KR100753152B1

KR100753152B1 - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100753152B1
Application number: KR1020050074100A
Authority: KR
Inventors: 송준오
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: KR20050088960A; JP5390063B2; TW200711188A; TWI394289B; US20070034892A1; US7521269B2; JP2007053373A; CN1933205B; JP5899160B2; CN1933205A; JP2013219384A

Abstract

질화물계 발광소자 및 이를 제조하는 방법이 개시된다. 기본적으로 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 포함하는 유기 잔해물이 제거된 최초 기판(First Substrate : FS) 상에 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)이 증착되며, 상기 씨드 물질층으로부터 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)이 성장된다. 상기 다기능성 기판 상에는 질화물계 버퍼층 (Nitride-based Buffer Layer)이 적층되어 있다. 상기 씨드 물질층(SML)은 양질의 단결정 질화물계 반도체 기판의 성장 및 상기 단결정 질화물계 반도체 기판과 발광구조체를 이용한 고신뢰성 질화물계 발광소자 제작을 위해서 절대적으로 필요한 고품위 다기능성 기판(MS)의 성장을 우선적으로 도와주며, 질화물계 발광소자 제작 시 생산수율(Product Yield)을 높일 수 있다. 상기한 고품위 다기능성 기판(MS)층은 고온 및 수소 분위기에서 하부의 씨드 물질층(SML) 변형과 분해(Strain and Decomposition)를 방지할 수 있는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)을 포함한다. 상기 다기능성 기판(MS)은 양질의 단결정 질화물계 반도체 기판을 성장하기 위해서 가능한 헥사곤알 결정 구조(Hexagonal Crystalline Structure)인 단결정(Single Crystal) 또는 다결정(Polycrystal) 구조를 갖는다. 상기 단결정 질화물계 반도체 기판 및 이를 이용한 질화물계 발광소자는 대용량, 대면적 및 고휘도의 고성능을 갖는 차세대 백색광원으로서 가능하다.

수직형 질화물계 발광소자, 씨드 물질층, 다기능성 기판

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조방법 {Nitride-based Light Emitting Device and Method of Fabricating the Same}

도면 1은 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)과 다기능성 기판을 성장한 후 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체가 성장된 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도면 2는 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에 아연산화물계(ZnO-based Layer) 박막층, 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 및 다기능성 기판을 순차적으로 성장한 후 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체가 성장된 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도면 3은 아연산화물계(ZnO-based Layer) 또는 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML) 및 다기능성 기판(Multifunctional Substrate :MS)을 이용하여, 다기능성 기판(MS) 상부에 성장된 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체에서 아연산화물계 또는 씨드 물질층(SML)을 완전히 제거한 후의 적층 구조를 보인 단면도이고,

도면 4는 본 발명의 소자 실시 예에 따른 아연산화물계 또는 씨드 물질층(SML) 및 다기능성 기판(MS)을 이용하여 제작된 수직형 상부 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이고,

도면 5는 본 발명의 소자 실시 예에 따른 아연산화물계 또는 씨드 물질층(SML) 및 다기능성 기판(MS)을 이용하여 제작된 수직형 플립칩형 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이고,

도면 6은 본 발명의 소자 실시 예에 따른 아연산화물계 또는 씨드 물질층(SML) 및 다기능성 기판(MS)을 이용하여 제작된 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에서 발생되는 기계 및 열적 변형(Strain)과 분해(Decomposition)를 막기 위해서 도입된 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)과 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 이용하여 고온 및 수소 분위기에서 양질의 단결정 질화물계 반도체 기판을 성장하여 형성되며, 높은 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능(Heat Dissipation)을 갖는 대면적의 고품위 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 청/녹색에서부터 (근)자외선 발광다이오드, 레이저 다이오드, 및 광센서 등의 광전소자에 대한 많은 연구 및 빠른 기술 진보로 인해서, 단결정 질화물계 반도체는 광관련 산업 분야에서 가장 중요한 물질들 중 하나로 여겨지고 있는 상황이다. 무엇보다도, 질화물계 반도체를 이용한 실용적인 광전소자들은 주로 절연성인 두꺼운 사파이어(Sapphire) 기판과 전도성인 실리콘 카바이드(SiC) 기판 상부에1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 성장되고 있다. 하지만, 실리콘(Si) 기판에 비해서 상대적으로 절연성 사파이어 및 전도성 실리콘 카바이드 기판들은 상당히 고가(High Expensive)이기 때문에 향후 경제적인 면에서 실효성이 떨어진다. 게다가, 70 마이크론 미터 이상의 두꺼운 절연성 사파이어 기판 상부에 제작된 질화물계 광전소자들은 소자 작동 시 많은 열 발생으로 인해서 이를 원활하게 방출시켜주어야 하는데 나쁜 열전도성인 사파이어는 이러한 기능면에서 현저하게 떨어지는 결정적 단점을 지니고 있어 차세대 백색광의 광원으로서는 부적절하다.

상기한 두꺼운 절연성 사파이어 및 실리콘 카바이드 기판들과는 달리, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판은 질화물계 반도체에 대해 작은 격자상수(Lattice Constant) 차를 나타내며, 좋은 전기 및 열전도성(Electrical and Thermal Conductivities)과, 우수한 빛투과성(Light Transmittance)을 가지고, 저비용(Cheap Cost)으로 제작될 수 있기 때문에 차세대 질화물계 발광소자의 기판으로 각광받고 있다. 하지만, 결정적으로 이러한 투명 전도성 아연산화물 (ZnO-based Oxides)계는 600도 이상의 고온과 10의 -3승 Torr 이상의 고진공에서 표면 불안정성으로 인해서 물질분해가 쉽게 되며, 또한 수소(H2) 또는 암모니아(NH3)와 같은 환원 분위기(Reducing Ambient) 에서 더욱더 활발하게 환원(Reduction)되어 800도 이상의 고온과 환원 분위기에서 단결정 질화물계 반도체를 성장하기는 거의 불가능하다.

또 다른 각광받고 있는 전도성 기판들로서는 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs)를 포함하는 기판들이 있다. 이들 또한 500도 이상의 고온에서 이들 기판 내부에 존재하고 있는 전위 슬립계의 이동(Motion of Dislocation Slip System)으로 인해서 물질 변형/분해, 그리고 질화물계 반도체와의 큰 격자상수(Lattice Constant) 차이 및 열팽창 계수(Thermal Expansion Coefficient) 차이로 인해서 양질의 질화물계 박막을 성장하는 것 또한 쉬운 일이 아니다.

현재 산업현장에서 차세대 고휘도 백색광원으로 가장 각광 받고 있는 질화물계 발광소자 제작 공정기술로는 상기한 바와 같이 열 전도율 및 전기 전도성이 좋 지 못한 사파이어 기판 상부에 양질의 질화물계 반도체 박막층 및 발광구조체를 성장한 다음, 강한 에너지를 가진 레이저 빔을 사파이어 기판 후면을 조사하여 질화물계 반도체 박막층 및 발광구조체을 분리하는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off : LLO) 방법이다. 이 방법을 적용하면 차세대 백색광원에서 필수적인 고휘도 및 대면적을 갖는 고 신뢰성 질화물계 발광소자를 만들 수 있다. 하지만, 질화물계 반도체 박막층 및 발광구조체와 두꺼운 사파이어 기판을 분리하는데 이용되는 강한 레이저 빔 에너지 때문에 그들 사이의 계면에서 900도 이상의 엄청난 열의 발생으로 인해서 질화물계 박막층의 손상과 변형으로 인한 낮은 공정수율, 그리고 이로 파생되는 많은 공정상의 어려움이 여전히 남아 있는 상황이다.

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에서 발생되는 기계 및 열적 변형(Strain)과 분해(Decomposition)를 막기 위해서 도입된 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)과 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 이용하여 고온 및 수소 분위기에서 양질의 단결정 질화물계 반도체 기판을 성장하고 이러한 단결정 기판 및 발광구조체를 이용하여 높은 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능(Heat Dissipation)을 갖는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 포함하는 유기 잔해물이 제거된 최초 기판(First Substrate : FS)상에, 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)이 형성되며, 상기 씨드 물질층으로부터 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)이 형성된다. 상기 다기능성 기판상에는 질화물계 버퍼층 (Nitride-based Buffer Layer)을 포함하는 단결정 질화물계 반도체가 순차적으로 적층되어 있다. 상기한 씨드 물질층(SML)은 양질의 단결정 질화물계 반도체 기판의 성장 및 상기한 단결정 기판과 발광구조체를 이용한 고신뢰성 질화물계 발광소자 제작을 위해서 절대적으로 필요한 고품위 다기능성 기판(MS) 성장을 우선적으로 도와주며, 성장 후 질화물계 발광소자 공정 시 생산수율(Product Yield)을 높이는데 결정적인 역할을 한다. 상기한 고품위 다기능성 기판(MS)은 고온 및 수소 분위기에서 하부의 씨드 물질층(SML) 변형과 분해(Strain and Decomposition)를 방지할 수 있도록 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 및 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 중 적어도 하나를 포함한다. 또한 동시에 상기한 다기능성 기판(MS)은 양질의 단결정 질화물계 반도체를 성장하기 위해서 가능한 단결정(Single Crystal) 또는 다결정(Polycrystal) 구조를 갖는다. 본 발명에 따른 단결정 질화물계 반도체 기판과 이를 이용한 발광소자는 대용량, 대면적 및 고휘도의 고성능을 갖는 차세대 백색광원으로서 가능하다.

상기한 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 및 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 등을 포함하는 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS) 상부에 적층된 양질의 단결정 질화물계 반도체 박막층은 양질의 질화물계 광전자 소자(Optoelectronic Devices) 제작을 위해서 필수적인 두꺼운 양질의 단결정 질화물계 기판을 제공하고 고품위 질화물계 플립칩형 발광소자를 구현할 수 있게 한다. 예컨대, 상기 질화물계 발광 소자들은 질화물계 발광구조체를 포함하며, 상기 질화물계 발광 구조체는 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN) (x, y, z : 정수)로서 구성된 비정질(Amorphous), 다결정(Poly-crystal), 또는 단결정(Single-crystal) 박막층 형태의 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer : AlxInyGazN)(x, y, z : 정수), 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)(x, y, z : 정수)로 구성된 n형 질화물계 클래드층, 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)(x, y, z : 정수)로 구성된 p형 질화물계 클래드층, 그리고 두 질화물계 클래드층 사이에 형성되며, 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)(x, y, z : 정수)로 구성된 질화물계 활성층을 갖는다.

본 발명에서 가장 핵심적인 부분인 다기능성 기판(MS)은 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 및 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하며, 1100도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(Gas)를 사용하는 환원 분위기(Reduction Atmosphere)에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖고, 광전소자 작동 시에 전기 및 광학적 특성에 악영향을 미치는 결정학적 결함인 전위(Dislocation)의 밀도가 최소화된 양질의 단결정 질화물계 박막층이 성장될 수 있도록 도와준다.

가장 바람직하게는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)을 포함하는 상기 다기능성 기판은 헥사곤알 구조(Hexagonal Structure)를 갖는 단결정(Single Crystal), 또는 다결정체(Polycrystal)로 형성된다. 하지만, 본 발명이 이러한 결정학적 구조(Crystal Structure)에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)을 포함하는 상기 다기능성 기판은 다음과 같은 금속 성분들; 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La)족 원소계열 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 첨가하여 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 다기능성 기판(MS) 상부에 적층 성장된 단결정 질화물계 반도체 박막층 내에 존재하는 전위 농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있다. 특히, 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위 밀도를 조절하기 위해서는 첨가되는 상기의 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질소산화물들이 분사상의 나노 상(Nano-phase) 형태로 존재하는 것이 더욱 더 바람직하다.

또한, 상기한 다기능성 기판(MS)에 첨가시키는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기한 다기능성 기판(MS)은 20 마이크론미터 이하의 두께로 형성된다.

바람직하게는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 등을 포함하는 상기 다기능성 기판은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응(Chemical Reaction)을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Thermal or E-beam Evaporation), 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Pulsed Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 형성된다.

더욱 바람직하게는 상기 다기능성 기판(MS)은 최초 기판(FS) 상부에 적층된 씨드 물질층(SML) 상부에 상기한 여러 방법으로 성장하는 공정을 이용하여 상온(Room Temperature) 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

본 발명에서 핵심 기술로서 높은 결정성(Crystallinity)을 갖는 다기능성 기판(MS)을 성공적으로 성장하기 위해서 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에 다기능성 기판(MS)을 성장하기 전에 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)을 도입한다.

상기한 씨드 물질층(SML)은 최초 기판(FS) 상부에 적층되며, 이 씨드 물질층 상부에 성장된 다기능성 기판(MS)층이 높은 결정성을 갖고, 더욱 바람직하게는 헥사곤알 결정 구조를 갖도록 도와주는 역할을 우선적으로 한다.

바람직하게는 상기한 씨드 물질층(SML)은 하기와 같은 금속(Metal), 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 카바이드(Carbide), 보라이드(Boride), 산소 질화물(Oxynitride), 카본 질화물(Carbonnitride), 또는 실리사이드(Silicide)들을 포함하는 적어도 한층(Single Layer) 이상으로 형성되며, 10마이크론 이하의 두께를 갖는다.

금속(Metal) : Ti, Si, W, Co, Ni, Mo, Sc, Mg, Ge, Cu, Be, Zr, Fe, Al, Cr, Nb, Re, Rh, Ru, Hf, Ir, Os, V, Pd, Y, Ta, Tc, La, 또는 희토류 금속(Rare-earth Metals),

산화물(Oxide) : BeO, CeO2, Cr2O3, HfO2, La2O3, MgO, Nb2O3, SiO2, Ta2O5, ThO2, TiO2, Y2O3, ZrO2, ZrSiO2,

질화물(Nitride) : AlN, GaN, InN, BN, Be3N2, Cr2N, HfN, MoN, NbN, Si3N4, TaN, Ta2N, Th2N3, TiN, WN2, W2N, VN, ZrN,

카바이드(Carbide) : B4C, Cr3C2, HfC, LaC2, Mo2C, Nb2C, SiC, Ta2C, ThC3, TiC, W2C, WC, V2C, ZrC,

보라이드(Boride) : AlB2, BeB2, CrB2, HfB2, LaB2, MoB2, MoB, NbB4, SiB6, TaB2, ThB4, TiB2, WB, VB2, ZrB2,

산소 질화물(Oxynitride) : AlON, SiON,

카본 질화물(Carbonnitride) : SiCN,

실리사이드(Silicide) : CrSi2, Cr2Si, HfSi2, MoSi2, NbSi2, TaSi2, Ta5Si3, ThSi2, Ti5Si3, WSi2, W5Si3, V3Si, ZrSi2,

10 마이크론 이하의 두께를 갖는 박막층으로 한다.

바람직하게는, 상기 씨드 물질층(SML)은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응(Chemical Reaction)을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Thermal or E-beam Evaporation), 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Pulsed Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 형성된다.

더욱 바람직하게는 상기한 씨드 물질층(SML)은 최초 기판(First Substrate) 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정을 이용하여 상온(Room Temperature) 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

또한 상기한 구조를 갖는 질화물계 발광소자를 제조하는 방법은,
사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 및 갈륨아세나이드(GaAs) 중 적어도 하나를 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS), 상기 최초 기판 상부에 형성된 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 및 상기 씨드 물질층상에 적층되는 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 포함하는 다층 구조체를 형성하는 단계;
상기 다층 구조체를 열처리하는 단계;
상기 다층 구조체를 MOCVD 장비에 장착하고 상기한 다기능성 기판(MS) 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)과 두꺼운 단결정 질화물계 박막층을 순차적으로 적층하는 단계;
상기 다기능성 기판(MS) 상부에 성장된 단결정 질화물계 박막층을 포함하고 있는 다층 구조체를 습식에칭(Wet etching) 또는 건식에칭(Dry etching) 공정을 사용하여 상기한 씨드 물질층(SML) 및 최초 기판(FS)을 제거하는 단계; 및
상기 다기능성 기판(MS)/단결정 질화물계 박막층으로 구성된 이중층(Bi-layer)의 결정성을 향상시키는 열처리 단계를 포함한다.
또한, 상기 다기능성 기판(MS)/단결정 질화물계 박막층을 갖는 구조체에 반사 및 투명 전극물질을 선택적으로 증착하고, 오믹 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 다층 구조체는 상기 최초 기판과 상기 씨드 물질층 사이에 형성된 아연산화물계 층(ZnO-based Layer)을 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 아연산화물계 박막층(ZnO-based Layer), 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 또는 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)로 구성된 박막층을 최초 기판(First Substrate : FM)인 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 기판 상부에 도입하여 양질의 단결정 질화물계 기판 성장 및 이를 이용한 바람직한 고품위 질화물계 광전소자 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

삭제

도면 1은 본 발명의 실시 예로서 최초 기판(First Substrate :FS) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)과 다기능성 기판을 성장한 후 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체가 성장된 적층 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도면 1(가)을 참조하면, 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(100) 상부에 단층 구조의 씨드 물질층(110) 및 다기능성 기판(120) 박막층을 성장 한 후에, MOCVD 챔버 내에서 1000도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체(130)가 성장 되어 적층되어 있다.

다기능성 기판(120)은 본 발명에서 가장 핵심적인 부분으로서 1000도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)를 사용한 환원 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)을 사용하여 형성된다.

바람직하게는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N)등을 포함하는 상기 다기능성 기판(120)은 헥사곤알 구조(Hexagonal Structure)를 갖는 단결정(Single Crystal), 또는 다결정체(Polycrystal)로 형성됨이 바람직하나, 본 발명은 상기 결정 구조(Crystal Structure)에 한정되지는 않는다.

바람직하게는, 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 등을 포함하는 상기 다기능성 기판(120)은 다음과 같은 금속들 ; 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La) 원소계열 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물 또는 질화물을 첨가하여 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 다기능성 기판(MS) 상부에 적층 성장된 단결정 질화물계 반도체 박막층내에 존재하는 전위 농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있다. 특히, 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도를 조절하기 위해서는 첨가되는 상기의 금속 산화물 또는 질소산화물들이 분사상의 나노 상(Nano-phase) 형태로 존재하는 것이 더욱 더 바람직하다.

또한 상기한 다기능성 기판(120)에 첨가시키는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기한 다기능성 기판(120)은 20 마이크론미터 이하의 두께로 형성된다.

바람직하게는 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 또는 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 등을 포함하는 상기 다기능성 기판(120)은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응(Chemical Reaction)을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Thermal or E-beam Evaporation), 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Pulsed Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 형성된다.

더욱 바람직하게는 상기한 다기능성 기판(120)은 최초 기판(100) 상부에 적층된 씨드 물질층(110) 상부에 상기한 여러 방법의 공정을 이용하되, 공정 중에 상온 내지 1500도 사이의 온도 범위에서 형성된다.

본 발명에서 핵심 기술인 높은 결정성을 갖는 다기능성 기판(120)을 성공적으로 성장하기 위해서 최초 기판(100) 상부에 다기능성 기판(120)을 성장하기 전에 씨드 물질층(110)을 형성한다.

상기한 씨드 물질층(110)은 최초 기판(100) 상부에 적층되며, 이 씨드 물질층(110) 상부에 성장된 다기능성 기판(120)층이 높은 결정성을 갖고, 더욱 바람직하게는 헥사곤알 구조(Hexagonal Crystalline Structure)를 갖도록 도와주는 역할을 우선적으로 한다.

바람직하게는 상기한 씨드 물질층(SML)은 하기와 같은 금속(Metal), 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 카바이드(Carbide), 보라이드(Boride), 산소 질화물(Oxynitride), 카본 질화물(Carbonnitride), 또는 실리사이드(Silicide)들을 포함하며, 적어도 한층(Single Layer) 이상으로 형성되고, 10마이크론 이하의 두께를 갖는다.

산소 질화물(Oxynitride) : AlON, SiON,

카본 질화물(Carbonnitride) : SiCN,

바람직하게는 상기한 씨드 물질층(110)은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응(Chemical Reaction)을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Thermal or E-beam Evaporation), 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Pulsed Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 제조된다.

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더욱 바람직하게는 상기한 씨드 물질층(110)은 최초 기판(100) 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중 상온 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 형성됨이 좋다.

또 다른 실시예로서 도면 1(나)을 참조하면, 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(100) 상부에 단층 구조의 씨드 물질층(110)를 갖는 도면 1(가)와는 달리 이중층(Bi-layer) 구조로 형성된 씨드 물질층(110a, 110b)이 형성되고, 상기 씨드 물질층(110b) 상면에서 상기 다기능성 기판(120)이 성장된다. 또한, 상기 다기능성 기판(120)의 상면에 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체(130)가 MOCVD 챔버내에서 1000도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 성장한 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체(130)가 성장 되어 적층된다.

상기한 도면 1(나)에서처럼 이중층 구조의 씨드 물질층(110a,110b)을 적용할 경우, 양질의 다기능성 기판(120)을 형성시킬 수 있을 뿐만이 아니라 고품위 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체를 성장할 수 있다.

상기한 이중층 구조의 씨드 물질층(110a,110b)은 서로 다른 물질로 적층하는 것이 바람직하다.

도면 2는 본 발명의 실시 예로서 최초 기판(First Substrate :FS) 상부에 아연산화물계(ZnO-based Layer) 박막층, 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 및 다기능성 기판(MS)을 순차적으로 성장한 후 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체가 성장된 적층 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도면 2를 참조하면, 단층 또는 이중층 구조의 씨드 물질층(210)과 양질의 다기능성 기판(220)을 이용하여 고품위 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체(230)를 성장한 다음, 습식(Wet ectching) 또는 건식 에칭(Dry Etching) 공정을 통해서 단결정 질화물계 박막층 또는 발광구조체에 어떠한 에칭 데미지없이 두꺼운 최초 기판(200)을 비교적 용이하게 제거하기 위해서 최초 기판(200) 상부에 씨드 물질층(210)을 증착하기 전에 산과 염기성 용액(Acid and Base Solution)에서 쉽게 녹아 사라지는 아연산화물계 박막층(240)을 도입하였다.

상기한 아연산화물계 박막층(240)은 아연산화물(ZnO)을 포함하는 박막층에 다음과 같은 원소들;,

실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La)족으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한 상기한 아연산화물계 박막층(240)에 첨가시키는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기한 아연산화물계 박막층(240)은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응(Chemical Reaction)을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Thermal or E-beam Evaporation), 강한 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Pulsed Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 형성된다.

더욱 바람직하게는 상기 아연 산화물계 박막층(240)은 최초 기판(200) 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정을 이용하여 상온 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 수행하는 것이 좋다.

도면 3은 본 발명의 실시 예로서 아연산화물계(ZnO-based Layer) 또는 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML) 및 다기능성 기판(Multifunctional Substrate :MS)을 이용하여, 다기능성 기판(MS) 상부에 성장된 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체에서 아연산화물계 또는 씨드 물질층을 완전히 제거한 후의 적층 구조를 보인 단면도이다.

도면 3을 참조하면, 상기한 도면 1 및 2 다층 구조에서 산(Acid) 또는 염기(Base) 용액(Solution)을 이용한 습식에칭(Wet Etching) 또는 수소(H2) 개스를 비롯해서 다양한 개스 이온을 이용하는 건식에칭(Dry Etching)으로 두꺼운 최초 기판(100 또는 200), 아연산화물계 박막층(240) 또는 씨드 물질층(110 또는 210)을 완전히 제거하고, 다기능성 기판(320) 상부에 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체(330)가 적층되어 있는 구조이다.

바람직하게는, 다기능성 기판(320) 상부에 성장된 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체의 결정학적 또는 전기적 특성을 향상시키기 위해서, 상온 내지 1500도 온도 범위 내에서 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 진공(Vacuum), 또는 공기(Air) 분위기에서 열처리를 수행한다.

도면 4는 본 발명의 소자 실시 예에 따른 아연산화물계(ZnO-based Layer) 또는 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML) 및 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 이용하여 제작된 수직형 상부 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

도면 4와 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도면 3에서처럼 다기능성 기판(410) 상부에 질화물계 버퍼층(420)과 양질의 질화물계 발광구조체, 즉 n형 질화물계 클래드층(430), 질화물계 활성층(440), 및 p형 질화물계 클래드층(450)을 순차적으로 적층한 후에 질화물계 발광소자 제작 중에 발광구조체의 분해를 막기 위해서 p형 질화물계 반도체 상부에 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 부착한 후에 리소그래피(Lithography) 및 에칭공정을 통해서 다기능성 기판(410)을 다양한 간격과 크기로 패터닝 작업을 한 다음, 고반사성 n형 오믹컨택트층(480)을 형성시킨 후에 두꺼운 금속 반사막(490)을 증착한다. 또한 연이은 공정으로서 p형 질화물계 반도체 상부에 부착된 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 제거하고 고투명 p형 오믹접촉 전극(460)을 형성시켜서 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 제작한다.

본 발명에 따른 양질의 단결정 질화물계 반도체를 이용한 고품위 발광소자 제작을 위한 상기한 바와 같은 공정 흐름이 반드시 도면에 도시된 것으로 한정되지는 않는다. 다시 말하자면, 차세대 백색광원으로 필요한 고신뢰성 발광소자를 제작하기 위해서 필요한 기술접목을 위해서 상기 공정 흐름도는 변경될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 최초 기판(FS) 상부에 크롬산화물(Cr2O3)와 같은 씨드 물질층(SML)을 증착하고, 상기 씨드 물질층(SML) 상부에 단결정 알루미늄산화물(Al2O3)과 같은 다기능성 기판(MS)을 성장하며, 상기 다기능성 기판(MS)상에 질화물계 버퍼층(420), n형 질화물계 클래드층(430), 질화물계 활성층(440), p형 질화물계 클래드층(450)으로 구성된 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층하여 고품질 수직형 질화물계 발광소자를 형성한다.

일반적으로 질화물계 버퍼층(420)으로부터 p형 질화물계 클래드층(450)까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 질화물계 클래드층(430) 및 p형 질화물계 클래드층(450)에는 해당 도펀트가 첨가된다.

또한 질화물계 활성층(440)은 단층(Singe) 또는 Multiple Quatum Well (MQW) 층은 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수)층과 같은 이중층으로 구성될 수 있다.

상기한 질화물계 발광소자를 구성하는 일예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(420)은 GaN으로 형성되고, n형 질화물계 클래드층(430)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층 (440)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 질화물계 클래드층(450)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.

n형 질화물계 클래드층(430)과 금속 반사막(490) 사이에는 고반사성 n형 오믹컨택트층(480)이 개재될 수 있고, 고반사성 n형 오믹컨택트층(480)은 알루미늄/타이타늄(Al/Ti)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 두꺼운 다양한 구조가 적용될 수 있다. 또한 금속 반사막(490)을 구성하는 물질로는 두꺼운 알루미늄(Al), 은(Ag), 및 로듐(Rh) 등의 두꺼운 반사금속을 적용하는 것이 바람직하다.

고투명성 p형 오믹컨택층(460)은 ITO, ZnO, SnO2, In2O3을 모체로 하는 산화물 합성체인 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxides), TiN 등의 전도성 천이금속 질화물(Conducting Transitional Metal Nitrides), 또는 산화된 니켈-금(Ni-Au), 은(Ag) 등의 공지된 p형 오믹접촉 형성에 유리한 전극물질을 이용하여 형성하며, 더불어서 p형 전극패드(470)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등의 증착 방식이 적용될 수 있다.

도면 5는 본 발명의 소자 실시 예에 따른 아연산화물계 또는 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML) 및 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 이용하여 제작된 수직형 플립칩형 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

도면 5와 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도면 3에서처럼 다기능성 기판(510) 상부에 질화물계 버퍼층(520)과 양질의 질화물계 발광구조체, 즉 n형 질화물계 클래드층(530), 질화물계 활성층(540), 및 p형 질화물계 클래드층(550)을 순차적으로 적층한 후에 질화물계 발광소자 제작 중에 발광구조체의 분해를 막기 위해서 p형 질화물계 반도체 상부에 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 부착한 후에 리소그래피(Lithography) 및 에칭공정을 통해서 다기능성 기판(510)을 다양한 간격과 크기로 패터닝 작업을 한 다음, 고투명성 n형 오믹컨택트층(580)을 형성시킨 후에, 두꺼운 고투명성 전극(590)을 증착한다. 또한 연이은 공정으로서 p형 질화물계 반도체 상부에 부착된 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 제거하고 고반사성 p형 오믹접촉 전극(560)을 형성시켜서 수직형 플립칩형 질화물계 발광소자를 제작한다.

본 발명에 따른 양질의 단결정 질화물계 반도체를 이용한 고품위 발광소자 제작을 위한 상기한 바와 같은 공정 절차가 상기한 공정 흐름도에 제시된 것에 반드시 한정될 필요는 없다. 다시 말하자면, 차세대 백색광원으로 필요한 고신뢰성 발광소자를 제작하기 위해서 필요한 기술접목을 위해서 이들 공정 흐름도는 다소 변경될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 최초 기판(FS) 상부에 아연산화물 박막층(ZnO) 또는 몰리브데늄(Mo) 금속과 같은 씨드 물질층(SML)을 증착하고, 상기 씨드 물질층(SML)상에 단결정 알루미늄산화물(Al2O3)과 같은 다기능성 기판(MS)을 성장시키며, 상기 다기능성 기판(MS)상에 질화물계 버퍼층(520), n형 질화물계 클래드층(530), 질화물계 활성층(540) 및 p형 질화물계 클래드층(550)으로 구성된 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층한다. 그 결과, 본 발명에 따른 고품질 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 완성한다.

일반적으로, 질화물계 버퍼층(520)으로부터 p형 질화물계 클래드층(550)까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 질화물계 클래드층(530) 및 p형 질화물계 클래드층(550)에는 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(540)은 단층(Singe Layer) 또는 Multiple Quatum Well (MQW) 층은 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수)층과 같은 이중층으로 구성될 수 있다.

상기한 질화물계 반도체 발광소자를 구성하는 일예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(520)은 GaN으로 형성되고, n형 질화물계 클래드층(530)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층 (540)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 질화물계 클래드층(550)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.

n형 질화물계 클래드층(530)과 고투명성 전도층(590) 사이에는 고투명성 n형 오믹컨택트층(580)이 개재될 수 있고, 고투명성 n형 오믹컨택트층(580)은 ITO, ZnO, SnO2, In2O3을 모체로 하는 산화물 합성체인 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxides) 및 TiN 등의 전도성 천이금속 질화물(Conducting Transitional Metal Nitrides) 등의 공지된 n형 오믹접촉 형성에 유리한 전극물질들로 우선적으로 형성하며, 또한 고투명성 전도층(590) 물질로는 두꺼운 ITO, ZnO, SnO2, In2O3을 모체로 하는 산화물 합성체인 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxides) 및 TiN 등의 전도성 천이금속 질화물(Conducting Transitional Metal Nitrides)을 우선적으로 적용하는 것이 바람직하다.

고반사성 p형 오믹컨택층(560)은 은(Ag), 로듐(Rh), 알루미늄(Al) 등의 공지된 고반사성 p형 오믹접촉 형성에 유리한 전극물질들로 우선적으로 형성하며, 더불어서 p형 전극패드(570)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.

도면 6과 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도면 3에서처럼 다기능성 기판(MS) 상부에 질화물계 버퍼층과 양질의 질화물계 발광구조체, 즉 n형 질화물계 클래드층(650), 질화물계 활성층(640), 및 p형 질화물계 클래드층(630)을 순차적으로 적층한 후에 질화물계 발광소자 제작 중에 발광구조체의 분해를 막기 위해서 p형 질화물계 반도체 상부에 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 부착한 후에 습식 또 건식 에칭공정을 통해서 다기능성 기판(MS)을 완전히 제거한 다음, 고반사성 본딩 p형 오믹컨택트층(620)을 본딩 물질을 이용하여 지지 기판(610)과 접착시킨다. 또한 연이은 공정으로서 n형 질화물계 반도체 상부에 부착된 제 2의 지지 기판(Second Supporting Substrate)을 제거하고 고투명 n형 오믹접촉 전극(660)을 형성시켜서 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 제작한다.

본 발명에 따른 양질의 단결정 질화물계 반도체를 이용한 고품위 발광소자를 제작함에 있어서, 그 공정 절차가 반드시 상기한 공정 흐름도에 제시된 순서로 한정되는 것은 아니마. 다시 말하자면, 차세대 백색광원으로 필요한 고신뢰성 발광소자를 제작하는데 필요한 기술 접목을 위해서 이들 공정 흐름도는 약간씩 변경될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(FS) 상부에 아연산화물 박막층(ZnO), 타이타늄(Ti) 금속과 같은 씨드 물질층(SML)을 증착하고, 상기 씨드 물질층상에 단결정 알루미늄산화물(Al2O3)과 같은 다기능성 기판(MS)을 성장시키며, 상기 다기능성 기판(MS)상에 질화물계 버퍼층과 함께 n형 질화물계 클래드층(650), 질화물계 활성층(640) 및 p형 질화물계 클래드층(630)을 포함하는 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층함으로써, 본 발명에 따른 고품질 수직형 발광 질광물계 발광소자를 제조한다.

일반적으로 질화물계 버퍼층으로부터 p형 질화물계 클래드층(630)까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 질화물계 클래드층(650) 및 p형 질화물계 클래드층(630)에는 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(640)은 단층(Singe) 또는 Multiple Quatum Well (MQW) 층은 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수) 등과 같은 이중층으로 구성될 수 있다.

상기한 질화물계 반도체 발광소자를 구성하는 일예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층은 GaN으로 형성되고, n형 질화물계 클래드층(630)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(640)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 질화물계 클래드층(630)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.

n형 질화물계 클래드층(650)과 고반사성 n형 전극패드(670) 사이에는 고투명성 n형 오믹컨택트층(660)이 개제될 수 있고, 고투명성 n형 오믹컨택층(660)은 ITO, ZnO, SnO2, In2O3을 모체로 하는 산화물 합성체인 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxides) 및 TiN 등의 전도성 천이금속 질화물(Conducting Transitional Metal Nitrides) 등의 공지된 n형 오믹접촉 형성에 유리한 전극물질을 우선적으로 형성하며, 더불어서 n형 전극패드(670)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다. 고반사성 p형 오믹컨택트층(620)은 은(Ag) 및 로듐(Rh) 반사성 금속을 모체로 하는 합금 또는 고용체를 이용한 층구조 등 공지된 두꺼운 다양한 구조가 적용될 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명은 단결정 질화물계 박막 기판 성장을 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고온 및 수소 분위기에서 단결정 질화물계 반도체 성장 시에 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 또는 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS) 상부에서 발생되는 기계 및 열적 변형(Strain)과 분해(Decomposition)를 막기 위해서 도입된 아연산화물계 박막층(ZnO-based Layer), 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 및 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 이용하여 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 기판용 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체를 제공함으로써 높은 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능(Heat Dissipation)을 갖는 신개념의 고품위 질화물계 발광소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 및 갈륨아세나이드(GaAs) 중 적어도 하나를 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS);

상기 최초 기판 상부에 형성된 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML);

상기 씨드 물질층상에 적층되는 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS; 및

상기 다기능성 기판(MS) 상부에 형성되며, 3족 원소(Ga, In, Al, B)와 질소(N2)로 구성되는, 호모에피텍셜 성장(Homoepitaxial Growth)을 위한 단결정 질화물계 박막층 또는 발광소자용 발광구조체를 포함하며,

상기 다기능성 기판(MS) 상부에 형성된 질화물계 반도체 박막층은 600도 이하의 온도와 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 성장한 저온 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)과 1000도 이상의 고온과 수소 및 암모니아 개스 를 포함하는 환원 분위기에서 성장한 기판용 단결정 질화물계 다층 박막 또는 질화물계 저온 버퍼층 상부에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최초 기판 상부에 형성된 아연산화물계 박막층(ZnO-based Layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS) 상부에 질화물계 저온 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함한 단결정 질화물계 반도체 박막층을 형성한 적층구조에서, 산 또는 염기 용액 등을 이용하여 식각하는 습식에칭(Wet Etching) 또는 적어도 수소(H2) 개스 이온을 포함한 건식에칭(Dry Etching) 방법을 이용하여 상기 최초 기판(FS), 상기 아연산화물계 박막층 및 상기 씨드 물질층(SML)을 완전히 제거하여 호모에피택셜(Homo-epitaxail) 성장용 기판을 제공하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 n형 질화물계 클래드층 및 p형 질화물계 클래드층 상부에 각각 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 외부로 축출하는 방식에 따라서 고투명 또는 고반사성 오믹접촉 전극을 형성시킨 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 최초 기판(FS)에 상기 아연산화물계 박막층, 씨드 물질층(SML), 다기능성 기판(MS), 그리고 상기 n형 및 p형 오믹접촉 전극을 형성하는 공정은 상온 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 수행되며, 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)를 포함하는 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition) 방법, 열 또는 이빔 증착(Thermal or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔(Laser Beam)을 이용한 증착(Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 및 아르곤(Ar) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 개스(Gas) 이온을 사용한 스퍼터링 증착(Sputtering Deposition), 및 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착(Co-sputtering Deposition)중 적어도 어느 하나를 포함하는 물리적 증착(Physical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 아연산화물계 박막층은 아연산화물(ZnO)로 형성되거나 또는 아연산화물(ZnO)에 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La)족 원소 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 첨가하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS) 상부에 질화물계 저온 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함한 단결정 질화물계 반도체 박막층을 형성한 적층구조에서, 산 또는 염기 용액 등을 이용하여 식각하는 습식에칭(Wet Etching) 또는 적어도 수소(H2) 개스 이온을 포함한 건식에칭(Dry Etching) 방법을 이용하여 상기 최초 기판(FS) 및 상기 씨드 물질층(SML)을 완전히 제거하여 호모에피택셜(Homo-epitaxail) 성장용 기판을 제공하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 질화물계 클래드층 및 p형 질화물계 클래드층 상부에 각각 상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 외부로 축출하는 방식에 따라서 고투명 또는 고반사성 오믹접촉 전극을 형성시킨 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 최초 기판(FS)에 상기 씨드 물질층(SML), 다기능성 기판(MS), 그리고 상기 n형 및 p형 오믹접촉 전극을 형성하는 공정은 상온 내지 1500도 사이의 온도 범위 내에서 수행되며, 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD)를 포함하는 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition) 방법, 열 또는 이빔 증착(Thermal or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔(Laser Beam)을 이용한 증착(Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 및 아르곤(Ar) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 개스(Gas) 이온을 사용한 스퍼터링 증착(Sputtering Deposition), 및 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착(Co-sputtering Deposition)중 적어도 어느 하나를 포함하는 물리적 증착(Physical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS)은 알루미늄 산화물(Al-O), 알루미늄 질화물(Al-N), 알루미늄 질소산화물(Al-N-O), 갈륨 질화물(Ga-N), 보론 질화물(B-N), 실리콘 카바이드(Si-C), 및 실리콘 카본 질화물(Si-C-N) 중 적어도 하나를 포함하며, 헥사곤알 구조(Hexagonal Structure)를 갖는 단결정(Single Crystal), 또는 적어도 다결정(Polycrystal)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제10항 있어서,

상기 다기능성 기판(MS)은 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La)족 중 적어도 하나 이상의 성분을 포함하는 산화물 또는 질화물이 첨가된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제11항 있어서,

상기 다기능성 기판은 단결정의 질화물계 박막층이며, 상기 첨가되는 물질이 분사 모양의 나노상(Nano-phase) 형태인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제10항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS)에 첨가되는 물질의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제13항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS)은 20 마이크론미터 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML)은 금속(Metal), 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 카바이드(Carbide), 보라이드(Boride), 산소 질화물(Oxynitride), 카본 질화물(Carbonnitride), 및 실리사이드(Silicide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 한층(Single Layer) 이상으로 형성되며,

상기 금속(Metal)은 Ti, Si, W, Co, Ni, Mo, Sc, Mg, Ge, Cu, Be, Zr, Fe, Al, Cr, Nb, Re, Rh, Ru, Hf, Ir, Os, V, Pd, Y, Ta, Tc, La, 및 희토류 금속(Rare-earth Metals) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

상기 산화물(Oxide)은 BeO, CeO2, Cr2O3, HfO2, La2O3, MgO, Nb2O3, SiO2, Ta2O5, ThO2, TiO2, Y2O3, ZrO2, 및 ZrSiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

상기 질화물(Nitride)은 AlN, GaN, InN, BN, Be3N2, Cr2N, HfN, MoN, NbN, Si3N4, TaN, Ta2N, Th2N3, TiN, WN2, W2N, VN, 및 ZrN 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

상기 카바이드(Carbide)는 B4C, Cr3C2, HfC, LaC2, Mo2C, Nb2C, SiC, Ta2C, ThC3, TiC, W2C, WC, V2C, 및 ZrC 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

상기 보라이드(Boride)는 AlB2, BeB2, CrB2, HfB2, LaB2, MoB2, MoB, NbB4, SiB6, TaB2, ThB4, TiB2, WB, VB2, 및 ZrB2 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

산소 질화물(Oxynitride)은 AlON 및 SiON 중 적어도 어느 하나를 포함하고,

상기 카본 질화물(Carbonnitride)은 SiCN를 포함하고,

상기 실리사이드(Silicide)는 CrSi2, Cr2Si, HfSi2, MoSi2, NbSi2, TaSi2, Ta5Si3, ThSi2, Ti5Si3, WSi2, W5Si3, V3Si, 및 ZrSi2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제15항에 있어서,

상기 씨드 물질층은 10 마이크론 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 아연산화물(ZnO), 및 갈륨아세나이드(GaAs) 중 적어도 하나를 포함하는 최초 기판(First Substrate : FS), 상기 최초 기판 상부에 형성된 씨드 물질층(Seed Material Layer : SML), 및 상기 씨드 물질층상에 적층되는 다기능성 기판(Multifunctional Substrate : MS)을 포함하는 다층 구조체를 형성하는 단계;

상기 다층 구조체를 열처리하는 단계;

상기 다층 구조체를 MOCVD 장비에 장착하고 상기한 다기능성 기판(MS) 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)과 두꺼운 단결정 질화물계 박막층을 순차적으로 적층하는 단계;

상기 다기능성 기판(MS) 상부에 성장된 단결정 질화물계 박막층을 포함하고 있는 다층 구조체를 습식에칭(Wet etching) 또는 건식에칭(Dry etching) 공정을 사용하여 상기한 씨드 물질층(SML) 및 최초 기판(FS)을 제거하는 단계; 및

상기 다기능성 기판(MS)/단결정 질화물계 박막층으로 구성된 이중층(Bi-layer)의 결정성을 향상시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,

상기 다기능성 기판(MS)/단결정 질화물계 박막층을 갖는 구조체에 반사 및 투명 전극물질을 선택적으로 증착하고, 오믹 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,

상기 다층 구조체는 상기 최초 기판과 상기 씨드 물질층 사이에 형성된 아연산화물계 층(ZnO-based Layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,

상기 열처리 단계는 1500도 이하의 온도에서 질소(N2), 산소(O2), 공기, 아르곤(Ar), 및 수소(H2) 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 행해지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.