KR20110084170A - 복사 방출 박막 소자 제조 방법 및 복사 방출 박막 소자 - Google Patents
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Abstract
복사 방출 박막 소자(1)를 제조하기 위한 방법의 적어도 일 실시예에서, 이러한 방법은 기판(2)의 제공 단계, 상기 기판(2)상에 나노 로드(3)의 성장 단계, 상기 나노 로드(3)상에서 적어도 하나의 활성층(5)을 구비한 반도체층 시퀀스(4)의 에피택시얼 성장 단계, 상기 반도체층 시퀀스(4)상에 캐리어(6)의 제공 단계, 및 상기 나노 로드(3)을 적어도 일부 파괴시킴으로써 상기 반도체층 시퀀스(4) 및 캐리어(6)를 상기 기판(2)으로부터 분리하는 단계를 포함한다. 이러한 제조 방법에 의해, 성장으로 인하여 발생하는 반도체층 시퀀스(4)의 기계적 응력 및 균열이 감소할 수 있다.
Description
본 발명은 복사 방출 박막 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 복사 방출 박막 소자에 관한 것이기도 하다.
발광다이오드 또는 레이저다이오드와 같은 광전 소자는 가령 조명 분야에서 기술적으로 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 소자가 보급되는데 영향을 미친 일부 관점은 상기 소자의 높은 효율 및 외부 하중과 환경적 영향에 대한 내구성이다. 광전 소자는 유효 수명도 길어서, 이러한 소자를 포함한 조명의 관리 비용을 감소시킨다. 광전 소자에서 구현 가능한 유효 수명은 그 제조 공정에 의해 결정적인 영향을 받는다.
본 발명의 과제는 유효 수명이 긴 복사 방출 박막 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 과제는 유효 수명이 긴 복사 방출 박막 소자를 제공하는 것이다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 기판은 기판의 상측이 평평하다. 예컨대, 기판은 규소 또는 사파이어를 포함하여 형성된다. 바람직하게, 기판의 직경은 적어도 10 cm이며, 특히 적어도 20 cm이다. 기판은 소위 웨이퍼로서 형성될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 방법은 기판 상에 나노 로드(nano rod)를 성장시키는 단계를 포함한다. 나노 로드, 즉 영문으로 nano rod는 로드형 또는 기둥형 구조물로서 그 직경이 나노 범위이다. 직경은 특히 10 내지 500 nm의 범위를 가지며, 바람직하게 30 내지 150 nm의 범위를 가진다. 기판의 상측에 대해 수직인 방향으로 나노 로드의 높이 또는 길이는 수 100 nm 내지 수 마이크로미터이다. 나노 로드는 전체 길이 부분에 걸쳐 동일한 직경을 가질 수 있거나, 직경이 더 작거나 더 큰 영역들을 포함할 수 있다. 나노 로드는 예컨대 원형의 육각형 밑면 또는 다각형 밑면을 가질 수 있다. 기판 상에서 나노 로드의 성장은, 바람직하게 상기 성장 이후에 나노 로드가 넓은 영역에 걸쳐, 즉 기판 상측면의 적어도 75%에 걸쳐 또는 기판 상측 전체에 걸쳐 균일한 밀도 및 균일한 형상을 가지도록 수행된다. 바람직하게, 나노 로드는 기판과 직접 접촉하며, 기판의 상측 상에 직접적으로 성장된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 방법은 반도체층 시퀀스를 적층하는 단계를 포함한다. 반도체층 시퀀스는 적어도 하나의 활성층을 포함하며, 활성층은 박막 소자의 구동 시 전자기 복사를 방출하도록 형성된다. 바람직하게, 반도체층 시퀀스는 갈륨-질화물계 및/또는 갈륨-인화물계 및/또는 갈륨-비화물계이다. "계"란, 본질적인 물질 조성이 갈륨과 질소, 인화물 또는 비화물임을 의미한다. 특히, 반도체층 시퀀스는 알루미늄, 인듐과 같은 다른 물질들도 포함할 수 있다. 반도체층 시퀀스는 물질 조성 및/또는 도핑이 상이할 수 있는 복수 개의 층들을 포함할 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체층 시퀀스의 적층 단계는 에피택시얼 성장 단계를 포함한다. 반도체층 시퀀스는 예컨대 분자빔 에피택시 또는 가스상 에피택시에 의해 성장될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체층 시퀀스는 나노 로드 상에서 성장된다. 즉, 반도체층 시퀀스는 기판과 반대 방향을 향하는 나노 로드의 측면에 성장된다. 바람직하게, 반도체층 시퀀스는 나노 로드와 직접 접촉한다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 방법은 기판과 반대 방향을 향하는 반도체층 시퀀스의 주요측에 캐리어를 제공하는 단계를 포함한다. 예컨대, 캐리어는 본딩에 의해 반도체층 시퀀스에 고정될 수 있다. 캐리어는 예컨대 반도체층 시퀀스 상에서 성장되지 않고, 별도로 제조된 후에 반도체층 시퀀스 상에 제공되어 상기 반도체층 시퀀스와 기계적으로 단단히 결합된다. 캐리어는 반도체층 시퀀스를 지지하고 예컨대 휨과 같은 손상으로부터 보호하기 위해 충분히 높은 기계적 안정성을 가진다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 방법은 반도체층 시퀀스 및 그와 결합한 캐리어를 기판으로부터 분리하는 단계를 포함한다. 바꾸어 말하면, 캐리어에 고정된 반도체층 시퀀스는 캐리어와 함께 기판으로부터 분리된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 기판으로부터의 분리는 적어도 부분적으로 나노 로드가 파괴됨으로써 이루어진다. 나노 로드의 파괴에 의해, 한편으로는 반도체층 시퀀스와 캐리어간의 기계적 결합, 다른 한편으로는 반도체층 시퀀스와 기판과의 기계적 결합이 분리된다. 나노 로드의 파괴는 화학적 공정 및/또는 열 공정 및/또는 기계적 공정을 기반으로 할 수 있다.
복사 방출 박막 소자의 제조 방법을 위한 적어도 일 실시예에서, 상기 방법은:
기판을 제공하는 단계;
기판 상에 나노 로드를 성장시키는 단계;
나노 로드 상에 적어도 하나의 활성층을 구비한 반도체층 시퀀스를 에피택시얼 성장시키는 단계;
반도체층 시퀀스 상에 캐리어를 제공하는 단계; 및
적어도 부분적인 나노 로드의 파괴에 의해 기판으로부터 반도체층 시퀀스 및 캐리어를 분리하는 단계를 포함한다.
이러한 제조 방법에 의해, 성장으로 인하여 야기되는 반도체층 시퀀스에서의 기계적 응력 및 균열이 감소할 수 있다. 이를 통해 이러한 방법에 의해 제조된 소자의 유효 수명이 증가한다.
광전 소자를 제조하거나 성장시키는 방법은 에피택시얼 방법이다. 반도체층 시퀀스는 예컨대 가스상에서 기판 상에 증착되거나 기판 상에서 성장된다. 성장을 위해, 기판 및 성장될 물질의 격자 구조가 서로 맞추어 형성되고 특히 상호 간의 격자 상수차가 너무 크지 않아야 한다. 그렇지 않으면, 반도체층 시퀀스의 성장된 물질에서 기계적 응력이 발생한다. 특히, 이러한 응력은 예컨대 반도체층 시퀀스에서 균열을 유발하고, 이는 반도체층 시퀀스가 광전 소자에 사용되는 것을 방지하거나 이러한 소자의 유효 수명을 현저히 단축시킬 수 있다.
또한, 에피택시 공정에서 수 100℃ 내지 1000℃를 초과하는 비교적 높은 온도가 발생한다. 이러한 높은 온도 및 특히 이로 인한 온도차는 현저한 열 응력을 발생시킬 수 있고, 이러한 열 응력은 냉각 시 반도체층 시퀀스를 파괴시키거나, 안성성을 깨뜨릴 수 있다. 상기 온도차는 예컨대 반도체층 시퀀스의 에피택시얼 성장 이후 기판 및 반도체층 시퀀스의 냉각에 의해 일어난다. 반도체층 시퀀스 및 기판은 물질의 격자 구조 및 열 팽창 계수와 관련하여 서로 맞춰지는 것이 바람직하다.
녹색 스펙트럼 영역, 청색 스펙트럼 영역 또는 자외 스펙트럼 영역에서 방출하는 반도체칩은 특히 GaN계 및/또는 AlInGaN계이다. 이러한 반도체 물질을 위해 적합한 격자 구조와 적합한 열 팽창 계수를 가진 성장 기판은 충분한 품질과 크기 및 수량으로 제공되기에 어려움이 있다. 따라서, 한편으로는 이러한 반도체칩을 위한 비용이 증가하며, 다른 한편으로는 잠재적인 열 응력 및 균열 형성에 의해 이러한 기판 상에 성장된 반도체칩의 유효 수명이 단축될 수 있으며, 이는 기술된 바와 같다.
기판 및 반도체층 시퀀스의 격자 구조에 열 팽창 계수를 맞추는 방법은 평평한 버퍼층을 사용하는 것이다. 이러한 방법은 문헌 DE 100 56 645 A1 및 문헌 DE 10 2004 038573 A1에 개시되어 있다. 또한, Nakamura의 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 10A, 1991년 10월, L1705-L1707쪽의 기고문에도 이와 같은 장치가 개시되어 있다. 제공된 문헌은 연속적인 층들에 대하여 기술하고 있으므로, 열 응력 및 격자 맞춤 결함 문제가 줄어들었긴 하나, 이러한 문제는 여전히 현저하게 발생한다. 이를 통해 소자의 수율이 감소하고, 소자의 유효 수명이 줄어들 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법은 특히: 나노 로드가 직경 대비 큰 길이를 가진다는 인식을 기초로 한다. 특히, 기판 상에 제공된 나로 로드는 상대적으로 적은 부분의 면만을 덮는다. 이는, 나노 로드가 기계적으로 비교적 연성으로 형성되며 기둥형 구조를 가진 층을 형성한다는 것을 의미한다. 나노 로드는 특히 조밀하게 패킹되지 않으므로, 나노 로드가 휘어질 수 있어, 격자 맞춤 결함에 의한 열 응력이 더 큰 면적에 걸쳐 완화될 수 있다. 나노 로드 상에 반도체층 시퀀스가 특히 에피택시얼로 성장되기 위해, 나노 로드는 기판과 반대 방향을 향하는 측면에서 더 크거나 확대된 직경을 가짐으로써, 예컨대 연속적인 면이 얻어진다. 기판상에 나노 로드를 성장시키는 방법은 Kikuchi 등의 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 12A, 2004, L1424-L1526쪽의 기고문 및 "Making ZnO nanorods the cool way", MaterialsToday, 2005년 4월, 13쪽의 기고문 및 Lie 등의 Journal of Applied Physics, Vol. 95, No, 6, 3141-3147쪽의 기고문에 기술되어 있다. 나노 로드의 성장과 관련한 상기 기고문의 공개 내용은 참조로 포함된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드를 성장시키는 단계는 기판 상에 핵생성종(nucleation seed)을 형성하는 단계를 포함한다. 나노 로드는 핵생성종으로부터 시작하여 기판의 상측에 대해 수직인 방향으로 진행되면서 성장한다. 핵생성종의 형성은 자기-정렬(self-organized)적으로 수행될 수 있다. 즉, 기판 및 나노 로드의 물질은 서로 다른 격자 상수를 가진다. 이러한 격자 맞춤 결함에 의해 섬형의 나노 로드 물질이 기판의 상측 상에 생성되고, 이러한 물질의 섬은 핵생성종을 형성한다. 대안적 또는 부가적으로 핵생성종은 습식 화학적으로 생성될 수 있다. 다른 실시예는, 마스크를 이용한 포토리소그래피공정을 이용하거나 나노 임프린트 방법에 의해 핵생성종이 형성되는 것이다. 또한, 핵생성종은 예컨대 금을 포함한 금속층의 가열에 의해 형성될 수도 있다. 금속층의 가열에 의해 섬들이 형성된다. 핵생성종의 형성에 의해 나노 로드가 효율적으로 성장될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드의 적어도 부분적인 파괴는 습식 화학적 식각을 포함한 공정에 의해 기판으로부터 반도체층이 분리될 때 일어난다. 예컨대, 나노 로드들 간의 간극을 통해 식각성 액체가 안내된다. 이러한 식각성 액체는 나노 로드를 적어도 부분적으로 용해시킨다. 이를 통해, 기판과 반도체층 시퀀스 간의 기계적 결합이 풀려서, 반도체층 시퀀스 및 캐리어가 효율적으로, 그리고 반도체층 시퀀스의 기계적 부하 없이 서로 분리될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 기판과 반대 방향을 향하는 나노 로드의 영역들에 위치한 상부 부분들을 포함하며, 상기 상부 부분들은 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성된다. 나노 로드는 기판을 향하는 하부 부분에서 예컨대 실린더 또는 프리즘과 같은 형상을 가진다. 원뿔형 또는 각뿔형의 상부 부분들의 첨두(peak-like) 구조는 기판쪽의 방향을 가리키며, 상부 부분들과 하부 부분들간의 접합 영역을 형성한다.
나노 로드의 상부 부분들은 기판을 향하는 방향으로 가면서 뾰족해진다. 바꾸어 말하면, 나노 로드는 깔대기형으로 형성되고, 깔대기의 첨두가 기판을 향해 있다. 이와 같이 형성된 나노 로드는 반도체층 시퀀스의 효율적인 성장을 가능하게 함과 동시에, 반도체층 시퀀스의 성장 시 생성되는 열에 의해 야기되거나/야기되고 구조적으로 야기되는 응력을 차단하는 나노 로드의 효과를 증가시킨다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 활성 영역을 포함하지 않고 성장된다. 즉, 나노 로드는 전자기 복사를 방출하거나 수신하거나 변환하도록 형성된 영역을 포함하지 않는다. 이러한 의미에서 나노 로드는 상기 방법으로 제조된 복사 방출 박막 소자의 기능 부재를 형성하지 않는다. 나노 로드가 활성 영역을 포함하지 않으면, 기판 상에서 나노 로드의 성장을 위한 소모가 적다. 이를 통해, 기판 상에서 나노 로드가 대면적으로 성장될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 규칙적인 격자에 배치된다. 이는, 나노 로드의 대부분, 특히 80%를 초과한 부분이 격자의 격자점에 위치함을 의미한다. 격자는 가령 육각형, 사각형 또는 마름모꼴로 형성된다. 나노 로드가 규칙적인 격자에 배치되면, 반도체층 시퀀스를 위한 나노 로드는 고품질 성장면을 형성한다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 격자의 평균 격자 간격은 최대 1000 nm이고, 바람직하게는 최대 400 nm이다. 평균 격자 간격은, 특히, 활성층으로부터 박막 소자의 구동 시 방출될 전자기 복사의 파장보다 작다. 이를 통해 박막 소자의 광학적 특성이 목적한 바에 따라 영향을 받을 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드의 평균 직경은 구동 시 활성층으로부터 방출된 고주파 복사의 최대 1/2 파장, 바람직하게는 최대 1/4파장값이다. 나노 로드의 평균 직경이란 나노 로드의 전체 길이에 걸쳐 평균적인 직경을 의미한다. 나노 로드가 예컨대 실린더형 하부 부분 및 원뿔형 상부 부분을 포함하면, 직경과 관련하여 상부 부분 및 하부 부분에 걸쳐 평균이 산출될 수 있다. 반도체층 시퀀스의 적어도 하나의 활성층이 예컨대 청색 스펙트럼 영역에서의 복사를 방출하고, 활성층으로부터 방출된 최소 파장이 430 nm이면, 평균 직경은 215 nm보다 작고, 바람직하게는 107 nm보다 작다. 바람직하게는 제조 공차 내에서 적어도 나노 로드의 절반, 특히 나노 로드의 적어도 75%는 이러한 평균 직경을 가지고 형성된다. 이와 같은 나노 로드에 의해 박막 소자의 광학적 특성이 목적한 바에 맞게 조절될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 기판의 상측에 대해 수직인 방향으로 나노 로드의 길이는 적어도 500 nm이다. 이러한 길이의 나노 로드에 의해, 상기 나노 로드는 기판과 반도체층 시퀀스 사이에서 격자 맞춤 결함에 의해 기계적 및/또는 구조적으로 야기되는 응력을 완화할 수 있도록 충분히 높은 가요성을 가지게 된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체층 시퀀스 및 나노 로드는 서로 다른 물질을 포함하여 형성된다.
예컨대, 나노 로드는 ZnO 및/또는 GaN계이거나 이것으로 구성되고, 반도체층 시퀀스는 InGaN, InAlGaN 및/또는 AlGaN계이거나 이것으로 구성된다. 바꾸어 말하면, 나노 로드의 Al 함량 및/또는 In 함량은 반도체층 시퀀스에 비해 적어도 10배 더 적을 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드 및 기판은 서로 다른 물질을 포함하여 형성된다. 이를 통해, 박막 소자의 형성 가능성이 증가한다. 또한, 각 구체적 요건에 따라 나노 로드의 구조가 목적한 바에 맞추어 조절될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드 및 반도체층 시퀀스는 동일한 물질시스템을 기반으로 형성된다. 특히, 나노 로드뿐만 아니라 반도체층 시퀀스도 GaN, AlGaN, InGaN 또는 AlInGaN계이면, 청색 스펙트럼 영역에서 방출하는 박막 소자가 구현될 수 있다. 이러한 나노 로드에 의해, 반도체층 시퀀스가 나노 로드 상에서 성장될 때 격자 맞춤 결함에 의한 기계적 응력이 매우 낮게 발생할 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체층 시퀀스가 기판으로부터 분리될 때 나노 로드의 상부 부분은 적어도 부분적으로 반도체층 시퀀스에 잔류한다. 이를 통해, 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성된 상부 부분에 의해 광아웃커플링 구조가 반도체층 시퀀스에서 형성될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 예컨대 상기 분리 과정에서 반도체층 시퀀스에 잔류한 나노 로드의 상부 부분은 차후에 제거된다. 이는 연마(polish)에 의해 이루어질 수 있다. 이를 통해, 다른 외부 캐리어에 효율적으로 설치될 수 있는 박막 소자가 구현될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 비정질 물질 또는 다결정 물질을 포함하여 형성된다. 즉, 나노 로드는 단결정으로 구성되지 않는다. 이를 통해, 나노 로드의 성장 시 공정 매개변수 및 물질 선택과 관련하여 나노 로드의 형성 가능성이 증대된다. 또한, 나노 로드의 전도도와 같은 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드에 의해 적어도 하나의 광결정(photonic crystal)이 형성된다. 광결정이란 회절 및/또는 간섭에 의해 박막 소자로부터 방출된 복사의 광학적 특성에 영향을 미치기에 적합한 주기적 구조를 의미한다. 예컨대, 나노 로드 또는 나노 로드의 상부 부분은 반도체층 시퀀스 상에 잔류한다. 나노 로드의 격자 간격에 의해, 가령 간섭 필터가 구현될 수 있어서, 차후에 소정 파장을 가진 복사가 예컨대 특정한 파장 영역에서만 박막 소자에서 나올 수 있다. 나노 로드가 광결정으로 형성됨으로써 박막 소자의 사용 가능성이 증대된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체층 시퀀스는 최대 100 ㎛의 두께, 특히 최대 50 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛의 두께로 성장된다. 이를 통해, 매우 얇은 박막 소자가 구현될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 이와 같이 제조된 박막 소자는 최대 500 ㎛, 바람직하게는 최대 170 ㎛, 더욱 바람직하게는 최대 75 ㎛, 특히 최대 40 ㎛의 두께를 가진다. 대안적 또는 부가적으로, 박막 소자의 두께와 평균 횡방향 치수로부터 얻어지는 지수(quotient)는 5 이상, 바람직하게는 10 이상, 특히 20 이상이다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 특히, 상기 방법으로 제조되는 박막 소자의 에피택시얼 성장된 반도체층 시퀀스는 최대 20 ㎛, 바람직하게는 최대 8 ㎛의 두께를 가진다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 기판과 반대 방향을 향하는 상부 부분의 측면에서 닫힌 층을 형성한다. 이를 통해, 나노 로드 상에서 반도체층 시퀀스의 성장이 용이해진다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 기판의 상측에 대해 수직인 방향에서 나노 로드의 상부 부분의 길이는 나노 로드의 하부 부분의 길이보다 작다. 하부 부분은 상부 부분의 길이의 1/4보다 작은 길이를 가질 수 있다. 마찬가지로, 나노 로드는 원뿔형 또는 각뿔형 상부 부분만 포함할 수 있다. 이렇게 형성되는 나노 로드에 의해, 나노 로드의 성장을 위해 필요한 시간이 단축된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드의 길이는 500 nm과 1.5 ㎛사이의 범위를 가진다. 이를 통해, 나노 로드는 반도체층 시퀀스의 성장 베이스로서 사용되기에 충분한 가요성과 동시에 충분한 강도를 가진다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 기판은 반도체층 시퀀스 및 캐리어의 분리 시 손상받지 않는다. 즉, 분리 공정은 기판의 파괴없이 수행된다. 이를 통해, 기판은 반도체층 시퀀스의 성장을 위해 여러 번 사용될 수 있다. 그 결과, 상기 방법을 위한 비용이 감축된다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 ZnO계 또는 GaN계이다. 이러한 나노 로드는 효율적으로 제조될 수 있고, 성장 시 공정 매개변수에 의해 나노 로드의 형상이 폭 넓은 범위에서 목적한 바에 따라 조절될 수 있다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 기판은 규소를 포함하여 형성되고 나노 로드는 자기-정렬적으로 적층된다. 나노 로드 및 반도체층 시퀀스는 갈륨질화물계이고, 나노 로드의 길이는 500 nm 내지 1.5 ㎛의 범위를 가지고, 직경은 30 내지 150 nm사이의 범위를 가진다. 나노 로드는 활성 영역을 포함하지 않는다. 기판으로부터의 반도체층 시퀀스의 분리는 습식 화학적으로 이루어지므로, 기판이 손상받지 않는다. 이러한 방법으로 제조된 박막 소자는 유효 수명이 길다.
기판이 사파이어 또는 규소를 포함하여 형성된 경우, 상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드는 ZnO 또는 GaN을 포함하여 형성되고 자기-정렬 공정에 의해 성장된다. 마찬가지로, 나노 로드는 포토리소그라피 단계에 의해 적층될 수 있다. 반도체층 시퀀스는 그 두께가 최대 100 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛이고, 갈륨질화물계이다. 나노 로드의 상부 부분은 원뿔형 또는 각뿔형으로 성장되고, 이 때 상부 부분은 첨두 구조를 가지며, 이러한 첨두 구조는 기판쪽의 방향을 가리킨다. 또한, 반도체층 시퀀스가 기판으로부터 분리된 이후에 나노 로드의 상부 부분의 적어도 일부가 반도체층 시퀀스에 잔류한다. 이를 통해, 광아웃커플링 구조가 형성된다. 이러한 방법으로 제조된 박막 소자는 광아웃커플링 효율이 높다.
상기 방법의 적어도 일 실시예에 따르면, 나노 로드 및 반도체층 시퀀스를 성장시키는 단계, 캐리어를 제공하는 단계, 웨이퍼 결합물에서 기판을 분리하는 단계가 수행된다. 예컨대, 개별 박막 소자들로의 분리 단계는 기판으로부터 분리된 이후에 수행된다. 이러한 방법에 의해 반도체층 시퀀스 및 캐리어의 취급이 간단해진다. 그 결과, 제조 중에 반도체층 시퀀스에 대한 기계적 하중이 감소한다.
또한, 복사 방출 박막 소자가 제공된다. 예컨대, 박막 소자는 상기 언급한 방법의 실시예 중 하나 이상의 실시예를 이용하여 제조될 수 있다. 방법의 특징은 박막 소자를 위해서도 개시되며, 그 반대의 경우에도 그러하다.
복사 방출 박막 소자의 적어도 일 실시예에서 박막 소자는 캐리어를 포함한다. 또한, 박막 소자는 적어도 하나의 활성층을 구비한 반도체층 시퀀스를 포함하고, 상기 활성층은 박막 소자의 구동 시 전자기 복사를 방출하도록 형성된다. 반도체층 시퀀스는 캐리어 상에 적층된다. 또한, 박막 소자는 나노 로드에 의해 형성되는 광 아웃커플링 구조를 가지며, 이러한 구조는 캐리어와 반대 방향을 향하는 반도체층 시퀀스의 주요측에 위치한다. 캐리어는 반도체층 시퀀스를 위한 성장 기판이 아니며, 반도체층 시퀀스의 성장 이후 차후에 상기 반도체층 시퀀스 상에 제공된다. 또한, 광아웃커플링 구조를 형성하는 나노 로드는 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성되고, 이 때 나노 로드의 첨두 구조는 반도체층 시퀀스로부터 멀어지는 쪽을 향하며, 캐리어와 반대 방향을 향하는 반도체층 시퀀스의 주요측에서 나노 로드에 의해 닫힌 층이 형성된다.
박막 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 박막 소자는 발광다이오드로서 형성된다. 이를 통해, 박막 소자는 다방면으로 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 박막 소자가 사용될 수 있는 일부 응용 분야는 가령 디스플레이 또는 표시 장치의 백라이트이다. 또한, 본 명세서에 기술된 박막 소자는 가령 영사 목적의 조명 장치, 투광기 또는 라이트빔 또는 일반 조명에 사용될 수 있다.
이하, 본 명세서에 기술된 방법 및 본 명세서에 기술된 박막 소자는 도면과 관련하여 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명된다. 동일한 참조 번호는 개별 도면에서 동일한 구성요소를 가리킨다. 이 때, 치수는 정확한 것으로 볼 수 없으며, 오히려 개별 구성요소가 더 나은 표현을 위해 과장되어 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 본 명세서에 기술된 박막 소자의 제조를 위한 방법의 다양한 단계를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 명세서에 기술된 나노 로드의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 명세서에 기술된 나노 로드의 실시예를 개략적인 평면도로 도시한다.
도 1은 본 명세서에 기술된 박막 소자의 제조를 위한 방법의 다양한 단계를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 명세서에 기술된 나노 로드의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 명세서에 기술된 나노 로드의 실시예를 개략적인 평면도로 도시한다.
도 1은 박막 소자(1)의 제조 방법에 대한 실시예를 도시한다.
도 1a는 기판(2)의 기판 상측(10) 상에 성장된 나노 로드(3)를 도시한다. 기판(2)은 규소웨이퍼이다. 나노 로드(3)에 의해 기판(2)은 대면적으로 덮인다. 나노 로드(3)는 각각 하부 부분(12) 및 상부 부분(7)을 포함한다. 하부 부분(12)은 실린더형 및/또는 기둥형으로 형성된다. 상부 부분(7)은 첨두 구조(13)를 가지고, 이러한 구조는 하부 부분(12)과 상부 부분(7)의 접합부를 형성한다. 첨두 구조(13)는 기판(2)쪽 방향을 향한다. 상부 부분(7)은 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성된다. 기판(2)과 반대 방향을 향하는 상부 부분(7)의 측면에는 나노 로드(3)의 물질을 포함한 닫힌 층(9)이 형성된다. 나노 로드(3)는 자기-정렬 공정에 의해 기판(2) 상에 성장된다.
나노 로드들 간의 평균 격자 간격(G)은 약 300 nm이다. 평균 직경(D)은 약 100 nm이다. 평균 직경(D)은 기판 상측(10)에 대해 수직인 방향으로 나노 로드(3)의 총길이(L)와 관련된다. 평균 직경(D)을 위해 하부 부분(12) 및 상부 부분(7)이 고려될 수 있다. 나노 로드(3)의 길이(L)는 약 1 ㎛이다.
닫힌 층(9) 상에 반도체층 시퀀스(4)가 적층되는 것이 도 1b에 도시되어 있다. 반도체층 시퀀스(4)는 닫힌 층(9) 상에서 에피택시얼 성장된다. 반도체층 시퀀스(4)는 활성층(5)을 포함하고, 활성층은 박막 소자(1)의 구동 시 전자기 복사를 방출하도록 형성된다. 반도체층 시퀀스(4)는 나노 로드(3)와 마찬가지로 GaN계이다. 반도체층 시퀀스(4)는 기판(2)과 반대 방향을 향하는 주요측(8)을 포함한다. 반도체층 시퀀스(4)의 두께(T)는 약 12 ㎛이다.
도 1c를 참조하면, 이후의 단계에서 반도체층 시퀀스(4)의 주요측(8)에 캐리어(6)가 제공된다. 캐리어(6)는 예컨대 본딩에 의해 반도체층 시퀀스(4)에 고정된다. 또는, 캐리어(6)는 반도체층 시퀀스 상에 접착되거나, 가령 반도체층 시퀀스(4) 및 캐리어(6) 상에 제공된 미도시된 Au:Sn 합금물에 의해 납땜될 수 있다. 선택적으로, 캐리어(6)와 반도체층 시퀀스(4) 사이에는 미도시된 중간층이 제공될 수 있고, 상기 중간층은 예컨대 반사성으로 형성된다.
캐리어(6)는 기판(2)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 바람직하게, 캐리어(6)는 전기 전도성이다. 예컨대, 캐리어(6)는 규소, 게르마늄 또는 금속을 포함한다. 마찬가지로, 캐리어(6)는 Al2O3과 같은 세라믹을 포함할 수 있고, 이 때 세라믹상에 전기 전도성 구조체가 제공될 수 있다.
도 1d에는, 반도체층 시퀀스(4) 및 캐리어(6)가 습식 화학적 공정에 의해 기판(2)으로부터 분리되는 것이 도시되어 있다. 액상 식각제(11)는 기판(2)과 반도체층 시퀀스(4) 사이에서 나노 로드(3)의 영역에 사용된다. 식각제(11)는 나노 로드(3)에 포함된 물질을 부분적으로 제거한다. 이를 통해, 특히 나노 로드(3)의 하부 부분(12)이 용해되거나 파괴된다. 이러한 하부 부분(12)의 파괴에 의해, 캐리어(6)와 결합한 반도체층 시퀀스(4)가 기판(2)으로부터 떨어진다. 이러한 점은 도 1e에서 확인할 수 있다. 분리 시, 레이저 리프트 오프, 영문으로 Laser Lift Off는 필요하지 않다.
도 1f를 참조하면, 선택적으로, 반도체층 시퀀스(4)에 잔류한 나노 로드(3)의 상부 부분(7)이 예컨대 연마에 의해 제거될 수 있다. 이를 통해, 예컨대 발광다이오드의 형태를 가진 박막 소자(1)는 반도체층 시퀀스(4)에서 캐리어(6)와 반대방향을 향하는 평평한 광투과면(15)을 포함하여 얻어진다.
박막 소자(1)의 바람직한 실시 형태에 대한 실시예가 도 1e에 도시되어 있다. 나노 로드(3)의 상부 부분(7)에 의해 광아웃커플링 구조(14)가 형성된다. 도 1a를 참조하면, 광아웃커플링 구조(14)의 주기성은 나로 로드(3)의 격자 간격(G)에 상응한다. 격자 간격(G)은 박막 소자(1)의 구동 시 활성층(5)으로부터 생성된 복사의 파장보다 작다. 닫힌층(9)은 캐리어(6)와 반대 방향을 향해있는 반도체층 시퀀스(4)의 측에 잔류한다.
광아웃커플링 구조(14)는 반도체층 시퀀스(4) 및 캐리어(6)가 기판(2)으로부터 분리될 때 생성된다. 광아웃커플링을 개선하기 위한 목적으로 거칠기를 제조하는 다른 방법은 기계적 공정을 이용하는 것이다. 물론, 이 경우엔 불규칙적인 구조만이 얻어질 수 있고, 이러한 구조의 정확한 치수는 제어하기가 매우 어렵다. 특히, 이러한 거칠기의 플랭크각은 매우 큰 분산도를 가질 수 있어, 광아웃커플링 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 반도체층 시퀀스(4)의 결정 표면의 결함 또는 결정 결함에 의한 거칠기를 활용하여 습식 화학적 식각으로 생성되는 거칠기는 조건적으로만 반복 구현 가능하게 제조될 수 있다. 또한, 반도체층 시퀀스(4)의 습식 화학적 거칠기를 이용하면, 높은 광아웃커플링을 위하여 충분한 거칠기를 얻기 위해, 현저한 양의 물질, 즉 거칠기의 깊이보다 더 많은 물질이 제거된다. 이를 통해, 반도체층 시퀀스(4)의 층 두께가 더 두껍게 제조될 수 있어, 균열 형성을 강화시키고, 소자의 유효 수명 또는 수율을 감소시키는 결과를 가져올 수 있다. 이와 달리, 본 명세서에 기술된 방법에서는 실질적으로 나노 로드(3)의 하부 부분(12)으로 형성되는 적은 양의 물질만이 습식 화학적으로 제거되어야 한다. 나노 로드(3)의 상부 부분(7)은 그 구조와 관련하여 식각제(11)에 의해 가능한한 영향을 받지 않는다.
또한, 광아웃커플링을 향상시키기 위한 거칠기를 포토리소그라피 공정에 의해 얻을 수도 있다. 물론, 이 경우에는 전체면이 사용되지 않으며, 이는 포토 레지스트에 의해 덮인 영역들은 거칠게 될 수 없기 때문이다. 즉, 이러한 공정에서는 반도체층 시퀀스(4)의 주요측(9)에 대해 평행하게 정렬된 영역들이 광투과면(15)에 잔류한다. 이러한 영역들에서는 광아웃커플링 효율이 감소한다. 본 명세서에 기술된 방법을 이용하면, 이러한 문제를 피할 수 있고, 캐리어(6)와 반대 방향을 향하는 반도체층 시퀀스(4)의 전체면은 광아웃커플링 구조(14)를 구비할 수 있다.
도 2에는 나노 로드(3)의 다른 형성 가능성이 도시되어 있다. 나노 로드(3)의 하부 부분(12)은 더 이상 존재하지 않는다. 상부 부분(7)은 첨두 구조(13)를 포함하여 기판(2) 상에 안착하고, 단독적으로 나노 로드(3)를 형성한다. 나노 로드(3)는 ZnO 또는 GaN을 포함하여 형성된다.
도 3에는 나노 로드(3)의 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도면으로 도시되어 하부 부분(12)의 영역에 나노 로드의 단면이 도시되어 있어, 상부 부분(7)이 하부 부분(12)을 덮지 않는다. 도시된 평면도는 예컨대 도 1에 따른 실시예에서 구현될 수 있다.
도 3a에 따르면, 나노 로드(3)는 육각형 윤곽을 가진다. 나노 로드(3)는 육각형 격자로 배치되며, 상기 격자는 파선으로 표시되고, 약 300 nm의 평균 격자 간격(G)을 가진다.
도 3b 및 도 3c에 따르면, 나노 로드(3)는 정사각형 격자 구조를 포함하며, 이러한 구조는 파선으로 표시되어 있다. 도 3c에 따르면, 나노 로드(3)의 하부 부분(12)은 기판 상측(10)의 매우 적은 부분만을 덮는다. 이에 따라, 도 3c의 평균 격자 간격(G)은 도 3b의 경우보다 크다.
도 3d에 따른 실시예에서, 도 3c에 도시된 바와 같은 나노 로드(3)는 동심원형 윤곽을 가진다. 나노 로드(3)는 마름모꼴 격자로 배치된다.
선택적으로, 반도체층 시퀀스(4)가 기판(2)으로부터 분리될 때 하부 부분(12)의 일부가 반도체층 시퀀스(4) 또는 상부 부분(7)에 잔류할 수 있다. 평균 격자 간격(G)은 박막 소자(1)의 구동 시 적어도 하나의 활성층(5)으로부터 생성된 복사의 최단 파장보다 작은 것이 바람직하다. 이를 통해, 상부 부분(7) 및/또는 반도체층 시퀀스(4)에 잔류한 하부 부분(12)에 의해 광결정이 형성될 수 있고, 광결정은 예컨대 간섭 또는 회절에 의해 특정한 파장의 복사를 특정한 방향으로만 투과시킨다.
나노 로드(3)는 기판 상측(10) 상에서 자기-정렬 공정, 리소그래피 방법 또는 나노-임프린트-방법에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게, 나노 로드(3)가 정렬된 상태로 제공된다.
본 명세서에 기술된 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각 새로운 특징 및 특징들의 각 새로운 조합을 포함하며, 이러한 점은 특히, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위 또는 실시예에 제공되지 않더라도 특허 청구 범위에서의 특징들의 각 조합을 포함한다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2008 056175.4을 기초로 우선권을 주장하며, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.
1: 복사 방출 박막 소자 2: 기판
3: 나노 로드 4: 반도체층 시퀀스
5: 활성층 6: 캐리어
3: 나노 로드 4: 반도체층 시퀀스
5: 활성층 6: 캐리어
Claims (15)
- 복사 방출 박막 소자(1)를 제조하는 방법에 있어서,
기판(2)을 제공하는 단계;
상기 기판(2) 상에 나노 로드(3)를 성장시키는 단계;
상기 나노 로드(3) 상에 적어도 하나의 활성층(5)을 구비한 반도체층 시퀀스(4)를 에피택시얼 성장시키는 단계;
상기 반도체층 시퀀스(4) 상에 캐리어(6)를 적층하는 단계; 및
상기 나노 로드(3)를 적어도 부분적으로 파괴하여, 상기 반도체층 시퀀스(4) 및 캐리어(5)를 상기 기판(2)으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항에 있어서,
적어도 부분적으로 나노 로드(3)를 파괴하는 것은 습식 화학적 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 기판(2)과 반대 방향을 향하는 상기 나노 로드(3)의 상부 부분(7)은 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)는 활성층을 포함하지 않고 성장되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)는 규칙적인 격자로 배치되고, 상기 격자의 평균 격자 간격(G)은 최대 1000 nm인 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)의 평균 직경(D)은, 그 최대값이 상기 적어도 하나의 활성층(5)으로부터 방출된 고주파 복사의 파장의 절반인 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(2)의 기판 상측(10)에 대하여 수직인 방향을 향하는 상기 나노 로드(3)의 길이(L)는 적어도 500 nm인 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3) 및 반도체층 시퀀스(4)는 서로 다른 물질을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(2)으로부터 분리될 때 상기 나노 로드(3)의 상부 부분(7)은 적어도 부분적으로 상기 반도체층 시퀀스(4)에 잔류하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)는 비정질 물질 또는 다결정 물질을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)를 이용하여 광결정이 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 로드(3)는 상기 기판(2)과 반대 방향을 향하는 상부 부분(7)의 측면에서 닫힌 층(9)을 형성하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(2)은 규소를 포함하여 형성되고, 상기 나노 로드(3)는 자기-정렬되어(self-organized) 제공되며, 상기 나노 로드(3) 및 반도체층 시퀀스(4)는 GaN계이고, 상기 나노 로드(3)의 길이(L)는 500 nm 내지 1.5 ㎛의 범위를 가지고, 직경은 30 내지 150 nm의 범위를 가지며, 상기 나노 로드(3)는 활성 영역을 포함하지 않고, 상기 기판(2)으로부터의 분리는 습식 화학적으로 이루어지며, 상기 분리에 의해 상기 기판(2)이 손상되지 않는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(2)은 사파이어 또는 규소를 포함하여 형성되고, 상기 나노 로드(3)는 ZnO 또는 GaN을 포함하여 형성되고, 상기 나노 로드(3)는 자기-정렬되어 제공되거나 포토리소그래피 단계에 의해 제공되고, 상기 반도체층 시퀀스(4)는 최대 100 ㎛의 두께(T)를 가지며 GaN계이고, 상기 나노 로드(3)의 상부 부분(7)은 원뿔형 또는 각뿔형으로 성장되고, 상기 상부 부분(7)의 첨두 구조(13)는 상기 기판(2) 쪽 방향을 가리키고, 상기 나노 로드(3)는 상기 기판(2)으로부터의 분리 이후에 부분적으로 상기 반도체층 시퀀스(4)에 잔류하며 광아웃커플링 구조(14)를 형성하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1) 제조 방법. - 캐리어(6);
상기 캐리어(6) 상에 설치되며, 전자기 복사를 방출하도록 형성된 적어도 하나의 활성층(5)을 구비하는 반도체층 시퀀스(4); 및
나노 로드(3)에 의해 형성되며, 상기 캐리어(6)와 반대 방향을 향하는 상기 반도체층 시퀀스(4)의 측면에 위치하는 광 아웃커플링 구조(14)를 포함하며,
상기 나노 로드(3)는 원뿔형 또는 각뿔형으로 형성되고, 상기 나노 로드(3)에 의해 상기 반도체층 시퀀스(4)의 주요측(8)에는 닫힌 층(9)이 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 박막 소자(1).
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