KR20070091901A - 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장 - Google Patents

나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장 Download PDF

Info

Publication number
KR20070091901A
KR20070091901A KR1020060021644A KR20060021644A KR20070091901A KR 20070091901 A KR20070091901 A KR 20070091901A KR 1020060021644 A KR1020060021644 A KR 1020060021644A KR 20060021644 A KR20060021644 A KR 20060021644A KR 20070091901 A KR20070091901 A KR 20070091901A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nitride
thin film
single crystal
group iii
semiconductor thin
Prior art date
Application number
KR1020060021644A
Other languages
English (en)
Inventor
오인모
Original Assignee
오인모
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오인모 filed Critical 오인모
Priority to KR1020060021644A priority Critical patent/KR20070091901A/ko
Publication of KR20070091901A publication Critical patent/KR20070091901A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B43—WRITING OR DRAWING IMPLEMENTS; BUREAU ACCESSORIES
    • B43L—ARTICLES FOR WRITING OR DRAWING UPON; WRITING OR DRAWING AIDS; ACCESSORIES FOR WRITING OR DRAWING
    • B43L13/00—Drawing instruments, or writing or drawing appliances or accessories not otherwise provided for
    • B43L13/20—Curve rulers or templets
    • B43L13/201—Stencils for drawing figures, objects
    • B43L13/205—Stencils for drawing figures, objects geometrical figures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00—Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/002—Details
    • G01B3/004—Scales; Graduations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

차세대 광전자 산업분야에서 필수적인 부품인 반도체를 이용한 각종 트랜지스터(transistor)들의 전자소자(electronics)와 발광다이오드(light emitting diode : LED) 및 레이저다이오드(laser diode : LD)와 같은 광전소자(optoelectronics) 제작은 선행조건으로 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조(group 3 nitride-based epitaxial semiconductor thin film structure)를 적층/성장하는 것이다. 본 발명은 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체 성장(growth of light-emitting multistructure)에 관한 것으로서, 상세하게는 최초 성장기판 상층부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조 성장을 위위해서 나노구조층(nanostructured layer)을 도입시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조 적층/성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 발광 다층구조체를 성장하는 것이다. 무엇보다도, 본 발명에서 제안/개발된 핵심기술인 나노구조층은 모체물질(matrix material)에 결정성을 갖는 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)이다.
본 발명에 의해서 적층/성장된 양질의 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작을 위한 고품위 단결정 반도체 다층 박막 구조를 종래 일반적인 건식에칭(dry etching) 공정을 이용한 메사구조형 소자(MESA-structured device)와 레이저 리프 트 오프(laser lift off : LLO) 기술을 접목한 수직형 소자(vertical structured device) 이외에도 각종 에칭용액(etching solution)을 이용한 케미컬 리프트 오프(chemical lift off : CLO) 기술을 접목시켜 더 진보된 각종 그룹 3족 질화물계 소자들 제작할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면 최초 성장기판 을 분리하기 위해서 도입되는 기존 LLO 기술보다는 CLO 기술을 이용한 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작 공정을 이용하면 성장기판 분리공정에서 발생되는 열 충격(thermal damage) 및 박막 휨(thin film bending) 현상을 방지할 수 있어, 양질의 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작에서 제품 수율(product yield)을 월등히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층, 호모에피택셜 기판, 발광 다층구조체, 나노구조층, 기능성 나노복합체 박막, 레이저 리프트 오프(LLO), 케미컬 리프트 오프(CLO)

Description

나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 발광 다층구조체 성장{Fabrication of high-quality group 3 nitride-based homoepitaxial substrate and its related light-emitting multistructures using the nanostructured layer}
도 1은 최초 성장기판 상층부에 저온 버퍼층(LTBL : low temperature buffer layer) 또는 엘로그(ELOG : epitaxial lateral overgrowth) 성장 기법을 각각 단독 또는 결합시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하는 종래 방법을 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명의 핵심기술로서 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장시에 도입된 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 찍은 투과전자현미경(TEM : transmission electron microscope) 사진이고,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제 4 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 7은 본 발명의 제 5 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제 6 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이고,
도 9는 본 발명의 제 7 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 도 7 및 8에서와 같은 박막층 구조로 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체를 적층/성장시킨 후에 레이저 빔(laser beam)을 조사하여 양질의 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 호모에피택셜 기판 상층부에 적층/성장된 발광 다층구조체(light-emitting multistructure)를 보인 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제 8 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상층부에 도 4 및 6에서와 같은 박막층 구조로 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체를 적층/성장 시킨 후에 에칭용액(etching solution)을 이용하여 최초 성장기판을 분리시키는 케미컬 리프트 오프(CLO) 기법을 결합시켜 양질의 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 호모에피택셜 기판 상층부에 적층/성장된 발광 다층구조체(light-emitting multistructure)를 보인 단면도이다.
본 발명은 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 다층 박막 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체 성장(growth of light-emitting multistructure)에 관한 것으로서, 상세하게는 최초 성장기판 상층부에 단결정 질화물계 반도체를 성장하기에 앞서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 물질, 즉 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 양질의 단결정 박막층 구조 성장에 관한 것이다. 게다가, 본 발명에 의해서 적층/성장된 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 단층(single) 또는 다층(multilayer) 구조를 이용하여 차세대 그룹 3족 질화물계 전자소자(electronics) 또는 광전소자(optoelectronics) 제작에 관한 것이다.
최근 들어, 산업발달로 인해서 기존의 광전자 소자들에 비해서 고신뢰성을 갖춘 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용한 반도체 소자들에 대한 요구가 급증하고 있는 실정이다. 특히, 차세대 백색광원 및 대용량 저장매체 수단으 로 각각 주목을 받고 있는 질화물계 반도체 소자(nitride-based semiconductor device)인 발광다이오드(LED : light emitting diode)와 레이저다이오드(LD : laser diode)는 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)으로 구성된 그룹 3족 원소와 질소(N)가 결합하여 형성되는 단결정 박막층(epitaxial thin film layer)을 활용목적에 따라서 전기절연성인 사파이어(Al2O3)와 전기전도성인 실리콘(Si) 또는 실리콘카바이드(SiC) 성장기판 상층부에 pn-junction, double heterostructure, single quantum well(SQW), 또는 multi-quantum well(MQW) 등의 다층 박막 구조로 적층/성장하여 제작되어 폭넓은 실생활 및 산업현장에서 상용화되고 있다. 상기한 구조에 대해서는 이와 관련된 산업 및 연구에 종사하고 있는 모든 사람들에는 비교적 쉽게 잘 알려진 지식이기 때문에 상세한 설명을 생략한다.
하지만, 이들 반도체 소자의 폭넓은 상용화에도 불구하고 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용한 각종 양질의 반도체 소자 제작에는 호모에피택셜 기판 부재(absence of homoepitaxial substrate)로 인해서 다음과 같이 많은 어려움이 여전히 존재하고 있는 상황이다.
우선, 상기한 바와같이 전기절연성인 사파이어(Al2O3) 또는 전기전도성인 실리콘(Si) 및 실리콘카바이드(SiC) 단결정 기판물질을 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 성장용 기판으로 사용하고 있다. 하지만, 이들 최초 성장기판들과 그룹 3족 질화물계 반도체간의 격자상수(lattice constant) 및 열팽창계수(thermal expansion coefficient)의 큰 차이 때문에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조의 적층/성장시에 전위(dislocation)를 비롯한 높은 농도의 결정학적 결함들 (crystalline defects)이 발생되어, 고주파/대용량 전자소자인 각종 트랜지스터(transistor) 및 대용량/고휘도 발광소자인 LD와 LED 구동시에, 성장시 도입된 결정학적 결함들을 통한 전자(electron) 및 정공(hole) 캐리어들(carriers)의 비정상적인 전도현상인 누설전류(leaky current) 발생과 광학적인 측면에서 비효율적인 에너지 전환 메카니즘(mechanism)인 비발광성 결합(non-radiative recombination)현상으로 인해서 다량의 열이 발생하게 되며, 이로 인해서 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용한 소자들의 전체적인 성능 및 신뢰성을 크게 훼손하게 된다.
이와 더불어서, 호모에피택셜 기판 부재(absence of homoepitaxial substrate)로 인해서 생기는 또 다른 심각한 문제는 반도체 소자를 구동할 때 발생하는 대량의 열(heat)을 대기(air) 중으로 원활하게 발산(dissipation)할 수가 없어 반도체 소자의 전체적인 신뢰성과 수명에 큰 악영향을 미치는 것이다. 특히, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용한 LED용 발광 다층구조체 성장과 이를 이용한 LED 제작은 전기절연성인 Al2O3 기판을 사용하고 있다. 다시 말해서, Al2O3 기판은 전기 및 열적으로 나쁜 전기적 특성을 갖고 있기 때문에 수직형 발광다이오드(vertical LED)를 제작할 수 없으며, 또한 제작 시에 건식에칭 (dry etching) 공정을 결합하여 엔형 질화물계 클래드층(n-type nitride cladding layer)이 대기(air) 중으로 노출되는 구조, 즉 메사구조의 발광다이오드(MESA-structured LED)를 만들어야 한다. 상기한 그룹 3족 질화물계 메사구조의 발광다이오드 제작시에 고비용과 소자 구동시에 컨런트크라우딩(current crowding) 현상이 심각하게 발생되어 차세대 대면적/대용량의 고휘도 각종 광원(lighting source)으로 적합하지가 않다.
도 1에서 보인 바와 같이, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 물질과 기판간의 큰 격자상수와 열팽창계수로 인해서 발생되는 높은 전위밀도(dislocation density)를 억제하기 위해서, (1) 700도 이하의 온도에서 형성시킨 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 얇은 저온 버퍼층(LTBL : low temperature buffer layer, 110) 도입, (2) 700도 이상의 온도에서 형성시킨 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 두꺼운 고온 버퍼층(HTBL : high temperature buffer layer, 120) 성장, 또는 (3) 엘로그(ELOG : epitaxial lateral overgrowth) 성장기법을 도입/적용하여 상당한 수준까지 감소시킨 결정학적 결함 농도를 지닌 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 얻을 수 있음을 여러 문헌에서 보고되고 있다. 특히, 상기한 엘로그(ELOG) 성장기법은 널리 공지된 기술로서 단결정 반도체 박막 성장시에 비정질 윈도우 마스크층(window mask layer, 130)을 도입시켜 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층이 성장기판 표면에 대해서 수직방향(vertical direction)이 아닌 측면방향(lateral direction)으로 우선적인 성장을 유도하여 전위밀도가 낮은 단결정 질화물계 반도체 박막을 성장하는 것이다. 게다가, 얇은 두께의 버퍼층(BL : buffer layer)과 엘로그(ELOG) 성장기법을 동시에 접목한 성장은 각자 독립적으로 적용한 경우에 비해서 훨씬 낮은 수준의 전위밀도(dislocation density)까지 조절할 수 있음도 여러 문헌에서 보고되어 지고 있다.
또 다른 한편으로 그룹 3족 질화물계 트랜지스터(transistor) 및 발광다이오드(LED)를 비롯한 전자/광전소자 구동시에 발생되는 대량의 열을 원활하게 발 산시키기 위해서, 최초 성장기판 사파이어 물질 상층부에 엘로그(ELOG) 성장기법을 통해서 낮은 전위밀도를 갖는 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장시킨 후에 강한 에너지원인 레이저 빔(laser beam)을 투명한 사파이어 후면을 통해 조사시켜서 사파이어 기판물질을 완전히 제거시키는 레이저 리프트 오프(LLO) 기술을 접목하여 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 후막층(또는, 호모에피택셜 기판) 또는 발광 다층구조체를 제작하고 있으며, 이러한 단결정 반도체 후막층과 발광 다층구조체를 이용하여 현재 부분적으로 차세대 반도체 광전자 소자들을 제작하는데 성공적으로 이용되고 있다.
본 발명은 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 그룹 3족 질화물계 반도체 발광 다층구조체 성장(growth of group 3 nitride-based light-emitting multistructure)에 관한 것으로서, 상세하게는 최초 성장기판 상층부에 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위해 1마이크로미터 이하의 크기를 갖는 결정성 입자(crystalline particle)들이 모체상(matrix phase)내에 묻혀있는 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 개발/적용하여 고품위 그룹 3족 질화물계 단결절 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다.
또 다른 본 발명의 목적은 상기한 기능성 나노복합체 박막(FNTF)과 더불어 두꺼 운 희생층(SL : sacrificial layer)을 결합시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다. 상기한 희생층(SL)은 산(acid), 염기(base), 염(salt), 또는 각종 에칭용액(etching solution)으로 쉽게 환원/제거되는 물질층을 말한다.
또 다른 본 발명의 목적은 상기한 기능성 나노복합체 박막(FNTF)과 더불어 저온 버퍼층(LTBL : low temperature buffer layer)을 결합시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다. 상기한 저온 버퍼층(LTBL)은 700도 이하의 온도에서 형성시킨 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로서, 자세하게는 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현되는 2원계 또는 3원계 물질층을 말한다.
또 다른 본 발명의 목적은 상기한 기능성 나노복합체 박막(FNTF)과 더불어 상기한 희생층(SL) 및 저온 버퍼층(LTBL)을 적절한 적층순서에 따라 결합시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다.
또 다른 본 발명의 목적은 상기한 기능성 나노복합체 박막(FNTF)과 더불어 상기한 희생층(SL), 저온 버퍼층(LTBL), 및 고온 버퍼층(HTBL)을 적절한 적층순서에 따라 결합시켜 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다. 상기한 고온 버퍼층(HTBL)은 700도 이상의 온도에서 적층/성장한 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로서, 자세하게는 화학식 AlxInxGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 2원계, 3원계, 또는 4원계 물질층을 말한다.
또 다른 본 발명의 목적은 상기한 기능성 나노복합체 박막(FNTF)을 이용하여 본 발명에 따라서 적층/성장한 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층(단층 또는 다층)구조를 LLO 또는 CLO 기술 접목을 통해서 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장하는 것이다.
본 발명의 최종적인 목적으로서, 본 발명에 의해서 창안/개발된 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작과 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 발광 다층구조체를 성장기술을 통한 차세대 전자 또는 광전소자를 각각 제작하는 것이다.
본 발명의 최종적인 목적인 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용한 차세대 전자 또는 광전소자를 제작하기 위해서는, 우선적으로 최초 성장기판인 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 아연산화물(ZnO), 또는 다른 단결정 기판물질 상층부에 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 양질의 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작이 수행되어야 한다. 이를 성공적으로 행하기 위해서 본 발명에서는 사파이어 기판을 비롯한 이종 기판물질 상층부에 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 성장공정의 초기단계에서 본 발명의 핵심기술인 기능성 나노복합체 박막( FNTF ) 및 희생층(SL)을 단독/동시적으로 또는 종래 저온 버퍼층 ( LTBL ), 고온 버퍼층 ( HTBL ), 엘로그(ELOG) 성장기법을 기능성 나노복합체 박막( FNTN ) 및 희생층(SL)과 결합시켰다.
기능성 나노복합체 박막( FNTF )은 도 2에서 보인 실질적인 예처럼, 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particles)이 묻혀있는 복합체 구조를 갖는 물질층이다. 이러한 기능성 나노복합체 박막(FNTN)의 역할은 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하기 전의 목적과 공정 방법에 따라서 4가지로 구분 지을 수가 있다. 첫째, 모체물질(matrix material)은 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이종 성장기판 상층부에 고온에서 적층/성장시킬 때 두 물질간의 큰 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해서 계면에 발생되는 스트레인(strain)을 흡수/완화시켜 준다. 둘째, 모체물질(matrix material)에 묻혀 있는 결정성 나노미터규모(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)은 양질의 단결정 반도체 박막층 구조 성장공정 초기단계에 절대적으로 필요한 질화물계 핵들(defect-free nitride-based nuclei)이자 새로운 핵을 생성하는 장소(site)이다. 특히, 성장된 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조의 품질은 모체물질 내에 묻힌 입자들의 물질종류에 따fms 결정격자 상수(lattice constant) 및 열팽창계수(thermal expansion coefficient), 결정성(crystallinity), 형상(shape), 크기(size), 및 분포 밀도(distribution density)에 따라서 결정되어진다. 셋째, 모체물질(matrix material)과 묻힌 나노미 터규모(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particles)은 선택성 에칭공정(selective etching processing)을 통해서 제거시킬 수 있으며, 이러한 선택성 에칭공정을 통한 기능성 나노복합체 박막(FNTN)은 기존 엘로그(ELOG) 성장기법에서 사용되는 윈도우 마스크층(window mask layer)을 대체할 수 있다. 넷째, 기존 엘로그(ELOG) 성장기법은 일반적인 포토리쏘그라피 및 에칭공정을 통해서만 하기 때문에 마이크로미터규모로 패턴된 윈도우 마스크(patterned window mask)를 사용하기 때문에 전위밀도를 줄이는 데는 한계가 있다. 하지만, 본 발명에서 제안/개발된 나노미터규모로 패턴된 윈도우 마스크(patterned window mask)를 갖고 있는 기능성 나노복합체 박막(FNTN)을 종래 엘로그(ELOG) 성장기법에 도입된 윈도우 마스크를 대체하게 되면 더욱 더 향상된 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장할 수 있다.
이러한 기능성 나노복합체 박막(FNTF) 형성은 우선적으로 물리적인 증착법인 듀얼 레이저 빔 증착(dual PLD : dual pulsed laser deposition), 코스퍼터링(co-sputtering), 듀얼 이빔 또는 열 증착(dual e-beam or thermal evaporator) 등의 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 화학 및 전기화학적인 각종 다양한 증착 기법을 적용할 수 있다.
모체물질(matrix material)은 우선적으로 비정질 상(amorphous phase)이 바람직하지만, 경우에 따라서는 결정성인 단결정(single crystal) 또는 다결정(poly-crystal) 상을 바람직하다. 모체(matrix)를 구성하는 적합한 물질로는 다양한 화학식을 갖는 산화마그네슘(Mg-O), 질소산화마그네슘(Mg-O-N), 실리콘(Si), 실리콘카 바이드(Si-C), 실리탄소질화물(Si-C-N), 저매니움(Ge), 저매니움카바이드(Ge-C), 저매니움탄소질화물(Ge-C-N), 실리콘저매니움(Si-Ge), 실리콘저매니움카바이드(Si-Ge-C), 실리콘저매니움탄소질화물(Si-Ge-C-N), 크롬(Cr), 질화크롬(Cr-N), 텅스텐(W), 질화텅스텐(W-N), 몰리브덴늄(Mo), 질화몰리브덴늄(Mo-N), 탄탈륨(Ta), 질화탄탈륨(Ta-N), 산화실리콘(Si-O), 질화실리콘(Si-N), 질소산화실리콘(Si-N-O), 산화알루미늄(Al-O), 질화알루미늄(Al-N), 질소산화알루미늄(Al-N-O), 산화갈륨(Ga-O), 질화갈륨(Ga-N), 질소산화알루미늄(Ga-N-O) 등이 바람직하다. 이들 이외에도 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아 (NH3) 개스 분위기에서 열 및 화학적 안정성을 갖는 금속(metal)을 비롯한 각종 2원계, 3원계, 또는 4원계로 구성된 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide) 등을 사용할 수 있다.
나노미터규모(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particles)을 구성하고 있는 물질은 모체물질과는 달리, 비정질 상(amorphous phase) 보다는 우선적으로는 결정성 상(crystalline phase)을 형성시키는 것이 바람직하다. 무엇보다도, 낮은 전위밀도를 갖는 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하기 위해서는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질과 결정구조(crystal structure), 격자상수(lattice constant), 열팽창계수(thermal expansion coefficient), 및 다른 물리화학적인 특성이 같거나 유사한 물질을 우선적으로 하는 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 물질로 적합한 물질로는 크롬(Cr), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 실리콘(Si)을 비롯한 각종 금속(metal)들과 다양한 화학식을 갖는 질화크 롬(Cr-N), 질화텅스텐(Mo-N), 질화탄탈륨(Ta-N), 산화알루미늄(Al-O), 질소산화알루미늄(Al-N-O), 산화갈륨(Ga-O), 질소산화갈륨(Ga-N-O), 산화리튬알루미늄(Li-Al-O), 산화리튬갈륨(Li-Ga-O), 질화갈륨(Ga-N), 산화마그네슘(Mg-O), 질화알루미늄(Al-N), 질화알루미늄갈륨(Al-Ga-N), 질화갈륨인듐(Ga-In-N), 질화알루미늄인듐(Al-In-N), 실리콘카바이드(Si-C), 탄소질화실리콘(Si-C-N), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘아연(Mg-Zn-O) 등이 바람직하다. 이들 이외에도 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아 (NH3) 개스 분위기에서 열 및 화학적 안정성을 갖는 각종 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide) 등의 물질이 바람직하다.
희생층(SL)은 우선적으로 산(acid), 염기(base), 염(salt), 또는 각종 에칭용액(etching solution)으로 쉽게 제거될 수 있는 물질층을 말하며, 우선적으로 실리콘(Si), 크롬(Cr), 질화크롬(CrN), 저매니움(Ge), 실리콘저매니움(SiGe), 산화실리콘(Si-O), 실화실리콘(Si-N), 산화아연(Zn-O), 산화마그네슘아연(Mg-Zn-O) 등을 비롯한 각종 금속(metal), 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide) 등을 사용하는 것이 바람직하다.
희생층(SL)은 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장 후, 후처리 공정을 통해서 쉽게 제거될 수 있어야 하기 때문에 가능한 두꺼운 막(후막)을 형성시키는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 스퍼터링(sputtering), 레이저 빔 증착(PLD), 이빔 또는 열증착(e-beam or thermal evaporator) 등을 비롯한 각종 물 리적 증착방법과 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 비롯한 각종 화학적 증착방법을 이용하는 것이 바람직하다.
저온 버퍼층 ( LTBL ) 및 고온 버퍼층(HTBL)은 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막 성장하기 위해서 종래부터 널리 사용되어 오고 있는 스트레인 완화층(strain relieving layer)로서, 일반적으로 금속 유기 화학 증착법 (MOCVD : metalorganic chemical vapor deposition), HVPE(hydride vapor phase epitaxy), 또는 ALD(atomic layer deposition)을 통해서 형성시키며, 700도 이하 및 이상의 온도에서 각각 형성된다.
저온 버퍼층(LTBL)은 700도 이하의 온도에서 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 금속과 질소(N)가 결합되어 형성되는 50나노미터 이하의 두께를 가진 물질층이 바람직하다.
이와는 다르게, 고온 버퍼층(HTBL)은 700도 이상의 온도에서 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 금속과 질소(N)가 결합되어 형성되는 5 마이크로미터 이하의 두께를 가진 물질층이 바람직하다.
일반적으로 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막을 형성하기 위해서 도입되고 있는 엘로그(ELOG) 성장기법에서는 포토리쏘그래피(photo-lithography) 공정과 에칭공정을 통해서 일정한 형태의 모양을 갖춘 윈도우 마스크층을 이용하는데, 이러한 윈도우 마스크층은 주로 각종 화학식을 갖는 산화실리콘(Si-O), 질화실리콘(Si-N), 산화질소실리콘(Si-N-O) 물질로 된 비정질 상(amorphous phase)으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 기술들을 이용하여 최초 성장기판 상층부에 성장시킨 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용하여 현재까지 공지된 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작과 관련된 여러 기술들, 즉 고투명성 또는 고반사성(highly transparency or reflectance) N형/P형 오믹 또는 쇼키 컨택트(N-type/P-type ohmic or schottky contact) 형성기술, 포토리쏘그래피(photo-lithography) 및 메사구조의 에칭공정(MESA-structured etching) 기술, 스퍼터링(sputtering)과 이빔 또는 열 증착법 등을 통한 대면적/대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 제작과 고신뢰성 질화물계 전자소자를 제작할 수 있다.
또 다른 한편으로, 상기한 본 발명의 기술들을 이용하여 최초 성장기판 상층부에 성장시킨 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 현재까지 공지된 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작과 관련된 여러 기술들, 즉 고투명성 또는 고반사성(highly transparency or reflectance) N형/P형 오믹 또는 쇼키 컨택트(N-type/P-type ohmic or schottky contact) 형성 기술, 지지기판 본딩 또는 디본딩(supporting substrate bonding or debonding) 기술, 포토리쏘그래피(photo-lithography) 및 에칭공정 기술, 일렉트로플레이팅(electroplating), 스퍼터링(sputtering), 이빔 또는 열 증착법과 강한 에너지원인 레이저 빔(laser beam)을 이용하여 최초 성장기판을 완전히 제거하는 레이저 리프트 오프(LLO) 기법을 접목시켜 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 성장용 호모에피택셜 기판 제작과 대면적/대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 및 고신뢰성 질화물계 전자소자를 제작한다.
또 다른 한편으로, 상기한 본 발명의 기술들을 이용하여 최초 성장기판 상층부에 성장시킨 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층을 현재까지 공지된 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작과 관련된 여러 기술들, 즉 고투명성 또는 고반사성(highly transparency or reflectance) N형/P형 오믹 또는 쇼키 컨택트(N-type/P-type ohmic or schottky contact) 형성 기술, 지지기판 본딩 또는 디본딩(supporting substrate bonding or debonding) 기술, 포토리쏘그래피(photo-lithography) 및 에칭공정 기술, 일렉트로플레이팅(electroplating), 스퍼터링(sputtering), 이빔 또는 열 증착법과 에칭용액(etching solution)을 이용하여 최초 성장기판을 완전히 제거하는 기술인 케미컬 리프트 오프(CLO)를 접목하여 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막 성장용 기판 제작과 대면적/대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 및 고신뢰성 질화물계 전자소자를 제작한다.
무엇보다도 최초 성장기판으로부터 레이저 리프트 오프(LLO) 또는 케미컬 리프트 오프(CLO) 방법을 통해서 얇은 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 분리하는 공정에서 단결정 반도체 박막층 구조를 열적 및 기계적 충격으로부터 보호함과 동시에, 반도체 소자 구동시에 발생되는 다량의 열을 원활하게 대기(air) 중으로 발산하기 위한 히트씽크(heat sink)이자 지지기판(supporting substrate)은 종래 일반적으로 공지된 단결정 실리콘(Si), 구리(Cu), 텅스텐(W), 구리텅스텐(CuW) 등의 물질 이외에도, 단결정 실리콘(Si) 기판 상층부에 금속간화합물(intermetallic compound)인 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 또는 고용체(Al-related alloy or solid solution), 구리(Cu), 구리계 합금 또는 고용체(Cu-related alloy or solid solution), 은(Ag), 또는 은계 합금 또는 고용체(Ag-related alloy or solid solution), 몰리브덴늄(Mo), 또는 몰리브덴늄계 합금 또는 고용체(Mo-related alloy or solid solution), 크롬(Cr), 또는 크롬계 합금 또는 고용체(Cr-related alloy or solid solution), 다결정 또는 비정질 실리콘(Si) 등을 비롯한 전기 및 열적 전도성이 우수한 금속, 합금, 또는 고용체를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(300)에 도 2에서 보인 기능성 나노복합체 박막(FNTF, 350)을 형성시킨 후에, 900도 이상의 수소(H2)와 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(340) 구조를 성장한다. 상세하게 일예로서, 우선 먼저 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(Si), 또는 산화아연(ZnO)과 같은 기판물질 상층부(300)에 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(350)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조 박막을 형성시킨다. 그런 다음, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(340) 구조를 성장시킨다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(400)에 희생층(SL, 460) 및 기능성 나노복합체 박막(FNTF, 450)을 순차적으로 형성시킨 후에, 900도 이상의 수소(H2)와 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(440) 구조를 성장한다. 상세하게 일예로서, 우선 먼저 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(Si), 또는 산화아연(ZnO)과 같은 기판물질 상층부(400)에 PECVD 등의 장비를 이용하여 산화실리콘(Si-O) 또는 질화실리콘(Si-N) 등으로 형성되는 희생층(SL, 460)을 형성시킴과 동시에 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(450)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조를 형성시킨다. 그런 다음, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(440)을 성장시킨다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(500)에 기능성 나노복합체 박막(FNTF, 550) 및 저온 버퍼층(LTBL, 510)을 순차적으로 형성시킨 후에, 900도 이상의 수소(H2)와 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(540) 구조를 성장한다. 상세하게 일예로서, 우선 먼저 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(Si), 또는 산화아연(ZnO)과 같은 기판물질 상층부(500)에 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(550)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조 박막을 형성시킨다. 그런 다음, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현된 저온 버퍼층(510)과 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(540)을 순차적으로 적층/성장시킨다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(600)에 희생층(SL, 660), 기능성 나노복합체 박막(FNTF, 650), 저온 버퍼층(LTBL, 610)을 순차적으로 형성시킨 후에, 900도 이상의 수소(H2)와 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(640) 구조를 성장한다. 상세하게 일예로서, 우선 먼저 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(Si), 또는 산화아연(ZnO)과 같은 기판물질 상층부(600) 에 PECVD 등의 장비를 이용하여 산화실리콘(Si-O) 또는 질화실리콘(Si-N) 등으로 형성되는 희생층(SL, 660)을 형성시킴과 동시에 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(650)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조를 형성시킨다. 그런 다음, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막을 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현된 저온 버퍼층(610)과 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(640) 구조를 순차적으로 성장시킨다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(700)에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현된 저온 버퍼층(710)과 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 고온 버퍼층(730)을 순차적으로 적층/성장시킨 후에, 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(750)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조를 형성시킨다. 그런 다음, 선택성 에칭 공정을 통해서 모체물질 또는 나노미터규모의 입자들을 완전히 제거시킨 후에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(740)을 성장시킨다.
도 8은 본 발명의 제 6 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 고품위 그룹 3족 질화물계 반도체 박막층 구조가 적층/성장된 단면도이다.
최초 성장기판 상층부(800)에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현된 저온 버퍼층(810)과 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 고온 버퍼층(830)을 순차적으로 적층/성장시킨 후에, 제작하고자 하는 반도체 소자 및 형태에 따라서 선정된 물질들로 구성된 기능성 나노복합체 박막(850)을 물리적 증착 장비인 코스퍼터링(co-sputtering)을 이용하여 상기한 나노복합체 구조를 형성시킨다. 그런 다음, 선택성 에칭 공정을 통해서 모체물질 또는 나노미터규모의 입자들을 완전히 제거시킨 후에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막을 성장하는데 가장 일반적으로 이용되어 오고 있는 MOCVD 또는 HVPE 장비를 이용해서 화학식 AlxGayN(x, y : 정수)로 표현된 저온 버퍼층(810)과 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현된 양질의 단결정 반도체 박막층(840)구조를 순차적으로 성장시킨다.
도 9는 본 발명의 제 7 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 도 7 및 8에서와 같은 박막층 구조로 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체를 적층/성장 시킨 후에 레이저 빔(laser beam)을 조사하여 양질의 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 호모에피택셜 기판 상층부에 적층/성장된 발광 다층구조체(light-emitting multistructure)를 보인 단면도이다.
최초 성장기판인 사파이어(Al2O3) 물질 상부에 도 7 및 8에서 보인 바와 같이 각각 본 발명의 실시예인 5 및 6에 따라서 적층/성장한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(740, 840) 구조를 적층/성장시킨 후에 지지기판(supporting substrate, 970)을 물리, 화학, 또는 전기화학적인 방법으로 단결정 반도체 박막층(740, 840) 상층부에 적층/형성시킨다(도 9(a), 9(b)). 상기한 지지기판(970)으로 적합한 물질은 900도 이상의 온도와 수소 (H2)및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 안정적인 실리콘(Si), 상층부에 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 크롬(Cr), 몰리브덴늄(Mo), 텅스텐(W), 또는 이들과 관련된 합금 또는 고용체를 우선적으로 적용하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 열 및 전기적으로 우수한 전도성을 갖고 있는 두꺼운 지지기판(970)을 형성시킨 후에, 강한 에너지원인 레이저 빔(laser beam)을 투명한 사파이어(Al2O3) 후면을 통해서 조사시키면 사파이어 기판 상부에 형성되어 있는 저온 버퍼층(LTBL)에서 열화학 분해가 발생하게 되어 전기적 및 열적으로 나쁜 전도성을 갖는 사파이어 기판을 완전히 제거할 수 있게 된다. 사파이어 기판이 제거된 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막을 건식 및 습식 에칭공정을 통해서 도 9(c)에서 보인 바와같이 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 박막층 구조를 성장할 수 있도록 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 안정한 지지기판(970) 상부에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(980) 구조가 형성되어 있는 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate)을 제작한다. 또 다른 한편으로, 도 9(c)와 같이 준비된 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate)을 재차 MOCVD 및 HVPE 장치에서 이용하여 도 9(d)에서와 같이 차세대 전자 및 광전자 소자용 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장시킨다.
도 10은 본 발명의 제 8 실시예로서, 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 최초 성장기판 상부에 도 4 및 6에서와 같은 적층구조로 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장시킨 후에 에칭용액(etching solution)을 이용한 케미컬 리프트 오프(CLO) 기법을 결합시켜 양질의 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 호모에피택셜 기판 상부에 적층/성장된 발광 다층구조체(light-emitting multistructure)를 보인 단면도이다.
최초 성장기판인 사파이어(Al2O3) 기판물질 상부에 도 4 및 6에서 보인 바와 같이 각각 본 발명의 실시예인 2 및 4에 따라서 적층/성장한 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(440, 640) 구조를 적층/성장시킨 후에 지지기판(supporting substrate, 1070)을 물리, 화학, 또는 전기화학적인 방법으로 단결정 반도체 박막층(440, 640) 구조 상부에 적층/형성 시킨다(도 10(a), 10(b)). 상기한 지지기판(1070)으로 적합한 물질은 900도 이상의 온도와 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 안정적인 실리콘(Si), 상층부에 실리사이드(silicide)가 형성되어 있는 실리콘(Si), 크롬(Cr), 몰리브덴늄(Mo), 텅스텐(W), 또는 이들과 관련된 합금 또는 고용체를 우선적으로 적용하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 열 및 전기적으로 우수한 전도성을 갖고 있는 두꺼운 지지기판(1070)을 형성시킨 후에, 산(acid), 염기(base), 염(salt), 또는 다른 에칭용액을 이용하여 최초 성장기판인 사파이어(Al2O3) 물질을 완전히 제거시킨 다음, 다층 박막 구조를 건식 및 습식 에칭 공정을 통해서 도 10(c)에서 보인 바와같이 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 박막층 구조를 성장할 수 있도록 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 안정한 지지기판(1070) 상부에 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층(1080)이 형성되어 있는 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate)을 제작한다. 또 다른 한편으로, 도 10(c)와 같이 준비된 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate)을 MOCVD 및 HVPE 장치를 이용하여 도 10(d)에서와 같이 차세대 전자 및 광전자 소자용 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 다층 박막층 구조를 적층/성장시킨다.
지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명은 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체 성장(growth of light-emitting multistructure)에 관한 것으로서, 상세하게는 최초 성장기판 상층부에 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 나노구조층(nanostructured layer), 즉 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(FNTF : functional nanocomposite thin film)을 도입하여 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작 및 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체로 구성된 발광 다층구조체(high-quality group 3 nitride-based light-emitting multistructure)를 적층/성장하는 것이다.
본 발명에 의해서 형성된 양질의 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작을 위한 고품위 단결정 다층 박막구조를 종래 일반적인 건식에칭(dry etching) 공정을 이용한 메사구조의 소자(MESA-structured device)와 레이저 리프트 오프(laser lift off : LLO) 기술을 접목한 수직형 소자(vertical structured device) 이외에도 각종 에칭용액(etching solution)을 이용한 케미컬 리프트 오프(chemical lift off : CLO) 기술을 접목시켜 열 및 기계적 충격이 없는 한층 더 진보된 각종 그룹 3족 질화물계 반도체 소자들을 제작할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조로부터 최초 성장기판을 완전히 분리하기 위해서 도입되는 종래 LLO 기술보다는 CLO 기술을 이용한 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작공정을 이용하면 성장기판 분리공정에서 발생되는 열적충격(thermal damage) 및 박막 휨(thin film bending)을 방지할 수 있어, 양질의 그룹 3족 질화물계 전자 및 광전소자 제작에서 제품 수율(product yield)을 월등히 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (10)

  1. 최초 성장기판인 사파이어(sapphire), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 또는 다른 기판물질들 상층부에 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하는 공정에서 나노구조층(nanostructured layer), 즉 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 단결정 반도체 박막층을 성장하기에 앞서 도입시켜 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure)를 적층/성장 하는 것이다.
  2. 최초 성장기판인 사파이어(sapphire), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 또는 다른 기판물질들 상층부에 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하는 공정에서 희생층(sacrificial layer) 및 나노구조층(nanostructured layer), 즉 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 단결정 반도체 박막층을 형성하기에 앞서 순차적으로 적층/도입시켜 그룹 3족 질화물계 단결 정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 적층/성장하는 것이다.
  3. 최초 성장기판인 사파이어(sapphire), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 또는 다른 기판물질들 상층부에 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하는 공정에서 저온 버퍼층(low temperature buffer layer), 고온 버퍼층(high temperature buffer layer), 또는 엘로그(ELOG) 성장기법과 나노구조층(nanostructured layer), 즉 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 단결정 반도체 박막층을 형성하기에 앞서 순차적으로 적층/도입시켜 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 적층/성장하는 것이다.
  4. 최초 성장기판인 사파이어(sapphire), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 또는 다른 기판물질들 상층부에 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아(NH3) 개스 분위기에서 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하는 공정에서 저온 버퍼층(low temperature buffer layer), 고온 버퍼층(high temperature buffer layer), 엘로그(ELOG) 성장기법, 또는 희생층 (sacrificial layer)과 나노구조층(nanostructured layer), 즉 모체물질(matrix material)에 결정성 나노미터규모 크기(1마이크론 이하)의 입자들(crystalline nanoscale particle)이 묻혀있는 복합체 구조의 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 단결정 반도체 박막층을 형성하기에 앞서 순차적으로 적층/도입시켜 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 적층/성장하는 것이다.
  5. 제 1, 2, 3, 4항에 있어서,
    그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 적층/성장하는데 있어, 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체는 화학식 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)으로 표현되는 화합물을 말하며, 또 다른 한편으로 화합물 반도체의 전기적 특성을 조절하기 위해서 그룹 2족 또는 그룹 4족 원소들을 도판트(dopant)로서 적어도 한 성분 이상 첨가시킨 물질층이 바람직하다.
  6. 제 1, 2, 3, 4항에 있어서,
    그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 적층/성장하는데 있어, 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 형성하는 바람직한 모체물질(matrix material)로는 다양한 화학식을 갖는 산화마그네슘(Mg-O), 질소산화마그네슘(Mg-O-N), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(Si-C), 실리탄소질화물(Si-C-N), 저매니움(Ge), 저매니움카바이드(Ge-C), 저매니움탄소질화물(Ge-C-N), 실리콘저매니움(Si-Ge), 실리콘저매니움카바이드(Si-Ge-C), 실리콘저매니움탄소질화물(Si-Ge-C-N), 크롬(Cr), 질화크롬(Cr-N), 텅스텐(W), 질화텅스텐(W-N), 몰리브덴늄(Mo), 질화몰리브덴늄(Mo-N), 탄탈륨(Ta), 질화탄탈륨(Ta-N), 산화실리콘(Si-O), 질화실리콘(Si-N), 질소산화실리콘(Si-N-O), 산화알루미늄(Al-O), 질화알루미늄(Al-N), 질소산화알루미늄(Al-N-O), 산화갈륨(Ga-O), 질화갈륨(Ga-N), 질소산화알루미늄(Ga-N-O) 등과 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아 (NH3) 개스 분위기에서 열 및 화학적 안정성을 갖는 금속(metal)을 비롯한 각종 2원계, 3원계, 또는 4원계로 구성된 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide) 등을 사용하는 것도 바람직하며,
    모체물질(matrix material)과 더불어 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 형성하는 나노미터규모(1마이크론 이하)의 입자물질은 크롬(Cr), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 금(Au), 은(Ag), 실리콘(Si)을 비롯한 각종 금속(metal)들과 다양한 화학식을 갖는 질화크롬(Cr-N), 질화텅스텐(Mo-N), 질화탄탈륨(Ta-N), 산화알루미늄(Al-O), 질소산화알루미늄(Al-N-O), 산화갈륨(Ga-O), 질소산화갈륨(Ga-N-O), 산화리튬알루미늄(Li-Al-O), 산화리튬갈륨(Li-Ga-O), 질화갈륨(Ga-N), 산화마그네슘(Mg-O), 질화알루미늄(Al-N), 질화알루미늄갈륨(Al-Ga-N), 질 화갈륨인듐(Ga-In-N), 질화알루미늄인듐(Al-In-N), 실리콘카바이드(Si-C), 탄소질화실리콘(Si-C-N), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘아연(Mg-Zn-O) 등이 바람직하며, 이들 이외에도 900도 이상의 고온과 수소(H2) 및 암모니아 (NH3) 개스 분위기에서 열 및 화학적 안정성을 갖는 각종 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide)도 가능하다.
  7. 제 1, 2, 3, 4항에 있어서,
    그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조용 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작과 발광 다층구조체(light-emitting multistructure) 성장하는데 있어, 희생층(SL)은 실리콘(Si), 크롬(Cr), 질화크롬(CrN), 저매니움(Ge), 실리콘저매니움(SiGe), 산화실리콘(Si-O), 실화실리콘(Si-N), 산화아연(Zn-O), 산화마그네슘아연(Mg-Zn-O) 등을 비롯한 각종 금속(metal), 합금(alloy), 산화물(oxide), 질화물(nitride), 질소산화물(oxynitride), 보라이드(boride), 카바이드(carbide), 실리사이드(silicide) 등을 사용할 수 있으며, 저온 버퍼층(low temperature buffer layer) 및 고온 버퍼층(high temperature buffer layer)은 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/성장하기 위해서 종래부터 널리 이용되고 있는 스트레인 완화층(strain relieving layer)로서, 저온 버퍼층은 700도 이하의 온도에서 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 금속과 질소(N)가 결합되어 형성되는 50나노미터 이하의 두께를 가진 화합물 박막층이 바람 직하다. 이와는 다르게, 고온 버퍼층은 700도 이상의 온도에서 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 인듐(In) 금속과 질소(N)가 결합되어 형성되는 5 마이크로미터 이하의 두께를 가진 화합물 물질층이 바람직하다. 한편, 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 적층/형성하기 위해서 도입되고 있는 엘로그(ELOG) 성장기법에서는 포토리쏘그래피(photo-lithography) 공정과 에칭공정을 통해서 일정한 형태의 모양을 갖춘 윈도우 마스크층(window mask layer)을 이용하는데, 이러한 윈도우 마스크층은 주로 각종 화학식을 갖는 산화실리콘(Si-O), 질화실리콘(Si-N), 산화질소실리콘(Si-N-O) 물질로 된 비정질 상(amorphous phase)으로 형성되는 것이 바람직하다.
  8. 최초 성장기판 상층부에 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을 도입하여 적층/성장시킨 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용하여 차세대 그룹 3족 질화물계 전자 또는 광전소자를 제작하기 위한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 제작공정은 질화물계 단결정 반도체 박막층 상부에 지지기판 부착 공정이외에도, 최초 성장기판을 단결정 반도체 박막층으로부터 완전히 분리하기 위해서 레이저 리프트 오프(laser lift off) 또는 케미컬 리프트 오프(chemical lift off) 기법을 적용한다.
  9. 최초 성장기판 상층부에 기능성 나노복합체 박막(functional nanocomposite thin film)을여 적층/성장시킨 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이 용하여 차세대 그룹 3족 질화물계 전자 또는 광전소자를 제작은 (1) 절연성 최초 성장기판 상부에 최종적으로 적층/형성된 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 에칭공정과 결합하여 제작한 메사구조의 반도체 소자(MESA-structured device), (2) 레이저 리프트 오프 또는 케미컬 리프트 오프 기법을 이용하여 제작한 호모에피택셜 기판(homoepitaxial substrate) 상층부에 재차 MOCVD 장치 등을 이용하여 적층/성장시킨 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 구조를 이용하여 제작된 수직형 구조의 반도체 소자(vertical type structured device), (3) 최초 성장기판 상부에 전자 또는 광전소자용 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 다층 박막 구조를 완전하게 적층/성장시킨 후에 레이저 리프트 오프(laser lift off) 또는 케미컬 리프트 오프(chemical lift off) 기법을 적용한 다음 제작된 수직형 구조의 반도체 소자(vertical type structured device)로 나눌 수 있다.
  10. 본 발명의 청구(claim) 내용은 상기한 청구 항에서 언급한 내용 이외에도 본 발명의 실시 예에서 언급한 내용과 자세하게 언급하지 않은 공정기술도 포함할 수 있으며, 특히 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드 제작 공정은 본 발명자가 이전 출원시킨 발명내용까지 포함/적용한다.
KR1020060021644A 2006-03-08 2006-03-08 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장 KR20070091901A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060021644A KR20070091901A (ko) 2006-03-08 2006-03-08 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060021644A KR20070091901A (ko) 2006-03-08 2006-03-08 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070091901A true KR20070091901A (ko) 2007-09-12

Family

ID=38689505

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060021644A KR20070091901A (ko) 2006-03-08 2006-03-08 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20070091901A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100943092B1 (ko) * 2009-05-18 2010-02-18 주식회사 시스넥스 질화물 반도체 발광다이오드 및 이의 제조방법
KR101510377B1 (ko) * 2008-01-21 2015-04-06 엘지이노텍 주식회사 질화물 반도체 및 수직형 발광 소자의 제조방법
CN113491020A (zh) * 2019-02-28 2021-10-08 安相贞 高纯度压电薄膜以及制造利用该薄膜的元件的方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101510377B1 (ko) * 2008-01-21 2015-04-06 엘지이노텍 주식회사 질화물 반도체 및 수직형 발광 소자의 제조방법
KR100943092B1 (ko) * 2009-05-18 2010-02-18 주식회사 시스넥스 질화물 반도체 발광다이오드 및 이의 제조방법
CN113491020A (zh) * 2019-02-28 2021-10-08 安相贞 高纯度压电薄膜以及制造利用该薄膜的元件的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100753152B1 (ko) 질화물계 발광소자 및 그 제조방법
KR100595105B1 (ko) 3족 질화 화합물 반도체 장치
US8803189B2 (en) III-V compound semiconductor epitaxy using lateral overgrowth
KR100976268B1 (ko) ＧａＮ 단결정 성장방법, ＧａＮ 기판 제작방법, ＧａＮ계소자 제조방법 및 ＧａＮ계 소자
US9947829B2 (en) Substrate with buffer layer for oriented nanowire growth
TWI491064B (zh) Iii族氮化物半導體發光元件及該製造方法、以及燈
US8829651B2 (en) Nitride-based semiconductor substrate and semiconductor device
US7855386B2 (en) N-type group III nitride semiconductor layered structure
TW201118946A (en) Method for manufacturing free-standing substrate and free-standing light-emitting device
KR100832102B1 (ko) 발광소자용 구조체 및 발광소자의 제조 방법
WO2002056393A1 (fr) Element semi-conducteur compose a base de nitrure du groupe iii des elements
US20130234106A1 (en) Semiconductor light-emitting device
CN217239488U (zh) 一种氮化镓基发光二极管
KR20070100852A (ko) 호모에피택셜 기판 및 발광 다층구조체 성장용 템플렛을 이용한 그룹 3족 질화물계 반도체 수직구조의 발광소자 제작
JP2008066590A (ja) 化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法
JP5043363B2 (ja) 窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成する方法
KR20070100851A (ko) 양질의 그룹 3족 질화물계 단결정 반도체 박막층 성장을위한 호모에피택셜 기판 및 발광 다층구조체 성장용 템플렛제작 및 성장
US7732832B2 (en) Compound semiconductor light-emitting device including p-type undoped boron-phosphide-based semiconductor layer joined to thin-film layer composed of an undoped hexagonal group III nitride semiconductor
JP2006229242A (ja) 半導体発光素子のための逆分極発光領域
KR20070091901A (ko) 나노구조층을 이용한 고품위 그룹 3족 질화물계 단결정반도체 박막층 구조 성장을 위한 호모에피택셜 기판 제작및 발광 다층구조체 성장
KR101731862B1 (ko) 반도체 광전자 소자 및 그 제조방법
JP2008066591A (ja) 化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法
JP2005340762A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
JP4374720B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法
Lee et al. GaN/ZnO nanotube heterostructure light-emitting diodes fabricated on Si

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application