KR20080001375A - 다층의 버퍼층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판위에 조성비가 가변된 다층의 In_xAl_1-xN(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층위에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 GaN 버퍼층위에 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 기판과 반도체층 사이에 기판과 버퍼층을 개재함에 있어서 버퍼층을 다층으로 구현하고 각 버퍼층의 조성비를 점차적으로 변경함으로써 각 버퍼층간과 반도체층과의 계면 공백 및 결정스트레스를 작게 하여 기판과 반도체층의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

발광 소자, 질화물 반도체, 버퍼층, AlN, 사파이어, 다층

Description

다층의 버퍼층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR HAVING MULTI BUFFER LAYERS AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 반도체층중에서 n-GaN의 원자 현미경 이미지.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 200 : InN 버퍼층

300 : AlN 버퍼층 400 : InAlN 버퍼층

500 : GaN 버퍼층 600 : u-GaN층

700 : 반도체층

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판과 반도체층 사이에 개재되는 버퍼층을 다층으로 구현함으로써 기판과 반도체층의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 감소시키는 다층의 버퍼층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법에 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 발광 소자의 특성을 악화시킨다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자용 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(1)위에 버퍼층(2)을 형성한다. 버퍼층(2)은 Al_xGa_1-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 발광 소자를 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 컬 럼형상의 구조(columnar structure)를 갖는다. 또한, Al_xGa_(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 버퍼층(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 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

이러한 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 의하면, 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판위에 조성비가 가변된 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층위에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 GaN 버퍼층위에 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법을 제공한다.

상기 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 기판위에 InN 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 InN 버퍼층위에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 AlN 버퍼층위에 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계는, 400℃ - 600℃에서 성장되어 형성될 수 있다.

바람직하게 상기 InN 버퍼층은 400℃ - 500℃에서 성장되어 형성되고, 상기 AlN 버퍼층은 500℃ - 600℃에서 성장되어 형성되고, 상기 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층은 550℃ - 600℃에서 성장되어 형성될 수 있다.

상기 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법은 상기 GaN 버퍼층과 상기 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층사이에 언도프트 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판과, 상기 기판위에 형성된 조성비가 가변된 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층과, 상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층위에 형성된 GaN 버퍼층과, 상기 GaN 버퍼층위에 형성된 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.

상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층은, 상기 기판위에 형성된 InN 버퍼층과, 상기 InN 버퍼층위에 형성된 AlN 버퍼층과, 상기 AlN 버퍼층위에 형성된 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층을 포함할 수 있다.

상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 GaN 버퍼층과 상기 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층사이에 형성된 언도프트 GaN층을 더 포함할 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 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(100)을 준비하여 반응 챔버내에 위치시킨다(S1). 기판(100)은 그 위에 형성될 질화물 반도체층과 유사한 격자상수를 갖는다. 기판(100)은 사파이어, 스피넬(spinel), Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등이 사용될 수 있다.

기판(100)위에 InN 버퍼층(200)을 형성한다(S2).

InN 버퍼층(200)은 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성 장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

InN 버퍼층(200)은 400℃ 내지 500℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 상술한 결정 성장 방법 중 어느 하나를 이용하여 성장될 수 있다.

InN 버퍼층(200)을 형성하기 위한 소오스 가스는 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 - 500℃에서 InN 버퍼층(200)을 형성한다.

InN 버퍼층(200)을 형성한 후 InN 버퍼층(200)위에 AlN 버퍼층(300)을 형성한다(S3)

AlN 버퍼층(300)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)등을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH₃)를 사용한다.

이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 500℃ - 600℃에서 AlN 버퍼층(300)을 형성한다.

AlN 버퍼층(300)을 형성한 후 AlN 버퍼층(300)위에 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층(400)을 형성한다(S4).

In_xAl_{1 - x}N 버퍼층(400)을 형성하기 위한 소오스 가스는 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH₃)₃), 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) 등을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH₃)를 사용한다.

이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 550℃ - 600℃에서 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층(400)을 형성한다.

In_xAl_{1 - x}N 버퍼층(400)을 형성한 후 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층(400)위에 GaN 버퍼층(500)을 형성한다(S5).

GaN 버퍼층(500)을 형성하기 위한 소오스 가스는 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℃ - 700℃의 온도와 50 Torr 내지 700 Torr의 압력 아래서 20 nm 내지 50 nm의 두께로 GaN 버퍼층(500)을 형성한다.

그 후, GaN 버퍼층(500)위에 u-GaN(undoped-GaN)층(600)을 형성한다(S6).

u-GaN(600)은 그 위에 GaN계 물질로 구성되는 GaN계열의 반도체층(700)을 고품질로 형성시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

u-GaN층(600)을 형성한 후 반응 챔버의 온도를 900 - 1200℃로 하고 MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여, u-GaN층(600)위에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 반도체층(700)을 형성한다(S7). 그 후, 반도체층(700)에 전극들을 형성하여 발광 소자를 제조한다(S8).

이때, 반도체층(700)은 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층이 차례대로 형성될 수 도 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 반도체층(700)중에서 n-GaN의 원자 현미경(Atomic Force Microscope: AFM) 이미지이다. 도 4에서 볼 수 있듯이 기판과 반도체층사이에 다층의 버퍼층을 형성함으로써 양질의 반도체층이 형성되었음을 볼 수 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.

본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 반도체층 사이에 기판과 버퍼층을 개재함에 있어서 버퍼층을 다층으로 구현하고 각 버퍼층의 조성을 점차적으로 변경함으 로써 각 버퍼층간과 반도체층과의 계면 공백 및 결정스트레스를 작게 하여 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 기판위에 3원 화합물 버퍼층을 형성하기 전에 해당 3원 화합물 버퍼층을 구성하는 각 조성으로 이루어진 2원 화합물 버퍼층을 사전에 차례대로 형성함으로써 3원 화합물 버퍼층이 직접 기판위에 형성될 때보다 결정결함이 줄어듦에 따라 반도체층의 결정결함도 줄어들게 되어 질화물 발광 소자의 광수율을 개선시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 기판을 준비하는 단계와,

   상기 기판위에 조성비가 가변된 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층위에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 GaN 버퍼층위에 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계는,

   상기 기판위에 InN 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 InN 버퍼층위에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 AlN 버퍼층위에 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층을 형성하는 단계는, 400℃ - 600℃에서 성장되어 형성되는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 InN 버퍼층은 400℃ - 500℃에서 성장되어 형성되고,

   상기 AlN 버퍼층은 500℃ - 600℃에서 성장되어 형성되고,

   상기 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층은 550℃ - 600℃에서 성장되어 형성되는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 GaN 버퍼층과 상기 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층사이에 언도프트 GaN층을 형성하는 단계를 더 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
6. 기판과,

   상기 기판위에 형성된 조성비가 가변된 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층과,

   상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N 버퍼층위에 형성된 GaN 버퍼층과,

   상기 GaN 버퍼층위에 형성된 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 다층의 In_xAl_{1 - x}N(0≤x≤1) 버퍼층은,

   상기 기판위에 형성된 InN 버퍼층과,

   상기 InN 버퍼층위에 형성된 AlN 버퍼층과,

   상기 AlN 버퍼층위에 형성된 In_xAl_{1 -x}N(0<x<1) 버퍼층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
8. 청구항 6에 있어서,

   상기 GaN 버퍼층과 상기 P-N 접합을 갖는 GaN계 반도체층사이에 형성된 언도프트 GaN층을 더 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.

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