KR101607564B1 - 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 있어서, 결정 기판에 제1 방향을 따라 뻗어 있으며, 제2 방향으로 돌출된 복수의 돌출부가 구비된 스트라이프를 형성하는 단계; 그리고, 돌출부를 구비하는 스트라이프가 형성된 결정 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며, 제2 방향은 3족 질화물 반도체층의 성장이 제1 방향에 대한 3족 질화물 반도체층의 성장보다 상대적으로 느린 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 관한 것이다.

Description

3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법{METHOD OF GROWING III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LAYER}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 관한 것으로, 특히 요철을 구비하는 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 의미하며, 자외선, 청색, 녹색 계열의 빛을 발광하는 반도체 발광소자를 만드는데 주로 이용된다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 미국 등록특허공보 제6,870,191호에 제시된 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 기판(100; 예: c면 사파이어 기판)에 요철 또는 볼록부(200)를 형성하고, 그 위에 3족 질화물 반도체층(110; 예: GaN)을 성장시키면, (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 3족 질화물 반도체층(110)은 볼록부(200)의 저면과 볼록부(200)의 상면으로부터 성장을 시작한다. 이어서, (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 볼록부(200)의 저면과 볼록부(200)의 상면으로부터 성장한 3족 질화물 반도체층(110)이 볼록부(200)의 측면에서 만난 다음, 이 볼록부(200)의 측면에서 3족 질화물 반도체층(110)의 성장이 가속화되어, (f)에 도시된 바와 같이, 평탄하고 결정성이 우수한 3족 질화물 반도체층(110)이 형성된다. 그러나, 볼록부(200)의 측면 방위가 성장되는 3족 질화물 반도체층(110)의 성장안정면(예: c면 사파이어 기판에서 플랫존과 나란한 방향)과 평행한 경우에는, 볼록부(200)의 측면 부근에서 3족 질화물 반도체층(110)의 성장속도가 상대적으로 빨라지지 않기 때문에, 볼록부(200)의 측면 부근을 메우기 어렵고, 따라서 3족 질화물 반도체층(110)의 결정성이 저하될 수 있다고 지적하고 있다. 이 때, 볼록부(200)는 스트라이프 형태나, 섬 형태를 가질 수 있으며, 섬 형태로 형성되는 경우에, 다양한 산란면을 가져서 최종적인 소자(예: 반도체 발광소자)의 광취출효율을 더 향상시킬 수 있게 된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 있어서, 결정 기판에 제1 방향을 따라 뻗어 있으며, 제2 방향으로 돌출된 복수의 돌출부가 구비된 스트라이프를 형성하는 단계; 그리고, 돌출부를 구비하는 스트라이프가 형성된 결정 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며, 제2 방향은 3족 질화물 반도체층의 성장이 제1 방향에 대한 3족 질화물 반도체층의 성장보다 상대적으로 느린 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 미국 등록특허공보 제6,870,191호에 제시된 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 2 및 도 3은 패턴화된 기판 위에서 패턴의 방위에 따른 3족 질화물 반도체층의 성장 상태를 보이는 사진,
도 4는 면방위와 축방위를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 6 및 도 7은 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따라 성장된 3족 질화물 반도체층의 일 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 다른 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따라 성장된 3족 질화물 반도체층의 다른 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 2 및 도 3은 패턴화된 결정 기판 위에서 패턴의 방위에 따른 3족 질화물 반도체층의 성장 상태를 보이는 사진으로서, 도 2는 결정 기판(예: c면(면방위 (0001) 사파이어 기판; 도 4 참조) 위에, 결정방위 [1-100] 방향으로 뻗어있으며, 홈(오목부) 또는 돌기(볼록부) 형태를 가지는 복수의 스트라이프(결정방위 [11-20] 방향을 따라 병렬로 형성된 스트라이프) 위에 성장된 3족 질화물 반도체층(예: AlGaN)을 나타내는 사진이고, 도 3은 결정 기판(예: c면 사파이어 기판) 위에, 결정방위 [11-20] 방향으로 뻗어있으며, 홈 또는 돌기 형태를 가지는 복수의 스트라이프(결정방위 [1-100] 방향을 따라 병렬로 형성된 스트라이프) 위에 성장된 3족 질화물 반도체층(예: AlGaN)을 나타내는 사진이다. 먼저, 결정 기판(예: c면 사파이어 기판) 위에 씨앗층(예: AlN(성장온도: 1400℃, 압력 50mbar)을 형성한다. 다음으로, SiO2막을 마스크로 하여 식각 공정을 통해 도 2 및 도 3에 제시된 방향으로 각각 폭 1.5㎛, 주기 3㎛, 깊이 1.5㎛의 돌기 형태의 스트라이프를 형성한다. 다음으로, 통상의 조건에 따라 3족 질화물 반도체층(예: AlxGayN(x>0, y≥0, x+y=1))을 성장하였다. 도 2에 도시된 3족 질화물 반도체층(예: AlGaN)의 경우에, 1.8㎛ 높이로 성장된 다음, 합체(coalescence)되어 평탄한 3족 질화물 반도체층이 형성되었다. 반면, 도 3에 도시된 3족 질화물 반도체층(예: AlGaN)의 경우에, 1.2㎛ 높이로 성장된 후, 이미 합체되었지만, 평탄하지 못하고 거칠게 형성되었다. 이것은 도 3에 제시된 스트라이프 측면에서의 3족 질화물 반도체층의 성장이, 도 2에 제시된 스트라이프 또는 홈 측면에서의 3족 질화물 반도체층의 성장보다 빠르기 때문이라고 알려져 있다(Growth of AlGaN and AlN on Patterned AlN/Sapphire Templates, Journal of Crystal Growth 315 (2011) 200-203). 또한 이것은 도 1에 제시된 3족 질화물 반도체층의 성장 방식(성장안정면과 평행한 볼록부의 측면에서 3족 질화물 반도체층이 빨리 메워지지 않음)과 일맥상통하는 점이 있다. 한편, 요철과 3족 질화물 반도체층 사이에 공동(cavity)이 형성되며, 3족 질화물 반도체층으로 3족 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 경우에, 이 공동은 효율좋은 광 산란층으로 기능한다.
도 5는 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 위 논문에 제시된 바와 같이, 결정 기판(10) 위에, 패턴화된 스트라이프(20; stripe)를 구비하여 3족 질화물 반도체층을 성장하면, 스트라이프(20)가 뻗어있는 방향(A,B)에 따라 3족 질화물 반도체층의 성장이 영향을 받게 되며, 이는 결정성이 상대적으로 더 좋은 방위(B)로 스트라이프(20)를 형성하고, 3족 질화물 반도체층을 형성하는 것이 바람직하는 것을 의미한다. 그러나, 결정성이 상대적으로 좋은 방위(A)를 따라 스트라이프(20)를 형성하더라도, 스트라이프 형상을 가지는 이상 이 돌기 또는 홈을 이용하여 광을 산란하는데는, 도 1에 제시된 바와 같이, 섬(islands) 형태의 볼록부를 이용하는 것에 비해 제약이 따른다.
도 6 및 도 7은 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 결정 기판(10)에 상대적으로 결정성이 더 좋은 방위(B)로 스트라이프(20)를 형성하되, 스트라이프(20)를 따라 3족 질화물 반도체층의 성장이 상대적으로 느린 방위(A)를 향해 돌출부(21)를 형성함으로써, 결정성을 보장하는 한편, 다양한 광 산란면을 구비하여 광을 산란시키는 효율 또한 향상시키고 있다. 이와 달리, 도 7에 도시된 바와 같이 스트라이프의 측면에서의 3족 질화물 반도체층의 성장이 상대적으로 빠른 방위(A)로 스트라이프를 형성하고, 여기에 돌출부(21)를 구비하면, 도 3에 도시된 합체 높이(1.2㎛)보다 더 낮은 높이에서 3족 질화물 반도체층의 합체가 이루어지며, 훨씬 더 평탄도가 떨어지는 3족 질화물 반도체층을 얻게 될 것이다. 설명을 위해, 두 개의 스트라이프(20)만이 도시되었지만, 바람직하게는 스트라이프(20)는 결정 기판(10) 전체에 걸쳐서 균일하게 배치된다.
도 8은 본 개시에 따라 성장된 3족 질화물 반도체층의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 2에 제시된 바와 같이, 씨앗층(31)을 형성한 다음, 3족 질화물 반도체층(30)을 성장한다는 점에서 동일하나, 스트라이프(20)에 돌출부(21)가 형성되어 있다는 점에서 차이를 가진다. 도 2에 제시된 3족 질화물 반도체층(30)의 성장 조건과 동일한 조건을 사용해도 좋지만, 스트라이프(20) 측면 측으로의 성장이 상대적으로 약간 억제한 형태의 성장 조건을 사용하는 것도 좋다(예를 들어, 씨앗층과 동일한 성장조건(성장온도: 1400℃, 압력 50mbar)을 사용하거나, 이 성장조건보다 더 낮은 압력 및 더 높은 온도에서 성장할 수 있다.). 스트라이프(20)의 폭과 주기에 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 3㎛ 이하의 폭과 4㎛ 이하의 주기를 가지는 것이 결정성 및 광 산란효율의 측면에서 적합하다. 스트라이프(20)와 스트라이프(20) 사이에는 공동(22)이 형성되어 있다. 돌출부(21)의 형상은 사다리꼴, 삼각형, 다각형, 반구형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 스프라이프(20)의 폭의 1/2이하의 폭으로 돌출되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 6에 제시된 예와 달리, 돌출부(21)가 서로 어긋나게 또는 지그재그로 위치하게 배치되어 있다는 점에서 차이를 가진다. 이러한 돌출부(21)의 배치를 통해, 이웃한 스트라이프(20) 사이의 간격을 전체적으로 균일하게 하는 이점을 가진다.
도 10은 본 개시에 따라 성장된 3족 질화물 반도체층의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 8에 제시된 예와 달리, 돌출부(21)에 씨앗층(31)이 형성되어 있지 않다. 이러한 구성은 도 8에서와 같이, 스트라이프(20) 형성을 위한 1차적인 식각을 행한 다음, 돌출부(21) 위에 형성된 씨앗층(31)을 제거하는 추가의 식각을 행함으로써, 얻어질 수 있다. 이러한 구성을 통해, 돌출부(21)에서의 3족 질화물 반도체층(30)의 성장을 억제함으로써, 보다 결정성이 우수한 3족 질화물 반도체층(30)을 얻을 수 있게 되는 한편, 광 산란 효율은 그대로 유지할 수 있게 된다.
도 11은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 결정 기판(10), 씨앗층(20; 예: AlN), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; Si-doped AlGaN), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; Mg-AlGaN), 전류확산을 위한 투광성 전극(60; 예: ITO), 유전체막(90), 유전체막(90)에 형성된 홀(71)을 통해 제2 반도체층(50)과 전기적으로 연통하는 제1 전극(70) 그리고, 결정 기판(10)에 형성된 홀(11) 및 반도체층(20,30)에 형성된 홀(57)을 통해 제1 반도체층(30)과 전기적으로 연통하는 제2 전극(80)을 포함한다. 부재번호 81은 도금 씨드층이며, 부재번호 55는 반도체층(30,40,50)이 제거되어 형성된 개구로서, 유전체막(90)으로 절연되어 있다. 부재번호 12는 결정 기판(10)에 광 산란을 위해 형성된 거친 표면(rough surface)이며, 본 개시에 따른 스트라이프는 도시가 생략되었다. 투광성 전극(60)은 생략될 수 있으며, 제1 반도체층(30)의 도전성과 제2 반도체층(50)의 도전성을 바뀔 수 있다. 씨앗층(20)과 제1 반도체층(30)에 추가로 AlGaN을 구비하여도 좋다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 있어서, 결정 기판에 제1 방향을 따라 뻗어 있으며, 제2 방향으로 돌출된 복수의 돌출부가 구비된 스트라이프를 형성하는 단계; 그리고, 돌출부를 구비하는 스트라이프가 형성된 결정 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며, 제2 방향은 대한 3족 질화물 반도체층의 성장이 제1 방향에 대한 3족 질화물 반도체층의 성장보다 상대적으로 느린 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
(2) 스트라이프를 형성하는 단계에 앞서, 결정 기판에 3족 질화물 반도체층의 성장을 위한 씨앗층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
(3) 3족 질화물 반도체층은 AlxGayN(x>0, y≥0, x+y=1))의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
(4) x는 0.03 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법. x가 0.03 이상의 값을 갖게 함으로써, 그 위에 자외선 반도체 발광소자를 위한 복수의 3족 질화물 반도체층을 성장하는데 활용할 수 있게 된다.
(5) 제1 방향은 [1-100] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법. 여기서 제1 방향은 [1-100]과 완전히 일치하는 것 이외에 약간 벗어난 방위를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 결정 기판에 따라 등가의 방향을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(6) 제2 방향은 [11-20] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법. 여기서 제1 방향은 [11-20]과 완전히 일치하는 것 이외에 약간 벗어난 방위를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 결정 기판에 따라 등가의 방향을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(7) 결정 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법. 이외에도, SiC 기판, AlN 기판 등을 예로 들 수 있다.
(8) 결정 기판은 c면 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법. 이외에도, m면, a면, r면, n면 등의 결정 기판을 사용할 수 있다.
(9) 스트라이프를 형성하는 단계에 앞서, 결정 기판에 3족 질화물 반도체층의 성장을 위한 씨앗층을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 3족 질화물 반도체층은 AlxGayN(x>0, y≥0, x+y=1))의 조성을 가지고, 제1 방향은 [1-100] 방향이며, 제2 방향은 [11-20] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
(10) 돌출부에는 씨앗층이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
본 개시에 따른 하나의 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 의하면, 광취출효율을 높일 수 있게 된다.
100 기판 110 3족 질화물 반도체층

Claims (10)

  1. 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법에 있어서,
    결정 기판에, 결정 기판의 일부로서 결정 기판과 동일 물질로 구성되며, 제1 방향을 따라 뻗어 있고, 제2 방향으로 돌출된 복수의 돌출부가 구비된 스트라이프를 형성하는 단계; 그리고,
    돌출부를 구비하는 스트라이프가 형성된 결정 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    제2 방향은 3족 질화물 반도체층의 성장이 제1 방향에 대한 3족 질화물 반도체층의 성장보다 상대적으로 느린 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    스트라이프를 형성하는 단계에 앞서, 결정 기판에 3족 질화물 반도체층의 성장을 위한 씨앗층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    3족 질화물 반도체층은 AlxGayN(x>0, y≥0, x+y=1))의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    x는 0.03 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 방향은 [1-100] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    제2 방향은 [11-20] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    결정 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    결정 기판은 c면 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    스트라이프를 형성하는 단계에 앞서, 결정 기판에 3족 질화물 반도체층의 성장을 위한 씨앗층을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
    3족 질화물 반도체층은 AlxGayN(x>0, y≥0, x+y=1))의 조성을 가지고,
    제1 방향은 [1-100] 방향이며,
    제2 방향은 [11-20] 방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 9에 있어서,
    돌출부에는 씨앗층이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장하는 방법.
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