KR100730753B1 - 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법 및 그것에의해 제조된 발광 다이오드 - Google Patents

질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법 및 그것에의해 제조된 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법 및 그것에 의해 제조된 발광 다이오드가 개시된다. 이 방법은 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 하부 반도체층 상에 금속물질의 나노섬들(nano islands) 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 상부 반도체층이 교대로 복수회 반복된 초격자층이 형성되고, 상기 초격자층 상에 활성층 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층이 형성된다. 상기 초격자층은 상기 하부 반도체층 내의 결정결함이 활성층으로 전사되는 것을 방지하여 활성층 내의 결정결함 밀도를 감소시킨다.
발광 다이오드, 질화물 반도체, 버퍼층, 나노섬들, 초격자, 금속유기화학기상증착법

Description

질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법 및 그것에 의해 제조된 발광 다이오드{METHOD FOR FABRICATING A LIGHT EMITTING DIODE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR AND A LIGHT EMITTING DIODE FABRICATED BY THE METHOD}
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드 제조 방법 및 그것에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 활성층 내의 결정결함밀도를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법 및 그것에 의해 제조된 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광 다이오드용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특 히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나, III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 상에 형성될 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광 다이오드의 특성을 악화시킨다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 버퍼층(13)이 형성된다. 버퍼층(13)은 일반적으로 AlxGa1-xN(0≤x≤1)로 MOCVD 공정 등을 사용하여 형성된다. 이어서, 버퍼층(13) 상에 n형 GaN층(15)이 형성되고, 그 위에 활성층(17) 및 p형 GaN층이 형성된다.
종래기술에 따르면, n형 GaN층(15)과 기판(11) 사이에 버퍼층(13)을 형성하여, 기판(11)과 반도체층(15) 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 및 전위 등의 발생을 감소시킬 수 있다.
그러나, 버퍼층(13)의 채택에도 불구하고, 활성층 내의 결정결함밀도는 여전히 높은 편이다. 활성층 내의 결정결함은 n형 GaN층(15)의 결정결함이 전사되어 생성되며, 이러한 결정결함은 발광 효율을 감소시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 활성층 내의 결정결함을 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 활성층의 결정결함이 적은 질화물 반도체 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법 및 그것에 의해 제조된 발광 다이오드를 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드 제조방법은 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 하부 반도체층 상에 금속물질의 나노섬들(nano islands) 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 상부 반도체층이 교대로 복수회 반복된 초격자층이 형성된다. 그 후, 상기 초격자층 상에 활성층 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층이 형성된다. 상기 초격자층은 상기 하부 반도체층 내의 결정 결함이 활성층으로 전사되는 것을 방지하며, 그 결과 활성층 내의 결정결함 밀도를 감소시킬 수 있다.
상기 금속물질의 나노섬들은 Al, Ga 및/또는 In으로 형성될 수 있으며, 이들 금속물질은 서로 혼합되거나 분리되어 형성될 수 있다.
상기 하부 반도체층, 나노섬들 및 상부 반도체층은 동일한 공정챔버 내에서 연속적으로 형성될 수 있다. 따라서, 패터닝 공정등을 수행함이 없이, 증착 공정을 사용하여 상기 하부 반도체층, 나노섬들 및 상부 반도체층을 형성할 수 있으며, 동일 공정챔버 내에서 연속적으로 형성하므로, 공정이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 상부 반도체층들 중 적어도 하나는 상기 하부 반도체층에 비해 저항이 높게 형성될 수 있다. 즉, 상기 상부 반도체층들 중 적어도 하나는 언도프트 또는 상기 하부 반도체층에 비해 저농도로 도핑될 수 있다. 따라서, 상기 하부 반도체층 내에서 전류 분산(current spreading)이 쉽게 이루어져 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노섬들이 결정결함의 전사를 방지하여, 결정결함을 통한 전류 흐름을 방지하므로, 전류분산을 더욱 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 기판 상에 위치하는 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층을 포함한다. 상기 하부 반도체층과 상기 기판 사이에 버퍼층이 개재될 수 있다. 한편, 상기 하부 반도체층 상에 금속물질의 나노섬들 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤ X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제1 도전형 상부 반도체층이 교대로 복수회 적층된 초격자층이 위치한다. 또한, 상기 초격자층 상에 활성층이 위치하고, 상기 활성층 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층이 위치한다. 상기 나노섬들은 그 아래에 위치하는 상기 하부 반도체층 또는 상부 반도체층의 결정결함 위치에 주로 형성되어, 상기 결정결함이 상부 반도체층으로 전사되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 상기 결정결함을 통해 흐르는 전류를 차단하여 상기 하부 반도체층 또는 상부 반도체층 내의 전류분산을 돕는다.
상기 금속물질의 나노섬들은 Al, In 및/또는 Ga으로 형성될 수 있다. 이들 금속물질은 서로 혼합되거나 분리되어 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 버퍼층(23)이 형성된다. 상기 기판은 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘 (Si), 산화리튬알루미늄(LiAlO2) 또는 산화리튬갈륨(LiGaO2) 등일 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 또는 SiC 기판일 수 있다. 버퍼층(23)은 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막으로 형성될 수 있으며, 통상적으로 AlN, GaN 또는 AlGaN 등이 사용된다.
버퍼층(23)은 MOCVD 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(23)은 400~800℃의 챔버내에 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA 및/또는 TEG를 공급하고, 반응가스로 암모니아 및/또는 디메틸 하이드라진(이하, DMHy)을 공급하여 기판(21) 상에 20Å ~ 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. 버퍼층(23)을 AlN으로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMA 또는 TEA가 사용될 수 있으며, 버퍼층을 GaN로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMG 또는 TEG가 사용될 수 있다.
상기 버퍼층(23) 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층(25)이 형성된다. 상기 하부 반도체층(25)은 900~1200℃의 챔버온도에서 MOCVD 공정을 사용하여 형성될 수 있으며, 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성된다. 상기 하부 반도체층(25)은 상기 버퍼층(23)과 동일한 공정챔버에서 챔버온도를 상승시켜 형성될 수 있다.
상기 하부 반도체층(25)은 향후 발광 다이오드의 제1 콘택이 된다. 즉, 상기 제1 도전형이 n형인 경우, 상기 하부 반도체층(25)은 n 콘택이 된다. 한편, 상기 하부 반도체층(25) 내의 결정결함 밀도를 감소시키기 위해, 하부 반도체층(25)을 형성하기 전 언도프트 질화물 반도체층(도시하지 않음)을 추가로 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 하부 반도체층(25) 상에 금속물질의 나노섬들(27)이 형성된다. 금속물질의 나노섬들(27)은 1nm~100nm 범위 내의 크기를 갖도록 형성된다.
상기 나노섬들(27)은 단일의 금속물질 또는 두종류 이상의 금속물질로 형성될 수 있으며, Al, Ga 및/또는 In으로 형성될 수 있다. 상기 나노섬들(27)이 두개 이상의 금속물질로 형성될 경우, 이들 금속물질이 서로 혼합되거나 분리되어 상기 나노섬들(27)을 형성할 수 있다.
상기 나노섬들(27)은 MOCVD 공정을 사용하여 400~1100℃ 온도 범위에서 형성될 수 있으다. 따라서, 상기 하부 반도체층(25)을 형성한 후, 챔버 온도을 1000℃ 이하로 낮추어 동일 챔버 내에서 연속적으로 나노섬들(27)을 형성할 수 있다.
한편, 상기 나노섬들(27)은 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA 및/또는 TEG를 사용하여 형성될 수 있으며, 암모니아 또는 DMHy와 같은 반응가스는 사용하지 않는다. 상기 나노섬들(27)을 형성하는 동안, 반응가스의 공급이 중단됨에 따라, 이미 성장된 하부 반도체층(25) 내에 함유된 질소원자들이 해리될 수 있다. 이 경우, 질소원자들과 분리된 III족 금속원자들 즉, Al, In 및 또는 Ga 원자들은 새로 증착된 금속물질과 함께 나노섬들(27)을 형성할 수 있다.
상기 나노섬들(27)은 표면에너지를 낮추기 위해 하부 반도체층(25)의 결정결함 위치에 쉽게 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 나노섬들(27)이 형성된 기판 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 상부 반도체층(29)을 형성한다. 따라서, 상기 상부 반도체층(29)은 상기 나노섬들(27) 및 상기 하부 반도체층(25)을 덮는다.
상부 반도체층(29)은, 하부 반도체층(25)과 같이 MOCVD 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 상부 반도체층(29)은 900~1200℃ 온도의 챔버 내에 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA, TMAA, DMEAA 및/또는 TEG를 공급하고, 반응가스로 암모니아 및/또는 DMHy를 공급하여 형성될 수 있으며, 예컨대 10Å ~ 1000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상부 반도체층(29)은 나노섬들(27)의 표면보다는 노출된 하부 반도체층(25)의 표면에서 더 빨리 성장된다. 즉, 상기 노출된 하부 반도체층(25)의 표면이 상부 반도체층(29)의 씨드(seed) 역할을 한다. 따라서, 상부 반도체층(27)은 나노섬들(27)의 높이 이상으로 성장된 후, 기판(21)에 대해 수평적으로 성장할 수 있어 결정결함 밀도가 감소될 수 있다.
또한, 상부 반도체층(29)은 하부 반도체층(25)과 동일한 제1 도전형인 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 상기 나노섬들(27) 및 상부 반도체층(29)은 교대로 복수회 반복하여 형성되며, 이에 따라 초격자층(28)이 형성된다. 교대로 반복된 나노섬들 및 상부 반도체층(29)은 서로 동일한 물질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
반복되어 형성되는 나노섬들(27)은 그 아래에 위치하는 상부 반도체층(29)의 결정결함 위치에 주로 형성되어 상부 반도체층(29) 내의 결정결함을 차단한다. 따 라서, 각 나노섬들(27) 위에 형성되는 상부 반도체층들(29)은 위로 갈수록 결정결함밀도가 낮아진다.
한편, 상기 상부 반도체층(29)들 중 적어도 하나의 층은 하부 반도체층(25)에 비해 저항이 높을 수 있다. 상기 적어도 하나의 상부 반도체층(29)의 저항은 도핑 농도를 조절함으로써 조절될 수 있다. 즉, 도핑을 하지 않거나 하부 반도체층(25)에 비해 저농도로 도핑함으로써 저항이 높은 상부 반도체층(29)이 형성된다. 상부 반도체층(29)의 저항이 하부 반도체층(25)에 비해 높을 경우, 제1 콘택인 하부 반도체층(25)에서 전류분산이 용이하게 이루어질 수 있다.
결과적으로, 나노섬들(27)이 하부 반도체층(25) 또는 상부 반도체층(27)의 결정결함 위치에 주로 형성되어, 결정결함이 위로 전사되는 것을 차단하며, 또한 상부 반도체층(29)이 수평적으로 성장하므로, 교대로 반복할수록 상부 반도체층(29) 내의 결정결함 밀도는 상기 하부 반도체층(29) 내의 결정결함 밀도에 비해 상당히 감소된다.
도 6을 참조하면, 상기 초격자층(28) 상에 활성층(31)이 형성된다. 상기 활성층(31)은 700~1200℃의 챔버온도에서 MOCVD 공정을 사용하여 형성될 수 있으며, 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 활성층(31)은 초격자층(28) 형성 챔버와 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.
활성층(31)은 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막으로 형성될 수 있으며, 요구되는 발광 파장에 따라 각 금속원소의 조성비가 결정된다.
한편, 상기 활성층(31) 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층(33)이 형성된다. 상기 제1 도전형이 n형인 경우, 제2 도전형 반도체층(33)은 p형이며, Mg을 도핑하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형이 p형인 경우, 제2 도전형 반도체층(33)은 n형이며, Si을 도핑하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 하부 반도체층 상에 나노섬들 및 상부반도체층이 교대로 반복된 초격자층을 형성하여 결정결함이 적은 상부 반도체층을 제공할 수 있으며, 그 결과 상기 초격자층 상에 형성되는 활성층 내의 결정결함 밀도를 감소시키어 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 초격자층 내의 적어도 하나의 상부 반도체층의 저항을 조절함으로써 전류분산을 용이하게 하여 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 버퍼층을 형성하고,
    상기 버퍼층 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층을 형성하고,
    상기 하부 반도체층 상에 금속물질의 나노섬들 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제1 도전형 상부 반도체층을 교대로 복수회 반복 형성하여 초격자층을 형성하고,
    상기 초격자층 상에 활성층을 형성하고,
    상기 활성층 상에 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X, Y≤1 및 0≤X + Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속물질의 나노섬들은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하부 반도체층, 나노섬들 및 상부 반도체층은 동일한 공정챔버내에서 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 반도체층들 중 적어도 하나는 상기 하부 반도체층에 비해 저항이 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드 제조방법.
  5. 기판 상에 위치하는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 위치하는 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제1 도전형 하부 반도체층;
    상기 하부 반도체층 상에 위치하고, 금속물질의 나노섬들 및 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제1 도전형 상부 반도체층이 교대로 복수회 적층된 초격자층;
    상기 초격자층 상에 위치하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 위치하는 AlXInYGa(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1) 물질막의 제2 도전형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 나노섬들은 Al, In 및 Ga으로 이루어진 일군으로부터 선택된 적어도 하 나의 금속물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
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