KR100519641B1 - InAlGaN계 p-n 다이오드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이드라진(Hydrazine) 계열 질소 전구체(Precursor)와 질소 케리어가스를 사용하여 p형 GaN:Mg를 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)으로 성장하는 방법에 관한 것이다. 본 발명으로 질소 전구체로 NH₃와 케리어가스로 수소를 사용한 기존의 p형 GaN:Mg의 성장 시 일반적으로 필요한 후열 처리에 의한 액티베이션(Activation) 공정의 생략이 가능하게 된다. 또한 본 발명을 이용하면 종래의 p형 GaN의 성장 온도(1000~1100 ℃) 보다 매우 낮은 온도(600~800 ℃)에서 p형 GaN의 성장이 가능하여, InAlGaN계 광소자에 일반적으로 사용되는 열적 안정성이 낮은 InGaN 활성층을 보호하여 고성능의 광소자를 성장할 수 있다.

본 발명은 새로운 p형 GaN:Mg 성장법에 의한 InAlGaN계 p-n 다이오드의 제작에 관한 것으로 소자 공정의 간편성과 성능 개선에 목적이 있다.

Description

InAlGaN계 p-n 다이오드의 제조 방법{Fabrication method of InAlGaN p-n diode}

본 발명은 새로운 p형 GaN:Mg 성장법에 의한 AlGaInN계 p-n 다이오드 반도체의 제조 방법에 관한 것으로서, 하이드라진 계열 질소 전구체와 질소 캐리어가스를 사용하여 p형 GaN:Mg를 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)으로 성장하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 AlGaInN계 p-n 다이오드 발광 소자의 에피 구조는, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 절연성 기판인 사파이어 기판(10) 상에 버퍼층(11), n형 GaN 층(12), n형 AlGaN 클래드층(13), InGaN(또는 GaN) 활성층(14), p형 AlGaN층(15), p형 GaN층(16)을 순차적으로 결정 성장 한 후, p형 금속전극(18)의 형성을 하고 n-GaN층에 n 전극(19)을 형성하는 구조이다. 상업용 발광 소자의 경우 기상 증착법의 하나인 MOCVD가 주로 이용된다. 이 경우 도2-1에 도시된 바와 같이 질소 전구체로 NH₃가 사용되며, GaN의 성장은 수소가, InGaN의 경우 질소가 케리어가스로 사용된다. NH₃는 열적으로 매우 안정되어 1000℃ 이상에서도 몇 %정도의 NH₃만이 열분해하여 질소 전구체로서 GaN 성장에 기여한다. 따라서 열분해 효율을 높이기 위해 고온 성장이 불가피하며 결정성이 좋은 GaN 성장을 위한 V/III 분율 또한 매우 높다(보통 4000). 이러한 다량의 NH₃는 또한 부산물로 다량의 수소를 내어, 케리어가스로 사용되는 수소와 더불어 Mg-H 수동화(passivation)의 한 원인을 제공하기도 한다. 이러한 고온 p형 GaN 성장법은 이미 성장된 InGaN 활성층에 적지않은 열적 손상를 제공하여 InGaN 발광 소자의 성능 저하에 한 원인이기도 하다.

일반적으로 NH₃와 수소 케리어가스를 이용한 p형 GaN:Mg 성장 시 p 도펀트인 Mg은 수소와 Mg-H 복합체를 형성해 도펀트 Mg가 수동화(passivation) 되어, 매우 저항이 큰 물질로 된다. 이것을 p형 반도체로 변환하기 위해서는 열처리(thermal annealing)을 사용한다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 도2-2에서 도시된바와 같이 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용하였고 케리어가스로 질소를 사용하였다. 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용하면 반응성이 매우 높은 NH₂ 래디컬(radical)이 형성되고, 그들의 낮은 분자 결합 에너지로 인해 낮은 온도에서 GaN를 성장할 수 있다. 한편으로 효율이 좋은 질소 전구체이므로 기존의 V/III 비율보다 현저히 낮은 비율(보통 20~50; NH₃의 경우 보통 4000)를 사용하여도 양질의 GaN의 성장이 가능하다. 더욱 중요한 것은 하이드라진 계열의 질소 전구체와 질소 케리어가스를 함께 사용하여 p형 GaN:Mg를 성장시키는 경우 부산물로 형성되는 수소의 양을 최소화할 수 있어, Mg-H 복합체의 형성에 의한 Mg-H 수동화를 역시 최소화할 수 있다. 이는 기존의 후열처리에 의한 액티베이션(Activation) 공정을 생략할 수 있어, InAlGaN 계 p-n 다이오드 소자의 공정을 혁신적으로 개선할 수 있다. 또한 InGaN 활성층을 갖는 p-n 다이오드 소자의 경우 활성층의 성장 후 p-GaN:Mg를 성장하게 되는데, 이 성장법을 이용하면 저온에서 p형 GaN의 성장이 가능하여 열적으로 불안정한 InGaN 활성층을 보호하여 소자의 성능 개선에 기여할 수 있다. 또한 기존의 p-GaN의 경우 성장 온도가 InGaN 활성층에 비해 매우 높아 n-활성층의 성장 후 p-GaN 성장 온도로 상승 시 불가피하게 n형 계면이 고온에서 노출되어 고성능의 p-n 계면을 성장시키는데 문제점이 있었다. 그러나 하이드라진계의 전구체를 사용하면 활성층과 같거나 비슷한 온도에서 성장이 가능하고, 케리어가스로 InGaN 활성층에 사용되는 질소를 사용하므로 질소-수소 가스변환이 불필요하여 소스(source)의 고속 변환에 의한 양질의 p-n계면의 성장이 가능하다.

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이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명이 제공하는 것은 p-n 다이오드의 p형 GaN:Mg의 성장 시 질소 전구체로 하이드라진계의 소스(source)와 케리어가스로 질소를 사용하는 것을 특징으로 한다. 하이드라진계의 소스의 예로는 다이메칠하이드라진(Dimethylhydrazine), 터셔리부틸하이드라진(tertiarybutilhydrazine), 모노메칠하이드라진(monomethylhydrazine) 등이 있다.

첨부된 도면 도 1은 일반적인 InAlGaN계 LED 구조로서 에피구조는 사파이어기판(10), buffer층(11), n형 GaN층(12), n형 AlGaN 클래드 층(13), InGaN(혹은 GaN) 활성층(14), p형 AlGaN 클래드층(15) p형 GaN층(16)으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시 예1

V족 전구체로 NH₃, III족 금속(Ga, In, Al)로 금속 유기물, 케리어가스로 수소를 사용한 MOCVD 증착법으로 기판(10) 위에 적절한 완충층 (11), n-GaN층(12), n-AlGaN층(13)을 성장시킨 후, 케리어가스를 질소(N₂)로 바꾸어, InAlGaN계의 활성층(다층 혹은 단층)(14)을 성장시킨다. 그 위에 다시 질소 전구체로 하이드라진계 소스(source)와 케리어가스로 질소(N₂)를 사용하여 p-AlGaInN(15)층과 p-GaN층(16)을 성장시킨 것을 특징으로 한다.

실시 예2

실시예 1과 같으나 P-AlGaInN의 성장을 활성층의 성장온도와 유사 온도 범위(온도차이가 50C 이하)에서 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 MOCVD법으로 InAlGaN계 p-n 다이오드를 성장할 때 V족 질소 전구체로 하이드라진계 소스를 사용하고 케리어가스로 질소를 사용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) p-GaM:Mg 성장 시 수소에 의한 Mg 도판트에 의한 수소 수동화(Passivation)을 최소화할 수 있어 후열처리공정(Post Activation Process)을 생략할 수 있다.

(2) p-GaN:Mg를 InAlGaN계 활성층과 동일한 온도에서 성장시킬 수 있어 p-GaN의 고온 성장 시 발생되는 활성층의 열적 손상(damage)를 방지할 수 있고, 또한 고속 스위칭(Switching) 성장이 가능하여 p-n계면의 성질도 개선할 수 있다.

도 1는 절연성 기판을 사용한 종래 방식의 AlGaInN계 LED 구조를 도시한 단면도.

도2는 MOCVD에서의 소스(Source) 주입 방식에 대한 도식도로서 도2-1은 기존의 방식이고 도2-2는 본 발명에서 안출한 방식이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

10 기판, 11 버퍼층, 12 n형 GaN층, 13 n형 AlGaN 클래드층, 14 InGaN 활성층, 15 p형 AlGaN 층, 16 p형 GaN층, 17 투명 전극, 18 p 전극, 19 n 전극

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. V족 전구체로 NH₃, III족 금속(Ga, In, Al)으로 금속 유기물, 케리어가스로 수소를 사용하여, MOCVD 증착법으로 기판(10) 위에 완충층(11), n-GaN층(12), n-AlGaN층(13)을 성장시키는 단계;

   케리어가스를 질소(N₂)로 바꾸어, InAlGaN계의 활성층(14)을 성장시키는 단계;

   질소 전구체로 하이드라진계 소스(source)만을 사용하고, 케리어가스로 질소(N₂)만을 사용하여 p-AlGaInN(15)층과 p-GaN층(16)을 성장시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 InAlGaN계 p-n 다이오드의 제조 방법.