KR102140315B1 - 광전자 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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나탈리 데슈
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필리프 질렛
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알레디아
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Abstract

본 발명은 광전자 장치(10)에 관한 것으로, 상기 장치는 기판(14); 상기 기판의 표면(16)에 있는 접촉부(18)들; 각각 접촉부를 포함하는 반도체 소자(24)들; 각 접촉부의 적어도 측면 모서리(21)를 적어도 덮고, 상기 측면 상에서 상기 반도체 소자들의 성장을 방지하는 분할물(23); 및 상기 표면(16)으로부터 상기 기판(14)으로 연장되며 및, 각 쌍의 패드(18)들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는 유전체 부위(22)를 포함한다.

Description

광전자 장치 및 이의 제조 방법{Optoelectronic device and method for manufacturing same}
본 특허 출원은 프랑스 특허 출원 제FR13/52794호 및 제FR12/60232호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 반도체 물질, 반도체 물질에 기반한 장치 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 삼차원 소자, 특히 반도체 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 장치에 관한 것이다.
주된 요소로서 III 족 원소와 V 족 원소를 포함하는, 이하에서 III-V 화합물로 지칭하게 되는, 성분 (예를 들어, 질화 갈륨 GaN)에, 또는 주된 요소로서 II 족 원소와 VI 족 원소를 포함하는, 이하에서 II-VI 화합물로 지칭하게 되는, 성분 (예를 들어, 산화 아연 ZnO)에 기반한 마이크로와이어들이나 나노와이어들은 반도체 물질을 포함하는 마이크로와이어들이나 나노와이어들의 예이다. 그러한 마이크로와이어들이나 나노와이어들은 광전자 장치들과 같은 반도체 장치들을 제조할 수 있게 한다. 용어 "광전자 장치"는 전기 신호를 전자기 복사로 또는 그 반대로 전환할 수 있는 장치, 특히 전자기 복사의 검출, 측정 또는 방출에 전용된 장치나 광전지 적용에 전용된 장치를 일컫는 데 사용된다.
반도체 물질 마이크로와이어 또는 나노와이어들을 제조하는 방법은 각 마이크로와이어 또는 나노와이어의 기하적 구조, 위치 및 결정성 특성을 정확하고 균일하게 제어하면서 마이크로와이어 또는 나노와이어들을 제조할 수 있어야 한다.
미국 특허 제7829443호는 나노와이어를 제조하는 방법으로서, 기판의 평탄 표면 상에 유전체 물질 층을 적층하고, 상기 유전체 물질 층에 개구부를 에칭하여 상기 기판의 일부를 노출시키고, 상기 개구부에 나노와이어들의 성장을 촉진하는 물질 일부를 충전하고 및 상기 개구부에 나노와이어들을 형성하는 것을 포함하는 방법을 개시하고 있다. 상기 유전체 물질은 상기 나노와이어들이 그 위에서 직접적으로 성장하는 성향이 없는 것으로 선택된다.
마이크로와이어들 또는 나노와이어들에서, 전기적 신호를 전자기 복사로 또는 전자기 복사를 전기적 신호로 전환하는 최선의 가능한 특성을 발휘하기 위해서는, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어가 실질적으로 단일-결정 구조를 가지는 것이 바람직하다. 특히, 상기 마이크로와이어들이나 나노와이어들이 제1원소 및 제2원소에 기반한 물질, 예를 들어, III-V 또는 II-VI 화합물로 주로 형성될 때, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어가 그 마이크로와이어 또는 나노와이어 전체를 통틀어 일정한 극성을 실질적으로 가지는 것이 바람직하다.
그러나, 미국 특허 제7829443호에 설명된 방법으로는, 상기 나노와이어 성장이 방해될 수 있어서, 각 나노와이어가 단일-결정 구조를 가지지 못할 수 있다. 특히, 상기 나노와이어들이 제1원소 및 제2원소에 기반한 물질, 예를 들어, III-V 또는 II-VI 화합물로 주로 형성될 때, 나노와이어 중심부에서의 극성에 대하여 반대 극성을 가지는 주변 층이 상기 나노와이어 측면에 나타날 수 있다.
이것은 특히 결정립계에서 결함 형성을 야기할 수 있고, 전기적 신호를 전자기 복사로 또는 그 반대로 전환하는 효율을 변하게 할 수 있다.
따라서, 일 실시예는 특히, 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 광전자 장치와 전술한 방법의 전술한 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
다른 실시예는 유전체 물질 층에서 형성된 개구부를 통해, 삼차원 소자, 특히 반도체 물질 마이크로와이어 또는 나노와이어 층을 형성하지 않는 것을 제공한다.
다른 실시예는 반도체 물질로 만든 삼차원 소자, 특히, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어는 실질적으로 단일-결정 구조를 가지는 것을 제공한다.
다른 실시예는 반도체 물질로 만든 각 삼차원 소자, 특히 각 마이크로와이어 또는 나노와이어의 위치, 기하학적 구조, 및 결정성 특성을 정확하고 균일하게 제어하는 가능성을 제공한다.
다른 실시예는 반도체 물질로 만든 삼차원 소자, 특히 마이크로와이어 또는 나노와이어를 산업적 규모 및 낮은 가격에서 형성하는 가능성을 제공한다.
따라서, 일 실시예는:
기판;
상기 기판의 표면에 있는 패드들;
각각 패드 상에 놓여 있는 반도체 소자들; 및
각 패드의 측면 모서리를 적어도 덮고, 상기 측면 상에서 상기 반도체 소자들의 성장을 방지하는 분할물을 포함하는 광전자 장치를 제공한다
일 실시예에 따라서, 상기 장치는 상기 기판에서 전술한 표면으로부터 연장되며 및 각 쌍의 패드들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는 유전체 부위를 더 포함한다.
일 실시예에 따라서, 상기 기판은 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘, III-V 화합물, II-VI 화합물, 및 이들 화합물들의 조합물을 포함하는 군으로부터 선택된 제1 반도체 물질로 만들어 진다.
각 소자는 상기 패드들 중 하나와 접촉하고 있는 제2 반도체 물질로서, 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘, III-V 화합물, II-VI 화합물 및 이들 화합물들의 조합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 제2 반도체 물질을 주되게 포함하는 적어도 일 분할물을 포함한다.
일 실시예에 따라서, 각 패드의 두께는 1　nm 내지 100　nm 범위이고 및 상기 기판은 각 패드와 전기적으로 접촉하고 있다.
일 실시예에 따라서, 각 반도체 소자는 마이크로와이어, 나노와이어, 원뿔형 소자, 또는 테이퍼된 소자이다.
일 실시예는:
기판을 제공하는 단계;
상기 기판의 표면 상에 패드들을 형성하는 단계;
각 패드의 적어도 측면들을 덮는 분할물을 형성하는 단계; 및
각각 패드 상에 놓여 있는 반도체 소자들을 형성하는 단계를 순차적으로 포함하며, 상기 분할물은 상기 측면 상에서 상기 반도체 소자들의 성장을 방지하는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치를 제조하는 방법을 또한 제공한다.
일 실시예에 따라서, 상기 분할물은 절연 물질로 만들어 진다.
일 실시예에 따라서, 상기 분할물을 형성하는 단계는 패드들 간의 표면 상에 연장되고 상기 측면과 접촉되어 있는 유전체 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따라서, 상기 유전체 영역을 형성하는 단계는:
제1 유전체 물질의 제1 유전체 층을 상기 기판과 상기 패드들 상에 적층하는 단계로서, 상기 제1 유전체 층은 상기 패드들 상에서 범프들을 형성하는 단계;
상기 제1 유전체 층 상에, 제1 유전체 물질과는 상이한 제2 유전체 물질의 제2 유전체 층을 적층하는 단계;
상기 제2 유전체 층을 화학적 기계 연마로 제거하여 상기 제1 유전체 층의 범프들을 노출 시키는 단계; 및
상기 제1 유전체 층 및 제2 유전체 층의 잔류 부분을 에칭하여 상기 패드들의 정부들을 노출시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 기판에서 전술한 표면으로부터 연장되며 및, 각 쌍의 패드들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는 유전체 부위를 형성하는 것을 더 포함한다.
일 실시예에 따라서, 상기 부위는 상기 기판을 산화 또는 질화시킴으로써 형성된다.
일 실시예에 따라서, 상기 방법은:
상기 기판 상에 층을 적층하는 단계;
상기 층 상에 절연 블록들을 형성하는 단계;
상기 절연 블럭들로 덮히지 않은 층의 부분들을 에칭하여 상기 패드들을 형성하는 단계;
상기 패드들의 면, 및 상기 패드들로 덮이지 않은 기판의 부분들을 산화시키는 단계; 및
상기 절연 블럭들을 제거하는 단계를 연속적으로 포함한다.
일 실시예에 따라서, 상기 방법은:
상기 기판 상에 층을 적층하는 단계;
상기 층 상에 절연 블록들을 형성하는 단계;
상기 절연 블럭들로 덮히지 않은 층의 부분들을 에칭하여 상기 패드들을 형성하는 단계;
상기 절연 블록들을 제거하는 단계;
상기 패드들 및 상기 패드들 사이의 기판을 덮는 유전체 층을 적층하는 단계; 및
상기 유전체 층을 이방성 에칭하여 상기 기판으로부터 및 상기 패드들의 정부로부터 상기 유전체 층을 제거하고 및 상기 측면 상에 상기 유전체 층의 분할물들을 남겨놓는 단계;
상기 패드들로 덮히지 않은 기판의 부분들 및 가능하게는 상기 패드들의 정부를 질화시키는 단계를 연속적으로 포함한다.
전술한 및 다른 특징과 장점들이 특정 예의 하기 비제한적 설명에서 도면과 연계하여 논의될 것이다. 도면에서:
도 1a 내지 1c는 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 광전자 장치를 제조하는 공지 방법의 연속적 단계들에서 획득한 구조체들의 부분적 개략적 단면도이다;
도 2는 도 1a 내지 1c와 연계하여 설명된 방법으로 획득한 마이크로와이어 또는 나노와이어의 부분적 개략적 단면도이다
도 3 은 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 광전자 장치의 실시예의 부분적 개략적 단면도이다;
도 4a 내지 4i는 도 3의 광전자 장치를 제조하는 방법의 일 실시예의 연속적 단계들에서 획득한 구조체들의 부분적 개략적 단면도이다;
도 5a 및 5b 는 도 3의 광전자 장치를 제조하는 방법의 다른 실시예의 연속적 단계들에서 획득한 구조체의 부분적 개략적 단면도이다;
도 6은 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 광전자 장치의 다른 실시예의 부분적 개략적 단면도이다;
도 7a 내지 7d는 도 6의 광전자 장치를 제조하는 방법의 다른 실시예의 연속적 단계들에서 획득한 구조체들의 부분적 개략적 단면도이다;
도 8은 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 광전자 장치의 다른 실시예의 부분적 개략적 단면도이다; 및
도 9는 피라미드형 삼차원 소자를 가지는 광전자 장치의 일 실시예의 부분적 개략적 단면도이다.
명확하게 하기 위해, 동일한 요소들은 상이한 도면에서 동일한 참조 부호가 부여되었고, 또한, 전자 회로의 표식에서 통상적으로 사용되는 바와 같이, 다양한 도면들은 동일 축적화되어 있지 않다. 또한, 본 발명을 이해하는 데 유용한 요소들만이 나타나고 설명될 것이다. 특히, 후술되는 광전기 장치를 제어하는 수단은 당해 분야의 숙련자의 능력에 속하여 있으므로 따로 설명하지 않는다.
하기 설명에서, 별 달리 언급되지 않는 한, 용어 "실질적으로", "대략", 및 "약"은 "10% 내"를 의미한다. 또한, "물질로 주로 형성된 화합물" 또는 "물질에 기반한 화합물"은 화합물이 상기 물질의 95% 이상, 바람직하게는 99% 이상의 비율을 포함한다는 것을 의미한다.
본 발명은, 삼차원 소자들, 예를 들어, 마이크로와이어들, 나노와이어들, 또는 피라미드 형상의 소자들의 제조에 관한 것이다. 하기 설명에서, 실시예들은 마이크로와이어들 또는 나노와이어들의 제조에 대하여 설명된다. 하지만, 그러한 실시예들은 마이크로와이어들 또는 나노와이어들보다는 삼차원 소자들의 제조, 예를 들어, 삼차원 피라미드 형상의 소자들의 제조를 위해 이행될 수 있다.
용어 "마이크로와이어" 또는 "나노와이어"는 가늘고 긴 형상의 삼차원 구조체를 나타내는 것으로, 부차 차원으로 지칭되는 적어도 두 개 차원은 5　nm 내지 2.5　μm 범위, 바람직하게는 50　nm 내지 2.5　μm 범위의 규모이고, 주 차원으로 지칭되는 제3 차원은 적어도 상기 부차 차원 중 가장 큰 것의 1 배와 동일하고, 바람직하게는 5 배와 동일하거나, 더 바람직하게는 10배 이상이다. 특정 실시예에서, 상기 부차 차원들은 약 1　μm 이하일 수 있고, 바람직하게는 100　nm 내지 1　μm, 및 더욱 바람직하게는 100　nm 내지 300　nm 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어의 높이는 500　nm 이상일 수 있고, 바람직하게는 1　μm 내지 50　μm 범위이다.
하기 설명에서, 용어 "와이어"는 "마이크로와이어 또는 나노와이어"를 의미하는 것으로 사용된다. 바람직하게는, 와이어의 우선적 방향에 수직인 면 상으로 있는, 단면의 중력 중심들을 지나는, 와이어의 중간선은 실질적으로 직선이고, 이후 상기 와이어의 "축"으로 불리운다.
상기 와이어의 단면은 예를 들어, 타원형, 원형 또는 다각형, 특히, 삼각형, 사각형, 정사각형, 또는 육각형과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 와이어의 또는 이러한 와이어 상에 적층된 층의 단면과 연관하여 언급되는 용어 "직경"은, 예를 들어, 와이어 단면과 동일한 표면적을 가지는 디스크의 직경에 상응하는, 이러한 단면에서의 타겟 구조의 표면적과 연관된 양을 나타낸다.
상기 와이어는 적어도 하나의 반도체 물질로부터 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 상기 반도체 물질은 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘, III-V 화합물, II-VI 화합물, 또는 이들 화합물들의 조합물일 수 있다.
상기 와이어는 III-V 화합물, 예를 들어, III-N 화합물을 주로 함유하는 반도체 물질로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. III 족 원소들의 예는 갈륨 (Ga), 인듐 (In), 또는 알루미늄 (Al)을 포함한다. III-N 화합물의 예는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, 또는 AlInGaN이다. 다른 V족 원소들, 예를 들어, 인 또는 비소들을 또한 사용할 수 있다. 일반적으로, 상기 III-V 화합물 내의 원소들은 상이한 몰 분율로 조합될 수 있다.
상기 와이어는 II-VI 화합물을 주로 포함하는 반도체 물질로부터 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. II 족 원소들의 예는 IIA 족 원소들, 특히 베릴륨 (Be)과 마그네슘 (Mg) 및 IIB 족 원소들, 특히 아연 (Zn)과 카드뮴 (Cd)을 포함한다. VI 족 원소들의 예는 VIA 족 원소들, 특히 산소 (O)와 텔루라이드 (Te)를 포함한다. II-VI 화합물들의 예는 ZnO, ZnMgO, CdZnO 또는 CdZnMgO이다. 일반적으로, 상기 II-VI 화합물에서의 원소들은 상이한 몰분율로 조합될 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 와이어는 도판트를 포함할 수 있다. 예를 들어, III-V 화합물들의 경우, 상기 도판트는 II 족 P-형 도판트, 예를 들어, 마그네슘 (Mg), 아연 (Zn), 카드뮴 (Cd), 또는 수은 (Hg), IV 족 P-형 도판트, 예를 들어, 탄소 (C), 또는 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge), 셀레늄 (Se), 황 (S), 테르븀 (Tb), 및 주석 (Sn)을 포함하는 IV 족 N-형 도판트를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 와이어는 반도체 물질 기판의 표면 상에 형성된다. 상기 기판은 단일 조각 구조체에 상응하거나 또는 다른 물질, 예를 들어, 유리 또는 금속으로 만든 지지체를 덮는 층에 상응할 수 있다. 상기 기판은, 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘으로 만들어진 기판, 또는 GaN 또는 GaAs와 같이 III-V 화합물로 만든 기판, 또는 ZnO 기판과 같은 반도체 기판이다. 상기 기판은, 도전성 물질, 예를 들어, 금속으로 또는 절연 물질, 예를 들어, 사파이어, 유리 또는 세라믹으로 만들어 질 수 있다.
본 발명의 실시예들의 요점은 기판 표면 상에, 와이어들의 성장을 촉진하는 물질들의 패드들 또는, 이하에서 종자 섬으로 지칭되는 섬들을 형성하고 및 그 다음 상기 종자 섬들의 측면 및 상기 종자 섬에 의해 덮히지 않는 기판 부분들의 표면을 보호하는 공정을 실시하여 상기 기판에서 기판 표면으로부터 연장되며 및 각 쌍의 패드들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는, 와이어의 성장에 부적당한 보호 부위, 예를 들어, 유전제 부위를 상기 종자 섬들의 측면 모서리 상에 형성하는 것으로서, 상기 와이어들은 상기 보호 부위 상에서 성장하지 않는다.
적어도 하나의 제1 원소 및 제2 원소에 기반한 화합물이 제1 원소의 극성 또는 제2 원소의 극성을 가진다고 하는 것은 상기 물질이 특정적 방향을 따라 성장하며 및 상기 물질이 상기 특정적 성장 방향에 수직인 면에서 절단될 때, 노출된 표면은 제1 원소의 극성의 경우, 제1 원소의 원자 또는 제2 원소의 극성의 경우 제2 원소의 원자를 기본적으로 포함하는 것을 의미한다.
상기 종자 섬들을 형성하는 물질은 동일 극성에 따라 상기 와이어의 성장을 촉진하도록 선택된다. 예를 들어, 상기 와이어들이 III-V 화합물을 주로 포함할 때, 상기 종자 섬들을 형성하는 물질은 바람직하게는 V 족 원소 극성에 따라 III-V 화합물의 성장을 촉진하도록 선택된다. 다음, 상기 III-V 화합물은 상기 종자 섬들 상에서, 극성에 따라서, 각 종자 섬의 정부로부터 성장하고, 상기 종자 섬의 측면이나 상기 기판의 나머지 부분에서는 성장하지 않는다. 또한, 본 발명자들은 각 와이어가 전체 와이어에서 실질적으로 일정한 극성에 따라 성장한다는 것을 밝혔다. 상기 와이어들이 II-VI 화합물을 주로 포함할 때, 상기 종자 섬을 형성하는 물질은 바람직하게는 VI 족 원소 극성에 따라 II-VI 화합물의 성장을 촉진하도록 선택한다. 다음, 상기 II-VI 화합물은 상기 종자 섬 상에서 VI 족 원소 극성에 따라서 각 종자 섬의 정부로부터 성장하고, 상기 종자 섬의 측면이나 상기 기판의 나머지 부분상에서는 성장하지 않는다.
V 족 원소가 질소인 III-V 화합물의 경우, 상기 섬들을 형성하는 물질은 N 극성에 따라서 마이크로와이어 또는 나노와이어의 성장을 촉진하는 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 섬들은 질화 알루미늄 (AlN), 붕소 (B), 질화 붕소 (BN), 티타늄 (Ti), 질화 티타늄 (TiN), 탄탈륨 (Ta), 질화 탄탈륨 (TaN), 하프늄 (Hf), 질화 하프늄 (HfN), 니오븀 (Nb), 질화 니오븀 (NbN), 지르코늄 (Zr), 지르코늄 붕산염 (ZrB2), 질화 지르코늄 (ZrN), 탄화 실리콘 (SiC), 탄탈륨 카보나이트라이드 (TaCN), MgxNy 형태의 질화 마그네슘으로서 x는 약 3과 동일하고 y는 약 2와 동일한, 예를 들어 Mg3N2 질화 마그네슘, 또는 질화 마그네슘 갈륨 (MgGaN), 텅스텐 (W), 질화 텅스텐 (WN), 백금 (Pt), 질화 백금 (PtN), 또는 이의 조합물 및 이들의 질화된 화합물로 만들 수 있다. 바람직하게는, 상기 종자섬들을 형성하는 물질은 질화 알루미늄이다.
와이어들을 성장시키는 방법은 금속-유기 화학 증착 (MOCVD) 유형의 방법으로서, 또한 유기-금속 증기상 에피택시 (MOVPE)로 알려진 방법일 수 있다. 그러나, 분자-빔 에피택시 (MBE), 가스 원 MBE (GSMBE), 금속-유기 MBE (MOMBE), 플라즈마-보조 MBE (PAMBE), 원자층 에피택시 (ALE), 또는 하이브리드 증기 상 에피택시 (HVPE)와 같은 방법들이 사용될 수 있다. 그러나, 전기화학적 공정, 예를 들어, 화학욕 증착 (CBD), 수열 공정, 액체 에어로졸 열분해 또는 전착 등이 사용될 수 있다.
일례로서, 상기 방법은 상기 III 족 원소의 전구체 및 상기 V 족 원소의 전구체를 반응기에 주입하는 것을 포함할 수 있다. III 족 원소 전구체들의 예는 트리메틸갈륨 (TMGa), 트리에틸갈륨 (TEGa), 트리메틸인듐 (TMIn), 또는 트리메틸알루미늄 (TMAl)이다. V족 원소 전구체의 예는 암모니아 (NH3), 삼차 부틸포스핀 (TBT), 아르신 (AsH3) 또는 비대칭 디메틸하이드라진 (UDMH)이다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 상기 III-V 화합물의 와이어의 성장의 제1상에서, 상기 III-V 화합물의 전구체외에 추가 원소의 전구체가 과량으로 첨가된다. 상기 추가 원소는 실리콘(Si)일 수 있다. 실리콘 전구체의 예는 실란(SiH4)이다.
도 1a 내지 1c는 와이어를 포함하는 광전자 장치를 제조하는 공지 방법의 연속적 단계들에서 획득한 구조체들을 나타낸다.
(i) 유전체 물질의 층(1)을 기판(2)에 적층하고 및 개구부(4)들을 층(1)에서 에칭하여, 개구부(4)들이 기판(2)의 특정 부분(5)들을 노출한다 (도 1a).
(ii) 와이어의 성장을 촉진하는 물질의 분할물(6)들이 개구부(4)에서 성장한다 (도 1b).
(iii) 와이어(7)는 각 분할물(6) 상에서 성장한다 (도 1c).
도 2는 도 1c에 나타난 와이어들 중 하나의 상세 도면이다.
본 발명자들은 도 1a 내지 1c와 연계하여 먼저 설명된 방법이 제1 원소 및 제2 원소의 화합물에 기반한 반도체 물질의 와이어들을 형성하는 데 수행될 때, 이것은 제2 원소의 극성을 가지는 단일 결정 주변 층(9)에 의해 둘러싸인, 제1 원소의 극성을 가지는 단일 결정 중심부(8)을 포함하는 와이어(7)를 형성하는 결과를 가져온다는 것을 밝혔다. 이것은 층(9)와 중심부(8) 사이의 계면에서 결함이 나타나는 것을 야기할 수 있다.
이에 대한 설명은, 유전체 층(1)이 존재함으로써 분할물(6)의 형성을 방해하고, 이는 와이어(7)가 아래에 있는 분할물(6)으로부터 성장할 때 층(9)의 형성을 야기한다는 것이다.
도 3은 전자기 복사를 방출할 수 있고, 전술한 바와 같은 와이어로부터 형성된 광전자 장치(10)에 따른 실시예의 부분적, 개략적 단면도이다.
장치(10)는 도 3에서 아래에서부터 위로:
제1 편향 (biasing) 전극(12);
전극(12)과 접촉하고 있는 표면(15) 및 이에 대향되는 표면(16)을 포함하는 기판 (예를 들어, 반도체)(14);
와이어들의 성장을 촉진하고 및 표면(16) 상에 배치된 종자 섬(18)들로서, 각 섬(18)은 기판(14)의 표면(16)과 접촉하는 하부 표면(19) 및 표면(19)에 대향되고 표면(19) 및 측표면(21)으로 일정 이격되어 있는 상부 표면(20), 또는 하부표면(19)을 상부표면(20)과 연결하는 측면을 포함하는, 종자 섬(20)들;
기판(14) 내에서, 각 쌍의 섬(18) 사이에서 표면(16)로부터 기판(14)의 깊이의 일부까지 연장되어 있는 부위(22)로서, 상기 기판의 변형으로부터 유래된, 유전체로 형성되어 있고, 하부 기판을 보호하고 와이어들의 성장을 방지하는 부위(22);
측표면(21)을 덮고 및 각 섬(18)을 감싸는, 와이어들의 성장에 부적합한 물질로 만들어 진 것으로서, 각각 와이어들의 성장을 방지하는 보호부(23)들;
높이 H1의 와이어(24)들(세 개 와이어들이 표시)로서, 각 와이어(24)는 섬(18)들 중 하나의 표면(20)과 접촉하고 있고, 각 와이어(24)는 섬(18)과 접촉하고 있는 높이 H2의 저부(26) 및 저부(26)과 접촉하고 있는 높이 H3의 상부(28) 을 포함하는 와이어(24)들;
각 저부(26)의 주변을 덮는 부동태층(29);
각 상부(28)를 덮는 활성층(30);
각활성층(30)을 덮는 하나 이상의 반도체층(32);
와이어(24)들 사이의 표면(16) 덮고 각 와이어(24)를 적어도 높이 H2를 따라 덮는 절연부(34)들;
와이어(24)들 사이에 있는 절연부(34)들을 덮는 반사부(36); 및
반도체층(32)들 및 절연부(34)를 덮는 제2 전극(38)을 포함한다.
기판(14)은 예를 들어 실리콘 기판과 같은 반도체 기판이다. 기판(14)은 제1 전도성 유형으로 도핑, 예를 들어, N-형 도핑될 수 있다. 표면(15, 16)은 평탄하고 평행일 수 있다. 기판(14)의 표면(16)은 <100> 표면일 수 있다.
전극(12)은 기판(14)의 표면(15) 상에서 연장된 도전층에 상응할 수 있다. 상기 전극(12)을 형성하는 물질은, 예를 들어 규화 니켈 (NiSi), 알루미늄 (Al), 규화 알루미늄 (AlSi), 티타늄 (Ti), 또는 규화 티타늄 (TiSi)일 수 있다. 이 층은 다른 금속 층, 예를 들어, 금, 구리, 또는 합금의 경우 공융체 (Ti/Ni/Au 또는 Sn/Ag/Cu)로 덮힐 수 있다.
섬(18)들은 예를 들어 1 내지 100 나노미터 및 바람직하게는 10 내지 60 나노미터 범위의 두께를 가진다. 섬(18)들은 표면(16) 상에 위치하여 이들이 표면(16)으로부터 돌출된다. 각 섬(18)의 정부(20)는 따라서 표면(16)과 상이한 면이다. 각 섬(18)은 우선적 텍스처링을 가지며, 각 섬을 형성하는 물질이 적어도 두 개 원소의 합금을 포함할 때, 우선적 극성을 가진다. 우선적 텍스처링은 섬(18)들을 형성하는 결정들이 특정적 성장 방향을 가지며, 이는 모든 섬(18)들에 대하여 동일한 것을 의미한다. 우선적 극성은 섬(18)들 모두 동일한 극성을 실질적으로 가지는 것을 의미한다. 이것은 각 섬을 형성하는 물질이 적어도 두 개 원소의 합금을 포함할 때, 상기 물질이 물질의 특정적 성장 방향에 직각인 면으로 절단될 때, 그 노출된 표면은 각 섬(19)의 동일한 원소의 원자들을 기본적으로 포함한다는 것을 의미한다. 각 섬(18)은 기판(14)과 동일한 전도성 유형을 가질 수 있어 섬(18)들과 기판(14) 사이의 계면 저항을 제한한다. 각 섬(18)은 임의의 형상, 예를 들어, 사각형, 다각형, 원형, 정사각형 또는 타원형을 가질 수 있다. 바람직하게는, 종자 섬(18)의 평균 직경은 종자 섬(18) 상에서 성장하려고 의도된 와이어(20)의 평균 직경과 동일한 차원이다.
보호부(23)들은 종자 섬(18)들의 측면(21)들 상에 층착된 물질로 만들어 질 수 있다. 상기 물질은 통상적으로, 예를 들어, CVD에 의해 증착될 수 있다. 이는, 예를 들어, 산화 실리콘 (SiO2), 질화 실리콘 (SixNy, 여기서 x는 대략 3과 동일하고 및 y는 대략 4와 동일한, 예를 들어, Si3N4), 산화 알루미늄 (Al2O3), 산화 하프늄 (HfO2), 또는 다이몬드로 만들어 질 수 있다. 보호부(23)들은 종자 섬(18)들을 형성하는 물질을 변형한 결과로 나타나는 유전체 물질로 또한 만들어 질 수 있다. 다음, 보호부(23)들을 형성하는 물질은 전술한 종자 섬(18)들의 물질의 예의 산화물과 상응할 수 있다. 예를 들어, 절연부(13)의 두께는 5 nm 내지 100　nm 범위, 예를 들어, 약 30　nm이다.
부위(22)들은 부분적으로 섬(18)들 아래로 연장될 수 있다. 부위(22)는 특정 섬(18)들 아래 또는 각 섬(18) 아래로 부분적으로 연장될 수 있다. 그러나, 반도체 기판(14)은 계속 각 섬(18)과 전기적 접촉되어 있어야 한다. 부위(22)들의 형성 조건들은 따라서 기껏해야 부위(22)들이 상기 와이어 단면의 최대 길이의 반보다 작은 길이를 따라 연장되도록 선택된다. 예를 들어, 각 부위(22)의 깊이는 5 nm 내지 100 nm, 예를 들어, 10 nm이다.
두 개 인접 섬(18)들의 중심부들은 0.5　μm 내지 10　μm 및 바람직하게는 1.5 내지 4　μm 만큼 떨어져 있을 수 있다. 예를 들어, 섬(18)들은 기판(14) 상에 규칙적으로 분포될 수 있어, 부위(22)가 각 섬(18)을 감싸는 격자를 형성한다. 예를 들어, 섬(18)들은 육각형 망으로 분포될 수 있다.
각 와이어(24)는 표면(16)에 실질적으로 직각인 축 D를 따라 연장된 반도체 구조체이다. 각 와이어(24)는 육각 바탕을 가진 연장된 대략적인 원통 형상일 수 있다. 각 와이어(24)의 평균 직경은 50　nm 내지 2.5　μm 범위이고, 각 와이어(24)의 높이 H1는 250 nm 내지 50　μm 범위이다.
각 와이어(24)의 저부(26)는 제1 도전형, 예를 들어, 실리콘으로 도핑된, 상기 III-N 화합물, 예를 들어, 질화 갈륨으로 주로 형성된다, 저부(26)의 주변부는 관계된 섬(18)과 접촉되어 있는 저부(26)의 말단부터 높이 H2까지 유전체층(29), 예를 들어, SiN으로 덮혀 있다. 높이 H2는 100　nm 내지 25　μm 범위일 수 있다. 유전체 물질층(29)은 하나의 원자 단층 내지 100 nm, 바람직하게는, 하나의 원자 단층 내지 10　nm 범위의 두께를 가진다.
각 와이어(24)의 상부(28)는, 예를 들어, III-N 화합물, 예를 들어, GaN로 적어도 부분적으로 만들어진다. 상부(28)는 상기 제1 도전형, 예를 들어, N 형으로 도핑될 수 있거나, 의도적으로 도핑되지 않을 수 있다. 상부(28)은 100　nm 내지 25　μm 범위일 수 있는 높이 H3까지 연장된다.
주로 GaN으로 만들어진 와이어의 경우, 상기 와이어의 결정 구조는 우르츠광 유형일 수 있고, 그 와이어는 축 C를 따라 연장된다. 상기 와이어의 결정 구조는 또한 입방 유형일 수 있다.
활성층(30)은 장치(10)에 의해 제공되는 복사선의 대부분이 이로부터 발사되는 층이다. 일례로, 활성층(30) 다중 양자 우물과 같은 한정 수단을 포함할 수 있다. 이는, 예를 들어 각각 5 내지 20　nm (예를 들어, 8　nm) 및 1 내지 10　nm (예를 들어, 2.5　nm)의 두께를 가지는 GaN 및 InGaN 층들이 교번된 것으로 형성될 수 있다. 상기 GaN 층들은, 예를 들어, N 또는 P 형으로 도핑될 수 있다. 다를 예에 따라서, 상기 활성층은 예를 들어, 10　nm보다 큰 두께를 가지는 단일 InGaN 층을 포함할 수 있다.
반도체층(32)는 활성층(30) 및/또는 상부(28)로써 P-N 또는 P-I-N 접합을 가능하게 한다. 이것은 전극(38)을 통해 정공을 활성층(30)을 주입할 수 있다.
반도체층(32)들의 적층 구조체는 삼중 합금, 예를 들어, 질화 알루미늄 갈륨 (AlGaN) 또는 질화 알루미늄 인듐 (AlInN)으로 만들어지고, 활성층(30)과 접촉되어 있는 전자 차단층(40) 및 제2 전극(38)과 활성층(308) 사이에 좋은 전기적 접촉을 제공하며, 예를 들어, 질화 갈륨 (GaN)으로 만들어지고 전자 차단층(40)과 및 전극(38)과 접촉하는 추가 층(42)을 포함한다. 반도체층(42)은 부위(28)의 것과 반대인 도전성으로 도핑된, 예를 들어, P-형 도핑된다 전자 차단층(40)은 반도체층(42)과 동일한 도전성 유형일 수 있다.
절연부(34)들은 각 와이어(24)의 저부(26) 및 전극(38) 사이의 직접적 전기적 접촉 형성을 막을 수 있다. 절연층(34)은 통상적으로, 예를 들어, CVD에 의해 정렬될 수 잇다. 절연부(34)들은 유전체 물질, 예를 들어 산화 실리콘 (SiO2), 질화 실리콘 (SixNy, 여기서 x는 대략 3과 동일하고 및 y는 대략 4와 동일한, 예를 들어, Si3N4), 산화 알루미늄 (Al2O3), 산화 하프늄 (HfO2), 또는 다이몬드로 만들어 질 수 있다.
반사부(36)는 예를 들어 알루미늄, 은, 또는 루테늄으로 만들어지고 및 예를 들어, 100　nm보다 더 큰 두께를 가진다.
제2 전극(38)은 각 와이어(24)의 활성층(30)을 편향시키고 및 와이어(24)들에 의해 방출되거나 수신되는 전자기 복사선을 통과시킬 수 있다. 전극(38)을 형성하는 물질은 인듐-주석 산화물 (ITO) 또는 산화 알루미늄 아연, 또는 그래핀과 같은 투명하고 도전성인 물질일 수 있다.
현 실시예에서, 와이어(24)들은 기판(14) 상에 분포된 분리된 소자인, 섬(18)들 상에 형성된다. 상기 와이어들이 기판(14)을 덮는 층 상에 형성된다면, 상기 층과 기판(14)이 상이한 열팽창 계수를 가진 상이한 물질로 만들어졌다는 사실은 광전자 장치가 제조되는 동안 그 광전자 장치에 기계적 스트레스를 발생시킬 것이다. 본 실시예는, 유리하게도, 섬(18)들을 형성하는 물질들과 기판(14) 사이의 열팽창 계수의 차이로 인한 섬(18)들과 기판(14)에서의 기계적 스트레스가 생겨나는 것을 피할 수 있다.
종자 섬(18)들의 측면(21)들이 와이어들의 성장에 부적합한 물질로 덮혀지지 않았다면, 이들을 특정적 성장 위치가 되었을 것이다. 깨끗한 측면(21)이 존재한다면 기생 성장, 예를 들어, 표면(20) 상의 와이어에 더하여 측면(21) 상의 다중 와이어들의 성장 또는 종자 섬(18)의 표면(20)에 수직적이지 않은 축을 가지는 와이어들의 성장을 가능하게 했을 것이다. 본 실시예에서, 종자 섬(18)들의 측면(21)들이 와이어의 성장에 부적합한 물질로 덮혀 있기 때문에, 와이어(24)들의 성장은 각 섬(18)의 정부(20)에서만 일어난다. 하나 또는 다수의 와이어(24)들이 동일한 섬(18)로부터의 표면(20)에 수직인 것과 다른 방향으로 성장하는 위험은 따라서 감소된다.
도 4a 내지 4i는 도 3의 광전기 장치(10)를 제조하는 방법의 실시예의 연속적 단계들에서 획득한 구조체들을 예시한다.
본 발명에 따른 제조 방법의 실시예는 하기 단계를 포함한다:
(1) 예를 들어, N 극성에 따라, III-N 화합물의 성장을 촉진하는 물질의 균일 층(50)을 기판(14) 상에 적층하는 단계 (도 4a). 층(50)은 예를 들어 1　nm 내지 100 nm 범위, 바람직하게는 10 내지 60　nm 범위의 두께를 가진다. 층(50)은 MOCVD-유형 방법에 의해 얻어질 수 있다. 그러나, 텍스처드 층을 얻을 수 있는 임의의 유형의 증착 방법은 물론 CVD, MBE, GSMBE, MOMBE, ALE, HVPE, ALD (원자층 적층), 증착, 또는 반응성 양극 스퍼터링과 같은 방법을 사용할 수 있다. 층(50)이 질화 알루미늄으로 만들어지면, 층(50)은 실질적으로 텍스처드 되고 우선적 극성을 가져야 한다. 층(50)의 텍스처링은 층(50)의 적층 후에 수행된 추기 처리에 의해 얻어질 수 있다. 이는, 예를 들어, 암모니아 유동(NH3)하에서 어닐링일 수 있다.
(2) 층(50)상에 유전체 물질의 층(50)을 적층하는 단계 (도 4b). 층(51)은 유전체 물질로 만들어지고 이는 층(50)을 형성하는 물질 위에서 선택적으로 에칭된다. 상기 유전체 물질은, 예를 들어, 질화 실리콘 (예를 들어, Si3N4). 유전체 층(51)은 예를 들어 50 내지 300　nm 범위, 예를 들어, 약 100　nm의 두께를 가진다.
(3) 유전체 층(51) 내에서 개구부(54)들을 에칭하여 유전체층(51)의 분할물(52) 또는 블록들을 형성하고 층(50)의 영역들을 노출하고 및 층(50)의 노출된 부분 위의 층(50) 내의 개구부(56)을 에칭하여 섬(18)들을 형성하는 단계 (도 4c). 개구부(54)들의 에칭은 층(50)을 에칭하지 않는 선택적 에칭 단계에 의해 수행될 수 있다. 이것은 육불화황 플라즈마 (SF6)를 사용하는 에칭일 수 있다. 개구부(56)들의 에칭은 기판(14)의 정부/내부에서 정지되는 건식 또는 습식 에칭에 상응할 수 있다. 변형으로서, 개구부(56)들은 RIE (반응성 이온 에칭), ICP (유도 결합 플라즈마), 또는 습식 에칭으로 에칭될 수 있다.
(4) 분할물(52)들을 제거하는 단계 (도 4d). 상기 유전체층의 분할물(52)들을 제거하는 것은 패드(18) 및 기판(14)의 에칭을 야기 하지 않는 선택적 에칭 단계에 의해 수행될 수 있다. 이는 육불화 황 플라즈마 (SF6) 또는 염화 플라즈마를 사용하는 에칭, 또는 불화 암모니아 (NH4F) 및 불산 (HF)의 혼합물을 이용하는 BOE-유형 (Buffered Oxide Etch) 습식 에칭일 수 있다.
(5) 와이어 성장에 부적당한 물질, 예를 들어, 유전체 물질의 층(58)을 섬(18) 및 기판(14) 상에 적층하는 단계 (도 4e). 이것은 바람직하게는 등각 또는 실질적으로는 등각 적층이다. 층(58)은 섬(18) 및 기판(14)를 형성하는 물질 위에서 선택적으로 에칭될 수 있는 물질로 만들어 진다. 층(58)은, 예를 들어, 질화 실리콘 (예를 들어, Si3N4), 산화 실리콘 (SiO2), 또는 종자 섬(18)들의 형성에 대하여 전술한 물질의 규화물로 만들어 진다. 층(58)은, 예를 들어, 종자 섬(18)들의 두께의 삼 분의 일과 적어도 동일한 두께, 특히, 5　nm 내지 200　nm 범위의 두께, 예를 들어, 약 100 nm와 동일한 두께를 가진다.
(6) 층(58)을 이방성 에칭하여 기판(14) 및 섬(18)의 정부(20)을 덮는 층(58)의 일부를 제거하고 및 섬(18)의 측면(21)을 덮는 층(58)의 일부(23)를 남기는 단계 (도 4f). 이러한 에칭은 기판(14)를 형성하는 물질 및 종자 섬(18)들을 형성하는 물질 상에서 선택적이다. 이는, 예를 들어, 이온 에칭 또는 반응성 이온 에칭이다.
(7) 섬(18)들로 덮혀지지 않은, 기판(14)의 노출된 영역들을 질화하는 방법으로 부위(22)를 형성하는 단계 (도 4g). 부위(22)는 기본적으로 질화 실리콘으로 만들어 진다. 획득된 산화 실리콘 깊이는 기판(14)을 형성하는 물질에 대하여 III 족 원소, 예를 들어, 갈륨의 임의의 공격을 예방할 수 있을 정도로 충분해야 한다. 부위(22)의 깊이는 5　nm 내지 100　nm 범위일 수 있고, 바람직하게는 10　nm 이상일 수 있다. 부위(22)는 부분적으로 섬(18)들 아래로 연장될 수 있다. 상기 질화 조건은 기판(14)이 각 섬(18)과 전기적 접촉을 유지하도록 선택된다. 또한, 부위(22)의 수준에서 과다 두께가 생겨날 수 있다. 상기 질화 단계는 전용로 또는 에피택시 반응로에서 암모니아를 사용하여 수행될 수 있다. 질화 온도는 900 내지 1,100℃로 가변될 수 있고, 질화 시간은 수 분 내에서 한 시간까지 범위일 수 있다. 와이어(24)들의 저부(26)들의 후속적 성장에 유리한 섬(18)들의 정부(20)들을 질화하는 것을 추가로 할 수 있다. 상기 질화 단계는 몇 개 단계로 수행될 수 있다. 예를 들어, 특히 상기 섬들이 알루미늄 (가능하게는 실리콘으로 도핑된)으로 만들어지는 경우, 상기 질화 단계는 제1 온도에서, 예를 들어, 400 내지 750℃ 범위에서 수행될 수 있는 제1 질화 상을 포함한 후, 상기 제1 온도보다 명백히 더 큰, 예를 들어, 800 내지 1,000℃의 범위에서 수행되는 제2 질화 상을 포함한다. 상기 제1상은 각 섬(18)의 정부(20)을 질화시키는 것을 촉진하고 상기 제2상은 섬(18)들에 의해 덮혀지지 않는 기판(14)의 부분들을 질화시키는 것을 촉진한다.
(8) 각 와이어(24)의 부동태부(26)을 높이 H2까지 성장시키는 단계 (도 4h). 각 와이어(24)는 종자 섬(18)의 정부에서 표면(20)으로부터 성장한다. 와이어(24)의 저부(26)는 MOCVD-유형 방법에 의해 얻어질 수 있다. 그러나, CVD, MBE, GSMBE, MOMBE, PAMBE, ALE, HVPE, 또는 전기화학적 방법과 같은 방법들이 사용될 수 있다.
일례로, 상부(26)가 심하게 도핑된 N-형 GaN으로 만들어 지는 경우, MOCVD-유형 방법은 갈륨 전구체 가스, 예를 들어, 트리메틸갈륨 (TMGa) 및 질소 전구체 가스, 예를 들어, 암모니아(NH3)를 샤워꼭지- 유형 MOCVD 반응기로 주입함으로써 이행될 수 있다. 실례로서, AIXTRON에서 판매하는 3x2", 샤워 꼭지 유형, MOCVD 반응기를 사용할 수 있다. 5-200 범위 내, 바람직하게는 10-100 범위 내의 트리메틸갈륨과 암모니아 간의 분자 유동비는 마이크로와이어 또는 나노와이어들의 성장을 촉진한다. 실례로서, 반응기로의 금속-유기 원소들의 확산을 확실하게 하는 운반가스는 TMGa 버블러 내에 유기-유기 원소로 채워진 것이다. 60　sccm(분당 표준 체적 센티미터)의 유동이 예를 들어 TMGa에 대하여 선택되는 반면 300-sccm 유동이 NH3 (표준 NH3 병)에 대하여 사용된다. 약 800　mbar (800　hPa)의 압력이 사용된다. 상기 가스 혼합물은 MOCVD 반응기로 주입된, 실리콘의 전구 물질인 실란을 더 포함한다. 실란을 수소에서 1,000　ppm으로 희석하고 20-sccm 유동속도로 공급된다. 반응기의 온도는 예를 들어 950℃ 내지 1,100℃, 바람직하게는 990℃ 내지 1,060℃ 범위이다. 상기 버블러의 출구로부터 두 개 반응기 플리넘으로 운반하기 위해, 두 개의 플리넘 사이에 배치된, 운반 가스, 예를 들어, N2의 2,000-sccm 유동속도를 사용한다. 전술한 가스 유동은 지표로 제시된 것이고, 반응기의 크기 및 특징에 따라 조정되어야만 한다.
상기 전구 가스 중에 실란이 존재하면 상기 GaN 화합물 내로 실리콘이 혼입되는 결과를 낳는다. 또한, 이것은 부분(26)의 성장을 따라서, 정부를 제외하고, 높이 H2의 부분(26)의 주변부를 덮는 질화 실리콘 층(29)을 형성하는 결과를 가져온다.
(9) 각 와이어(24)의 높이 H3의 상부(28)를 저부(26) 상에 성장 시키는 단계의 나머지 부분을 성장시키는 단계 (도 4i). 상부(28)의 성장의 경우, 일례로서 이전 설명된 MOCVD 반응기 운전 조건들이 유지될 수 있지만, 반응기 내의 실란 유동은 예를 들어, 10 배수 만큼 또는 그 이상 감소되거나 중단되는 사실은 제외된다. 실란 유동이 중단될 때라도, 활성부는, 인접 부동태부로부터 유래되는 도판트들의 이러한 활성부에서의 확산으로 인하여 또는 GaN의 잔류 도핑으로 인하여 N-형 도핑될 수 있다.
상기 방법은 하기 단계들 포함할 수 있다:
(10) 각 와이어(24)에 대하여, 활성층(30)을 에티택시적으로 형성하는 단계. 종자 섬(18)의 측면(21) 상에 부동태부(23) 및 저부(26)의 주변부를 덮는 부동태부(29)가 있으면, 활성층(30)의 증착은 와이어(24)의 상부(28)에서만 일어난다;
(11) 각 와이어(24)에 대하여, 전자 차단층(40) 및 반도체층(42)을 에피택시적으로 형성하는 단계;
(12) 절연부(34)를 형성하는 단계. 절연부(34)는 전체 구조 상에 절연층을 통상적으로 적층하고, 와이어(24)들 사이에 레진층을 적층하고, 상기 레진에 의해 덮혀지지 않는 절연층을 에칭하여 반도체층(42)를 노출하고 및 레진을 제거함으로써 형성될 수 있다.
(13) 반사부(36)을 형성하는 단계; 및
(14)전극 (38, 12)들을 형성하는 단계.
도 5a 및 5b는 도 3에 나타난 광전자 장치(10)을 제조하는 방법의 다른 실시예의 단계 (4)' 및 (5)'를 설명하며 및 나머지 단계 (1) 내지 (3) 및 (8) 내지 (14)는 이전 설명된 것과 동일하다. 단계 (4)' 및 (5)'는 하기와 같다:
(4)' 기판(14) 및 종자 섬(18)들의 노출 영역들의 열적 산화하는 방법에 의해 부분(23) 및 부위(22)를 형성하는 단계 (도 5a). 부분(23)은 이전 설명된 기본적으로 종자 섬(18)들을 형성하는 물질들의 산화물로 만들어 진다. 부위(22)는 기본적으로 이산화 실리콘(SiO2)으로 만들어 지고, 종자 섬(18)들은 질화 알루미늄으로 만들어지고, 부분(23)은 기본적으로 산화 알루미늄으로 만들어 진다. 산화 실리콘 부위(22)의 획득된 깊이는 기판(14)을 형성하는 물질에 대하여 III 족 원소, 예를 들어, 갈륨의 임의의 공격을 예방할 수 있을 정도로 충분해야 한다. 부위(22)의 깊이는 5　nm 내지 100　nm 범위일 수 있고, 바람직하게는 10　nm 이상일 수 있다. 부분(23)은 5 nm 내지 100 nm 범위, 예를 들어, 약 10 nm의 두께를 가진다.
유전체 부위(22) 및 유전체 부분(23)은 고온로에서 형성될 수 있다. 산화 단계는 산소 또는 수증기를 사용하여 수행될 수 있다. 일례로서, 산화 온도는 750 내지 1,100℃로 가변될 수 있고, 질화 시간은 수 분 내에서 한 시간까지 범위일 수 있다. 부위(22)와 부분(23)을 형성하는 단계 동안, 분할물(52)들은 산화 처리에 대하여 각 섬(18)의 정부(20)를 보호한다. 부위(22)는 섬(18) 아래로 부분적으로 연장될 수 있다. 상기 산화 조건은 기판(14)이 각 섬(18)과 전기적 접촉을 유지하도록 선택된다. 또한, 부위(22)의 수준에서 과다 두께가 생겨날 수 있다.
(5)' 유전체 층(51)의 분할물(52)들을 제거하는 단계 (도 5b). 분할물(52)들을 형성하는 물질은 종자 섬(18)들을 형성하는 물질, 유전체 부위(22) 및 유전체 부분(23) 상에서 선택적으로 에칭될 수 있도록 선택된다. 실례로서, 분할물(52)들을 형성하는 물지은 질화 실리콘이다. 이것은 패드(18), 부분(23) 및 부위(22)를 에칭하지 않는 선택적 에칭의 단계에 의해 수행될 수 있다. 이것은 육불화 황 플라즈마 (SF6)를 사용하는 에칭일 수 있다.
도 6은 전술한 바와 같은, 전자기 복사선을 방출할 수 있는, 와이어(24)로부터 형성된 광전자 장치(60)의 다른 실시예의 부분적 개략적 단면도이다. 장치(60)는 장치(10)의 기판(14) 상에서 연장되는 절연부위(22) 및 종자섬(18)들의 측면(21) 상에 있는 보호부(23)이 기판(14)의 표면 상에서 형성되어 있고 섬(18)들 사이에서 연장된 절연 영역(62)로 대체되어 섬(18)의 측면(21)과 접촉되어 있다는 점에서 장치(10)과 상이하다. 절연영역(62)을 형성하는 유전체 물질은 예를 들어 질화 실리콘 (예를 들어, Si3N4)이다. 절연영역(62)은 예를 들어 종자 섬(18)들과 실질적으로 동일한 높이를 가진다.
도 7a 내지 7d은 장치(60)을 제조하는 방법의 실시예의 (5)", (6)", (7)" 및 (8)" 단계들을 설명하며 도 4e 내지 4g와 연관되어 이전 설명된 단계 (5) 내지 (7)을 대체하며, 다른 단계 (1) 내지 (4) 및 (8) 내지 (14)은 이전 설명된 것과 동일하다. 단계 (5)", (6)", (7)" 및 (8)"은 하기와 같다:
(5)" 제1 유전체 물질의 층(64)를 기판(14) 및 종자 섬(18)들 상에 적층하는 단계 (도 7a). 층(64)은 종자 섬(18)들을 형성하는 물질 상에서 선택적으로 에칭될 수 있는 제1 유전체 물질로 만들어 진다. 상기 제1 유전체 물질은, 예를 들어, 산화 실리콘 또는 질화 실리콘이다. 유전체 층(64)은 바람직하게는 종자 섬(18)들의 두께 이상, 바람직하게는 종자 섬(18)들의 두께의 적어도 1.5 배 이상의 두께를 가진다. 실례로서, 층(64)는 1　nm 내지 100　nm 범위의, 예를 들어, 약 60　nm의 두께를 가진다. 층(64)는, 예를 들어 등각적으로 적층될 수 있다. 층(64)는 따라서 각 종자 섬(18) 상에 범프(65)를 형성한다.
(6) 제2 유전체 물질의 층(66)을 층(64)에 적층하는 단계 (도 7b). 상기 제2 유전체 물질은 제1 유전체 물질과 다르다. 그러나, 상기 제2 유전체 물질은 상기 제1 및 제2 유전체 물질들을 실질적으로 동일한 속도로 비선택적으로 에칭할 수 있는 에칭 방법이 가능한 것으로 선택된다. 상기 제2 유전체 물질은, 예를 들어, 상기 제1 유전체 물질이 질화 실리콘일 때, 산화 실리콘이거나, 상기 제1 유전체 물질이 산화 실리콘일 때, 질화 실리콘이다. 유전체 층(66)은 유전체 층(64)보다 명백히 큰, 바람직하게는 층(64)의 두께의 적어도 1.5 배 이상의, 더욱 바람직하게는 층(64)의 두께의 세 배 이상의 두께를 가진다. 실례로서, 층(66)은 50 내지 200 nm의 범위, 예를 들어, 약 100 nm의 두께를 가진다. 층(66)은 예를 들어 등각적으로 적층될 수 있다.
(7)" 층(66)을 에칭하여 층(64)의 일부를 노출시키는 단계 (도 7c). 상기 에칭은 CMP (화학 기계적 평탄화)일 수 있다. 상기 에칭은, 상기 제1 및 제2 유전체 물질들이 상이하다면, 층(64)가 광학적 검사로 보이기 시작하면 중단될 수 있다. 에칭의 끝에, 층(66)의 부분(68)이 층(64)의 범프(65)들 사이에 남겨진다. 이러한 에칭 단계 후에 얻어지는 구조체는 실질적으로 평탄한 상부 표면(69)을 가진다.
(8)" 층(66) 및 층(64) 의 남아 있는 부분(68)들을 에칭하여 종자 섬(18)들의 정부(20)을 노출시키는 단계 (도 7d). 상기 에칭은 종자 섬(18)들을 형성하는 물질 상에서 선택적일 수 있다. 이는 플라즈마 에칭 또는 습식 에칭일 수 있다. 상기 에칭은, 종자섬(18)들을 형성하는 물질이 상기 제1 유전체 물질과 상이하다면, 종자 섬(18)들의 정부(20)가 광학적 검사로 보이기 시작하면 중단될 수 있다. 에칭의 끝에, 층(66)의 남아 있는 부분(68)이 실질적으로 사라졌다. 그러나, 변형예로서, 에칭이 중단될 때, 층(66)의 부분(68)이 패드(18)들 사이에 남겨진다.
도 8은 전자기 복사선을 방출할 수 있는 광전자 장치(70)의 다른 실시예의 부분적, 개략적 단면도이다. 장치(70)는 특히, 각 와이어(24)의 활성부의 형상이 장치(10)와 상이하다. 실제, 각 와이어(24)에 대해, 활성부(72)는 와이어(24)의 정부 만을 덮는다. 활성부(72)는 전술한 활성층(30)과 동일한 조성을 가질 수 있다. 또한, 반도체 부(74)들의 적층물은 활성부(72)를 덮는다. 반도체층(74)들의 적층물은 전술한 적층물(32)과 동일한 조성을 가질 수 있다.
도 9는 도 4g에서 설명된 단계들 후의 제조 단계에서, 피라미드 삼차원 소자를 가지는 광전자 장치(80)의 실시예의 부분적 개략적 단면도이다. 예를 들어, 다각형 기초를 가진 뿔형 또는 테어퍼진 형상, 특히 피라미드나 잘려진 피라미드 형상으로 있는 삼차원 소자(82)가 성장된다. 실례로서, 삼차원 소자가 주로 III-V 화합물을 포함할 때, 종자 섬(18)들을 형성하는 물질은 III 족 원소의 극성에 따라 III-V 화합물의 성장을 촉진하도록 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특정 실시예들이 설명되었다. 다양한 변경과 개질이 당해 분야 숙련자에게 일어날 것이다. 특히, 제1 전극으로 덮힌, 와이어들이 지지체의 제1 표면 상에 형성되고, 제2 전극이, 상기 제1 표면과 대항되는, 상기 지지체의 제2 표면 상에 형성되는 실시예들이 도면에서 도시되어 있지만, 그러나, 상기 제2 전극은 상기 제1 표면 상에 제공될 수 있는 것이 명백하다.
또한, 전술한 실시예에서, 각 와이어(24)가 종자 섬(18)의 정부(20)과 접촉하고 있는 와이어의 기초에서 부동태부(26)을 포함하지만, 부동태부(26)은 없을 수 있다.
또한, 광전자 장치들의 상이한 전술한 실시예들이 전자기 복사선을 방출할 수 있지만, 그러한 장치들은 당해 분야의 숙련자들에 의애, 전자기 복사선을 수납하고 이를 전기적 신호로 전환하도록 용이하게 적용될 수 있다. 활성층(30)은 상기 장치에 의해 수납되는 대부분의 복사선이 포획되는 층이다. 그러한 적용은 각 와이어(24)의 양 활성층(30, 72)을 이용하고 및 상기 반도체 구조 상에 적절한 바이어스를 적용함으로써 수행된다. 장치(10, 70)의 그러한 적용을 수행하여 전자기 복사선을 측정하거나 검출하는 전용의 광전자 장치 또는 광전압 적용 전용의 광전자 장치를 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 평탄한 표면(16)을 갖는 반도체 기판(14);
    질화 알루미늄 (AlN), 붕소 (B), 질화 붕소 (BN), 티타늄 (Ti), 질화 티타늄 (TiN), 탄탈륨 (Ta), 질화 탄탈륨 (TaN), 하프늄 (Hf), 질화 하프늄 (HfN), 니오븀 (Nb), 질화 니오븀 (NbN), 지르코늄 (Zr), 지르코늄 붕산염 (ZrB2), 질화 지르코늄 (ZrN), 탄화 실리콘 (SiC), 탄탈륨 카보나이트라이드 (TaCN), x는 2.7~3.3이고 y는 1.8~2.2인 MgxNy 형태의 질화 마그네슘, 질화 마그네슘 갈륨 (MgGaN), 텅스텐 (W), 질화 텅스텐 (WN), 백금 (Pt), 질화 백금 (PtN), 또는 이들의 조합물과 이들의 질화된 화합물로 형성된, 상기 기판의 표면(16) 상의 패드(18)들;
    각각 패드 상에 놓여 있는 반도체 소자(24; 82)들;
    각 패드의 적어도 측면 모서리(21)를 적어도 덮고, 상기 측면 상에서 상기 반도체 소자들의 성장을 방지하는 분할물(23; 62); 및
    상기 표면(16)으로부터 상기 기판(14) 내로 연장되며, 각 쌍의 패드(18)들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는 유전체 부위(22)를 포함하는 광전자 장치(10; 60; 70).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판(14)은 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘, III-V 화합물, II-VI 화합물 및 이들 화합물들의 조합물을 포함하는 군으로부터 선택된 제1 반도체 물질로 만들어 지는 광전자 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    각 소자(24; 82)는 상기 패드(18)들 중 하나와 접촉하고 있는 제2 반도체 물질로서, 실리콘, 게르마늄, 탄화 실리콘, III-V 화합물, II-VI 화합물 및 이들 화합물들의 조합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 제2 반도체 물질을 주되게 포함하는 적어도 일 분할물(26, 28)을 포함하는 광전자 장치.
  4. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 패드(18)의 두께는 1　nm 내지 100　nm 범위이고 및 상기 기판(14)은 각 패드(18)와 전기적으로 접촉하고 있는 광전자 장치
  5. 제1항에 있어서,
    각 소자(24; 82)는 마이크로와이어, 나노와이어, 원뿔형 소자, 또는 테이퍼된 소자인 광전자 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분할물(23; 62)은 절연 물질로 만들어 지는 광전자 장치.
  7. 평탄한 표면(16)을 갖는 반도체 기판(14)을 제공하는 단계;
    상기 기판의 표면(16) 상에, 질화 알루미늄 (AlN), 붕소 (B), 질화 붕소 (BN), 티타늄 (Ti), 질화 티타늄 (TiN), 탄탈륨 (Ta), 질화 탄탈륨 (TaN), 하프늄 (Hf), 질화 하프늄 (HfN), 니오븀 (Nb), 질화 니오븀 (NbN), 지르코늄 (Zr), 지르코늄 붕산염 (ZrB2), 질화 지르코늄 (ZrN), 탄화 실리콘 (SiC), 탄탈륨 카보나이트라이드 (TaCN), x는 2.7~3.3이고 y는 1.8~2.2인 MgxNy 형태의 질화 마그네슘, 질화 마그네슘 갈륨 (MgGaN), 텅스텐 (W), 질화 텅스텐 (WN), 백금 (Pt), 질화 백금 (PtN), 또는 이들의 조합물과 이들의 질화된 화합물로 형성된 패드(18)들을 형성하는 단계;
    각 패드의 적어도 측면(21)들을 덮는 분할물(23; 62)을 형성하고 및
    상기 표면(16)으로부터 상기 기판(14) 내로 연장되며, 각 쌍의 패드(18)들에 대하여, 상기 패드 쌍 중 하나의 패드를 상기 패드 쌍 중 나머지 패드와 연결하는 유전체 부위를 형성하는 단계; 및
    각각 패드 상에 놓여 있는 반도체 소자(24; 82)들을 형성하는 단계를 순차적으로 포함하며, 상기 분할물은 상기 측면 상에서 상기 반도체 소자들의 성장을 방지하는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치(10; 60; 70; 80)를 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 분할물(23; 62)은 절연 물질로 만들어지는 광전자 장치(10; 60; 70; 80)를 제조하는 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 부위(22)는 상기 기판(14)을 산화 또는 질화시킴으로써 형성되는 광전자 장치(10; 60; 70; 80)를 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판(14) 상에 층(50)을 적층하는 단계;
    상기 층(50) 상에 절연 블록(52)들을 형성하는 단계;
    상기 절연 블럭들로 덮히지 않은 층의 부분들을 에칭하여 상기 패드(18)들을 형성하는 단계;
    상기 패드들의 면(21) 및 상기 패드들로 덮이지 않은 기판의 부분들을 산화시키는 단계; 및
    상기 절연 블럭들을 제거하는 단계를 연속적으로 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판(14) 상에 층(50)을 적층하는 단계;
    상기 층(50) 상에 절연 블록(52) 들을 형성하는 단계;
    상기 절연 블럭들로 덮히지 않은 층의 부분들을 에칭하여 상기 패드(18)들을 형성하는 단계;
    상기 절연 블록들을 제거하는 단계;
    상기 패드들 및 상기 패드들 사이의 기판을 덮는 유전체 층(58) 을 적층하는 단계; 및
    상기 유전체 층을 이방성 에칭하여 상기 기판으로부터 및 상기 패드들의 정부로부터 상기 유전체 층을 제거하고 및 상기 측면 상(21)에 상기 유전체 층의 분할물(23) 들을 남겨놓는 단계;
    상기 패드들로 덮히지 않은 기판의 부분들 및 가능하게는 상기 패드(18)들의 정부를 질화시키는 단계를 연속적으로 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 질화 마그네슘은 Mg3N2인 광전자 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 질화 마그네슘은 Mg3N2인 방법.
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