KR20050034686A - Iii-nitride photo disk emitters - Google Patents

Iii-nitride photo disk emitters

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KR20050034686A
KR20050034686A KR1020050023431A KR20050023431A KR20050034686A KR 20050034686 A KR20050034686 A KR 20050034686A KR 1020050023431 A KR1020050023431 A KR 1020050023431A KR 20050023431 A KR20050023431 A KR 20050023431A KR 20050034686 A KR20050034686 A KR 20050034686A
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Abstract

본 발명은 질화물반도체 광디스크 발광소자(III-nitride Photo Disk Emitters), 레이저다이오드(Laser diode) 및 변조기(Modulator)에 관한 것으로 특히, 질화물반도체를 성장함에 있어서, 실리콘(Si) 기판을 사용하여 유기금속화학기상증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)으로 질화물반도체 에피택시 박막을 성장하고, 원형디스크를 식각공정에 의해 에칭하고, 실리콘(Si) 기판이 습식 및 건식식각이 잘 되는 특성을 이용하여 측면 침투 식각방법을 이용하여, 광통신기기 및 광모듈에 응용되는 질화물반도체 광디스크 발광소자(III-nitride Photo Disk Emitters), 레이저다이오드(Laser diode) 및 변조기(Modulator)를 제작방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to nitride semiconductor optical disk emitters, laser diodes, and modulators. In particular, in the growth of nitride semiconductors, a silicon (Si) substrate is used to provide an organic metal. Growing a nitride semiconductor epitaxy thin film by Chemical Vapor Deposition, etching circular disk by etching process, and lateral penetration etching method using silicon and silicon substrates by wet and dry etching The present invention relates to a method for fabricating a nitride semiconductor optical disk emitter (III-nitride Photo Disk Emitters), a laser diode and a modulator applied to an optical communication device and an optical module.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광디스크 레이저발광소자는 실리콘기판위에 질화물반도체 활성층 과 크래드층으로 구성되며, 활성층에서 발생한 광을 광디스크에서 발생하는 위스퍼링 갤레리 모드(Whispering Gallery Mode ; 이하 WGM 이라한다) 광을 효율적으로 발생시키는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.Optical disk laser light emitting device according to the present invention for achieving the above object is composed of a nitride semiconductor active layer and a clad layer on a silicon substrate, the light generated in the active layer in the optical disk Whispering Gallery Mode (WGM) It is characterized by having a structure for generating light efficiently.

따라서, 본 발명에 따른 질화물반도체 광디스크 레이저 발광소자는 파장분할방식의 광통신분야의 광신호 발생소자 및 광변조소자를 제작하는데 응용할 수 있다.Therefore, the nitride semiconductor optical disk laser light emitting device according to the present invention can be applied to fabricate an optical signal generating device and an optical modulation device in an optical communication field of a wavelength division method.

Description

질화물반도체 광디스크 발광소자{III-nitride Photo Disk Emitters} Nitride Semiconductor Optical Disk Emitters {III-nitride Photo Disk Emitters}

질화물반도체는 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있는 직접천이형 반도체로, 가시광선에서 자외선까지의 발광을 구현할 수 있는 발광소자 제작에 매우 유용한 물질이다. 이러한 질화물 반도체에 관한 연구는 1990년대에 사파이어 기판에 저온 GaN 버퍼층을 사용한 고품위 결정성장 기술개발과 Mg 도핑한 p형 GaN 개발이 성공적으로 이루어짐으로써 현재까지 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 특히, 고휘도 청색 발광다이오드 및 형광유기체를 결합한 백색광 발광다이오드의 성공적인 개발은 차세대 친환경 조명분야 및 에너지 산업, 고밀도 광기록매체 분야에서 응용이 빠르게 진행되고 있다. 또한, 고품위, 저전위밀도를 갖는 질화물반도체 성장법의 개발로 청색 반도체레이저 다이오드가 개발되어 상온 연속발진에 성공하였다.Nitride semiconductors are direct-transition semiconductors with a wide energy bandgap, and are very useful materials for manufacturing light emitting devices capable of realizing light emission from visible light to ultraviolet light. The research on such nitride semiconductors has been progressing to a great extent in the 1990s with the successful development of high quality crystal growth technology using low temperature GaN buffer layer on sapphire substrate and the development of Mg-doped p-type GaN. In particular, the successful development of white light emitting diodes combining high brightness blue light emitting diodes and fluorescent organic materials has been rapidly applied in next-generation environment-friendly lighting, energy industries, and high-density optical recording media. In addition, the development of a nitride semiconductor growth method having high quality and low dislocation density has resulted in the development of a blue semiconductor laser diode and successfully succeeded in room temperature oscillation.

질화물 반도체 에피택시 성장기술에는 근본적으로 질화물반도체와 격자정합이 이루어지는 기판이 부재하기 때문에 종래의 기술은 사파이어 기판위에 저온에서 성장한 GaN, AlN 또는 이들의 화합물인 AlGaN, InGaN 완충층을 삽입하여 고온에서 양질의 GaN 에피택시 박막을 성장하는 방법으로 이루어져 왔다. 이를 기반으로 발광소자 및 수평형발광 반도체레이저 소자의 층구조 형성 및 식각에 의한 소자제조 공정 방법으로 소자를 제작하여 일본의 수지나카무라(Shuji Nakamura)등은 질화물반도체 청색레이저다이오드 발진에 성공하였다.(Shuji Nakamura et al., 'The Blue Laser Diode', ISBN 3-540-61590-3, Springer, 1997).Since the nitride semiconductor epitaxy growth technology essentially lacks a nitride semiconductor and a lattice matching substrate, the conventional technology inserts GaN, AlN, or a compound thereof, AlGaN, InGaN buffer layer, grown at low temperature, on a sapphire substrate to provide high quality at a high temperature. GaN epitaxy thin film has been grown by the method. Based on this, the device was fabricated by the method of device fabrication by forming and etching layer structure of light emitting device and horizontal light emitting semiconductor laser device. Shiji Nakamura et al. Of Japan succeeded in oscillating nitride semiconductor blue laser diode. Shuji Nakamura et al., 'The Blue Laser Diode', ISBN 3-540-61590-3, Springer, 1997).

이러한 질화물반도체를 응용한 발광소자분야의 괄목할 만한 성과에 대하여, 본 발명에서는 진보된 반도체발광소자의 한 형태로서 원형의 디스크의 형태에서 일정한 공진모드를 발생하는 광디스크 발광소자를 제작하였다.Regarding the remarkable achievements in the field of light emitting devices employing such nitride semiconductors, the present invention has produced an optical disk light emitting device that generates a constant resonance mode in the form of a circular disk as a form of an advanced semiconductor light emitting device.

광디스크 발광소자는 원형의 박막구조를 갖는 원판에서 내부전반사에 의한 위스퍼링 갤레리 모드(Whispering Gallery Mode ; 이하 WGM 이라한다.)가 형성되는 특성을 이용하여 낮은 발진전압 및 낮은 구동전압을 갖는 레이저소자를 제작할 수 있다. 이러한 발광소자의 구현은 지난 수십년간 많은 연구가 이루어 졌으며, 유전체 박막 및 반도체에피택시 박막을 이용하여 구현한 예가 많다. 그중 대표적인 예로 보고된 바는 다음과 같은 참고문헌에 나타나 있다.An optical disk light emitting device is a laser device having a low oscillation voltage and a low driving voltage by using the characteristic that Whispering Gallery Mode (hereinafter referred to as WGM) is formed by total internal reflection in a disk having a circular thin film structure. Can be produced. The implementation of such a light emitting device has been a lot of research over the last few decades, many examples are implemented using a dielectric thin film and a semiconductor epitaxy thin film. Representative examples thereof are reported in the following references.

(1) S. L. Mccall 등, 어프라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter), 권 60 (3), 289-291 페이지, 1992년.(1) S. L. Mccall et al., Applied Physics Letter, Vol. 60 (3), pp. 289-291, 1992.

(2) K.-S. Kim 등, 피직스 솔리드 스테이트(Phys. stat. sol.) (b) 권228, No. 1, 169-172 페이지, 2001년.(2) K.-S. Kim et al., Phys. Stat.sol. (B) vol. 228, no. 1, pages 169-172, 2001.

(3) Seung June Choi 등, 아이이이이 포토닉 테크놀로지 레터스(IEEE Photonics Technology Letters), 권15, No. 10, 1330-1332 페이지, 2003년.(3) Seung June Choi et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 10, pages 1330-1332, 2003.

(4) T. J. Kippenberg 등, 어프라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter), 권 83 (4), 797-799 페이지, 2003년.(4) T. J. Kippenberg et al., Applied Physics Letter, Vol. 83 (4), pp. 797-799, 2003.

이러한, 광디스크 발광소자에 대한 연구는 각각의 선택된 구현물질 과 제작된 소자의 형태 및 크기에 따라 소자의 발광파장 및 공진파장을 각각 다르게 제어할 수 있는 특징이 있다.The study of the optical disk light emitting device has a feature that can control the light emission wavelength and the resonant wavelength of the device differently according to the shape and size of each selected material and the fabricated device.

또한, 질화물 반도체를 이용한 광디스크 발광소자도 K.-S. Kim 등에 의해 시도된 것(피직스 솔리드 스테이트(Phys. stat. sol.) (b) 권228, No. 1, 169-172 페이지, 2001년.)과 같이 그 발광의 특성 구현을 확인하였다. 그러나, 기존의 질화물 반도체를 성장하는 기판물질로써 사파이어 기판은 전기전도성이 없는 고저항 부도체로써 사파이어 기판상에 전류를 주입할 수 있는 전극을 형성하기가 어렵고, 화학적으로 안정하여 반도체 소자제조 공정상 습식 또는 건식 식각이 매우 어려운 단점이 있어서 질화물 반도체 발광소자 및 레이저의 구동시에 전류의 고른 퍼짐을 형성하기가 힘들고, 소자 구동시에 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 것이 어렵기 때문에 소자의 구동전압을 높이고, 소자의 열화를 증대시키는 역할을 한다. In addition, an optical disk light emitting device using a nitride semiconductor is also K.-S. As described by Kim et al. (Phys. Stat. Sol. (B) vol. 228, No. 1, pages 169-172, 2001.), the implementation of the characteristics of the light emission was confirmed. However, the sapphire substrate is a high-resistance insulator with no electrical conductivity, and it is difficult to form an electrode capable of injecting current on the sapphire substrate, and is chemically stable. Alternatively, dry etching is very difficult, so it is difficult to form an even spread of current when driving the nitride semiconductor light emitting device and the laser, and it is difficult to effectively discharge heat generated when driving the device, thereby increasing the driving voltage of the device, Increases the deterioration of

따라서, 본 발명의 발명자는 질화물반도체 광디스크 발광소자(III-nitride Photo Disk Emitters)를 제작함에 있어서, 기존의 사파이어 기판 대신에 전기전도도 및 열방출 특성이 양호한 실리콘(Si) 면방위 (111) 기판을 사용하여, 양질의 질화물반도체를 성장시키고, 발광소자층을 형성하여 광디스크 발광소자를 제작하는 방법을 연구하였다. 또한, 실리콘 반도체는 수 십년간 반도체를 대표하는 물질로서 n형 및 p형의 전도성을 갖는 도핑기술이 잘 발달되어 있으며, 많은 반도체 소자제조기술이 발달되어 있으며, 식각공정 및 도핑기술, 전극형성기술이 극도로 발달되어 있으며, 또한 상대적으로 좋은 열전달 특성을 갖고 있기 때문에 질화물반도체 발광소자를 제작하는데 기판으로써의 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 광디스크 발광소자를 제작하기 위해서는 광디스크의 하단부를 에칭하여 제작하여야 하는데, 아직까지 사파이어 기판을 이용하여 광디스크만 남기고 효과적으로 광디스크 하단부를 에칭하는 방법은 화학적으로 안정한 구조의 사파이어 기판때문에 그 제작이 불가능하다. 그러나 본 발명에서는 실리콘 기판을 이용하여 질화물반도체를 성장시키고, 실리콘 기판이 화학적으로 잘 에칭되는 특성을 이용하여 질화물 반도체 광디스크의 하단부로 침투 식각하는 방법으로 보다 간편하고, 효과적으로 광디스크 발광소자를 제작하는 방법을 개발하였다.Therefore, the inventors of the present invention, in the fabrication of nitride semiconductor optical disk emitters (III-nitride Photo Disk Emitters), instead of the conventional sapphire substrate, a silicon (Si) surface orientation (111) substrate having good electrical conductivity and heat emission characteristics In this study, a method of fabricating an optical disk light emitting device by growing a high quality nitride semiconductor and forming a light emitting device layer was used. In addition, silicon semiconductor is a representative material of semiconductors for decades, and has a well-developed doping technique having n-type and p-type conductivity, and many semiconductor device manufacturing techniques have been developed, etching processes, doping techniques, and electrode forming techniques. This extremely developed and relatively good heat transfer property has a number of advantages as a substrate for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device. In particular, in order to fabricate an optical disk light emitting device, the lower part of the optical disk must be etched. However, a method of effectively etching the lower part of the optical disk using only a sapphire substrate and leaving the optical disk is not possible due to the chemically stable sapphire substrate. . However, in the present invention, a method of fabricating an optical disk light emitting device is simpler and more effective by growing a nitride semiconductor using a silicon substrate and infiltrating etching to the lower end of the nitride semiconductor optical disk by using a chemically etched silicon substrate. Developed.

그러므로, 본 발명은 사파이어나 실리콘카바이드(SiC) 기판에 비하여 화학적 식각 및 산화막형성이 용이한 실리콘기판 위에 질화물반도체 발광소자 구조를 에피택시 성장법으로 제작하고, 질화물반도체 발광층 구조를 원형으로 식각하거나, 패턴닝된 실리콘 기판위에 선택적으로 성장시켜 광디스크 형태를 제작하고, 이러한 광디스크 하단부의 실리콘 기판을 화학적으로 침투에칭 시키는 공정에 의하여 질화물반도체 광디스크 발광소자 및 레이저다이오드를 제작하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in the present invention, the nitride semiconductor light emitting device structure is fabricated by epitaxial growth method on the silicon substrate, which is easier to chemically etch and form oxide film than the sapphire or silicon carbide (SiC) substrate, and the nitride semiconductor light emitting layer structure is circularly etched, The purpose of the present invention is to fabricate an optical disk by selectively growing on a patterned silicon substrate, and to fabricate a nitride semiconductor optical disk light emitting device and a laser diode by chemically penetrating etching the silicon substrate at the lower end of the optical disk.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 실리콘 기판위에 질화물반도체 활성층 및 크래드층을 포함하는 발광소자의 구조 성장층을 유기금속화학기상증착법으로 성장하고, 광디스크 형태로 질화물 반도체를 형성하고, 실리콘 기판을 측면 침투 식각에 의해 제작된 질화물반도체 광디스크 발광소자의 개략적인 형태를 나타낸 도면이다.1 is, according to an embodiment of the present invention, a structure growth layer of a light emitting device including a nitride semiconductor active layer and a clad layer on a silicon substrate is grown by an organometallic chemical vapor deposition method to form a nitride semiconductor in the form of an optical disc, A diagram showing a schematic form of a nitride semiconductor optical disk light emitting device fabricated by lateral penetration etching of a silicon substrate.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 실리콘 기판에 형성한 질화물반도체 광디스크 발광소자구조의 광결정학적 구조를 개략적으로 도시하는 상면도(a) 및 단면도(b)이다.FIG. 2 is a top view (a) and a cross-sectional view (b) schematically showing the photonic crystal structure of a nitride semiconductor optical disk light emitting device structure formed on a silicon substrate as an embodiment according to the present invention.

실리콘 기판 과 질화물반도체 에피택시 박막 사이에는 매우 큰 격자상수의 차이(~17%) 및 열팽창계수 차이를 가지고 있기 때문에 양질의 질화물반도체를 성장하는 것은 쉽지 않다. 이러한 격자부정합은 에피택시 성장된 질화물반도체 결정구조가 아닌 알갱이(grain) 형상으로 성장되고, 박막에 균열을 유발하며, 결정내부에 많은 전위(dislocation) 와 결정결함(defect)을 유발하여 발광소자의 광효율을 저하시키는 작용을 한다.  It is not easy to grow high quality nitride semiconductors because of very large lattice constant difference (~ 17%) and thermal expansion coefficient difference between silicon substrate and nitride semiconductor epitaxy thin film. This lattice mismatch is not epitaxially grown nitride semiconductor crystal structure, but is grown in grain shape, causing cracks in the thin film, and causing a lot of dislocations and defects in the crystals. It acts to lower the light efficiency.

따라서, n형 접촉층(50)을 성장하기 위해서, 본 발명에서는 실리콘 기판에 양질의 GaN 질화물반도체를 성장시키기 위한 버퍼(buffer)층 으로 고온에서 성장한 AlN층을 사용하여, 2차원 에피택시 성장을 촉진시키는 성장핵으로 작용하여 양질의 2차원적인 반도체 박막층 성장이 잘 이루어지도록 하였다. 또한 질화물반도체 성장초기에 실리콘 기판으로 부터 탈착된 실리콘 원자와 질화물반도체 성장원으로 사용되는 암모니아(NH3) 가스의 질소(N) 원자의 결합으로 비정질 실리콘나이트라이드(SiN)를 성장시키는 것을 방지하기 위하여 트리메틸알루미늄(이하, TMAl 이라 한다.)을 수 원자층 정도로 전착함으로써 보다 2차원 평면상으로 질화물반도체 에피택시 박막이 성장되도록 하였다. 이러한 버퍼층 위에 성장한 GaN 박막은 여전히 실리콘 기판과의 계면사이에서 발생하는 인장응력(tensile stress) 때문에 매우 높은 균열밀도를 유발한다. 따라서 본 발명에서는 이러한 인장응력에 의한 균열을 억제하고자 응력을 보상할 수 있는 층구조로써 0.3 ㎛ 정도의 GaN 박막을 형성한후 재차 250 nm 정도의 AlN 박막)을 형성함으로써 기판과의 계면에서 발생된 응력을 완화시키는 구조를 형성하여 GaN 질화물반도체 박막의 균열을 억제할 수 있었다. 이러한 버퍼층과 응력완화구조층 위에 성장한 2 ㎛ 정도의 Si 도핑한 n형 GaN층을 성장하였다. 또한, 실리콘나이트라이드(SiN) 전위감소층은 n형 GaN층을 성장하는 도중에 질소원인 암모니아 가스의 공급을 중단하고, 보다 많은 양의 Si 도핑원인 실란(SiH3)가스를 공급하여 부분적으로 SiN층을 형성시켜 하부층으로 부터 전파하는 전위(dislocation)을 차단하는 역할을 하게 하였다. 이로 인해 상부 GaN 층은 전위밀도가 급감한 매우 좋은 품질을 갖는 GaN 박막을 형성할 수 있었다.Therefore, in order to grow the n-type contact layer 50, in the present invention, by using the AlN layer grown at high temperature as a buffer layer for growing a high quality GaN nitride semiconductor on a silicon substrate, two-dimensional epitaxy growth is performed. It acts as a growth nucleus to promote high quality two-dimensional semiconductor thin film growth. In addition, in order to prevent the growth of amorphous silicon nitride (SiN) by the combination of silicon atoms desorbed from the silicon substrate at the beginning of nitride semiconductor growth and nitrogen (N) atoms of ammonia (NH3) gas used as a nitride semiconductor growth source. By depositing trimethylaluminum (hereinafter referred to as TMAl) to a few atomic layers, the nitride semiconductor epitaxy thin film was grown on a two-dimensional plane. GaN thin films grown on such buffer layers still cause very high crack densities due to tensile stress occurring between the interface with the silicon substrate. Therefore, in the present invention, a GaN thin film having a thickness of about 0.3 μm is formed as a layer structure capable of compensating stress in order to suppress cracking caused by tensile stress, and then an AlN thin film having a thickness of about 250 nm is formed again at the interface with the substrate. By forming a structure to relieve stress, cracking of the GaN nitride semiconductor thin film could be suppressed. The Si doped n-type GaN layer was grown on the buffer layer and the stress relaxation structure layer. In addition, the silicon nitride (SiN) potential reducing layer stops the supply of ammonia gas, which is a nitrogen source, and supplies a larger amount of silane (SiH3), which is a source of Si doping, to partially form the SiN layer during the growth of the n-type GaN layer. Formed to block dislocations propagating from the underlying layer. As a result, the upper GaN layer was able to form a GaN thin film having very good quality with a sharp drop in dislocation density.

반도체 발광소자는 발광효율을 높이기 위해서 일반적으로 다중양자우물구조(multiple quantum well structure)로 구성되는 활성층(80) 과 활성층에서의 전자와 홀의 결합율을 높이기 위한 활성층 양쪽에 구성된 밴드갭이 큰 크래드층으로 구성된다. 본 발명에서는 InGaN/GaN 양자우물구조를 갖는 활성층을 성장하였으며 양자우물층으로 사용되는 InGaN 의 In 조성비를 조절함으로써 발광소자의 발광파장을 제어할 수 있다. 또한 n형 크래드층(70)으로는 Si 도핑된 AlGaN 층을 사용하였다. Al의 조성비와 두께에 따라서 발광효율은 차이가 있으나 균열 및 결정결함을 고려하여 최적화된 Al함량 및 두께가 필요하다. 바람직하기는 Al 함량은 5 ~ 50 % 정도이고, 두께는 10 ~ 300 nm 정도이다. p형 크래드층(60)은 Mg 도핑한 AlGaN 층이고 Al 함량및 두께는 n형 크래드층(70)과 유사하다.The semiconductor light emitting device has a large band gap composed of both an active layer 80 composed of a multiple quantum well structure for improving luminous efficiency and an active layer for increasing the bonding ratio of electrons and holes in the active layer. It is composed of layers. In the present invention, an active layer having an InGaN / GaN quantum well structure was grown, and the emission wavelength of the light emitting device can be controlled by controlling the In composition ratio of InGaN used as the quantum well layer. In addition, an Si-doped AlGaN layer was used as the n-type cladding layer 70. The luminous efficiency is different depending on the composition ratio and thickness of Al, but it is necessary to optimize the Al content and thickness in consideration of cracks and crystal defects. Preferably the Al content is on the order of 5 to 50% and the thickness is on the order of 10 to 300 nm. The p-type cladding layer 60 is an Mg-doped AlGaN layer and the Al content and thickness are similar to the n-type cladding layer 70.

위에서 설명한 바와 같이 실리콘 기판위에 유기금속화학기상증착법으로 형성한 질화물반도체 발광소자의 구조를 갖는 웨이퍼를 제작한 후, 그 위에 광디스크 발광소자를 형성하는 과정은 다음과 같다.As described above, after fabricating a wafer having a structure of a nitride semiconductor light emitting device formed on the silicon substrate by an organometallic chemical vapor deposition method, a process of forming an optical disk light emitting device thereon is as follows.

광디스크 형상을 만들기 위해서는, 실리콘 기판위에 실리콘옥사이드(SiO2)를 형성하고, 선택적으로 질화물반도체 구조층(90)을 원형으로 성장시켜 제작하는 방법과 전체 실리콘 기판위에 질화물반도체 구조층(90)을 형성한후 건식식각 방법에 의하여 원형의 광디스크를 제작할 수 있다. 건식식각 방법에 의한 형성방법은 성장된 웨이퍼 위에 포토레지스트를 도포하고, 일정크기의 원형을 갖는 마스크를 사용하여 노광을 한 후 건식식각공정에 의하여 광디스크 원형 부분만을 남겨두고 에칭하여 제거한다. In order to form an optical disk, silicon oxide (SiO 2) is formed on a silicon substrate, and a nitride semiconductor structure layer 90 is selectively grown in a circular manner, and a nitride semiconductor structure layer 90 is formed on an entire silicon substrate. Afterwards, a circular optical disc may be manufactured by a dry etching method. In the method of forming by dry etching, a photoresist is applied on the grown wafer, exposed using a mask having a circular shape, and then removed by etching, leaving only the circular part of the optical disk by the dry etching process.

광디스크 형상 제작후, 잔류된 원형 질화물반도체 구조층(90)의 하단부의 실리콘 기판을 식각하기 위해서 질화물반도체와 실리콘중 실리콘만을 에칭하는 화학약품으로 습식식각을 하여, 드러난 실리콘을 에칭하면, 그 깊이가 깊어지면서 질화물반도체 하단부로의 측면으로 식각액이 침투하면서 버섯모양의 광디스크 구조물을 형성할 수 있다. 이때 사용되는 식각액의 종류로는 질산, 초산, 황산, 염산, 암모니아 및 과산화수소 등과 같은 대부분의 산과 염기류의 화학약품의 배합으로 그 에칭률을 제어할 수 있다. 일반적으로 질화물 반도체는 화학약품에 매우 안정하여 그 에칭율이 극히 낮기 때문에 일반적인 실리콘웨이퍼를 습식 식각하는 방법으로 에칭 하여도 크게 손상되거나 변형되지 않으므로 광디스크 발광소자의 제작을 위해서 습식식각은 매우 용이한 제작방법이라 할 수 있다. After fabrication of the optical disk shape, wet etching is performed with a chemical which etches only silicon out of the nitride semiconductor and silicon to etch the silicon substrate at the lower end of the remaining circular nitride semiconductor structure layer 90. As the etching liquid penetrates into the side surface of the nitride semiconductor lower portion as it deepens, a mushroom-shaped optical disk structure can be formed. At this time, as the type of etchant used, the etching rate can be controlled by mixing the chemicals of most acids and bases such as nitric acid, acetic acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, ammonia and hydrogen peroxide. In general, since the nitride semiconductor is very stable in chemicals and its etching rate is extremely low, wet etching is very easy for fabrication of an optical disk light emitting device because it is not greatly damaged or deformed even by etching a general silicon wafer by wet etching. It can be called a method.

상기 설명과 같이 제작한 광디스크 발광소자 구조체에 질화물 반도체와 오믹 특성을 갖는 n형전극(20) 및 실리콘 기판과 오믹특성을 갖는 p형전극(30)을 제작한다. n형전극(20)의 형태는 바람직하기는 동심원의 형태로 형성하여, 전류가 주입되는 위치에 따라서 그 발광되는 빛의 공진률 및 발광효율을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 경우에 따라서 면각형의 형상을 제작할 경우에는 광디스크 발광소자의 편광을 제어할 수 있는 장점도 있다. 광디스크 발광소자의 성능에 따라서 바람직한 형상을 제작하는 것이 가능하다.An n-type electrode 20 having a nitride semiconductor and ohmic characteristics and a p-type electrode 30 having ohmic characteristics are fabricated in the optical disk light emitting device structure manufactured as described above. The shape of the n-type electrode 20 is preferably formed in the form of a concentric circle, and has an advantage of controlling the resonance rate and the luminous efficiency of the emitted light according to the position at which the current is injected. In addition, in some cases, when manufacturing a polygonal shape, there is an advantage in that the polarization of the optical disk light emitting device can be controlled. It is possible to produce a preferable shape in accordance with the performance of the optical disk light emitting element.

P형전극(30) 버섯 형태의 광디스크 를 지지하는 실리콘 기판위에 기둥의 둘레로 형성하는 것이 바람직하나, 좀 더 나은 전기적 소자특성을 갖는 소자를 제작하기 위해서는 기둥의 측면까지 증착하는것도 바람직하다. 또한, 실리콘 기판과 질화물반도체 사이의 전기적 전위장벽에 의한 구동전압의 상승을 막기 위하여 질화물반도체 하부면에 도금법에 의하여 전극을 형성하는 것도 가능하다.The P-type electrode 30 is preferably formed around the pillar on the silicon substrate supporting the mushroom-shaped optical disk, but in order to fabricate a device having better electrical device characteristics, it is also preferable to deposit the side of the pillar. In addition, it is also possible to form an electrode on the lower surface of the nitride semiconductor by a plating method in order to prevent a rise in driving voltage due to an electrical potential barrier between the silicon substrate and the nitride semiconductor.

이와 더불어, 상기 광디스크 발광소자 구조체는 질화물반도체 박막이 수 마이크로미터 정도로 매우 깨지기 쉬우므로, 폴리미드 및 유전체 증착방법을 이용하여 측면 식각된 부분을 채워 패시베이션 시키는 것도 소자의 신뢰성을 위하여 도입하는 것도 바람직한 방법이다.In addition, since the nitride semiconductor thin film is very fragile by several micrometers, the optical disk light emitting device structure may be passivated by filling the side etched portion using polyimide and dielectric deposition, and also introduced for the reliability of the device. to be.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 광디스크 발광소자 구조물을 어레이 형태로 제작한 형상을 보여주는 전자현미경 사진을 나타낸 것이다.Figure 3 shows an electron micrograph showing the shape of the optical disk light emitting device structure in the form of an array according to an embodiment of the present invention.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명은 질화물반도체 발광소자를 제작함에 있어, 실리콘(Si) 기판에 질화물반도체 발광소자 구조를 에피택시 성장하고, 광디스크 구조를 실리콘 기판의 측면침투식각에 의하여 형성함으로써, 위스퍼링 갤레리 모드(Whispering Gallery Mode ; 이하 WGM 이라한다)에 의한 레이저 광을 효율적으로 발생시키는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.As described above, in the present invention, in fabricating a nitride semiconductor light emitting device, the semiconductor semiconductor light emitting device structure is epitaxially grown on a silicon (Si) substrate, and the optical disk structure is formed by the side penetration etching angle of the silicon substrate, thereby providing a whisper. It is characterized by having a structure for efficiently generating laser light in a ring gallery mode (hereinafter referred to as WGM).

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로, 실리콘 기판위에 질화물반도체 활성층 및 크래드층을 포함하는 발광소자 구조층을 유기금속화학기상증착법으로 성장하고, 광디스크 형태로 질화물 반도체를 형성하고, 실리콘 기판을 측면 침투 식각에 의해 제작된 질화물반도체 광디스크 발광소자의 개략적인 형태를 나타낸 도면. 1 is, according to an embodiment of the present invention, a light emitting device structure layer including a nitride semiconductor active layer and a clad layer on a silicon substrate is grown by an organometallic chemical vapor deposition method to form a nitride semiconductor in the form of an optical disc, and a silicon substrate Figure showing a schematic form of a nitride semiconductor optical disk light emitting device produced by the side penetration etching.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 실리콘 기판에 형성한 질화물반도체 광디스크 발광소자구조의 광결정학적 구조를 개략적으로 도시하는 상면도(a) 및 단면도(b).2 is a top view (a) and a cross-sectional view (b) schematically showing a photonic crystal structure of a nitride semiconductor optical disk light emitting device structure formed on a silicon substrate as an embodiment according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 광디스크 발광소자를 어레이 형태로 제작한 형상을 보여주는 전자현미경 사진.Figure 3 is an electron micrograph showing the shape of the optical disk light emitting device in the form of an array according to an embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10 : 실리콘 기판 20 : n형 전극 10 silicon substrate 20 n-type electrode

30 : p형 전극 40 : p형 접촉층30 p-type electrode 40 p-type contact layer

50 : n형 접촉층 60 : p형 크래드층 50: n-type contact layer 60: p-type cladding layer

70 : n형 크래드층 80 : 활성층70: n-type cladding layer 80: active layer

90 : 질화물반도체 구조층90: nitride semiconductor structure layer

Claims (4)

실리콘 기판위에 질화물반도체로 이루어진 n형 및 p형 접촉층, n형 및 p형 크래드층, 및 활성층을 포함하는 발광소자 구조를 형성하고, 원형의 질화물반도체를 식각공정 또는 선택영역 성장법에 의하여 형성시킨 후, 실리콘기판과 질화물반도체의 선택적 습식식각 공정에 의한 측면 침투식각을 이용하여 원형의 광디스크를 제작하고, 이에 전류를 주입하는 오믹 n형전극 및 p형전극을 장착하여, 활성층 내부에서 발생시킨 광을 광디스크 내부의 전반사에 의한 위스퍼링갤레리 모드에 의하여 레이저광을 발생시키는 구조를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 광디스크의 내부 전반사율을 높이기 위한 광디스크 상부에 비반사 거울층 구조를 추가할 수 있는것을 특징으로 하는 질화물반도체 광디스크 발광소자. A light emitting device structure including an n-type and p-type contact layer made of nitride semiconductor, an n-type and p-type cladding layer, and an active layer is formed on a silicon substrate, and the circular nitride semiconductor is etched by an etching process or a selective region growth method. After the formation, a circular optical disk is fabricated using side penetration etching by a selective wet etching process of a silicon substrate and a nitride semiconductor, and an ohmic n-type electrode and a p-type electrode which inject current therein are mounted and generated inside the active layer. It characterized in that it has a structure for generating the laser light by the whispering galley mode by the total reflection inside the optical disk, it is possible to add a non-reflective mirror layer structure on top of the optical disk to increase the internal total reflectance of the optical disk A nitride semiconductor optical disk light emitting device, characterized in that. 청구항 1항에 있어서, n형 전극의 형상은 동심원구조로 제작하여, 전류 주입위치에 따라서 공진파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the shape of the n-type electrode is formed in a concentric circle structure, and the resonance wavelength is controlled according to the current injection position. 청구항 1항에 있어서, n형 전극의 형상을 면각형구조로 형성하여 편광특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the shape of the n-type electrode is formed in a polygonal structure to control polarization characteristics. 청구항 1항에 있어서, 광디스크 발광소자를 제작함에 있어서 구조체를 안정하게 지지하기 위하여 폴리미드 또는 에폭시를 채우는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The semiconductor light emitting device of claim 1, wherein in manufacturing the optical disk light emitting device, polyimide or epoxy is filled to stably support the structure.
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