KR19990080779A - Method for manufacturing gallium nitride based blue light emitting diode using gallium nitride semiconductor substrate - Google Patents

Method for manufacturing gallium nitride based blue light emitting diode using gallium nitride semiconductor substrate Download PDF

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KR19990080779A
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조장연
김근주
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조장연
광전자 반도체 주식회사
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Abstract

본 발명은 결정특성이 우수한 다층 구조의 질화갈륨계 화합물 반도체 박막층을 기판과의 결정격자 부정합이 존재하지 않는 상태로 성장시켜 고품질의 결정성과 전기적 및 광학적 특성을 지닌 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘기판 위에 열화학반응을 통해 갈륨 나이트라이드 벌크층을 형성시켜 이루어진 질화갈륨 반도체기판 상에 수소화합물 기상성장법을 통해 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형이 없는 다층의 질화갈륨계 박막을 적층형성하고, 상기 질화갈륨 반도체기판 하부와 상기 다층의 질화갈륨계 박막층 상단에 n형 및 p형의 금속전극을 각각 형성하는 과정으로 이루어지며, 종래와 달리 건식식각을 위한 실리콘 산화막이나 실리콘 나이트라이드막을 쉐도우마스크의 증착과 마스크의 식각공정, 전극형성시의 마스크의 복잡한 조합 등을 크게 줄일 수 있을 뿐아니라, 기존의 양산기술에 그대로 적용할 수 있는 잇점이 있으며, 전극을 상하 양면에 형성함으로써 작업공정이 단순화되어 효율적인 양산제조는 물론, 소자의 발광면적이 축소되지 않아 상대적으로 고품질의 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a multi-layered gallium nitride compound semiconductor thin film layer having excellent crystallinity in a state in which crystal lattice mismatch does not exist. Thus, a gallium nitride compound using a gallium nitride semiconductor substrate having high crystallinity and electrical and optical properties The present invention relates to a method of manufacturing a blue light emitting diode, wherein a multi-layered gallium nitride semiconductor layer is formed on a silicon substrate by a chemical vapor deposition method to form a gallium nitride bulk layer, and is free from stress deformation due to lattice mismatch or thermal expansion. Forming a gallium nitride based thin film, and forming n-type and p-type metal electrodes on the lower part of the gallium nitride semiconductor substrate and on the multi-layered gallium nitride-based thin film layer, respectively. Increase the amount of shadow mask by using silicon oxide film or silicon nitride film And mask etching process and complex combination of masks when forming electrodes can be greatly reduced, and there are advantages that can be applied to existing mass production technology as it is. In addition to mass production, the light emitting area of the device is not reduced, thereby producing a relatively high quality device.

Description

질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드 제조방법Method for manufacturing gallium nitride-based blue light emitting diode using gallium nitride semiconductor substrate

본 발명은 질화갈륨의 반도체기판 위에 질화갈륨계 화합물 반도체의 결정을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 특히 결정특성이 우수한 다층 구조의 질화갈륨계 화합물 반도체 박막층을 기판과의 결정격자 부정합이 존재하지 않는 상태로 성장시켜 고품질의 결정성과 전기적, 광학적 특성을 지닌 질화갈륨계 청색 발광다이오드를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing a crystal of a gallium nitride compound semiconductor on a gallium nitride semiconductor substrate, in particular a state in which a crystal lattice mismatch with a multi-layer gallium nitride compound semiconductor thin film layer having excellent crystal characteristics does not exist The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride-based blue light emitting diode having high quality crystallinity and electrical and optical characteristics.

최근, 질화갈륨계 화합물 반도체는 반도체 결정으로서 이를테면 Ga1-XAlXN, Ga1-XInXN인 화합물로 X가 0≤X≤1의 범위에 있는 반도체 결정을 이용하여 청색 발광다이오드를 제작하는데, 격자상수가 매우 다른 이종접합의 사파이어(Al2O3)나 MgAl2O4, Si, SiC, 및 GaAs 등을 이용하고 있으며, 특히 1000℃ 이상의 고온에서 열적인 특성이 양호한 사파이어를 기판으로 이용하고 있다. 이러한 질화갈륨계 화합물 반도체의 결정을 성장시키는 방법으로는 유기금속 화합물 기상증착법(이하, "MOCVD법"이라 함)이 널리 알려져 있다. 이 방법은 반응가스로서 트리메틸 갈륨[Ga(CH3)3], 트리메틸 알루미늄[Al(CH3)3], 트리메틸 인듐[In(CH3)3] 등의 유기금속가스를 하이드라이드계 암모니아 가스와 1000∼1100℃ 정도의 고온에서 표면 화학반응을 일으켜 사파이어 기판위에 질화갈륨계의 화합물 반도체 박막을 성장시키는 것이다.Recently, a gallium nitride compound semiconductor is a semiconductor crystal, for example, Ga 1-X Al X N, Ga 1-X In X N compound, a blue light emitting diode using a semiconductor crystal in which X is in the range of 0≤X≤1 Heterogeneous sapphire (Al 2 O 3 ), MgAl 2 O 4 , Si, SiC, GaAs, etc. are used for the fabrication. In particular, sapphire with good thermal properties at a high temperature of 1000 ° C. or higher is used. I use it. As a method of growing a crystal of a gallium nitride compound semiconductor, an organometallic compound vapor deposition method (hereinafter referred to as "MOCVD method") is widely known. In this method, organic metal gases such as trimethyl gallium [Ga (CH 3 ) 3 ], trimethyl aluminum [Al (CH 3 ) 3 ], trimethyl indium [In (CH 3 ) 3 ], and the like are used as a reaction gas. The surface chemical reaction occurs at a high temperature of about 1000 to 1100 ° C. to grow a gallium nitride compound semiconductor thin film on a sapphire substrate.

그러나, 이종기판에 성장시키려는 질화갈륨 박막층과 사파이어 기판과는 기하학적인 격자부정합으로 인해 반도체 박막에 결정성장방향으로 많은 도인형 전위(egde-type threading dislocation)를 유발하여 박막표면에 6각형의 피라미드 상이나 6각형의 판상구조를 보이게 되며, 이러한 결정결함으로 인해 전기적, 광학적인 특성을 저하시키고, 특히 사파이어 기판의 경우 절연특성으로 인해 전기적 부하를 인가하는 경우 정전기 현상을 일으킴으로써 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다.However, due to the geometric lattice mismatch between the gallium nitride thin film layer and the sapphire substrate to be grown on the dissimilar substrate, a large number of egde-type threading dislocations are caused in the crystal growth direction in the semiconductor thin film so that the hexagonal pyramid phase or Hexagonal plate structure is shown, and the crystal defects lower the electrical and optical characteristics, and in the case of sapphire substrates, in particular, when the electrical load is applied due to the insulating characteristics, the reliability of the device is lowered by the electrostatic phenomenon. Have

이러한 사파이어 기판의 절연성을 극복하기 위해서는 예컨대, SiC 반도체 기판을 이용하여 청색 발광다이오드의 뒷면과 앞면의 양쪽면에 전극을 형성하는 방법이 제안되고 있다. 이 방법에 따르면 정전기 현상을 해결할 수는 있지만 여전히 이종접합의 결정성장으로 격자간의 거리가 크게 달라서 결함없는 소자를 만들기에는 한계가 있다.In order to overcome the insulation of the sapphire substrate, for example, a method of forming electrodes on both sides of the back and front surfaces of a blue light emitting diode using a SiC semiconductor substrate has been proposed. According to this method, the electrostatic phenomenon can be solved, but there is still a limit in making a defect-free device due to the large distance between the lattice due to the crystal growth of heterojunction.

최근에 사파이어 기판위에 청색 발광다이오드 등을 실현하는 방법으로서 다층의 질화갈륨계 화합물을 적층하여 발광효율을 향상시키고 있으며, n형 불순물로는 SiH4가스를 이용하고, p형 불순물로는 사이크로 디펜틸 마그네슘(Cp2Mg)을 이용한다. 또, p형 불순물을 활성화시키기 위해 전자선을 조사하거나, 800℃ 정도의 고온열처리 방법을 이용하고 있다. 왜냐하면, n형 GaN 박막층내에서 수소가 반응하여 결합되어질 수 있는 활성화 에너지가 3.4eV로 매우 높지만 P형 GaN내에서 수소가 Mg와 반응할수 있는 활성화 에너지가 0.7eV로 매우낮기 때문이다.Recently, as a method of realizing a blue light emitting diode or the like on a sapphire substrate, a multi-layer gallium nitride compound is laminated to improve luminous efficiency.SiH 4 gas is used as an n-type impurity and cyclodiffene is used as a p-type impurity. Tyl magnesium (Cp 2 Mg) is used. Moreover, in order to activate p type impurity, electron beam is irradiated or the high temperature heat processing method of about 800 degreeC is used. This is because the activation energy that can be combined by hydrogen in the n-type GaN thin film layer is very high as 3.4 eV, but the activation energy in which hydrogen can react with Mg is very low as 0.7 eV in the P-type GaN.

이러한 방법으로 고휘도의 청색 발광다이오드를 만드는데 까지는 이르렀으나 결정성의 한계로 인해 신뢰성 면에서 많은 문제점이 해결되어야 한다.In this way, it is possible to make a high brightness blue light emitting diode, but many problems in reliability have to be solved due to the limitation of crystallinity.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 질화갈륨 반도체 기판을 이용하여 기판에서 야기되는 어떠한 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형없이 박막을 수소화합물 기상 성장방법(HVPE)을 이용하여 적층함으로써 고품질의 결정성과 전기적, 광학적 특성을 지닌 질화갈륨계 반도체를 성장하여 고효율의 청색 발광다이오드를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, using a gallium nitride semiconductor substrate using a hydrogen compound vapor phase growth method (HVPE) without any lattice mismatch or stress deformation caused by thermal expansion caused by the substrate. The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing a high efficiency blue light emitting diode by growing a gallium nitride based semiconductor having high quality crystallinity and electrical and optical properties by lamination.

도 1은 본 발명에 사용되는 수소화합물 기상성장장치(HVPE)의 일부분을 개략 적으로 도시하고 있는 도면1 schematically illustrates a portion of a hydrogen compound vapor phase growth apparatus (HVPE) used in the present invention.

도 2는 도 1의 수소화합물 기상성장장치로 성장시킨 질화갈륨 반도체기판의 표면을 확대한 현미경 사진FIG. 2 is an enlarged photomicrograph of a surface of a gallium nitride semiconductor substrate grown by the hydrogen compound vapor phase growth apparatus of FIG.

도 3은 X-선 회절에 의한 질화갈륨 반도체기판의 결정성장방향의 막두께와 X-선 세기와 회절각도의 상관관계를 나타낸 파형도3 is a waveform diagram showing the correlation between the film thickness in the direction of crystal growth, the X-ray intensity and the diffraction angle of a gallium nitride semiconductor substrate by X-ray diffraction;

도 4는 본 발명에 사용되는 유기금속 기상성장 장치(MOCVD) 반응로의 일부분의 단면을 개략적으로 나타낸 도면4 is a schematic cross-sectional view of a portion of an organometallic vapor phase growth apparatus (MOCVD) reactor used in the present invention.

5는 종래의 결정성장법에 의해 형성된 질화갈륨계 박막구조의 단면을 나타낸도면5 shows a cross section of a gallium nitride based thin film structure formed by a conventional crystal growth method.

도 6은 본 발명의 결정성장법에 따라 형성된 질화갈륨계 박막구조의 단면을 보여주고 있는 도면6 is a cross-sectional view of a gallium nitride based thin film structure formed by the crystal growth method of the present invention.

도 7은 도 4에 표시된 A-A'선에 따른 단면도FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4.

도 8은 도 4에 표시된 B-B'선에 따른 단면도FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line BB ′ shown in FIG. 4.

도 9는 더블크리스탈 X-선 록킹커브(locking curve)에서의 인듐(In)의 몰 비를 나타내고 있는 더블크리스탈 X-선 회절세기와 X-선 록킹각도의 상관관계를 나타낸 파형도9 is a waveform diagram showing the correlation between the double crystal X-ray diffraction intensity and the X-ray locking angle indicating the molar ratio of indium (In) in the double crystal X-ray locking curve.

도 10은 SiH4의 함량에 따른 실리콘(Si)과 아연(Zn)이 이중도핑된 In0.1ga0.9N층의 홀(HALL)효과를 나타내는 상관도FIG. 10 is a correlation diagram illustrating a HALL effect of a double layer doped In 0.1 ga 0.9 N layer of silicon (Si) and zinc (Zn) according to the content of SiH 4 .

도 11은 실리콘과 아연이 이중도핑된 In0.1Ga0.9N층의 도핑량에 따른 발광세기의 변화를 보여주고 있는 파형도FIG. 11 is a waveform diagram showing changes in luminescence intensity according to doping amount of In 0.1 Ga 0.9 N layer doped with silicon and zinc.

도 12는 레이저로 광여기된 성장된 구조로 부터의 발광사진도FIG. 12 is a photograph of luminescence from a grown structure photoexcited with a laser.

도 13은 온도변화에 따른 p형 GaN면의 오믹(ohmic)접촉특성을 나타내고 있는 특성도Fig. 13 is a characteristic diagram showing ohmic contact characteristics of a p-type GaN surface with temperature change;

도 14는 더블헤테로구조의 청색 발광다이오드의 전류-전압특성을 나타내고 있는 특성곡선도14 is a characteristic curve diagram showing current-voltage characteristics of a blue light emitting diode having a double hetero structure.

도 15는 6V, 20mA의 바이어스 상태에서 0.5칸델라의 휘도를 나타내는 발광특성 사진도Fig. 15 is a photograph showing light emission characteristics showing brightness of 0.5 candela in a bias state of 6 V and 20 mA.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

11 : 석영보트(Ga원료) 12,13 : 가스흡입구11: quartz boat (Ga raw material) 12,13: gas inlet

14 : 실리콘기판 15 : 석영관14 silicon substrate 15 quartz tube

16 : 가스배출구 17 : 전기로16 gas outlet 17 electric furnace

18 : 유량계 41 : 가스흡입구18 flowmeter 41 gas inlet

42 : 암모니아가스 유입구 43 : 미세원형 구멍판42: ammonia gas inlet 43: fine circular hole plate

44 : 내부석영관 45 : 외부석영관44: internal quartz tube 45: external quartz tube

48 : 질화갈륨 반도체기판 49 : 고주파유도 가열장치48 gallium nitride semiconductor substrate 49 high frequency induction heating apparatus

40 : 흑연열판 50 : 사파이어기판40: graphite hot plate 50: sapphire substrate

51,68 : n형 전극 52,61 : p형 전극51,68: n-type electrode 52,61: p-type electrode

53,54,55,56,57,62,63,64,65,66 : 질화갈륨계 박막층53,54,55,56,57,62,63,64,65,66: gallium nitride based thin film layer

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에서 사용한 HVPE장치의 개략적인 부분단면도이다. 반응기 앞단의 Ga원료 석영보트(11)에 수소가스와 염산(HCl)가스가 가스유입구(12)를 통해 유입되어 반응하고, 다시 가스유입구(13)를 통해 암모니아 가스가 유입되어 AlN층이 증착된 실리콘기판(14) 위에 도달하면서 열화학반응하여 GaN 벌크(bulk)층을 형성시킨 다음, 잔류가스를 석영관(15)의 배출구(16)를 통해 배출시킨다. 반응로를 전기로(17)로 하여 실리콘 도핑된 갈륨(Ga) 인고트(ingot) 원료는 850℃로 가열하고, 실리콘기판 부위는 1030℃ 정도로 가열하여 염화갈륨(GaCl) 가스와 암모니아가스를 반응시킨다. 도면에서 18은 유량계를 표시한다.1 is a schematic partial cross-sectional view of an HVPE apparatus used in the present invention. Hydrogen gas and hydrochloric acid (HCl) gas are introduced into the Ga raw material quartz boat 11 in front of the reactor through the gas inlet 12, and ammonia gas is introduced through the gas inlet 13 to deposit an AlN layer. After reaching the silicon substrate 14, a thermochemical reaction is performed to form a GaN bulk layer, and then the residual gas is discharged through the outlet 16 of the quartz tube 15. By using the reactor 17 as an electric furnace 17, a silicon-doped gallium (Ga) ingot raw material is heated to 850 ° C, and a silicon substrate portion is heated to about 1030 ° C to react gallium chloride (GaCl) gas and ammonia gas. Let's do it. 18 in the figure shows a flow meter.

실리콘기판 위의 알루미늄 나이트라이드(AlN)층은 고주파(RF) 스퍼터링 방법으로 증착시킨다. HVPE 장치의 반응기 안에서 염산가스와 갈륨덩어리를 다음의 [반응식 1]에서 처럼 반응시킨 후, 다시 암모니아 가스와 [반응식 2]와 같이 재반응시켜 질화갈륨층을 550㎛ 두께까지 성장시키게 된다.An aluminum nitride (AlN) layer on the silicon substrate is deposited by high frequency (RF) sputtering. In the reactor of the HVPE apparatus, the hydrochloric acid gas and the gallium chunk are reacted as shown in the following [Scheme 1], and then reacted again with the ammonia gas as shown in the [Scheme 2] to grow the gallium nitride layer to 550㎛ thickness.

GaCl(g)+NH3(g)→GaN(s)+HCl(g)+H2(g)GaCl (g) + NH 3 (g) → GaN (s) + HCl (g) + H 2 (g)

실리콘 위의 질화갈륨을 분리시키기 위해 실리콘을 불산(HF)과 물(H2O)의 혼합비율이 1 : 10 정도인 에칭용액에 담가서 실리콘을 식각시킨 후, 기판을 요철이 10Å이하가 되도록 연마하여 광택을 낸다. HVPE 결정성장 상태에서의 표면은 요철이 심하여 기계적인 연마 후, 다이아몬드 분말 10, 5, 1, 1/10㎛ 입도로 광택을 내고 최종적으로 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4) 용액에서 표면의 습식식각을 수행한다.To separate the gallium nitride on the silicon, the silicon is immersed in an etching solution having a mixture ratio of hydrofluoric acid (HF) and water (H 2 O) of about 1: 10, and the silicon is etched, and the substrate is polished so that the unevenness is 10 Å or less. To polish. In the HVPE crystal growth state, the surface is very rough and mechanically polished, and then polished to diamond powder 10, 5, 1, 1 / 10㎛ particle size and finally sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) Perform wet etching of the surface in solution.

도 2는 HVPE 결정성장법으로 성장시킨 질화갈륨 반도체기판의 1㎛ 광택후의 현미경 사진이다. 질화갈륨 반도체기판의 두께에 따른 결정구조의 방향을 도 3을 참조하여 보면, 박막층이 두꺼워짐에 따라 결정방향이 Wurtzite GaN(0002)으로 정렬됨을 알 수 있다. 상기 도 3에 나타낸 파형도 a)는 박막층의 두께가 10㎛, b)는 32㎛, c)는 65㎛, d)는 130㎛, e)는 260㎛일 경우의 X-선 세기와 X-선 회절각도 간의 상관관계를 나타낸 것이다.FIG. 2 is a micrograph after 1 탆 gloss of a gallium nitride semiconductor substrate grown by the HVPE crystal growth method. FIG. Referring to FIG. 3, the direction of the crystal structure according to the thickness of the gallium nitride semiconductor substrate is found to be aligned with the Wurtzite GaN (0002) as the thin film layer becomes thicker. The waveform diagram a) shown in FIG. 3 is X-ray intensity and X- when the thickness of the thin film layer is 10 μm, b) is 32 μm, c) is 65 μm, d) is 130 μm, and e) is 260 μm. Correlation between line diffraction angles is shown.

그 다음, 준비된 질화갈륨 반도체기판을 세척한 후, MOCVD 반응기에서 박막층을 적층한다.Next, after the prepared gallium nitride semiconductor substrate is washed, a thin film layer is laminated in a MOCVD reactor.

MOCVD 반응기는 도 4에서 보는 바와 같이, 질화갈륨계 박막층을 형성하기 위한 질화갈륨 반도체기판(48)과, 상기 질화갈륨 반도체기판(48)을 고주파유도 가열장치(49)로 가열시키기 위한 흑연열판(40)과, 유기금속원 가스와 수소가스를 흡입시키기 위한 가스흡입구(41)와, 암모니아가스 유입구(42)가 있으며, 상기 가스흡입구(41)를 통해 흡입되는 유기금속원 가스와 수소가스의 국소적인 압력을 저하시켜 속도를 증가시킴으로써 가스흡입구(42)를 통해 유입된 암모니아가스와 충분히 혼합되도록 한다. 이러한 난류유동상태를 형성하기 위해 레이저를 이용하여 뚫은 다수의 핀홀(pinhole)을 형성하고 미세원형 구멍판(43)으로 이루어진 내부석영관(44)과 외부석영관(45)으로 구성되어 진다.As shown in FIG. 4, the MOCVD reactor includes a gallium nitride semiconductor substrate 48 for forming a gallium nitride based thin film layer, and a graphite hot plate for heating the gallium nitride semiconductor substrate 48 with a high frequency induction heating device 49. 40), a gas inlet 41 for sucking the organometallic source gas and hydrogen gas, and an ammonia gas inlet 42, and a local of the organic metal source gas and the hydrogen gas sucked through the gas inlet 41 The pressure is lowered to increase the speed so as to sufficiently mix with the ammonia gas introduced through the gas inlet 42. In order to form a turbulent flow state, a plurality of pinholes are formed using a laser and are formed of an inner quartz tube 44 and an outer quartz tube 45 formed of a fine circular hole plate 43.

도 5에 도시된 종래의 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 박막적층 구조는 사파이어 기판(50)의 절연특성으로 인해 n형 전극(51)을 형성하기 위해 p-GaN층(53), p-Al0.15Ga0.85N층(54), In0.05Ga0.94N층(55), n-Al0.15Ga0.85N층(56), 및 n-GaN층(57)으로 된 질화갈륨 박막층의 일부를 건식식각해야만 한다. 상기 도면에서 부호 52는 p형 전극을 표시하는 것이다. 사파이어 기판 사용으로 인해 질화갈륨계 박막 결정성장 후, 건식식각을 위해 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 나이트라이드막(Si3N4)의 절연층을 쉐도우 마스크(shadow mask)로 도입해야 하고 건식식각 후 n,p면 금속전극을 단차를 갖고 동일면에 형성하기 위해 양산제조공정에 많은 복잡한 영향을 준다. 이러한 복잡한 양산공정을 단순화하여 기존의 양산공정을 적용할 수 있는 방안으로 질화갈륨 반도체기판을 사용하였다. 질화갈륨 반도체기판에서 질화갈륨계 박막 적층 성장조건을 최적화하여 양질의 청색 발광다이오드를 제조한다.The gallium nitride based thin film stacked structure using the conventional sapphire substrate shown in FIG. 5 has a p-GaN layer 53 and p-Al 0.15 to form the n-type electrode 51 due to the insulating properties of the sapphire substrate 50. A portion of the gallium nitride thin film layer comprising Ga 0.85 N layer 54, In 0.05 Ga 0.94 N layer 55, n-Al 0.15 Ga 0.85 N layer 56, and n-GaN layer 57 must be dry etched. . In the figure, reference numeral 52 denotes a p-type electrode. After crystal growth of gallium nitride-based thin film due to the use of sapphire substrate, an insulating layer of silicon oxide film (SiO 2 ) or silicon nitride film (Si 3 N 4 ) must be introduced as a shadow mask for dry etching. In order to form the n, p surface metal electrode on the same surface with a step, it has a lot of complicated influences in the production process. The gallium nitride semiconductor substrate was used as a method to apply the existing mass production process by simplifying the complicated mass production process. A high quality blue light emitting diode is manufactured by optimizing a gallium nitride based thin film stack growth condition on a gallium nitride semiconductor substrate.

도 6은 본 발명에 따른 HVPE 방법으로 결정을 성장시킨 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 박막을 MOCVD법으로 성장시킨 일예의 AlGaN/InGaN 청색 발광다이오드 더블 헤테로구조(double hetero structure : DH)의 상태를 개략적으로 도시한 도면으로, 이 도면을 참조하여 보면, p형 전극(61), 대략 0.5㎛ 정도의 두께를 갖는 p-GaN층(62), 대략 0.15㎛ 정도 두께의 Al0.15Ga0.85N층(63), 대략 700Å 정도 두께의 In0.1Ga0.9N층(64), 대략 0.15㎛ 정도 두께의 Al0.15Ga0.85N층(65), 대략 0.25㎛ 정도 두께의 n-GaN층(66), n-GaN 기판(67), 및 n형 전극(68)로 구성된다FIG. 6 shows an example of an AlGaN / InGaN blue light emitting diode double hetero structure (DH) in which a gallium nitride-based thin film is grown by MOCVD on a gallium nitride semiconductor substrate on which crystals are grown by the HVPE method according to the present invention. As a schematic diagram, referring to this figure, a p-type electrode 61, a p-GaN layer 62 having a thickness of about 0.5 μm, and an Al 0.15 Ga 0.85 N layer having a thickness of about 0.15 μm ( 63), In 0.1 Ga 0.9 N layer 64 having a thickness of about 700 μs, Al 0.15 Ga 0.85 N layer 65 having a thickness of about 0.15 μm, n-GaN layer 66 having a thickness of about 0.25 μm, n- GaN substrate 67, and n-type electrode 68

도 7은 도 6에 표시된 A-A'선에 따라 절단하여 부분적으로 확대하여 도시한 n형 금속전극 부위의 단면도로서, n-GaN 기판(77) 위에 게르마늄이 첨가된 800Å 두께의 금 박막층(71), 500Å 두께의 니켈층(72) 및 4000Å 두께의 금 박막층(73)을 순차로 적층형성시켜서 금속전극을 이루고 있다. 또, 도 8은 도 6에 표시된 B-B'선에 따라 절단하여 부분적으로 확대도시한 p형 금속전극 부위의 단면도이다. p-GaN 층(82) 위에 200Å 두께의 금 박막층(71), 700Å 두께로 베릴륨이 첨가되어 이루어진 금 박막층(72) 및 1.2㎛ 두께의 순수 금 박막층(73)이 순차로 적층형성되어 p형 금속전극을 이룬다.FIG. 7 is a cross-sectional view of an n-type metal electrode part partially cut along the line A-A 'shown in FIG. 6 and showing an 800 nm thick gold thin film layer 71 having germanium added on an n-GaN substrate 77. ), The nickel layer 72 having a thickness of 500 mW and the gold thin film layer 73 having a thickness of 4000 mW are sequentially formed to form a metal electrode. 8 is a cross-sectional view of the p-type metal electrode part partially enlarged and cut along the line BB ′ shown in FIG. 6. On the p-GaN layer 82, a 200 Å thick gold thin film layer 71, a 700 Å thick beryllium is added, and a 1.2 탆 thick pure gold thin film layer 73 are sequentially stacked to form a p-type metal. Form an electrode.

본 발명의 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 화합물 반도체의 박막 적층을 상기 도면들을 참조하여 살펴보면, 먼저 질화갈륨 반도체기판을 화학적으로 세척한 후, MOCVD 반응기 속에 넣어 수소가스 분위기에서 1000℃∼1200℃(바람직하게는 1100℃ 정도)의 온도로 5∼15분(바람직하게는 10분) 정도 가열하여 이물질을 충분히 탈착시킨 다음, 온도를 내리면서 암모니아가스 분위기를 형성하여 기판을 질화처리하고, 여기에 수소분위기의 트리메틸갈륨을 첨가하고 열화학반응시켜 질화갈륨 반도체기판 위에 표면반응시킨다.Referring to the thin film stack of the gallium nitride compound semiconductor on the gallium nitride semiconductor substrate of the present invention with reference to the drawings, first, the gallium nitride semiconductor substrate is chemically washed, and then put into a MOCVD reactor in a hydrogen gas atmosphere 1000 ℃ ~ 1200 ℃ ( Preferably, the substrate is heated at a temperature of about 1100 ° C. for 5 to 15 minutes (preferably 10 minutes) to sufficiently desorb the foreign matter, and then the substrate is nitrided by lowering the temperature to form an ammonia gas atmosphere. Trimethylgallium in the atmosphere is added and thermochemically reacted to perform a surface reaction on the gallium nitride semiconductor substrate.

도 6에서와 같은 박막적층구조를 형성하기 위해 질화갈륨 반도체기판 위에 완충층을 500℃∼600℃(바람직하게는 520℃ 부근)에서 200∼800Å(바람직하게는 500Å 정도)의 두께로 형성한 다음, 암모니아가스 분위기에서 온도를 상승시켜 1000℃∼1100℃(바람직하게는 1050℃ 부근)에서 n형 GaN층(66)을 형성하고, 800℃∼900℃(바람직하게는 850℃ 부근)에서 n형 AlXGa1-XN층(65)을 적층형성하고, 750℃∼850℃(바람직하게는 800℃ 부근)에서 상기 n형의 AlXGa1-XN층 위에 600∼800Å의 두께로 형성하고, 상기 InXGa1-XN층(64)에 실리콘(Si)과 아연(Zn) 원자 두 종류를 동시에 도핑(doping)하는 활성층을 형성하거나 또는 양자구조를 도입하여 초격자(superlattice)를 이용하여 발광다이오드구조의 활성층을 형성할 수 있다. 그리고, 다시 그 위에 n형과 동일한 온도에서 p형 AlXGa1-XN층(63)과 GaN층(62)을 적층 형성한다.In order to form a thin film stacked structure as shown in FIG. 6, a buffer layer was formed on the gallium nitride semiconductor substrate at a thickness of 500 to 600 占 폚 (preferably around 520 占 폚) of 200 to 800 占 Å (preferably around 500 Å). The temperature is raised in an ammonia gas atmosphere to form an n-type GaN layer 66 at 1000 ° C to 1100 ° C (preferably around 1050 ° C), and n-type Al at 800 ° C to 900 ° C (preferably around 850 ° C). The X Ga 1-X N layer 65 was laminated and formed at a thickness of 600 to 800 kPa on the n-type Al X Ga 1-X N layer at 750 ° C. to 850 ° C. (preferably around 800 ° C.). In the In X Ga 1-X N layer 64, an active layer that simultaneously dopes two types of silicon (Si) and zinc (Zn) atoms is formed or a quantum structure is introduced to use a superlattice. The active layer of the light emitting diode structure can be formed. Then, the p-type Al X Ga 1-X N layer 63 and the GaN layer 62 are laminated and formed thereon at the same temperature as the n-type.

n형 GaN층(66)은 SiH4가스를 이용하여 Si원자를 Ga자리에 치환시킴으로써 가능하다. 일반적으로 실리콘 원자가 갈륨원자와 크기가 비슷하여 비교적 작은 활성화에너지로 도핑이 용이하다. SiH4의 유량이 증가함에 따라 도핑정도도 비례하여 증가한다. 성장시킨 n형 GaN층의 운반자농도와 전자이동도가 각각 1018-3과 250㎝2/V·sec이며, 두께는 대략 2.5㎛이었다.The n-type GaN layer 66 can be formed by substituting Si atoms for Ga sites using SiH 4 gas. In general, silicon atoms are similar in size to gallium atoms and are easy to dop with relatively small activation energy. As the flow rate of SiH 4 increases, the degree of doping increases proportionally. The carrier concentration and electron mobility of the grown n-type GaN layer were 10 18 cm -3 and 250 cm 2 / V · sec, respectively, and the thickness was approximately 2.5 μm.

전자와 홀을 활성층 내에서 발광성 재결합할 수 있도록 모아주는 장벽층으로 비교적 에너지 밴드갭이 넓은 AlXGa1-XN층을 활성층 양쪽에 덮씌운 클래딩(cladding)을 만든다. AlXGa1-XN층을 형성하기 위해 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 TMGa과 함께 1100℃, 300Torr에서 반응시킨다. 유량조건은 TMGa = 15sccm, TMAl = 9sccm, NH3= 2000sccm, H2= 4000sccm 이다. 알루미늄(Al) 원자가 갈륨(Ga)원자에 비해 상대적으로 작아 박막의 모폴로지(mophology)에 큰 영향을 준다. 알루미늄 성분이 증가됨에 따라 6각형으로 갈라져 크랙(crack)이 형성된다. 이러한 표면 모폴로지 현상을 피하여 원하는 장벽역할도 수행할 수 있는 알루미늄 몰(mole)비는 0.15 정도이다. 또한, n형 AlXGa1-XN층을 만들기 위해 SiH4를 첨가시켜 도핑한다. 성장한 시료의 전자의 운반자농도와 이동도는 각각 약 1018-3과 110㎝2/V·sec이며, 두께는 대략 0.15㎛이었다.As a barrier layer that collects electrons and holes in the active layer for luminescent recombination, a cladding is formed by covering an Al X Ga 1-X N layer having a relatively large energy band gap on both sides of the active layer. Trimethyl aluminum (TMAl) is reacted with TMGa at 1100 ° C. and 300 Torr to form an Al X Ga 1-X N layer. Flow conditions were TMGa = 15 sccm, TMAl = 9 sccm, NH 3 = 2000 sccm, H 2 = 4000 sccm. Aluminum (Al) atoms are relatively small compared to gallium (Ga) atoms, which greatly affects the morphology of the thin film. As the aluminum content increases, it cracks into hexagons to form cracks. The aluminum mole ratio is about 0.15 to avoid the surface morphology phenomenon and to perform the desired barrier role. In addition, SiH 4 is added and doped to make an n-type Al X Ga 1-X N layer. The carrier concentration and mobility of the electrons of the grown sample were about 10 18 cm -3 and 110 cm 2 / V · sec, respectively, and the thickness was about 0.15 μm.

DH구조의 발광 재결합구조의 활성층으로 InXGa1-XN층을 성장시킨다. 인듐(In)원자는 갈륨(Ga)원자에 비해 큰 원자이기 때문에 화학적인 결합에너지가 작고 해리분압이 비교적 높아 성장온도가 800∼850℃ 정도로 낮다. 따라서 상대적으로 낮은 온도에서 암모니아 수소 탈착효율이 낮아지므로 Ⅴ/Ⅲ비율을 높이고, 인듐의 화학반응시 해리를 줄이기 위해 질소가스를 반송가스(carrier gas)로 이용하였다.An In X Ga 1-X N layer is grown as an active layer of a light emitting recombination structure having a DH structure. Indium (In) atoms are larger than gallium (Ga) atoms, so the chemical bonding energy is small and the dissociation partial pressure is relatively high. Therefore, since the desorption efficiency of ammonia hydrogen is lowered at a relatively low temperature, nitrogen gas is used as a carrier gas to increase the V / III ratio and reduce dissociation during the chemical reaction of indium.

즉, InXGa1-XN층을 성장시키기 위해 적은 TMGa 유량과 높은 트리메틸인듐(TMIn)량, 그리고 암모니아가스 유량이 비교적 높은 성장조건에서 수행하였다. 인듐의 몰(mole) 비를 증가시킴에 따라 에너지 밴드 갭이 감소하여 재결합시 발광되는 파장을 조절할 수 있어 많은 이용도가 있지만 몰 비의 상승으로 InXGa1-XN층을 형성하는 것이 매우 어렵다. 최적화된 인듐의 몰 비가 0.1이면 성장온도는 850℃이고, 성장압력은 300Torr이며, 유량조건은 TMIn = 150sccm, TMGa = 1.5sccm, NH3= 2000sccm, H2= 4000sccm 이다. 성장두께는 700Å이다. 결정의 X-선 회절실험에 의한 특성조사는 도 9의 더블크리스탈 록킹커브에 표시된 것처럼 인듐의 몰비가 0.1인 양호한 InXGa1-XN층을 성장시킬 수 있다.That is, in order to grow the In X Ga 1-X N layer, the low TMGa flow rate, high trimethylindium (TMIn) amount, and ammonia gas flow rate were performed under relatively high growth conditions. As the mole ratio of indium increases, the energy band gap decreases to control the wavelength of light emitted upon recombination. However, it is very useful to form an In X Ga 1-X N layer by increasing the molar ratio. it's difficult. If the molar ratio of optimized indium is 0.1, the growth temperature is 850 ° C, the growth pressure is 300 Torr, and the flow conditions are TMIn = 150sccm, TMGa = 1.5sccm, NH 3 = 2000sccm, H 2 = 4000sccm. Growth thickness is 700Å. Characterization by X-ray diffraction experiments of the crystals can grow a good In X Ga 1-X N layer with a molar ratio of 0.1 as indicated by the double crystal locking curve of FIG. 9.

In0.1Ga0.9N층의 발광센터를 형성하기 위해 실리콘과 아연 원자를 동시에 도핑하였다. 아연은 디에틸징크(DeZn) 유기금속원을 이용하여 도핑한다. 먼저, 디에틸징크의 유량을 2sccm으로 최적화하여 에너지 밴드갭 내의 억셉터(acceptor)에 의한 발광세기를 극대화시킨 다음, SiH4유량을 변화시켜 도 10의 전기적 특성과 도 11의 발광특성(PL)으로 부터 최적화한다. SiH4유량이 증가함에 따라 전자 운반자농도는 증가하지만 전자이동도가 감소하는 특징을 보인다. 또한, 도 11(a)에서 처럼 아연량과 실리콘 불순물 준위가 (DeZn = 2sccm, SiH4= 0.5sccm)으로 최적화될 때, 강한 발광세기를 보이며, 또 11(b)에서 처럼 전혀 도핑하지 않은 경우나 도 11(c)에서 처럼 상대적으로 SiH4가 많은 경우(DeZn = 2sccm, SiH4= 0.8sccm)에도 발광세기가 약해짐을 알 수 있다. He-Cd 레이저로 광여기시킨 상태에서는 도 12에서 처럼 파장 470㎚의 발광현상을 보인다.Silicon and zinc atoms were simultaneously doped to form an emission center of In 0.1 Ga 0.9 N layer. Zinc is doped using a diethyl zinc (DeZn) organometallic source. First, the flow rate of the diethyl zinc is optimized to 2 sccm to maximize the light emission intensity by the acceptor in the energy bandgap, and then the SiH 4 flow rate is changed to change the electrical characteristics of FIG. 10 and the light emission characteristics PL of FIG. 11. Optimize from. As the SiH 4 flow rate increases, the electron carrier concentration increases but the electron mobility decreases. In addition, when the amount of zinc and the silicon impurity level are optimized to (DeZn = 2sccm, SiH 4 = 0.5sccm) as shown in FIG. 11 (a), it exhibits strong emission intensity and is not doped at all as shown in 11 (b). As shown in FIG. 11 (c), it can be seen that the emission intensity is weak even when there are relatively many SiH 4 (DeZn = 2sccm, SiH 4 = 0.8sccm). In the state of photoexcitation with a He-Cd laser, light emission of 470 nm is shown as shown in FIG. 12.

p형 AlXGa1-XN층을 형성하기 위해 마그네슘(Mg)의 불순물 원으로서 바이스싸이크로 펜타디에닐마그네슘(bis-cyclopentadienylmagnesium : Cp2Mg) 유기금속원을 이용한다. 전기적 친화력이 비교적 높은 마그네슘원자는 암모니아와 표면화학반응 동안에 수소와 반응하여 Mg-H 반응종을 쉽게 형성하여 p형으로 활성화되기 위해서는 높은 활성화에너지가 수반되어야 한다. 수소를 탈착시켜 p형으로 활성화시키기 위한 방법으로는 전기적, 광학적, 또는 열적방법이 가능하여 전자선을 주입하거나 자외선을 조사하거나 또는 열처리하는 방법 등이 있다. 마그네슘의 도핑량이 많아짐에 따라 갈륨원자의 자리에 비교적 크기가 작은 마그네슘원자가 너무 많이 치환되어 결정격자 간의 정전포텐셜을 변형시켜 표면에 응력(stress)을 야기시키고 6각형태의 크랙을 형성된다. p형 AlXGa1-XN층의 두께는 n형 AlXGa1-XN층과 동일하게 하며 대략 0.15㎛이었다.To form the p-type Al X Ga 1-X N layer, a bis-cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) organometallic source is used as an impurity source of magnesium (Mg). Magnesium atoms with relatively high electrical affinity must be accompanied by high activation energy in order to easily form Mg-H species by reacting with hydrogen during ammonia and surface chemical reactions. As a method for activating p-type by desorption of hydrogen, an electric, optical, or thermal method is possible, and thus, a method of injecting an electron beam, irradiating ultraviolet rays, or performing heat treatment. As the doping amount of magnesium increases, a relatively small amount of magnesium atoms are substituted in place of gallium atoms, thereby deforming the electrostatic potential between crystal lattice, causing stress on the surface, and forming hexagonal cracks. a p-type Al X Ga 1-X N layer thickness is the same as the n-type Al X Ga 1-X N layer, and was approximately 0.15㎛.

p형 GaN층도 Cp2Mg 유기금속원을 이용하여 마그네슘 도핑하였다. DH구조의 청색 질화갈륨계 적층을 마무리한 다음, 시료를 꺼내어 할로겐 램프로 가열하는 급속열처리(rapid thermal annealing process)를 질소분위기에서 p형 AlXGa1-XN층과 p형 GaN층을 동시에 약 850℃정도의 온도에서 대략 10분간 풀임(annealing) 열처리하여 활성화시켰다. p형 GaN층의 홀의 운반자농도와 이동도가 약 1017-3과 10㎝2/V·sec이었으며, 층의 두께는 대략 0.5㎛이었다.The p-type GaN layer was also doped with magnesium using a Cp 2 Mg organometallic source. After finishing the blue gallium nitride based lamination of the DH structure, a rapid thermal annealing process in which a sample is taken out and heated by a halogen lamp is carried out simultaneously in a p-type Al X Ga 1-X N layer and a p-type GaN layer in a nitrogen atmosphere. Activated by annealing heat treatment for about 10 minutes at a temperature of about 850 ℃. The carrier concentration and mobility of the holes of the p-type GaN layer were about 10 17 cm -3 and 10 cm 2 / V · sec, and the layer thickness was approximately 0.5 μm.

n형과 p형 GaN층 위에 금속전극패드를 붙이기 위한 오믹접촉(ohmic contact)은 운반자의 이동메카니즘으로 부터 이해할 수 있다. 일반적으로 낮은저항의 반도체와 금속계면간의 오믹접촉을 형성시키기 위해서는 포텐셜 장벽을 터널링(tunneling)하기 위해 높은 일함수를 갖는 금속을 채택하게 된다. 특히, GaN층의 3.4eV 정도의 넓은 밴드 갭과 전자친화도로 인해 매우 높은 일함수가 요구되지만, 일함수에 한계가 있기 때문에 반도체/금속계면 상의 운반자 농도를 증가시킴으로써 경계면의 공핍층(depletion)의 폭을 줄여 운반자의 터널링을 향상시킬 수 있다.Ohmic contact for attaching metal electrode pads on the n-type and p-type GaN layers can be understood from the transport mechanism of the carrier. In general, in order to form an ohmic contact between the low-resistance semiconductor and the metal interface, a metal having a high work function is adopted to tunnel the potential barrier. In particular, the GaN layer requires a very high work function due to the wide band gap of about 3.4 eV and electron affinity, but due to the limited work function, the depletion of the interface depletion is increased by increasing the carrier concentration on the semiconductor / metal interface. The width can be reduced to improve the tunneling of the carrier.

n면의 오믹상태를 형성하기 위해 도 7에서와 같이 n형 불순물인 2%의 게르마늄(Ge)이 포함된 금(Au)층(71)을 800Å 정도 두께로 증착하고 게르마늄의 오믹접촉을 돕도록 게터링(gettering) 역할을 하는 순수 니켈(Ni)금속 박막층(72)을 대략 500Å 정도 두께로 적층하고, 다시 금 박막(73)을 대략 4000Å 정도 두께로 차례로 적층 형성한 다음, 500℃ 정도의 온도에서 열처리하여 오믹접촉을 형성시킨다. p면은 도 8에서 보는 것처럼, 먼저 금 박막층(83)을 대략 200Å정도의 두께로 열적증착하여 p형 불순물인 12% 베릴륨(Be)이 포함된 금 박막층(84)을 700Å 정도 두께를 다시 적층 형성하고, 그 위에 금 박막층(85)을 대략 1.2㎛정도의 두께로 순차 증착하여 질소분위기하의 500℃ 정도의 온도에서 열처리한다. 열처리온도에 따른 오믹특성을 도 13에 도시하였다. 상기한 도 13의 오믹특성도를 보면, 비교적 낮은 온도에서 쇼트키(schottky)효과가 나타나지만 대략 500℃의 온도에서는 양호한 오믹상태를 보이고 있음을 알 수 있다.In order to form an n-type ohmic state, as shown in FIG. 7, a gold (Au) layer 71 containing 2% germanium (Ge), which is an n-type impurity, is deposited to a thickness of about 800 Å and to aid in ohmic contact of germanium. The pure nickel (Ni) metal thin film layer 72 serving as a gettering layer (72) is laminated to a thickness of about 500 kPa, and the gold thin film (73) is sequentially laminated to a thickness of about 4000 kPa, and then the temperature of about 500 ° C. Heat treatment at to form ohmic contact. As shown in FIG. 8, first, the gold thin film layer 83 is thermally deposited to a thickness of about 200 μs, and the gold thin film layer 84 containing 12% beryllium (Be), which is a p-type impurity, is laminated again by about 700 μs. The gold thin film layer 85 is formed thereon and subsequently deposited to a thickness of about 1.2 mu m, and heat treated at a temperature of about 500 deg. C under a nitrogen atmosphere. The ohmic characteristics according to the heat treatment temperature are shown in FIG. 13. Referring to the ohmic characteristic diagram of FIG. 13, it can be seen that a schottky effect is shown at a relatively low temperature, but a good ohmic state is shown at a temperature of approximately 500 ° C. FIG.

도 14는 더블헤테로 구조의 청색 발광다이오드의 전류-전압특성에 관한 표시도로 20mA의 전류에서 6볼트(V) 정도 순방향 바이어스가 인가된다. 도 15는 8볼트(V), 20mA의 바이어스 상태에서 크기가 0.3mm×0.3mm인 발광다이오드 칩에서 와이어본딩 (wire bonding)후, 0.5 칸델라(cd)의 휘도를 주는 일렉트로 루미네슨스의 발광특성을 보여주고 있는 사진이다.FIG. 14 is a diagram showing current-voltage characteristics of a double-hetero blue LED, and a forward bias of about 6 volts (V) is applied at a current of 20 mA. Fig. 15 shows the light emission characteristics of the electroluminescence giving a brightness of 0.5 candela (cd) after wire bonding in a light emitting diode chip having a size of 0.3 mm x 0.3 mm in a bias state of 8 volts (V) and 20 mA. It is a picture showing.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 청색 발광다이오드 제조방법에 의하면 기판을 동종의 GaN 반도체 벌크(bulk)를 이용함에 따라 기판과 다층 박막 성장층과의 격자상수의 차이가 없고 열팽창계수 또한 차이가 생기지 않아 박막층 내의 도인형 전위형태의 격자결함이 적으며, 결함에 의한 전자상태의 왜곡을 방지할 수 있으므로 결정특성과 전기적 및 광학적 제특성을 향상시키는 효과가 있으므로 소자의 제작시 신뢰성의 향상을 가져온다.As described above, according to the gallium nitride-based blue light emitting diode manufacturing method on the gallium nitride semiconductor substrate according to the present invention, the difference in lattice constant between the substrate and the multilayer thin film growth layer by using the same type of GaN semiconductor bulk Since the thermal expansion coefficient does not show any difference, there is little lattice defect in the shape of the humanoid dislocation in the thin film layer, and it is possible to prevent distortion of the electronic state due to the defect, thereby improving the crystal characteristics and the electrical and optical properties. Brings improved reliability in manufacturing.

또한, n형 금속전극을 p형 전극처럼 위면에서 수평하게 형성하기 위해 n-GaN 면까지 건식식각하는 재래의 사파이어 기판을 사용하는 경우와는 다르게 양단의 n형과 p형의 GaN면의 상부, 하부 전극면을 각각 형성하는 본 발명의 방법에 의해 양산공정을 간소화할 수 있다. 즉, 건식식각을 위한 실리콘 산화막이나 실리콘 나이트라이드막을 쉐도우마스크의 증착과 마스크의 식각공정, 전극형성시의 마스크의 복잡한 조합 등을 대폭 줄일 수 있고, 기존의 양산기술에 그대로 적용할 수 있는 잇점이 있다. 전극을 상하 양면에 형성함으로써 작업공정이 단순화되어 효율적인 양산제조공정 뿐만 아니라 소자의 발광면적이 축소되지 않아 상대적으로 고품질의 소자를 지향할 수 있는 효과를 제공한다.Also, unlike the case of using a conventional sapphire substrate that is dry-etched to the n-GaN plane in order to form n-type metal electrodes horizontally from the top like the p-type electrode, the upper part of the n-type and p-type GaN planes at both ends, The mass production process can be simplified by the method of the present invention for forming the lower electrode surface, respectively. That is, the silicon oxide film or silicon nitride film for dry etching can greatly reduce the deposition of the shadow mask, the etching process of the mask, and the complex combination of the mask during electrode formation, and can be applied to the existing mass production technology as it is. have. By forming electrodes on both sides of the upper and lower sides, the work process is simplified, and the light emitting area of the device is not reduced as well as an efficient mass production process, thereby providing an effect of directing a relatively high quality device.

Claims (10)

실리콘기판 위에 수소화합물 기상증착성장법 통해 갈륨 나이트라이드 벌크층을 형성시켜 이루어진 질화갈륨 반도체 기판상에 유기금속화합물 기상증착성장법을통해 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형이 없는 다층의 질화갈륨계 박막을 적층형성하고, 상기 질화갈륨 반도체기판 하부와 상기 다층의 질화갈륨계 박막층 상단에 n형 및 p형의 금속전극을 각각 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.Multi-layered gallium nitride-based thin film without stress strain due to lattice mismatch or thermal expansion through gallium nitride semiconductor substrate formed by forming a gallium nitride bulk layer on a silicon substrate by a gallium nitride bulk layer A gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate, wherein n-type and p-type metal electrodes are formed on the lower part of the gallium nitride semiconductor substrate and the upper layer of the multi-layer gallium nitride-based thin film layer, respectively. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 n형 질화갈륨 반도체기판 상에 형성되는 상기 다층의 질화갈륨계 박막은 n형 GaN 완충층, n형 AlXGa1-XN층, InXGa1-XN층, p형 AlXGa1-XN층 및 p형 GaN층이 순차로 적층형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The method of claim 1, wherein the multi-layer gallium nitride-based thin film formed on the n-type gallium nitride semiconductor substrate is n-type GaN buffer layer, n-type Al X Ga 1-X N layer, In X Ga 1-X N layer, A method of manufacturing a gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate, characterized in that the p-type Al X Ga 1-X N layer and the p-type GaN layer is formed in a stack. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 반도체기판은 갈륨 인고트에 미소량의 실리콘 인고트를 첨가하여 수소화합물 기상성장법을 통해 갈륨나이트라이드 기판에 실리콘이 도핑된 n형 기판을 형성한 다음, 표면조도를 기계적으로 연마하여 다이아몬드 입도 10㎛, 6㎛, 1㎛ 및1/10로 광택처리하고 KOH용액속에서 질화갈륨 기판표면을 습식식각처리하는 과정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The gallium nitride semiconductor substrate of claim 1, wherein a small amount of silicon ingot is added to the gallium ingot to form an n-type substrate doped with silicon on the gallium nitride substrate by hydrogen phase vapor deposition. Gallium nitride semiconductor substrate comprising mechanically polishing roughness to a diamond grain size of 10 μm, 6 μm, 1 μm and 1/10 and wet etching the gallium nitride substrate surface in a KOH solution. Method of manufacturing a gallium nitride-based blue light emitting diode using. 제 2항에 있어서, 질화갈륨 반도체기판위에 형성하는 상기 n형 GaN 완충층은 500∼600℃의 저온에서 200∼800Å 정도의 두께로 상기 고주파 MOCVD반응기에서 형성하는 것을 특징으로 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The nitride-based gallium nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the n-type GaN buffer layer formed on the gallium nitride semiconductor substrate is formed in the high frequency MOCVD reactor at a thickness of about 200 to 800 Pa at a low temperature of 500 to 600 ° C. Method of manufacturing a gallium-based blue light emitting diode. 제 2항에 있어서, 상기 n형 GaN 완충층은 암모니아가스 분위기로 온도를 상승시켜 1,000℃-1,100℃에서 2-3㎛ 두께로 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 형성시키고, 상기 n형 AlXGa1-XN층은 800℃-900℃온도에서 상기 n형 GaN층위에 0.1-0.2㎛정도의 두께로 형성하며 n형 불순물 도핑은 SiH4가스를 각각 이용하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The n-type GaN buffer layer is formed in the high frequency MOCVD reactor at a temperature of 2-3 μm at 1,000 ° C.-1,100 ° C. by raising the temperature in an ammonia gas atmosphere, and the n-type Al X Ga 1-X N. The layer is formed on the n-type GaN layer at a temperature of 800 ℃ to 900 ℃ to a thickness of about 0.1-0.2㎛, n-type impurity doped gallium nitride-based blue using a gallium nitride semiconductor substrate, characterized in that each using a SiH 4 gas Method of manufacturing a light emitting diode. 제2항에 있어서, 상기AlXGa1-XN 층은 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 암모니아가스 분위기의 750℃-850℃ 온도에서 상기 n형의 AlXGa1-XN 층 위에 600Å-800Å의 두께로 형성하고, 발광센터를 형성하기위해 실리콘과 아연원자를 동시에 도핑하여 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The Al X Ga 1-X N layer has a thickness of 600 Pa-800 Pa over the n-type Al X Ga 1-X N layer at a temperature of 750 ° C.-850 ° C. in an ammonia gas atmosphere in the high frequency MOCVD reactor. And a gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate, wherein the active layer is formed by simultaneously doping silicon and zinc atoms to form a light emitting center. 제2항에 있어서, 상기AlXGa1-XN 층은 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 암모니아가스 분위기의 750℃-850℃ 온도에서 상기 n형의 AlXGa1-XN 층 위에 600Å-800Å의 두께로 형성하고, 발광센터를 형성하기위해 양자구조를 도입하여 인듐 몰비 x를 주기적으로 바꾸는 초격자를 이용하여 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The Al X Ga 1-X N layer has a thickness of 600 Pa-800 Pa over the n-type Al X Ga 1-X N layer at a temperature of 750 ° C.-850 ° C. in an ammonia gas atmosphere in the high frequency MOCVD reactor. And a gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate, wherein the active layer is formed using a superlattice that periodically changes the indium molar ratio x so as to form a light emitting center. . 제2항에 있어서, 상기 p형 AlXGa1-XN 층은 암모니아가스 분위기의 800℃∼900℃ 온도에서 상기 AlXGa1-XN층 위에 0.1∼0.2㎛ 정도의 두께로 적층 형성시키고, 다시 p형 GaN층을 1,000℃-1,100℃에서 2-3㎛ 두께로 상기 p형 AlXGa1-XN 층 위에 적층형성시키며 각각의 p형 불순물 도핑은 유기 금속원 Cp2Mg를 이용하여 상기 p형 AlXGa1-XN층 및 GaN층에 마그네슘(Mg)원자를 적층 형성하는 동시에 주입시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.The method of claim 2, wherein the p-type Al X Ga 1-X N layer is laminated on the Al X Ga 1-X N layer to a thickness of about 0.1 to 0.2㎛ at 800 ℃ to 900 ℃ temperature of ammonia gas atmosphere In addition, a p-type GaN layer is laminated on the p-type Al X Ga 1-X N layer at a thickness of 2-3 μm at 1,000 ° C.-1,100 ° C., and each p-type impurity doping is performed using the organic metal source Cp 2 Mg. A method of manufacturing a gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate, characterized in that the magnesium (Mg) atoms are laminated and implanted in the Al X Ga 1-X N layer and the GaN layer. 제7항에 있어서, 마그네슘(Mg)이 도핑된 상기 p형 InXGa1-XN층및 p형 GaN층은 할로겐램프를 장착한 급속 열처리장치에서 동시에 800℃-900℃ 정도의 온도에서 5-15분 정도 열처리하여 마그네슘 이온을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the p-type In X Ga 1-X N layer and the p-type GaN layer doped with magnesium (Mg) at the same time at a temperature of about 800 ℃ to 900 ℃ in a rapid heat treatment apparatus equipped with a halogen lamp A method of manufacturing a gallium nitride-based blue light emitting diode using a gallium nitride semiconductor substrate characterized in that the heat treatment for -15 minutes to activate magnesium ions. 제 1항에 있어서, 상기 n형 금속전극은 n-GaN기판의 하부에 n형 불순물인 게르마늄이 첨가된 금 박막층, 니켈층 및 금 박막층을 소정의 두께로 순차적으로 적층형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 청색발광다이오드 제조방법.2. The n-type metal electrode of claim 1, wherein the n-type metal electrode is formed by sequentially stacking a gold thin film layer, a nickel layer, and a gold thin film layer to which germanium, which is n-type impurity, is added, at a predetermined thickness under the n-GaN substrate. A blue light emitting diode manufacturing method using a gallium nitride semiconductor substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100721643B1 (en) * 1999-04-15 2007-05-23 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Semiconductor light-emitting device
KR100832301B1 (en) * 2006-11-07 2008-05-26 한국광기술원 Semiconductor Light Emitting Device Having Surface Roughness Of Homogeneous Substrates And Method For Manufacturing Thereof
KR100878937B1 (en) * 2002-08-12 2009-01-19 엘지전자 주식회사 Nitride light emitting diode and method for manufacturing the same

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