KR100862530B1 - 선택적 성장을 이용한 반도체 발광소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 발광소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1 n형 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제1 n형 반도체층 상에 원형의 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층의 개구부를 통한 선택적 성장에 의하여 상기 제1 n형 반도체층 상에 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 성장시킴으로써 둥근 기둥 모양의 발광부를 형성하는 단계와; 상기 마스크층을 제거한 후 상기 제1 n형 반도체층 및 p형 반도체층 상에 n측 전극 및 p측 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.

발광소자, LED, HVPE, 선택적 성장

Description

선택적 성장을 이용한 반도체 발광소자 제조방법{Method for Manufacturing Semiconductor Light Emitting Device Using Selective Area Growth}

도 1은 종래의 반도체 발광소자 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도, 평면도 및 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 발광소자 광추출 효율 개선 효과를 설명하기 위한 개략도이다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도 및 평면도들이다.

도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 HVPE 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 HVPE 장치에 사용되는 금속 소스 공급 장치의 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: LED 101: 사파이어 기판

102: 버퍼층 103: 언도프 GaN층

104: 제1 n형 반도체층 105: 제2 n형 반도체층

106: 활성층 107: 제1 p형 반도체층

108: 제2 p형 반도체층 110: 투명전극층

122: n측 전극 124: p측 전극

130: 베이스 기판부 150: 발광부

210~240: 금속 용융체 300: 금속 소스 공급 장치

330: 보트 331~334: 웰

350: 슬라이딩 플레이트 400: 히터

500: HVPE 장치 503: 할로겐화 반응가스 공급관

505: 질화 반응가스 공급관 507, 509: 질소 가스 공급관

511: 소스 튜브

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법과 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 장치에 관한 것으로, 특히 우수한 발광 효율과 개선된 전류확산효과를 갖는 반도체 발광소자 및 이를 식각에 의한 손상없이 낮은 비용으로 제조하는 방법 과, 그 제조 공정에 이용될 수 있는 HVPE 장치에 관한 것이다.

GaN 등의 3족 질화물 반도체(간단히 '질화물 반도체' 라고도 함)를 이용한 발광 다이오드(LED)가 개발되어 전광판, 조명장치, LCD 백라이트 등 다양한 분야에서 광원으로 이용되고 있다. 이러한 반도체 발광소자의 성능을 결정하는 요소로는 빛의 파장, 휘도, 발광효율, 수명 등이 있는데, 이러한 성능과 함께 제조 원가가 반도체 발광소자의 응용 여부를 결정하는데 중요한 요소로 작용하고 있다. 따라서 다양한 방법을 이용하여 저비용 고성능의 반도체 발광소자를 제조하기 위해 많은 노력이 진행되고 있다. 특히 반도체 발광소자의 광추출 효율과 전류확산 특성의 추가적인 개선이 요구되고, 반도체층 성장에 소요되는 비용을 더 낮출 필요가 있다.

도 1은 종래의 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 1을 참조하면, 먼저, 사파이어 기판(11)을 준비한 후(도 1(a)), 그 위에 n형 질화물 반도체층(15), 활성층(16) 및 p형 질화물 반도체층(17)을 순차적으로 성장시킨다(도 1(b)). 이 때 질화물 반도체층 성장을 위해 TMG(Trimetylgallium) 등을 사용한 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 증착방식을 이용한다. 그후, 반도체층(15, 16. 17)의 일부를 메사 식각하여 n형 질화물 반도체층(15)의 일부 영역을 노출시킨다(도 1(d)). 이 노출된 n형 반도체층(15) 상면으로부터 돌출된 반도체 구조는 n형 반도체층(15) 일부와 활성층(15)과 p형 반도체층(17)을 포함하여 발광부(20)를 형성한다. 이 발광부(20)는 대략 사각형상의 구조를 갖는다. 그리 고 나서, 상기 노출된 n형 반도체층(15)의 상면과 P형 반도체층(17)의 상면에 n측 전극(22) 및 p측 전극(24)을 각각 형성하고(도 1(e)), 칩 분리하여 반도체 발광소자(10)를 완성한다.

상기한 제조 공정에 따르면 메사 식각을 위해 플라즈마를 이용한 건식식각 공정을 실시하게 된다(도 1(c)). 이러한 건식식각 공정시 플라즈마의 고에너지 입자 충돌에 의해 반도체 결정이 손상을 입게 된다. 특히 결정성장면인 a면이 식각으로 인한 손상을 입게되면 결정품질이 크게 저하되어 발광효율 등의 반도체 발광소자의 성능이 악화된다. 뿐만 아니라, 고가의 유기금속 소스를 사용하는 MOCVD 방식으로 서로 다른 조성의 반도체층들을 성장시킬 경우, 제조 비용이 높아진다.

소스 비용이 상대적으로 낮은 HVPE 방식을 이용하더라도, 소스 조성을 바꿔주는데 소요되는 시간(예컨대, 밸브를 통한 3족 소스 유량의 조절에 소요되는 시간 등)으로 인해 서로 다른 조성 또는 도전형의 층들을 빠르고 재현성 있게 성장시키기가 어렵다. 미국특허 제6,890,809호는 HVPE 장치와 이를 이용한 GaN계 반도체 소자 제조방법을 개시하고 있다.

또한 완성된 반도체 발광소자(10)의 발광부(20)가 기본적으로 사각형상으로 되어 있기 때문에, 공기 등 외부 환경과 발광부의 굴절율(n) 차이로 인한 내부 전반사 가능성이 많아진다. 이에 따라, 발광소자(10)의 광추출 효율이 낮고 전체적인 발광 효율이 저하된다(도 3 참조).

본 발명의 목적은, 우수한 발광 효율을 갖고 식각에 의한 손상부가 없는 고품질의 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 우수한 발광 효율을 갖는 반도체 발광소자를 식각에 의한 손상없이 높은 신뢰도로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다른 조성 또는 도전형의 질화물 반도체층들을 낮은 비용으로 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 빠른 조성 변화를 실현할 수 있는 HVPE 장치를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는,

기판과;

상기 기판 상에 형성된 제1 n형 반도체층과;

상기 제1 n형 반도체층 상에서 둥근 기둥 모양을 갖도록 선택적으로 성장된 발광부 - 상기 발광부는 상기 제1 n형 반도체층 상에 순차적으로 성장된 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 구비함 - 와;

상기 제1 n형 반도체층 상에 형성된 n측 전극을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광부는 위로 갈수록 폭이 넓어질 수 있다. 이 경우, 상기 발광부의 외측면과 상기 제1 n형 반도체층의 상면이 이루는 각은 90도보다 작은 예각(예컨대, 70도 이상 90도 미만의 예각)일 수 있다. 이와 달리, 상기 발광부의 폭은 일정할 수도 있고, 상기 발광부의 폭은 위로 갈수록 좁아질 수도 있다.

바람직하게는, 상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸는 라인 형태로 되어 있다. 특히 바람직하게는, 상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸는 원형의 라인 형태로 되어 있다. 상기 n측 전극의 일측에는 전극 본딩을 위한 본딩 패드부가 형성될 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 반도체층과 발광부는 In_xAl_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 3족 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 반도체 발광소자는 상기 p형 반도체층 상에 형성된 Ni/Au 등의 투명전극층을 더 포함한다.

본 발명의 다른 목적으로 달성하기 위해서, 본 발명의 반도체 발광소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1 n형 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제1 n형 반도체층 상에 원형의 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층의 개구 부를 통한 선택적 성장에 의하여 상기 제1 n형 반도체층 상에 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 성장시킴으로써 둥근 기둥 모양의 발광부를 형성하는 단계와; 상기 마스크층을 제거한 후 상기 제1 n형 반도체층 및 p형 반도체층 상에 n측 전극 및 p측 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광부는 위로 갈수록 폭이 넓어지도록 성장될 수 있다. 이와 달리, 성장조건을 달리하여, 상기 발광부는 위로 갈수록 폭이 좁아지거나 일정하도록 성장될 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 및 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 In_xAl_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 3족 질화물 반도체로 형성될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 상기 발광부의 반도체층들은 HVPE에 의해 성장된다. 특히, 본 발명에서 제안하는 HVPE 장치를 이용하여 서로 다른 조성 또는 도전형의 질화물 반도체층들(제2 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 등)을 빠르고 재현성 있게 성장시킬 수 있다.

후술하는 바와 같이, 서로 다른 조성의 금속 소스 용융체가 담겨진 다수의 웰을 갖는 보트와 관통 구멍(aperture)를 갖는 슬라이딩 플레이트를 이용하여 상기 웰을 선택적으로 개방시킴으로써 상기 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 을 고품질로 빠르게 성장시킬 수 있다. 상기 금속 소스 용융체는 Ga, In 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 금속 소스 용융체중 적어도 일부는 Si, Te 등의 n형 도펀트 또는 Mg, Zn 등의 p형 도펀트 물질을 포함할 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 각각의 웰에는 상기 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층에 대응하는 조성을 갖는 금속 소스 용융체가 담겨져 있고, 상기 발광부 성장 단계에서, 상기 각 반도체층에 대응하는 웰만이 선택적으로 개방되고 그 개방된 웰의 금속 소스 용융체만이 반응하여 상기 기판 상에 상기 대응하는 각 반도체층이 성장된다.

바람직하게는, 상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸도록 형성된다. 특히 상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸는 원형의 라인 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 HVPE 장치는, 기판이 배치되는 성장 영역(growth zone)을 갖는 반응로와; 상기 반응로 내에 배치된 금속 소스 공급 장치와; 상기 금속 소스 공급 장치에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급부와; 상기 반응로 내에 질화 반응가스를 공급하는 질화 반응가스 공급부를 포함하되,

상기 금속 소스 공급 장치는, 금속 소스 용융체를 담기 위한 복수의 웰을 갖 는 보트와, 상기 보트 상면에 배치되고 관통 구멍을 갖는 슬라이딩 플레이트를 구비하고, 상기 슬라이딩 플레이트는 상기 관통 구멍을 통해 상기 웰을 선택적으로 개방하도록 상기 보트 상면에서 이동할 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 할로겐화 반응가스는 HCl이고, 상기 질화 반응가스는 NH₃이다. 바람직하게는, 상기 보트는 흑연 재질로 된 내부와 그 위에 코팅된 SiC층을 포함한다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 금속 소스 공급 장치는, 상기 할로겐화 반응가스 공급부와 연결된 튜브 내에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 할로겐화 반응가스 공급부의 출구는 상기 금속 소스 공급 장치 근방에 배치된다. 바람직하게는, 상기 질화 반응가스 공급부의 출구는 상기 성장 영역 근방에 배치된다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 HVPE 장치는, 상기 반응로에 질소 가스를 공급하는 하나 이상의 질소 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 이 질소 가스 공급부는 반응로를 질소 분위기로 만들어준다. 질소 가스 공급부를 상기 반응로의 상부와 하부에 각각 배치시킴으로써, 반응로 내의 가스 유동을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 HVPE 장치는 상기 반응로 내에 배치되어 상기 금속 소스 공급 장치와 상기 질화 반응가스 공급를 수용하는 소스 튜브를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도(도 2(a)), 평면도(도 2(b)) 및 사시도(도 2(c))이다. 이 실시형태에서는 질화물 반도체의 발광소자를 기술하고 있으나 본 발명의 발광소자가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 AlGaAs계 또는 AlGaInP계 반도체 발광소자에도 본 발명이 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 베이스 기판부(130)와 그 위에 선택적으로 성장된 둥근 기둥 모양의 발광부(150)를 포함한다. 베이스 기판부(130)는 사파이어 기판(101)과 그 위에 형성된 버퍼층(102), 언도프 언도프 GaN층(103) 및 n형 GaN으로 된 제1 n형 반도체층(104)을 포함한다. 또한 발광부(150)는, 제1 n형 반도체층(104) 상에 형성된 제2 n형 반도체층(105), 활성층(106), 제1 p형 반도체층(107) 및 제2 p형 반도체층(108)을 포함한다. 제2 n형 반도체층(105)은 n형 AlGaN층으로 되고 활성층(106)은 InGaN 또는 GaN/InGaN으로 되고 제1 p형 반도체층(107)은 p형 AlGaN으로 되고 제2 p형 반도체층(108)은 p형 GaN으로 될 수 있다. 3족 질화물 성장을 위한 기판(101)으로서 사파이어 기판 이외에 SiC, GaN, GaAs 등의 다른 기판을 사용할 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 n형 반도체층(105), 활성층(106) 및 p형 반도체층(107, 108)을 포함하는 발광부(150)는 그 상면이 원형이고, 그 외측면이 전체적으로 둥글게 된 일종의 둥근 기둥 형태를 갖고 있으며 베이스 기판부(130)로부터 융기되어 있다. 이러한 둥근 기둥 형태의 발광부(150)는 (식각이 아닌) 선택적 성장에 의해 형성된 것이다 - 후술하는 바와 같이, 베이스 기판부(130) 상에 형성된 마스크층의 원형 개방부를 통해 발광부(150)의 결정층이 선택적으로 성장됨 - . 따라서, 발광부에는 식각에 의한 손상이 없으며 발광부의 결정면은 매우 양호한 결정 상태를 유지한다.

제2 p형 반도체층(108) 상에는 Ni/Au 등으로 된 투명 전극층(108)이 형성되어 있고, 그 위에 p측 전극 패드(124)가 형성되어 있다. 제1 n형 반도체층(105)의 상면에는, n측 전극(122)이 상기 발광부(150)를 둘러싸는 원형의 라인 형태로 형성되어 있다. 이와 같이 n측 전극(122)이 기둥모양으로 융기된 발광부(150)를 둘러싸 고 있기 때문에, p측 전극 패드(124)로부터 인가된 전류가 발광부(150) 전체를 통해서 비교적 균일하게 확산된다. 이에 따라 발광소자의 전류확산 특성이 크게 향상된다. 상기 n측 전극의 일측에는 전극 본딩을 위한 본딩 패드부(122a)가 형성되어 있다.

도 2(c)는 상기 발광소자(100)를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2(c)에서는, 편의상 전극을 표시하지 않았고, 발광부(150)도 층구분 없이 하나의 구조체로 표현하였다. 높이에 따른 발광부(100) 폭의 변화 양태는 발광부(100)의 선택적 성장시 성장 조건에 따라 다르게 나타날 수 있다. 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 발광부(100)는 위로 갈수록 폭이 넓어지는 기둥 모양을 나타낸다. 선택적 성장시 적절한 성장 조건을 채택함으로써, 본 실시형태와 같이 위로 갈수록 폭이 넓어지는 기둥 모양으로 발광부(100)를 성장시킬 수 있다. 이 경우, 발광부(100)의 외측면(A)과 베이스 기판부(130)의 상면(C)(제1 n형 반도체층(104)의 상면)이 이루는 각은 90도보다 작은 예각일 수 있다. 예컨대, 상기 각은 70도 이상 90도 미만의 예각일 수 있다. 위로 갈수록 발광부(100)의 폭이 크게 되면, 주어진 발광부(100) 하면 면적에 대해서 활성층(106)의 면적이 보다 넓게 될 수 있다.

상기한 실시형태와 달리, 성장조건으로 발광부를 형성함으로써, 발광부(100)의 폭은 높이에 무관하게 일정하거나 위로 갈수록 좁아질 수도 있다. 이 경우, 발광부의 외측면과 베이스 기판부의 상면이 이루는 각은 90도 또는 그 이상이 될 수 있다. 특히, 위로 갈수록 발광부의 폭을 급격히 감소시킴으로써 발광부는 원뿔 형상에 가까운 구조가 될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 광추출 효율 개선 효과를 설명하기 위한 개략도이다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 사각형상의 발광부(20)를 갖는 종래의 발광소자에서는, 발광부(20) 안에서 생성된 빛이 임계각(θc) 이상의 각으로써 발광부(20)의 외측면으로 진행할 경우, 이 빛은 전반사되고 결국 소자 내부에서 소실된다. 이러한 높은 내부 전반사 가능성으로 인해 발광소자의 광추출 효율이 낮게 된다. 그러나 도 3(b)와 같이 둥근 기둥 모양의 발광부(150)를 갖는 발광소자에서는, 발광부(150) 안에서 생성된 빛이 발광부(150) 외측면(A)으로 진행할 경우, 이 빛은 외측면(A)과 수직에 더 가까운 각도로 만나게 된다. 이에 따라 내부 전반사의 가능성은 현저히 줄어들게 되고, 발광소자의 광추출 효율은 크게 향상된다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도(a) 및 평면도들(b)이다. 이 실시형태에서는 3족 질화물 반도체 기반의 발광소자의 제조 공정을 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 가능한 범위에서 다른 소재 기반의 발광소자에도 적용될 수 있다.

먼저, 도 4를 참조하면, 사파이어 기판(101) 상에 버퍼층(102), 언도프 GaN 층(103) 및 GaN의 제1 n형 반도체층(104)을 순차적으로 성장시킨다. 이에 따라, 상면이 GaN 결정면으로 된 베이스 기판부(130)를 얻게된다. 이 베이스 기판부(130)는 후속의 발광부 성장을 위한 성장용 기판과 지지 기판 역할을 한다.

다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 n형 반도체층(104) 상에 원형의 개구부(50)를 갖는 마스크층(115)을 형성한다. 이 마스크층(115)은 예를 들어 SiO₂, SiN_x 등의 산화물 또는 질화물로 형성할 수 있다. 이러한 산화물층 또는 질화물층을 제1 n형 반도체층(104) 상에 증착한 후, 포토리소그래피와 에칭으로 이를 패터닝하여 원형의 개구부(50)를 형성한다. 상기 마스크층(115)으로부터는 GaN 등의 반도체가 성장될 수 없기 때문에(마스크층(115)은 일종의 성장 방지막의 역할을 함), 개구부(50)에 의해 노출된 제1 n형 반도체층 부분만이 결정 성장을 위한 시드 역할을 할 수 있다.

다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, 개구부(50)를 갖는 마스크층(115)을 일종의 선택적 성장용 마스크로 사용하여 제2 n형 반도체층(n-AlGaN: 105), 활성층(106), 제1 p형 반도체층(p-AlGaN: 107), 제2 p형 반도체층(p-GaN: 108)을 순차적으로 성장시킨다. 이에 따라, 둥근 기둥 모양의 발광부(150)를 얻게 된다. 이와 같이, 발광부(150)를 형성하기 위해 (종래의 건식식각 대신에) 선택적 성장을 사용하기 때문에, 식각으로 인해 발생되는 발광부의 결정 손상이 방지된다.

발광부(150)의 결정층(105~108) 성장시, 도 6에 도시된 바와 같이 위로 갈수록(성장이 진행됨에 따라) 발광부(150)의 폭 또는 직경이 커지게 할 수 있다. 위로 갈수록 넓어지는 발광부(15) 폭은, 개구부(50) 면적보다 넓은 면적의 활성층(105)을 형성하는 데에 더 유리하다. 이 경우, 발광부(150)의 외측면과 베이스 기판부 상면이 이루는 각은 90도보다 작게 된다. 예컨대, 발광부(150) 외측면과 베이스 기판부 상면(제1 n형 반도체층의 상면)이 70도 이상 90도 미만의 각도를 이루도록 발광부(150)를 성장시킬 수 있다. 이와 달리, 성장조건을 달리함으로써, 발광부(15) 폭을 일정하게 하거나 위로 갈수록(성장이 진행됨에 따라) 좁게 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 7을 참조하면, 마스크층(115)을 제거하고, 제2 p형 반도체층(107) 상면에 Ni/Au 또는 ITO 등의 투명 전극층(110)을 형성한다. 그 후 투명 전극층(110) 상면과 제1 n형 반도체층(104)의 상면에 각각 p측 전극 패드(124) 및 n측 전극(122)을 형성한다. n측 전극(122)은 발광부(150)를 둘러싸는 원형의 라인 형태로 형성하되, 이 원형 라인의 일측에 본딩 패드부(122a)를 형성한다. 이에 따라 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 얻게 된다.

도 6의 발광부(150)성장 단계에서, 발광부(150)는 MOCVD보다는 HVPE를 사용하여 성장시키는 것이, 원료 가격 및 공정 비용의 측면 및 성장 속도의 측면에서 유리하다. 특히, 발광부(150) 성장을 위해 본 발명에서 제안하는 HVPE 장치(도 8 및 9 참조)를 사용할 경우, 각 층의 조성 또는 도전형을 빠르고 재현성 있게 바꾸 어 줄 수 있고 이에 따라 고품질의 결정층을 용이하게 얻을 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 HVPE 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, HVPE 장치 또는 시스템(500)은 반응로(501)와, 할로겐화 반응가스 공급관(203)과, 질화 반응가스 공급관(505)과, 반응로(501) 내에 배치된 금속 소스 공급 장치(300)를 포함한다. 반응로(501)는 기판(101 또는 130)이 배치되는 성장 영역(growth zone)을 갖는다. 반응로(501) 내에는 소스 튜브(511)가 배치되어 있고, 이 소스 튜브(511)가 금속 소스 공급 장치(300)와 질화 반응가스 공급관(505)을 수용한다.

금속 소스 공급 장치(300)는 Ga, Al, In 등의 3족 금속 소스를 보유하고 이를 (선택적으로) 공급한다. 금속 소스 공급 장치(300)는 할로겐화 반응가스 공급관(503)과 연결된 튜브(503') 내에 배치될 수 있다. 할로겐화 반응가스 공급관(503)은 금속 소스 공급 장치에 할로겐화 반응가스(바람직하게는, HCl)를 공급해준다. 따라서, 할로겐화 반응가스 공급관(503)의 출구는 금속 소스 공급 장치(300) 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 질화 반응가스 공급관(505)은 성장 영역(502)에 질화 반응가스(바람직하게는, NH₃)를 공급한다. 따라서, 질화 반응가스 공급관(505)의 출구(a)는 성장 영역(502) 근방에 배치되는 것이 바람직하다.

질소 가스 공급관(509, 107)은 반응로(501)에 질소 가스를 공급함으로써, 반응로(501) 내부를 질소 분위기로 만들어준다. 또한 반응로(501)의 상부와 하부에 각각 질소 가스 공급관(509, 107)을 배치시킴으로써, 반응로(501) 내의 가스 유동을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

금속 소스 공급 장치(300)가 '선택적으로' 공급하는 3족 금속(예컨대, Ga)과 상기 장치(300)에 공급되는 할로겐화 반응가스(예컨대, HCl)가 반응함으로써, 할로겐화 금속(예컨대, GaCl)을 형성한다. 이 할로겐화 금속이 튜브(503')의 출구(b)를 통해 성장 영역(502)으로 공급된다. 성장 영역(502)에서는 할로겐화 금속(예컨대, GaCl)과 질화 반응가스(예컨대, NH₃)가 반응하여, 기판(101 또는 130) 상에 3족 질화물 반도체층(예컨대, GaN)이 성장하게 된다.

본 실시형태에서는, 원하는 조성의 3족 금속 소스를 즉각적이고 정확히 제공해주기 위해, 보트와 슬라이딩 플레이트를 갖는 금속 소스 공급 장치(300)를 사용한다. 구체적으로, 금속 소스 공급 장치(300)는 금속 소스 용융체(210~240)를 각각 담기 위한 복수의 웰(331~334)을 갖는 보트(330)를 포함한다. 금속 소스 용융체와의 반응을 억제하기 위해, 바람직하게는, 보트(330)는 흑연 재질로 된 내부와 그 위에 코팅된 SiC층을 포함한다.

보트(300) 상면에는 관통 구멍(340)을 갖는 슬라이딩 플레이트(350)가 배치되어 있다. 바람직하게는, 슬라이딩 플레이트(350)는, 관통 구멍(340)을 통해 개방된 부분을 제외하고는 모든 웰을 밀봉시키도록 구성된다. 슬라이딩 플레이트(350)는 보트(330) 상면을 따라 이동(슬라이딩)할 수 있으며, 슬라이딩 플레이트(350)의 이동에 의해 원하는 웰만을 선택적으로 개방할 수 있다.

각각의 웰(331~334)에 담겨진 금속 소스 용융체(210~240)는 특정한(원하는 조성 및 도전형을 갖는) 질화물 반도체층을 성장시키기 위한 조성을 가질 수 있다. 특정한 질화물 반도체층을 성장시키기 위해, 이 반도체층에 대응되는 조성을 갖는 금속 소스 용융체만을 관통 구멍을 통해 선택적으로 개방시킨다. 개방된 웰의 금속 소스 용융체(도 9에서는 도면부호 210)만이 할로겐화 반응가스의 공급을 받아서 반응한다. 이에 따라, 기판(101 또는 130) 상에는 그 금속 소스 용융체(210)에 대응되는 조성 및 도전형의 반도체층이 성장된다.

특정 조성 및 도전형의 반도체층 성장후에 단순히 슬라이딩 플레이트(350)를 이동시킴으로써, 그 반도체층 위에 다른 조성 또는 도전형의 반도체층을 성장시킬 수 있다. 즉, 소스 조성의 변화를 위해 종래와 같이 밸브를 조절할 필요가 없고, 원하는 조성의 금속 소스 용융체의 웰을 개방하도록 단지 슬라이딩 플레이트(350)를 이동시키기만 하면된다. 이에 따라, 반도체층 성장시(특히 다층 성장시) 조성 변화를 빠르고 재현성 있게 실현시킬 수 있다.

상기 HVPE 장치(500)를 사용하여 도 6에 도시된 발광부(150) 성장 공정을 실시할 수 있는데, 이에 대해 예시적으로 설명하면 아래와 같다(도 6 내지 9 참조).

마스크층(115)이 형성된 베이스 기판부(130)을 성장 영역에 탑재한 후, 각 웰 내에 금속 소스 용융체가 로딩된 금속 소스 공급 장치(300)를 이용하여 베이스 기판부(130) 상에 반도체 결정층들(105, 106, 107, 108)을 순차적으로 형성한다.

웰(331)에는 제2 n형 반도체층(n-AlGaN: 105)를 성장시키기 위한 조성을 갖는 금속 소스 용융체가 담겨질 수 있다(도 6 및 9 참조). 따라서, 웰(331)에는 Al, Ga 및 n형 도펀트(예컨대, Si, Te 등)을 함유한 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 웰(332)에는 활성층(InGaN: 106)을 성장시키기 위한 조성을 갖는 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 따라서, 웰(332)에는 In, Ga을 함유한 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 웰(333)에는 제1 p형 반도체층(p-AlGaN: 107)을 성장시키기 위한 조성을 갖는 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 따라서, 웰(333)에는 Al, Ga 및 p형 도펀트(예컨대, Mg, Zn 등)를 함유한 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 웰(334)에는 제2 p형 반도체층(p-GaN: 108)을 성장시키기 위한 금속 용융체가 담겨질 수 있다. 따라서, 웰(334)에는 Ga 및 p형 도펀트를 함유한 금속 용융체가 담겨질 수 있다.

제2 n형 반도체층(105)을 성장시키기 위해, 그에 대응하는 웰(331)만을 슬라이딩 플레이트(250)로 개방시킨다. 웰(331) 내의 금속 소스 용융체(210)는, 할로겐 화 반응가스 공급관(503)으로부터 HCl 가스를 공급받아 금속 염화물을 형성하고, 이 금속 염화물이 NH₃와 반응하여 기판(130) 상에 n-AlGaN층, 즉 제2 n형 반도체층(105)이 성장하게 된다.

그 후, 슬라이딩 플레이트(350)를 이동하여 웰(332)만을 개방시킨다. 이에 따라, 웰(332) 내의 금속 용융체(220)은 HCl 가스와 반응하여 금속 염화물을 형성하고, 이 금속 염화물이 NH₃와 반응하여 제2 n형 반도체층(105) 상에 활성층(106)이 성장하게 된다.

그 후, 슬라이딩 플레이트(350)를 이동하여 웰(333)만을 개방시킨다. 이에 따라, 웰(333) 내의 금속 용융체(230)은 HCl 가스와 반응하여 금속 염화물을 형성하고, 이 금속 염화물이 NH₃와 반응하여 활성층(106) 상에 p-AlGaN층, 즉 제1 p형 반도체층(107)이 성장하게 된다. 마찬가지로, 슬라이딩 플레이트(350)를 이동하여 웰(334)만을 개방시킴으로써, 제1 p형 반도체층(107) 상에 p-GaN의 제2 p형 반도체층(108)을 성장시킬 수 있다.

이러한 방식으로 HVPE 장치(500)를 이용하여 발광부(150)를 형성하면, 원료 가격 및 공정 비용이 매우 낮아질 뿐만 아니라, 조성 변화를 빠르고 재현성 있게 그리고 정확히 실현할 수 있다. 도 8에 도시된 HVPE 장치(500)는 하나의 예시일뿐 본 발명의 HVPE 장치가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 수평로 구조의 HVPE 장치(500) 대신에 적절한 변경을 가하여 수직로 구조의 HVPE 장치를 사용할 수도 있다.

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 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 선택적 성장을 통해 둥근 기둥 모양으로 발광부를 형성함으로써, 발광효율을 개선할 뿐만 아니라 식각에 의한 손상을 막을 수 있다. 둥근 기둥 모양의 발광부를 둘러싸는 n측 전극을 통해 전류확산 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 제안하는 HVPE 장치에 따르면, 다른 조성 또는 도전형의 질화물 반도체층들을 빠르고 재현성 있게 정확하고 저렴하게 성장시킬 수 있다.

Claims (28)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 기판 상에 제1 n형 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 제1 n형 반도체층 상에 원형의 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계;

   상기 마스크층의 개구부를 통한 선택적 성장에 의하여 상기 제1 n형 반도체층 상에 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 성장시킴으로써 둥근 기둥 모양의 발광부를 형성하는 단계; 및

   상기 마스크층을 제거한 후 상기 제1 n형 반도체층 및 p형 반도체층 상에 n측 전극 및 p측 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 발광부는 위로 갈수록 폭이 넓어지도록 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
11. 제9항에 있어서,

    상기 발광부는 위로 갈수록 폭이 좁아지거나 일정하도록 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 In_xAl_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 3족 질화물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 발광부의 반도체층들은 HVPE에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 발광부 형성 단계에서,

    서로 다른 조성의 금속 소스 용융체가 담겨진 다수의 웰을 갖는 보트와 관통 구멍를 갖는 슬라이딩 플레이트를 이용하여 상기 웰을 선택적으로 개방시킴으로써 상기 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 금속 소스 용융체는 Ga, In 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
16. 제14항에 있어서,

    상기 금속 소스 용융체 중 적어도 일부는 n형 도펀트 또는 p형 도펀트 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
17. 제14항에 있어서,

    상기 각각의 웰에는 상기 제2 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층에 대응하는 조성을 갖는 금속 소스 용융체가 담겨져 있고,

    상기 발광부 형성 단계에서, 상기 각 반도체층에 대응하는 웰만이 선택적으로 개방되고 그 개방된 웰의 금속 소스 용융체만이 반응하여 상기 기판 상에 상기 대응하는 각 반도체층이 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
18. 제9항에 있어서,

    상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
19. 제9항에 있어서,

    상기 n측 전극은 상기 발광부를 둘러싸는 원형의 라인 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제

Images