KR20120027035A - 광전 반도체 칩 및 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

광전 반도체 칩 및 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20120027035A
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니콜라우스 그마인비저
베르톨트 한
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

광전 반도체 칩(1)의 적어도 한 실시 예에서 상기 광전 반도체 칩은 반도체 층 시퀀스(2)를 포함한다. 상기 반도체 층 시퀀스(2)는 일차 방사선(P)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 활성층(3)을 포함한다. 또한, 상기 반도체 층 시퀀스(2)는 다수의 변환층(4)을 포함하며, 이 경우 상기 변환층들(4)은 일차 방사선(P)을 적어도 부분적으로 흡수하고, 상기 일차 방사선(P)을 그보다 파장이 긴 이차 방사선(S)으로 변환하도록 설치되어 있다. 그 외에도, 상기 반도체 층 시퀀스(2)는 적어도 곳곳에서 상기 변환층들(4)에까지 진행되는 러프닝 영역(5)을 포함한다.

Description

광전 반도체 칩 및 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법 {OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP AND METHOD FOR PRODUCING AN OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP}
본 발명은 광전 반도체 칩에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
간행물 US 2007/0221867 A1호에는 파장 변환칩이 기술되어 있다.
본 발명의 과제는 방출될 방사선의 색 위치(color location)를 효율적으로 조절할 수 있는 광전 반도체 칩을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 과제는 상기와 같은 유형의 반도체 칩을 위한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 상기 광전 반도체 칩은 적어도 하나의 반도체 층 시퀀스를 포함한다. 상기 반도체 층 시퀀스는 예를 들면 에피택셜 방식으로 성장되어 있다. 예를 들면, 상기 반도체 층 시퀀스는 GaN, InGaN, InGaA1N, GaP, InGaA1P, InGaAs 또는 GaAs를 기본으로 한다. 바람직하게는 상기 반도체 층 시퀀스가 박막 층 시퀀스로 형성되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 상기 반도체 층 시퀀스의 두께는 12㎛와 같거나 작고, 특히 8㎛와 같거나 작다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 적어도 하나의 활성층을 포함한다. 상기 활성층은 전자기 일차 방사선을 발생시키기 위해 설치되어 있다. 바람직하게 상기 활성층은 적어도 하나의 양자 웰 구조물을 포함하고, 바람직하게는 다수의 양자 웰 구조물을 포함한다. 예를 들면, 상기 활성층은 다중 양자 웰 구조물(MQW)이다. 일차 방사선은 바람직하게 자외선 및/또는 청색 스펙트럼 영역에 있는 파장을 갖고 혹은 청색-녹색 또는 녹색 스펙트럼 영역에 있는 파장도 갖는다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 적어도 하나의 변환층, 바람직하게는 다수의 변환층을 포함한다. 이때, 상기 변환층들은 특히 하나의 반도체 재료로 이루어진다. 예컨대 적어도 하나의 양자 웰 구조물에 의해 형성된 변환층들은 일차 방사선을 완전히 또는 부분적으로 흡수하고, 흡수된 상기 일차 방사선을 이 일차 방사선보다 파장이 긴 이차 방사선으로 변환하기 위해 설치되어 있다. 바람직하게 적어도 하나의 활성층의 상기 변환층들은 방사 방향에서 볼 때 상기 활성층 다음에 배치되어 있다. 그러므로 변환층들은 전기적으로 비활성화되어 있는데, 다시 말하자면 상기 변환층들은 전기적으로 펌핑되는 것이 아니라 광학적으로 펌핑된다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 러프닝 영역(roughened region)을 갖는다. 상기 러프닝 영역은 예컨대 다수의 트렌치(trench)로 형성되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 상기 러프닝 영역은 반도체 층 시퀀스의 두께 변조일 수 있다. 러프닝 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 그리고/또는 애칭에 의해 형성될 수 있다. 러프닝 영역은 규칙적으로 구조화될 수 있고 혹은 램덤 방식으로도 구조화될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역은 적어도 곳곳에서 변환층으로까지 또는 변환층들 중 적어도 하나의 변환층으로까지 확장된다. 다른 말로 표현하자면, 러프닝 영역은 반도체 층 시퀀스의 섹션별 두께 감소에 의해 형성되어 있다. 러프닝 영역에 의해서는 변환층들 중 적어도 하나의 변환층에서 재료 제거가 이루어진다. 즉, 예컨대 활성층으로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스의 상부면 안으로 다수의 트렌치 또는 그루브(groove)가 형성되어 있으며, 이 경우 상기 트렌치들 또는 그루브들은 변환층들의 재료가 부분적으로 제거될 정도로 반도체 층 시퀀스 안으로까지 진행된다. 트렌치들 또는 그루브들은 예컨대 횡단면으로 볼 때 반도체 층 시퀀스로부터의 V자형 재료 제거이다. 러프닝 영역은 반도체 층 시퀀스보다 돌출되는 융기부들로도 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 융기부들은 바람직하게 변환층들의 적어도 일부분을 포함한다. 러프닝 영역은 특히 활성층 상으로까지 또는 활성층 안으로까지는 진행되지 않는다. 다른 말로 표현하자면, 상기 적어도 하나의 활성층은 러프닝 영역과는 무관하다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 상기 광전 반도체 칩은 반도체 층 시퀀스를 포함한다. 상기 반도체 층 시퀀스는 일차 방사선을 발생시키기 위한 적어도 하나의 활성층을 포함한다. 또한, 상기 반도체 층 시퀀스는 하나 또는 다수의 변환층을 포함하며, 이 경우 상기 변환층들은 일차 방사선을 적어도 부분적으로 흡수하고, 상기 일차 방사선을 이 일차 방사선보다 파장이 긴 이차 방사선으로 변환하기 위해 설치되어 있다. 또한, 상기 반도체 층 시퀀스는 러프닝 영역을 가지며, 상기 러프닝 영역에 의해서는 변환층의 재료 또는 변환층들 중 적어도 하나의 변환층의 재료가 부분적으로 제거된다.
상기 러프닝 영역은 특히 의도한 대로의 변환층들의 재료 제거를 의미한다. 변환층들의 재료 제거를 조절함으로써, 즉 예를 들면 러프닝 영역의 평균 깊이를 규정함으로써, 예컨대 변환층들에 의해서 흡수되고 이차 방사선으로 변환됨 없이 반도체 층 시퀀스를 벗어나는 일차 방사선 량의 크기가 함께 규정될 수 있다. 다시 말하자면, 특히 러프닝 영역의 평균 깊이에 의해서는 반도체 칩에 의해 방출되는 혼합 방사선의 색 위치가 효율적으로 조절될 수 있다. 그와 더불어, 러프닝 영역에 의해서는 이 러프닝 영역에 의해 관련되지 않은 변환층들의 부분을 변경함으로써, 반도체 칩에 의해 방출되는 전체 방사선에서 이차 방사선 량을 조절할 수도 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역은 적어도 하나의 활성층 방향으로 곳곳에서 완전히 변환층들을 관통한다. 다른 말로 표현하자면, 상기 러프닝 영역은 적어도 하나의 리세스를 가지며, 상기 리세스는 트렌치의 가장 깊은 위치와 활성층 사이에서 변환층 또는 변환층의 부분이 더 이상 존재하지 않을 정도로 상기 적어도 하나의 활성층 방향으로 변환층들을 관통한다. 즉, 광전 반도체 칩의 평면도에서 볼 때, 변환층들은 곳곳에서 완전히 제거되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 적어도 2개의 그룹으로 상이하게 형성된 변환층들을 포함한다. 상기 변환층들의 한 그룹 내에서는 변환층들이 바람직하게 제조 오차의 범위에서 각각 동일하게 형성되어 있으며, 그 결과 상기 그룹들의 변환층들은 예컨대 각각 동일한 파장의 이차 방사선을 방사한다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 그룹들은 이차 방사선을 발생시키기 위해 적어도 2개의 서로 상이한 스펙트럼 영역에서 형성되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 상기 그룹들 중 하나의 그룹에 의해서는 제 1 파장을 갖는 이차 방사선이 방사되고, 상기 그룹들 중 제 2 그룹에 의해서는 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 이차 방사선이 방사된다. 예를 들면 변환층들의 그룹들 중 한 그룹은 녹색 스펙트럼 영역에서 방사되고, 또 다른 그룹은 황색 스펙트럼 영역에서 방사된다. 또한, 반도체 층 시퀀스가 다수의 그룹, 예컨대 정확히 3개의 그룹을 갖는 것도 가능한데, 이 경우 변환층들의 녹색 스펙트럼 영역에 있는 그룹은 일차 방사선으로부터 550㎚ 만큼의 전자기 이차 방사선을 발생시키고, 바람직하게 변환층들의 황색 스펙트럼 영역에 있는 그룹은 일차 방사선으로부터 570㎚ 만큼의 전자기 이차 방사선을 발생시키며, 그리고 특히 변환층들의 적색 스펙트럼 영역에 있는 그룹은 일차 방사선으로부터 610㎚ 만큼의 전자기 이차 방사선을 발생시킨다. 광전 반도체 칩은 변환층들의 적어도 2개의 그룹을 사용하여 설계될 수 있으며, 상기 광전 반도체 칩의 방사선은 적어도 85의 높은 컬러 재생값, 예컨대 연색 지수(CRI: Color Rendering Index)를 갖는다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 칩은 작동 중에 일차 방사선뿐만 아니라 이차 방사선으로도 형성된 혼합 방사선을 방사한다. 이 경우 일차 방사선은 바람직하게 적어도 부분적으로 청색광으로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 상기 광전 반도체 칩은 백색광을 방사시키기 위해 설치되어 있다. 반도체 칩에 의해 방사되는 백색광의 색 온도는 바람직하게 2500K 내지 6000K, 특히 2750K 내지 4000K이다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 1 내지 150개의 변환층, 바람직하게는 10 내지 50개의 변환층, 특히 20 내지 35개의 변환층을 포함한다. 변환층들은 예컨대 다중 양자 웰로서 형성되어 있다. 예를 들면, 상기 변환층들은 GaN/InGaN-재료계를 기본으로 한다. 다수의 변환층들이 존재하는 경우, 상기 변환층들의 두께는 바람직하게 2㎚ 내지 8㎚이다. 각각의 변환층은 예컨대 해당 변환층에 도달하는 일차 방사선의 3% 내지 10%를 흡수한다. 반도체 칩이 정확히 하나의 변환층을 갖는 경우에는, 상기 변환층의 두께가 바람직하게 적어도 10㎚, 특히 적어도 14㎚에 이른다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역은 완전히 또는 부분적으로 예컨대 각뿔(pyramid) 형태 및/또는 각뿔대(truncated pyramid) 형태의 융기부들로 형성되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 활성층으로부터 떨어져서 마주하는 반도체 칩의 상부면은 계란곽(egg carton) 모양의 구조화를 가지며, 이 경우 돌출되는 반도체 층 시퀀스의 부분들은 각뿔 모양으로 또는 각뿔대 모양으로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역의 각뿔 또는 각뿔대는 육각형으로 형성되어 있다. 다시 말하자면, 러프닝 영역은 바람직하게 육각형 각뿔 또는 육각형 각뿔대로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역은 최상부 영역들(top area)과 골 영역들(valley area)을 갖는다. 이 경우 상기 최상부 영역들은 활성층으로부터 가장 멀리 떨어져서 마주하는 러프닝의 영역이고, 상기 골 영역들은 적어도 하나의 활성층에 가장 인접해 있다. 상기 적어도 하나의 활성층에 대해 수직 방향에서 볼 때, 최상부 영역들과 골 영역들은 서로 직접적으로 접할 수 있다. 예를 들면 러프닝 영역의 최상부 영역들은, 반도체 층 시퀀스 안으로의 삽입 깊이가 러프닝 영역의 평균 깊이의 30% 이하 또는 60% 이하에 상응하는 영역으로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 최상부 영역들에서는 골 영역들과는 다른 색 위치를 갖는 방사선이 방사된다. 바람직하게는 상기 최상부 영역들에서 방사되는 방사선이 상기 골 영역들에서 방사되는 방사선보다 적은 청색 비율을 갖는다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역의 전체 최상부 영역들과 전체 골 영역들에서는 각각 대체로 대등한 색 위치를 갖는 방사선이 방사된다. 예를 들면, 최상부 영역들에서는 황색-백색광이 방사되고, 골 영역들에서는 청색광이 방사된다. 따라서, 적어도 하나의 활성층에 대한 최상부 영역들과 골 영역들의 간격과 관련하여 상기 최상부 영역들과 골 영역들의 분배는 방사되는 개별 광 스펙트럼과 연관될 수 있다. 이러한 경우 골 영역들과 최상부 영역들은 예컨대 광 현미경으로 또는 근접장 현미경으로 구분될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역의 평균 깊이는 0.2㎛ 내지 3.5㎛, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 1.5㎛이다. 예를 들면, 평균 깊이는 러프닝 영역의 가장 높은 지점으로부터 또는 반도체 층 시퀀스의 원래의 상부면으로부터 측정된다.
또한, 본 발명에서는 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법이 기술된다. 예를 들면 전술한 하나 또는 다수의 실시 예들과 관련하여 기술되는 반도체 칩이 상기 방법에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 광전 반도체 칩의 특징들은 본 발명에 기술되는 방법과 관련하여서도 공개되며, 이는 반대로도 적용된다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법의 적어도 한 실시 예에서 상기 제조 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
－ 성장 기판을 제공하는 단계,
－ 상기 성장 기판 위에 반도체 층 시퀀스를 에픽택셜 성장시키는 단계, 이 경우 상기 반도체 층 시퀀스는 일차 방사선을 발생시키기 위한 적어도 하나의 활성층 및, 일차 방사선을 적어도 일시적으로 흡수하고, 상기 일차 방사선을 이 일차 방사선보다 파장이 긴 이차 방사선으로 변환시키는 하나 또는 바람직하게는 다수의 변환층을 포함하고,
－ 특히, 상기 변환층들에 마주하는 반도체 층 시퀀스의 한 측면 상에 러프닝 영역을 형성시키는 단계, 이 경우 상기 러프닝 영역은 적어도 곳곳에서 변환층 또는 변환층들 중 하나의 변환층으로까지 진행되며, 그 결과 상기 러프닝 영역에 의해 적어도 하나의 변환층의 재료가 부분적으로 제거되며, 그리고
－ 반도체 칩을 완성하는 단계, 이 경우 상기 러프닝 영역의 형성에 의해서 상기 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선의 색 위치가 변경된다.
다른 말로 표현하자면, 변환층들을 갖는 반도체 층 시퀀스가 완전히 성장된다. 후속해서는 러프닝 영역에 의해 색 위치가 조절된다. 러프닝 영역의 깊이가 깊게 형성될수록, 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선의 색 위치는 예컨대 청색으로 이동된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 반도체 칩은 러프닝 영역의 형성 과정 동안 적어도 일시적으로 방사선을 방사한다. 또한, 마찬가지로 러프닝 영역의 형성 과정 동안에는 적어도 일시적으로 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선의 색 위치가 측정된다. 그러므로 러프닝 영역의 형성 과정 동안에는 예컨대 변환층들이 바람직하게는 자외선 또는 청색 스펙트럼 영역에 있는 규정된 파장을 갖는 광원에 의해 방사선을 조사하게 된다. 그리고 나서 변환층들에 의해 방사된 비교적 파장이 긴 광이 예를 들면 분광계에 의해 검출되고, 그리고 방사선의 색 위치가 결정된다.
이 때문에, 측정 동안 설치되어 있는 러프닝 영역의 기본이 되는 완성된 반도체 칩에 의해 각각 최근 방사된 방사선의 색 위치가 규정될 수 있다. 특히 러프닝 영역의 형성은 조절되어야 할 색 위치가 달성되면 종료될 수 있다. 이로 인해 러프닝 영역은 반도체 칩에 의해 방사될 방사선의 원하는 특정 색 위치로 효율적으로 그리고 목표한 바대로 조절될 수 있다. 즉, 방사선의 색 위치는 활성 층과 변환층들의 제조 오차와는 전반적으로 무관하게 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역이 형성되는 동안에는 CIE 표준 색표에서 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선의 색 위치의 CX-값 및 CY-값의 총합이 적어도 0.005 단위만큼, 바람직하게는 적어도 0.05 단위만큼, 특히 적어도 0.07 단위만큼 변동된다. 다른 말로 표현하자면, CIE 표준 색표에서 방사선 색 위치의 적색 좌표 및 녹색 좌표가 전술한 값만큼 감소된다. 즉, 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선은 러프닝 형성 과정 동안 보다 더 푸른빛을 띠거나 혹은, 색 온도와 관련하여서는 온도가 더 낮아진다. CIE 표준 색표에서 적색 및 녹색 색 좌표의 총합이 상기와 같은 유형으로 크게 변경됨으로써, 활성층과 관련한 그리고 변환층들과 관련한 제조 오차가 상대적으로 큰 경우에도 방사될 방사선의 원하는 색 위치가 조절될 수 있도록 보장된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 전체 반도체 층 시퀀스는 성장 기판과 관련하여 성장된다. 이러한 경우 반도체 층 시퀀스는 전체적으로 성장된 단일 층 시퀀스로 형성되어 있으며, 상기 단일 층 시퀀스는 예컨대 단일 에피택시 장치 내에 형성되어 있고, 적어도 하나의 활성층뿐만 아니라 변환층들도 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 영역을 형성하기 전에 에피택셜 성장 기판이 반도체 층 시퀀스로부터 제거된다. 예를 들면 반도체 층 시퀀스는 이러한 러프닝 형성 과정 전에 반도체 층 시퀀스를 기계적으로 지지하는 캐리어 기판 위에 새로 본딩된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 형성 과정 전에 반도체 칩이 전기적으로 콘택팅된다. 다른 말로 표현하자면, 반도체 층 시퀀스의 적어도 하나의 활성층이 이미 러프닝 형성 전에 그리고/또는 러프닝 형성 동안에 전기적으로 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시 예에 따르면, 러프닝 형성 동안 반도체 칩이 적어도 일시적으로 전기적으로 작동된다. 이 경우 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선이 측정될 수 있고, 그리고 러프닝 깊이가 바로 방사될 방사선의 원하는 색 위치와 관련하여 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 활성층과 변환층들은 서로 무관하게 별도의 반도체 층 시퀀스들에서 에피택셜 성장되어 있다. 이러한 경우 적어도 하나의 활성층과 변환층을들 갖는 두 반도체 층 시퀀스는 예를 들면 웨이퍼 본딩에 의해 또는 연결 수단에 의해 서로 기계적으로 견고하게 연결되어 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 활성층과 변환층들은 단일 반도체 층 시퀀스 내에 모놀리식으로 집적된다. 이 경우 모놀리식이라는 표현은 전체 반도체 층 시퀀스가 에피택셜 방식으로 성장하고 반도체 층 시퀀스가 연결 수단을 갖지 않거나, 혹은 반도체 층 시퀀스가 연결 수단을 사용하지 않는 본딩에 의해 2개 이상의 부분 층 시퀀스로 형성됨을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 반도체 칩의 적어도 한 실시 예에 따르면, 전체 반도체 층 시퀀스는 예컨대 GaN과 같은 반도체 재료를 기본으로 한다. 이로 인해 변환층들의 열손실 개선이 달성될 수 있다. 또한, 이러한 경우에는 반도체 층 시퀀스에서 비교적 큰 광학 굴절율 급등이 발생하지 않으며, 그 결과 특히 활성층과 변환층 사이에서 효율적인 광학 결합이 달성될 수 있다. 그 외에도, 활성층과 변환층 내 온도 진행이 동일하거나 거의 동일하다. 또한, 광학 원거리 장에서는 소위 색 번짐(color fringing)이 억제될 수 있는데, 즉 반도체 칩에 의해 방사되는 방사선이 색 위치와 관련하여 각도 의존성(angular dependence)을 전혀 갖지 않거나 기본적으로 각도 의존성을 갖지 않는다.
하기에서는 실시 예들과 관련한 도면들을 참고로 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩 그리고 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩의 제조 방법이 더 상세히 설명된다. 이 경우 개별 도면들에 도시된 동일한 구성 요소들에는 동일한 도면 부호가 주어졌다. 그러나 도면들은 정확한 척도로 도시된 것은 아니며, 오히려 개관을 쉽게하기 위하여 개별 구성 요소들은 과도하게 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩의 실시 예를 개략적으로 도시한 단면도(도 1)와 평면도(도 2)이고,
도 3은 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩의 추가의 실시 예를 개략적으로 도시한 단면도이며,
도 4는 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5 내지 도 11은 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩의 추가의 실시 예들을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 1에는 반도체 칩(1)의 제 1 실시 예가 도시되어 있다. 캐리어(9) 위에는 미러(8)가 설치되어 있다. 상기 미러(8)는 금속 미러 혹은 유전체 금속 조합 미러일 수도 있다. 캐리어(9)로부터 떨어져서 마주하는 미러(8)의 한 측면 상에는 반도체 층 시퀀스(2)가 위치한다. 예컨대 에피택셜 성장 반도체 층 시퀀스(2)는 적어도 하나의 활성층(3)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 활성층은 바람직하게 청색 스펙트럼 영역 또는 자외선 스펙트럼 영역 내에 놓인 파장을 갖는 일차 방사선(P)을 형성하기 위해 설치되어 있다.
또한, 상기 캐리어로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스(2)의 한 측면 상에는 반도체 층 시퀀스(2) 내에 놓이는 다수의 변환층(4)이 위치한다. 상기 변환층들(4)은 일차 방사선(P)의 적어도 일부를 흡수하고, 이 일차 방사선(P)을 이차 방사선(S)으로 변환하며, 이 경우 이차 방사선(S)은 일차 방사선(P)에 비해 상대적으로 큰 파장을 갖는다. 캐리어(9)로부터 떨어져서 마주하는 변환층들(4)의 한 측면 상에는 예를 들면 활성층(3)의 전류 분배 및/또는 전류 공급에 사용될 수 있는 반도체 층 시퀀스(2)의 추가의 재료가 위치한다. 도면을 간소화하기 위해서 도 1에는 반도체 칩(1)의 전기 접촉부들이 도시되어 있지 않다.
캐리어(9)로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스(2)의 한 측면으로부터는 러프닝 영역(5)이 형성되어 있다. 상기 러프닝 영역(5)은 예를 들어 다수의 트렌치에 의해 형성되는데, 상기 트렌치들은 국부적으로 반도체 층 시퀀스(2)의 두께를 감소시킨다. 러프닝 영역(5)의 가장 깊은 지점으로부터 측정한 결과에 따르면, 러프닝 영역(5)의 평균 깊이(T)는 예컨대 0.2㎛ 내지 3.5㎛이다. 러프닝 영역의 트렌치들은 곳곳에서 변환층들(4)을 완전히 관통함으로써, 결과적으로 캐리어(9)에 가장 가까운 러프닝(5)의 영역들과 활성층(3) 사이에는 더 이상 변환층들(4)이 존재하지 않는다.
일차 방사선(P)과 이차 방사선(S)은 혼합 방사선(R)으로 혼합된다. 상기 혼합 방사선(R)은 예를 들어 백색광으로 형성되어 있다. 특히 이차 방사선(S)으로 변환되는 일차 방사선(P)의 비율은 러프닝 영역의 평균 깊이(T)에 의해 조절될 수 있다. 더불어 러프닝 영역의 평균 깊이(T)에 의해서는 상기 혼합 방사선(R)의 색 위치가 조절될 수 있다.
도 2에는 반도체 칩(1)의 평면도가 도시되어 있다. 반도체 칩(1)은 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 설계되어 있다. 러프닝 영역은 6각형 각뿔로 형성되어 있다. 상기 평면도에는 러프닝 영역의 밝은 영역들과 어두운 영역들이 인식될 수 있다. 마찬가지로 도 3과 비교하면, 상기 밝은 영역들은 러프닝의 최상부 영역들(6)로 형성되고, 어두운 부분들은 러프닝의 골 영역들(7)로 형성된다. 이 경우 상기 최상부 영역들(6)은 적어도 하나의 활성층(3)으로부터 상기 골 영역들(7)보다 더 멀리 떨어진 러프닝의 영역이다. 다른 말로 표현하자면, 최상부 영역들(6)은 상기 최상부 영역들(6)에 할당된 변환층들(4)로부터, 캐리어(9)로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스(2)의 한 측면에까지 진행된다. 도 3에 따르면, 골 영역들(7)은 변환층들(4)을 포함하지 않는다.
또한, 최상부 영역들(6) 및 골 영역들(7)은 특히 방사된 개별 방사선의 색 위치와 관련하여 구분된다. 즉, 이 경우에는 최상부 영역들(6)과 골 영역들(7)이 그들의 스펙트럼 방사 특성 곡선에 의해 서로 구분될 수 있다.
도 4에는 본 발명에서 기술되는 광전 반도체 칩(1)의 제조 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 반도체 층 시퀀스(2)는 성장 기판(25) 위에서 에피택셜 방식으로 성장된다. 변환층들(4)의 제 1 그룹(42) 및 제 2 그룹(41)은 성장 기판(25)으로부터 멀어지는 방향으로 에피택셜 성장된다. 후속해서는 적어도 하나의 활성층(3)이 에피택셜 방식으로 제조된다. 그룹들(41, 42)은 상기 활성층(3) 내에서 생성되는 일차 방사선을 각각 적어도 부분적으로 흡수한다. 이 경우 상기 제 2 그룹(41)은 예를 들면 일차 방사선(P)로부터 발생되는 녹색광을 방사하고, 상기 제 1 그룹(42)은 일차 방사선(P)로부터 발생되는 황색광을 각각 방출한다.
도 4B에 따르면, 반도체 층 시퀀스(2)는 캐리어(9) 위에 다시 본딩되며, 이 경우 반도체 층 시퀀스(2)와 캐리어(9) 사이에는 예컨대 금속 미러(8)가 위치한다.
도 4C에 따르면, 러프닝 영역(5)은 예를 들면 에칭에 의해 제조된다. 상기 러프닝 영역(5)을 제조하는 동안에는 적어도 일시적으로 변환층들(4)이 조명 방사선(I)에 의해 조사된다. 상기 방사선(I)에 의해서는 이차 방사선(S)을 형성하기 위해 변환층들이 여기된다. 이차 방사선(S)은 이러한 경우 검출기(10)에 의해서, 예를 들면 분광계에 의해서 검출된다. 이차 방사선(S)의 스펙트럼으로부터는 완성된 반도체 칩(1)에 의해 방사된 방사선의 색 위치가 규정될 수 있다. 따라서, 러프닝 영역(5)은 의도한 바대로 상기 완성된 반도체 칩(1)이 특정 색 위치를 갖는 방사선을 방출하도록 조절될 수 있다. 즉, 러프닝 영역을 형성하는 동안에는 반도체 칩(1)에 의해 방사된 이차 방사선(S)의 색 위치가 변경된다.
러프닝 영역(5)의 형성은 예컨대 습식 화학 처리로, 특히 마스크의 도움 없이 이루어지며, 이 경우 바람직하게는 각뿔 모양의 구조들이 형성된다. 이에 대안적으로, 러프닝 영역(5)은 홈들을 광 기술적으로 삽입함으로써 형성될 수 있다. 이러한 과정은 예컨대 래커 코팅 또는 ? 예컨대 SiO2로 이루어진 ? 하드 마스크와 함께 건식 화학 에칭에 의해 이루어진다 ? 도면들에는 도시되어 있지 않음 ?. 러프닝 영역(5)의 개별 구조 요소들은 예를 들면 육각형 그리드로 배치될 수 있고, 특히 1㎛ 내지 10㎛ 사이의 평균 지름 그리고 예를 들면 1㎛ 내지 10㎛ 사이의 그리드 간격을 가질 수 있다.
이러한 경우 반도체 칩(1)에 의해 방사되는 혼합 방사선(R)의 색 위치 조절은 변환층들(4)의 상이한 에칭 깊이와 더불어 상이한 재료 제거에 의해 달성될 수 있다. 또한, 건식 화학 처리 단계 다음에는 습식 화학 처리 단계가 이어질 수 있으며, 상기 습식 화학 처리 단계 동안에는 특히 건식 화학 애칭에 의해 형성된 구조 요소들의 가로 방향 확대가 가능하다. 반도체 칩(1)에 의해 방사될 혼합 방사선(R)의 색 위치 조절은 예컨대 상이한 애칭 단계들 사이에 반도체 칩(1)을 전기적으로 작동시킴으로써 가능하다.
다른 모든 실시 예들의 경우에도, 마찬가지로 반도체 칩(1)으로부터의 혼합 방사선(R) 방출을 뚜렷하게 개선시킬 목적으로 변환층들 중 적어도 하나의 변환층(4)에까지 진행되는 러프닝 영역(5)을 사용하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 러프닝 영역(5)의 측벽들은 비교적 가파를 수도 있으며, 반도체 층 시퀀스(2)의 성장 방향을 기준으로 예컨대 0°내지 20°의 각도들을 가질 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 이러한 경우 러프닝 영역(5)의 가로 방향 경계면들은 성장 방향에 평행하거나 거의 평행하게 방향 설정되어 있다. 이는 특히 러프닝 영역(5)이 건식 화학 처리로 형성된 경우일 수 있다.
도 5에 따른 반도체 칩(1)의 경우에는, 러프닝 영역(5)으로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스(2)의 하부면 상에 전기 접촉부들(11, 12)이 위치한다. 상기 전기 접촉부들(11, 12)은 예를 들면 도 4a 및 도 4b에 따라 성장 기판(25)을 제거하기 전에 제조된다. 이로 인해 반도체 칩(1)은 이미 러프닝 영역(5)이 형성되기 전에 전기적으로 작동 가능하다. 러프닝 영역(5)을 형성하는 동안에는 반도체 칩(1)이 적어도 일시적으로 작동되고, 반도체 칩(1)에 의해 방사된 방사선은 예컨대 도 4c에 따른 검출기를 통해 검출된다. 예를 들면 도 1에 따른 러프닝 영역과는 대조적으로, 도 4c 및 도 5에 따른 러프닝 영역(5)은 변환층들(4)을 완전히 관통하지 않는다. 러프닝 영역의 형성 동안 이루어지는 반도체 칩(1)의 전기 작동에 의해서는 발생되는 혼합 방사선(R)의 색 위치가 의도한 대로 조절될 수 있다.
선택적으로, 예컨대 전기 콘택부들(11)과 반도체 층 시퀀스(2) 사이에는 도 5에 도시되지 않은 캐리어(9)가 설치될 수 있다.
도 6에 따른 실시 예의 경우에는 반도체 칩(1)이 서로 상이한 2개의 반도체 층 시퀀스(2a, 2b)를 포함하며, 상기 반도체 층 시퀀스들은 바람직하게 서로 무관하게 에피택셜 방식으로 형성되어 있다. 이 경우 상기 반도체 층(2a)은 적어도 하나의 활성층(3)을 포함하고, 상기 반도체 층(2b)은 변환층들(4)을 포함한다. 두 반도체층(2a, 2b)은 예컨대 연결 평면(13)에서 웨이퍼 본딩에 의해 서로 연결되어 있다. 이 경우 상기 연결은 바람직하게 연결 수단 없이 이루어진다.
도 7에 따른 반도체 칩(1)의 실시 예의 경우에도 마찬가지로, 상기 반도체 칩은 서로 상이한 2개의 반도체 층 시퀀스(2a, 2b)를 포함한다. 상기 반도체 층 시퀀스들(2a, 2b)은 연결 수단(14)에 의해 영구히 그리고 기계적으로 견고하게 서로 연결되어 있다. 상기 연결 수단(14)에 의해서는 예컨대 굴절율 매칭이 이루어지며, 그 결과 적어도 하나의 활성층(3) 내에서 발생되는 일차 방사선(P)이 변환층들(4)에 효율적으로 도달할 수 있다. 예컨대, 연결 수단(14)은 실리콘 또는 실리콘-에폭시-하이브리드 재료이다.
도 8에 따른 실시 예의 경우에, 반도체 칩(1)은 정확히 하나의 변환층(4)만을 포함한다. 상기 변환층(4)의 두께는 예컨대 10㎚ 또는 14㎚를 초과한다. 또한, 변환층(4)은 곳곳에서 러프닝 영역(5)을 완전히 관통하고 있다. 반도체 층 시퀀스(2)는 기계적으로 외부의 지원없이 그리고 추가의 캐리어 없이 존재할 수 있다. 선택적으로 러프닝 영역으로부터 떨어져서 마주하는 반도체 층 시퀀스(2)의 하부면 상에는 미러(8)가 설치되어 있는데, 상기 미러는 다수의 층으로 구성될 수 있고 마찬가지로 반도체 칩(1)의 전기 콘택팅에도 사용될 수 있다. 반도체 칩(1)은, 미러(8)가 예컨대 적어도 20㎛의 두께를 갖는 금속층으로 형성되어 있는 경우, 마찬가지로 상기 미러(8)에 의해서 기계적으로 안정화될 수 있다.
도 9에 따른 반도체 칩(1)은 변환층들(4)의 2개의 그룹(41, 42)을 포함한다. 상기 그룹들(41, 42)은 반도체 층 시퀀스(2)의 성장 방향에서 볼 때, 공간적으로 서로 이격되어 배치되어 있다. 이 경우 러프닝 영역(5)은 다수의 활성층(3)에 더 가까이 놓인 그룹(42)에까지는 진행되지 않는다. 예컨대, 상기 그룹(41)을 통해서는 일차 방사선으로부터 적색광이 형성될 수 있고, 상기 그룹(42)을 통해서는 일차 방사선으로부터 황색광이 형성될 수 있다.
그룹들(41, 42)과 활성층(3) 사이에는 바람직하게 미러(8a)가 위치하며, 상기 미러는 일차 방사선에 대해 투과성으로 작용하고 이차 방사선에 대해서는 반사성으로 작용한다. 예컨대, 미러(8a)는 브래그 미러이다. 선택적으로 반도체 층 시퀀스(2)와 캐리어(9) 사이에는 추가의 미러(8b)가 존재한다.
도 10에 따른 반도체 칩(1)의 실시 예의 경우에는, 예를 들어 상응하게 구조화된 마스크와 함께 건식 화학 애칭에 의해(선택적으로는 습식 화학 애칭이 후속해서), 상이한 깊이를 갖는 러프닝 영역들(5a, 5b)이 형성되어 있다. 러프닝 영역(5a)은 활성층(3)으로부터 더 멀리 떨어진 추가의 변환층(41)까지만 진행된다. 또한, 러프닝 영역(5b)은 변환층(41)을 완전히 통과하여 상기 활성층(3)에 비교적 더 가까운 변환층(42)에까지 진행된다. 러프닝 영역들(5a, 5b)은 도 10에 도시된 바와는 달리 교대 방식으로뿐만 아니라 블록 형태로 또는 섹션별로도 배치될 수 있다.
도 11에 따르면, 러프닝 영역(5b) 내에서 변환층(41)이 완전히 제거되어 있다. 도시된 바와는 달리, 러프닝 영역(5a)이 변환층(42)에까지 진행되는 것도 가능하다. 상이한 러프닝들(5a, 5b)을 갖는 영역들은 반도체 칩(1)의 작동 중에 특히 상이한 색들의 광을 방사한다.
특히, 도 10 및 도 11에 따른 반도체 칩(1)의 실시 예들의 경우에는, 바람직하게 상이한 러프닝 영역들(5a, 5b)을 갖고 바람직하게 각각 상기 러프닝 영역들(5a, 5b)의 다수의 구조 요소들에 걸쳐 연장되는 상이한 방사 영역들에서 상이한 색들을 갖는 광이 방사될 수 있는데, 예컨대 콜드 화이트(cold white), 웜 화이트(warm white), 적색, 녹색 및/또는 청색 광이 방사될 수 있다. 마찬가지로 상이한 색으로 방사되는 방사 영역들이 개별적으로 그리고 서로 무관하게 전기적으로 구동 제어될 수 있으며, 그 결과 단일, 특히 서로 결합되는 방식으로 에피택셜 성장된 반도체 바디에 의해 예컨대 색 온도가 조절될 수 있는 소위 RGB-발광 다이오드 및/또는 발광 다이오드가 구현될 수 있다.
상이한 색 위치를 갖는 광이 방사되는 방사 영역들의 평균 가로 방향 길이는 예컨대 5㎛ 내지 1㎚, 특히 10㎛ 내지 200㎛이다. 반도체 칩(1)은, 제조 오차 범위에서 동일한 색 위치를 갖는 광을 방사하고 전기적으로 공동으로 구동 제어될 수 있는 그룹들을 통합시킬 수 있는 각각 다수의 방사 영역을 가질 수 있다.
본 발명은 실시 예들을 참조한 상세한 설명에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 그리고 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 상기 특징 또는 상기와 같은 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시 예들에 명시적으로 기재되어 있지 않더라도 각각의 특징 조합은 특허청구범위에 포함된 것으로 간주된다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원서 10 2009 023 351.2호의 우선권을 주장하며, 상기 문서의 공개 내용은 인용의 형태로 본 특허 출원서에 포함된다.

Claims (14)

  1. 반도체 층 시퀀스(2)를 갖는 광전 반도체 칩(1)으로서,
    상기 반도체 층 시퀀스(2)가
    일차 방사선(P)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 활성층(3),
    상기 일차 방사선(P)을 적어도 부분적으로 흡수하고 상기 일차 방사선(P)을 그보다 파장이 긴 이차 방사선(S)으로 변환하는 하나 또는 다수의 변환층(4), 및
    적어도 곳곳에서 변환층(4)에까지 또는 변환층들 중 하나의 변환층(4)에까지 진행되는 러프닝 영역(5)을 포함하는,
    광전 반도체 칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 러프닝 영역(5)이 상기 적어도 하나의 활성층(3) 방향으로 상기 변환층들(4)을 곳곳에서 완전히 관통하는,
    광전 반도체 칩.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광전 반도체 칩이 적어도 2개의 그룹(41, 42)으로 상이하게 형성된 변환층들(4)을 포함하며, 상기 그룹들(41, 42)은 적어도 2개의 서로 상이한 스펙트럼 영역에서 이차 방사선(S)을 발생시키기에 적합한,
    광전 반도체 칩.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 칩(1)에 의해 방사되는 혼합 방사선(R)이 상기 일차 방사선(P)과 상기 이차 방사선(S)으로 형성되는,
    광전 반도체 칩.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 반도체 칩(1)이 백색광을 방사하기 위해 설치되는,
    광전 반도체 칩
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 층 시퀀스(2)가 10 내지 50개의 변환층들(4)을 포함하는,
    광전 반도체 칩.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 러프닝 영역(5)이 완전히 또는 부분적으로 6각형 각뿔들(hexagonal pyramid) 및/또는 6각형 각뿔대들(hexagonal truncated pyramid)로 형성되는,
    광전 반도체 칩.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성층(3)으로부터 떨어져서 마주하는 러프닝 영역의 최상부 영역들(6) 상에서는 상기 적어도 하나의 활성층(3)과 마주하는 러프닝 영역(5)의 골 영역들(7)과는 다른 색 위치를 갖는 방사선(P, S)이 방사되는,
    광전 반도체 칩.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 러프닝 영역(5)의 평균 깊이(T)가 0.2㎛ 내지 3.5㎛인,
    광전 반도체 칩.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성층(3) 및 상기 변환층들(4)이 모놀리식으로 집적되는,
    광전 반도체 칩.
  11. 광전 반도체 칩(1)을 제조하기 위한 방법으로서,
    성장 기판(25)을 제공하는 단계,
    상기 성장 기판(25) 위에 반도체 층 시퀀스(2)를 에피택셜 성장시키는 단계 － 이 경우 상기 반도체 층 시퀀스(2)는 일차 방사선(P)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 활성층(3) 및, 상기 일차 방사선(P)을 적어도 부분적으로 흡수하고 상기 일차 방사선(P)을 그보다 파장이 긴 이차 방사선(S)으로 변환시키는 변환층(4) 또는 다수의 변환층들(4)을 포함함 －,
    적어도 곳곳에서 변환층 또는 변환층들 중 하나의 변환층(4)에까지 진행되는 러프닝 영역(5)을 형성하는 단계 － 이 경우 상기 러프닝 영역(5)에 의해 적어도 하나의 변환층(4)의 재료가 곳곳에서 제거됨 －, 그리고
    반도체 칩(1)을 완성하는 단계 － 이 경우 상기 러프닝 영역(5)의 형성에 의해 상기 반도체 칩(1)에 의해 방사되는 방사선(P, R, S)의 색 위치가 변경됨 －를 포함하는,
    광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    러프닝 영역(5)이 형성되는 동안 상기 반도체 칩(1)이 적어도 일시적으로 방사선(R, S)을 방사하고, 그리고 적어도 일시적으로 상기 반도체 칩(1)에 의해 방사되는 방사선(R, S)이 측정되는,
    광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 러프닝 영역(5)이 형성되는 동안에는 CIE-표준 색표에서 상기 반도체 칩(1)에 의해 방사되는 방사선(R)의 색 위치 CX-값과 CY-값의 총합이 적어도 0.05 단위만큼 감소되는,
    광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 러프닝 영역(5)이 형성되기 전에 상기 성장 기판(25)이 상기 반도체 층 시퀀스(2)로부터 제거되고, 상기 러프닝 영역(5)이 형성되기 전에 상기 반도체 칩(1)이 전기적으로 콘택팅되며, 그리고 상기 러프닝 영역(5)이 형성되는 동안 상기 반도체 칩(1)이 일시적으로 전기적으로 작동되는,
    광전 반도체 칩을 제조하기 위한 방법.


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