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KR100279737B1 - 전계방출소자와 광소자로 구성된 단파장 광전소자 및 그의 제작방법 - Google Patents

전계방출소자와 광소자로 구성된 단파장 광전소자 및 그의 제작방법 Download PDF

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KR100279737B1
KR100279737B1 KR1019970070316A KR19970070316A KR100279737B1 KR 100279737 B1 KR100279737 B1 KR 100279737B1 KR 1019970070316 A KR1019970070316 A KR 1019970070316A KR 19970070316 A KR19970070316 A KR 19970070316A KR 100279737 B1 KR100279737 B1 KR 100279737B1
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조경익
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Abstract

본 발명은 전계방출소자와 광소자로 구성된 단파장 및 그의 제작방법에 관한 것으로서, 광전소자 기판상에 초격자 완충층, 광도파층, 양자우물층, 브레그 회절 초격자층을 차례로 증착하고, 상기 기판의 이면상에 1차 절연막, 1차 금속막, 2차 절연막, 2차 금속막을 차례로 적층하고, 상기 2차 금속막상에 마스크 패턴을 형성한 후 노출된 2차 금속막으로부터 기판을 차례로 식각하여 상기 기판의 상표면상에 형성된 초격자 완충층의 표면을 노출시키는 비아홀을 형성하며, 상기 비아홀의 저면에 광반사막을 형성하고, 상기 기판의 상표면상의 브레그 회절 초격자층, 양자우물층, 광도파층을 메사구조를 가지도록 식각하고, 그 표면상에 양전극 금속막을 증착하여 광소자를 제조한 후 전계방출 소자 기판상에 절연막, 1차 금속막, 절연막, 2차 금속막, 고전압 절연막 및 3차 금속막을 차례로 적층하고, 상기 1차 내지 3차 금속막과 절연막을 감광막 패턴을 이용하여 상부로부터 차례로 식각하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 개구를 형성하는 것에 의해 기판상에 그리드 금속, 1차 가속 전극 및 1차 집속전극을 형성하며, 상기 노출된 기판상에 음극용 탈침을 형성하는 것에 의해 전계방출 소자 어레이를 제조하고, 상기 광소자와 전계방출 소자 어레이를 지지기둥을 이용하여 소정의 간격으로 유지시켜 합착함으로써, 반도체를 p-n 접합을 만들기 위한 불순물도핑이 필요치 않으며, 고에너지의 전자는 하나 이상의 전자-정공쌍을 발생시키게 되므로 매우 높은 효율을 낼 수 있는 효과를 갖는다.

Description

전계방출소자와 광소자로 구성된 단파장광전소자 및 그의 제작방법
본 발명은 전계방출소자와 광소자를 조합하여 제작할 수 있는 소형의 표면방출형 단파장 광전소자의 구조 및 그이 제조방법에 관한 것이다.
단파장 레이저는 디스플레이용 광기록매체의 기록밀도를 높이거나, 의료용 기기, 측정기기 등에 수많은 용도가 있는데, 특히 광기록의 밀도를 현재 개발되어 있는 수 기가 바이트(Gbyte)급에서 수 십 배로 높일 수 있어 멀티미디어 정보 지원 기기(multimedia information server)와 같이 정보 통신용 장치의 용량을 크게 늘릴 수 있다.
종래의 기술로 He-Cd 가스 플라즈마나 주파수 변조(Frequency Modulation)와 같은 방식의 자외선레이저는 장치가 크고 비싸며 유지비용이 크게들어 마이크로일렉트로닉스(microelectronics)에 응용 하지 못하고 있다.
이에 반해, 최근에 SiC, AIN, GaN, ZnSe과 같은 광대역 갭(Wide Band Gap)화합물 반도체가 단파장용 광소자에의 응용 목적으로 활발히 연구개발되어 왔으며, 400-500nm대의 청색 발광소자(LED)가 1994년에 실용화되었고, 더욱 근래에는 1000시간 이상 동작하는 청색 레이저 다이오드(laser diode)가 보고되었다.
그러나 아직도 반도체를 이용한 400nm 이하의 단파장 대역에서 유용한 성능을 내는 광전소자는 매우 제작하기가 힘들고 특히, 반도체로 만들어진 초소형 자외선 레이저 다이오드는 현재까지 발표된 바 없으며, 단파장 대역(<400nm)에서 안정되게 동작하는 표면방출형 반도체 광전소자는 물리적으로 소자특성을 맞출 수 있는 재료나 구조가 완전히 개발되지 않았고, 더욱이 전기 저항과 오믹접합저항이 커서 전자나 정공의 캐리어 주입이 매우 어려워 원하는 전류를 주입시킬 수 없는 어려움으로 인하여 실현되지 못하는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 광대역 갭 재료를 이용하여 단파장 광전자를 제작하는 기술로 캐리어(carrier)의 주입방법을 p-n접합에 전류를 흘리는 소수 캐리어(minority carrier) 주입(injection)이 아니고 음극선발광(cathodluminescence) 현상, 즉 높은 에너지의 전자선을 주입하여 전자-정공쌍을 형성하고 그들의 재결합으로 광자를 얻는 방법을 이용하는 광전소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광소자와 전계방출 소자 어레이의 접합으로 구성되어 자외선 파장과 그 이하의 단파장 광을 방출하는 초소형 표면방출 광전소자에 있어 광전소자 기판의 표면상에 차례로 적층시킨 완충층, 광도파층, 양자 우물층, 및 브레그 회절 초격자층, 상기 기파늬 이면에 차례로 형성한 절연막, 2차 집속전극, 고전압 절연막 및 2차 가속전극, 상기 기판의 이면에 상기 절연막, 2차 집속전극, 고전압 절연막, 2차 가속전극 및 기판을 소정의 면적으로 제거하여 형성시킨 비아홀, 상기 비아홀의 저면에 형성시킨 광 반사막, 상기 기판상측에 메사구조로 식각된 브레그 회절 초격자, 양자 우물층, 광도파층의 표면에 형성시킨 양 전극 금속막의 광전소자, 전계방출 소자 기판상에 형성시킨 복수개의 음극탐침, 상기 음극탐침을 소정의 공간을 두고 둘러싸도록 벌집형으로 이루어진 개구를 형성하여 기판상에 차례로 형성한 기판상의 절연막, 그리드 금속전극, 절연막, 1차 가속전극, 고전압 절연막, 1차 집속전극의 전계 방출 소자 어레이 및 상기 광소자와 전계방출 소자 어레이의 지지기둥에 의해 소정의 간격으로 격리하여 합착시킨 초소형 표면방출구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광전소자 기판상에 초격자 완충층, 광도파층, 양자우물층, 브레그 회절 초격자층을 차례로 증착하는 공정, 상기 기판의 이면상에 1차 절연막, 1차 금속막, 2차 절연막, 2차 금속막을 차례로 적층하고, 상기 2차 금속막상에 마스크 패턴을 형성한 후, 노출된 2차 금속막으로부터 기판을 차례로 식각하여 상기 기판의 상표면상에 형성된 초격자 완충층의 표면을 노출시키는 비아홀을 형성하는 공정과 상기 비아홀의 저면에 광반사막을 형성하는 공정, 상기 기판의 상표면상의 브레그 회절 초격자층, 양자우물층, 광도파층을 메사구조를 가지도록 식각하고, 그 표면상에 양전극 금속막을 증착하여 광소자를 제조하는 공정, 전계방출 소자 기판상에 절연막, 1차 금속막, 절연막, 2차 금속막, 고전압 절연막 및 3차 금속막을 차례로 적층하는 공정, 상기 1차 내지 3차 금속막과 절연막을 감광막 패턴을 이용하여 상부로부터 차례로 식각하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 개구를 형성하는 것에 의해 기판상에 그리드 금속, 1차 가속전극 및 1차 집속전극을 형성하는 공정, 상기 노출된 기판상에 음극용 탐침을 형성하는 것에 의해 전계방출 소자 어레이를 제조하는 공정 및 상기 광소자와 전계방출 소자 어레이를 지지기둥을 이용하여 소정의 간격으로 유지시켜 합착하는 공정을 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
제1도는 본 발명에 의한 표면 방출 광소자의 제조 공정 단면도.
제2도는 본 발명에 의한 전계방출 소자 어레이의 제조 공정 단면도.
제3도는 본 발명에 의한 표면방출 단파장 광전소자의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광전소자 기판(Optoelectronic Device Substrate)
2 : 초격자 완충층(Super Lattice Buffer Layer)
3 : 광도파 층(Wave Guide Layer)
4 : 양자우물층(Quantum Well Layer)
5 : 브래그 회절 초격자층(Bragg Diffraction Superlattice Layer)
6 : 절연막(Insulator Film)
7 : 2차 가속 전극(Second Acceleration Electrode)
8 : 고전압 절연막(High Voltage Insulator Film)
9 : 2차 집속전극(Second Focusing Electrode)
10 : 광 반사막(Light Reflection Film)
11 : 비아 홀(Via Hole)
12 : 메사형 패턴(Mesa Type Pattern)
13 : 양전극 금속박막(Anode Metal Film)
14 : 전계방출소자 기판(Field Emission Device Substrate)
15 : 그리드 금속전극(Grid Metal Electrode)
16 : 1차 가속 금속 전극(First Acceleration Metal Electrode)
17 : 1차 집속전극(First Focusing Electrode)
18 : 감광막 패턴(Photoresist Pattern)
19 : 원추형 음극탐침(Conical Shape Cathode Tip)
20 : 지지기둥(Support Pillar)
본 발명은 5-6eV 부위의 에너지 밴드갭, 즉 200-400nm 정도의 단파장 광소자를 제작하는 방법에 대한 것으로, 전계방출소자에서 주입되는 높은 에너지의 전자로 전자-정공쌍을 생성시키며 그들의 재결합시 광자를 방출하는 원리를 이용하는 데, 상기 광소자를 구성하는 부분적인 구조를 보면 양자우물과 브래그회절 초격자층이 하나의 쌍으로 구성되는데, 위의 초격자층과 아래의 광반사막 사이에 양자우물층을 넣어 가두어진 광자의 재결합을 양자우물층에 집중시킴으로써 전자선에 의해 전자-정공 쌍의 생성효율을 최대한으로 높이고 광자의 에너지도 동일한 하나의 값으로 집중되도록 유도한다.
또한 전계방출소자 어레이에서 전자를 추출하여 전자 가속단을 통해 높은 에너지로 가속하여 SiC, AlN, GaN, ZnSe와 같이 넓은 에너지 밴드갭(wide energy band gap;WBG) 소재에 주입하여 전자-정공쌍을 생성시키고, 음극선발광(cathodoluminescence) 현상으로부터 광자(Photon)을 얻어내며, 양자우물과 브래그회절과 광반사막을 가지는 광전소자의 제한영역에 광자를 가두어 전자-정공쌍의 스티뮬레이션(stimulation) 및 광자의 오실레이션(oscillation)을 유도함으로써 소자의 표면방향으로 집중되어 방향성이 높은 표면발광 특성을 얻는데, 이 방식은 p-n접합과 오믹접합이 매우 어려운 WBG 화합물 반도체로부터 단파장 즉, 고 에너지의 광자를 발생하는 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD)와 같은 광전소자의 제작을 구현하는 매우 유용한 방법을 제공함으로써 전계 방출소자 어레이의 음극탐침(cathode tip)과 그리드 사이의 전압차이에 의해 터널링효과(tunneling effect)를 통해 전자를 방출시킨다.
이때 전자빔 방출의 효율은 음극전극의 일함수(work function), 탐침의 반경 그리고 탐침과 그리드 사이의 전압차 등에 의해 좌우되며, 발생된 전자는 1차와 2차 가속전극에 의해 수 KV의 높은 에너지로 가속되어 광전소자의 내부로 주입됨으로써 광전소자는 고에너지로 주입된 전자에 의해 발생된 전자-정공쌍(electron-hole pair)을 좁은 영역에 가두어 발광효율을 높게 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 표면방출 광소자의 대략적 제작 단면도를 나타낸다.
제1(a)도는 실리콘탄소(SiC)나 갈륨비소(GaAs) 또는 사파이어(sapphire)와 기판(1)위에 계면결함을 최소한으로 줄이기 위해 400℃ 내지 800℃의 저온에서 초격자 완층층(2)을 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x와 같은 초격자의 형태로 성장함으로써, (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x의 초격자층은 격자상승의 차이에 의해 발생되는 응력을 완화하게 되고, 또한 계면에서 발생된 결함이 상층으로 전파되는 정도를 줄임으로써 그 위에 성장되는 에피층으로 전파되는 결함밀도를 최소한으로 한다.
이들 에피층은 양극전극으로 사용되어야 함으로 전류의 흐름을 원할히 하기 위해 n-형 또는 p-형의 불순물로 Ⅱ 또는 Ⅵ 계인 Zn, Mg, Be, S, Se, Te등을 성장과 동시에 주입하고, 상기 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x에서 분몰인 x를 조절하여 광도파층(3)과 양자우물층(4)을 각각 차례로 성장하여, 그 위에 다시 브래그(Bragg) 회절 조건을 만족시키는 조건의 막으로써 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x의 브래그 회절 초격자층(5)을 성장시킨다.
상기 SiC와 AIN은 격자상수의 불일치가 매우 작아 스트레인으로 인한 결함의 생성이 무시될만 하지만 SiC가 간접천이 에너지밴드(energy band) 구조를 가지므로 SiC의 x, 분률을 낮게 유지하여야 직접천이 밴드구조를 유지하고, 그럼으로써 높은 양자효율을 가지게 한다.
반대로 AIN과 GaN은 격자상수 불일치가 2%나 되어 둘 다 직접 천이형 에너지 밴드 구조를 가짐에도 불구하고, AIN과 GaN의 이중접합구조(heterostructure)를 성장할 때에도 또한 분몰이 약 0.2 이내로 조절되어야 결정내부에 결함이 적은 양질의 물리적 특성을 갖는 에피층을 성장할 수 있다.
이때 단결정(single crystal)의 이종접합 에피택셜(epitaxial)층들은 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy)법이나 유기 금속 화학증착(metal organic chemical vapor deposition)법과 같은 성장기술을 이용하여 원자층 수준으로 정확하게 제어하면서 성장시킨다.
또한 초박막(superlattice film)과 다성분박막의 성장에 분자선 에피기술이 매우 유용한데, 상기 분자선 에피택시는 질소분자 가스를 플라즈마로 분해하여 얻은 원자형태의 반응성이 높은 질소 래디칼(radical)로 만들어 공급하도록 하고, 질소가스의 유량은 1sccm 내지 10sccm으로 조절하여 성장시 챔버의 진공이 10-4torr에서 10-5torr가 되도록 하며, 질소가스 플라즈마는 PBN(pyrolitic boron nitride)로 만들어지며 불순물의 주입이 적도록 유지하기 위해 가스 주입부가 고주파(rf) 유도(induction) 코일에서 떨어지도록 하는데, 상기 고주파는 통상의 13.56MHz를 이용하고, 질소가스의 충분한 분해를 얻는 조건인 300 내지 600W의 전력을 이용하며, 플라즈마를 발생시킬 때 고주파 매칭(matching)이 잘되지 않아 높은 전기장이 국부적으로 집중되어 PBN에 손상을 입히게 되는 현상을 방지하기 위해 전기 전도도와 고온 안정성이 높은 박막을 고주파 코일과 PBN 사이에 위치시키고, 플라즈마 챔버의 끝부분에는 약2mm 직경의 노즐이 있어 플라즈마가 집속되도록 하고, 그 위에 금속으로 만든 편향전극을 두어 질소이온(nitrogen ion)을 편향시키거나 가속 또는 감속시킴으로써 시편을 성장할 때 플라즈마에 들어 있는 이온의 역할을 자유자재로 조절할 수 있도록 하며, 실리콘과 카본은 Si, SiH4, 파이롤리틱 그래파이트(pyrolitic graphite), C2H8, C2H4등의 고체 또는 기체 소스로부터 공급할 수 있도록 한다.
한편 상기 완층층(2)의 성장에는 20-50eV의 이온빔을 이용하여 저온에서 낮은 표면 이동으로 인한 표면 거칠기를 줄이고 평탄도가 우수한 완층층을 성장하며, 광전기적으로 활성층이나 양자 우물층에는 플라즈마에서 공급되는 이온이 결함을 발생시키는 정도를 최소한으로 하기 위하여 이온의 에너지를 15eV 이하로 줄이고, 기판의 온도를 750℃ 이상 높이고, 이온과 중성의 비율을 10-2이하로 조절하는데,
이러한 에너지와 기판의 온도와 이온이 들어 있는 양에 대한 조건은 상기 성장장치에서 양질의 박막을 얻는데 매우 중요하다.
또한 상기 브래그 회절 초격자층(5)은 양자우물층(4)에서 일어나는 캐리어 재결합에 해당되는 광자의 파장에 따라 브래그 회절의 조건을 맞추도록 설계되며 상분리(phase separation) 현상에 의한 결정성의 파괴를 막기 위해 혼정화합의 비율(x)은 0.1에서 0.2사이의 값이 이용되고, 초격자층의 주기는 λ/4에 해당되는 SiC-AIN 초격자를 성장시키는데 파장 λ는 양자우물층의 에너지에 해당되는 값으로 결정하며, 또한 양자우물층은 전자의 침투깊이의 중앙치에 해당되는 깊이에 위치하도록 함으로써 전자-정공의 생성효율과 재결합 효율을 최대로 하며, 양자화된 에너지준위가 2 내지 3개까지 형성되도록 하기 위해 양자 우물층의 두께는 10-30nm에서 설정한다.
이어서, 제1(b)도에 도시한 바와 같이, 광전소자 기판(1)의 뒷면에 절연막(6), 2차 집속 전극(9)용 금속, 고전압 절연막(8)과 2차 가속 전극(7)용 금속을 차례로증착한 다음, 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 노출된 금속으로부터 완충층(2)의 아래면까지 식각하여 비아 홀(via hole)(11)을 형성하여, 절연막(6,8) 사이에 2차 집속전극(9)을 형성하고, 고전압 절연막(8)상에 2차 가속전극(7)을 형성하며, 이때 상기 전극(9,7)들은 전자의 가속을 위한 2차 가속단의 역할을 하게 되며, 전자의 가속 전극(7)과 집속 전극(9)이 한 조(Pair)로 구성되는데, 이들 전극(9,7)은 몰리브데늄(Mo)이나 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W)과 같이 고융점을 갖는 금속으로 만들어지며 약 0.4미크론(micron)의 두께로 전자빔(e-beam)이나 스퍼터(sputter)와 같은 방법으로 증착한다.
그리고 상기 절연막(6,8)들은 SiH4, O2, NH3의 혼합기체를 고주파 또는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마에서 증착하는 플라즈마 화학증착범을 이용하여 산화실리콘막이나 질화실리콘막 같은 절연체를 약 300℃ 내지 500℃에서 1미크론의 두께로 증착하는데, 단, 가속전극((7)과 집속전극(9)의 사이에는 고전압 절연막(8)으로 알루미나(Al2O3)와 같이 전기적 절연성과 열적인 안정성이 더 우수한 절연체박막을 사용하여 약 0.2-0.4미크론의 두께로 사용하며, 절연막과 금속전극은 아르곤(Ar) 가스를 포함하는 반응성 혼합가스로서 CF4, CCl2F2, Cl2등의 가스를 사용하는데 물리적인 식각의 특성을 향상시키기 위해 플라즈마 포텐셜(plasma potential)에 의해 가해지는 이온의 가속전압이 200V이상으로 되도록 조절하고, 사진전사막의 경화 내지는 탄화를 방지하기 위해 시편의 온도는 250℃이하로 유지하며, 또한 식각 공정이 끝난 뒤에는 산소플라즈마로 잔류하는 탄소성분을 제거하는데, 이때 산소플라즈마는 100-1000mtorr의 압력에서 50W 내지 100W의 고주파 전력을 사용한다.
그 후에 절연막(8,6)의 선택적 식각과 초격자 버퍼층(2)의 아래부분에 식각시 발생되는 결함을 줄이기 위해 HF, NH3OH, HNO3, H2O2를 혼합한 화학용액을 이용하여 부가적으로 습식식각을 하여 표면의 수십 nm에 해당되는 막을 제거한다.
본 발명의 광소자에서 2단의 가속전극을 사용하는 이유는 전자-정공쌍의 생성률을 높게 하기 위해 양극의 전압을 높이고 전자들이 집속되도록 하기 위함이며, 프라즈마의 생성없이 진공중에서 인가할 수 있는 최대의 전계(electric field)는 약 2.5×104V/cm 이므로 최대 가속전압은 수KV 까지도 가능하도록 가속전극과 양극의 위치가 조절되도록 제작되고, 전자의 충돌에 의해 광자가 발생되는 곳은 전자의 에너지에 의해 결정되는데, 전자가 집속하여 전자-정공을 발생시키는 광소자의 내부 표면에서 수백nm 부위가 해당되며 양자우물의 에너지보다 높은 에너지의 광자는 양자 우물층(4)에 재흡수-방출을 거쳐 단일 에너지의 광자로 전환하게 된다.
또한, 광사진전사 기술과 리프트-오프(lift-off) 기술을 이용하여 식각된 비아 홀(11)의 바닥표면에 광전반사막(light full reflection layer)(10)을 증착함으로써 광자의 뒷면이탈을 방지하는 동시에 활성층 부위에 광자 및 캐리어를 집속시킬 수 있도록 하며, 상기 초격자 완충층(2)과 그 위의 반도체층들은 양극으로 역할을 해야 하므로 S, Si, Se와 같은 원자를 불순물(impurity)로 도핑(doping)하여 n-형으로 만들며, 이러한 불순물의 농도는 1018cm-3이상으로 함으로써 전기의 면저항이 수백 Ω/? 이하로 만든다.
상기 광사진전사기술로 감광막을 마스크로 만들어 광소자의 광자가 방출되는 창문(window) 부위를 노출시키고, 반응성 이온식각(recative ion etching)과 이온빔식각(ion beam etching) 등을 이용하여 메사형태(12)의 활성층을 남기는데, 이온빔식각시에는 광전소자 기판(1)과 이온빔의 사이각을 30°내지 70°의 각을 이루어 식각하여 메사(mesa) 형태로 만들어 빛이 방출될 수 있는 창(window) 모양을 만들고, 양전극-금속박막(13)을 증착한 후에 리프트-오프 기술로 레이저 활성층위의 감광막과 금속막을 제거한다.
상기 리프트 오프(lift-off) 기술은 보통 아세톤 용액속에 시편을 담근 후 초음파 처리를 하여 잔류하는 금속막이 없도록 하며, 제1(c)도에 도시한 바와 같이 양전극 금속박막(13)을 남긴 후 상기 시편의 표면에 자외선을 통과시키는 MgO, Al2O3, CaO의 산화막이나 8.8eV의 높은 에너지갭을 가지는 NaCl 막을 수십 미크론 이상 증착하여 압력차에 의해 발생되는 소자의 불안정성을 없애며, 동시에 발생되는 열방출을 돕게 하기 위해 열전도가 높도록 방열판과 접촉이 되도록 한다.
제2도는 본 발명에 의한 전계방출소자 어레이의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
이하 제2(a)도 내지 제2(c)도를 참조하여, 전계방출소자 어레이의 제조방법에 대하여 설명하면 제2(a)도에 도시한 바와 같이, 전계방출소자 어레이를 제조하기 위하여 전계방출소자 기판(14)상에 실리콘산화막이나 실리콘질화막 또는 알루미나(Al2O3)와 같은 절연막(6)을 증착하고, 이 절연막(6) 위에 금속박막(15)을 플라즈마 증착기술(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD)이나 스퍼터링(sputtering) 또는 전자선증착 기술(e-beam evaporation)등의 기술을 이용하여 차례로 증착하고, 이 금속박막(15) 위에 절연막(6)과 전극용 금속박막(16), 고전압 절연체 박막(8) 및 전극용 금속박막(7)을 차례로 증착하는데, 이때 상기 전계방출 소자 기판(14)은 실리콘 웨이퍼나 갈륨비소 또는 금속판 등의 전기 전도도와 열전도도가 우수한 물질을 사용하며, 상기 절연막(6,8) 사이에 형성되는 전극용 금속박막(16,17)은 고융점을 갖는 Mo, Ta, W 등의 금속으로 만들어져 전자의 추출을 담당하는 그리드(grid)와 1차 가속전극과 전자를 집속시키는 렌즈의 역할을 한다.
이어서, 제2(b)도에 도시한 바와 같이, 절연막(6,8)과 금속박막(15,16,17)을 차례로 증착한 후, 금속박막(17)상에 감광막 패턴(18)을 형성하고, 노출된 금속박막(17,16,15)과 절연막(8,6)을 적층된 순서에 따라 차례로 식각하여 그리드 및 가속 전극단의 금속박막(17,16)을 노출시키는 동시에, 전계방출소자 기판(14)의 표면을 소정의 면적으로 노출시키는 개구를 형성한다.
이어서, 제2(c)도에 도시한 바와 같이, 텅스텐(W)이나 몰리브데늄(Mo) 또는 탄탈륨(Pt)과 같은 금속을 전자빔으로 증착하여 전계방출 소자 기판(14)상에 전계 방출용 금속탐침(19)을 원추형으로 형성하고, 감광막 패턴(18)과 그 위의 금속막을 제거한다.
상기 금속막의 증착시 전계방출의 효율을 높게 하기 위해 음극탐침(19)의 상부를 날카롭고 균일하게 해야 하는데, 이는 기판(14)을 경사지게 한 상태에서 회전시키면서 금속막을 증착시키는 것에 의해 얻어지며, 이때 상기 금속탐침(19)의 반경은 20nm이하로 조절하며 게이트의 직경은 약1.5미크론으로 한다.
제3도는 본 발명에 의한 전계방출 소자와 광소자로 구성된 단파장 광전소자의 단면도를 나타낸다.
본 발명의 광전소자는 제3도에 도시한 바와 같이, 상기 제1도와 제2도의 공정에 의해 제조된 광소자와 전계방출 소자 어레이를 지지 기둥(20)을 이용하여 소정의 간격으로 격리시켜 합착하여 제조되며, 광소자와 전계방출 어레이를 합착하는 접합재로는 실리게이트(silicate)를 이용하고, 내부 공간을 10-7torr 이하의 고진공으로 유지하는데, 이때 고진공상태에서 실링(sealing)하기 전에 200℃ 내지 400℃ 사이의 온도로 가열하여 30분이상 유지함으로써 추후 일어나는 가상리크(virtual leak)를 최소한으로 줄임으로써, 고진공에서 전자의 평균 자유행로를 길게하고 분순물의 오염과 탐침의 열화(deterioration)을 줄일 수 있으며, 이때 지지기둥(20)의 높이는 1차가속과 2차가속단의 사이에 수KV의 전압을 가할 수 있도록 간격을 조절한다.
이러한 실링과정에서 광소자와 전계 방출소자 어레이의 전극들이 5미크론 이내의 정확도를 가지고 정렬되도록 하며, 각각의 음극탐침의 표면에서 가능하게는 1KA/㎠의 높은 전류밀도를 공급할 수 있으나, 탐침 하나 당 방출전류는 낮으므로 레이저소자의 발진에는 충분하지 않다.
따라서 수백개의 탐침이 어레이형으로 집적화된 광폭의 전계방출소자 어레이로부터 나오는 전자선을 2차가속단에서 가속하고 접속하여 양극으로 작용하는 기판(1)의 표면에 도달되는 전자를 최대한으로 하여 고전력 광소자의 동작에 충분한 전류 밀도를 공급하게 되며, 광소자의 뒷면에 만들어지는 2차 가속전극의 아래에 있는 두꺼운 절연체박막은 전자선이 적절히 광소자의 비아 홀 쪽으로 집속(focusing)되도록 모양과 두께가 결정되어 수십 내지 수백개의 전계방출소자 어레이에서 방출된 모든 전자를 모아 하나의 광전소자에 전자를 공급할 수 있도록 한다.
상기 구조에서 전계방출 소자 어레이는 1~5미크론 정도의 간격을 가지고 어레이 형태로 만들어지며, 단위 면적당 전계방출 탐침의 숫자를 최대로 만들기 위해 벌집(beehive) 모양으로 음극탐침을 배열하는데, 예를 들어 비아 홀의 직경이 동일하게 5미크론인 경우 전계방출 소자를 100미크론 직경의 원형면적에 어레이로 넣으면 약200배 많은 전자선 전류를 공급할 수 있다.
이에 따라 상기 각 음극탐침에서 공급되는 전자선이 10-7A 내지 10-5A가 되므로, 이러한 다탐침(multi-tip) 구조로부터 수KA/㎠대의 전류를 광전소자에 가속하여 입사시킬 수 있으며, 가속전압 및 전자빔 전류를 높게 사용하는 경우 레이저 발진에 필요한 최소의 전류인 임계전류(threshold current) 이상으로 전자-정공쌍을 발생시키면 레이저 발진도 가능하고, 또한 광전소자의 발광 특성에 따라 전계방출 소자에 가해지는 전압 및 전류를 자유롭게 조절하여 소자의 수명을 최대한 늘여 사용할 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 소형의 자외선용 광전소자를 초소형의 표면방출형으로 구현할 수 있는 구조 및 제작방법을 제공함으로써, 넓은 밴드갭(wide band gap) 화합물 반도체에 n-p 접합을 만들기 위한 불순물도핑이나 오믹접합 등의 제작공정이 필요치 않고, 가속된 전자는 에너지에 따라 침투깊이와 전자-정공쌍의 생성효율을 결정하여 하나의 전자가 한 쌍 이상을 발생시킬 수 있음에 따라 방출되는 광의 강도는 가속전압 및 전자선 전류에 의해 임의로 조절이 가능하며, 디스플레이용으로 충분한 효율을 낼 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (14)

  1. 광소자와 전계방출 소자 어레이의 접합으로 구성되어 자외선 파장과 그 이하의 단파장 광을 방출하는 초소형 표면방출 광전소자에 있어서, 광전소자 기판의 표면상에 차례로 적층시킨 완충층, 광도파층, 양자 우물층, 및 브레그 회절 초격자층;상기 기판의 이면에 차례로 형성한 절연막, 2차 집속전극, 고전압, 절연막 및 2차 가속전극;상기 기판의 이면에 상기 절연막, 2차 집속전극, 고전압 절연막, 2차 가속전극 및 기판을 소정의 면적으로 제거하여 형성시킨 비아홀;상기 비아홀의 저면에 형성시킨 광 반사막;상기 기판상측에 메사구조로 식각된 브레그 회절 초격자, 양자 우물층, 광도파층의 표면에 형성시킨 양 전극 금속막의 광전소자;전계방출 소자 기판상에 형성시킨 복수개의 음극탐침;상기 음극탐침을 소정의 공간을 두고 둘러싸도록 벌집형으로 이루어진 개구를 형성하여 기판상에 차례로 형성한 기판상의 절연막, 그리드 금속전극, 절연막, 1차 가속전극, 고전압 절연막, 1차 집속전극의 전계 방출 소자 어레이; 및 상기 광소자와 전계방출 소자 어레이의 지지기둥에 의해 소정의 간격으로 격리하여 합착시킨 초소형 표면방출구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단파장 광전소자.
  2. 광소자와 전계방출 소자 어레이의 접합으로 구성되어 자외선 파장과 그 이하의 단파장 광을 방출하는 광전소자의 제조방법에 있어서, 광전소자 기판상에 초격자 완충층, 광도파층, 양자우물층, 브레그 회절 초격자층을 차례로 증착하는 공정;상기 기판의 이면상에 1차 절연막, 1차 금속막, 2차 절연막, 2차 금속막을 차례로 적층하고, 상기 2차 금속막상에 마스크 패턴을 형성한 후 노출된 2차 금속막으로부터 기판을 차례로 식각하여 상기 기판의 상표면상에 형성된 초격자 완충층의 표면을 노출시키는 비아홀을 형성하는 공정;상기 비아홀의 저면에 광반사막을 형성하는 공정;상기 기판의 상표면상의 브레그 회절 초격자층, 양자우물층, 광도파층을 메사구조를 가지도록 식각하고, 그 표면상에 양전극 금속막을 증착하여 광소자를 제조하는 공정;전계방출 소자 기판상에 절연막, 1차 금속막, 절연막, 2차 금속막, 고전압 절연막 및 3차 금속막을 차례로 적층하는 공정;상기 1차 내지 3차 금속막과 절연막을 감광막 패턴을 이용하여 상부로부터 차례로 식각하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 개구를 형성하는 것에 의해 기판상에 그리드 금속, 1차 가속전극 및 1차 집속전극을 형성하는 공정;상기 노출된 기판상에 음극용 탐침을 형성하는 것에 의해 전계방출 소자 어레이를 제조하는 공정;상기 광소자와 전계방출 소자 어레이를 지지기둥을 이용하여 소정의 간격으로 유지시켜 합착하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 음극탐침, 1차 가속전극, 2차 가속전극 형성용 금속은 고융점 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 완충층은 400℃ 내지 800℃의 저온에서 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x와 같은 초격자의 형태로 성장하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 광도파층, 양자 우물층 및 브레그 회절 초격자층은 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x으로 형성하고, 전류의 흐름을 원활히 하기 위해 n-형 또는 p-형의 불순물로 Ⅱ 또는 Ⅵ계인 Zn, Mg, Be, S, Se, Te 등을 성장과 동시에 주입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광도파층과 양자우물층은 (SiC)x(GaN)1-x나 (AIN)x(GaN)1-x의 분몰인 x를 조절하는 것에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 1차 가속전극 및 2차 가속전극은 몰리브데늄(Mo)이나 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W)과 같이 고융점을 갖는 금속을 약 0.4미크론(micron)의 두께로 전자빔(e-beam)이나 스퍼터(sputter) 법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 절연막은 SiH4, O2, NH3의 혼합기체를 고주파 또는 ECR 플라즈마에서 증착하는 플라즈마화학증착법을 이용하여 산화실리콘막이나 질화실리콘막 같은 절연체를 약 300℃ 내지 500℃에서 1미크론의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 고전압 절연막은 알루미나(Al2O3)를 0.2-0.4미크론의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 절연막, 고전압 절연막 및 1차 내지 3차 금속전극은 CF4, CCl2F2,Cl2등의 아르곤 가스를 포함하는 반응성 가스를 사용하여 물리적인 식각의 정도를 높이기 위해 플라즈마 포텐셜(plsma potential)에 의해 가해지는 이온 가속전압을 200V 이상이 되도록 조절하고, 상기 식각 공정 후 산소 플라즈마로 잔류하는 탄소성분의 제거를 위해 산소 플라즈마를 100-1000mtorr의 압력에서 50W 내지 100W의 고주파 전력을 사용하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 메사구조를 형성하는 식각 공정은 반응성이온식각(recative ion etching)과 이온빔 식각(ion beam etching)법을 이용하여 수행하는 제1부공정;상기 이온빔 식각시 기판과 이온빔의 사이각을 30℃ 내지 70℃ 각을 이루도록 식각하여 메사 구조를 만들어 레이저가 나올 수 있는 창(window) 모양을 만드는 제2부공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  12. 제2항에 있어서, 상기 전계 방출소자 기판은 실리콘웨이퍼, 사파이어, 갈륨비소 또는 금속막 등의 전기 전도도와 열전도도가 우수한 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  13. 제2항에 있어서, 상기 음극용 탐침을 형성하는 공정은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo) 또는 탄탈륨(Ta)을 전자선으로 증착하여 전계방출용 금속탐침을 원추형으로 형성하는 제1부공정;상기 전계방출의 효율을 높이는 방법으로 음극탐침의 상부를 날카롭고 균일하게 하기 위해 샘플을 경사지게 한 상태에서 회전시키면서 금속막을 증착시키는 제2부공정; 및 상기 금속탐침의 반경을 20nm이하로 조절하여 게이트의 직경을 약 1.5미크론으로 하는 제3부공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
  14. 제2항에 있어서, 상기 광소자와 전계방출 어레이를 합착하는 공정은 실리케이트(silicate) 접합재를 이용하고, 10-7torr 이하의 고진공을 유지하는 상태에서 실링하는 제1부공정; 고진공상태에서 실링(sealing)하기 전에 200℃ 내지 400℃ 사이의 온도로 가열하여 30분 이상 유지함으로써 추후 일어나는 가상리크(virtual leak)를 최소한으로 줄이는 제2부공정; 및 상기 지지기둥의 높이는 1차 가속전극 2차 가속전극의 사이에 수KV의 전압을 가할 수 있도록 간격을 조절하는 제3부공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
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