KR100593909B1

KR100593909B1 - 질화물 반도체 단결정 성장방법 및 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100593909B1
Application number: KR20040039091A
Authority: KR
Inventors: 김민호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2006-06-30
Also published as: KR20050113938A

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 단결정 성장방법과 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 질화물 단결정 기판을 준비하는 단계와, 상기 질화물 단결정 기판 상에, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 성장된 저온 중간층과 단결정성장온도에서 성장된 질화물 반도체층이 적어도 1회이상 교대로 적층된 질화물층을 형성하는 단계와, 상기 질화물층 상에 질화물 반도체 단결정층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 단결정 성장방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 질화물 반도체 단결정성장방법을 이용하여 제조된 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물 단결정(nitride single crystal), 버퍼층(buffer layer), 전위(dislocation), 누설전류(leakage current)

Description

질화물 반도체 단결정 성장방법 및 질화물 반도체 발광소자{GROWTH METHOD OF NITRIDE SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL AND NITRDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMTTING DIODE}

도1은 종래의 질화물 반도체 단결정성장방법에 따라 이종기판 상에 형성된 질화물 반도체 단결정층을 나타내는 측단면도이다.

도2은 본 발명의 일실시형태에 따라 성장된 질화물 반도체 단결정층을 나타내는 측단면도이다.

도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

21: 질화물 단결정 기판 22a,22b: 제1 및 제2 질화물 반도체층

23a,23b: 제1 및 제2 저온 중간층 25: 질화물 반도체 단결정층

본 발명은 질화물 단결정 성장방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 중간층을 이용한 질화물 단결정 성장방법 및 이를 이용하여 제조된 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, Ⅲ족 질화물 반도체는 가시광 전체영역뿐만 아니라, 자외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 발할 수 있다는 특성을 갖는다. 이러한 질화물 반도체는 자외선과 청록색을 구현하기 위한 광소자물질로 크게 각광받고 있다.

이러한 질화물 반도체를 발광소자에 적용하기 위해서는, 고품위의 단결정 박막으로 성장시키는 기술이 필수적으로 요구된다. 하지만, 질화물 반도체는 그 격자상수 및 열팽창계수에 적합한 기판이 보편적이지 않으므로, 단결정 박막을 성장하는 자체에 어려움이 있다. 대개는 질화물 반도체는 이종 기판인 사파이어(Al₂O₃)기판 상에 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 및 분자빔 에피택시법(MBE) 등을 이용한 헤테로-에피택시(heteroepitaxy)법으로 성장된다.

그러나, 사파이어 기판을 사용하는 경우에도, 격자상수 및 열팽창계수 불일치로 인하여 고품질의 Ⅲ족 질화물 반도체 단결정을 직접 성장하기 어려우므로, 저온의 핵생성층과 고온의 단결정 성장을 포함한 2단계 성장법을 채택하는 것이 일반적이다. 도1은 종래의 질화물 반도체 단결정성장방법에 따라 이종기판 상에 형성된 질화물 반도체 단결정층을 나타내는 측단면도이다.

도1을 참조하면, 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(13)이 형성되고, 상기 버퍼 층(11) 위에 성장된 Ⅲ족 질화물 반도체인 GaN단결정층(15)을 성장시킨다. 여기서, 상기 버퍼층(13)은 사파이어기판(11)과 GaN단결정층(15)의 격자상수차이를 완화하여, 양질의 GaN 단결정을 형성하기 위한 역할을 한다. 하지만, 도1에 예시된 종래의 방법으로 GaN 단결정층(15)을 성장하더라도, 기판(11)에 내포된 전위가 성장방향으로 전파되어, GaN 단결정층(15)에서도 높은 전위밀도(약 10⁸ ∼ 약 10¹² ㎝^-2)를 갖는다. 이러한 전위밀도를 갖는 질화물 단결정으로 발광소자를 제조할 경우에, 누설전류 발생 등으로 인해 소자성능이 심각히 저하되고, 수명이 단축되는 문제가 발생된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 질화물 단결정기판 상에 질화물 단결정층과 저온중간층을 교대로 성장시킴으로써 최종 질화물 반도체 단결정 내에서 전위밀도를 획기적으로 저감시키는 질화물 단결정 성장방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 질화물 단결정 성장방법을 이용하여 제조된 질화물 반도체 발광소자을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

질화물 단결정 기판을 준비하는 단계와, 상기 질화물 단결정 기판 상에, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 성장된 저온 중간층과 단결정성장온도에서 성장된 질화물 반도체층이 적어도 1회이상 교대로 적층된 질화물층을 형성하는 단계 - 여기서, 상기 질화물층은 최상부가 상기 저온 중간층이 되도록 형성됨 - 와, 상기 질화물층 상에 질화물 반도체 단결정층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 단결정 성장방법를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 질화물층을 형성하는 단계는, 단결정성장온도에서 상기 질화물 단결정 기판 상에 상기 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계와, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 상기 질화물 반도체층 상에 상기 저온 중간층을 형성하는 제2 단계와, 상기 제1 및 제2 단계를 순차적으로 적어도 1회이상 반복하여 실시하는 단계로 구현될 수 있다.

본 발명에 채용되는 질화물 단결정기판은 약 10⁸㎝^-2이하의 전위밀도를 갖는 것이 바람직하며, 상기 저온 중간층의 두께는 약 100Å ∼ 약 2000Å인 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게 상기 저온 중간층의 성장온도는 약 250℃ ∼ 약 900℃이다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 질화물층의 질화물 반도체층은 Al_x1In_y1Ga_{(1- x1-y1)}N 조성식(여기서, 0≤x₁≤1, 0≤y₁≤1, 0≤x₁+y₁≤1임)을 만족하는 물질이며, 상기 저온중간층은 Al_x2In_y2Ga_(1-x2-y2)N 조성식(여기서, 0≤x₂≤1, 0≤y₂≤1, 0≤x₂+y₂≤1임)을 만족하는 물질일 수 있다.

또한, 본 발명은 저전위밀도의 단결정층에 기반하여 신뢰성 및 수명이 향상된 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 상기 질화물 반도체 발광소자는, 질화물 단결정기판과, 상기 질화물 단결정 기판 상에, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 성장된 저온 중간층과 단결정성장온도에서 성장된 질화물 반도체층이 적어도 1회이상 교대로 적층되며, 그 최상부층이 상기 저온중간층으로 제공되는 질화물층과, 상기 질화물층 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체 단결정층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체 단결정층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체 단결정층을 포함하여 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도2를 참조하면, 성장될 질화물 반도체 단결정과 동종기판인 질화물 단결정 기판(21)이 도시되어 있다. 상기 질화물 단결정 기판(21)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 만족하는 질화물 단결정으로 이루어진 기판이며, 예를 들어, GaN 단결정 기판일 수 있다. 바람직하게, 상기 질화물 단결정기판은 약 10⁸㎝^-2이하의 전위밀도를 갖는 것을 사용한다.

본 실시형태에서는, 상기 질화물 단결정 기판(21)에 단결정성장온도에 제1 질화물 반도체층(22a)을 형성하고, 이어 그 위에 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 상기 제1 질화물 반도체층(22a) 상에 상기 제1 저온 중간층(23a)을 형성한다. 보다 우수한 품질의 질화물단결정을 형성하기 위해서, 이러한 성장공정을 적어도 1회이상 반복하여 실시할 수 있다. 즉, 본 실시형태와 같이, 상기 제1 저온 중간층(23a)상에 상기 제2 질화물 반도체층(22b)과 제2 저온 중간층(23b)을 추가적으로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 저온 중간층(23a,23b)은 각각 약 100Å ∼ 약 2000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 질화물 단결정 기판(21)에 발생된 전위(A)는 성장방향을 따라 전파되다가, 저온 중간층(23a,23b)에서 부분적으로 차단되어, 후속 성장되는 질화물 반도체층(22b,25)은 보다 낮은 전위밀도를 갖는 양질의 단결정층으로 형성할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 질화물 단결정기판(21)에 불가피하게 존재하는 전위는 상기 제1 질화물 반도체층(22a)을 통해 전파되다가, 제1 저온중간층(23a)에 일부가 차단되고, 상기 제1 저온중간층(23a) 상에 형성되는 제2 질화물 반도체층(22b)은 보다 낮은 전위밀도를 갖는 고품질의 단결정으로 성장될 수 있다. 이러한 전위밀도저감효과는 상기 제2 저온중간층(23b)을 통해 보다 증대될 수 있다.

이러한 저온중간층(23a,23b)의 전위전파차단효과로 인해, 본 실시형태에서는, 상기 질화물 반도체 단결정층(25)은 매우 낮은 전위밀도(약 10⁷ ㎝^-2미만)을 갖는 고품질 반도체층을 얻을 수 있다. 본 실시형태에서는 저온중간층(23a,23b)과 질화물 반도체층(22a,22b)을 각각 2층씩 교대로 적층된 예를 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 질화물 반도체층과 하나의 저온성장층을 통해서 유사한 전위밀도감소효과를 기대할 수 있으며, 또한, 이러한 효과를 증가시키기 위해서, 3회이상의 적층도 가능하다.

본 실시형태에서, 상기 질화물 반도체층(22a,22b)은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N 조성식(여기서, 0≤x₁≤1, 0≤y₁≤1, 0≤x₁+y₁≤1임)로 형성될 수 있으며, 상기 저온 중간층(23a,23b)은 Al_x2In_y2Ga_(1-x2-y2)N 조성식(여기서, 0≤x₂≤1, 0≤y₂≤1, 0≤x₂+y₂≤1임)로 형성될 수 있다. 다만, 상기 저온중간층(23a,23b)은 단결정으로 성장될 수 있는 온도보다 낮은 온도, 바람직하게는 약 250℃ ∼ 약 900℃의 온도범위에서 성장될 수 있다. 이러한 공정은 2개의 질화물 반도체층(22a,22b)과 최종 질 화물 반도체 단결정층(23a,23b)의 성장공정과 함께, 시간에 따른 성장온도조절만으로 연속적으로 구현될 수 있다.

본 발명에서 채용되는 저온중간층(23a,23b)은 이종기판을 이용한 헤테로에피택시법에서 요구되는 격자완화기능보다는 핵성장층의 기능을 중요시한다. 즉, 본 발명에서는 동종기판인 질화물 단결정기판(21)을 사용하므로, 상기 저온 중간층(23a,23b)은 후속으로 성장될 단결정층을 위한 격자완화층으로서 제공되는 것이 아니라, 성장방향에 따라 진행되는 전위를 차단하여 저전위밀도의 질화물 반도체 단결정층의 성장을 위한 핵성장층으로서 제공되는 것이라 할 수 있다.

본 실시형태에서는, 질화물 단결정 기판(21) 상에, 질화물 반도체층(22a)을 먼저 형성하는 것으로 도시하여 설명하였으나, 이와 달리 질화물 단결정 기판에 헤테로에피택시성장과 유사하게 저온중간층을 먼저 형성한 후에 질화물 반도체층을 형성할 수도 있다. 다만, 이 경우에도, 최종적인 질화물 반도체 단결정층이 저온 중간층 위에 성장될 수 있도록 최상부에는 저온중간층이 형성되어야 한다. 또한, 본 실시형태와 같이, 질화물 단결정기판(21)에 질화물 반도체층(22a)을 먼저 형성한 경우에는, 질화물 단결정 기판(21)의 표면상태가 좋지 않은 경우에, 새로이 성장되는 질화물 반도체층(22a)으로 대체함으로써 성장표면을 개질하는 효과를 기대할 수 있다.

도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)를 나타내는 측단면도이다.

도3을 참조하면, 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 질화물 단결정 기판(31) 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체 단결정층(35), 활성층(36) 및 제2 도전형 질화물 반도체 단결정층(37)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체 단결정층(35,37)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(38,39)을 포함한다.

또한, 본 실시형태에서는, 상기 질화물 단결정기판(31)과 상기 제1 도전형 반도체층(35) 사이에는 2개의 질화물 반도체층(32a,32b)과 2개의 저온성장층(33a,33b)이 교대로 적층된 구조를 갖는 질화물층이 제공된다. 상기 질화물층구조는 전위밀도를 저감시키기 위해서 본 실시형태에서 채용된 구조이다.

상기 질화물층은 성장온도를 조절함으로써 용이하게 구현될 수 있다. 즉, 단결정성장온도에서 질화물 단결정기판(31) 상에 제1 질화물 반도체층(32a)을 형성하고, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 저온 중간층(33a)을 형성하며, 이를 1회 반복함으로써 제2 질화물 반도체층(32b) 및 저온중간층(33b)을 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게는 약 250℃ ∼ 약 900℃의 온도범위에서 원하는 핵성장기능을 하는 저온중간층(33a,33b)을 형성할 수 있으며, 이러한 저온 중간층(33a,33b)의 각 두께는 약 100Å ∼ 약 2000Å의 두께인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 따르면, 상기 질화물 단결정기판(31)에 존재하는 전위는 상기 제1 질화물 반도체층(32a)을 통해 전파되다가, 제1 저온중간층(33a)에 일부가 차단되고, 상기 제1 저온중간층(33a) 상에 형성되는 제2 질화물 반도체층(32b)은 보다 낮은 전위밀도를 갖는 단결정층으로 성장될 수 있다. 이러한 전위밀도저감효과를 상기 제2 저온중간층(33b)을 통해 추가적으로 기대할 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 도전형 반도체층(35,37)과 활성층(36)은 매우 낮은 전위밀도(약 10⁷ ㎝^-2미만)를 갖도록 형성될 수 있으므로, 특히 활성층(36) 내로의 전위전파로 인한 누설전류발생 등의 소자 성능저하 문제와 그로 인한 수명단축문제를 개선할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 질화물 반도체 단결정층 성장방법에 따르면, 동종기판인 질화물 단결정기판 상에 질화물 단결정층과 저온중간층을 교대로 성장시킴으로써 최종 질화물 반도체 단결정 내에서 전위밀도를 획기적으로 저감시킬 수 있다.

나아가, 본 발명의 단결정 성장방법을 이용하여 제조된 질화물 반도체 발광소자는 누설전류원으로 작용하는 전위를 감소시켜 소자의 성능을 향상시킬 수 있으며, 소자수명을 증대시키는 효과를 기대할 수 있다.

Claims

질화물 단결정 기판을 준비하는 단계;

상기 질화물 단결정 기판 상에, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 성장된 저온 중간층과 단결정성장온도에서 성장된 질화물 반도체층이 적어도 1회이상 교대로 적층된 질화물층을 형성하는 단계 - 여기서, 상기 질화물층은 최상부가 상기 저온 중간층이 되도록 형성됨; 및,

상기 질화물층 상에 질화물 반도체 단결정층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,

상기 질화물층을 형성하는 단계는,

단결정성장온도에서 상기 질화물 단결정 기판 상에 상기 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계와,

단결정성장온도보다 낮은 온도에서 상기 질화물 반도체층 상에 상기 저온 중간층을 형성하는 제2 단계와,

상기 제1 및 제2 단계를 순차적으로 적어도 1회이상 반복하여 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,

상기 질화물 단결정기판은 10⁸㎝^-2이하의 전위밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,

상기 저온 중간층의 두께는 100Å ∼ 2000Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,

상기 저온 중간층의 성장온도는 250℃ ∼ 900℃인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,

상기 질화물층의 질화물 반도체층은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N 조성식(여기서, 0≤x₁≤1, 0≤y₁≤1, 0≤x₁+y₁≤1임)을 만족하는 물질이며, 상기 저온중간층은 Al_x2In_y2Ga_(1-x2-y2)N 조성식(여기서, 0≤x₂≤1, 0≤y₂≤1, 0≤x₂+y₂≤1임)을 만족하는 물질인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 단결정 성장방법.
질화물 단결정 기판;

상기 질화물 단결정 기판 상에, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 질화물 반도체로 성장된 저온 중간층과 단결정성장온도에서 성장된 질화물 반도체층이 적어도 1회이상 교대로 적층되며, 그 최상부층이 상기 저온중간층으로 제공되는 질화물층;

상기 질화물층 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체 단결정층;

상기 제1 도전형 질화물 반도체 단결정층 상에 형성된 활성층; 및,

상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체 단결정층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 질화물층은, 단결정성장온도에서 상기 질화물 단결정 기판 상에 성장된 질화물 반도체층과, 단결정성장온도보다 낮은 온도에서 상기 질화물 반도체층 상에 형성된 저온 중간층이 적어도 1회이상 교대로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 질화물 단결정기판은 10⁸㎝^-2이하의 전위밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 저온 중간층의 두께는 100Å ∼ 2000Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 저온 중간층의 성장온도는 250℃ ∼ 900℃인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 질화물층의 질화물 반도체층은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N 조성식(여기서, 0≤x₁≤1, 0≤y₁≤1, 0≤x₁+y₁≤1임)을 만족하는 물질이며, 상기 저온중간층은 Al_x2In_y2Ga_(1-x2-y2)N 조성식(여기서, 0≤x₂≤1, 0≤y₂≤1, 0≤x₂+y₂≤1임)을 만족하는 물질인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.