KR100742988B1

KR100742988B1 - ｐ형 질화갈륨계 디바이스 제조방법

Info

Publication number: KR100742988B1
Application number: KR1020050113311A
Authority: KR
Inventors: 이종희
Original assignee: (주)더리즈
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-07-26
Also published as: KR20070055048A; WO2007061260A1; US20100159625A1; US7964425B2

Abstract

p형 질화 갈륨계 디바이스의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 p형 질화 갈륨계 디바이스 제조방법은, 기판 위에 n형 질화 갈륨층, 활성층, 및 p형 질화 갈륨층을 순차적으로 성장시킨 후, MgNx층을 성장시키는 단계와, 성장단계에 의해 증착된 MgNx층의 Mg 소스를 p형 질화 갈륨층 내부로 확산시키는 단계와, p형 질화 갈륨층 내부로 확산되고 그 표면에 남은 MgNx층을 묽은 질산용액으로 제거하는 단계를 포함한다. 이로써, p형 질화 갈륨계 디바이스 제조방법은, p-GaN 내부에 질소의 빈자리가 생기는 것을 방지하여 정공의 농도를 높일 수 있게 된다.

p형 질화 갈륨계, MOCVD, Mg 확산, 급속열처리(RTA)

Description

ｐ형 질화갈륨계 디바이스 제조방법{A manufacturing method for p type GaN device}

도 1은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법의 실시 예를 나타낸 흐름도,

도 3은 MgNx 증착 시편의 AES depth-profiling 결과를 나타낸 도면, 그리고

도 4는 오믹접촉 특성을 비교한 결과를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 기판 13 : n형 질화 갈륨층

15 : 활성층 17 : p형 질화 갈륨층

19 : 투명전극 21 : n-전극

23 : p-전극 25 : n 전극용 패드

27 : p 전극용 패드

본 발명은 p형 질화가륨계 디바이스 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, p형 GaN 내부에 질소의 빈자리가 생기는 것을 방지하여 정공의 농도를 높일 수 있는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법에 관한 것이다.

GaN계 화합물은 가시광선에서 자외선에 이르는 다양한 영역의 파장을 방출하는 물질로서 광소자뿐만 아니라 고출력·고온동작 FET(Field Effect Transistor) 및 HEMT(High Electron Mobility Transistor)와 같은 전기소자로서도 널리 응용되고 있으며, 최근에는 청색 발광다이오드를 제작하는데 각광을 받고 있다.

도 1은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 발광 다이오드는 사파이어 기판(11), n형 질화 갈륨층(13), 활성층(active layer)(15), p형 질화 갈륨층(17), 투명 전극(19), n-전극(21), 및 p-전극(23)으로 구성되어 있다.

발광 다이오드의 제조 공정은, 사파이어 기판(11) 위에 질화 갈륨 박막을 성장시키기 위해 보통 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치를 이용한다. 먼저 사파이어 기판(11) 위에 질화 갈륨층의 성장을 돕기 위한 완충층(buffer layer)을 형성하고 n형 질화 갈륨층(13), 활성층(active layer)(15), 및 p형 질화 갈륨층(17)을 차례대로 성장시킨다. n-전극(21)과 p-전극(23)을 통해 전류를 흘리면 활성층(15)에서 전자와 홀의 재결합이 일어나면서 빛이 방출된다.

일반적인 다이오드는 p-n 접합으로 전류를 흘리기 위해 p층 상부와 n층과 연결된 기판 하부에 전극을 형성하지만 질화 갈륨계 다이오드의 기판으로 사용되는 사파이어는 절연체이므로 전기가 통하지 않아 사파이어 기판(11)에 전극을 형성할 수 없다. 따라서 n형 질화 갈륨층(13)에 직접 전극을 형성해야 한다. 이를 위해 전극이 형성될 부분의 p형 질화 갈륨층(17)을 식각해 제거하고 드러난 n층 위에 n-전극(21)을 형성한다. p-n 접합부에서 빛이 나오기 때문에 전극에 의해 빛이 가려지지 않도록 p-전극(23)은 p층의 모서리에 형성한다. 여기서는 사파이어 기판(11) 위에 질화 갈륨층이 성장되는 것으로 설명하였지만, 이에 한정된 것은 아니며, 질화 갈륨층은 실리콘 카바이드 기판 위에 성장될 수도 있다.

질화물 발광다이오드의 전기적 성질을 결정하는 가장 중요한 요소는 p-GaN 층과 금속층의 오믹(ohmic) 특성이다. 오믹 접촉(ohmic contact)이 나쁘면 디바이스의 동작전압이 매우 높게 되어 장기적으로 디바이스의 신뢰성을 떨어뜨린다. 여기서, 오믹 접촉이라 함은 두 개의 물질이 접촉되어 있으며, 그 접촉부에 흐르는 전류가 접촉부의 전위차에 비례하는 특성을 가지는 영역을 말한다.

갈륨 질화물 반도체의 오믹 접촉을 좋게 하기 위한 몇 가지 방법이 제안되는데, 그 중의 하나로 일함수가 높은 Pt 금속물질을 사용하여 실제 p-GaN 계면간의 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 낮추는 방법이 있으며, 다른 방법으로 p-GaN과 금속물질 사이에 열처리 과정을 통해 화합물 반응층을 만드는 방법이 있다. 예를 들면, Ni/Au 층을 사용하여 계면에 NiO 또는 NiGax 등의 화합물을 만드는 방법, 또는 Pd 전극을 사용하여 PdGax 화합물들을 만드는 방법이다. 이러한 PdGax와 같은 갈라이드 화합물은 p-GaN 내부의 갈륨 빈자리를 만들고, 이러한 갈륨 빈자리는 정공의 역할을 하게 된다. 따라서 금속과 접촉하는 p-GaN 표면에 높은 정공 농도를 만들어 줌으로써 장벽의 두께가 얇아지는 터널접합 효과가 일어나 오믹 접촉특성이 개선된다. 실제로 디바이스를 제작하면 이러한 두 가지 효과들이 서로 섞여서 일어나게 된다.

하지만, 이러한 방법으로 원하는 충분한 오믹 특성을 얻는 데는 한계가 있다. 열처리하는 과정 중 p-GaN 표면에서는 갈륨 빈자리만 생기는 것이 아니라, 질소 빈자리도 함께 생기기 때문이다. 질소 빈자리는 갈륨 빈자리와는 정반대로 정공의 농도를 감소시키게 된다. 따라서 최적의 오믹 특성을 얻기 위해서는 열처리하는 과정 중 p-GaN 내부에 질소 빈자리를 만들지 않고 정공의 농도를 높일 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 창안된 것으로서, p-GaN 내부에 질소의 빈자리가 생기는 것을 방지하여 정공의 농도를 높일 수 있는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, 기판 위에 n형 질화 갈륨층, 활성층, 및 p형 질화 갈륨층을 순차적으로 성장시킨 후, 상기 p형 질화 갈륨층 위에 MgNx층을 성장시키는 단계; 상기 성장단계에 의해 증착된 상기 MgNx층의 Mg 소스를 상기 p형 질화 갈륨층 내부로 확산시키는 단계; 및 상기 p형 질화 갈륨층 내부로 확산되고 그 표면에 남은 MgNx층을 묽은 질산용액으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 MgNx층은 600℃ 내지 700℃의 온도로 증착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 확산단계는 N₂ 분위기의 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치 내에서 상기 MgNx층을 650℃ 내지 750℃의 온도로 10분 내지 1시간 정도 유지시켜 이루어지는 것이 바람직하다.

또는, 상기 확산단계는 N₂ 분위기에서 상기 MgNx층을 650℃ 내지 1100℃의 온도로 10초 내지 60초 정도의 급속열처리(RTA)(Rapid Thermal Annealing)로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 MgNx층은 Cp₂Mg 및 NH₃를 반응가스로 사용하며, N₂를 캐리어 가스로 사용하여 증착시키는 것이 바람직하다.

이로써, 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, p-GaN 내부에 질소의 빈자리가 생기는 것을 방지하여 정공의 농도를 높일 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법의 실시 예를 나타낸 흐름도이다. 도면을 참조하면, 본 발명이 적용되는 GaN 화합물 반도체 발광 소자는, 도 1의 경우와 유사하게, 사파이어 등의 재료로 이루어진 기판(11) 위에 질화 갈륨층의 성장을 돕기 위한 완충층(buffer layer)을 형성하고 n형 질화갈륨층 (13), 활성층(15), 및 p형 질화갈륨층(17)을 순차적으로 성장시킨다(S101). 여기서, MgNx층의 역할은 Mg 확산 소스의 역할과, 열처리 시 캡(cap)층 역할을 동시에 수행한다. 이때, MgNx층을 만들기 위해서는 Cp₂Mg와 NH₃를 반응가스로 사용하고, 캐리어 가스는 N₂를 사용한다. 또한, MgNx층의 증착온도는 600℃ 내지 700℃ 정도가 적당하고, 두께는 100 nm 이하가 되도록 한다.

MgNx층의 성장이 완료되면, N₂ 분위기의 MOCVD 장치 내에서 MgNx를 열처리하여 MgNx층의 Mg 소스를 p형 GaN 내부로 확산시킨다(S103). 이때, 온도는 650℃ 내지 750℃ 정도로 하고, 시간은 10분 내지 1시간 정도 유지시키는 것이 바람직하다.

그러나 Mg 소스를 p형 GaN 내부로 한정시키는 방법은 상기의 방법에 한정된 것이 아니며, N2 분위기에서 650℃ 내지 1100℃의 온도로 10초 내지 60초 정도로 급속열처리(RTA)(Rapid Thermal Annealing)하거나 전기로에서 열처리하여 구현될 수도 있다.

본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, 상기와 같은 열처리 확산과정에 의해 p형 GaN 내부로 Mg가 확산되어 p형 GaN의 도핑농도를 높여줄 뿐만 아니라, 도핑된 Mg를 활성화시켜주게 된다.

일반적으로 p형 GaN 층은 많은 양의 수소를 포함하고 있는데, 이 수소들은 MOCVD로 성장하는 과정 중에 포함되며, Mg-H 형태로 결합되어 있다. 따라서 이 수소를 제거해야만 비로소 Mg이 활성화되어 정공을 생성하는 억셉터(accepter)의 역할을 한다. 이 수소를 제거하기 위해, 종래의 기술에서는 별도의 급속열처리 또는 전기로에서의 열처리 과정이 필요하였다. 그러나 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, MgNx층의 Mg 소스를 p형 GaN 내부로 확산시키는 과정에서 p형 GaN 내부의 도핑된 Mg를 동시에 활성화시켜 주기 때문에 추가적인 열처리 공정을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.

또한, MgNx층이 p형 GaN을 덮고 있기 때문에, 확산 공정 중에 p형 GaN 내부의 질소 원자가 외부로 빠져나가는 것을 효과적으로 막을 수 있게 된다.

열 확산 과정이 끝난 후에는 MOCVD 내에서 시편을 꺼낸 후, 묽은 질산 용액으로 표면에 남은 MgNx층을 제거하고, p형 질화 갈륨층의 표면을 세척한다(S105). 이후의 공정은 일반적인 질화물 발광 다이오드의 제작공정에 따라 n-전극(21) 및 p-전극(23)을 위한 금속물질을 증착하고(S107), 400℃ 내지 1000℃으로 열처리한 후(S109), 오믹접촉을 형성한다(S111).

n형과 p형 GaN층 위에 금속 전극패드를 붙이기 위한 오믹접촉은 운반자의 이동 메카니즘으로부터 이해할 수 있다. 일반적으로 낮은 저항의 반도체와 금속계면간의 오믹접촉을 형성시키기 위해서는 포텐셜 장벽을 터널링(tunneling)하기 위해 높은 일함수를 갖는 금속을 채택하게 된다. 특히, GaN층의 3.4eV 정도의 넓은 밴드 갭과 전자친화도로 인해 매우 높은 일함수가 요구되지만, 일함수에 한계가 있기 때문에 반도체/금속계면 상의 운반자 농도를 증가시킴으로써 경계면의 공핍층(depletion)의 폭을 줄여 운반자의 터널링을 향상시킬 수 있다.

도 3은 MOCVD 내에서 열확산 과정을 끝낸 후에 꺼낸 시편을 AES(Auger Electron Spectroscopy)를 이용하여 Depth-profiling 한 결과이다. 도면으로부터 시편 표면에 MgNx층이 존재하고 있으며, Mg이 그 아래의 GaN층으로 확산된 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 도입한 MgNx 확산층의 Hall 특성을 알아보기 위하여, 종래의 기술에 의해 제작된 p-GaN과 본 발명에 의해 제작된 p-GaN의 Hall 측정을 통하여 Hall의 특성을 비교하였다. p-GaN의 두께는 각각 1㎛로 하여 Hall 시료 제작 후에 Hall을 측정한 결과, 종전의 방법으로 제작한 p-GaN과 본 발명에서 제작한 p-GaN의 Hall 특성차이는 존재하지 않았으며, Hall mobility와 Hall의 농도는 각각 2 ㎠/Vs와 1x10¹⁸ cm^-3 이었다.

본 발명에서 도입한 MgNx 확산층의 오믹 특성의 변화를 알아보기 위해 종래의 기술에 따라 제작한 p-GaN과 본 발명에서 제작한 p-GaN의 금속과의 전기적 특성을 비교해 보았다. 각각의 전기적 특성은, 각각의 p-GaN 위에 약 100nm 정도의 Pt를 증착한 후 I-V 특성을 비교하였으며, 이때 전극간의 간격은 5㎛로 하였다. 그 결과는 도 4에 도시한 바와 같으며, 도면으로부터 본 발명에 따라 제작된 p-GaN과 금속의 오믹 특성이 더 우수함을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, p-GaN의 정공의 농도를 높일 수 있어 질화물 발광 다이오드 제작 시, 실질적으로 p-GaN과 p-전극 간의 오믹 접촉을 좋게 하여 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, MgNx층의 Mg 소스를 p형 GaN 내부로 확산시키는 과정에서 p형 GaN 내부의 도핑된 Mg를 동시에 활성화시켜 주기 때문에, Mg 활성화를 위한 추가적인 열처리 공정을 필요로 하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, MgNx층의 Mg 소스를 p형 GaN 내부로 확산시키는 과정에서 MgNx층이 p형 GaN을 덮고 있기 때문에, 확산 공정 중에 p형 GaN 내부의 질소 원자가 외부로 빠져나가는 것을 효과적으로 막을 수 있게 된다.

Claims

기판 위에 n형 질화 갈륨층, 활성층, 및 p형 질화 갈륨층을 순차적으로 성장시킨 후, 상기 p형 질화 갈륨층 위에 MgNx층을 성장시키는 단계;

상기 성장단계에 의해 증착된 상기 MgNx층의 Mg 소스를 상기 p형 질화 갈륨층 내부로 확산시키는 단계; 및

상기 p형 질화 갈륨층 내부로 확산되고 그 표면에 남은 MgNx층을 묽은 질산용액으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 MgNx층은 600℃ 내지 700℃의 온도로 증착되는 것을 특징으로 하는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 확산단계는 N₂ 분위기의 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치 내에서 상기 MgNx층을 650℃ 내지 750℃의 온도로 10분 내지 1시간 정도 유지시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 확산단계는 N₂ 분위기에서 상기 MgNx층을 650℃ 내지 1100℃의 온도로 10초 내지 60초 정도의 급속열처리(RTA)(Rapid Thermal Annealing)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 MgNx층은 Cp₂Mg 및 NH₃를 반응가스로 사용하며, N₂를 캐리어 가스로 사용하여 증착시키는 것을 특징으로 하는 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법.