KR20030053290A - Nitrogen-Compound Semiconductor Device and Method for manufacturing a Nitrogen-Compound Semiconductor Device - Google Patents
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Description
본 발명은 질화물 반도체 소자 및 질화물 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 고휘도의 청색 및 적색 빛을 발광시키는 소자로 이용될 수 있는 질화물 반도체 소자 및 질화물 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device, and relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device that can be used as a device for emitting high brightness blue and red light.
질화물 반도체 소자는 고휘도 청색 또는 백색 발광 다이오드(blue/white light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode, LD)를 비롯한 여러 다이오드에 핵심 기술로 사용되는 소자로써 최근 크게 주목받고 있다.Nitride semiconductor devices have recently attracted much attention as devices used as core technologies for various diodes including high brightness blue or white light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs).
도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 나타낸 것이다.1 illustrates a structure of a nitride semiconductor device according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래의 질화물 반도체는, 기판(110:wafer)과, 상기 기판(110) 상에 형성된 버퍼층(120:buffer layer)과; 상기 버퍼층(120) 상에 형성되며, n형 도펀트(dopant)로 도핑(doping)된 n형 질화갈륨층(130:GaN layer)과; 상기 n형 질화갈륨층(130) 상에 순차적으로 형성된 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well)구조의 활성층(140); 및 상기 활성층(140) 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 p형 질화갈륨층(150); 등의 구조를 갖는다.Referring to FIG. 1, a conventional nitride semiconductor includes a substrate 110, a buffer layer formed on the substrate 110, and a buffer layer 120 formed on the substrate 110; An n-type gallium nitride layer (130: GaN layer) formed on the buffer layer 120 and doped with an n-type dopant; An active layer 140 having a multi-quantum well structure sequentially formed on the n-type gallium nitride layer 130; And a p-type gallium nitride layer 150 formed on the active layer 140 and doped with a p-type dopant. And the like.
여기서, 상기 활성층(140)은 질화인듐갈륨계 우물(well)과 질화갈륨계 장벽(barrier)층으로 구성된 다중 양자 우물층으로서, 성장시의 온도에 매우 민감한 특성을 가진다. 상기 다중 양자 우물층의 성장 온도에 따라 질화인듐갈륨계에 포함된 인듐(In)의 조성비가 달라지고, 이에 따라 발광되는 빛의 파장이 결정되기 때문이다.Here, the active layer 140 is a multi-quantum well layer consisting of an indium gallium nitride well and a gallium nitride barrier layer, and has a very sensitive characteristic of temperature during growth. This is because the composition ratio of indium (In) included in the indium gallium nitride system varies according to the growth temperature of the multi-quantum well layer, and thus the wavelength of light emitted is determined.
그런데, 종래기술의 반도체 소자에서는 상업적으로 이용가치가 높은 고휘도의 청색 및 녹색 발광을 구현하는 것이 불가능했다. 즉, 고휘도의 청색 및 녹색 발광소자를 제작하기 위해서는 인듐 성분이 많이 함유된 질화인듐갈륨 활성층이 필요하므로, 상기 활성층(140)의 성장 온도를 낮춰야 한다. 그런데, 고품질의 질화갈륨층(150)의 성장 온도는 상기 활성층(140)의 성장 온도보다 약 300℃ 정도 높기 때문에 문제가 발생하게 된다.However, in the semiconductor device of the prior art, it was not possible to realize high luminance blue and green light emission having high commercial value. That is, in order to fabricate high luminance blue and green light emitting devices, an indium gallium nitride active layer containing a lot of indium components is required, and thus the growth temperature of the active layer 140 must be lowered. However, a problem occurs because the growth temperature of the high quality gallium nitride layer 150 is about 300 ° C. higher than the growth temperature of the active layer 140.
다시 말하여, 활성층(140)의 인듐 조성비를 높이기 위해 성장 온도를 낮추면, p형 질화갈륨층(150)의 결정성이 현저히 저하될 뿐만 아니라 p형 질화갈륨층(150)의 도펀트로 사용되는 마그네슘(Mg)이 역확산(back diffusion) 되어 활성층(140)의 불순물 함량이 급속히 증가되는 문제가 발생한다.In other words, when the growth temperature is lowered to increase the indium composition ratio of the active layer 140, the crystallinity of the p-type gallium nitride layer 150 not only decreases significantly but also magnesium used as a dopant of the p-type gallium nitride layer 150. The back diffusion of Mg causes a problem that the impurity content of the active layer 140 rapidly increases.
또한, 종래기술의 반도체 소자는 p형 질화갈륨층(150)의 결함(defect)이 활성층의 장벽층(barrier) 표면에 전파되고, 이에 따라 활성층(140)의 결함 밀도가 증가되어 상기 반도체 소자의 수명이 단축되는 문제가 있었다.In addition, in the semiconductor device of the prior art, a defect of the p-type gallium nitride layer 150 is propagated to the barrier layer of the active layer, thereby increasing the defect density of the active layer 140, There was a problem that the life is shortened.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 도핑되지 않은 질화갈륨층을 활성층과 p형 질화갈륨층 사이에 추가적으로 성장시켜서, p형 도펀트로 사용되는 마그네슘이 활성층으로 확산되는 것을 방지하고, 결함이 활성층의 장벽층(barrier) 표면으로 전파되는 것을 차단하는 질화물 반도체 소자 및 질화물 반도체 소자의 제조방법을 제시하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems, by further growing an undoped gallium nitride layer between the active layer and the p-type gallium nitride layer, to prevent the diffusion of magnesium used as a p-type dopant into the active layer, An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the nitride semiconductor device that prevent defects from propagating to the barrier surface of the active layer.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 나타낸 것이고,1 illustrates a structure of a nitride semiconductor device according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 나타낸 것이다.2 shows a structure of a nitride semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110, 210: 기판120, 220: 버퍼층110, 210: substrate 120, 220: buffer layer
130, 230: n형 질화갈륨층140, 240: 활성층130, 230: n-type gallium nitride layer 140, 240: active layer
150, 260: p형 질화갈륨층250: 질화갈륨층150, 260: p-type gallium nitride layer 250: gallium nitride layer
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는, 버퍼층이 형성되어 있는 기판과; 상기 기판 상에 형성되며, n형 도펀트로 도핑된 n형 질화갈륨층과; 상기 n형 질화갈륨층 상에 순차적으로 형성된 다중 양자 우물구조의 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며, 도펀트로 도핑되지 않은 질화갈륨층; 및 상기 질화갈륨층 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 p형 질화갈륨층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the nitride semiconductor device according to the present invention includes a substrate on which a buffer layer is formed; An n-type gallium nitride layer formed on the substrate and doped with an n-type dopant; An active layer of a multi-quantum well structure sequentially formed on the n-type gallium nitride layer; A gallium nitride layer formed on the active layer and not doped with a dopant; And a p-type gallium nitride layer formed on the gallium nitride layer and doped with a p-type dopant. Characterized in that it comprises a.
그리고, 상기 질화갈륨층은, 트리메틸갈륨(Trimethylgallium:TMGa)이 0.1 ~500 μ㏖이고, 암모니아(NH3)와 수소(H2) 및 질소(N2)가 0.1ℓ ~ 100ℓ이고, 온도(TThe gallium nitride layer has a trimethylgallium (TMGa) of 0.1 to 500 µmol, ammonia (NH 3 ), hydrogen (H 2 ), and nitrogen (N 2 ) of 0.1 L to 100 L, and a temperature (T
emperature)가 800 ~ 900℃이고, 상기 질화갈륨층의 두께(Thickness)가 100 ~ 5000Å 인 조건하에서 형성됨을 특징으로 한다.emperature) is 800 ~ 900 ℃, the thickness of the gallium nitride layer (Thickness) is characterized in that it is formed under the condition of 100 ~ 5000Å.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 제조방법은, 버퍼층이 형성된 기판이 제공되는 단계와; 상기 기판 상에 n형 도펀트로 도핑된 n형 질화갈륨층을 형성시키는 단계와; 상기 n형 질화갈륨층 상에 다중 양자 우물구조의 활성층을 순차적으로 형성시키는 단계와; 상기 활성층 상에 도펀트로 도핑되지 않은 질화갈륨층을 형성시키는 단계; 및 상기 질화갈륨층 상에 p형 도펀트로 도핑된 p형 질화갈륨층을 형성시키는 단계; 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention comprises the steps of providing a substrate having a buffer layer; Forming an n-type gallium nitride layer doped with an n-type dopant on the substrate; Sequentially forming an active layer of a multi-quantum well structure on the n-type gallium nitride layer; Forming a gallium nitride layer doped with a dopant on the active layer; And forming a p-type gallium nitride layer doped with a p-type dopant on the gallium nitride layer. Characterized in that comprises a.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 나타낸 것이다.2 shows a structure of a nitride semiconductor device according to the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판(210)과, 상기 기판(210) 상에 형성된 버퍼층(220)과; 상기 버퍼층(220) 상에 형성되며, n형 도펀트로 도핑된 n형 질화갈륨층(230)과; 상기 n형 질화갈륨층(230) 상에 순차적으로 형성된 다중 양자 우물구조의 활성층(240)과; 상기 활성층(240) 상에 형성되며, 도펀트로 도핑되지 않은 질화갈륨층(250); 및 상기 질화갈륨층(250) 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 p형 질화갈륨층(260); 등을 포함한 구조를 갖는다.2, a nitride semiconductor device according to the present invention includes a substrate 210, a buffer layer 220 formed on the substrate 210; An n-type gallium nitride layer 230 formed on the buffer layer 220 and doped with an n-type dopant; An active layer 240 of a multi-quantum well structure sequentially formed on the n-type gallium nitride layer 230; A gallium nitride layer 250 formed on the active layer 240 and not doped with a dopant; And a p-type gallium nitride layer 260 formed on the gallium nitride layer 250 and doped with a p-type dopant. It has a structure including.
여기서, 상기 활성층(240)은 에너지 간격이 큰 n형 질화갈륨층(230)과 p형질화갈륨(260)층 사이에 있는 질화인듐갈륨계 다중 양자 우물구조의 층으로써, 그 에너지 간격이 n형 질화갈륨과 p형 질화갈륨에 비해 상대적으로 작고, 또한 발광 특성이 있는 것을 말한다. 각각의 양자 우물층은 장벽층(barrier layer)에 의해 인접 우물층(well layer)과 분리된다.Here, the active layer 240 is a layer of an indium gallium nitride-based multi-quantum well structure between the n-type gallium nitride layer 230 and the p-type gallium nitride 260 layer having a large energy interval, and the energy interval thereof is n-type. Compared with gallium nitride and p-type gallium nitride, it is relatively small and has luminescent property. Each quantum well layer is separated from an adjacent well layer by a barrier layer.
이와 같은 구조의 질화물 반도체 소자는, n-형 질화갈륨층(230)에서 공급된 전자와 p-형 질화갈륨층(260)에서 공급되는 정공(hole)이 활성층(240)인 양자 우물 구조 내에서 서로 결합하여, 질화인듐갈륨계 우물층의 에너지 간격에 해당하는 고휘도의 녹색 또는 적색 빛을 방출한다.The nitride semiconductor device having such a structure includes a quantum well structure in which electrons supplied from the n-type gallium nitride layer 230 and holes supplied from the p-type gallium nitride layer 260 are active layers 240. In combination with each other, high luminance green or red light corresponding to the energy interval of the indium gallium nitride well layer is emitted.
그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 질화물 반도체의 제조 방법에 대해 살펴보기로 한다.Then, the manufacturing method of the nitride semiconductor having the above configuration will be described.
먼저, 기판(210)이 제공되면, 상기 기판(210) 상에 버퍼층(220)을 형성한다.First, when the substrate 210 is provided, the buffer layer 220 is formed on the substrate 210.
이때, 사용되는 기판(210)으로는 사파이어(Sapphire), 규소(Si), 갈륨비소(In this case, the substrate 210 used is sapphire (Sapphire), silicon (Si), gallium arsenide (
GaAs) 등이 있지만, 바람직하게는 사파이어를 이용한다. 또한, 상기 버퍼층(220) 형성에 이용되는 물질 또한 다양하게 선택할 수 있지만, 바람직하게는 GaN을 이용한다. 상기 GaN은 사파이어 기판 상에 n형 질화갈륨층과 같은 물질로서 n형 질화갈륨층의 격자정합 성장을 이끌어 내는 역할을 하게 된다.GaAs) and the like, but sapphire is preferably used. In addition, the material used to form the buffer layer 220 may be variously selected, but GaN is preferably used. The GaN is a material such as an n-type gallium nitride layer on the sapphire substrate and serves to induce lattice-matched growth of the n-type gallium nitride layer.
한편, 상기 과정에서 버퍼층(220)은 사파이어 기판(210)과 이후 형성될 층(230) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch) 해소하기 위해 사용되는 얇은 막을 의미한다.Meanwhile, in the above process, the buffer layer 220 refers to a thin film used to eliminate lattice mismatch between the sapphire substrate 210 and the layer 230 to be formed later.
이후, 버퍼층(220)이 형성되면, 그 위에 n형 질화갈륨층(230)을 형성시키고,그 위에 다시 다중 양자 우물구조의 활성층(240)을 형성시킨다.Thereafter, when the buffer layer 220 is formed, an n-type gallium nitride layer 230 is formed thereon, and an active layer 240 having a multi-quantum well structure is formed thereon again.
그런 다음, 상기 활성층(240) 상에 도펀트가 도핑되지 않은 질화갈륨층(250)을 다음과 같은 조건하에서 형성시킨다.Thereafter, the gallium nitride layer 250 doped with no dopant is formed on the active layer 240 under the following conditions.
트리메틸갈륨(Trimethylgallium; TMGa): 0.1 ~ 500 μ㏖Trimethylgallium (TMGa): 0.1 to 500 μmol
암모니아(NH3): 0.1ℓ ~ 100ℓAmmonia (NH 3 ): 0.1 L to 100 L
수소(H2), 질소(N2): 0.1ℓ ~ 100ℓHydrogen (H 2 ), Nitrogen (N 2 ): 0.1ℓ ~ 100ℓ
온도(Temperature): 800 ~ 900℃Temperature: 800 ~ 900 ℃
두께(Thickness): 100 ~ 5000ÅThickness: 100 ~ 5000Å
이후, 상기 질화갈륨층(250) 상에 p형 도펀트가 도핑된 p형 질화갈륨층(260)을 형성시킨다.Thereafter, a p-type gallium nitride layer 260 doped with a p-type dopant is formed on the gallium nitride layer 250.
한편, 상기 과정에서 박막을 형성시키는 방법으로는 종래의 유기금속 화학증착법(metalorganic chemical vapor deposition; MOCVD) 또는 분자선 에피택시법(MoMeanwhile, a method of forming a thin film in the above process may be performed by a conventional metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy method (Mo).
lecular Beam Epitaxy) 등을 이용한다.lecular Beam Epitaxy).
그리고, 상기 활성층(240)의 형성에 사용되는 갈륨의 전구체로는 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에티갈륨(Triethylgallium; TEGa)이 사용되고, 인듐의 전구체로는 트리메탈인듐, 질소의 전구체로는 유기금속 화학증착법의 경우는 암모니아를 분자선 에피텍시법의 경우는 질소 플라즈마를 사용하고, 운반 가스는 수소 또는 질소를 사용한다.In addition, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa) is used as a precursor of gallium used to form the active layer 240, and trimetal indium is used as a precursor of indium and organic is used as a precursor of nitrogen. In the case of the metal chemical vapor deposition method, ammonia is used for the molecular beam epitaxy method, and nitrogen plasma is used, and the carrier gas uses hydrogen or nitrogen.
그리고, n형 또는 p형 질화갈륨층(230)(260)의 형성에 있어서, n형 도펀트로는 사수소화실리콘(SiH4) 또는 육수소화이실리콘(Si2H6)을 사용하고, p형 도펀트로 는 마그네슘(Mg)을 사용한다.In forming the n-type or p-type gallium nitride layers 230 and 260, as the n-type dopant, silicon tetrahydride (SiH 4 ) or dihydrogen hexa-silicon (Si 2 H 6 ) is used, and the p-type dopant is used. Magnesium (Mg) is used.
이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 이하 첨부되는 특허청구의 범위에 의하여 정하여야만 한다.As described above, the above embodiments are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art will appreciate that various modifications, improvements, substitutions, and additions may be made without departing from the spirit of the present invention. Accordingly, the technical scope of the present invention should be defined by the appended claims.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자 및 질화물 반도체 소자의 제조방법에서는, 활성층과 p형 질화갈륨층 사이에 도핑되지 않은 질화갈륨층을 추가로 형성시킨다. 따라서, 고휘도의 청색 또는 녹색 발광을 얻기 위해서, 제조공정에서 활성층 성장시의 온도를 낮추더라도, p형 도펀트로 사용되는 마그네슘이 활성층으로 역확산 되지 못하므로, 양질의 다중 양자 우물구조를 가진 활성층을 형성시킬 수 있다.As described above, in the nitride semiconductor device and the method of manufacturing the nitride semiconductor device according to the present invention, an undoped gallium nitride layer is further formed between the active layer and the p-type gallium nitride layer. Therefore, in order to obtain high luminance blue or green light emission, even if the temperature during the growth of the active layer is lowered in the manufacturing process, magnesium used as a p-type dopant does not despread into the active layer, and thus an active layer having a good quality multi-quantum well structure is obtained. Can be formed.
또한, 상기 도핑되지 않은 질화갈륨층은 p형 질화갈륨층의 결함(defect)이 활성층의 장벽층(barrier layer) 표면에 전파되지 못하도록 차단시키는 경계역할을 하므로, 종래와 같이 p형 질화갈륨층의 결함이 활성층에 전파되어 반도체 소자의 수명이 단축되는 문제가 발생하지 않는다.In addition, the undoped gallium nitride layer acts as a boundary to block the defect of the p-type gallium nitride layer from propagating to the barrier layer surface of the active layer, so as in the conventional p-type gallium nitride layer The defect does not propagate to the active layer and shorten the life of the semiconductor device.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |