KR100766858B1 - 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물반도체 발광소자 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사파이어(Al2O3)기판을 반응 챔버에 위치시키는 단계와, 상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스를 유입하는 단계와, 상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스가 유입된 상태에서 상기 사파이어(Al2O3) 기판을 어닐링하여 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 표면에 AlN 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기판과 반도체층 사이에 기판과 반도체층의 중간 특성을 가지는 AlN 화합물층이 형성되어 있음에 따라, AlN 화합물층위에 형성될 버퍼층이나 반도체층과의 계면 공백이 작아지고 결정스트레스가 작아져서, 기판과 반도체층의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
발광소자, 질화물 반도체, 버퍼층, AlN, 사파이어

Description

질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물 반도체 발광소자{METHOD FOR FORMING BUFFER LAYER FOR A LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR AND LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR THEREOF}
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소 소오스 가스가 유입된 상태에서 사 파이어(Al2O3) 기판을 어닐링하여 사파이어(Al2O3) 기판에 AlN 화합물층을 형성한 후 그 위에 반도체층을 형성하여 기판과 반도체층의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 감소시키는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증찹법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나, III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 위에 형성될 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광소자의 특성을 악화시킨다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(1)위에 버퍼층(2)을 형성한다. 버퍼층(2)은 AlxGa1-xN(0≤x≤1)로 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하여 형성된다.
버퍼층(2)을 형성할 경우, Al 및 Ga의 소오스 가스로 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH3)3)과 트리메틸갈륨(trimethyl galium; TMG, Ga(CH3)3)을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH3)를 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400~800℃에서 버퍼층(2)을 형성한다.
이어서, 반응 챔버의 온도를 900~1200℃로 올려, 버퍼층(2) 위에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 반도체층(3)을 형성한다. 그 후, 반도체층(3)에 전극들을 형성하여 발광소자를 제조한다.
종래기술에 따르면, 반도체층(3)과 기판(1) 사이에 버퍼층(2)을 형성하여, 기판(1)과 반도체층(3) 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 감소시킬 수 있다.
그러나, 저온에서 성장된 버퍼층(2)은 주로 기판에 수직으로 성장하므로 컬럼형상의 구조(columnar structure)를 갖는다. 또한, AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)결정은 결정내 원자들 간의 결합력이 비교적 강하여, 컬럼형상의 구조내의 컬럼들 사이에서 계면 공백이 크고 결정스트레스가 크다. 한편, 반도체층(3)은 그 하부에 위치한 버 퍼층(2)의 결정 구조, 결정질 및 컬럼의 크기 분포 등의 영향을 받는다. 즉, 버퍼층(2)위의 반도체층(3)에 버퍼층(2)의 결정결함이 전사된다. 따라서, 버퍼층(2)의 컬럼형상의 구조에 따른 결정결함은 반도체층(3)의 결정결함으로 나타난다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 질화물 반도체 발광 소자를 제작하기 위해 기판과 반도체층의 사이에 버퍼층을 생성할 때 그 위에 성장되는 반도체층의 결정결함을 감소시킬 수 있는 버퍼층을 생성하는데 있다.
이러한 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 의하면, 사파이어(Al2O3)기판을 반응 챔버에 위치시키는 단계와, 상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스를 유입하는 단계와, 상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스가 유입된 상태에서 상기 사파이어(Al2O3) 기판을 어닐링하여 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 표면에 AlN 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 제공한다.
상기 형성된 AlN 화합물층위에 질화물 버퍼층을 형성하는 단계가 더 실행될 수 있다.
상기 질화물 버퍼층은, InxAlyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 이루어질 수 있다.
상술한 버퍼 형성 방법에 의해 사파이어(Al2O3)기판과, 상기 사파이어(Al2O3)기판위에 형성되는 반도체층과, 상기 반도체층과 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 계면에 사파이어(Al2O3) 기판이 질소 소오스 가스와 반응하여 형성된 AlN 화합물층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제작할 수 있다.
상기 AlN 화합물층과 상기 반도체층 사이에 형성된 질화물 버퍼층이 포함될 수 있다.
상기 질화물 버퍼층은, InxAlyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정순서도이고, 도 3 내지 도 6은 공정순서도에 따라 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(10)을 준비하여 반응 챔버내에 위치시킨다 (S1). 기판은 사파이어(Al2O3) 기판이다.
도 2 및 도 4를 참조하면 반응 챔버내에 기판(10)을 위치시킨 상태에서 고온(1000 ℃)에서 N2 가스를 유입시키고 수 내지 수십시간동안 어닐링을 수행한다(S2).
이에 따라, N2에 노출된 기판(10)의 표면에서는 아래의 반응식에 의한 반응이 수행된다.
2Al2O3 + 2N2 -> 4AlN + 3O2
즉, 반응 챔버내에 N2 가스를 유입한 상태에서 고온을 유지한 채 사파이어에 어닐링을 수행하면 사파이어(Al2O3)에 있는 산소원자가 해리되어 산소가스를 발생시키고, Al이 N2 가스와 결합하여 AlN 화합물층이 형성된다.
따라서, 기판(10)의 표면에는 전체적으로 얇은 AlN 화합물층(20)이 형성된다. 좀더 정확하게 표현하면 기판(10)의 표면으로부터 N2가 사파이어(Al2O3)에 있는 Al과 반응하는 영역까지 AlN 화합물층이 형성된다.
도 2 및 도 5를 참조하면, AIN 화합물층(20)이 표면에 형성된 기판(10)위에 버퍼층(30)을 형성한다(S3). 버퍼층(30)은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)로 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하여 형성된다.
버퍼층(30)을 형성하기 위한 소오스 가스는 알루미늄(Al), 트리메틸알루미늄 (TMA), 트리에틸알루미늄(triethyl aluminum; TEA), 트리메틸아민 알루미늄(AlH3·N(CH3)3; TMAA), 디메틸에틸아민 알루미늄(AlH3·N(CH3)2(CH2)H5; DMEAA), 트리이소부틸 알루미늄(Al(iso-C4H9)3; TIBA), 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH3)3), 갈륨, 트리메틸갈륨(TMG) 및/또는 트리에틸갈륨(triethyl galiun; TEG) 등을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH3)를 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400~800℃에서 버퍼층(30)을 형성한다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 버퍼층(30)을 형성한 후 반응 챔버의 온도를 900~1200℃로 하고 MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여, 버퍼층(30)위에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 반도체층(40)을 형성한다(S4). 그 후, 반도체층(40)에 전극들을 형성하여 발광소자를 제조한다.
이때, 반도체층(40)은 별도의 버퍼층(30)위에 제 1 전도성 반도체층, 활성층, 제 2 전도성 반도체층이 차례대로 형성될 수 도 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그렇지만, 구체적으로 설명된 것과는 다른 많은 기타 실시예들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 들어간다는 것을 관련 분야의 당업자들은 이해할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는 질소 소오스 가스로 N2 가스를 사용하였으나 암모니아(NH3)를 사용할 수 도 있을 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 기판(10)과 반도체층(40)사이에 AIN 화합 물층(20)과 버퍼층(30)을 형성하여 질화물 반도체 발광 소자를 제작하는 것에 대하여 설명하였으나, AIN 화합물층(20)위에 별도의 버퍼층(30)을 형성하지 않고 AIN 화합물층(20)위에 반도체층(40)을 형성하여 질화물 반도체 발광소자를 제작할 수 도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 반도체층 사이에 기판과 반도체층의 중간 특성을 가지는 AlN 화합물층이 형성되어 있다.
이에 따라, AlN 화합물층위에 형성될 버퍼층이나 반도체층과의 계면 공백이 작아지고 결정스트레스가 작아져서, 기판과 반도체층의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
한편, 반도체층은 그 하부에 위치한 버퍼층의 결정 구조, 결정질 및 컬럼의 크기 분포 등의 영향을 받는다. 즉, 버퍼층위의 반도체층에 버퍼층의 결정결함이 전사된다.
본 발명의 실시예에 의하면 버퍼층이 AlN 화합물층위에 형성됨으로써 버퍼층의 결정결함이 줄어듦에 따라 반도체층의 결정결함도 줄어들게 되어 질화물 발광 소자의 광수율을 개선시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 사파이어(Al2O3)기판을 반응 챔버에 위치시키는 단계와,
    상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스를 유입하는 단계와,
    상기 반응 챔버에 질소 소오스 가스가 유입된 상태에서 상기 사파이어(Al2O3) 기판을 어닐링하여 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 표면으로부터 내측 일부 영역에 이르기까지 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 Al과 상기 질소 소오스 가스의 반응에 의한 AlN 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 AlN 화합물층위에 질화물 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 질화물 버퍼층은, InxAlyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자용 버퍼층 형성방법.
  4. 사파이어(Al2O3)기판과,
    상기 사파이어(Al2O3)기판위에 형성되는 반도체층을 포함하되,
    상기 사파이어(Al2O3)기판은 상기 반도체층과 접하는 표면으로부터 내측 일부 영역까지 형성되어 있는 AlN 화합물층을 포함하되, 상기 내측 일부 영역은 상기 사파이어(Al2O3) 기판의 Al과 질소 소오스 가스가 반응된 깊이까지의 영역인 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 AlN 화합물층과 상기 반도체층 사이에 형성된 질화물 버퍼층을 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 질화물 버퍼층은, InxAlyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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