KR100813602B1 - 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

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심현욱
김용천
강중서
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본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 질소 전구체로서 하이드라진(hydrazine) 계열의 소스와 캐리어 가스로서 질소 가스를 사용하여 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계; 및 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 드러난 n형 질화물 반도체층 상에 p형 전극과 n형 전극을 각각 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
질화물, 발광소자, 활성층, 질소 전구체, 하이드라진(hydrazine)

Description

질화물 반도체 발광소자의 제조방법{Method of manufacturing nitride semiconductor light emitting device}
도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.
도 2는 일반적인 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 활성층의 성장방식을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 활성층의 성장방식을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 사파이어 기판 110: 버퍼층
120: n형 질화물 반도체층 130: 활성층
140: p형 질화물 반도체층 150: p형 콘택층
160: 투명 전극 170: p형 전극
180: n형 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하이드라진(hydrazine) 계열의 질소 전구체를 사용하여 낮은 온도에서도 양질의 양자우물을 성장시킴으로써, 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신 기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 배치된 다중양자우물(Muti Quantum Well: MQW) 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성하여 방출시킨다.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 질화물 반도체 발광소자는, 광투과성 기판인 사파이어 기판(100) 상에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 다중양자우물(MQW) 구조의 InGaN/GaN로 이루어진 활성층(130), 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층된 기본 구조를 가진다.
특히, 상기 활성층(130)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 통상 InGaN층을 우물(well)로 하고, GaN층을 벽층(barrier layer)으로 하여 성장시켜 다중양자우 물(MQW) 구조를 형성함으로써 이루어진다.
그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 활성층(130)은 일부 메사 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거된 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면이 노출되어 있다.
또한, 노출된 n형 질화물 반도체층(120)의 상면에는 n형 전극(180)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 오믹(ohmic)특성 향상을 위한 p형 콘택층(150), 투명 전극(160), 및 p형 전극(170)이 순차 적층된 구조로 형성되어 있다.
여기서, 도 2는 일반적인 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 활성층의 성장방식을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상술한 바와 같은 질화물 반도체 발광소자의 활성층 성장에 있어서, Ⅴ족 질소 전구체(precursor)로는 일반적으로 NH3가 사용되고 있으며, GaN의 성장시에는 수소가, InGaN의 성장시에는 질소가 캐리어 가스(carrier gas)로 사용되고 있다.
상기 질소 전구체로 사용되는 NH3는, 열적으로 매우 안정되어 1000℃ 이상에서도 수% 정도의 NH3 만이 열분해되어 질소 전구체로서 질화물 반도체 성장에 기여하게 된다. 따라서, 열분해 효율을 높이기 위해 고온 성장이 불가피하며 결정성이 좋은 질화물 반도체 성장을 위한 V/III 비율 또한 매우 높은 상황이다(보통 4000).
그러나, 상기 양자우물 구조의 활성층(130) 성장에서 사용되고 있는 물질은 주로 InGaN로서 In 성분을 포함하여 구성되고 있다.
상기 In은 휘발성을 갖는 물질이기 때문에 온도가 상승할수록 흡착률의 증가보다 탈착률의 증가가 높아, 이를 포함하는 상기 양자우물 구조의 활성층(130)을 고온에서 성장시킬 경우, In의 함량 비율이 떨어져서 원하는 파장의 발광소자를 제작하기 어렵다. 따라서, 상기 양자우물 구조의 활성층(130)을 낮은 온도에서 성장시키게 되는데, 이 경우 양자우물 구조의 성장시 많은 결함이 발생되고, 계면 특성이 좋지 않은 양자우물 구조가 성장되는 바, 상기 양자우물 구조의 발광층(130)에서 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용하여 낮은 온도에서도 양질의 양자우물 구조의 활성층을 성장시킴으로써, 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 질소 전구체로서 하이드라진(hydrazine) 계열의 소스와 캐리어 가스로서 질소 가스를 사용하여 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p형 질화물 반도 체층을 형성하는 단계; 상기 p형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계; 및 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 드러난 n형 질화물 반도체층 상에 p형 전극과 n형 전극을 각각 형성하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 하이드라진 계열의 소스로서 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 질소 전구체는 상기 하이드라진 계열의 소스에 NH3 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 캐리어 가스는 상기 질소 가스에 수소 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 활성층은 다중양자우물 구조의 InxAlyGa1-x-yN/InaAlbGa1-a-bN(x≤1, y≤1, a≤1, b≤1)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 p형 질화물 반도체층 상에 상기 p형 전극을 형성하기 전에, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 p형 콘택층 및 투명 전극을 순차로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 앞서의 도 1 및 도 3을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 광투과성인 기판(100) 상에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 순차적으로 형성한다.
상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게는 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(100)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
여기서, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140), 및 상기 활성층(130)은, InXAlYGa1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1임)을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 형성될 수 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(130)은 다중양자우물(MQW) 구조의 InxAlyGa1-x-yN/InaAlbGa1-a-bN(x≤1, y≤1, a≤1, b≤1), 예컨대 InGaN/GaN층 등으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 n형 및 p형 질화물 반도체층(120,140)과 활성층(130)은, 일반적으로, 유기 금속 화학 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD) 등의 공정을 통해 형성될 수 있다.
특히, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 활성층(130)은, Ⅴ족 질소 전구체로서 하이드라진(hydrazine) 계열의 소스와 캐리어(carrier) 가스로서 질소 가스를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 활성층의 성장방식을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(130)은, n형 질화물 반도체층(120) 상에, 하이드라진 계열의 Ⅴ족 질소 전구체, Ⅲ족 유기금속 전구체, 및 질소 가스 등의 캐리어 가스를 사용하여 성장시킬 수 있으며, 이 때, 상기 하이드라진 계열의 소스로서 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy) 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)과 같은 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용하고 질소 가스를 캐리어 가스로 사용하면, 반응성이 매우 높은 NH2 래디컬(radical)들이 형성되고 그들의 낮은 분자결합 에너지로 인해 낮은 온도에서 양질의 InGaN/GaN 등으로 이루어진 활성층(130)을 성장할 수 있는 바, 발광 효율이 높은 양질의 양자우물을 성장할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상기 하이드라진 계열의 질소 전구체는 효율이 좋은 질소 전구체이므로 기존의 V/III 비율보다 현저히 낮은 비율(약 20~50)을 사용하여도 양질의 활성층(130) 성장이 가능하다는 장점이 있다.
한편, 이러한 본 발명에 있어서, 상기 질소 전구체로서 상기한 바와 같이 하이드라진 계열의 소스만을 사용할 수도 있지만, 상기 질소 전구체는 상기 하이드라진 계열의 소스에 NH3 가스를 더 포함하는 것일 수도 있다. 또한, 상기 캐리어 가스는 상기한 질소 가스에 수소 가스를 더 포함하는 것일 수도 있다.
다음으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부 영역이 드러나도록, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 및 활성층(130)의 일부 영역을 제거하는 메사 식각(mesa etching) 공정을 실시한다.
그런 다음, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 상기 드러난 n형 질화물 반도체층(120) 상에 p형 전극(150)과 n형 전극(160)을 각각 형성한다.
한편, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 상기 p형 전극(150)을 형성하기 전에, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 오믹특성 향상을 위한 p형 콘택층(150), 및 전류 확산효과의 향상을 위한 투명 전극(160)을 순차로 형성할 수도 있다. 상기 투명 전극(160)은 주로 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 따르면, 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용하여 낮은 온도에서도 양질의 양자우물 구조의 활성층을 성장시킴으로써, 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의하면, In을 포함하는 양자우물 구조의 활성층의 성장시, 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy) 등과 같은 하이드라진 계열의 질소 전구체를 사용함으로써, 낮은 온도에서도 양질의 양자우물 구조의 활성층을 성장시킬 수 있는 바, 발광 효율이 높은 활성층을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 소자의 발광 효율 향상 효과를 기대할 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 질소 전구체로서 하이드라진(hydrazine) 계열의 소스와 캐리어 가스로서 질소 가스를 사용하여 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계; 및
    상기 p형 질화물 반도체층과 상기 드러난 n형 질화물 반도체층 상에 p형 전극과 n형 전극을 각각 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 캐리어 가스는 상기 질소 가스에 수소 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이드라진 계열의 소스로서 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)을 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층을 형성하는 단계에서,
    상기 질소 전구체는 상기 하이드라진 계열의 소스에 NH3 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 다중양자우물 구조의 InxAlyGa1-x-yN/InaAlbGa1-a-bN(x≤1, y≤1, a≤1, b≤1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 상기 p형 전극을 형성하기 전에,
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 p형 콘택층 및 투명 전극을 순차로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
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