KR100723177B1 - ＩｎＧａＮ 질화물층 형성방법 및 다중양자우물구조의활성층 형성방법 - Google Patents

ＩｎＧａＮ 질화물층 형성방법 및 다중양자우물구조의활성층 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중양자우물구조의 활성층을 포함한 InGaN 질화물층 성장방법에 관한 것으로서, InxGa1 -xN(0<x≤1) 질화물층을 성장하는 공정에서 갈륨소스 및 인듐소스의 양을 일정하게 유지하면서, 질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량을 조절함으로써 상기 질화물층에서의 인듐의 함량을 제어하는 것을 특징으로 하는 InGaN 질화물층 형성방법을 제공한다.
질화물 반도체 소자(nitride semiconductor device), 다중양자우물(muti quantum well), 발광다이오드(light emitting diode)

Description

ＩｎＧａＮ 질화물층 형성방법 및 다중양자우물구조의 활성층 형성방법{FORMATION METHODS OF InGaN NITRIDE LAYER AND MULTI-QUANTUM WELL STRUCTURE ACTIVE LAYER}
도1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 나타내는 측단면도이다.
도2는 동일한 InGaN층을 형성하는 과정에서 질소소스가스의 조건을 달리할 경우에 나타나는 PL파장의 변화를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11: 사파이어 기판 13: n형 질화물 반도체층
15: 활성층 15a: 양자장벽층
15b; 양자우물층 17: p형 질화물 반도체층
18: 투명전극층 19a, 19b: n측 및 p측 전극
본 발명은 InGaN계 질화물에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드, 레이저 다이 오드 등에 사용되는 (In)GaN계의 활성층에서 In함량의 변화조건을 보다 용이하게 구현할 수 있는 새로운 질화물 활성층 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode:LED)에 널리 사용되고 있다. 이러한 LED는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다.
상기 LED의 활성층은 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.
도1은 종래의 질화물 반도체 발광다이오드 구조를 나타내는 측단면도이다.
도1과 같이, 질화물 반도체 발광 다이오드(10)는 사파이어 기판(11), n형 GaN으로 이루어진 제1 질화물 반도체층(13), 다중양자우물구조인 활성층(15) 및, p형 AlGaN/GaN으로 이루어진 제2 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 메사에칭된 제2 질화물 반도체층(17) 상면에는 n형 전극(19a)이 형성되며, 상기 제1 질화물 반도체층(13) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 차례로 형성된다.
일반적으로, 다중 양자 우물구조로 이루어진 활성층(15)은 언도프된 GaN 장 벽층(15a)과 언도프된 InGaN 양자우물층(15b)이 교번하여 적층된 구조로 이루어지며, 서로 다른 밴드갭에 기초하여 원하는 다중양자우물구조의 밴드다이어그램을 갖는다.
이러한 다중양자우물구조의 질화물 활성층(15)은 주로 In 함량의 변화에 따라 제어한다. 하지만, In함량이 다른 양자장벽층(15a)과 양자우물층(15b)을 교번하여 형성하는 경우에는, 인-플로우(in-flow) 또는 온도의 변화가 발생되므로, 램핑(ramping)시간과 안정화시간이 요구된다. 이러한 램핑 및 안정화시간으로 인해 공정이 번거로워지는 문제가 있다.
따라서, 활성층의 형성공정을 연속적으로 실시하기 위해서, In함량의 변화, 특히 다중양자우물구조 형성시에, In 함량의 변화를 보다 용이하게 유도할 수 있는 새로운 방법이 요구되어 왔다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 인듐소스의 공급량과 기타 성장조건을 유지한 채 질소소스 가스의 종류와 함량을 변화시킴으로써 발광파장이 변경되도록 인듐함량을 조절할 수 있는 InGaN 질화물층 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다른 성장조건의 변경없이 질소소스 가스의 종류와 함량을 변화시킴으로써 양자우물층과 양자장벽층을 교번하여 성장시킬 수 있는 새로운 질화물 활성층 형성방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일측면은
InxGa1 -xN(0<x≤1) 질화물층을 성장하는 공정에서 갈륨소스 및 인듐소스의 양을 일정하게 유지하면서, 질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량을 조절함으로써 상기 질화물층에서의 인듐의 함량을 제어하는 것을 특징으로 하는 InGaN 질화물층 형성방법을 제공한다.
충분한 인듐함량의 제어효과를 위해서, 상기 디메틸하이드라진 가스의 공급량은 갈륨소스 가스에 대한 몰비로서 5이상인 것이 바람직하다.
필요에 따라, 상기 질소소스가스로는 디메틸하이드라진 가스와 암모니아 가스의 혼합가스를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 다중 양자우물구조로 이루어진 질화물계 활성층 형성방법을 제공한다. 상기 질화물계 활성층 형성방법은, InxGa1 -xN(0<x≤1)으로 이루어진 양자우물층을 형성하는 단계와, 질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy) 가스를 추가시키거나 그 공급량을 증가시킨 상태에서 InyGa1 -yN(0≤y<x)으로 이루어진 양자장벽층을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 양자장벽층을 형성하는 단계 후에, 앞서 양자우물층 형성단계와 동일한 조건으로 상기 디메틸하이드라진 가스의 공급을 중단하거나 감소시 킨 상태로 양자우물층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 나아가 상기한 양자우물층 및 양자장벽층의 형성공정을 적어도 1회 반복실시하여 모든 다중양자우물구조를 본 발명에 따라 형성할 수도 있다.
공정제어의 편의를 위해서, 상기 양자우물층 및 상기 양자장벽층을 형성하는 단계는, 상기 양자우물층 및 상기 양자장벽층의 형성을 위한 소스가스 중 디메틸하이드라진(DMHy)가스를 제외한 소스가스의 종류 및 공급량을 일정하게 유지하는 조건에서 실시되는 것이 바람직하다.
이 경우에, 상기 양자우물층을 형성하는 단계에서 질소소스로서 공급되는 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급을 중단할 수 있다. 또한, 상기 양자장벽층을 형성하는 단계에서 디메틸하이드라진 가스의 변화량은 충분한 인듐함량의 변화를 얻기 위해서 갈륨소스 가스에 대한 몰비로서 5이상인인 것이 바람직하다.
상기 양자우물층을 형성하는 단계에서는, 질소소스는 단지 암모니아(NH3)만이 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 인듐함량의 변화, 또는 그로 인한 에너지밴드갭 및 발광파장의 변화를 디메틸하이드라진(dimethyl-hydrazine: DMHy)을 이용하여 보다 간소하게 구현하는 방안을 제공한다.
특히, 본 발명에 따르면, 다중양자우물구조에서 양자우물층과 양자장벽층의 다른 인듐함량을, 공정온도조절과 같은 복잡한 과정 없이, 단지 디메틸하이드라진 공급량의 증감만으로서 간단하게 조절할 수 있다. 이러한 디메틸하이드라진의 공급량은 해당 가스공급부의 개폐만으로서 제어될 수 있으므로, 다중양자우물구조를 연속적인 증착공정으로 형성할 수 있다.
이하, 아래의 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
( 실시예 )
본 실시예에서는, MOCVD법을 이용하여 동일한 증착조건으로 5개의 InGaN층을 형성하되, 각 층의 공정에서 디메틸하이드라진(DMHy) 가스의 공급량만을 달리하였다.
즉, 동일한 증착조건으로서, 성장온도는 820℃로 하고, 갈륨소스, 인듐소스 및 질소소스는 각각 트리에틸갈륨(TEGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 암모니아(NH3)가스를 사용하였으며, 각각의 소스는 동일한 순서로 480 cc/1000mbar, 910 cc/730 mbar, 20000cc로 고정시킨 상태에서 공급하였다.
디메틸하드라진 가스는 제1 샘플에는 공급하지 않으며, 제2 샘플에서 제5 샘플의 공정에는 각각 DMHy/TEGa(몰비)로서 1,5,10,16으로 설정하여 추가적으로 제공하였다.
이와 같이 얻어진 제1 내지 제5 샘플인 InGaN층에 대해서, 포토루미넌센스(photo-luminescence: PL)을 측정하였다. 그 측정된 결과를 도2에 도시하였다.
도2를 참조하면, 제1 샘플인 InGaN층(a)은 434.1㎚의 피크파장을 갖는 것으로 나타났으며, DMHy/TEGa(몰비)가 1인 제2 샘플(b)에서는 피크파장이 검출되지 않았으나, DMHy/TEGa(몰비)가 5인 제3 샘플(c)에서는 피크파장이 388.4㎚로 단파장화된 것을 확인할 수 있었다.
또한, DMHy/TEGa(몰비)를 10, 16으로 증가시킨 제4 및 제5 샘플(d,e)에서는, 피크파장이 381.8㎚, 376.2㎚로 보다 크게 단파장화되었다.
이와 같이 피크파장이 단파장화된 것으로서, DMHy의 공급량을 증가시킴에 따라 InGaN층에서 인듐함량이 감소된 것을 알 수 있었다.
본 실시예에서 얻어진 결과를 응용하여, 다중양자우물구조의 질화물계 활성층을 형성하는 경우에, 적어도 일부의 양자우물층과 양자장벽층의 인듐함량변화를 디메틸하이드라진의 공급량을 변화시킴으로써 실현할 수 있다. 예를 들어, InxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어진 양자우물층을 형성한 후에, 질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy)가스를 추가시키거나 그 공급량을 증가시킨 상태에서 InyGa1-yN(0≤y<x)으로 이루어진 양자장벽층을 형성할 수 있다. 이어, 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량을 감소시켜 양자우물층의 공급조건(0도 포함됨)으로 조정함으로써 양자우물층을 형성하는 공정을 적용할 수 있다.
이러한 다중양자우물구조의 형성공정은 온도변화에 따른 램핑시간 또는 안정 화시간이 요구되지 않고, 동일한 조건에서 디메틸하이드라진의 공급만을 조정하여 용이하게 구현될 수 있다. 즉, 상기 양자우물층 및 상기 양자장벽층을 형성하는 단계에서, 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량을 제외하고 다른 소스의 종류 및 그 공급량의 조건에서 실시될 수 있다. 따라서, 실질적인 연속공정이 가능하다는 장점을 제공한다.
바람직하게, 상기 양자우물층을 형성하는 단계에서, 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급을 중단하고, 이 경우에 상기 양자우물층을 형성하는 단계에서 공급되는 질소소스는 정해진 량으로 공급되는 암모니아(NH3)일 수 있다.
또한, 상기한 실시예와 같이, 상기 양자장벽층을 형성하는 단계에서 증가되는 디메틸하이드라진 가스의 공급량은 충분한 인듐함량의 변화를 기대하기 위해서, 갈륨소스가스에 대한 몰비로서 5이상인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 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, 본 발명에 따르면, 인듐함량의 변화를 디메틸하이드라진(dimethyl-hydrazine: DMHy)을 이용하여 보다 간소하게 구현하는 방안을 제공한다. 특히, 다중양자우물구조에서 양자우물층과 양자장벽층의 다른 인듐함량을, 공정온도조절과 같은 복잡한 과정 없이, 단지 디메틸하이드라진 공급량의 증감만으로서 간단하게 조절할 수 있다. 즉, 디메틸하이드라진의 공급량은 해당 가스공급부의 개폐만으로서 제어될 수 있으므로, 다중양자우물구조를 연속적인 증착공정을 통해 실현할 수 있다.

Claims (9)

  1. InxGa1 -xN(0<x≤1) 질화물층을 성장하는 공정에서 갈륨소스 및 인듐소스의 양을 일정하게 유지하면서, 질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량을 조절함으로써 상기 질화물층에서의 인듐의 함량을 제어하는 것을 특징으로 하는 InGaN 질화물층 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량은 갈륨소스가스에 대한 몰비로서 5이상인 것을 특징으로 하는 InGaN 질화물층 형성방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질소소스가스는 디메틸하이드라진(DMHy)가스와 암모니아 가스의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 InGaN 질화물층 형성방법.
  4. 다중 양자우물구조로 이루어진 질화물계 활성층 형성방법에 있어서,
    InxGa1 -xN(0<x≤1)으로 이루어진 양자우물층을 형성하는 단계;
    질소소스로서 디메틸하이드라진(DMHy)가스를 추가시키거나 그 공급량을 증가시킨 상태에서 InyGa1 -yN(0≤y<x)으로 이루어진 양자장벽층을 형성하는 단계를 포함 하는 질화물계 활성층 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양자장벽층을 형성하는 단계 후에, 앞서 양자우물층 형성단계와 동일한 조건으로 상기 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급을 중단하거나 감소시킨 상태로 양자우물층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 활성층 형성방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 양자우물층 및 상기 양자장벽층을 형성하는 단계는, 상기 양자우물층 및 상기 양자장벽층의 형성을 위한 소스가스 중 디메틸하이드라진(DMHy)가스를 제외한 소스가스의 종류 및 공급량을 일정하게 유지하는 조건에서 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물계 활성층 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양자우물층을 형성하는 단계에서, 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 질화물계 활성층 형성방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 양자장벽층을 형성하는 단계에서 증가되는 디메틸하이드라진(DMHy)가스의 공급량은 갈륨소스가스에 대한 몰비로서 5이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 활성층 형성방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 양자우물층을 형성하는 단계에서 공급되는 질소소스는 암모니아(NH3)인 것을 특징으로 하는 질화물계 활성층 형성방법.
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