KR100972977B1 - 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한질화물 반도체 발광소자의 제조 방법 - Google Patents

반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한질화물 반도체 발광소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질화물 단결정 박막의 성장 방법이 개시된다. 본 질화물 단결정 박막의 성장 방법은, m면 육방정계 단결정 기판 상에 반극성 질화물 단결정 기저층을 형성하는 단계, 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계, 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계를 포함하며, 반극성 질화물 단결정 박막의 측방향 성장 단계는 성장면의 일부가 a면을 갖도록 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계, 및, 1차 측방향 성장된 질화물 단결정 박막이 합체되어 (11-22)면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막이 형성되도록 2차 측방향 성장시키는 단계를 포함한다.
반극성 질화물 단결정 박막, 발광소자, m면 육방정계 단결정 기판, 측방향 성장

Description

반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법 {Growing method of semi-polar nitride single crystal thin film and manufactuing method of nitride semiconductor light emitting devide}
본 발명은 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법 및 이를 이용한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광소자 제조시, 질화갈륨과 같은 질화물 단결정 박막은 대부분이 c(0001)면을 갖는 박막으로서, 주로 c면 육방정계 단결정 기판(예를 들어, 사파이어 기판) 위에 유기금속화학 증착법(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 증착법(MBE:Molecurlar Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)의 방법으로 성장시킬 수 있다.
이와 같이, c면 질화물 단결정 박막은 c-결정축 방향으로 갈륨층과 질소층이 반복적으로 적층되어 있어 극성(polarity)을 띄게 되는데 이는, 내부 전기장의 발생을 유도하게 된다. 이 경우, 발광소자 내에서의 내부 전기장 발생은 전자와 정공의 재결합률을 감소시키는 원인으로써, 발광 소자의 발광 효율을 저하시킨다. 또한, 압전 분극의 발생으로 발광 파장이 짧아져 장파장 소자로 구현하는 것이 어렵 다.
이를 해결하기 위하여, 반극성 질화물 단결정 박막을 성장시켜야 하나, c면 육방정계 단결정 기판을 이용하는 경우 질화물 단결정 박막을 반극성면으로 성장시키는 것이 어렵다. 따라서, 비극성면의 기판을 이용하여 반극성 질화물 단결정 박막을 성장시키는 기술이 요구된다.
또한, 반극성 질화물 단결정 박막을 성장시키는 경우, 기판과 반극성 질화물 단결정 박막 간의 격자 상수 차이로 인한 결정 결함이 발생하게 되는데, 이러한 결정 결함은 발광소자 동작시 비발광 재결합(non-radiative recombination)을 유발시켜 높은 열을 발생시킨다. 따라서, 광 추출 효율의 향상을 위해 반극성 질화물 단결정 박막의 결정 결함을 최소화하도록 성장하는 것이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, m면 육방정계 단결정 기판 상에 상이한 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킴으로써, (11-22)면을 가지며 고품위 결정성을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 반극성 질화물 단결정 박막 상에 발광구조물을 형성함으로써, 발광효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 방법은, m면 육방정계 단결정 기판 상에 반극성 질화물 단결정 기저층을 형성하는 단계, 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계, 및, 상기 절연성 물질 패턴층이 형성된 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는, 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 성장면의 일부가 a면을 갖도록 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계, 및, 상기 1차 측방향 성장된 질화물 단결정 박막이 합체되어 (11-22)면을 갖는 상기 반극성 질화물 단결정 박막이 형성되도록 2차 측방향 성장시키는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계는, 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연 물질을 성장시키는 단계, 및, 상기 절연 물질을 소정 간격 단위로 식각하여 (1-100) 방향으로 스트라이프 형태의 패턴을 갖는 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스트라이프 형태의 패턴은, 2~30㎛의 폭을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 절연 물질은 SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연성 물질 패턴층은 1000~4000Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는 제1 성장 압력을 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 성장 압력보다 큰 제2 성장 압력을 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제1 성장 압력은 30~100torr 범위 내의 압력이며, 상기 제2 성장 압력은 150~300torr 범위 내의 압력인 것이 바람직하다.
또는, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는 제1 성장 온도를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 성장 온도보다 큰 제2 성장 온도를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제1 성장 온도는 900~1030℃ 범위 내의 온도이며, 상기 제2 성장 온도는 1030~1150℃ 범위 내의 온도인 것이 바람직하다.
또는, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제1 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비보다 작은 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제2 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수도 있다.
이 경우, 상기 제1 측면성장속도는 2.0~3.0㎛/hr 범위이며, 상기 제2 측면성장속도는 0.5~2.0㎛/hr 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는, ELOG 성장 방법 및 PENDEO 성장 방법 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, m면 육방정계 단결정 기판 상에 반극성 질화물 단결정 기저층을 형성하는 단계, 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계, 상기 절연성 물질 패턴층이 형성된 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계, 및, 상기 반극성 질화물 단결정 박막 상에 제1 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는 상극성 질화물 단결정 기저층 상에 성장면의 일부가 a면을 갖도록 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계, 및, 상기 1차 측방향 성장된 질화물 단결정 박막이 합체되어 (11-22)면을 갖는 상기 반극성 질화물 단결 정 박막이 형성되도록 2차 측방향 성장시키는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계는, 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연 물질을 성장시키는 단계, 및, 상기 절연 물질을 소정 간격 단위로 식각하여 (1-100) 방향으로 스트라이프 형태의 패턴을 갖는 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스트라이프 형태의 패턴은, 2~30㎛의 폭을 갖도록 형성될 수 있으며. 상 절연 물질은 SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질일 수 있다. 또한, 상기 절연성 물질 패턴층은, 1000~4000Å의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는 제1 성장 압력을 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 성장 압력보다 큰 제2 성장 압력을 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제1 성장 압력은 30~100torr 범위 내의 압력이며, 상기 제2 성장 압력은 150~300torr 범위 내의 압력인 것이 바람직하다.
또는, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는 제1 성장 온도를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 성장 온도보다 큰 제2 성장 온도를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제1 성장 온도는 900~1030℃ 범위 내의 온도이며, 상기 제2 성장 온도는 1030~1150℃ 범위 내의 온도인 것이 바람직하다.
또는, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는, 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며, 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는 상기 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비보다 작은 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제2 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시킬 수도 있다.
이 경우, 상기 제1 측면성장속도는 2.0~3.0㎛/hr 범위이며, 상기 제2 측면성장속도는 0.5~2.0㎛/hr 범위인 것이 바람직하다.
상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는, ELOG 성장 방법 및 PENDEO 성장 방법 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
본 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 상기 발광구조물의 일부를 식각하여 상기 제1 질화물 반도체층을 노출시키는 단계, 및, 상기 제1 질화물 반도체층이 노출된 위치에 제1 전극을 형성하고, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, m면 육방정계 단결정 기판 상에 상이한 측면성장속도로 2단계 측방향 성장시킴으로써, (11-22)면을 가지며 고품위 결정성을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막을 형성할 수 있게 된다.
또한, 발광소자 제조시, 반극성 질화물 단결정 박막 상에 발광구조물을 형성 함으로써, 내부 전기장 발생을 방지하여 발광에 필요한 전자 및 전공의 재결합률을 증가시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 발광소자의 발광 효율이 향상되며, 광의 장파장화가 가능하게 되어 질화물 반도체 발광소자의 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 박막의 성장 방법을 설명하기 위한 공정도이다. 도 1a를 참조하면, m면 육방정계 단결정 기판(11) 상에 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)을 증착시킨다. 이 경우, 육방정계 단결정 기판(11)은 사파이어 기판으로, m면 사파이어 기판 상에 질화갈륨(GaN) 물질을 유기화학 증착시켜 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)을 형성할 수 있게 된다. 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)은 약 2~3㎛의 두께로 증착될 수 있다.
다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 반극성 질화물 단결정 기저층(12a) 상에 절연성 물질 패턴층(13)을 형성한다. 구체적으로, 반극성 질화물 단결정 기저층(12a) 상에 SiO2 또는 SiN 등과 같은 절연 물질을 증착시킨 후, 소정 간격 단위로 습식 또는 건식 식각하여 스트라이프(stripe) 형태의 패턴을 (1-100) 방향으로 형성할 수 있게 된다. 이 경우, 절연성 물질 패턴층(13)은 약 2~6㎛의 간격 단위로 형성될 수 있으며, 2~30㎛의 폭을 가질 수 있다. 또한, 절연성 물질 패턴층(13)은 1000~4000Å의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 절연성 물질 패턴층(13)이 형성된 영역을 제외한 식각 영역에는 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)이 노출되어 있다. 이와 같은 식각 영역은 일종의 윈도우 영역으로써, 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)의 재성장을 유도하는 역할을 한다.
이 후, 도 1c를 참조하면, 절연성 물질 패턴층(13)이 형성된 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)을 재성장시켜 성장면의 일부가 a면을 갖도록 제1 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 1차 측방향 성장시킨다. 이 경우, 제1 측면성장속도는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 1차 측방향 성장시의 측면성장속도로, 약 2.0~3.0㎛/hr 범위의 속도를 갖는다.
한편, 1차 측방향 성장을 통해 성장면의 일부가 a면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성하기 위한 제1 측면성장속도는, 제1 성장 압력, 제1 성장 온도 및 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비 중 어느 하나의 요소를 이용하여 제어할 수 있다. 이 경우, 제1 성장 압력은 약 30~100torr 범위 내의 압력이 될 수 있으며, 제1 성장 온도는 900~1030℃ 범위 내의 온도가 될 수 있다. 또한, 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비는 TMG(Tri-Methyl Gallium)의 유량을 감소시켜 적용할 수 있다. 이와 같이 제1 성장 압력, 제1 성장 온도 및 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제1 측면성장속도를 제어함으로써, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 1차 측방향 성장시킬 수 있다.
제1 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 성장시키는 경우, 제1 측면성장속도는 수직성장속도보다 빠를 수 있다. 또한, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)은 a면, c면, m면의 성장면을 가지며, 이 중 a면의 성장면에 대한 성장속도가 c면 및 m면 보다 빠를 수 있다. 이에 따라, 도 1c에 도시된 것과 같이, 절연성 물질 패턴층(13) 사이의 윈도우 영역을 통해 성장된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)은 a면을 가지며 제1 측면성장속도에 의해 각 측면의 간격이 좁아지는 것을 확인할 수 있다.
다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 도 1c를 통해 1차 측방향 성장된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 제2 측면성장속도로 성장시켜, 측면이 합체되고 (11-22)면을 갖도록 2차 측방향 성장시킨다. 이 경우, 제2 측면성장속도는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 2차 성장시의 측면성장속도로, 약 0.5~2.0㎛/hr 범위의 속도를 갖는다. 이는, 1차 측방향 성장시의 제1 측면성장속도보다 낮은 속도가 될 수 있다.
한편, 도 1c에 도시된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 1차 성장시에는, 수직성장속도에 비해 측면성장속도가 빨라 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 합체시키는 것이 가능하다. 하지만, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 일부가 a면 성장면을 갖는 것으로, m면 육방정계 단결정 기판(11)에 평행한 (11-22)면을 갖도록 형성하는 것이 어려웠다. 따라서, 제2 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 2차 측방향 성장시킴으로써, m면 육방정계 단결정 기판(11)에 평행한 (11-22)면을 갖는 박막으로 형성할 수 있게 된다. 이와 같이, (11-22)면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성하기 위한 제2 측면성장속도는, 제2 성장 압력, 제2 성장 온도 및 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비 중 어느 하나의 요소를 이용하여 제어할 수 있다. 이 경우, 제2 성장 압력은 제1 성장 압력보다 큰 압력을 가지는 것으로, 약 150~300torr 범위 내의 압력이 될 수 있으며, 제2 성장 온도는 제1 성장 온도보다 큰 온도를 가지는 것으로, 약 1030~1150℃ 범위 내의 온도가 될 수 있다. 또한, 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비는 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비보다 TMG(Tri-Methyl Gallium)의 유량을 증가시켜 적용할 수 있다. 이와 같이 제2 성장 압력, 제2 성장 온도 및 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제2 측면성장속도를 제어함으로써, (11-22)면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있게 된다.
제2 측면성장속도를 이용하는 경우, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 수직성장속도는 제2 측면성장속도보다 빠르다. 이에 따라. 도 1c에서 1차 측방향 성장된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 측면을 합체시키고, 수직 방향으로 빠르게 성장하여 m면 육방정계 단결정 기판(11)과 평행한 (11-22)면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있게 된다. 도 1c 및 도 1d를 통해 형성된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)는 약 10~12㎛의 두께를 가질 수 있다. 이에 따라, 반극성 질화물 단결정 기저층(12a) 및 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 포함하는 질화물 단결정 박막(12)의 전체 두께는 약 12~15㎛의 범위로 형성될 수 있다.
도 1c 및 도 1d를 설명함에 있어서, 제1 및 제2 성장 압력, 제1 및 제2 성장 온도 등을 구체적인 수치로 예를 들었으나, 이와 같은 수치는 명세서에 기재된 사 항에 한정되는 것이 아니며, 증착 장비, 증착 환경에 따라 변경될 수 있는 사항이다.
한편, 도 1c 및 1d에서는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth) 성장 방식을 이용하여 2단계 측방향 성장시키는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, PENDEO 성장 방식을 이용하여 측방향 성장시킬 수도 있다. 구체적으로, 도 1b 단계에서 절연 물질 식각시, 절연성 물질 패턴층(13)이 형성될 부분을 제외한 영역의 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)을 동시에 제거할 수 있다. 이에 따라, 절연성 물질 패턴층(13) 사이로 m면 육방정계 단결정 기판(11)이 노출될 수 있게 된다. 이를, 상술한 바와 같이 제1 측면성장속도를 이용하여 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 1차 성장시키고, 제2 측면성장속도를 이용하여 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 2차 성장시킴으로써 도 1d에 도시된 것과 같은 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있게 된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 도 1a 내지 도 1d를 통해 성장된 질화물 단결정 박막(12) 상에 제조될 수 있다. 구체적으로, 도 2a를 참조하면, 도 1d에 도시된 반도체 기판(10) 상에 제1 질화물 반도체층(14), 활성층(15) 및 제2 질화물 반도체층(16)을 포함하는 발광구조물을 형성한다. 구체적으로, 제1 질화물 반도체 층(14)은 GaN 반도체 물질에 Si, In, Sn과 같은 n형 도펀트를 도핑시켜 형성할 수 있다. 또한, 활성층(15)은 GaN 또는 InGaN 등의 GaN계 물질을 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는 형태로 형성할 수 있다. 그리고, 제2 질화물 반도체층(16)은 GaN 반도체 물질에 Zn, Cd, Mg 등과 같은 p형 도펀트를 도핑시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 질화물 반도체층(14), 활성층(15) 및 제2 질화물 반도체층(16) 각각은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 증착 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
이 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 발광구조물 중 일부면을 식각하여, 제1 질화물 반도체층(14)이 노출될 수 있도록 한다. 그리고, 노출된 제1 질화물 반도체층(14) 상에 제1 전극(17)을 형성하고, 발광구조물 상부, 즉, 제2 질화물 반도체층(16) 상에 제2 전극(18)을 형성한다. 이 경우, 제1 전극(17)은 n-전극이 될 수 있으며, 제2 전극(18)은 p-전극이 될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제공되는 질화물 단결정 박막(12) 상에 발광소자를 제조하는 경우, 질화물 단결정 박막(12)의 결정 결함이 감소하여 발광 구조물의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 질화물 단결정 박막(12)이 반극성 특성을 갖는 것으로, 내부 전기장 발생을 감소시켜 전자 및 전공의 재결합률을 증가시킴으로써, 발광효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 m면 육방정계 단결정 기판 상에 형성된 절연성 물질 패턴층의 평면도 이다. 도 3은 도 1b에 도시된 m면 육방정계 단결정 기판(11)의 상부면을 도시한 것으로, 절연성 물질 패턴층(13)이 형성되어 있으며, 절연성 물질 패턴층(13) 사이로 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)이 노출되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 절연성 물질 패턴층(13)은 (1-100) 방향으로 형성되어 있으며, 약 2~30㎛의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 절연성 물질 패턴층(13) 사이의 간격, 즉, 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)이 노출된 영역은 약 2~6㎛가 될 수 있다. 절연성 물질 패턴층(13) 사이의 간격을 통해 반극성 질화물 단결정 기저층(12a)의 재성장이 유도되어 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있게 된다.
도 4a 내지 도 4c는 측면성장속도에 따른 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 형태를 나타내는 OM 사진이다. 도 4a는 제1 측면성장속도만으로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 성장시킨 OM 사진이다. 도 4a는 제1 성장 압력인 50 torr의 압력을 이용하여 제1 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 측방향 성장시킨 것이다. 이 경우, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 제1 측면성장속도는 수직성장속도보다 빠르며, a면 방향의 성장 속도가 c면 및 m면보다 빠르다. 이에 따라, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 성장 시간을 증가시킬 경우, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 각 측면을 합체하는 것이 가능해진다. 하지만, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 성장면이 (11-22)면으로 형성되지 않아 발광소자를 제조할 수 없게 된다.
도 4a에 도시된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 성장 형태는 제1 성장 온 도 또는 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하는 경우에 동일하게 나타날 수 있다.
또한, 도 4b는 제2 측면성장속도만으로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 성장시킨 OM 사진이다. 도 4b를 참조하면, 제2 성장 압력인 300 torr의 압력을 이용하여 제2 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 측방향 성장시킨 것이다. 이 경우, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 수직성장속도가 제2 측면성장속도보다 빨라 성장면이 수직 성장된다. 이에 따라, m면 육방정계 단결정 기판(11)과 평행한 (11-22)면의 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있으나, 측면성장속도가 느려 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 측면을 합체시키는 것이 어렵다.
또한, 300 torr의 압력을 유지하여 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 측방향 성장시켜 합체시키더라도, 공정시간이 매우 길어지며 반극성 질화물 단결정 박막(12b)이 매우 두껍게 형성되어 발광소자를 제조하는데 어려움이 있다. 따라서, 제2 측면성장속도만으로는 m면 육방정계 단결정 기판(11) 상에 고품위의 결정성을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 성장시키는 것이 어렵다.
도 4b에 도시된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 성장 형태는 제2 성장 온도 또는 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하는 경우에 동일하게 나타날 수 있다.
또한, 도 4c는 제3 측면성장속도만으로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 성장시킨 OM 사진이다. 도 4c를 참조하면, 제3 성장 압력인 120 torr의 압력을 이 용하여 제3 측면성장속도로 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 측방향 성장시킨 것이다. 이 경우, 제1 측면성장속도를 이용한 도 4a의 실시예에 비해 측면성장속도가 느리며, 제2 측면성장속도를 이용한 도 4b의 실시예에 비해 표면 평탄도가 양호하지 못하다. 따라서, 도 4c에 도시된 반극성 질화물 단결정 박막(12b) 역시, m면 육방정계 단결정 기판(11)에 평행하고, 고품위의 결정성을 갖는 형태로 형성하는 것이 어렵다.
본 발명에서는 도 4a에 도시된 바와 같이 제1 측면성장속도를 이용하여 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 1차 측방향 성장시키고, 도 4b에 도시된 바와 같이 제2 측면성장속도를 이용하여 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 2차 측방향 성장시킴으로써, m면 육방정계 단결정 기판(11)에 평행한 (11-22)면을 가지며, 고품위의 결정성을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 형성할 수 있게 된다. 구체적인 설명은 후술한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차 성장된 반극성 질화물 단결정 박막의 OM 사진이다. 구체적으로, 도 5에 도시된 반극성 질화물 단결정 박막(12b)은 제1 측면성장속도로 1차 측방향 성장된 후, 제2 측면성장속도로 2차 측방향 성장된 것이다. 이 경우, 도 4a에 도시된 것과 같이, 제1 측면성장속도가 수직성장속도보다 빠르지만, 일부 성장면이 a면을 갖게 되어 성장면이 평탄하지 못하다. 따라서, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)을 1차 성장시키고 난 후, 제2 측면성장속도로 2차 성장시킨다. 이 경우, 2차 측방향 성장시, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 수직성장속도는 제2 측면성장속도보다 빠르다. 이에 따라, a면 방향으로 성장된 부분이 빠르게 수직 성장되어 표면 평탄화를 이루며, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)의 측면이 서서히 성장되어 합체된다. 그 결과, 반극성 질화물 단결정 박막(12b)은 (11-22)면을 갖는 형태로 성장되며, 고품위의 결정성을 가질 수 있게 된다. 이와 같은 질화물 단결정 박막(12) 상에 발광구조물을 제조하는 경우, 반극성 특성에 의해 내부 전기장 발생을 방지하여 발광에 필요한 전자 및 전공의 재결합률을 증가시킬 수 있게 되어 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 적정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 박막의 성장 방법을 설명하기 위한 공정도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도,
도 3은 m면 육방정계 단결정 기판 상에 형성된 절연성 물질 패턴층의 평면도,
도 4a 내지 도 4c는 측면성장속도에 따른 반극성 질화물 단결정 박막의 성장 형태를 나타내는 OM 사진, 그리고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차 성장된 반극성 질화물 단결정 박막의 OM 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100 : 질화물 반도체 발광소자 11 : m면 육방정계 단결정 기판
12 : 질화물 단결정 박막 12a : 반극성 질화물 단결정 기저층
12b : 반극성 질화물 단결정 박막 13 : 절연성 물질 패턴층
14 : 제1 질화물 반도체층 15 : 활성층
16 : 제2 질화물 반도체층 17 : 제1 전극
18 : 제2 전극

Claims (25)

  1. m면 육방정계 단결정 기판 상에 반극성 질화물 단결정 기저층을 형성하는 단계;
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계; 및,
    상기 절연성 물질 패턴층이 형성된 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 성장면의 일부가 a면을 갖도록 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계; 및,
    상기 1차 측방향 성장된 질화물 단결정 박막이 합체되어 (11-22)면을 갖는 상기 반극성 질화물 단결정 박막이 형성되도록 2차 측방향 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계는.
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연 물질을 성장시키는 단계; 및,
    상기 절연 물질을 소정 간격 단위로 식각하여 (1-100) 방향으로 스트라이프 형태의 패턴을 갖는 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스트라이프 형태의 패턴은, 2~30㎛의 폭을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 절연 물질은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 절연성 물질 패턴층은, 1000~4000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 성장 압력을 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 성장 압력보다 큰 제2 성장 압력을 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 성장 압력은 30~100torr 범위 내의 압력이며,
    상기 제2 성장 압력은 150~300torr 범위 내의 압력인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 성장 온도를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 성장 온도보다 큰 제2 성장 온도를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 성장 온도는 900~1030℃ 범위 내의 온도이며,
    상기 제2 성장 온도는 1030~1150℃ 범위 내의 온도인 것을 특징으로 하는 질 화물 단결정 박막 성장 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비보다 작은 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 측면성장속도는 2.0~3.0㎛/hr 범위이며,
    상기 제2 측면성장속도는 0.5~2.0㎛/hr 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는,
    ELOG 성장 방법 및 PENDEO 성장 방법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 박막 성장 방법.
  13. m면 육방정계 단결정 기판 상에 반극성 질화물 단결정 기저층을 형성하는 단계;
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 절연성 물질 패턴층이 형성된 상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계; 및,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막 상에 제1 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 성장면의 일부가 a면을 갖도록 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계; 및,
    상기 1차 측방향 성장된 질화물 단결정 박막이 합체되어 (11-22)면을 갖는 반극성 질화물 단결정 박막이 형성되도록 2차 측방향 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계는,
    상기 반극성 질화물 단결정 기저층 상에 절연 물질을 성장시키는 단계; 및,
    상기 절연 물질을 소정 간격 단위로 식각하여 (1-100) 방향으로 스트라이프 형태의 패턴을 갖는 상기 절연성 물질 패턴층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스트라이프 형태의 패턴은, 2~30㎛의 폭을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 절연 물질은, SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 절연성 물질 패턴층은, 1000~4000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 성장 압력을 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 성장 압력보다 큰 제2 성장 압력을 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 성장 압력은 30~100torr 범위 내의 압력이며,
    상기 제2 성장 압력은 150~300torr 범위 내의 압력인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 성장 온도를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 성장 온도보다 큰 제2 성장 온도를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 성장 온도는 900~1030℃ 범위 내의 온도이며,
    상기 제2 성장 온도는 1030~1150℃ 범위 내의 온도인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키는 단계는,
    제1 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제1 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 1차 측방향 성장시키며,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 단계는,
    상기 제1 Ⅲ/Ⅴ족 비보다 작은 제2 Ⅲ/Ⅴ족 비를 이용하여 제2 측면성장속도로 상기 반극성 질화물 단결정 박막을 2차 측방향 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 측면성장속도는 2.0~3.0㎛/hr 범위이며,
    상기 제2 측면성장속도는 0.5~2.0㎛/hr 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 반극성 질화물 단결정 박막을 측방향 성장시키는 단계는,
    ELOG 성장 방법 및 PENDEO 성장 방법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으 로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  25. 제13항에 있어서,
    상기 발광구조물의 일부를 식각하여 상기 제1 질화물 반도체층을 노출시키는 단계; 및,
    상기 제1 질화물 반도체층이 노출된 위치에 제1 전극을 형성하고, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
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