KR100639026B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사파이어 기판 위에 실리콘(Si)층, InN층, AlN층을 포함하여 이루어진 다층 구조의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계; 상기 버퍼층 위에 제 1 n형 질화물층을 형성하는 제 1 n형 질화물 반도체층 형성단계; 상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 및 상기 활성층 위에 p-형 질화물 반도체층을 형성하는 p-형 질화물 반도체층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 위에 형성된 실리콘층, InN층, AlN층을 포함하는 다층 구조의 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 제 1 n형 질화물 반도체층; 상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
격자 부정합, 전위, 버퍼층, 질화물 반도체 발광소자
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래의 질화물 반도체 발광소자의 형성 과정을 도시한 공정 단면도.
도 2는 종래의 질화물 반도체 발광소자에서 전위 발생을 설명하기 위한 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 형성 과정을 도시한 공정 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 격자배열을 설명하기 위한 모식도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
30: 사파이어 기판 40: 버퍼층
41: 실리콘층 42: InN층
43: AlN층 50: Undopping-GaN 층
60: 제 1 n-GaN층 70: 활성층
80: p-GaN층 90: 제 2 n-GaN층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 발광소자의 형성과정에서 격자 부정합에 의해 발생하는 전위(dislocation) 등의 결함을 최소화한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근래에 새로운 영상정보를 전달매체로 부각되고 있는 LED 등의 발광소자 전광판은 초기에는 단순 문자나 숫자정보로 시작하여 현재는 각종 CF 영상물, 그래픽, 비디오 화면 등 동화상을 제공하는 수준까지 이르게 되었다. 색상도 기존 단색의 조잡한 화면 구현에서 적색과 황록색 LED등으로 제한된 범위의 색상 구현을 했었고, 최근에는 질화물 반도체를 이용한 고휘도 청색 LED가 등장함에 따라 적색, 황록색, 청색을 이용한 총천연색 표시가 비로소 가능하게 되었다.
그러나 황록색 LED가 적색 LED, 청색 LED보다 휘도가 낮고 발광 파장이 565nm 정도로 빛의 삼원색에서 필요한 파장의 녹색이 아니기 때문에 자연스러운 총천연색 표현은 불가능하였으나, 이후, 자연스러운 총천연색 표시에 적합한 파장 525nm 고휘도 순수 녹색 질화물 반도체 LED를 생산함으로써 해결되었다.
이와 같은 질화물 반도체는 예컨대, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화물 반도체 물질을 사용하고 있으며, 특히 질화갈륨(GaN)을 이용한 반도체 발광소자에 대한 연구가 현재 활발하게 진행되고 있다. 예컨대, 질화물 반도체 발광소자에는 GaN 등과 같은 질화물 반도체 물질과 결정구조가 동일하면서 격자 정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에, 절연성 기판인 사파이어 기판이 사용된다. 이때, 사파이어 기판과 사파이어 기판상에 성장되는 GaN층 간에는 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이가 발생하게 되어 격자 부정합이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해 종래에는 저온 성장되는 GaN 버퍼층을 상기 사파이어 기판상에 형성하고, 상기 버퍼층 상에 GaN층을 고온 성장시킨다. 이는 사파이어 기판과 GaN층 사이의 격자 상수의 차이를 줄이기 위한 것이다.
그러나, 저온에서 성장시킨 GaN 버퍼층은 많은 양의 결정성 결함을 가지며, 결정질이라기보다는 비정질에 더 가까운 특성을 지닌다. 따라서 저온 성장 버퍼층 위에 GaN층을 바로 고온 성장시키게 되면 많은 양의 결정성 결함이 고온 성장 GaN
층으로 전파되어 전위(dislocation)라고 하는 결함이 발생한다. 종래에는 이러한 전위 없는(dislocation free) GaN층을 성장시키기 위해 LEO(Lateral Epitaxial Overgrowth)법(ELO(Epitaxial Of Lateral Overgrowth)법이라고도 함) 또는 펜디오-에피택시(pendeo-epitaxy)법을 사용하였다. 상기 두 가지 방법은 모두 GaN층을 측면방향으로 성장시켜 사파이어 기판과 GaN층 계면에서 형성된 결함이 상층부로 이동하는 것을 억제하는 방법이다. 상기 LEO법은 사파이어 기판 위 또는 1차 성장시킨 GaN 에피층의 상면에 유전체 마스크를 형성한 후 마스크가 형성되지 않은 부분에서 GaN을 재성장시켜 마스크 상면에서는 GaN을 측방향으로 성장되도록 하는 방법이다. 또한, 펜디오-에피택시법은 LEO법과 유사하게 사파이어 기판 상에 GaN 에피 층을 1차 성장시키고, 1차 성장시킨 GaN 에피층의 상면에 마스크를 형성한 후 일부 영역을 에칭하여 그루브(groove)를 성장시켜 이 그루브 상부에 다시 GaN 에피층을 재성장시키는 방법이다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 LEO법을 이용한 GaN층의 성장 방법을 도시하고 있다. 상기 LEO법은 먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(10) 상면에 GaN 에피층(11)을 1차 성장시킨 후, 도 1b에 도시된 바와 같이 1차 성장 에피층(11)의 상면에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화물 막 등으로 소정 패턴을 갖는 마스크(12)를 형성한다. 이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이 마스크(12)가 형성되지 않은 부분에 다시 GaN을 재성장시킨다. 이때, 마스크(12)의 상부에서는 도 1c에 화살표로 표시된 것과 같이 측방향으로 GaN(13)가 성장된다. GaN의 측방향 성장이 완료되면, 도 1d와 같이 GaN층(13)의 성장이 완료된다.
펜디오 에피택시법은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같은 LEO법에서 마스크를 형성한 후 마스크가 형성되지 않은 GaN 에피층을 제거하는 에칭 공정을 추가한 방법이다. LEO법 또는 펜디오 에피택시법에 의해 형성된 GaN층은 일반적으로 전달되는 전위가 감소하는 것으로 알려져 있다. 도 2에 도시된 것과 같이 1차 성장 에피층(11)이 노출된 부분에서는 아래에 존재하는 전위(A)가, 이후 재성장되는 GaN층(13)까지 전파되지만, 마스크(12)로 덮인 부분에서는 측면 성장에 의해 성장이 이루어지기 때문에 아래에서 전달되는 전위가 없어 결함이 감소하게 된다.
그러나 이러한 방법으로 GaN을 성장시키는 경우에 마스크로 덮이지 않은 부위의 전위(A)가 위로 그대로 전파되는 문제점과, 측방향으로 재성장되는 GaN층(13) 이 서로 만나는 유착면에서 고밀도의 전위(B)가 발생하는 문제가 존재한다. 또한, 마스크(12) 물질과 재성장된 GaN층(13) 사이에 형성되는 응력에 의해 결함이 발생하는 문제가 있다. 이러한 전위 등의 결함에 의해 질화물 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성이 저하되고 수율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
또한, 상기 종래의 LEO법 또는 펜디오 에피택시법은 마스크를 제작하는 공정이 사용되므로 제조경비가 증가하고, GaN 에피층을 1차 성장시킨 후 패턴 작업과 재성장공정을 추가하게 되므로 제조 공정이 복잡한 부가적인 문제점이 있다.
이와 같이 종래에는, 격자 부정합에 의한 결함을 감소시키기 위해 LEO법 또는 펜디오 에피택시법 등을 사용한다고 할지라도 전위와 같은 결함을 현저하게 감소시킬 수 없으며 공정의 추가로 인해 공정이 복잡해지고 제조비용이 상승하는 문제가 있다. 따라서, 당 기술분야에서는 사파이어 기판과 GaN 등의 질화물 반도체 물질간의 격자 부정합에 의해 발생하는 전위와 같은 결함을 방지하고 이를 통해 전기적, 광학적 특성이 우수한 새로운 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에서 격자 부정합에 의한 전위 전달과 같은 결함을 방지하여 전기적, 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자를 구현하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사파이어 기판 위에 실리콘(Si) 층, InN층, AlN층을 포함하여 이루어진 다층 구조의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계; 상기 버퍼층 위에 제 1 n형 질화물층을 형성하는 제 1 n형 질화물 반도체층 형성단계; 상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 및 상기 활성층 위에 p-형 질화물 반도체층을 형성하는 p-형 질화물 반도체층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판 위에 형성된 실리콘층, InN층, AlN층을 포함하는 다층 구조의 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 제 1 n형 질화물 반도체층; 상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 예컨대 사파이어 기판과 다중양자웰구조(MQW)를 가진 발광소자에 적용하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 과정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a는 본 발명에 따라 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 과정중 사파이어 기판(30) 상에 실리콘 층(41)을 형성한 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(30) 상에 실리콘 층(41)을 형성하기 위해서, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 챔버(도시 하지 않음) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 챔버(도시하지 않음)에 사파이어 기판(30)을 장착하고, 500~600℃의 분위기 온도에서 실란 가스(SiH4)를 이용하여 사파이어 기판(30) 상에 실리콘을 약 10Å으로 성장시켜 실리콘 층(41)을 형성한다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 실리콘 층(41) 상에 InN층(42)을 형성한다. 실리콘 층(41) 상에 InN층(42)을 형성하기 위해서, 예를 들어 약 400℃에서 트리메틸인듐(TMI: trimethylindium)과 암모니아(NH3)를 이용하여 소정 비율로 In과 N를 함유한 InN층(42)을 실리콘 층(41) 상에 성장시킨다.
InN층(42)을 실리콘 층(41) 상에 성장시킨 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 InN층(42) 상에 AlN층(43)을 형성하여 버퍼층(40)을 구비한다. InN층(42) 상에 AlN층(43)을 형성하기 위해서, 예를 들어 약 1000℃의 분위기 온도에서 TMA(trimethylaluminium)와 암모니아(NH3)를 이용하여 소정 비율로 Al과 N를 함유한 AlN층(43)을 InN층(42) 상에 성장시킨다.
따라서, 본 발명에 따라 실리콘 층(41), InN층(42), 및 AlN층(43)을 포함하는 버퍼층(40)이 형성되고, 실리콘 층(41), InN층(42), 및 AlN층(43)으로 이루어진 버퍼층(40)은 각각 하나 이상의 실리콘 층(41), 하나 이상의 InN층(42), 및 하나 이상의 AlN층(43)으로 구성되는 다수의 적층 구조를 가지는 버퍼층(40)이 될 수 있다.
InN층(42) 상에 AlN층(43)을 성장시킨 후, 도 3d에 도시된 바와 같이 AlN층(43) 상에 도펀트를 포함하지 않는 Undopping-GaN층(50)을 버퍼층(40) 상에 형성한 다. 버퍼층(40) 상에 Undopping-GaN층(50)을 형성하기 위해서, 예를 들어 700℃의 성장온도에서 버퍼층(40) 상에 NH3와 트리메탈갈륨(TMG)을 공급하여, 소정 두께로 도펀트를 포함하지 않은 Undopping-GaN층(50)을 버퍼층(40) 상에 성장시킨다.
버퍼층(40) 상에 Undopping-GaN층(50)을 성장시킨 후, 도 3e에 도시된 바와 같이 Undopping-GaN층(50)상에 제 1 n-GaN층(60)이 형성된다.
Undopping-GaN층(50)상에 제 1 n-GaN층(60)의 형성을 위해서 예를 들어, NH3, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si 과 In 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 Undopping-GaN층(50) 상에 n-GaN층(60)을 소정 두께로 성장시킨다.
제 1 n-GaN층(60)이 형성된 후, 제 1 n-GaN층(60)상에 활성층(70)을 성장시킨다. 여기서, 활성층(70)의 성장을 위해서, 예를 들어 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH3, TMG, 및 트리메틸인듐(TMI)을 공급하여, InGaN로 이루어진 활성층(70)을 30 내지 100㎛의 두께로 성장시킨다. 이때, 활성층(70)의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구성일 수 있다.
활성층(70)이 형성된 후, 활성층(70) 상에 p형 도펀트를 함유한 p-GaN층(80)을 수백에서 수천 Å의 두께로 성장시킨다.
활성층(70) 상에 p-GaN층(80)이 형성된 후, 예컨대 500 ~ 900℃의 온도에서 열처리를 하여 p-GaN층(80)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정하고, n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 도 3e에 도시된 바와 같이 p-GaN층(80) 상에 얇은 제 2 n-GaN층(90)을 형성하여 npn 구조를 이룬다.
제 2 n-GaN층(90)을 형성한 후, N-전극(도시하지 않음)을 구현하기 위해서 습식 에칭 예를 들어, 이방성 습식에칭을 실행하여 제 1 n-GaN층(60)을 노출시킨다.
이렇게 이방성 습식에칭으로 제 1 n-GaN층(60)을 노출한 후, 제 1 n-GaN층(60) 상에 티탄(Ti)으로 이루어진 N-전극을 구현하고 제 2 n-GaN층(90) 상에 P-전극(도시하지 않음)을 형성한다. 여기서, P-전극은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명 전극이 될 수 있다.
이와 같이 형성된 질화물 반도체 발광소자에서 버퍼층(40)이 실리콘 층(41), InN층(42), 및 AlN층(43)을 포함하여 형성되는데, 여기서 사파이어 기판(30)의 사파이어는 도 4에 도시된 바와 같이 4.758Å의 격자 상수를 가지고 실리콘 층(41)의 실리콘(Si)은 5.4Å의 격자 상수를 가지며 InN층(42)은 3.548Å, AlN층(43)은 3.112Å의 격자 상수를 가진다.
따라서, 3.189Å의 격자 상수를 가지는 GaN로 이루어진 Undopping-GaN층(50)에 대해 3.112Å의 격자 상수를 가지는 AlN층(43)이 접하게 되므로 Undopping-GaN층(50)에 대한 격자 부정합을 개선하게 되어 사파이어 기판(30)으로부터 Undopping-GaN층(50)으로 격자 부정합에 의한 전위(dislocation) 전달을 개선하게 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 예를 들어, 사파이어 기판(30) 위에 실리콘 층(41), InN층(42), 및 AlN층(43)이 각각 다수의 층으로 적층을 이루어 Undopping- GaN층(50)에 격자 결합을 이루는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 모식도에서, 버퍼층(40)의 일부 층에는 인장 응력(Tensile stress)을 받고 다른 일부 층에는 압축 응력(Compressive stress)을 받게 되며, 이들의 총체적인 합은 사파이어에서 Undopping-GaN층(50)으로 가해지는 스트레스를 완화시킬 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 질화물 반도체층에서 격자 부정합에 의해 발생하는 전위 전달을 최소화하여 양질의 질화물 반도체 발광소자를 형성하여, 질화물 반도체 발광소자의 내구성을 향상시키고 누설전류를 감소시킬 수 있다.
Claims (13)
- 사파이어 기판 위에 실리콘(Si)층, InN층, AlN층을 포함하여 이루어진 다층 구조의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계;상기 버퍼층 위에 제 1 n형 질화물층을 형성하는 제 1 n형 질화물 반도체층 형성단계;상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 및상기 활성층 위에 p-형 질화물 반도체층을 형성하는 p-형 질화물 반도체층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 버퍼층 형성단계에서상기 버퍼층 위에 도펀트를 도핑하지 않은 질화물층을 형성하는 언도핑 질화물 반도체층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 p-형 질화물 반도체층 위에 제 2 n-형 질화물 반도체층을 형성하는 제 2 n-형 질화물 반도체층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도 체 발광소자의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,상기 버퍼층 형성단계는상기 사파이어 기판 위에 실리콘(Si)층을 성장시키는 실리콘층 형성단계;상기 실리콘층 위에 InN층을 성장시키는 InN층 형성단계; 및상기 InN층 위에 AlN층을 성장시키는 AlN층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,상기 버퍼층 형성단계는상기 사파이어 기판 위에 실리콘(Si)층을 성장시키는 실리콘층 형성단계;상기 실리콘층 위에 InN층을 성장시키는 InN층 형성단계; 및상기 InN층 위에 AlN층을 성장시키는 AlN층 형성단계를 포함하여,상기 실리콘층 형성단계, 상기 InN층 형성단계, 및 상기 AlN층 형성단계를 반복적으로 한번 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 활성층 형성단계에서상기 활성층의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
- 사파이어 기판;상기 사파이어 기판 위에 형성된 실리콘층, InN층, AlN층을 포함하는 다층 구조의 버퍼층;상기 버퍼층 위에 형성된 제 1 n형 질화물 반도체층;상기 제 1 n형 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 및상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 버퍼층과 상기 제 1 n형 질화물 반도체층 사이에 도펀트를 도핑하지 않은 언도핑 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 p형 질화물 반도체층 위에 형성된 제 2 n형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 버퍼층은 상기 사파이어 기판 위에 순차적으로 실리콘층, InN층, AlN층이 하나 이상 반복하여 형성된 적층구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 버퍼층은 하나 이상의 실리콘층, 하나 이상의 InN층, 및 하나 이상의 AlN층을 포함하는 적층 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 n형 질화물 반도체층 위에 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 선택된 하나로 이루어진 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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