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KR100858923B1 - Single-crystalline Substrate for manufacturing GaN based epilayer, the Method of manufacturing the epilayer, LED and LD comprising the GaN based epilayer - Google Patents

Single-crystalline Substrate for manufacturing GaN based epilayer, the Method of manufacturing the epilayer, LED and LD comprising the GaN based epilayer Download PDF

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KR100858923B1
KR100858923B1 KR20060096437A KR20060096437A KR100858923B1 KR 100858923 B1 KR100858923 B1 KR 100858923B1 KR 20060096437 A KR20060096437 A KR 20060096437A KR 20060096437 A KR20060096437 A KR 20060096437A KR 100858923 B1 KR100858923 B1 KR 100858923B1
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gallium nitride
thin film
nitride thin
single crystal
pattern
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변동진
최재홍
진정근
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판, 질화갈륨 박막 제조방법 및 질화갈륨박막 제조용 단결정 기판으로 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및 레이저다이오드가 제공된다. 본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨(GaAs)으로 이루어지며, 동일 평면 상에, 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부; 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 질화갈륨 박막의 성장을 종래와 다른 방식으로 빠르게 성장시킬 수 있으며, 결과적으로 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 단결정기판을 이용한 질화갈륨 박막 제조방법은 제작이 용이하고 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있으며, 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및 레이저다이오드는 광학적 특성이 우수하다는 장점이 있다.Provided are a light emitting diode and a laser diode comprising a gallium nitride thin film made of a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film, a gallium nitride thin film manufacturing method, and a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film. Single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film according to the present invention is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon or gallium arsenide (GaAs), nitrogen ion implantation pattern portion including a plurality of regularly repeated patterns on the same plane ; And it is characterized in that it comprises a nitrogen ion non-injection compartment for partitioning the pattern, it is possible to quickly grow the growth of gallium nitride thin film in a manner different from the conventional, and consequently to improve the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film Can be. In addition, the gallium nitride thin film manufacturing method using the single crystal substrate is easy to manufacture and can improve the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film, the light emission including the gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film Diodes and laser diodes have the advantage of excellent optical properties.

Description

질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판, 질화갈륨 박막 제조방법 및 질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판으로 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및 레이저다이오드{Single-crystalline Substrate for manufacturing GaN based epilayer, the Method of manufacturing the epilayer, LED and LD comprising the GaN based epilayer}Single-crystalline substrate for manufacturing GaN based epilayer, the method of manufacturing the epilayer , LED and LD comprising the GaN based epilayer}

도 1은 본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조방법의 일 실시예를 나타낸 그림이다.1 is a view showing an embodiment of a gallium nitride thin film manufacturing method according to the present invention.

도 2는 실시예 1 및 실시예 2의 유전체층 및 포토레지스트에 의해 구획된 패턴부가 형성된 사파이어기판의 표면을 촬영한 SEM사진이다.FIG. 2 is an SEM photograph of the surface of the sapphire substrate on which the pattern portions partitioned by the dielectric layers and the photoresist of Examples 1 and 2 are formed.

도 3은 실시예 1의 유전체층 및 포토레지스트에 의해 구획된 패턴부가 형성된 사파이어기판의 단면에 대하여 SEM사진이다.3 is a SEM photograph of a cross section of a sapphire substrate on which a pattern portion partitioned by the dielectric layer and photoresist of Example 1 is formed.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 질화갈륨 에피층에 대한 X선 회절분석의 반치폭을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the half width of the X-ray diffraction analysis of the gallium nitride epitaxial layer of Example 1 and Comparative Example 1.

도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 질화갈륨 에피층에 대한 포토루미네슨스 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing photoluminescence spectra of gallium nitride epitaxial layers of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 도핑이 되지 않은 질화갈륨 에피층 위에 성장시킨 N-형 도핑된 질화갈륨 에피층에 대한 X-선 회절분석의 반치폭을 나타낸 그 래프이다.FIG. 6 is a graph showing the full width at half maximum of X-ray diffraction analysis for the N-type doped gallium nitride epi layer grown on the undoped gallium nitride epi layer of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 7은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 UV LED의 광도측정결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing photometric results of UV LEDs prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 8은 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 UV LED의 광도측정결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing photometric results of UV LEDs prepared in Example 2 and Comparative Example 1. FIG.

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

11: 단결정기판 13: 유전체층11: single crystal substrate 13: dielectric layer

15: 구획부보호막 17: 패턴부15: compartment portion protective film 17: pattern portion

19: 질소이온주입 패턴부 21: 질소이온비주입 구획부19: nitrogen ion injection pattern portion 21: nitrogen ion non-injection compartment

23: 질화갈륨 박막23: gallium nitride thin film

본 발명은 질화갈륨 박막 제조용 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시키기 위한 질화갈륨 박막 제조용 기판, 질화갈륨 박막 제조방법 및 질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판으로 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및 레이저다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for manufacturing a gallium nitride thin film, and more particularly, to a gallium nitride thin film manufacturing substrate, gallium nitride thin film manufacturing method and a single crystal substrate for gallium nitride thin film production to improve the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film A light emitting diode and a laser diode including a gallium nitride thin film.

울자이츠(Wurtzite)구조를 가지는 질화갈륨은 상온에서 3.4eV의 직접 천이형 밴드갭을 가지며 청색 및 자외선영역의 발광다이오드(light emitting diode; LED)와 레이저다이오드(laser diode; LD) 소자에 유용하게 사용되는 재료이다. 특히 같 은 울자이츠 구조를 가지며 밴드갭이 각각 1.9eV, 6.2eV인 질화인듐(InN), 질화 알루미늄(AlN)과 연속적인 고용체를 형성할 수 있기 때문에 불순물의 활성에너지 및 도핑 농도에 따라 파장 조절이 가능하므로 조성에 따른 삼원계 질화물을 제조하여 파장의 선택 범위가 넓은 가시 발광 다이오드의 제작이 가능하다. 여기서 사용하는 질화갈륨은 질화알루미늄갈륨(Aluminum Gallium Nitride), 질화인듐갈륨(Indium Gallium Nitride) 및 질화알루미늄인듐갈륨(Aluminum Indium Gallium Nitride)의 합금을 포함하는 개념이다. Gallium nitride with a Wurtzite structure has a direct transition bandgap of 3.4 eV at room temperature and is useful for light emitting diodes (LEDs) and laser diode (LD) devices in the blue and ultraviolet regions. The material used. In particular, it has the same woolitez structure and can form a continuous solid solution with indium nitride (InN) and aluminum nitride (AlN) having a band gap of 1.9 eV and 6.2 eV, respectively, so that the wavelength is adjusted according to the active energy and doping concentration of the impurity. Since it is possible to manufacture a ternary nitride according to the composition it is possible to manufacture a visible light emitting diode having a wide selection range of wavelengths. The gallium nitride used herein is a concept including an alloy of aluminum gallium nitride (Aluminum Gallium Nitride), indium gallium nitride (Indium Gallium Nitride) and aluminum indium gallium nitride (Aluminum Indium Gallium Nitride).

질화갈륨은 상기와 같은 좋은 응용성을 가지나 물질의 특성상 벌크 형태의 단결정 제조가 매우 어려워 현재 상업화된 것은 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 기판 위에 에피층을 성장한 박막 물질을 사용한다. 따라서 질화갈륨박막은 호모 에피텍셜 성장보다 헤테로 에피텍셜 성장이 더 일반적이며, 이에 따른 기판의 선택이 중요한 문제이다. 질화갈륨박막 성장에 사용되는 이종기판은 여러가지가 고려될 수 있으나, 화학적으로 안정하고 내열성이 있는 사파이어(sapphire; α-Al2O3)기판이 대표적으로 사용되고 있다. 그러나 사파이어 기판 같은 이종기판을 사용할 경우 기판과 질화갈륨간에 격자 부정합의 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 사파이어기판과 질화갈륨과의 격자 부정합의 차이는 최대 16%정도 날 수 있으며, 다른 이종기판에서도 상기와 같은 문제가 있다. 상기의 격자 부정합으로 인해, 박막 성장 초기부터 발생하는 부정합 전위, 실(threading)전위, 적층결함 및 반전 도메인경계(IDB; inversion domain boundary)등의 결함이 관찰된다. 이러한 결함의 정도가 소자의 수명과 발광 효율을 높이는데 매우 중요한 요소이므로, 결함을 개선하는 노력이 여러 방법을 통해 시도되고 있다. 이와 관련하여 종래에 시도된 방법으로는 완충층을 사용하는 것이다. 통상적으로 Akasaki에 의한 질화알루미늄(H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 1986) 이나 Nakamura에 의해 성공을 거둔 질화갈륨 완충층(S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 1991)이 주로 사용되고 있는데, 이는 비정질 또는 다결정질의 완충층이 기판과 동일한 결정성을 갖는 많은 핵생성 장소를 제공하여 질화갈륨의 성장을 용이하게 해주며, 박막과 기판 사이의 계면 에너지를 감소시켜 측면성장을 촉진시켜주는 역할을 한다. 그런데 질화갈륨의 박막결정성장 전에 유기금속 화학 기상 증착법 혹은 분자선 에피탁시 방법으로 질화알루미늄 혹은 질화갈륨 완충층을 먼저 형성한 후 질화갈륨박막을 성장하는 경우 상기의 보고와 같이 완충층이 그 위에 성장되는 질화갈륨 박막의 2차원적 성장을 용이하게 하여 결과적으로 박막결정의 품질이 향상되는 보고가 있으나 Hashimoto 등은 질화 처리 시간에 따라 오히려 표면이 거칠게 되는 결과를 초래하여 저품위의 질화갈륨이 형성되었음을 보고하였고(T. Hashimoto, Y. Terakoshi, M. Ishida, M. Yuri, O. Imafuji, T. Sugino, A. Yoshikawa and K. Itoh, J. Crystal Growth 189/190, 254 (1998), Uchida 등은 질화 처리된 사파이어 기판의 표면에 비정질 형태의 화합물이 생성되어 돌출(protrusion)표면을 형성한다고 보고하였다(K. Uchida, A. Watanabe, F. Yano, M. Kouguchi, T. Tanaka and S. Minigawa, Solid-State Electronics 41(2), 135 (1997)). 따라서 통상의 공정방법으로는 그 공정조 건의 최적화 여부에 따라 다른 결과들이 얻어지고 있음을 알 수 있고 결과적으로 이 같은 공정은 결정성장시 매우 민감한 공정으로 작용하여 제어과정에 어려움이 있을 수 밖에 없었다.Although gallium nitride has such good applicability as above, it is very difficult to manufacture bulk single crystal due to the characteristics of the material. Currently commercialized thin films in which epitaxial layers are grown on a substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) Use substance. Therefore, the gallium nitride thin film is more generally heteroepitaxial growth than homo epitaxial growth, the selection of the substrate is an important problem. Various kinds of different substrates used for gallium nitride thin film growth may be considered, but chemically stable and heat resistant sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrates are typically used. However, when using a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate, a problem of lattice mismatch between the substrate and gallium nitride may occur. For example, the difference in lattice mismatch between a sapphire substrate and gallium nitride may be up to 16%, and other heterogeneous substrates have the same problem as described above. Due to the lattice mismatch, defects such as misfit dislocations, threading dislocations, stacking defects, and inversion domain boundaries (IDBs) that occur from the beginning of thin film growth are observed. Since the degree of such defects is a very important factor in increasing the lifetime and luminous efficiency of the device, efforts to improve the defects have been attempted through various methods. The conventionally attempted method in this regard is to use a buffer layer. Aluminium nitride buffer layer (H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 1986) by Akasaki or gallium nitride buffer layer (S. Nakamura, Jpn.J. Appl. Phys. 30, L1705 1991), which provides many nucleation sites where the amorphous or polycrystalline buffer layer has the same crystallinity as the substrate, thereby facilitating the growth of gallium nitride. It reduces the interfacial energy between the substrate and the substrate to promote lateral growth. However, when the aluminum nitride or gallium nitride buffer layer is first formed by the organometallic chemical vapor deposition method or the molecular beam epitaxy method before the thin film crystal growth of gallium nitride, and the gallium nitride thin film is grown, the buffer layer is grown thereon as described above. It is reported that the quality of thin film crystals is improved as a result of facilitating the two-dimensional growth of gallium thin films, but Hashimoto et al. Reported that low-quality gallium nitride was formed due to the roughness of the surface according to the nitriding treatment time. T. Hashimoto, Y. Terakoshi, M. Ishida, M. Yuri, O. Imafuji, T. Sugino, A. Yoshikawa and K. Itoh, J. Crystal Growth 189/190, 254 (1998), Uchida et al. It has been reported that an amorphous compound is formed on the surface of the sapphire substrate to form a protruding surface (K. Uchida, A. Watanabe, F. Yano, M. Kouguchi, T. Tanaka and S. Minigawa, Solid-State Electronics 41 (2), 135 (1997)), therefore, it can be seen that different results are obtained according to the conventional process method depending on the optimization of the process conditions. Due to the sensitive process, the control process had to be difficult.

이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 10-0472260에는 사파이어 기판 표면 전체에 질소이온주입처리법을 사용하여 질화갈륨 박막 성장시 발생하는 결함을 감소시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 사파이어 기판 표면 전체에 질소이온을 주입하여 하나의 상(phase)인 비정질의 질화알루미늄층 혹은 질화산화알루미늄층을 형성함으로써 격자 부정합으로 생기는 탄성 변형 에너지를 감소시켜 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있으나, 전위(dislocation)결함의 문제는 지속적으로 개선할 필요가 있고, 비정질층으로부터 질화갈륨 박막을 성장시키게 되므로 발생하는 성장속도 감소 또한 개선의 여지가 있었다.In order to solve this problem, Korean Patent No. 10-0472260 discloses a method of reducing defects generated during growth of a gallium nitride thin film by using a nitrogen ion implantation treatment method on an entire surface of a sapphire substrate. The method reduces the elastic strain energy caused by lattice mismatch by injecting nitrogen ions into the entire surface of the sapphire substrate to form an amorphous aluminum nitride layer or aluminum nitride oxide layer. Although optical properties may be improved, the problem of dislocation defects needs to be continuously improved, and growth rate decreases due to growth of the gallium nitride thin film from the amorphous layer also has room for improvement.

또한 질화갈륨을 기반으로 하는 광소자는 상기와 같이 광특성 개선을 위해 상기와 같은 양질의 질화갈륨 박막을 성장시키는 기술이 필수적인 요소이나, 최근 들어 질화갈륨 박막의 결정성 개선을 통한 광소자의 광특성 개선보다 내부에서 발생한 광량을 적절히 광소자의 외부로 추출하는 방법을 사용하고 있다. 이를 위해 도입된 방법의 하나로 패턴된 사파이어 기판(Patterned Sapphire Substrate; PSS)을 이용하는 방법이 있으나, 이 방법은 사파이어 기판과 같이 강도가 강한 기판의 경우 기존의 RIE(Reactive Ion Etching) 등의 방법으로 쉽게 식각하기 어렵고 두께를 원하는 만큼 조절하기 어려운 문제점 등이 있어 양산에 어려움이 있었다.In addition, the optical device based on gallium nitride is an essential element for the growth of such a high quality gallium nitride thin film to improve the optical properties as described above, but recently improved optical properties of the optical device by improving the crystallinity of the gallium nitride thin film The method which extracts the quantity of light which generate | occur | produced inside from the inside of an optical element suitably is used. One of the methods introduced for this purpose is a method using a patterned sapphire substrate (PSS), but this method can be easily performed using a conventional reactive ion etching (RIE) method in the case of a strong substrate such as a sapphire substrate. Difficulty in mass production due to problems such as difficult to etch and difficult to adjust the thickness as desired.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판을 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film that can improve the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 제작이 용이한 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판의 제조 및, 그를 이용한 질화갈륨 박막 제조방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film, which is easy to manufacture, and to provide a gallium nitride thin film manufacturing method using the same.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드를 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a light emitting diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 레이저다이오드를 제공하는 것이다.A fourth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a laser diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first technical problem,

사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨(GaAs)으로 이루어지며, 동일 평면 상에, 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부(19); 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 포함하는 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판을 제공한다.A nitrogen ion implantation pattern portion 19 made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon or gallium arsenide (GaAs) and including a plurality of regularly repeated patterns on the same plane; And it provides a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film comprising a nitrogen ion non-injection partition portion 21 for partitioning the pattern.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the shape of the pattern may be circular, elliptical, striped (striped) or polygonal.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기판의 재질은 사파이어이고 질소이온주입 패턴부의 표면에는 질화알루미늄막이 형성되어 있는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the material of the substrate may be sapphire and the aluminum nitride film is formed on the surface of the nitrogen ion injection pattern portion.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 질소이온주입 패턴부에 대한 질소이온의 도즈량은 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 이고, 주입에너지는 10 내지 100 keV범위일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the dose of nitrogen ions to the nitrogen ion injection pattern portion is 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 , and the injection energy is in the range of 10 to 100 keV. Can be.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second technical problem,

(a) 단결정기판(11)을 준비하는 단계;(a) preparing a single crystal substrate 11;

(b) 상기 단결정기판(11)의 동일 평면상에 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부(19) 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 형성하는 단계; 및(b) forming a nitrogen ion implantation pattern portion 19 including a regularly repeated pattern on the same plane of the single crystal substrate 11 and a nitrogen ion non-injection partition portion 21 partitioning the pattern; And

(c) 상기 질소이온주입 패턴부(19) 및 질소이온비주입 구획부(21)의 표면에 질화갈륨박막(23)을 성장시키는 단계를 포함하는 질화갈륨 박막 제조방법을 제공한다.(c) providing a gallium nitride thin film manufacturing method comprising growing a gallium nitride thin film 23 on the surfaces of the nitrogen ion injection pattern portion 19 and the nitrogen ion non-injection partition portion 21.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단결정기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨으로 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the single crystal substrate may be made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon or gallium arsenide.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 (b)단계의 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the shape of the pattern of step (b) may be circular, elliptical, striped (striped) or polygonal.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b)단계의 질소이온주입처리는 이온도즈량 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 및 주입에너지 10 내지 100 keV범위에서 행할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the nitrogen ion implantation treatment of step (b) may be performed in the range of ion dose 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 and implantation energy 10 to 100 keV. have.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 단결정기판의 표면에 유전체층을 성장시키는 단계; (b2) 상기 유전체층의 표면에 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 구획하는 구획부보호막을 형성하는 단계; (b3) 상기 패턴의 유전체층을 제거하여 패턴부를 형성하는 단계; (b4) 상기 패턴부에 질소이온을 주입하여 질소이온주입 패턴부를 형성하는 단계; (b5) 상기 구획부보호막을 제거하는 단계; 및 (b6) 상기 구획부보호막이 제거된 후에 노출된 유전체층을 제거하여 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (b) comprises the steps of (b1) growing a dielectric layer on the surface of the single crystal substrate; (b2) forming a compartmental protective film that partitions a plurality of regularly repeated patterns on the surface of the dielectric layer; (b3) forming a pattern portion by removing the dielectric layer of the pattern; (b4) forming a nitrogen ion injection pattern part by injecting nitrogen ions into the pattern part; (b5) removing the compartment protection film; And (b6) forming a nitrogen ion non-injection partition that partitions the pattern by removing the exposed dielectric layer after the partition protection film is removed.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 유전체층은 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4) 또는 실리콘산화질화막(SiON)일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the dielectric layer may be a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), or a silicon oxynitride film (SiON).

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b2)단계의 구획부보호막을 형성하는 방법은 포토리소그래피공정, 잉크젯법 또는 임프린팅법일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the method of forming the compartmental protective film of step (b2) may be a photolithography process, an inkjet method or an imprinting method.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b3)단계의 유전체층을 RIE로 제거할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the dielectric layer of step (b3) may be removed by RIE.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b6)단계의 유전체층 제거는 불산으로 제거할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the removal of the dielectric layer of step (b6) can be removed with hydrofluoric acid.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 먼저 기판에 완충층을 형성한 후, 그 위에 에피층을 형성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gallium nitride thin film growth of step (c) may first form a buffer layer on the substrate, and then form an epi layer thereon.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 유기금속화학기상증착법, 분자선 에피탁시법, 원자층단위증착법 또는 플라즈마화학증착법에 의할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gallium nitride thin film growth of the step (c) may be by an organic metal chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy method, atomic layer unit deposition method or plasma chemical vapor deposition method.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a light emitting diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 레이저다이오드를 제공한다.The fourth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a laser diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

본 명세서에서 사용되는 '질화갈륨'이란 용어는 질화알루미늄갈륨(Aluminum Gallium Nitride), 질화인듐갈륨(Aluminum Gallium Nitride) 및 질화알루미늄인듐갈륨(Aluminum Indium Gallium Nitride)의 합금을 포함하는 개념으로, 식 InaAlbGa1 -a- bN(여기서, 0≤a, 0≤b, a+b≤1)로 나타낼 수 있다. The term 'gallium nitride' as used herein is a concept including an alloy of aluminum gallium nitride (Aluminum Gallium Nitride), indium gallium nitride (Aluminum Gallium Nitride) and aluminum indium gallium nitride (Aluminum Indium Gallium Nitride), a Al b Ga 1 -a- b N (where 0 ≦ a, 0 b , a + b ≦ 1).

본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨(GaAs)으로 이루어지며, 도 2에 나타낸 바와 같이 동일 평면 상에, 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부; 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨(GaAs)으로 이루어질 수 있다. 상기 기판들은 질화갈륨과 종류가 다른 경우라 하더라도, 기판상에 질화갈륨 결정 성장이 가능하 고, 본 발명에 의할 경우 질화갈륨과 이종 결정 간의 격자 부정합을 감소시킬 수 있어 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판으로 사용할 수 있다. 상기 질소이온주입 패턴부는 도 2에서 보는 바와 같이 삼각형 또는 육각형 등의 일정한 형상의 패턴이 규칙적으로 반복형성되어 구성되고, 패턴부에 대하여 질소이온주입처리(N+-ion implantation)가 된 것을 특징으로 한다. 또한 상기 패턴은 구획부에 의해 각각의 패턴이 구획되어 있고, 상기 구획부는 질소이온주입처리가 되어 있지 않은 상태의 단결정기판 표면인 것을 특징으로 한다. 즉, 동일 평면 상에 질소이온주입 처리가 된 패턴부 및 질소이온주입 처리가 되지 않은 구획부를 규칙적으로 반복형성함으로써, 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판의 동일 평면에 대하여 비정질부와 결정부 즉, 두 개의 상(two phase)을 형성할 수 있다. 상기와 같이 성질이 다른 두 개의 상을 동일 평면상에 형성함으로써, 두 개의 상위에 에피층을 형성할 경우 두 상위에 각각 다른 성장속도와 성장모드로 에피층을 형성하게 된다. 질소이온주입처리가 된 부분의 경우는 표면에 AlN 혹은 AlON막이 형성되어 격자 부정합을 완화할 수 있으나, 비정질이므로 에피층의 성장속도가 느릴 수 있다. 또한, 상기 질소이온주입처리가 되지 않은 구획부의 경우는 격자 부정합은 완화되지 않으나, 패턴부에 비해 에피층의 성장속도가 빠르고, 그 결과 수직방향으로의 성장 외에 패턴부를 향해 수평성장(측면성장)을 할 수 있는 상태가 될 것으로 판단된다. 하나의 구획부로부터 수평성장이 일어나는 경우, 인접한 구획부로부터도 동시에 수평성장이 일어날 수 있고, 결과적으로 구획부간에 수평성장한 부분이 패턴부에서 수직성장한 에피층의 표면에서 만나게 되며, 서로 만나게 된 부분은 동일한 결정구조를 갖는 물질이므로 격자 부정합의 측면에서 유리한 효과를 갖게 된다고 할 수 있다. 또한 질소이온주입처리가 된 패턴부의 완화된 격자 부정합이 결정의 성장에 의해 전파되는 모드도 생각할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면, 질소이온주입 처리된 표면은 AlN 또는 AlON막이 형성되어 격자 부정합을 완화하게 되고, 질소이온주입 처리되지 않은 표면에서 성장된 에피층은 성장속도 차이에 의해 수평성장(측면성장)을 함으로써 격자 부정합이 완화된다고 판단된다.The single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film according to the present invention is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon or gallium arsenide (GaAs), and includes a plurality of regularly repeated patterns on the same plane as shown in FIG. 2. Nitrogen ion injection pattern portion; And it is characterized in that it comprises a nitrogen ion non-injection compartment for partitioning the pattern. The single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film may be made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon, or gallium arsenide (GaAs). Even though the substrates are different from gallium nitride, the gallium nitride crystals can be grown on the substrate, and according to the present invention, lattice mismatch between gallium nitride and heterocrystals can be reduced, thereby making a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film. Can be used as As shown in FIG. 2, the nitrogen ion implantation pattern portion is formed by regularly repeating a pattern of a certain shape such as a triangle or a hexagon, and is subjected to nitrogen ion implantation treatment (N + -ion implantation) with respect to the pattern portion. do. The pattern is characterized in that each pattern is partitioned by a partition, and the partition is a surface of a single crystal substrate in a state where nitrogen ion implantation is not performed. That is, by repeatedly repeating the pattern portion subjected to the nitrogen ion implantation treatment and the partition portion not subjected to the nitrogen ion implantation treatment on the same plane, the amorphous portion and the crystal portion, that is, the two portions of the single plane of the gallium nitride thin film It can form two phases. By forming two different phases on the same plane as described above, when the epi layer is formed on two upper layers, the epi layer is formed at different growth rates and growth modes. In the case of nitrogen ion injection treatment, AlN or AlON film is formed on the surface to mitigate lattice mismatch, but the growth rate of the epi layer may be slow because it is amorphous. In addition, the lattice mismatch is not alleviated in the partition portion not subjected to the nitrogen ion implantation treatment, but the growth rate of the epi layer is faster than that of the pattern portion, and as a result, the growth is horizontal toward the pattern portion in addition to the growth in the vertical direction (side growth). It will be in a state capable of doing. When horizontal growth occurs from one compartment, horizontal growth can occur simultaneously from adjacent compartments, and as a result, the horizontally grown portions between the compartments meet on the surface of the epitaxial layer grown vertically in the pattern portion, and the portions that meet each other. Since the material having the same crystal structure can be said to have an advantageous effect in terms of lattice mismatch. In addition, a mode in which the relaxed lattice mismatch of the pattern portion subjected to the nitrogen ion implantation propagates by the growth of the crystal may be considered. That is, according to the present invention, the surface treated with nitrogen ion implantation is made of AlN or AlON film to mitigate lattice mismatch, and the epitaxial layer grown on the surface not treated with nitrogen ion implantation grows horizontally due to the difference in growth rate (side growth). It is judged that lattice mismatch is alleviated by doing this.

본 발명은 복수개의 규칙적으로 반복된 패턴으로 구성된 패턴부 및 구획부를 형성함으로써, 상기의 복합적 작용이 전체 단결정기판의 표면에 대해서 균일하게 일어나도록 할 수 있다.According to the present invention, by forming a pattern portion and a partition portion composed of a plurality of regularly repeated patterns, the above-described complex action can be made to occur uniformly on the surface of the entire single crystal substrate.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형 등 그 형태와 크기에 제한되지 않는다. 상기 다각형은 삼각형 내지 36각형일 수 있으며, 패턴의 형상이 육각형 또는 삼각형이 모여서 전체적으로 육각형 형태를 취하게 되는 경우 등에 있어서는 질화갈륨이 6방정계의 결정이므로, 결정성장 측면에서 유리할 수 있다. 특히, 본 발명은 패턴부와 구획부에 대하여 동일한 평면상에서 질화갈륨 결정이 성장하게 되므로, 패턴부와 구획부가 모두 육각형의 형상을 갖는 경우 결정성장이 유리하게 일어날 수 있다고 예상된다.According to one embodiment of the present invention, the shape of the pattern is not limited to the shape and size of a circle, oval, stripe (striped) or polygonal. The polygons may be triangular to 36-angular, and in the case where the shape of the pattern is hexagonal or when the triangles are gathered to take a hexagonal shape as a whole, gallium nitride may be advantageous in terms of crystal growth. In particular, in the present invention, since the gallium nitride crystals grow on the same plane with respect to the pattern portion and the partition portion, it is expected that crystal growth may advantageously occur when both the pattern portion and the partition portion have a hexagonal shape.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기판의 재질은 사파이어이고 질소이온주입 패턴부의 표면에는 질화알루미늄막이 형성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the material of the substrate may be sapphire and the aluminum nitride film may be formed on the surface of the nitrogen ion injection pattern portion.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 질소이온주입 패턴부에 대한 질소 이온의 도즈량은 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 이고, 주입에너지는 10 내지 100 keV범위일 수 있다. 본 발명에 따른 질소이온주입처리법은 기판에 조사되는 질소이온의 투여량을 이온 도즈량에 따라 제어할 수 있으므로 기판 표면의 균일한 질소원자의 분포를 기대할 수 있으며, 따라서 이온도즈에 의한 기판 표면의 응력 에너지가 질소 이온 분포의 규칙성에 의해 비교적 적거나 불균일한 집중 현상을 방지할 것으로 기대되므로 균일한 핵생성을 유도할 수 있다는 장점이 있다. 상기 이온도즈량이 1×1015/cm2 미만인 경우는 질화알루미늄상이 충분히 형성되지 못할 염려가 있고, 1×1017/cm2 초과인 경우는 질소이온주입 처리가 과잉이 되어 기판 표면이 많이 손상을 입게 되고, 그로 인하여 표면이 너무 거칠어져 질화갈륨 에피층 성장시에 결정성이 나빠질 염려가 있기 때문이다. 마찬가지로 주입에너지가 10 keV 미만의 경우는 질화알루미늄상이 충분히 형성되지 못할 염려가 있고, 주입에너지가 100 keV 초과인 경우는 기판표면이 손상을 입어 질화갈륨 에피층의 결정성이 나빠질 염려가 있다.According to another embodiment of the present invention, the dose of nitrogen ions to the nitrogen ion injection pattern portion is 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 And the injection energy may range from 10 to 100 keV. Since the nitrogen ion implantation treatment method according to the present invention can control the dose of nitrogen ion irradiated to the substrate according to the ion dose amount, it is possible to expect a uniform distribution of nitrogen atoms on the surface of the substrate, and thus Since stress energy is expected to prevent relatively little or non-uniform concentration due to the regularity of nitrogen ion distribution, there is an advantage that it can induce uniform nucleation. If the ion dose is less than 1 × 10 15 / cm 2, the aluminum nitride phase may not be sufficiently formed, and 1 × 10 17 / cm 2 This is because when the excess is exceeded, the surface of the substrate is much damaged due to excessive nitrogen ion implantation treatment, and the surface is so rough that crystallinity may deteriorate during the growth of the gallium nitride epi layer. Similarly, when the implantation energy is less than 10 keV, there is a concern that the aluminum nitride phase may not be formed sufficiently, and when the implantation energy is more than 100 keV, the surface of the substrate may be damaged and the crystallinity of the gallium nitride epi layer may deteriorate.

본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조방법은 도 1에 나타낸 바와 같이 (a) 단결정기판(11)을 준비하는 단계; (b) 상기 단결정기판(11)의 동일 평면상에 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부(19) 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 질소이온주입 패턴부(19) 및 질소이온비주입 구획부(21)의 표면에 질화갈륨박막(23)을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The gallium nitride thin film manufacturing method according to the present invention comprises the steps of (a) preparing a single crystal substrate (11); (b) forming a nitrogen ion implantation pattern portion 19 including a regularly repeated pattern on the same plane of the single crystal substrate 11 and a nitrogen ion non-injection partition portion 21 partitioning the pattern; And (c) growing a gallium nitride thin film 23 on the surfaces of the nitrogen ion injection pattern portion 19 and the nitrogen ion non-injection partition portion 21.

본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조방법은 상기의 본 발명에 따른 동일 평면 상에, 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부(19); 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 포함하는 질화갈륨박막 제조용 단결정기판에 대하여 패턴부, 비패턴부의 구분 없이 동일한 방식으로 질화갈륨박막을 성장시키는 것을 특징으로 한다.The gallium nitride thin film manufacturing method according to the present invention includes a nitrogen ion injection pattern portion 19 including a plurality of regularly repeated patterns on the same plane according to the present invention; And a gallium nitride thin film in the same manner without a pattern portion or a non-pattern portion for a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film including a nitrogen ion non-implantation partition portion 21 partitioning the pattern.

상기의 질화갈륨박막 제조용 단결정기판에서 살펴 본 바와 같이, 상기 단결정기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 또는 비화갈륨으로 이루어질 수 있으며, 상기 (b)단계의 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형 등일 수 있으며, 규칙적으로 반복되는 형상인 한 제한되는 것은 아니나, 상기 다각형은 삼각형 내지 36각형일 수 있다. 또한 상기 (b)단계의 질소이온주입처리는 이온도즈량 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 및 주입에너지 10 내지 100 keV범위에서 행하는 것을 특징으로 할 수 있다.As described above, the single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film may be formed of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon, or gallium arsenide, and the pattern of step (b) may be circular, elliptical, or striped. It may be a shape (stripe) or polygonal, and the like, but is not limited so long as the shape is regularly repeated, the polygon may be a triangular to 36 square. In addition, the nitrogen ion implantation treatment in step (b) may be performed in the range of ion dose 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 and injection energy of 10 to 100 keV.

상기 (b)단계는 상기 단결정기판(11)의 동일 평면상에 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부(19) 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 형성할 수 있는 한 방법에 제한이 있는 것은 아니나, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 단결정기판(11)의 표면에 유전체층(13)을 성장시키는 단계; (b2) 상기 유전체층(13)의 표면에 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 구획하는 구획부보호막(15)을 형성하는 단계; (b3) 상기 패턴의 유전체층을 제거하여 패턴부(17)를 형성하는 단계; (b4) 상기 패턴부(17)에 질소이 온을 주입하여 질소이온주입 패턴부(19)를 형성하는 단계; (b5) 상기 구획부보호막(15)을 제거하는 단계; 및 (b6) 상기 구획부보호막(15)이 제거된 후에 노출된 유전체층을 제거하여 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부(21)를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the step (b), the nitrogen ion implantation pattern portion 19 including a pattern regularly repeated on the same plane of the single crystal substrate 11 and the nitrogen ion non-injection partition portion 21 partitioning the pattern are formed. Although not limited to one possible method, according to an embodiment of the present invention, the step (b) includes the steps of (b1) growing the dielectric layer 13 on the surface of the single crystal substrate 11; (b2) forming a compartmental protective film 15 partitioning a plurality of regularly repeated patterns on the surface of the dielectric layer 13; (b3) forming the pattern portion 17 by removing the dielectric layer of the pattern; (b4) injecting nitrogen ions into the pattern portion 17 to form a nitrogen ion injection pattern portion 19; (b5) removing the compartmental protective film 15; And (b6) forming a nitrogen ion non-injection partition 21 for partitioning the pattern by removing the exposed dielectric layer after the partition protection film 15 is removed.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 유전체층(13)은 일반적인 이온 임플랜테이션(ion implantation) 방어막인 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘산화질화막(SiON) 등 을 사용할 수 있다. 상기 유전체층(13)은 질화갈륨 박막 제조용 기판에 대하여 기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있는 한, 특별히 한정되는 것은 아니나, 질소이온주입처리시 질소이온주입으로부터 구획부를 보호할 수 있는 정도의 강도를 가져야 한다.According to another embodiment of the present invention, the dielectric layer 13 may use a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride film (SiON), or the like, which is a general ion implantation protection layer. Can be. The dielectric layer 13 is not particularly limited as long as it can be deposited on a substrate for manufacturing a gallium nitride thin film by vapor deposition or the like. However, the dielectric layer 13 has a strength that can protect the compartment from nitrogen ion injection during nitrogen ion injection treatment. Should have

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b2)단계의 구획부보호막(15)을 형성하는 방법은 포토리소그래피공정, 잉크젯법 또는 임프린팅법 등을 사용할 수 있으며, 패턴부의 형태를 나타낼 수 있고, 마스크의 역할을 할 수 있는 한 공지의 어떤 방법이라도 상기 구획부보호막을 형성하기 위해 사용할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the method for forming the partition protective film 15 of the step (b2) may be a photolithography process, an inkjet method or an imprinting method, etc., may represent the shape of the pattern portion As long as it can serve as a mask, any known method can be used to form the compartmental protective film.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b3)단계의 유전체층(13)을 제거하는 방법도 공지의 방법을 사용할 수 있으나, 상기 유전체층을 RIE(Reactive Ion Etching)로 제거할 경우 원하는 깊이로 제거함으로써 정밀한 패턴부를 형성하고, 구획부보호막의 손상을 막아줌으로써 후행의 공정에서 패턴부에만 질소이온주입처리가 가능하도록 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a method of removing the dielectric layer 13 of step (b3) may be used, but a known depth may be removed when the dielectric layer is removed by reactive ion etching (RIE). As a result, a precise pattern portion can be formed, and damage to the compartment protective film can be prevented so that the nitrogen ion implantation treatment can be performed only on the pattern portion in a subsequent step.

상기 (b4)단계의 질소이온주입처리는 이온도즈량 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 및 주입에너지 10 내지 100 keV범위에서 행할 수 있으며, 상기 (b5)단계의 구획부보호막(15)의 제거는 구획부보호막의 형성방법에 따라 상이하며, 포토리소그래피법에 의해 포토레지스트(photo resist)를 구획부보호막으로 사용한 경우 그에 따른 적절한 용매 예를 들어, AZ1512를 포토레지스트로 사용한 경우 n-methyl pyrrolidone을 용래로 제거할 수 있다.The nitrogen ion implantation treatment of step (b4) may be performed in an ion dose of 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 and an injection energy of 10 to 100 keV, and the partition of step (b5). The removal of the protective film 15 is different depending on the formation method of the compartmental protective film, and when a photoresist is used as the compartmental protective film by the photolithography method, an appropriate solvent, for example, AZ1512 is used as the photoresist. In this case, n-methyl pyrrolidone can be removed.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b6)단계의 유전체층 제거는 공지의 방법에 의할 수 있으나, 불산으로 제거할 경우 기판에 잔류하는 유전체층을 단순한 공정만으로 제거할 수 있다는 장점을 갖는다.According to another embodiment of the present invention, the removal of the dielectric layer in step (b6) may be performed by a known method, but when removing with hydrofluoric acid, the dielectric layer remaining on the substrate may be removed by a simple process.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 먼저 기판에 완충층을 형성한 후, 그 위에 에피층을 형성할 수 있다. 질화알루미늄 또는 질화갈륨과 같은 질화물계 화합물반도체 완충층을 비교적 낮은 온도에서 형성함으로써, 질화물계 화합물반도체결정의 격자변형을 완화시켜 에피층의 물리적 특성 및 광학적 특성이 개선된다.According to another embodiment of the present invention, the gallium nitride thin film growth of step (c) may first form a buffer layer on the substrate, and then form an epi layer thereon. By forming a nitride compound semiconductor buffer layer such as aluminum nitride or gallium nitride at a relatively low temperature, lattice deformation of the nitride compound semiconductor crystal is alleviated, thereby improving the physical and optical properties of the epi layer.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 공지의 박막 성장 방법에 의할 수 있으며, 특히 유기금속화학기상증착법, 분자선 에피탁시법, 원자층단위증착법 또는 플라즈마화학증착법 등에 의할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gallium nitride thin film growth of step (c) may be by a known thin film growth method, in particular organometallic chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy method, atomic layer unit deposition method or Plasma chemical vapor deposition, or the like.

본 발명에 따른 발광다이오드는 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨박막을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨박막의 질화갈륨의 개선된 결정성 및 광학적 특성에 의해 상기 발광다이오드 역시 광학적 특성을 개선하는 것이 가능하다.The light emitting diode according to the present invention may include a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film, and the improvement of gallium nitride of the gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film according to the present invention. Due to the crystallinity and the optical properties, the light emitting diode can also improve the optical properties.

본 발명에 따른 레이저다이오드 또한 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨박막을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 상기 질화갈륨 박막제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨박막의 질화갈륨의 개선된 결정성 및 광학적 특성에 의해 상기 레이저다이오드 역시 광학적 특성을 개선하는 것이 가능하다.The laser diode according to the present invention may also include a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film, and the improvement of gallium nitride in the gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film according to the present invention. Due to the crystallinity and the optical properties, the laser diode can also improve the optical properties.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

저압화학기상증착기(성진세미텍; SJF-1000LP-T4)로 SiH4와 NH3를 이용하여 직경 2인치의 사파이어 기판(신코사, 일본) 위에 1,300Å두께의 실리콘 질화막(Si3N4)을 성장 시켰다. 상기 실리콘 질화막 표면에 삼각형 패턴이 형성된 마스크를 사용해 포토 리소그래피 공정으로 한변의 길이 30μm, 인접한 삼각형 사이의 간격 5μm인 삼각형이 규칙적으로 반복형성된 패턴을 구획하는 구획부보호막을 형성시켰다. 상기 포토 리소그래피 공정에 사용한 포토레지스트는 AZ1512였으며, 형성된 포토레지스트층의 두께는 1.6μm이었다. 이후 상기 구획부보호막에 의해 보호되지 않는 실리콘 질화막을 RIE(Plasma 100MPS-C, Oxford(영국))로 제거함으로써 패 턴부를 형성하였다. 사파이어 기판 위의 패턴부에만 질소이온을 주입시키기 위해, 실리콘 질화막과 포토레지스트를 방어막으로 둔 채, 60keV의 에너지와 1×1016/cm2의 이온도즈(ion dose)로 질소이온을 주입(N+-implantation)시켰다. 그 후 n-methyl pyrrolidone으로 포토레지스트를 제거한 후, RIE(Plasma 100MPS-C, Oxford(영국))로 실리콘 질화막을 제거하였다. 결과적으로 삼각형 형상의 질소이온주입부 면적이 전체 사파이어 단결정 기판 표면적의 60%에 해당하는 질화갈륨성장용 단결정기판이 준비되었다.A low pressure chemical vapor deposition machine (Sungjin Semitech; SJF-1000LP-T4) was used to deposit a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) with a thickness of 1,300Å on a sapphire substrate (Sinko, Japan) with a diameter of 2 inches using SiH 4 and NH 3 . Grown. Using a mask in which a triangular pattern was formed on the surface of the silicon nitride film, a protective layer for partitioning a pattern in which a triangle having a length of 30 μm on one side and a 5 μm interval between adjacent triangles was regularly formed was formed. The photoresist used in the photolithography process was AZ1512, and the thickness of the formed photoresist layer was 1.6 μm. Thereafter, the silicon nitride film not protected by the compartmental protective film was removed by RIE (Plasma 100MPS-C, Oxford, UK) to form a pattern. In order to inject nitrogen ions only into the pattern portion on the sapphire substrate, with nitrogen nitride and photoresist as a protective film, nitrogen ions are implanted with an energy of 60 keV and an ion dose of 1 × 10 16 / cm 2 (N + -implantation). Then, after removing the photoresist with n-methyl pyrrolidone, the silicon nitride film was removed by RIE (Plasma 100MPS-C, Oxford (UK)). As a result, a single crystal substrate for gallium nitride growth was prepared, in which the triangular nitrogen ion implantation area was 60% of the total surface area of the sapphire single crystal substrate.

상기의 포토레지스트 및 실리콘 질화막이 제거된 사파이어 기판은 유기물 세척을 행한 후, H2SO4:H3PO4=3:1용액과 10% HF용액에서 각각 10분간 에칭을 한 후 유기금속 화학 기상 증착용 반응기(D-180(Spectra Blue); Emcore(미국))에 장착하였다. 수소 분위기에서 1,100℃에서 10분간 열세척을 한 후 550℃까지 온도를 내려 약 30nm 두께의 질화갈륨 완충층을 성장시켰으며, 반응기 압력 500Torr이었다. 상기 완충층을 성장 시킨 후 다시 온도를 1,040℃까지 올려 약 2μm두께의 질화갈륨 에피층을 성장시켰으며, 반응기 압력 500Torr이었다. 이어 동일 온도에서 N-형 도핑된 질화갈륨 에피층을 형성시킨 후, UV LED칩을 성장시켰다. UV LED의 multi-quantum well은 InGaN, GaN, AlGaN을 1,000℃에서 10~20nm 두께로 5주기 성장해 제작하였다.The sapphire substrate from which the photoresist and the silicon nitride film was removed was washed with organic matter, and then etched in H 2 SO 4 : H 3 PO 4 = 3: 1 solution and 10% HF solution for 10 minutes, respectively, followed by organometallic chemical vapor phase. It was mounted in a deposition reactor (D-180 (Spectra Blue); Emcore, USA). After heat washing at 1,100 ° C. for 10 minutes in a hydrogen atmosphere, the mixture was cooled to 550 ° C. to grow a gallium nitride buffer layer having a thickness of about 30 nm, and the reactor pressure was 500 Torr. After growing the buffer layer, the temperature was further raised to 1,040 ° C. to grow a gallium nitride epi layer having a thickness of about 2 μm, and the reactor pressure was 500 Torr. Subsequently, an N-type doped gallium nitride epitaxial layer was formed at the same temperature, and then the UV LED chip was grown. Multi-quantum wells of UV LEDs were fabricated by growing InGaN, GaN, and AlGaN at 1,000 ℃ for 5 cycles with 10 ~ 20nm thickness.

<실시예 2><Example 2>

패턴형상을 대각선의 길이 70μm, 인접한 육각형 사이의 간격 35μm인 육각형으로 대체하여 결과적으로 육각형 형상의 질소이온주입부 면적이 전체 사파이어 단결정 기판 표면적의 33%에 해당하는 질화갈륨성장용 단결정기판을 준비한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하다.The pattern shape was replaced with a hexagon with a diagonal length of 70 μm and an interval of 35 μm between adjacent hexagons.As a result, a single crystal substrate for gallium nitride growth with a hexagonal nitrogen ion implantation area of 33% of the total sapphire single crystal substrate surface area was prepared. Except that except for the first embodiment.

<비교예 1>Comparative Example 1

직경 2인치의 사파이어 기판(신코사, 일본)에 대하여, 유기물 세척을 행한 후, H2SO4:H3PO4=3:1용액과 10% HF용액에서 각각 10분간 에칭을 한 후 유기금속 화학 기상 증착용 반응기(D-180(Spectra Blue); Emcore(미국))에 장착하였다. 수소 분위기에서 1,100℃에서 10분간 열세척을 한 후 550℃까지 온도를 내려 약 30nm 두께의 질화갈륨 완충층을 성장시켰으며, 반응기 압력 500Torr이었다. 상기 완충층을 성장 시킨 후 다시 온도를 1,040℃까지 올려 약 2μm두께의 질화갈륨 에피층을 성장시켰으며, 반응기 압력 500Torr이었다. 이어 동일 온도에서 N-형 도핑된 질화갈륨 에피층을 형성시킨 후, UV LED 구조를을 성장시켰다. UV LED의 multi-quantum well은 InGaN, GaN, AlGaN을 1,000℃에서 10~20nm 두께로 5주기 성장해 제작하였다.After sapphire substrate (Shinkosa, Japan) having a diameter of 2 inches, the organic material was washed, and then etched in H 2 SO 4 : H 3 PO 4 = 3: 1 solution and 10% HF solution for 10 minutes, respectively. It was mounted in a reactor for chemical vapor deposition (D-180 (Spectra Blue); Emcore, USA). After heat washing at 1,100 ° C. for 10 minutes in a hydrogen atmosphere, the mixture was cooled to 550 ° C. to grow a gallium nitride buffer layer having a thickness of about 30 nm, and the reactor pressure was 500 Torr. After growing the buffer layer, the temperature was further raised to 1,040 ° C. to grow a gallium nitride epi layer having a thickness of about 2 μm, and the reactor pressure was 500 Torr. Subsequently, an N-type doped gallium nitride epi layer was formed at the same temperature, and then the UV LED structure was grown. Multi-quantum wells of UV LEDs were fabricated by growing InGaN, GaN, and AlGaN at 1,000 ℃ for 5 cycles with 10 ~ 20nm thickness.

<시험예 1><Test Example 1>

질화갈륨Gallium nitride 박막 성장용 기판의 표면형상 확인시험 Surface shape confirmation test of thin film growth substrate

실시예 1 또는 실시예 2의 패턴부에 대한 질소이온주입 전단계에서, 사파이 어기판 표면에 유전체층 및 포토레지스트에 의해 구획된 패턴부가 형성되었음을 확인하기 위하여, 패턴부가 형성된 사파이어기판의 표면에 대하여 SEM사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.SEM image of the surface of the sapphire substrate on which the pattern portion was formed, in order to confirm that the pattern portion partitioned by the dielectric layer and the photoresist was formed on the surface of the sapphire substrate in the previous step of nitrogen ion injection into the pattern portion of Example 1 or Example Photographed. The results are shown in FIG.

도 2에서 보는 바와 같이 사파이어기판 표면에 유전체층 및 포토레지스트에 의해 구획된 삼각형 또는 육각형의 패턴이 규칙적으로 반복형성된 패턴부가 형성되었음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판을 재현성 및 정밀성을 만족시키며 제조할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, it can be seen that a pattern portion in which a triangular or hexagonal pattern partitioned by a dielectric layer and a photoresist is regularly formed on the sapphire substrate surface is formed. Therefore, it can be seen that the single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film according to the present invention can be produced while satisfying reproducibility and precision.

<시험예 2><Test Example 2>

패턴부Pattern part 형성 확인 시험 Formation confirmation test

실시예 1의 패턴부에 대한 질소이온주입 전단계에서, 사파이어기판 표면에 유전체층 및 포토레지스트에 의해 구획된 패턴부가 형성되었음을 확인하기 위하여, 패턴부가 형성된 사파이어기판의 단면에 대하여 SEM사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to confirm that the pattern portion partitioned by the dielectric layer and the photoresist was formed on the surface of the sapphire substrate before the nitrogen ion injection to the pattern portion of Example 1, SEM photographs were taken of the cross section of the patterned sapphire substrate. The results are shown in FIG.

도 3에서 보는 바와 같이 사파이어기판 표면에 1300Å두께의 실리콘 질화막(Si3N4) 및 그 상부에 두께 1.6μm의 포토레지스트가 형성되어 있으며, 패턴부는 상기 실리콘 질화막 및 포토레지스트가 완전히 제거되어 사파이어기판 표면이 노출되어 있음을 알 수 있다. 상기 실리콘 질화막 및 포토레지스트에 의해 질소이온주입으로 부터 기판의 표면 구획부를 보호할 수 있고, 패턴부에 대하여만 질소이온주 입이 가능하도록 할 수 있다.As shown in FIG. 3, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 1300 μs and a photoresist having a thickness of 1.6 μm are formed on the surface of the sapphire substrate, and the pattern portion of the sapphire substrate is completely removed. It can be seen that the surface is exposed. The silicon nitride film and the photoresist may protect the surface partition of the substrate from nitrogen ion implantation, and may allow nitrogen ion implantation only for the pattern portion.

<시험예 3><Test Example 3>

에피층Epilayer 결정성 분석 시험 Crystallinity test

실시예 1 및 비교예 1의 질화갈륨 에피층 성장을 마친 단계에서 에피층의 결정성을 분석하기 위해 이중결정 X-선 회절분석기(Xpert PRO, PAnalitical)로 이중결정 X-선 회절법(DCXRD; double crystal X-ray diffraction)을 실시하여, X-선 요동곡선(X-ray rocking curve)을 도 4에 나타내었다. 그 결과 질화갈륨피크(0002)에서의 X-선 요동곡선(X-ray rocking curve)의 반치폭(FWHM)를 보면, 비교예 1의 경우는 0.096인 반면 실시예 1의 경우는 0.085를 나타낸다. 반치폭이 작은 값을 나타낼수록 균일한 결정이 형성되었다고 할 수 있으므로, 본 발명에 따른 질화갈륨 박막 에피층의 결정성이 종래 기술에 비해 뛰어남을 상기의 결과로부터 확인할 수 있다.Double crystal X-ray diffraction (DCXRD) with a double crystal X-ray diffractometer (Xpert PRO, PAnalitical) to analyze the crystallinity of the epi layer at the end of growth of the gallium nitride epi layer of Example 1 and Comparative Example 1; Double crystal X-ray diffraction was performed, and an X-ray rocking curve is shown in FIG. 4. As a result, looking at the full width at half maximum (FWHM) of the X-ray rocking curve in gallium nitride peak (0002), the comparative example 1 shows 0.096 while the comparative example 1 shows 0.085. Since the smaller the half-value width, the more uniform crystals were formed, it can be confirmed from the above results that the crystallinity of the gallium nitride thin film epilayer according to the present invention is superior to the prior art.

<시험예 4><Test Example 4>

에피층Epilayer 광학적 특성 시험 Optical property test

실시예 1 및 비교예 1의 질화갈륨 에피층 성장을 마친 단계에서 에피층의 광학적 특성을 분석하기 위해 상온에서 질화갈륨의 포토루미네슨스 스펙트럼을 PL장치(RPM2000, Accent optical technologies(영국))로 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 바와 같이 질화갈륨의 발광파장인 365nm에서 실시예 1 의 경우가 비교예 1의 경우보다 높은 강도를 나타냄을 알 수 있다. 또한 질소공공이나 여러 결함으로 인하여 발생하는 550nm파장 부근의 황색발광(yellow luminescence)이 비교예 1에 비해 실시예 1의 경우 현저히 낮은 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 실험예 3의 결과와 마찬가지로 본 발명에 따른 질화갈륨 에피층이 종래기술에 의한 질화갈륨 에피층에 비해 광학적 특성이 우수함을 알 수 있다.In order to analyze the optical properties of the epitaxial layer after the growth of the gallium nitride epitaxial layer of Example 1 and Comparative Example 1, photoluminescence spectra of gallium nitride at room temperature were obtained by using a PL device (RPM2000, Accent optical technologies (UK)). Measured. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, it can be seen that the case of Example 1 has a higher intensity than that of Comparative Example 1 at 365 nm, which is a light emission wavelength of gallium nitride. In addition, it can be seen that yellow luminescence near 550 nm wavelength due to nitrogen voids or various defects shows a significantly lower value in Example 1 than in Comparative Example 1. It can be seen that the gallium nitride epi layer according to the present invention is superior to the gallium nitride epi layer according to the prior art as in the result of Experimental Example 3, the optical properties.

<시험예 5><Test Example 5>

N-형 N-type 도핑된Doped 질화갈륨Gallium nitride 에피층Epilayer 결정성 시험 Crystallinity test

실시예 1 및 비교예 1의 도핑이 되지 않은 질화갈륨 에피층 위에 N-형 도핑된 질화갈륨 에피층을 성장시켜 그 결정성을 확인하기 위해 이중결정 X-선 회절분석기(Xpert PRO, PAnalitical)로 이중결정 X-선 회절법(DCXRD; double crystal X-ray diffraction)을 실시하여, X-선 요동곡선(X-ray rocking curve)을 도 6에 나타내었다. 그 결과 질화갈륨피크(0002)에서의 X-선 요동곡선(X-ray rocking curve)의 반치폭(FWHM)를 보면, 비교예 1의 경우는 0.070인 반면 실시예 1의 경우는 0.063을 나타낸다. 반치폭이 작은 값을 나타낼수록 균일한 결정이 형성되었다고 할 수 있으므로, 본 발명에 따른 N-형 도핑된 질화갈륨 에피층의 결정성이 종래 기술에 비해 뛰어남을 확인할 수 있다.N-type doped gallium nitride epitaxial layers were grown on the undoped gallium nitride epitaxial layers of Example 1 and Comparative Example 1 with a double crystal X-ray diffractometer (Xpert PRO, PAnalitical) to confirm their crystallinity. Double crystal X-ray diffraction (DCXRD) was performed to show an X-ray rocking curve (X-ray rocking curve) in FIG. 6. As a result, looking at the full width at half maximum (FWHM) of the X-ray rocking curve in gallium nitride peak (0002), the comparative example 1 shows 0.070 while the comparative example 1 shows 0.063. Since the smaller the half-value width, the more uniform the crystal was formed, it can be seen that the crystallinity of the N-doped gallium nitride epitaxial layer according to the present invention is superior to the prior art.

<시험예 6><Test Example 6>

UVUV LEDLED 의 광학적 특성 시험Optical properties test

실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 UV LED의 광학적 특성을 시험하기 위하여, 웨이퍼 상에서 전극을 설치하고, 100mA의 전류를 흘려주어 각각 2개의 UV LED에 대하여 그 광도를 LED chip tester(ELT-1000, Ecopia21)로 측정하였다. 그 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었으며, 그 결과를 보면 실시예 1 및 실시예 2 모두 비교예 1에 비해 광도가 79~80% 향상된 값을 나타냄을 알 수 있다. 실시예 1의 질소주입처리 패턴부의 표면적이 전체 표면적의 60%이고 실시예 2의 경우 33%임에도 광도 향상 효과가 비슷한 정도를 나타내고 있다. 즉, 질소주입처리 패턴부의 표면적에 관계없이 광도 향상 효과가 뛰어나다는 결과가 나타난 이유는 본 발명의 반복형성된 균일한 패턴 때문인 것으로 판단된다. 또한, 실시예 1에 비해 실시예 2의 광도가 다소 높은 값을 나타내는 것은, 실시예 2의 단결정기판 표면의 패턴부 및 구획부의 형상이 모두 육각형을 나타낸 것이, 육방정계인 질화갈륨의 결정 성장 측면에서 유리한 영향을 준 인자 중 하나라고 판단된다.In order to test the optical properties of the UV LEDs prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 1, an electrode was placed on the wafer, and a current of 100 mA was applied to the LED chip tester. (ELT-1000, Ecopia21). The results are shown in FIGS. 7 and 8, and from the results, it can be seen that Examples 1 and 2 both exhibit 79 to 80% improved brightness compared to Comparative Example 1. Although the surface area of the nitrogen injection treatment pattern part of Example 1 is 60% of the total surface area and 33% of Example 2, the degree of brightness enhancement effect is similar. That is, the reason that the result of the excellent brightness enhancement effect is shown regardless of the surface area of the nitrogen injection treatment pattern portion is considered to be due to the repeated uniform pattern of the present invention. In addition, the luminosity of Example 2 is slightly higher than that of Example 1, in which the pattern portion and the partition portion of the surface of the single crystal substrate of Example 2 are hexagonal, indicating that the crystal growth side of gallium nitride, which is hexagonal, has a hexagonal shape. It is considered to be one of the factors that have a favorable effect on.

상기 결과는 패턴의 형태나 질소이온주입부의 면적이 상이함에도 종래 기술에 비해 본 발명에 따른 UV LED의 광학적 특성이 우수함을 나타내는 것이다. 상기의 결과는 질소이온주입 처리된 표면은 격자 부정합을 완화하게 되고, 질소이온주입 처리되지 않은 표면에서 성장된 에피층은 성장속도 차이에 의해 수평성장(측면성장)을 함으로써 격자 부정합이 완화되는 효과가 복합적으로 발생하며, 균일한 패턴에 의해 상기 복합적 효과도 전체 기판에 대하여 균일하게 발생하게 되어, 상기 에피층으로 부터 성장된 UV-LED의 광학적 특성 또한 개선된 것으로 판단된다.The above results indicate that the optical characteristics of the UV LED according to the present invention are superior to those of the prior art even though the shape of the pattern or the area of the nitrogen ion injection unit is different. The above results indicate that the surface treated with nitrogen ion implantation mitigates lattice mismatch, and the epitaxial layer grown on the surface without nitrogen ion implantation mitigates lattice mismatch by horizontal growth (side growth) due to the growth rate difference. Is generated in a complex manner, and the complex effect is uniformly generated for the entire substrate, and the optical properties of the UV-LED grown from the epitaxial layer are also improved.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판은 질화갈륨 박막의 성장을 종래와 다른 방식으로 빠르게 성장시킬 수 있으며, 결과적으로 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 단결정기판을 이용한 질화갈륨 박막 제조방법은 제작이 용이하고 질화갈륨 박막의 결정성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있으며, 상기 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및 레이저다이오드는 광학적 특성이 우수하다.As described above, the single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film according to the present invention can quickly grow the growth of the gallium nitride thin film in a manner different from the conventional one, and as a result, the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film can be improved. . In addition, the gallium nitride thin film manufacturing method using the single crystal substrate is easy to manufacture and can improve the crystallinity and optical properties of the gallium nitride thin film, the light emission including the gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing the gallium nitride thin film Diodes and laser diodes have excellent optical properties.

Claims (17)

사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 및 비화칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 원소로 이루어진 기판; 및 A substrate made of an element selected from the group consisting of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon and potassium arsenide; And 상기 기판의 평면 상에, 복수 개의 규칙적으로 반복형성된 패턴이며, 표면에 질화알루미늄막이 형성되어 있는 질소이온주입 패턴부; 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 포함하는 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판.A nitrogen ion implantation pattern portion having a plurality of regularly repeated patterns on the plane of the substrate and having an aluminum nitride film formed thereon; And a gallium nitride non-injection partition which partitions the pattern. 제 1항에 있어서, 상기 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판.2. The single crystal substrate of claim 1, wherein the pattern is circular, elliptical, striped (striped) or polygonal. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 질소이온주입 패턴부에 대한 질소이온의 도즈량은 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 이고, 주입에너지는 10 내지 100 keV범위인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판.The method of claim 1, wherein the dose of nitrogen ions to the nitrogen ion injection pattern portion is 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 , the injection energy is in the range of 10 to 100 keV Single crystal substrate for producing gallium nitride thin film. (a) 단결정기판을 준비하는 단계;(a) preparing a single crystal substrate; (b1) 상기 단결정기판의 표면에 유전체층을 성장시키는 단계;(b1) growing a dielectric layer on the surface of the single crystal substrate; (b2) 상기 유전체층의 표면에 복수개의 규칙적으로 반복형성된 패턴을 구획하는 구획부보호막을 형성하는 단계;(b2) forming a compartmental protective film that partitions a plurality of regularly repeated patterns on the surface of the dielectric layer; (b3) 상기 패턴의 유전체층을 제거하여 패턴부를 형성하는 단계;(b3) forming a pattern portion by removing the dielectric layer of the pattern; (b4) 상기 패턴부에 질소이온을 주입하여 질소이온주입 패턴부를 형성하는 단계;(b4) forming a nitrogen ion injection pattern part by injecting nitrogen ions into the pattern part; (b5) 상기 구획부보호막을 제거하는 단계; 및(b5) removing the compartment protection film; And (b6) 상기 구획부보호막이 제거된 후에 노출된 유전체층을 제거하여 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 형성함으로써, 상기 단결정기판의 동일 평면상에 규칙적으로 반복형성된 패턴을 포함하는 질소이온주입 패턴부 및 상기 패턴을 구획하는 질소이온비주입 구획부를 형성하는 단계; 및(b6) nitrogen ion implantation including a pattern regularly repeated on the same plane of the single crystal substrate by forming a nitrogen ion non-injection compartment partitioning the pattern by removing the exposed dielectric layer after the partition protection film is removed; Forming a pattern portion and a nitrogen ion non-injection compartment that partitions the pattern; And (c) 상기 질소이온주입 패턴부 및 질소이온비주입 구획부의 표면에 질화갈륨박막을 성장시키는 단계를 포함하는 질화갈륨 박막 제조방법.(C) a gallium nitride thin film manufacturing method comprising the step of growing a gallium nitride thin film on the surface of the nitrogen ion implantation pattern portion and the nitrogen ion non-injection compartment. 제 5항에 있어서, 상기 단결정기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 실리콘 및 비화갈륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the single crystal substrate is made of an element selected from the group consisting of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon, and gallium arsenide. 제 5항에 있어서, 상기 (b2)단계의 패턴의 형상은 원형, 타원형, 스트라이프형(줄무늬형) 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the shape of the pattern of step (b2) is circular, elliptical, striped (striped) or polygonal. 제 5항에 있어서, 상기 (b4)단계의 질소이온주입처리는 이온도즈량 1×1015/cm2 내지 1×1017/cm2 및 주입에너지 10 내지 100 keV범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The nitrogen ion implantation treatment of step (b4) is performed in the range of ion dose 1 × 10 15 / cm 2 to 1 × 10 17 / cm 2 and injection energy of 10 to 100 keV. Gallium thin film manufacturing method. 삭제delete 제 5항에 있어서, 상기 유전체층은 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3N4) 또는 실리콘산화질화막(SiON)인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the dielectric layer is a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), or a silicon oxynitride film (SiON). 제 5항에 있어서, 상기 (b2)단계의 구획부보호막을 형성하는 방법은 포토리소그래피공정, 잉크젯법 또는 임프린팅법인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the method of forming the compartmental protective film of step (b2) is a photolithography process, an inkjet method or an imprinting method. 제 5항에 있어서, 상기 (b3)단계의 유전체층을 RIE로 제거하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the dielectric layer of step (b3) is removed by RIE. 제 5항에 있어서, 상기 (b6)단계의 유전체층 제거는 불산으로 제거하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the removing of the dielectric layer of step (b6) is performed with hydrofluoric acid. 제 5항에 있어서, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 먼저 기판에 완충층을 형성한 후, 그 위에 에피층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the gallium nitride thin film growth of step (c) comprises first forming a buffer layer on the substrate, and then forming an epitaxial layer thereon. 제 5항에 있어서, 상기 (c)단계의 질화갈륨 박막 성장은 유기금속화학기상증착법, 분자선 에피탁시법, 원자층단위증착법 또는 플라즈마화학증착법에 의한 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막 제조방법.The method of claim 5, wherein the gallium nitride thin film growth of step (c) is performed by an organometallic chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy method, atomic layer unit deposition method or plasma chemical vapor deposition method. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 4항의 질화 갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드.A light emitting diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by the single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film of claim 1. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 4항의 질화갈륨 박막 제조용 단결정기판에 의해 제조된 질화갈륨 박막을 포함하는 레이저다이오드.A laser diode comprising a gallium nitride thin film manufactured by a single crystal substrate for producing a gallium nitride thin film according to claim 1 or 2.
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