KR20160061527A - 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법 Download PDF

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KR20160061527A
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김범준
이종람
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 리소그래피 공정과 레이저를 이용하여 질화물 반도체 표면에 패턴을 형성시키는 방법에 관한 것으로, 레이저가 입사되는 질화물 반도체 표면에 금속, 산화물 또는 폴리머 패턴을 포토리소그래피 (Photolithography), 레이저 간섭현상 리소그래피 (Laser Interference Lithography), 나노임프린트 또는 나노스피어 리소그래피 (Nanosphere Lithography) 등의 방법으로 패턴을 형성시키는 것이며, 질화물 반도체 표면에 형성된 패턴에 의해 질화물 반도체에 조사되어 흡수되는 레이저의 에너지에 차이를 주어 표면 패턴을 형성하는 것이다.
이에 패턴이 없어 노출된 영역에서의 질화물 반도체가 레이저를 흡수하여 반응하여 패턴이 전사되며, 반면 패턴이 있는 영역의 질화물 반도체에서는 적은 에너지의 레이저가 흡수되거나, 조사되지 못하여 반응하는 질화물 반도체의 양에 차이가 생김으로써 질화물 반도체 표면에 패턴을 형성하는 것이다. 이로써 본 발명은 대면적 적용이 가능한 레이저 사용 공정과 리소그래피 방법으로 질화물 반도체 상에 균일하게 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이며, 반도체 공정 일부로 편입될 수 있어 반도체 공정과의 연계성을 높일 수 있는 표면 패턴형성 방법을 제공할 수 있다.

Description

레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법{Gallium Nitride Semiconductor Patterning Method using Laser}
본 발명은 리소그래피 공정과 레이저를 이용하여 질화물 반도체 표면에 패턴을 형성시키는 방법에 관한 것으로, 레이저가 입사되는 질화물 반도체 표면에 금속, 산화물 또는 폴리머 패턴을 포토리소그래피 (Photolithography), 레이저 간섭현상 리소그래피 (Laser Interference Lithography), 나노임프린트 또는 나노스피어 리소그래피 (Nanosphere Lithography) 등의 방법으로 패턴을 형성시키는 것이며, 질화물 반도체 표면에 형성된 패턴에 의해 질화물 반도체에 조사되어 흡수되는 레이저의 에너지에 차이를 주어 표면 패턴을 형성하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법에 관한 것이다.
일반적으로 백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능하다. 따라서 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.
이에 질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 작고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다. 이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이다.
이러한 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점을 가지고 있다. 수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다. 이러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 3 내지 4배 이상 증가되므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것이 확실시되어, 현재 일본의 Nichia chemical사, 미국의 Philips Lumileds사, 독일의 Osram사와 같은 국외 발광다이오드 선두 기업들과 서울반도체, 삼성전기, LG 이노텍과 같은 국내 기업들이 질화갈륨계 수직 발광다이오드의 상용화 및 성능향상을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있고, Osram과 같은 일부 기업에서는 이미 관련 제품을 판매하고 있는 실정이다.
또한 질화갈륨계 수직 발광다이오드의 제조에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분이 소자 상부의 n형 반도체층이다. n형 반도체층이 매끄러운 평면인 경우, n형 반도체층과 대기의 큰 굴절률 차이로 인해 (n형 반도체층의 굴절률은 2.4 이하이고, 대기의 굴절률은 1임.), 대기와 n형 반도체층의 계면에서 전반사가 발생하여 활성층 즉, 발광층에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다.
따라서 n형 반도체층 표면을 인위적으로 변형하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져 나오게 하는 것이 필요하다.
이러한 관점에서 n형 반도체층 표면을 KOH, NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 습식 에칭을 이용하여 n형 반도체층 표면에 피라미드 형태의 나노 구조물을 형성하게 되면 발광 다이오드의 광추출 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
그러나 종래의 광추출 효율 향상 기술들은 나노임프린트 레진, 나노스피어, 산화물 나노로드 등을 식각 마스크로 사용하여 소자 표면 자체를 건식 식각하여 여러 모양의 패턴을 형성하거나, 질화갈륨 표면 전체에 습식 식각 방법인 PCE (photochemical etching)를 이용하여 소자 표면에 불균일한 크기의 피라미드 형태 패턴을 형성하거나, 표면에 산화물 나노로드를 성장시켜 광추출 효율 향상을 이뤘다. 하지만 나노임프린트 레진은 질화갈륨과의 식각비가 크지 않아서 정확한 나노구조의 패턴을 형성하는 것이 쉽지 않고, 나노스피어는 대면적에 도포하는 것에 많은 어려움이 있다. 그리고 산화물 나노로드 또한 질화갈륨 상에 불균일하게 형성되고 질화갈륨과 식각비가 크지 않아서 식각된 나노구조물의 형태가 깨끗하지 않은 단점을 가지고 있다.
또한 습식 식각 방법은 불균일한 크기의 피라미드 구조물이 형성되고 식각되는 면적의 균일도가 좋지 않고, 산화물 나노로드를 성장시키는 방법 또한 나노로드의 크기 및 밀도 측면에서 좋지 않은 단점을 가지고 있다.
등록특허번호 제10-0862516호(2008.10.08. 공고) 등록특허번호 제10-1357044호(2014.02.05. 공고) 등록특허번호 제10-1328483호(2013.11.13. 공고)
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 균일한 패턴을 질화갈륨 표면에 형성하기 위하여 포토 리소그래피, 나노임프린트, 레이저 간섭 리소그래피 등의 방법으로 기초적인 패턴을 형성하고 대면적에 쉽게 적용이 가능한 레이저를 이용함으로써 대면적에 대한 질화물 반도체의 표면 패턴을 손쉽게 형성하는 방법을 제공하는 목적이 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은, 질화갈륨 상에 폴리머, 산화물 또는 금속 물질 등의 마스크 패턴을 형성 후, 레이저를 조사하여 질화갈륨에 패턴을 따라 불균일하게 레이저가 흡수되어 패턴이 형성되도록 하는 등 다양한 실시로써 광추출 효율이 월등하도록 하는 것이다.
이로써 본 발명의 다른 목적은, 본 발명에 의한 패터닝 방법으로써 리소그래피 방법과 레이저 조사로 질화갈륨 표면에 원하는 형상의 패턴을 균일하게 형성할 수 있는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 리소그래피 공정과 레이저를 사용하기 때문에 재현성이 있으며, 대면적 공정이 가능할 뿐만 아니라, 이로써 현재 널리 사용되고 있는 반도체 공정에 쉽게 적용이 가능하도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질화물 반도체 상에 소정 크기와 간격을 가지는 기초패턴을 형성하는 단계; 상기 기초패턴이 형성된 질화물 반도체 상에 레이저를 조사하여 본패턴을 형성하는 단계; 및 레이저 조사 후, 질화물 반도체 상의 기초패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 질화물 반도체가 사파이어를 제거하는 과정을 거친 n 형 질화물 갈륨계 물질인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 질화물 반도체가 p 형 질화물 갈륨계 물질인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 질화물 반도체에 형성된 기초패턴은, 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 레이저 간섭현상 리소그래피, 및 나노스피어 리소그래피 중 어느 하나에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기초패턴은, 크기가 200 nm ~ 50 um이고, 패턴 사이의 간격이 100 nm ~ 50 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기초패턴은 레이저 패터닝 마스크인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기초패턴을 형성하는 단계는, 리소그래피에 의해 기초패턴을 형성하는 단계; 기초패턴 및 질화물 반도체 상에 패터닝 마스크 물질을 증착하는 단계; 및 기초패턴을 리프트 오프로 제거하는 단계를 포함하여, 기초패턴이 제거된 부분의 질화물 반도체에 대해 레이저를 조사하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저의 파장이 248 nm를 가지고 에너지는 50 mJ ~ 1000 mJ 로 구비되고, 레이저를 조사하는 회수가 1 ~ 50 회인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 조사 후, 반응한 질화물 반도체를 에칭하여 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝 마스크는, PR, PDMS, PMMA, PUA, polystyrene, silica, 및 Alumina 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기초패턴은 두께가 50 nm ~ 5 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 흡수 또는 반사하는 금속이고, 상기 금속이 Ag, Au, Pt, Al, Ti, Ni, Cr, Rh, 및 Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 투과시키는 산화물이고, 상기 산화물이 MgO, SiO2, ITO, CaO, WO3, MO, 및 GaO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝 마스크 물질은 두께가 1 nm ~ 1 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝 마스크 물질은 금속으로 이루어지고, 상기 금속 아래에 희생층을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 희생층은 습식 식각으로 제거하며, 상기 희생층은 MgO, ITO, ZnO, SiO2, 및 GaO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저가 흡수되어 패터닝된 질화물 반도체는 깊이가 1 nm ~ 1 um 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝된 질화물 반도체 상에 산화아연 나노막대를 소정 영역에 성장시켜 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 PCE (photochemical etching)를 통하여 추가적으로 cone이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 산화아연 나노막대를 성장시켜 추가적인 나노구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수평형 질화물 갈륨계 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 질화물 반도체 기반의 소자를 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 간단한 리소그래피 공정만으로도 질화물 반도체에 패턴을 형성하고, 이후 레이저 조사 공정으로 쉽게 반도체 표면에 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 패턴을 전사할 수 있음으로써 질화물 반도체 상에 표면 패턴을 손쉽게 형성하는 탁월한 효과가 있다.
이로써 본 발명의 또 다른 효과는, 이처럼 간단하고 대면적 적용이 가능하며 균일도가 높은 표면 패턴을 형성함으로써 발광 다이오드의 공정에 쉽게 적용될 수 있고 표면의 패턴 형성으로 발광 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 가지고 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 효과는, 레이저를 이용한 질화물 반도체 패턴 형성의 일부 방법에 대해 반도체 공정 일부를 적용할 수도 있어 반도체 공정과의 연계성을 높일 수 있고, 균일성과 대면적 공정이 요구되는 제조 공정에 적용 가능한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 효과는, 이로써 본 발명에서의 패턴 형성 방법을 질화물 반도체가 광전자소자에서 더욱 용이하게 사용될 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명에서 사용된 질화물 반도체 상에 투명 또는 반투명 특성을 가지는 패턴 물질을 형성하고 레이저를 이용하여 표면에 패턴을 형성하는 공정 과정을 설명하는 설명 예시도이다.
도 2는 본 발명에서 사용된 질화물 반도체 상에 금속 또는 산화물을 증착하여 패턴을 형성하고 레이저를 이용하여 표면에 패턴을 형성하는 공정 과정을 설명하는 설명 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 패터닝 방법에 있어서, 산화물(MgO)을 증착하여 패터닝한 n 형 질화물 반도체상에 다른 에너지를 가진 KrF 레이저를 조사하고 산화물을 지운 후, 패턴이 전사된 표면을 보여주는 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 패터닝 방법에 있어서, 패터닝된 질화물 반도체 표면에서 선택적인 영역에 성장된 산화아연 나노막대를 보여주는 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 패터닝 방법에 있어서, 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 수직형 질화물 반도체 발광 다이오드에 적용하고, 그 후 PCE 공정을 추가하거나, 산화아연 나노막대를 성장시키는 공정을 추가하는 것을 설명하는 설명 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 질화물 반도체 패터닝 방법에 있어서, 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 수평형 질화물 반도체 발광 다이오드에 적용한 것을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 질화물 반도체 패터닝 방법에 대한 순서도이다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
즉 본 발명에 따른 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법은 첨부된 도 1 내지 도 7 등에서와 같이, 질화물 반도체(10)에 기초패턴(21)을 형성하고 기초패턴(21)에 의해 드러난 질화물 반도체(10) 부분에 대해 소정의 레이저를 이용하여 본패턴(30)을 형성하는 것이다. 즉 본패턴(30)은 질화물 반도체(10) 표면에 패턴이 형성되는 표면 패턴인 것이다.
이를 위한 상세한 과정을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선 질화물 반도체(10) 상에 소정 크기와 간격을 가지는 기초패턴(21)을 형성하는 단계를 수행한다.
그리고 이처럼 상기 기초패턴(21)이 형성된 질화물 반도체(10) 상에 소정의 레이저를 조사하여 기초패턴(21)으로 드러난 질화물 반도체(10)에 본패턴(30)인 표면 패턴이 형성되는 단계를 수행한다.
이에 조사되는 상기 레이저의 파장이 248 nm를 가지고 에너지는 50 mJ ~ 1000 mJ 로 구비되고, 레이저를 조사하는 회수가 1 ~ 50 회로 수행될 수 있다.
이에 레이저는 KrF Laser로써, 레이저의 파장은 248nm로 되며, 사용되는 레이저는 질화물반도체의 밴드갭보다 큰 에너지를 가지는 파장대의 레이저를 사용해야 질화물반도체에 레이저가 흡수될 수 있다.
그리고 레이저의 에너지가 50mJ이 안되면 질화물반도체 표면에 흡수되는 레이저의 세기가 약하여 질화물반도체에 패턴이 형성되지 않으며, 반면 레이저 에너지가 1000mJ을 넘으면 발광 다이오드를 제작했을 때 수율이 감소할 수 있다.
그리고 상기 레이저 조사 후, 반응한 질화물 반도체를 에칭하여 제거한다.
또한 소정의 레이저 조사 후, 질화물 반도체(10) 상의 기초패턴(21)을 제거하는 단계를 수행하여, 결국 질화물 반도체(10)에는 소정 패턴을 형성한 본패턴(30)이 형성되는 것이다.
이에 이용되는 상기 질화물 반도체(10)는 사파이어를 제거하는 과정을 거친 n 형 질화물 갈륨계 물질인 것을 특징으로 한다. 즉 상기 질화물 반도체가 n 형 질화물 갈륨계 물질인 것이 바람직하다.
사파이어 상의 질화물 반도체에서 레이저 리프트 오프 (Laser lift-off) 방법으로 사파이어를 제거 후, 레이저 리프트 오프의 건식식각으로 드러난 N 분극 n 형 질화갈륨계 물질을 이용할 수 있다.
아울러 상기 질화물 반도체(10)에 형성된 기초패턴(21)은, 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 레이저 간섭현상 리소그래피, 및 나노스피어 리소그래피 중 어느 하나에 의하여 형성되는 것이다. 그리고 이들 리소그래피는 일반적으로 알려진 기술을 이용할 수 있다.
그리고 이에 의해 형성된 상기 기초패턴(21)은, 크기가 200 nm ~ 50 um이고, 패턴 사이의 간격이 100 nm ~ 50 um 인 것이다. 이에 기초패턴(21)의 크기가 200nm 미만일 경우에는 이후의 과정에서 질화물 반도체(10)에 패턴을 형성하기가 어려운 점이 있다.
또한 다수의 기초패턴(21) 사이의 간격이 100nm 미만일 경우에는 레이저의 굴절에 의해 패턴 전사가 이루어지지 않을 수 있다.
그리고 상기 기초패턴(21)은 레이저 패터닝 마스크로 마련될 수 있다.
그리하여 도 1에서처럼 기초패턴(21)을 레이저 패터닝 마스크로써, 질화물 반도체 상에 레이저를 조사하면 기초패턴(21)의 마스크에 의해 드러난 질화물 반도체(10) 상에 본패턴(30)이 형성되는 것이다.
이러한 기초패턴(21)의 상기 패터닝 마스크는, PR, PDMS, PMMA, PUA, polystyrene, silica, 및 Alumina 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 이러한 상기 기초패턴은 두께가 50 nm ~ 5 um 로 형성될 수 있다.
이에 기초패턴의 두께가 50nm가 안될 경우에는 레이저가 패턴에 의해 흡수 또는 굴절되는 정도가 미미하여 패턴 전사가 이루어지지 않을 수 있다.
이에 더하여 기초패턴(21)의 상부에 별도의 마스크 물질을 더 형성할 수도 있을 것이다.
이에 대한 상세 과정을 보면, 상기 기초패턴을 형성하는 단계로써 상세 과정을 보면, 리소그래피에 의해 기초패턴을 형성하는 단계를 수행하고 난 후, 기초패턴 및 질화물 반도체 상에 패터닝 마스크 물질을 증착하는 단계를 더 수행한다.
그리고 기초패턴을 리프트 오프로 제거하는 단계를 포함하여, 기초패턴이 제거된 부분의 질화물 반도체에 대해 레이저를 조사하여 본패턴(30)을 형성하는 것이다.
따라서 최초 기초패턴이 형성된 부분은 레이저 마스크의 경우에는 이용되지 않고 제거되며, 기초패턴 이외의 노출되었던 공간에는 새로운 패터닝 마스크 물질(22)에 의해 레이저 마스크로 이용되는 것이며, 새로운 패터닝 마스크 물질에 의한 패턴에 의해 노출된 질화물 반도체 영역에 대해서 본패턴(30)이 형성되는 것이다.
특히 도 2에서처럼 상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 흡수 또는 반사하는 금속으로 구비될 수 있다. 이에 상기 금속이 Ag, Au, Pt, Al, Ti, Ni, Cr, Rh, 및 Cu 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 이러한 상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 투과시키는 산화물로 구비될 수도 있다. 이에 이러한 상기 산화물이 MgO, SiO2, ITO, CaO, WO3, MO, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고 이러한 상기 패터닝 마스크 물질은 두께가 1 nm ~ 1 um 로 구비될 수 있다. 이에 패터닝 물질의 두께가 1nm 미만은 형성하기가 어려워 특성을 기대하기가 곤란하다.
이에 더하여 이러한 상기 패터닝 마스크 물질(22)은 금속으로 이루어지면서, 상기 금속 아래에 희생층(23)을 형성할 수 있다. 따라서 패터닝 마스크 물질(22)은 레이저 마스크로 이용되고, 이러한 패터닝 마스크 물질을 제거하는 데 있어서 손쉽게 제거하기 위해 희생층(23)을 형성함이 바람직하다.
이로써 상기 기초패턴을 형성하는 단계의 예를 보면, 질화물 반도체(10) 상에 리소그래피에 의해 기초패턴(21)을 형성하는 단계를 수행하고, 기초패턴(21) 및 기초패턴(21)에서 노출된 질화물 반도체(10) 상에 희생층(23)을 형성하는 단계를 수행하며, 다음으로 희생층(23) 상에 패터닝 마스크 물질을 증착하는 단계를 수행함으로써, 패터닝 마스크 물질(22)과 질화물 반도체(10) 사이에는 희생층(23)이 형성되는 것이다.
이후 기초패턴(21)을 리프트 오프로 제거하는 단계를 수행하여, 기초패턴(21)이 형성되었던 부분으로 질화물 반도체(10) 일부가 노출되는 것이다.
그리하여 기초패턴(21)이 제거된 부분의 질화물 반도체(10)에 대해 레이저를 조사하여 본패턴(30)인 표면 패턴이 형성되는 것이다.
이처럼 희생층(23)을 질화물 반도체(10)와 패터닝 마스크 물질(22) 사이에 형성함으로써, 최종 질화물 반도체(10) 상에 표면 패턴을 형성한 이후, 사용되었던 마스크를 제거함에 있어서 희생층(23)만 제거하여도 함께 마스크를 손쉽게 제거할 수 있는 장점이 있는 것이다.
이에 이러한 상기 희생층(23)은 습식 식각으로 제거하며, 상기 희생층은 MgO, ITO, ZnO, SiO2, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이상의 과정에 의해 질화물 반도체(10) 상에는 표면 패턴인 본패턴(30)이 형성된 것이며, 이에 이처럼 상기 레이저가 흡수되어 패터닝된 질화물 반도체의 표면 패턴은 깊이가 1 nm ~ 1 um 로 이루어질 수 있다. 이에 표면 패턴의 깊이가 1nm가 안되면 패턴을 이용한 다음 과정을 수행하기가 곤란하고, 반면 패턴 깊이가 1um가 넘으면 소자의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다.
이에 더하여 도 4 및 도 5 등의 예에서처럼 표면 패턴이 형성된 질화물 반도체(10)에 대한 후속 처리를 수행할 수 있다.
즉 상기 패터닝된 질화물 반도체(10) 상에 산화아연 나노막대를 소정 영역에 성장시켜 나노막대를 형성하는 것이다. 이에 첨부된 도면의 실시예에서는 습식 식각 또는 수열합성법 등을 이용하여, 질화물 반도체(10) 상에 표면 패턴이 형성되고 이에 더하여 서브 패턴을 더 형성하거나 나노 막대를 더 성장시킴으로써 광추출 효율이 월등하도록 실시하고 있다.
이처럼 상기의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
이에 상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 PCE (photochemical etching)를 통하여 추가적으로 cone이 형성될 수 있다.
또한 상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 산화아연 나노막대를 성장시켜 추가적인 나노구조를 형성할 수 있는 것이다.
이러한 콘이나 피라미드 등의 서브 패턴을 더 형성하거나 나노막대를 마련함으로써 발광 다이오드의 성능이 향상되는 것이다.
그리고 상기의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수평형 질화물 갈륨계 발광 다이오드도 제공할 수 있다.
나아가 이러한 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 질화물 반도체 기반의 소자를 제공할 수 있는 것이다.
(실시예)
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저를 이용한 질화물 반도체 표면 패터닝 방법에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보기로 한다.
본 발명은 균일한 패턴을 질화갈륨 표면에 형성하기 위하여 포토 리소그래피, 나노임프린트, 레이저 간섭 리소그래피 등의 방법으로 패턴을 형성하고 대면적에 쉽게 적용이 가능한 레이저를 이용하여 패턴을 형성하는 것이다.
그리고 질화갈륨 상에 폴리머, 산화물 또는 금속 물질의 패턴을 형성 후, 레이저를 조사하여 질화갈륨에 패턴을 따라 불균일하게 레이저가 흡수되어 패턴이 형성되는 것이다.
이에 질화갈륨에 248 nm 파장의 KrF 엑시머 레이저가 흡수되는 것이며, 식 (1) 과 같은 반응이 일어나서 질화갈륨이 금속성 갈륨 물질로 반응한다.
2 GaN -> 2 Ga + N2 (KrF 248 nm laser 입사) 식 (1)
이때 레이저가 입사되는 질화갈륨 표면에 레이저를 반사시키는 금속이나, 부분적으로 흡수하는 폴리머나 산화물이 있으면 패턴이 있는 영역에서는 레이저가 흡수되지 않거나 약한 에너지를 가지고 흡수되어 질화갈륨이 녹아나가지 않게 된다. 레이저를 100% 흡수하는 영역과 패턴으로 인해 흡수하지 못하는 영역의 차이로 인해서 기초패턴 등의 모양대로 질화갈륨 표면에 전사가 이루어진다.
이로써 손쉽게 대면적 질화물 반도체 상에 표면 패턴을 형성할 수 있는 것이다. 이에 대해 첨부된 도면을 참조하여 각 실시예들을 살펴보기로 한다.
우선 도 1은 레이저를 이용하여 질화물 반도체 표면에 패턴을 형성하는 공정 과정으로써, 리소그래피에 사용된 물질을 바로 레이저에 대한 패터닝 물질로 이용하는 것을 설명하는 설명 예시도이다.
즉 제1실시예로는 기초패턴을 그대로 레이저 마스크로 이용하는 실시예이다.
도 1에서처럼 소정 과정으로 준비된 질화물 반도체(10) 상에 소정 크기와 간격을 가지는 기초패턴(21)을 형성하는 단계를 수행한다. 그리고 상기 기초패턴(21)이 형성된 질화물 반도체(10) 상에 레이저를 조사하여 본패턴(30)을 형성하는 단계를 수행하는 것이다.
이후 레이저 조사 후, 질화물 반도체(10) 상의 기초패턴(21)을 제거하는 단계를 수행함으로써 질화물 반도체(10) 상부측에는 표면 패턴으로 본패턴(30)이 형성되는 것이다.
이처럼 질화물 반도체(10) 표면에 다양한 리소그래피 방법을 이용하여 수십 nm 에서 수십 um 범위의 표면 패턴을 형성하는 것이다. 일반적인 포토리소그래피 방법이나 레이저 간섭 리소그래피 방법을 이용할 경우에는 PR(포토레지스트)을 사용하고, 나노임프린트 방법을 이용할 경우에는 PUA, PDMS, PMMA 등의 폴리머 레진을 사용하며, 나노스피어 리소그래피를 사용할 경우에는 구 형태의 폴리머 또는 산화물을 패턴으로 이용한다.
상기 나열한 물질들은 레이저를 부분적으로 투과시키는 물질로서 질화갈륨 표면에서 불균일한 레이저 흡수를 유발한다. 패턴에 의해서 레이저가 흡수되는 정도가 다르므로 반응하는 질화갈륨의 깊이가 달라져서 패턴의 형상대로 표면에 패턴이 전사되는 것이다.
레이저 조사 후, 염산 용액에 침수시켜 반응한 금속성 갈륨을 식각하고, 남아있는 패턴 물질은 각 물질에 적합한 방법으로 제거하여 표면 패터닝 과정을 완료한다.
다음으로 기본적인 제1실시예에 더하여, 패터닝 마스크에 의한 표면 패턴을 형성하는 제2실시예에 대해서 살펴본다.
이에 도 2에서처럼 소정 과정으로 준비된 질화물 반도체(10) 상에 리소그래피에 의해 기초패턴(21)을 형성하는 단계를 수행한다.
그리고 기초패턴(21) 및 노출된 질화물 반도체(10) 상에 희생층(23)을 형성한다. 그리고 이렇게 층이 형성된 상태에서 패터닝 마스크 물질(22)을 증착하는 단계를 수행한다.
이후 기초패턴(21)을 리프트 오프로 제거하는 단계를 수행함으로써, 패터닝 마스크 물질(22)에 의한 패턴이 질화물 반도체(10) 상에 형성되는 것이다.
이러한 상태에서 질화물 반도체(10) 상에 레이저를 조사하여 본패턴(30)을 형성하는 단계를 수행하고, 레이저 조사 후, 질화물 반도체 상의 희생층(23) 및 패터닝 마스크 물질(22) 등을 제거하는 단계를 수행하는 것이다.
이러한 도 2의 제2실시예에서는 레이저를 이용하여 질화물 반도체 표면에 패턴을 형성하는 공정 과정의 실시예이다. 즉 리소그래피 방법으로 패턴 형성 후, 제 2의 물질을 증착하여 리프트 오프 과정을 포함하는 공정 과정을 설명한다. 레이저를 반사 또는 흡수하여 질화갈륨에 대해, 전혀 흡수가 되지 않는 금속을 패턴 물질로 사용하는 것으로, 리소그래피 방법으로 패턴 형성 후, 원하는 금속 물질을 증착한다.
이에 금속은 일반적으로 다시 제거하기가 쉽지 않기 때문에, 레이저 조사 후 제거를 용이하게 하기 위하여 금속층 밑에 산용액에 에칭이 잘되는 산화물 계열의 희생층을 삽입한다.
산화물 희생층 및 금속층 증착 후 패턴을 이루고 있던 물질을 제거하는 리프트 오프를 수행하고, 이후 레이저를 이용하여 질화갈륨 표면을 패터닝한다. 금속층으로 이루어진 패턴은 레이저를 반사 또는 흡수시키므로 드러난 질화갈륨에서만 레이저가 흡수되어 반응이 일어나고 패턴이 전사가 된다. 레이저 조사 후, 염산 용액에 침수시켜 질화갈륨이 반응하여 형성된 금속성 갈륨과 산화물 희생층과 금속층을 제거하여 패터닝 과정을 완료한다.
아울러 응용 실시예로 금속이 아닌 산화물을 패터닝 물질로 사용할 경우에는 리소그래피로 패턴 형성 후, 산화물 증착 및 리프트 오프 과정을 통하여 산화물 패턴을 만든다. 그 후 레이저를 조사하여 질화갈륨에 패턴을 전사하고 산용액에 침수시켜 패터닝 산화물과 반응한 금속성 갈륨을 제거하여 패터닝을 완료한다.
이에 도 3은 n 형 질화갈륨 표면에 포토리소그래피 방법으로 패턴을 형성한 후, 마그네슘 옥사이드 (MgO 5000 Å)를 증착하여 패터닝한 후, 다른 에너지를 가지는 KrF (248 nm) 레이저를 조사하는 공정과 MgO 제거 후의 주사 전사 현미경 사진을 나타낸다.
MgO 패턴의 크기는 약 16 um 이고 간격은 5 um 이다. 레이저 조사 후 염산 용액에 침수하여 MgO 물질과 레이저를 흡수한 금속성 갈륨을 제거한 사진을 보면 MgO 패턴의 형상이 그대로 질화갈륨에 전사된 것을 확인할 수 있다. MgO 패턴의 끝(edge) 부분에서 레이저가 상대적으로 집중되어 질화갈륨이 더 많이 반응한 것을 확인할 수 있다. 레이저 에너지의 세기와 전사된 패턴의 형상은 큰 관계가 없는 것도 확인할 수 있다.
그리고 도 4는 도3에서 패터닝한 질화갈륨 표면에 산화아연 나노막대를 성장하여 선택적인 영역에서만 성장되는 것을 보여주는 주사전자 현미경(SEM) 사진이다. 레이저를 이용한 패터닝 과정을 통하여 원 모양의 MgO 패턴이 질화갈륨 표면에 전사되었고, 원 패턴의 끝(edge)에서 레이저가 집중되어 질화갈륨이 많이 반응하여 표면에 질화갈륨 나노 도트(dot)를 형성함을 알 수 있다. 이 과정에서 형성된 나노 도트는 평평한 표면에 비해서 거칠기(roughness)가 크기 때문에 산화아연 나노막대 성장의 핵생성(nucleation) 씨앗(seed)으로 작용하였다. 따라서 원 패턴의 끝부분에서만 선택적으로 산화아연 나노막대가 성장이 이루어진 것을 볼 수 있다.
아울러 도 5는 본 발명에 더하여 응용실시예를 보인 것으로, 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법을 수직형 질화물 반도체 발광 다이오드에 적용한 것을 설명하는 도면이다.
도 5의 (a)는 패터닝한 발광 다이오드의 제조 공정을 진행하여 수직형 발광 다이오드를 완성한 단면이다. n 형 질화갈륨 표면에 일정한 크기와 간격을 가지는 표면 패턴(본패턴)을 형성시켜주면 활성층에서 발생한 빛이 공기중으로 더욱 쉽게 빠져나갈 수 있다.
또한 마이크로 사이즈 이하의 일정한 주기의 패턴을 형성시켜주면 광결정 (photonic crystal)의 효과도 기대할 수 있다.
다음으로 도 5의 (b)는 레이저로 패터닝한 수직형 발광 다이오드를 염기성 용액으로 습식 식각을 진행하여 피라미드 형태의 서브패턴을 형성시켜 광추출 효율을 더욱 증가시킬 수 있는 경우를 설명한 것이다.
또한 도 5의 (c)는 레이저를 이용하여 패터닝한 수직형 발광 다이오드에 수열합성법으로 산화아연 나노막대를 성장시켜 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 설명한 것이다.
다음으로 도 6은 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법으로 제조된 부재를 수평형 질화갈륨 반도체 발광 다이오드에 활용한 것을 나타낸 도면이다.
수평형 발광 다이오드 공정을 시작하기에 앞서 리소그래피와 레이저를 이용하여 표면에 패터닝을 형성한다. 그 후 p 형 질화갈륨에 투명전극을 적용하고 공정을 완료하여 발광 다이오드를 마련한다. 이에 발광 다이오드의 활성층에서 발생한 빛이 패턴을 통하여 더욱 쉽게 공기 중으로 빠져나올 수 있어 고출력의 발광 다이오드를 제작할 수 있다.
이상에서처럼 본 발명에 따른 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하면 제작단가가 높고 대면적 공정에 적용이 어려운 전자선 리소그래피(e-beam lithography) 패터닝을 사용하지 않고, 포토공정 및 레이저를 이용한 대면적 적용의 효과를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.
이러한 본 발명에 의한 방법으로 손쉬운 리소그래피 방법과 레이저 조사 기술을 적용함으로써 질화갈륨 표면에 원하는 형상의 패턴을 균일하게 형성할 수 있다. 또한 리소그래피 공정과 레이저를 사용하기 때문에 재현성이 있으며, 대면적 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있는 것이다. 또한 현재 사용되고 있는 반도체 공정에도 쉽게 적용이 가능하다는 장점이 있는 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.
10 : 질화물 반도체 21 : 기초패턴
22 : 패터닝 마스크 물질 23 : 희생층
30 : 본패턴

Claims (23)

  1. 질화물 반도체 상에 소정 크기와 간격을 가지는 기초패턴을 형성하는 단계;
    상기 기초패턴이 형성된 질화물 반도체 상에 레이저를 조사하여 본패턴을 형성하는 단계; 및
    레이저 조사 후, 질화물 반도체 상의 기초패턴을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체가 사파이어를 제거하는 과정을 거친 n 형 질화물 갈륨계 물질인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체가 p 형 질화물 갈륨계 물질인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체에 형성된 기초패턴은,
    포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 레이저 간섭현상 리소그래피, 및 나노스피어 리소그래피 중 어느 하나에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기초패턴은, 크기가 200 nm ~ 50 um이고, 패턴 사이의 간격이 100 nm ~ 50 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기초패턴은 레이저 패터닝 마스크인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기초패턴을 형성하는 단계는,
    리소그래피에 의해 기초패턴을 형성하는 단계;
    기초패턴 및 질화물 반도체 상에 패터닝 마스크 물질을 증착하는 단계; 및
    기초패턴을 리프트 오프로 제거하는 단계를 포함하여,
    기초패턴이 제거된 부분의 질화물 반도체에 대해 레이저를 조사하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저의 파장이 248 nm를 가지고 에너지는 50 mJ ~ 1000 mJ 로 구비되고,
    레이저를 조사하는 회수가 1 ~ 50 회인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 조사 후, 반응한 질화물 반도체를 에칭하여 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크는,
    PR, PDMS, PMMA, PUA, polystyrene, silica, 및 Alumina 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 기초패턴은 두께가 50 nm ~ 5 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 흡수 또는 반사하는 금속이고,
    상기 금속이 Ag, Au, Pt, Al, Ti, Ni, Cr, Rh, 및 Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크 물질은, 레이저를 투과시키는 산화물이고,
    상기 산화물이 MgO, SiO2, ITO, CaO, WO3, MO, 및 GaO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크 물질은 두께가 1 nm ~ 1 um 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크 물질은 금속으로 이루어지고,
    상기 금속 아래에 희생층을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 희생층은 습식 식각으로 제거하며,
    상기 희생층은 MgO, ITO, ZnO, SiO2, 및 GaO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저가 흡수되어 패터닝된 질화물 반도체는 깊이가 1 nm ~ 1 um 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 패터닝된 질화물 반도체 상에 산화아연 나노막대를 소정 영역에 성장시켜 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 질화물 반도체 패터닝 방법.
  19. 제 1항의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 PCE (photochemical etching)를 통하여 추가적으로 cone이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 패터닝된 질화물 반도체 표면에 산화아연 나노막대를 성장시켜 추가적인 나노구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 갈륨계 발광 다이오드.
  22. 제 1항의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 수평형 질화물 갈륨계 발광 다이오드.
  23. 제 1항의 질화물 반도체 패터닝 방법에 의하여 제조된 질화물 반도체 기반의 소자.
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