KR101068865B1 - 질화물 반도체 성장 기판 및 이를 이용한 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사파이어의 (11-22)면이 반극성이고, 무극성면과 동일한 피에조 전계를 받지 않고 발광 소자를 형성하는데 적당할 뿐만 아니라, A, M 및 R 무극성면 상의 결정 성장 결함을 해결할 수 있는 질화물 반도체 성장 기판을 제공한다.

본 발명은, 저관통 전위 밀도이며 표면 탄성이 우수하고, 피에조 전계의 영향을 받지 않는 질화물계 반도체를 반극성면 사파이어 기판에 성장하는 것을 가능하게 하고, 고성능의 발광 다이오드, 레이저 다이오드가 제작 가능한 에피택셜 기판의 제공을 가능하게 한다.

질화물, 발광소자, 반극성

Description

질화물 반도체 성장 기판 및 이를 이용한 발광 소자{Substrate for nitride semiconductor growth and light emitting device using the same}

본 발명은, 사파이어 기판의 반극성면, 특히 (11-22)면을 유효하게 이용하는 질화물계 반도체 성장 기판 및 이를 이용한 발광 소자에 관한 것이다.

질화알루미늄(이하, AlN이라 함), 질화갈륨(이하, GaN이라 함), 질화인듐(이하, InN이라 함), 또는 이들의 혼정인 질화알루미늄갈륨 또는 질화알루미늄갈륨인듐(이하, AlxGa1-x-yInyN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)이라 함) 등의 질화물계 반도체는 수발광소자나 전자 주행 소자에 이용할 수 있으므로, 근래 그 결정 성장이나 반도체 장치에의 응용에 대해 폭넓게 연구되고 있고, 발광 다이오드, 레이저 다이오드에 대해서는 이미 실용화 된 것도 있다.

그런데, 질화물계 반도체의 대형 벌크 단결정을 제공할 수 없는 현 상태로는, 일반적으로는 에피택셜 기판으로 (0001)사파이어(이하 C면 사파이어라 함)가 채용되고, 이 에피택셜 성장 방법으로는, 유기 금속 기상 성장(MOVPE)법, 분자선 에피택시(MBE)법, 하라이드 기상 성장(HVPE)법 등이 있으나, 실용화 면에서 가장 일반적인 것은 MOVPE법이 이용되고 있다.

그러나, 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 발광 장치의 경우, C축 배향한 사파이어 결정을 이용하면, 다중 양자 우물 구조 등, 헤테로 접합에 의해 구성하는 활성층에는 상기 피에조 전계가 생기고, 밴드 구조가 변화함으로써 캐리어의 재결합 확률을 저감하고, 이로 인해 휘도 향상이 방해되어 성장 조건을 최적화하여도 한계가 있다는 점에서 고휘도의 발광 장치 제작은 곤란하다고 여겨져 왔다.

이와 같이, 질화물계 반도체에서의 피에조 전계의 문제는, 반도체 장치 특성에 큰 영향을 미치는데, 이 피에조 전계에 의한 문제가 존재하지 않는 결정 성장 방법으로, (11-20) 배향(이하, A축 배향이라 함), 또는 (10-10) 배향 시키면 된다는 것이 비특허문헌1에서 이미 보고되어 있다.

질화물계 반도체를 (10-10) 배향시키는 방법에 대해서는, 현재 유효한 것이 없으며, 질화물계 반도체를 (11-20) 배향시키는 방법으로는 (1-102) 사파이어 기판(이하, R면 사파이어 기판이라 함)을 이용한 방법이 비특허문헌2에, 및 (11-20) 4H-SiC 기판 상에 AlN을 성장시키는 방법이 비특허문헌3에 기재되어 있다. 그러나, 이들 중에서 후자의 방법은, 현재의 (11-20) 4H-SiC 기판 자체의 제작 기술에서 대형화가 어렵고 양산성이 나쁘므로 적당하지 않다.

한편, 무극성 사파이어 기판은 이미 8인치 기판이 현재에도 제조 가능하고, 기판 구경 문제는 없다. 또한, 실리콘을 이용한 반도체 장치와 마찬가지의 반도체 장치 제조 프로세스가 이용 가능한 점이나, SOS(실리콘 온 사파이어) 장치와 연결하여 응용이 가능하다는 점을 고려하면, 공업적인 매력은 크다. 따라서, 양산성, 비용 면에서 생각하여 무극성 사파이어 기판 상에 질화물계 반도체를 성장시키는 방법이 가장 유리하다고 생각되었으나, 그 후의 연구에서, 무극성 사파이어 기판 상에 질화물계 반도체를 성장시키는 경우, 큰 격자 상수 차나 사파이어가 무극성인 것에서 기인하는 다량의 관통 전위 및 적층 결함이 도입되는 문제, 및 반도체 장치의 제조에 필요한 급준한 계면의 형성을 곤란하게 하는 열악한 결정 형태의 문제가 있는 것이 밝혀졌다(특허문헌1).

[선행기술 문헌]

[특허문헌1] 일본 특개 2006-232640호 공보

[비특허문헌1] Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 39 (2000) 413-416

[비특허문헌2] Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) L818-820

[비특허문헌3] Applied Physics Letters Vol. 83 (2003) 5208-5210

따라서 본 발명자들은, 사파이어가 GaN과 마찬가지의 울츠형 결정 구조를 갖는 것을 감안하여 예의 연구한 결과, 그 (11-22)면이 반극성이 되고 무극성면과 동일한 피에조 전계를 받지 않고 발광 소자를 형성하는데 적당할 뿐만 아니라, A, M 및 R 무극성면 상의 결정 성장 결함을 해결할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은, 반극성면, 특히 (11-22) 반극성면을 갖는 사파이어 기판의 주면 상에 AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반극성면을 갖는 질화물 반도체 성장 기판을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은, (11-22) 반극성면을 갖는 사파이어 기판의 주면 상에, 형성된 AlN 또는 AlGaN 버퍼층 상에 반도체 소자 구조를 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명에서는, 피에조 전계에 의한 영향을 받기 어려운 반도체 소자 구조를 형성할 수 있다. 또한, 버퍼층은 A축 방향으로 성장시키면 C축 방향 성장에서는 받기 쉬운 결정 결함을 감소시킬 수 있으므로, 횡방향 성장 방법을 채용하고, 결함 밀도를 10E6/cm2 이하로 저감하는 것이 좋다.

본 발명의 질화물 반도체를 제조하는 데는 사파이어 단결정 벌크에서 도1에 나타내는 (11-22) 반극성면을 갖는 사파이어 기판을 잘라 내거나 또는 도2에 나타 내는 사파이어 기판 C면에 (11-22) 반극성면을 형성하는 홈을 넣는 공정과,

사파이어 기판의 (11-22) 반극성면을 갖는 주면 상에 AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 형성하는 공정과,

이 버퍼층 상에 상기 질화물계 반도체 소자 구조를 형성하는 공정, 에 의해 이루어지는 것이 좋다.

AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층은 (11-22) 반극성면 상에서 선택적으로 횡방향으로 성장시키는 공정에서 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 저관통 전위 밀도이고 또한 표면 평탄성이 우수한 피에조 전계의 영향을 받지 않는 질화물계 반도체를 반극성면 사파이어 기판에 성장하는 것을 가능하게 하고, 고성능의 발광 다이오드, 레이저 다이오드가 제작 가능한 에피택셜 기판의 제공을 가능하게 한다.

본 발명은, 저관통 전위 밀도이며 표면 탄성이 우수하고, 피에조 전계의 영향을 받지 않는 질화물계 반도체를 반극성면 사파이어 기판에 성장하는 것을 가능하게 하고, 고성능의 발광 다이오드, 레이저 다이오드가 제작 가능한 에피택셜 기판의 제공을 가능하게 한다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

반극성면 사파이어 기판 상에 GaN층을 형성한 GaN/GaInN 다중 양자 우물 구조 발광 장치를 제작하였다. 도3에 나타낸 바와 같이, 반극성면을 주면으로 하는 사파이어 기판(1) 상에, MOVPE법에 의해 n형 GaN 버퍼층(30㎛)(2), n형 GaN 클래드층(450nm)(3), GaN/InGaN 다중 양자 우물 구조 활성층(4), p형 AlGaN 클래드층(50nm)(5), p형 GaN층(200nm)(6)을 순차 적층하였다. 여기에 반응성 이온 에칭에 의한 메사 가공, 및 p측 전극(7)과 n측 전극(8)을 형성하고 발광 장치를 형성하였다.

관통 전위 밀도를 저감하는 하나의 수법으로, 선택 횡방향 성장을 이용할 수 있다(Applied Physics Letters Vol. 81 (2002) 1201-1203). 도4에 나타낸 바와 같이, (11-22)면을 주면으로 하는 사파이어 기판(1) 상에 MOVPE법에 의해 GaN층(11)을 성장시킨 후, 기존의 포토리소그래피 기술 및 습식 에칭 기술에 의해 SiO2로 이루어진 마스크(12)를 형성하고, 그 후 MOVPE법에 의해 재성장 GaN층(13)을 재성장하였다. 이 방법에 의해 마스크(12)가 관통 전위가 재성장층에 전달되는 것을 방지하고, 관통 전위 밀도를 저감할 수 있다.

즉, (11-22)면 사파이어 기판(1)의 표면에 마스크(12)를 사이에 두고 주기적인 요철홈 가공이 이루어지고, 홈부(11c) 및 테라스부(11b)가 형성되어 있다. 그 위에 제1 하지층(13), 제2 하지층(14)을 순차 성장시키고, 그 후 마지막으로 질화물계 반도체층(15)이 성장되었다. 질화물계 반도체층(15)은 선택 횡방향 성장하여 반극성 사파이어 기판(1)에 형성된 주기적인 요철홈 구조를 메우고, 에피택셜 기판(10)으로 하여도 좋다.

다음으로, 마스크(12)는 포토리소그래피 기술과 증착 기술 등을 이용하여 반극성 사파이어 기판(1) 상에 라인 앤드 스페이스의 마스크(12)를 형성한다(도 4(a)).

다음으로, 에칭에 의해 반극성 사파이어 기판(1) 표면의 마스크 개구부(11a) 일부를 제거하고, 홈부(11c)를 형성한다. 마스크부(11b)는 에칭되지 않으므로, 테라스부(11b)가 되고, 주기적인 요철홈 구조가 형성된다(도4(b)).

다음으로, 반극성 사파이어 기판(1) 표면에서 마스크(12)를 제거한다. 이렇게 하여 주기적인 요철홈 구조를 갖는 반극성 사파이어 기판(1)을 얻는다(도4(c)).

다음으로, MOVPE법에 의해 상기 반극성 사파이어 기판(1) 상에 질화물계 반도체층(15)을 성장시킨다. 막후나 조성을 제어하여 제1 하지층(13), 제2 하지층(14)을 순차 적층함으로써, 그 위에는 표면이 평탄하고 비교적 결정성이 좋은 A축 배향한 질화물계 반도체층(15)을 성장시킬 수 있다(도4(d)).

V/III비는, 성장 시의 III족 원료인 유기 금속의 공급량에 대한, V족 원료인 암모니아(이하, NH3이라함)의 공급량 비이고, V/III비에 의해 성장 속도의 이방성이 변화한다. 또한, C축 배향한 질화물계 반도체의 V/III비와 다르므로 질화물계 반도체층(15)의 결정이 횡방향 성장을 확보하도록 유의할 필요가 있다.

한편, 상기 사파이어 기판에 형성한 주기적인 요철홈 가공의 치수에 대해서는, 마스크부에서는 질화물계 반도체층(15) 중에 관통 전위가 많이 생성되므로 되도록 그 폭은 작은 것이 좋다.

마스크 개구부(11a)는, 에칭에 의해 홈부(11c)가 형성된다. 그 측벽에서 선택 횡방향 성장이 시작되고, 관통 전위가 횡방향으로 전달하므로 막후 방향으로 늘어나는 전위를 감소시킬 수 있고, 질화물계 반도체층(15)의 관통 전위 밀도의 저감 에 기여한다.

마스크 개구부(11a)의 폭은 너무 넓으면 질화물계 반도체층(15)의 초기 성장 도메인이 홈의 저부에서도 성장하므로 막후 방향으로 성장하고, 관통 전위 밀도의 저감이 곤란해지므로, 반극성 사파이어 기판(1) 상에 성장시킨 A축 배향의 질화물계 반도체층(15)의 경우는, 홈부(11c)를 이용하는 것이 가능하다. 이는, 성장 방위 의존성에 의해 홈부(11c)의 밑에서부터의 성장 보다 선택 횡방향 성장하고 있는 도메인의 성장을 촉진하는 것이 우위이기 때문이다.

또한, 에칭법에 의해 형성하는 반극성 사파이어 기판(4) 표면의 주기적인 요철홈 구조의 깊이는, 전위 밀도의 저감 효과를 충분히 얻기 위해서는 선택 횡방향 성장을 확보할 수 있는 것이 좋다.

이상과 같이 하여 성장한 A축 배향의 질화물계 반도체(15)는, 표면 평탄성이 우수하고, 결정성의 개선에 의한 발광 특성 향상이 포토루미네센스법 등에 의해 관찰된다. 이와 같이 하여 에피택셜 기판(10)이 제작된다.

한편, 상기 실시예에서는 사파이어 기판 상에 요철홈 가공을 실시하였으나, 질화물계 반도체층을 형성하고, 그 위에서 주기적인 요철홈 가공을 실시하고 그 측벽에서 선택 횡방향 성장을 시작하고, 관통 전위를 횡방향으로 전달시켜, 막후 방향으로 늘어나는 전위를 감소시키도록 하여도 좋다. 이와 같이 함으로써, 질화물계 반도체층에 형성된 주기적인 요철홈 구조를 메우도록 성장시킬 수 있다.

도1은, 사파이어 (11-22)면을 설명하는 사시도이다.

도2는, C면 사파이어 기판 상에 (11-22)면을 형성하는 단면도이다.

도3은, 본 발명의 에피택셜 기판 상에 형성한 반도체 장치를 설명하는 단면도이다.

도4는, 본 발명의 반극성 사파이어 기판 상에 요철을 설치하고, 에피택셜 기판을 형성하는 방법에 대해 설명하는 단면도이다.

[부호의 설명]

1 에피택셜 기판

11a 마스크 개구부

11b 테라스부

11c 홈부

12 마스크

13 제1 하지층

14 제2 하지층

15 질화물계 반도체층

Claims (7)

1. (11-22) 반극성면을 주면으로 갖는 사파이어 기판의 주면 상에 AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반극성면을 갖는 질화물 반도체 성장 기판.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어,

   상기 (11-22) 반극성면을 갖는 사파이어 기판의 주면 상에, 요철 가공을 실시한 후 AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 성장 기판.
4. (11-22) 반극성면을 주면으로 갖는 사파이어 기판의 주면 상에, 형성된 AlN 또는 AlGaN 버퍼층 상에 반도체 소자 구조를 형성하여 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제4 항에 있어,

   상기 반도체 소자 구조의 n형 질화물 반도체층이 관통 전위 밀도 10E6/cm2 이하의 단층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 사파이어 단결정에서 (11-22) 반극성면을 주면으로 갖는 사파이어 기판을 잘라 내는 공정과,

   상기 사파이어 기판의 (11-22) 반극성면을 갖는 주면 상에 AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 형성하는 공정과,

   상기 버퍼층 상에 질화물계 반도체 소자 구조를 형성하는 공정을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
7. 제6 항에 있어,

   (11-22) 반극성면 상에서 요철 가공을 실시한 후, AlN, GaN 또는 AlGaN 버퍼층을 선택적으로 횡방향으로 성장시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.

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