KR100657552B1 - 질화갈륨계 화합물 반도체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명의 GaN계 화합물 반도체는, 기판; 기판상에 성장시킨 GaN계 화합물 반도체층; 및 GaN계 화합물 반도체층 상에 Pt, Pd 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 그 합금으로 형성된 전극을 포함한다. 한편, GaN계 화합물 반도체의 제조방법은 성장챔버내에서 P형 불순물을 포함하는 P층을 성장시키는 단계; 상기 성장챔버내의 수소 및 수소원 가스를 방출하는 단계; 상기 P층이 형성된 GaN계 화합물 반도체를 상기 성장챔버내에서 외부로 인출할 수 있을 정도의 온도까지 낮추는 단계; 상기 GaN계 화합물 반도체를 인출하는 단계; 및 상기 P층위에 Pt, Pd, 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 그 합금으로 전극을 형성하는 단계;를 포함한다. 이에 따르면, 어닐링 공정을 수행하지 않고도 P형 전도성을 충분히 확보할 수 있고 양호한 오믹접촉 특성을 얻을 수 있다.

화합물 반도체, 어닐링, P층, 전극

Description

질화갈륨계 화합물 반도체 및 그 제조방법{GaN-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래의 GaN계 화합물 반도체의 개략적 종단면도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 P층 및 투명전극을 구비하는 GaN계 화합물 반도체의 사시도,

도 3은 도 2의 종단면도,

도 4는 본 발명에 따른 GaN계 화합물 반도체의 제조방법을 설명하는 순서도, 및

도 5는 본 발명의 GaN계 화합물 반도체의 제조방법을 개략적으로 설명하는 그래프이다.

*도면의 주요부호에 대한 설명*

1 : GaN계 화합물 반도체 11 : 기판

12 : 버퍼층 13 : N층

15 : 활성층 17 : P층

25 : GaN계 화합물 반도체층 27 : 에피

31, 35 : 전극

본 발명은 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, P형 불순물을 포함하는 P층 또는 P층상에 마련된 투명전극, 및 그들의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 GaN계 화합물 반도체를 개략적으로 나타낸 종단면도이다. 기판(11)상에 N층(13), 활성층(15) 및 P층(17)이 순차적으로 형성된다. P층(17), 활성층(15), 및 N층(13)의 일부는 부분적으로 에칭되고, 이에 의해, N층(13)이 부분적으로 외부에 노출된다. P층(17)상에는 Ni과 Au을 포함하는 P형 전극(19) 및 전극 패드(21)가 마련되고, N층(13)에도 N형 전극(25)이 형성된다.

이러한 종래의 GaN계 화합물 반도체(101)에서는 통상적으로, P층(17)에 불순물을 도핑하여 전도성을 확보한다. 그런데, P형 불순물 예를 들어, 마그네슘(Mg)은 성장챔버내에 존재하는 수소(H)와 쉽게 결합되어, 자유정공을 제공하는 본래의 기능을 다하지 못한다. 따라서, GaN계 화합물 반도체 제조공정에서는, P형 불순물과 수소의 결합을 떼어놓기 위한 별도의 어닐링 공정이 수행된다. 미국 특허 US 5,306,662호를 참조하면, P형 불순물을 함유하는 반응가스로 화합물 반도체를 성장시킨 후, 400℃ 이상의 온도에서 어닐링을 수행한다. 그러면, P형 불순물과 결합된 수소가 제거되어, 저항값이 낮고 균일한 P형 GaN계 화합물 반도체가 제공된다.

어닐링 공정은 한편, P층과 금속재질의 전극 사이의 오믹접촉 특성을 얻기 위해서도 수행된다. 이때의 어닐링 진행중에는, 양호한 오믹접촉 특성을 확보할 수 있는 것 외에 P층에 잔존하는 불순물과 수소의 결합을 분리시키는 효과도 얻을 수 있다.

이와 같은 종래의 GaN계 화합물 반도체에서는, P층 자체적으로 또는 P층과 투명전극의 오믹접촉을 위해 적어도 한번의 어닐링 공정을 수행하여야 하는데, 이는 공정을 복잡하고 번거롭게 하는 문제가 있다. 이러한 어닐링공정은 제품의 제조시간을 늦추며, 특히, 고가의 장비를 구입하여야 하고 장비설치를 위한 공간의 확보를 수반하는등 제조설비를 위한 투자비용을 증가시켜, 제품의 단가를 상승시키는 요인이 된다.

본 발명은, 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 어닐링 공정을 수행하지 않고도 우수한 성능을 나타내는 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, P층의 어닐링 없이 P형 전도성을 확보할 수 있는 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 다른 목적은, 투명전극 형성 후의 어닐링 없이도 P층과 투명전극간의 오믹특성을 얻을 수 있는 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 어닐링 공정을 수행하지 않고도 간단하고 편리하게 제조할 수 있으며, 이에 의해, 설비투자도 저렴하게 할 수 있는 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판상에 성장시킨 GaN계 화합물 반도체층; 및 상기 GaN계 화합물 반도체층 상에 Pt, Pd 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 그 합금으로 형성된 전극;을 포함하는 GaN계 화합물 반도체에 의하여 달성된다.

이 때, 상기 전극은, Pt와 Au 또는 Pd와 Au를 적층하거나, Pt, Pd 및 Au중 적어도 두개의 합금으로 형성가능하다.

상기 목적은 한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 성장챔버내에서 P형 불순물을 포함하는 P층을 성장시키는 단계; 상기 성장챔버내의 수소 및 수소원 가스를 방출하는 단계; 상기 P층이 형성된 GaN계 화합물 반도체를 외부로 인출하기 위해 상기 성장챔버 내의 온도를 낮추는 단계; 상기 GaN계 화합물 반도체를 인출하는 단계; 및 상기 P층위에 Pt, Pd, 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 그 합금으로 P형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 제조방법에 의하여도 달성할 수 있다.

여기서, 상기 온도를 낮추는 단계는, 상기 성장챔버를 수냉 또는 공냉방식으로 냉각시키면 간단하겠지만, 상기 성장챔버를 진공상태로 하는 단계; 및 상기 진공상태의 성장챔버내에 냉각가스를 공급하는 단계;를 포함하여 구성할 수도 있다.

이 때, 상기 P형 불순물이 포함한 P층위에 Pt, Pd 및 Au 중 적어도 하나의 물질 또는 그 혼합물로 형성된 전극 패드를 마련하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 GaN계 화합물 반도체 및 그 제조방법을 구체적으로 설명한다. 이때, 종래의 도 1과 관련하여 설명된 동일 구성요소 및 명칭에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.

도 2는 본 발명에 따른 P층 및 투명전극을 구비하는 GaN계 화합물 반도체의 사시도이고, 도 3은 도 2의 종단면도이다. 본 GaN계 화합물 반도체(1)는, 기판(11), 기판(11)상에 성장시킨 GaN계 화합물 반도체층(25) 및 GaN계 화합물반도체층(25)에 형성된 전극(31, 35)을 포함한다. 여기서, 참조 번호 33의 전극 패드는 외부와의 전기적 연결을 위한 부분이다.

기판(1)은 절연성 재질의 사파이어를 사용할 수 있으며, Si, SiC, 또는 GaN등 전도성이나 반도체 기판도 사용가능하다. 전도성 또는 반도체 기판은 사파이어 기판보다 상대적으로 열전도율이 우수하기 때문에, 최근에는 고출력을 필요로 하는 GaN계 화합물 반도체 제품에 많이 사용되고 있다.

GaN계 화합물 반도체층(25)은, 버퍼층(12), N형 불순물이 도핑된 N층(13), P형 불순물이 도핑된 P층(17), 및 N층과 P층 사이에 마련되는 활성층(15)을 포함한다. 버퍼층(12)은 기판(11)과 N층(13) 사이의 격자부정합을 줄이기 위하여, 기판(11)상에 일정한 두께로 형성된다. 이러한 버퍼층은 AlN, InGaN, GaN, 또는 AlGaN 등으로 구성할 수 있다.

N층(13)은 불순물의 도핑없이 형성할 수 있지만, Si, Ge, Se, S, 또는 Te등의 불순물을 도핑하여 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 0.5㎛ 내지 10㎛의 두께로 제작가능한 N층(13)은, GaN로 구성하는 것이 바람직하다. N층(13)은 불순물 을 포함하는 GaN와 불순물을 포함하지 아니하는 GaN를 번갈아 적층한 구조로 구성할 수도 있다. 그 적층수는 적절하게 선택가능하다.

활성층(15)은, InGaN를 기본으로, GaN를 포함하는 양자우물(QW, Quantum Well)구조 또는 다중양자우물(MQW, Multi Quntum Well)구조로 구성가능하다. InGaN와 GaN의 적층수 또는 두께에 기초하여 출력의 변화가 예상된다. 따라서, 적절한 적층수 및 두께를 최상으로 셋팅하는 것이 중요하다.

P층(17)은, 종래의 도 1과 관련하여 설명한 바와 마찬가지로, P형 불순물을 도핑하여 형성한다. P형 불순물로는, Be, St, Ba, Zn 또는 Mg을 사용가능하지만, 주로 Mg을 사용한다. 본 발명에서는, 제조방법을 설명하는 도 4와 관련하여 자세히 후술하겠지만, P층(17)에서 발생하는 불순물과 수소의 결합현상이 미연에 방지되어, 불순물들이 그대로 자유정공의 생성에 기여할 수 있다.

한편, 기판(11) 위에 성장시킨 GaN 계 화합물 반도체층(21)은, P층(17), 활성층(15) 및 N층(13)의 일부를 부분적으로 에칭하여, N층(13)의 일부가 외부에 노출되어 있다. P층(17)에는 P형 전극(31)이 얇은 두께로 마련되며, N층(13)에도 N형 전극(35)이 마련된다. P층(17)의 P형 전극(31)은 활성층(15)에서 발생되는 광을 효율적으로 외부에 발산시키기 위해 투명전극으로 형성하는 것이 바람직하다.

P층(17)의 투명전극(31)은, Pt, Pd 또는 Au의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 물질 또는 그들의 합금으로 형성된다. 예를 들어, Pt와 Au 또는 Pd와 Au로 구성할 수 있으며, Pt와 Au를 P층(17)상에 순차적으로 적층시키거나 Pd와 Au를 P층(17)상에 순차적으로 적층시켜 구성가능하다. 여기서, Pt 또는 Pd와 Au의 적층순 서는 선택적일 수 있다. 그리고, Pt, Pd, 및 Au의 그룹에서 선택한 적어도 2개의 합금으로 투명전극(31)을 형성할 수도 있다. 이러한 금속재질로 투명전극(31)을 형성하는 경우, 별도의 어닐링 공정을 수행하지 않더라도, 양호한 오믹접촉 특성을 얻을 수 있다.

투명전극(31)에는 또한 외부와 전기적 연결이 되는 부분에 추가의 전극 패드(33)가 형성된다. 이러한 추가의 전극 패드(33)도 본 발명의 투명전극과 동일성분의 금속재료로 형성된다.

한편, N층(13)에 형성되는 N형 전극(35)도 P층(17)에 형성되는 P형 전극(31) 및 전극 패드(33)와 동일한 금속재료로 형성가능하다. 하지만, N층(13)의 특성을 고려한 다른 성분의 재료를 사용할 수 있으며, 이러한 N형 전극(25) 및 그 성분에 대해서는 이미 다양한 기술들로 공지되어 있는바, 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예로 설명한 상술의 GaN계 화합물 반도체를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 GaN계 화합물 반도체의 제조방법을 설명하는 순서도이고, 도 5는 본 GaN계 화합물 반도체의 제조방법을 개략적으로 설명하는 그래프이다. 우선, GaN계 화합물 반도체층(25)을 성장시키기 위해서, 기판(11)을 성장챔버내에 공급한다(S1). 기판(11)을 소정의 온도로 가열한 후, GaN계 화합물 반도체층(25) 즉, 버퍼층(12), N층(13), 활성층(15), 및 P층(17)을 순차적으로 성장시킨다(S2). 이하, 본 제조방법의 내용설명 및 이해의 편의를 위하여, '기판(11) 및 그 위에 성장된 GaN계 화합물 반도체층(25)'을 간단히 '에피(27)'라고 칭한다.

에피(27)의 성장과 관련된 기술들은 대부분 당업자에게 용이하고 일반에게 공지공용으로 제공되어 있다. 다만, 버퍼층(12), N층(13), 활성층(15) 및 P층(17)의 두께, 성장조건 즉, 온도 및 압력, 그리고, 각 층(12, 13, 15, 17)이나 그들 사이에 적용되는 기술적 부분들이 특별히 중요한데, 본 발명과 크게 상관없는 에피성장 기술에 대한 구체적인 언급은 생략한다. 본 발명의 실시예로 언급된 GaN계 화합물 반도체층(25)은 P층(17)을 제외하고 당업자에게 용이한 일반적 기술로 성장시킬 수 있다.

기판(11)에 GaN계 화합물 반도체층(25)의 성장이 완료되면(S3) 즉, P층(17)을 형성한 다음에는, 수소를 함유하는 가스의 공급을 우선 중단한다(S4). 이와 더불어, 성장챔버내에 공급되는 다른 가스들의 공급도 중단시키는 것은 물론이다. 여기서, 성장챔버내에 공급되는 가스들은 성장가스(NH₃) 및 캐리어가스(H₂ 또는 N₂)를 포함한다. 가스공급을 중단시킨 후 성장챔버내의 가열도 중단시킨다(S5). 성장챔버의 가열중단(S5)을 가스공급중단(S4) 보다 우선적으로 수행하거나 동시에 수행할 수도 있다. 가스공급 및 가열을 중단한 후(S4, S5), 성장챔버내에 잔존하는 가스를 외부로 방출시킨다(S6).

본 발명에서 중요한 기술적 특징은, 도 5를 참조하여 설명하면, 성장챔버내에서 P형 불순물과 수소가 결합할 수 없는 상태 및 조건을 마련하는 것이다. 성장챔버에서는 P형 불순물과 수소가 결합할 수 없는 예를 들어, 500℃ 이상의 높은 온도에서 에피성장이 이루어진다. 본 발명에서, P층(17)은 매우 높은 온도 예를 들 어, 600℃ 이상에서 형성되는데, 본 발명의 P층 형성온도에서는 P형 불순물과 수소의 결합이 이루어질 수 없다. 이와 같이, 매우 높은 온도에서 P층성장을 완료한 후 외부로부터 성장챔버내로의 가스공급 및 가열을 중단하고(S4, S5), 성장챔버내에 잔존하는 가스를 외부로 방출하는 것이다(S7). 그러면, 성장챔버내에 수소가 존재하지 않기 때문에, P형 불순물과 수소의 결합이 이루어질 수 없으며, P층 내의 불순물들은 자유정공을 제공하는 기능을 수행할 수 있는 상태가 된다. P형 불순물과 수소의 결합이 이루어지지 아니하므로 본 발명에서는 어닐링공정을 수행할 필요가 없다.

성장챔버내에 잔존하는 가스를 모두 외부로 방출한 후(S7)에는, 성장챔버 내에서 외부로 인출하기 위해 에피(27)의 온도를 낮춘다(S8). 에피(27)의 온도는 성장챔버내의 가열중단 후 그대로 방치 즉, 자연대류 방식으로 낮출 수 있다. 성장챔버를 공냉 또는 수냉방식으로 냉각시켜서 에피(27)의 온도를 낮출 수도 있다. 바람직한 실시예로는, 성장챔버 내에 잔존하는 가스를 완전히 방출시킨 후 또는 성장챔버를 진공상태로 만든 후 불순물과 결합하지 아니하는 성분의 냉각가스 예를 들어, 질소(N₂) 가스를 주입하여, 에피(27)의 온도를 낮출 수 있다. 냉각가스의 공급 및 방출을 복수회 반복적으로 실시하면, 에피(27)의 온도를 보다 빠르게 낮출수 있다.

에피(27)의 온도가 충분히 낮아지면, 성장챔버로부터 인출한다. 에피(27)를 인출시킨 후(S9), P층(17), 활성층(15) 및 N층(13)을 부분적으로 에칭하여 N층(13)의 일부를 노출시킨다. 그런 다음, 부분 에칭된 에피(27)의 상면 즉, P층(17) 상부면에 P형 전극(31)을 형성한다(S10). P형 전극(31)은 도 2 및 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이, Pt, Pd 및 Au를 포함하는 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 사용한 금속재질의 투명전극으로 형성한다. 이러한 경우, 별도의 어닐링 공정 없이도 양호한 오믹접촉 특성을 얻을 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 상술로 대신한다.

P층(17)에 P형 전극(31)을 형성하는 것과 동시에 또는 순차적으로 N층(13)에도 N형 전극(35)을 형성한다. 이들 P형 전극(31)과 N형 전극(35)은 서로 대향하는 양측에 일정한 간격을 두고 마련된다. 그리고, P층(17)위에 P형 전극(31)을 형성한 다음에는 외부와 전기적 연결되는 전극 패드(33)를 구성한다. 그런 다음, 한 쌍의 전극(33, 35)을 포함하는 개별소자가 되도록 에피(27)를 나눈다(S11).

이러한 방법을 따르면, GaN계 화합물 반도체의 제조시, 별도의 어닐링을 수행할 필요가 없다. 즉, 기판(11)상에 GaN계 화합물 반도체층(25)을 성장할 때 뿐만아니라 P층(17)위에 P형 전극(31)을 형성할 때에 어닐링 공정을 수행하지 않아도 P형 전도성을 충분히 확보할 수 있고 양호한 오믹접촉 특성을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 어닐링 장비가 필요 없고, 제조공정이 간편해지며, 제품의 제작이 매우 용이하다.

한편, 상술 및 도시한 실시예에서는, 기판(11)상에 에피(27)를 성장시킨 후 GaN계 화합물 반도체층의 일부를 에칭하여 P형 전극과 N형 전극이 모두 상부에 형성된 실시예에 대하여 설명하였다. 하지만, 본 발명은 이러한 구조의 실시예에만 국한되어 적용되는 것이 아니라, 도시하지는 않았지만, 기판(11)의 하부에 제 1전극이 형성되고, GaN계 화합물 반도체층(25)의 상부에 제 2전극이 형성된 즉, P형 전극과 N형 전극이 상하로 배치된 구조에 대해서도 동일한 방식으로 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고, 본 발명과 관련하여 전 부분에서 설명되고 있는 GaN계 화합물 반도체는, Al_xIn_yGaN(0≤x, y≤1)를 포함하는 것임은 물론이며, 이러한 화합물 반도체는 예를 들어, 발광소자(LED, Light Emitting Diode) 또는 레이저소자(LD, Laser Diode)외에 다양한 분야에 적용가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 어닐링 공정을 수행하지 않고도 P형 전도성을 충분히 확보할 수 있고 양호한 오믹접촉 특성을 얻을 수 있는 우수한 성능의 GaN 화합물 반도체 및 그 제조방법이 제공된다. 본 발명에서는 이와 같이, 어닐링 공정이 제거될 수 있기 때문에, 간단하고 편리하게 GaN계 화합물 반도체를 제조할 수 있고 설비투자도 매우 저렴해 진다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 성장챔버내에서 P형 불순물을 포함하는 P층을 성장시키는 단계;

   상기 성장챔버내의 수소 및 수소원 가스를 방출하는 단계;

   상기 성장챔버 내에서 외부로 인출하기 위해 상기 P층이 형성된 GaN계 화합물 반도체의 온도를 낮추는 단계;

   상기 GaN계 화합물 반도체를 인출하는 단계; 및

   상기 P층위에 Pt, Pd, 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 그 합금으로 P형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 GaN계 화합물 반도체 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 온도를 낮추는 단계는,

   상기 성장챔버를 수냉 또는 공냉방식으로 냉각시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체 제조방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 온도를 내리는 단계는,

   상기 성장챔버를 진공상태로 하는 단계; 및

   상기 진공상태의 성장챔버내에 냉각가스를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체 제조방법.
7. 제 4항 내지 제 6항중 어느 한항에 있어서,

   상기 P형 불순물이 포함한 P층위에 Pt, Pd 및 Au 중 적어도 하나의 물질 또는 그 혼합물로 형성된 전극 패드를 마련하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 GaN계 화합물 반도체 제조방법.

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