KR19990088118A

KR19990088118A - 화합물반도체박막의ｐ형으로의활성화방법

Info

Publication number: KR19990088118A
Application number: KR1019990016346A
Authority: KR
Inventors: 신현의
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 1999-12-27
Also published as: KR100499117B1; CN1495923A; JP2000031084A; US20010012679A1; US6495433B2; CN1241820A; TW501160B; JP2009152644A; CN1284251C; CN1145224C; US6242328B1

Abstract

본 발명에서는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법이 개시된다. 기상에피택시법 특히 유기금속화학기상증착법으로 성장된 화합물반도체소자의 전기전도도를 증가시키기 위해 반도체 박막의 밴드갭 보다 에너지가 큰 전자기파를 박막에 조사하며 열처리를 수행하는 방법이다. 성장시 박막에 포함되는 p형 불순물의 함량이 증가하면 박막의 고유저항(resistivity)은 높아지고 열처리 온도는 낮아지며, 또한 전극과의 접촉저항도 낮아진다.

Description

화합물 반도체 박막의 ｐ형으로의 활성화 방법{Method for activating compound semiconductor layer}

본 발명은 청록색 발광소자, 청자색 레이저다이오드, 자외선 발광소자와 레이저 다이오드 및 트랜지스터 등 광소자 제작에 사용되는 화합물 반도체 소자 제작에 필수적인 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법에 관한 것이다.

도 1은 GaN를 기초로 성장된 전형적인 광소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 버퍼층(2)을 두고, 그 위에 GaN층(3), n-GaN층(4), InGaN층(5) 및 p-GaN층(6)을 순차로 적층한 다음 p-콘택트층(7) 및 n-콘택트층(8)을 각각 형성한 GaN를 기본으로 한 소자는 청색, 자색, 녹색등의 단파장의 빛을 발하여 완전한 컬러 표시(full color display)를 하거나 고용량 기록 매체에 정보를 저장하는 등의 응용분야에 적용 가능성이 있다. 또한 열적 특성이 우수해 고온에서 동작할 수 있는 전자 소자로도 응용이 가능하다.

이와 같은 단파장 광소자의 상품화에서 가장 빠른 진보를 보이고 있는 질화물계 화합물반도체는 GaAs등의 다른 계열의 물질들과는 달리 p형 반도체 제작에 문제가 있다.

GaN계 화합물 반도체를 성장시키는 방법에는 MOCVD, MBE, HVPE 등이 있다. 예로서, 기상에피택시(VPE; Vapor Phase Epitaxy)(MOCVD 및 HVPE를 포괄) 중 MOCVD법으로 성장되어 p형 불순물이 함유된 박막이 성장된 상태(as-grown)에서는 고유저항(resistivity)이 매우 높아 소자에 사용할 수 없다. 이는 박막 성장시 반응기체들중의 하나인 수소가 p형불순물들과 결합된 형태로 결정에 포함되어 p형불순물들이 전기적으로 활성화되지 못하도록 작용하는것으로 보여진다. 이를 해결하기 위해 우선 전자빔(electron beam)으로 전기전도도를 증가시키는 방법이 있다. 이는 전자빔을 성장된 박막에 조사하여 저항(resistivity)을 낮추는 방법이다. 그러나 이 방법은 박막의 표면에 결함을 유발하여 소자의 성능을 낮출수 있다. 또한 전자빔은 큰면적으로 조사가 불가능하여 작은 면적에 조사하며 순차적으로 기판 전체를 조사해야 하는데 대용량의 생산에는 적합하지 못하다. 또 다른 방법은 열처리 방법이다. 이는 성장된 박막을 400℃이상에서 열처리를 하여 저항(resistivity)을 낮추는 방법이다. 그러나 이 방법에서는 통상 800~900℃정도의 고온에 성장된 박막을 노출시켜야 하기 때문에 표면에 열적 손상을 가져올수 있으며 성장시 박막에 함유된 불순물들이 확산을 일으켜 제작된 소자의 성능을 저하시킬 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안한 것으로, 화합물 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 전자기파를 사용하여 Mg가 도핑된 GaN의 고유저항(resistivity)을 낮추는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 화합물 반도체 박막에 도핑되는 Mg의 함량을 증가시켜 열처리 온도를 낮추는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법을 제공하는데에도 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 화합물 반도체 박막에 도핑되는 Mg의 함량을 증가시켜 전극과의 계면에서의 접촉 저항을 감소시키는 p형 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법을 제공하는데에도 그 목적이 있다.

도 1은 GaN를 기초로 성장된 전형적인 광소자의 구조를 나타내는 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따라 전자기파를 이용하여 GaN 반도체 박막을 p형으로 활성화하는 방법을 적용하기 위한 장치의 개략적 단면도이며,

도 3은 여러 가지 온도에서 자외선 조사시 및 비조사시 활성화된 p형 화합물 반도체 박막의 시료들에 흐르는 전류값들을 보여주는 그래프,

도 4는 800℃의 고온에서 질소와 공기의 두 가지 분위기에서 활성화된 두 가지 p형 화합물 반도체 박막 시료의 전압-전류 특성을 보여주는 그래프,

도 5은 p형 불순물이 함유된 GaN 박막 시료에 다양한 파장의 빛을 조사하는 경우에 광흡수가 일어나는 파장대를 고찰하기 위한 광 투과 스펙트럼,

도 6는 p형 화합물 반도체 박막 시료에 조사되는 자외선의 세기에 따른 전류의 변화를 보여주는 그래프,

도 7는 Mg의 함량이 다른 각각의 p형 화합물 반도체 박막 시료 각각에 자외선을 조사하며 520℃에서 활성화된 상태에서 측정된 전류값과 자외선 없이 370℃에서 활성화된 상태에서 측정된 전류값에 대한 비를 보여주는 그래프,

그리고 도 8은 Mg 함량이 다른 여러 가지 p형 화합물 반도체 박막 기판에 0.1V가 인가되었을 때 측정된 저항값들을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 사파이어 기판 2. 버퍼층

3. GaN층 4. n-GaN층

5. InGaN층 6. p-GaN층

7. p-콘택트층 8. n-콘택트층

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법은, 기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막 및 전극을 사용해 소자를 제작하는 방법에 있어서, 상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막에 흡수될 수 있는 전자기파를 상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막에 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전자기파를 조사하는 단계는, 공기분위기 혹은 질소 분위기에서 350℃ 이상에서의 열처리 공정과 동반하여 수행되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 전자기파를 조사하는 단계에서 상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막이 Mg가 도핑된 GaN 박막인 경우, 사용되는 상기 전자기파는 공기중에서 파장 385nm 보다 짧은 빛인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어지고, 상기 p형 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법은, 기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막을 사용해 소자를 제작하는 방법에 있어서, 상기 p형 불순물이 도핑된 반도체 박막이 p형 불순물로 Mg를 5×10¹⁹cm^-3이상 함유하고 있을 경우 상기 화합물 반도체 박막을 200~850℃ 범위의 저온에서 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어지고, 상기 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법은, 기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막 및 전극을 사용하여 화합물 반도체 소자를 제작하는 방법에 있어서, 상기 화합물 반도체 박막에 p형 불순물을 도핑하였을 때, 상기 화합물 반도체 박막의 고유 저항값이 최소가되는 상기 p형 불순물의 도핑 농도 보다 2배 이상의 도핑 농도로 상기 p형 불순물을 상기 화합물 반도체 박막에 도핑하여 상기 전극과 상기 화합물 반도체 간의 접촉저항을 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 p형 불순물로 Mg를 4.5×10¹⁹cm^-3이상 함유하도록 상기 화합물 반도체 박막에 도핑하되, 상기 전극과의 접촉면에만 상기 Mg를 4.5×10¹⁹cm^-3이상 함유하는 두께 0.03μm의 Mg 과도핑층을 상기 화합물 반도체 박막에 형성하는 것이 바람직하며, 3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용할 수도 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명은 화합물 반도체 소자의 성능을 높이기 위해 화합물 반도체 박막을 p형으로 활성화시켜 화합물 반도체 박막의 고유저항을 감소시키는 것이 주요한 특징이다. 이를 구현하기 위한 방법으로, 기상에피택시법 특히 유기금속화학기상증착(MOCVD)법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막의 고유저항(resistivity)을 낮추기 위해 화합물 반도체 박막에 흡수될 수 있는 전자기파를 조사하는 방법 및 화합물 반도체 박막에 함유된 p형 불순물의 농도를 증가시켜 열처리온도를 낮추는 방법이 있다.

보다 구체적으로 첫째 방법에서는, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법으로 성장되며 p형 불순물이 첨가된 화합물 반도체의 고유저항(resistivity)을 낮추기 위한 방법으로, 화합물 반도체 박막이 흡수할 수 있는 최저 에너지 즉 밴드갭 에너지 보다 큰 에너지를 갖는 전자기파를 조사하는 방법이 사용된다. 즉, 도 2에 도시된 활성화 공정에서는, 광원(9)으로부터 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막에 흡수될 수 있는 전자기파를 화합물 반도체 박막 시편(10)에 조사하면서 360℃ 정도의 온도로 가열한다. 여기서, 부재번호 11은 기판을 가열하기 위한 전열기이며, 부재번호 12는 챔버이다. p형 불순물로서 Mg가 도핑된 GaN 박막의 경우에는 밴드갭 에너지보다 에너지가 큰 영역의 전자기파인 자외선을 조사하는 경우 고유저항(resistivity)이 감소하였다. 또한 이 때 350℃ 이상으로 열을 가하면 고유저항(resistivity)이 더욱 크게 감소함을 볼 수 있다. 이러한 p형 불순물로는 Mg 이외에도 Ba, Be, Ca, Cd, Zn 등이 사용된다. 또한, 화합물 반도체 박막으로서 상기 Mg가 도핑된 GaN 박막 대신에 AlGaN 박막을 이용할 경우에도 비슷한 양상을 보인다. 즉, 주로 Ⅲ-Ⅴ족의 갈륨질화물계 반도체인 InGaN, AlGaN, AlGaInN, BGaN, BAlGaN 등에 대해서도 각각의 밴드갭 보다 에너지가 큰 전자기파를 조사하면 같은 효과를 얻는다.

이상과 같은 결과를 도출하기 까지의 실험 방법으로서, 먼저 Mg가 도핑된 GaN의 고유저항(resistivity)을 간편하게 측정하기 위하여 작은 크기의 시편들로 실험을 진행하였다. 이 시편들의 상면에 같은 크기의 원형 전극을 증착해 전극들사이에 흐르는 전류를 측정하였다. 원형전극은 Pd금속을 사용하여 얻어졌으며 0.6mm의 지름을 갖고 0.6mm간격으로 균일하게 2차원적으로 배치되어 있으며 5V의 전압에서 이들 사이에 흐르는 전류를 측정해 고유저항(resistivity)의 변화정도를 비교하였다. 같은 전압에서 측정된 전류는 화합물 반도체 박막의 고유저항(resistivity)과 직접적인 반비례 관계에 있어 시편들간의 고유저항(resistivity)의 비교에 충분하다. 여기서, p형 불순물이 첨가된 화합물 반도체 박막의 고유저항(resistivity)을 낮추는 공정을 활성화 공정이라 칭한다. 또한 Mg가 도핑된 GaN 반도체 박막의 접촉저항을 측정하기 위해서는 보통 많이 사용되는 방법인 Transmission Line Method (TLM)을 사용했으며 이때 사용된 Pd전극은 너비가 200μm이고 길이가 100μm이며 간격이 5, 10, 15, 20, 25, 30μm가 되도록 7개의 전극이 일렬로 배치되었다. 여러 가지 간격의 전극들을 선택하여 전압 0.1V에서의 미분 저항값(resistance)들을 측정해 접촉저항을 구했다.

활성화공정에 사용된 자외선의 광원으로는 수은등을 사용했으며 별도로 언급되지 않는 한 광세기는 110mW/㎠으로 모든 실험에서 동일하게 했다. 다만, 광원의 광세기를 변화시키는 실험에서는 세기의 변화를 언급한다. 활성화 공정 시간은 30분으로 고정하여 사용하였다. 수분 이상의 시간범위에서 활성화 정도는 큰 차이를 보이지 않았다. 실험에 사용된 p형 화합물 반도체 박막은 사파이어 기판 위에 약1μm두께의 도핑되지 않은 GaN층을 적층하고, 그 위에 Mg이 도핑된 GaN층을 약1μm두께로 성장된 구조를 사용했다.

도 3에는 여러 가지 온도에서 자외선을 조사했을 때와 조사하지 않았을 경우의 화합물 반도체 시편들에 흐르는 전류가 나타나 있다. 온도에 따른 전류의 변화에 자외선의 영향도 같이 나타나 있다. 성장된 상태에서 전류가 거의 흐르지 않는 반도체 박막은 열처리를 통해서 전류가 많이 흐르는 박막으로 전환되어진다. 이때 자외선은 이러한 열처리를 도와 더 낮은 온도에서도 같은 정도의 전류가 흐를 수 있도록 해 준다. 같은 양의 전류가 흐르는 경우 자외선을 조사할 때는 자외선이 없이 열처리만 할 때 보다 약 70~80℃ 정도의 온도하강효과를 주고 있다. 또한 자외선을 조사할 경우 100℃정도의 아주 낮은 온도에서의 열처리로써 성장된 상태 즉 전류가 거의 흐르지 않는 상태 보다 약30~40배 가량 전류가 증가했음을 볼 수 있다. 자외선이 없을때 100℃와 200℃에서 열처리된 시편에서는 성장된 상태 그대로의 열처리하지 않은 화합물 반도체 박막에서와 같은 정도의 전류가 흐르고 있다. 즉 자외선을 조사하면 시료에 약간의 열만 가해도 흐르는 전류의 양이 크게 증가함을 알 수 있다. 또한 자외선을 조사할 경우 열처리 온도가 350℃ 이상이 되면 더 이상 전류가 증가하지 않는 전류 포화의 경향을 보이고 있어 이 이상의 온도 범위에서 활성화를 진행하면 낮은 고유저항(resistivity)의 p형 불순물이 도핑된 GaN을 얻을 수 있다.

기존의 활성화를 위한 열처리 온도 보다 낮은 온도에서의 열처리는 성장된 반도체 박막에 유발될 수 있는 표면 손상을 억제해 금속 전극 형성시 전극과 화합물 반도체 박막 사이에 발생되는 접촉저항을 낮추는 장점이 있다. 접촉저항 측정을 위해 한 개의 기판에서 두 개의 시편을 잘라내어 각각 다른 활성화 공정을 거쳤다. 즉, Mg이 도핑된 GaN 박막을 활성화시키기 위해 두 개의 시편에 각각 기존의 고온 열처리공정과 자외선을 조사하는 저온 열처리 공정을 수행한 후 TLM으로 특성 접촉저항율(specific contact resistivity)을 측정했다. 800℃에서 활성화된 시편은 4.03×10^-2Ω㎠부터 1.16×10^-2Ω㎠의 특성접촉저항율이 얻어졌고 370℃에서 자외선을 조사하며 활성화된 시편은 4.33×10^-4Ω㎠부터 5.62×10^-6Ω㎠의 특성접촉저항율을 보였다. 이러한 100배 정도의 특성접촉저항율의 차이는 매우 큰 값으로 고온에서 반도체박막에 표면손상이 발생해 결함을 유발하고 이 때문에 전극과의 접촉저항이 상승했음을 암시하고 있다.

더욱이, 자외선 조사에 의한 저온 열처리는 기존의 고온 열처리에 비해 박막의 표면에 산화물 또는 다른 반응물이 생기지 않도록 하므로 활성화공정의 분위기 기체를 조절할 필요가 없다는 장점도 있다. 도 4에 800℃의 고온에서 질소와 공기의 두 가지 분위기에서 활성화된 두 가지 시료의 전압전류특성이 나타나 있다. 공기 분위기에서 활성화된 시편에 대한 측정치(점선 표시)는 0V 근처에서 직선이 아닌 곡선으로 나타났고 질소 분위기에서 활성화된 시편에 대한 측정치(실선 표시)는 직선으로 나타났다. 0V 근처에서 곡선으로 나타나는 이유는 화합물 반도체 박막과 전극 간에 저항적 접촉을 형성하지 못했기 때문이다. 즉 질소 분위기에서 활성화(열처리) 공정을 진행해야만 전극과의 저항적 접촉을 형성하는 것으로 나타났다. 그러나 도시되지 않았지만 도 3에 표시된 특성을 갖는 시편들 중 자외선이 조사된 시편들은 공기 분위기에서 활성화되었지만 모두 직선의 전류전압특성을 보여 주었다. 이는 자외선 조사와 함께 저온에서 활성화 공정이 진행되었기 때문에 산소 등에 의해서 표면에 산화물 혹은 다른 반응물이 생기지 않아서 계면에서 저항성 접촉이 잘 이루어졌음을 의미한다. 이렇게 분위기를 인위적으로 질소 분위기로 조절할 필요가 없으므로 활성화를 위한 장비를 간단하게 만들 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 자외선을 조사하는 저온 활성화 공정이 공기 분위기에서 진행되더라도 질소 분위기에서 진행되는 경우와 비슷하게 활성화가 이루어진다.

통상의 유기금속화학기상증착법(MOCVD)으로 성장된 화합물 반도체에서 p형 불순물이 도핑되더라도 고유저항(resistivity)이 높게 나타나는 것은 p형 불순물들이 수소와 결합되어 acceptor로서 역할을 할 수 없기 때문이라고 생각된다. 이와 같이, p형 불순물에 결합된 수소를 고온의 열처리를 통해 분리하여 고유저항(resistivity)을 낮추는 것이 기존의 활성화 공정이었다. 수소를 분리해내는 방법으로는 이외에도 전자빔 조사 방법이나 소수전하주입방법 등이 제시되었는데 이들의 원리는 모두 수소와 전자와의 작용 때문이라고 제안되고 있다. 즉 전자를 외부에서 주입해주면 수소와 p형 불순물 간의 결합을 약화시켜 고온의 열처리 없이도 낮은 온도에서 상기 p형 불순물과 결합된 수소를 분리해 박막의 고유저항(resistivity)을 낮출수 있다는 원리이다. 본 발명에서는 이러한 전자의 주입을 위하여 성장된 p형 불순물이 포함된 반도체 박막에 흡수될 수 있는 빛을 조사해 반도체 박막 내에 전자-정공쌍(electron-hole pair)을 생성시키는 원리를 사용했다. 이 때 활성화에 도움이 되는 전자를 만들어 낼 수 있는 빛은 반도체 박막의 밴드갭 보다 에너지가 큰 빛이다. 보통 반도체의 광흡수는 밴드갭 에너지에서 시작되어 파장이 짧아 질수록 증가하며 밴드갭 에너지 이하에서는 흡수가 없다. p형 불순물이 함유된 GaN박막의 경우에는 도 5에서 보여지듯이 385nm 부터 흡수가 시작되므로 이보다 파장이 짧은 빛은 박막 내에 흡수되어 전하를 생성하게 된다. 즉 385nm 보다 단파장의 빛은 Mg가 도핑된 GaN 박막에서 흡수되어 활성화에 기여하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 385nm 파장대의 자외선 광원으로는 수은등이 적당하다.

본 발명의 실험에 사용된 수은등은 자외선 영역 뿐 만 아니라 가시광선 영역의 전자기파도 많은 양을 방출하고 있다. 자외선의 효과를 확인하기 위해 자외선을 투과하지 않는 필터를 사용해 가시광선만으로 활성화를 진행시켜 보았다. 실험에 사용된 필터는 420nm 보다 파장이 짧은 전자기파는 투과하지 못한다. 370℃에서 자외선을 조사하며 활성화된 시료는 약130μA의 전류가 흐르는데 반해 필터를 사용해 자외선을 차단한 상태에서 열처리된 시료는 약10μA의 전류만이 흘러 Mg가 도핑된 GaN의 경우 자외선이 활성화 공정에 주요인임을 나타냈다.

전자기파를 Mg가 도핑된 GaN 박막에 흡수시키는 경우 흡수율에 따라 투과 깊이가 달라지게 된다. 다르게 말하면 현재 활성화시키려고 하는 Mg가 도핑된 GaN의 표면 근처에 자외선이 모두 흡수되어 그 내부에는 영향을 줄 수 없을 가능성이 있다는 것이다. 현재 실험에 사용된 Mg가 도핑된 GaN박막은 사파이어 기판위에 도핑되지 않은 GaN박막을 1μm 성장시킨후 그 위에 성장되었다. 자외선의 투과 깊이가 성장된 Mg 도핑의 GaN 박막의 활성화에 끼치는 영향을 검증하기 위해 성장된 GaN박막이 기판 윗면으로 가도록 놓은 시편과 밑으로 가도록 놓은 시편을 동시에 자외선을 조사하며 활성화시켰다. 자외선의 투과 깊이가 얕으면 성장된 박막이 밑으로 가도록 놓여진 시편은 도핑되지 않은 층에서 자외선이 거의 모두 흡수되어 낮은 전류값을 보일 것이다. 그러나 실제 실험 결과는 두 시편에서 거의 동일한 전류가 흘러 투과 깊이에 대한 문제는 없는것으로 나타났다.

조사되는 자외선의 세기에 따른 전류의 변화가 도 6에 나타나 있다. 실험에 사용된 수은등의 최고 방출광 세기는 110mW/㎠이며 이때 전도되는 전류는 약 25μA이다. 또한 자외선이 없을 때 자외선 조사시와 같은 온도에서 활성화된 시편에 흐르는 전류는 2.9μA이다. 이 전류값은 도면에서 점선으로 표시되어져 있다. 자외선이 조사되었을 때 활성화된 시편에서는 자외선의 세기를 변화시켜도 전류의 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 본 실험에서는 광원의 한계로 30mW/㎠ 이하로는 자외선 세기를 줄일 수가 없었다. 그러나 도 6에서 보듯이 전류의 변화가 광세기에 따른 의존성을 전혀 보이고 있지 않아 광세기는 약간의 세기만 있어도 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막의 활성화에 충분한 것으로 생각된다.

본 발명을 구현하기 위한 다른 방법으로써, 유기금속화학기상증착법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막의 고유저항을 낮추기 위해, 화합물 반도체 박막에 함유된 p형 불순물의 농도를 증가시켜 열처리 온도를 낮추는 방법이 있다. 이 방법에 따르면, p형 불순물인 Mg의 함량을 증가시킴에 따라 자외선 조사없이 저온 열처리 만으로 화합물 반도체 박막의 활성화 정도를 증가시키는 방법이 사용된다. 도 7에 Mg의 함량이 다른 각각의 시료마다 완전히 활성화된 상태 즉 자외선을 조사하며 520℃에서 활성화된 상태의 시료에서 측정된 전류값과 자외선 없이 370℃에서 활성화된 상태의 시료에서 측정된 전류값에 대한 비가 나타나 있다. 즉 각각의 시료마다 370℃에서 어느 정도까지 활성화가 되는지 비를 나타내었다. Mg함량이 9.6×10¹⁹cm^-3일 때는 포화전류의 약50%이상의 전류값을 보여주고 있다. 이는 Mg의 과도핑으로도 낮은 온도에서 자외선을 사용하지 않고 활성화시킬 수 있음을 말해주고 있는 것이다. Mg이 5×10¹⁹cm^-3이상이면 포화전류의 약4%정도되는 전류가 흐르고 있다. 이 때 활성화 공정의 열처리 온도는 200~850℃ 정도의 저온으로 충분하게 된다. 이러한 현상은 Mg 이외에도 Ba, Be, Ca, Cd, Zn 등의 p형 불순물을 사용하더라도 이루어진다. 또한, 화합물 반도체 박막으로서 AlGaN 박막을 이용할 경우에도 비슷한 양상을 보이고 있으므로, 주로 Ⅲ-Ⅴ족의 질화물계 반도체인 InGaN, AlGaN, AlGaInN, BGaN, BAlGaN 등에 대해서도 상기와 같은 p형 불순물의 과도핑하게 되면 저온에서 활성화가 이루어진다.

화합물 반도체와 전극 간의 접촉 계면에서의 접촉 저항을 낮추기 위한 본 발명의 세 번째 목적을 구현하기 위한 방법 역시 화합물 반도체 박막 전체 혹은 전극 접촉면의 일정한 두께에 고농도의 p형 불순물을 주입하는 것이다. 보통 반도체 박막은 p형 불순물이 증가할수록 정공농도가 증가해 박막의 저항(resistivity)이 낮아지며 전극과의 접촉저항도 낮아지는 경향이 있다. 특히 정공농도는 전극과의 접촉저항을 결정하는 중요한 변수이다. 그러나 질화물계 반도체는 p형 불순물의 양이 2~3×10¹⁹cm^-3이상으로 증가하면 정공농도가 감소하고 박막의 고유저항(resistivity)이 증가한다. 본 발명은 Mg이 2~3×10¹⁹cm^-3이상으로 과도핑되어 정공농도가 감소하더라도 p형 불순물의 함유량이 큰 박막이 전극과 낮은 접촉저항을 형성한다는 내용이다. 반도체 소자를 제작할 경우 소자의 동작전압을 결정하는 요인은 박막의 고유저항과 박막과 전극 사이의 접촉저항인데 GaN의 경우 밴드갭에너지가 크고 정공 농도가 낮아 전극과 p-GaN 박막 사이의 접촉저항이 가장 중요한 요인이 된다. 그러므로 p-GaN 박막의 고유저항이 조금 높아지더라도 전극과의 접촉 저항을 낮추는 조건으로 성장된 p-GaN을 소자에 사용해야 소자의 전체 저항을 낮출 수 있다. 그러나 접촉저항만을 낮추기 위해 Mg을 너무 과도핑하는 경우 박막의 고유저항이 너무 커질 수 있고, 또한 정공 농도의 심각한 감소는 LED나 LD등의 소자의 성능에도 나쁜 영향을 끼칠 수 있다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 전극과 접촉되는 표면층에만 Mg을 과도핑하는 접촉층을 만들어 주고 그 아래에는 적정량의 Mg을 도핑하여 박막의 고유 저항을 줄이는 구조를 제안하였다. 박막의 저항이 가장 낮고 정공 농도가 가장 높은 GaN 박막에서의 Mg의 함유량은 1.5~2×10¹⁹cm^-3의 범위이다.

이 실험에서 사용된 시료들은 800℃에서 4분간의 열처리로 활성화되었다. 그리고 각 시료의 접촉저항의 비교를 위해 5μm간격의 두 전극간의 0.1V에서의 미분저항(resistance)(dV/dI)을 측정하였다. 접촉저항이 클 경우에는 전극 간격에 따라 측정값들의 변화가 커서 linear fitting으로 접촉저항을 구하기 어려워 측정된 저항값을 직접 비교하는 방법을 선택했다. TLM을 위한 전극 모양 중에서 가장 거리가 가까운 두 전극의 낮은 전압에서의 저항값(resistance)에는 박막과 전극과의 접촉저항이 가장 큰 부분을 차지한다. 이렇게 측정된 저항(resistance)을 비교해 접촉저항의 상대적 비교를 할 수 있다.

도 8에 Mg 함량이 다른 여러 가지 p형 화합물 박막에 대해서 0.1V가 인가되었을 때 측정된 저항값들을 표시했다. 도면에서 1과 2는 1μm의 두께에 Mg이 각각 2.0×10¹⁹cm^-3및 4.5×10¹⁹cm^-3의 농도로 균일하게 도핑된 시료이고, 3과 4는 0.9μm의 두께에 Mg이 2.0×10¹⁹cm^-3도핑된 층위에 0.03μm 두께의 Mg의 함량을 각각 7.2×10¹⁹cm^-3및 10×10¹⁹cm^-3농도로 증가시킨 과도핑층이 성장된 시료이다. 이는 전체 층에 Mg을 과도핑할 경우 박막의 저항이 너무 증가하는 것을 피하기 위해서이다. 도면에 나타난 4개의 시편의 측정된 저항값에서 p-GaN 박막에 의한 저항은 0.4kΩ~0.8kΩ로 전체 저항에 비해 매우 작은 부분이므로 측정된 저항값의 대부분이 전극과의 접촉저항에 의한 것이다. 도면에서 보듯이 Mg 함량이 증가할수록 접촉저항은 감소하고 있으며 특히 Mg 함량이 4.5×10¹⁹cm^-3이상이 되면 접촉저항이 급격히 감소한다. 이 때, p형 불순물(여기서는 Mg)의 함유량은 박막의 고유저항(resistivity)이 가장 낮은 경우의 Mg 함유량, 즉 1.5×10¹⁹cm^-3의 약 2~3배의 값이다. 박막의 고유저항은 Mg 함량이 낮은 시편 1이 1.6Ωcm이고, 높은 시편 2는 2.2Ωcm로 접촉저항과 반대의 경향을 갖는다. 즉, Mg이 과도핑되어 박막의 고유저항이 높아질 때 오히려 전극과의 접촉저항이 낮아진다. 시편 3과 4는 각각 Mg함량이 다른 두 개의 층으로 구성되어 있는데, 도면에서는 접촉층에서의 Mg함량에 대해 측정된 저항값을 표시하였다. 이 때에도 접촉층에 Mg의 함량이 많은 시편이 접촉저항이 낮은 것으로 나타났다. 시편 3과 4의 대부분의 두께를 차지하는 0.9μm의 두께의 층에는 시편 1과 같은 양의 Mg이 도핑되어 있기 때문에 박막의 고유저항(resistivity)은 시편 1, 3과 4가 모두 차이가 없다.

도면에서 접촉층에 Mg이 7.2×10¹⁹cm^-3함유된 시편에서 접촉층의 두께를 0.03μm에서 0.1μm로 증가시킬 경우 저항값은 7kΩ~10kΩ에서 0.84kΩ~1.0kΩ으로 매우 낮게 감소하는 현상을 보였다. 이는 1.58×10^-3Ω㎠ 의 접촉저항에 해당되는 값이다. 이러한 현상은 고온의 활성화 공정에 의해 유발될 수 있는 Mg의 확산 때문으로 보여진다. 과도핑층의 두께가 얇으면 전극과 접촉되는 표면 근처에서 Mg가 확산하므로 박막이 성장될 때 보다 Mg 함량이 감소한다. 확산은 농도 차이가 큰 경계면에서 가장 크게 일어나므로 전극과 접촉되는 표면이 Mg 농도 차이가 큰 경계면과 멀어지도록 과도핑된 접촉층의 두께를 증가시키면 표면 근처에서는 확산의 영향이 감소해 Mg의 함량이 성장시 주입된 상태에 가깝게 유지된다. 이러한 p형 불순물의 과도핑과 접촉저항에 관계된 현상은 Mg 이외에도 Ca, Be, Ba, Zn 등의 다른 종류의 p형 불순물에서도 비슷한 경향을 갖는다. 또한, 화합물 반도체 박막으로서 AlGaN 박막을 이용할 경우에도 비슷한 양상을 보이고 있으므로, 주로 Ⅲ-Ⅴ족의 질화물계 반도체인 InGaN, AlGaN, AlGaInN, BGaN, BAlGaN 등에 대해서도 상기와 같은 p형 불순물의 과도핑하게 되면 전극과의 계면에서 접촉저항이 낮아진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법은, 첫째, 기상에피택시법으로 성장된 화합물 반도체에 흡수될 수 있는 파장대의 전자기파를 조사하여 화합물 반도체의 고유저항을 낮추거나 부수적으로 화합물 반도체와 전극 간의 특성접촉저항율을 낮춘다. 둘째, 화합물 반도체 박막 성장시 화합물 반도체 박막에 주입된 p형 불순물의 함량이 증가함에 따라 활성화 공정의 적정 온도가 낮아지는 점을 이용하여, p형 불순물이 과도핑된 경우에는 자외선의 조사 없이 p형 불순물의 도핑 농도를 높임으로써 저온에서의 열처리 만으로도 화합물 반도체 박막의 고유저항을 낮출 수 있다. 세째, 화합물 반도체 박막 성장시 화합물 반도체 박막에 주입된 p형 불순물의 함량이 증가함에 따라 화합물 반도체의 고유저항은 높아지나 화합물 반도체와 전극 간의 접촉 저항은 낮아지며, 이 때 화합물 반도체의 접촉저항이 고유저항 보다 화합물 반도체 소자의 전체 저항값에 큰 몫을 차지함을 이용하여, p형 불순물을 화합물 반도체 박막의 전체 혹은 전극과의 계면에 일부두께에만 과도핑함으로써, 자외선의 조사나 열처리 없이 화합물 반도체 박막의 접촉저항을 낮춘다.

Claims

기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막 및 전극을 사용해 소자를 제작하는 방법에 있어서,

상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막에 흡수될 수 있는 전자기파를 상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막에 조사하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항에 있어서,

상기 전자기파를 조사하는 단계는 350℃ 이상에서의 열처리 공정과 동반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전자기파를 조사하는 단계는 공기분위기 혹은 질소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항에 있어서,

상기 전자기파를 조사하는 단계에서 상기 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막이 Mg가 도핑된 GaN 박막인 경우 사용되는 상기 전자기파는 공기중에서 파장 385nm 보다 짧은 빛인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항에 있어서,

3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 p형 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제1항에 있어서,

상기 전자기파는 수은등을 광원으로 이용하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막을 사용해 소자를 제작하는 방법에 있어서,

상기 p형 불순물이 도핑된 반도체 박막이 p형 불순물로 Mg를 5×10¹⁹cm^-3이상 함유하고 있을 경우 상기 화합물 반도체 박막을 200~850℃ 범위의 저온에서 열처리하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제8항에 있어서,

3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 p형으로의 활성화 방법.
기상에피택시법으로 성장되고 p형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 박막 및 전극을 사용하여 화합물 반도체 소자를 제작하는 방법에 있어서,

상기 화합물 반도체 박막에 p형 불순물을 도핑하였을 때, 상기 화합물 반도체 박막의 고유 저항값이 최소가되는 상기 p형 불순물의 도핑 농도 보다 2배 이상의 도핑 농도로 상기 p형 불순물을 상기 화합물 반도체 박막에 도핑하여 상기 전극과 상기 화합물 반도체 간의 접촉저항을 감소시키는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 p형 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법.
제11항에 있어서,

상기 p형 불순물로 Mg를 4.5×10¹⁹cm^-3이상 함유하도록 상기 화합물 반도체 박막에 도핑하는 것을 특징으로 하는 p형 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법.
제12항에 있어서,

상기 전극과의 접촉면에만 상기 p형 불순물로 Mg를 4.5×10¹⁹cm^-3이상 함유하는 두께 0.03μm의 Mg 과도핑층을 상기 화합물 반도체 박막에 형성하는 것을 특징으로 하는 p형 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법.
제11항에 있어서,

3원 혼정계 화합물에서는 0≤x≤1이고, 4원 혼정계 화합물에서는 x+y+z=1인 관계를 갖는다고 할 때, 상기 화합물 반도체 박막은 In_xGa_1-xN, Al_xGa_1-xN, Al_xGa_yIn_zN, B_xGa_1-xN, B_xAl_yGa_zN 중 어느 한 질화물계 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 p형 화합물 반도체의 접촉 저항 감소 방법.
제11항에 있어서,

상기 화합물 반도체 박막의 p형 불순물로 Zn, Cd, Be, Ca, Ba 중 적어도 어느 한 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 박막의 접촉 저항 감소 방법.