KR101028585B1 - 이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 이종 기판의 무극성 또는 반극성면에 결정 성장 모드를 조절하여 고품질의 무극성 또는 반극성 질화물층을 형성하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는 베이스 기판을 준비하고, 준비된 베이스 기판의 면에 질화물계 결정성장핵층을 형성한다. 결정성장핵층 위에 제1 버퍼층을 성장시키되, 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장시킨다. 제1 버퍼층 위에 수평성장층을 성장시키되, 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장시킨다. 그리고 수평성장층 위에 제2 버퍼층을 성장시킨다. 이때 제1 버퍼층 위의 수평성장층과 제2 버퍼층 사이에 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 더 형성할 수 있다.
무극성, 반극성, 질화물, 버퍼층, 발광

Description

이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법{ Hetero-substrate, Ⅲ-nitride semiconductor devices using the same and manufacturing method of thereof}
본 발명은 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사파이어와 같은 이종 기판의 무극성 또는 반극성면에 결정 성장 모드를 조절하여 고품질의 무극성 또는 반극성 질화물층이 형성된 이종 기판과, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조시 기재로서 사용되는, 질화갈륨(GaN)과 같은 질화물계 단결정 반도체 기판은 대부분이 c면({0001}면)의 질화물 박막으로서, 주로 사파이어 기판의 c면({0001}면) 위에 유기금속화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)의 방법으로 성장시킨 후 얻어진다.
이렇게 만들어진 c면 질화물계 단결정 막은 c-결정축 방향으로 예를 들어 갈륨층과 질소층이 반복적으로 적층되어 있어 극성(polarity)을 띄게 된다. 예를 들어, c면의 GaN/AlGaN/InGaN 헤테로구조체의 경우, 자발분극(spontaneous polarization) 또는 압전분극(piezoelectric polarization)에 의해 형성되는 강한 전기장(electric field)에 의해 헤테로구조체 내의 전자 밴드 구조(electronic band structure)를 기울게 만들어 캐리어 재결합율을 감소시켜 그 결과 양자 효율을 낮춘다.
자세히 설명하면 c-결정축 성장방향으로 편향의 비연속성(polarization discontinuity)이 존재하여 표면이나 계면에 고정된 시트 전하(sheet charge)를 생성하여 그 결과로 생기는 내부 전기장이 양자우물(quantum well) 내에 있는 전자와 정공 파동함수(wavefunction)를 분리시켜 발광을 장파장 쪽으로 이동시키고, 전기장 인가시, 단파장쪽으로 발광파장이 이동함으로써 장파장용 소자개발을 어렵게 하고 있다.
이에 반해, a면({11-20}면), m면({1-100}면) 질화물계 결정들은 무극성(non-polar) 특성을 가지고 있기 때문에 상기한 바와 같은 c면 질화물계 단결정의 문제점, 즉 분극에 의한 내부전기장에 의해 양자효율이 감소되는 문제점을 극복할 수 있다. a면 질화물계 결정들은 폴라이제이션 필드(polarization field)가 없어 밴드 벤딩(band bending)이 일어나지 않고, 무극성 결정면에 AlGaN/GaN/InGaN 양자우물을 성장시킨 구조에서는 스탁 효과(Stark effect)가 관찰되지 않으므로, a면의 무극성 질화물계 헤테로구조체는 고효율의 자외선-가시광선 영역의 발광소자와 HEMT(high electron mobility transistor)에 유용하게 사용될 수 있는 가능성을 갖는다.
또한 a면 질화물계 막은 c면 질화물계 단결정 막보다 고농도 p-doping을 가 능하다. 왜냐하면 a면에서는 활성화에너지(activation energy)가 118meV이고 c면에서는 170meV로 a면에서의 에너지가 훨씬 낮기 때문이다. 그리고 일반적으로 GaN에서 Al이 많이 포함될수록 도핑효율은 급격히 떨어지게 되는데, 이는 a면에서는 c면에 비해 상대적으로 도핑이 높게 된다.
이와 같이, 무극성면 질화물계 단결정 막이 c면에 비해 보다 많은 장점을 가짐에도 불구하고, 기판으로서 제조 및 상용화되지 못하고 있는 이유는 얻어진 매끄러운 막의 표면을 얻기가 어렵고 또한 상대적으로 c면에 비해서 많은 내부결함을 가지고 있기 때문이다.
구체적으로는, a면 질화물계 단결정 막은 r면({1-102}면) 사파이어 단결정 기재 위에 성장시켜 얻어진다. 이 경우, 편평한 형상의 막이 아니라 {1010}면으로 이루어진 산맥(ridge)들이 <0001> 방향으로 뻗어있는 것과 같은 표면 형상의 질화물 막이 형성되며, 격자상수의 이방성과 더불어 면내(in-plane)의 열팽창계수의 결정학적 방향에 따른 큰 이방성 때문에 질화물의 <1-100> 방향으로 강한 압축응력이 작용하게 된다.
이러한 a면 질화물 단결정을 후막 또는 박막으로 성장시키는 경우에는 산맥 구조가 합체(coalescence)되지 않은 막이 성장되고, 이는 막 내부에 많은 결함을 형성한다. 좋지 못한 표면형상 및 결함들은 소자의 제조에 어려움을 주며, 기판 표면에 존재함으로써 궁극적으로 최종 박막 소자의 성능발현에 악영향을 주게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중의 버퍼층을 사용하여 무극성, 또는 반극성면의 질화물층의 표면형상을 평탄화하고 내부결함을 줄일 수 있는 질화물이 적층된 이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이종 기판의 무극성 또는 반극성면에 평탄한 질화물층을 용이하게 형성하여 수율을 향상시킬 수 있는 질화물이 적층된 이종 기판, 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이종 기판의 무극성 또는 반극성면에 결정 성장 모드를 조절하여 고품질의 질화물층이 형성된 이종 기판, 그를 이용한 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 베이스 기판, 결정성장핵층, 제1 버퍼층, 수평성장층 및 제2 버퍼층을 포함하여 구성되는 이종 기판을 제공한다. 상기 베이스 기판은 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는다. 상기 결정성장핵층은 베이스 기판의 면에 형성된다. 상기 제1 버퍼층은 결정성장핵층 위에 성장되며, 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장된다. 상기 수평성장층은 상기 제1 버퍼층 위에 성장되며, 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장된다. 그리고 상기 제2 버퍼층은 상기 수 평성장층 위에 성장된다.
본 발명에 따른 이종 기판은, 상기 제1 버퍼층, 상기 수평성장층 또는 상기 제2 버퍼층의 계면 또는 내부에 형성되며, 균일하게 복수의 구멍이 형성된 적어도 하나의 질화실리콘(SiNx)층을 더 포함한다. 이때 상기 질화실리콘층의 구멍을 통하여 상기 질화실리콘층 아래의 결정이 성장하여 상기 질화실리콘층 위를 덮는다.
본 발명은 또한, 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는 베이스 기판을 준비하는 준비 단계, 상기 베이스 기판의 면에 질화물계 결정성장핵층을 형성하는 결정성장핵층 형성 단계, 상기 결정성장핵층 위에 제1 버퍼층을 성장시키되, 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장시키는 제1 버퍼층 성장 단계, 상기 제1 버퍼층 위에 수평성장층을 성장시키되, 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장시키는 수평성장층 성장 단계, 상기 수평성장층 위에 제2 버퍼층을 성장시키는 제2 버퍼층 성장 단계를 포함하는 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 전술된 질화물이 적층된 이종 기판을 이용한 질화물계 반도체 소자를 제공한다. 질화물계 반도체 소자는 전술한 질화물이 적층된 이종 기판, 상기 제2 버퍼층 위에 형성된 n타입 또는 p타입 중의 하나의 제1 질화물층, 상기 제1 질화물층 위에 형성된 활성층 및 상기 활성층 위에 형성되며 제1 질화물층과 반대되는 타입의 제2 질화물층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 베이스 기판의 무극성 또는 반극성면에 결정 성장 모드를 조절하여 무극성 또는 반극성면 질화물층을 형성함으로써, 베이스 기판 위에 평탄하며 내부결함이 작은 무극성 또는 반극성면 질화물층을 형성할 수 있다. 즉 베이스 기판 위에 결정성장핵층을 형성한 이후에, 결정성장핵층 위에 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장하도록 제1 버퍼층을 형성하고, 제1 버퍼층 위에 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장하도록 수평성장층을 형성한 이후에 수평성장층 위에 제2 버퍼층을 형성함으로써, 베이스 기판의 비극성 또는 무극성면에 평탄하며 내부결함이 작은 무극성 또는 반극성면 질화물층을 형성할 수 있다.
특히 제1 버퍼층 위의 수평성장층과 제2 버퍼층 사이에 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성한 이후에, 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 부분을 통하여 결정을 성장시킴으로써, 결정의 수평 방향으로의 성장을 촉진하여 평탄하면서 내부결함이 작은 a면 질화물층을 형성할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 2 내지 도 7은 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는 베이스 기판(11)을 준비한다(S61). 베이스 기판(11)으로는 사파이어 기판이 사용될 수 있으며, 그 외 SiC 또는 ZnO 또는 Si과 같은 기판이 사용될 수 있다. 이때 무극성 또는 반극성면으로는 c면을 제외한 면으로, a면, r면, m면 또는 그 이외의 면이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 베이스 기판(11)으로 r면을 갖는 사파이어 기판을 사용하였다.
다음으로 베이스 기판(11)의 면에 결정성장핵층(12), 제1 버퍼층(13), 수평성장층(14), 질화실리콘층(15) 및 제2 버퍼층(17)을 포함하는 a면 질화물층(18)을 형성한다. a면 질화물층(18)은 MOCVD, MBE 또는 HVPE 방법으로 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 MOCVD로 형성하였다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(11)의 면에 질화물계 결정성장핵층(12)을 형성한다(S63). 이때 질화물계 결정성장핵층(12)은 450℃~1300℃, 30~760 torr의 질소 또는 수소 분위기에서 V/Ⅲ의 비가 50~3000에서 형성한다. 결정성장핵층(12)의 두께에 따라 그 상부에 성장하는 a면 질화물층(18)의 결정성에 영향을 주기 때문에, 결정성장핵층(12)은 5~700nm의 두께로 형성하며 바람직하게는 70~250nm로 형성하는 것이다. 이때 질화물계 결정성장핵층(12)은 GaN, AlxGa1-xN, InxGa1-yN(0<x,y<1) 중에 하나로 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 질화물계 결정성장핵층(12)으로 a면 GaN을 사용하였다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 결정성장핵층(12) 위에 제1 버퍼층(13)을 성장시킨다(S65). 제1 버퍼층(13)은 결정성장핵층(12) 위에 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장시켜 형성한다. 제1 버퍼층(13)은 V/Ⅲ의 비가 50~2000, 450~1300℃ 및 100~760 torr의 분위기에서 성장시킨다. 이와 같은 조건에서 성장된 제1 버퍼층(13)은 거친 표면을 갖지만, m축과 평행한 방향을 XRD(X-Ray diffraction)로 스캔한 a면의 FWHM(full width of half maximum) 값이 작아지는 결과를 얻을 수 있다.
다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 버퍼층(13) 위에 수평성장층(14)을 성장시킨다(S67). 수평성장층(14)은 제1 버퍼층(12) 위에 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장시켜 형성한다. 수평성장층(14)은 V/Ⅲ의 비가 2~1000, 800℃~1500℃, 10~300 torr에서 성장시킨다. 수평성장층(14)은 제1 버퍼층(13)에 비해서 상대적으로 낮은 V/Ⅲ의 비로 성장시킨다. 이와 같은 조건에서 성장된 수평성장층(14)은 평탄한 거울과 같은 표면을 가지며, c축과 평행한 방향으로 XRD로 스캔한 a면의 FWHM 값이 작아지는 결과를 얻을 수 있다. 이는 c축 방향으로 성장되는 질화갈륨의 결정성이 좋은 것을 나타낸다. 이와 더불어 c축과 평행한 방향으로 XRD로 스캔한 a면의 FWHM 값이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 수평성장층(14) 위 또는 내 또는 제1 버퍼층과 수평성장층의 계면에 복수의 구멍(16)을 갖는 질화실리콘층(15; SiNx)을 형성한다(S69). 즉 질화실리콘층(15)을 수평성장층(14) 내에 또는 위 또는 제1 버퍼층과 수평성장층의 계면에 증착하는데, 이는 MOCVD내에서 Ⅲ족 원소인 Ga(갈륨), In(인듐), Al(알루미늄)의 공급을 중단한 상태에서 SiH4(사일렌), 또는 Si2H6(다이사일렌)과 NH3(암모니아)가스를 이용하여 질화실리콘층을 형성한다. 이때 질화실리콘층(15)에 스스로 복수의 구멍(16)이 형성되며, 아래의 수평성장층(14)이 노출되게 된다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 질화실리콘층(15)을 덮는 제2 버퍼층(17)을 성장시킴으로써 본 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판(10)의 제조 공정이 완료된다(S71). 제2 버퍼층(17)은 V/Ⅲ의 비가 50~2000, 450~1300℃, 30~760 torr의 분위기에서 성장시키며, 필요에 따라 n형 반도체를 위해 Si을 도핑을 한다. 제2 버퍼층은 수평성장속도와 수직성장 속도가 같거나, 또는 수평 성장속도가 빨라야 한다. 이와 같은 조건에서 성장된 제2 버퍼층(17)은 평탄한 거울면을 유지하고 결정성 또한 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 이때 베이스 기판(11) 위에 형성된 결정성장핵층(12), 제1 버퍼층(13), 수평성장층(14), 질화실리콘층(15) 및 제2 버퍼층(17)이 a면 질화물층(18)을 형성한다.
특히 질화실리콘층(15)의 구멍(16)으로 노출된 층(14)위에 제2 버퍼층(17) 또는 수평 성장층을 성장시켜 질화실리콘층(15)을 덮도록 형성된다. 즉 질화실리콘층(15) 위에서 직접 결정은 성장되지 않으며, 질화실리콘층(15)의 구멍(16)으로 노출된 수평성장층(14) 부분을 통하여 결정이 성장하게 된다. 이때 결정은, 도 6b 및 도 7에 도시된 바와 같이, 수직 방향(V)에서 수평 방향(L)으로 더 빨리 성장하면서 질화실리콘층(15)을 덮게 되며, 이로 인해 제2 버퍼층(17)은 평탄하게 형성되며 결정성이 좋아지게 된다.
이와 같이 본 실시예에서는, 베이스 기판(11)의 무극성 또는 반극성면에 결 정 성장 모드를 조절하여 a면 질화물층(18)을 형성함으로써, 베이스 기판(11) 위에 평탄하며 내부결함이 작은 a면 질화물층(18)을 형성할 수 있다. 즉 베이스 기판(11) 위에 결정성장핵층(12)을 형성한 이후에, 결정성장핵층(12) 위에 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장하도록 제1 버퍼층(13)을 형성하고, 제1 버퍼층(13) 위에 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장하도록 수평성장층(14)을 형성한 이후에 수평성장층(14) 위에 제2 버퍼층(17)을 형성함으로써, 베이스 기판(11) 위에 평탄하며 내부결함이 작은 a면 질화물층(18)을 형성할 수 있다.
특히 제1 버퍼층(13) 위의 수평성장층(14)과 제2 버퍼층(17) 사이에 복수의 구멍(16)을 갖는 질화실리콘층(15)을 형성한 이후에, 질화실리콘층(15)으로 노출된 구멍을 통하여 결정을 성장시킴으로써, 결정의 수평 방향으로의 성장을 촉진하여 평탄하면서 내부결함이 작은 a면 질화물층(18)을 형성할 수 있다.
이때 본 실시예에서는 S69단계에서 질화실리콘층(15)을 형성할 때 수평성장층(14) 위에 형성하는 예를 개시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 질화실리콘층은 제1 버퍼층, 수평성장층 또는 제2 버퍼층의 계면 또는 내부에 형성될 수 있다. 즉 수평성장층 내부에 질화실리콘층을 형성할 수 있다. 먼저 제1 버퍼층 위에 제1 수평성장층을 성장시킨다. 다음으로 제1 수평성장층 위에 균일하게 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성한다. 그리고 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 제1 수평성장층을 성장시켜 질화실리콘층을 덮는 제2 수평성장층을 성장시킨다.
또는 제2 버퍼층 내부에 질화실리콘층을 형성할 수 있다. 먼저 수평성장층 위에 제2-1 버퍼층을 성장시킨다. 다음으로 제2-1 버퍼층 위에 균일하게 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성한다. 그리고 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 제2-1 버퍼층을 성장시켜 질화실리콘층을 덮는 제2-2 버퍼층을 성장시킨다.
바람직하게는 제1 버퍼층(13) 위의 수평성장층(14)과 제2 버퍼층(17) 사이에 질화실리콘층(15)을 형성하는 것이다. 한편으로 베이스 기판(11)의 r면에 a면 질화물층을 형성할 때, 질화실리콘층을 형성하지 않을 수도 있다.
본 실시예에 따라 제조된 이종 기판(10)은 베이스 기판(11)으로는 r면 사파이어 기판을 사용하고, 사파이어 기판의 r면에 a면 질화물층(18)이 형성된 구조를 갖는다. 이때 a면 질화물(18)로는 GaN을 사용하였다. 이와 같은 본 실시예에 따라 제조된 이종 기판(10)은, 도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같은, 베이스 기판(11)의 r면에 평탄하며 내부결함이 작은 a면 질화물층(18)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
결정성장핵층(12)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 150nm의 두께를 갖는 부분에서 결정성이 좋은 것을 확인할 수 있다. 이때 도 8은 결정성장핵층(12)의 두께에 따른 FWHM 값을 록킹 곡선(rocking curve)을 나타내는 그래프이다.
제1 버퍼층(13)과 수평성장층(14)을 순차적으로 성장시킬 때, 제1 버퍼층(13)은 수평성장층(14)에 비해서 높은 V/Ⅲ의 비 및 압력에서 성장시킴으로써, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 버퍼층(13)과 수평성장층(14)의 계면에서 내부결함이 감소한 것을 쉽게 확인할 수 있다. 여기서 도 9는 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판(10)의 제1 버퍼층(13)과 수평성장층(14)을 보여주는 TEM(Transmission electron microscope) 사진이다.
제2 버퍼층(17)은 제1 버퍼층(13)의 성장 조건과 비슷한 공정 조건으로 성장시킴으로써, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 버퍼층(17)의 표면이 평탄하고 결함이 거의 없음을 확인할 수 있다. 여기서 도 10는 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판(10)의 제2 버퍼층(17)에서 결함이 거의 없어진것을 보여주는 TEM 사진이다.
도 11은 20K에서 측정된 PL(photoluminescence) 결과를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판은 밴드 에지(band edge)에서 발광하는 피크(peak)의 강도가 가장 센 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판의 표면을 10μm x 10μm 에서 측정한 AFM(atomic force microscope)의 표면 형상을 살펴보면, 도 12에 도시된 바와 같이, RMS(root mean square) 거칠기가 약 1.2nm로 아주 평탄한 표면을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판은 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 발광소자를 비롯하여 다양한 전자소자용 기판으로 사용될 수 있다.
예컨대, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판(10)을 이용한 질화물계 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판(100)는 반도체 기판(10)의 a면 질화물층(18) 위에 제1 질화물층(20), 활성층(30) 및 제2 질화물층(40)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 녹색 LED이다. a면 질화물층(18)의 두께는 약 4㎛이다. 제1 질화물층(20)은 n타입의 도펀트를 포함하는 n타입의 반도 체로서, n-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 화합물 반도체가 사용될 수 있다. 제1 질화물층(20)은 약 2㎛의 두께로 형성될 수 있다. 활성층(30)은 InGaN/GaN 4QWs로서 4nm/10nm의 두께로 제1 질화물층(20) 위에 형성될 수 있다. 그리고 제2 질화물층은 p타입의 도펀트를 포함하는 p타입의 반도체로서, p-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 화합물 반도체가 사용될 수 있다. 제2 질화물층(40)은 약 150nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(100)는, 도 14에 도시된 바와 같이, I-V 곡선에서 전형적인 다이오드 곡선을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 아울러 본 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(100)는, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, L-I 곡선에서 전류가 증가함에 따라 휘도가 증가함을 확인할 수 있다. 아울러 활성층(30)의 두께, In의 농도 등에 따라 질화물계 반도체 소자(100)에서 발생되는 빛의 색상이 변경되는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 a면 질화물층(18) 위에 n타입의 제1 질화물층(20), 활성층(30) 및 p타입의 제2 질화물층(40)이 순차적으로 적층된 구조를 예시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 질화물계 반도체 소자는 a면 질화물층 위에 p타입의 제1 질화물층, 활성층 및 n타입의 제2 질화물층이 형성된 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 8은 도 7의 결정성장핵층의 두께에 따른 FWHM 값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판의 제1 버퍼층과 수평성장층을 보여주는 SEM 사진이다.
도 10은 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판의 수평성장층과 제2 버퍼층을 보여주는 SEM 사진이다.
도 11은 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판의 20K에서 측정된 PL 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판의 AFM으로 측정한 표면 사진이다.
도 13은 도 7의 질화물이 적층된 이종 기판을 이용한 질화물계 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 도 13의 질화물계 반도체 소자의 I-V 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 15는 도 13의 질화물계 반도체 소자의 L-I 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 13의 질화물계 반도체 소자에 전원을 인가하여 발광하는 상태를 보여주는 사진이다.
도 17은 도 13의 질화물계 반도체 소자의 방향별 x-ray rocking curve의 FWHM 값을 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
11 : 베이스 기판 12 : 결정성장핵층
13 : 제1 버퍼층 14 : 수평성장층
15 : 질화실리콘층 16 : 구멍
17 : 제2 버퍼층 18 : a면 질화물층
10 : 이종 기판 20 : 제1 질화물층
30 : 활성층 40 : 제2 질화물층
100 : 질화물 반도체 소자

Claims (18)

  1. 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 면에 형성된 질화물계 결정성장핵층;
    상기 결정성장핵층 위에 성장되며, 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장된 제1 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층 위에 성장되며, 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장된 수평성장층;
    상기 수평성장층 위에 성장된 제2 버퍼층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층, 상기 수평성장층 또는 상기 제2 버퍼층의 계면 또는 내부에 형성되며, 균일하게 복수의 구멍이 형성된 적어도 하나의 질화실리콘(SiNx)층;을 더 포함하며,
    상기 질화실리콘층의 구멍을 통하여 상기 질화실리콘층 아래의 결정이 성장하여 상기 질화실리콘층 위를 덮는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질화실리콘층은,
    상기 제1 버퍼층 위에 상기 수평성장층과 상기 제2 버퍼층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 베이스 기판은,
    사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  5. 제4항에 있어서, 상기 무극성 또는 반성극면은,
    a면, r면 또는 m면 중에 하나인 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 질화물계 결정성장핵층은,
    무극성 또는 반극성을 갖는 질화물계 단결정인 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  7. 제6항에 있어서, 상기 질화물계 결정성장핵층은,
    GaN, AlxGa1-xN, InxGa1-yN(0<x,y<1) 중에 하나인 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  8. 제7항에 있어서, 상기 질화물계 결정성장핵층은,
    450~1300℃, 30~760 torr의 질소나 수소분위기, V/Ⅲ의 비가 50~3000에서 성장시킨 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은,
    V/Ⅲ의 비가 50~2000, 450~1300℃ 및 100~760 torr에서 성장시킨 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수평성장층은,
    V/Ⅲ의 비가 2~1000, 800~1500℃ 및 10~300 torr에서 성장시킨 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  11. 제10항에 있어서, 제2 버퍼층은,
    V/Ⅲ의 비가 50~2000, 450~1300℃ 및 30~760 torr에서 성장시킨 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 질화물계 결정성장핵층은,
    5~700nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 질화물이 적층된 이종 기판;
    상기 제2 버퍼층 위에 형성된 n타입 또는 p타입 중의 하나의 제1 질화물층;
    상기 제1 질화물층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성되며 상기 제1 질화물층과 반대되는 타입의 제2 질화물층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 소자.
  14. 무극성 또는 반극성면 중에 하나를 갖는 베이스 기판을 준비하는 준비 단계;
    상기 베이스 기판의 면에 질화물계 결정성장핵층을 형성하는 결정성장핵층 형성 단계;
    상기 결정성장핵층 위에 제1 버퍼층을 성장시키되, 수평 방향에 비해서 수직 방향으로 더 빨리 성장시키는 제1 버퍼층 성장 단계;
    상기 제1 버퍼층 위에 수평성장층을 성장시키되, 수직 방향에 비해서 수평 방향으로 더 빨리 성장시키는 수평성장층 성장 단계;
    상기 수평성장층 위에 제2 버퍼층을 성장시키는 제2 버퍼층 성장 단계;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 사파이어 기판이고, 상기 무극성 또는 반성극면은 a면, r면 또는 m면 중에 하나인 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 수평성장층 성장 단계는,
    상기 제1 버퍼층 위에 제1 수평성장층을 성장시키는 단계;
    상기 제1 수평성장층 위에 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 상기 제1 수평성장층을 성장시켜 상기 질화실리콘층을 덮는 제2 수평성장층을 성장시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제2 버퍼층 성장 단계는,
    상기 수평성장층 위에 제2-1 버퍼층을 성장시키는 단계;
    상기 제2-1 버퍼층 위에 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 상기 제2-1 버퍼층을 성장시켜 상기 질화실리콘층을 덮는 제2-2 버퍼층을 성장시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종 기판의 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 수평성장층 형성 단계 이후에 수행되는,
    상기 수평성장층 위에 복수의 구멍을 갖는 질화실리콘층을 형성하는 질화실리콘층 형성 단계;를 더 포함하며,
    상기 제2 버퍼층 성장 단계에서 상기 질화실리콘층의 구멍으로 노출된 상기 수평성장층을 성장시켜 상기 질화실리콘층을 덮는 상기 제2 버퍼층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물이 적층된 이종의 제조 방법.
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