KR20170040112A - 아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자 - Google Patents

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Abstract

전류를 분산시키고 LED로부터 광을 추출하기 위한 고품질 단결정 ZnO 구조를 가지는 LED 소자가 개시된다. 일 태양에 있어서, LED 소자가 제공되는데, 이 LED 소자는 기판; 제1 도전형을 나타내고 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 형성되고 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체; 제2 도전형을 나타내고 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층 상부에 형성되고 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 포함하고, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 보이드가 없는 연속적인 단결정 ZnO 부분이다.

Description

아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자{LIGHT EMITTING DIODE DEVICES WITH ZINC OXIDE LAYER}
우선권 주장 및 관련 특허 출원
본 출원은 명칭 "아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자"로 2015년 10월 2일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/236,754호, 명칭 "반도체 재료의 수열 합성을 위한 시스템 및 방법"으로 2015년 10월 2일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/236,760호, 명칭 "아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자를 제조하기 위한 방법"으로 2015년 10월 14일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/241,680호, 및 명칭 "아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자"로 2016년 1월 11일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/277,331호의 우선권을 주장하며, 이들 가출원들은 본원의 상세한 설명의 일부로서 참고문헌으로 통합된다.
기술분야
본 발명은 아연 산화물(ZnO) 기반 발광 다이오드 소자를 제공하는 시스템, 장치 및 공정에 관한 것이다.
고체 레이저 및 발광 다이오드(LED) 소자는 Ⅲ족-질화물(Ⅲ-N) 계열 반도체에 기반하여 제조될 수 있으며, 이러한 소자들이 조명, 디스플레이 및 데이터 저장 분야를 크게 변화시켰다. 효율적인 광 추출이 에너지 효율적인 고휘도 발광 다이오드들(LEDs)에 중요하다. Ⅲ-N 기반 LED 소자에 있어서, p-형 층의 전형적으로 낮은 전기 전도성은 전기적 접촉 포인트 근처에서의 활성층으로의 훨씬 더 높은 전류 주입, 및 따라서 전기적 접촉 포인트 근처에서의 훨씬 더 높은 광 생성을 초래할 수 있다.
높은 LED 소자 효율을 달성하는 한 가지 방법은 광에 고도로 투명하고 p-GaN층과 저저항 전기 접촉이 형성될 수 있는 전류 분산층을 실행하는 것이다. 인디움-주석 산화물(ITO)이, 높은 전도성 및 낮은 광학적 흡수에 기인하여, 다양한 LED 제조 업자들에 의해 현재 LED 전류 분산층으로 선택된 재료이다. 증착 방법, 증착 표면 성질, 열처리(annealing) 조건, 막 내 인디움과 주석의 원소비와 같은 다양한 요인들에 의존하여 ITO 막의 보고된 성질에는 상당한 편차가 있다. ITO는 4.0 eV의 넓은 밴드갭을 가지는 n-형 반도체이다. 그러나 ITO막 내의 많은 양의 결함이 가시 영역에서의 높은 광학적 흡수율을 제공하며, 일반적으로 650-2000 ㎝-1 범위 내에 있는 것으로 보고된다.
아연 산화물(ZnO)은 광학적으로 투명한 넓은 밴드갭 반도체이다. 3.3 eV의 밴드갭, 60 meV의 엑시톤(exciton) 결합 에너지, 큰 항복 강도, 및 큰 포화 속도는 발광 소자 및 다른 고출력 밀도, 고온 반도체 소자에서의 사용을 위한 가능한 후보로서 ZnO에 대한 관심을 끌어왔다. 이러한 소자들에 사용되기 위해서는, 고품질 에피택셜 ZnO 박막이 전형적으로 요구될 것이다. 이들 애플리케이션 중 상당수는 n-형 및 p-형 ZnO 양자를 생성하는 능력이 필요할 것이다. 불행하게도, ZnO는 n-형 거동에 대한 강한 경향을 나타내며, 안정하고, 신뢰할 수 있으며, 재생산 가능한 p-형 ZnO는 생성하기 극히 어렵다는 것이 판명되었다. 그러나 ZnO의 높은 광학적 투명도와 조합된 높은 n-형 전도성 경향은 그것을 투명 도전성 산화물로서의 사용에 매우 적합하게 한다. 반도체 산업에 사용되는 대부분의 무기 재료막과 같이, 사용되는 임의의 ZnO 막이 현재 분자선 에피택시(MBE), 펄스 레이저 증착(PLD), 스퍼터링, 및 금속 유기화학 기상 성장(MOCVD)과 같은 기상 방법들을 사용하여 제조된다. 그러나 저온 수용액법을 이용하여 에피택시 막을 포함하여 ZnO 막을 생성하는 것이 또한 가능하다.
저온 및 대기압이 사용되며, 요구되는 장비의 일반적인 간단함 때문에, 저온 수용액법은 기상 증착 기술에 비해 비용 측면에서 상당한 장점을 제공한다. 수용액법은 ZnO 분말 및 다결정막을 생성하기 위해 오랫동안 사용되어 왔으나, 최근에는, 에피택셜 ZnO 막이 또한 저온 수용액법을 이용하여 생성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 일반적으로, 에피택셜 막은 결정립계(grain boundary)가 없기 때문에 동일한 조성의 다결정 막보다 더 투명하고 더 높은 전도성을 가질 것이다. 그러나 당업계의 투명 전류 분산층 기술의 현재 상태는 다결정 ITO 막을 사용하고 있다. Ⅲ-N 재료와 ITO의 상이한 결정 구조 때문에, ITO의 에피택셜 막 증착이 일반적으로 불가능하다. 아연 산화물은 이와 반대로 LED 소자에 사용되는 Ⅲ-N 재료와 동일한 울짜이트(Wurtzite) 결정 구조를 가지며, 에피택셜 성장을 하는 것이 저온 수용액법을 포함하여 다수의 증착 방법에 의해 가능하다.
ZnO 기반 LED 소자를 제공하기 위한 기술, 시스템 및 소자들을 제공하는 것이다.
일 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 제공되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 제1 도전형을 나타내고 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 형성되고 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체; 제2 도전형을 나타내고 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층 상부에 형성되고 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 포함하고, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 보이드가 없는 연속적인 단결정 ZnO 부분이다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 연속적인 단결정 ZnO를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 두 개의 서로 다른 수열 합성 공정에 의해 형성되며, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 제1 수열 합성 공정에 의해 형성되고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 제1 수열 합성 공정에 후속하는 제2 수열 합성 공정에 의해 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 상부 단결정 ZnO 부분 내에 상대적으로 균일하게 분포된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 그 내부의 보이드들은 상기 LED 소자의 광 추출 효율에 영향을 주는 에어갭들(air gaps)을 제공하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 그 내부의 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 또는 전기적 성질을 강화하는 위치 분포를 가지도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 수백 옹스트롬의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 구조체는 역메사(inverse mesa) 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체층들은 GaN을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 제1 도전형을 나타내고 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 형성되고, 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체; 제2 도전형을 나타내고 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상부에 형성되고, 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 포함하고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 광 추출 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 전기적 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 연속적인 단결정 ZnO를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 두 개의 서로 다른 수열 합성 공정에 의해 형성되며, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 제1 수열 합성 공정에 의해 형성되고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 제1 수열 합성 공정에 후속하는 제2 수열 합성 공정에 의해 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 상기 하부 단결정 ZnO 부분 아래의 상기 제2 반도체층의 부분들을 노출시키는 보이드들을 갖지 않는 연속적인 단결정 ZnO 부분이다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상부에 형성된 ZnO 씨드층(seed layer); 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층(bulk layer)을 포함하며, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 단결정 구조체를 형성한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 상대적으로 연속적인 표면을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층과 상기 ZnO 벌크층 사이에 경계(boundary)를 보이지 않는다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 수백 옹스트롬 정도의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 언도프트층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 제1 도전형을 가지는 도핑층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층은 GaN을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 도전성을 가지고 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 도전성을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 ZnO 벌크층과 오믹 콘택을 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 벌크층 내부에 형성된 보이드들을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 ZnO 벌크층의 굴절률에 영향을 주는 에어갭들을 제공하고 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 작동한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 하는 위치 분포를 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하기에 충분한 양을 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 ZnO 벌크층은 오믹 콘택을 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 역메사 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층의 두께보다 50배 더 큰 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층에는 시트르산염이 없다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상부에 형성된 ZnO 씨드층; 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성되고 내부에 보이드들을 포함하는 ZnO 벌크층을 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 다공성이다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상대적으로 균일하게 분포된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 추출 효율에 영향을 미치고 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 작동하는 에어갭들을 제공한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 하는 위치 분포를 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하기에 충분한 양을 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 LED 소자는 보이드가 없는 상기 ZnO 벌크층에 비해 개선된 광 추출 효율을 나타낸다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 제1 도전형을 가지는 도핑층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 도전성을 가지고 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 도전성을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 상대적으로 연속적인 표면을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 단결정 구조를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층과 상기 ZnO 벌크층 사이에 경계(boundary)를 보이지 않는다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 수백 옹스트롬 정도의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 역메사 구조를 가진다.
또 다른 태양에 있어서, ZnO 구조를 포함하는 발광 다이오드(LED) 소자를 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 기판을 제공하고; 상기 기판 상부에 발광 반도체층들을 형성하되, 상기 발광 반도체층들은 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능하며; 및 상기 발광 반도체층들 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 것을 포함하며, 상기 단결정 ZnO 구조체의 성장은, 상기 발광 반도체층들의 상면 상부에 제1 수용액을 사용하여 하부 단결정 ZnO 부분을 형성하되, 상기 발광 반도체층들의 상면은 친수성 처리되고; 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하도록 제2 수용액을 사용하여 상부 단결정 ZnO 부분을 형성하는 것을 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 상대적으로 일정한 성장 속도를 유지하면서 스핀 코팅을 수행하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 하부 단결정 ZnO 부분이 상기 발광 반도체층들의 상부를 노출하는 보이드들을 가지지 않고 상기 발광 반도체층들 상부의 연속적인 구조인 것을 보증하도록 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성은 챔버 내부에서 수직 방향을 따라 상기 기판을 회전하는 것을 포함하고, 상기 기판은 상기 발광 반도체층들을 포함하도록 미리 공정 처리된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 요구되는 두께를 제공하도록 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 성장 속도를 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 상부 단결정 ZnO 부분 내에 보이드들을 도입하도록 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것은 상기 LED 소자의 성능을 강화하도록 상기 보이드들의 양 또는 위치 분포를 변화시키는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 제1 수용액을 과포화하도록 pH 수준을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 발광 반도체층들의 상면 전체 표면의 적어도 90%를 점유하도록 상기 하부 단결정 ZnO 부분을 형성하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성 후, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 상부에 포토레지스트(PR)를 형성하고; 및 알칼리 원소(alkaline elements)가 없는 PR 제거제를 사용하여 상기 PR을 제거하는 것을 더 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 PR 제거제는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 알코올, C12-14, 에톡실산화, 또는 1-메틸-2-피롤리도나를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 PR 제거제는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 또는 N-메틸-2-피롤리도나 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 제1 온도에서 상기 하부 단결정 ZnO 부분에 대해 열처리 공정을 수행하고; 및 제2 온도에서 상기 상부 단결정 ZnO 부분에 대해 열처리 공정을 수행하는 것을 더 포함하며, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 단결정 ZnO 구조체를 식각하는 것을 더 포함하되, 상기 식각된 단결정 ZnO 구조체는 역메사 형상의 측벽을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 기판은 4 인치 이상의 직경을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 것은 원하는 두께를 가지도록 상기 단결정 ZnO 구조체의 성장 속도를 제어하는 것을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 광전 소자를 만들기 위한 반도체 재료의 층들을 형성하기 위해 수열 합성(thermal hydro-synthesis: THS) 장치, 시스템 및 방법이 개시된다. 몇몇 태양들에 있어서, GaN층(예를들어, p-형 GaN층) 상에 ZnO층을 만들기 위한 소자가 개시된다.
몇몇 태양들에 있어서, 반도체 재료 소자를 제조하기 위한 장치는, 유체(fluid)를 담는 내부 챔버를 포함하도록 구조화된 하우징으로서, 액체 용액이 유입할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제1 접근 개구, 상기 액체 용액이 유출할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제2 접근 개구, 및 가스가 유출 또는 유입할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제3 접근 개구를 포함하는 하우징; 상기 내부 챔버 내로 열을 가하기 위한 가열 유닛; 상기 내부 챔버 내에 배치되고 반도체 소자층들을 제조하기 위한 샘플 또는 기판을 수용하기 위한 수용 표면을 포함하도록 구조화된 홀더(holder)로서, 상기 수용 표면이 수직 방향을 따르도록 상기 내부 챔버 내에 배향된 홀더; 및 상기 홀더에 결합되고 상기 홀더를 그 중심축에 대해 회전시키도록 상기 내부 챔버 내에서 상기 홀더의 회전 운동을 구동하도록 작동 가능한 모터를 포함하며, 상기 장치는 반도체 재료 장치를 생성하기 위해 상기 내부 챔버 내에 인가된 열 하에서 상기 용액 내에 잠긴 상기 홀더의 회전 동안 상기 기판 상에 반도체층의 증착 및 성장을 용이하게 하도록 작동 가능하다.
몇몇 태양에 있어서, ZnO 구조체를 포함하는 발광 다이오드(LED) 소자를 제조하기 위한 방법은, 기판 웨이퍼의 표면이 중력장을 따르는 수직 방향을 따르도록 기판 웨이퍼를 유지하되, 상기 기판 웨이퍼는 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 발광 반도체층들을 포함하도록 미리 공정 처리되며, 수평축에 대해 회전하도록 상기 기판 웨이퍼를 회전시키고, 및 상기 수평축에 대해 회전하도록 상기 기판 웨이퍼를 유지하면서 상기 발광 반도체층들 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 수열 합성 공정을 수행하여 상기 성장된 단결정 ZnO 구조체에서 고품질을 달성하는 것을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가, 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성되고 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분을 포함하는 ZnO층; 상기 단결정 ZnO 부분과 직접 접촉하도록 상기 ZnO층 상부에 형성된 전극 패드; 및 상기 다결정 ZnO 부분 및 상기 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 포함하도록 제공된다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 부분은 상기 반도체층 직상부에 위치한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분은 전류가 경계 사이에서 분산하는 것을 방해하는 경계를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO층은 ZnO 씨드층 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO층의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성된 ZnO층; 상기 ZnO층 상부에 형성된 전극 패드; 상기 ZnO층의 부분들과 상기 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 포함하며, 상기 ZnO층의 부분들은 서로 이격되고, 상기 CBL은 패턴을 가지며, 상기 전극 패드는 상기 반도체층 직상부에 위치하는 상기 ZnO층의 다른 부분들에 직접 접촉한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL 상부에 형성된 상기 ZnO층의 부분들은 다결정 구조를 가지며 상기 반도체층 직상부에 형성된 상기 ZnO층의 다른 부분들은 단결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분은 경계를 형성하여 경계 사이에서 전류가 분산하는 것을 방해한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO층의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성된 전류 블록층(CBL); 상기 CBL 상부에 형성되어 상기 CBL의 상면 및 측면들을 포함하여 상기 CBL을 덮고, 상기 반도체층을 덮도록 연장된 ZnO층; 및 상기 ZnO층 상부에 형성되며 상기 반도체층을 덮는 상기 ZnO층과 직접 접촉하도록 상기 CBL을 충분히 덮는 크기를 가지는 전극 패드를 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층을 덮는 상기 ZnO층은 단결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL의 상면을 덮는 상기 ZnO층은 다결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL의 측면들을 덮는 상기 ZnO층은 서로 다른 결정 구조들 사이의 경계를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
도 1은 전형적인 ZnO 기반 LED 소자를 보여준다.
도 2는 ZnO층의 전형적인 제조 공정을 예시한다.
도 3a-3b는 ZnO 기반 LED 소자에 대한 전형적인 제조 공정을 예시한다.
도 4a 및 4b는 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층에 대한 전형적인 예비 단계를 예시한다.
도 5는 통상의 PR 제거제 및 새로이 개발된 PR 제거제를 비교하는 테이블을 보여준다.
도 6은 친수성 처리가 수행되지 않은 통상의 씨드층들과 함께 친수성 처리된 씨드층의 예들을 보여준다.
도 7은 ZnO 벌크층이 형성되기 전의 씨드층의 전형적인 이미지를 예시한다.
도 8 및 도 9는 상기 ZnO 벌크층이 형성된 후의 상기 씨드층의 전형적인 이미지를 예시한다.
도 10 및 도 11은 ZnO 씨드층과 ZnO 벌크층을 포함하는 ZnO층의 단결정 구조를 보여주는 그래프를 예시한다.
도 12는 역메사 구조를 가지는 ZnO층의 측벽의 전형적인 이미지를 보여준다.
도 13은 상기 ZnO 벌크층 내부에 분포된 보이드들을 가지는 ZnO 벌크층의 전형적인 이미지를 보여준다.
도 14는 ZnO층의 보이드들이 어떻게 ZnO 기반 LED 소자로 하여금 ZnO 벌크층의 보이드들의 밀도에 기초하여 개선된 추출 효율을 가지도록 하는지를 설명한다.
도 15 내지 도 18은 ITO를 사용하는 이외에는 동일한 Ⅲ-질화물 발광 다이오드 소자와 대비하여 ZnO 기반 LED 소자의 전기적 및 광학적 출력 성질을 보여준다.
도 19 내지 도 21은 ZnO 기반 LED 소자 견본의 소자 성능 및 신뢰성을 보여준다.
도 22는 광전 소자들을 제조하기 위한 일 예의 장치 다이어그램을 보여준다.
도 23은 도 22에 도시된 일 예의 장치에 의해 제조된 일 예의 반도체 재료층 구조의 다이어그램을 보여준다.
도 24는 도 22에 도시된 일 예의 장치를 사용하여 GaN 적층체 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 일 예의 방법을 예시한다.
도 25는 본 기술의 층 제조 공정 동안 기판을 고정하여 회전시키는 홀더의 실시예의 이미지들을 보여준다.
도 26은 전류 블록층(CBL)을 구비하는 전형적인 ZnO 기반 LED 소자의 평면도를 보여준다.
도 27은 도 27의 선 B-B'를 따라 취해진 단면도를 보여준다.
도 28 및 도 29는 CBL 상부에 형성되고 다결정 구조를 가지는 ZnO층의 다양한 이미지들을 보여준다.
도 30은 비교예의 ZnO 기반 LED 소자를 평면도로 보여준다.
도 31은 도 31의 선 A-A'를 따라 취해진 단면도를 보여준다.
도 32는 통상의 CBL이 ZnO 기반 발광 다이오드에 적용된 비교예의 발광 다이오드의 성능 데이터를 보여준다.
도 33은 도 30 및 도 31에 제공된 바와 같은 비교예의 ZnO층의 상세도를 예시한다.
도 34는 ITO 기반 LED 소자, CBL이 없는 ZnO 기반 LED 소자, 및 본 명세서에서 제안된 ZnO 기반 LED 소자의 성능 데이터를 보여준다.
도 35는 CBL을 구비하는 또 다른 전형적인 ZnO LED 소자의 평면도를 예시한다.
도 36은 도 36의 선 C-C'를 따라 취해진 단면도를 예시한다.
아연 산화물(ZnO) 기반 발광 다이오드를 구현하기 위한 기술, 시스템 및 장치들이 설명된다. 제목이 기술의 이해를 돕기 위해 설명에서 사용되나 설명된 기술의 범위를 제한하지 않는다. 용어 "전형적"은 "일 예의"의 의미로 사용되며 설명된 사항이 모든 가능성들로부터 이상적이거나 선호되는 것을 의미하지 않는다.
LED 소자에 ZnO층을 사용함으로써 Ⅲ-N LED 소자의 성능을 향상시키기 위해 다양한 구현예들이 제공된다. ZnO층은 소자의 광 추출, 방열, 및 전류 분산(전류 스프레딩)을 개선할 수 있다. 증가하는 에너지 문제에 기인하여, 효율적인 LED 조명 기술이 현재 중요하며 또한 그 중요성이 확장되고 있다. 그러나 LED 조명의 비용은 아직 높게 유지되고 있으며 이 기술을 더 크게 구현하는데 있어서 주요 장애이다.
유익한 일 태양에 있어서, 개시된 기술은 소자 비용을 실질적으로 증가시키지 않으면서 Ⅲ-질화물 발광 다이오드 소자의 출력, 광 추출 효율 및 휘도가 증가될 수 있도록 의도된다. 이것은 ZnO 기반 LED 소자를 제공하기 위한 개선된 기술을 제공함으로써 달성될 수 있다. 개시된 ZnO 기반 LED 소자는 값싼 원료, 즉 ZnO, 및 저비용 증착 방법, 즉 저온 수성 증착을 이용하면서도, 다른 현재의 분산층들, 예컨대 ITO나 Ni/Au층에 비해 개선된 성능을 나타낸다.
ZnO는 많은 이유로 Ⅲ-질화물 기반 발광다이오드 소자 내의 전류 분산층으로 사용하기에 매력적인 재료이다. 상기 두 개의 재료들은 구조적 및 열적으로 호환되며, 이는 Ⅲ-N 표면 상에 ZnO 막의 에피택셜 성장을 허용한다. 아연 산화물은 높은 n-형 도전성으로 쉽게 생성되며, 이는 ZnO 막이 발광 다이오드 소자의 표면을 가로질러 전류를 분산할 수 있게 한다. ZnO는 또한 가시광의 전체 스펙트럼에 걸쳐 고도로 투명하며, 이는 발광 다이오드 소자에 의해 생성된 광의 흡수를 방지한다. GaN에 대비하여 1.3 eV의 가전자대 오프셋은 p-형 GaN과 ZnO 접합면을 가로질러 전류 터널링의 가능성을 허용하며, 따라서 p-형 GaN과 ZnO 사이의 오믹성 전기적 접촉을 제공한다. 더욱이, ZnO는 다양한 산에서 선택적으로 식각되어, 광 추출 구조가 쉽게 창출될 수 있다.
Ⅲ-질화물은 Ⅲ족-질화물, 질화물, 또는 (Al,Ga,In)N, AlInGaN, 또는 예를 들어, Al(1-x-y)InyGaxN(0<x<1 및 0<y<1)으로 언급될 수 있다. 이들 용어들은 단일 종들인 Al, Ga 및 In의 각 질화물들 뿐만 아니라, 이들 Ⅲ족 금속 종들의 이성분계, 삼성분계 및 사성분계 조성을 포함하는 것으로 넓게 해석되도록 의도된다. 따라서, 상기 용어들은 상기 명명법에 포함되는 종으로서 화합물 AlN, GaN 및 InN 뿐만 아니라, 삼성분계 화합물 AlGaN, GaInN, 및 AlInN, 및 사성분계 화합물 AlGaInN을 포괄한다. (Ga, Al, In) 구성 요소 종의 둘 이상이 존재할 때, 화학양론적 비율들 뿐만 아니라 "비화학양론적" 비율들(상기 조성에 존재하는 (Ga, Al, In) 구성요소 종 각각의 상대적인 몰 분율에 대해)을 포함하여 모든 가능한 조성들이 본 기술의 넓은 범위 내에서 채용될 수 있다. 따라서, 이하에서 주로 GaN 재료와 관련한 본 기술의 논의는 다양한 다른 (Al, Ga, In)N 재료 종들의 형성에 적용될 수 있다. 나아가, (Al,Ga,In)N 재료는 소량의 도펀트 및/또는 다른 불순물 또는 함유물 재료를 더 포함할 수 있다. 보론 또한 Ⅲ-질화물 얼로이에 포함될 수 있다.
유사하게, 용어 아연 산화물 또는 ZnO는 구성요소 종 Zn 및 O가 화합물의 대부분을 구성하고, 재료가 ZnO의 육방정계 울짜이트(hexagonal Wurtzite) 결정 구조를 보유하는 한 임의의 재료를 포함하게 넓게 해석되도록 의도된다. 이것은 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 갈륨 도핑된 아연 산화물(GZO), 및 인디움 도핑된 아연 산화물(IZO)을 포함한다. 이것은 또한 소량의 다른 도펀트들 및/또는 다른 불순물이나 함유물 재료를 구비하는 재료뿐만 아니라 공공(vacancy) 및 삽입계(interstitial type) 재료 결함의 존재에 기인한 비화학양론인 재료를 포함한다.
(ZnO층을 구비하는 LED 소자의 예 및 그것의 제조 방법)
도 1은 전형적인 ZnO 기반 LED 소자를 예시한다. GaN-계 LED 소자는 기판, n-형 GaN층 및 p-형 GaN층, 및 ZnO층을 포함한다. 이들 구조에서 활성층들은 증가된 캐리어 국부화 및 재결합율을 위한 더 낮은 밴드갭의 InxGa1-xN 양자우물들과 함께 전반적으로 진성인 GaN이다. 이들 구조를 성장하기 위해 사용되는 우세한 기술은 금속 유기화학 기상 증착법(MOCVD)으로, 이는 가열된 결정 기판의 존재 하에 결정질 층을 형성하는 전구체 가스를 채용한다. MOCVD GaN 소자 제조에 사용되는 기판은 사파이어, SiC, 벌크 GaN 웨이퍼, 및 Si 웨이퍼를 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 기반 LED 소자는 종래의 LED 소자보다 기판이 더 큰 크기를 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 기판은 4인치보다 더 큰 직경을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 기반 LED 소자는 950 ㎛×500 ㎛보다 더 큰 칩 크기를 갖는 칩 상에 형성된다.
ZnO층은 ZnO 씨드층(seed layer) 및 ZnO 벌크층(bulk layer)을 포함하도록 p-형 GaN층 상부에 형성된다. ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층을 포함하는 ZnO층은 ZnO 기반 LED 소자의 전기적 및/또는 광학적 성질을 강화하도록 형성 및 구성된다.
도 2는 ZnO층의 전형적인 제조 공정을 예시한다. 도 2에 보이듯이, 상기 제조 공정은 성장 기판을 준비하고, 에피택셜 층을 제공하고(예컨대, n-형 층, p-형 층 및 활성층을 포함하는 GaN 적층체), 수용액을 사용하여 스핀 코팅함으로써 ZnO 씨드층을 형성하고, 수용액을 사용하여 ZnO 벌크층을 성장하는 것을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 개시된 기술에 있어서, 2단계 수열 합성 공정이 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층을 포함하는 단결정 ZnO 구조를 증착하기 위해 수행된다. 제1 단계에서, 얇은 연속적인 ZnO 씨드층을 Ⅲ-N LED 소자의 p-형 GaN 상에 증착하기 위한 조건이 사용된다. 제2 단계는 상기 ZnO 씨드층으로부터 연장되는 ZnO 벌크층을 성장하기 위해 수행된다.
도 3a 및 도 3b는 ZnO 기반 LED 소자의 더 상세한 제조 공정을 예시한다. 도 3a를 참조하면, 제1 단계에서, n-형 GaN층, p-형 GaN층, 및 n-형 GaN층과 p-형 GaN층 사이의 활성층을 포함하는 GaN 적층체가 기판 상부에 형성된다. 활성층은 증가된 캐리어 국부화 및 재결합율을 위한 더 낮은 밴드갭의 InxGa1-xN 양자우물들과 함께 전반적으로 진성인 GaN을 포함할 수 있다.
GaN 적층 구조를 성장하기 위해 사용되는 우세한 기술은 금속 유기화학 기상 증착법(MOCVD)으로, 이는 가열된 결정 기판의 존재 하에 결정질 층을 형성하는 전구체 가스를 채용한다. MOCVD GaN 소자 제조에 사용되는 기판은 사파이어, SiC, 벌크 GaN 웨이퍼, 및 Si 웨이퍼를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 기판(예컨대, 웨이퍼)는 종래의 제조 공정에 의해 제조된 것보다 더 큰 크기(예컨대, 4인치 직경보다 더 큰 크기)를 가질 수 있다.
상기 개시된 기술의 몇몇 구현예들에 있어서, GaN 적층체의 형성 후 및 ZnO 씨드층을 형성하기 전에, GaN 적층체의 표면 상에 친수성 표면을 제공하기 위해 친수성 처리가 수행된다. 친수성 처리는 GaN 적층체 표면에 친수성 처리 용액을 적용하고, 그것에 의해 상기 표면을 친수성으로 만드는 것을 포함한다.
친수성 처리 용액은 적어도 친수성 기를 가지는 화합물을 포함하는 수용액을 포함할 수 있다. 친수성 표면은 씨드층이 종래의 ZnO 기반 LED 소자들에는 적용가능하지 않은 더 나은 연속성을 갖도록 GaN 적층체 상부에 형성되도록 돕는다.
제2 단계에서, ZnO 씨드층 수용액(이하, "씨드층 용액")을 사용하여 친수성 표면을 가지는 GaN 적층체 상부에 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 씨드층은 스핀 코팅에 의해 형성될 수 있다. 기판이 용기 내에 담기는 침지법(dipping method)에 비해, 스핑 코팅은 ZnO 씨드층이 일정한 속도록 형성되게 하며, 따라서, ZnO 씨드층이 원하는 두께를 가지도록 형성될 수 있다. ZnO 씨드층은 20㎚를 초과하지 않는 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 친수성 처리가 ZnO 씨드층을 형성하기 전에 수행되므로, 씨드층은 연속적으로 형성될 수 있다. 연속적인 ZnO 씨드층은 GaN 적층 구조체(예컨대, p-형 GaN층)와 더 낮은 접촉 저항을 제공한다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 하지층의 전체 표면의 적어도 90%를 점유한다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 하지층의 전체 표면의 적어도 95%를 점유한다. 씨드층 용액의 예 및 ZnO 씨드층을 형성하기 위한 공정 조건은 도 4a에 도시된다. 씨드층을 형성함에 있어서, 씨드층 용액은 과포화되고, 이는 씨드층 용액의 pH 수준을 통상적인 기술에서 사용되는 것보다 매우 크게 만든다. 씨드층의 이러한 큰 pH 수준은 ZnO 벌크층이 ZnO 씨드층 상부에 쉽게 더 잘 형성되도록 돕는다. 열처리 공정이 예를 들어 500℃에서 15분 동안 ZnO 씨드층에 수행된다.
제3 단계에서, ZnO 벌크층이 또 다른 수용액(이하, "벌크층 용액")을 사용하여 ZnO 씨드층 상부에 형성된다. 벌크층 용액의 예 및 ZnO 벌크층을 형성하기 위한 공정 조건은 도 4b에 도시된다. ZnO 벌크층의 형성은 기판이 챔버 내에서 수직 방향을 따라 회전하는 동안 진행된다. 이러한 웨이퍼 회전은 또한 ZnO 벌크층의 형성 동안 성장 속도를 일정하게 하며, 따라서, ZnO 벌크층이 원하는 두께로 형성될 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 벌크층은 800㎚ 미만의 두께를 가진다.
벌크층의 성장 동안, pH 수준은 별도로 제어되지 않는다. 따라서, 씨드층의 형성 동안의 pH 수준이 벌크층의 성장 동안의 그것보다 더 높다. 개시된 기술의 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 벌크층의 형성은 ZnO 벌크층에 보이드들을 의도적으로 도입하는 것 및 ZnO 벌크층의 보이드들을 제어하는 것을 포함할 수 있다. ZnO 벌크층 내에 분포된 보이드들은 ZnO 벌크층의 굴절률에 영향을 미치는 에어갭(air gaps)을 제공하고, 이는 추출 효율의 향상을 가져온다. 나아가, 보이드의 제어는 보이드의 양 및/또는 보이드의 분포를 변화시켜 ZnO 기반 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 진행할 수 있다. ZnO 벌크층이 형성된 후, 열처리가 예를 들어 250℃에서 15분 동안 ZnO 벌크층에 수행된다. 열처리 후에, ZnO 벌크층은 ZnO 씨드층을 구비하는 단일의 (또는 더 양호한) 결정 구조를 형성하며, 그것에 의해 ZnO 씨드층을 포함하는 하부 단결정 ZnO 부분 및 ZnO 벌크층을 포함하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 제공한다.
제4 단계에서, 포토레지스트가 벌크층 상부에 형성된다. 제5 단계에서, 단결정 ZnO 구조체가 예를 들어 습식 식각에 의해 식각된다. 식각시, ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층이 단결정 구조체를 형성하기 때문에, 단결정 ZnO 구조체는 역메사 구조를 가질 수 있다. 제6 단계에서, GaN 구조체가 예컨대 건식 식각에 의해 식각된다. 도 3a 및 도 3b에 있어서, 비록 ZnO 기반 LED 소자가 메사 구조를 갖도록 도시되지만, 다른 구현예들이 또한 가능하다. 예를 들어, ZnO 기반 LED 소자는 수평형 구조 또는 수직형 구조를 갖도록 식각될 수 있다.
제7 단계에서, 포토레지스트가 PR 제거제를 사용하여 제거된다. 알칼리(alkaline) 조성을 포함하는 통상의 PR 제거제는 ZnO 구조체에 손상을 입히는 것이 관찰된다. 따라서, 새로운 포토레지스트(PR) 제거제가 단결정 ZnO 구조체에 대한 손상이 감소되도록 선택된다. 새로운 PR 제거제는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(propylene glycol monomethyl ether), 알코올, C12-14, 에톡실산화(alcohols, C12-14, ethoxylated), 1-메틸-2-피롤리도나(1-methyl-2-pirrolidona), 첨가제, 또는 탈 이온수(DI water)를 포함한다. 도 5는 종래의 PR 제거제와 새로운 PR 제거제를 비교하는 테이블을 보여준다. 도 5에서, 각 화학 물질은 특정 화학물이라기 보다는 일군의 클래스를 지시한다. 실험을 통해, 열거된 화학 물질들인 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(propylene glycol monomethyl ether), 알코올, C12-14-2차, 에톡실산화(alcohols, C12-14-Secondary, ethoxylated), 및 1-메틸-2-피롤리돈(1-methyl-2-pirrolidone)은 ZnO 구조체에 어떠한 손상도 유발하지 않는 것이 밝혀졌다.
다시 도 3b를 참조하면, 추가 공정들이 제8 단계 내지 제14 단계에서 수행되며, 그것에 의해 단결정 ZnO 구조체를 포함하는 ZnO 기반 LED 소자를 제공한다. 제시된 단계들에 따라 제조된 ZnO 기반 LED 소자는 광 추출 효율, 광 손실, 접촉 저항 등에서 개선된 성질을 가진다.
ZnO 씨드층은 ZnO 벌크층이 성장될 자리의 균일한 분포 및 밀도를 가지도록 형성된다. ZnO 씨드층은 ZnO 씨드층의 연속적인 표면을 제공하기 위해 친수성 처리된다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 하지층 전체 표면의 90%를 넘게 점유한다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 하지층 전체 표면의 95%를 넘게 점유한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 씨드층은 비도핑(undoped)이다.
도 6은 친수성 처리가 수행되지 않은 통상적인 씨드층(윗부분)과 함께 친수성 처리된 씨드층(아랫부분)을 예시한다. 친수성 처리는 씨드층이 연속적인 표면을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 씨드층은 상기 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층과 함께 단결정 구조를 형성한다.
도 7은 ZnO 벌크층이 형성되기 전의 씨드층 이미지를 예시한다.
도 8 및 도 9는 ZnO 벌크층이 형성된 후의 씨드층의 이미지를 예시한다. 도 7 내지 도 9를 참조하면, 씨드층 자신은 다결정 구조를 가지나 ZnO 벌크층이 형성된 후에 ZnO 벌크층과 함께 단결정 구조를 형성한다.
덧붙여, 도 10 및 도 11은 ZnO층의 단결정 구조를 보여주는 추가 그래프들이다.
몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 시트르산염(citrate)이 없다. 시트르산염은 시트르산의 유도체이며 양이온으로 존재한다. 따라서, 시트르산염은 음이온으로 존재하는 Zn와 결합하는 경향이 있으며, 이는 ZnO의 형성을 방해한다. 따라서, ZnO 씨드층을 시트르산염이 없도록 구성함으로써, ZnO 벌크층의 형성을 돕고 촉진하는 것이 가능하다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 씨드층은 200 옹스트롬(Å) 이하의 두께, 예컨대 100 옹스트롬(Å) 이하의 두께를 가진다.
ZnO 벌크층은 ZnO 씨드층 상부에 성장된다. 위에서 논의된 바와 같이, ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층이 단결정 구조를 형성하기 때문에, ZnO층의 식각시에, ZnO층은 역메사 구조를 가진다. 이는 도 12에 도시되며 역메사 구조를 가지는 ZnO층의 측벽을 보여준다. 도 12를 참조하면, 하지층과 달리, ZnO층은 역메사 구조를 가진다. ZnO 벌크층은 ZnO 씨드층과 이들 사이에 어떠한 전류 블록층도 없이 직접 접촉한다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 벌크층은 Ga으로 도핑된다.
개시된 기술에 있어서, 보이드들이 ZnO 기반 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 ZnO 벌크층에 의도적으로 도입되고 제어된다. 보이드들은 다양한 형상을 가질 수 있으며 ZnO 벌크층을 다공성으로 만들 수 있다. 도 13은 ZnO 벌크층 내부에 분포된 보이드들을 가지는 ZnO 벌크층의 이미지를 보여준다. 상부 오른쪽 이미지는 핫 플레이트 열처리를 수행한 후의 ZnO 벌크층을 보여주고 하부 오른쪽 이미지는 RTA 열처리를 수행한 후의 ZnO 벌크층을 보여준다. ZnO 벌크층 내에 분포된 보이드들은 ZnO 벌크층의 굴절률에 영향을 주는 에어갭을 제공하며, 이는 추출 효율 향상을 가져온다. 따라서, ZnO 벌크층 내부 보이드의 존재는 ZnO 기반 LED 소자의 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 14는 보이드들이 어떻게 ZnO 기반 LED 소자로 하여금 ZnO 벌크층의 보이드들의 밀도에 기초하여 개선된 추출 효율을 가지도록 하는지를 설명한다. 도 14를 참조하면, 전체 88.17%의 광이 보이드 없는 ZnO 기반 LED 소자의 출력측에서 획득되는데 반해, 전체 89.16%의 광이 보이드를 구비하는 ZnO 기반 LED 소자의 출력측에서 획득된다. 따라서, 보이드는 소자로부터 더 많은 광이 추출되도록 돕는다. 이는 보이드들이 결정질을 떨어뜨리기 때문에 보이드가 회피될 필요가 있다는 통상적인 지식과 다르다. 몇몇 구현예들에 있어서, 보이드들은 ZnO 기반 LED 소자의 더 개선된 광학적 성질을 제공하도록 제어될 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 보이드의 범위, 위치 또는 양이 제어될 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 보이드들은 ZnO 벌크층 내부에 균일하게 분포될 수 있다. 벌크층은 8000 옹스트롬(Å) 미만의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 벌크층은 ZnO 씨드층 두께의 적어도 50배보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.
개시된 기술의 일 구현예의 전기적 및 광학적 출력 성질이 ITO를 사용한 것을 제외하고는 동일한 Ⅲ-질화물 발광 다이오드 소자와 비교되었다. 비교 결과는 도 15 내지 도 18에 도시되어 있다. 개시된 기술의 실시예를 대표하는 ZnO 기반 LED 소자에 있어서, 50mA의 구동 전류에서 3Vf보다 적은 구동 전압이 요구되었고, 광학적 출력은 130mW이었다. 도 19 내지 도 21은 ZnO 기반 LED 소자의 소자 성능 및 신뢰성을 보여준다. 도 21을 참조하면, Au 스템 신뢰성 테스트는 100mA에 대해 상온에서 1000시간 후에 ITO 대비 신뢰할만한 성능을 보여준다. 5630D 신뢰성 테스트는 상온에서 1000시간 후에 ITO 대비 다소 양호하거나 약간 떨어지는 신뢰할만한 성능을 보여준다. BST 평가(PAD 접착력) 또한 성능이 ITO보다 12% 향상되어 더 양호하다는 것을 보여준다.
(반도체 재료의 수열 합성 장치 및 방법의 예)
GaN-계 LED 및 다른 광전 소자(예컨대, 레이저)는 전형적으로 3개의 메인층들을 포함하는데, 이들은 결정 기판(예컨대, 사파이어, SiC, 벌크 GaN 웨이퍼, 또는 (111) Si 웨이퍼) 상에 에피택셜 형성된다. 이들 층들은 n-형 GaN:Si 층, p-형 GaN:Mg 층, 및 이들 사이의 발광 "활성 영역" 을 포함한다. 이들 구조 내의 활성 영역은 증가된 캐리어의 국부화 및 재결합율을 위한 더 작은 밴드갭의 InxGa1-xN 양자우물들과 함께 전반적으로 진성인 GaN이다. 이들 구조를 성장하기 위해 사용되는 우세한 기술은 금속 유기화학 기상 증착법(MOCVD)이며, 이것은 가열된 결정 기판을 통해 가열하는 동안 결정질 층들을 형성하기 위한 전구체 가스들을 사용한다.
GaN 적층체(예컨대, n-형 GaN층, p-형 GaN층 및 활성 영역) 상에 ZnO층을 생성하기 위한 통상적인 방법은 MOCVD, 분자선 에피택시(MBE), 및 수열합성 기술을 포함해왔으나, 모두 성공 수준이 가변적이며, 중대한 제한들을 가진다. 예를 들어, ZnO층들을 성장하기 위한 수열 합성의 경우, 이러한 기술은 ZnO의 고품질 벌크 단결정 생성에는 신뢰할만하지만, 낮은 캐리어 농도 및 낮은 전기적 도전성을 가지며, 이는 GaN-계 LED 또는 광전 소자 응용을 위한 투명 접촉으로서는 응용에 적합하지 않다. 더욱이, p-형 GaN 상에 ZnO층을 성장하기 위해서는, 반도체층이 형성된 기판이 예컨대, ZnO의 캐리어 농도를 증가시키기 위한 수소 열처리와 같은, 민감한 p-형 GaN층을 약화시키거나 손상시킬 수 있는 조건들에 노출되지 않는 것이 중요하다.
수열 합성(theremal hydro-synthesis: THS) 장치, 시스템 및 방법이 광전 소자를 생성하기 위해 반도체 재료의 층들을 형성하기 위해 개시된다. 몇몇 태양에 있어서, GaN층(예컨대, p-형 GaN층) 상에 ZnO층을 생성하기 위한 장치가 개시된다.
도 22는 예컨대, GaN층 상에 ZnO층을 형성하는 것과 같은 광전 소자를 생성하기 위한 일 예의 제조 장치(100)의 예시적인 개략도를 보여준다. 장치(100)는 장치(100)의 컴포넌트들을 포함하거나 지지하기 위한 하우징(101)을 포함한다. 하우징(101)은 다양한 형상 및 크기를 갖도록 구성될 수 있으며, 장치(100)에 충분한 강도, 지지력, 전기적 도전성 및 절연성, 열의 절연성 및/또는 발산을 제공하도록 그 구조를 형성하는 다양한 재료를 포함할 수 있다. 하우징(101)은 밀봉될 수 있으며 액체 매개물을 담을 수 있는 내부 챔버(106)를 포함하도록 구조화된다.
하우징(101)은 유체(예컨대, 가스, 액체)가 장치(100)의 내부 챔버(106)에 유입되거나 그로부터 유출될 수 있도록 내부 챔버(106)를 따라 배치된 위치들에 위치하는 접근 개구들(예를 들어, 내부 챔버(106)와 하우징의 외부 사이의 채널)을 포함한다. 하우징(101)은 장치(100)의 내부 챔버(106)로 반도체층들을 성장하기 위한 반도체 성분들을 포함하는 용액을 제공하기 위한 개구(104A)를 포함한다. 예를 들어, 도 22에 도시되듯이, 개구(104A)는 수직 방향에 대해 내부 챔버(106)의 중심 주위에 위치한다. 하우징(101)은 용액이 내부 챔버(106)로부터 유출할 수 있는 개구(104B)를 포함한다. 예를 들어, 개구(104B)는 내부 챔버(106)의 바닥 주위에 위치한다. 하우징(101)은 가스(예컨대, 공기)가 챔버로부터 유출할 수 있는 개구(103)를 포함한다. 장치(100)는 내부 챔버(106)로부터 유체의 유입 및 유출을 제어하기 위해 개구들(103, 104A, 및/또는 104B) 내에 또는 말단에 위치하는 밸브를 포함할 수 있다.
장치(100)는 내부 챔버(106) 내로 열을 발생시키기 위한 가열 기구(107)를 포함한다. 예를 들어, 하우징(101)은 가열 유닛(107)을 내부 챔버(106) 근처에 제공하기 위한 하나 이상의 부품을 포함할 수 있다. 가열 유닛(107)은 내부 챔버(106) 내 유체의 온도를 조절하도록 작동 가능하다. 가열 유닛(107)은 내부 챔버(106)에 대해 다양한 위치에 위치할 수 있다. 도 22에 도시된 실시예에서, 가열 유닛(107)은 하우징(101)의 상부 영역 및 하부 영역에 위치한다. 예를 들어, 가열 유닛(107)은 전원에 전기적으로 결합된 가열 와이어를 포함하여, 하우징(101)의 상부 및 하부 영역들(예컨대, 부품들)에 위치하는 가열 와이어가 내부 챔버(106)로 직접 가열(예컨대, 용액이 챔버(106)를 채울 때 용액에 인가)할 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 장치(100)는 유체의 온도를 측정하기 위해 내부 챔버(106)를 따라 다양한 위치에 위치하는 하나 이상의 온도 센서를 포함하며, 측정된 온도 데이터는 가열 유닛(107)에 의해 유체의 온도를 조절하는데 사용될 수 있다. 가열 유닛(107)의 몇몇 구현예들에 있어서, 유체의 온도는 유도 가열, 펠티어(Peltier) 효과, 전기 가열 등에 의해 가열 및 냉각될 수 있다.
장치(100)는 내부 챔버(106) 내에 배치되고 반도체 소자 층들을 제조하기 위한 샘플 또는 기판을 수용하기 위한 수용 표면(111A)이 수직 방향 배향을 갖도록 배향된 회전 홀더(111)를 포함한다. 장치는 회전 홀더(111)에 결합되고 내부 챔버(106) 내의 회전 홀더(111)의 회전 운동을 구동하도록 작동 가능한 모터(110)를 포함한다. 예를 들어, 모터(110)는 회전 홀더(111)의 중심축으로부터 모터(110)로 연장하는 회전 구동 샤프트(113)를 통해 회전 홀더(111)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 모터(110)는 회전 홀더(111)를 구동하여 제어되고 조절된 속도로 그 중심축에 대해 회전시킨다. 이 배향에 있어서, 샘플 또는 기판, 예컨대 4" 웨이퍼는 웨이퍼의 상면이 수직축에 수직하도록 정렬된다.
장치(100)는 반도체 소자 제조 작동 동안 내부 챔버(106)로 제공될 용액을 저장하기 위한 용액 용기(125)를 포함한다. 용액 용기(125)는 용액을 담는 빈 내부를 구비하는 외부 케이싱을 포함하도록 구조화된다. 용기(125)는 개구, 에컨대 외부 케이싱의 상부에 개구를 포함하며, 이로부터 유체 도관(예컨대, 튜브, 파이프 등)이 통과할 수 있다. 예를 들어, 장치(100)는 용기(125)로부터 내부 챔버(106)로 개구(104A)를 통해 용액을 전달하기 위한 유체 도관(126)을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 장치(100)는 유체 도관(126)을 통해 용기(125)로부터 내부 챔버(106)로의 용액의 흐름을 제어하기 위한 용액 유량 제어기(128)를 포함한다. 예를 들어, 장치(100)는 예컨대 용액을 탈 산소 처리하거나 달리 용액에 영향을 주거나 용액을 적당한 조건으로 맞추기 위해 용기(125) 내로 가스(예컨대, N2 가스)를 전달하기 위한 유체 도관(127)을 포함할 수 있다.
장치(100)는 예컨대 온/오프, 회전 속도 등을 포함하여 모터(110)의 다양한 동작 파라미터들을 제어하기 위해 모터(110)와 통신하는 데이터 처리 유닛(도 22에 미도시)을 포함할 수 있다. 데이터 처리 유닛은 또한 예를 들어, 온도 센서로부터 측정된 온도 데이터를 통해 가열 유닛(107)을 조절하는 것과 같은 장치(100)의 다른 요소들을 제어하도록 구현될 수 있다. 데이터 처리 유닛은 데이터를 처리하는 프로세서 및 데이터를 저장하기 위해 프로세서와 통신하는 메모리를 포함한다. 예를 들어, 프로세서는 중앙 처리 유닛(CPU) 또는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 프로세서 실행 코드를 포함할 수 있는데, 이는 프로세서에 의해 실행될 때, 정보, 명령 및/또는 데이터를 수신하고 정보 및 데이터를 처리하고 정보/데이터를 다른 엔터티(예컨대 외부 장치)에 전송 또는 제공하는 것과 같은 다양한 동작을 수행하도록 데이터 처리 유닛을 구성한다. 데이터 처리 유닛의 다양한 기능을 지원하기 위해, 메모리는 지시, 소프트웨어, 값, 이미지 및 프로세서에 의해 처리되거나 참조되는 다른 데이터와 같은 다른 정보 및 데이터를 저장할 수 있다. 다양한 유형의 RAM 장치, ROM 장치, 플래쉬 메모리 장치 및 다른 적합한 저장 매체가 메모리의 저장 기능을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리는 예를 들어 가열 유닛(107), 온도 센서 등을 포함하여 장치(100)의 다른 유닛들 및 데이터 처리 유닛의 데이터 및 정보뿐만 아니라 장치(100)와 통신하는 다른 시스템 및 장치에 대한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 장치 유닛 파라미터, 및 하드웨어 제약뿐만 아니라, 소프트웨어 파라미터 및 장치(100) 상에서 작동하기 위한 프로그램들을 저장할 수 있다. 데이터 처리 유닛은 장치(100)의 다른 유닛에 데이터 처리 유닛의 통신 연결성을 허용할 수 있는 입력/출력(I/O) 유닛을 포함한다. 예를 들어, I/O 유닛은 예를 들어, 제한되지는 않지만, USB(Universal Serial Bus), IEEE 1394(FireWire), 블루투스, 블루투스 로우 에너지(BLE), ZigBee, IEEE 802.11(Wi-Fi), 무선 로컬 영역 네트워크(Wireless Local Area Network: WLAN), 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Network: WPAN), 광대역 무선 네트워크(Wireless Wide Area Network: WWAN), 와이맥스(WiMAX), IEEE 802.16(Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)), 3G/4G/LTE 셀룰러 통신 방법, 및 병렬 인터페이스를 포함하여 전형적인 데이터 통신 표준과 호환가능한 다양한 유형의 유선 또는 무선 인터페이스들을 사용하여 다른 장치 또는 시스템과 통신하도록 데이터 처리 유닛을 제공할 수 있다. I/O 유닛(116)은 또한 외부 인터페이스, 데이터 저장원, 또는 디스플레이 장치에 데이터 처리 유닛(106)의 통신 연결성을 제공할 수 있다. 데이터 처리 유닛의 I/O 유닛은 또한 프로세서에 의해 처리될 수 있거나 메모리에 저장될 수 있거나 또는 장치의 출력 유닛에 표시될 수 있는 데이터 및 정보를 검색 및 전송하기 위해 다른 외부 인터페이스, 데이터 저장원, 및/또는 시각 또는 청각 디스플레이 장치 등과 인터페이스를 구성할 수 있다.
장치(100)는 반도체 재료 소자를 생성하기 위해 내부 챔부 내 용액에 잠긴 홀더의 회전 동안 기판 상에 반도체 재료의 층의 형성(예컨대, 성장)을 쉽게 하도록 작동가능하다. ZnO 유형 GaN 광전 소자를 제조하기 위한 장치(100)의 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 홀더(111)가 THS 공정을 겪도록 샘플 기판과 함께 장착된다. 몇몇 예들에 있어서, 샘플 기판은 4" 웨이퍼 또는 다른 크기의 웨이퍼를 포함할 수 있으며, 여기서 GaN 적층체가 제조될 소자를 위해 하지 기판(예컨대, 사파이어) 상에 배치된다. 홀더(111)를 장착하고 하우징(101)을 닫은(예를 들어, 홀더의 장착/탈착을 위한 해치를 밀봉하고 개구들(104A, 104B 및/또는 103)에 밸브를 작동한) 후에, GaN 적층체 상에 수열로 ZnO층을 성장하기 위해 내부 챔버(106)가 용액으로 채워질 수 있다. 모터(111)는 예컨대, 데이터 처리 유닛을 통한 제어에 기초하여 작동되어 GaN 적층체 표면이 예를 들어, 수직 방향을 따라, 회전축에 수직하게 배향되도록 기판을 회전시킬 수 있다. 가열 기구(107)는 예컨대, 데이터 처리 유닛을 통한 제어에 기초하여 작동되어 ZnO층의 제어된 증착 및/또는 성장을 쉽게 하도록 홀더(111) 상의 기판의 회전 동안 챔버 내부의 온도 및 열 분포를 조절할 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 가스가 개구(103)를 통해 상기 작동 동안에 제공될 수 있다.
도 23은 도 22에 도시된 예의 장치에 의해 제조된 일 예의 반도체 재료층 구조(200)의 다이어그램을 보여준다. 도 23의 구조(200)는 전형적인 ZnO 기반 LED, 소자를 예시하는데, 사파이어 기판, 상기 기판 상의 n-형 GaN층, p-형 GaN층, n형 GaN층과 p-형 GaN층 사이의 활성층, 및 상기 LED 소자를 위한 전류 분산층 및 투명 접촉을 제공하는 ZnO층을 포함한다. 예를 들어, 이들 구조에서 활성층은 예컨대, 증가된 캐리어 국부화 및 재결합율을 위한 더 낮은 밴드갭의 InxGa1-xN 양자우물들과 함께 진성 GaN을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 장치(100)는 통상적인 LED 소자들에서의 기판보다 더 큰 크기를 가지는 기판, 예컨대, 4인치 이상의 직경을 가지는 기판 상에 일 예의 ZnO 기반 LED 소자(200)를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO 기반 LED 소자(200)는 950㎛×500㎛보다 더 큰 칩 크기를 가지는 칩에 형성된다.
구현예들에 있어서, 장치(100)는 ZnO 구조체를 포함하는 LED 소자를 제조하기 위한 방법을 수행하기 위해 작동될 수 있다. 상기 방법은 챔버(106) 내에 (예컨대, 홀더(111)를 사용하여) 기판 웨이퍼의 표면이 중력장(중력)과 정렬된 수직 방향을 따르도록 기판(예컨대, 웨이퍼)을 유지하는 것을 포함하며, 여기서 상기 기판 웨이퍼는 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동할 수 있는 발광 반도체층들(예컨대, GaN 적층체)을 포함하도록 미리 공정 처리되었다. 상기 방법은 수평축에 대해 회전하도록 기판을 (예를 들어, 홀더(111)를 사용하여) 회전시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 수평축에 대해 회전하도록 기판을 유지하는 동안 챔버(106) 내에서 수열 합성 공정을 수행하여 성장된 단결정 ZnO 구조체에 있어서 고품질을 달성하도록 발광 반도체층 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장시키는 것을 포함한다.
상기 방법의 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 제2 반도체층 상부에 형성된 단결정 ZnO 구조체를 성장시키는 것은 제1 수열 합성 공정을 수행하여 발광 반도체층들의 상면 상부에 하부 단결정 ZnO 부분을 성장시키고; 및 후속하여 제2 수열 합성 공정을 수행하여 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 성장시키는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 상기 방법은 하부 단결정 ZnO 부분이 발광 반도체층들의 상면을 노출하는 보이드를 갖지 않고 발광 반도체층들의 상면 상부에서 연속적인 구조체인 것을 보증하도록 제1 수열 합성 공정을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 예를 들어, 상기 방법은 상부 단결정 ZnO 부분 내에 보이드들을 도입하도록 상기 제2 수열 합성 공정을 제어하는 것을 포함한다.
도 24는 GaN 적층체 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장시키는 방법을 예시한다. 상기 방법은 기판(예컨대, 사파이어 상의 GaN 적층체)을 세정하기 위한 공정(310)을 포함하며, 이는 친수성 표면을 위해 기판을 전처리하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 GaN 층 상에 ZnO를 씨드 코팅하고 상기 ZnO 씨드를 열처리하는 공정(320)을 포함한다. 예를 들어, ZnO 씨드는 ZnO를 스핀 코팅(예컨대, 두께 20㎚ 이하)하고, 예컨대, 핫 플레이트 또는 RTA 상에서 500℃에서 15분 동안 ZnO 씨드 기판을 열처리함으로써 형성될 수 있다. 상기 방법은 ZnO 씨드 기판이 챔버(106) 내에서 ZnO 용액에 침지되어서 홀더(111)에 의해 회전되도록, 예컨대, 장치(100)의 챔버(106) 내에서 수열 합성 공정을 사용하여, GaN 적층체 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장시키도록 ZnO의 벌크층을 형성하는 공정(330)을 포함한다. 상기 공정(330)은 ZnO 벌크층이 형성된 기판을 예컨대, 핫 플레이트 또는 RTA 상에서, 예를 들어, 250℃에서 15분 동안 후속 열처리하는 것을 포함한다. 예를 들어, 성장된 ZnO층은 800㎚ 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
본 명세서가 많은 세부 사항들을 포함하지만, 이들은 임의의 발명 또는 청구 범위에 대해 제한으로 해석되지 않으며, 특정 발명의 특정 실시예에 구체적일 수 있는 특징부의 설명으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 분리된 실시예들의 내용에서 설명된 특정 특징부들은 단일의 실시예에 조합되어 구현될 수도 있다. 역으로, 단일의 실시예의 내용에서 설명된 다양한 특징부들은 또한 다중 실시예들에서 분리되거나 또는 임의의 적합한 서브 조합으로 구현될 수도 있다. 더욱이, 특징부들이 위에서 특정 조합으로 작용하는 것으로 설명되고 그와 같이 최초에 청구되었더라도, 청구된 조합의 하나 이상의 특징부들은 몇몇 경우에 있어서 상기 조합으로부터 제외될 수 있으며, 청구된 조합은 서브 조합 또는 서브 조합의 변형으로 인도될 수 있다.
도 25는 본 기술의 층 제조 공정 동안 기판을 고정하고 회전시키는 홀더(111)의 실시예의 이미지를 보여준다. 예를 들어, 홀더(111)는 다중 기판들이 제조 공정을 거칠 수 있게 하고 층(예컨대, ZnO)이 성장될 기판의 표면(예컨대, 사파이어 또는 다른 기판 상의 GaN 적층체)을 예컨대, THS 방법을 구현하는 것과 같이, 기판(웨이퍼)의 모든 방향에서 노출되도록 제공하는 다중 수용 표면들(111A)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 24에 설명된 전형적인 THS 구현예들에서, ZnO 성장은 형성된 씨드층 측 상에서만 발생함에 유의한다. 도 25의 이미지들은 예를 들어, 이미지들(401, 402 및 403)로 도시되듯이, 홀더(111)의 수용 표면들 중 하나에 웨이퍼를 장착하는 구현예를 보여준다. 상기 실시예에 있어서, 홀더(111)는 수용 표면(111A)을 제공하는 복수의 디스크를 포함하는 테플론(Teflon) 프레임(예컨대, "X"로 구조화되고 X를 관통하는 중앙 홀을 구비)을 포함하며, 여기서 복수의 디스크는 고정 스크루를 통해 연결될 수 있다. 상기 장착 구현예는 예를 들어 회전 샤프트(113)에 결합된 내부 챔버(106) 내 볼트와 웨이퍼가 장착된 홀더(111)의 너트를 이용하여 홀더를 내부 챔버에 고정할 수 있다(이미지 404 참조).
(ZnO 소자용 전류 블록층의 예)
본 명세서는 개선된 특성과 함께 전류 블록층(current blocking layer: CBL)을 구비하는 ZnO 기반 LED 소자의 다양한 구현예들을 제공한다. CBL은 LED 소자의 발광 부분인 예컨대, 다중 양자우물(MQW)로부터 방출되는 광 특성을 개선하도록 효과적으로 작동할 수 있기 때문에, CBL이 ITO 기반 LED 소자에 광 추출 효율을 개선하기 위해 사용되어 왔다. ZnO 기반 LED 소자가 다양한 응용에 대해 상당한 주목을 끌었기 때문에, 개시된 기술의 다양한 구현예들은 ZnO층이 더 나은 전류 분산(current spreading) 효과를 갖고 전류 집중(current crowding)을 경감하도록 돕는 CBL의 구성을 제안한다.
도 26은 전형적인 ZnO 기반 LED 소자의 평면도를 예시하고, 도 27은 도 26의 선 B-B'를 따라 취해진 단면도이다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 발광 다이오드 소자는 기판, 반도체층, 전류 블록층(CBL), ZnO층, 및 전극 패드를 포함한다. 기판은 질화갈륨계 에피택셜층들의 성장을 위한 성장 기판, 예컨대, 사파이어 기판, 탄화실리콘 기판, 실리콘 기판, 질화갈륨 기판 등을 포함한다. 반도체층은 기판 상에 형성된다. 반도체층은 다중층을 구비하는 LED 에피-구조를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 반도체층은 p-형 GaN층, n-형 GaN층, 및 p-형 GaN층과 n-형 GaN층 사이에 개재된 활성층을 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 반도체층은 Ⅲ-질화물을 포함한다. Ⅲ-질화물은 Ⅲ족-질화물, 질화물, 또는 (Al,Ga,In)N, AlInGaN, 또는 예를 들어, Al(1-x-y)InyGaxN(0<x<1 및 0<y<1)으로 언급될 수 있다. 이들 용어들은 단일 종들인 Al, Ga 및 In의 각 질화물들 뿐만 아니라, 이들 Ⅲ족 금속 종들의 이성분계, 삼성분계 및 사성분계 조성을 포함하는 것으로 넓게 해석될 수 있다. 따라서, 상기 반도체층은 상기 명명법에 포함되는 종으로서 화합물 AlN, GaN 및 InN 뿐만 아니라, 삼성분계 화합물 AlGaN, GaInN, 및 AlInN, 및 사성분계 화합물 AlGaInN을 포함한다. (Ga, Al, In) 구성 요소 종의 둘 이상이 존재할 때, 화학양론적 비율들 뿐만 아니라 "비화학양론적" 비율들(상기 조성에 존재하는 (Ga, Al, In) 구성요소 종 각각의 상대적인 몰 분율에 대해)을 포함하여 모든 가능한 조성들이 채용될 수 있다. 따라서, GaN 재료에 대한 주요 언급은 다양한 다른 (Al, Ga, In)N 재료 종들의 형성에 적용될 수 있다. 나아가, (Al,Ga,In)N 재료는 소량의 도펀트 및/또는 다른 불순물 또는 함유물 재료를 더 포함할 수 있다. 보론 또한 Ⅲ-질화물 얼로이에 포함될 수 있다.
CBL은 반도체층 상에 형성되며, ZnO층은 CBL 상에 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, CBL은 패턴으로 정렬될 수 있다. 즉, CBL은 반도체층의 몇몇 부분들에만 형성되고 반도체층의 다른 부분들은 그 위에 CBL 없이 남겨진다. 이 경우, ZnO층의 몇몇 부분들은 CBL 상에 형성되고, ZnO층의 다른 부분들은 반도체층 상에 형성된다. 이 구조로, CBL은 본 명세서에서 나중에 논의되듯이 ZnO층의 전류 분산을 허용하고 전류 집중을 경감할 수 있다.
ZnO층은 구성요소 종들 Zn 및 O가 화합물의 대부분을 구성하고 재료가 ZnO의 울짜이트 결정 구조를 보유하는 한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 이것은 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 갈륨 도핑된 아연 산화물(GZO), 및 인디움 도핑된 아연 산화물(IZO)을 포함한다. 이것은 또한 소량의 다른 도펀트들 및/또는 다른 불순물이나 함유물 재료를 구비하는 재료뿐만 아니라 공공(vacancy) 및 삽입계 재료 결함의 존재에 기인한 비화학양론인 재료를 포함한다.
개시된 기술의 몇몇 구현예들은 ZnO층을 형성하기 위해 2단계 성장 기술을 제안한다. 제1 단계에서, 얇은 연속적인 ZnO 씨드층을 반도체층, 예를 들어, p-형 GaN층 상에 증착하기 위한 조건이 사용된다. 제2 단계는 상기 ZnO 씨드층으로부터 연장되는 ZnO 벌크층을 성장하기 위해 수행된다. ZnO층이 반도체층 또는 CBL 상에 형성되는지에 따라 ZnO층은 다른 특성을 가진다. ZnO층이 CBL이 없는 반도체층 상에 형성될 때, ZnO층은 반도체층과 단결정 구조를 형성한다. ZnO층이 CBL 상에 형성될 때, ZnO층은 CBL과 다결정 구조를 형성한다. 이는 반도체층 재료가 ZnO층과 매우 유사한 격자 계수를 가지도록 선택되는 반면에, CBL 재료(예컨대, SiO2)는 ZnO층과 다른 격자계수를 가지기 때문이다. 도 28 및 도 29는 CBL 상부에 형성되고 다결정 구조를 가지는 ZnO층의 다양한 이미지를 보여준다. 도 28 및 도 29에서, GaN층이 반도체층으로 제공되고, SiO2층이 CBL로 제공된다.
대응하는 부분들이 CBL 또는 반도체층 상부에 형성되는지에 기초하여 ZnO층은 다른 결정 구조를 가지는 부분들을 포함하도록 구성되는 반면에, CBL은 ZnO층과 적절히 동작하도록 구성될 필요가 있다. 도 26 및 도 27을 다시 참조하면, 전형적인 ZnO 기반 LED 소자에 있어서, CBL은 패턴으로 형성되며, 전극 패드는 단결정 구조를 가지는 ZnO층 부분들과 직접 접촉한다(도 27에 표시된 빨간색 원 참조). 이 구현예에 있어서, 단결정 구조를 가지는 ZnO층의 부분들뿐만 아니라 다결정 구조를 가지는 ZnO층 부분들도 전극 패드와 접촉한다.
몇몇 구현예들에 있어서, CBL층은 도 1에 도시된 ZnO 기반 LED 소자에 형성될 수 있다. CBL층은 ZnO층과 GaN층 사이에 형성될 것이다. 몇몇 구현예들에 있어서, CBL층은 p-형 GaN층과 ZnO 씨드층 사이에 형성될 것이다.
도 30 및 도 31은 비교예의 발광 다이오드를 평면도 및 단면도로 예시한다. 도 27과 달리, 비교예는 전극 패드가 단결정 구조를 가지는 ZnO층과 접촉하지 않는 구성을 보여준다. 도 31에서, 패드 전극은 다결정 구조를 가지는 ZnO층 부분(즉, CBL 상부에 형성된 ZnO층)과 접촉하고 단결정 구조를 가지는 ZnO층 부분(즉, CBL이 없는 반도체층 상부에 형성된 ZnO층)과 접촉하지 않는다. 도 32는 도 30 및 도 31의 비교예의 발광 다이오드의 성능 데이터를 보여준다. 도 32에 보이듯이, 비교예에서, 전류는 충분히 분산되지 않으며, 전류 집중(current crowding)이 CBL이 형성되지 않은 영역에 발생한다. 도 32는 또한 비교예가 높은 순방향 전압 및 매우 높은 접촉 저항을 제공하는 것을 보여주며, 이는 CBL이 LED 소자에서 적절하게 작동하지 않는 것임을 제시한다.
도 33은 비교예에 제공된 바와 같은 ZnO 기반 LED 소자의 ZnO층의 상세도를 예시한다. 도 33에서, 네모 상자들 (a), (b), (c)는 각각의 부분들을 지시하기 위해 표시된다. 상자 (a)는 단결정 구조를 가지는 ZnO층 부분을 지시하고, 상자 (c)는 다결정 구조를 가지는 ZnO층 부분을 지시하며, 상자 (b)는 서로 다른 결정 구조를 가지는 ZnO층의 두 부분들 사이의 경계를 지시한다. 몇몇 구현예들에 있어서, ZnO층의 두 부분들 사이의 경계는 경사질 수 있다. 상자 (b)에서, ZnO층의 단결정 구조 부분과 다결정 구조 ZnO층 사이에 경계가 형성되기 때문에, 전류는 분산될 수 없다. 그러나 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이 제안된 구성은 비교예의 이 문제를 해결하며, ZnO 기반 LED 소자에서 개선된 전류 분산 효과를 가지며 전류 집중을 방지하는 CBL을 제공한다. 논의된 바와 같이, 전극 패드가 단결정 구조를 가지는 ZnO층 부분과 직접 접촉하기 때문에, 전류는 ZnO층의 다결정 구조 부분뿐만 아니라 ZnO층의 단결정 구조 부분에도 분산할 수 있다. 도 34는 ITO 기반 LED 소자, CBL이 없는 ZnO 기반 LED 소자, 및 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같은 CBL을 구비하는 ZnO 기반 LED 소자의 성능 데이터를 보여준다. 도 34에 도시되듯이, 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같은 CBL을 구비하는 ZnO 기반 LED 소자는 ITO 기반 LED 소자 및 CBL이 없는 ZnO 기반 LED 소자에서 달성되는 수준과 유사한 수준으로 출력 및 순방향 전압을 제공할 수 있다.
도 35 및 도 36은 CBL을 구비한 또 다른 전형적인 ZnO 기반 LED 소자를 예시한다. 도 35는 제안된 ZnO 기반 LED 소자의 평면도이고, 도 36은 도 35의 선 C-C'를 따라 취해진 단면도이다. CBL이 전극 패드의 몇몇 부분들 아래에만 형성된 도 26 및 도 27에 대비할 때, 도 35 및 도 36에서는 전극 패드가 단결정 구조를 가지는 ZnO층 부분과 충분히 접촉할 수 있도록 전극 패드가 큰 크기를 가지도록 형성된다(도 36에 표시된 빨간색 원 참조). ZnO층의 단결정 구조 부분과 전극 패드의 접촉에 기인하여 전류는 다결정 구조 부분뿐만 아니라 단결정 구조 부분으로 분산할 수 있다. 따라서, ZnO 기반 LED 소자는 개선된 특성을 나타낼 수 있다.
아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 소자의 다양한 구현예들이 본 명세서에서 논의된다. 일 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 제공되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 제1 도전형을 나타내고 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 형성되고 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체; 제2 도전형을 나타내고 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층 상부에 형성되고 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 포함하고, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 보이드가 없는 연속적인 단결정 ZnO 부분이다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 연속적인 단결정 ZnO를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 두 개의 서로 다른 수열 합성 공정에 의해 형성되며, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 제1 수열 합성 공정에 의해 형성되고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 제1 수열 합성 공정에 후속하는 제2 수열 합성 공정에 의해 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 상부 단결정 ZnO 부분 내에 상대적으로 균일하게 분포된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 그 내부의 보이드들은 상기 LED 소자의 광 추출 효율에 영향을 주는 에어갭들(air gaps)을 제공하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 그 내부의 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 또는 전기적 성질을 강화하는 위치 분포를 가지도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 수백 옹스트롬의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 구조체는 역메사(inverse mesa) 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체층들은 GaN을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 제1 도전형을 나타내고 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 형성되고, 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체; 제2 도전형을 나타내고 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상부에 형성되고, 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 단결정 ZnO 구조체를 포함하고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 광 추출 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 전기적 성능을 개선하기 위한 보이드들을 포함하도록 구조화된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 연속적인 단결정 ZnO를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 및 하부 단결정 ZnO 부분은 두 개의 서로 다른 수열 합성 공정에 의해 형성되며, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 제1 수열 합성 공정에 의해 형성되고, 상기 상부 단결정 ZnO 부분은 상기 제1 수열 합성 공정에 후속하는 제2 수열 합성 공정에 의해 형성된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분은 상기 하부 단결정 ZnO 부분 아래의 상기 제2 반도체층의 부분들을 노출시키는 보이드들을 갖지 않는 연속적인 단결정 ZnO 부분이다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되는데, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상부에 형성된 ZnO 씨드층; 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층을 포함하며, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 단결정 구조체를 형성한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 상대적으로 연속적인 표면을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층과 상기 ZnO 벌크층 사이에 경계(boundary)를 보이지 않는다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 수백 옹스트롬 정도의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 언도프트층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 제1 도전형을 가지는 도핑층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층은 GaN을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 도전성을 가지고 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 도전성을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 ZnO 벌크층과 오믹 콘택을 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 벌크층 내부에 형성된 보이드들을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 ZnO 벌크층의 굴절률에 영향을 주는 에어갭들을 제공하고 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 작동한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 하는 위치 분포를 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하기에 충분한 양을 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 ZnO 벌크층은 오믹 콘택을 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 역메사 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층의 두께보다 50배 더 큰 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층에는 시트르산염이 없다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상부에 형성된 ZnO 씨드층; 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성되고 내부에 보이드들을 포함하는 ZnO 벌크층을 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 다공성이다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상대적으로 균일하게 분포된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 추출 효율에 영향을 미치고 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 작동하는 에어갭들을 제공한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하도록 하는 위치 분포를 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 보이드들은 상기 LED 소자의 광학적 성질을 강화하기에 충분한 양을 가지도록 제어된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 LED 소자는 보이드가 없는 상기 ZnO 벌크층에 비해 개선된 광 추출 효율을 나타낸다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 상기 제1 도전형을 가지는 도핑층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 도전성을 가지고 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 도전성을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 상대적으로 연속적인 표면을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 단결정 구조를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층과 상기 ZnO 벌크층 사이에 경계를 보이지 않는다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 수백 옹스트롬 정도의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 씨드층은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 1㎛ 미만의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO 벌크층은 역메사 구조를 가진다.
또 다른 태양에 있어서, ZnO 구조를 포함하는 발광 다이오드(LED) 소자를 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 기판을 제공하고; 상기 기판 상부에 발광 반도체층들을 형성하되, 상기 발광 반도체층들은 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능하며; 및 상기 발광 반도체층들 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 것을 포함하며, 상기 단결정 ZnO 구조체의 성장은, 상기 발광 반도체층들 상부에 제1 수용액을 사용하여 하부 단결정 ZnO 부분을 형성하되, 상기 발광 반도체층들의 상부는 친수성 처리되고; 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하도록 제2 수용액을 사용하여 상부 단결정 ZnO 부분을 형성하는 것을 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 상대적으로 일정한 성장 속도를 유지하면서 스핀 코팅을 수행하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 하부 단결정 ZnO 부분이 상기 발광 반도체층들의 상부를 노출하는 보이드들을 가지지 않고 상기 발광 반도체층들 상부의 연속적인 구조인 것을 보증하도록 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성은 챔버 내부에서 수직 방향을 따라 상기 기판을 회전하는 것을 포함하고, 상기 기판은 상기 발광 반도체층들을 포함하도록 미리 공정 처리된다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 요구되는 두께를 제공하도록 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 성장 속도를 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 상부 단결정 ZnO 부분 내에 보이드들을 도입하도록 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성을 제어하는 것은 상기 LED 소자의 성능을 강화하도록 상기 보이드들의 양 또는 위치 분포를 변화시키는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 제1 수용액을 과포화하도록 pH 수준을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 하부 단결정 ZnO 부분의 형성은 상기 발광 반도체층들의 상면 전체 표면의 적어도 90%를 점유하도록 상기 하부 단결정 ZnO 부분을 형성하는 것을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 상부 단결정 ZnO 부분의 형성 후, 상기 상부 단결정 ZnO 부분 상부에 포토레지스트(PR)를 형성하고; 및 알칼리 원소(alkaline elements)가 없는 PR 제거제를 사용하여 상기 PR을 제거하는 것을 더 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 PR 제거제는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 알코올, C12-14, 에톡실산화, 또는 1-메틸-2-피롤리도나를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 PR 제거제는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 또는 N-메틸-2-피롤리도나 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 제1 온도에서 상기 하부 단결정 ZnO 부분에 대해 열처리 공정을 수행하고; 및 제2 온도에서 상기 상부 단결정 ZnO 부분에 대해 열처리 공정을 수행하는 것을 더 포함하며, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 방법은 상기 단결정 ZnO 구조체를 식각하는 것을 더 포함하되, 상기 식각된 단결정 ZnO 구조체는 역메사 형상의 측벽을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 기판은 4 인치 이상의 직경을 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 것은 원하는 두께를 가지도록 상기 단결정 ZnO 구조체의 성장 속도를 제어하는 것을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 광전 소자를 만들기 위한 반도체 재료의 층들을 형성하기 위해 수열 합성(thermal hydro-synthesis: THS) 장치, 시스템 및 방법이 개시된다. 몇몇 태양들에 있어서, GaN층(예를들어, p-형 GaN층) 상에 ZnO층을 만들기 위한 소자가 개시된다.
몇몇 태양들에 있어서, 반도체 재료 소자를 제조하기 위한 장치는, 유체(fluid)를 담는 내부 챔버를 포함하도록 구조화된 하우징으로서, 액체 용액이 유입할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제1 접근 개구, 상기 액체 용액이 유출할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제2 접근 개구, 및 가스가 유출 또는 유입할 수 있는 상기 내부 챔버로의 제3 접근 개구를 포함하는 하우징; 상기 내부 챔버 내로 열을 가하기 위한 가열 유닛; 상기 내부 챔버 내에 배치되고 반도체 소자층들을 제조하기 위한 샘플 또는 기판을 수용하기 위한 수용 표면을 포함하도록 구조화된 홀더(holder)로서, 상기 수용 표면이 수직 방향을 따르도록 상기 내부 챔버 내에 배향된 홀더; 및 상기 홀더에 결합되고 상기 홀더를 그 중심축에 대해 회전시키도록 상기 내부 챔버 내에서 상기 홀더의 회전 운동을 구동하도록 작동 가능한 모터를 포함하며, 상기 장치는 반도체 재료 장치를 생성하기 위해 상기 내부 챔버 내에 인가된 열 하에서 상기 용액 내에 잠긴 상기 홀더의 회전 동안 상기 기판 상에 반도체층의 증착 및 성장을 용이하게 하도록 작동 가능하다.
몇몇 태양에 있어서, ZnO 구조체를 포함하는 발광 다이오드(LED) 소자를 제조하기 위한 방법은, 기판 웨이퍼의 표면이 중력장을 따르는 수직 방향을 따르도록 기판 웨이퍼를 유지하되, 상기 기판 웨이퍼는 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 발광 반도체층들을 포함하도록 미리 공정 처리되며, 수평축에 대해 회전하도록 상기 기판 웨이퍼를 회전시키고, 및 상기 수평축에 대해 회전하도록 상기 기판 웨이퍼를 유지하면서 상기 발광 반도체층들 상부에 단결정 ZnO 구조체를 성장하는 수열 합성 공정을 수행하여 상기 성장된 단결정 ZnO 구조체에서 고품질을 달성하는 것을 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가, 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성되고 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분을 포함하는 ZnO층; 상기 단결정 ZnO 부분과 직접 접촉하도록 상기 ZnO층 상부에 형성된 전극 패드; 및 상기 다결정 ZnO 부분 및 상기 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 포함하도록 제공된다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 부분은 상기 반도체층 직상부에 위치한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분은 전류가 경계 사이에서 분산하는 것을 방해하는 경계를 형성한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 ZnO층은 ZnO 씨드층 및 상기 ZnO 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층을 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO층의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성된 ZnO층; 상기 ZnO층 상부에 형성된 전극 패드; 상기 ZnO층의 부분들과 상기 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 포함하며, 상기 ZnO층의 부분들은 서로 이격되고, 상기 CBL은 패턴을 가지며, 상기 전극 패드는 상기 반도체층 직상부에 위치하는 상기 ZnO층의 다른 부분들에 직접 접촉한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL 상부에 형성된 상기 ZnO층의 부분들은 다결정 구조를 가지며 상기 반도체층 직상부에 형성된 상기 ZnO층의 다른 부분들은 단결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분은 경계를 형성하여 경계 사이에서 전류가 분산하는 것을 방해한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO층의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
또 다른 태양에 있어서, 발광 다이오드(LED) 소자가 개시되며, 이 발광 다이오드 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상부에 형성된 전류 블록층(CBL); 상기 CBL 상부에 형성되어 상기 CBL의 상면 및 측면들을 포함하여 상기 CBL을 덮고, 상기 반도체층을 덮도록 연장된 ZnO층; 및 상기 ZnO층 상부에 형성되며 상기 반도체층을 덮는 상기 ZnO층과 직접 접촉하도록 상기 CBL을 충분히 덮는 크기를 가지는 전극 패드를 포함한다.
몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층을 덮는 상기 ZnO층은 단결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL의 상면을 덮는 상기 ZnO층은 다결정 구조를 가진다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL의 측면들을 덮는 상기 ZnO층은 서로 다른 결정 구조들 사이의 경계를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 반도체층은 상기 ZnO층의 격자 계수와 유사한 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 SiO2를 포함하는 절연 재료를 포함한다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 CBL은 상기 ZnO의 격자 계수와 다른 격자 계수를 가지는 재료를 포함한다.
본 명세서가 많은 세부 사항들을 포함하지만, 이들은 임의의 발명 또는 청구 범위에 대해 제한으로 해석되지 않으며, 특정 발명의 특정 실시예에 구체적일 수 있는 특징부의 설명으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 분리된 실시예들의 내용에서 설명된 특정 특징부들은 단일의 실시예에 조합되어 구현될 수도 있다. 역으로, 단일의 실시예의 내용에서 설명된 다양한 특징부들은 또한 다중 실시예들에서 분리되거나 또는 임의의 적합한 서브 조합으로 구현될 수도 있다. 더욱이, 특징부들이 위에서 특정 조합으로 작용하는 것으로 설명되고 그와 같이 최초에 청구되었더라도, 청구된 조합의 하나 이상의 특징부들은 몇몇 경우에 있어서 상기 조합으로부터 제외될 수 있으며, 청구된 조합은 서브 조합 또는 서브 조합의 변형으로 인도될 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판;
    제1 도전형을 가지며 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상부에 형성되고, 전기적 여기하에서 광을 방출하도록 작동 가능한 활성 발광 구조체;
    제2 도전형을 가지며 상기 활성 발광 구조체 상부에 형성된 제2 반도체층; 및
    상기 제2 반도체층 상부에 형성되고, 상기 제2 반도체층 상부의 하부 단결정 ZnO 부분 및 상기 하부 단결정 ZnO 부분으로부터 연장하는 상부 단결정 ZnO 부분을 포함하는 결정 ZnO 구조체를 포함하고,
    상기 하부 단결정 ZnO 부분은 보이드 없이 연속적인 단결정 ZnO 부분인 발광 다이오드(LED) 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 결정 ZnO 부분 및 하부 결정 ZnO 부분은 연속적인 결정 ZnO를 형성하는 발광 다이오드 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 결정 ZnO 부분은 상기 LED 소자의 성능을 향상시키기 위한 보이드들을 포함하는 발광 다이오드 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 결정 ZnO 부분은 200 옹스트롬 이하의 두께를 가지는 발광 다이오드 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 결정 ZnO 부분은 시트르산염이 없는 발광 다이오드 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 결정 ZnO 부분은 1㎛ 미만의 두께를 가지는 발광 다이오드 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 결정 ZnO 부분은 8000 옹스트롬 이하의 두께를 가지는 발광 다이오드 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층은 GaN을 포함하는 발광 다이오드 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단결정 ZnO 구조체 및 상기 제2 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 더 포함하는 발광 다이오드 소자.
  10. 기판;
    제2 도전형을 가지며 상기 기판 상부에 형성된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상부에 형성된 활성층;
    제2 도전형을 가지며 상기 활성층 상부에 형성된 제2 반도체층;
    상기 제2 반도체층 상부에 형성된 ZnO 씨드층; 및
    상기 ZnO 씨드층 상부에 형성된 ZnO 벌크층을 포함하고,
    상기 ZnO 씨드층 및 상기 ZnO 벌크층은 단결정 구조체를 형성하는 발광 다이오드(LED) 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 ZnO 벌크층은 보이드들을 포함하는 발광 다이오드 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 보이드들은 추출 효율에 영향을 주고 상기 LED 소자의 광학적 성질을 향상시키도록 작동하는 에어 갭들을 제공하는 발광 다이오드 소자.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 ZnO 씨드층 및 ZnO 벌크층은 상기 ZnO 씨드층과 상기 ZnO 벌크층 사이에 경계를 보이지 않는 발광 다이오드 소자.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 LED 소자는 보이드 없는 ZnO 벌크층에 비해 개선된 광 추출 효율을 보이는 발광 다이오드 소자.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 GaN을 포함하는 발광 다이오드 소자.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 ZnO 씨드층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 더 포함하는 발광 다이오드 소자.
  17. 기판;
    상기 기판 상부에 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 상부에 형성되고 단결정 ZnO 부분 및 다결정 ZnO 부분을 포함하는 ZnO층;
    상기 ZnO층 상부에 형성되고 상기 단결정 ZnO 부분과 직접 접촉하는 전극 패드; 및
    상기 다결정 ZnO 부분과 상기 반도체층 사이에 형성된 전류 블록층(CBL)을 포함하는 발광 다이오드(LED) 소자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 단결정 ZnO 부분은 상기 반도체층 상부에 직접 위치하는 발광 다이오드 소자.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 단결정 ZnO 부분 및 상기 다결정 ZnO 부분은 전류가 분산하는 것을 방해하는 경계를 형성하는 발광 다이오드 소자.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 ZnO층은 ZnO 씨드층 및 상기 ZnO 씨드층 상에 형성된 ZnO 벌크층을 포함하는 발광 다이오드 소자.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020022684A1 (ko) * 2018-07-24 2020-01-30 서울바이오시스주식회사 아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108028297A (zh) * 2015-09-15 2018-05-11 加利福尼亚大学董事会 氧化锌在氮化镓上的多步沉积
US10741724B2 (en) * 2015-10-02 2020-08-11 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode devices with zinc oxide layer
US11099393B2 (en) * 2019-11-22 2021-08-24 Facebook Technologies, Llc Surface emitting light source with lateral variant refractive index profile
CN211125682U (zh) * 2019-12-23 2020-07-28 厦门三安光电有限公司 一种正装发光二极管芯片
CN111463331A (zh) * 2020-04-08 2020-07-28 南昌凯迅光电有限公司 一种具有复合ito结构的led芯片及其制备方法
US11749964B2 (en) 2020-06-24 2023-09-05 Meta Platforms Technologies, Llc Monolithic light source with integrated optics based on nonlinear frequency conversion

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU6915696A (en) 1995-09-07 1997-03-27 Penn State Research Foundation, The High production rate of nano particles by laser liquid interaction
US6057662A (en) 1998-02-25 2000-05-02 Applied Materials, Inc. Single motor control for substrate handler in processing system
US6078064A (en) 1998-05-04 2000-06-20 Epistar Co. Indium gallium nitride light emitting diode
US6409907B1 (en) 1999-02-11 2002-06-25 Lucent Technologies Inc. Electrochemical process for fabricating article exhibiting substantial three-dimensional order and resultant article
JP2001351874A (ja) 2000-06-09 2001-12-21 Ebara Corp 基板回転装置
EP1616981A4 (en) 2003-04-03 2009-06-03 Tokyo Denpa Kk MONOCRYSTAL ZINC OXIDE
US20050173724A1 (en) 2004-02-11 2005-08-11 Heng Liu Group III-nitride based LED having a transparent current spreading layer
WO2006126407A1 (ja) 2005-05-27 2006-11-30 Gifu University 発光デバイス及びこの発光デバイスを用いたエレクトロルミネッセンス
US8729580B2 (en) 2005-12-06 2014-05-20 Toshiba Techno Center, Inc. Light emitter with metal-oxide coating
JP4939844B2 (ja) * 2006-06-08 2012-05-30 ローム株式会社 ＺｎＯ系半導体素子
US7700161B2 (en) 2007-05-30 2010-04-20 Sisom Thin Films Llc Film growth system and method
JP2008297168A (ja) 2007-05-31 2008-12-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology ＺｎＯウィスカー膜及びその作製方法
JP5099324B2 (ja) 2007-08-21 2012-12-19 独立行政法人産業技術総合研究所 多孔質ＺｎＯ粒子結合自立膜及びその作製方法
KR20090037574A (ko) * 2007-10-12 2009-04-16 삼성전자주식회사 산화아연 나노구조체의 제조방법 및 그로부터 제조된산화아연 나노구조체
FR2929959B1 (fr) * 2008-04-10 2010-08-27 Commissariat Energie Atomique Procede de preparation de polycristaux et de monocristaux d'oxyde de zinc (zno) sur un germe par sublimation activee chimiquement a haute temperature
US8183575B2 (en) 2009-01-26 2012-05-22 Bridgelux, Inc. Method and apparatus for providing a patterned electrically conductive and optically transparent or semi-transparent layer over a lighting semiconductor device
US8668774B2 (en) 2009-04-15 2014-03-11 The Regents Of The University Of California Low temperature continuous circulation reactor for the aqueous synthesis of ZnO films, nanostructures, and bulk single crystals
CN102362335B (zh) * 2009-04-15 2016-02-17 加利福尼亚大学董事会 用于ZnO膜、纳米结构和体单晶的水性合成的低温连续循环反应器
JP2010280826A (ja) 2009-06-04 2010-12-16 Mitsubishi Gas Chemical Co Inc 積層型ＺｎＯ系単結晶シンチレータおよびその製造方法
CN102598271A (zh) * 2009-11-03 2012-07-18 加利福尼亚大学董事会 利用位于一个或一个以上表面上的氧化锌纳米棒阵列的发光二极管结构和产生所述氧化锌纳米棒阵列的低成本方法
EP2361887A1 (en) 2010-02-25 2011-08-31 Corning Incorporated A process for manufacturing a doped or non-doped zno material and said material
JP5762167B2 (ja) 2010-08-25 2015-08-12 キヤノン株式会社 マイクロ波反応装置およびこの装置を用いた高分子化合物の製造方法
KR101769047B1 (ko) * 2010-12-20 2017-08-17 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법
KR101030823B1 (ko) * 2011-01-19 2011-04-22 주식회사 퀀텀디바이스 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법
CN102774875A (zh) 2012-07-30 2012-11-14 西安理工大学 一种微-纳米孔隙微结构的八面体氧化锌晶体制备方法
JP2014045108A (ja) * 2012-08-28 2014-03-13 Toyoda Gosei Co Ltd 半導体発光素子
CN102950016B (zh) 2012-10-29 2014-04-09 华东理工大学 一种ZnO/g-C3N4复合光催化剂的制备方法
US8796693B2 (en) * 2012-12-26 2014-08-05 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Successive ionic layer adsorption and reaction process for depositing epitaxial ZnO on III-nitride-based light emitting diode and light emitting diode including epitaxial ZnO
FI125222B (en) 2013-03-22 2015-07-15 Beneq Oy Apparatus for processing two or more substrates in a batch process
CN103730556B (zh) * 2013-12-31 2017-02-08 安徽三安光电有限公司 发光二极管芯片及其制作方法
CN103922390B (zh) 2014-04-28 2015-09-30 武汉理工大学 一种用于光催化的多孔氧化锌单晶纳米片的制备方法
CN103943366B (zh) 2014-05-12 2016-09-14 天津师范大学 一种新型结构的染料敏化太阳能电池及其制备方法
US20160024688A1 (en) * 2014-07-25 2016-01-28 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Fabrication and/or application of zinc oxide crystals with internal (intra-crystalline) porosity
US9702054B2 (en) 2014-11-10 2017-07-11 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Solution deposition method for forming metal oxide or metal hydroxide layer
CN111416025A (zh) * 2015-09-03 2020-07-14 首尔伟傲世有限公司 发光元件和发光元件的制造方法
US10727374B2 (en) 2015-09-04 2020-07-28 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Transparent conductive structure and formation thereof
US10741724B2 (en) * 2015-10-02 2020-08-11 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode devices with zinc oxide layer
US10981800B2 (en) 2016-04-14 2021-04-20 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Chamber enclosure and/or wafer holder for synthesis of zinc oxide
US10407315B2 (en) 2016-04-14 2019-09-10 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Method and/or system for synthesis of zinc oxide (ZnO)
US10981801B2 (en) 2016-04-14 2021-04-20 Seoul Semiconductor Co., Ltd. Fluid handling system for synthesis of zinc oxide

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020022684A1 (ko) * 2018-07-24 2020-01-30 서울바이오시스주식회사 아연 산화물층을 구비하는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
CN110783437A (zh) * 2018-07-24 2020-02-11 首尔伟傲世有限公司 具备氧化锌层的发光二极管及其制造方法
US11063185B2 (en) 2018-07-24 2021-07-13 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode with zinc oxide layer and method of fabricating the same

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