KR100699739B1 - Ⅲ-ⅴ족 화합물 반도체 - Google Patents

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Abstract

일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
Figure 112004058376984-pat00001
u
Figure 112004058376984-pat00002
1, 0
Figure 112004058376984-pat00003
v
Figure 112004058376984-pat00004
1, 0
Figure 112004058376984-pat00005
w
Figure 112004058376984-pat00006
1) 로 표현되는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층, 상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 뿐만 아니라 후술할 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와도 다른 재료로부터 상기 층 상에 형성된 패턴 (pattern), 및 상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체와 상기 패턴상에, 일반식 InxGayAlzN (x+y+z=1, 0
Figure 112004058376984-pat00007
x
Figure 112004058376984-pat00008
1, 0
Figure 112004058376984-pat00009
y
Figure 112004058376984-pat00010
1, 0
Figure 112004058376984-pat00011
z
Figure 112004058376984-pat00012
1) 로 표현되는 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성되는 층을 구비하는 III-V 족 화합물 반도체로서, 상기 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체의 (0004) 반사 X-ray 로킹커브 (reflection X-ray rocking curve) 의 반치폭 (FWHM) 이 X-ray 입사방향에 무관하게 700 초 이하인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체가 제공된다. 고품질 반도체인 상기 III-V 족 화합물 반도체는 저각 입계 (low angle grain boundaries) 의 발생이 억제된다.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체{III-V COMPOUND SEMICONDUCTOR}
도 1 은 종래 기술에 따른 패턴상의 재성장 진행 방법을 나타낸 도면.
도 2a 는 실시예 1 에서 패턴 줄무늬에 대한 입사방향이 평행일 때, X-ray 로킹커브를 나타낸 도면
도 2b 는 실시예 1 에서 패턴 줄무늬에 대한 입사방향이 직교일 때, X-ray 로킹커브 (rocking curve) 를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성되는 기저층.
2 : 제 1 및 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와 다른 재료로 형성되는 패턴.
3 : 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로 형성되는 재성장 층.
본 발명은 일반식 InaGabAlcN (a+b+c=1, 0
Figure 112000004806024-pat00013
a
Figure 112000004806024-pat00014
1, 0
Figure 112000004806024-pat00015
b
Figure 112000004806024-pat00016
1, 0
Figure 112000004806024-pat00017
c
Figure 112000004806024-pat00018
1) 로 표현되는 III-V 족 화합물 반도체에 관한 것이다.
일반식 InaGabAlcN (a+b+c=1, 0
Figure 112004058376984-pat00019
a
Figure 112004058376984-pat00020
1, 0
Figure 112004058376984-pat00021
b
Figure 112004058376984-pat00022
1, 0
Figure 112004058376984-pat00023
c
Figure 112004058376984-pat00024
1) 로 표현되는 III-V 족 화합물 반도체는, III 족 원소의 조성을 변경함으로써 전자기 스펙트럼의 자외선에서 가시광선 영역에 해당하는 직접형 대역간극 (direct band gap) 의 조정이 가능하므로, 자외선에서 가시광선 영역에서의 고효율 발광소자 재료로 쓰인다. 또한, 이 화합물 반도체들은 통상 사용되는 Si, GaAs 등의 반도체들과 비교하여 큰 대역간극을 가지므로, 이론적으로는, 종래의 반도체들이 동작할 수 없는 고온에서도 반도체의 성질을 유지할 수 있는 특성을 활용하여 우수한 환경 변화에 대한 저항성을 갖는 전자 소자를 제작할 수 있다.
그러나, III-V 화합물 반도체들에서, 용융점 근처에서의 매우 높은 증기압으로 인해 큰 결정을 성장시키기가 매우 어려우므로, 반도체 소자의 제작 기판으로 사용할 만큼 실용적인 크기의 결정을 얻기가 불가능하다. 따라서, III-V 족 화합물 반도체 제작에 있어서, 주로 사파이어 (sapphire), 탄화규소 (SiC), 또는 화합물 반도체와 동일한 결정구조를 갖고 큰 결정의 제작이 가능한 다른 재료들이, 화합물 반도체가 에피탁시 성장되는 상층의 기판으로 사용되었다. 그러한 방법으로, 비교적 좋은 품질의 화합물 반도체 결정을 획득할 수 있게 되었다. 그럼에도, 화합물 반도체와 기판 재료간의 격자 상수 또는 열팽창 계수의 차이로 인한 결정결함을 줄이는 것은 불가능하며, 주로 108 cm-2 이상의 결함 밀도가 생긴다.
반면, 상기의 높은 결정 결함 밀도를 갖는 화합물 반도체를 기저 (base) 로 사용하여 결함 밀도를 줄인 화합물 반도체를 획득하는 기술이 공지되었다 (Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, page L899, 1997). 즉, 높은 결함 밀도의 화합물 반도 체 (이하, 기저 결정) 가 미세 규모의 개구부 (microscopic openings) 를 남기고 SiO2 패턴으로 덮여지고, 그 상층에서 2 차 결정성장이 수행된다 (이하, 2 차 결정성장은 재성장이라 함). 이 방식의 개요는 도 1 을 참조하여 후술할 것이다.
먼저, 재성장의 초기단계에서는, 개구부에서만 결정성장이 일어나고, 패턴상에서는 아무런 결정성장이 일어나지 않는 선택 성장이 일어난다. 이 단계에서 결정성장이 더 계속될 경우, 각 개구부의 결정성장이 전 패턴에 퍼지게되어, 패턴이 그 하부에 묻힌 구조 (매몰구조) 를 얻는다. 패턴이 묻히고 난 후 당장은 재성장 결정 표면에 단층이 남지만, 결정성장이 진행함에 따라 재성장된 표면의 단층은 점차 부드러워지고, 결국 평탄한 결정 표면이 얻어질 수 있다.
현재, 상기 매몰 구조 (buried structure) 의 화합물 반도체의 결정결함을 줄이는 가능한 방법으로 다음 두 가지 방법이 공지되었다. 두 가지 방법은 HVPE 방법 (Hydride Vapor Phase Epitaxy) 과 MOVPE 방법 (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) 이다. 그러나, 이들 방법은 다음의 문제점을 갖고 있다.
먼저, HVPE 방법에 있어, 개구부 위에 성장된 화합물 반도체는 기저 결정의 결정방향과 같은 결정방향을 갖는 반면, 패턴위에 성장된 화합물 반도체는 기저 결정의 결정방향과 다소 다른 각도의 결정방향을 갖는다 (Appl. Phys. Lett., Vol. 73, page 481, 1998). 따라서, 패턴위에 성장된 결정과 개구부 위에 성장된 결정의 결정방향이 정렬되지 않으므로, 많은 단층의 경계부에서 소위 저각 입계 (low angle grain boundary) 가 함유된다. 재성장 결정의 두께가 증가함에 따라, 결 정방향은 점차 정렬되지만, 입계면이 발생하지 않는 필름 두께는 약 60 ㎛ 이상 될 것이 요구된다. 그렇게 두꺼운 필름을 성장시키는 것은 많은 시간을 소비할 뿐 아니라, 재성장 결정과 기판 결정간의 열팽창 계수의 차이에 기인한 변형도 증가된다. 기판의 내부 변형 (distortion) 은 기판의 기형 (deformation) 을 야기하며, 이는 다시 결정성장의 문제를 일으키며, 따라서, 통상의 반도체 공정상에서 문제를 야기한다.
본 발명의 목적은 저각 입계의 발생을 억제시킨 III-V 족 화합물 반도체를 제공하는 것이다.
본 발명은
(1) 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
Figure 112004058376984-pat00025
u
Figure 112004058376984-pat00026
1, 0
Figure 112004058376984-pat00027
v
Figure 112004058376984-pat00028
1, 0
Figure 112004058376984-pat00029
w
Figure 112004058376984-pat00030
1) 로 표현되는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층 (layer), 상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 뿐만 아니라 후술할 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와도 다른 재료로부터 이 층상에 형성된 패턴 (pattern), 및 상기 제 1 의 화합물 반도체와 상기 패턴상에, 일반식 InxGayAlzN (x+y+z=1, 0
Figure 112004058376984-pat00031
x
Figure 112004058376984-pat00032
1, 0
Figure 112004058376984-pat00033
y
Figure 112004058376984-pat00034
1, 0
Figure 112004058376984-pat00035
z
Figure 112004058376984-pat00036
1) 로 표현되는 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층을 구비하는 III-V 족 화합물 반도체로서, 상기 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체의 (0004) 반사 X-ray 로킹커브 (reflection X-ray rocking curve) 의 반치폭 (FWHM : full width at half maximum) 이 X-ray 입사방향에 무관하게 700 초 이하인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체에 관한 것이며,
(2) 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
Figure 112004058376984-pat00037
u
Figure 112004058376984-pat00038
1, 0
Figure 112004058376984-pat00039
v
Figure 112004058376984-pat00040
1, 0
Figure 112004058376984-pat00041
w
Figure 112004058376984-pat00042
1) 로 표현되는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성되는 층, 상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 뿐 아니라 후술할 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와도 다른 재료로부터 상기 층상에 형성되는 패턴, 및 상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 및 상기 패턴상에, 일반식 InxGayAlzN (x+y+z=1, 0
Figure 112004058376984-pat00043
x
Figure 112004058376984-pat00044
1, 0
Figure 112004058376984-pat00045
y
Figure 112004058376984-pat00046
1, 0
Figure 112004058376984-pat00047
z
Figure 112004058376984-pat00048
1) 으로 표현되는 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성되는 층을 구비하는 III-V 족 화합물 반도체로서, 상기 패턴의 상부면이 상기 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체에 관한 것이며, 또한
(3) (1) 및 (2) 의 III-V 족 화합물 반도체로서, 패턴이 텅스텐 (W) 으로부터 형성되는 III-V 족 화합물 반도체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 장치 및 동등의 것을 포함할 수 반도체 장치의 실시예는, 발광 다이오드 (LED), 레이저 다이오드 (LD) 등이 있으며, 이에 한하지는 않는다.
본 발명의 반도체에서 사용되는 III-V 족 화합물 반도체는, 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체의 (0004) 반사 X-ray 로킹커브의 반치폭이 X-ray 입사방향에 무관하게 700 초 이하인 것이 특징이다.
또한, 본 발명은, 제 1 및 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와 다른 재료로 형성된 패턴의 상부면이, 이 패턴위에 성장되는 결정과 거의 접촉하지 않는 것이 특징이다. 현재로서는 그 이유가 분명치 않지만, 패턴이 그 위에 재성장되는 결정과 접촉하지 않을 경우, 저각 입계의 생성이 억제되는 것으로 믿어진다.
몇몇 종래 실시예들에서는, 패턴위에 빈 공간이 형성되고, 패턴과 재성장 층 사이의 간극을 만들지만, 그러한 경우라도 소위 과도성장 (overgrowth) 후에, 즉 재성장 층이 패턴과 접촉하도록 다소 과도성장된 후에, 공간이 형성된다. 이에 비하여, 본 발명은 재성장 층의 과도성장이 패턴상에서 거의 관측되지 않는다는 것이 특징이다.
이하, 본 발명에 대하여 더 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용되는 패턴의 재료로써는, 화합물 반도체의 재성장중 소정의 내구력 (durability) 을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 증착 (evaporation) 에 의해 재료가 소실되거나, 패턴이 형성된 표본상에서 재성장이 개시되기도 전에 재성장 분위기 또는 재성장 온도에서의 용융에 의해 재료가 기형이 된다면, 의도한 재성장을 양호한 재현성 (reproducibility) 을 갖도록 수행하는 것이 어렵다. 반면, 본 발명의 패턴상에서 재성장 층은 과도성장되지 않으므로, 적어도 재성장의 초기 단계에서 패턴 표면이 거칠어진다거나, 기저층으로부터 분리된다거나 하는 일이 발생하지 않고, 본 발명의 효과에 심각한 손상은 없을 수 있다.
더 자세하게는, 재성장중 표본은 암모늄 (ammonium) 과 같은 분위기에 노출되며, 그러한 조건에서 사용될 수 있는 재료로서는 (W, Re, Mo, Cr, Co, Si, Au, Zr, Ta, Ti, Nb, Ni, Pt, V, Hf, 및 Pd 와 같은 원소), 및 (BN 및 Si3N4 을 포함한 SiNx 와 같은 화합물), 및 (텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 지르코늄 질화물, 하프늄 질화물, 바나듐 질화물, 니오븀 질화물, 탄탈럼 질화물, 크롬 질화물, 몰리브덴 질화물, 레늄 질화물, 및 철 질화물과 같은 질화물) 등이 포함된다.
적어도 2 개 층을 갖는 적층 층에서, 접촉하는 적층의 층들이 서로 다른 재료로 이루어지는 적층 형태가 본 발명에 사용될 수 있다. 특히, 텅스텐으로 된 층과 텅스텐 이외의 재료로 된 층을 포함하는 적층 형태가 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 구조를 제작하기 어려운 재료, 예를 들어 SiO2 또는 재성장 상태에서 안정하지 않는 재료가, 텅스텐과 다른 적층 층의 재료로써 사용될 수 있다.
공지의 패턴 형태 (pattern geometries) 들이 본 발명의 패턴으로 사용될 수 있다. 그러한 특정의 예로서는, 소정의 폭의 줄무늬가 서로 평행하게 배열되어 있는 줄무늬 (line/space) 패턴, 소정의 폭의 개구부에 의해 서로 분리된 패턴, 및 원형 또는 다각형의 개구부를 통하여 기저층을 부분 노출시킨 패턴 등이 있다. 이러한 패턴 형태들은 재성장 상태, 패턴 재료 등을 고려하여 선택될 수 있다.
줄무늬 패턴의 경우, 패턴폭이 0.05 ㎛ 보다 작지 않고 20 ㎛ 보다 크지 않는 것이 바람직하다. 패턴폭이 0.05 ㎛ 보다 작다면, 결함밀도를 줄이고자한 본 발명의 효과가 충분히 발휘될 수 없다. 반면, 20 ㎛ 보다 크다면, 패턴을 매몰하기 위해 요구되는 시간이 너무 길어져 실용적이지 못하다. 동일한 이유로, 원형 또는 다각형의 개구부를 갖는 패턴의 경우, 개구부간 거리는 0.05 ㎛ 보다 작지 않고, 20 ㎛ 보다 크지 않는 것이 바람직하다.
줄무늬 패턴의 경우, 공간폭 (기저층이 노출되는 개구부의 폭) 이 0.01 ㎛ 보다 작지 않고 20 ㎛ 보다 크지 않는 것이 바람직하다. 공간폭이 0.01 ㎛ 보다 작다면, 현 반도체 공정으로는 정확한 형상을 실용적으로 제작할 수 없어, 바람직하지 않다. 반면, 20 ㎛ 보다 크다면, 결함을 줄이고자한 본 발명의 효과가 충분히 발휘될 수 없다. 동일한 이유로, 원형 또는 다각형의 개구부를 갖는 패턴의 경우, 개구부 크기는 0.01 ㎛ 보다 작지 않고 20 ㎛ 보다 크지 않는 것이 바람직하다.
줄무늬 패턴 형태에 있어, 줄무늬 방향에 특별한 제약은 없지만, 재성장에 의한 결함 감소의 효과가 줄무늬 방향에 따라 변하는 경우가 있다. 그러한 경우, 패턴 형태, 패턴 재료, 재성장 상태, 등을 고려하여 적절한 방향이 선택될 수 있다.
증착 (evaporation), 스퍼터링, 화학기상증착 (CVD), 또는 플레이팅 (plating) 과 같은 공지 기술들이 패턴의 형성에 사용될 수 있다. 또한, 화합물 패턴이 화학 반응전에 형성된 필름의 화학반응에 의해 형성될 수 있다. 이 기술의 예는 암모니아 분위기에서 텅스텐 필름을 어닐링 시킴으로써 텅스텐 질화물 필름을 형성하는 것이다. 패턴의 필름 두께는 실제적인 내구성 및 생산성 등을 고려하여 결정될 수 있다. 텅스텐의 경우, 두께가 2 ㎚ 보다 작지 않고 5 ㎛ 보다 크지 않다.
본 발명의 재성장에 사용되는 결정성장 방법으로, HVPE 또는 MOVPE 방법이 사용될 수 있다. HVPE 방법은, 높은 성장율을 제공하고, 단기간에 양호한 결정을 생산할 수 있으므로, 본 발명에서 유익하게 사용될 수 있다. MOVPE 방법 또한 다수의 기판상에서 균일한 결정성장이 수행될 수 있기 때문에 본 발명에서 유익하게 사용될 수 있다.
재성장 조건들로는 온도, 압력, 캐리어 가스, 및 원료재료 등이 있다. 공지의 조건들이 재성장에 사용될 수 있다. 더 자세하게는, 인듐 (In) 이 성분원소로 포함되지 않으면, 성장될 화합물 반도체의 성질에 따라 다르지만, 재성장 온도는 600 ℃ 보다 낮지 않고, 1200 ℃ 보다 높지 않는 것이 바람직하다. 재성장 온도가 600 ℃ 보다 낮거나, 1200 ℃ 보다 높다면, 재성장에 의해 양호한 결정을 획득하기 어렵다. 또한, 화합물 반도체가 성분원소로 인듐 (In) 을 포함한다면, 온도 안정성이 악화되어, 재성장 온도는 600 ℃ 보다 낮지 않고 900 ℃ 보다 높지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 재성장에 사용될 수 있는 성장 압력 (growth pressure) 이 100 Pa 미만이라면, 양호한 결정을 획득하기 어렵다. 압력은 500 Pa 이상이 바람직하며, 1000 Pa 이상이라면 더욱 바람직하다. 성장 기압이 증가함에 따라, 결정성 (crystallinity) 은 향상되기 마련이지만, 일반적으로 재성장에 사용되는 MOVPE 장비 또는 HVPE 장비는 공업적으로 높은 성장 압력에서 사용되지 않으므로, 재성장의 성장압력은 10 기압 이하가 바람직하다.
본 발명의 재성장에 사용될 수 있는 캐리어 가스로는, 종래의 MOVPE 또는 HVPE 방법에서 사용되는 수소, 질소, 헬륨, 아르곤, 등이 있다.
다음의 원료재료들이 MOVPE 방법에 의한 본 발명의 III-V 족 화합물 반도체의 제작에 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 III 족의 재료로는,
(1) 트리메틸 갈륨 (trimethyl gallium ((CH3)3Ga, 이하 TMG)), 트리에틸 갈륨 (triethyl gallium ((C2H5)3Ga, 이하 TEG)) 과 같은 일반식 R1R2R3Ga (R1, R2, R3 는 알킬기의 순서) 로 표현되는 트리알킬 갈륨 (trialkyl gallium),
(2) 트리메틸 알미늄 (trimethyl aluminum ((CH3)3Al)), 트리에틸 알미늄 (triethyl aluminum ((C2H5)3Al, 이하 TEA)) 과 같은 일반식 R1R 2R3Al (R1, R2, R3 는 알킬기의 순서) 로 표현되는 트리알킬 알미늄 (trialkyl aluminum),
(3) 트리메틸아미닐란 (trimethylaminealane ((CH3)3N:AlH3)), 및
(4) 트리메틸 인듐 (trimethyl indium ((CH3)3In, 이하 TMI)), 트리에틸 인듐 (triethyl indium ((C2H5)3In)) 과 같은 일반식 R1R2R3In (R1, R2, R3 는 알킬기의 순서) 로 표현되는 트리알킬 인듐 (trialkyl indium) 등이 포함된다. 이러한 재료들은 독립적으로 혹은 결합되어 사용될 수 있다.
V 족 재료로는, 예를 들어, 암모늄 (ammonium), 하이드라진 (hydrazine), 메틸하이드라진 (methylhydrazine), 1,1-디메틸하이드라진 (1,1-dimethylhydrazine), 1,2-디메틸하이드라진 (1,2-dimethylhydrazine), t-부틸아민 (t-butylamine), 및 에틸렌디아민 (ethylenediamine) 등이 있다. 이러한 재료들은 독립적으로 혹은 결합되어 사용된다. 이러한 재료 가운데, 암모늄 및 수소가 탄소원자를 함유하지 않아 반도체의 탄소오염을 최소화하므로 유리하며, 암모늄은 다루기가 쉬어 더욱 바람직하다.
III-V 족 화합물 반도체의 n 형 도펀트로써, Si, Ge, 또는 O 가 사용된다. 이러한 도펀트중, Si 가 n 형 재료에 대한 저항이 낮고, 고순도의 원료재료가 얻어질 수 있으므로 바람직하다. Si 도핑에 사용될 수 있는 원료재료로는 SiH4, Si2H6, 및 Si(CH3)H3 이 포함된다.
다음의 원료재료들이 MVPE 방법에 의한 본 발명의 III-V 족 화합물 반도체의 제작에 사용될 수 있다.
III 족의 재료로는, 염화수소 (hydrogen chloride) 가스를 갈륨, 인듐 에 각각 반응시켜, 염화갈륨 (GaCl) 및 염화인듐 (InCl) 이 만들어질 수 있다. 또한, 고온에서 염화수소 가스를, TMG 또는 TEG 와 같은 일반식 R1R2R3Ga (R1, R2, R3 는 알킬기의 순서) 으로 표현되는 트리알킬 갈륨 (trialkyl gallium), 및 TMI 또는 에틸 인듐 (ehthyl induim) 과 같은 R1R2R3In (R1, R2, R3 는 알킬기의 순서) 로 표현되는 트리알킬 인듐 (trialkyl indium) 과 반응시켜, 염화 갈륨 및 염화 인듐이 만들어질 수 있다. 더욱이, 디메틸 갈륨 클로라이드 (dimethyl gallium chloride (Ga(CH3)2Cl)), 디에틸 갈륨 클로라이드 (diehthyl gallium chloride (Ga(C2H5)2Cl)), 디메틸 인듐 클로라이드 (dimethyl indium chloride (In(CH3)2Cl)), 디에틸 인듐 클로라이드 (diethyl indium chloride (In(C2H5)2Cl)), 등이 염화 갈륨 및 염화 인듐을 만들기 위해 고온에서 분해될 수 있다. 또한, 캐리어 가스 버블을 상온에서 안정한 GaCl2, InCl2, 등과 반응시키는 것도 가능하다. 이 재료들은 독립적으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다.
Ⅴ 족 재료로는 암모늄, 하이드라진, 메틸 하이드라진 (methylhydrazine), 1,1-디메틸 하이드라진 (1,1-dimethylhydrazine), 1,2-디메틸 하이드라진 (1,2-dimethylhydrazine), t-부틸아민 (t-butylamine), 및 에틸렌디아민 (ehtylenediamine) 등이 있다. 이러한 재료들은 독립적으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 이 재료들 가운데, 암모늄 및 하이드라진이 탄소원자를 함유하지 않아, 반도체의 탄소오염을 최소화할 수 있으므로 유리하며, 암모늄은 다루기가 쉬워 더욱 선호된다.
규소 (Si), 게르마늄 (Ge), 또는 산소 (O) 등은 III-V 족 화합물 반도체의 n 형 도펀트로 사용된다. 이들 도펀트 가운데, Si 가 저저항의 n 형 재료를 만들 수 있고, 고순도의 원료재료 획득이 가능하므로 선호된다. Si 도핑에 사용될 수 있는 원료 재료로는, 모노클로로실란 (monochlorosilane, (SiH3Cl)) 및 디클로로실란 (dichlorosilane (SiH2Cl2)) 등이 있다.
본 발명에서는, 패턴 형성 조건 및 재성장 조건에 따라, 재성장후 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 층의 표면상에 침하 (depression) 가 발생하는 경우도 있다. 그러한 침하는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
Figure 112004058376984-pat00049
u<1, 0
Figure 112004058376984-pat00051
v<1, 0<w
Figure 112004058376984-pat00054
1) 로 표현되는 III-V 족 화합물 반도체를 사용함으로써 억제될 수 있는 경우도 있다. 고유값에 있어서는, AlN 의 구성비 (상기 일반식에서 W 의 값) 가 1% 이상이어야하고, 5% 이상이 바람직하다. 다른 고유값에 있어서는, 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 층의 두께가 0.3 ㎚ 이상이어야 하며, 1 ㎚ 이상이 바람직하다. 일반적으로, 재성장중 침하의 형성을 억제하는 효과는, AlN 의 조성비 또는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 층의 두께가 증가함에 따라 증가하지만, 동시에 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체의 결정성은 감소하기 쉬우므로, 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 층의 두께는 AlN 의 조성비에 따라 조정되어야 한다.
<제 1 실시예>
먼저, 기저 결정 (base crystal) 이 다음의 방법으로 준비된다. GaN 의 버퍼 층이, MOVPE 법을 사용하여 550 ℃ 에서 50 ㎚ 의 두께까지 사파이어 기판상에 성장되고, GaN 이, 1100 ℃ 에서 4 ㎛ 의 두께까지 더 성장된다. 다음, 텅스텐 (W) 이 기저 층 상에 30 ㎚ 의 두께까지 스퍼터링에 의해 증착되고, 줄무늬 패턴이, 종래의 포토리소그라피를 사용하여 5 ㎛ 의 개구부와 5 ㎛ 의 줄무늬를 갖도록 형성된다. 줄무늬 방향은 <1-100> 방향이다. 다음, 이 결정을 사용하여, 재성장이 HVPE 방법으로 33 ㎛ 의 두께까지 수행된다. 또한, 제 1 실시예의 대비예로서, 텅스텐 대신 이산화 규소 (SiO2) 를 사용하여 패턴이 형성되고, 같은 방법으로 재성장이 수행된다. 두 가지 경우 모두, 재성장으로 얻은 결정이 거울 표면 (specular surface) 을 갖는다.
그렇게 얻은 결정의 결정방향 (orientation) 의 변동을 조사하기 위해서, 줄무늬 방향에 직교하는 방향과 평행한 방향에서 X-ray 로킹커브가 측정되었다. 도 2a 및 2b 는 그 결과를 나타낸다. 재성장이 텅스텐 패턴상에서 수행되는 경우, 로킹커브의 반치폭은, X-ray 입사방향과 무관하게 200 초 이하로 일정하였으며, 어떠한 결정 방향의 변동도 관측되지 않았다. 반면, 이산화규소 (SiO2) 패턴의 경우 (대비예의 경우), 로킹커브의 반치폭 (FWHM) 이 패턴 줄무늬에 평행한 방향에서는 좁지만, 줄무늬에 직교한 방향에서는 750 초 이상으로 증가되었다 (도 2b 참조). 이것은, 패턴상에서 재성장된 결정이 기저 결정에 대한 결정방향의 변동을 가지며, 텅스텐 패턴의 경우와 비교하여 결정성이 충분치 못하다는 것을 의미한다.
제 1 실시예에서 얻어진 표본은 패턴에 법선 (normal) 방향으로 단층이 생기며 (cleaved), 투과 전자 현미경 (transmission electron microscope) 에서 전단면을 관측한 결과, 재성장 필름이 텅스텐 패턴 이상으로 과도성장 되지 않음이 확증되었다.
<제 2 실시예>
본 발명에 따른 결함이 감소된 GaAlN 필름이 제 1 실시예와 같은 방법으로 줄무늬 패턴상에서의 재성장에 의해 형성된다. GaAlN 필름 상부에 적정의 층이 형성되고, 에칭 및 전극 증착 (electrode deposition) 과 같은 반도체 공정이 반복되어, HEMT (High Electron Mobility Transistors) 또는 FET (Field Effect Transistors) 와 같은 전자 소자가 얻어진다. 이러한 전자 소자들은 소자로서 기능하는 결정에 포함된 결정 결함의 수가 감소되므로, 우수한 전기적 특성과 신뢰성을 갖는다.
<제 3 실시예>
본 발명에 따른 결함이 감소된 GaAlN 필름이 제 1 실시예와 같은 방법으로 줄무늬 패턴상에서의 재성장에 의해 형성된다. 이 GaAlN 필름 상부에 n 형 층, n 형 층 보다 대역간극이 작은 층 (발광 층), 및 p 형 층이, 설명된 순서대로 화합물 반도체로부터 형성되며, 에칭 및 전극 증착과 같은 반도체 공정이 반복되어 발광 다이오드 또는 반도체 레이저와 같은 발광소자를 얻는다. 이러한 발광소자들은 소자로서 기능하는 결정에 포함된 결정결함의 수가 감소되므로, 우수한 발광 특성 및 신뢰성, 특히 우수한 수명을 갖는다.
<제 4 실시예>
GaN 가 4 ㎛ 의 두께로 제 1 실시예와 같은 방법으로 재성장되며, 그 상부에, GaAlN 이 성장된다. 이 층의 AlN 조성비는 약 15% 이며, 두께는 30 ㎚ 이다. 이 층의 상부에 20 ㎚ 두께의 W 필름이 전자빔 증착 (electron beam evaporation) 에 의해 형성되고, 종래의 포토리소그라피에 의해 줄무늬 패턴이 형성된다. 줄무늬 방향은 <1-100> 방향이며, 줄무늬 폭과 줄무늬 간격은 모두 5 ㎛ 이다. 다음, MOVPE 방법으로 재성장이 수행된다. 성장 압력은 40k Pa 이며, 재성장 층의 두께는 3 ㎛ 이다. 재성장에 의해 얻어지는 결정은 거울 표면 (specular surface) 을 갖는다. 제 1 및 제 4 실시예에서 얻어진 표본은 줄무늬 패턴에 직교한 방향으로 단층이 생기며, 그 전단면이 전자현미경으로 관측되었다. 그 결과, 제 1 실시예에서 얻어진 표본의 기저 결정상에 손상이 다소 관측 되지만, 제 4 실시예에서 얻어진 표본상에서는 기저 결정상에 아무런 결함이 관측되지 않는다.
<제 5 실시예>
GaN 가 4 ㎛ 의 두께로 제 1 실시예와 같은 방법으로 재성장된다. 텅스텐 필름이 스퍼터링에 의해 50 ㎚ 의 두께로 증착되고, 이 기저 결정상에 SiO2 필름이 스퍼터링에 의해 50 ∼ 70 ㎚ 두께로 증착된다. 다음, 종래의 포토리소그라피로, 그 위에 줄무늬 패턴이 형성된다. 줄무늬 방향은 <1-100> 및 <11-20> 방향이다. 다음, 저압 MOVPE 법으로 재성장이 수행된다. 재성장 필름의 두께는 약 8 ㎛ 이다. 여기서 얻어진 샘플과 상기 제 1 실시예에서 얻어진 필름은 줄무늬 패턴에 직교한 방향으로 단층이 형성되고, 그 단면부를 전자 현미경으로 관측한 결과, 제 1 실시예의 샘플에서 마스크 아래 침하가 형성된 것이 관측되었고, 제 5 실시예의 샘플의 경우는 침하의 형성이 크게 줄었다.
<제 6 실시예>
GaN 가 4 ㎛ 의 두께로 제 1 실시예와 같은 방법으로 재성장된다. 이 기저결정 상부에 텅스텐 필름이 전자빔 증착법에 의해 20 ㎚ 의 두께로 증착된다. 이 샘플을 400 ℃ 의 수소 분위기에서 10 분간 둔 다음, 600 ℃ 의 수소 가스와 암모니아 가스의 혼합 가스 분위기에서 5 분간 둔 다음, 수소 가스와 암모니아 가스의 혼합가스 분위기의 온도를 950 ℃ 로 올린다. 다음, 즉시 샘플을 냉각시킨다. X-ray 광전 분광분석에 의해, 텅스텐 층에 텅스텐 질화물 (tungsten nitride) 이 균일하게 형성됨이 발견되었다. 이렇게 얻어진 마스크 재료에 패턴이 형성되고 제 1 실시예와 동일한 방법으로 재성장이 수행된다. 이렇게 하여 제 1 실시예와 같은 양호한 매몰구조가 형성된다. 암모니아를 포함하는 분위기에서의 열처리에서, 본 실시예에서 사용된 암모니아 가스와 수소 가스의 혼합가스와는 다른 암모니아 가스와 불활성 가스의 혼합가스도 사용될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 저각 입계의 발생을 줄인 III-V 족 반도체 화합물을 얻을 수 있고, 결정성을 향상시킬 수 있으므로, 상기 실시예에 따라 제작된 전자 소자들은 결정 결함의 수가 감소되고, 우수한 전기적 특성과 신뢰성을 갖는다. 또한, 발광소자에 사용될 경우, 우수한 발광 특성 및 우수한 수명을 갖는다.

Claims (9)

  1. 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
    Figure 112006068305068-pat00055
    u
    Figure 112006068305068-pat00056
    1, 0
    Figure 112006068305068-pat00057
    v
    Figure 112006068305068-pat00058
    1, 0
    Figure 112006068305068-pat00059
    w
    Figure 112006068305068-pat00060
    1) 로 표현되는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층,
    상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 뿐만 아니라 후술할 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와도 다른 재료로부터 상기 층 상에 형성된 패턴, 및
    상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체와 상기 패턴상에, 일반식 InxGayAlzN (x+y+z=1, 0
    Figure 112006068305068-pat00086
    x
    Figure 112006068305068-pat00087
    1, 0
    Figure 112006068305068-pat00088
    y
    Figure 112006068305068-pat00089
    1, 0
    Figure 112006068305068-pat00090
    z
    Figure 112006068305068-pat00091
    1) 로 표현되는 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층을 구비하는 III-V 족 화합물 반도체로서,
    상기 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체의 (0004) 반사 X-ray 로킹커브의 반치폭 (FWHM) 이 X-ray 입사방향에 무관하게 700 초 이하인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  2. 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
    Figure 112004058376984-pat00067
    u
    Figure 112004058376984-pat00068
    1, 0
    Figure 112004058376984-pat00069
    v
    Figure 112004058376984-pat00070
    1, 0
    Figure 112004058376984-pat00071
    w
    Figure 112004058376984-pat00072
    1) 로 표현되는 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성된 층,
    상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체 뿐만 아니라 후술할 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와도 다른 재료로부터 상기 층 상에 형성된 패턴, 및
    상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체와 상기 패턴상에, 일반식 InxGayAlzN (x+y+z=1, 0
    Figure 112004058376984-pat00073
    x
    Figure 112004058376984-pat00074
    1, 0
    Figure 112004058376984-pat00075
    y
    Figure 112004058376984-pat00076
    1, 0
    Figure 112004058376984-pat00077
    z
    Figure 112004058376984-pat00078
    1) 로 표현되는 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체로부터 형성되는 층을 구비하는 III-V 족 화합물 반도체로서,
    상기 패턴의 상부면이 상기 제 2 의 III-V 족 화합물 반도체와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴은 텅스텐 (W) 으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 의 III-V 족 화합물 반도체가 일반식 InuGavAlwN (u+v+w=1, 0
    Figure 112004058376984-pat00079
    u
    Figure 112004058376984-pat00080
    1, 0
    Figure 112004058376984-pat00081
    v
    Figure 112004058376984-pat00082
    1, 0.01
    Figure 112004058376984-pat00083
    w
    Figure 112004058376984-pat00084
    1) 로 표현되는 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴은 서로 다른 재료로 이루어져서 접촉하고 있는, 둘 이상의 층을 포함하는 적층 형태인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴은 텅스텐으로 이루어진 층 및 텅스텐과 다른 재료로 이루어진 층을 적어도 포함하는 적층 형태인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴은 텅스텐으로 이루어진 층 및 SiO2 로 이루어진 층을 적어도 포함하는 적층 형태인 것을 특징으로 하는 III-V 족 화합물 반도체.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항의 III-V 족 화합물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항의 III-V 족 화합물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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