KR20050081207A - Growth of single nitride-based semiconductors using tunnel junction barrier layer and manufacturing of high-qaulity nmitride-based light emitting devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성 기판 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 수직형 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서 : 기본적으로 전도성 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 비롯한 유기 잔해물이 제거된 기판 준비, 터널 정션 배리어층(Tunnel Junction Barrier Layer)으로서 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 얇은 배리어층 증착, 질화물계 버퍼층 (Nitride-based Buffer Layer)을 포함된 단결정 질화물계 반도체가 순차적으로 적층되어 있고, 이 터널 정션 배리어층인 얇은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체로 한 배리어층은 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)으로 구성된 투명한 박막층으로 적층되어 있고, 이 터널 정션 배리어층인 얇은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체로 하는 배리어층은 기판과 단결정 질화물과의 터널링 효과(Tunneling Effects)를 통한 통전현상을 유발하기 위해서 5 나노미터(5 nm) 이하의 두께를 지녀야 한다. 상기한 얇은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물의 터널 정션 배리어층을 사용한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 투명 전도성 아연산화물(ZnO) 기판위에 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스로 사용되는 산화물에 대한 환원 분위기에서도 고품위 단결정 질화물계 반도체를 증착할 수 있을 뿐만이 아니라, 이를 이용해서 비교적 용이한 대용량, 대면적, 및 고휘도의 고품위 질화물계 발광소자 제작이 가능하다.The present invention relates to the growth of a single crystal nitride-based semiconductor material on a conductive substrate and a method of manufacturing a vertical nitride-based light emitting device using the same: a substrate preparation, tunnel, in which the organic debris including the natural oxide layer existing on the conductive substrate is removed. As a junction barrier layer, a single crystal nitride semiconductor including a thin barrier layer deposition based on thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz), and a nitride-based buffer layer is used. Laminated sequentially, the barrier layer based on thin aluminum oxide or aluminum nitrogen oxide, which is the tunnel junction barrier layer, is laminated in a transparent thin film layer composed of a single layer or a bi-layer. Thin aluminum oxide or aluminum nitrogen oxide The parent barrier layer should have a thickness of less than 5 nanometers (5 nm) to induce energization through the tunneling effect between the substrate and single crystal nitride. According to the nitride-based light emitting device using the tunnel junction barrier layer of the thin aluminum oxide or aluminum nitrogen oxide, and a method of manufacturing the same, a high temperature of 1200 degrees or more and ammonia (NH3) and hydrogen (H2) carriers on a transparent conductive zinc oxide (ZnO) substrate In addition to depositing a high quality single crystal nitride semiconductor in a reducing atmosphere with respect to the oxide used as a gas, it is possible to manufacture a high quality nitride based light emitting device having a relatively large capacity, a large area and a high brightness using it.
Description
본 발명은 전도성 기판 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판을 비롯한 전도성 기판 상부에 터널 정션 배리어층(Tunnel Junction Barrier Layer)인 얇은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질소산화물을 모체(Matrix)로 하는 배리어층을 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장과 이를 이용한 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능(Heat Dissipation)을 갖는 고품위 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to the growth of a single crystal nitride-based semiconductor material on a conductive substrate and a method for manufacturing a high quality nitride-based light emitting device using the same. Specifically, a tunnel junction barrier layer (Tunnel) on a conductive substrate including a transparent conductive zinc oxide (ZnO) substrate. The introduction of a barrier layer using a thin aluminum oxide or aluminum nitrogen oxide, which is a junction barrier layer, as a matrix to grow high-quality single crystal nitride-based semiconductors, using light emitting efficiency, low operating voltage, and excellent heat dissipation. It relates to a high-quality nitride-based light emitting device having a and a method of manufacturing the same.
현재 청/녹색에서부터 (근)자외선 발광다이오드, 레이저 다이오드, 및 광센서 등의 광전소자에 대한 많은 연구 및 빠른 기술 진보로 인해서, 단결정 질화물계 반도체는 광관련 산업 분야에서 가장 중요한 물질들 중 하나로 여겨지고 있는 상황이다. 무엇보다도, 질화물계 반도체를 이용한 실용적인 광전소자들은 주로 절연성인 사파이어(Sapphire) 기판과 전도성인 실리콘 카바이드(SiC) 상부에 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 성장되고 있다. 하지만, 실리콘(Si) 물질에 비해서 상대적으로 절연성 사파이어 및 전도성 실리콘 카바이드 기판들은 상당히 고가(High Expensive)이기 때문에 향후 경제적인 면에서 실효성이 떨어진다. 게다가, 절연성 사파이어 기판 상부에 제작된 질화물계 광전소자들은 소자 작동 시 많은 열 발생으로 인해서 이를 원활하게 방출시켜주어야 하는데 나쁜 열전도성인 사파이어는 이러한 기능면에서 현저하게 떨어지는 결정적 단점을 지니고 있다.Nowadays, due to many researches and rapid technological advances in photovoltaic devices such as blue / green to (near) ultraviolet light emitting diodes, laser diodes, and optical sensors, single crystal nitride semiconductors are regarded as one of the most important materials in the optical industry. It is a situation. Above all, practical photovoltaic devices using nitride-based semiconductors have a high temperature of more than 1200 degrees and ammonia (NH3) and hydrogen (H2) carrier gas on top of an insulating sapphire substrate and conductive silicon carbide (SiC). It is grown in the hydrogen atmosphere used. However, insulator sapphire and conductive silicon carbide substrates are relatively expensive compared to silicon (Si) materials, and thus are less effective in the future. In addition, nitride-based optoelectronic devices fabricated on an insulating sapphire substrate should be released smoothly due to a lot of heat generated during operation of the device, and bad thermal conductivity sapphire has a significant disadvantage in terms of such function.
상기한 절연성 사파이어 및 실리콘 카바이드 기판들 이외에, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO)은 질화물계 반도체와의 작은 격자상수(Lattice Constant), 좋은 전기 및 열전도성(Electrical and Thermal Conductivities), 우수한 빛투과성(Light Transmittance), 및 저비용(Cheap Cost)으로 인해서 차세대 질화물계 발광소자의 기판으로 각광받고 있다. 하지만, 결정적으로 이러한 투명 전도성 아연산화물계는 600도 이상의 고온과 10-3 Torr 이상의 고진공에서 표면 불안정성으로 인해서 물질분해가 되며, 또한 수소(H2) 또는 암모니아(NH3)와 같은 환원 분위기(Reducing Ambient) 에서 쉽게 환원(Reduction)되어 800도 이상의 고온과 환원 분위기에서 단결정 질화물계 반도체를 성장하기가 상당히 어려운 실정이다.In addition to the above insulating sapphire and silicon carbide substrates, transparent conductive zinc oxide (ZnO) has a small lattice constant with nitride-based semiconductors, good electrical and thermal conductivities, and excellent light transmittance. ), And because of the low cost (Cheap) has been spotlighted as the substrate of the next-generation nitride-based light emitting device. However, such a transparent conductive zinc oxide system is crucially decomposed due to surface instability at high temperatures of 600 degrees Celsius and high vacuum of 10-3 Torr and also reducing atmosphere such as hydrogen (H2) or ammonia (NH3). It is very difficult to grow a single crystal nitride semiconductor in a high temperature and reducing atmosphere of more than 800 degrees by being easily reduced (Reduction) at.
또 다른 각광받고 있는 전도성 기판들로서는 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 물질계이다. 이들 또한 500도 이상의 고온에서 이들 기판 내부에 존재하고 있는 전위 슬립계의 이동(Motion of Dislocation Slip System) 으로 인해서 물질 분해 및 질화물계 반도체와의 큰 격자 상수 및 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient)로 인해서 양질의 질화물계 박막을 성장하는 것 또한 쉬운 일이 아니다.Still other popular conductive substrates are silicon (Si), silicon low manganese (SiGe), and gallium arsenide (GaAs) materials. They are also of good quality due to their large lattice constants and thermal expansion coefficients with material decomposition and nitride-based semiconductors due to the movement of dislocation slip systems present inside these substrates at high temperatures above 500 degrees. It is also not easy to grow a nitride based thin film.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안/개발된 것으로서, 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층을 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 및 이를 이용한 고품위 질화물계 광전소자 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was devised / developed to improve the above-mentioned problems, and a transparent conductive zinc oxide (Mn) as a barrier layer based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for a tunnel junction. ZnO), silicon (Si), silicon low manganese (SiGe), and gallium arsenide (GaAs) to be introduced on top of the conductive substrate to provide a high quality single crystal nitride semiconductor growth and high quality nitride based optoelectronic device manufacturing method using the same Its purpose is to.
상기 발명의 목적인 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 양질의 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 고품위 질화물계 발광소자 제조방법으로서 : 기본적으로 전도성 기판 상부에 존재하고 있는 자연산화층을 비롯한 유기 잔해물이 제거된 기판 준비, 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(즉, 터널 정션 배리어층) 증착, 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer)을 포함된 단결정 질화물계 반도체가 순차적으로 적층되어 있고, 이 터널 정션 버퍼층은 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)으로 구성된 투명한 박막층으로 적층되어 있고, 이 터널 정션 배리어층은 기판과 단결정 질화물과의 터널링 효과(Tunneling Effects)를 통한 통전현상을 유발하기 위해서 5 나노미터(5 nm)이하의 두께를 지녀야 한다.The growth of high quality single crystal nitride based semiconductor materials on conductive substrates such as transparent conductive zinc oxide (ZnO), silicon (Si), silicon low manganese (SiGe), and gallium arsenide (GaAs), which are objects of the present invention, and high quality using the same Nitride-based light emitting device manufacturing method: the substrate prepared by removing the organic debris, including the natural oxide layer existing on the conductive substrate basically, thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction as a matrix A single crystal nitride semiconductor including a barrier layer (i.e., tunnel junction barrier layer) deposition and a nitride-based buffer layer is sequentially stacked, and the tunnel junction buffer layer is a single layer or a bilayer (Bi). layered in a transparent thin film layer, and the tunnel junction barrier layer has a tunneling effect (Tun) between the substrate and single crystal nitride. It should be less than 5 nanometers (5 nm) thick to induce energization through neling effects.
본 발명에 의해 개발된 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 터널 정션 배리어층 상부에 적층된 양질의 단결정 질화물계 반도체는 고품위 질화물계 발광소자을 구현하기 위한 구조로서 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 비정질(Amorphous), 다결정(Poly-crystal), 또는 단결정(Single-crystal) 박막층으로 구성된 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer : AlxInyGazN), 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 n형 질화물계 클래드층과 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 p형 질화물계 클래드층(질화갈륨), 그리고 두 질화물계 클래드층 사이에 알루미늄-인듐-갈륨-질소(AlxInyGazN)로서 구성된 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 발광소자 구조이다. The high quality single crystal nitride semiconductor stacked on the tunnel junction barrier layer based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) developed by the present invention is a structure for realizing high quality nitride-based light emitting devices. Nitride-based Buffer Layer (AlxInyGazN), aluminum-indium-gallium, consisting of amorphous, poly-crystalline, or single-crystal thin film layers composed of indium-gallium-nitrogen (AlxInyGazN) N-type nitride cladding layer composed of nitrogen (AlxInyGazN), p-type nitride cladding layer (gallium nitride) composed of aluminum-indium-gallium-nitrogen (AlxInyGazN), and aluminum-indium-gallium between the two nitride-based cladding layers A nitride based light emitting device structure having a nitride based active layer composed of nitrogen (AlxInyGazN).
본 발명에서 가장 핵심적인 부분인 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 배리어층은 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)로 형성된다. 특히, 터널링 효과(Tunneling Effects)를 통한 전도성 기판과 단결정 질화물계 반도체간에 통전을 위해서는 반드시 5 나노미터(5 nm) 이하의 두께를 지니면서 최대한 높은 전자 농도값을 지녀야 한다.The barrier layer based on thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction, which is the most essential part of the present invention, has a high temperature of more than 1200 degrees and ammonia (NH3) and hydrogen (H2) carrier gas (gas). In the hydrogen atmosphere used as), aluminum (Al) having thermal stability and reducing resistance is formed of insulating aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) which are main components. In particular, in order to conduct electricity between the conductive substrate and the single crystal nitride semiconductor through the tunneling effect, it must have a thickness of 5 nanometers (5 nm) or less and have the highest electron concentration value.
상기한 터널 정션 배리어층(Tunnel Junction Barrier Layer)인 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La) 원소계열 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 배리어층 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 특히, 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도를 조절하기 위해서는 첨가되는 상기의 금속 산화물 또는 질소산화물들이 분사상의 나노 상 형태로 존재하는 것이 더욱 더 바람직하다.The barrier layer based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz), which is the tunnel junction barrier layer, is formed of aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlNxOy). Oxide or nitrides; Silicon (Si), germanium (Ge), indium (In), lithium (Li), gallium (Ga), magnesium (Mg), zinc (Zn), beryllium (Be), molybdenum (Mo), vanadium (V) ), Copper (Cu), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), tungsten (W), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum ( Crystallinity and Electron Concentration of Aluminum Oxide (AlxOy) or Aluminum Nitrogen Oxide (AlxOyNz), which are transparent insulation, by adding at least one component from Ta, chromium (Cr) and lanthanum (La) element series At the same time, the dislocation density present in the single crystal nitride semiconductor stacked on the barrier layer may be reduced as much as possible. In particular, in order to control the potential concentration present in the single crystal nitride semiconductor, it is even more preferable that the above-described metal oxides or nitrogen oxides are present in the form of a sprayed nano phase.
또한, 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)을 모체로 한 배리어층에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.In addition, the amount of the above-mentioned elements added to the barrier layer based on thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlNxOy) is preferably limited to having 0.1% to 49% in weight percent (w.t.%).
바람직하게는, 상기한 터널 정션 배리어층인 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 배리어층은 0.1 나노미터 내지 5 나노미터의 두께로 형성된다.Preferably, the barrier layer based on thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz), which is the tunnel junction barrier layer, is formed to a thickness of 0.1 nanometers to 5 nanometers.
바람직하게는, 상기한 터널 정션 (Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 배리어층은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응을 통한 CVD( Chemical Vapor Deposition) 이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용한다.Preferably, the barrier layer based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction described above may be chemically prepared, including metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). Chemical Vapor Deposition (CVD) or Thermal or E-beam Evaporation (Laser Deposition), Laser Deposition with High Energy Laser Beam, Oxygen (O2), Nitrogen (N2), or Argon Physical Vapor Deposition using various methods such as sputtering deposition using gas ions such as Ar) or co-sputtering deposition using two or more sputtering guns. ) Use one or more of
더욱 바람직하게는 상기한 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온(Room Temperature)에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.More preferably, the barrier layer, which is based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction, is formed at room temperature during the process of depositing on the conductive substrate by the above-described methods. Temperature) to 1200 degrees.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 방법을 이용한 n형 질화물계 클래드층과 p형 질화물계 클래드층 사이에 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a nitride-based light emitting device having a nitride-based active layer between the n-type nitride-based cladding layer and the p-type nitride-based cladding layer using the high quality single crystal nitride-based semiconductor growth method according to the present invention To
가. 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 상기한 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 배리어층을 증착하여 형성시키는 단계와;end. Thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide for the above-mentioned tunnel junctions on top of conductive substrates such as transparent conductive zinc oxide (ZnO), silicon (Si), silicon low manganese (SiGe), and gallium arsenide (GaAs) Depositing and forming a barrier layer based on (AlxOyNz);
나. 상기 가 단계를 거친 전도성 기판를 열처리하는 단계;를 포함하고 있다.I. And heat-treating the conductive substrate having undergone the temporary step.
다. 상기 가 단계만 또는 가와 나 단계 모두를 거친 전도성 기판을 MOCVD 장비에 장착하고 상기한 전도성 기판 상부에 질화물계 버퍼층(Nitride-based Buffer Layer), n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체를 형성시키는 단계와;All. Mounting the conductive substrate, which has undergone only the step (a) or the step (b) and the step (b), in a MOCVD apparatus, and includes a nitride-based buffer layer, an n-type nitride cladding layer, a nitride-based active layer, and a p-type nitride on the conductive substrate. Forming a light emitting structure in which the system clad layers are sequentially stacked;
라. 상기 다 단계를 거친 단결정 질화물계 발광소자 구조체에 양질의 반사 및 투명 전극물질 선택/증착하는 공정과 열처리 하는 공정을 포함한 고품위 질화물계 발광소자를 제작하는 것이다.la. The high-quality nitride-based light emitting device including a step of selecting and depositing a high quality reflective and transparent electrode material and a heat treatment process on the single crystal nitride-based light emitting device structure which has undergone the multi-step.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 상기한 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 배리어층 증착하기 전에 전도성 기판의 열적 안정성을 얻기 위해서 열처리를 행하는 것이 바람직하다.According to another aspect of the present invention, a thin film for the tunnel junction described above is formed on a conductive substrate such as transparent conductive zinc oxide (ZnO), silicon (Si), silicon low manganese (SiGe), and gallium arsenide (GaAs). It is preferable to perform heat treatment to obtain thermal stability of the conductive substrate before depositing a barrier layer based on aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz).
상기 열처리단계는 상온 내지 1200도 이하의 온도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment step is preferably performed for 10 seconds to 3 hours at a temperature of room temperature to 1200 degrees or less.
또한, 상기 열처리 단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.In addition, the heat treatment step is performed in a gas atmosphere containing at least one of nitrogen, argon, helium, oxygen, hydrogen, air, vacuum in the reactor in which the electrode structure is built.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 배리어층을 투명 전도성 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 실리콘 저매니움(SiGe), 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 전도성 기판 상부에 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장 및 이를 이용한 바람직한 고품위 질화물계 광전소자 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, referring to the accompanying drawings, a barrier layer based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz) for the tunnel junction of the present invention may be a transparent conductive zinc oxide (ZnO), silicon (Si), or silicon low. It will be described in more detail the high-quality monocrystalline nitride-based semiconductor growth and the method of manufacturing a high-quality nitride-based photoelectric device using the same by introducing on the conductive substrates such as Manium (SiGe) and gallium arsenide (GaAs).
도 1은 기존의 절연성 기판인 사파이어 (Sapphire) 상부에 제작된 메사형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a mesa nitride-based light emitting device manufactured on a sapphire that is a conventional insulating substrate.
도면을 참조하면, 단결정 질화물계 발광소자는 기판(110), 질화물계 버퍼층(120), n형 질화물계 클래드층(130), 질화물계 활성층(140), p형 질화물계 클래드층(150), 다기능성 오믹컨택트층(160)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 170은 두꺼운 p형 전극패드이고, 180은 두꺼운 n형 전극패드이다.Referring to the drawings, the single crystal nitride based light emitting device includes a substrate 110, a nitride buffer layer 120, an n-type nitride cladding layer 130, a nitride-based active layer 140, a p-type nitride cladding layer 150, The multifunctional ohmic contact layer 160 is sequentially stacked. Reference numeral 170 denotes a thick p-type electrode pad, and 180 denotes a thick n-type electrode pad.
다기능성 오믹컨택트층(160)은 질화물계 활성층(140)에서 생성된 빛을 다기능성 오믹컨택트층(160)을 통해서 외부로 방출시키느냐(상부 발광소자: Top-emitting Device) 또는 이와는 반대로 정반대인 투명한 사파이어 기판을 통해서 방출하느냐(플립칩 발광소자: Flip-chip Device)에 따라서 우수한 빛 투과성 또는 반사성을 갖는 물질을 반드시 선택해야 한다.The multifunctional ohmic contact layer 160 emits light generated from the nitride-based active layer 140 to the outside through the multifunctional ohmic contact layer 160 (top-emitting device) or vice versa transparent. Depending on whether it emits through a sapphire substrate (Flip-chip Device), a material having excellent light transmittance or reflectivity must be selected.
여기서 기판(110)으로부터 p형 질화물계 클래드층(150)까지가 발광 구조체에 해당하고, p형 클래드층(150) 상부에 적층된 다기능성 오믹컨택트층(160)이 p형 전극 구조체에 해당한다. The substrate 110 to the p-type nitride cladding layer 150 correspond to the light emitting structure, and the multi-functional ohmic contact layer 160 stacked on the p-type cladding layer 150 corresponds to the p-type electrode structure. .
기판(110)은 절연성 사파이어(Al2O3) 물 이러한 사파이어 기판 물질은 질화물계 반도체와 결정구조가 같은 HCP(Hexagonal Closed Packings) 결정구조를 갖고 있지만, 결정적으로 질화물계 반도체와의 큰 격자상수 및 열팽창계수로 인해서 단결정 질화물계 반도체를 성장하는 과정에서 많은 결함들(Defects)을 생성하게 하고 있다. 게다가, 기판인 단결정 사파이어 물질은 전기적으로 절연체이며 동시에 열 전도성이 좋지가 않아 질화물계 발광소자 구동 시에 발생된 많을 열을 외부로 쉽게 방출하지 못하는 문제점을 지니고 있다.Substrate 110 is an insulating sapphire (Al2O3) water Although such a sapphire substrate material has a HCP (Hexagonal Closed Packings) crystal structure that is the same crystal structure as the nitride semiconductor, but the crystal lattice large coefficient and thermal expansion coefficient of the nitride semiconductor As a result, many defects are generated in the process of growing a single crystal nitride semiconductor. In addition, the single crystal sapphire material, which is a substrate, is an electrical insulator and at the same time has a poor thermal conductivity, so that a large amount of heat generated when the nitride-based light emitting device is driven cannot be easily released to the outside.
기판인 사파이어와 질화물계 반도체간에 존재하는 큰 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해서 발생되는 전위들(Dislocations)을 억제하기 위해서 530도 정도의 낮은 온도에서 우선적으로 질화갈륨(GaN) 또는 질화 알루미늄(AlN) 성장한 질화물계 버퍼층(120)을 도입하고 있다.In order to suppress dislocations caused by the large lattice constant and thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate and the nitride semiconductor, the gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN) is preferentially at a temperature as low as 530 degrees. The grown nitride buffer layer 120 is introduced.
일반적으로 질화물계 버퍼층(120)으로부터 p형 질화물계 클래드층(150)까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 질화물계 클래드층(130) 및 p형 질화물계 클래드층(150)은 해당 도펀트가 첨가된다.In general, each layer from the nitride buffer layer 120 to the p-type nitride cladding layer 150 is a compound selected from compounds represented by AlxInyGazN (x, y, z: integer), which is a general formula of a group III nitride compound. It is formed on the basis of the n-type nitride-based cladding layer 130 and the p-type nitride-based cladding layer 150, the dopant is added.
또한, 질화물계 활성층(140)은 단층(Single) 또는 Mult Quatum Well (MQW) 층은 공지된 다양한 방식, 즉 AlxInyGazN/AlxInyGazN(x, y, z : 정수)등으로 구성된 이중층으로 구성될 수 있다.In addition, the nitride-based active layer 140 may be composed of a bilayer composed of a single layer or a Mult Quatum Well (MQW) layer in various known manners, that is, AlxInyGazN / AlxInyGazN (x, y, z: integer).
일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 질화물계 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층 (140)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 질화물계 클래드층(150)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.For example, when a gallium nitride (GaN) -based compound is applied, the nitride buffer layer 120 is formed of GaN, and the n-type nitride cladding layer 130 is formed of Si, Ge, Se, Te as an n-type dopant in GaN. The nitride-based active layer 140 is formed of InGaN / GaN MQW or AlGaN / GaN MQW, and the p-type nitride cladding layer 150 is formed of Mg, Zn, Ca, Sr as a p-type dopant in GaN. , Ba, etc. are added and formed.
n형 질화물계 클래드층(130)과 n형 전극패드(180) 사이에는 n형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, n형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 두꺼운 다양한 구조가 적용될 수 있다.An n-type ohmic contact layer (not shown) may be interposed between the n-type nitride cladding layer 130 and the n-type electrode pad 180, and the n-type ohmic contact layer may include titanium (Ti) and aluminum (Al). Various known thick structures, such as sequentially stacked layer structures, can be applied.
p형 전극패드(170)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.The p-type electrode pad 170 may have a layer structure in which nickel (Ni) / gold (Au) or silver (Ag) / gold (Au) is sequentially stacked.
각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.The method of forming each layer is known deposition such as electron beam evaporator, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), plasma laser deposition (PLD), dual-type thermal evaporator, sputtering, etc. What is necessary is just to form by a system.
다기능성 오믹컨택트층(160)은 p형 전극구조체로서 p형 질화물계 클래드층(150) 상부에 이미 공지된 투명 전도성 박막층 또는 두꺼운 반사성 박막층으로 형성되어 있다.The multifunctional ohmic contact layer 160 is a p-type electrode structure and is formed of a transparent conductive thin film layer or a thick reflective thin film layer already known on the p-type nitride cladding layer 150.
도 2는 기존의 전도성 기판인 실리콘 카바이드 (SiC) 등 상부에 제작된 수직형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing a vertical nitride-based light emitting device manufactured on top of a conventional conductive substrate, such as silicon carbide (SiC).
도면을 참조하면, 단결정 질화물계 발광소자는 전도성 기판(210), 질화물계 버퍼층(220), 질화물계 n형 클래드층(230), 질화물계 활성층(240), p형 질화물계 클래드층(250), 다기능성 오믹컨택트층(260)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 270은 p형 전극패드이고, 280은 n형 전극패드이다.Referring to the drawings, the single crystal nitride-based light emitting device is a conductive substrate 210, nitride-based buffer layer 220, nitride-based n-type cladding layer 230, nitride-based active layer 240, p-type nitride-based cladding layer 250 The multifunctional ohmic contact layer 260 is sequentially stacked. Reference numeral 270 denotes a p-type electrode pad, and 280 denotes an n-type electrode pad.
상기한 다기능성 p형 오믹컨택트층(260)은 질화물계 활성층 (240)에서 생성된 빛을 다기능성 오믹컨택트층(260)을 통해서 외부로 방출시키느냐(상부 발광소자: Top-emitting Device) 또는 이와는 반대로 정반대인 투명한 사파이어 기판을 통해서 방출하느냐(플립칩 발광소자: Flip-chip Device)에 따라서 우수한 빛 투과성 또는 반사성을 갖는 물질을 반드시 선택해야 한다.The multifunctional p-type ohmic contact layer 260 emits light generated from the nitride based active layer 240 to the outside through the multifunctional ohmic contact layer 260 (Top-emitting device) or the like. On the contrary, a material having excellent light transmittance or reflectivity must be selected depending on whether it is emitted through the opposite transparent sapphire substrate (Flip-chip Device).
전도성 기판 상부에 적층된 질화물계 버퍼층(220)에서부터 모든 층에 사용된 적용기술은 상기 도 1에서 설명한 내용한 일치하거나 거의 유사한 기술이 적용된다.The application technique used for all layers from the nitride based buffer layer 220 stacked on the conductive substrate is the same as or similar to that described in FIG. 1.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300) 구조를 나타내 보인 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a barrier layer 300 based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or an aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for a tunnel junction according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참고하면, 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300)은 단층(Single Layer) 또는 이중층(Bi-layer)으로 구성되어 있다. Referring to FIG. 3, the barrier layer 300 based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or an aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for a tunnel junction is composed of a single layer or a bi-layer.
도 3(가)에서처럼, 우선적으로 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO) 등의 전도성 기판 상부에서 직접적으로 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 터널 정션 배리어층(300)으로 형성된다.As shown in FIG. 3 (a), a hydrogen atmosphere used as a high temperature of more than 1200 degrees and directly as ammonia (NH3) and hydrogen (H2) carrier gases directly on top of a conductive substrate such as zinc oxide (ZnO), which is a transparent conductive oxide, is preferred. Insulating aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz), which is mainly composed of aluminum (Al) having thermal stability and reducing resistance, is formed as the tunnel junction barrier layer 300.
특히, 터널링 효과(Tunneling Effects)를 통한 전도성 기판과 단결정 질화물계 반도체간에 통전을 위해서는 반드시 5 나노미터(5 nm) 이하의 두께를 지니면서 최대한 높은 전자 농도값을 지녀야 한다.In particular, in order to conduct electricity between the conductive substrate and the single crystal nitride semiconductor through the tunneling effect, it must have a thickness of 5 nanometers (5 nm) or less and have the highest electron concentration value.
상기한 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)을 모체로 하는 배리어층(300)은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlNxOy)에 다음과 같은 금속들로 구성된 산화물 또는 질화물들; 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 란탄(La) 원소계열 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 첨가하여 투명 절연성인 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)의 결정성(Crystallinity) 및 전자농도(Electron Concentration)를 조절하는 동시에 이들 배리어층(300) 상부에 적층된 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도(Dislocation Density)를 최대한 줄일 수 있을 것이다. 특히, 단결정 질화물계 반도체내에 존재하는 전위농도를 조절하기 위해서는 첨가되는 상기의 또 다른 금속 산화물 또는 질소산화물들이 분사상의 나노 상(Nano-phase) 형태로 존재하는 것이 더욱 더 바람직하다.The barrier layer 300 based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlNxOy) for the tunnel junction is formed of the following metals on the aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlNxOy). Oxide or nitrides; Silicon (Si), germanium (Ge), indium (In), lithium (Li), gallium (Ga), magnesium (Mg), zinc (Zn), beryllium (Be), molybdenum (Mo), vanadium (V) ), Copper (Cu), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), tungsten (W), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum ( Crystallinity and electron concentration of aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) which are transparent insulation by adding at least one component from Ta, chromium (Cr) and lanthanum (La) element series At the same time, the dislocation density present in the single crystal nitride semiconductor stacked on the barrier layer 300 may be reduced as much as possible. In particular, in order to control the potential concentration present in the single crystal nitride semiconductor, it is even more preferable that the above-described additional metal oxides or nitrogen oxides are present in the nano-phase form of the spray phase.
또한 상기한 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물 (AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300)에 첨가되는 상기한 원소들의 양은 웨이트 퍼센트(w.t. %)로 0.1 % 내지 49 %를 갖는 것으로 한정하는 것이 바람직하다.In addition, the amount of the above-mentioned elements added to the barrier layer 300 based on thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction is 0.1% to 49% in weight percent (wt%). It is preferable to limit to what has.
바람직하게는, 상기한 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 한 배리어층(300)은 0.1 나노미터 내지 5 나노미터(5 nm)의 두께로 형성된다.Preferably, the barrier layer 300 based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction described above has a thickness of 0.1 nanometers to 5 nanometers (5 nm). Is formed.
바람직하게는, 상기한 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물 (AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 한 배리어층(300)은 금속 유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)을 비롯한 화학적 반응을 통한 CVD( Chemical Vapor Deposition) 이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용한 증착법(Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법(Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용한다.Preferably, the barrier layer 300 based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz) for the tunnel junction described above may be formed of a metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Chemical Vapor Deposition (CVD) or Thermal or E-beam Evaporation (Laser Deposition), Laser Deposition (Laser Deposition), Oxygen (O2), Nitrogen (N2), Or physical deposition methods of various methods such as sputtering deposition using gas ions such as argon (Ar) or co-sputtering deposition using two or more sputtering guns (Co-sputtering Deposition) Physical Vapor Deposition) is used.
더욱 바람직하게는 상기한 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물 (AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300)은 전도성 기판 상부에 상기한 여러 방법으로 증착하는 공정 중에 상온에서 1200도 사이의 온도 범위 내에서 행하는 것이 좋다.More preferably, the barrier layer 300, which is based on the thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for the tunnel junction, is deposited on the conductive substrate by the above-described methods. It is good to perform in the temperature range between normal temperature and 1200 degreeC.
또한, 도 3(나)에서처럼, 투명 전도성 기판인 아연산화물(ZnO) 상부에 단결정 질화물계 반도체 성장 시 고온 고압 및 환원 분위기에서 기판보호(Protection)와 단결정 질화물계 반도체의 결정성(Crystallinity)을 향상시키기 위해서 단층이 아닌 이중층으로 적층하는 것도 바람직하다.In addition, as shown in FIG. 3 (b), when the single crystal nitride semiconductor is grown on the zinc oxide (ZnO), which is a transparent conductive substrate, the protection of the substrate and the crystallinity of the single crystal nitride semiconductor are improved in a high temperature, high pressure, and reducing atmosphere. In order to make it, it is also preferable to laminate | stack in a double layer instead of a single layer.
바람직하게는, 적어도 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물 (AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300)을 적어도 한층을 구성하는 것이 좋다.Preferably, at least one barrier layer 300 based on at least thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) may be formed.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)을 모체로 하는 배리어(300)층이 적용된 상부 발광 수직형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다. 4 is a top-emitting vertical nitride-based light emitting device to which a barrier 300 layer based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz) for a tunnel junction according to an embodiment of the present invention is applied. It is sectional drawing which showed.
한 실시예로 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO) 등의 전도성 기판 상부에서 직접적으로 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄(Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)이 적어도 한층을 갖은 단층 또는 이중층으로 구성된 터널 정션 배리어층층(300)을 적용한 다음, 상기한 터널 정션 배리어층(300) 상부에 질화물계 버퍼층(420)과 질화물계 n형 클래드층(430), 질화물계 활성층(440), p형 질화물계 클래드층(450), 다기능성 오믹컨택트층(460)이 순차적으로 적층되어 있고, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판 하부에 빛의 반사성의 우수한 금속 반사막인 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 및 은(Ag)을 기본으로 하는 n형 오믹전극(480)과 n형 전극패드(490)을 갖추고 있어 질화물계 활성층(440)에서 생성된 빛을 투명한 다기능성 오믹컨택트층(460)을 통해서 방출하는 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자이다.In one embodiment, thermal stability and resistance in a hydrogen atmosphere used as ammonia (NH 3) and hydrogen (H 2) carrier gas directly at a high temperature of more than 1200 degrees directly on top of a conductive substrate such as zinc oxide (ZnO), a transparent conductive oxide. After applying a tunnel junction barrier layer 300 composed of a single layer or a double layer of at least one layer of insulating aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz) having a reducing aluminum (Al), and then the tunnel junction barrier layer described above The nitride buffer layer 420, the nitride n-type cladding layer 430, the nitride active layer 440, the p-type nitride cladding layer 450, and the multifunctional ohmic contact layer 460 are sequentially formed on the upper portion of the 300. The stacked n-type ohmic electrodes 480 and n based on aluminum (Al), rhodium (Rh), and silver (Ag), which are excellent metal reflecting films having excellent light reflectivity, are stacked below the transparent conductive zinc oxide (ZnO) substrate. brother Incorporates the electrode pad 490, a vertical top emission light emitting device for emitting through the nitride-based active layer 440, a light multi-functional transparent ohmic contact layer 460 is generated by the.
더욱 바람직하게는, 다기능성 오믹컨택트층(460)은 빛 투과성이 우수하며 이미 공지된 p형 오믹 전극물질로서, 산화된 니켈-금(Ni-Au), ITO, ZnO, TiN, 및 SnO2 등으로 구성되는 것이 고투명 전도성 산화물 또는 질화물(Transparent Conducting Oxides or Nitrides)이 바람직하다. 고투명 p형 오믹 전극물질 구조로는 상기한 물질들을 한정하는 것이 아니다.More preferably, the multifunctional ohmic contact layer 460 is a well-known p-type ohmic electrode material having excellent light transmittance, and may be formed of oxidized nickel-gold (Ni-Au), ITO, ZnO, TiN, SnO2, or the like. Preference is given to highly transparent conducting oxides or nitrides. The highly transparent p-type ohmic electrode material structure does not limit the above materials.
바람직하게는, n형 오믹 전극물질(480)은 빛 반사성이 우수한 금속인, 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 및 은(Ag) 중에서 적어도 한 성분을 포함하고 있으며, 또한 얇은 알루미늄 질화물/갈륨 질화(AlN/GaN)로 구성된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조도 상기한 금속 반사막과 결합되어 진다.Preferably, the n-type ohmic electrode material 480 includes at least one component of aluminum (Al), rhodium (Rh), and silver (Ag), which is a metal having excellent light reflectivity, and is also a thin aluminum nitride / gallium. A Distributed Bragg Reflector (DBR) structure composed of nitrides (AlN / GaN) is also combined with the metal reflecting film.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션(Tunnel Junction)을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 모체로 하는 배리어층(300)이 적용된 수직형 플립칩 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.FIG. 5 is a vertical flip chip nitride based light emitting device to which a barrier layer 300 based on a thin aluminum oxide (AlxOy) or an aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) for a tunnel junction according to an embodiment of the present invention is applied. It is sectional drawing which showed.
한 실시예로 투명 전도성 산화물인 아연산화물(ZnO) 등의 전도성 기판 상부에서 직접적으로 1200도 이상의 고온과 암모니아(NH3) 및 수소(H2) 캐리어 개스(gas)로 사용되는 수소 분위기에서 열적 안정성 및 내 환원성을 갖는 알루미늄 (Al)이 주성분인 절연성 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxOyNz)이 적어도 한층을 갖은 단층 또는 이중층으로 구성된 터널 정션 버퍼층(300)을 적용한 다음, 상기한 터널 정션 배리어층(300) 상부에 질화물계 버퍼층(520)과 질화물계 n형 클래드층(530), 질화물계 활성층(540), p형 질화물계 클래드층(550), 다기능성 오믹컨택트층(560)이 순차적으로 적층되어 있고, 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판 하부에 n형 전극패드(580)를 갖추고 있고 질화물계 활성층(540)에서 생성된 빛을 투명 전도성 기판인 아연산화물(510)을 통해서 빛을 방출시키는 수직형 플립칩 질화물계 발광소자이다.In one embodiment, thermal stability and resistance in a hydrogen atmosphere used as ammonia (NH 3) and hydrogen (H 2) carrier gas directly at a high temperature of more than 1200 degrees directly on top of a conductive substrate such as zinc oxide (ZnO), a transparent conductive oxide. After applying a tunnel junction buffer layer 300 composed of a single layer or a double layer of at least one layer of insulating aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxOyNz) having a reducing aluminum (Al), and then the tunnel junction barrier layer ( 300, the nitride buffer layer 520, the nitride n-type cladding layer 530, the nitride active layer 540, the p-type nitride cladding layer 550, and the multifunctional ohmic contact layer 560 are sequentially stacked. And an n-type electrode pad 580 under the transparent conductive zinc oxide (ZnO) substrate, and light generated from the nitride-based active layer 540 is transferred through the zinc oxide 510 which is a transparent conductive substrate. A light-emitting device vertically flip-chip nitride-based to emit light.
바람직하게는, 다기능성 오믹컨택트층(560)은 빛 반사성이 우수하며 이미 공지된 p형 오믹 전극물질로서 금속반사막인 은(Ag), 로듐(Rh), 또는 알루미늄(Al)을 우선적으로 선택한다.Preferably, the multifunctional ohmic contact layer 560 has excellent light reflectivity and preferentially selects silver (Ag), rhodium (Rh), or aluminum (Al), which are metal reflective films, as a known p-type ohmic electrode material. .
더욱 바람직하게는 산화된 니켈-금(Ni-Au), ITO, ZnO, TiN 및 SnO2 등으로 구성되는 투명 전도성 산화물 또는 질화물(Transparent Conducting Oxides or Nitrides)과 결합하는 것이 바람직하다. More preferably, it is combined with transparent conducting oxides or nitrides composed of oxidized nickel-gold (Ni-Au), ITO, ZnO, TiN, SnO 2, or the like.
또 다른 고반사성 p형 오믹 전극물질 구조(560)로는 얇은 알루미늄 질화물/갈륨 질화물(AlN/GaN)로 구성된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조도 상기한 금속 반사막과 결합되어 진다. 고반사성 p형 오믹 전극물질 구조(560)로는 상기한 물질들을 한정하는 것이 아니다.In another highly reflective p-type ohmic electrode material structure 560, a distributed bragg reflector (DBR) structure composed of thin aluminum nitride / gallium nitride (AlN / GaN) is also combined with the metal reflective film. The highly reflective p-type ohmic electrode material structure 560 is not limited to the above materials.
바람직하게는, n형 전극패드(580) 물질은 n형 아연산화물(ZnO)과 오믹접촉을 형성하는 타이타늄-알루미늄(Ti-Al)을 우선적으로 선택한다.Preferably, the n-type electrode pad 580 material preferentially selects titanium-aluminum (Ti-Al) forming ohmic contact with the n-type zinc oxide (ZnO).
지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 기술은 전도성 기판 상부에 단결정 질화물계 반도체 물질성장과 이를 이용한 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 투명한 전도성 아연산화물(ZnO) 기판을 비롯한 전도성 기판 상부에 터널 정션 배리어층(Tunnel Junction Barrier Layer)으로서 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)을 도입하여 양질의 단결정 질화물계 반도체 성장과 이를 이용한 발광효율, 낮은 작동전압, 및 우수한 열 발산능을 갖는 고품위 질화물계 발광소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.As described above, the technology according to the present invention relates to the growth of a single crystal nitride-based semiconductor material on a conductive substrate and a method of manufacturing a nitride-based light emitting device using the same, and more particularly, including a transparent conductive zinc oxide (ZnO) substrate. Thin aluminum oxide (AlxOy) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) is introduced as a tunnel junction barrier layer on the substrate to grow high-quality single crystal nitride semiconductors, using light emitting efficiency, low operating voltage, and excellent heat. It is expected that a high quality nitride based light emitting device having a divergence ability can be manufactured.
도 1은 기존의 절연성 기판인 사파이어(Sapphire) 상부에 제작된 메사형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a mesa nitride-based light emitting device manufactured on the sapphire (Sapphire) is a conventional insulating substrate,
도 2은 기존의 전도성 기판인 실리콘 카바이드(SiC) 상부에 제작된 수직형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing a vertical nitride-based light emitting device manufactured on a silicon carbide (SiC) that is a conventional conductive substrate,
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y, z : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 배리어층 구조를 나타내 보인 단면도이고,3 is a matrix of thin aluminum oxide (AlxOy) (x, y, z: integer) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) (x, y, z: integer) for the tunnel junction according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which showed the barrier layer structure made into,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy) (x, y, z : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 배리어층이 적용된 수직형 상부 발광 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,4 is a matrix of thin aluminum oxide (AlxOy) (x, y, z: integer) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) (x, y, z: integer) for tunnel junction according to an embodiment of the present invention. A cross-sectional view showing a vertical top emission nitride light emitting device to which a barrier layer is applied.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터널 정션을 위한 얇은 알루미늄 산화물(AlxOy)(x, y, z : 정수) 또는 알루미늄 질소산화물(AlxNyOz)(x, y, z : 정수)을 모체(Matrix)로 하는 배리어층이 적용된 수직형 플립칩 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.5 is a matrix of thin aluminum oxide (AlxOy) (x, y, z: integer) or aluminum nitrogen oxide (AlxNyOz) (x, y, z: integer) for the tunnel junction according to the embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the vertical flip chip nitride type light emitting element to which the barrier layer was applied.
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