KR102341263B1 - Low defective semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

저결함 반도체 소자 및 그 제조 방법이 개시된다.
개시된 반도체 소자의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 제1성장 조건을 가지고 계면 조절층을 형성하고, 상기 계면 조절층 상에 상기 제1 성장 조건과 다른 제2 성장 조건을 가지고 질화물 적층체를 형성한다.
Disclosed are a low-defect semiconductor device and a method for manufacturing the same.
In the disclosed semiconductor device manufacturing method, a buffer layer is formed on a silicon substrate, an interface control layer is formed on the buffer layer under a first growth condition, and a second growth condition different from the first growth condition is formed on the interface control layer. A nitride laminate is formed under the conditions.

Description

저결함 반도체 소자 및 그 제조 방법{Low defective semiconductor device and method of manufacturing the same} Low defective semiconductor device and method of manufacturing the same

저결함 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 소형이면서 트위스트 그레인 바운더리 발생이 감소된 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. To a low-defect semiconductor device and a method for manufacturing the same, and to a semiconductor device having a reduced twist grain boundary while being small and to a method for manufacturing the same.

질화물계 반도체 소자를 형성하기 위한 기판으로 사파이어 기판 또는 실리콘카바이드(SiC) 기판이 많이 사용된다. 하지만, 사파이어 기판은 가격이 비싸고, 단단해서 칩 제작에 어려움이 있으며, 전기 전도성이 낮다. 그리고, 사파이어 기판을 대구경으로 에피 성장 시에, 낮은 열 전도도로 인해 고온에서 기판 자체의 휨 현상이 발생하여 대면적으로 제작하는 것이 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 사파이어 기판 대신 실리콘 기판을 활용한 질화물계 반도체 소자의 개발이 이루어지고 있다. A sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate is often used as a substrate for forming a nitride-based semiconductor device. However, the sapphire substrate is expensive, it is hard to manufacture a chip, and the electrical conductivity is low. In addition, when epitaxially growing a sapphire substrate to a large diameter, it is difficult to fabricate a large area due to the low thermal conductivity causing the substrate itself to warp at a high temperature. In order to overcome this limitation, a nitride-based semiconductor device using a silicon substrate instead of a sapphire substrate is being developed.

실리콘 기판은 사파이어 기판에 비해 열전도도가 높기 때문에 고온에서 성장하는 질화물 박막 성장 온도에서도 기판의 휨 정도가 크지 않아 대구경의 박막 성장이 가능하다. 그러나, 실리콘 기판에 질화물 박막을 성장시 기판과 박막 사이의 격자 상수 불일치로 인해 결함 밀도(dislocation density)가 커지고, 열팽창 계수의 불일치로 인해 크랙이 발생된다. 따라서, 결함 밀도를 감소시키기 위한 방법과 크랙 방지를 위한 방법이 많이 연구되고 있다. 하지만, 결함 밀도를 감소시키면 부수적으로 인장 응력(tensile stress)이 생성되어 결함 밀도는 감소하는 반면 크랙 발생이 증가되거나, 반대로 크랙은 감소되었으나 결함 밀도는 증가되는 양상이 나타난다. 이와 같이 실리콘 기판에서의 질화물 박막 성장시 결함 밀도 감소와 크랙 감소 양쪽을 만족시키는 것이 어렵다. Since the silicon substrate has higher thermal conductivity than the sapphire substrate, the degree of warpage of the substrate is not large even at the growth temperature of the nitride thin film grown at high temperature, enabling the growth of a large-diameter thin film. However, when a nitride thin film is grown on a silicon substrate, a dislocation density increases due to a mismatch of a lattice constant between the substrate and the thin film, and cracks occur due to a mismatch in thermal expansion coefficient. Therefore, methods for reducing the defect density and methods for preventing cracks have been studied a lot. However, when the defect density is decreased, a tensile stress is generated incidentally, so that the defect density is decreased while the occurrence of cracks is increased, or conversely, cracks are decreased but the defect density is increased. As described above, it is difficult to satisfy both the defect density reduction and the crack reduction when the nitride thin film is grown on a silicon substrate.

본 발명의 실시예들은 소형이면서 결함이 적은 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.SUMMARY Embodiments of the present invention provide a method of manufacturing a small-sized semiconductor device with few defects.

본 발명의 실시예들은 소형이면서 결함이 적은 반도체 소자를 제공한다.SUMMARY Embodiments of the present invention provide a small semiconductor device with few defects.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제1성장 조건을 가지고 계면 조절층을 형성하는 단계; 및 상기 계면 조절층 상에 상기 제1 성장 조건과 다른 제2 성장 조건을 가지고 질화물 적층체를 형성하는 단계;를 포함하고,A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes forming a buffer layer on a silicon substrate; forming an interface control layer on the buffer layer under first growth conditions; and forming a nitride laminate on the interface control layer under a second growth condition different from the first growth condition;

상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.8 이상의 범위를 가지도록 상기 제1 성장 조건과 제2 성장 조건을 조절할 수 있다. The first growth condition and the second growth condition may be adjusted so that a ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate has a range of 0.8 or more.

상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.9 이상의 범위를 가질 수 있다. A ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center of the interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may have a range of 0.9 or more.

상기 계면 조절층은 온도, 압력, 두께 중 적어도 하나가 상기 질화물 적층체와 다른 조건으로 형성될 수 있다. At least one of temperature, pressure, and thickness of the interface control layer may be formed under a condition different from that of the nitride laminate.

상기 계면 조절층은 900℃보다 크고 1050℃ 보다 작은 범위의 제1온도에서 형성되고, 상기 질화물 적층체는 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 형성될 수 있다. The interface control layer may be formed at a first temperature in a range greater than 900°C and less than 1050°C, and the nitride laminate may be formed at a second temperature higher than the first temperature.

상기 계면 조절층은 20~500torr범위의 제1압력에서 형성되고, 상기 질화물 적층체는 상기 제1압력보다 같거나 높은 제2압력에서 형성될 수 있다. The interface control layer may be formed at a first pressure in the range of 20 to 500 torr, and the nitride laminate may be formed at a second pressure equal to or higher than the first pressure.

상기 계면 조절층은 2~1000nm범위의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. The interface control layer may be formed to have a thickness in a range of 2 to 1000 nm.

상기 계면 조절층과 질화물 적층체는 V/III 족 화합물로 형성되고, 상기 계면 조절층은 성장시 V족 물질과 III족 물질의 몰조성비가 20~2000 범위를 가질 수 있다. The interface control layer and the nitride laminate may be formed of a group V/III compound, and when the interface control layer is grown, a molar composition ratio of the group V material to the group III material may be in the range of 20 to 2000.

상기 계면 조절층이 상기 버퍼층 상에 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층될 수 있다. The interface control layer may be continuously stacked on the buffer layer without intervening other layers.

상기 질화물 적층체가 상기 계면 조절층 상에 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층될 수 있다. The nitride laminate may be continuously laminated on the interface control layer without intervening other layers.

상기 질화물 적층체는 갈륨을 함유한 질화물로 형성된 적어도 하나의 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. The nitride laminate may include at least one nitride semiconductor layer formed of a nitride containing gallium.

상기 질화물 적층체는 동종의 질화물 화합물로 형성된 복수 개의 질화물 반도체층이 연속적으로 적층될 수 있다. In the nitride laminate, a plurality of nitride semiconductor layers formed of the same kind of nitride compound may be sequentially stacked.

상기 질화물 적층체는 Alx1Iny2Ga1 -x1- y1N(0≤x1,y1≤1, x1+y1≤1)로 형성될 수 있다. The nitride laminate may be formed of Al x1 In y2 Ga 1 -x1- y1 N (0≤x1, y1≤1, x1+y1≤1).

상기 버퍼층은 하나의 층 또는 복수의 층을 포함하고, Alx2Iny2Ga1 -x2- y2N (0≤x2,y2≤1, x2+y2≤1)으로 형성될 수 있다. The buffer layer may include one layer or a plurality of layers, and may be formed of Al x2 In y2 Ga 1 -x2- y2 N (0≤x2, y2≤1, x2+y2≤1).

상기 실리콘 기판과 버퍼층 사이에 핵성장층을 형성할 수 있다. A nucleation layer may be formed between the silicon substrate and the buffer layer.

상기 핵성장층은 AlN로 형성될 수 있다. The nucleation layer may be formed of AlN.

상기 기판과 버퍼층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include removing the substrate and the buffer layer.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는, A semiconductor device according to an embodiment of the present invention,

실리콘 기판;silicon substrate;

상기 실리콘 기판 상의 버퍼층;a buffer layer on the silicon substrate;

상기 버퍼층 상에 구비된 계면 조절층; 및an interface control layer provided on the buffer layer; and

상기 계면 조절층 상의 질화물 적층체;를 포함하고,Including; a nitride laminate on the interface control layer;

상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.8 이상의 범위를 가질 수 있다. A ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center value of the interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may have a range of 0.8 or more.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 및 그 제조 방법은 얇으면서 표면 조도가 낮은 계면 조절층에 의해 소형이면서 낮은 결함을 가지는 반도체 소자를 제공할 수 있다. A semiconductor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention can provide a small-sized and low-defect semiconductor device due to the thin and low surface roughness interface control layer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저결함 반도체 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 저결함 반도체 소자에 핵성장층이 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 저결함 반도체 소자에 활성층이 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 저결함 반도체 소자에서 기판과 버퍼층이 제거된 상태를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 반도체 소자의 계면 조절층의 성장 온도를 변경함에 따른 반사율(Reflectivity)의 변화를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 반도체 소자의 계면 조절층의 성장 온도에 따른 질화물 반도체층 표면의 그레인 사이즈를 보여준 것이다.
도 7a 및 도 7b는 반도체 소자의 계면 조절층의 성장 온도에 따른 쓰레딩 관통 전위(threading dislocation)를 횡방향 단면에서 보인 것이다.
도 8a 및 도 8b는 반도체 소자의 계면 조절층의 성장 온도에 따른 관통 전위(threading dislocation)를 종방향 단면에서 보인 것이다.
도 9a 및 도 9b는 반도체 소자의 계면 조절층의 성장 온도에 따른 계면 조절층의 표면 AFM 이미지를 보인 것이다.
도 10 내지 도 15는 실시예들에 따른 반도체 소자에 채용되는 실리콘 기판의 예들을 보인 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자에 채용되는 버퍼층의 일 예를 도시한 것이다.
도 17a 내지 도 17d는 도 16의 버퍼층에 채용되는 개별 층의 예들을 보인다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자에 채용되는 다른 예의 버퍼층을 보이는 단면도이다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자에 채용되는 다른 예의 버퍼층을 보이는 단면도이다.
도 20은 도 16, 18, 19의 버퍼층을 이루는 각 층의 격자 상수 간의 관계를 보인 그래프이다.
도 21은 도 16, 18, 19의 버퍼층을 이루는 각 층의 두께, 격자 상수의 예시적인 조합을 보인다.
도 22는 도 16, 18, 19의 버퍼층을 이루는 각 층의 두께, 격자 상수의 조합의 다른 예를 보인다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 24 내지 도 27은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서, 발광 소자로 적용된 예들을 보인 단면도이다.도 28은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서 발광 소자 패키지의 예를 보인 단면도이다.
도 29는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 채용한 조명장치의 예를 보인 분해 사시도이다.
1 schematically illustrates a low-defect semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates an example in which a nucleation layer is further provided in the low-defect semiconductor device shown in FIG. 1 .
FIG. 3 illustrates an example in which an active layer is further provided in the low-defect semiconductor device shown in FIG. 1 .
FIG. 4 illustrates a state in which a substrate and a buffer layer are removed from the low-defect semiconductor device shown in FIG. 3 .
5A to 5D illustrate changes in reflectivity as the growth temperature of an interface control layer of a semiconductor device is changed.
6A and 6B show the grain size of the surface of the nitride semiconductor layer according to the growth temperature of the interface control layer of the semiconductor device.
7A and 7B show threading dislocations according to a growth temperature of an interface control layer of a semiconductor device in a transverse cross-section.
8A and 8B are longitudinal cross-sectional views illustrating threading dislocations according to a growth temperature of an interface control layer of a semiconductor device.
9A and 9B show AFM images of the surface of the interface control layer according to the growth temperature of the interface control layer of the semiconductor device.
10 to 15 are cross-sectional views illustrating examples of silicon substrates employed in semiconductor devices according to embodiments.
16 illustrates an example of a buffer layer employed in a semiconductor device according to embodiments of the present invention.
17A-17D show examples of individual layers employed in the buffer layer of FIG. 16 .
18 is a cross-sectional view illustrating another example of a buffer layer employed in a semiconductor device according to embodiments of the present invention.
19 is a cross-sectional view illustrating a buffer layer of another example employed in a semiconductor device according to another embodiment.
20 is a graph showing the relationship between the lattice constants of each layer constituting the buffer layers of FIGS. 16, 18 and 19 .
21 shows an exemplary combination of thicknesses and lattice constants of each layer constituting the buffer layers of FIGS. 16, 18, and 19 .
22 shows another example of a combination of thicknesses and lattice constants of each layer constituting the buffer layers of FIGS. 16, 18, and 19 .
23 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a semiconductor device according to another embodiment.
24 to 27 are cross-sectional views illustrating examples of a semiconductor device applied to a light emitting device according to another embodiment. FIG. 28 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting device package as a semiconductor device according to another embodiment.
29 is an exploded perspective view illustrating an example of a lighting device employing a light emitting device package according to an embodiment.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 저결함 반도체 소자 및 그 제조 방법에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 어느 층의 "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 다른 층이 어느 층에 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. Hereinafter, a low-defect semiconductor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numbers refer to the same components, and the size or thickness of each component may be exaggerated for convenience of description. Meanwhile, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. Hereinafter, reference to "above" or "above" of a layer may include not only those directly on the other layer in contact with it, but also those directly on the other layer in a non-contact manner.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저결함 반도체 소자(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 상기 반도체 소자(100)는 기판(110)과, 상기 기판 상의 버퍼층(115) 및 상기 버퍼층(115) 상의 계면 조절층(120) 및 상기 계면 조절층(120) 상의 질화물 적층체(125)를 포함한다. 상기 기판(110)은 실리콘계 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 1 schematically illustrates a low-defect semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 includes a substrate 110 , a buffer layer 115 on the substrate, an interface control layer 120 on the buffer layer 115 , and a nitride stack 125 on the interface control layer 120 . do. The substrate 110 may be a silicon-based substrate. For example, the substrate 110 may be a silicon substrate.

실리콘 기판은 예를 들어, (111)면을 사용할 수 있으며, 황산과수, 불산, 탈이온화수에 의해 클리닝될 수 있다. 이와 같이 클리닝된 기판은 금속 및 유기물 등의 불순물 및 자연 산화막이 제거되고, 수소로 표면이 터미네이션(termination)되어 에피 성장에 적합한 상태가 될 수 있다. 상기 버퍼층(115)은 예를 들어, AlN, AlGaN, 스텝 그레이드 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x,y≤1, x+y≤1), Alx1Iny1Ga1 -x1- y1N/ Alx2Iny2Ga1 -x2-y2N (0≤x1,x2,y1,y2≤1, x1≠x2 또는 y1≠y2, x1+y1≤1,x2+y2≤1) 초격자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.The silicon substrate may use, for example, a (111) plane, and may be cleaned with sulfuric acid, hydrofluoric acid, or deionized water. The cleaned substrate may be in a state suitable for epitaxial growth by removing impurities such as metals and organic materials and natural oxide films, and terminating the surface with hydrogen. The buffer layer 115 is, for example, AlN, AlGaN, step grade Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x,y≤1, x+y≤1), Al x1 In y1 Ga 1 - x1- y1 N/ Al x2 In y2 Ga 1 -x2-y2 N (0≤x1,x2,y1,y2≤1, x1≠x2 or y1≠y2, x1+y1≤1,x2+y2≤1) seconds It may be formed of a material including any one selected from the group consisting of lattice.

상기 버퍼층(115)은 예를 들어, 기판(110)과 계면 조절층(120) 사이의 격자 상수의 불일치로 인한 변위(dislocation)을 줄이고, 열팽창 계수의 불일치로 인해 발생되는 크랙 생성을 억제하기 위해 구비될 수 있다. 도 1에서는 버퍼층이 한 층으로 된 예를 도시하였으나, 버퍼층이 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 또한, 복수 개의 버퍼층 중 하나는 핵성장층으로 작용할 수 있다. 이하에서는 버퍼층과 핵성장층을 구분하여 설명하기로 한다. 버퍼층(115)은 예를 들어, AlGaN/AlN/AlGaN의 복수층으로 형성될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며, 다른 예들에 대해서는 후술하기로 한다.The buffer layer 115 is, for example, to reduce dislocation due to mismatch of lattice constants between the substrate 110 and the interface control layer 120, and to suppress cracks generated due to mismatch of thermal expansion coefficients. can be provided. 1 illustrates an example in which the buffer layer is one layer, it is also possible that a plurality of buffer layers are provided. Also, one of the plurality of buffer layers may serve as a nucleation layer. Hereinafter, the buffer layer and the nuclear growth layer will be separately described. The buffer layer 115 may be formed of, for example, a plurality of AlGaN/AlN/AlGaN layers. However, the present invention is not limited thereto, and other examples will be described later.

상기 계면 조절층(120)은 Alx3Iny3Ga1 -x3- y3N (0≤x3,y3≤1, x3+y3≤1)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 계면 조절층(120)은 갈륨을 함유한 질화물로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(115)과 계면 조절층(120)은 서로 다른 물질로 형성되어 구분될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(115)은 Al을 함유하는 질화물로 형성되고, 계면 조절층(120)은 Al을 함유하지 않는 질화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(115)은 AlGaN으로 형성되고, 계면 조절층은 GaN으로 형성될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. The interface control layer 120 may be formed of Al x3 In y3 Ga 1 -x3- y3 N (0≤x3, y3≤1, x3+y3≤1). For example, the interface control layer 120 may be formed of a nitride containing gallium. The buffer layer 115 and the interface control layer 120 may be distinguished by being formed of different materials. For example, the buffer layer 115 may be formed of a nitride containing Al, and the interface control layer 120 may be formed of a nitride not containing Al. For example, the buffer layer 115 may be formed of AlGaN, and the interface control layer may be formed of GaN. However, the present invention is not limited thereto.

상기 버퍼층(115)과 계면 조절층(120)의 계면에서는 변위루프(dislocation loop)가 형성되어 전위밀도(dislocation density)가 감소될 수 있다. 상기 버퍼층(115)이 예를 들어 AlxGa1 -xN(0<x≤1)으로 형성될 때, Al 조성은 단일 조성을 가지거나 순차적으로 줄어드는 조성을 가질 수 있다. 예를 들어 Al 조성을 Al0 .7Ga0 .3N --> Al0 .5Ga0 .5N --> Al0 .3Ga0 .7N 으로 step-grade로 순차적으로 감소시킬 수 있다. 이 경우, 버퍼층(115)과 계면 조절층(120) 사이의 격자 부정합 및 열팽창계수 부정합을 단계적으로 줄여 주어 에피 성장시 압축 응력을 효과적으로 발생시킬 수 있다. 이 압축 응력으로 인해 에피 냉각시 발생되는 인장응력이 감소됨으로써 크랙 발생을 줄일 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(115)이 관통 전위의 밴딩(bending)을 유발하여 결함을 감소시킬 수 있다. 버퍼층의 두께가 두꺼워질수록 그 위에 성장되는 질화물 적층체의 압축응력 완화(compressive stress relaxation)를 감소시킬 수 있으며, 결함도 감소시킬 수 있다. 하지만, 버퍼층의 두께가 두꺼울수록 공정시간이 늘어나는 불리함이 있으므로 적절한 결함 감소를 위한 버퍼층의 두께를 한정할 필요가 있다. 예를 들어, 버퍼층의 두께는 수백 나노에서 수 마이크로 두께를 가질 수 있다. A dislocation loop may be formed at the interface between the buffer layer 115 and the interface control layer 120 to decrease dislocation density. When the buffer layer 115 is formed of, for example, Al x Ga 1 -x N (0<x≤1), the Al composition may have a single composition or may have a sequentially decreasing composition. For example, an Al composition Al 0 .7 Ga 0 .3 N - > Al 0 .5 Ga 0 .5 N -> Al 0 .3 Ga 0 .7 to N may be reduced in order to step-grade. In this case, the lattice mismatch and the thermal expansion coefficient mismatch between the buffer layer 115 and the interface control layer 120 are reduced in stages, thereby effectively generating compressive stress during epitaxial growth. Due to this compressive stress, the tensile stress generated during epi cooling is reduced, thereby reducing the occurrence of cracks. In addition, the buffer layer 115 may cause bending of the penetration dislocation, thereby reducing defects. As the thickness of the buffer layer increases, compressive stress relaxation of the nitride stack grown thereon may be reduced, and defects may also be reduced. However, as the thickness of the buffer layer increases, there is a disadvantage in that the processing time increases. Therefore, it is necessary to limit the thickness of the buffer layer for appropriate defect reduction. For example, the thickness of the buffer layer may have a thickness of several hundred nanometers to several micrometers.

한편, 상기 기판(110)은 반도체 소자의 제작 중 또는 제작 후에 제거될 수 있다. 또는, 상기 기판(110)을 제거시 버퍼층(115)도 함께 제거될 수 있다. 실리콘 기판은 빛을 투과하지 않기 때문에 반도체 소자로부터 방사된 빛의 투과를 위해 선택적으로 기판을 제거할 수 있다. Meanwhile, the substrate 110 may be removed during or after the fabrication of the semiconductor device. Alternatively, when the substrate 110 is removed, the buffer layer 115 may also be removed. Since the silicon substrate does not transmit light, the substrate may be selectively removed to transmit light emitted from the semiconductor device.

상기 계면 조절층(120)은 질화물 적층체(125)와의 계면에서 트위스트 그레인 바운더리(twist grain boundary)의 발생을 감소시킬 수 있다. 상기 계면 조절층(120)은 2~1000nm 범위의 두께를 가지고, 상기 버퍼층(115)의 조도(roughness)에 대한 계면 조절층(120)의 조도 비가 3 이하의 범위를 가지도록 형성될 수 있다.The interface control layer 120 may reduce the occurrence of twist grain boundaries at the interface with the nitride stack 125 . The interface control layer 120 may have a thickness in a range of 2 to 1000 nm, and a roughness ratio of the interface control layer 120 to the roughness of the buffer layer 115 may be in a range of 3 or less.

계면 조절층(120)의 두께를 두껍게 할수록 계면 조절층(120)과 질화물 적층체(125)와의 계면에서 트위스트 그레인 바운더리의 발생이 감소될 수 있다. 하지만, 계면 조절층(120)의 두께를 두껍게 하면 전체 박막의 결정성이 나빠질 수 있다. 이는 계면 조절층이 질화물 반도체층에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 성장되어 오히려 결함이 증가할 수 있기 때문이다. 그러므로, 계면 조절층(120)의 두께를 얇게 하면서 트위스트 그레인 바운더리 발생이 감소되도록 하는 것이 좋다. As the thickness of the interface control layer 120 increases, the occurrence of twist grain boundaries at the interface between the interface control layer 120 and the nitride stack 125 may be reduced. However, if the thickness of the interface control layer 120 is increased, the crystallinity of the entire thin film may be deteriorated. This is because the interface control layer is grown at a relatively low temperature compared to the nitride semiconductor layer, so that defects may increase. Therefore, it is preferable to reduce the occurrence of twist grain boundaries while reducing the thickness of the interface control layer 120 .

트위스트 그레인 바운더리가 감소되면 계면 조절층(120) 위에 적층되는 질화물 적층체의 결함이 감소될 수 있다. 즉, 상기 계면 조절층(120)은 2~1000nm 범위의 두께를 가지고, 버퍼층의 조도 대비 계면 조절층의 조도 비가 3 이하 범위를 가짐으로써 그 위에 적층되는 질화물 적층체의 결함을 감소시킬 수 있다. 따라서, 계면 조절층을 사용하지 않는 후막(thick layer) 대비 동일한 정도의 결정성을 낮은 두께에서 얻을 수 있어 전체구조의 박막화가 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 위한 에피성장 단계의 공정 시간과 원가를 감소시킬 수 있다.When the twist grain boundary is reduced, defects in the nitride laminate stacked on the interface control layer 120 may be reduced. That is, the interface control layer 120 has a thickness in the range of 2 to 1000 nm, and the roughness ratio of the interface control layer to the roughness of the buffer layer has a range of 3 or less, thereby reducing defects in the nitride laminate stacked thereon. Accordingly, the same degree of crystallinity can be obtained at a lower thickness compared to a thick layer that does not use an interface control layer, so that the entire structure can be thinned. In addition, it is possible to reduce the process time and cost of the epitaxial growth step for the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

상기 질화물 적층체(125)는 하나의 질화물 반도체층 또는 복수 개의 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 질화물 적층체(125)는 상기 버퍼층 위에 성장시키고자 하는 타겟층을 나타낼 수 있다. 질화물 반도체층은 Alx4Iny4Ga1 -x4-y4N(0≤x4,y4≤1, x4+y4<1)로 형성될 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)가 복수 개의 질화물 반도체층을 포함하는 경우, 질화물 반도체층은 기능적으로 또는 조성물질에 따라 구분될 수 있다. 예를 들어 복수의 질화물 반도체층은 다른 조성비를 가지거나, 도핑과 언도핑에 의해 구분되거나, 다른 도핑농도를 가짐으로써 구별될 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)는 예를 들어, 언도핑 GaN층, n형 GaN층을 포함할 수 있다. The nitride stack 125 may include one nitride semiconductor layer or a plurality of nitride semiconductor layers. The nitride laminate 125 may represent a target layer to be grown on the buffer layer. The nitride semiconductor layer may be formed of Al x4 In y4 Ga 1 -x4-y4 N (0≤x4, y4≤1, x4+y4<1). When the nitride layered body 125 includes a plurality of nitride semiconductor layers, the nitride semiconductor layers may be classified functionally or according to composition quality. For example, the plurality of nitride semiconductor layers may be distinguished by having different composition ratios, by doping and undoping, or by having different doping concentrations. The nitride laminate 125 may include, for example, an undoped GaN layer and an n-type GaN layer.

도 2는 도 1에 도시된 반도체 소자에서 핵성장층이 더 구비된 예를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 반도체 소자(100A)는 기판(110)과 버퍼층(115) 사이에 핵성장층(113)을 더 구비할 수 있다. 핵성장층(113)은 Alx4Iny4Ga1 -x4- y4N (0≤x4,y4≤1, x4+y4≤1)으로 형성될 수 있다. 핵성장층은 수십에서 수백 나노의 두께를 가질 수 있다. 또한, 핵성장층(113)과 버퍼층(115)은 각각의 조성 물질에 의해 구분될 수 있다. FIG. 2 illustrates an example in which a nuclear growth layer is further provided in the semiconductor device shown in FIG. 1 . The semiconductor device 100A illustrated in FIG. 2 may further include a nuclear growth layer 113 between the substrate 110 and the buffer layer 115 . The nucleation layer 113 may be formed of Al x4 In y4 Ga 1 -x4- y4 N (0≤x4, y4≤1, x4+y4≤1). The nucleation layer may have a thickness of tens to hundreds of nanometers. In addition, the nucleation layer 113 and the buffer layer 115 may be distinguished by their respective composition materials.

상기 핵성장층(113)은 예를 들어, AlN 로 형성될 수 있다. 핵성장층은 기판과 질화물 적층체가 반응하여 생기는 melt-back 현상을 막아 주며 버퍼층(115) 또는 계면 조절층(120)이 잘 웨팅(wetting) 될 수 있게 하는 역할을 할 수 있다. 핵성장층의 성장 단계에서 증착 장치에 N 소스보다 Al 소스(source)를 먼저 주입한다. 이는 N 소스인 암모니아를 먼저 주입하는 경우, 기판이 암모니아에 먼저 노출되어 질화되는 것을 막기 위한 것이다. The nucleation layer 113 may be formed of, for example, AlN. The nucleation layer prevents the melt-back phenomenon caused by the reaction of the substrate and the nitride stack, and may serve to allow the buffer layer 115 or the interface control layer 120 to wet well. In the growth stage of the nucleation layer, an Al source rather than an N source is injected into the deposition apparatus first. This is to prevent the substrate from being first exposed to ammonia and nitridation when ammonia, which is an N source, is first injected.

도 3에 도시된 반도체 소자(200)는 기판(210)과, 기판 상의 버퍼층(215), 버퍼층(215) 상의 계면 조절층(220) 및 계면 조절층(220) 상의 제1 질화물 적층체(225)를 포함한다. 그리고, 상기 제1 질화물 적층체(225) 위에 활성층(230)이 구비되고, 상기 활성층(230) 상에 제2 질화물 적층체(325)가 구비될 수 있다. 상기 기판(210)은 실리콘계 기판일 수 있으며, 예를 들어 실리콘 기판일 수 있다. 상기 버퍼층(215)과 계면 조절층(220)은 도 1을 참조하여 설명한 버퍼층 및 계면 조절층과 실질적으로 동일한 구성 및 작용을 가지므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.The semiconductor device 200 illustrated in FIG. 3 includes a substrate 210 , a buffer layer 215 on the substrate, an interface control layer 220 on the buffer layer 215 , and a first nitride stack 225 on the interface control layer 220 . ) is included. In addition, an active layer 230 may be provided on the first nitride stack 225 , and a second nitride stack 325 may be provided on the active layer 230 . The substrate 210 may be a silicon-based substrate, for example, a silicon substrate. Since the buffer layer 215 and the interface control layer 220 have substantially the same configuration and operation as the buffer layer and the interface control layer described with reference to FIG. 1 , a detailed description thereof will be omitted.

상기 제1 질화물 적층체(225)는 하나의 질화물 반도체층 또는 복수 개의 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 제1 질화물 적층체(225)를 이루는 질화물 반도체층은 제1형으로 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 제1형은 예를 들어 n형일 수 있다. 예를 들어, 제1 질화물 적층체를 이루는 질화물 반도체층 중 상기 활성층(230)과 직접 접촉하는 질화물 반도체층은 제1형, 예를 들어 n형으로 도핑될 수 있다. 하지만, 제1형이 p형인 경우도 가능하다.The first nitride semiconductor layer 225 may include one nitride semiconductor layer or a plurality of nitride semiconductor layers. The nitride semiconductor layer constituting the first nitride stack 225 may be doped with type 1 or undoped. Type 1 may be, for example, n-type. For example, a nitride semiconductor layer in direct contact with the active layer 230 among nitride semiconductor layers constituting the first nitride stack may be doped with a first type, for example, an n-type. However, it is also possible that the first type is p-type.

상기 제2 질화물 적층체(235)는 하나의 질화물 반도체층 또는 복수 개의 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 제2 질화물 적층체(235)를 이루는 질화물 반도체층은 제2형으로 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 제2형은 예를 들어 p형일 수 있다. 하지만, 상기 제1 질화물 적층체(235)의 질화물 반도체층이 p형으로 도핑된 경우에는 제2 질화물 적층체의 질화물 반도체층이 n형으로 도핑되는 것도 가능하다. 예를 들어, 제2 질화물 적층체를 이루는 질화물 반도체층 중 상기 활성층(230)과 직접 접촉하는 질화물 반도체층이 제2형, 예를 들어 p형으로 도핑될 수 있다. The second nitride stacked body 235 may include one nitride semiconductor layer or a plurality of nitride semiconductor layers. The nitride semiconductor layer constituting the second nitride stack 235 may be type 2 doped or undoped. The type 2 may be, for example, the p-type. However, when the nitride semiconductor layer of the first nitride stack 235 is p-type doped, the nitride semiconductor layer of the second nitride stack body 235 may be doped in the n-type. For example, a nitride semiconductor layer in direct contact with the active layer 230 among the nitride semiconductor layers constituting the second nitride stack may be doped with a second type, for example, a p type.

상기 활성층(230)은 다중양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 활성층(230)은 GaN/InGaN 다중양자우물구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(230)에서는 제1질화물 적층체로부터의 전자(또는 정공)와 상기 제2 질화물 적층체로부터의 정공(또는 전자)이 결합하면서 빛이 방출될 수 있다. The active layer 230 may have a multi-quantum well structure. For example, the active layer 230 may be formed of a GaN/InGaN multi-quantum well structure. In the active layer 230 , light may be emitted while electrons (or holes) from the first nitride stack and holes (or electrons) from the second nitride stack are combined.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 실리콘 기판을 사용하여 대구경의 웨이퍼 제작이 가능하게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 발광 소자(Light emitting diode), 쇼트키 다이오드, 레이저 다이오드, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor) 또는 파워 디바이스(power device) 등에 적용될 수 있다. In the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a large-diameter wafer using a silicon substrate. The semiconductor device according to the embodiment of the present invention may be applied to a light emitting diode, a Schottky diode, a laser diode, a field effect transistor, or a power device.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 반도체 소자(200)에서 기판(210)과 버퍼층(215)이 제거될 수 있다. 예를 들어, 기판과 버퍼층은 활성층(230)으로부터의 광이 아래 방향으로 방출되도록 하기 위해 제거될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 기판(210)과 버퍼층(215)이 제거될 때, 반도체 소자를 지지하기 위해 상기 제2 질화물 적층체(235) 위에 지지 기판이 더 구비될 수 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 4 , the substrate 210 and the buffer layer 215 may be removed from the semiconductor device 200 . For example, the substrate and buffer layer may be removed to allow light from the active layer 230 to be emitted downwards. Although not shown, when the substrate 210 and the buffer layer 215 are removed, a support substrate may be further provided on the second nitride stack 235 to support a semiconductor device.

다음, 도 1을 참조하여 계면 조절층(120)과 질화물 적층체(125)에 대해 상세히 설명한다.Next, the interface control layer 120 and the nitride laminate 125 will be described in detail with reference to FIG. 1 .

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 상기 계면 조절층(120)의 조도를 감소시키기 위해 성장 조건을 조절할 수 있다. 상기 버퍼층 상에 상기 버퍼층의 조도 대비 계면 조절층의 조도 비율을 조절하도록 제1 성장 조건을 가지고 계면 조절층을 형성한다. 그리고, 상기 계면 조절층 상에 상기 제1 성장 조건과 다른 제2 성장 조건을 가지고 질화물 적층체를 형성한다. 예를 들어, 계면 조절층(120)은 온도, 압력, 두께 중 적어도 하나를 조절하여 성장할 수 있다. 또는, 계면 조절층이 V/III 족 화합물로 형성되고, 상기 계면 조절층의 V족 물질과 III족 물질의 몰조성비를 조절하여 성장할 수 있다. 그리고, 계면 조절층(120)의 성장 조건을 질화물 적층체(125)의 성장 조건을 다르게 조절할 수 있다. In the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, growth conditions may be adjusted to reduce the roughness of the interface control layer 120 . An interface control layer is formed on the buffer layer under the first growth conditions to control a ratio of the roughness of the interface control layer to the roughness of the buffer layer. Then, a nitride laminate is formed on the interface control layer under a second growth condition different from the first growth condition. For example, the interface control layer 120 may be grown by controlling at least one of temperature, pressure, and thickness. Alternatively, the interface control layer may be formed of a group V/III compound, and may be grown by adjusting the molar composition ratio of the group V material and the group III material of the interface control layer. In addition, the growth conditions of the interface control layer 120 may be adjusted differently for the growth conditions of the nitride stack 125 .

예를 들어, 상기 계면 조절층(120)은 900℃보다 크고 1050℃ 보다 작은 범위에서 성장될 수 있다. 상기 계면 조절층(120)은 20~500torr 범위의 압력에서 성장될 수 있다. For example, the interface control layer 120 may be grown in a range greater than 900°C and less than 1050°C. The interface control layer 120 may be grown at a pressure in the range of 20 to 500 torr.

도 5a는 계면 조절층(120)을 900℃에서 성장시켰을 때, 반도체 소자의 두께 방향에 따른 곡률(Curvature)과 반사율(%)을 나타낸 것이다. A1으로 표시된 부분(20~21구간)이 계면 조절층(120)에 대응되는 부분을 나타낸다. 반사율은 표면의 조도를 판단할 수 있는 지표가 될 수 있다. 예를 들어, 표면 조도가 크면 빛이 표면에서 산란되어 반사율이 낮아질 수 있다. 참고로 이하의 실험에서 계면 조절층의 성장 이후 질화물 반도체층의 성장에서는 1050℃의 상대적으로 높은 온도를 사용하였다. 도 5a의 A1에 도시된 예에서, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 대략 0.48을 가질 수 있다. 반사율 진동 중심 값은 반사율 오실레이션의 각 주기에서 진폭의 중심 값들을 나타낼 수 있다. 박막 성장시 박막의 상태를 모니터링하기 위한 방법으로, 레이저를 박막에 비추고 박막으로부터 반사된 빛의 세기를 측정한다. 이때 박막 외부에서 반사된 빛과 박막 내부에서 반사된 빛의 합이 측정되기 때문에, 박막의 두께가 변화할 때, 간섭 효과에 따라 측정된 빛의 세기가 진동하게 된다. 여기서, 진동(Oscillation) 진폭의 중심값인 반사율 진동 중심값(center value of reflectivity oscillation)을 막질을 대표하는 값으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값은 질화물 적층체 구간에서의 반사율 진동 중심 값들 중 최대 값을 나타낼 수 있다. 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소 값은 계면 조절층의 구간에서의 반사율 진동 중심 값들 중 최소 값을 나타낼 수 있다. 5A shows the curvature and reflectance (%) in the thickness direction of the semiconductor device when the interface control layer 120 is grown at 900°C. A portion indicated by A1 (sections 20 to 21) indicates a portion corresponding to the interface control layer 120 . The reflectance may be an index capable of determining the roughness of the surface. For example, if the surface roughness is high, light may be scattered from the surface and the reflectance may be low. For reference, in the following experiment, a relatively high temperature of 1050° C. was used for the growth of the nitride semiconductor layer after the growth of the interface control layer. In the example shown in A1 of FIG. 5A , the ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate may have about 0.48. The reflectance oscillation center value may represent central values of amplitude in each period of the reflectance oscillation. As a method for monitoring the state of a thin film when growing a thin film, a laser is irradiated to the thin film and the intensity of light reflected from the thin film is measured. At this time, since the sum of the light reflected from the outside of the thin film and the light reflected from the inside of the thin film is measured, when the thickness of the thin film is changed, the measured light intensity vibrates according to the interference effect. Here, a center value of reflectivity oscillation, which is a central value of an oscillation amplitude, may be used as a value representing the film quality. For example, the maximum value of the reflectance oscillation center value of the nitride laminate may represent a maximum value among reflectance oscillation center values in the section of the nitride laminate. The minimum value of the reflectance vibration center value of the interface adjustment layer may represent a minimum value among reflectance vibration center values in the section of the interface adjustment layer.

예를 들어, 도 5a에서는 22-25 구간에서 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값들 중 최대 값을 얻을 수 있고, 20-21 구간에서 계면 조절층의 반사율 진동 중심값들 중 최소 값을 얻을 수 있다. For example, in FIG. 5A , a maximum value among reflectance oscillation center values of the nitride laminate may be obtained in a section 22-25, and a minimum value among reflectance oscillation center values of the interface control layer may be obtained in a section 20-21.

도 5b는 계면 조절층(120)을 950℃에서 성장시켰을 때, 반도체 소자의 두께 방향에 따른 곡률(Curvature)과 반사율(%)을 나타낸 것이다. A2로 표시된 부분(20~21구간)이 계면 조절층에 대응되는 부분을 나타낸다. 도 5b에 도시된 계면 조절층에서의 조도는 대략 r.m.s 7.1nm 를 가질 수 있다. 도 5b에서는 22-25 구간에서 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값들 중 최대 값을 얻을 수 있고, 20-21 구간에서 계면 조절층의 반사율 진동 중심값들 중 최소 값을 얻을 수 있다. 도 5b의 A1에 도시된 예에서, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소 값의 비가 대략 0.99를 가질 수 있다.FIG. 5B shows the curvature and reflectance (%) in the thickness direction of the semiconductor device when the interface control layer 120 is grown at 950°C. A portion marked with A2 (sections 20 to 21) indicates a portion corresponding to the interface control layer. The roughness in the interface control layer shown in FIG. 5B may have approximately r.m.s 7.1 nm. In FIG. 5B , the maximum value among the reflectance oscillation center values of the nitride laminate can be obtained in the section 22-25, and the minimum value among the reflectance oscillation center values of the interface control layer can be obtained in the section 20-21. In the example shown in A1 of FIG. 5B , the ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate may have about 0.99.

도 5c는 계면 조절층(120)을 1000℃에서 성장시켰을 때, 반도체 소자의 두께 방향에 따른 곡률(Curvature)과 반사율(%)을 나타낸 것이다. A3으로 표시된 부분(20~21구간)이 계면 조절층에 대응되는 부분을 나타낸다. 도 5c의 A1에 도시된 예에서, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 대략 0.93을 가질 수 있다. 도 5d는 계면 조절층(120)을 1050℃에서 성장시켰을 때, 반도체 소자의 두께 방향에 따른 곡률(Curvature)과 반사율(%)을 나타낸 것이다. A4로 표시된 부분(20~21구간)이 계면 조절층에 대응되는 부분을 나타낸다. 도 5d에 도시된 계면 조절층의 조도는 대략 r.m.s 28.6을 가질 수 있다. 도 5d의 A1에 도시된 예에서, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 대략 0.71를 가질 수 있다. FIG. 5C shows the curvature and reflectance (%) in the thickness direction of the semiconductor device when the interface control layer 120 is grown at 1000°C. A portion marked with A3 (sections 20 to 21) indicates a portion corresponding to the interface control layer. In the example shown in A1 of FIG. 5C , the ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate may have about 0.93. 5D shows the curvature and reflectance (%) of the semiconductor device in the thickness direction when the interface control layer 120 is grown at 1050°C. A portion marked with A4 (sections 20 to 21) indicates a portion corresponding to the interface control layer. The roughness of the interface control layer shown in FIG. 5D may have approximately r.m.s 28.6. In the example illustrated in A1 of FIG. 5D , the ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate may have about 0.71.

다음은, 계면 조절층의 성장 온도에 대해, 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값(RNmax)에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값(RImin)의 비를 나타낸 것이다.The following shows the ratio of the minimum value (RImin) of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value (RNmax) of the reflectance vibration center value of the nitride laminate with respect to the growth temperature of the interface control layer.

계면 조절층 성장 온도(℃)Interface control layer growth temperature (℃) 900900 950950 10001000 10501050 (RImin /RNmax)(RImin/RNmax) 0.480.48 0.990.99 0.930.93 0.710.71

후술하는 바와 같이 도 5b, 도 5c에 도시된 반도체 소자의 결정성이 상대적으로 양호하게 나왔다. 따라서, 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.71보다 클 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.8 이상의 범위를 가질 수 있다. 여기서, 대부분의 경우 계면 조절층의 조도가 질화물 적층체의 조도보다 크고, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값은 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값보다 클 것이 예상될 수 있다. 이 경우, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 1보다 작을 수 있다. 하지만, 여기에 한정되지는 않고, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값과 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값이 거의 같은 경우도 가능하며, 이런 경우 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 대략 1이 될 수 있다. 또한, 질화물 적층체의 성장 조건 및/또는 계면 조절층의 성장 조건에 따라 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값이 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소 값보다 작은 경우도 발생될 수 있다. 이 경우에는 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 1보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.8 내지 1.1 범위를 가질 수 있다. As will be described later, the crystallinity of the semiconductor device shown in FIGS. 5B and 5C is relatively good. Accordingly, for example, in the semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center value of the interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may be greater than 0.71. For example, in the semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center value of an interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may have a range of 0.8 or more. Here, in most cases, it can be expected that the roughness of the interface control layer is greater than that of the nitride laminate, and the reflectance oscillation center value of the nitride laminate is larger than the reflectance oscillation center value of the interface control layer. In this case, the ratio of the minimum value of the reflectance oscillation center value of the interface control layer to the maximum value of the reflectance oscillation center value of the nitride laminate may be less than 1. However, the present invention is not limited thereto, and it is also possible that the reflectance oscillation center value of the nitride laminate and the reflectance oscillation center value of the interface control layer are approximately the same, and in this case, the maximum value of the reflectance oscillation center value of the nitride laminate The ratio of the minimum value of the reflectance oscillation center value of the interface control layer to that of the interface control layer may be approximately 1. In addition, depending on the growth conditions of the nitride laminate and/or the growth conditions of the interface control layer, the maximum value of the reflectance oscillation center value of the nitride laminate may be smaller than the minimum value of the reflectance oscillation center value of the interface control layer. have. In this case, the ratio of the minimum value of the reflectance oscillation center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance oscillation center value of the nitride laminate may be greater than 1. For example, a ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center value of the interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may have a range of 0.8 to 1.1.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서 상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.9-1.1 범위를 가질 수 있다. A1과 A4에서 반사 특성이 불규칙하게 나왔으며, 이는 도 5a에서의 계면 조절층과 도 5d에서의 계면 조절층 성장 조건의 경우 도 5b 및 도 5c에서의 계면 조절층의 성장 조건에 비해 상대적으로 표면 조도가 커짐을 나타낸다. 각 성장 온도에 따른 전체 박막의 GaN(002) 및 GaN(102) XRC(X-Ray rocking curve)의 FWHM(arcsec)(Full Widths at Half Maximum)은 다음과 같이 나타난다. For example, in the semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a ratio of a minimum value of a reflectance oscillation center value of an interface control layer to a maximum value of a reflectance oscillation center value of the nitride laminate may have a range of 0.9-1.1. In A1 and A4, the reflective properties were irregular, which is relatively higher than the growth conditions of the interface control layer in FIGS. 5B and 5C in the case of the interface control layer in FIG. It indicates that the illuminance increases. The full widths at half maximum (FWHM) of the GaN(002) and GaN(102) X-ray rocking curve (XRC) of the entire thin film according to each growth temperature is shown as follows.

계면 조절층 성장 온도Interfacial control layer growth temperature XRC FWHM (arcsec)XRC FWHM (arcsec) (002)(002) (102)(102) 900℃900℃ N/AN/A N/AN/A 950℃950℃ 275 275 323 323 1000℃1000℃ 287 287 357 357 1050℃1050℃ 316 316 375 375

여기서, XRC(X-Ray rocking Curves)의 FWHM(Full width at half maximum)는 X-Ray의 입사각도에 따른 광 세기 변화 그래프에서의 반치폭을 나타낸다. FWHM 값이 작을수록 결함이 작은 것을 나타내며, 950℃, 1000℃에서 상대적으로 결함이 적게 나왔다. 1050℃ 이하로 온도가 감소할수록 결정성 및 압축 응력이 향상되고, 900℃ 이하로 온도가 낮아지면 1050℃의 경우와 같이 반사도가 떨어지는 거친 계면이 막 성장 중에 형성되어 결정성이 저하되었다. 900℃ 의 경우 높은 결함밀도에 의한 압축 응력 완화(compressive stress relaxation)가 커져서 크랙이 발생하였고 XRC FWHM를 얻을 수 없었고, 표 2에서 N/A( Not available)로 나타내었다.Here, the full width at half maximum (FWHM) of X-Ray rocking curves (XRC) represents the full width at half maximum in the light intensity change graph according to the angle of incidence of X-Ray. The smaller the FWHM value, the smaller the defect. Crystallinity and compressive stress were improved as the temperature decreased to 1050° C. or less, and when the temperature was decreased to 900° C. or less, a rough interface with poor reflectivity was formed during film growth, as in the case of 1050° C., and crystallinity was deteriorated. In the case of 900 ℃, the compressive stress relaxation due to the high defect density increased, so cracks occurred, and XRC FWHM could not be obtained, which is shown as N/A (Not available) in Table 2.

도 6a는 950℃에서 계면 조절층을 성장한 경우 STEM(Scanning Transmission Election Microscope) 이미지를 보여준 것이고, 도 6b는 1050℃에서 계면 조절층을 성장한 경우 STEM 이미지를 보여 준 것이다. 도 6a의 계면 조절층에서의 그레인 사이즈가 도 6b의 계면 조절층에서의 그레인 사이즈보다 상대적으로 크다. 그레인 사이즈가 크면 그레인들 사이의 경계에서 발생되는 트위스트 그레인 바운더리(twist grain boundary)가 감소될 수 있다. 6a shows a scanning transmission emission microscope (STEM) image when the interface control layer is grown at 950°C, and FIG. 6b shows a STEM image when the interface control layer is grown at 1050°C. The grain size in the interface control layer of FIG. 6A is relatively larger than the grain size in the interface control layer of FIG. 6B . When the grain size is large, a twist grain boundary generated at a boundary between grains may be reduced.

또한, 도 7a 및 도 7b는 각각 950℃와 1050℃에서 계면 조절층을 성장한 경우 계면 조절층 표면에 도달하는 관통 전위(threading dislocation)를 횡방향 단면(Si(111) 기판의 flat-zone 방향에 평행한 단면) 에서 보인 것이다. 도 8a 및 도 8b는 각각 950℃와 1050℃에서 계면 조절층을 성장한 경우 계면 조절층 표면에 도달하는 관통 전위를 종방향 단면(Si(111) 기판의 flat-zone 방향에 수직인 단면)에서 보인 것이다. 도 7a, 도 7b, 도 8a, 도 8b에서 화살표가 관통 전위를 나타낸다. 도 7a 및 도 8a에서의 화살표가 도 7b 및 도 8b에서의 화살표에 비해 상대적으로 적게 나타났다. 이는 950℃에서 성장한 계면 조절층의 관통 전위가 1050℃에서 성장한 계면 조절층의 관통 전위보다 적었음을 나타낸다.7A and 7B show the threading dislocations reaching the surface of the interface control layer when the interface control layer is grown at 950° C. and 1050° C., respectively, in the transverse section (in the flat-zone direction of the Si(111) substrate). parallel cross-section). 8A and 8B show the penetration dislocations reaching the surface of the interface control layer in the longitudinal section (the section perpendicular to the flat-zone direction of the Si(111) substrate) when the interface control layer is grown at 950°C and 1050°C, respectively. will be. In FIGS. 7A, 7B, 8A, and 8B, arrows indicate penetration dislocations. The arrows in FIGS. 7A and 8A were relatively small compared to the arrows in FIGS. 7B and 8B. This indicates that the penetration dislocation of the interfacial control layer grown at 950°C was smaller than that of the interface control layer grown at 1050°C.

도 9a 및 도 9b는 각각 950℃와 1050℃에서 계면 조절층을 성장한 경우 계면 조절층의 표면 AFM 이미지를 보인 것이다. 도 9b에서는 화살표로 표시된 부분에서 트위스트 그레인 바운더리가 만나면서 발생되는 에지 타입(edge-type)의 전위(dislocation)가 라인(line) 형태로 배열된 것을 나타낸다.9A and 9B show AFM images of the surface of the interface control layer when the interface control layer is grown at 950°C and 1050°C, respectively. In FIG. 9B , it is shown that edge-type dislocations generated when twisted grain boundaries meet at a portion indicated by an arrow are arranged in a line form.

따라서, 계면 조절층(120)을 예를 들어, 900℃보다 크고 1050℃보다 작은 범위의 온도에서 성장함으로써 결정성을 높이고, 트위스트 그레인 바운더리의 발생을 감소시킬 수 있다.Therefore, by growing the interface control layer 120 at, for example, a temperature in a range greater than 900° C. and less than 1050° C., it is possible to increase crystallinity and reduce the occurrence of twist grain boundaries.

다음, 계면 조절층의 두께를 조절하여 결정성을 높이고, 트위스트 그레인 바운더리 발생을 감소시킬 수 있다. 계면 조절층의 두께가 두꺼울수록 결정성이 저하되고, 압축 응력이 감소될 수 있다. 다음은, 950℃에서 계면 조절층의 두께를 각각 160nm, 320nm, 640nm 로 성장한 경우 XRC의 FWHM을 나타낸 것이다.Next, by adjusting the thickness of the interface control layer, crystallinity may be increased and the occurrence of twist grain boundaries may be reduced. As the thickness of the interface control layer increases, crystallinity may decrease and compressive stress may be reduced. The following shows the FWHM of XRC when the thickness of the interface control layer is grown to 160 nm, 320 nm, and 640 nm, respectively, at 950 °C.

두께thickness XRC FWHMXRC FWHM (002)(002) (102)(102) 160nm160nm 282 282 311 311 320nm320nm 275 275 323 323 640nm640nm 310 310 382 382

표 3에 따르면, 두께가 두꺼울수록 결정성이 저하되고, 압축 응력이 감소되었다. 계면 조절층의 성장 온도가 상대적으로 낮기 때문에 비록, 두께가 두꺼울수록 조도(roughness)는 향상되지만, 결정성과 압축 응력은 나빠질 수 있다. 따라서, 두께를 온도에 따라 적절히 작게 하여 결정성과 압축 응력을 향상시키면서 성장 온도를 900℃보다 크고 1050℃보다 작게 하여 조도를 향상시킬 수 있다. 그럼으로써, 트위스트 그레인 바운더리를 감소시킬 수 있다. 계면 조절층은 버퍼층(115)의 조도에 비해 3 이하의 비율을 가지는 조도를 가질 수 있다. 이와 같이 계면 조절층의 성장 조건을 조절하여 계면 조절층의 두께를 작게 하면서 버퍼층에 대한 계면 조절층의 조도 비를 감소시킬 수 있다. According to Table 3, the higher the thickness, the lower the crystallinity and the compressive stress was reduced. Since the growth temperature of the interfacial control layer is relatively low, although roughness is improved as the thickness is increased, crystallinity and compressive stress may deteriorate. Accordingly, the roughness can be improved by making the growth temperature greater than 900°C and smaller than 1050°C while improving the crystallinity and compressive stress by appropriately reducing the thickness according to the temperature. Thereby, it is possible to reduce the twist grain boundary. The interface control layer may have a roughness ratio of 3 or less compared to the roughness of the buffer layer 115 . As described above, by controlling the growth conditions of the interface control layer, the thickness of the interface control layer can be reduced while reducing the roughness ratio of the interface control layer to the buffer layer.

다음은, 계면 조절층의 성장 압력과 계면 조절층의 성장 몰조성비를 조절하면서 결정성과 압축 응력을 알아보았다. 여기서, 계면 조절층은 GaN으로 형성되고, Ga과 N의 몰조성비(V/III)를 변경하면서 시뮬레이션 하였다. 여기서, V/III는 계면 조절층 성장시 사용되는 V족 물질과 III족 물질의 몰조성비를 나타낸다.Next, the crystallinity and compressive stress were investigated while controlling the growth pressure of the interface control layer and the growth molar composition ratio of the interface control layer. Here, the interface control layer was formed of GaN, and simulation was performed while changing the molar composition ratio (V/III) of Ga and N. Here, V/III represents the molar composition ratio of the group V material and the group III material used for growing the interface control layer.

성장 조건growing conditions XRC FWHM(arcsec)XRC FWHM (arcsec) 압력pressure 온도Temperature 물질matter 조성비composition ratio (002)(002) (102)(102) 75torr75 torr 950℃950℃ GaNGaN V/III=837V/III=837 273 273 294 294 200torr200 torr 950℃950℃ GaNGaN V/III=812V/III=812 282 282 304 304 500torr500 torr 950℃950℃ GaNGaN V/III=812V/III=812 330 330 530 530 75torr75 torr 950℃950℃ GaNGaN V/III=1674V/III=1674 280 280 300 300

표 4에 따르면, 압력이 낮을수록 결정성 및 압축 응력이 향상되고, V/III 조성비가 커질수록 결정성 및 압축 응력이 향상되었다. According to Table 4, the lower the pressure, the better the crystallinity and the compressive stress, the higher the V/III composition ratio, the higher the crystallinity and the compressive stress.

예를 들어, 계면 조절층은 20~500torr범위의 압력에서 성장될 수 있다. 그리고, 계면 조절층은 10~2000 범위의 V/III 몰조성비를 가질 수 있다. For example, the interface control layer may be grown at a pressure in the range of 20 to 500 torr. In addition, the interface control layer may have a V/III molar composition ratio in the range of 10 to 2000.

다음, 상기 계면 조절층(120) 상에 질화물 적층체(125)를 형성한다. 상기 질화물 적층체(125)는 상기 계면 조절층(120)과는 다른 성장 조건을 가지고 형성될 수 있다. 따라서, 상기 계면 조절층(120)과 질화물 적층체(125)는 예를 들어 성장 특성에 의해 구분될 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 적층체(125)는 950~1100℃ 온도 범위에서 성장될 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)는 50~300torr 압력 범위에서 성장될 수 있다.Next, a nitride laminate 125 is formed on the interface control layer 120 . The nitride stack 125 may be formed under different growth conditions from those of the interface control layer 120 . Accordingly, the interface control layer 120 and the nitride stack 125 may be distinguished by, for example, growth characteristics. For example, the nitride laminate 125 may be grown in a temperature range of 950 to 1100°C. The nitride stack 125 may be grown in a pressure range of 50 to 300 torr.

상기 질화물 적층체(125)는 Alx4Iny4Ga1 -x4-y4N(0≤x4,y4≤1, x4+y4<1)로 형성될 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)는 하나의 질화물 반도체층 또는 복수 개의 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)가 복수 개의 질화물 반도체층을 포함하는 경우, 질화물 반도체층은 기능적으로 또는 물질적으로 구분될 수 있다. 예를 들어 복수의 질화물 반도체층은 다른 조성을 가지거나, 도핑 여부, 다른 도핑농도를 가짐으로써 구별될 수 있다. 상기 질화물 적층체(125)는 예를 들어, 언도핑 GaN층, n형 GaN층을 포함할 수 있다. The nitride stack 125 may be formed of Al x4 In y4 Ga 1 -x4-y4 N (0≤x4, y4≤1, x4+y4<1). The nitride stack 125 may include one nitride semiconductor layer or a plurality of nitride semiconductor layers. When the nitride stack 125 includes a plurality of nitride semiconductor layers, the nitride semiconductor layers may be functionally or materially divided. For example, the plurality of nitride semiconductor layers may be distinguished by having different compositions, doping or not, and different doping concentrations. The nitride laminate 125 may include, for example, an undoped GaN layer and an n-type GaN layer.

상기 계면 조절층(120)이 성장 조건에 따라 얇은 두께를 가지면서, 계면 조절층의 표면의 조도가 버퍼층 대비 3이하의 범위를 가지도록 형성됨으로써, 상기 계면 조절층(120) 위의 질화물 적층체(125)가 저결함으로 성장될 수 있다. 계면 조절층(120)에 의해 낮은 관통 전위를 얻을 수 있으며 따라서 관통 전위에 의한 압축 응력이 완화(relaxation) 되는 현상이 줄어 들기 때문에 상기 질화물 적층체(125)는 질화물 반도체층 사이에 결정성이나 압축 응력 확보를 위한 다른 층들의 삽입 없이 성장될 수 있다. 즉, 상기 질화물 적층체를 이루는 질화물 반도체층들이 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층될 수 있다. 여기서, 질화물 반도체층들은 동종의 재질로 형성될 수 있다. 동종의 재질은 질화물 반도체층의 성분이 같은 것을 나타낼 수 있다. 하지만, 다른 특성들의 확보를 위해 질화물 반도체층들 사이에 이종의 질화물 반도체층이 개입되는 것을 제한하는 것은 아니다.The interface control layer 120 is formed to have a thin thickness depending on growth conditions, and the surface roughness of the interface control layer has a range of 3 or less compared to the buffer layer, so that the nitride laminate on the interface control layer 120 is formed. (125) can be grown with low defects. Since a low penetration dislocation can be obtained by the interface control layer 120 and thus the phenomenon of relaxation of the compressive stress caused by the penetration dislocation is reduced, the nitride stack 125 has crystallinity or compression between the nitride semiconductor layers. It can be grown without inserting other layers to secure stress. That is, the nitride semiconductor layers constituting the nitride stack may be sequentially stacked without intervening other layers. Here, the nitride semiconductor layers may be formed of the same material. Materials of the same type may indicate that the nitride semiconductor layer has the same composition. However, the intervening of a heterogeneous nitride semiconductor layer between the nitride semiconductor layers is not limited to ensure other characteristics.

또한, 상기 계면 조절층이 상기 버퍼층 상에 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층될 수 있다. 즉, 계면 조절층에 의해 결정성 및 압축 응력 특성이 확보되므로 버퍼층과 계면 조절층 사이에 결정성 및 압축 응력 확보를 위한 다른 층들의 개입 없이 버퍼층 바로 위에 계면 조절층이 적층될 수 있다. Also, the interface control layer may be continuously stacked on the buffer layer without intervening other layers. That is, since crystallinity and compressive stress characteristics are secured by the interface control layer, the interface control layer may be stacked directly on the buffer layer without intervening other layers for securing crystallinity and compressive stress between the buffer layer and the interface control layer.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 및 제조 방법은 얇으면서 표면 조도가 낮은 계면 조절층에 의해 비교적 낮은 두께를 가지는 박막구조에서 낮은 결함을 가지는 반도체 소자를 제공할 수 있다. SiNx 마스크층을 이용하여 결함 밀도를 감소시키는 경우, 마스크층 위에서 질화물층의 성장시 합체(coalescence)를 위해 수 ㎛ 이상의 두께로 성장을 하여야 하므로 이러한 방법을 사용하여 제조된 반도체 소자는 두껍게 제작될 수 있다. 또한, 합체 과정에서 상대적인 인장 응력(tensile stress)이 유발되어 박막의 크랙 발생 가능성이 높아질 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 이러한 마스크층을 사용하지 않더라도 버퍼층, 계면 조절층, 질화물 적층체의 전체 두께가 예를 들어, 6㎛ 이하로 제작될 수 있다. 그리고, AFM(Atomic Force Microscope)에 의해 관측된 surface pit density가 5E8/cm2 이하인 낮은 결함 밀도를 가질 수 있다. 그리고, (002) 방향과 (102) 방향에 대한 FWHM의 비가 280"/300" 이하인 결정성을 가질 수 있다. 또한, 예를 들어 4E18/cm3 이상의 Si 도핑 농도를 가지는 n형 GaN층을 3㎛ 이상 크랙 없이 성장할 수 있다. 이는 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 및 제조 방법은 얇으면서 결함이 낮은 성능을 확보할 수 있다.The semiconductor device and the manufacturing method according to the embodiment of the present invention can provide a semiconductor device having low defects in a thin film structure having a relatively low thickness due to the thin interfacial control layer having a low surface roughness. In the case of reducing the defect density using the SiNx mask layer, the semiconductor device manufactured using this method can be manufactured thickly because it must be grown to a thickness of several μm or more for coalescence during growth of the nitride layer on the mask layer. have. In addition, a relative tensile stress may be induced during the coalescence process, thereby increasing the possibility of cracking of the thin film. However, in the embodiment of the present invention, even if such a mask layer is not used, the total thickness of the buffer layer, the interface control layer, and the nitride laminate may be, for example, 6 μm or less. And, the surface pit density observed by AFM (Atomic Force Microscope) may have a low defect density of 5E8/cm 2 or less. And, the ratio of the FWHM to the (002) direction and the (102) direction may have a crystallinity of 280″/300″ or less. In addition, for example, an n-type GaN layer having a Si doping concentration of 4E18/cm 3 or more may be grown without cracks of 3 μm or more. This is merely exemplary, and the present invention is not limited thereto. As described above, the semiconductor device and the manufacturing method according to the embodiment of the present invention can secure performance with a low defect while being thin.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 적은 두께로 결정성을 좋게 할 수 있고, 예를 들어 8인치 이상의 대구경으로 제작 가능할 수 있다.The semiconductor device according to the embodiment of the present invention may have good crystallinity with a small thickness, and may be manufactured with a large diameter of 8 inches or more, for example.

한편, 도 10 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자에 채용될 수 있는 기판(S)의 예들을 보인 단면도이다.Meanwhile, FIGS. 10 to 15 are cross-sectional views illustrating examples of a substrate S that may be employed in a semiconductor device according to embodiments of the present invention.

상기 기판(S)은 반도체 박막 성장 공정 중에 발생할 수 있는 균열에 취약한 테두리부(S1)에 균열 방지부를 구비한 형태로 사용될 수 있다.The substrate S may be used in a form in which a crack prevention part is provided on the edge part S1 that is vulnerable to cracks that may occur during the semiconductor thin film growth process.

도 10을 참조하면, 기판(S)은 메인부(S2)와, 메인부(S2)의 둘레에 있는 테두리부(S1)를 포함할 수 있다. 기판(S)은 예를 들어 원형일 수 있으며, 메인부(S2)는 기판의 테두리부 안쪽 부분을 나타낼 수 있다. 또한, 메인부(S2)는 단결정 질화물 반도체 박막을 성장하고자 하는 영역을 나타낼 수 있다. 실리콘 기판(S)은 예를 들어, 테두리부(S1)의 상면에 그 결정면의 방향이 랜덤하게 형성된 균열 방지부(CP1)을 구비할 수 있다. Referring to FIG. 10 , the substrate S may include a main portion S2 and an edge portion S1 on the periphery of the main portion S2 . The substrate S may have, for example, a circular shape, and the main portion S2 may represent a portion inside the edge of the substrate. Also, the main part S2 may indicate a region in which a single crystal nitride semiconductor thin film is to be grown. The silicon substrate S may include, for example, a crack prevention part CP1 in which the direction of the crystal plane is randomly formed on the upper surface of the edge part S1 .

메인부(S2)는 예를 들어, (111) 결정면을 가질 수 있으며, 균열 방지부(CP1)는 불규칙한 결정면을 가질 수 있다. 균열 방지부(CP1)는 결정면의 방향이 불규칙적으로 형성되어 그 위에 질화물 반도체 박막을 성장시키는 경우 질화물 반도체 박막이 단결정으로 성장되지 못하고, 비정질 또는 다결정으로 형성될 수 있다. 반면에 메인부(S2) 위에서는 질화물 반도체 박막이 단결정으로 성장될 수 있다. The main part S2 may have, for example, a (111) crystal plane, and the crack prevention part CP1 may have an irregular crystal plane. In the case of growing the nitride semiconductor thin film thereon because the direction of the crystal plane is irregularly formed in the crack preventing part CP1 , the nitride semiconductor thin film cannot be grown as a single crystal, but may be formed in an amorphous or polycrystalline form. On the other hand, on the main part S2, the nitride semiconductor thin film may be grown as a single crystal.

균열 방지부(CP1)가 랜덤한 방향의 결정면을 가지거나 거친 표면을 가질 때, 질화물 반도체 박막을 실리콘 기판에 성장하는 과정에서 메인부(S2)에서는, 예를 들어 결정이 (111) 방향으로 배향되는데 반해, 균열 방지부(CP1)에서는 거친 표면으로 인해 표면의 결정 방향이 랜덤하게 배향(orientation)될 수 있다. 따라서, 균열 방지부(CP1) 표면에서 성장되는 질화물 반도체 박막은 다결정 혹은 비정질(amorphous) 상태로 성장되므로, 실리콘 기판의 (111) 면에서 성장되는 질화물 반도체 박막의 단결정 부분과는 달리 이종 물질의 성장에 의한 기판과 박막 사이의 계면에서의 스트레스가 완화될 수 있다. 따라서, 테두리부(S1)에 질화물 반도체 박막을 성장할 때 박막에 의한 스트레스가 감소되어 실리콘 기판의 변성을 완화시킬 수 있다. When the crack prevention part CP1 has a crystal plane in a random direction or a rough surface, in the main part S2 in the process of growing the nitride semiconductor thin film on the silicon substrate, for example, the crystal is oriented in the (111) direction. On the other hand, in the crack prevention part CP1, the crystal direction of the surface may be randomly oriented due to the rough surface. Therefore, since the nitride semiconductor thin film grown on the surface of the crack prevention part CP1 is grown in a polycrystalline or amorphous state, the growth of a heterogeneous material is different from the single crystal part of the nitride semiconductor thin film grown on the (111) plane of the silicon substrate. stress at the interface between the substrate and the thin film by Accordingly, when the nitride semiconductor thin film is grown on the edge portion S1 , stress due to the thin film is reduced, thereby reducing the denaturation of the silicon substrate.

도 11을 참조하면, 실리콘 기판(S)은 메인부(S2)와, 메인부(S2)의 둘레에 있는 테두리부(S1)를 포함하며, 테두리부(S1) 상에는 요철 패턴 형상의 균열 방지부(CP2)가 포함될 수 있다. 이러한 요철 패턴은 일반적인 포토 리소그라피 공정에 따라 형성될 수 있으며, 요철 패턴으로 인해 균열 방지부(CP2)가 거친 표면을 가지거나 표면의 결정 방향이 랜덤하게 될 수 있다. Referring to FIG. 11 , the silicon substrate S includes a main portion S2 and an edge portion S1 on the periphery of the main portion S2 , and a crack preventing portion having a concave-convex pattern shape on the edge portion S1 . (CP2) may be included. The concave-convex pattern may be formed according to a general photolithography process, and the crack preventing part CP2 may have a rough surface or the crystal direction of the surface may be random due to the concave-convex pattern.

도 12를 참조하면, 실리콘 기판(S)은 실리콘 메인부(S2)와, 실리콘 메인부(S2)의 둘레에 있는 실리콘 테두리부(S1)와, 실리콘 테두리부(S1) 상에 형성된 균열 방지부(CP3)를 포함할 수 있다. 균열 방지부(CP3)는 예를 들어, 테두리부(S1)를 열산화(thermal oxidation)화여 형성된 열산화물(thermal oxide)로 형성될 수 있다. 또는, 실리콘 기판(S)에 CVD(Chemical Vaper Deposition) 또는 스퍼터링(sputtering)를 이용하여 산화물(oxide) 또는 질화물(nitride)과 같은 유전 물질을 증착하고, 포토 리소그라피 공정을 통해 테두리부(S1) 상에만 유전 물질이 남도록 패터닝하고 식각하여 유전체막으로 된 균열 방지부(CP2)를 형성할 수 있다. 여기서, 균열 방지부(CP2)는 실리콘 테두리부(S1)의 상부 이외에 실리콘 기판(S)의 측면에도 연장되어 형성될 수 있으며, 또는, 밑면에까지 연장되어 형성될 수 있다. Referring to FIG. 12 , the silicon substrate S includes a silicon main part S2 , a silicon rim part S1 around the silicon main part S2 , and a crack preventing part formed on the silicon rim part S1 . (CP3) may be included. The crack prevention part CP3 may be formed of, for example, a thermal oxide formed by thermal oxidation of the edge part S1 . Alternatively, a dielectric material such as oxide or nitride is deposited on a silicon substrate S using chemical vapor deposition (CVD) or sputtering, and a photolithography process is performed on the edge portion S1. The crack preventing portion CP2 made of a dielectric layer may be formed by patterning and etching so that only the dielectric material remains. Here, the crack preventing portion CP2 may be formed to extend to the side surface of the silicon substrate S in addition to the upper portion of the silicon edge portion S1 , or may be formed to extend to the bottom surface of the silicon substrate S.

도 13을 참조하면, 실리콘 기판(S)은 테두리부(S1)의 상부가 식각되어 단차가 형성되고, 실리콘 기판(S)의 메인부(S2)보다 낮게 단차진 테두리부(S1)의 상부에 균열 방지부(CP4)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 13 , in the silicon substrate S, the upper portion of the edge portion S1 is etched to form a step, and on the upper portion of the edge portion S1 stepped lower than the main portion S2 of the silicon substrate S. A crack prevention part CP4 may be included.

도 14를 참조하면, 실리콘 기판(S)은 메인부(S2)와, 메인부(S2)의 둘레에 있는 테두리부(S1)와, 실리콘 테두리부(S1) 상에 형성된 균열 방지부(CP5)를 포함할 수 있다. 균열 방지부(CP5)는 테두리부(S1) 상에 이온 주입(ion implantation)을 통해 형성될 수 있다. 이온 임플란트에 의해 테두리부(S1)의 표면이 다결정 또는 비정질 형태로 변성될 수 있다. 한편, 도면에서는 실리콘 테두리부(S1)의 상면에만 이온 임플란트가 된 것을 예시하였으나, 여기에 한정되는 것은 아니고 테두리부(S1)의 상면을 포함하여 측면과 하면, 그리고, 실리콘 메인부(S2)의 하면까지 연장하여 이온 임플란트 하는 것도 가능하다. 예를 들어, 테두리부(S1)의 측면에까지 균열 방지부가 형성되는 경우에는, 실리콘 기판을 증착 장치에서 고속으로 회전시킬 때 고속 회전으로 인한 충격을 완화시킴으로써 균열 감소 효과를 더 높일 수 있다. Referring to FIG. 14 , the silicon substrate S includes a main portion S2 , an edge portion S1 on the periphery of the main portion S2 , and a crack prevention portion CP5 formed on the silicon edge portion S1 . may include The crack prevention part CP5 may be formed on the edge part S1 through ion implantation. The surface of the edge portion S1 may be transformed into polycrystalline or amorphous form by the ion implant. On the other hand, in the drawing, it is illustrated that the ion implant is only on the upper surface of the silicon rim part S1, but it is not limited thereto, and the side and lower surfaces including the upper surface of the rim part S1, and the silicon main part S2. It is also possible to perform ion implantation by extending it to the lower surface. For example, when the crack prevention part is formed even on the side surface of the edge part S1, when the silicon substrate is rotated at a high speed in the deposition apparatus, the effect of reducing cracks may be further enhanced by alleviating the impact caused by the high speed rotation.

도 15를 참조하면, 실리콘 기판(S)은 테두리부(S1)의 상부가 식각되어 단차가 형성되고, 실리콘 기판(S)의 메인부(S2)보다 낮게 단차진 테두리부(S1)의 상부에 이온 주입에 의한 균열 방지부(CP5)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15 , in the silicon substrate S, the upper portion of the edge portion S1 is etched to form a step, and on the upper portion of the edge portion S1 stepped lower than the main portion S2 of the silicon substrate S. The crack prevention part CP5 by ion implantation may be formed.

도 10 내지 도 15에 도시된 실리콘 기판(S)은, 반도체 박막 제조공정 중에 발생하는 보우(bow)를 줄일 수 있도록, 불순물이 소정 농도로 도핑된 형태로 사용될 수도 있다.The silicon substrate S shown in FIGS. 10 to 15 may be used in a form doped with impurities at a predetermined concentration so as to reduce a bow generated during a semiconductor thin film manufacturing process.

다음, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에 채용되는 버퍼층에 대해 설명한다. Next, a buffer layer employed in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.

버퍼층은 단일 층 또는 복합 층을 포함할 수 있다. 단일 층 또는 복합층을 구성하는 층은 균일한 조성을 가질 수도 있고, 층 내에서 조성이 변화되는 구조를 가질 수도 있다. 조성을 변화시키는 경우, 예를 들어 질화물 적층체로 갈수록 Al 조성이 감소되게 구성될 수 있다. The buffer layer may include a single layer or a composite layer. The layers constituting the single layer or the composite layer may have a uniform composition, or may have a structure in which the composition is changed within the layer. When the composition is changed, for example, the Al composition may be reduced toward the nitride laminate.

버퍼층으로서 복합 층을 사용하는 경우, 초격자층을 사용할 수 있으며, 일부에 초격자층을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이 버퍼층(315)이 제1층(315a), 제2층(315b), 제3층(315c)을 포함할 수 있다.When a composite layer is used as the buffer layer, a superlattice layer may be used, and it is also possible to use a superlattice layer in part. For example, as shown in FIG. 16 , the buffer layer 315 may include a first layer 315a, a second layer 315b, and a third layer 315c.

제1층(315A)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 포함하며, 격자 상수 LP1이 기판(도 1 내지 도 3의 110,210)의 격자상수 LP0보다 작은 값을 가질 수 있다. 제2층(315B)은 제1층(315A) 위에 형성되고, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 포함하며, 격자 상수 LP2는 LP1보다 크고 LP0보다 작은 값을 가질 수 있다. 제3층(315C)은 제2층(315B) 위에 형성되고, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 포함하며, 격자 상수 LP3는 LP2보다 작은 값을 가질 수 있다. LP3는 LP1 이상의 값을 가질 수 있다. The first layer 315A includes Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), and the lattice constant LP1 is the substrate (Fig. 1 to 3 may have a value smaller than the lattice constant LP0 of 110 and 210). The second layer 315B is formed on the first layer 315A, and Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1) Including, the lattice constant LP2 may have a value greater than LP1 and smaller than LP0. The third layer 315C is formed on the second layer 315B, and Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1) , and the lattice constant LP3 may have a smaller value than LP2. LP3 may have a value greater than or equal to LP1.

제1층(315A)은 기판의 격자상수보다 작은 격자 상수 값을 가지며, 따라서, 인장 응력을 받을 수 있다. 제2층(315B)은 제1층(315A)의 격자 상수보다 큰 값을 가지므로, 제1층(315A)에 의해 압축 응력을 받을 수 있고, 제3층(315C)은 제2층(315B)의 격자 상수보다 작은 값을 가지므로, 제2층(315B)에 의해 인장응력을 받을 수 있다. 다만, 각 층이 받는 응력의 종류 및 크기는 하부 층과의 격자 상수 차 이외에도 두께 관계 및 격자 이완(lattice relaxation) 여부에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판상에서 격자 이완(lattice relaxation)이 발생한 제1층에(315A) 의해 압축 응력을 받는 제2층의(315B) 두께가 매우 얇아 격자 이완(lattice relaxation)이 발생하지 않고 제1층(315A)의 격자와 coherent 하게 성장될 경우, 즉 제2층(315B)의 격자 크기가 제1층(315A)의 격자 크기와 거의 유사하게 성장할 경우 제3층(315C)이 받는 응력의 종류 및 크기는 제1층(315A)의 격자 크기에 의존하게 된다. 이러한 관계에 따라, 예를 들어, 제1층(315A), 제3층(315C)이 기판 및 제2층(315B)에 의해 인장 응력을 받는 층이 되는 경우, 인장 응력이 과도하면 크랙이 발생할 수 있으므로, 성장 또는 냉각시에 크랙이 발생하는 임계 두께 이하의 두께를 가지도록 구성될 수 있다. The first layer 315A has a lattice constant value smaller than the lattice constant of the substrate, and thus may be subjected to tensile stress. Since the second layer 315B has a larger lattice constant than the lattice constant of the first layer 315A, it may be subjected to compressive stress by the first layer 315A, and the third layer 315C may be subjected to a compressive stress by the second layer 315B. ), since it has a smaller value than the lattice constant of ), it is possible to receive a tensile stress by the second layer 315B. However, the type and magnitude of the stress received by each layer may vary depending on a thickness relationship and lattice relaxation in addition to a difference in lattice constant with a lower layer. For example, since the thickness of the second layer 315B, which is subjected to compressive stress by the first layer 315A in which lattice relaxation has occurred on the silicon substrate, is very thin, lattice relaxation does not occur and the first The type of stress applied to the third layer 315C when it is grown coherently with the lattice of the layer 315A, that is, when the lattice size of the second layer 315B grows to be substantially similar to the lattice size of the first layer 315A. and the size will depend on the lattice size of the first layer 315A. According to this relationship, for example, when the first layer 315A and the third layer 315C are layers subjected to tensile stress by the substrate and the second layer 315B, cracks may occur if the tensile stress is excessive. Therefore, it may be configured to have a thickness equal to or less than the critical thickness at which cracks occur during growth or cooling.

또한, 제1층(315A)은 기판과 직접 접촉하는 층으로 구성될 수 있으며, AlN으로 이루어질 수 있다. In addition, the first layer 315A may be configured as a layer in direct contact with the substrate, and may be made of AlN.

또한, 제1층(315A)은 기판에 의해 인장응력을 받으며, 격자 이완(lattice relaxation)이 일어날 수 있다.Also, the first layer 315A receives a tensile stress by the substrate, and lattice relaxation may occur.

또한, 버퍼층(315)을 이루는 각 층의 응력 합은 압축 응력이 되도록, 즉, 버퍼층(315) 상에 형성될 타겟층에 압축 응력을 인가할 수 있도록 각 층의 두께와 격자 상수가 정해질 수 있다.In addition, the thickness and lattice constant of each layer may be determined so that the sum of the stresses of each layer constituting the buffer layer 315 becomes a compressive stress, that is, to apply a compressive stress to the target layer to be formed on the buffer layer 315. .

도 17a 내지 도 17d는 버퍼층에 포함되는 개별 층의 예들을 보인다. 17A to 17D show examples of individual layers included in the buffer layer.

도 17a 및 도 17b는 버퍼층에 포함되는 다수 층 중 적어도 어느 하나에 적용될 수 있는 구조로서, 초격자층(SLS)(SLS')의 예를 보인다.17A and 17B show examples of a superlattice layer (SLS) (SLS′) as a structure applicable to at least one of a plurality of layers included in the buffer layer.

도 17a의 초격자층(SLS)은 해당하는 격자 상수, 즉, 버퍼층을 이루는 다수 층 중 적어도 어느 하나에 대한 격자 상수 조건을 구현하는 구조로서, 격자상수가 서로 다른 두 층(L1)(L2)이 교번 적층된 구조를 갖는다. 격자상수가 다른 두 층(L1)(L2)의 두께는 동일할 수 있다. 두 층(L1)(L2)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 포함할 수 있으며, 각 층에서 x, y 조성은 구현하고자 하는 격자 상수에 따라 정해질 수 있다.The superlattice layer SLS of FIG. 17A is a structure that implements a corresponding lattice constant, that is, a lattice constant condition for at least one of a plurality of layers constituting the buffer layer. Two layers L1 and L2 having different lattice constants It has an alternating stacked structure. The thicknesses of the two layers L1 and L2 having different lattice constants may be the same. The two layers L1 (L2) may include Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), and in each layer The x and y composition may be determined according to a lattice constant to be implemented.

도 17b의 초격자층(SLS')은 해당하는 격자 상수, 즉, 버퍼층을 이루는 다수층 중 적어도 어느 하나에 대한 격자 상수 조건을 구현하는 구조로서, 격자상수가 서로 다른 두 층(L3)(L4)이 교번 적층된 구조를 가지며, 격자 상수가 다른 두 층(L3)(L4)의 두께가 서로 다르게 형성될 수 있다. 두 층(L3)(L4)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 포함할 수 있으며, 각 층에서 x, y 조성은 구현하고자 하는 격자 상수에 따라 정해질 수 있다.The superlattice layer SLS′ of FIG. 17b is a structure that implements a corresponding lattice constant, that is, a lattice constant condition for at least one of a plurality of layers constituting the buffer layer, and two layers L3 and L4 having different lattice constants. ) has an alternately stacked structure, and the two layers L3 and L4 having different lattice constants may have different thicknesses. The two layers L3 and L4 may include Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), and in each layer The x and y composition may be determined according to a lattice constant to be implemented.

도 17c 및 도 17d는 해당하는 격자 상수, 즉, 버퍼층을 이루는 다수층 중 적어도 어느 하나에 대한 격자 상수 조건을 단일층(single layer)으로 구현한 예를 보인다. 여기서, 단일층의 의미는 내부에 물리적인 경계가 없는 하나의 층으로 이루어짐을 의미하며, 층 내의 물질 조성이 일정하다는 의미는 아니다.17C and 17D show an example in which a corresponding lattice constant, ie, a lattice constant condition for at least one of a plurality of layers constituting the buffer layer, is implemented as a single layer. Here, the meaning of a single layer means that it consists of one layer without a physical boundary therein, and does not mean that the material composition in the layer is constant.

도 17c의 단일층(SL)은 두께 방향에 따라 일정한 격자 상수를 가질 수 있고, 도 17d의 단일층(SL')은 두께 방향에 따라 변하는 격자 상수를 가질 수 있다.The single layer SL of FIG. 17C may have a constant lattice constant according to the thickness direction, and the single layer SL' of FIG. 17D may have a lattice constant that varies according to the thickness direction.

여기서, 버퍼층은 상기와 같이 구성된 층을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. Here, the buffer layer may include at least one layer configured as described above.

도 18은 다른 예의 버퍼층 구조를 보이는 단면도이다.18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a buffer layer according to another example.

도 18의 버퍼층(330)은 도 16의 제1층(315A), 제2층(315B), 제3층(315C)과 실질적으로 동일한 제1층(330A), 제2층(330B), 제3층(330C)을 포함하며, 또한, 제3층(330C) 위에 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)로 이루어지고 격자 상수 LP4가 LP2보다 큰 값을 갖는 제4층(330D)을 더 포함할 수 있다. The buffer layer 330 of FIG. 18 has a first layer 330A, a second layer 330B, and a second layer that are substantially the same as the first layer 315A, the second layer 315B, and the third layer 315C of FIG. 16 . Including a third layer 330C, and also on the third layer 330C Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1) and may further include a fourth layer 330D having a lattice constant LP4 greater than LP2.

도 19는 또 다른 예의 버퍼층의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.19 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a buffer layer according to another example.

도 19의 버퍼층(340)은 도 16의 제1층(315A), 제2층(315B), 제3층(315C)과 실질적으로 동일한 제1층(340A), 제2층(340B), 제3층(340C)을 포함하며, 또한, 제3층(340C) 위에 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)로 이루어지고, 격자 상수 LP4가 LP2보다 큰 값을 갖는 제4층(340D), 제4층(340D) 위에 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)로 이루어지고, 격자 상수 LP5가 LP3보다 크고 LP4보다 작은 값을 갖는 제5층(340E)을 더 포함할 수 있다. The buffer layer 340 of FIG. 19 has a first layer 340A, a second layer 340B, and a second layer that are substantially the same as the first layer 315A, the second layer 315B, and the third layer 315C of FIG. 16 . Including the third layer 340C, and also on the third layer 340C Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1) Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x<1, 0≤y< 1, 0≤x+y<1), and may further include a fifth layer 340E having a lattice constant LP5 greater than LP3 and smaller than LP4.

도 20은 도 16, 18, 19의 버퍼층(315)(330)(340)을 이루는 각 층의 격자 상수 간의 관계를 보인 그래프이다.20 is a graph showing the relationship between the lattice constants of the respective layers constituting the buffer layers 315, 330, and 340 of FIGS. 16, 18, and 19. Referring to FIG.

버퍼층(315)(330)(340)은 도 20의 그래프에서 도시한 격자 상수 관계를 만족하는 복수층으로 구성될 수 있으며, 5층 이내 또는 이보다 많은 층으로 구성될 수 있으며, 버퍼층을 이루는 최상층의 격자 상수는 형성하고자 하는 타겟층, 예를 들어 질화물 반도체층의 격자 상수보다는 작은 값을 가질 수 있다.The buffer layers 315, 330, and 340 may be composed of a plurality of layers satisfying the lattice constant relationship shown in the graph of FIG. The lattice constant may have a value smaller than the lattice constant of the target layer to be formed, for example, a nitride semiconductor layer.

도 21 및 도 22는 도 16, 18, 19의 버퍼층(315)(330)(340)을 이루는 각 층의 두께, 격자 상수의 예시적인 조합들을 보인다. 21 and 22 show exemplary combinations of thicknesses and lattice constants of respective layers constituting the buffer layers 315, 330, and 340 of FIGS. 16, 18, and 19 .

도 21을 참조하면, 제2층과 제4층의 두께가 서로 같고, 제3층과 제5층의 두께가 서로 같으며, 제3층의 두께는 제2층의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 이와 같은 두께 배치는 하부층의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 가지는 제3층, 제5층에 인장 응력이 인가되지 않는 예가 될 수 있다. 격자 상수가 큰 하부층, 즉, 제2층, 제4층의 두께가 충분히 작아서 lattice relaxation이 거의 발생하지 않는 조건을 가지게 되면 격자 상수가 작은 상부층, 즉, 제3층, 제5층에 인장 응력을 인가하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 격자 상수가 작은 상부층은 인장 응력에 의한 크랙 가능성이 적으므로, 그 두께를 하부층보다 크게 형성할 수 있다.Referring to FIG. 21 , the second layer and the fourth layer may have the same thickness, the third layer and the fifth layer may have the same thickness, and the third layer may have a greater thickness than the second layer. . Such thickness arrangement may be an example in which tensile stress is not applied to the third and fifth layers having a lattice constant smaller than the lattice constant of the lower layer. When the lower layers with high lattice constants, i.e., the second and fourth layers, are sufficiently small to have conditions in which lattice relaxation hardly occurs, tensile stress is applied to the upper layers with small lattice constants, i.e., the third and fifth layers. may not approve. In this case, since the upper layer having a small lattice constant is less likely to crack due to tensile stress, the thickness of the upper layer may be greater than that of the lower layer.

도 22를 참조하면, 제2층과 제4층의 두께가 서로 같고, 제3층과 제5층의 두께가 서로 같으며, 제3층의 두께는 제2층의 두께보다 작게 형성될 수 있다. 이와 같은 두께 배치는 격자 상수가 큰 하부층이 격자 상수가 작은 상부층에 인장 응력을 가할 수 있을 정도의 두께로 형성되는 예가 될 수 있다. 인장 응력을 받는 제3층, 제5층의 경우, 제조과정중, 성장 또는 냉각시에 크랙이 발생하지 않도록 작은 두께로 형성될 수 있다.22 , the second layer and the fourth layer may have the same thickness, the third layer and the fifth layer may have the same thickness, and the third layer may have a smaller thickness than the second layer. . Such thickness arrangement may be an example in which the lower layer having a large lattice constant is formed to a thickness sufficient to apply a tensile stress to the upper layer having a small lattice constant. In the case of the third and fifth layers subjected to tensile stress, they may be formed to a small thickness so that cracks do not occur during the manufacturing process, growth or cooling.

이상의 도 21과, 도 22의 예를 통해 각층에 인가되는 응력은 조성에 의해 정해지는 격자 상수의 차이뿐만 아니라 두께 및 격자 이완(lattice relaxation) 여부에 따라 종류 및 크기가 달라질 수 있음을 알 수 있다.Through the examples of FIGS. 21 and 22, it can be seen that the type and size of the stress applied to each layer may vary depending on the thickness and lattice relaxation as well as the difference in the lattice constant determined by the composition. .

한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 발광 소자(Light emitting diode, LED), 쇼트키 다이오드(Schottky diode), 레이저 다이오드(Laser diode, LD), 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 또는 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor, HEMT)를 위한 템플릿으로 적용될 수 있다. On the other hand, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is a light emitting device (Light emitting diode, LED), a Schottky diode (Schottky diode), a laser diode (LD), a field effect transistor (Field Effect Transistor, FET) or It can be applied as a template for a High Electron Mobility Transistor (HEMT).

도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자(2000)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.23 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a semiconductor device 2000 according to another embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 반도체 소자(2000)는 실리콘 기판(S), 실리콘 기판(S) 상에 형성된 버퍼층(1200), 버퍼층(1200) 상의 계면 조절층(ICL), 계면 조절층(ICL) 상에 형성된 질화물 반도체층(1300), 질화물 반도체층(1300) 상에 형성된 소자층을 포함한다. 상기 실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL), 질화물 반도체층(1300)은 앞서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. The semiconductor device 2000 according to the present embodiment includes a silicon substrate S, a buffer layer 1200 formed on the silicon substrate S, an interface control layer ICL on the buffer layer 1200, and an interface control layer ICL on the interface control layer ICL. The formed nitride semiconductor layer 1300 includes a device layer formed on the nitride semiconductor layer 1300 . Since the silicon substrate S, the buffer layer 1200, the interface control layer ICL, and the nitride semiconductor layer 1300 are substantially the same as those described above, a detailed description thereof will be omitted.

소자층은 제1형 반도체층(1500), 활성층(1600), 제2형 반도체층(1700)을 포함할 수 있다. The device layer may include a type 1 semiconductor layer 1500 , an active layer 1600 , and a type 2 semiconductor layer 1700 .

제1형 반도체층(1500)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다.The type 1 semiconductor layer 1500 is a type 1 doped semiconductor layer, and may be formed of a group III-V nitride semiconductor material, for example, AlxGayInzN doped with an n-type impurity (0≤x≤1, It may be formed of a semiconductor material having 0≤y≤1, 0≤z≤1, and x+y+z=1). Si, Ge, Se, Te, etc. may be used as the n-type impurity.

제1형 반도체층(1700)은 제2형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, p형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.The first-type semiconductor layer 1700 is a second-type doped semiconductor layer, and may be formed of a III-V nitride semiconductor material, for example, AlxGayInzN doped with p-type impurities (0≤x≤1, It may be formed of a semiconductor material having 0≤y≤1, 0≤z≤1, and x+y+z=1). As the p-type impurity, Mg, Zn, Be, or the like may be used.

활성층(1600)은 전자-정공 결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, 활성층(1600)의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다. 활성층(1600)은 AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일양자우물 (single quantum well) 또는 다중양자우물(multi quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 형태로 쌍을 이루어 양자우물구조를 형성할 수 있으며, InGaN층에서의 In 몰분율에 따라 밴드갭 에너지가 제어되어 발광 파장 대역이 조절될 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다.The active layer 1600 is a layer that emits light by electron-hole bonding, and energy corresponding to an energy band gap of the active layer 1600 may be emitted in the form of light. The active layer 1600 may have a single quantum well or multi quantum well structure made by periodically changing the x, y, and z values in AlxGayInzN to control the band interval. For example, the quantum well layer and the barrier layer may be paired in the form of InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN, or InGaN/InAlGaN to form a quantum well structure. Gap energy is controlled so that the emission wavelength band can be adjusted. Typically, when the mole fraction of In changes by 1%, the emission wavelength is shifted by about 5 nm.

제1형 반도체층(1500)과 제2형 반도체층(1700)은 단층 구조로 도시되었으나, 복수층으로 이루어질 수도 있다. Although the first-type semiconductor layer 1500 and the second-type semiconductor layer 1700 are illustrated as a single-layer structure, they may be formed of a plurality of layers.

또한, 질화물 반도체층(1300)에 제1형 반도체층(1500)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 질화물 반도체층(1300) 형성시 제1형 불순물을 도핑함으로써 제1형 반도체층(1500)을 형성할 수도 있다. In addition, although it is shown that the first type semiconductor layer 1500 is formed on the nitride semiconductor layer 1300, when the nitride semiconductor layer 1300 is formed, the type 1 semiconductor layer 1500 may be formed by doping the first type impurity. may be

상술한 설명에서 소자층은 LED 구조를 예시하여 설명하였으나, 이외에도, LD(Laser Diode), FET(Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 또는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 구조로 이루어질 수 있다. In the above description, the device layer has been described by exemplifying the LED structure, but in addition, it may be formed of a Laser Diode (LD), Field Effect Transistor (FET), High Electron Mobility Transistor (HEMT), or Schottky Diode structure. .

도 24의 반도체 소자(2001)는 활성층(1600)에서 전자, 정공이 재결합되도록 전류를 주입하는 다양한 형태의 전극 구조를 포함할 수 있으며, 도 25 내지 도 27은 이러한 예들을 보인다. The semiconductor device 2001 of FIG. 24 may include various types of electrode structures in which currents are injected so that electrons and holes are recombined in the active layer 1600 , and FIGS. 25 to 27 show such examples.

도 24 내지 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자가 발광 소자로 적용된 다양한 예들을 보인 단면도이다.24 to 27 are cross-sectional views illustrating various examples in which a semiconductor device according to an embodiment of the present invention is applied as a light emitting device.

도 24를 참조하면, 발광 소자(2001)는 제2형 반도체층(1700), 활성층(1600), 제1형 반도체층(1500)의 소정 영역을 식각하여 드러난 제1형 반도체층(1500) 상에 형성된 제1전극(191)이 형성되어 있고, 제2형 반도체층(1700) 상에 제2전극(192)이 형성되어 있다. 제2형 반도체층(1700)과 제2전극(1920) 사이에는 투명전극층(1800)이 더 형성될 수 있다. Referring to FIG. 24 , the light emitting device 2001 is formed on the type 1 semiconductor layer 1500 exposed by etching predetermined regions of the type 2 semiconductor layer 1700 , the active layer 1600 , and the type 1 semiconductor layer 1500 . A first electrode 191 is formed on the first electrode 191 , and a second electrode 192 is formed on the second type semiconductor layer 1700 . A transparent electrode layer 1800 may be further formed between the type 2 semiconductor layer 1700 and the second electrode 1920 .

이와 같은 형태의 칩 구조를 에피 업(epi-up) 구조라고 한다. This type of chip structure is called an epi-up structure.

제1전극(1910), 제2전극(1920)은 Ag, Al, Ni, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Au, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등의 금속의 단일 물질 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 또는, Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등과 같이 2층 이상의 구조로 이루어질 수도 있다. The first electrode 1910 and the second electrode 1920 are formed of a single material of a metal such as Ag, Al, Ni, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Au, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn, or It may be made of an alloy. or Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. It may have a structure of two or more layers, such as Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt, or the like.

투명 전극층(1800)은 투명 전도성 산화물(TCO, transparent conductive oxide)로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, ITO(ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), ZnO, GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, Ga2O3 등으로 이루어질 수 있다.The transparent electrode layer 1800 may be made of a transparent conductive oxide (TCO), for example, ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), AZO (Aluminum Zinc Oxide), ZnO, It may be made of GZO (ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, Ga2O3, or the like.

도 25는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서, 수직 구조의 발광 소자(2002)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.25 is a cross-sectional view schematically illustrating a vertical structure of a light emitting device 2002 as a semiconductor device according to another embodiment.

발광 소자(2002)는 에피 성장에 사용된 실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL)이 제거된 형태이고, 지지기판(2070)이 제2형 반도체층(1700) 쪽에 구비될 수 있다.The light emitting device 2002 is a form in which the silicon substrate S, the buffer layer 1200, and the interface control layer (ICL) used for the epitaxial growth are removed, and the support substrate 2070 is provided on the side of the type 2 semiconductor layer 1700 . can be

실리콘 기판(S), 핵생성층(120), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL)이 제거되고 드러난 제1형 반도체층(1500)의 상면은 광 추출효율을 높이기 위해 텍스처링(texturing) 되어 요철 패턴을 가지는 요철면(1500a)을 포함할 수 있다. 요철 패턴은 도시된 형태에 한정되는 것은 아니며 다양한 주기, 높이, 형상을 가질 수 있고, 또한, 불규칙한 패턴으로 형성될 수도 있다. The silicon substrate S, the nucleation layer 120, the buffer layer 1200, and the interface control layer (ICL) are removed, and the exposed upper surface of the type 1 semiconductor layer 1500 is textured to increase light extraction efficiency. It may include a concave-convex surface 1500a having a concave-convex pattern. The concave-convex pattern is not limited to the illustrated shape, and may have various periods, heights, and shapes, and may also be formed in an irregular pattern.

도면에서는 실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL)이 모두 제거된 형태로 도시되어 있으나, 계면 조절층(ICL)과 버퍼층(1200)의 적어도 일부는 제1형 반도체층(1500) 상에 잔류할 수 있고, 제1형 반도체층(1500)과 함께 텍스처링 되어 요철면(1500a)을 형성할 수 있다. In the drawing, the silicon substrate S, the buffer layer 1200, and the interface control layer (ICL) are all removed, but at least a portion of the interface control layer (ICL) and the buffer layer 1200 is a type 1 semiconductor layer ( 1500), and may be textured together with the type 1 semiconductor layer 1500 to form the concave-convex surface 1500a.

제1형 반도체층(1500) 상에 제1전극(2010)이 형성되고, 제2형 반도체층(1700) 하면에 제2전극(2030)이 형성되며, 제2전극(2030)과 지지 기판(2070) 사이에는 본딩 메탈층(2050)이 구비될 수 있다. 본딩 메탈층(2050)은 예를 들어, Au/Sn을 포함할 수 있다. 지지 기판(2070)은 Si 기판이나, SiAl 기판이 사용될 수 있다. 지지 기판(2070)의 하면에는 백 메탈층(2090)이 형성될 수 있다. The first electrode 2010 is formed on the type 1 semiconductor layer 1500 , the second electrode 2030 is formed on the lower surface of the type 2 semiconductor layer 1700 , and the second electrode 2030 and the supporting substrate ( A bonding metal layer 2050 may be provided between 2070 . The bonding metal layer 2050 may include, for example, Au/Sn. The support substrate 2070 is a Si substrate, or a SiAl substrate may be used. A back metal layer 2090 may be formed on a lower surface of the support substrate 2070 .

도 26은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서, 수직-수평 구조의 발광 소자(2003)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.26 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a light emitting device 2003 having a vertical-horizontal structure as a semiconductor device according to another embodiment.

발광 소자(2003)는, 에피 성장에 사용된 실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층이 제거된 형태이고, 지지 기판(2250)이 제2형 반도체층(1700) 쪽에 구비될 수 있다.The light emitting device 2003 has a form in which the silicon substrate S used for epitaxial growth, the buffer layer 1200, and the interface control layer are removed, and the support substrate 2250 may be provided on the side of the type 2 semiconductor layer 1700 . have.

실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL)이 제거되고 드러난 제1형 반도체층(1500)의 상면은 광 추출효율을 높이기 위해 텍스처링(texturing) 되어 요철면(1500a)을 포함할 수 있다. 또한, 도면에서는 실리콘 기판(S), 버퍼층(1200), 계면 조절층(ICL)이 모두 제거된 형태로 도시되어 있으나, 계면 조절층(ICL)과 버퍼층(1200)의 적어도 일부는 제1형 반도체층(1500) 상에 잔류할 수 있고, 제1형 반도체층(1500)과 함께 텍스처링 될 수도 있다.The silicon substrate S, the buffer layer 1200, and the interface control layer (ICL) are removed, and the exposed upper surface of the type 1 semiconductor layer 1500 is textured to increase light extraction efficiency, and includes an uneven surface 1500a. can do. Also, in the drawings, the silicon substrate S, the buffer layer 1200 , and the interface control layer ICL are all removed, but at least a portion of the interface control layer ICL and the buffer layer 1200 is a type 1 semiconductor. It may remain on the layer 1500 and may be textured together with the type 1 semiconductor layer 1500 .

제1형 반도체층(1500)에 접하는 제1전극(2150)을 형성하기 위해 제1형 반도체층(1500), 활성층(1600)을 관통하는 복수의 비어홀(VH)이 형성되어 있으며, 제2형 반도체층(1700) 상에 제2전극(2130)이 형성되어 있다. 제2전극(2130) 상에는 전극 패드(2290)와의 연결을 위한 금속층(2170)이 형성되어 있다. 제1 패시베이션층(2100)이 복수의 비어홀의 측면과 제2형 반도체층(1700)의 상면 일부를 덮는 형태로 형성되고, 제2 패시베이션층(2190)이 금속층(2170)을 덮는 형태로 형성되어 있다. 배리어 메탈층(2210)이 제1전극(2150)과 연결되며 복수의 비어홀을 채우는 형태로 형성되어 있다.A plurality of via holes VH passing through the first-type semiconductor layer 1500 and the active layer 1600 are formed to form the first electrode 2150 in contact with the first-type semiconductor layer 1500 . A second electrode 2130 is formed on the semiconductor layer 1700 . A metal layer 2170 for connection to the electrode pad 2290 is formed on the second electrode 2130 . The first passivation layer 2100 is formed to cover the side surfaces of the plurality of via holes and a portion of the upper surface of the second type semiconductor layer 1700, and the second passivation layer 2190 is formed to cover the metal layer 2170. have. The barrier metal layer 2210 is connected to the first electrode 2150 and is formed to fill a plurality of via holes.

지지 기판(2250)의 상면에는 본딩 메탈층(2230)이, 지지 기판(2250)의 하면에는 백 메탈층(2270)이 형성될 수 있다. A bonding metal layer 2230 may be formed on an upper surface of the support substrate 2250 , and a back metal layer 2270 may be formed on a lower surface of the support substrate 2250 .

도 27은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서, 플립 칩 형태의 발광 소자(2004)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 27 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a flip-chip type light emitting device 2004 as a semiconductor device according to another embodiment.

실시예에 따른 발광 소자(2004)는 제1전극(2150), 제2전극(2130)이 모두 하부 쪽으로 전기적으로 노출된 구조인 점에서 도 25의 발광 소자(2003)와 차이가 있다. The light emitting device 2004 according to the embodiment is different from the light emitting device 2003 of FIG. 25 in that the first electrode 2150 and the second electrode 2130 are both electrically exposed downward.

즉, 제2 패시베이션층(2190)은 제1전극(2130)과 접하는 금속층(2170)의 일부를 노출하는 형태로 패터닝되어 있다. 또한, 배리어 메탈층(2211)은 두 부분으로 전기적으로 분리되도록 패터닝되어, 일부는 제1전극(2150)과 다른 일부는 제2전극(2130)과 접하게 된다. That is, the second passivation layer 2190 is patterned to expose a portion of the metal layer 2170 in contact with the first electrode 2130 . In addition, the barrier metal layer 2211 is patterned to be electrically separated into two parts, so that one part contacts the first electrode 2150 and the other part contacts the second electrode 2130 .

지지기판(2250)은 제1 도전성비어(CV1), 제2 도전성비어(CV2)가 형성된 비전도성 기판일 수 있다. 지지기판(2250)의 상, 하부의 본딩 메탈층(2231), 백 메탈층(2271)은 각각 전기적으로 분리된 두 영역을 갖도록 패터닝 되어 있다. 본딩 메탈층(2231)의 일 영역, 백 메탈층(2271)의 일 영역은 제1 도전성비어(CV1)를 통해 서로 전기적으로 연결되고, 메탈층(2231)의 다른 영역, 백 메탈층(2271)의 다른 영역은 제2 도전성비어(CV2)를 통해 서로 전기적으로 연결되어, 제1전극(2150), 제2전극(2130)을 외부로 노출시킬 수 있다. The support substrate 2250 may be a non-conductive substrate on which the first conductive vias CV1 and the second conductive vias CV2 are formed. The upper and lower bonding metal layers 2231 and 2271 of the support substrate 2250 are patterned to have two electrically separated regions, respectively. One region of the bonding metal layer 2231 and one region of the back metal layer 2271 are electrically connected to each other through the first conductive via CV1 , and the other region of the metal layer 2231 and the back metal layer 2271 are electrically connected to each other. The other regions of the are electrically connected to each other through the second conductive via CV2 , thereby exposing the first electrode 2150 and the second electrode 2130 to the outside.

지지기판(2250)으로는 도전성 비어가 형성된 비도전성 기판을 예시하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 절연성 비어가 형성된 전도성 기판이 사용되는 것도 가능하다. As the support substrate 2250 , a non-conductive substrate on which conductive vias are formed has been exemplarily described, but the present invention is not limited thereto, and a conductive substrate on which insulating vias are formed may be used.

도 28은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서, 백색광을 발광하는 발광소자(2005)의 예를 보인 단면도이다.28 is a cross-sectional view illustrating an example of a light emitting device 2005 that emits white light as a semiconductor device according to another embodiment.

발광 소자(2005)는 도 27의 반도체 소자(2004)에 파장 변환층(2300)을 더 코팅하여 형성할 수 있다. The light emitting device 2005 may be formed by further coating the wavelength conversion layer 2300 on the semiconductor device 2004 of FIG. 27 .

파장 변환층(2300)은 활성층(1600)으로부터 방출된 빛의 파장을 변환하는 기능을 하며, 형광체나 양자점(Quantum dot)과 같은 파장 변환 물질을 가질 수 있다. 상기 파장 변환 물질이 형광체이고 활성층(1600)으로부터 청색 빛이 방출되는 경우, 적색 형광체로는 MAlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체 및 MD:Re인 황화물계 형광체가 파장 변환층(2300)에 사용될 수 있다. 여기서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 하나이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나이며, Re는 Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이다. 또한, 녹색 형광체는 M2SiO4:Re인 규산염계 형광체, MA2D4:Re인 황화물계 형광체, β-SiAlON:Re인 형광체, MA'2O4:Re'인 산화물계 형광체 등이 있으며, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 하나의 원소이고, A는 Ga, Al 및 In 중 선택된 적어도 하나이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나이며, A'은 Sc, Y, Gd, La, Lu, Al 및 In 중 선택된 적어도 하나이며, Re는 Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이고, Re'는 Ce, Nd, Pm, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.The wavelength conversion layer 2300 functions to convert the wavelength of light emitted from the active layer 1600 , and may include a wavelength conversion material such as a phosphor or quantum dots. When the wavelength conversion material is a phosphor and blue light is emitted from the active layer 1600, as the red phosphor, a nitride-based phosphor of MAlSiNx:Re (1≤x≤5) and a sulfide-based phosphor of MD:Re are the wavelength conversion layer ( 2300) can be used. Here, M is at least one selected from Ba, Sr, Ca, and Mg, D is at least one selected from S, Se, and Te, and Re is Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, At least one selected from Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br, and I. In addition, the green phosphor includes a silicate-based phosphor of M2SiO4:Re, a sulfide-based phosphor of MA2D4:Re, a β-SiAlON:Re phosphor, and an oxide-based phosphor of MA'2O4:Re', where M is Ba, Sr, Ca , at least one element selected from Mg, A is at least one selected from Ga, Al, and In, D is at least one selected from S, Se, and Te, and A' is Sc, Y, Gd, La, Lu, Al And at least one selected from In, Re is at least one selected from Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br, and I and Re' may be at least one selected from Ce, Nd, Pm, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, F, Cl, Br, and I.

또한, 상기 파장 변환 물질은 양자점일 수 있다. 양자점은 코어(core)와 쉘(shell)로 이루어진 나노 크리스탈 입자로, 코어의 사이즈가 약 2 ~ 100nm 범위에 있다. 또한, 양자점은 코어의 사이즈를 조절함으로 청색(B), 황색(Y), 녹색(G), 적색(R)과 같은 다양한 색깔을 발광하는 형광물질로 사용될수 있으며, II-VI족의 화합물반도체(ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe등), III-V족의 화합물반도체 (GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, AlS등) 또는 Ⅳ족 반도체(Ge, Si, Pb 등) 중 적어도 두 종류의 반도체를 이종 접합하여 양자점을 이루는 코어(core)와 쉘(shell) 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 양자점의 쉘(shell) 외각에 쉘 표면의 분자 결합을 종료시키거나 양자점의 응집을 억제하고 실리콘 수지나 에폭시 수지등 수지내에 분산성을 향상시키거나 또는 형광체 기능을 향상시키기 위해 올레인산(Oleic acid)과 같은 물질을 이용한 유기 리간드(Organic ligand)를 형성할 수도 있다.In addition, the wavelength conversion material may be a quantum dot. Quantum dots are nanocrystal particles composed of a core and a shell, and the size of the core is in the range of about 2 to 100 nm. In addition, quantum dots can be used as fluorescent materials emitting various colors such as blue (B), yellow (Y), green (G), and red (R) by controlling the size of the core, and group II-VI compound semiconductors (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe, etc.), III-V compound semiconductors (GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP , AlSb, AlS, etc.) or group IV semiconductors (Ge, Si, Pb, etc.) may be heterojunctioned to form a core and shell structure constituting quantum dots. In this case, oleic acid (Oleic acid) is used to terminate the molecular bonding of the shell surface to the outer shell of the quantum dot, suppress aggregation of quantum dots, improve dispersibility in a resin such as silicone resin or epoxy resin, or improve the phosphor function. acid) may be used to form an organic ligand.

파장 변환층(2300)은 제1형 반도체층(1500), 활성층(1600), 제2형 반도체층(1700)으로 이루어진 발광 구조물 전체, 즉, 상부, 측부를 모두 덮는 형태로 형성된 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고, 제1형 반도체층(1500)의 상부에만 형성될 수도 있다. The wavelength conversion layer 2300 is shown to be formed to cover the entire light emitting structure consisting of the first type semiconductor layer 1500, the active layer 1600, and the second type semiconductor layer 1700, that is, the upper part and the side part, This is exemplary, and may be formed only on the first type semiconductor layer 1500 .

도 29는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자로서 발광 소자 패키지(2006)의 예를 보인 단면도이다.29 is a cross-sectional view illustrating an example of a light emitting device package 2006 as a semiconductor device according to another embodiment.

발광 소자 패키지(2006)는 도 28의 발광 소자(2005)의 상부에 형성된 렌즈(2400)를 더 포함할 수 있다. 렌즈(2400)는 발광 구조에 대한 보호층의 기능을 할 수 있고, 또한, 발광 구조로부터 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 역할을 할 수 있다. 렌즈(2400)는 개별 칩으로 분리된 상태에서 형성되거나, 또는 웨이퍼 레벨에서 형성되어 지지기판(2250)과 함께 다이싱될 수 있다. 렌즈(2400)가 발광소자의 상부, 측부를 모두 덮는 형태로 도시되었으나 이는 예시적인 것이고, 상부에만 배치될 수도 있다. The light emitting device package 2006 may further include a lens 2400 formed on the light emitting device 2005 of FIG. 28 . The lens 2400 may function as a protective layer for the light emitting structure, and may also serve to adjust the beam angle of light emitted from the light emitting structure. The lens 2400 may be formed in a state separated into individual chips, or formed at a wafer level and diced together with the support substrate 2250 . Although the lens 2400 is shown to cover both the upper part and the side part of the light emitting device, this is exemplary and may be disposed only on the upper part.

이상, 설명한 발광소자, 발광소자 패키지는 실리콘 기판을 사용하여 발광구조를 성장시키고, 실리콘 기반의 지지기판을 사용하여 성장기판을 제거할 수 있다. 이 경우, 성장기판과 지지기판간의 열팽창률이 실질적으로 같아, 지지기판을 붙일 때, 성장기판을 제거할 때 웨이퍼에 발생하는 응력이 최소화되어 웨이퍼 휨이 적게 발생해, 상술한 형태의 칩 제조시 또는 칩스케일 패키지 제조시 취급이 쉽고 수율이 향상될 수 있다.In the light emitting device and light emitting device package described above, a light emitting structure may be grown using a silicon substrate, and the growth substrate may be removed using a silicon-based support substrate. In this case, the coefficient of thermal expansion between the growth substrate and the support substrate is substantially the same, and when the support substrate is attached, the stress generated on the wafer when the growth substrate is removed is minimized, resulting in less wafer warpage, Alternatively, when manufacturing a chip-scale package, handling may be easy and yield may be improved.

도 30은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 채용한 조명장치(3000)의 예를 보인 분해 사시도이다.30 is an exploded perspective view illustrating an example of a lighting device 3000 employing a light emitting device package according to an embodiment.

도 30을 참조하면, 조명장치(3000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(3003)과 구동부(3008)와 외부접속부(3010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(3006, 3009)과 커버부(3007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. Referring to FIG. 30 , the lighting device 3000 is illustrated as a bulb-type lamp as an example, and includes a light emitting module 3003 , a driving unit 3008 , and an external connection unit 3010 . In addition, external structures such as the outer and inner housings 3006 and 3009 and the cover portion 3007 may be additionally included.

발광모듈(3003)은 발광소자 패키지(3001)와 발광소자 패키지(3001)가 탑재된 회로기판(3002)을 포함할 수 있다. 발광소자 패키지(3001)로는 도 28에 도시한 발광소자 패키지(2006)가 채용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, 실시예에 따른 반도체 버퍼 구조체를 이용하여 제조한 다양한 형태의 발광소자 패키지가 채용될 수 있다. 도면에서는 한 개의 발광소자 패키지(3001)가 회로기판(3002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 이 경우, 복수의 발광소자 패키지(3001)는 동일한 파장의 빛을 발생시키는 동종(同種)일 수 있다. 또는, 서로 상이한 파장의 빛을 발생시키는 이종(異種)으로 다양하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 발광소자 패키지(3001)는 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하는 발광소자와 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선 발광소자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 조명장치(3000)는 연색성(CRI)을 나트륨(Na)등(40)에서 태양광(100) 수준으로 조절할 수 있으며 또한 색 온도를 촛불(1500K)에서 파란하늘(12000K) 수준으로 하는 다양한 백색광을 발생시킬 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 조명 색을 조절 할 수 있다. 또한 식물 성장을 촉진 할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.The light emitting module 3003 may include a light emitting device package 3001 and a circuit board 3002 on which the light emitting device package 3001 is mounted. The light emitting device package 2006 shown in FIG. 28 may be employed as the light emitting device package 3001 . However, the present invention is not limited thereto, and various types of light emitting device packages manufactured using the semiconductor buffer structure according to the embodiment may be employed. In the drawings, one light emitting device package 3001 is exemplified in a mounted form on the circuit board 3002 , but a plurality of light emitting device packages 3001 may be mounted as needed. In this case, the plurality of light emitting device packages 3001 may be of the same type that generates light of the same wavelength. Alternatively, it may be variously configured as a heterogeneous type that generates light of different wavelengths. For example, the light emitting device package 3001 is configured to include at least one of a light emitting device that emits white light by combining a blue LED with a yellow, green, red or orange phosphor and a purple, blue, green, red or infrared light emitting device. can be In this case, the lighting device 3000 can adjust the color rendering (CRI) from the sodium (Na) lamp 40 to the sunlight 100 level, and the color temperature from the candlelight (1500K) to the blue sky (12000K) level. A variety of white light can be generated. In addition, if necessary, purple, blue, green, red, or orange visible light or infrared light may be generated to adjust the lighting color according to the surrounding atmosphere or mood. It can also generate special wavelengths of light that can promote plant growth.

또한, 조명장치(3000)에서, 발광모듈(3003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(3006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(3006)은 발광모듈(3003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(3004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(3000)는 발광모듈(3003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(3007)를 포함할 수 있다. 구동부(3008)는 내부 하우징(3009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(3010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(3008)는 발광모듈(3003)의 반도체 발광소자(3001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(3008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.In addition, in the lighting device 3000 , the light emitting module 3003 may include an outer housing 3006 serving as a heat dissipating part, and the outer housing 3006 is in direct contact with the light emitting module 3003 to improve the heat dissipation effect. A heat dissipation plate 3004 may be included. Also, the lighting device 3000 may include a cover portion 3007 mounted on the light emitting module 3003 and having a convex lens shape. The driving unit 3008 may be mounted on the inner housing 3009 and connected to an external connection unit 3010 such as a socket structure to receive power from an external power source. In addition, the driving unit 3008 serves to convert and provide an appropriate current source capable of driving the semiconductor light emitting device 3001 of the light emitting module 3003 . For example, the driving unit 3008 may be composed of an AC-DC converter or a rectifier circuit component.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. The semiconductor device according to the embodiment of the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings for better understanding, but this is merely exemplary, and those of ordinary skill in the art may make various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

100,100A,200,2000,2001,2002,2003,2004...반도체 소자,
110,210...기판, 113...핵성장층
115,215,315,330,340,1200...버퍼층
120,220,ICL...계면 조절층, 125,225,235...질화물 적층체
230...활성층
100,100A,200,2000,2001,2002,2003,2004...Semiconductor device,
110,210...substrate, 113...nuclear growth layer
115,215,315,330,340,1200...buffer layer
120,220,ICL...interface control layer, 125,225,235...nitride laminate
230...active layer

Claims (21)

실리콘 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 제1성장 조건을 가지고 계면 조절층을 형성하는 단계; 및
상기 계면 조절층 상에 상기 제1 성장 조건과 다른 제2 성장 조건을 가지고 질화물 적층체를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소 값의 비가 0.8 이상의범위를 가지도록 상기 제1 성장 조건과 제2 성장 조건을 조절하고,
상기 계면 조절층은 2~320nm범위의 두께를 가지도록 형성되고,
상기 계면 조절층은 900℃보다 크고 1050℃ 보다 작은 범위의 제1온도에서 형성되고,
상기 버퍼층의 조도(roughness)에 대한 상기 계면 조절층의 조도 비는 3이하의 범위를 가지도록 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
forming a buffer layer on a silicon substrate;
forming an interface control layer on the buffer layer under first growth conditions; and
and forming a nitride laminate on the interface control layer under a second growth condition different from the first growth condition;
The first growth condition and the second growth condition are adjusted so that the ratio of the minimum value of the reflectance vibration center value of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate has a range of 0.8 or more,
The interface control layer is formed to have a thickness in the range of 2 ~ 320nm,
The interface control layer is formed at a first temperature in the range greater than 900 ℃ and less than 1050 ℃,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a ratio of the roughness of the interface control layer to the roughness of the buffer layer is in a range of 3 or less.
제1항에 있어서,
상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.9 이상의 범위를 가지는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 1,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a ratio of a minimum value of a reflectance vibration center of an interface control layer to a maximum value of a reflectance vibration center value of the nitride laminate is in a range of 0.9 or more.
제1항에 있어서,
상기 계면 조절층은 온도, 압력, 두께 중 적어도 하나가 상기 질화물 적층체와 다른 조건으로 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 1,
The interface control layer is a semiconductor device manufacturing method in which at least one of temperature, pressure, and thickness is formed under a condition different from that of the nitride laminate.
제1항에 있어서,
상기 질화물 적층체는 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device wherein the nitride laminate is formed at a second temperature higher than the first temperature.
제4항에 있어서,
상기 계면 조절층은 20~500torr범위의 제1압력에서 형성되고, 상기 질화물 적층체는 상기 제1압력보다 같거나 높은 제2압력에서 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The interface control layer is formed at a first pressure in the range of 20 to 500 torr, and the nitride stack is formed at a second pressure equal to or higher than the first pressure.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 계면 조절층과 질화물 적층체는 V/III 족 화합물로 형성되고, 상기 계면 조절층은 성장시 V족 물질과 III족 물질의 몰조성비가 20~2000 범위를 가지는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 1,
The interface control layer and the nitride laminate are formed of a group V/III compound, and when the interface control layer is grown, a molar composition ratio of the group V material and the group III material ranges from 20 to 2000.
제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 조절층이 상기 버퍼층 상에 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층된 반도체 소자 제조 방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 5 and 7,
The method of manufacturing a semiconductor device in which the interface control layer is continuously stacked on the buffer layer without intervening other layers.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질화물 적층체가 상기 계면 조절층 상에 다른 층의 개입 없이 연속적으로 적층된 반도체 소자 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
A method for manufacturing a semiconductor device in which the nitride stack is continuously stacked on the interface control layer without intervening other layers.
제9항에 있어서,
상기 질화물 적층체는 갈륨을 함유한 질화물로 형성된 적어도 하나의 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The nitride laminate includes at least one nitride semiconductor layer formed of a nitride containing gallium.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질화물 적층체는 동종의 질화물 화합물로 형성된 복수 개의 질화물 반도체층이 연속적으로 적층된 반도체 소자 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The nitride laminate is a semiconductor device manufacturing method in which a plurality of nitride semiconductor layers formed of the same kind of nitride compound are sequentially stacked.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질화물 적층체는 Alx1Iny1Ga1-x1-y1N(0≤x1,y1≤1, x1+y1≤1)로 형성된 반도체 소자 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The nitride laminate is a semiconductor device manufacturing method formed of Al x1 In y1 Ga 1-x1-y1 N (0≤x1, y1≤1, x1+y1≤1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼층은 하나의 층 또는 복수의 층을 포함하고, Alx2Iny2Ga1-x2-y2N (0≤x2,y2≤1, x2+y2≤1)으로 형성된 반도체 소자 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The buffer layer includes one layer or a plurality of layers, and is formed of Al x2 In y2 Ga 1-x2-y2 N (0≤x2, y2≤1, x2+y2≤1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실리콘 기판과 버퍼층 사이에 핵성장층을 형성하는 반도체 소자 제조 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
A method of manufacturing a semiconductor device for forming a nucleation layer between the silicon substrate and the buffer layer.
제14항에 있어서,
상기 핵성장층은 AlN로 형성된 반도체 소자 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The nucleation layer is a semiconductor device manufacturing method formed of AlN.
삭제delete 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판 상의 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 구비된 계면 조절층; 및
상기 계면 조절층 상의 질화물 적층체;를 포함하고,
상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최대값의 비가 0.8 이상의 범위를 가지고,
상기 계면 조절층은 2~320nm 범위의 두께를 가지고,
상기 버퍼층의 조도에 대한 상기 계면 조절층의 조도 비는 3이하의 범위를 가지는 반도체 소자.
silicon substrate;
a buffer layer on the silicon substrate;
an interface control layer provided on the buffer layer; and
Including; a nitride laminate on the interface control layer;
The ratio of the maximum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate has a range of 0.8 or more,
The interface control layer has a thickness in the range of 2 to 320 nm,
A ratio of the roughness of the interface control layer to the roughness of the buffer layer is 3 or less.
제17항에 있어서,
상기 질화물 적층체의 반사율 진동 중심 값의 최대 값에 대한 계면 조절층의 반사율 진동 중심 값의 최소값의 비가 0.9 이상의 범위를 가지는 반도체 소자.
18. The method of claim 17,
The ratio of the minimum value of the reflectance vibration center of the interface control layer to the maximum value of the reflectance vibration center value of the nitride laminate has a range of 0.9 or more.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 계면 조절층은 Alx3Iny3Ga1 -x3-y3N(0≤x3,y3≤1, x3+y3<1)로 형성된 반도체 소자.
19. The method of claim 17 or 18,
The interface control layer is a semiconductor device formed of Al x3 In y3 Ga 1 -x3-y3 N (0≤x3, y3≤1, x3+y3<1).
삭제delete 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 계면 조절층은 V/III 족 화합물로 형성되고, 상기 계면 조절층은 성장시 V족 물질과 III족 물질의 몰조성비가 20~2000 범위를 가지는 반도체 소자.
19. The method of claim 17 or 18,
The interface control layer is formed of a group V/III compound, and when the interface control layer is grown, a molar composition ratio of the group V material and the group III material ranges from 20 to 2000.
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