KR101137513B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 베이스 기판과 반도체층 사이에 베이스 기판 및 반도체층과 각각 격자 정합성이 양호한 버퍼층을 배치하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 베이스 기판 위에 질화물 소재의 버퍼층을 형성할 때, V족 소스 또는 Ⅲ족 소스의 공급량을 가변하여 버퍼층을 일체로 형성함으로써, 버퍼층을 일체로 형성하면서 버퍼층 내부의 조성을 변경할 수 있다. 따라서 베이스 기판 및 반도체층 모두에 격자 정합성이 양호한 버퍼층을 형성할 수 있다. 이로 인해 베이스 기판과 반도체층의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 반도체층의 크랙, 뒤틀림 및 전위 등의 발생을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 버퍼층으로 인한 반도체층의 결정결함을 감소시킴으로써, 내부양자효율을 향상시켜 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베이스 기판과 반도체층 사이에 베이스 기판 및 반도체층과 격자 정합성이 양호한 버퍼층을 배치한 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 질소(N)와 같은 V족 소스와, 갈륨(Ga) 또는 알루미늄(Al)과 같은 Ⅲ족 소스를 포함하는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등의 질화물 반도체 소재는 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 질화물계 반도체 발광소자용 물질로 많이 사용되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 질화물 반도체 소재를 이용하여 형성한 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나 질화물 반도체층이 이종 기판 위에 형성될 경우, 반도체층과 이종 기판 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 이러한 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율과 같은 특성을 악화시킨다.
따라서 이종 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다. 이때 버퍼층은 이종 기판과 반도체층 사이에 형성되며, MOCVD 또는 MBE를 이용하여 이종 기판 위에 저온으로 성장하여 형성한다.
이와 같이 저온에서 성장된 버퍼층은 주로 이종 기판에 수직으로 성장하므로 컬럼 형상의 구조(columnar structure)를 갖는다. 한편 반도체층은 그 하부에 위치한 버퍼층의 결정 구조, 결정질 및 컬럼의 크기 분포 등의 영향을 받는다. 즉, 버퍼층 위의 반도체층에 버퍼층의 결정결함이 전사된다. 따라서 버퍼층의 컬럼 형상의 구조에 따른 결정결함은 반도체층의 결정결함으로 나타난다.
이와 같은 문제를 해소하기 위해서, 버퍼층을 다층으로 형성하는 기술이 소개되고 있다. 버퍼층의 조성을 점차적으로 변경될 수 있도록 버퍼층을 다층으로 형성함으로써, 이종 기판과 반도체층 간의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인한 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위의 발생을 감소시킬 수 있다.
하지만 버퍼층을 다층으로 형성하는 경우, 버퍼층의 제조 공정이 복잡하여 버퍼층을 제조하는 데 공정 시간이 많이 소요될 수 있다. 또한 다층으로 버퍼층을 형성함으로써, 버퍼층을 구성하는 층 간의 계면에서 균일도 및 이형 버퍼층 사용에 따른 격자 상수 차이 등의 문제가 발생될 소지가 있기 때문에, 버퍼층을 구성하는 층 간의 계면 정합성을 고려해야 하는 번거로움이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 베이스 기판과 반도체층 사이에 베이스 기판과 반도체층과 격자 정합성이 양호한 버퍼층을 갖는 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다층으로 구성된 버퍼층의 층 간 계면 정합성 문제를 해소할 수 있는 단일 구조의 버퍼층을 갖는 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 베이스 기판을 준비하는 단계와, 상기 베이스 기판 위에 질화물 소재의 질화물 핵 성장층을 형성하는 핵 성장층 형성 단계와, Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 질화물 핵 성장층 위에 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성 단계, 및 상기 버퍼층 위에 pn 접합을 갖는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 핵 성장층 형성 단계에서, Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 하나의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 핵 성장층 형성 단계 및 상기 버퍼층 형성 단계를 연속적으로 진행하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층과 버퍼층을 연속하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 버퍼층 형성 단계에서, 상기 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, 상기 Ⅴ족 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 버퍼층을 형성할 수 있다.
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본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 버퍼층은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 중에 하나이다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 반도체층 형성 단계는, 상기 버퍼층 위에 n형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계, 및 상기 활성층 위에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 베이스 기판은 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 및 산화 마그네슘(MgO) 중의 하나 또는 이들의 화합물로 제조된 기판일 수 있다.
본 발명은 또한, 사파이어 기판을 준비하는 단계와, 상기 사파이어 기판 위에 AIN 소재의 질화물 핵 성장층을 형성하는 핵 성장층 단계와, Al의 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, N의 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 질화물 핵 성장층 위에 AlN 소재의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성 단계, 및 상기 버퍼층 위에 pn 접합을 갖는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 또한, 베이스 기판, 질화물 소재의 질화물 핵 성장층, Ⅲ-Ⅴ족 소재의 버퍼층 및 질화물 소재의 반도체층을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다. 상기 질화물 핵 성장층은 상기 베이스 기판 위에 형성된다. 상기 버퍼층은 Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 베이스 기판 위에 형성한다. 그리고 상기 반도체층은 상기 버퍼층 위에 형성되며, pn 접합을 갖는다.
본 발명에 따르면, 베이스 기판 위에 질화물 소재의 버퍼층을 형성할 때, V족 소스 또는 Ⅲ족 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 버퍼층을 일체로 형성함으로써, 버퍼층을 일체로 형성하면서 버퍼층 내부의 조성을 변경할 수 있기 때문에, 베이스 기판 및 반도체층 모두에 격자 정합성이 양호한 버퍼층을 형성할 수 있다. 이로 인해 베이스 기판과 반도체층의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 반도체층의 크랙, 뒤틀림 및 전위 등의 발생을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 버퍼층으로 인한 반도체층의 결정결함을 감소시킴으로써, 내부양자효율을 향상시켜 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 소재의 버퍼층을 갖는 질화물계 반도체 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 3 내지 도 7은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다.
도 8은 도 2의 버퍼층을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 일 예를 보여주는 파형도이다.
도 9는 도 2의 버퍼층을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 다른 예를 보여주는 파형도이다.
도 2는 도 1의 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 3 내지 도 7은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다.
도 8은 도 2의 버퍼층을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 일 예를 보여주는 파형도이다.
도 9는 도 2의 버퍼층을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 다른 예를 보여주는 파형도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 소재의 버퍼층(13)을 갖는 질화물계 반도체 발광소자(10)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(10)는 베이스 기판(11), 질화물 핵 성장층(12), 버퍼층(13) 및 반도체층(14,15,16)을 포함한다. 이때 반도체층(14,15,16)은 n형 반도체층(14), 활성층(15) 및 p형 반도체층(16)을 포함하며, pn 접합을 갖는다.
본 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(10)는 베이스 기판(11)과, 베이스 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 질화물 핵 성장층(12), 버퍼층(13), n형 반도체층(14), 활성층(15) 및 p형 반도체층(16)을 포함한다. 그리고 질화물계 반도체 발광소자(10)는 외부와 연결될 수 있도록 p형 전극과 n형 전극이 형성된다. 예컨대 질화물계 반도체 발광소자(10)는 p형 반도체층(16)과 활성층(15)이 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되어, n형 반도체층(14)의 일부 상면이 노출되는 구조를 가질 수 있다. 그리고 노출된 n형 반도체층(14)에는 n형 전극이 형성된다. 그리고 p형 반도체층(16) 상에는 ITO(Indium-Tin oxide) 등으로 이루어진 투명전극층이 형성되며, 그 위에는 p형 전극이 형성될 수 있다.
베이스 기판(11)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 소재로 이루어질 수 있다. 이때 베이스 기판(11)은 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 산화 마그네슘(MgO) 등의 원소 혹은 화합물로 제조될 수 있다. 예컨대 베이스 기판(11)으로는 c면({0001}면), R면({1-102}), M면({1-100}) 및 A면({11-20})을 갖는 사파이어 기판 등이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 베이스 기판(11)으로 c면을 사용하였다. c면 베이스 기판(11) 위에 질화물 핵 성장층(12), 버퍼층(13), n형 반도체층(14), 활성층(15) 및 p형 반도체층(16)이 순차적으로 형성될 수 있다.
질화물 핵 성장층(12)은 베이스 기판(11)의 위에 형성된다. 이때 질화물 핵 성장층(12)은 Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 가변하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 층으로 베이스 기판(11) 위에 형성된다. 이때 Ⅲ족 소스로는 B, Al, Ga, In 등이 사용될 수 있다. Ⅴ족 소스로는 N, P, As 등이 사용될 수 있다. 예컨대 Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 이용하여 형성한 질화물 핵 성장층(12)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 질화물 핵 성장층(12)으로 AlN을 사용하였다. 이때 Ⅲ족 소스로는 Al을 함유하는 TMAl(trimethylaluminum)이 사용되고, Ⅴ족 소스로는 N을 함유하는 NH3가 사용될 수 있다.
버퍼층(13)은 베이스 기판(11)과 n형 반도체층(14)의 격자 상수 차이를 줄여 주기 위한 것으로서, 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 베이스 기판(11) 위에 형성된다. 또한 버퍼층(13)은 베이스 기판(11)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭을 방지하는 등, 베이스 기판(11)과 n형 반도체층(14) 사이의 스트레스를 완화하는 기능을 수행한다. 예컨대 버퍼층(13)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 버퍼층(13)은 금속 유기 화학 기상 증착법(Metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy; MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metal organic chemical vapor phase epitaxy; MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(10)는 Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 가변하여 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 베이스 기판(11) 위에 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 버퍼층(13)을 형성한다. 예컨대 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, Ⅴ족 소스의 공급량을 가변하여 버퍼층(13)을 형성할 수 있다. 이때 Ⅴ족 소소는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스텝형으로 공급량을 가변하여 연속적으로 공급될 수 있다. 또는 Ⅴ족 소스는, 도 9에 도시된 바와 같이, 커브형으로 공급량을 가변하여 연속적으로 공급될 수 있다. 또는 Ⅴ족 소스는 스텝형과 커브형이 혼용된 형태로 공급량을 가변하여 연속적으로 공급될 수 있다. 그리고 Ⅲ족 소스는 일정량이 연속적으로 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 버퍼층(13)으로 AlN을 사용하였다.
한편 질화물 핵 성장층(12) 및 버퍼층(13)은 개별 공정으로 진행하여 순차적으로 적층하여 형성할 수도 있다.
또는 질화물 핵 성장층(12) 및 버퍼층(13)은 하나의 공정으로 연속적으로 진행하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층(12)과 버퍼층(13)을 연속하여 일괄적으로 형성할 수 있다. 즉 전술된 바와 같이, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 가변하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층(12)과 버퍼층(13)을 연속하여 일괄적으로 형성할 수 있다. 예컨대 베이스 기판(11) 위에 Ⅴ/Ⅲ비가 낮은 조건(Ⅴ족 소스 적음)에서 고온 저압으로 질화물 핵 성장층(12)을 성장시킨다. 이어서 버퍼층(13)은 고온 저압에서 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 베이스 기판(11) 위에 형성하되, 먼저 Ⅴ/Ⅲ비가 높은 조건(Ⅴ족 소스 많음)에서 낮은 성장률을 갖도록 성장을 시작한 후, 일정 시간이 경과한 이후에 연속하여 Ⅴ/Ⅲ비를 낮추어(Ⅴ족 소스 적음) 성장을 실시하는 경우 Ⅲ족 소스인 Al과 Ⅴ족 소스로 사용하는 NH3의 N 소스와의 프리-리액션(Pre-reaction)이 낮아서 상대적으로 높은 성장률을 갖고 성장이 실시된다. 즉 버퍼층(13)은 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 성장을 시작할 때는, 질화물 핵 성장층(12)을 구성하는 질화물 핵의 그레인 사이즈(grain size)를 증가시키고, 전위를 감소시키고, 베이스 기판(11)과의 격자 정합성을 향상시키고, 질화물 핵 성장층(12)이 형성된 면을 평탄화하기 위해서 낮은 성장률로 성장시켜 종 방향에 비해서 횡 방향으로의 성장을 유도하여 질화물 핵 성장층(12)을 덮도록 형성한다. 이어서, 버퍼층(13)을 평탄화하면서 반도체층(14,15,16)과의 격자 정합성을 향상시키기 위해서 높은 성장률로 성장시켜 횡 방향에 비해서 종 방향으로의 성장을 유도하여 최종적으로 버퍼층(13)을 형성한다.
한편 본 실시예에서는 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, Ⅴ족 소스의 공급량을 가변하여 버퍼층(13)을 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 Ⅴ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, Ⅲ족 소스의 공급량을 가변하여 버퍼층(13)을 형성할 수 있다. 또는 Ⅲ족 소스와 Ⅴ족 소스를 함께 가변하면서 버퍼층(13)을 형성할 수도 있다.
n형 반도체층(14)은 버퍼층(13) 위에 형성된다. n형 반도체층(14)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
활성층(15)은 n형 반도체층(14) 위에 형성된다. 활성층(15)은 다층으로 형성될 수 있으며, MOCVD, HVPE, MBE, MOCVPE 등의 방법을 이용하여 양자우물구조로 형성될 수 있다. 활성층(15)에서는 p형 반도체층(16)을 통하여 흐르는 정공과 n형 반도체층(14)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광이 발생되는데, 이때 양자우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 빛이 발광된다.
그리고 p형 반도체층(16)은 활성층(15) 위에 형성된다. 이러한 p형 반도체층(16)은 Mg, Zn, Be등과 같은 p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 소재의 반도체층이다. p형 반도체층(16)은 발광영역과 인접하여 전자장벽층(electron blocking layer; EBL) 역할을 수행하는 p형 AlGaN층과, p형 AlGaN 층에 인접한 p형 AlGaInN층으로 이루어질 수도 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(10)는 베이스 기판(11) 위에 질화물 소재의 버퍼층(13)을 형성할 때, Ⅲ족 소스 또는 Ⅴ족 소스의 공급량을 가변하여 버퍼층(13)을 일체로 형성함으로써, 버퍼층(13)을 일체로 형성하면서 버퍼층(13) 내부의 조성을 변경할 수 있기 때문에, 베이스 기판(11) 및 반도체층(14,15,16) 모두에 격자 정합성이 양호한 버퍼층(13)을 형성할 수 있다. 이로 인해 베이스 기판(11)과 반도체층(14,15,16)의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 반도체층(14,15,16)의 크랙, 뒤틀림 및 전위의 발생을 등의 발생을 감소시킬 수 있다.
또한 이와 같이 버퍼층(13)으로 인한 반도체층(14,15,16)의 결정결함을 감소시킴으로써, 내부양자효율을 향상시켜 질화물계 반도체 발광소자(10)의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(10)의 제조 방법을 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 질화물계 반도체 발광소자(10)의 제조 방법에 따른 흐름도이다. 도 3 내지 도 7은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다. 도 8은 도 2의 버퍼층(13)을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 일 예를 보여주는 파형도이다. 그리고 도 9는 도 2의 버퍼층(13)을 형성하기 위한 Ⅲ족 소스 및 V족 소스의 공급 조건의 다른 예를 보여주는 파형도이다.
먼저 도 3에 도시된 바와 같이, S21단계에서 베이스 기판(11)을 준비한다. 이때 베이스 기판(11)으로는 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(ZnO), 갈륨 나이트라이드(GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 산화 마그네슘(MgO) 등의 원소 혹은 화합물 소재의 기판이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 베이스 기판(11)으로는 c면({0001}면)을 갖는 사파이어 기판을 사용하였다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, S23단계에서 베이스 기판(11) 위에 질화물 핵 성장층(12)을 형성한다. 이때 질화물 핵 성장층(12)은 MOCVD, HVPE, MBE 또는 MOCVPE 등을 사용하여 형성할 수 있다. 예컨대 Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 이용하여 형성한 질화물 핵 성장층(12)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 질화물 핵 성장층(12)으로 AlN을 사용하였다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, S25단계에서 베이스 기판(11) 위에 질화물 핵 성장층(12)을 덮는 버퍼층(13)을 형성한다. 예컨대 버퍼층(13)은 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, Ⅴ족 소스의 공급량을 가변하여 베이스 기판(11) 위에 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 버퍼층(13)으로 AlN을 사용하였다.
이때 질화물 핵 성장층(12)을 형성하는 단계(S23)와 버퍼층(13)을 형성하는 단계(25)를 하나의 공정(S24)으로 연속적으로 진행하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층(12)과 버퍼층(13)을 연속하여 일괄적으로 형성할 수 있다. 즉 전술된 바와 같이, Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, Ⅴ족 소스의 공급량을 가변하여 질화물 핵 성장층(12)과 버퍼층(13)을 연속하여 일괄적으로 형성할 수 있다.
예컨대 V족 소소는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스텝형으로 공급량을 가변하여 연속적으로 공급될 수 있다. 또는 Ⅴ족 소스는, 도 9에 도시된 바와 같이, 커브형으로 공급량을 가변하여 연속적으로 공급될 수 있다. 이때 Ⅲ족 소스는 일정하게 연속적으로 공급된다. 먼저 S23단계에서 베이스 기판(11) 위에 Ⅴ/Ⅲ비가 낮은 조건(Ⅴ족 소스 적음)에서 고온 저압으로 질화물 핵 성장층(12)을 성장시킨다. 이어서 S25단계에서 버퍼층(13)은 고온 저압에서 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 베이스 기판(11) 위에 형성하되, 먼저 Ⅴ/Ⅲ비가 높은 조건(Ⅴ족 소스 많음)에서 낮은 성장률을 갖도록 성장을 시작한 후, 일정 시간이 경과한 이후에 연속하여 Ⅴ/Ⅲ비를 낮추어(Ⅴ족 소스 적음) 성장을 실시하는 경우 Ⅲ족 소스인 Al과 Ⅴ족 소스로 사용하는 NH3의 N 소스와의 프리-리액션(Pre-reaction)이 낮아서 상대적으로 높은 성장률을 갖고 성장이 실시된다. 즉 버퍼층(13)은 질화물 핵 성장층(12)을 기반으로 성장을 시작할 때는, 질화물 핵 성장층(12)을 구성하는 질화물 핵의 그레인 사이즈(grain size)를 증가시키고, 전위를 감소시키고, 베이스 기판(11)과의 격자 정합성을 향상시키고, 질화물 핵 성장층(12)이 형성된 면을 평탄화하기 위해서 낮은 성장률로 성장시켜 종 방향에 비해서 횡 방향으로의 성장을 유도하여 질화물 핵 성장층(12)을 덮도록 형성한다. 이어서, 최종적으로 형성될 버퍼층(13)의 상부면을 평탄화하면서 반도체층(14,15,16)과의 격자 정합성을 향상시키기 위해서 높은 성장률로 성장시켜 횡 방향에 비해서 종 방향으로의 성장을 유도하여 버퍼층(13)을 형성한다. 이때 질화물 핵 성장층(12)과 버퍼층(13)의 소재로 AlN이 사용되는 경우, Ⅲ족 소스로는 Al을 함유하는 TMA이 사용되고, Ⅴ족 소스로는 N을 함유하는 NH3가 사용될 수 있다.
다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, S27단계에서 버퍼층(13) 위에 n형 반도체층(14)을 형성한다. 이때 n형 반도체층(14)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
이어서 도 6에 도시된 바와 같이, S29단계에서 n형 반도체층(14) 위에 활성층(15)을 형성한다. 이때 활성층(15)은 다층으로 형성될 수 있으며, MOCVD를 이용하여 양자우물구조로 형성될 수 있다. 활성층(15)에서는 다음에 형성될 p형 반도체층(도 7의 16)을 통하여 흐르는 정공과 n형 반도체층(14)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시킨다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, S31단계에서 활성층(15) 위에 p형 반도체층(16)을 형성한다. 이때 p형 반도체층(16)은 Mg, Zn, Be등과 같은 p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물 소재의 반도체층이다. p형 반도체층(16)은 발광영역과 인접하여 전자장벽층(EBL) 역할을 수행하는 p형 AlGaN층과, p형 AlGaN 층에 인접한 p형 AlGaInN층으로 이루어질 수도 있다.
이후에 질화물계 반도체 발광소자(10)의 외부 접속 단자를 형성하는 공정을 수행한다. 즉 p형 반도체층(16)과 활성층(15)이 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역을 제거하여, n형 반도체층(14)의 일부 상면이 노출되는 구조를 형성한다. 그리고 노출된 n형 반도체층(14)에는 n형 전극을 형성한다. 그리고 p형 반도체층(16) 상에는 ITO(Indium-Tin oxide) 등으로 이루어진 투명전극층을 형성하며, 그 위에는 p형 전극을 형성한다.
이때 투명전극층은 p형 반도체층(16) 상에 형성된다. 투명전극층은 전극접촉층의 일종으로서, p형 전극으로 전류가 잘 전달될 수 있도록 한다. 이와 같은 투명전극층은 투과성 산화막으로서, 예컨대 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 베이스 기판(11)부터 투명전극층까지의 기본 적층 구조가 완성되면, 표면으로부터 습식 에칭, 예를 들어 이방성 습식에칭을 실행하여 n형 반도체층(14)의 일부를 노출시킨다. 그리고 에칭 공정이 진행된 후, n형 반도체층(14) 위로 티탄(Ti), 은(Au) 등을 증착하여 n형 전극을 형성하고, 투명전극층 위로 니켈(Ni) 등을 증착하여 p형 전극을 형성한다.
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.
10 : 질화물계 반도체 발광소자
11 : 베이스 기판
12 : 질화물 핵 성장층
13 : 버퍼층
14 : n형 반도체층
15 : 활성층
16 : p형 반도체층
11 : 베이스 기판
12 : 질화물 핵 성장층
13 : 버퍼층
14 : n형 반도체층
15 : 활성층
16 : p형 반도체층
Claims (10)
- 베이스 기판을 준비하는 단계;
상기 베이스 기판 위에 질화물 소재의 질화물 핵 성장층을 형성하는 핵 성장층 형성 단계;
Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 적어도 하나의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 질화물 핵 성장층 위에 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성 단계;
상기 버퍼층 위에 pn 접합을 갖는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 핵 성장층 형성 단계에서,
Ⅲ족 및 Ⅴ족 소스를 공급하되, Ⅲ족 또는 Ⅴ족 소스 중에 하나의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 핵 성장층 형성 단계 및 상기 버퍼층 형성 단계를 연속적으로 진행하여 Ⅲ-Ⅴ족 소재의 질화물 핵 성장층과 버퍼층을 연속하여 형성하는 것을 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 핵 성장층 형성 단계 및 상기 버퍼층 형성 단계를 연속적으로 진행할 때,
상기 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, 상기 Ⅴ족 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 질화물 핵 성장층 및 상기 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 버퍼층 형성 단계에서,
상기 Ⅲ족 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, 상기 Ⅴ족 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 중에 하나인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 반도체층 형성 단계는,
상기 버퍼층 위에 n형 반도체층을 형성하는 단계;
상기 n형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층 위에 p형 반도체층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 기판은 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 및 산화 마그네슘(MgO) 중의 하나 또는 이들의 화합물로 제조된 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 사파이어 기판을 준비하는 단계;
상기 사파이어 기판 위에 AIN의 질화물 핵 성장층을 형성하는 핵 성장층 단계;
Al의 소스를 일정하게 공급하는 상태에서, N의 소스의 공급량을 스텝형 또는 커브형으로 가변하여 상기 질화물 핵 성장층 위에 AlN의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성 단계;
상기 버퍼층 위에 pn 접합을 갖는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법. - 삭제
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| JP2002324914A (ja) * | 2002-02-12 | 2002-11-08 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP2003101157A (ja) * | 2001-09-26 | 2003-04-04 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
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- 2010-10-07 KR KR1020100097690A patent/KR101137513B1/ko active IP Right Grant
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