KR101532267B1 - Method for manufacturing nitride-based light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 기판 위에 AlN 씨드(seed)를 성장시키고 나서 온도를 변화시킨 후에 Al 유기 소스(TMAl)를 도포하는 공정을 중간에 삽입하여 AlN을 재성장시키는 단계를 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a nitride-based light emitting device, and more particularly, to a method of manufacturing a nitride-based light emitting device in which an AlN seed is grown on a silicon substrate and then a step of applying an Al organic source (TMAl) And regrowing the nitride-based light-emitting device.
효율적인 발광소자의 제조에 질화갈륨(GaN)과 같은 III족 질화물의 박막이 사용된다.
A thin film of a group III nitride such as gallium nitride (GaN) is used to manufacture an efficient light emitting device.
질화갈륨은 상온에서 3.4 eV의 직접 천이형 밴드갭(direct bandgap)을 가지고 있는 반도체 물질로서 질화 인듐(InN)이나 질화 알루미늄(AlN)과 같은 다른 반도체 물질과 조합될 경우, 0.7 eV(InN)에서 3.4 eV(GaN) 또는 6.2 eV(AlN)까지의 직접 에너지 밴드갭을 갖는다. 따라서 질화갈륨은 가시광선 영역에서부터 자외선 영역에 이르는 넓은 파장 대역에서 광소자로서의 응용 가능성이 매우 크며, 최근에는 적색, 녹색 및 청색 발광 소자에 의한 총천연색 전광판이나 백색 발광 소자에 의한 조명 기구 시장이 급속히 성장되면서 질화갈륨에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 질화갈륨은 단파장 대역에서의 청색 발광 다이오드(Lignt Emitting Diode: LED)와 청색 레이저 다이오드(Laser Diode: LD)의 광소자 재료로서 큰 주목을 받고 있다.
Gallium Nitride is a semiconductor material with a direct bandgap of 3.4 eV at room temperature and can be used at 0.7 eV (InN) when combined with other semiconductor materials such as indium nitride (InN) or aluminum nitride (AlN) It has a direct energy bandgap up to 3.4 eV (GaN) or 6.2 eV (AlN). Therefore, gallium nitride is very likely to be used as an optical device in a wide wavelength band from the visible light region to the ultraviolet region. In recent years, the market for light fixtures by a full color display panel or a white light emitting device by red, There have been a lot of researches on gallium nitride. In particular, gallium nitride has attracted great attention as an optical element material of a blue light emitting diode (LED) and a blue laser diode (LD) in a short wavelength band.
질화갈륨을 이용하여 광소자를 제작하기 위해서는 전위(dislocation)와 같은 결정 결함이 없는 질화갈륨 박막을 두껍게 성장시키는 기술이 중요하다. 질화갈륨 박막의 후막 성장을 위해서는 질화갈륨과 격자상수가 정합되는 모재 기판을 선정하는 것이 중요하다. 질화갈륨과 기판의 격자상수 부정합 정도가 크면 열팽창 계수의 차이로 인해 양호한 품질의 질화갈륨을 성장시키는데 한계가 있기 때문이다.
In order to fabricate an optical device using gallium nitride, it is important to grow a gallium nitride thin film without crystal defects such as dislocation. It is important to select a base substrate to which the gallium nitride and the lattice constant are matched to grow the thick film of the gallium nitride thin film. This is because the degree of lattice mismatch between the gallium nitride and the substrate is large and there is a limit to the growth of gallium nitride of good quality due to the difference in thermal expansion coefficient.
일반적으로, 질화갈륨 박막 성장 시 사용할 수 있는 기판으로는 탄화규소(SiC) 기판과 사파이어(Al2O3) 기판이 있다. 이 중에서, 탄화규소 기판은 질화갈륨과의 격자상수 차가 작고 고온 특성과 화학적 안정성이 우수하다. 또한 탄화수소 기판을 이용하여 질화갈륨 계열의 광소자를 제조하면 웨이퍼를 칩으로 쉽게 분할할 수 있고, 기판 자체에 도전성이 있으므로 칩의 상하에 전극을 배분하여 칩 면적을 작게 할 수 있다. 따라서 광소자의 생산성 및 제조비용의 측면에서 사파이어 기판에 비해 우수한 장점이 있다. 하지만 기판 가격이 높고 제조량도 적어 원활한 기판 공급에 문제가 있고 광소자 제조상의 효율성에 비해 기판에 성장된 질화갈륨 박막의 품질이 우수하지 않다는 단점이 있다. 이러한 이유로, 질화갈륨 박막의 성장 시에는 탄화규소 기판 보다는 사파이어 기판을 주로 사용하고 있다. 하지만 사파이어 기판 역시 가격 및 제조단가가 비싸고, 절연특성으로 인해 LED 작동 시 열화문제가 발생하게 된다. 또한 웨이퍼 대구경화에 한계가 있어 4인치 이상의 사파이어 기판을 이용한 LED 제작이 어렵다.
Generally, a silicon carbide (SiC) substrate and a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate can be used for the growth of the gallium nitride thin film. Among them, the silicon carbide substrate has a small lattice constant difference from gallium nitride and is excellent in high-temperature characteristics and chemical stability. In addition, when a gallium nitride-based optical device is manufactured using a hydrocarbon substrate, the wafer can be easily divided into chips, and since the substrate itself has conductivity, the chip area can be reduced by distributing electrodes above and below the chip. Therefore, there is an advantage over the sapphire substrate in terms of productivity and manufacturing cost of an optical device. However, there is a disadvantage in that there is a problem in supplying a substrate with a high substrate cost and a small manufacturing amount, and the quality of the gallium nitride film grown on the substrate is not excellent compared with the efficiency of the optical device manufacturing. For this reason, a sapphire substrate is used rather than a silicon carbide substrate in growing a gallium nitride thin film. However, sapphire substrates are also expensive and expensive to manufacture, and deterioration problems arise in LED operation due to their insulating properties. In addition, it is difficult to fabricate LEDs using a sapphire substrate of 4 inches or more because there is a limitation in wafer curing.
따라서, 현재 사파이어 기판과 탄화규소 기판의 대안으로서 실리콘 기판을 사용한 질화갈륨 박막의 성장에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실리콘 기판은 값이 저렴하면서도 8인치 이상의 대구경을 갖는 양질의 기판 확보가 용이하고, 단일 광소자뿐만 아니라 집적 공정의 적용이 용이하여 다양한 광소자 제조에 널리 응용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 전자적/열적(electronic/thermal) 전도성이 우수하여 박막형 GaN LED 및 수직형 LED 제작이 용이하고 열 방열특성이 우수하다. GaN계 발광소자 성장 시 기판으로 사용되는 실리콘 기판은 주로 (111)면을 사용하여 성장할 수 있다. 하지만 실리콘 기판의 경우도 종래의 사파이어 및 탄화규소 기판과 마찬가지로 질화갈륨과의 격자상수 부정합과 열팽창 계수 차이에서 비롯되는 문제점을 여전히 안고 있다. 즉 실리콘 기판의 열팽창 계수 및 격자상수는 각각 3.7×10-6/K 및 3.8403Å이다. 따라서 질화갈륨(열팽창 계수 5.59×10-6/K, 격자상수 3.1891Å)과 대비하여 약 53.6%의 열팽창 계수 차이와 16.9%의 격자 상수 차이를 갖는다. 그리고 실리콘과 질화갈륨의 결정 구조는 각각 입방정계와 육방정계로서 기본적인 결정 구조도 서로 다르다. 따라서 실리콘 기판 위에 형성된 질화갈륨 박막 내에는 약 1010/cm2의 밀도를 갖는 전위 결함이 존재하게 되고, 질화갈륨 박막을 두껍게 형성할 경우 박막 내에 한계 이상의 응력이 발생되어 크랙이 유발되는 것으로 알려져 있다. 이러한 문제는 실제로 실리콘 기판 위에 성장된 질화물계 발광소자의 전기적 특성을 감소시켜 발광효율을 저해하여 실리콘 기판의 장점을 살리지 못하게 하는 문제가 있다.
Therefore, research on the growth of a gallium nitride thin film using a silicon substrate as an alternative to a sapphire substrate and a silicon carbide substrate is currently under way. The silicon substrate is advantageous in that it can easily obtain a good quality substrate having a large diameter of 8 inches or more at a low cost and can be widely applied to various optical devices because it is easy to apply an integrated process as well as a single optical device. In addition, it has excellent electronic / thermal conductivity, which makes it easy to fabricate thin-film GaN LEDs and vertical LEDs, and has excellent heat dissipation characteristics. A silicon substrate used as a substrate when growing a GaN-based light emitting device can be grown mainly using a (111) plane. However, in the case of a silicon substrate, like the conventional sapphire and silicon carbide substrates, there still exists a problem caused by a lattice constant mismatch with a gallium nitride and a difference in thermal expansion coefficient. That is, the thermal expansion coefficient and lattice constant of the silicon substrate are 3.7 × 10 -6 / K and 3.8403 Å, respectively. Therefore, it has a difference of thermal expansion coefficient of about 53.6% and a lattice constant difference of 16.9% as compared with gallium nitride (thermal expansion coefficient of 5.59 x 10 -6 / K, lattice constant of 3.1891 Å). The crystal structures of silicon and gallium nitride are cubic system and hexagonal system, respectively, and basic crystal structures are also different from each other. Therefore, a dislocation defect having a density of about 10 10 / cm 2 exists in the gallium nitride thin film formed on the silicon substrate, and when the gallium nitride thin film is thickly formed, a stress exceeding the limit is generated in the thin film and cracks are caused . Such a problem has a problem in that the electrical characteristics of the nitride based light emitting device grown on the silicon substrate are actually reduced to inhibit the luminous efficiency, thereby failing to take advantage of the advantage of the silicon substrate.
결과적으로, GaN과 실리콘의 상이한 격자 상수 및 열팽창 계수를 보상하기 위해 실리콘 기판과 에피택셜 GaN 층간에 버퍼층을 성장시키기 위한 시도가 이루어졌다. 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서는 AlN 버퍼층을 실리콘 기판과 GaN 층 사이에 성장시켰다. 하지만, 기존의 버퍼층 상에 성장시킬 수 있는 에피택셜 GaN 층의 품질이 불량하였다. AlN 버퍼층을 형성하는 현재의 방법은 불연속부(discontinuities), 전위(dislocations) 및 단층(faults)과 같은 구조적 결함을 포함하는 GaN 층의 에피택셜 성장을 초래하였다. 이들 결함은 GaN 층의 형태(morphology) 및 광학 특성을 열화시켜, GaN 층을 고품질 LED에 사용하기에 적합하지 않게 한다.
As a result, attempts have been made to grow a buffer layer between the silicon substrate and the epitaxial GaN layer to compensate for the different lattice constants and thermal expansion coefficients of GaN and silicon. For example, in
따라서 실리콘 기판이 재현성 있는 질화갈륨 계열 광소자의 기판으로 널리 사용되기 위해서는 무엇보다도 질화갈륨과의 격자상수 차이에서 비롯되는 결정 결함을 감소시키고 크랙 유발을 방지할 수 있는 방법을 찾아내는 것이 무엇보다 중요한 과제라 할 수 있다.
Therefore, in order for a silicon substrate to be widely used as a substrate of a reproducible gallium nitride-based optical device, it is of utmost importance to find a method capable of reducing crystal defects caused by the difference in lattice constant with gallium nitride and preventing cracking can do.
본 발명의 일 측면은 Si 기판의 장점을 살리면서 Si 기판 상에 성장되는 질화물계 박막의 열팽창 계수 및 격자 상수의 차이에서 발생하는 결정 결함을 줄이고 질화물계 박막의 결정성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자의 제조방법을 제시하고자 한다.
One aspect of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor device capable of reducing crystal defects arising from a difference in thermal expansion coefficient and lattice constant of a nitride-based thin film grown on a Si substrate while making good use of the Si substrate and improving the crystallinity of the nitride- A method of manufacturing a light emitting device is proposed.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 AlN층; 및 상기 AlN층 상에 형성된 GaN층을 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 AlN층을 형성하는 단계는, 온도를 일정하게 유지하면서 상기 실리콘 기판 상에 Al 소스를 도입하는 단계; 온도를 상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 성장시키는 단계; 상승된 온도를 일정하게 유지하면서 N 소스의 공급을 중단하고 Al 소스를 재도입하는 단계; 및 온도를 재상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 재성장시키는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자의 제조방법을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a silicon substrate; An AlN layer formed on the silicon substrate; And a GaN layer formed on the AlN layer, the step of forming the AlN layer includes the steps of: introducing an Al source onto the silicon substrate while maintaining a constant temperature; Growing AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature; Stopping the supply of the N source and reintroducing the Al source while keeping the elevated temperature constant; And regenerating the AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature again.
본 발명에 의하면, 가격이 저렴하고 높은 결정성 및 대면적 웨이퍼 공정이 가능한 실리콘 기판을 활용하면서도 기판 상에 형성되는 GaN 층의 결함을 줄이고 크랙 발생을 감소시켜 전기적 특성이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, AlN 및 GaN의 박막 결정성의 향상, 전위 전파 차단, 하부 잔류응력 완화를 통하여 내부양자효율을 향상시키고 발광효율이 크게 증가된 발광소자를 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a light emitting device in which defects in a GaN layer formed on a substrate are reduced, cracks are reduced, and electrical characteristics are improved while using a silicon substrate which is inexpensive and capable of high crystallinity and large area wafer processing have. In addition, it is possible to provide a light emitting device in which the internal quantum efficiency is improved through the improvement of the thin film crystallinity of AlN and GaN, the blocking of dislocation propagation and the lower residual stress, and the light emitting efficiency is greatly increased.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 AlN 버퍼층의 성장방법을 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따라 형성된 GaN 박막의 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따라 형성된 GaN 박막의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따라 형성된 GaN 박막의 XRD(X-ray Diffraction) omega-scan 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따라 형성된 GaN 박막을 구비한 발광소자의 발광 세기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따라 형성된 GaN 박막을 구비한 발광소자의 전기적 특성을 관찰한 그래프이다.1 is a diagram illustrating a method of growing an AlN buffer layer according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
2 is an image of a GaN thin film formed according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
3 is a TEM photograph of a GaN thin film formed according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
4 is an X-ray diffraction (XRD) omega-scan spectrum of a GaN thin film formed according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
5 is a graph illustrating the luminescence intensity of a light emitting device including a GaN thin film formed according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
6 is a graph showing electrical characteristics of a light emitting device including a GaN thin film formed according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 질화물계 발광소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a nitride-based light-emitting device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings without intending to intend to provide a thorough understanding of the present invention to a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is located on another member, it includes not only when a member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 발명은 Si 기판 위에 질화갈륨 성장시 결함을 최소화하기 위하여 Si 기판과 질화갈륨 박막 사이에 AlN 버퍼층을 형성시 크랙이 없고 높은 결정성의 GaN을 얻을 수 있는 성장법을 도입하여 고품위 및 고효율의 GaN 기반 발광소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
In order to minimize defects in the growth of gallium nitride on a Si substrate, the present invention employs a growth method capable of obtaining crack-free and highly crystalline GaN when an AlN buffer layer is formed between a Si substrate and a gallium nitride film, To a method of manufacturing a light emitting device.
질화물계 발광소자 제작 시 실리콘 기판을 사용하기 위해서는 낮은 밴드갭에 의한 광 흡수, 격자상수 차이 및 열팽창계수 차이로 인한 크랙 발생을 억제하고, GaN의 높은 결정성을 확보하는 것이 필수적이다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 실리콘 기판과 도핑되지 않은 GaN 박막 사이에 AlN 버퍼층을 삽입하여 성장시키는 방법을 도입하고자 한다. AlN 버퍼층은 열팽창계수 관점에서 실리콘 기판과 GaN 박막의 중간값을 가지므로 온도증가에 의한 격자상수 팽창 차이를 완화하여 크랙을 감소시킬 수 있지만, Si 기판뿐만 아니라 GaN 박막보다도 격자상수가 작아 실리콘 기판 위 성장 시 많은 결함 및 잔류응력을 형성시켜 발광효율을 저해하고 격자 불일치에 의한 전위와 크랙을 생성하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 유기금속화학증착법(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition)으로 AlN 성장 시 Al 원자는 Ga 원자에 비해 원자 이동도가 현저히 낮으므로 초기 실리콘 기판 위에 AlN의 많은 핵생성 밀도를 갖게 하고, 3차원 성장을 촉진하여 결과적으로 GaN 박막의 낮은 결정성을 초래한다. 이에 따라서 Si 기판 위 GaN계 발광다이오드 에피 구조를 성장하기 위해서는 AlN 성장 시 크랙이 없고 GaN의 높은 결정성을 고려한 성장법이 필요로 하게 된다.
In order to use a silicon substrate in manufacturing a nitride-based light-emitting device, it is essential to suppress the occurrence of cracks due to a difference in light absorption, lattice constant, and thermal expansion coefficient due to a low band gap and ensure high crystallinity of GaN. Therefore, in order to solve this problem, a method of inserting an AlN buffer layer between a silicon substrate and an undoped GaN thin film is introduced. Since the AlN buffer layer has an intermediate value between the silicon substrate and the GaN thin film in terms of the thermal expansion coefficient, the crack can be reduced by mitigating the lattice constant expansion difference due to the temperature increase. However, since the lattice constant of the AlN buffer layer is smaller than that of the GaN thin film, A lot of defects and residual stress may be formed during growth to deteriorate the luminous efficiency and generate dislocations and cracks due to lattice mismatch. In addition, when AlN is grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), the atomic mobility of Al atoms is much lower than that of Ga atoms, so that the nucleation density of AlN is increased on the initial silicon substrate, And consequently low crystallinity of the GaN thin film. Accordingly, in order to grow the GaN-based light emitting diode epitaxial structure on the Si substrate, there is no crack in the growth of AlN, and a growth method considering the high crystallinity of GaN is required.
이를 위하여, 본 발명에서는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 AlN층; 및 상기 AlN층 상에 형성된 GaN층을 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 AlN층을 형성하는 단계는, 온도를 일정하게 유지하면서 상기 실리콘 기판 상에 Al 소스를 도입하는 단계; 온도를 상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 성장시키는 단계; 상승된 온도를 일정하게 유지하면서 N 소스의 공급을 중단하고 Al 소스를 재도입하는 단계; 및 온도를 재상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 재성장시키는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자의 제조방법을 제시한다.
To this end, in the present invention, a silicon substrate; An AlN layer formed on the silicon substrate; And a GaN layer formed on the AlN layer, the step of forming the AlN layer includes the steps of: introducing an Al source onto the silicon substrate while maintaining a constant temperature; Growing AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature; Stopping the supply of the N source and reintroducing the Al source while keeping the elevated temperature constant; And regenerating the AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature again.
도 1의 좌측에는 본 발명의 방법에 의해 제조되는 발광소자의 개략적인 구성을 도시하였다. Si 기판 상에 본 발명의 방법에 의하여 AlN 버퍼층을 형성하고, 그 위에 GaN 층을 구비할 수 있다. 상기 AlN 버퍼층과 GaN층과의 사이에는 선택적으로 AlGaN층와 같은 버퍼층을 하나 이상 추가로 구비할 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.
On the left side of FIG. 1, a schematic configuration of a light emitting device manufactured by the method of the present invention is shown. An AlN buffer layer may be formed on the Si substrate by the method of the present invention, and a GaN layer may be formed thereon. One or more buffer layers such as an AlGaN layer may be additionally provided between the AlN buffer layer and the GaN layer, but the present invention is not limited thereto.
도 1의 우측 상단에는 종래의 AlN 성장방법을 도시하였고, 우측 하단에는 본 발명의 AlN 성장방법을 도시하였다. 종래의 방법에 의하면, AlN 성장시 온도를 올리기 전인 초기에만 Al을 먼저 투입하여 기판상에 Al코팅을 한 후, 온도를 상승시키면서 계속적으로 N 소스와 Al 소스를 동시에 공급하여 AlN을 성장시켰다. 이 경우에는 상술한 바와 같이, AlN 성장 시 Al 원자는 Ga 원자에 비해 원자 이동도가 현저히 낮으므로 초기 실리콘 기판 위에 AlN의 많은 핵생성 밀도를 갖게 하고, 3차원 성장을 촉진하여 결과적으로 GaN 박막의 낮은 결정성을 초래한다. 1 shows the conventional AlN growth method and the lower right side shows the AlN growth method of the present invention. According to the conventional method, Al was initially injected only before the temperature was raised during AlN growth, Al coating was performed on the substrate, and AlN was continuously grown by simultaneously supplying N source and Al source while raising the temperature. In this case, as described above, since the atomic mobility of Al atoms is significantly lower than that of Ga atoms during AlN growth, the nucleation density of AlN is increased on the initial silicon substrate, and the three-dimensional growth is promoted. As a result, Resulting in low crystallinity.
이에 반하여, 본 발명에서는 초기 온도에서뿐만 아니라 온도를 상승시키는 중간 과정에서도 일정온도로 유지하면서 Al 도입을 재실시하였다(2-step Al pre-dose). 즉, Al 소스는 초기 온도에서부터 최종 온도가 될 때까지 계속적으로 공급하면서도, N 소스는 온도를 변화(상승)시키는 구간에서만 간헐적으로 공급하여 AlN을 성장시켰다. 이렇게 함으로써 GaN 에피의 내부 잔류응력을 감소시키고, 초기 Al 흡착원자(adatom)들의 이동도를 증가시켜 Si 계면에서의 핵생성 밀도를 낮춤으로써 전위밀도를 낮추도록 유도하였다. On the other hand, in the present invention, Al was introduced again (2-step Al pre-dose) while maintaining the initial temperature and the intermediate temperature at a constant temperature. That is, while the Al source was continuously supplied from the initial temperature to the final temperature, the N source was intermittently supplied only in the section where the temperature was changed (raised) to grow AlN. By doing so, the internal residual stress of the GaN epitaxial layer is reduced and the mobility of the initial Al adsorbed atoms is increased to lower the nucleation density at the Si interface, thereby lowering the dislocation density.
이하에서는 종래의 AlN 성장방법과 구분하기 위해서 본 발명의 AlN 성장방법을 MMEE(modified migration enhanced epitaxy) 성장법이라 칭하도록 한다.
Hereinafter, the AlN growth method of the present invention will be referred to as MMEA (modified migration enhanced epitaxy) growth method in order to distinguish it from the conventional AlN growth method.
상기 Al 소스를 재도입하는 단계 및 상기 AlN을 재성장시키는 단계는 1 회 또는 복수 회 수행될 수 있다. The step of re-introducing the Al source and regrowing the AlN may be performed once or plural times.
온도를 올리기 전의 초기 온도, 즉, 상기 Al 소스를 도입하는 단계에서의 온도는 600~800℃인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 온도를 상승시켜 AlN을 성장시키고, 다시 온도를 상승시켜 Al 소스를 재도입하는 단계에서의 온도는 700~930℃ 인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고 AlN을 재성장시키는 단계가 완료 후의 온도는 1000~1100℃인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The initial temperature before raising the temperature, that is, the temperature in the step of introducing the Al source is preferably 600 to 800 ° C, but is not limited thereto. The temperature in the step of increasing the temperature to raise the temperature of AlN and re-introducing the Al source again is preferably 700 to 930 ° C, but is not limited thereto. The temperature after completion of the step of regenerating AlN is preferably 1000 to 1100 ° C, but is not limited thereto.
구체적으로 살펴보면, 실리콘 기판을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비 내에 반입시킨 후 열 클리닝 공정을 1000~1100℃에서 실시한다. Specifically, the silicon substrate is brought into a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) equipment, and then a thermal cleaning process is performed at 1000 to 1100 ° C.
열 클리닝 공정을 마친 온도는 600~800℃이며, 이 조건에서 온도를 일정하게 유지하면서 Al 소스를 도입하여 Al 코팅 공정을 실시하여 실리콘 기판 상부 표면에 Al 코팅층을 형성할 수 있다. Al 코팅층을 형성하는 이유는, 후속하는 AlN층 형성 공정에서 실리콘 기판 상부 표면의 Si 원자와 N 소스의 N 원자가 만나 반응하는 것을 막기 위한 것이다. 바람직하게, Al 코팅층의 증착 공정은 적어도 10 초 내지 1분 진행한다. 본 발명에서 사용하는 Al 소스는 유기알루미늄일 수 있으며, 대표적으로 트리메틸알루미늄(TMAl; TriMethlyAlluminum)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The temperature at which the thermal cleaning process is completed is 600 to 800 ° C. In this condition, an Al source is introduced while keeping the temperature constant, and an Al coating process is performed to form an Al coating layer on the upper surface of the silicon substrate. The reason for forming the Al coating layer is to prevent the N atom of the N source from reacting with the Si atom on the upper surface of the silicon substrate in the subsequent AlN layer forming step. Preferably, the deposition process of the Al coating layer proceeds for at least 10 seconds to 1 minute. The Al source used in the present invention may be an organoaluminum. Typically, trimethylaluminum (TMAl; TriMethlyAluminum) may be used, but is not limited thereto.
이어서, 온도를 상승시키면서 상기 Al 코팅층의 상부로 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급한다. N 소스의 대표적인 예로는 암모니아(NH3)를 들 수 있으며, NH3 가스를 흘려 Al 코팅층을 질화 알루미늄층으로 전환시켜 AlN을 성장시킨다. 바람직하게, AlN 성장 공정은 적어도 10 초 내지 1분 진행한다.
Then, the Al source and the N source are simultaneously supplied to the upper portion of the Al coating layer while raising the temperature. A typical example of the N source is ammonia (NH 3 ). AlN is grown by flowing NH 3 gas to convert the Al coating layer to an aluminum nitride layer. Preferably, the AlN growth process proceeds for at least 10 seconds to 1 minute.
그리고 나서, 상승된 온도를 일정하게 유지하면서 N 소스의 공급을 중단하고 Al 소스를 재도입한다. Al을 재도입하는 이유는 Al의 이동도를 향상시키고, 핵생성 밀도를 낮추며, AlN의 합착을 느리게 하여 전위밀도를 감소시키기 위함이다. 좀 더 구체적으로 설명하자면, N 소스의 공급을 중단하고 Al 소스를 재도입하는 단계를 추가함으로써 Al이 풍부한(Al-rich) 분위기를 형성하여 이동 거리(migration length) 증가 효과를 보여준다. 이로써 3차원 성장 모드가 2차원 성장모드로 변환되어 측면 성장(lateral growth)이 촉진되어 AlN 결정성 및 그 위의 GaN의 박막 결정성까지 향상하게 된다. 또한 Si과 AlN 계면으로부터의 전위(dislocation) 전파를 차단하고, 하부의 인장잔류응력(residual tensile stress)을 완화하는 효과가 있다. 결과적으로 내부양자효율을 향상시켜 발광소자의 발광효율을 크게 증가하게 된다.
Then, the supply of the N source is stopped and the Al source is reintroduced while the elevated temperature is kept constant. The reason for reintroducing Al is to improve the mobility of Al, lower the nucleation density, and slow the coalescence of AlN to decrease the dislocation density. More specifically, the addition of the step of stopping the supply of the N source and reintroducing the Al source shows an effect of increasing the migration length by forming an Al-rich atmosphere. As a result, the three-dimensional growth mode is converted into the two-dimensional growth mode to promote lateral growth, thereby improving the crystallinity of AlN and the crystallinity of GaN on the GaN. It also has the effect of blocking the dislocation propagation from the Si and AlN interface and relaxing the residual tensile stress. As a result, the internal quantum efficiency is improved and the luminous efficiency of the light emitting device is greatly increased.
Al 소스를 재도입하는 단계에서의 온도는 대략 700~930℃인 것이 바람직하다. 바람직하게, Al 소스 재도입 공정은 적어도 10 초 내지 1분 진행한다.
The temperature in the step of reintroducing the Al source is preferably approximately 700 to 930 ° C. Preferably, the Al source re-introduction process proceeds for at least 10 seconds to 1 minute.
이 후, 온도를 재상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 재성장시킨다. 바람직하게, AlN 재성장 공정은 적어도 10 초 내지 1분 진행한다.
Thereafter, the Al source and the N source are supplied at the same time while the temperature is raised again to regenerate the AlN. Preferably, the AlN regrowth process proceeds for at least 10 seconds to 1 minute.
본 발명에 따른 AlN층이 형성되는 실리콘 기판의 면 방위는 {111}인 것이 바람직하다. 면 방위가 {111}인 실리콘 기판의 면은 약 3.8403Å의 격자상수를 갖는다. 반면 면 방위가 {100}인 실리콘 기판의 면은 약 5.40Å의 격자상수를 갖는다. 따라서 질화 갈륨의 격자상수가 약 3.189Å인 점을 감안하면 실리콘 기판의 면 방위는 {111}인 것이 바람직하다. 상기 AlN층은 실리콘 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 과정에서 질화 갈륨 박막과 실리콘 기판 사이의 격자상수 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 결정 결함(주로 전위 결함)을 감소시키고, 질화 갈륨 박막에 야기되는 응력을 해소하여 질화 갈륨 박막에 크랙이 발생되는 것을 방지하며, 질화 갈륨 박막의 Ga 원자가 실리콘 기판으로 침투하는 것을 방지한다. The plane orientation of the silicon substrate on which the AlN layer according to the present invention is formed is preferably {111}. The plane of the silicon substrate having the plane orientation of {111} has a lattice constant of about 3.8403A. On the other hand, the surface of the silicon substrate with the plane orientation {100} has a lattice constant of about 5.40A. Therefore, considering that the lattice constant of gallium nitride is about 3.189 ANGSTROM, the plane orientation of the silicon substrate is preferably {111}. The AlN layer reduces crystal defects (mainly dislocation defects) generated due to the difference in lattice constant mismatch and thermal expansion coefficient between the gallium nitride thin film and the silicon substrate in the process of forming the gallium nitride thin film on the silicon substrate, Thereby preventing a crack from being generated in the gallium nitride thin film and preventing the Ga atoms of the gallium nitride thin film from penetrating into the silicon substrate.
이러한 기능을 감안하여, 상기 AlN층의 두께는 수 nm 내지 100nm인 것이 바람직하다.
In view of this function, the thickness of the AlN layer is preferably several nm to 100 nm.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in more detail and do not limit the scope of the present invention.
[실시예][Example]
1. AlN층의 형성1. Formation of AlN layer
(1)비교예(1) Comparative Example
실리콘 기판을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비 내에 반입시킨 후 열 클리닝 공정을 실시하였다. 온도 777℃를 유지하면서 50초간 트리메틸알루미늄(TMAl; TriMethlyAlluminum)을 도입하여 실리콘 기판 상부 표면에 Al 코팅층을 형성하였다. The silicon substrate was transferred into MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) equipment and then subjected to a thermal cleaning process. Trimethyl aluminum (TMAl) was introduced for 50 seconds while maintaining the temperature at 777 ° C to form an Al coating layer on the upper surface of the silicon substrate.
이어서, 온도를 상승시키면서 상기 Al 코팅층의 상부로 트리메틸알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3) 가스를 동시에 흘려 Al 코팅층을 AlN으로 성장시켰다.Then, trimethyl aluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ) gas were simultaneously flowed to the upper part of the Al coating layer while increasing the temperature, and the Al coating layer was grown as AlN.
온도가 1068℃에 이르렀을 때, 온도를 그대로 유지하면서 50초간 트리메틸알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3) 가스를 동시에 계속적으로 흘려 주어 AlN 성장을 완료하였다.
When the temperature reached 1068 ° C, trimethylaluminium (TMAl) and ammonia (NH 3 ) gas were continuously and continuously supplied for 50 seconds while maintaining the temperature, thereby completing AlN growth.
(2)발명예: MMEE(modified migration enhanced epitaxy) 성장법(2) Description: MMEE (modified migration enhanced epitaxy) growth method
실리콘 기판을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비 내에 반입시킨 후 열 클리닝 공정을 실시하였다. 온도 777℃를 유지하면서 50초간 트리메틸알루미늄(TMAl; TriMethlyAlluminum)을 도입하여 실리콘 기판 상부 표면에 Al 코팅층을 형성하였다. The silicon substrate was transferred into MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) equipment and then subjected to a thermal cleaning process. Trimethyl aluminum (TMAl) was introduced for 50 seconds while maintaining the temperature at 777 ° C to form an Al coating layer on the upper surface of the silicon substrate.
이어서, 온도를 상승시키면서 50초간 상기 Al 코팅층의 상부로 트리메틸알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3) 가스를 동시에 흘려 Al 코팅층을 AlN으로 성장시켰다.Then, trimethylaluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ) gas were simultaneously flowed to the upper portion of the Al coating layer for 50 seconds while raising the temperature to grow the Al coating layer into AlN.
온도가 917℃에 이르렀을 때, 온도를 그대로 유지하면서, 암모니아(NH3) 가스의 공급을 중단하고 트리메틸알루미늄(TMAl)만을 50초간 재도입하였다. When the temperature reached 917 캜, the supply of ammonia (NH 3 ) gas was stopped while maintaining the temperature, and only trimethylaluminum (TMAl) was reintroduced for 50 seconds.
그리고 나서, 온도를 상승시키면서 50초간 상기 Al 코팅층의 상부로 트리메틸알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3) 가스를 동시에 흘려 Al 코팅층을 AlN으로 재성장시켰다.Then, trimethyl aluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ) gas were simultaneously flowed to the upper portion of the Al coating layer for 50 seconds while raising the temperature, and the Al coating layer was re-grown as AlN.
온도가 1068℃에 이르렀을 때, 온도를 그대로 유지하면서 50초간 트리메틸알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3) 가스를 동시에 계속적으로 흘려 주어 AlN 성장을 완료하였다.
When the temperature reached 1068 ° C, trimethylaluminium (TMAl) and ammonia (NH 3 ) gas were continuously and continuously supplied for 50 seconds while maintaining the temperature, thereby completing AlN growth.
2. 발광소자의 제조2. Fabrication of light emitting device
비교예와 발명예를 통해 준비된 Si 기판의 AlN 층 위에 각각 순차적으로 AlGaN 버퍼층, n-GaN층, InGaN/GaN MQW층, p-GaN층, ITO를 적층하여 발광소자를 제작하였다.
An AlGaN buffer layer, an n-GaN layer, an InGaN / GaN MQW layer, a p-GaN layer, and ITO were sequentially laminated on the AlN layer of the Si substrate prepared through the comparative example and the inventive example to fabricate a light emitting device.
3. 특성 평가3. Characterization
(1)GaN 박막의 결함 관찰(1) Observation of defect in GaN thin film
도 2는 GaN/AlN/Si 박막 성장 시 MMEE가 적용되지 않은 것(비교예)과 적용된 것(발명예)의 광학 이미지이다. MMEE가 적용되지 않았을 때에 GaN의 박막은 왼쪽 이미지와 같이 많은 밀도의 크랙이 발생되었음을 확인할 수 있다. 반면에 MMEE가 적용된 경우 오른쪽 이미지와 같이 GaN 박막은 크랙이 존재하지 않음을 확인할 수 있다. 이는 MMEE가 GaN/AlN/Si 박막 성장 시 내부의 잔류응력을 완화하는 효과가 있고, 또한 고온 성장 후 냉각 시 물질마다 다른 격자상수 차이 및 열팽창계수로 인한 격자상수 수축에 따른 차이를 완화한다고 볼 수 있다.
FIG. 2 is an optical image of the case where MMEE is not applied (comparative example) and the case where the MMEE is applied (example of the invention) when growing a GaN / AlN / Si thin film. When MMEE is not applied, it can be confirmed that the thin film of GaN has a large density of cracks as shown in the left image. On the other hand, when MMEE is applied, it can be confirmed that there is no crack in the GaN thin film as in the right image. This suggests that MMEE mitigates the residual stresses in GaN / AlN / Si thin film growth and also alleviates the difference in lattice constants due to different lattice constant difference and thermal expansion coefficient for each material during cooling after high temperature growth. have.
도 3은 MMEE가 적용되지 않은 것(a)과 MMEE가 적용된 것(b)의 TEM 이미지이다. MMEE가 적용된 것(b)이 디커플링(decoupling) 증가 효과에 따라 스트레인(strain)이 감소하여 결함이 감소하였음을 확인할 수 있다. 이는 Al 원자의 이동도 증진에 따른 결과인 것으로 사료된다.
Fig. 3 is a TEM image of the MMEE not applied (a) and the MMEE applied (b). It can be confirmed that the strain is decreased due to the decoupling increase effect of (b) MMEE applied, and the defect is reduced. It is thought that this is the result of the enhancement of the mobility of Al atoms.
(2)GaN 박막의 결정성 관찰(2) Crystallographic observation of GaN thin film
도 4는 XRD(X-ray Diffraction) omega-scan 스펙트럼 결과이다. 스펙트럼의 반치폭 감소는 AlN 및 GaN의 결정성 증가를 의미하며, MMEE가 적용됨에 따라 반치폭이 크게 감소함을 알 수 있고, 이는 AlN 및 GaN 박막의 결정성이 크게 향상되었음을 의미한다.
Fig. 4 shows X-ray diffraction (omega-scan) spectral results. The decrease of the half width of the spectrum means the increase of the crystallinity of AlN and GaN. As the MMEE is applied, the half width is greatly decreased, which means that the crystallinity of the AlN and GaN thin films is greatly improved.
(3)발광소자의 발광세기 측정(3) Measurement of luminous intensity of light emitting device
도 5는 형성된 GaN 박막을 구비한 발광소자의 발광 세기를 나타낸 그래프이다. MMEE 적용 시 GaN계 발광소자(LED)는 우수한 광학적 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 GaN 내부 응력 감소로 인한 밴딩(bending) 완화와 에피 내부의 결함들이 감소함에 따라 발광소자의 내부양자 효율 향상에 기인한 것으로 볼 수 있다.
5 is a graph showing the luminescent intensity of the light emitting device having the formed GaN thin film. It can be seen that the GaN-based light emitting device (LED) exhibits excellent optical characteristics when applied to MMEE. This can be attributed to the improvement of the internal quantum efficiency of the light emitting device as the bending relaxation due to the decrease of the internal stress of the GaN and the defects inside the epi decrease.
(4)발광소자의 전기적 특성 평가(4) Evaluation of electrical characteristics of light emitting device
도 6은 GaN 박막을 구비한 발광소자의 전기적 특성을 관찰한 그래프이다. MMEE 적용 시 전압대 전류값(a), 광출력 효율(b)이 더 우수하게 나타났다. 또한, MMEE 적용한 발광소자의 경우 전류를 상승시킴에 따라 발광특성의 향상이 관찰되었다.
6 is a graph showing electrical characteristics of a light emitting device including a GaN thin film. The voltage - current (a) and light output efficiency (b) were superior to those of MMEE. In addition, in the case of the light emitting device using MMEE, the improvement of the luminescence characteristics was observed by increasing the current.
Claims (7)
온도를 일정하게 유지하면서 상기 실리콘 기판 상에 Al 소스를 도입하는 단계;
온도를 상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 성장시키는 단계;
상승된 온도를 일정하게 유지하면서 N 소스의 공급을 중단하고 Al 소스를 재도입하는 단계; 및
온도를 재상승시키면서 Al 소스와 N 소스를 동시에 공급하여 AlN을 재성장시키는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자의 제조방법.A silicon substrate; An AlN layer formed on the silicon substrate; And a GaN layer formed on the AlN layer, the step of forming the AlN layer includes the steps of:
Introducing an Al source onto the silicon substrate while keeping the temperature constant;
Growing AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature;
Stopping the supply of the N source and reintroducing the Al source while keeping the elevated temperature constant; And
And regenerating the AlN by simultaneously supplying an Al source and an N source while raising the temperature again.
상기 Al 소스를 재도입하는 단계 및 상기 AlN을 재성장시키는 단계는 1회 또는 복수회 수행되는 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법. The method according to claim 1,
Wherein the step of re-introducing the Al source and the step of growing the AlN are performed once or plural times.
상기 Al 소스는 유기알루미늄인 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법. 3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the Al source is an organic aluminum.
상기 N 소스는 암모니아인 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법. 3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the N source is ammonia.
상기 Al 소스를 도입하는 단계에서의 온도는 600~800℃인 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the temperature at the step of introducing the Al source is 600 to 800 占 폚.
상기 Al 소스를 재도입하는 단계에서의 온도는 700~930℃인 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the temperature at the step of reintroducing the Al source is 700 to 930 占 폚.
상기 AlN을 재성장시키는 단계 완료 후의 온도는 1000~1100℃인 것인, 질화물계 발광소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature after completion of the step of regenerating the AlN is 1000 to 1100 ° C.
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| KR1020140055535A KR101532267B1 (en) | 2014-05-09 | 2014-05-09 | Method for manufacturing nitride-based light emitting device |
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Citations (4)
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2014
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