KR20090048139A - Nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

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이승재
백종협
이상헌
김윤석
김상묵
진정근
유영문
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성시킴으로써, 박막층 내의 결정결함과 응력이 최소화되는 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride-based light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, by forming a nitride thin film layer on a silicon substrate having a fine pattern, the nitride-based light emitting device and the manufacturing of the same to minimize the crystal defects and stress in the thin film layer It is about a method.

실리콘 기판으로서, 그 상부 표면에 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판, 및 상기 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법이 제공된다. As a silicon substrate, there is provided a nitride based light emitting device including a silicon substrate having a fine pattern formed on an upper surface thereof, and a nitride thin film layer formed on the silicon substrate having the fine pattern formed thereon.

질화물계 발광소자, 실리콘 기판, 미세 패턴, 질화물 박막층, 응력, 결함 Nitride-based light emitting device, silicon substrate, fine pattern, nitride thin film layer, stress, defect

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조방법 {NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Nitride-based light emitting device and its manufacturing method {NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성시킴으로써, 박막층 내의 결정결함과 응력이 최소화되는 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride-based light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, by forming a nitride thin film layer on a silicon substrate having a fine pattern, the nitride-based light emitting device and the manufacturing of the same to minimize the crystal defects and stress in the thin film layer It is about a method.

발광 소자(light emitting diode; LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태를 발신하는데 사용되는 소자이다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode; LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다. 이와 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire:Al2O3) 또는 SiC를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이다. LED의 발광 효율은 내부 양자 효율과 광추출 효율에 의해 결정되며, 발광 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 광추출 효율을 향상시키기 위한 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다.A light emitting diode (LED) is a device used to transmit electrical energy in the form of infrared rays, visible rays, or light using characteristics of a compound semiconductor. Group III-nitride compound semiconductors are direct-transition type semiconductors, and can obtain stable operation at a high temperature than devices using other semiconductors, and are widely applied to light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). have. Such a group III nitride compound semiconductor is generally formed thereon using sapphire (Al 2 O 3) or SiC as a substrate. The luminous efficiency of the LED is determined by the internal quantum efficiency and the light extraction efficiency, and as a method for improving the luminous efficiency, researches on light emitting diodes having various structures for improving the light extraction efficiency have been conducted.

도 1은 종래의 사파이어 기판(110) 상에 갈륨 질화물(130)을 성장시킨 구조를 나타낸다. 1 illustrates a structure in which gallium nitride 130 is grown on a sapphire substrate 110.

상기 갈륨 질화물(130)은 갈륨(Ga)이 함유된 유기금속화합물(트리메틸갈륨, (CH3)3Ga, 트리에틸갈륨, (C2H5)3Ga과 질소 원자(N)가 함유된 암모니아를 이용하여 고온에서 열분해시켜 얻을 수 있으며, 갈륨 질화물(130)의 성장은 화학증착법(CVD, chemical vapor deposition) 등에 의해 이루어질 수 있다. The gallium nitride 130 is an organometallic compound containing gallium (Ga) (trimethylgallium, (CH 3 ) 3 Ga, triethylgallium, (C 2 H 5 ) 3 Ga and ammonia containing a nitrogen atom (N) It can be obtained by thermal decomposition at high temperature using, the growth of the gallium nitride 130 may be made by chemical vapor deposition (CVD, chemical vapor deposition).

이 방법은 1000℃ 이상의 높은 온도에서 박막 성장이 진행되기 때문에 갈륨 질화물 박막(130)과 사파이어 기판(110) 간의 34% 정도의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)와 16% 정도의 격자부정합(lattice mismatch) 때문에 계면으로부터 야기되는 결정결함(전위결함, 점결함, 선결함 등)과 응력(stress) 등이 갈륨 질화물 박막(130) 위쪽까지 전개되어 구조적, 광학적, 전기적 특성이 우수한 갈륨 질화물 결정을 성장시키기 어렵다. Since the thin film grows at a high temperature of 1000 ° C. or higher, a 34% thermal expansion coefficient and 16% lattice mismatch between the gallium nitride thin film 130 and the sapphire substrate 110 are achieved. As a result, crystal defects (potential defects, point defects, predefects, etc.) and stresses generated from the interface develop up to the upper layer of the gallium nitride thin film 130, making it difficult to grow gallium nitride crystals having excellent structural, optical, and electrical properties.

이를 극복하기 위한 가장 대표적인 방법은 버퍼층을 사용하는 것으로서, 450℃ 내지 600℃ 정도에서 AlxGayInzN 막 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)을 성장시킨 후에 성장을 멈추게 하고, 온도를 높여 낮은 온도에서 성장된 AlxGayInzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)을 중화핵(nuclei)으로 형성시키고, 이것을 씨 앗으로 하여 고품질의 GaN 기반 질화막을 성장시키는 방법이다. The most representative method for overcoming this is to use a buffer layer, and the Al x Ga y In z N film (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x + at about 450 ° C to 600 ° C) After growing y + z = 1), growth is stopped and the temperature is increased to increase Al x Ga y In z N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x). + y + z = 1) is formed as a nuclei, and the seed is used to grow a high quality GaN-based nitride film.

상기 버퍼층으로는, AlN 버퍼층, LT-AlGaN 버퍼층, LT-AlGaInN 버퍼층, LT-AlInN 버퍼층 등이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방식으로 갈륨 질화물 박막을 성장시킨다 하더라도, 갈륨 질화물 박막이 1010 내지 1012/㎠ 정도의 결함 밀도(dislocation density)를 가지게 되는 문제점이 있다.As the buffer layer, an AlN buffer layer, an LT-AlGaN buffer layer, an LT-AlGaInN buffer layer, an LT-AlInN buffer layer, or the like is used. However, even when the gallium nitride thin film is grown in this manner, there is a problem that the gallium nitride thin film has a dislocation density of about 10 10 to 10 12 / cm 2.

또한, 위와 같이 낮은 온도에서 사파이어 기판 위에 버퍼층을 성장하는 것이 아니라, 높은 온도에서 바로 기판 위에 GaN 기반 질화막 반도체를 성장시키는 경우도 있으나, 아직 개선할 여지가 많은 상황이다.In addition, although the buffer layer is not grown on the sapphire substrate at a low temperature as described above, a GaN-based nitride semiconductor may be grown directly on the substrate at a high temperature, but there is still much room for improvement.

도 2는 종래 실리콘 기판(210)에 Al이 함유된 유기금속화합물(트리메틸알루미늄 TMAl;(CH3)3Al)과 암모니아를 500~1200℃에서 열 분해시켜 수십 내지 수백 나노미터(nm) 두께의 얇은 AlN 층(230)을 형성한 후 갈륨 질화물 박막(250)을 형성한 구조를 나타낸다. FIG. 2 is a thermal decomposition of an organometallic compound (trimethylaluminum TMAl; (CH 3 ) 3 Al) and ammonia containing Al in a conventional silicon substrate 210 at 500-1200 ° C. to a thickness of tens to hundreds of nanometers (nm). After the thin AlN layer 230 is formed, the gallium nitride thin film 250 is formed.

20nm 이하 두께의 AlN 층을 이용할 경우, 실리콘 기판 위에 AlN의 중화핵(nuclei)이 완전하게 표면을 덮지 못하여, 2차원 핵성장을 일으키지 못한다. When an AlN layer having a thickness of 20 nm or less is used, the nuclei of AlN do not completely cover the surface of the silicon substrate, and thus do not cause two-dimensional nuclear growth.

또한 AlN 박막(230)이 완전하게 실리콘 기판(210)을 덮지 못하여, 초기에 SiNx 박막을 성장시켜, 질화물 박막(250)의 결정성 향상에 기여하지 못한다. In addition, since the AlN thin film 230 does not completely cover the silicon substrate 210, the SiN x thin film is initially grown, and thus the AlN thin film 230 does not contribute to the improvement of crystallinity of the nitride thin film 250.

또한 200 nm 이상의 AlN 박막을 이용하게 되면, AlN의 핵성장(grain) 크기는 증가하고, 결정결함 밀도는 감소하지만 그 위에 성장하는 질화물 갈륨 박막(250)은 인장 응력(tensile stress)이 증가하게 되며, 광학적, 구조적 특성이 나빠지게 된 다.In addition, when the AlN thin film of 200 nm or more is used, the grain size of AlN increases, the crystal defect density decreases, but the tensile gallium nitride film 250 grown thereon increases tensile stress. The optical and structural properties become worse.

결국 이와 같은 방법은 실리콘과 갈륨 질화물을 AlN라는 완충층을 이용하여 격자 불일치성을 줄일 수 있으나, 잔류 응력으로 인하여 성장된 갈륨 질화물 박막에서 심각한 크랙이 발생하거나, 실리콘 기판과 AlN 박막의 계면에서 SiNx 박막을 형성하게 되어, 성장된 갈륨 질화물 물성에 심각한 영향을 미쳐 갈륨 질화물을 이용하여 소자를 제작할 때, 누설전류의 증가, 동작전압 증가, 신뢰성 저하의 원인이 되는 문제점이 있다.After all, this method can reduce the lattice mismatch between silicon and gallium nitride using AlN buffer layer, but serious cracking occurs in the grown gallium nitride thin film due to residual stress, or SiN x thin film at the interface between silicon substrate and AlN thin film. When the device is manufactured using gallium nitride, the gallium nitride has a serious effect on the physical properties of the grown gallium nitride, thereby causing an increase in leakage current, an increase in operating voltage, and a decrease in reliability.

본 발명은 상기한 바와 같이 종래 기술이 가지는 문제를 극복하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 갈륨 질화물의 성장과정에서 박막내의 응력을 줄여 크랙이 발생하는 임계 두께를 증가시키고 수평성장을 촉진하여 결정성이 향상된 질화물계 발광소자를 제공하데 있다.The present invention has been made to overcome the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to reduce the stress in the thin film during the growth of gallium nitride to increase the critical thickness that cracks and to promote horizontal growth To provide a nitride-based light emitting device with improved crystallinity.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 실리콘 기판으로서, 그 상부 표면에 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판, 및 상기 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자가 제공된다. According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a nitride system comprising a silicon substrate, a silicon substrate having a fine pattern formed on its upper surface, and a nitride thin film layer formed on the silicon substrate formed with the fine pattern A light emitting element is provided.

상기 미세 패턴의 형상은 원 또는 다각형일 수 있다. The shape of the fine pattern may be a circle or a polygon.

상기 질화물 박막층의 조성은 InxGayAlzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)일 수 있다. The nitride thin film layer may have a composition of In x Ga y Al z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, and x + y + z = 1).

상기 질화물 박막층은 단층 또는 2층 이상의 복층으로 구성될 수 있다. The nitride thin film layer may be composed of a single layer or two or more layers.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 실리콘 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법이 제 공된다. According to another embodiment of the present invention for achieving the above object, a nitride-based light emitting device comprising the step of forming a fine pattern on a silicon substrate, and forming a nitride thin film layer on the silicon substrate formed with the fine pattern The manufacturing method of is provided.

상기 실리콘 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계, 상기 포토레지스트에 소정 패턴을 형성하여 마스크 포토레지스트를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판에 있어서, 그 위에 상기 마스크 포토레지스트가 코팅되지 않은 부분을 제거하는 단계, 및 상기 마스크 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.Forming a fine pattern on the silicon substrate, coating a photoresist on the silicon substrate, forming a predetermined pattern on the photoresist to form a mask photoresist, on the silicon substrate, The method may include removing the uncoated portion of the mask photoresist, and removing the mask photoresist.

상기 질화물 박막층은 InxGayAlzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)의 조성을 갖을 수 있다. The nitride thin film layer may have a composition of In x Ga y Al z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, and x + y + z = 1).

상기 질화물 박막층을 형성하는 단계는, 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 또는 스퍼터링법에 수행될 수 있다.The forming of the nitride thin film layer may be performed by chemical vapor deposition (CVD), molecular beam deposition (MBE), plasma chemical vapor deposition (PCVD) or sputtering.

상기 질화물 박막층은 단층 또는 2층 이상의 복층으로 구성될 수 있다. The nitride thin film layer may be composed of a single layer or two or more layers.

본 발명에 따르면, 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 갈륨 질화물 박막을 성장시킴으로써, 상기 패턴화된 실리콘 기판에 의해 갈륨 질화물의 결정결함 및 응력이 제어되어 고품질의 갈륨 질화물 결정이 성장되게 되고, 이에 따라 에너지의 손실이 최소화되어 고효율의 발광소자를 얻을 수 있다.According to the present invention, by growing a gallium nitride thin film on a silicon substrate on which a fine pattern is formed, crystal defects and stress of gallium nitride are controlled by the patterned silicon substrate so that high quality gallium nitride crystals are grown. Energy loss can be minimized to obtain a high efficiency light emitting device.

또한, 질화물계 발광소자에 있어서, 갈륨 질화물의 결정성을 향상시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In addition, in the nitride-based light emitting device, the crystallinity of gallium nitride can be improved to improve the reliability.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 질화물계 발광소자(300)는 소정 형태로 패턴화된 실리콘 기판(310), 상기 패턴화된 실리콘 기판(310)상에 질화물 박막층(350)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the nitride-based light emitting device 300 of the present invention includes a silicon substrate 310 patterned in a predetermined shape, and a nitride thin film layer 350 on the patterned silicon substrate 310. .

실리콘 기판(310)은 통상의 질화물계 발광소자에 사용되는 실리콘 기판일 수 있고, 이러한 실리콘 기판을 사용함으로써, 갈륨 질화물 결정을 대면적에 걸쳐서 성장시킬 수 있는 것이다. The silicon substrate 310 may be a silicon substrate used for a conventional nitride-based light emitting device, and by using such a silicon substrate, gallium nitride crystals can be grown over a large area.

실리콘 기판(310) 상 표면에는 소정 형상으로 미세 패턴이 형성된다. A fine pattern is formed on the surface of the silicon substrate 310 in a predetermined shape.

상기 패턴은 직선, 원, 사각형, 또는 육각형 패턴의 어느 것이나 가능하나, 이러한 특정한 형태에 제한되는 것은 아니다. The pattern may be any of a straight line, a circle, a square, or a hexagonal pattern, but is not limited to this particular form.

또한, 이들 패턴에 있어서, 패턴의 중심들 간 거리는 0.01~500㎛, 하나의 패턴 넓이는 0.01 ㎛2~ 100 ㎟ 로 하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. Further, in these patterns, the distance between the centers of the patterns is preferably 0.01 to 500 µm, and one pattern width is 0.01 µm 2 to 100 mm 2 , but is not limited thereto.

한편, 패턴의 깊이는 1 nm ~ 50,000 nm 로 하는 것이 바람직하나, 이 또한 이에 제한되는 것은 아니다.On the other hand, the depth of the pattern is preferably 1 nm to 50,000 nm, but this is also not limited thereto.

질화물 박막층(350)은 상기 패턴화된 실리콘 기판(310) 상에 형성된다. The nitride thin film layer 350 is formed on the patterned silicon substrate 310.

질화물 박막층(350)은 주기율표상 3족 원자를 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 등의 기체)와 질소원자를 포함하는 기체(예를 들어, 암모니아(NH3), 하이드라진(H2NNH2) 등의 기체)를 원료로 하여 형성되는 물질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, InxGayAlzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)의 조성을 가질 수 있다. 이러한 질화물 박막층(350) 성장에 의해, 갈륨 질화물 결정이 얻어질 수 있다.The nitride thin film layer 350 includes a gas containing a group III atom on the periodic table (for example, a gas such as trimethylindium (TMIn), trimethylgallium (TMGa), trimethylaluminum (TMAl), etc.) and a nitrogen atom (for example, For example, the material may be formed using ammonia (NH 3 ), hydrazine (H 2 NNH 2 , etc.) as a raw material, but is not limited thereto. For example, In x Ga y Al z N (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, x + y + z = 1). By growing the nitride thin film layer 350, gallium nitride crystals can be obtained.

이렇게, 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판(310) 질화물 박막층(350)을 형성시킴으로써, 상기 실리콘 기판(310)이 결정결함과 응력이 질화물 박막층(350)에까지 전달되는 것을 방지하는 역할을 하게 되어, 갈륨 질화물 결정의 결함이 최소화되고, 응력이 작아질 수 있으며, 이에 의해 에너지 손실이 최소화되어 고효율 및 고신뢰성을 가지는 발광소자가 얻어질 수 있는 것이다.As such, by forming the nitride thin film layer 350 of the silicon substrate 310 having the fine pattern, the silicon substrate 310 serves to prevent the crystal defects and the stress from being transferred to the nitride thin film layer 350, thereby providing gallium nitride. Defects of the crystal can be minimized and stress can be reduced, thereby minimizing energy loss, thereby obtaining a light emitting device having high efficiency and high reliability.

도 4a 내지 4f는 도 3의 질화물계 발광소자의 제조 과정을 설명하는 공정도이다. 질화물계 발광소자의 제조에는 포토리소그래피 공정이 사용될 수 있다. 4A through 4F are process diagrams illustrating a manufacturing process of the nitride-based light emitting device of FIG. 3. A photolithography process may be used to manufacture the nitride-based light emitting device.

먼저, 도 4a 및 도 4b에 도시되는 바와 같이, 실리콘 기판(310)을 준비하고, 그 위에 포토리소그래피를 위한 포토레지스트(370)를 균일하게 코팅한다. 상기 포토레지스트(370)로서는 포지티브(positive) 포토레지스트, 네가티브(negative) 포토레지스트, 또는 이미지 리버스 형 포토레지스트 등 어느 형태의 포토레지스트를 사용해도 되며, 필요에 따라 다른 종류의 포토레지스트를 선택적으로 사용할 수 있다. First, as shown in FIGS. 4A and 4B, a silicon substrate 310 is prepared, and a photoresist 370 for photolithography is uniformly coated thereon. As the photoresist 370, any type of photoresist such as a positive photoresist, a negative photoresist, or an image reverse photoresist may be used, and other types of photoresists may be selectively used as necessary. Can be.

그 후, 노광공정을 거쳐, 도 4c에 도시되는 바와 같이, 포토레지스트(370)에 3차원 구조의 형상, 즉, 패턴을 형성시킨다. 이 패턴은 실리콘 기판(310) 상에 형성시키고자 하는 패턴의 형상에 대응하여 형성시켜야 하며, 패턴의 형상은 필요에 따라 달라질 수 있다. 도 4c에서는 사각형 형태의 패턴을 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이, 원, 직선형, 정사각형, 다각형 형상의 다양한 패턴을 형성시킬 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 4C, the photoresist 370 is formed in the shape of a three-dimensional structure, that is, a pattern, through an exposure process. This pattern should be formed to correspond to the shape of the pattern to be formed on the silicon substrate 310, and the shape of the pattern may vary as necessary. Although FIG. 4C illustrates a rectangular pattern, the present invention is not limited thereto. As described above, various patterns of a circle, a straight line, a square, and a polygonal shape may be formed.

예를 들어, 사각형 형태의 패턴을 형성시키는 경우에는, 패턴의 폭을 0.1 ~ 10 ㎛, 패턴간 간격을 0.1 ~ 100.0 ㎛ 로 하는 것이 바람직하다. 사각형 형태의 패턴으로 하게 되면, 실리콘 기판(310)과 후에 성장되는 질화물 박막층(350)사이의 스트레스가 완화될 수 있고, 이에 따라 결정성이 상대적으로 우수한 질화물 박막층(350)을 얻을 수 있게 된다. 패터닝된 포토레지스트(370)는 리소그래피 공정에 있어서 식각(eching)용 마스크로 이용된다.For example, when forming a square pattern, it is preferable that the width of a pattern is 0.1-10 micrometers, and the space | interval between patterns is 0.1-100.0 micrometers. When the rectangular pattern is formed, the stress between the silicon substrate 310 and the nitride thin film layer 350 to be grown later can be alleviated, whereby the nitride thin film layer 350 having excellent crystallinity can be obtained. The patterned photoresist 370 is used as an etching mask in the lithography process.

다음으로, 도 4d에 도시되는 바와 같이, 실리콘 기판(310)에 있어서, 그 위에 패터닝된 포토레지스트(370)가 증착되지 않은 부위를 식각 공정을 이용하여 제거해 낸다.Next, as shown in FIG. 4D, the portion of the silicon substrate 310 where the patterned photoresist 370 is not deposited is removed using an etching process.

그 후, 도 4e에 도시되는 바와 같이, 포토레지스트(370)를 제거해낸다. 제거 방법으로는 용제세척법, 건식세척법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 용제세척법을 사용하여 포토레지스트(370)를 제거할 때에는 H2SO4:H2O2 등의 용제를 사용할 수 있고, 건식세척법을 사용할 때에는 Ar 과 산소 등의 혼합기체를 이용한 플라즈 마형 제거기를 이용하여 제거할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 4E, the photoresist 370 is removed. As a removal method, various methods, such as a solvent washing method and a dry washing method, can be used. When removing the photoresist 370 by using a solvent washing method, a solvent such as H 2 SO 4 : H 2 O 2 may be used, and when using a dry washing method, a plasma type eliminator using a mixed gas such as Ar and oxygen may be used. Can be removed using

마지막으로, 도 4f에 도시되는 바와 같이, 패터닝된 실리콘 기판(310) 상에 질화물 박막층(350)을 성장시킨다. 전술한 바와 같이, 질화물 박막층(350)은 주기율표상 3족 원자를 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 등의 기체)와 질소원자를 포함하는 기체(예를 들어, 암모니아(NH3), 하이드라진(H2NNH2) 등의 기체)를 원료로 하여 형성될 수 있다. Finally, as shown in FIG. 4F, the nitride thin film layer 350 is grown on the patterned silicon substrate 310. As described above, the nitride thin film layer 350 includes a gas containing a group III atom on the periodic table (for example, a gas such as trimethylindium (TMIn), trimethylgallium (TMGa), trimethylaluminum (TMAl)) and nitrogen atoms. It may be formed using a gas containing (for example, a gas such as ammonia (NH 3 ), hydrazine (H 2 NNH 2 )) as a raw material.

또한, 질화물 박막층(350)은 동일한 화학양론적 조성을 가지는 단층으로 형성되어질 수 있고, 서로 다른 화학양론적 조성을 가지는 2이상의 층들이 적층되어 형성될 수도 있다. In addition, the nitride thin film layer 350 may be formed of a single layer having the same stoichiometric composition, or may be formed by stacking two or more layers having different stoichiometric compositions.

한편, 질화물 박막층(350)의 성장은 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 혹은 스퍼터링법 등의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 성장 환경으로는, 400~1200℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하며, 총 두께는 100 Å~20 ㎛ 정도로 성장시키는 것이 바람직하다.Meanwhile, growth of the nitride thin film layer 350 may be performed by a method such as chemical vapor deposition (CVD), molecular beam deposition (MBE), plasma chemical vapor deposition (PCVD) or sputtering. As a growth environment, it is preferable to grow at the temperature of 400-1200 degreeC, and it is preferable to grow about 100 micrometers-20 micrometers in total thickness.

이렇게 함으로써, 패턴화된 실리콘 기판(310)이 질화물 박막층(350)에 까지 결정결함과 응력이 전달되는 것을 방지할 수 있게 되고, 이에 따라 에너지 손실이 최소화되는 고효율 및 고신뢰성을 갖는 질화물계 발광소자가 얻어질 수 있다.By doing so, it is possible to prevent crystal defects and stress from being transferred to the nitride thin film layer 350 of the patterned silicon substrate 310, and thus a nitride based light emitting device having high efficiency and high reliability in which energy loss is minimized. Can be obtained.

도 6은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자(300)에 있어서, 질화물 박막층(350)의 성장결과를 나타낸다. 6 shows a growth result of the nitride thin film layer 350 in the nitride-based light emitting device 300 according to the present invention.

도 6을, 도 5에 도시되는 종래의 발광소자에 있어서의 질화물 성장결과, 즉, 평탄한 AlN 박막이 성장된 실리콘 기판 위에 성장되는 갈륨질화물과 비교하여 보면, 질화물 결정에 있어서 결정결함과 응력이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 6 shows a result of nitride growth in the conventional light emitting device shown in FIG. 5, that is, compared with gallium nitride grown on a silicon substrate on which a flat AlN thin film is grown, the crystal defects and stress in nitride crystals are reduced. You can see that.

이러한 결정결함 및 응력이 줄어듦으로써, 에너지 손실이 최소화되고, 이에 따라 고효율을 가지는 발광소자의 구현이 가능해진다. By reducing such crystal defects and stresses, energy loss is minimized, thereby enabling the implementation of a light emitting device having high efficiency.

또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 실리콘 기판을 사용하므로 대면적의 갈륨 질화물 결정을 성장시킬 수 있으며, 갈륨 질화물을 이용한 FET, LED, 센서 등에 이용될 수도 있다.In addition, since the nitride-based light emitting device according to the present invention uses a silicon substrate, it is possible to grow a large area gallium nitride crystals, and may be used in FETs, LEDs, sensors, and the like using gallium nitride.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.The present invention has been described above in connection with specific embodiments of the present invention, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art can change or modify the described embodiments without departing from the scope of the present invention, and such changes or modifications are within the scope of the present invention. In addition, the materials of each component described herein can be easily selected and replaced by a variety of materials known to those skilled in the art. Those skilled in the art can also omit some of the components described herein without adding performance degradation or add components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein according to the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined not by the embodiments described, but by the claims and their equivalents.

도 1은 종래 사파이어 기판 위에 성장시킨 갈륨 질화물 박막의 구조도이다. 1 is a structural diagram of a gallium nitride thin film grown on a conventional sapphire substrate.

도 2는 종래 실리콘 기판 위에 성장시킨 갈륨 질화물 박막의 구조도이다. 2 is a structural diagram of a gallium nitride thin film grown on a conventional silicon substrate.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 발광소자의 구성을 나타내는 구조도이다. 3 is a structural diagram showing a configuration of a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.

도 4a 내지 4f는 도 3의 질화물계 발광소자를 제조하는 공정을 나타내는 공정도이다.4A to 4F are process diagrams illustrating a process of manufacturing the nitride-based light emitting device of FIG. 3.

도 5는 종래의 실리콘 기판 위에 갈륨 질화물을 형성한 결과의 일례이다.5 is an example of the result of forming gallium nitride on a conventional silicon substrate.

도 6은 본 발명의 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 표면에 갈륨 질화물 박막을 성장시킨 결과의 일례이다. 6 is an example of the result of growing a gallium nitride thin film on the surface of a silicon substrate on which a fine pattern of the present invention is formed.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

110: 사파이어 기판 130: 갈륨질화물 박막110: sapphire substrate 130: gallium nitride thin film

210: 실리콘 기판 230: 질화알루미늄(AlN)층210: silicon substrate 230: aluminum nitride (AlN) layer

250: 갈륨질화물 박막 300: 질화물계 발광소자250: gallium nitride thin film 300: nitride-based light emitting device

310: 기판 350: 질화물 박막층 310: substrate 350: nitride thin film layer

370: 포토레지스트370: photoresist

Claims (6)

실리콘 기판으로서, 그 상부 표면에 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판; 및 A silicon substrate, comprising: a silicon substrate having a fine pattern formed on an upper surface thereof; And 상기 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자.A nitride-based light emitting device comprising a nitride thin film layer formed on the silicon substrate on which the fine pattern is formed. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 미세 패턴의 형상은 원 또는 다각형인, 질화물계 발광소자.The shape of the fine pattern is a nitride-based light emitting device, circle or polygon. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 질화물 박막층의 조성은 InxGayAlzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)인, 질화물계 발광소자.The nitride thin film layer has a composition of In x Ga y Al z N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x + y + z = 1). 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 질화물 박막층은 단층 또는 2층 이상의 복층으로 구성되는, 질화물계 발광소자. The nitride thin film layer is composed of a single layer or two or more layers, nitride-based light emitting device. 실리콘 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a fine pattern on the silicon substrate; And 상기 미세 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성하는 단계 를 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법. Forming a nitride thin film layer on the silicon substrate on which the fine pattern is formed. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 단계는, The method of claim 5, wherein the forming of the fine pattern on the silicon substrate comprises: 상기 실리콘 기판 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계; Coating a photoresist on the silicon substrate; 상기 포토레지스트에 소정 패턴을 형성하여 마스크 포토레지스트를 형성하는 단계;Forming a mask photoresist by forming a predetermined pattern on the photoresist; 상기 실리콘 기판에 있어서, 그 위에 상기 마스크 포토레지스트가 코팅되지 않은 부분을 제거하는 단계; 및Removing the portion of the silicon substrate that is not coated with the mask photoresist thereon; And 상기 마스크 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자의 제조방법. And removing the mask photoresist.
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KR20220169044A (en) * 2021-06-17 2022-12-27 (재)한국나노기술원 Forming method of surface control structure with controllable asymmetrical degree containing metal nano-structure or quantum dots , Surface control structure and Photoelectronic device Thereby
WO2024058370A1 (en) * 2022-09-13 2024-03-21 한국광기술원 Nitride substrate having low dislocation density, and method for manufacturing same

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