KR20130073546A - 반도체 소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

반도체 소자 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기판; 상기 기판의 일측 표면 상에 구비된 알루미늄층; 상기 알루미늄층 상에 구비된 알루미늄 산화층; 및 상기 알루미늄 산화층 상에 구비된 반도체층;을 포함하는 반도체 소자가 제공된다.

Description

반도체 소자 및 이를 제조하는 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 기본적으로 P형 반도체와 N형 반도체의 접합인 PN 접합 다이오드이다.
상기 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 뒤, 상기 P형 반도체와 N형 반도체에 전압을 인가하여 전류를 흘려주면, 상기 P형 반도체의 정공은 상기 N형 반도체 쪽으로 이동하고, 이와는 반대로 상기 N형 반도체의 전자는 상기 P형 반도체 쪽으로 이동하여 상기 전자 및 정공은 상기 PN 접합부로 이동하게 된다.
상기 PN 접합부로 이동된 전자는 전도대(conduction band)에서 가전대(valence band)로 떨어지면서 정공과 결합하게 된다. 이때, 상기 전도대와 가전대의 높이 차이 즉, 에너지 차이에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 상기 에너지가 광의 형태로 방출된다.
이러한 발광 다이오드는 광을 발하는 반도체 소자로서 친환경, 저 전압, 긴 수명 및 저 가격 등의 특징이 있으며, 종래에는 표시용 램프나 숫자와 같은 단순 정보표시에 많이 응용되어 왔으나, 최근에는 산업기술의 발전, 특히 정보표시 기술과 반도체 기술의 발전으로 디스플레이 분야, 자동차 헤드램프, 프로젝터 등 다방면에 걸쳐서 사용되기에 이르렀다.
상기 발광 다이오드는 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층(이하, '질화물 반도체층'이라 함)을 포함하여 이루어지는데, 상기 질화물 반도체층은 사파이어 기판 등과 같은 특정한 기판 상에서 에피 성장하여 형성될 수 있다.
이는 상기 질화물 반도체층이 비교적 고온에서 성장되며, 또한, 에피 성장됨으로써 상기 특정한 기판의 격자 상수가 상기 질화물 반도체와 동일하거나 유사해야 하는 제약이 있기 때문이다. 또한 상기 발광 다이오드는 발광 소자로 광을 발생하여 외부로 추출하는데, 이러한 광을 흡수하는 물질로 이루어진 기판은 발광 다이오드의 기판으로는 부적절하기 때문이다.
본 발명의 목적은 실리콘 기판을 포함하는 다양한 종류의 기판 상에 구비된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘 기판을 포함하는 다양한 종류의 기판 상에 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판의 일측 표면 상에 구비된 알루미늄층; 상기 알루미늄층 상에 구비된 알루미늄 산화층; 및 상기 알루미늄 산화층 상에 구비된 반도체층;을 포함하는 반도체 소자가 제공된다.
상기 기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 도전성 기판일 수 있다.
상기 기판은 그 일측 표면에는 요철 패턴을 구비할 수 있다.
상기 알루미늄층과 알루미늄 산화층은 상기 기판의 일측 표면을 노출시키는 개구부를 복수 개 구비할 수 있다.
상기 반도체층은 상기 개구부를 통해 노출된 상기 기판과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 알루미늄 산화층은 아일랜드 형태의 초기 알루미늄 산화층 및 상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장된 성장 알루미늄 산화층을 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 복수의 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층일 수 있다.
상기 반도체층은 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 일측 표면 상에 알루미늄층을 형성하는 단계; 상기 알루미늄층의 일부 두께를 산화시켜 초기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계; 상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시켜 알루미늄 산화층을 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄 산화층으로부터 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함하는 반도체 소자 제조 방법이 제공된다.
상기 기판을 준비하는 단계는 상기 기판의 일측 표면에 요철 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 초기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계는 상기 알루미늄층이 형성된 기판을 어닐링(annealing) 공정을 진행하여 상기 알루미늄층의 일부 두께를 산화시켜 형성하는 단계일 수 있다.
상기 어닐링 공정은 상기 알루미늄층이 형성된 기판을 산소를 포함하는 가스가 공급되는 분위기에서 적어도 800℃의 온도에서 처리하는 것일 수 있다.
상기 초기 알루미늄 산화층은 아일랜드 형태로 상기 알루미늄층 상에 형성될 수 있다.
상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계는 상기 기판 상에 상기 초기 알루미늄 산화층을 형성한 후, 상기 성장 알루미늄 산화층을 인-슈츠(in-situ)로 성장시키는 것일 수 있다.
상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계는 상기 초기 알루미늄 산화층이 형성된 기판을 3×10-2Pa의 압력 하에서, 산소를 포함하는 가스와 알루미늄을 포함하는 가스를 공급하면서 적어도 800℃의 온도에서 적어도 30분간 처리하여 상기 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계일 수 있다.
상기 반도체층을 성장시키는 단계는 상기 알루미늄 산화층으로부터 적어도 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 반도체층을 성장시키는 단계 이후, 적어도 상기 제2형 반도체층 및 활성층의 일부를 식각하여 상기 제1형 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 제1형 반도체층과 상기 제2형 반도체층 상에 각각 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 소자 제조 방법은 상기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계 이후, 상기 반도체층을 성장시키는 단계 이전에, 상기 알루미늄 산화층 및 알루미늄층을 패터닝하여 상기 기판의 일부를 노출시키는 개구부를 복수 개 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 반도체층을 성장시키는 단계는 상기 알루미늄 산화층으로부터 적어도 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 반도체층을 성장시키는 단계 이후, 상기 제2형 반도체층 상에 전극 패드를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 반도체층을 성장시키는 단계는 상기 개구부들에 의해 노출된 상기 기판에 상기 반도체층이 접촉하도록 성장되는 단계일 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판을 포함하는 다양한 종류의 기판 상에 구비된 반도체 소자를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 실리콘 기판을 포함하는 다양한 종류의 기판 상에 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(100)는 기판(110), 알루미늄층(120), 알루미늄 산화층(130), 반도체 구조체층(140), 투명 전극층(150), 제1 전극(162) 및 제2 전극(164)을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(130)은 초기 알루미늄 산화층(132) 및 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 구조체층(140)은 제1형 반도체층(142), 활성층(144) 및 제2형 반도체층(146)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 이후 설명되는 상기 알루미늄층(120)을 형성하고, 상기 알루미늄 산화층(130)을 형성할 수 있는 어떠한 기판을 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 도전성 기판을 이용할 수 있다.
상기 기판(110)은 무극성(non-polar) 또는 반극성(semi-polar) 기판일 수 있으며, 상기 기판(110)의 일측 표면은 c-면(plan), a-면, m-면 또는 r-면을 노출하고 있을 수 있다.
이때, 상기 기판(110)이 실리콘 기판인 경우, 불순물이 도핑된 단결정 실리콘 기판, 예컨대, P형 실리콘 기판 또는 N형 실리콘일 수 있다. 또한, 상기 기판(110)이 실리콘 기판인 경우, 상기 기판(110)은 8인치 또는 12인치의 대구경 기판일 수 있으며, 본 발명의 반도체 소자(100)는 대구경 기판 상에 구비될 수 있다.
상기 알루미늄층(120)은 상기 기판(110)의 일측 표면 상에 구비될 수 있다.
상기 알루미늄층(120)은 비정질 알루미늄으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 수 내지 수백 nm, 바람직하게는 10nm 내지 100nm일 수 있다.
상기 알루미늄층(120)은 이후 설명되는 상기 반도체 구조체층(140)의 활성층(144)에서 발광된 광을 상기 투명 전극층(150) 방향으로 반사시켜, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(100)가 발광 다이오드인 경우 발광 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(130)은 상기 알루미늄층(120) 상에 구비될 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(130)의 초기 알루미늄 산화층(132)은 아일랜드(island) 형태로 구비될 수 있다. 즉, 상기 초기 알루미늄 산화층(132)은 상기 알루미늄층(120) 상에 구비되되, 상기 알루미늄층(120)을 부분적으로 덮는 형태로 구비될 수 있다.
이는 상기 초기 알루미늄 산화층(132)이 이후 설명되는 바와 같이 어닐링(annealing) 공정으로 상기 알루미늄층(120)의 일부가 산화되어 형성되기 때문이다.
상기 초기 알루미늄 산화층(132)은 어닐링 공정으로 형성함으로써 단결정 산화알루미늄으로 이루어질 수 있고, 그 두께가 3 내지 20Å로 구비될 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(130)의 성장 알루미늄 산화층(134)은 상기 초기 알루미늄 산화층(132)을 덮는 형태로 구비될 수 있다.
상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 이후 설명되는 바와 같이 상기 초기 알루미늄 산화층(132)으로부터 성장되어 형성될 수 있다.
상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 그 두께가 수 내지 수십nm일 수 있으며, 바람직하게는 10nm의 두께로 구비될 수 있다.
상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 단결정인 상기 초기 알루미늄 산화층(132)으로부터 성장되므로 단결정 산화알루미늄으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 구조체층(140)의 제1형 반도체층(142)은 상기 성장 알루미늄 산화층(134) 상에 구비될 수 있다. 상기 제1형 반도체층(142)은 상기 성장 알루미늄 산화층(134)을 시드층(seed layer)으로 하여 에피 성장하여 구비될 수 있다.
이때, 도 1에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 반도체 구조체층(140)과 상기 알루미늄 산화층(130) 사이에 버퍼층(미도시)을 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 반도체 구조체층(140)은 상기 복수의 반도체층은 초격자층(미도시) 또는 전자 브로킹층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 반도체 구조체층(140)은 상기 활성층(144)을 제외한 다른 층들은 생략될 수 있다.
상기 제1형 반도체층(142)은 제1형 불순물, 예컨대, N형 불순물이 도핑된 Ⅲ-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층일 수 있다. 상기 제1형 반도체층(142)은 N형 불순물이 도핑된 GaN층, 즉, N-GaN층일 수 있다. 또한, 상기 제1형 반도체층(142)은 단일층 또는 다중층, 예컨대, 상기 제1형 반도체층(142)이 다중층으로 이루어지는 경우, 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
상기 활성층(144)은 Ⅲ-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체층으로 이루어질 수 있으며, 상기 활성층(144)은 단일층 또는 복수층으로 이루어질 수 있고, 적어도 일정 파장의 광을 발광할 수 있다. 또한, 상기 활성층(144)은 하나의 웰층(미도시)을 포함하는 단일 양자웰 구조일 수도 있고, 웰층(미도시)과 장벽층(미도시)이 교대로 반복되어 적층된 구조인 다중 양자웰 구조로 구비될 수 있다. 이때, 상기 웰층(미도시) 또는 장벽층(미도시)은 각각 또는 둘 다 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제2형 반도체층(146)은 제2형 불순물, 예컨대, P형 불순물이 도핑된 Ⅲ-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, In, Ga)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체일 수 있다. 상기 제2형 반도체층(146)은 P형 불순물이 도핑된 GaN층, 즉, P-GaN층일 수 있다. 또한, 상기 제2형 반도체층(146)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2형 반도체층(146)은 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
상기 초격자층(미도시)은 상기 제1형 반도체층(142)과 활성층(144) 사이에 구비될 수 있으며, Ⅲ-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체층이 복수층으로 적층된 층, 예컨대, InN층과 InGaN층이 반복하여 적층된 구조일 수 있으며, 상기 초격자층(미도시)은 상기 활성층(144)을 형성하기 이전에 형성되어 상기 활성층(144)으로 전위(dislocation) 또는 결함(defect) 등이 전달되는 것을 방지하여 상기 활성층(144)의 전위 또는 결함 등의 형성을 완화시키는 역할 및 상기 활성층(144)의 결정성을 우수하게 하는 역할을 할 수 있다.
상기 전자 브로킹층(미도시)은 상기 활성층(144)과 제2형 반도체층(146) 사이에 구비될 수 있으며, 전자 및 전공의 재결합 효율을 높이기 위해 구비될 수 있으며 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는 물질로 구비될 수 있다. 상기 전자 브로킹층(미도시)은 (Al, In, Ga)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성될 수 있으며, Mg이 도핑된 P-AlGaN층으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 반도체 구조체층(140)은 상기 기판(110)이 아니라 상기 알루미늄 산화층(130)으로부터 성장됨으로써 상기 알루미늄 산화층(130)의 특성을 그대로 이어받는 형태로 성장될 수 있다.
즉, 상기 반도체 구조체층(140)은, 상기 기판(110)이 무극성(non-polar) 또는 반극성(semi-polar) 기판이든, 상기 기판(110)의 일측 표면이 c-면, a-면, m-면 또는 r-면을 노출하고 있는 것과는 무관하게, 상기 알루미늄 산화층(130)의 특성에 따라 성장된 반도체층들로 이루어질 수 있다.
상기 투명 전극층(150)은 상기 반도체 구조체층(140) 상에 구비될 수 있다.
상기 투명 전극층(150)은 ITO 또는 ZnO 등과 같은 투명한 금속산화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 그 두께는 수 내지 수십 ㎛로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 투명 전극층(150)은 도 1에서 도시하고 있지 않지만, 그 표면에 요철이 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극(162)은 상기 제2형 반도체층(146) 및 활성층(144)의 일부가 식각되어 노출된 상기 제1형 반도체층(144) 상에 구비될 수 있다.
상기 제2 전극(164)은 상기 투명 전극층(150) 상에 구비될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 기판(110)의 특성과는 무관하고, 상기 기판(110) 상에 형성된 알루미늄 산화층(130)으로부터 성장된 반도체층을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자(200)는 기판(210), 알루미늄층(220), 알루미늄 산화층(230), 반도체 구조체층(240), 투명 전극층(250), 제1 전극(262) 및 제2 전극(264)을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(230)은 초기 알루미늄 산화층(232) 및 성장 알루미늄 산화층(234)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 구조체층(240)은 제1형 반도체층(242), 활성층(244) 및 제2형 반도체층(246)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 알루미늄층(220), 초기 알루미늄 산화층(232)과 성장 알루미늄 산화층(234)을 포함하는 알루미늄 산화층(230), 상기 제1형 반도체층(242), 활성층(244) 및 제2형 반도체층(246)을 포함하는 반도체 구조체층(240), 투명 전극층(250), 제1 전극(262) 및 제2 전극(264)은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(100)의 상기 알루미늄층(120), 초기 알루미늄 산화층(132)과 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함하는 알루미늄 산화층(130), 상기 제1형 반도체층(142), 활성층(144) 및 제2형 반도체층(146)을 포함하는 반도체 구조체층(140), 투명 전극층(150), 제1 전극(162) 및 제2 전극(164)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 기판(210)은 그 일측 표면 상에 요철 패턴(212)을 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴(212)은 상기 기판(210)의 일측 표면 스트라이프(stripe) 형상으로 구비될 수 있고, 또한 상기 기판(210)의 일측 표면에 복수의 홈을 구비한 형태로 구비될 수 있다. 이때, 상기 홈들의 평면 형상은 원형일 수 있으며, 삼각형 또는 사각형을 포함하는 다각형일 수 있다.
상기 요철 패턴(212)은 상기 기판(210)의 일측 표면 상에 구비된 상기 알루미늄층(220)에 요철(凹凸)을 주어 상기 알루미늄층(220)이 상기 반도체 구조체층(240)의 활성층(244)으로부터 발광된 광을 상부로 반사시키되, 난반사를 유도하여 상기 활성층(244)에서 발광된 광의 추출 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
그러므로 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자(200)는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(100)와는 상기 기판(210)의 일측 표면에 요철 패턴(212)을 구비하고 있다는 점에서 차이가 있을 뿐 다른 구성에서는 큰 차이가 없다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자(300)는 기판(310), 알루미늄층(320), 알루미늄 산화층(330), 반도체 구조체층(340), 투명 전극층(350) 및 전극 패드(360)를 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 산화층(330)은 초기 알루미늄 산화층(332) 및 성장 알루미늄 산화층(334)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 구조체층(340)은 제1형 반도체층(342), 활성층(344) 및 제2형 반도체층(346)을 포함할 수 있다.
상기 기판(310)은 그 일측 표면 상에 요철 패턴(312)을 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴(312)은 상기 기판(310)의 일측 표면 스트라이프 형상으로 구비될 수 있고, 또한 상기 기판(310)의 일측 표면에 복수의 홈을 구비한 형태로 구비될 수 있다. 이때, 상기 홈들의 평면 형상은 원형일 수 있으며, 삼각형 또는 사각형을 포함하는 다각형일 수 있다.
상기 요철 패턴(312)은 상기 기판(310)의 일측 표면 상에 구비된 상기 알루미늄층(320)에 요철(凹凸)을 주어 상기 알루미늄층(320)이 상기 반도체 구조체층(340)의 활성층(344)으로부터 발광된 광을 상부로 반사시키되, 난반사를 유도하여 상기 활성층(344)에서 발광된 광의 추출 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
상기 알루미늄층(320)과 알루미늄 산화층(330)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 알루미늄층(220)과 알루미늄 산화층(230)과 비교하여 상기 기판(310)의 일측 표면을 노출시키는 개구부(336)를 복수 개 구비하고 있다는 점에서 차이가 있다.
즉, 상기 알루미늄층(320)과 알루미늄 산화층(330)은 도 3에 도시된 바와 같이 하부의 기판(310)의 일측 표면을 노출하는 복수 개의 개구부(336)를 구비하고 있다. 이때, 상기 개구부(336)들은 상기 요철 패턴(312)의 철(凸)부 상에 구비되는 것으로 도시하고 있으나, 상기 요철 패턴(312)의 요(凹)부 상에 구비될 수 있고, 상기 요철 패턴(312)의 요(凹)부와 철(凸)부 사이의 경사면 상에도 구비될 수 있다.
상기 개구부(336)들은 이후 설명되는 상기 반도체 구조체층(340)의 제1형 반도체층(342)과 상기 기판(310)이 접촉, 특히 전기적 접촉을 이룰 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
상기 개구부(336)들은, 도 3에 도시하고 있지 않지만, 그 내부에 보이드(void)(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 보이드(미도시)는 상기 반도체 구조체층(340) 중 버퍼층(미도시) 또는 제1형 반도체층(342)이 상기 개구부(336)들을 채우지 않는 형태로 성장됨으로써 형성될 수 있다.
상기 보이드(미도시)는 상기 활성층(344)에서 발광된 광을 난반사시켜 광 추출 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
상기 반도체 구조체층(340)의 제1형 반도체층(342), 활성층(344) 및 제2형 반도체층(346)은 도 1을 참조하여 설명한 상기 반도체 구조체층(140)의 제1형 반도체층(142), 활성층(144) 및 제2형 반도체층(146)과 동일하게 구성될 수 있다. 다만, 도 1을 참조하여 설명한 상기 반도체 구조체층(140)과는 달리 상기 제1형 반도체 구조체층(142)의 일부가 노출되지 않다는 점에서 차이가 있을 뿐이다.
한편, 상기 반도체 구조체층(340)은, 도 3에서 도시하고 있지 않지만, 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(미도시)는 상기 제1형 반도체층(342) 하부에 구비될 수 있다. 상기 버퍼층(미도시)는 μ-GaN, μ-AlGaN, n-GaN 또는 p-GaN으로 구비될 수 있다. 상기 버퍼층(미도시)은 도전성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 반도체 구조체층(340)이 상기 버퍼층(미도시)을 구비하는 경우, 상기 버퍼층(미도시)이 상기 개구부(336)들을 통해 상기 기판(310)과 전기적으로 접촉을 이룰 수 있다.
상기 투명 전극층(350)은 상기 반도체 구조체층(340) 상에 구비될 수 있다. 상기 투명 전극층(350)은 도 1을 참조하여 설명한 상기 투명 전극층(150)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 전극 패드(360)는 상기 투명 전극층(350) 상에 위치할 수 있다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법은 도 1에 도시된 반도체 소자(100)를 제조하는 방법을 중심으로 설명한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법은 우선 기판(110)을 준비한다.
상기 기판(110)은 실리콘 기판 또는 도전성 기판일 수 있으며, 상기 기판(110)이 실리콘 기판인 경우, 불순물이 도핑된 단결정 실리콘 기판, 예컨대, P형 실리콘 기판 또는 N형 실리콘일 수 있다. 상기 기판(110)이 실리콘 기판인 경우, 8인치 또는 12인치 등의 대구경 실리콘 기판일 수 있다.
상기 기판(110)의 일측 표면 상에 알루미늄층(120)을 형성한다.
상기 알루미늄층(120)은 일반적으로 알려진 증착법, 바람직하게는 증발 증착법(Evaporation)법 등으로 형성할 수 있다.
상기 알루미늄층(120)은 비정질 알루미늄으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 수 내지 수백 nm, 바람직하게는 10nm 내지 100nm일 수 있다.
도 5를 참조하여 설명하면, 상기 알루미늄층(120)이 형성된 기판(110)을 어닐링(annealing) 공정을 진행하여 상기 알루미늄층(120)의 일부, 즉, 상기 알루미늄층(120)의 표면으로부터 일정 두께를 산화시켜 초기 알루미늄 산화층(132)을 형성한다.
상기 초기 알루미늄 산화층(132)을 형성하는 상기 어닐링 공정은 상기 알루미늄층(120)이 형성된 상기 기판(110)을 적어도 800℃의 온도를 유지하면서 상기 알루미늄층(120)의 표면에 산소를 포함하는 가스, 예컨대, 아산화질소(N2O)를 공급하면서 이루어질 수 있다.
상기와 같은 어닐링 공정을 통해 형성된 상기 초기 알루미늄 산화층(132)은 상기 알루미늄층(120)의 표면 상에 아일랜드 형태로 형성된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 초기 알루미늄 산화층(132)은 산화알루미늄으로 이루어지며, 일정 크기를 갖는 복수의 파티클이 상기 알루미늄층(120)의 표면 상에 균일하게 분포되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 초기 알루미늄 산화층(132)은 상기 어닐링 공정을 형성되어 단결정 산화알루미늄으로 형성될 수 있고, 그 두께는 3 내지 20Å로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여 설명하면, 상기 초기 알루미늄 산화층(132)이 형성된 상기 기판(110)을 인-슈츠(in-situ)로 성장 알루미늄 산화층(134)을 형성하여 알루미늄 산화층(130)을 형성한다.
즉, 상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 상기 초기 알루미늄 산화층(132)이 형성되면, 상기 초기 알루미늄 산화층(132)이 형성된 기판(110) 상에 산소를 포함하는 가스와 알루미늄을 포함하는 가스, 예컨대, 트리메틸알루미늄(TMA) 가스와 아산화질소(N2O) 가스를 공급하되, 3×10-2Pa의 압력 하에서 공급하면서, 적어도 800℃의 온도에서 적어도 30분간 처리하여 상기 초기 알루미늄 산화층(132)으로부터 성장되어 형성될 수 있다.
상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 상기 기판(110)의 일측 표면에 수직하는 방향으로 주로 성장된다.
상기 성장 알루미늄 산화층(134)은 단결정의 상기 초기 알루미늄 산화층(132)으로부터 상장됨으로써 단결정으로 성장될 수 있다.
도 7을 참조하여 설명하면, 상기 알루미늄 산화층(130)이 형성된 기판(110) 상에 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층, 예컨대, 제1형 반도체층(142), 제2형 반도체층(144) 및 제3형 반도체층(146)을 포함하는 복수의 반도체층을 성장시킨다. 이때, 상기 복수의 반도체층은 버퍼층(미도시), 초격자층(미도시) 또는 전자 브로킹층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체층들은 상기 알루미늄 산화층(130)을 시드층으로하여 결정 성장된다. 그러므로 상기 반도체층들은 상기 기판(110)의 특성이 아니라 상기 알루미늄 산화층(130), 특히 상기 성장 알루미늄 산화층(130)의 결정성에 따라 결정성이 결정된다.
상기 성장 알루미늄 산화층(130)은 단결정의 알루미늄산화물, 예컨대, 사파이어와 동일한 결정성을 가질 수 있다. 그러므로 상기 반도체층들은 사파이어 기판 상에서 결정 성장된 것과 동일한 결정성을 갖는 반도체층으로 성장될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법은 12인치 실리콘 기판 등과 같은 대구경의 실리콘 기판 상에 반도체층, 예컨대, (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층을 결정 성장시키되, 사파이어 기판 상에 에피 성장시키는 것과 동일한 결정성을 갖는 반도체층, 예컨대, (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층을 결정 성장시킬 수 있다.
도 8을 참조하여 설명하면, 상기 반도체층들 중 적어도 상기 제2형 반도체층(146) 및 활성층(144)의 일부를 식각하여 상기 제1형 반도체층(142)의 일부를 노출시키는 식각 공정을 실시할 수 있다.
이어서, 상기 제2형 반도체층(146) 상에 투명 전극층(150)을 형성할 수 있다.
상기 투명 전극층(150)은 그 표면 상에 요철(미도시)을 구비할 수 있으며, 상기 요철(미도시)은 상기 투명 전극층(150)을 형성한 후, 상기 투명 전극층(150) 상에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(미도시)이 형성된 상기 투명 전극층(150) 상에 추가 투명 전극층(미도시)을 더 형성한 후, 리프트 오프(lift off)법으로 상기 포토레지스트 패턴(미도시) 및 상기 포토레지스트 패턴(미도시) 상에 형성된 추가 투명 전극층(미도시)를 제거함으로써 형성할 수 있다.
또한, 상기 요철(미도시)은 상기 투명 전극층(150)을 형성한 후, 상기 투명 전극층(150) 상에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 포토레지트 패턴(미도시)을 마스크로 하여 상기 투명 전극층(150)의 표면을 일정 깊이로 습식 식각 또는 건식 식각하여 상기 투명 전극층(150)의 표면에 요철을 형성할 수 있다. 이때, 상기 요철(미도시)을 습식 식각으로 형성하는 경우, 상기 투명 전극층(150)의 표면은 결정면에 따라 선택적으로 식각되어 결정면이 노출되는 형태로 식각되며, 이로 인해 상기 요철(미도시)의 형상이 다각 뿔 형태로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 노출된 제1형 반도체층(142)의 표면에 제1 전극(162)을 형성하고, 상기 투명 전극층(150) 상에 제2 전극(164)을 형성하여 상기 기판(110) 상에 발광 다이오드를 형성할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법은 도 2에 도시된 반도체 소자(200)를 제조하는 방법을 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하여 설명하면, 우선 기판(210)을 준비한다. 이때, 상기 기판(210)은 그 일측 표면에 요철 패턴(212)을 형성하여 준비한다.
상기 요철 패턴(212)은 상기 기판(210)의 일측 표면을 식각하여 요(凹)부를 형성함으로써 형성할 수 있다. 즉, 상기 기판(210)의 일측 표면에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(미도시)을 마스크로 하여 상기 기판(210)의 일측 표면을 식각함으로써 형성할 수 있다.
이어서, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하는 상기 알루미늄층(120) 및 초기 알루미늄 산화층(132)과 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함하는 알루미늄 산화층(130)을 형성하는 방법과 유사하게 상기 기판(210) 상에 알루미늄층(220)을 형성하고, 상기 어닐링 공정으로 초기 알루미늄 산화층(232)을 형성한 후, 상기 초기 알루미늄 산화층(232)으로부터 성장 알루미늄 산화층(234)을 성장시켜 알루미늄 산화층(230)을 형성한다.
이때, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하는 상기 알루미늄층(120) 및 초기 알루미늄 산화층(132)과 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함하는 알루미늄 산화층(130)을 형성하는 방법과 본 실시 예에서의 상기 알루미늄층(220) 및 초기 알루미늄 산화층(232)과 성장 알루미늄 산화층(234)을 포함하는 알루미늄 산화층(230)을 형성하는 방법은 상기 알루미늄층(220) 및 알루미늄 산화층(230)이 그 표면에 요철 패턴(212)이 형성된 기판(210) 상에 형성된다는 점에서 차이가 있을 뿐 다른 차이는 없으므로 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 산화층(230), 특히 상기 알루미늄 산화층(230)의 성장 알루미늄 산화층(234)은 상기 기판(210)의 일측 표면에 수직하는 방향으로 결정 성장이 이루어진다.
도 10을 참조하여 설명하면, 상기 알루미늄 산화층(230)이 형성된 기판(210) 상에 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층, 예컨대, 제1형 반도체층(242), 제2형 반도체층(244) 및 제3형 반도체층(246)을 포함하는 복수의 반도체층을 성장시킨다. 이때, 상기 복수의 반도체층은 버퍼층(미도시), 초격자층(미도시) 또는 전자 브로킹층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 반도체층은 도 7을 참조하여 설명한 제1형 반도체층(142), 제2형 반도체층(144) 및 제3형 반도체층(146)을 포함하는 복수의 반도체층을 성장시키는 방법과 동일한 방법으로 성장될 수 있다.
이어서, 도 8을 참조하여 설명하는 바와 동일하게 상기 복수의 반도체층 중 적어도 상기 제2형 반도체층(246) 및 활성층(244)을 식각하여 상기 제1형 반도체층(242)의 일부를 노출시키는 식각 공정을 실시하고, 상기 제2형 반도체층(246) 상에는 투명 전극(250)을 형성한 후, 상기 노출된 상기 제1형 반도체층(242)의 표면 및 상기 투명 전극(250) 상에 각각 제1 전극(162) 및 제2 전극(164)을 형성하여 상기 기판(210) 상에 발광 다이오드를 형성할 수 있다.
이때, 상기 투명 전극층(250)의 표면에는 요철(미도시)이 형성될 수 있는데, 이러한 요철(미도시)을 제조하는 방법은 도 8을 참조하여 설명하고 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 이때, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 제조 방법은 도 3에 도시된 반도체 소자(300)를 제조하는 방법을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하여 설명하면, 우선 기판(310)을 준비한다. 이때, 상기 기판(310)은 그 일측 표면에 요철 패턴(312)을 형성하여 준비한다.
상기 요철 패턴(312)은 도 9를 참조하여 설명하는 바와 같은 방법을 형성될 수 있다.
이어서, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하는 상기 알루미늄층(120) 및 초기 알루미늄 산화층(132)과 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함하는 알루미늄 산화층(130)을 형성하는 방법과 유사하게 상기 기판(310) 상에 알루미늄층(320)을 형성하고, 상기 어닐링 공정으로 초기 알루미늄 산화층(332)을 형성한 후, 상기 초기 알루미늄 산화층(332)으로부터 성장 알루미늄 산화층(334)을 성장시켜 알루미늄 산화층(330)을 형성한다.
이때, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하는 상기 알루미늄층(120) 및 초기 알루미늄 산화층(132)과 성장 알루미늄 산화층(134)을 포함하는 알루미늄 산화층(130)을 형성하는 방법과 본 실시 예에서의 상기 알루미늄층(320) 및 초기 알루미늄 산화층(332)과 성장 알루미늄 산화층(334)을 포함하는 알루미늄 산화층(330)을 형성하는 방법은 상기 알루미늄층(320) 및 알루미늄 산화층(330)이 그 표면에 요철 패턴(312)이 형성된 기판(310) 상에 형성된다는 점에서 차이가 있을 뿐 다른 차이는 없으므로 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 산화층(330), 특히 상기 알루미늄 산화층(330)의 성장 알루미늄 산화층(334)은 상기 기판(310)의 일측 표면에 수직하는 방향으로 결정 성장이 이루어진다.
이어서, 상기 알루미늄 산화층(330)과 알루미늄층(320)을 식각하여 상기 기판(310)의 일부를 노출시키는 개구부(336)를 복수 개 형성한다.
이때, 상기 개구부(336)는 도 11에 도시된 바와 같이 상기 기판(310)의 표면 중, 상기 요철(312)의 철(凸)부의 표면을 노출시키는 형태로 구비될 수 있고, 도 11에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 요철(312)의 요(凹)부 또는 경사면을 노출시키는 형태로 구비될 수도 있다.
도 12를 참조하여 설명하면, 상기 알루미늄 산화층(330) 및 개구부(336)들이 형성된 기판(310) 상에 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층, 예컨대, 제1형 반도체층(342), 제2형 반도체층(344) 및 제3형 반도체층(346)을 포함하는 복수의 반도체층, 즉, 반도체 구조체층(340)을 성장시킨다. 이때, 상기 복수의 반도체층은 버퍼층(미도시), 초격자층(미도시) 또는 전자 브로킹층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 반도체층은 도 7을 참조하여 설명한 제1형 반도체층(142), 제2형 반도체층(144) 및 제3형 반도체층(146)을 포함하는 복수의 반도체층을 성장시키는 방법과 동일한 방법으로 성장될 수 있다.
이때, 상기 반도체 구조체층(340) 중, 상기 알루미늄 산화층(330)으로부터 성장되는 층, 예컨대, 상기 버퍼층(미도시) 또는 상기 제1형 반도체층(342)은 도 12에 도시된 바와 같이 상기 개구부(336)들을 채우는 형태로 성장될 수 있다.
또한, 도에서 도시하고 있지 않지만, 상기 알루미늄 산화층(330)으로부터 성장되는 층, 예컨대, 상기 버퍼층(미도시) 또는 제1형 반도체층(342)이 상기 개구부(336)들을 채우지 않아 상기 개구부(336)들에는 보이드들이 형성되는 형태로 상기 복수의 반도체층이 성장될 수 있다.
상기 보이드들은 이후 상기 광을 난반사시켜 광 추출 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 보이드들은, 도 12에서 도시하고 있지 않지만, 상기 기판(310)을 상기 반도체 구조체층(340)으로부터 분리하는데 이용될 수 있다. 즉, 상기 기판(310)을 상기 반도체 구조체층(340)으로부터 분리할 때 식각 용액을 이용하여 분리하는 경우, 상기 보이드들은 식각 용액이 이동되는 통로가 될 수 있다.
이어서, 상기 반도체 구조체층(340) 상에 투명 전극층(350)을 형성한다. 상기 투명 전극층(350)의 표면에는 요철(미도시)이 형성될 수 있는데, 이러한 요철(미도시)을 제조하는 방법은 도 8을 참조하여 설명하고 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
이어서, 상기 투명 전극층(350) 상에 전극 패드(360)를 형성한다.
이상 본 발명을 상기 실시 예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
110, 210, 310 : 기판 120, 220, 230 : 알루미늄층
130, 230, 330 : 알루미늄 산화층 140, 240, 340 : 반도체 구조체층
150, 250, 350 : 투명 전극층

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판의 일측 표면 상에 구비된 알루미늄층;
    상기 알루미늄층 상에 구비된 알루미늄 산화층; 및
    상기 알루미늄 산화층 상에 구비된 반도체층;을 포함하는 반도체 소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 도전성 기판인 반도체 소자.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 그 일측 표면에는 요철 패턴을 구비한 반도체 소자.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄층과 알루미늄 산화층은 상기 기판의 일측 표면을 노출시키는 개구부를 복수 개 구비하는 반도체 소자.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 반도체층은 상기 개구부를 통해 노출된 상기 기판과 전기적으로 연결된 반도체 소자.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 산화층은 아일랜드 형태의 초기 알루미늄 산화층 및 상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장된 성장 알루미늄 산화층을 포함하는 반도체 소자.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 반도체층은 복수의 (Al, Ga, In)N 계열의 Ⅲ족 질화물 반도체층인 반도체 소자.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 반도체층은 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 포함하는 반도체 소자.
  9. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 일측 표면 상에 알루미늄층을 형성하는 단계;
    상기 알루미늄층의 일부 두께를 산화시켜 초기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계;
    상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시켜 알루미늄 산화층을 형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄 산화층으로부터 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 기판을 준비하는 단계는
    상기 기판의 일측 표면에 요철 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 초기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계는
    상기 알루미늄층이 형성된 기판을 어닐링(annealing) 공정을 진행하여 상기 알루미늄층의 일부 두께를 산화시켜 형성하는 단계인 반도체 소자 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 어닐링 공정은 상기 알루미늄층이 형성된 기판을 산소를 포함하는 가스가 공급되는 분위기에서 적어도 800℃의 온도에서 처리하는 것인 반도체 소자 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 초기 알루미늄 산화층은 아일랜드 형태로 상기 알루미늄층 상에 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계는
    상기 기판 상에 상기 초기 알루미늄 산화층을 형성한 후, 상기 성장 알루미늄 산화층을 인-슈츠(in-situ)로 성장시키는 반도체 소자 제조 방법.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 초기 알루미늄 산화층으로부터 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계는
    상기 초기 알루미늄 산화층이 형성된 기판을 3×10-2Pa의 압력 하에서, 산소를 포함하는 가스와 알루미늄을 포함하는 가스를 공급하면서 적어도 800℃의 온도에서 적어도 30분간 처리하여 상기 성장 알루미늄 산화층을 성장시키는 단계인 반도체 소자 제조 방법.
  16. 청구항 9에 있어서, 상기 반도체층을 성장시키는 단계는
    상기 알루미늄 산화층으로부터 적어도 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 반도체층을 성장시키는 단계 이후,
    적어도 상기 제2형 반도체층 및 활성층의 일부를 식각하여 상기 제1형 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및
    상기 노출된 제1형 반도체층과 상기 제2형 반도체층 상에 각각 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  17. 청구항 9에 있어서, 상기 알루미늄 산화층을 형성하는 단계 이후, 상기 반도체층을 성장시키는 단계 이전에,
    상기 알루미늄 산화층 및 알루미늄층을 패터닝하여 상기 기판의 일부를 노출시키는 개구부를 복수 개 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 반도체층을 성장시키는 단계는 상기 알루미늄 산화층으로부터 적어도 제1형 반도체층, 활성층 및 제2형 반도체층을 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 반도체층을 성장시키는 단계 이후,
    상기 제2형 반도체층 상에 전극 패드를 형성하는 단계;를 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 반도체층을 성장시키는 단계는 상기 개구부들에 의해 노출된 상기 기판에 상기 반도체층이 접촉하도록 성장되는 단계인 반도체 소자 제조 방법.
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