KR20000076604A - 알루미늄 갈륨 인듐 구조 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

수직 광학 경로, 예를 들면 고품질 미러를 구비하고 수직 공동 표면 발광 레이저나 공진 공동 발광 또는 검출 장치를 구비하는 발광 디바이스는 웨이퍼 본딩이나 금속 납땜 기술을 사용하여 이루어질 수 있다. 발광 영역은 유전체가 분포된 브래그 반사경(DBR)을 포함하는 하나 또는 두 반사경 스택을 삽입한다. 유전체 DBR은 발광 디바이스에 침착되거나 부착될 수 있다. GaP, GaAs, InP 또는 Si의 호스트 스택은 유전체 DBR 중 하나에 부착된다. 전기 접점은 발광 디바이스에 부가된다.

Description

알루미늄 갈륨 인듐 구조 및 그 형성 방법{WAFER BONDED AlxGayInzN STRUCTURES}
본 발명은 미국 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)가 협정 제 MDA972-96-3-0014에 의거 지불한 정부 지원으로 이루어 졌다. 미 연방 정부는 본 발명의 권리를 소유한다.
본 발명은 발광 분야에 관한 것으로, 구체적으로는, AlxGayInzN 디바이스의 양면에 고품질 반사면을 제공하는 것에 관한 것이다.
수직 공동 광전자 구조는 액티브 영역으로 구성되고, 액티브 영역은 도핑되거나, 도핑되지 않거나, p-n 접합을 포함할 수 있는 한정 층(confining layers)을 삽입한 발광층으로 형성된다. GaN/AlxGayInzN/AlsGa1-xN(여기서, AlxGayInzN에서 x+y+z=1이고, AlxGa1-xN에서 x≤1이다) 재료 시스템에 수직 공동 광전자 구조를 형성하면 다른 Ⅲ-Ⅴ족 재료 시스템과는 다른 도전을 보여준다. AlxGayInzN 구조를 광학적으로 고품질로 성장시키는 것이 어렵다. 전류 스프레딩(current spreading)은 AlxGayInzN 디바이스에 대한 주 관심사이다. p형 재료에서 측면 전류 스프레딩은 n형 재료에서의 측면 전류 스프레딩 보다 ∼30배 낮다. 더욱이, 디바이스가 최적 탈열(heat sinking)을 위해 정션 다운(junction down)으로 설치되야 하기 때문에, 대부분의 기판의 열 전도도가 낮으면 디바이스 설계를 복잡하게 한다.
예를 들면, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)와 같은 하나의 수직 공동 광전자 구조는 예를 들면, 99.5%의 반사율와 같은 고품질 미러를 필요로 한다. 고품질 미러를 얻는 한가지 방법은 반도체 성장 기술에 의한 것이다. VCSEL에 적합한 분포 브래그 반사경(DBR; distributed Bragg reflectors)에 필요한 높은 반사율(〉99%)에 이르기 위하여, 크래킹(cracking) 및 전기 전도도를 포함하여, 반도체 AlxGayInzN DBR의 성장을 위한 심각한 재료 문제가 있다. 상기 미러는 교대하는 인듐 알루미늄 갈륨 질화물 조성물(AlxGayInzN/Alx'Gay'Inz'N)의 많은 기간/층을 필요로 한다. 유전체 DBR(D-DBR)은 반도체 DBR과는 대조적으로 AlxGayInzN 시스템에 의해 미치는 스펙트럼 범위에서 99% 이상의 반사율로 만들어지기가 비교적 쉽다. 상기 미러는 대체로 증발 또는 스퍼터 기술에 의해 침착되지만, 분자 빔 에피택셜(MBE; molecular beam epitaxial)과 금속 유기 화학 증착(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition)이 사용될 수도 있다. 그러나, 성장 기판이 제거되지 않으면, 액티브 영역의 한 면만이 D-DBR 침착을 위해 액세스될 수 있다. AlxGayInzN 액티브 영역의 양면에 D-DBR을 본딩하고/본딩하거나 침착할 수 있다면 AlxGayInzN 수직 공동 광전자 구조를 생성하는 것이 상당히 용이할 것이다.
웨이퍼 본딩은 두 기본 카테고리 즉, 직접 웨이퍼 본딩과 금속 웨이퍼 본딩으로 나누어질 수 있다. 직접 웨이퍼 본딩에서, 두 웨이퍼는 본딩 인터페이스에서 대량 수송을 통해 함께 녹는다. 직접 웨이퍼 본딩은 반도체, 산화물 및 유전체 재료의 임의의 조합 사이에서 실행될 수 있다. 직접 웨이퍼 본딩은 보통 고온(〉400℃)에서 단축(unixial) 압력 하에서 실행된다. 한가지 적합한 직접 웨이퍼 본딩 기술은 미국 특허 제 5,502,316에서 키쉬(Kish) 등에 의해 기술된다. 금속 웨이퍼 본딩에서, 금속 층은 두 본딩 기판 사이에 침착되어 두 본딩 기판을 부착시킨다. 응용 물리학회지, 1990년도 56권 2419-2421페이지, 야블로노비치 등이 기술한 금속 본딩(metallic bonding, disclosed by yablonovitch, et al. in Applied Physics Letters, vol. 56, pp. 2419-2421, 1990)의 한 예는 플립 칩 본딩(flip-chip bonding) 즉, 디바이스를 기판에 뒤집어 부착하기 위해 마이크로 산업 및 광전자 산업에서 사용되는 기술이다. 플립 칩 본딩은 디바이스의 탈열을 향상시키는데 사용되기 때문에, 기판을 제거하는 것은 디바이스 구조에 달려있으며, 기존에는 금속 본딩 층의 유일한 필요 조건은 금속 본딩 층이 전기 전도성이고 기계적으로 강한 것이다.
응용 물리학회지 1994년도 64권 12호 1463-1465페이지,"저 임계치, 웨이퍼 용해 장파장 수직 공동 레이저"에서 듀들리 등(In "Low threshold, wafer fused long wavelength vertical cavity lasers", Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 12, 1994, pp 1463-1465, Dudley, et al.)은 AlAs/GaAs 반도체 DBR을 수직 공동 구조의 한 면에 직접 웨이퍼 본딩하는 것을 가르치고 있으며, 반면에 IEEE 포토닉스 기술지 1995년 11월 7권 11호의 "1.54 ㎛ 수직 공동 레이저의 실온 연속 웨이브 동작"에서 바빅 등(in "Room-Temperature Continuous-Wave Operation of 1.54-㎛ Vertical-CavityLasers," IEEE Photonics TechnologyLetters, Vol. 7, No. 11, November 1995, Babic, et al.)은 AlAs/GaAs 사이의 높은 굴절률 변화를 이용하기 위하여 InGaAsP VCSEL의 양면에 직접 웨이퍼 본딩된 반도체 DBR을 가르치고 있다. 설명되는 바와 같이, AlxGayInzN에 D-DBR을 웨이퍼 본딩하는 것은 반도체와 반도체를 웨이퍼 본딩하는 것보다 훨씬 더 복잡하고, 당해 기술에서 이전에 알려져 있지 않았다.
IEEE 포토닉스 기술지, 1994년 12월 5권 12호의 "변형 보상 다중 양자 웰을 사용하여 GaAs 기판에 직접 본딩된 장파장 수직 공동 레이저"에서 추아 등(In "Dielectrically-bonded Long Wavelength Vertical Cavity Laser on GaAs Substrate Using Strain-Compensated Multiple Quantum Wells." IEEE Photonics Technology Letters, Vol.5, No.12, December 1994, Chua et al.)은 스핀 온(spin-on) 유리 층에 의해 InGaASp 레이저에 부착된 AlAs/GaAs 반도체 DBR을 개시한다. 스핀 온 유리의 정확한 두께를 제어하기 어렵고 따라서 VCSEL 공동에 필요한 결정적인 층 제어를 실패하기 때문에 스핀 온 유리는 액티브 층과 DBR 사이에의 VCSEL에서 본딩에 적합한 재료가 아니다. 더욱이, 유리의 특성은 균질이 아니어서, 공동에서 분산과 다른 손실을 야기시킨다.
예를 들면, 〉99%의 VCESEL에 적합한 반사율을 갖는 반도체 DBR 미러의 AlxGa1-xN/GaN 쌍의 광학적 미러 성장은 어렵다. 도 1을 참조하면, 반사율의 이론적 계산은 필요한 높은 반사율을 얻기 위하여 높은 지수의 콘트라스트가 필요하며, 상기 높은 지수의 콘트라스트는 낮은 지수의 AlxGa1-xN 층의 Al 조성물을 증가시키고/증가시키거나, 보다 많은 층 기간을 증가시킴으로써{재료 특성은 1997년 질화물 반도체 리서치의 MRS 인터넷 저널 2(22), 앰바처(Ambacher) 등에 의해 얻음(material properties taken from Ambacher et al., MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, 2(22) 1997)} 제공될 수 있을 뿐이다. 상기 방식 모두 심각한 문제점을 발생시킨다. 전류가 DBR 층을 통하여 전도되면, DBR이 전도되는 것이 중요하다. 충분히 전도되게 하기 위하여, AlxGa1-xN 층은 적절히 도핑되어야 한다. Al 조성물이 Si(n형) 도핑을 위해 약 50% 이하로 감소되고 Mg(p형) 도핑을 위해 약 20% 이하로 감소되지 않으면 전기 전도성은 불충분하다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 보다 낮은 Al 조성물 층을 사용하여 충분한 반사율을 얻는데 필요한 층 주기의 수는 전체 두께가 두꺼운 AlxGa1-xN 재료를 필요로 하여, {AlN과 GaN 사이의 비교적 큰 격자 미스매치(lattice mismatch)로 인해} 에피택셜 층 크래킹(cracking)의 리스크(risk)를 증가시키고, 조성물의 제어를 감소시킨다. 실제로, 도 1의 Al.30Ga.70N/GaN 스택은 이미 ∼2.5㎛ 두께이고, VCSEL에 충분할 정도의 반사율을 전형 갖지 않는다. 따라서, 상기 층 쌍을 기반으로 한 높은 반사율의 DBR은 2.5㎛ 보다 상당히 더 큰 전체 두께를 필요로 하며, AlN과 GaN 성장 조건과 재료 특성 사이가 미스매치라고 가정하면 신뢰할 수 있게 성장하는 것은 어려울 것이다. 층이 도핑되지 않을 경우 크래킹이 큰 문제점이 아니라 할 지라도, 조성물의 제어와 AlN/GaN 성장 온도는 높은 반사율의 DBR을 성장시키는데 여전히 큰 문제점이다. 따라서, DBR이 전류를 전도시킬 필요가 없는 응용에서 조차도, AlxGayInzN 재료 시스템에서 반사율이 〉99%인 반도체 미러 스택은 논증되지 않았다. 이러한 이유로 유전체 기반 DBR 미러가 선호된다.
예를 들면, 유전체 분포 브래그 반사경(D-DBR; dielectirc distributed Bragg reflector) 또는 복합 D-DBR/반도체 DBR과 같은 하나 이상의 미러 스택이 AlxGayInzN 액티브 영역과 호스트 기판 사이에 삽입된다. 웨이퍼 본드 인터페이스는 호스트 기판과 액티브 영역 사이의 어딘가에 배치된다. 광 중간 본딩 층은 웨이퍼 본드 인터페이스에서 변형과 열 계수 미스매치를 조절하도록 웨이퍼 본드 인터페이스에 인접해 있다. 선택적 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역에 인접하게 배치된다. 호스트 기판이나 중간 본딩 층은 컴플라이언스(compliancy)를 위해 선택된다.
상기 발명의 한 실시예는 AlxGayInzN 액티브 영역에 인접하여 배치된 웨이퍼 본드 인터페이스를 갖는 디바이스로 구성되며, AlxGayInzN 액티브 영역은 예를 들면, Al2O3와 같은 희생 기판 위에 제조된다. 호스트 기판에 부착된 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역에 본딩된 직접 웨이퍼이다. 다음, 희생 기판이 제거된다. 광학 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역의 상단에 부착된다. 부착 기술은 본딩, 침착 및 성장이다. 전기 접점은 n형 층과 p형 층에 부가된다.
호스트 기판에 인접 배치된 웨이퍼 본드 인터페이스를 갖는 대안적 실시예의 경우, 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역의 상단부에 부착된다. 직접 웨이퍼 본딩이 사용되면, 적절한 기계적 특성을 갖도록 선택된 호스트 기판은 미러 스택에 웨이퍼 본딩된다. 대안적으로, 금속 본딩은 미러 스택에 호스트 기판을 본딩하는데 사용될 수 있다. 희생 기판이 제거된다. 광학 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역의 상단부에 부착된다. 전기 접점이 n형 층과 p형 층에 부가된다. 원하는 특성을 얻도록 직접 웨이퍼 본딩하는 경우 호스트 기판을 선택하는 것은 중대한 가르침치다. 추가의 실시예는 DBR 내에 웨이퍼 본드 인터페이스를 배치하는 것을 포함한다.
도 1은 AlN/GaN DBR과 Al.30Ga.70N/GaN DBR에 대한 이론적 반사율 대 파장을 예시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 도면.
도 3a-f는 본 발명에 대응하는 플로차트를 도시하는 도면.
도 4a-f는 본 발명에 대응하는 대안적 플로차트를 도시하는 도면.
도 5는 GaN/Al2O3구조와 GaP 호스트 구조상에 침착된 D-DBR 사이의 직접 웨이퍼 본딩된 인터페이스의 스캐닝 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope) 단면 영상을 도시하는 도면.
도 6은 호스트 기판에 금속 본딩되고 침착된 D-DBR을 갖춘 액티브 영역의 SEM 단면도━기판은 제거되었고, 제 2 D-DBR은 제 1 D-DBR과 반대쪽의 AlxGayInzN 액티브 영역의 측면에 침착됨━.
도 7은 도 6에서 설명된 디바이스로부터 400nm-500nm의 광학 발광 스펙트럼을 도시한 도면━형태상의 피크는 수직 공동 구조를 설명함━.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 호스트 기판 14, 20: 미러 스택
16 : 본딩된 인터페이스 18 : 액티브 영역
유전체 분포 브래그 반사경(D-DBR)은 저손실 유전체의 적층 쌍으로 구성되고, 저손실 유전체의 적층 쌍에서 상기 쌍 재료 중 하나는 낮은 굴절률을 가지며, 다른 하나는 높은 굴절률을 갖는다. 몇 가지 가능한 유전체 DBR 미러는 티타늄 산화물(TiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 하프늄 산화물(HfO2)과 실리콘 이산화물(SiO2)의 쌍을 이룬 층을 기반으로 하며, 예를 들면, 〉99.5%의 청색 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)에 필요한 높은 반사율이나, 예를 들면 ∼60% 또는 그 이상의 공진 공동 발광 디바이스(RCLED; resonant cavity light emitting device)를 얻는데 필요한 높은 반사율을 얻을 수 있다. SiO2/HfO2적층 쌍은 350nm-500nm의 파장 범위에서 99%를 초과하는 반사율을 갖는 미러 스택을 생성하는데 사용될 수 있기 때문에 특별히 관심이 있다. SiO2와 HfO2의 교대 층으로 만들어진 D-DBR은 최고 1050℃까지 기계적으로 안정되어, 후속 처리에 융통성을 제공하는 것으로 알려져 있다.
바람직한 실시예는 도 2에 도시된다. 도 2에서, 예를 들면, 높은 반사율의 DBR과 같은 제 1 미러 스택(14)은 적절한 기판에 부착된다. 미러 스택(14)은 다음의 재료 즉, 유전체, 반도체 및 금속 중 하나 이상의 재료로 구성된다. 제 1 미러 스택(14)은 희생 기판에 성장된 AlxGayInzN 액티브 영역(18)에서 상단 p층(18b)에 웨이퍼 본딩된다. AlxGayInzN 수직 공동 광전자 구조(18)는 원하는 파장에서 높은 이득을 얻도록 설계되었다. 웨이퍼 본딩된 인터페이스(16)는 매우 낮은 산포(scattering)로 우수한 광학 품질로 이루어져야 한다. 웨이퍼 본딩된 인터페이스(16)는 광학 중간 본딩 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들면, D-DBR(도 2에 도시됨)과 같은 광학 제 2 미러 스택(20)은 제 1 미러 스택(14)의 마주보는 면에서 AlxGayInzN 수직 공동 광전자 구조(18)에 부착된다. 광학 제 2 미러 스택(20)과 AlxGayInzN 액티브 영역(18)의 n형 층(18a) 및 p형 층(18b)은 패턴화되고 저항성 접촉을 위한 영역을 제공하도록 에칭될 수 있다. VCSEL의 경우, 미러는 〉99%의 매우 높은 방사율을 가져야 한다. RCLED의 경우, 미러의 방사율 요구 조건은 완화된다(〉60%).
대안적 방법은 미러 스택(14)이 AlxGayInzN 액티브 영역에 부착되는 것이다. 웨이퍼 본드 인터페이스(16)는 미러 스택(14)과 호스트 기판(12) 사이에 있다. 상기 구조는 선택적 제 2 미러 스택(20)을 가질 수도 있다. 처음 두 가지 중 어느 하나와 관련하여 사용될 다른 방법은 미러 스택 중 하나 또는 둘 모두의 중간에 직접 웨이퍼 본드를 갖는 것이다. 웨이퍼 본딩된 인터페이스(16)의 여러 가지 가능한 위치는 도 2에 도시된다.
전류 압축은 AlxGayInzN 층을 삽입함으로써 n형 액티브 영역 재료 또는 p형 액티브 영역 재료에서 이루어질 수 있으며, AlxGayInzN 층은 전류 및 광학 한정(current and optical confinement)을 향상시키도록 에칭되고/에칭되거나 산화되어, 레이저를 발하는 임계치를 감소시키거나 디바이스 효율을 개선할 수 있다. 상기 층을 결합하는 것은 D-DBR 및/또는 도핑되지 않은 반도체 DBR이 사용될 때 전류가 이들을 통해 전도되지 않기 때문에 중요하다. 공동은 절절히 낮은 순방향 전압을 얻도록 접촉 층의 필요로 하는 두께에 따라 단일 파장 공동이나 다중 파장 공동이 될 수 있다. 상기 구조에 관한 많은 변화가 가능하다. 유사한 구조는 p형 재료와 n형 재료가 스위칭된 상태로 생성될 수도 있다.
도 3a-f는 본 발명의 실시예에 대응하는 플로차트를 도시한 것이다. 도 3a에서, AlxGayInzN 액티브 영역은 예를 들면 Al2O3와 같은 희생 기판에 제조된다. 도 3b에서, 제 1 미러 스택은 호스트 기판에 부착된다. 부착 기술은 본딩, 침착 및 성장을 포함한다. 도 3c에서, 제 1 미러 스택은 웨이퍼 본딩을 통하여 AlxGayInzN 액티브 영역에 부착된다. VCSEL의 경우, 직접 웨이퍼 본딩은 낮은 광학 손실에 중요하기 때문에 사용되어야 한다. 도 3d에서, 희생 기판이 제거된다. 도 3e에서, 광학 제 2 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역의 상단부에 부착된다. 도 3f에서, 전기적 접점이 광학 제 2 미러 스택이나 AlxGayInzN 액티브 영역에 부가된다. 디바이스 영역을 한정하고 접촉 층을 노출시키도록 패턴화 하는 것은 처리 플로우에서 실행될 수도 있다.
도 4a-f는 번갈아 하는 처리 플로차트를 도시한 것이다. 도 4a에서, AlxGayInzN 액티브 영역은 희생 기판 위에 성장된다. 도 4b에서, 제 1 미러 스택은 AlxGayInzN 액티브 영역에 부착된다. 도 4c에서, 호스트 기판은 직접 웨이퍼 본딩 또는 금속 본딩을 통하여 제 1 미러 스택에 부착된다. 웨이퍼 본드가 광학 공동의 외부에 있기 때문에, 웨이퍼 본드로 인한 손실은 덜 중요하다. 도 4d에서, 희생 기판이 제거된다. 도 4e에서, 광학 제 2 미러 스택이 AlxGayInzN 액티브 영역에 부착된다. 도 4f에서, 전기 접점이 광학 제 2 미러 스택이나 AlxGayInzN 액티브 영역에 부가된다. 디바이스 영역을 한정하고 접촉 층을 노출시키도록 패턴화하는 것은 처리 플로우에서 실행될 수도 있다.
직접 웨이퍼 본딩을 위해 적합한 호스트 기판의 선택은 중요하며, 다음의 여러 가지 특성 즉, 대량 수송, 컴플라이언스, 압력/변형 완화에 의해 영향을 받는다. 호스트 기판은 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 또는 실리콘(Si)을 포함하는 집단에서 선택될 수 있다. Si의 경우, 기판의 바람직한 두께는 1000Å과 50㎛ 사이이다.
대량 수송은 직접 웨이퍼 본딩에서 중요한 역할을 담당한다. 표준 Ⅲ-Ⅴ족과 Ⅲ-Ⅴ족 직접 웨이퍼 본딩이나, Ⅲ-Ⅴ족과 유전체 본딩에서, 하나 이상의 표면은 층의 품질을 보존하기에 충분할 정도로 저온에서 대량 수송을 나타낸다. 대조적으로, AlxGayInzN과 대부분의 유전체 재료는 In을 다량 함유하는 AlxGayInzN 액티브 층의 완전성을 유지하는 것과 일치하는 온도에서 (〈1000℃) 대량 수송을 나타내지는 않는다. 하나 또는 두 본딩 재료의 대량 수송이 결여되면 웨이퍼 부착을 방해한다. 이에 대한 모델은 두 재료가 본딩 온도에서 대량 수송을 나타낼 때 두 재료의 본드는 인터페이스에 걸쳐서 가장 강한 본드로 재배열될 수 있다. 단지 한 재료만이 대량 수송을 나타낼 때, 상기 한 재료만의 본드가 다른 재료의 표면 본드와 정렬될 수 있다. 상기 상황에서 높은 기계적 강도의 웨이퍼 본드를 형성하는 것은 어렵다.
컴플라이언스(compliancy)는 변형과 압력에 적응하도록 원자 스케일이나 육안으로 보이는 스케일로 재료의 모양을 변경시키는 능력이다. 본 발명의 목적을 위하여, 컴플라이언스는 본딩 온도보다 낮은 용융점을 갖는 재료에 의해서나, 재료가 본딩 온도보다 낮은 연성/부서지기 쉬운 변화를 갖거나, 기판이 ∼50㎛보다 얇을 때 성취될 수 있다.
GaP, GaAs 및 InP의 기판을 위한 표준 Ⅲ-Ⅴ족 웨이퍼 본딩은 대개 400℃-1000℃의 온도에서 실행되며, 여기서 두 기판은 순응한다. 하나 이상의 본딩 재료의 컴플라이언스는 재료가 초소형 스케일이나 육안으로 보이는 스케일에서 고유의 표면 거칠기를 갖고/갖거나 평탄성이 결여되기 때문에 웨이퍼 본딩에 필수적이다. 1000℃의 온도에서, N2환경에서 20분 동안 가열냉각된 AlxGayInzN 구조는 약 20%의 PL 강도의 감소를 초래한다. 따라서, 본딩 온도를 1000℃ 이하로 유지시키는 것이 바람직하다. Al2O3기판에서 성장된 GaN 기반 재료는 1000℃ 이하의 본딩 온도에서 순응하지 않는다. 큰 밴드 갭 반도체용의 높은 반사율의 D-DBR을 제조하는데 사용되는 유전체 재료는 대체로 1000℃ 이하에서 순응하지 않는다. 따라서, 본딩/지지 기판 및/또는 중간 본딩은 상기 온도에서 순응하는 것이 중요하다.
용융 지점은 재료의 컴플라이언스를 결정하는 한가지 특성이다. 예를 들면, 다음의 재료 즉, GaAs(Tm=1510K), GaP(Tm=1750K) 및 InP(Tm-1330K)의 경우, 컴플라이언스의 상대적 순서는 InP, GaAs, GaP이고 InP가 가장 잘 순응하는 것을 알 수 있다. 재료는 대개 연성/부서지기 쉬운 변화를 겪는다. 고온에서 상기 재료의 컴플라이언스는 구성 요소중 하나에 대해 흡수제에서 제거하여 평형을 이루어야 한다. InP가 1000℃에서 순응한다할 지라도 재료는 인을 흡수제에서 제거하기 때문에 고온에서 심각하게 분해된다. 상기 재료와의 본딩은 본딩하는 동안 대기압에서 흡수제에서 분해하는 온도의 약 2배보다 낮은 온도로 제한되어야 한다. 따라서, 재료의 선택은 필요로 하는 컴플라이언스 및 본딩 온도와 모두 적합해야 한다.
매우 얇은 기판이 순응할 수도 있다. 예를 들면, 〈50㎛의 얇은 실리콘은 큰 곡률 반경에서 조차, 기판이 얇을 경우 압력이 적기 때문에 순응한다. 상기 기술은 예를 들면, 실리콘과 같이 높은 분열 경도(11270 N/mm2)를 갖는 재료 또는 AlxGayInzN에 대해 잘 작용한다. 그러나, 예를 들면, GaAs와 같이 낮은 분열 경도(2500 N/mm2)를 갖는 재료는 처리할 때 쉽게 분열될 수 있다. 두께가 〉50㎛인 실리콘의 경우, 작은 곡률 반경조차도 재료에서 높은 압력의 원인이 되기 때문에 재료가 분열되게 한다. 기판 후보 가능성이 있는 다른 재료에도 마찬가지이다.
압력과 변형 완화는 AlxGayInzN와 대부분의 다른 적합한 지지 기판 재료 사이의 열 팽창 계수 미스매치뿐만 아니라 Al2O3에 성장된 GaN에서 높은 미스매치 변형에 의해 악화된다. 웨이퍼 본딩되는 다른 반도체 재료와는 대조적으로, AlxGayInzN과 다른 반도체 재료 사이의 CTE 미스매치는 더 크며, 압력은 유자이트(wuizite) 재료의 a 및 c 평면을 따라 상이한 CTE 미스매치에 의해 해결된다. 상이한 기판(GaAs CTE=5.8, GaP CTE=6.8, InP=4.5x10-6)에 본딩되는 GaN(CTE=5.59, a 평면/3.17x10-6, c평면/℃) 웨이퍼에서의 압력은 호스트 기판의 TCE 미스매치가 두 GaN 평면을 단단히 매치해야 하기 때문에 국부적 압력 완화를 필요로 한다. 상기 압력은 순응 재료에서, 본딩 온도에서 본딩 인터페이스에서 연하거나 액체인 중간 본딩 층에서, 또는 예를 들면, 하나 이상의 본딩된 인터페이스에서 패턴화와 같은 국부적 변형 완화를 제공함으로써 조정될 수 있다. 중간 본딩 층은 할로겐화물(예를 들면, CaF2), ZnO, 인듐(In), 주석(Sn), 크롬(Cr), 금(Au) 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 Ⅱ-Ⅵ족 재료를 포함하는 유전체 및 함금을 포함하는 집단에서 선택된다.
전류 스프레딩은 GaN 기판 디바이스에 대한 다른 주요 관심사이다. p형 재료에서 측면 전류 스프레딩은 n형 재료에서의 측면 전류 스프레딩보다 ∼30x 적다. 액티브 층의 양면에 높은 반사율의 미러를 형성하는 것이 양호한 공동을 위해 필요한 반면, D-DBR의 절연 특성으로 인해 측면 p 층 전류 스프레딩이 악화된다. p 층에서 전류 스프레딩을 개선하는 한가지 방법은 전도성 투명 반도체와 유전체 스택의 복합 DBR을 만드는 것이다. 스택의 반도체 부분은 유전체 스택이 전체 미러 반사율을 99% 이상으로 되도록 낮은 반도체 반사율을 향상시키면서 p 층에 두께를 더함으로써 전류 스프레딩을 향상시킨다. 상기 동일한 절차는 n형 층의 보다 높은 전도율로 인해 덜 중요하다할 지라도 n형 미러에 적용될 수 있다.
전류 압축 층을 부가하면 전류만 공동으로 향하게 하여 전류 스프레딩을 더 향상시킬 것이며, VCSEL에 필요할 수 있다. 이는 복합 반도체/유전체 DBR을 가지 또는 복합 반도체/유전체 DBR 없이 수직 공동 광전자 구조에 적용될 수 있고, 복합 미러의 반도체 부분에 결합될 수 있다. 전류 압축 층이 한정하는 층의 p 층과 n 층 모두에 포함될 수 있다할 지라도, 낮은 전도율로 인해 p 한정 층에서 가장 효과적이다.
지지 기판은 원래의 호스트 기판이 제거되어야 하기 때문에 액티브 영역의 양면에 D-DBR이 부착될 경우 필요하다. 대개 성장 기판으로 사용되는 사파이어 기판을 제거하는 여러 가지 방법이 있다. 아래에 개요가 설명된 방법은 사파이어 외의 다른 재료일 수도 있는 성장 기판을 제거하는데 사용될 수 있는 기술의 서브셋일 뿐이다.
레이저 용융에서, 옹 등과 켈리 등(Wong, et al. and Kelley, et al.)이 개시하고 어떤 파장에 대해 사파이어 기판이 투광성이지만 기판에 인접한 반도체 층은 투광성이 아닌 파장을 갖는 레이저를 갖는 기술이 구조의 후방(사파이어 측면)을 예시한다. 레이저 에너지는 인접 반도체 층을 침투할 수 없다. 레이저 에너지가 불충분할 경우, 사파이어 기판에 인접한 반도체 층은 분해되는 온도로 가열된다. GaN이 사파이어 기판에 인접한 층인 경우, 인터페이스에 있는 층은 Ga와 N으로 분해되어, 인터페이스에서 이면에 Ga를 남긴다. Ga 금속은 용해되고, 사파이어 기판은 층 기판의 나머지로부터 제거된다. 사파이어 기판에 인접한 층의 분해는 레이저 에너지, 파장, 재료 분해 온도 및 재료의 흡수에 달려있다. 사파이어 기판은 D-DBR이 액티브 영역의 다른 면에 부착될 수 있게 하는 상기 기술에 의해 제거될 수 있다. 그러나, VCSEL 인터페이스가 최소로(〈0.5%) 손실되고 공동 공진 특성을 최소화하도록 매우 연한 것이 중요하다. 이 레이저 용해 기술은 레이저 인터페이스를 VCSEL에 필요한 평탄성이 결여되게 할 수 있는 많은 설계 변수를 갖는다. 그 외에, VCSEL은 매우 엄격한 두께 속박을 받는다. 레이저 용해가 상기 문제를 모두 완화시키는데 사용될 수 있다.
희생 성장 기판에 인접한 층은 층의 두께가 레이저에 완전히 분해되도록 하는 경우 희생 층인 것으로 정의된다. 논문{옹(Wong) 등}에서 출판 결과는 완전히 분해되는 레이저 두께가 약 500Å이지만 이 값은 레이저 에너지, 레이저 파장, 그리고 재료 분해 온도와 기판 인접 층의 흡수에 의존할 것임을 나타낸다. 희생 층에 인접한 층(기판과 반대쪽) 즉, 사파이어 층은 희생층의 레이저 파장에서 보다 높은 분해 온도나 보다 낮은 흡수성을 갖도록 선택된다. 정지 층은 이 층이 보다 높은 분해 온도나 낮은 흡수성을 갖기 때문에 레이저 에너지에 의해 많은 영향을 받지는 않을 것이다. 이 구조에서, 희생 층은 레이저에 의해 분해되어, 보다 높은 분해 온도나 보다 낮은 흡수성을 갖는 가파른 인터페이스를 정지 층에 남긴다. 상기 정지 층은 상이한 에너지와 파장을 갖는 레이저를 사용하여 후속적으로 에칭되거나, 산화 및 에칭되거나, 분해될 수도 있다.
바람직한 층 조합은 GaN/AlxGa1-xN, InGaN/AlxGa1-xN, 및 InGaN/GaN이다. GaN/AlxGa1-xN 조합의 경우, GaN 희생 층은 레이저로 분해될 것이지만, AlxGa1-xN 정지 층은 영향을 받지 않을 것이다. AlxGa1-xN은 연한 AlxGayInzN 인터페이스에서 정지하도록 선택적 습식 화학 에칭을 사용하여 에칭되고 제거될 수 있다. 대안적으로, 위에서 설명된 GaN 층이 완전히 분해되지 않으면, 잔여의 GaN은 에칭되어 제거될 수 있다. 두꺼운 버퍼 층이 GaN 성장의 시작에서 필요하고 VCSEL 층 인터페이스가 조절된 두께와 매우 연할 필요가 있기 때문에 이 기술은 필수적으로 가치가 있을 수 있다.
특정 층이나 공동의 두께는 하나 이상의 희생 층 및 정지 층을 사용하여 맞추어 만들어질 수 있다. 레이저 용해와 선택적 습식 화학 에칭에 의해, 원하는 두께에 이를 때까지 레이저 쌍은 분해되고 순차적으로 에칭된다. 바람직한 층 조합은 GaN/AlxGa1-xN이고, 여기서 GaN은 희생 층이며, AlxGa1-xN 정지 층은 선택적으로 습식 화학 에칭될 수 있다.
성장 기판을 제거하는 다른 대안적 방법이 있다. 한가지 방법은 습식 화학 에칭을 사용하여 선택적으로 에칭될 수 있는 AlN을 사용하는 것이다. AlN은 희생 층으로 사용될 수 있는데, 여기서, AlxGayInzN 층은 구조의 아래 부분을 잘라내도록 AlN 선택 에칭을 사용하여 호스트 기판에서 제거될 수 있다. 대안적으로, AlN 층은 상승된 온도에서 습식 산화 처리를 사용하여 산화될 수 있다. AlN 산화물은 예를 들면, HF와 같은 에칭액을 사용하여 에칭되어 제거될 수 있다. 다른 방식에서, 기판은 예를 들면, 라이트 이온(light ion)을 재료에 주입하는 것과 같이, 벗겨질 수 있다. 기판이 가열될 때, 재료는 단층을 통하여 선택적으로 쪼개지고, 기판은 액티브 층에서 분리된다. 화학 에칭액을 통하여 ZnO나 다른 유전체 버퍼 층의 아래를 절단하는 것은 AlxGayInzN 층에서 기판을 제거하는데 사용될 수도 있다. 이 기술은 2-D 또는 3-D 성장 기술(예를 들면, ELOG에 사용된 SiO2나 다른 유전체)에 응용될 수 있으며, 여기서, AlxGayInzN 층은 기판에 걸쳐서 연속이거나 패턴화된 영역에서만 연속이다.
유전체 DBR은 사파이어 기판에 성장된 AlxGayInzN 액티브 영역에 침착되었다. DBR/AlxGayInzN 액티브 구조는 호스트 기판에 웨이퍼 본딩된다. 경우 1에서, DBR/AlxGayInzN 액티브 구조는 GaP 호스트 기판에 직접 웨이퍼 본딩된다(도 3을 참조). 경우 2에서, DBR/AlxGayInzN 액티브 영역 구조는 중간 CaF2층을 통하여 GaP 호스트 기판에 웨이퍼 본딩되었다(도 3, 도 3에서는 중간층이 도시되지 않는다). 경우 3에서, D-DBR은 호스트 기판(GaP)에 침착되었고, AlxGayInzN 액티브 영역에 직접 웨이퍼 본딩되었다(도 4). 경우 1과 3에서, 본딩된 면적은 중간 층이 사용되지 않았기 때문에 경우 2보다 훨씬 더 작았다. 도 5는 경우 1의 구조에서 본딩된 인터페이스의 스캐닝 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope)을 도시한다. 인터페이스는 연하고 이 배율에서 볼 수 있는 공백은 없다. 경우 4에서, DBR/AlxGayInzN 액티브 구조는 CrAuNiCu 합금으로 구성되는 금속 중간 층을 통하여 호스트 기판에 결합되었다. 도 6은 경우 4의 SEM 단면을 도시하는데, 사파이어 기판은 제거되었고, 제 2 D-DBR은 제 1 D-DBR의 반대쪽의 AlxGayInzN 액티브 영역의 측면에 침착되었다. 모든 디바이스의 경우 D-DBR 스택은 SiO2/HfO2였고, 사파이어 기판은 레이저 용해 기술을 사용하여 제거되었다. 도 7은 도 6에 설명된 디바이스로부터 400nm-500nm의 발광 스펙트럼을 도시한다. 형태상의 피크는 수직 공동 구조의 특성이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 의거하여 AlxGayInzN 디바이스의 양면에 고품질 반사면이 제공된다.

Claims (23)

  1. 기판과,
    n형 층, p형 층 및 액티브 층을 포함하고 기판에 근접 배치된 AlxGayInzN 구조(18)와,
    기판과 AlxGayInzN 구조의 밑면에 삽입된 제 1 미러 스택(14)과,
    제 1 미러 스택과, 기판과 AlxGayInzN 구조중 선택된 층 에 삽입되고 본딩 온도를 갖는 웨이퍼 본딩된 인터페이스(16)과,
    p 접점과 n 접점(22a, 22b)━p 접점은 p형 층에 전기 접속되고, n 접점은 n형 층에 전기 접속됨━
    을 포함하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    웨이퍼 본딩된 인터페이스에 인접한 하나 이상의 중간 본딩 층을 더 포함하되,
    중간 본딩 층과 기판 중 하나가 순응하도록 선택되는 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    AlxGayInzN 디바이스(18)는 수직 공동 광전자 구조인 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    AlxGayInzN 디바이스(18)는 p형 층에 전류 압축 층을 더 포함하는 디바이스.
  5. 제 2 항에 있어서,
    기판은 순응하고, 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 및 실리콘(Si)을 포함하는 집단에서 선택되는 디바이스.
  6. 제 2 항에 있어서,
    중간 본딩 층은 순응하고, 할로겐화물, ZnO, 인듐, 주석, 크롬(Cr), 금, 니켈, 구리, Ⅱ-Ⅵ 재료를 함유하는 유전체와 합금을 포함하는 집단에서 선택되는 디바이스.
  7. 제 2 항에 있어서,
    AlxGayInzN 구조의 상단면에 인접 배치된 제 2 미러 스택(20)을 더 포함하는 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 미러 스택(14, 20)중 하나 이상의 스택은 유전체가 분포된 브래그 반사경과 복합 분포된 브래그 반사경을 포함하는 집단에서 선택되는 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    AlxGayInzN 구조에 인접 배치된 제 2 미러 스택(20)을 더 포함하는 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 미러 스택(14, 20)중 하나 이상의 스택은 유전체가 분포된 브래그 반사경과 복합 분포된 브래그 반사경을 포함하는 집단에서 선택되는 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    AlxGayInzN 디바이스(18)는 p형 층 내에 전류 압축 층을 더 포함하는 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 순응하고, 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 및 실리콘(Si)을 포함하는 집단에서 선택되는 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    AlxGayInzN 디바이스는 수직 공동 광전자 구조인 디바이스.
  14. AlxGayInzN 구조를 형성하는 방법에 있어서,
    호스트 기판을 제 1 미러 스택에 부착하는 단계와,
    희생 성장 기판에 AlxGayInzN 구조를 형성하는 단계와,
    웨이퍼 본드 인터페이스를 생성하는 단계와,
    희생 성장 기판을 제거하는 단계와,
    AlxGayInzN 구조에 전기 접점을 침착하는 단계
    를 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 희생 성장 기판을 제거하는 단계는 레이저 용해 단계를 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    웨이퍼 본드 인터페이스에 중간 본딩 층을 부착하는 단계를 더 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    호스트 기판과 중간 본딩 층 중 하나는 순응하도록 선택되는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    AlxGayInzN 구조 상단에 제 2 미러 스택을 부착하는 단계를 더 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  19. AlxGayInzN 구조 형성 방법에 있어서,
    희생 성장 기판에 AlxGayInzN 구조를 형성하는 단계와,
    AlxGayInzN 구조의 상단부에 제 1 미러 스택을 부착하는 단계와,
    웨이퍼 본드 인터페이스를 생성하도록 제 1 미러 스택에 호스트 기판을 웨이퍼 본딩하는 단계와,
    희생 성장 기판을 제거하는 단계와,
    AlxGayInzN 구조에 전기 접점을 침착하는 단계
    를 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 희생 성장 기판을 제거하는 단계는 레이저 용해 단계를 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    웨이퍼 본드 인터페이스에서 중간 본딩 층을 부착하는 단계를 더 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 호스트 기판과 중간 본딩 층 중 하나는 순응하도록 선택되는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    AlxGayInzN 구조의 상단부에 제 2 미러 스택을 부착하는 단계를 더 포함하는 AlxGayInzN 구조 형성 방법.
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