KR100674837B1

KR100674837B1 - 반도체 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100674837B1
Application number: KR1020050016786A
Authority: KR
Inventors: 김범준; 김영민; 강동훈
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2007-01-26
Also published as: KR20060095275A

Abstract

본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래층을 포함한 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 및 제2 도전형 클래층과 상기 활성층은 2 이상의 원소로 구성된 반도체층이며, 상기 제1 도전형 클래드층은 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α(여기서, Δα는 기판과 성장층의 격자정수 차이이며, α는 기판의 격자상수임)에 의해 발생되는 내부응력을 완화하는 방향으로 구성원소 중 적어도 하나의 조성이 거의 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제공한다.

격자상수(lattice constant), 격자부정합(lattice mismatching), 열팽창계수(thermal extension coefficient)

Description

반도체 소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

도1a 및 도1b는 각각 종래의 반도체 레이저 구조와 두께방향에 따른 격자부정합에 의한 변형률을 나타낸다.

도2는 AlGaInP계 반도체 물질에 대한 변형률에 따른 임계두께를 나타내는 그래프이다.

도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 레이저 구조와 두께방향에 따른 격자부정합에 의한 변형률을 나타낸다.

도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 레이저의 두께방향에 따른 격자부정합에 의한 변형률을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11,21: GaAs 기판 12,22: 버퍼층

14,24: 제1 도전형 AlGaInP계 클래드층 15,25: 활성층

16,26: 제2 도전형 AlGaInP계 클래드층 17,27: 제2 도전형 캡층

18,28: 유전체층

본 발명은 반도체 레이저 및 발광소자와 같은 반도체 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종 기판과 에피택셜층 사이의 열팽창계수 차이로 인한 응력을 감소시켜 동작수명과 신뢰성을 개선한 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 레이저 또는 반도체 발광다이오드와 같은 반도체 소자는 적색 또는 단파장계열인 청자색 발진광을 얻기 위해서, GaAs기판 또는 사파이어기판 상에 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 에피택셜층을 성장시키는 구조를 갖는다. 이 경우에 이종물질인 기판과 에피택셜층의 격자부정합이 중요한 문제를 제기된다. 이를 해결하기 위해서 격자부정합을 완화하기 위한 적절한 버퍼층을 이용된다.

하지만, 이는 특정온도에서 고려된 방안으로서, 기판과 에피택셜층의 열팽창계수 차이로 인한 응력발생문제에 대한 적절한 해결책이 될 수 없다. 예를 들어, 적색 반도체 레이저에 사용되는 AlGaInP층과 GaAs기판은 각각 4.8 ×10^-6/℃과 6.8 ×10^-6/℃의 열팽창계수를 가지므로, 약 -30%의 열팽창계수차이가 존재하며, 이와 유사하게 GaN층과 사파이어기판의 열팽창계수도 약 -34%의 차이를 나타낸다.

따라서, 높은 에피택셜성장온도(AlGaInP층의 경우 650∼750℃, AlGaInN층 경 우 700∼1100℃ )에서 격자정합을 일치시키더라도, 공정 후에 상온으로 낮춰질 경우에, 변형률의 차이로 인한 큰 내부응력이 발생된다.

도1a는 종래의 AlGaInP계 반도체 레이저 구조를 나타낸다. 상기 반도체 레이저는 GaAs 기판(11) 상에 형성된 버퍼층(12)을 포함하며, 상기 버퍼층(12) 상에 제1 도전형 AlGaInP계 클래드층(14), 활성층(15) 및 제2 도전형 AlGaInP계 클래드층(16)이 순차적으로 형성된 구조를 갖는다. 또한, 제2 도전형 클래드층(16) 상에는 제2 도전형 캡층(17)이 추가로 형성되어 리지구조를 가질 수 있으며, 리지측면에는 유전체를 이용한 전류차단층(18)이 포함할 수 있다.

도1b는 도1a에 도시된 AlGaInP계 반도체 레이저의 두께방향에 따른 변형률을 나타낸다. 도1b와 같이, 성장온도에서 실온으로 600℃이상의 온도가 감소되므로, 열팽창계수의 차이로 인해 1000ppm이상의 변형이 발생된다. 본 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상온에서 0ppm이 되도록 에피택셜층 성장온도에서 인장응력이 -1000ppm을 갖는 조건으로 제조한 경우에, 인장응력조건에서 에피택셜층의 격자가 붕괴되는 임계두께가 500㎚에 불과하므로(도2 참조), 2㎛이상의 두께가 요구되는 반도체 레이저를 제조하는 경우에 전위와 같은 격자결함을 불가피하게 발생되며, 이는 결국 레이저특성 및 신뢰성을 저하시키는 주된 원인이 된다.

이와 반대로, 성장온도에서 격자정합조건으로 성장하는 경우에도, 상온에서는 열팽창계수 차이로 인한 응력이 발생되어, 웨이퍼가 휘게 될 수 있다. 이 경우에 소자의 면내 균일성이 심각하게 악화되는 문제가 있다. 또한, 에피택셜층의 큰 응력은 소자동작특성에 큰 변화를 유발하여 신뢰성을 저하시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 기판과 에피택셜층 사이의 열팽창계수 차이로 인한 내부응력을 완화함으로써 레이저동작특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일측면은, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래층을 포함한 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 및 제2 도전형 클래층과 상기 활성층은 2 이상의 원소로 구성된 반도체층이며, 상기 제1 도전형 클래드층은 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α(여기서, Δα는 기판과 성장층의 격자정수 차이이며, α는 기판의 격자상수임)에 의해 발생되는 내부응력을 완화하는 방향으로 구성원소 중 적어도 하나의 조성이 거의 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제공한다.

바람직하게, 상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 활성층에 인접한 영역에서 상기 제2 도전형 클래드층의 격자상수와 거의 일치한다.

본 발명의 일실시형태에서는, 상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 거의 약 -1000∼-2000ppm에서 시작하여 두께 방향에 따라 선형적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 거의 0에서 시작하여 상기 활성층에 인접한 영역에서 약 1000∼2000ppm이 되도록 선형적으로 변화하도록 형성될 수 있다.

상기 제1 도전형 클래드층은 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 반도체층일 수 있으며, 이 경우에, 상기 제1 도전형 클래드층은 내부응력이 완화되도록 결정성장방향으로 In조성을 거의 선형적으로 변화시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래층을 포함한 반도체 소자 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 도전형 클래층과 상기 활성층은 2 이상의 원소로 구성된 반도체층이며, 상기 제1 도전형 클래드층를 형성하는 단계가, 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α(여기서, Δα는 기판과 제1 도전형 클래드층의 격자정수 차이이고, α는 기판의 격자상수임)에 의해 발생되는 내부응력을 완화하는 방향으로 구성원소 중 적어도 하나의 조성이 거의 선형적으로 변화시키면서 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다.

이와 같이, 본 발명의 주요 특징은, 반도체 레이저 소자 또는 발광다이오드와 같은 반도체 소자에서 기판과 제1 도전형 클래드층의 격자부정합에 의한 변형률이 선형적으로 변화시킴으로서 내부응력분포를 완만하게 구현하는데 있다.

또한, 본 명세서에서 격자부정합에 의한 변형률은 Δα/α로 정의되며, 단위는 다른 언급이 없는 한 ppm으로 표시된다. 여기서, Δα는 기판과 성장층의 격자정수 차이이며, α는 기판의 격자상수이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도3a는 각각 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 레이저 구조를 나타낸다.

도3a에 도시된 반도체 레이저(30)는 GaAs 기판(31) 상에 형성된 버퍼층(32)을 포함하며, 상기 버퍼층(32) 상에 제1 도전형 AlGaInP계 클래드층(34), 활성층(35) 및 제2 도전형 AlGaInP계 클래드층(36)이 순차적으로 형성된 구조를 갖는다.

또한, 필요에 따라, 상기 제2 도전형 클래드층(36) 상에는 제2 도전형 캡층(37)이 추가로 형성되어 리지구조를 가질 수 있으며, 리지측면에는 유전체를 이용한 전류차단층(38)이 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 레이저(30)는 GaAs 기판(31)과의 격자부정합에 의한 변형률이 선형적으로 변화하는 제1 도전형 클래드층(34)을 갖는다. 이러한 변형률은 AlGaInP계 반도체에서는 In조성을 변화시킴으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, In조성의 1∼2%변화로서 GaAs기판에 대해 약 1000ppm 내지 2000ppm 정도의 변형률을 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 내부응력완화효과는 도3b을 참조하여 보다 명확하게 설명될 수 있다.

도3b는 도3a에 도시된 반도체 레이저 구조와 두께방향에 따른 격자부정합에 의한 변형률을 나타낸다.

도3b에 도시된 성장과정의 변형률 그래프(a)를 참조하면, 버퍼층(32) 상에서 초기에 성장되는 제1 도전형 클래드층(34)은 결정성장온도에서 GaAs 기판(31)(또는 버퍼층(32))에 대한 변형률이 거의 0, 즉 격자정합을 갖는 조성을 갖는다. 후속 성장하는 과정에서는 제1 도전형 클래드층(34)의 변형률이 인장응력방향으로 기울기를 갖도록 형성한 후에, 상단영역에서 약 -1000ppm 내지 -2000ppm의 변형률을 갖도록 형성한다. 이후 활성층(35)을 형성한 후에, 상기 제2 도전형 클래드층(36)은 활성층과 인접한 제1 도전형 클래드층(34)과 거의 일치하는 격자상수를 갖도록 균일하게 성장시킨다.

이와 같은 성장과정을 통해 전체 클래드층 영역에서, 0 내지 -2000ppm 범위에서 기울기를 갖는 인장응력분포를 가질 수 있다. 따라서, 실질적으로 임계두께를 결정하는 응력을 낮춤으로써, 전위발생 없이 2㎛이상의 두께를 갖는 클래드층을 성장시킬 수 있다.

성장공정이 완료된 후에 상온에서는 열팽창계수에 의해 "b"로 표시된 그래프와 같이 내부응력분포는 변화하게 된다. 즉, 제1 도전형 클래드층(34)에 한하여 소정의 기울기를 갖는 압축응력분포가 발생된다. 하지만, 제1 도전형 클래드층(34)은 상기한 바와 같이 변형률 기울기를 갖도록 구현되므로, 이러한 압축응력분포를 완만하게 실현할 수 있다.

이와 같이, 상온에서도, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 두께방향에 따라 감소하는 기울기를 가질 수 있다. 따라서, 실질적인 압축응력으로 인한 영향을 감소시켜 웨이퍼 휨 또는 소자의 변형으로 인한 특성 저하를 방지할 수 있다.

제1 도전형 클래드층(34)의 변형률을 거의 약 -1000∼-2000ppm에서 시작하여 두께방향에 따라 감소하도록 형성하는 것이 바람직하다.

상술된 실시형태는 반도체 레이저로서 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 반도체 레이저로 예시하여 설명하였으나, 이종기판을 사용하여 2이상의 원소로 구성된 에피택셜층을 성장하는데 필요한 다른 반도체 소자에 응용될 수 있다. 예를 들어, Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 반도체 레이저, 혹 은 AlGaInP계 또는 AlGaInN계 반도체 발광소자에서도 유사한 방식으로 제1 도전형 클래드층의 변형률을 완만한 응력분포를 부여함으로써 내부응력으로 인한 영향을 최소화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 기판 상에 형성되는 제1 도전형 클래드층의 내부응력분포를 완만하게 구현함으로써 격자상수로 인한 내부응력에 대한 영향을 감소시키는데 있다. 이는 상술된 실시형태와 같이 성장온도에서 내부응력분포를 증가하는 방향으로 구현하여 상온에서 내부응력분포를 감소하는 형태로 구현할 수 있으나, 이와 반대로 성장온도에서 내부응력분포를 감소하는 방향으로 구현하여 상온에서 내부응력분포를 증가하는 방향으로 구현할 수도 있다. 이러한 실시형태는 도4를 참조하여 설명될 수 있다.

우선, "a"로 표시된 성장과정의 변형률 그래프를 참조하면, 버퍼층 상에서 초기에 성장되는 제1 도전형 클래드층은 결정성장온도에서 GaAs 기판에 대한 변형률이 약 -1000ppm 내지 -2000ppm을 갖도록 형성한다. 후속 성장하는 과정에서는 제1 도전형 클래드층의 변형률이 인장응력이 감소하는 기울기를 갖도록 형성한 후에, 상단영역에서 변형률이 거의 0이 되도록 형성한다. 이후 활성층을 형성한 후에, 상기 제2 도전형 클래드층은 활성층과 인접한 제1 도전형 클래드층과 거의 일치하는 격자상수를 갖도록 균일하게 성장시킨다.

이로써, 전체 클래드층 영역에서, 0 내지 -2000ppm 범위에서 기울기를 갖는 인장응력분포를 가질 수 있다. 따라서, 실질적으로 임계두께를 결정하는 응력을 낮춤으로써, 전위발생없이도 2㎛이상의 두께를 갖는 클래드층을 성장시킬 수 있다.

또한, 상온에서는 "b"로 표시된 그래프와 같이, 열팽창계수에 의해 제1 도전형 클래드층에서 동일한 기울기를 갖는 압축응력분포가 발생된다. 이러한 압축응력분포는 거의 0의 변형률에서 1000ppm 내지 2000ppm의 변형률을 갖도록 완만하게 변화될 수 있다. 이와 같이, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 두께방향에 따라 증가하는 기울기를 가질 수 있다. 따라서, 실질적인 압축응력으로 인한 영향을 감소시켜 웨이퍼 휨 또는 소자의 변형으로 인한 특성 저하를 방지할 수 있다.

본 명세서에서 제시된 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태에 대한 예시에 불과하며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 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 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 반도체 레이저 소자 또는 발광다이오드와 같은 반도체 소자에서 기판과 제1 도전형 클래드층의 격자부정합에 의한 변형률이 선형적으로 변화시킴으로서 내부응력분포를 완만하게 구현함으로써 열팽창계수로 인한 내부응력에 대한 영향을 최소화할 수 있다. 따라서, 성장공정에서 전위의 발생없이도 충분한 두께로 에피택셜층의 성장이 가능하며, 상온에서도 휨현상이나 이로 인한 소자의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

Claims

기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래층을 포함한 반도체 소자에 있어서,

상기 기판과 상기 제1 도전형 클래드층 사이에 격자부정합을 완화시키기 위한 버퍼층을 더 포함하며,

상기 제1 및 제2 도전형 클래층과 상기 활성층은 2 이상의 원소로 구성된 반도체층이며,

상기 제1 도전형 클래드층은 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α(여기서, Δα는 기판과 성장층의 격자정수 차이이며, α는 기판의 격자상수임)에 의해 발생되는 내부응력을 완화하는 방향으로 구성원소 중 적어도 하나의 조성이 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 활성층에 인접한 영역에서 상기 제2 도전형 클래드층의 격자상수와 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 -1000∼-2000ppm에서 시작하여 두께방향에 따라 선형적으로 감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 0에서 시작하여 상기 활성층에 인접한 영역에서 1000∼2000ppm이 되도록 선형적으로 변화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
제5항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은 내부응력이 완화되도록 결정성장방향에 따라 In조성을 선형적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래층을 포함한 반도체 소자 제조방법에 있어서,

상기 기판과 상기 제1 도전형 클래드층 사이에 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층을 더 포함하고,

상기 제1 및 제2 도전형 클래층과 상기 활성층은 2 이상의 원소로 구성된 반도체층이며,

상기 제1 도전형 클래드층를 형성하는 단계가, 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α(여기서, Δα는 기판과 제1 도전형 클래드층의 격자정수 차이이고, α는 기판의 격자상수임)에 의해 발생되는 내부응력을 완화하는 방향으로 구성원소 중 적어도 하나의 조성이 선형적으로 변화시키면서 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제2 도전형 클래드층은, 상기 활성층에 인접한 영역의 상기 제1 도전형 클래드층의 격자상수와 동일하도록 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층을 형성하는 단계는, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 0에서 시작하여 상기 활성층에 인접한 영역에서 -1000∼-2000ppm이 되도록 선형적으로 증가하도록 상기 제1 도전형 클래드층을 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층을 형성하는 단계는, 상기 기판과의 격자부정합에 의한 변형률 Δα/α가 -1000∼-2000ppm에서 시작하여 성장방향에 따라 선형적으로 감소하도록 상기 제1 도전형 클래드층을 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층은 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 반도체물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
제11항에 있어서,

상기 제1 도전형 클래드층을 성장하는 단계는,

내부응력이 완화되도록 결정성장방향으로 In조성을 선형적으로 변화시키면서 상기 제1 도전형 클래드층을 성장하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.