KR101062283B1 - Nitride-based light emitting device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 제 1 완충층을 형성하는 단계와, 제 1 완충층 상에 결함치유용 금속층을 형성하는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 용융시켜 상기 제1 완충층을 형성하는 단계에서 형성된 상기 제 1 완충층 상의 결함이 존재하는 부위로 이동시키는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 제 2 완충층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 완충층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a nitride-based light emitting device that can improve the optical and electrical properties of the device by minimizing the defect density in the nitride-based semiconductor layer in forming a nitride semiconductor layer on a substrate having a different lattice constant as In the method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to the present invention, the method comprises the steps of preparing a substrate, forming a first buffer layer on the substrate, forming a metal layer for repairing a defect on the first buffer layer, the defect Dissolving a healing metal layer to move to a site where a defect exists on the first buffer layer formed in the step of forming the first buffer layer, and forming a second buffer layer on the entire surface of the first buffer layer including the defect healing metal layer. Forming an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer sequentially on the second buffer layer. Characterized in that made.
결함치유, 질화물계, 발광소자 Fault healing, nitride system, light emitting device
Description
본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접천이형의 에너지밴드(energy band) 구조를 갖고 있어, 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 각광을 받고 있다. 특히, GaN을 이용한 청색 및 녹색 발광소자는 대화면 천연색 평판표시장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. Nitride of group III elements such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN) has excellent thermal stability and has a direct transition type energy band structure, making it a popular material for light emitting devices in the blue and ultraviolet regions. Is getting. In particular, blue and green light emitting devices using GaN have been utilized in various applications such as large-screen natural color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting, high density light sources, high resolution output systems, and optical communications.
한편, 이러한 Ⅲ족 원소의 질화물계 반도체층 특히, GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종(homo)의 기판을 제작하기가 어려워 유사한 결정 구조를 갖는 이 종(hetero) 기판 상에서 성장시킨다. 이종 기판으로는 사파이어(sapphire, Al2O3) 기판, 실리콘(Si) 단결정 기판이 주로 사용된다. On the other hand, such a group III element nitride-based semiconductor layer, especially GaN, is difficult to fabricate a homogeneous substrate capable of growing it, and thus is grown on a hetero substrate having a similar crystal structure. Sapphire (Al 2 O 3 ) substrate and silicon (Si) single crystal substrate are mainly used as the different substrates.
그러나, 결정 구조가 유사하더라도 기판과 그 기판 상에 형성되는 질화물계 반도체층의 격자상수가 상이함에 따라, 예를 들어 사파이어 기판 상에 질화물계 반도체층을 임계 두께 이상으로 성장시키게 되면 해당 질화물계 반도체층 내에는 전위(dislocation), 마이크로 트윈(micro-twin) 등과 같은 결함이 필연적으로 발생하게 된다. However, even if the crystal structure is similar, the lattice constant between the substrate and the nitride semiconductor layer formed on the substrate is different. For example, when the nitride semiconductor layer is grown above the critical thickness on the sapphire substrate, the nitride semiconductor Defects such as dislocation, micro-twin and the like inevitably occur in the layer.
이와 같은 질화물계 반도체층 내의 결함은 후속 공정을 통해 순차적으로 적층되는 여타의 질화물계 반도체층으로 전이되어 소자 전체의 광학적 특성 및 전기적 특성을 저하시키게 된다. Such defects in the nitride-based semiconductor layer are transferred to other nitride-based semiconductor layers sequentially stacked in a subsequent process to degrade the optical and electrical characteristics of the entire device.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기판 상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 등의 질화물계 반도체층을 성장시키기 전에 완충층(buffer layer)을 일정 두께 이상 형성시켜 기판과 질화물계 반도체층 사이의 격자 부정합을 최소화하는 방법이 제시된 바 있다. 이 때, 완충층으로는 AlN, Al1-xGaxN 등이 이용될 수 있다. 그러나, 이 방법은 질화물계 반도체층으로의 결함 전이를 막기 위해 수㎛∼수십㎛ 두께의 완충층을 형성해야 함에 따라, 완충층 성장시간 및 재료 소모가 많다는 단점이 있다. In order to solve this problem, before growing a nitride-based semiconductor layer such as an n-type semiconductor layer, an active layer, p-type semiconductor layer on the substrate by forming a buffer layer or more a certain thickness between the substrate and the nitride-based semiconductor layer A method of minimizing lattice mismatches has been proposed. In this case, AlN, Al 1-x Ga x N, or the like may be used as the buffer layer. However, this method is disadvantageous in that a buffer layer having a thickness of several micrometers to several tens of micrometers must be formed in order to prevent defect transition to the nitride semiconductor layer.
다른 방법으로, 완충층의 재료로 Al1-xGaxN을 이용하고 Al1-xGaxN의 Ga 함량을 서서히 증가시켜 완충층의 격자상수가 질화물계 반도체층 즉, GaN의 격자상수와 유 사하도록 유도하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법의 경우 결함전이 방지에는 효과적이나, 완충층 성장시 공정 조건의 제어가 까다롭다는 문제점이 있다. 상술한 방법 이외에, GaN 초격자(superlattice)와 AlGaN 초격자를 순차적으로 적층시켜 초격자 구조의 완충층을 형성하는 방법이 있으나, 공정이 복잡해지는 단점이 있다. Alternatively, the use of the Al 1-x Ga x N of the material of the buffer layer and the nitride-based semiconductor layer the lattice constant of the buffer layer by increasing the Ga content of Al 1-x Ga x N slowly That is, the GaN lattice constant and oil used There is a way to induce it. However, this method is effective in preventing defect transition, but has a problem in that it is difficult to control process conditions in buffer layer growth. In addition to the above-described method, there is a method of forming a buffer layer having a superlattice structure by sequentially stacking GaN superlattices and AlGaN superlattices, but it has a disadvantage in that the process is complicated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, it is possible to improve the optical and electrical properties of the device by minimizing the defect density in the nitride-based semiconductor layer in forming a nitride-based semiconductor layer on a substrate having a different lattice constant An object of the present invention is to provide a nitride-based light emitting device and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 제 1 완충층을 형성하는 단계와, 제 1 완충층 상에 결함치유용 금속층을 형성하는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 용융시켜 상기 제1 완충층을 형성하는 단계에서 형성된 상기 제 1 완충층 상의 결함이 존재하는 부위로 이동시키는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 제 2 완충층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 완충층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. A method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a substrate, forming a first buffer layer on the substrate, and forming a metal layer for defect healing on the first buffer layer And moving to a site where a defect exists on the first buffer layer formed in the step of melting the defect healing metal layer to form the first buffer layer, and the front surface of the first buffer layer including the defect healing metal layer. And forming an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer sequentially on the second buffer layer.
상기 기판의 격자상수는 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층의 격자상수와 동일하지 않다. 또한, 상기 기판은 실리콘 단결정 기판 또는 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있다. The lattice constant of the substrate is not the same as the lattice constant of the first buffer layer and the second buffer layer. In addition, the substrate may be a silicon single crystal substrate or a sapphire substrate, and the first buffer layer and the second buffer layer may be formed of a general formula of In x (Al y Ga 1-y ) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). It may be composed of a material included in the formula.
상기 결함치유용 금속층은 Ⅲ족 원소로 구성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 갈 륨(Ga), 인듐(In) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 결함치유용 금속층은 물리기상증착법을 통해 형성되거나 금속-유기 화학기상증착법을 통해 형성될 수 있다. The defect healing metal layer may be composed of a group III element, and may be any one of aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). In addition, the defect healing metal layer may be formed through physical vapor deposition or metal-organic chemical vapor deposition.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 완충층과, 상기 제 1 완충층의 결함이 존재하는 부위 상에 형성된 결함치유용 금속층으로서, 상기 결함치유용 금속층은 용융되어 상기 제1 완충층이 형성될 때 발생된 상기 제 1 완충층의 결함이 존재하는 부위에 위치하는 결합치유용 금속층과, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 형성된 제 2 완충층과, 상기 제 2 완충층 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The nitride-based light emitting device according to the present invention is a defect-healing metal layer formed on a substrate, a first buffer layer formed on the substrate, and a portion where a defect of the first buffer layer exists, wherein the defect-healing metal layer is melted to A bond-healing metal layer positioned at a site where a defect of the first buffer layer generated when the first buffer layer is formed, a second buffer layer formed on the entire surface of the first buffer layer including the defect-healing metal layer, and the first buffer layer; And an n-type semiconductor layer, an active layer and a p-type semiconductor layer sequentially stacked on the two buffer layers.
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본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The nitride-based light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention have the following effects.
완충층을 형성함에 있어, 완충층을 제 1 완충층과 제 2 완충층으로 구성하고 상기 제 1 완충층과 제 2 완충층 사이에 결함치유용 금속층을 개재시킴으로써 제 1 완충층의 결함이 제 2 완충층으로 확산되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이를 통해 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다. In forming the buffer layer, the buffer layer may be composed of a first buffer layer and a second buffer layer, and a defect of the first buffer layer may be prevented from spreading to the second buffer layer by interposing a metal layer for defect healing between the first buffer layer and the second buffer layer. It becomes possible. Through this, it is possible to improve the optical and electrical properties of the device.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판과 질화물계 반도체층 사이에 구비되는 완충층(buffer layer)을 형성함에 있어서, 상기 완충층을 제 1 완충층과 제 2 완충층으로 구성하고 상기 제 1 완충층과 제 2 완충층 사이에 결함치유용 금속층을 구비시켜, 상기 제 1 완충층 내의 결함이 제 2 완충층으로 전이되는 것을 최소화하는 것을 특징으로 한다. In the nitride based light emitting device according to the present invention, in forming a buffer layer provided between a substrate and a nitride based semiconductor layer, the buffer layer includes a first buffer layer and a second buffer layer and the first buffer layer and the second buffer layer. By providing a metal layer for the healing between the defects, it is characterized in that the transfer of the defects in the first buffer layer to the second buffer layer is minimized.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.Hereinafter, a nitride based light emitting device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention, Figures 2a to 2d is a view for explaining a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention It is a process cross section.
먼저, 도 1 및 도 2a에 도시한 바와 같이 기판을 준비하고(S101), 상기 기판(101) 상에 제 1 완충층(102)을 형성한다(S102). 상기 제 1 완충층(102)은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있으며, 상기 기판(101)으로는 실리콘(Si) 단결정 기판, 사파이어(Al2O3) 기판이 사용될 수 있다. 이 때, 상기 기판(101)과 제 1 완충층(102)은 격자상수가 상이함에 따라, 격자부정합에 의해 상기 제 1 완충층(102)에는 많은 전위 결함(dislocation defect)(102a)이 존재한다. First, as shown in FIGS. 1 and 2A, a substrate is prepared (S101), and a
구체적으로 살펴보면, 일 실시예로 (111) 방향의 실리콘 단결정 기판(101) 상에 제 1 완충층(102)으로 AlN을 250nm 적층시킨 상태에서, 상기 AlN 박막의 표면을 관찰하면 도 3에 도시한 바와 같이 전형적인 전위 결함의 하나인 핀홀(pin hole)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이는 실리콘 단결정 기판(101)과 AlN 박막이 약 19%의 격자부정합(lattice mismatch)을 이루기 때문이다. 이와 같은 핀홀은 제 1 완충층(102)의 핵(nucleation)과 핵 사이의 공간이 성장되는 형태로 형성되거나, 핵과 핵 사이의 성장속도 차이에 의해 나선형으로 자라면서 육각형의 형태로 형성될 수도 있다. Specifically, as an example, when AlN is deposited to 250 nm of the
한편, 높은 전위결함 밀도를 갖는 제 1 완충층(102)이 형성된 상태에서, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 제 1 완충층(102)의 전면 상에 결함치유용 금속층(103)을 형성한다(S103). 상기 결함치유용 금속층(103)은 물리기상증착법(physical vapor deposition) 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 통해 형성할 수 있다. On the other hand, in a state where the
먼저, 물리기상증착법으로는 분자선 결정성장법(molecular beam epitaxy) 또는 원자층 적층법(atomic layer epitaxy)을 이용할 수 있으며, 이 경우 Al, Ga, In 등의 Ⅲ족 금속원소를 상기 제 1 완충층(102) 상에 직접 증착시켜 결함치유용 금속층(103)을 형성한다. 화학기상증착법을 이용할 경우, 금속-유기 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)을 적용할 수 있으며 세부적으로, Ⅲ족 금속원소의 전구체(precursor)인 TMA(TriMethylAluminum:((CH3)3Al), TMG (Trimethylgalium: ((CH3)3Ga), TMI (Trimethylindium: ((CH3)3In) 중 어느 하나를 상기 제 1 완충층(102) 상에 흡착시킨 후 환원가스를 공급하여 상기 제 1 완충층(102) 상에 Al, Ga, In 중 어느 하나로 이루어지는 결함치유용 금속층(103)을 형성할 수 있다. First, as a physical vapor deposition method, a molecular beam crystal growth method or a molecular layer epitaxy method may be used, and in this case, a group III metal element such as Al, Ga, In, or the like may be used as the first buffer layer ( Deposition directly on the 102 to form a defect healing metal layer (103). When chemical vapor deposition is used, metal organic chemical vapor deposition may be applied, and in detail, TMA (TriMethylAluminum: ((CH 3 ) 3 Al), a precursor of Group III metal elements) may be applied. , TMG (Trimethylgalium: ((CH 3 ) 3 Ga), TMI (Trimethylindium: ((CH 3 ) 3 In)) is adsorbed on the
이와 같이, 상기 제 1 완충층(102) 상에 Ⅲ족 금속원소로 이루어진 결함치유용 금속층(103)이 형성된 상태에서, 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 기판(101)에 열에너지를 가하여(S104) 상기 결함치유용 금속층(103)을 금속 클러스터(cluster)(103a) 형태로 분열시키고, 분열된 금속 클러스터(103a)들이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 존재하는 부위 상에 위치하도록 한다(S105). As described above, in the state where the defect
분열된 결함치유용 금속층(103) 즉, 금속 클러스터(103a)들이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 존재하는 부위로 이동하는 원리는 다음과 같다. 제 1 완충층(102)의 표면에 있어서 결함(102a)이 존재하는 부위는 결함이 존재하지 않는 부위에 비해 상대적으로 낮은 표면 에너지 상태를 이룬다. 이와 같은 상태에서, 상기 기판(101)에 가해진 열에너지로 인해 높은 에너지 상태의 금속 클러스터(103a)는 열역학적으로 안정화되기 위해 상대적으로 낮은 에너지 상태를 갖는 결함(102a)이 존재하는 부위로 이동하게 되는 것이다. The principle of the cleaved defect
한편, 상기 결함치유용 금속층(103)의 분열 및 금속 클러스터(103a)의 구동력을 확보하기 위해, 상기 기판(101)은 결함치유용 금속층(103)의 녹는점에 상응하는 온도로 가열되는 것이 바람직하다. On the other hand, in order to secure the cleavage of the defect
상기 분열된 결함치유용 금속층(103)이 상기 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a) 상에 위치함으로 인해 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a)은 치유되는데, 이는 실험 결과를 통해 확인할 수 있다. 도 4는 제 1 완충층인 AlN 박막 상에 결함치유용 금속층인 Al을 적층시킨 상태에서 기판에 열을 가한 후의 AlN 박막 표면을 나타낸 사진으로서, 도 4에 도시한 바와 같이 AlN 박막 표면에 존재하던 결함(도 3 참조)이 보이지 않음을 알 수 있다. 이는 열에너지가 가해진 Al이 AlN 박막 상의 결함이 존재하는 부위로 이동하였음을 반증한다. Since the cleaved defect
이와 같이, 분열된 결함치유용 금속층(103)이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a) 상에 위치함으로써 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a)은 치유되며 달리 표현하여, 제 1 완충층(102)의 표면 전체가 비교적 균일한 격자상수를 갖게 됨을 의미한다. As such, since the divided defect
상기 분열된 결함치유용 금속층(103)에 의해 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 치유된 상태에서, 달리 말하여 상기 제 1 완충층(102) 표면 전체의 격자상수가 균일화된 상태에서 도 2d에 도시한 바와 같이 제 2 완충층(104)을 형성한다(S106). 상기 제 2 완충층(104)은 상기 제 1 완충층(102)과 동일한 물질로 형성할 수 있으며, 구체적으로 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 형성할 수 있다. 이 때, 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 치유된 상태임에 따라, 상기 제 1 완충층(102) 상에 형성되는 제 2 완충층(104) 역시 결함(102a) 밀도가 최소화된 상태에서 성장된다. In the state where the
상기 제 2 완충층(104)의 형성 후, 상기 제 2 완충층(104) 상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하면(S107) 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 완료된다. After the formation of the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 실리콘 단결정 기판 적층된 제 1 완충층의 표면을 나타낸 SEM 사진.3 is a SEM photograph showing the surface of a first buffer layer laminated on a silicon single crystal substrate.
도 4는 결함치유용 금속(Al)이 제 1 완충층(AlN)의 결함이 존재하는 부위로 이동된 것을 나타낸 SEM 사진.FIG. 4 is a SEM photograph showing that the defect healing metal Al is moved to a site where a defect of the first buffer layer AlN exists.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing
101 : 기판 102 : 제 1 완충층101
102a : 결함 103 : 결함치유용 금속층102a: Defect 103: metal layer for defective healing
103a : 금속 클러스터 104 : 제 2 완충층103a: metal cluster 104: second buffer layer
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