KR100972974B1 - Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법, 이로부터 제조된 ⅲ족질화물 기판 및 이러한 ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

결정결함에 따른 Ⅲ족 질화물 기판의 불균일한 표면을 개선하여 결정결함의 영향에 의해 활성층의 발광효율저하를 방지하기 위한 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법, 이로부터 제조된 Ⅲ족 질화물 기판 및 이러한 Ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판; 상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층; 및 상기 표면 개선층 상에 순차적으로 형성된 제 1 도전성 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전성 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물을 포함한다.

본 발명에 따라 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층을 이용하여, 기판에서 발생한 결정결함이 활성층으로 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.

힐록, 스크랫치, 질화물 반도체 발광 소자, 표면 개선층

Description

Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법, 이로부터 제조된 Ⅲ족 질화물 기판 및 이러한 Ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물 반도체 발광 소자{Surface reformation method of Group Ⅲ nitride substrate, Group Ⅲ nitride substrate prepared therefrom, and nitride semiconductor light emitting device with the same}

본 발명은 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법, 이로부터 제조된 Ⅲ족 질화물 기판 및 이러한 Ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 결정결함에 따른 Ⅲ족 질화물 기판의 불균일한 표면을 개선하여 결정결함의 영향에 의해 활성층의 발광효율저하를 방지하기 위한 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법, 이로부터 제조된 Ⅲ족 질화물 기판 및 이러한 Ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전자와 홀의 재결합을 기초로 발광하는 반도체소자로서, 광통신, 전자기기 등에서 광원으로 널리 사용되는 것이다.

상기 발광다이오드에 있어서, 발광하는 광의 주파수(혹은 파장)은 반도체소자에 사용되는 재료의 밴드 갭 함수로서, 작은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용 하는 경우 낮은 에너지와 긴 파장의 광자가 발생하고, 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 짧은 파장의 광자가 발생한다.

예를 들어, AlGaInP 물질은 적색 파장의 광을 발생시키고, 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 질화물계 반도체, 특히 GaN는 청색 또는 자외선 파장의 광을 발생시킨다.

그 중에서, 갈륨계 발광다이오드는 GaN의 벌크 단결정체를 형성할 수 없기 때문에, GaN 결정의 성장에 적합한 기판을 사용하여야 하며, 대표적으로 GaN 기판이 사용된다.

그러나, GaN 기판을　사용하여　박막을 성장시키는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 불규칙한　기판의 표면　형상　및　결정성에 의해　GaN 기판의 상부면에　형성된 질화물　반도체층에 불규칙한　힐록(hillock: A) 및 스크래치(scratch: B)가 발생하여, GaN 기판이 불균일한 표면　형태(random surface morphology)를　가진다는 점이다.

이러한 문제점은 GaN 기판의 힐록(A) 및 스크랫치(B) 상에 형성된 활성층(Active layer)으로 전달되어 양자우물 내에서　In의 분리(segregation)를 발생시켜 발광 소자의　성능이　저하하고, 이러한 불규칙한　힐록(A) 및 스크랫치(B)의 발생으로　인해　제조 공정의　어려움　및　수율　저하를 가져오는 문제점이 있다.

본 발명은 결정결함으로 Ⅲ족 질화물 기판에 발생한 힐록 및 스크랫치의 영향이 활성층으로 전달되어 활성층의 성능 저하를 방지하기 위해 표면 개선층을 Ⅲ족 질화물 기판에 형성하는 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 결정결함으로 발생한 힐록 및 스크랫치의 영향이 활성층으로 전달되어 활성층의 성능 저하를 방지하기 위해 표면 개선층이 형성된 Ⅲ족 질화물 기판을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 결정결함으로 발생한 힐록 및 스크랫치의 영향이 활성층으로 전달되어 활성층의 성능 저하를 방지하기 위해 표면 개선층이 형성된 Ⅲ족 질화물 기판을 이용한 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예는 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판을 마련하는 단계; 및 상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 상부면이 제공되도록 상기 기판의 상면에 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층을 성장시키는 단계를 포함하는 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에서 상기 표면 개선층은 1000℃ ~ 1100℃ 성장 온도에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에서 상기 표면 개선층은 5 ㎛ 이상의 두께로 성장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에서 상기 Ⅲ족 질화물 기판은 GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판으로서, 상기 기판 상면에 형성되어 상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층을 갖는 Ⅲ족 질화물 기판에 관한 것이다.

본 발명의 다른 실시예에서 상기 Ⅲ족 질화물 기판은 GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에서 상기 표면 개선층은 5 ㎛ 이상의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 실시예는 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판; 상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층; 및 상기 표면 개선층 상에 순차적으로 형성된 제 1 도전성 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전 성 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 Ⅲ족 질화물 기판은 GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 표면 개선층은 5 ㎛ 이상의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 제 1 도전성 질화물 반도체층은 두께 방향으로 중간 부분에 평탄한 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X2Ga_{1 -X2}N(0 < X2 < 1)의 단결정층으로 이루어진 적어도 하나의 추가적인 표면 개선층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 결정결함을 갖는 Ⅲ족 질화물 기판의 면에 Al이 포함된 갈륨 질화물로 이루어진 표면 개선층을 형성하여, 결정결함의 영향에 의해 종래에 불규칙한　힐록 및 스크랫치 등의 결정결함의 영향에 의해 질화물 반도체 발광 소자의　성능이　저하하는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 표면 개선층을 구비한 질화물 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도로서, n측 전극(190)과 p측 전극(180)이 각각 GaN 기판(110)과 p형 클래드층(170)에 형성된 수직형 질화물 반도체 발광 소자를 도시하지만, 이에 한정되지 않고 n측 전극과 p측 전극이 일면에 형성된 수평형 질화물 반도체 발광 소자에도 적용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자(100)는 GaN 기판(110)의 상부 방향으로 제 1 표면 개선층(121), n형 질화물 클래드층(130), 제 2 표면 개선층(122), n형 질화물층(140), 다중양자우물구조의 활성층(150), p형 질화물층(160), p형 질화물 클래드층(170) 및 p측 전극(180)을 형성하고, GaN 기판(110)의 하부면 일측에 형성된 n측 전극(190)을 포함할 수 있다.

GaN 기판(110)은 결정결함이 나타난 면을 가진 기판으로서, 여기서 결정결함이란 이종기판 상에 GaN 기판(110)을 성장시키는 과정에서 격자상수에 기인하여 발생한 힐록(hillock), 피트(pit), 파셋트(facet), 스크래치(scratch) 등의 결함을 지칭한다. 또한, 이러한 GaN 기판(110)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlGaInN 등의 GaN 계열의 재질 중 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판으로서, 예를 들어 n-GaN 기판을 마련하여 이용하거나, 또는 선택적으로 n형 도전성을 갖는 n-GaN 기판의 템플레이트(template) 기판을 마련하여 이용할 수 있다.

제 1 표면 개선층(121)과 제 2 표면 개선층(122)은 각각 GaN 기판(110)과 n형 질화물 클래드층(130)의 상부면에 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < X1 < 1)으로 이루어진 단결정층으로 형성되되, 제 1 표면 개선층(121)은 GaN 기판(110)에 발생한 불규칙한 힐록 또는 스크랫치를 덮어 평탄한 면의 모폴로지(morphology)를 가지는 표면 개선층으로 형성되고, 제 2 표면 개선층(122)은 힐록 또는 스크랫치의 영향이 상부 방향으로 형성될 다수 층으로 전달되는 것을 방지하도록 예를 들어, n-AlGaN으로 이루어진 n형 클래드층(130)과 n-GaN으로 이루어진 n형 질화물층(140) 사이에 평탄한 층으로 형성될 수 있다.

여기서, 제 2 표면 개선층(122)은 n형 클래드층(130)의 상부면에 한정되지 않고, n형 클래드층(130)의 내부 또는 n형 질화물층(140)의 내부에도 적어도 하나의 층으로 더 형성될 수 있다.

활성층(150)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 예를 들어 Al_X2In_YGa_{(1- X2 -Y)}N(0≤x2<1, 0≤Y<1)의 양자장벽층과 In_X3Ga_1-X3N(0<x3≤1)의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다.

p형 질화물층(160)은 예컨대, p-GaN으로 이루어진 층으로 형성되고, p형 질화물 클래드층(170)은 p-AlGaN으로 이루어진 클래드층으로 형성되며, 이러한 p형 질화물 클래드층(170)의 상부면 일측에 p측 전극(180)을 형성한다.

이와 같은 구조의 질화물 반도체 발광 소자(100)는 제 1 표면 개선층(121)과 제 2 표면 개선층(122)을 형성하여 GaN 기판(110)에서 발생한 불규칙한　힐록(A) 및 스크랫치(B)가 활성층(150)으로 영향을 미치는 것을 방지하고, 이에 따라 종래에 불규칙한　힐록(A) 및 스크랫치(B)의 영향에 의해 양자우물 내에서 예를 들어　In의 분리를 억제시켜 발광 소자의　성능이　저하하는 것을 방지할 수 있다.

이하, 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명한다. 여기서, 질화물 반도체 발광 소자의 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)를 제조하기 위해서, 먼저 마련된 GaN 기판(110) 상에 제 1 표면 개선층(121)을 형성한다.

구체적으로, GaN 기판(110)은 결정결함이 나타난 면을 가진 기판으로서, 여기서 결정결함이란 이종기판 상에 GaN 기판(110)을 성장시키는 과정에서 격자상수에 기인하여 발생한 힐록(hillock), 피트(pit), 파셋트(facet), 스크래치(scratch) 등의 결함을 지칭한다. 여기서, 이러한 GaN 기판(110)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlGaInN 등의 GaN 계열의 재질 중 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판으로서, 예를 들어 n-GaN 기판을 마련하여 이용하거나, 또는 선택적으로 n형 도전성을 갖는 n-GaN 기판의 템플레이트(template) 기판을 마련하여 이용할 수 있다.

이러한 결정결함이 나타난 면을 가진 GaN 기판(110)에 대해 제 1 표면 개선층(121)이 결정결함을 덮어 평탄한 면을 가지도록 형성하기 위해서, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 수소 가스의 분위기와 1000℃ ~ 1100℃ 성장 온도에서 NH₃, TMGa(Trimethylgallium) 및 TMAl(trimethlyaluminum)을 공급하여 GaN 기판(110) 상에 Al_X1Ga_{1 -X1}N(0 < x1 < 1)으로 이루어진 층을 5 ㎛ 이상 소정 두께로 성장시킨다.

여기서, Al_X1Ga_{1 - X1}N으로 이루어진 제 1 표면 개선층(121)의 최종 형성된 소정 두께는 GaN 기판(110)에 발생한 불규칙한 힐록의 두께와 빈도에 따라 설정되어 힐록 또는 스크랫치를 덮어 최종적으로 평탄한 면을 가지는 두께로서, 도 3에 도시된 바와 같이 일반적인 힐록의 형상이 <0002>면을 상부면으로 하여 <11-20>면이 임의의 각도로 경사진 형태를 가지므로, 이렇게 경사면을 가진 힐록에 대해 Al_XGa_{1 -X}N(0< x <1)과 같이 Al이 포함된 갈륨 질화물층을 제 1 표면 개선층(121)으로 증착 형성함으로써, 힐록을 덮어 평탄하게 하여 힐록의 영향이 상부방향의 다수 층으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 도 4a에 도시된 불규칙한　힐록(A) 및 스크래치(B)가 발생한 GaN 기판의 상부면에 대해, 본 발명의 실시예에 따라 제 1 표면 개선층(121)을 형성함으로써 도 4b에 도시된 바와 같이 힐록(A) 및 스크래치(B)의 영향이 제거된 평탄하고 깨끗한 상부면을 가지게 되고, 이에 따라 힐록(A) 및 스크래치(B)의 영향이 상부방향의 다수 층으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

제 1 표면 개선층(121)을 형성한 후, 제 1 표면 개선층(121)의 상부면에 n형 클래드층(130) 및 제 1 표면 개선층(121)을 구비한 n형 클래드층(130)의 상부면에 제 2 표면 개선층(122)을 순차적으로 형성한다.

예를 들어, n-AlGaN으로 이루어진 n형 클래드층(130)을 성장시키고, 성장형성된 n형 클래드층(130)의 상부면에 제 1 표면 개선층(121)의 형성방법과 동일하게 MOCVD, MBE 또는 HVPE 방법으로 수소 가스의 분위기와 1000℃ ~ 1100℃ 성장 온도에서 NH₃, TMGa 및 TMAl을 공급하여 Al이 포함된 Al_X1Ga_{1 - X1}N(0 < x1 < 1)으로 이루어진 제 2 표면 개선층(122)을 평탄하게 형성할 수 있다.

제 2 표면 개선층(122)을 형성한 후에, 제 2 표면 개선층(122)의 상부면에 예컨대, n-GaN과 같은 n형 질화물층(140)을 형성할 수 있다. 여기서, 제 2 표면 개선층(122)이 n형 클래드층(130)과 n형 질화물층(140) 사이에 형성되는 것으로 설명하지만, 선택적으로 n형 클래드층(130)의 내부 또는 n형 질화물층(140)의 내부에도 적어도 하나의 층으로 형성되어, 제 2 표면 개선층(122)이 다수 형성될 수도 있다.

n형 질화물층(140)을 형성한 후, MOCVD 방법으로 Al_X2In_YGa_{(1- X2 -Y)}N(0≤X2<1, 0≤Y<1)의 양자장벽층과 In_X3Ga_{1 -X3}N(0<X3≤1)의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층(150)을 형성하고, 이렇게 형성된 활성층(150)의 상부면으로 순차적으로 p-GaN으로 이루어진 p형 질화물층(160)과 p-AlGaN으로 이루어진 p형 질화물 클래드층(170) 및 p형 질화물 클래드층(170)의 일측에 연결된 p측 전극(180)을 형성하며, GaN 기판(110)의 하부면 일측에 n측 전극(190)을 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제 1 표면 개선층(121)과 적어도 하나의 제 2 표면 개선층(122)을 이용하여, GaN 기판(110)에서 발생한 불규칙한　힐록 및 스크랫치가 활성층(150)으로 영향을 미치는 것을 방지하고, 이에 따라 종래에 불규칙한　힐록(A) 및 스크랫치(B)의 영향에 의해 활성층의 양자우물 내에서 예를 들어　In의 분리를 억제하여 발광 소자의　성능이　저하하는 것을 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래에 갈륨계 발광다이오드에서 불균일한 표면을 설명하기 예시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 표면 개선층을 구비한 질화물 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 질화물 반도체 발광 소자에 구비된 표면 개선층의 형성을 설명하기 위한 예시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 질화물 반도체 발광 소자에 구비된 표면 개선층의 효과를 설명하기 위한 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 질화물 반도체 발광 소자 110: 기판

121: 제 1 표면 개선층 122: 제 2 표면 개선층

130: n형 질화물 클래드층 140: n형 질화물층

150: 활성층 160: p형 질화물층

170: p형 질화물 클래드층 180: p측 전극

190: n측 전극

Claims (11)

1. 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판을 마련하는 단계; 및

   상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 상부면이 제공되도록 상기 기판의 상면에 Al_X1Ga_1-X1N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층을 5 ㎛ 이상의 두께로 성장시키는 단계

   를 포함하는 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 표면 개선층은

   1000℃ ~ 1100℃ 성장 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 Ⅲ족 질화물 기판은

   GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 기판의 표면개선방법.
5. 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판으로서,

   상기 기판 상면에 5 ㎛ 이상의 두께로 형성되어 상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X1Ga_1-X1N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어진 표면 개선층을 갖는 Ⅲ족 질화물 기판.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 Ⅲ족 질화물 기판은

   GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 기판.
7. 삭제
8. 결정결함이 나타난 상면을 가진 Ⅲ족 질화물 기판;

   상기 기판의 상면보다 개선된 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X1Ga_1-X1N(0 < X1 < 1)의 단결정층으로 이루어지며, 5 ㎛ 이상의 두께로 형성된 표면 개선층; 및

   상기 표면 개선층 상에 순차적으로 형성된 제 1 도전성 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전성 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물

   을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 Ⅲ족 질화물 기판은

   GaN, InGaN, AlGaN 및 AlGaInN 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어져 n형 도전성을 가지는 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
10. 삭제
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 도전성 질화물 반도체층은

    두께 방향으로 중간 부분에 평탄한 표면 모폴로지를 갖는 상부면을 제공하는 Al_X2Ga_{1 -X2}N(0 < X2 < 1)의 단결정층으로 이루어진 적어도 하나의 추가적인 표면 개선층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.

Images