는 음각으로 형성되어 볼록 또는 오목 형상일 수 있다. 렌즈의 평면 모양은 원형이나 각종 다각형(정육각형, 정삼각형, 정방형 등)이 모두 가능하며, 단면 모양은 식각 마스크의 종류, 모양이나 식각의 선택비에 따라 사각형, 사다리꼴, 삼각형 등의 여러 모양이 가능하다.

이와 같은 방법을 이용하여 렌즈(112)가 배열되어 있는 기판의 평면 SEM 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 기판에 배열되어 있는 렌즈(112)의 GaN <1-100> 방향의 간격은 거의 0이다. 도 7에 나타낸 기판을 이용하여 GaN 에피층을 성장시키면, 렌즈(112) 사이의 기판이 노출된 부분을 통해 GaN 에피층이 수직성장한 후, GaN <11-20> 방향으로 GaN 에피층이 빠르게 측면 성장하게 되므로, GaN 에피층이 메워지지 않는 부분 없이 깨끗하게 성장된다. 도 7에 나타낸 기판을 이용하여 GaN 에피층을 성장시킨 후, GaN 에피층 표면의 SEM 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기판을 이용하게 되면 표면이 깨끗한 에피층을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 6에서 점선 표시된 평행사변형이 단위 셀이며 이 안에 렌즈가 차지하는 면적율이 충진 밀도가 되는데, 도 6의 충진 밀도는 d₁과 d₂를 조절하여, 도 5의 충진 밀도보다 크게 되도록 렌즈(112)를 배열할 수 있다. 그리고 도 5의 충진 밀도보다 크게 되도록 렌즈(112)를 배열하더라도, 에피층이 정상적으로 성장하게 된다.

한편, 실시예들에서는 기판이 사파이어인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 질화물 반도체 에피층을 성장시킬 수 있는 기판으로는 GaAs, InP, Si, SiC, 스피 넬, GaN 등과 같은 물질이 가능하며, 기판의 종류에 따라 여기에 성장되는 에피층의 측면 성장이 보다 우세한 방향이 달라질 수 있으므로 그에 따라 렌즈 사이의 공간을 좁힐 방향을 선택하여 렌즈를 배열하면 된다.

도 9는 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 기판(110) 상에 에피층(130)이 형성되어 있다. 기판(110)은 도 6과 같은 형상과 간격을 지닌 렌즈(112)가 형성되어 있다.

에피층(130)은 n형 반도체층(120), 활성층(122) 및 p형 반도체층(124)을 적어도 포함한다. 필요한 경우에 n형 반도체층(120) 아래에 렌즈(112) 위로 반도체 단결정막을 먼저 성장시킬 수도 있다. 렌즈(112)는 상술한 바와 같이, 에피층(130)의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향으로는 렌즈 사이의 공간을 좁힘으로써 충진 밀도는 증가시키면서, 에피층(130)의 성장을 원활하게 할 수 있다. 이로써, 표면 및 결정성이 우수한 에피층(130)을 성장시킬 수 있다. 이는 반도체 소자의 성능 향상이나 수율 증가로 직결된다.

n형 반도체층(120)은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAlN 등의 물질에 Si, Ge, Se, Te 등의 불순물을 도핑하여 형성하는데, MOCVD, MBE 또는 HVPE와 같은 증착공정을 통해 형성된다. 활성층(122)은 빛을 발광하기 위한 층으로, 통상 InGaN층을 우물로 하고 GaN층을 벽층으로 하여 다중양자우물을 형성함으로써 이루어진다. p형 반도체층(124)은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAlN 등의 물질에 Mg, Zn, Be 등의 불순물을 도핑하여 형성한다. n형 반도체층(120)과 p형 반도체층(124) 상에 각각 전극(140, 142)이 형성되어 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자는 에피층(130)의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향에 배열되어 있는 렌즈(112) 사이의 간격이 좁은 기판(110)을 이용함에 따라, 외부광추출효율이 향상된 고출력 LED와 같은 발광 소자로 구현될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1a는 렌즈가 형성된 기판 위에 형성된 LED의 단면도이다.

도 1b는 사파이어 기판을 식각하여 형성한 렌즈의 SEM 사진이다.

도 2는 렌즈가 형성된 기판 위에 에피층이 깨끗이 성장된 표면의 현미경 사진이다.

도 3a 및 도 3b는 렌즈 사이가 매우 좁은 기판 위에 에피층이 비이상적으로 성장된 표면의 사진들이다.

도 4는 렌즈가 나열된 기판 위에 에피층이 성장되는 초기 단계의 SEM 사진이다.

도 5는 형상과 간격이 일정한 패턴을 가진 종래 렌즈 배열도이다.

도 6은 본 발명에 따른 렌즈 배열도이다.

도 7은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 기판의 평면 SEM 사진이다.

도 8은 도 7에 도시된 기판을 이용하여 에피층을 성장시킨 후, 에피층 표면의 SEM 사진이다.

도 9는 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이다.

Claims (5)

1. 볼록 또는 오목 형상의 렌즈가 복수 개 형성되어 있는 반도체 소자 제조용 기판에 있어서,

   상기 기판 상에 형성할 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격이 다른 방향에 배열되어 있는 렌즈 사이의 간격에 비해 좁게 되도록 상기 복수 개의 렌즈가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 기판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수 개의 렌즈는 상기 에피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향으로 복수 개의 열을 이루도록 배열되고, 상기 복수 개의 열과 열 사이는 동일한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 기판.
3. 제2항에 있어서,

   상기 각 열을 이루는 렌즈는 서로 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 기판.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어 기판이고, 상기 에피층은 질화물 반도체이며, 상기 에 피층의 측면 성장이 잘되는 방향과 직교하는 방향은 상기 사파이어 기판의 <11-20> 방향인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 기판.
5. 제4항 기재의 반도체 소자 제조용 기판;

   상기 기판 상에 형성된 에피층으로서, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 적어도 포함하는 에피층; 및

   상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 상에 각각 형성된 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.

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