KR20050081208A

KR20050081208A - 기판 분해 방지막을 사용한 단결정 질화물계 반도체 성장및 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제작

Info

Publication number: KR20050081208A
Application number: KR20050068785A
Authority: KR
Inventors: 장구현
Original assignee: 장구현
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2005-08-18

Abstract

본 발명은 전도성 기판 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 수직형 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서 : 기본적으로 전도성 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 비롯한 유기 잔해물이 제거된 기판 준비, 고온/수소 분위기에서 기판의 변형을 보호하기 위한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)으로서 두꺼운 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 박막층 증착, 질화물계 버퍼층 (Nitride-based Buffer Layer)을 포함된 단결정 질화물계 반도체가 순차적으로 적층되어 있고, 이 분해 방지 박막층인 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체로 하는 박막층은 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)으로 구성된 투명한 박막층으로 적층되어 있고, 상기한 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체로 하는 물질들로 구성된 분해 방지 박막층은 고온/수소 분위기에서 전도성 기판 변형 및 분해 방지와 동시에 양질의 단결정 질화물계 반도체를 성장하기 위해서 단결정(Single Crystal) 또는 다결정(Polycrystal) 박막층을 형성해야 한다. 본 발명에서 제안/개발한 방법을 이용하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장을 성장하고 신개념의 질화물계 발광소자를 만들기 위해서는 우선적으로 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물의 두께가 10 마이크론미터 이하로 증착하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의해서 개발된 단결정 질화물계 반도체를 이용한 발광소자는 대용량, 대면적, 및 고휘도의 고성능 질화물계 발광소자 제작이 가능하다.

Description

기판 분해 방지막을 사용한 단결정 질화물계 반도체 성장 및 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제작 {Growth of Single Nitride-based Semiconductors Using Substrate Decomposition Prevention Layer And Manufacturing of High-quality Nitride-based Light Emitting Devices}

본 발명은 전도 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고온/수소 분위기에서 기판 변형 및 분해를 막기 위해서, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판을 비롯한 전도성 기판 상부에 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장과 이를 이용한 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 사파이어(Sapphire) 기판과 전도성인 실리콘 카바이드(SiC) 상부에1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 성장되고 있다. 하지만, 실리콘(Si) 물질에 비해서 상대적으로 절연성 사파이어 및 전도성 실리콘 카바이드 기판들은 상당히 고가(High Expensive)이기 때문에 향후 경제적인 면에서 실효성이 떨어진다. 게다가, 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 있다.

상기한 절연성 사파이어 및 실리콘 카바이드 기판들 이외에, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO)은 질화물계 반도체와의 작은 격자상수(Lattice Constant), 좋은 전기 및 열전도성(Electrical and Thermal Conductivities), 우수한 빛투과성(Light Transmittance), 및 저비용(Cheap Cost)으로 인해서 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) 물질계이다. 이들 또한 500도 이상의 고온에서 이들 기판 내부에 존재하고 있는 전위 슬립계의 이동(Motion of Dislocation Slip System) 으로 인해서 물질 변형/분해 및 질화물계 반도체와의 큰 격자 상수 및 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient)로 인해서 양질의 질화물계 박막을 성장하는 것 또한 쉬운 일이 아니다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안/개발된 것으로서, 고온/수소 분우기에서 기판 변형 및 분해를 막기 위해서 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층을 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 및 이를 이용한 고품위 질화물계 광전소자 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 발명의 목적인 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 양질의 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제조방법으로서 : 기본적으로 전도성 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 비롯한 유기 잔해물이 제거된 기판 준비, 상기한 전도성 기판의 변형 및 분해를 막기 위한 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL) 증착, 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함된 단결정 질화물계 반도체가 순차적으로 적층되어 있고, 이 기판 분해 방지막(SDPL)은 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)으로 구성된 투명한 박막층으로 적층되어 있고, 이 터널 기판 분해 방지막(SDPL)은 전도성 기판 상부에서 1000도 이상의 고온과 수소 분위기에서 기판 변형 및 분해를 방지하기 위해서 적어도 3 나노미터(3 nm) 이상의 두께를 지닌 단결정(Single Crystal) 또는 다결정(Polycrystal)을 가져야 한다.

본 발명에 의해 개발된 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNxOy)을 모체로 하는 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL) 상부에 적층된 양질의 단결정 질화물계 반도체는 고품위 질화물계 발광소자을 구현하기 위한 구조로서 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 비정질(Amorphous), 다결정(Poly-crystal), 또는 단결정(Single-crystal) 박막층으로 구성된 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer : AlxInyGazN), 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 n형 질화물계 클래드층과 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 p형 질화물계 클래드층(질화갈륨), 그리고 두 질화물계 클래드층 사이에 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 발광소자 구조이다.

본 발명에서 가장 핵심적인 부분인 기판 분해 방지막(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 1000도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)로 형성된다.

상기한 기판 분해 방지막(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 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 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 기판 분해 방지막층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 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, 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)을 모체로 한 박막층에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Decomposition Prevention Layer : DPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 두께로 형성된다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD) 을 비롯한 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(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 사용한다.

더욱 바람직하게는 상기한 기판 분해 방지막(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 방법을 이용한 n형 질화물계 클래드층과 p형 질화물계 클래드층 사이에 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 박막층을 증착하여 형성시키는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거친 전도성 기판를 열처리하는 단계;를 포함하고 있다.

다. 상기 가 단계만 또는 가와 나 단계를 모든 거친 전도성 기판을 MOCVD 장비에 장착하고 상기한 전도성 기판 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer), n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체를 형성시키는 단계와;

라. 상기 다 단계를 거쳐서 성장된 질화물계 반도체 발광 구조체를 습식에칭(Wet etching) 또는 건식에칭(Dry etching) 공정을 사용하여 상기한 전도성 기판을 제가하는 단계;

마. 상기 라 단계를 거친 단결정 질화물계 발광소자 구조체에 양질의 반사 및 투명 전극물질 선택/증착하는 공정과 열처리 하는 공정을 포함한 고품위 질화물계 발광소자를 제작하는 것이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 상기한 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 배리어층 증착하기 전에 전도성 기판의 열적 안정성을 얻기 위해서 열처리를 행하는 것이 바람직하다.

상기 열처리단계는 상온 내지 1200도 이하의 온도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리 단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 박막층을 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 및 이를 이용한 바람직한 고품위 질화물계 광전소자 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 전도성 기판인 투명한 아연산화물 (ZnO) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층의 기판 분해 방지막(SDPL) 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도면 1(가)을 참조하면, 투명한 전도성 기판인 아연산화물(ZnO)(100) 상부에 단층(Single Layer)으로 구성된 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 박막층(110)이 형성되어 있다.

기판 분해 방지막(SDPL)(110)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 본 발명에서 가장 핵심적인 부분으로서 1000도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)로 형성된다.

상기한 기판 분해 방지막(SDPL)(110)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 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 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 기판 분해 방지막층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 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, 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)을 모체로 한 박막층(110)에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(SDPL)(110)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 두께로 형성된다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(SDPL)(110)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응을 통한 CVD( Chemical Vapor Deposition) 이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(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 사용한다.

더욱 바람직하게는 상기한 기판 분해 방지막(SDPL)(110)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

또 다른 기판 분해 방지막(110)으로서 도면 1(나)을 참조하면, 투명한 전도성 기판인 아연산화물(ZnO)(100) 상부에 이중층(Single Layer)으로 구성된 기판 분해 방지막(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 박막층(110a)과 고온에서 안정한 단결정을 형성하는 실리콘 카바이드(SiC)층(110b)으로 형성되어 있다.

상기한 첫 번째 기판 분해 방지막(110a)의 두께, 증착 방법, 및 열처리 전/후의 공정등은 도 1(가)과 동일하며, 두 번째 기판 분해 방지막(110b)인 단결정 실리콘 카바이드(SiC) 박막은 첫 번째 기판 분해 방지막(110a)과 질화물계 반도체간의 큰 격자상수 및 열적 팽창계수와 성장시 발생되는 전위(Dislocation)등의 결정 결함을 최소화와 고온/수소 분위기에서 성장시 발생되는 기판 변형 및 분해를 방지하기 위해서 도입된 박막층이다. 바람직하게는 두 번째 기판 분해 방지막(110b)의 두께, 증착 방법, 및 열처리 전/후의 공정등은 첫 번째 기판 분해 방지막(110a)의 경우와 동일하다.

도 2는 최초의 기판인 절연성 사파이어 상부에 투명한 아연산화물(ZnO)을 성장한 후에, 상기한 전도성 기판인 투명한 아연산화물 (ZnO) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 분해 방지막(SDPL) 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 최초 기판인 절연성 사파이어 상부에 투명한 아연산화물(200)을 성장시킨 후에, 성장된 아연산화물의 표면 및 열적 안정화를 도모하기 위해서 열처리를 행한 다음 도 1에서 설명한 바와 같이 동일하게 전도성 기판 분해 방지막(210)을 형성시킨다.

도 3은 본 발명의 기본 실시예에 따른 단층 또는 이중층으로 형성된 기판 분해 방지막(SDPL)(310)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수)또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 방지막 상부에 성장된 질화물계 반도체를 나타내 보인 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기한 도 1 및 2 구조의 최상층인 기판 분해 방지막(310)을 상부에 형성시킨 후에 질화물계 버퍼층(320)과 양질의 단결정 질화물계 반도체(330)을 형성시킨 후에, 산(Acid) 또는 염기(Base) 용액(Solution)을 이용한 습식에칭(Wet Etching) 또는 적어도 수소(H2) 개스를 포함하고 있는 건식에칭(Dry Etching)으로 전도성 기판 또는 전도성 기판과 절연성 기판인 사파이어를 동시에 제거한 후, 상대적으로 얇은 기판 분해 방지막(SDPL) 상부에 양질의 단결정 질화물계 반도체 박막이 형성되어 있는 모습니다.

본 발명에 의해서 개발된 도 3 구조는 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장을 위해서 필요한 신개념의 기판을 제공하여 질화물계 발광소자 이외에도 수광소자인 포토디텍터(Photo-detector)와 질화물계 반도체를 이용한 고성능성의 전자소자를 제작하는데 필요한 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장에 필요한 기판으로서 사용가능하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수)) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 이용하여 제작된 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

도면과 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도 3에서처럼 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어 및 투명 전도성 아연산화물(ZnO)로 형성된 기판 상부에 질화물계 버퍼층(420)과 질양질의 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 리소(Lithography) 및 에칭공정을 통해서 기판 분해 방지막(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 의해서 개발된 양질의 단결정 질화물계 반도체를 이용한 고품위 발광소자 제작을 위한 상기한 바와 같은 공정 흐름도를 반드시 갖는 것을 한정하는 것은 결코 아니다.

한 실시예로서 본 발명에 의해서 제안/개발된 고품위 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자는 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 투명 전도성 아연산화물(ZnO)이 결합된 기판, 고온과 수소 분위기에서 기판의 변형 및 분해를 막기 위한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(410), 질화물계 버퍼층(420), n형 질화물계 클래드층(430), 질화물계 활성층(440), p형 질화물계 클래드층(450)으로 구성된 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층한다.

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)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(440)은 단층(Singe) 또는 Mult Quatum Well (MQW) 층은 공지된 다양한 방식, 즉 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수) 등으로 구성된 이중층으로 구성될 수 있다.

상기한 질화물계 반도체 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 고반사성 n형 전극패드(490) 사이에는 고반사성 n형 오믹컨택트층(480)이 개제될 수 있고, 고반사성 n형 오믹컨택트층(480)은 알루미늄/타이타늄(Al/Ti)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 두꺼운 다양한 구조가 적용될 수 있다. 또한 고반사성 n형 전극패드(490) 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), 및 산화된 니켈-금(Ni-Au), 은(Ag) 등의 공지된 p형 오믹접촉 형성에 유리한 전극물질을 우선적으로 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) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.

본 발명에서 무엇보다도 중요한, 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO)등의 전도성 기판이 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas) 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 기판 변형 및 분해을 억제하는 방지막(410)으로 갖고 있다.

상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(410)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 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 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 기판 분해 방지막층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 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, 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)을 모체로 한 박막층(410)에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(410)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 두께로 형성된다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(410)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD) 을 비롯한 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(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 사용한다.

더욱 바람직하게는 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(410)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200 C 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 이용하여 제작된 수직형 플립칩형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

도면과 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도 3에서처럼 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어 및 투명 전도성 아연산화물(ZnO)로 형성된 기판 상부에 질화물계 버퍼층(520)과 질양질의 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 리소(Lithography) 및 에칭공정을 통해서 기판 분해 방지막(510)을 다양한 간격과 크기로 패터닝 작업을 한 다음, 고투명성 n형 오믹컨택트층(580)을 형성시킨 후에 두꺼운 고투명성(590) 전극을 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.

한 실시예로서 본 발명에 의해서 제안/개발된 고품위 수직형 플립칩형 질화물계 발광소자는 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 투명 전도성 아연산화물(ZnO)이 결합된 기판, 고온과 수소 분위기에서 기판의 변형 및 분해를 막기 위한 기판 분해 방지막(Decomposition Prevention Layer :DPL)(510), 질화물계 버퍼층(520), n형 질화물계 클래드층(530), 질화물계 활성층(540), p형 질화물계 클래드층(450)으로 구성된 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층한다.

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(450)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(540)은 단층(Singe) 또는 Mult Quatum Well (MQW) 층은 공지된 다양한 방식, 즉 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수) 등으로 구성된 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 n형 전극패드(590) 사이에는 고투명성 n형 오믹컨택트층(580)이 개제될 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 n형 전극패드(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.

본 발명에서 무엇보다도 중요한, 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO)등의 전도성 기판이 1200 C 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas) 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 기판 변형 및 분해을 억제하는 방지막(510)으로 갖고 있다.

상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(510)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 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 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 기판 분해 방지막층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 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.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(510)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 두께로 형성된다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(510)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD) 을 비롯한 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(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 사용한다.

더욱 바람직하게는 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)(510)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200 C 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 이용하여 제작된 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이다.

도면과 공정 흐름도를 참조하면, 상기한 도 3에서처럼 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어 및 투명 전도성 아연산화물(ZnO)로 형성된 기판 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 기판 분해 방지막을 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.

한 실시예로서 본 발명에 의해서 제안/개발된 고품위 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자는 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 또는 절연성 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 투명 전도성 아연산화물(ZnO)이 결합된 기판, 고온과 수소 분위기에서 기판의 변형 및 분해를 막기 위한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL), 질화물계 버퍼층, n형 질화물계 클래드층(650), 질화물계 활성층(640), p형 질화물계 클래드층(630)으로 구성된 양질의 단결정 질화물계 발광구조체를 적층한다.

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)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(640)은 단층(Singe) 또는 Mult Quatum Well (MQW) 층은 공지된 다양한 방식, 즉 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수) 등으로 구성된 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.

본 발명에서 무 중요한, 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO)등의 전도성 기판이 1200 C 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas) 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 기판 변형 및 분해을 억제하는 방지막(410)으로 갖고 있다.

상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 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 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 기판 분해 방지막층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 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.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 두께로 형성된다.

바람직하게는, 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 박막층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD) 을 비롯한 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition)이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(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 사용한다.

더욱 바람직하게는 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 박막층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 의해서 제안/개발된 기술은 전도성 기판인 아연산화물(ZnO) 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판을 비롯한 전도성 기판 상부에 고온 및 수소 분위기에서 기판의 변형 및 분해를 막는 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)로서 3 나노미터(3 nm) 이상의 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장과 이를 이용한 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능을 갖는 신개념의 고성능의 고품위 질화물계 발광소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 전도성 기판인 투명한 아연산화물 (ZnO) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL) 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 최초의 기판인 절연성 사파이어 상부에 투명한 아연산화물(ZnO)을 성장한 후에, 상기한 전도성 기판인 투명한 아연산화물 (ZnO) 상부에 형성된 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)의 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL) 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도 3는 본 발명의 기본 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 방지막 상부에 성장된 질화물계 반도체를 나타내 보인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 이용하여 제작된 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 박막층을 이용하여 제작된 수직형 프립칩형 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도와 제작 공정 흐름도이고,

Claims

투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 또는 절연성 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 상기한 전도성 물질들이 증착된 기판들 상부에 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)(x, y, z : 정수)박막 기판 분해 방지막층(SDPL);을 증착/형성하고,

상기 기판 분해 방지막층(SDPL) 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함한 양질의 단결정 질화물계 반도체 박막층에 있어서,

상기 기판 분해 방지막층(SDPL)은 물리(Physical) 또는 화학반응을 통한 화학적 증착/성장법을 이용하여 상기한 투명 전도성 아연산화물(ZnO)을 포함한 전도성 기판들 상부에 단결정(Single Crystal) 또는 다결정(Polycrystal) 형태를 갖고 3 나노미터 이상 두께의 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer);을 구비하고,

상기 기판 분해 방지막층(SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체하는 박막 중에서 적어도 하나 이상의 산화물계로 형성된 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 반도체 박막층.
제1항에 있어서,

상기 기판 분해 방지막층(SDPL) 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함한 양질의 단결정 질화물계 반도체 박막층을 형성한 적층구조에서, 산 또는 염기 용액 등을 이용하여 식각하는 습식에칭(Wet Etching) 또는 적어도 수소 개스 이온을 포함하고 식각하는 건식에칭(Dry Etching) 방법을 이용하여 투명 전도성 기판인 아연산화물을 포함하는 상기한 전도성 기판들 또는 사파이어/아연산화물로 형성되는 기판을 제거하여 만든 호모에피택셜(Homo-epitaxail)한 3족 질화물계 반도체 성장을 위한 새로운 형태의 기판층.
투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 또는 절연성 사파이어(Sapphire) 기판 상부에 상기한 전도성 물질들이 증착된 기판들 상부에 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y : 정수)) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)(x, y, z : 정수) 박막 기판 분해 방지막층(SDPL);을 증착/형성하고,

상기 터널 기판 분해 방지막층(SDPL) 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer), n형 질화물계 클래드층, p형 질화물계 클래드층, 그리고 상기한 두개의 질화물계 클래드층 사이에 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 수직형 질화물계 발광소자에 있어서,

상기 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 외부로 축출하는 방식에 따라서 n형 및 p형 질화물계 클래드층에 직접적으로 다기능성 n형 및 p형 오믹컨택트층;을 각각 구비하고,

상기 기판 분해 방지막층(SDPL)은 3 나노미터 내지 10 마이크론 이하의 두께를 갖는 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체하는 박막 중에서 적어도 하나 이상의 산화물계로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계(AlxInyGazN)(x, y, z : 정수) 발광소자.
제1, 2, 3항에 있어서,

전도성 기판 중에서 투명한 전도성 기판은 아연산화물(ZnO)을 비롯한 마그네슘을 포함한 마그네숨 아연산화물(Mg-Zn-O)을 우선적으로 적용한 수직형 질화물계 발광소자.
제1, 2, 3항에 있어서,

상기 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)은 상기한 기판 분해 방지막을 비롯한 상부에 적층한 질화물계 반도체의 결정성(Crystallinity)을 향상시키기 위해서 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 주성분으로 하는 다음과 같은 금속;들

실리콘(Si), 저메니움(Ge), 리튬(Li), 인듐(In), 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 이상의 성분을 포함하고 있는 수직형 질화물계 발광소자.
제1, 2, 3, 5항에 있어서,

상기 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물 (AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.
제1, 2, 3항에 있어서,

상기 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 배리어층은 3 나노미터 내지 10 마이크론미터 이내의 두께로 형성되는 수직형 질화물계 발광소자.
제1, 2, 3항에 있어서,

전도성 기판 상부에 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)을 형성하는 공정은 상온에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋으며, 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 및 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition :MOCVD) 을 비롯한 화학적 반응을 통한 저온 및 고온 CVD( Chemical Vapor Deposition) 방법과 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), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스(Gas) 이온을 사용한 스퍼터링 증착(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착(Co-sputtering Deposition)등의 다양한 물리적 증착(Physical Vapor Deposition) 방법을 사용해서 만든 수직형 질화물계 발광소자.
제 3항에 있어서,

상기 다기능성 n형 및 p형 오믹컨택트층은 질화물계 활성층에서 생성된 빛을 다기능성 n형 또는 p형 오믹컨택트층을 통해서 방출시키는 방식에 따라서 높은 빛투과성 또는 빛반사성을 갖는 공지된 n형 및 p형 오믹컨택트층 전극구조로 형성된 수직형 질화물계 발광소자.
상기한 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장을 위한 기판 제조 방법과 질화물계 반도체 성장법을 이용한 질화물계 버퍼층 (Nitride-based Buffer Layer), n형 질화물계 클래드층, p형 질화물계 클래드층, 그리고 두개의 질화물계 클래드층 사이에 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판과 절연성 기판 상부에 아연산화물이 결합된 기판 상부에 상기한 기판 분해 방지막(Substrate Decomposition Prevention Layer : SDPL)인 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 기판 방지막층을 증착하여 형성시키는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거친 전도성 기판을 여러 1200도 온도와 질소(N2) 및 산소(O2) 다양한 개스 분위기에서 열처리하는 단계와;

다. 상기 가 단계만 또는 가와 나 단계를 모든 거친 전도성 기판을 MOCVD 장비에 장착하고, 상기한 기판 분해 방지막을 갖는 전도성 기판 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer), n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체를 형성시키는 단계와;

라. 상기 다 단계를 거친 단결정 질화물계 발광소자 구조체에 양질의 반사 및 투명 전극물질 선택/증착하는 공정과 열처리 하는 공정을 포함한 고품위 질화물계 발광소자를 제작하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제10항에 있어서,

단계 나 및 라에서 열처리는 1200도 이하의 온도에서 질소(N2), 산소(O2), 공기, 아르곤(Ar), 및 수소(H2)등의 분위기에서 행해지는 수직형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제10항에 있어상기한 수직형 질화물계 발광소자를 제작하는 공정단계는 상기 순서와는 상관없다.