KR100826389B1 - 질화물 반도체 선택 성장방법, 질화물 발광소자 및제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 질화물 반도체층 상에 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크의 개구부에 노출된 상기 질화물 반도체층 영역에 상기 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정은, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함하는 질화물 반도체 선택 성장방법을 제공한다.또한, 본 발명은 상기한 질화물 반도체 선택 성장방법을 이용하여 제조될 수 있는 질화물 발광소자와, 그 제조방법을 제공한다.
질화물 결정(nitride crystal), 피라미드(pyramid), 발광다이오드(light emitting diode)
Description
도1은 종래의 육각 피라미드형 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도2는 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 선택성장방법의 일 예를 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 측면에 따른 선택 성장방법에 의해 제조된 육각 피라미드형 질화물 반도체구조의 일 예를 나타내는 측단면도 및 평면도이다.
도4는 본 발명의 다른 측면에 따른 육각 피라드형 질화물 발광소자의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 육각 피라미드구조의 n형 질화물 반도체를 다른 각도에서 촬영한 SEM 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
31,41: 기판 32,42: 버퍼층
33: 질화물 반도체층 43: 제1 도전형 질화물 기저층
34: 육각 피라미드 질화물 반도체 결정
44: 육각 피라미드 제1 도전형 질화물 반도체 결정
45: 활성층 46: 제2 도전형 질화물 반도체층
47: 투명전극 48,49: 제1 및 제2 전극
본 발명은 질화물 반도체 성장방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체의 선택 성장방법 및 이를 이용한 질화물 발광소자와 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 필라멘트를 사용한 벌브형 전구와 형광등을 대체할 새로운 조명원으로써 반도체 발광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, GaN과 같은 질화물 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드(LED)에 대한 연구가 주목되고 있다. 질화물 결정은 성장을 위한 적절한 기판이 없으므로, 많은 결정결함을 갖는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하여 선택적인 성장방법을 이용하여 육각 피라미드형의 발광구조를 형성함으로써 고품질 질화물 발광소자를 제공하는 방안이 개발되었다.
도1은 종래의 육각 피라미드형 질화물 반도체 발광소자 일예를 나타내는 단 면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 저온버퍼층(12)이 형성된 사파이어 기판(11) 상에 형성된 제1 도전형 질화물인 기저층(13) 상에 윈도우(W)를 갖는 유전체층(M)이 형성된다. 상기 윈도우영역(W)에 상기 기저층 상면에 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드의 제1 도전형 질화물 결정(14)을 형성하고, 그 표면에 활성층(15) 및 제2 도전형 질화물층(16)을 순차적으로 성장시켜 육각 피라미드형 발광구조를 형성한다.
상기 육각 피라미드형 발광구조의 제2 도전형 질화물층(16) 상에 투명전도박막(17) 및/또는 전극(19)을 형성하고, 상기 유전체층의 일부를 제1 도전형 하부 질화물층(12a)이 노출되도록 에칭하여 다른 극성의 전극(18)을 형성한다.
이와 같이 선택적 성장방법에 의해 얻어진 육각 피라미드형 질화물 단결정는 수평방향으로 성장하는 동안 하부에서 형성된 많은 결함이 제거되거나 방향을 바꾸어 활성층에 거의 영향을 주지 않으며, 경사진 측면에 의해 실질적인 발광면적이 넓어지는 동시에, 결정성장방향에 의해 압전효과(piezo-electric field effect)의 완화도 기대될 수 있다.
하지만, 종래의 육각 피라미드형 질화물 발광구조는 상술된 많은 장점에도 불구하고, 경사면에 따른 응력으로 인해 피라미드의 바닥과 정점부근에서의 성장속도 차이가 발생되어, 양자우물층과 장벽층의 두께 및 In 함량의 차이가 발생된다. 즉, 도1에 도시된 바와 같이, 피라미드 바닥부근의 활성층 두께는 정점부근의 두께 보다 얇게 되어, 원하는 파장의 광을 정확히 얻기 어려운 문제가 있다. 또한, 이러한 경사면에 응력으로 인해 p형 불순물 도핑특성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 경사면으로 인한 응력이 분산되도록 피라미드의 경사면을 분리시킬 수 있는 새로운 질화물 반도체 선택 성장방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 경사면으로 인한 응력이 분산되도록 그 경사면이 복수의 영역으로 구분된 형태를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
질화물 반도체층 상에 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크의 개구부에 노출된 상기 질화물 반도체층 영역에 상기 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정은, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함하는 질화물 반도체 선택 성장방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는, 육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제1 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제1 성장공정을 수행하는 단계와, 상기 중간분리영역이 형성되도록 상기 제1 성장속도보다 높은 제2 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제2 성장공정을 수행하는 단계와, 육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제3 성장속도- 상기 제3 성장속도는 상기 제2 성장속도보다 낮음-로 질화물 반도체 결정의 제3 성장공정을 수행하는 단계를 포함한다.
이 경우에, 상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계에서, 상기 제2 성장공정단계와 상기 제3 성장공정단계를 적어도 1회 반복하여 실시함으로써 그 반복횟수에 따라 3단 이상의 구조를 갖는 육각 피라미드형 질화물 반도체 결정구조를 제공할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제3 성장속도는 실질적으로 동일한 성장속도를 가질 수 있다.
본 발명에서 채용된 피라미드 구조의 중간분리영역은 경사면을 분리하는 효과를 높히기 위해서, 충분한 경사각의 차이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 상기 제2 성장속도는 상기 제1 및 제3 성장속도에 비해 20%이상 높은 속도로 하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제1 및 제3 성장속도는 7∼9㎛/hr 범위이며, 상기 제2 성장속도는 10㎛/hr보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계에서의 성장속도는 Ⅲ족 소스가스의 유량을 이용하여 제어될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 압력 및/또는 Ⅴ/Ⅲ족 비로 대체되거나 병행하여 제어될 수 있다.
바람직하게, 상기 적어도 하나의 중간분리영역은 각각 0.1∼2㎛의 두께를 가질 수 있다.
우르자이트구조의 질화물 단결정에서, 상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면은 S면이며, 상기 중간분리영역의 결정면은 비 S면일 수 있다. 또한, 상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면의 경사각은 60∼65°이며, 상기 중간분리영역의 결정면의 경사각은 80∼150°일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상면에 그 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 적어도 하나의 육각 피라미드 결정구조가 형성되며, 상기 육각 피라미드 결정구조는 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함한 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 적어도 하나의 육각 피라미드 결정구조의 결정면 상에 순차적으로 형성된 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 육각 피라미드 결정구조는 경사면에 의한 응력을 보다 효과적으로 분산시키기 위해서, 서로 이격되어 위치한 복수의 중간분리영역을 갖는 3 단 이상의 피라미드 구조일 수 있다.
바람직하게, 상기 중간분리영역의 상하부에 위치한 결정면은 실질적으로 동일한 경사각을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 적어도 하나의 중간분리영역은 각각 0.1∼2㎛의 두께일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 도전형 질화물 반도체로 이루어진 기저층 상면에 적어도 하나의 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크의 개구부에 노출된 상기 기저층 영역 각각에 상기 기저층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 단계와, 상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정 표면에 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정은, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 선택성장방법의 일예를 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 선택성장방법은 질화물 반도체층 상에 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계(S21)로 시작된다.
통상적으로, 상기 질화물 반도체층은 기판 상에 형성되며, 이러한 기판으로는 사파이어, SiC, Si, ZnO, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, Ga2O3 및 LiGaO2로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 마스크 물질로는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이 사용될 수 있다. 마스크에 형성된 개구부는 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정이 성장되기 시작하는 영역을 정의한다.
이어, 상기 개구부에 노출된 상기 질화물 반도체층 영역에 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장한다. 선택 성장되는 질화물 반도체층은 상기 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조를 갖는 조건으로 성장되며, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함한다. 특히, 본 발명에 채용된 중간분리영역은 연속적인 경사면을 소정의 영역에서 분리시킴으로써 경사면에 의한 응력을 분산시킬 수 있는 수단으로 활용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는, 도2에 도시된 바와 같이, 성장속도를 조절하여 성장모드를 변경하는 방식으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "성장속도"는 다른 명시적인 설명이 없는 한, 플래 너 성장 환산(planar growth reduction)에 따른 성장속도를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
우선, 제1 성장 단계(23)에서는, 육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제1 성장속도로 질화물 반도체 결정을 성장하는 공정을 수행한다. 바람직하게, 상기 제1 성장속도는 7∼9㎛/hr 범위일 수 있다. 이러한 성장속도는 성장온도, 압력 및/또는 Ⅴ/Ⅲ족 비로 적절히 조절될 수 있다.
특정 예에서는, 본 공정에서 얻어지는 질화물 반도체 결정은 마스크 두께를 지나서 성장될 때에 개구부영역보다 넓은 면적에서 성장되므로, 전위를 감소시킬 수 있으며, 이어 경사면을 갖는 피라미드 구조로 형성되도록 적절한 조건으로 성장된다. 이와 같이, 피라미드 구조를 위한 초기 성장단계는 필요에 따라 부분적으로 성장모드가 변경될 수 있으므로, 본 성장단계의 제1 성장속도는 반드시 일정한 속도를 의미하는 것은 아닐 수 있다.
다음으로, 단계(25)에서, 경사진 결정면을 제공하는 제1 성장속도보다 낮은 제2 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제2 성장공정을 수행한다. 본 제2 성장공정은 통상의 피라미드를 갖기 위한 성장조건보다 측방향 성장모드 경향이 강화된다. 따라서, 제1 성장공정에서 형성된 결정면의 경사각보다 큰 경사면을 갖는 중간분리영역을 형성될 수 있다. 이러한 중간분리영역은 피라미드의 결정면을 제1 성장공정에서 이미 성장된 경사진 결정면과 후속 제3 성장공정에서 형성된 경사진 결정면으 로 분리시킴으로써 경사면에 따른 응력을 분산시킬 수 있다.
이러한 경사면의 분리효과를 향상시키기 위해서, 본 공정에서 성장되는 중간분리영역은 다른 피라미드영역의 경사면과 명확한 차이를 갖도록 성장속도의 변경조건을 제1 성장속도보다 20%이상 빠른 속도로 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 성장속도가 7.5㎛/hr 범위인 경우에, 2차 성장공정은 9㎛/hr이상의 성장속도를 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 성장속도를 제어하는 과정은 성장온도, 압력 및/또는 Ⅴ/Ⅲ족 비를 이용하여 실현될 수 있으나, 주되게 Ⅲ족 소스가스의 유량으로 제어하는 것이 비교적 신속한 성장모드의 변경을 보장할 수 있으므로, 바람직하다고 할 수 있다.
이어, 단계(27)에서, 육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제3 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제3 성장공정을 수행한다. 본 공정에서, 상기 제3 성장속도는 육각 피라미드 구조를 위한 성장조건을 만족하므로, 측방향 성장모드가 강화되었던 제2 성장속도보다 낮은 성장속도를 갖는다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 성장모드 변경을 위한 성장속도 제어과정은 성장온도, 압력 및/또는 Ⅴ/Ⅲ족 비를 이용하여 Ⅲ족 소스가스의 유량을 제어함으로써 실현될 수 있으며, 바람직하게는 성장온도로 제어될 수 있다. A방향으로 표시된 바와 같이 본 제3 성장공정을 통해 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정이 완성(단계29)될 수 있으나, B방향으로 표시된 바와 같이, 추가적인 중간분리영역을 제공하여 응력분산효과를 향상시키기 위해서 제2 성장공정과 제3 성장공정을 적어도 1회 추가적으로 반복 수행 할 수 있다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 측면에 따른 선택 성장방법에 의해 제조된 육각 피라미드형 질화물 반도체구조의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도3a에 도시된 바와 같이, 버퍼층(32)이 형성된 기판(31) 상에 질화물 반도체층(33)이 형성된다. 상기 질화물 반도체층(33)은 육각 피리미드의 질화물 반도체 결정구조를 성장하기 위한 기저층으로 제공된다. 상기 질화물 반도체층(33) 상에는 개구부(W)를 갖는 마스크(M)가 형성된다.
이미 도2를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 마스크(M)를 이용한 선택적 성장과정에 의해, 질화물 반도체층(33)의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정구조(34)가 형성된다.
본 실시형태에 채용된 육각 피라미드 질화물 반도체 결정구조(34)는 다른 경사각의 결정면을 갖는 중간분리영역(34b)에 의해 상부 및 하부영역(34a,34c)으로 구분되며, 상기 중간분리영역(34b)은 상기 상하부영역(34a,34c) 결정면의 경사각(θ1,θ3)보다 큰 경사각의 결정면을 갖는다. 경사면에 의해 야기되는 응력의 완화효과를 충분하게 얻기 위해서 도2에서 설명된 중간분리층(34b)의 경사각(θ2) 범위와 함께 그 두께(t)가 고려될 수 있다. 이러한 측면에서, 중간분리영역(34b)의 두께(t)는 약 0.1㎛이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 중간분리영역(34b)이 지나치게 큰 경우에 육각 피라미드 구조의 효과가 오히려 상쇄될 수 있으므로, 약 2㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
본 실시형태와 같이, 상기 중간분리영역(34b)에 의해 분리된 상하부영역(34a,34c)은 거의 동일한 성장모드로 성장되어 실질적으로 동일한 경사각(θ1≒θ3)의 결정면을 가질 수 있으나, 원하는 피라미드 조건을 만족하는 범위에서, 상하부영역(34a,34c)의 경사각(θ1,θ3)은 다소 차이가 있을 수 있으며, 심지어 동일한 영역 내에서 다른 경사각을 가질 수 있다. 예를 들어, 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정 구조는 압전특성의 개선을 고려하여 60∼65°범위에서 두 영역(34a,34c)의 경사각은 다소 차이가 있을 수 있으며, 동일 영역 내에서 다른 복수의 경사각을 가질 수 있다.
한편, 상기 중간분리영역(34b)의 결정면은 경사면 분리를 위한 충분한 효과를 위해서 80°이상의 경사각을 갖는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 다만, 중간분리영역의 측방향 성장모드를 강화하더라도, 중간분리영역(34b)의 표면에 추가적인 결정성장이 요구되는 경우에는 바람직하게 150°이하, 보다 바람직하게 100°이하의 경사각을 가질 수 있다.
상기 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정구조(34)가 갖는 경사진 결정면은 기판 상면(또는 질화물 반도체층 상면)의 결정면에 의존하지만, 기판 상면이 C면인 경우에, (1-100)면인 M면, (1-101)면인 S면, (11-20)면인 A면, (1-102)면인 R면, (11-23)면인 N면과 그 등가인 결정면 중에서 얻어질 수 있으나, 압전특성의 개선효과측면에서 S면이 바람직한 것으로 알려져 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 중간분리영역(34)을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정(34)의 결정 면은 S면이 바람직하다. 상기 중간분리영역(34b)의 결정면은 측방향성장모드의 조건에 의해 정해지므로, 특정된 하나의 결정면으로 표현될 수 없으나, 상하부영역(34b)의 결정면이 S면인 경우에 비 S면이라 표현될 수 있다.
본 실시형태에서는, 도3b와 같이 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정(34)이 하나의 중간분리영역(34b)을 채용한 2단 구조로 예시하였으나, 경사면의 응력분산 효과를 증가시키기 위해서, 3단 이상의 구조를 갖도록 서로 이격되어 위치한 복수의 중간분리영역을 가질 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 측면에 따른 육각 피라드형 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 버퍼층(42)이 형성된 기판(41) 상에 제1 도전형 질화물 반도체로 이루어진 기저층(43)이 형성된다. 상기 기저층(43)상에는 개구부(W)를 갖는 마스크(M)가 형성된다. 선택적 성장과정을 통해, 기저층(43)의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 적어도 하나의 육각 피라미드의 제1 도전형 질화물 반도체 결정구조(44)가 형성된다.
도4에 도시된 바와 같이, 육각 피라미드의 제1 도전형 질화물 반도체 결정구조(44)는 다른 경사각의 결정면을 갖는 중간분리영역(44b)에 의해 상부 및 하부영역(44a,44c)으로 구분되도록 상기 상하부영역(44a,44c) 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)는 육각 피라미드의 제1 도 전형 질화물 반도체 결정구조(44)의 표면에 활성층(45)과 제2 도전형 질화물 반도체층(46)이 순차적으로 형성된다. 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(46) 상에는 투명전극(47)이 형성되며, 상기 제1 도전형 질화물 반도체인 기저층(43)의 일부영역과 투명전극(47) 일영역 상에는 각각 제1 및 제2 전극(48,49)이 형성된다. 이러한 전극배열구조는 필요에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 중간분리영역(44b)은 육각 피라미드구조(44)의 연속적인 경사면을 보다 작은 길이를 갖는 2개의 영역(44a,44c)으로 분할함으로써 경사면의 길이가 증가함에 따라 커지는 국부적인 응력을 크게 저감시킬 수 있다. 이러한 응력저감효과는 상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정구조(44)의 표면에 형성된 활성층(45)의 두께 차이를 감소시킬 수 있다. 즉, 피라미드의 정점영역에 형성된 활성층(45)의 두께와 그 바닥부근에 형성된 활성층(45)의 두께의 차이가 중간분리영역(44b)이 없는 종래의 형태에서보다 크게 저감될 수 있다. 따라서, 활성층(45)을 구성하는 양자우물층과 양자장벽층이 상대적으로 균일한 두께 및 In 함량을 갖도록 구현될 수 있으므로, 두께 및 In 함량의 편차로 인한 발광파장의 신뢰성문제를 크게 개선시킬 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 경사진 결정면에서의 응력은 p형과 같은 제2 도전형 질화물 반도체층(46)의 불순물 도핑특성을 악화시키는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 육각 피라미드의 질화물 반도체 결정구조(44)에서는 중간분리영역(44b)에 의해 상대적으로 응력이 감소될 수 있으므로, p형 불순물의 주입특성이 개선되는 효과도 기대할 수 있다.
본 실시형태에 채용된 중간분리층(44b)의 다양한 바람직한 조건은 도3a 및 도3b에서 설명된 조건과 결합하여 이해될 수 있다.
도3 및 도4에 예시된 구조는 하나의 육각 피라미드 구조만이 예시되어 있으나, 필요에 따라 개구부의 수를 증가시켜 복수의 육각 피라미드 구조가 배열된 어레이구조로서 제공될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 일 실시예를 참조하여 중간분리영역이 채용된 육각 피라미드 질화물 반도체 결정구조를 보다 구체적으로 설명한다.
(
실시예
)
사파이어 기판 상에 저온 버퍼층을 형성한 후에, MOCVD 공정을 이용하여 기저층으로서 n형 GaN층을 형성하였다. 이어, n형 GaN층 상에 약 4㎛의 직경인 개구부를 갖는 SiO2 마스크를 형성하였다.
육각 피라미드 성장을 위한 조건으로서, 950℃온도에서 약 8㎛/hr의 성장속도(성장압력: 400torr, Ⅴ/Ⅲ족 비: 약 3000)로 약 1시간 정도 GaN 결정을 성장시킨 후에, 측방향 성장모드를 강화하기 위해서, 다른 조건을 유지한 채에 TMG(trimethyl gallium)의 유량을 증가시켜 성장속도를 약 10㎛/hr로 높임으로써 중간분리영역을 위한 성장공정을 연속적으로 실시하였다. 중간분리영역을 위한 성 장공정을 약 5분간 지속한 후에 다시 종전과 같은 육각 피라미드 성장 조건으로 육각 피라미드의 n형 GaN 결정을 성장시켰다.
그 결과에 의해 제조된 육각 피라미드구조의 n형 질화물 반도체 결정은 도5a 및 도5b에 나타나있다.
본 실시예의 조건에 따라 피라미드성장조건보다 측방향 성장모드가 강화된 조건에서 성장된 부분은 결정면이 거의 90°에 가까운 중간분리영역이 형성되었으며, 전체적인 피라미드 구조의 경사면은 그 중간분리영역에 의해 나누어짐으로써 본 발명에 따른 육각 피라미드 결정에서 경사면 연장에 따른 응력발생이 저감될 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다른 영역의 결정면보다 큰 경사각을 갖는 중간분리영역을 채용함으로써 육각 피라미드구조의 연속된 경사면을 작은 단위로 분리시킬 수 있으며, 이로써 응력발생을 저감시킬 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 활성층의 보다 균일한 두께를 보장할 수 있을 뿐만 아니라, p형 불순물 도핑특성을 개선할 수 있다.
Claims (26)
- 질화물 반도체층 상에 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계; 및상기 마스크의 개구부에 노출된 상기 질화물 반도체층 영역에 상기 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하며,상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정은, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함하되,상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는,육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제1 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제1 성장공정을 수행하는 단계와,상기 중간분리영역이 형성되도록 상기 제1 성장속도보다 높은 제2 성장속도로 질화물 반도체 결정의 제2 성장공정을 수행하는 단계와,육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제3 성장속도- 상기 제3 성장속도는 상기 제2 성장속도보다 낮음-로 질화물 반도체 결정의 제3 성장공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는, 상기 제2 성장공정의 수행단계와 상기 제3 성장공정의 수행단계를 적어도 1회 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제3 성장속도는 동일한 성장속도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2 성장속도는 상기 제1 성장속도보다 20%이상 높은 속도인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제3 성장속도는 7∼9㎛/hr 범위이며, 상기 제2 성장속도는 10㎛/hr이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계에서의 성장속도는 Ⅲ족 소스가스의 유량을 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나의 중간분리영역은 각각 0.1∼1㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면은 S면이며, 상기 중간분리영역의 결정면은 비 S면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 제1항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면의 경사각은 60∼65°이며, 상기 중간분리영역의 결정면의 경사각은 80∼150°인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 선택 성장방법.
- 상면에 그 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 적어도 하나의 육각 피라미드 결정구조가 형성되며, 상기 육각 피라미드 결정구조는 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함한 제1 도전형 질화물 반도체층; 및상기 적어도 하나의 육각 피라미드 결정구조의 결정면 상에 순차적으로 형성된 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하며,상기 중간분리영역의 상하부에 위치한 결정면은 동일한 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제11항에 있어서,상기 육각 피라미드 결정구조는 서로 이격되어 위치한 복수의 중간분리영역을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제11항에 있어서,상기 적어도 하나의 중간분리영역은 각각 0.1∼1㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제11항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면은 S면이며, 상기 중간분리영역의 결정면은 비 S면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제11항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 질화물 반도체 결정의 결정면의 경사각은 60∼65°이며, 상기 중간분리영역의 결정면의 경사각은 80∼150°인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1 도전형 질화물 반도체로 이루어진 기저층 상면에 적어도 하나의 개구부를 갖는 마스크를 형성하는 단계;상기 마스크의 개구부에 노출된 상기 기저층 영역 각각에 상기 기저층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 단계; 및상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정 표면에 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계를 포함하며,상기 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정은, 그 상하부에 위치한 결정면의 경사각보다 큰 경사각의 결정면을 갖는 적어도 하나의 중간분리영역을 포함하되,상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는,육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제1 성장속도로 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 제1 성장공정을 수행하는 단계와,상기 중간분리영역이 형성되도록 상기 제1 성장속도보다 높은 제2 성장속도로 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 제2 성장공정을 수행하는 단계와,육각 피라미드 구조를 위한 성장모드를 만족하는 제3 성장속도- 상기 제3 성장속도는 상기 제2 성장속도보다 낮음-로 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 제3 성장공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 삭제
- 제17항에 있어서,상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계는, 상기 제2 성장공정의 수행단계와 상기 제3 성장공정의 수행단계를 적어도 1회 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 제1 및 제3 성장속도는 동일한 성장속도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 제2 성장속도는 상기 제1 성장속도보다 20%이상 빠른 속도인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 제1 및 제3 성장속도는 7∼9㎛/hr 범위이며, 상기 제2 성장속도는 10㎛/hr이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 선택 성장 단계에서의 성장속도는 Ⅲ족 소스가스의 유량을 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 적어도 하나의 중간분리영역은 각각 0.1∼1㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 결정면은 S면이며, 상기 중간분리영역의 결정면은 비 S면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,상기 중간분리영역을 제외한 상기 육각 피라미드 구조의 제1 도전형 질화물 반도체 결정의 결정면의 경사각은 60∼65°이며, 상기 중간분리영역의 결정면의 경 사각은 80∼150°인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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