KR100595177B1 - 질화물 발광소자 제조방법 - Google Patents

질화물 발광소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

질화물 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 기판 위에 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층을 갖는 질화물 발광소자 제조방법에 있어서, 기판 위에 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기에서 900℃∼1100℃의 온도에서 제 1반도체층을, 700℃∼900℃의 온도에서 활성층을, 900℃∼1100℃의 온도에서 제 2반도체층을 각각 형성한 후, 질소(N2) 또는 질소(N2)와 불활성 가스(Ar, Ne, He)의 혼합 분위기에서 온도를 내리는 과정을 포함하여 이루어진다. 따라서, 본 발명은 활성층의 손상을 최소화하여 소자의 신뢰성을 향상시킨다.
질소, 암모니아, 수소, 불활성 가스

Description

질화물 발광소자 제조방법{method for fabricating nitride light emitting device}
도 1 종래의 질화물 발광소자 제조방법에 따른 반응장치실의 분위기와 온도를 나타낸 도면.
도 2 본 발명의 질화물 발광소자 제조방법에 따른 반응장치실의 분위기와 온도를 나타낸 도면.
본 발명은 화합물 반도체 발광소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화물 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 사용한 발광소자는 지금 까지 많은 개발이 되어 왔고, 점차 그 용도가 여러 분야로 넓혀지고 있다. 특히 이들 물질을 이용한 레이저 다이오드 및 발광 다이오드는 총 천연색 전광판, 신호등과 같은 디스플레이 그리고, 고 밀도 광 기록 매체의 개발 등을 위해서 필수적이라고 할 수 있겠다.
그 동안 좋은 결정질 막을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 성장하는 데는 여 러 가지 문제점이 있었다.
즉, 질화물과 같은 동종의 기판(substrate 또는 wafer)을 얻기 어렵다는 점, 양질의 p타입(type) 전도성(conductivity)을 갖는 질화물의 성장, 그리고 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN) 각각의 성장 온도, 열 팽창 계수(thermal expansion coefficient), 격자 상수의 차이로 이들을 포함하는 AlGaN, GaInN,AlInN와 같은 3원자로 된 물질(ternary), AlGaInN와 같은 4원자로 된 물질(quaternary)의 성장 등에 많은 문제점이 있었다.
그러나, 성장 기술 발전에 의하여 점차 개선된 특성을 갖는 질화물 막을 얻을 수 있게 되었다.
MOCVD를 사용하여 기존의 레이저 다이오드/발광 다이오드를 제조하는 과정을 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 성장 시작부터 클래드인 n타입(type) 질화갈륨의 성장까지는 수소(H2) 또는 수소와 질소 가스의 혼합 분위기(H2+N2)에서 행하여지며, 활성층인 InGaN 성장시에는 In조성을 높이기 위하여 질소(N2) 분위기에서 성장이 이루어진다. 그리고 다시 p타입 질화갈륨을 성장하기 위해서 수소(H2) 또는 수소와 암모니아 가스의 혼합 분위기(H2+NH3)로의 전환이 이루어지게 된다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 질화물 발광소자 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 성장하는 층이 바뀔 때마다 반응장치실(reactor chamber)의 분위기가 급격하게 전환됨으로서, 기체들의 갑작스런 흐름(flow)의 변화가 발생되어 계면간의 결정학적 특성에 많은 영향을 미치게 되어 최종 제작된 소자의 동작 특성에 악영향을 주게 된다.
둘째, p타입 층의 경우 기존의 성장 방법에 의한 질화물막은 성장 직후 대부분 절연체이거나 매우 저항이 높고 낮은 정공(hole) 농도를 갖는 특성을 갖게 된다. 따라서 질화물 광소자나 전자 소자를 만든 즉시 좋은 전기적인 특성을 갖기는 매우 어려우며 전기적 특성의 향상을 위해서 p타입 층에 저에너지의 전자 빔을 조사(Low Energy Electron Beam Irradiation:LEEBI)하거나 일정한 온도에서 열처리(thermal annealing)를 시켜야만 저비저항의 p타입 특성을 갖게 된다.
즉, 일반적으로 많이 쓰이는 p타입 불순물인 Zn, Mg의 경우 반도체막 층에 도핑(doping)될 때 Zn-H, Mg-H의 복합적인(complex) 형태로 존재하게 되는데 이럴 경우 p타입의 전기적 특성을 나타낼 수 없게 된다. 따라서 이러한 결합을 분리시키기 위해서 위와 같은 후처리 과정을 거치게 되며 주로 질소나 Ar, Ne, He과 같은 불활성 가스의 혼합 분위기에서 행하여진다.
그러나 광소자 반도체막을 성장한 후 이러한 후처리 과정을 함으로써 p타입 층 뿐만이 아니라 고온의 열처리 과정 중에 활성층의 손상이 발생되기 때문에 소자의 특성 저하를 유발시킬 소지가 많다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 질화막 성장 시 사용하는 가스 분위기를 적절히 조절함으로써, 활성 층의 손상을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성이 높은 질화물 발광소자 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 질화물 발광소자 제조방법은 기판 위에 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층을 갖는 질화물 발광소자 제조방법에 있어서, 기판 위에 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기에서 900℃∼1100℃의 온도에서 제 1반도체층을, 700℃∼900℃의 온도에서 활성층을, 900℃∼1100℃ 제 2반도체층을 각각 형성한 후, 질소(N2) 또는 질소(N2)와 불활성 가스(Ar, Ne, He)의 혼합 분위기에서 온도를 내리는 과정을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명은 질화물 반도체 막 성장의 전 과정을 질소(N2) 분위기에서 수행하기 때문에 질화물 반도체 막 성장 시 반응장치실의 분위기 전환이 필요하지 않게 되어 이로 인해 발생할 수 있는 계면에서의 불완전한 성장을 방지할 수 있고, 별도의 열처리 과정 없이도 좋은 p타입 특성을 얻을 수 있으며, 고온의 후처리 과정의 생략으로 최종 질화물막과 활성층에서 발생할 수 있는 손상을 최소화하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 질화물 발광소자 제조방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 성장 분위기는 질화물 반도체 막의 결정 특성에 중요한 영향을 미친다. 특히, p타입 물질의 경우 이러한 성장 분위기에 따라서 반도체 막의 전기적 특성이 크게 달라진다.
그러므로, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같은 제작과정을 거친다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 발광소자 제조공정시, 각 공정 과정에 해당하는 반응장치실의 분위기와 온도를 나타내는 그래프이다.
우선, 기판 상에 존재하는 산화물 등의 이물질을 제거하기 위하여 고온(약 900℃이상)에서 열 식각(thermal etching)을 하고, 질소와 암모니아 가스의 혼합 분위기(N2+NH3)에서 온도를 약 400℃∼700℃까지 낮춘 후 완충층(buffer layer)을 키운다. 그 후, 상기 가스 분위기를 계속 유지하면서 다시 온도를 약 900℃∼1100℃로 올린 다음, n클래드층(nGaN, nAlGaN)을 성장하고, 약 700℃∼900℃의 온도에서 활성층을 성장한다. 이어, 온도를 약 900℃∼1100℃로 올리고 p클래드층을 성장시켜 질화물 반도체막의 성장이 종료된 후, 상기 혼합 가스의 공급을 중단하고, 질소(N2) 분위기 또는 질소와 불활성 가스(Ar, Ne, He)의 혼합분위기에서 온도를 내리고 성장이 종료된다.
즉, 본 발명은 질화물 반도체 막 성장의 전 과정을 수소(H2)의 사용을 배제하고, 질소(N2) 분위기에서 진행하는 것이다.
본 발명은 기존의 질화물 성장 시 필요한 가스 분위기 전환 과정을 생략할 수 있다.
기존의 질화물 성장은 수소와 암모니아 가스의 혼합(H2+NH3), 수소와 질소와 암모니아 가스의 혼합(H2+N2+NH3), 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기 하에서 행하여졌다. 즉, 도 1에서와 같이 완충층과 n 클래드층을 성장시키는 과정은 수소와 암모니아 가스의 혼합(H2+NH3) 또는 수소와 질소와 암모니아 가스의 혼합(H2+N2+NH3) 분위기 하에서 진행되고, 활성층은 질소(N2) 분위기에서 성장된다. 일부 p타입 질화갈륨 성장 시에는 실제적인 질화물 성장 후 온도를 내리는 과정에서 분위기를 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기로 변환시키는 경우가 있다.
한 예로, In을 포함하는 질화물을 성장 시, In은 상대적으로 용융점이 낮기 때문에 높은 In 조성을 얻기 위해서, 질화물 성장은 질소(N2) 분위기 하에서 주로 행하여진다. 이것은 결정 표면에 형성된 In-N 결합이 수소(H2)보다 질소(N2) 분위기 하에서 더 안정적이기 때문이다.
따라서, 기존의 수소(H2)가 포함된 분위기에서 질화갈륨을 성장할 경우에 In을 포함하는 반도체 막을 성장하기 위해서는 질소(N2) 분위기로 전환을 해야 하며 다시 질화갈륨을 성장하기 위해서 반복적인 분위기의 전환이 필요하다.
지금까지 설명한 것과 같이 종래의 반응장치실의 분위기는 각 층을 성장시킬 때마다 급격하게 전환됨으로서 기체들의 와류(turbulence)가 심하게 발생되며 그 결과 계면에서의 결정 성장 특성이 좋은 막을 성장하기가 어렵다.
그러나, 본 발명에서는 도 2와 같이 성장 초기부터 끝날 때까지 모든 질화물을 질소(N2) 분위기에서 성장하기 때문에 위와 같은 분위기 전환 과정을 생략할 수 있으며, 불필요한 분위기의 전환 과정을 생략함으로써 기체들의 와류로 인해 발생할 수 있는 계면에서의 불완전한 성장을 방지할 수 있다.
다른 특징으로는, 질화물 표면에서 N원자의 유리를 억제하고 N 원자의 공핍(vacancy)을 최소화하여 p타입 특성을 잘 나타낼 수 있다.
기존의 방법에 의해 성장된 언도프드(undoped) 질화갈륨의 배경 도핑 레벨(background doping level)은 1017cm-3대의 n타입 특성을 나타낸다. 이것은 기존의 수소가 포함된 분위기 하에서 질화물을 성장할 경우 표면에 성장된 N이 유리되어 N 공핍을 형성하게 된다.
이로 인해, 질화물은 n타입의 특성을 보이기 때문에 p타입 물질을 만들기 어렵게 한다. 또한 이들 공핍은 전위(dislocation)와 같은 또 다른 결함의 원천이 된다.
그러나, 본 발명에서와 같이 수소(H2)의 사용을 배제하고 질소(N2)가 사용될 경우, 질화물 표면에서 N원자의 유리를 억제할 수 있기 때문에 N 원자의 공핍을 최소화 할 수 있다.
따라서 언도프드 질화갈륨의 배경 도핑 레벨을 현저히 낮출 수 있어 p타입 도핑을 효과적으로 할 수 있게 된다.
또 다른 특징으로, H가 발생될 수 있는 분위기를 억제하여, p타입 불순물과 H와의 복합 화합물의 형성을 억제할 수 있다.
p타입 물질의 경우 기존의 성장 분위기에서 성장된 반도체 막은 전기적으로 절연체에 가깝다. 이것은 p타입 도핑의 경우 p타입 불순물(dopant)인 Zn, Mg 등과 H와의 복합 화합물이 형성되기 때문이며 p타입 불순물이 이러한 화합물 상태로 반도체 막에 존재하게 되면 좋은 전기적 특성을 갖기가 어렵게 된다.
H를 발생시킬 수 있는 공급원은 암모니아(NH3)와 유기 금속 재료(MO source) 분해 시 나오는 파생물이나 성장 분위기 중의 수소(H2)에서 주로 생기게 된다.
따라서 H의 발생을 최소화할 수 있다면 불순물의 복합 화합물 형성을 억제할 수 있어 보다 개선된 전기적 특성을 얻을 수 있을 것이다.
본 발명은 이러한 H가 발생될 수 있는 분위기를 억제하기 위하여 도 2에서 보는 것과 같이 성장 시작부터 끝날 때까지 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기 하에서 반도체막을 성장하게 된다. 질화물 반도체 막의 성장이 종료된 후 유기 금속 재료와 암모니아(NH3)의 공급이 중단되고 질소(N2) 분위기 또는 질소와 불활성 가스(Ar, Ne, He)의 혼합 분위기 하에서 온도를 내리게 된다.
즉, p타입 층의 성장시 H의 공급을 최소화하여 불순물과 H의 복합물 형성을 억제하고 온도 강하 시 암모니아(NH3)나 수소(H2)의 사용을 중단하여 이미 발생된 복합물의 분해를 용이하게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 질화물 발광소자 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
성장 초기부터 끝날 때까지 모든 질화물을 질소(N2) 분위기에서 성장하기 때문에 위와 같은 분위기 전환 과정을 생략함으로써 계면에서의 불완전한 성장을 방지할 수 있으며, 질화물 표면에서 N 원자의 공핍을 최소화 할 수 있고 이에 따른 낮은 배경 n-도핑 농도로 인해 효율적으로 p-도핑을 할 수 있다.
또 다른 효과로, 모든 질화물 반도체 막 성장 후 질소(N2) 분위기(또는 질소(N2)와 불활성 가스(Ar, Ne, He)의 혼합 분위기)하에서 온도를 내림으로 p타입 질화물 막의 경우 별도의 열처리 과정 없이도 좋은 p타입 특성을 얻을 수 있다.
그리고, 고온의 후처리 과정의 생략으로 최종 질화물 막과 활성층에서 발생할 수 있는 손상을 최소화하여 질화물의 결정성 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 기판 위에 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층을 갖는 질화물 발광소자 제조방법에 있어서, 상기 기판 위에 질소와 암모니아 가스의 혼합(N2+NH3) 분위기에서 상기 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층을 각각 소정의 온도에서 형성하는 제 1단계; 상기 제 1반도체층, 활성층, 제 2반도체층 형성 후에, 질소(N2) 또는 질소(N2)와 불활성 가스의 혼합 분위기에서 상기 소정 온도를 내리는 제 2단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징을 하는 질화물 발광소자 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 반도체층은 900℃∼1100℃ 온도에서 형성하고, 활성층은 700℃∼900℃ 온도에서 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계에서, 상기 제 1반도체층 형성 전에 상기 기판 표면을 열 식각하는 단계와 상기 열 식각된 기판 위에 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자 제조방법.
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