KR100486699B1

KR100486699B1 - ｐ형 ＧａＮ 단결정 성장 방법

Info

Publication number: KR100486699B1
Application number: KR10-1999-0004984A
Authority: KR
Inventors: 김익현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2005-05-03
Also published as: KR20000056003A

Abstract

본 발명은 후열처리 공정이 필요없는 비후열처리 공정 p-GaN 단결정 성장 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 활성p-GaN 단결정 성장 방법은, 유기 금속 소스의 운송 가스로 NH₃ 가스를 이용하여 1000~1200℃ 온도에서 p-GaN 단결정을 500~2000Å 두께로 성장시키는 공정 및 상기 유기 금속 소스 및 NH₃ 가스의 공급을 중단하고 순수 질소 분위기에서 600~900℃로 상기 p-GaN 단결정층을 소정 시간 동안 유지하는 공정으로 얇은 p-GaN 층을 반복적으로 성장시켜 원하는 두께의 p형 GaN층을 얻는다.

Description

ｐ형 ＧａＮ 단결정 성장 방법{Method for growing a p-GaN layer}

본 발명은 p-GaN 단결정 성장 방법에 관한 것으로, 특히 후열처리 공정이 필요없는 비후열처리 공정 p-GaN 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 일반적으로 GaN계 레이저 다이오드는 사파이어 기판(1) 상에 버퍼층(2), n-GaN층(3), 활성층(4), p-GaN층(5)가 순차로 적층된 구조로 되어있다. 여기서, n-GaN층(3)층과 같은 n형 물질로 반도체층을 도핑하는 것은 쉬우나 p-GaN층(5)과 같은 p형의 물질로 도핑하는 것은 쉽지가 않다.

p-GaN 단결정 성장을 위한 일반적인 방법은 성장시 cp2Mg를 이용해 Mg를 GaN 내에 혼합(incorporation)시키고 이를 질소분위기에서 어닐링하여 p형으로 활성화(activation)시켜 주는 방법이다. As-성장(growing) 상태에서 Mg가 혼합된( incorporated) GaN가 p-도핑(doping) 특성을 띄지 않는 이유로 일반적으로 받아들여지고 있는 이론은 성장중 혼합(incorporation)되는 Mg가 분위기 중의 수소와 반응해서 Mg-H 화합물(complex)을 형성하기 때문이다. 따라서 이것을 p-형으로 활성화시키기 위해서는 후 열처리를 통해 Mg-H 결합(bonding)을 끊고 H를 GaN 에피택시층 밖으로 확산시켜 제거하여야 한다.

후열처리 공정을 이용하여 p-GaN층을 활성화시키는 기존의 방법은 활성 p-GaN층을 직접적으로 성장시키는 방법에 비해 또 하나의 부가적인 공정을 필요로 하기 때문에 효율성이 떨어진다. 또한 열적으로 불안정한 InGaN 활성층이 후 열처리 공정을 통해 퇴화(degradation)될 가능성이 높으며 이 과정을 통해 다른 불순물이 에피택시층에 유입될 위험성 또한 높다. 이미 수천 Å 이상 길러진 p-GaN 층 내의 H 가 짧은 열처리 시간 동안 Mg-H 결합(bonding)을 끊고 얼마나 효과적으로 제거될 수 있을 지도 의문이고 열처리 시간이 길어질 경우에는 앞에서 언급한 것처럼 활성층 계면의 내부혼합(intermixing), 결함전파(defect propagation) 등의 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, p-GaN 단결정을 다중 적층(layer by layer)하는 방식으로 성장시킴으로써, 동일한 Mg이 들어갈 경우 정공(hole)의 농도를 높일 수 있을 뿐 만 아니라 후속 공정을 하나 줄이는 p-GaN 단결정 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 p-GaN 단결정 성장 방법은, (가) 유기 금속 소스의 운송 가스로 질소 운송 가스를 이용하여 소정의 제1온도에서 p-GaN 단결정을 소정의 두께로 성장시키는 단계; 및 (나) 상기 유기 금속 소스 및 질소 운송 가스의 공급을 중단하고 순수 질소 분위기에서 소정의 제2온도로 상기 p-GaN 단결정층을 소정 시간 동안 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 질소 운송 가스로 NH₃를 사용하고, 상기 제1온도는 1000~1200℃ 범위의 온도이며, 상기 p-GaN 단결정은 500~2000Å 두께로 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 (나) 단계에서 상기 제2온도는 600~900℃ 범위의 온도이고, 상기 순수 질소 분위기 및 상기 제2온도는 0.1 ~ 10 분 동안 유지하는 것이 바람직하며, 상기 (가) 단계 및 (나) 단계를 반복하여 p-GaN 단결정을 원하는 두께로 성장시킨다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 p-GaN 단결정 성장 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 p-GaN 단결정 성장 방법은 후 활성화 공정이 필요치 않는 p-GaN 단결정 성장을 위해 성장중 Mg-H 반응을 최대한으로 억제하기 위해 유기 금속 소스의 운송 가스를 일반적인 수소 가스 대신에 정제된 청정 질소가스를 사용한다. 또한, 소스 가스 중의 하나인 NH₃에서 해리되어 나온 H의 혼합(incorporation)을 억제하기 위한 방법으로 약 1000Å 두께의 p-GaN 단결정 성장 후 NH₃ 공급을 중단하고 GaN의 해리(dissociation)를 억제하기 위해 기판 온도를 약 900℃ 이하로 낮춘 후 수분 질소 분위기를 유지한다. 이 과정을 통해 에피택시층 내에 소량 포함된 H는 얇은 p-GaN 층을 뚫고 효과적으로 외부 확산(out diffusion) 될 수 있다. 이러한 방법으로 단계적으로(stepwise) 수천 Å의 p-GaN 단결정을 재성장(overgrowth)하여 성장중인(as growing) 상태에서 활성화된 p-GaN 단결정층을 얻는다.

p-GaN 성장 중 Mg을 패시베이션(passivation)시키는 H의 소스로 흔히 주목되어 온 것은 NH₃ 소스 가스이다. 그 이유로 NH₃는 낮은 온도에서도 쉽게 해리되어 활성 원자 수소를 잘 형성시키는 반면 H₂의 경우 원자 상태로의 해리를 위해서는 높은 에너지가 필요하므로 상대적으로 많은 양의 운송 수소 가스가 반응기(reactor)로 유입된다 하더라도 Mg-H 결합에 NH₃가 훨씬 유리하다는 것이다. 그러나 실제로 1300°K 정도의 고온에서는 상당한 양의 수소 분자가 원자 상태로 해리된다(10 mTorr H in 100 Torr H₂). 최근에 보고된 도시바(Toshiba)사의 논문을 보면 수소 운송 가스를 질소로 대체한 경우 후열처리 없이도 저항이 상대적으로 낮은 p-GaN층을 얻었음을 보고하고 있다. 이는 운송 수소 가스가 Mg 패시베이션(passivation)에 상당한 기여를 하고 있음을 단적으로 보여 준다.

이와 같이, 본 발명에 따른 p-GaN 단결정 성장 방법은 질소 운송 가스를 이용하여 얇은 p-GaN층을 성장시켜 에피층에 함유되는 수소 원자의 양을 최소로 줄이고 순수 질소 분위기의 저온(600℃-900℃)에서 NH₃의 해리에 의해 함유된 잔류 H를 외부 확산(out diffusion)시킨다. 이러한 성장 상태에서 p-GaN 단결정을 활성화시키고, 도 2에 도시된 바와 같이, 얇은 p-GaN 단결정(5) 위에 다시 반복공정으로 p-GaN 단결정(6)을 성장시키는 공정을 반복하여 원하는 두께의 활성p-GaN 단결정층을 얻는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 활성p-GaN 단결정 성장 방법은, 유기 금속 소스의 운송 가스로 NH₃ 가스를 이용하여 1000~1200℃ 온도에서 p-GaN 단결정을 500~2000Å 두께로 성장시키는 공정 및 상기 유기 금속 소스 및 NH₃ 가스의 공급을 중단하고 순수 질소 분위기에서 600~900℃로 상기 p-GaN 단결정층을 소정 시간 동안 유지하는 공정으로 얇은 p-GaN 층을 반복적으로 성장시켜 원하는 두께의 p형 GaN층을 얻는다. 이 경우 후 열처리 공정에 비해 쉽게 수소를 외부 확산(out diffusion)시켜 줄 수 있으므로 원자 수소에 의한 Mg 패시베이션(passivation) 양이 동일한 경우 활성화 효율이 높아서 p형의 정공(hole) 농도를 높일 수 있을 뿐 만 아니라 후속 공정을 하나 줄임으로서 전체 소자 제작 공정의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,

도 2는 도 1의 GaN계 레이저 다이오드에서 Mg 활성화 p-GaN의 단계별 적층 성장(Layer by Layer growth of Mg activated p-GaN) 공정을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 사파이어 기판 2. 버퍼층

3. n-GaN층 4. 활성층

5. 제1의 p-GaN층 6. 제2의 p-GaN층

Claims

(가) 유기 금속 소스의 운송 가스로 질소 운송 가스를 이용하여 소정의 제1온도에서 p-GaN 단결정을 소정의 두께로 성장시키는 단계; 및

(나) 상기 유기 금속 소스 및 질소 운송 가스의 공급을 중단하고 순수 질소 분위기에서 소정의 제2온도로 상기 p-GaN 단결정층을 소정의 시간 동안 유지시켜 활성화하는 단계;를 포함하며,

상기 (가) 단계에서 상기 질소 운송 가스로 NH₃를 사용하는 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 (가) 단계에서 상기 제1온도는 1000~1200℃ 범위의 온도인 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.
제1항에 있어서,

상기 (가) 단계에서 상기 p-GaN 단결정은 500~2000Å 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.
제1항에 있어서,

상기 (나) 단계에서 상기 제2온도는 600~900℃ 범위의 온도인 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.
제1항에 있어서,

상기 (나) 단계에서 상기 순수 질소 분위기 및 상기 제2온도는 0.1 ~ 10 분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.
제1항 내지 제6항에 있어서,

상기 (가) 단계 및 (나) 단계를 반복하여 p-GaN 단결정을 원하는 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 p-GaN 단결정 성장 방법.