KR20110093007A - 사파이어의 표면 패턴 형성 방법, 이를 이용한 질화물 반체 발광소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

사파이어의 표면 패턴 형성 방법, 이를 이용한 질화물 반체 발광소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 사파이어의 표면 패턴 형성 방법은, 사파이어 기판을 준비하는 단계; 및 상기 사파이어 기판의 표면을 식각 마스크 없이 노출시킨 상태에서 Cl2 및 HCl2 중 적어도 한 종의 기체를 상기 사파이어 기판의 표면에 공급하여 상기 사파이어 기판 표면을 식각함으로써 상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

사파이어의 표면 패턴 형성 방법, 이를 이용한 질화물 반체 발광소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 발광소자{Method of forming surface pattern of saphire, method of nitride semiconductor light emitting device, and nitride semiconductor light emitting device}
본 발명은 사파이어의 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 방법과 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사파이어 기판을 이용한 소자 제조 공정에 있어서 인시츄(in-situ)로 사파이어 기판 표면에 표면 패턴을 형성할 수 있는 방법과 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법 및 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
갈륨질화물계 LED(light emitting diode) 등의 질화물 반도체 발광소자가 개발된 후, 조명, 카메라용 플래쉬, 디스플레이용 백라이트 광원등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광소자가 차세대의 주요 광원으로 주목받고 있다. 특히, InGaN/GaN의 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well)을 이용한 LED 소자는, 넓은 범위의 파장을 낼 수 있는 자기 발광 소자로서 촉망받고 있다.
질화물 반도체 발광소자의 적용분야가 확대됨에 따라, 휘도와 발광효율을 증대시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 질화물 반도체 발광소자의 발광효율은 내부 양자효율과 광 추출효율에 의해 결정되는데, 광추출 효율은 사용되는 재료의 굴절율과 표면 혹은 계면 평활도 등에 의해 영향을 받는다. 질화물 반도체 발광소자의 효율 향상을 위해 많은 연구가 진행되고 있는데, 효율 향상에 있어서 가장 큰 문제점들 중 하나는 다중 양자 우물에서 형성된 빛이 GaN과 같은 질화물 반도체와 공기층의 굴절율 차이로 인해 전반사되어 질화물 반도체 소자에 흡수되는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 사파이어 기판의 표면에 여러 형태의 패턴을 만들어 광추출을 원활하게 해줄 수 있다. 그러나 사파이어에 표면 패턴을 형성하는 것은 많은 공정이 추가되어 전체 소자 제조 공정시간이 길어지고 원가 상승을 초래한다.
도 1의 (a) 내지 (d)는 종래의 사파이어 표면 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11)을 준비하고, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11) 상에 마스크 패턴(12)을 형성한다. 그 후, 이 마스크 패턴(12)을 식각 마스크로 하여 사파이어 기판(11)을 선택적으로 식각함으로써, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11)의 표면에 거칠기를 제공하는 표면 패턴(13)을 형성한다. 그리고 나서, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11) 표면 상에 남아있는 마스크 패턴(12)을 제거한다. 이러한 종래의 사파이어 표면 패턴 형성방법에 따르면, 일종의 리소그래피 공정을 수행하므로 별도의 마스크 패턴 형성 공정이 필요하고 이를 이용하여 건식 식각 등을 실시하여야 하기 때문에 공정 시간과 비용이 증가한다.
본 발명의 실시형태는 별도의 마스크 패턴 없이 소자 제조 공정 중 인시츄(in-situ)로 수행할 수 있어 공정 시간과 공정 비용을 크게 절감할 수 있는 사파이어의 표면 패턴 형성 방법을 제공한다.또한, 본 발명의 실시형태는 상기 사파이어 표면 패턴 형성 방법을 이용하여 광추출 효율이 증가된 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시형태는 광추출 효율이 증가된 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 사파이어의 표면 패턴 형성 방법은, 사파이어 기판을 준비하는 단계; 및 상기 사파이어 기판의 표면을 식각 마스크 없이 노출시킨 상태에서 Cl2 및 HCl2 중 적어도 한 종의 기체를 상기 사파이어 기판의 표면에 공급하여 상기 사파이어 기판 표면을 식각함으로써 상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 사파이어 기판 표면의 식각은, 600 내지 1200℃의 온도에서 20분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 6각형의 평면 형상을 가질 수 있다. 또한 상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 계단(step)형의 오목한 단면 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 사파이어 기판을 준비하는 단계; 상기 사파이어 기판의 표면에 식각 마스크 없이 노출시킨 상태에서 Cl2 및 HCl2 중 적어도 한 종의 기체를 상기 사파이어 기판의 표면에 공급하여 상기 사파이어 기판 표면을 식각함으로써 상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 사파이어 기판 표면 상에 제1 도전형의 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 제2 도전형의 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계는 상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 형성 단계와 같은 반응로에서 인시츄(in-situ)로 진행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 6각형의 평면 형상을 갖고 계단형의 오목한 단면 구조를 갖는 패턴이 상면에 형성된 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판의 상면 상에 형성된 제1 도전형의 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형의 질화물 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 표면 패턴을 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 별도의 식각 마스크 패턴을 형성할 필요 없이 인시츄로 사파이어 표면 패턴을 짧은 시간에 저비용으로 형성할 수 있어, 전체 소자 공정 시간과 공정 비용을 줄일 수 있다. 또한, 이러한 사파이어 기판 표면을 갖는 질화물 반도체 발광소자는 증가된 광추출 효율을 갖는다. 뿐만 아니라, 사파이어의 표면 패턴 영역에서의 성장 속도가 다른 영역보다 높음으로 인해 후속의 질화물 반도체 성장시 표면 패턴 영역에서 인접한 다른 영역으로의 측방향 성장이 이루어지고, 이로 인해 질화물 반도체층의 결정성이 향상될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 사파이어의 표면 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시형태에 따른 사파이어의 표면 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시예에 따라 형성된 사파이어의 표면 패턴을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 도 4의 SEM 사진을 확대한 것으로 계단 형태의 사파이어 표면 패턴을 보여주는 SEM 사진이다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
이하, 도면 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 사파이어 표면 패턴 형성 방법을 설명한다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시형태에 따른 사파이어의 표면 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다. 먼저 도 2를 참조하면, 사파이어 기판(101)을 마련한 후, 사파이어 기판(101)을 공정 챔버(도시 않함)에 넣고 HCl2 또는 Cl2 기체를 공정 챔버 안으로 흘려주어 사파이어 기판(101)의 표면에 HCl2 또는 Cl2 기체를 공급한다. 이 때, 사파이어 기판(101)의 표면에는 별도의 식각 마스크 패턴이 없이 HCl2 또는 Cl2 기체에 노출되어 있다.
사파이어 기판(101)에 공급되는 HCl2 또는 Cl2 기체는 사파이어와 반응하여 사파이어 기판(101)의 표면을 식각하게 된다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(101)의 표면에는 거칠기를 제공하는 표면 패턴(101a)이 형성된다. HCl2 또는 Cl2 기체에 의한 사파이어 기판(101) 표면의 식각은, 600 내지 1200℃의 온도에서 20분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어 사파이어 기판(101)의 식각 공정은 Cl2 기체를 사용하여 약 1000℃에서 20분간 진행할 수 있다.
상술한 사파이어 기판(101)의 식각 공정은 후속의 소자 제조 공정, 예를 들어 GaN계 반도체층의 성장 공정과 동일한 챔버에서 인시츄로 수행될 수 있다. 특히 HCl 등의 기체를 사용하는 수소 화학 기상 증착법(HVPE)으로 질화물 반도체층을 성장시키는 챔버에서, HPVE법에 의한 질화물 반도체층의 성장 전에 상술한 사파이어 식각 공정을 인시츄로 용이하게 진행할 수 있다.
도 4는 사파이어 기판(101)에 Cl2를 공급하여 Cl2에 의한 식각에 의해 얻어진 사파이어 기판 표면의 패턴을 나타내는 SEM 사진이다. 도 5는 도 4보다 더 큰 배율로 확대한 SEM 사진으로서 사파이어 표면 패턴이 갖는 계단 형태의 단면 구조를 보여준다. 도 4 및 5에 나타난 바와 같이, Cl2 기체에 의한 식각을 통해 얻어진 사파이어 기판의 표면 패턴은 다양한 크기의 6각형 형상을 가질 수 있으며, 특히 도 5에 도시된 바와 같이 계단(step)형의 단면 구조를 갖는다. 구체적으로는, 6각형의 표면 패턴(101a)은 안쪽으로 갈수록 깊어지는 계단형의 오목한 단면 구조를 가질 수 있다.
표면 거칠기를 제공하는 6각형의 표면 패턴이 계단형으로 오목한 형태를 이룸으로써, 표면 패턴(101a)에서의 광 산란 혹은 난반사가 잘 일어난다. 따라서, 이러한 표면 패턴(101a)을 갖는 사파이어 기판(101)을 사용하여 제조된 질화물 반도체 발광 소자는 높은 광추출 효율을 가질 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 발광소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다. 도 6을 참조하면, 먼저 사파이어 기판(101)을 마련한 후, 이미 설명한 바와 같이 HCl 또는 Cl2 기체를 사용하여 사파이어 기판(101)의 표면을 별도의 식각 마스크 없이 식각한다. 이로써, 사파이어 기판(101)의 표면에는 거칠기를 제공하는 패턴(101a)이 형성된다. 이 패턴(101a)이 전술한 바와 같이 6각형의 평면 형상과 계단 형태의 오목한 단면 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 표면 거칠기를 제공하는 패턴이 형성된 사파이어 기판(101)의 표면 상에 격자 불일치를 완화하기 위한 질화갈륨계 버퍼층(102)을 형성한다. 그 후, 버퍼층(102) 상에 n형 질화물 반도체층(103), 활성층(104) 및 p형 질화물 반도체층(105)를 순차적으로 형성하여 도 7에 도시된 바와 같은 질화물 반도체 발광소자를 얻는다. 추가적으로 메사 식각을 수행하고 n형 및 p형 질화물 반도체층 상에 n측 및 p측 전극을 각각 형성할 수 있다. 버퍼층(102)과 n형 질화물 반도체층(103), 활성층(104) 및 p형 질화물 반도체층(105) 형성 공정은 사파이어 기판(101)의 표면 식각 공정(도 6 참조)와 동일한 공정 챔버에서 인시츄로 진행될 수 있다. 이 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어 기판(101) 표면에 거칠기를 제공하는 패턴이 형성되어 증가된 광추출 효율을 갖는다.
상술한 제조 공정에 따르면, 별도의 식각 마스크 패턴을 사용하지 않기 때문에, 사파이어 기판(101)의 표면 패턴 형성이 용이하고 공정 비용이 절감된다. 또한, 표면 패턴(101a)이 없는 영역보다 표면 패턴(101a)이 있는 영역에서 버퍼층이 더 높은 속도로 성장되기 때문에, 먼저 성장된 표면 패턴(101a) 영역의 질화물 반도체 물질로부터 측방향으로 성장이 이루어져서 표면 패턴들 사이의 영역이 질화물 반도체 물질로 메꾸어지게 된다. 따라서, 질화물 반도체 물질의 측방향 성장(lateral growth)으로 인해 질화물 반도체층의 결정성이 더 좋아지게 된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
101: 사파이어 기판 101a: 표면 패턴
102: 버퍼층 103: n형 질화물 반도체층
104: 활성층 105: p형 질화물 반도체층

Claims (12)

  1. 사파이어 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판의 표면을 식각 마스크 없이 노출시킨 상태에서 Cl2 및 HCl2 중 적어도 한 종의 기체를 상기 사파이어 기판의 표면에 공급하여 상기 사파이어 기판 표면을 식각함으로써 상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 사파이어의 표면 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면의 식각은, 600 내지 1200℃의 온도에서 20분 내지 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 사파이어의 표면 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 6각형의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 사파이어의 표면 패턴 형성 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 계단형의 오목한 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 사파이어의 표면 패턴 형성 방법.
  5. 사파이어 기판을 준비하는 단계;
    상기 사파이어 기판의 표면에 식각 마스크 없이 노출시킨 상태에서 Cl2 및 HCl2 중 적어도 한 종의 기체를 상기 사파이어 기판의 표면에 공급하여 상기 사파이어 기판 표면을 식각함으로써 상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패턴이 형성된 사파이어 기판 표면 상에 제1 도전형의 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는, 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 거칠기를 제공하는 패턴을 형성하는 단계는 상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 형성 단계와 같은 반응로에서 인시츄로 진행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면의 식각은, 600 내지 1200℃의 온도에서 20분 내지 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 6각형의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  9. 제5항 또는 제8항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 계단형의 오목한 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  10. 6각형의 평면 형상을 갖고 계단형의 오목한 단면 구조를 갖는 패턴이 상면에 형성된 사파이어 기판;
    상기 사파이어 기판의 상면 상에 형성된 제1 도전형의 질화물 반도체층;
    상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형의 질화물 반도체층을 포함하는, 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 6각형의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 표면에 형성되는 패턴은 계단형의 오목한 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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