KR20000025914A - Gan계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 사파이어 기판상에 InxAl1-XN 결정을 중간완충층으로 이용하여 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 결정성장시킴으로써 격자 부정합에 따른 결정성 결함의 밀도를 크게 줄일 수 있는 GaN계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법을 제공하기 위한 것으로, 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN으로 형성되는 중간 완충층을 성장시켜 형성하는 단계와, 상기 중간 완충층 위에 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 성장시켜 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.

Description

ＧａＮ계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법
본 발명은 청색 레이저 다이오드나 청색발광 다이오드에 이용되는 GaN계 화합물 반도체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 사파이어 기판위에 완충층으로서 초기에 InxAl1-XN의 결정을 성장시키고 그 위에 GaN계 화합물 반도체인 GaN 또는 InxGa1-XN 결정을 성장시켜서 결정의 표면 평탄성, 스트레스 감소 및 결정결함을 개선한 GaN계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법에 관한 것이다.
GaN계 화합물 반도체인 GaN나 또는 InxGa1-XN는 청색레이저 다이오드나 청색 발광 다이오드 등의 발광소자에 널리 이용되는 화합물 반도체로서 이의 결정성장 방법은 유기금속 성장법(MOVPE : Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)을 이용하여, 사파이어(Al2O3) 기판위에 AlN나 GaN 결정을 500-600℃의 저온에서 수십nm 두께로 성장시킨 후 1,100℃ 근처의 고온으로 온도를 올려 GaN나 InxGa1-XN 결정을 성장시켜 제조하였다.
사파이어 기판위에 AlN이나 GaN 중간완충층을 저온에서 만들면 평탄하지 않는 칼럼(Column) 형태의 AlN이나 GaN 결정이 일차성장되고 이 결정을 근간으로 하여 고온에서 성장되는 결정이 측면으로 평탄하게 성장되기 시작하여 어느정도 두께의 결정이 성장된 후 비교적 평탄한 단결정의 결정성장이 가능하게 된다.
따라서 저온에서 AlN이나 GaN 중간 완충층을 성장시킨 후 그 위에 GaN이나 InxGa1-XN을 결정성장시킴으로써 사파이어 기판과 InxGa1-XN 및 GaN과의 결정격자의 불일치 및 팽창계수의 차이에서 야기되는 단점을 개선시키는 효과가 있었다.
그러나 사파이어 기판위에서 저온으로 성장되는 AlN이나 GaN의 중간완충층은 결정초기의 결정특성을 좌우하기 때문에 그 후에 성장되는 InxGa1-XN 및 GaN 결정의 특성을 좌우하게 된다.
따라서 사파이어 기판위에 성장되는 AlN이나 GaN의 초기 결정에 따라 그 후에 AlN이나 GaN위에 성장되는 GaN혹은 InxGa1-XN의 결정결함이 좌우되고, 특히, AlN이나 GaN 결정이 비교적 결정결함력이 강한 물질이어서 초기에 형성되는 칼럼의 결정사이에서 공백이 크고, 결정스트레스가 크기 때문에 AlN이나 GaN의 초기 칼럼의 비평탄성(즉, 각 미세결정 사이에 발생하는 공백등), 결정질 및 칼럼의 표면크기 등에 중요하게 좌우되므로, 사파이어 기판위에 AlN 혹은 GaN 결정을 중간 완충층으로 사용하여 GaN 혹은 InxGa1-XN의 결정을 성장하면 GaN 혹은 InxGa1-XN의 결정결함 밀도가 약 109/cm2정도로 큰 결정결함 밀도를 갖게 된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 사파이어 기판상에 InxAl1-XN 결정을 중간완충층으로 이용하여 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 결정성장시킴으로써 격자 부정합에 따른 결정성 결함의 밀도를 크게 줄일 수 있는 GaN계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제조방법에 의해 성장된 GaN계 화합물 반도체의 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 제조방법에 의해 성장된 GaN계 화합물 반도체의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 사파이어 기판 11,11' : 중간완충층
12 : GaN계 화합물 반도체층
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법은, 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN으로 형성되는 중간완충층을 성장시켜 형성하는 단계와, 상기 중간완충층위에 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 성장시켜 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 또하나의 양태인 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법은, 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN/AlN 혹은 InxAl1-XN /GaN의 초격자 구조로 되는 중간완충층을 성장시켜 형성하는 단계와, 상기 중간완충층 위에 GaN 혹은 InxGa1-XN로 되는 GaN계 화합물 반도체를 성장시켜 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 또 하나의 다른 양태인 GaN계 화합물 반도체는 사파이어 기판과, 상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN으로 성장되어 형성된 중간 완충층과, 상기 중간 완충층위에 성장되어 형성된 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체층을 구비함을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 다른 또 하나의 양태인 GaN계 화합물 반도체는 사파이어 기판과, 상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN/AlN 혹은 InxAl1-XN/GaN의 초격자 구조로 성장되어 형성된 중간 완충층과, 상기 중간 완충층위에 성장되어 형성된 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체층을 구비함을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의한 GaN계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법은 사파이어 기판위에 성장시키고자 하는 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체의 격자상수의 중간정도에 해당되는 격자상수를 가지는 InxAl1-XN이나 또는 InxAl1-XN/GaN 및 InxAl1-XN/AlN의 초격자 구조의 화합물 반도체를 중간 완충층으로 사용함으로써 종래에 완충층으로 사용하는 AlN자체만으로 감당하기에 부족한 기판과 GaN계 화합물 반도체 사이의 큰 격자 부정합을 극복할 수 있어 격자 부정합에 기인한 결정성 결함의 밀도를 크게 줄일 수 있다.
이하 첨부도면에 근거하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 제조공정으로 성장된 GaN계 화합물 반도체의 단면을 나타낸 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 사파이어(Al2O3) 기판(10)을 마련한 후, 이 사파이어 기판(10)상에 InxAl1-XN의 중간 완충층(11)을 성장시켜 형성한다.
상기 완충층(11)은 InxAl1-XN의 Al소스(Source)로서 TMAl(Tri-Methyl- Aluminum)이나 TEAl(Tri-Eethyl-Aluminum)을 사용하고, In의 소스로서 TMIn(Tri- Methyl-Indium)이나 TEIn(Tri-Eethyl-Indium)을 사용하며, NH3나 N2가스를 N의 소스로서 그리고 H2가스를 Al 및 In의 소스를 실어 나르는 캐리어 가스로 사용한다.
이때의 결정 성장온도는 InxAl1-XN의 In조성(x)에 따라 최적화 할 수 있는데 유기금속 결정성장(MOVPE)을 수행하기 위한 결정성장기의 구조에 따라 200-1,100℃에서 최적화 할 수 있으며, InxAl1-XN의 두께는 10-10,000Å의 범위를 갖는다.
InxAl1-XN의 두께가 10,000Å보다 두꺼우면 자체의 스트레인 에너지 때문에 추가적인 결정성 결함을 갖게되며 10Å 이하에서는 너무 얇아 중간 완충층으로서 기능이 없게 된다.
그리고 InxAl1-XN에서 In조성 x는 0<x<1이나, 상기 InxAl1-XN을 중간 완충층으로하여 GaN를 성장할때에는 x가 대략 0.05정도, InxGa1-XN를 성장할때에는 x가 대략 0.1정도로 하면, 기판과 GaN 혹은 InxGa1-XN 사이의 격자 부정합을 최소화 할 수 있다.
또한, 상기 중간 완충층(11)은 필요에 따라서 N형 또는 P형의 불순물이 도핑될 수도 있다.
그 다음, 기판의 온도를 올린 후 상기 중간 완충층(11)위에 GaN계 화합물 반도체층(12)으로 GaN 혹은 InxGa1-XN를 성장시켜 형성한다.
이때, GaN의 성장인 경우, 900-1,100℃, 그리고 InxGa1-XN의 성장인 경우에는 550-800℃의 온도에서 성장시킨다.
그리고 상술한 중간 완충층(11)인 InxAl1-XN에서 In의 조성이 커지기 시작할 경우, InxAl1-XN 중간 완충층(11)을 성장시킨 후 GaN계 화합물 반도체인 InxGa1-XN이나 GaN을 고온에서 성장시키기 위하여 온도를 올리게 되는데, 이 경우 InxAl1-XN 표면에서 In이 증발하게 되는 문제점이 있을 수 있다.
이를 방지하기 위하여 InxAl1-XN 중간 완충층(11)위에 얇은 5-50Å 정도의 GaN으로 되는 보호막(도시않됨)을 성장시킨 후 온도를 올려 GaN 및 InxGa1-XN 결정을 성장시키는 것이 바람직한다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 결정성장 방법으로 성장된 GaN계 화합물 반도체의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
제 1 실시예와 제 2 실시예와의 차이는 중간완충층(11)을 형성할 때 제 1 실시예에서는 InxAl1-XN를 성장시켜 제조하였으나, 제 2 실시예에서는 InxAl1-XN/GaN 혹은 InxAl1-XN/AlN의 초격자층을 성장시켜 중간완충층(11')으로 제조한 것이 다르며 그 이외는 양자가 동일하다.
따라서 동일 구성부분에 대하여서는 동일 인용부호를 사용하고 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제 2 실시예는 제 1 실시예의 중간 완충층(11)인 InxAl1-XN의 두께가 10,000Å 이상으로 너무 두꺼워지면 자체의 스트레인 에너지 때문에 추가적인 결정성 결함이 발생한다는 점은 상술한 바 있다.
따라서 제 2 실시예에서는 이와 같은 제 1 실시예의 단점을 개선하기 위해, 중간 완충층으로 InxAl1-XN대신에 InxAl1-XN/AlN 혹은 InxAl1-XN/GaN의 초격자를 성장시켜 중간 완충층(11')으로 형성한 것이다.
상기 중간 완충층(11)을 형성하는 초격자의 InxAl1-XN층의 두께를 1-200Å, GaN 혹은 AlN층의 두께를 1-200Å로 하고, 층수를 1-300개로 한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 GaN계 화합물 반도체 및 그의 결정성장 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, InxAl1-XN의 격자상수가 In의 양을 조절함에따라 InxAl1-XN의 격자상수 C는 C=3.112+0.436x로 결정되므로, GaN 성장인 경우에는 x를 대략 0.05로, InxGa1-XN성장인 경우에는 x를 대략 0.1로 함으로써 기판과 GaN 혹은 InxGa1-XN의 격자 부정합을 최소화 할 수 있게 되고 이와 같은 InxAl1-XN을 중간 완충층으로 활용하게 되므로 격자 부정합에 따른 결정성 결함의 생성을 크게 줄일 수 있다.
둘째, AlN에 In을 첨가하여 InxAl1-XN 합금을 만듦으로 해서, AlN보다 연성이 나은 특성을 갖게 되므로 첫째항목에서의 상술한 효과에 더하여 격자부정합에 따른 스트레인 에너지를 흡수할 수 있는 능력이 개선되므로 완충층위에 성장시키는 GaN 혹은 InxGa1-XN층의 결정성 결함의 밀도를 더욱 크게 줄일 수 있다.

Claims (13)

  1. 사파이어 기판을 마련하는 단계와,
    상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN으로 형성되는 중간 완충층을 성장시켜 형성하는 단계와,
    상기 중간 완충층 위에 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 성장시켜 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 완충층은 Al소스로서 TMAl(트리-메틸-알루미늄)이나 TEAl(트리-에틸-알루미늄)을 사용하고, In의 소스로서 TMIn(트리-메틸-인듐)나 TEIn(트리-에틸-인듐)을 사용하며, N의 소스로서 NH3나 N2가스를, 그리고 캐리어 가스로 H2가스를 사용하는 유기금속 결정 성장법으로 성장시켜 형성됨을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 중간 완충층의 결정성장 온도는 200-1,100℃임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 중간 완충층의 두께는 10-10,000Å임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 중간 완충층은 N형 또는 P형의 불순물로 도핑됨을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 GaN인 화합물 반도체의 결정성장 온도는 900-1,100℃임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 InxGa1-XN인 화합물 반도체의 결정 성장 온도는 550-800℃임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 완충층을 형성한 다음 결정성장 온도를 고온으로 올리기 전에 상기 완충층내에 포함된 In이 증발하는 것을 방지하도록 상기 완충층에 GaN로 되는 보호층을 형성하는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 5-50Å임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  10. 사파이어 기판을 마련하는 단계와,
    상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN/AlN 혹은 InxAl1-XN/GaN의 초격자 구조로 되는 중간 완충층을 성장시켜 형성하는 단계와,
    상기 완충층 위에 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체를 성장시켜 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 초격자 구조에서 상기 InxAl1-XN층의 두께는 1-200Å, GaN 혹은 AlN층의 두께는 1-200Å로 하고 초격자의 층수는 1-300개임을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체의 결정성장 방법.
  12. 사파이어 기판과,
    상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN으로 성장되어 형성된 중간 완충층과,
    상기 중간 완충층위에 성장되어 형성된 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체층을 구비함을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체.
  13. 사파이어 기판과,
    상기 사파이어 기판상에 InxAl1-XN/AlN 혹은 InxAl1-XN/GaN의 초격자 구조로 성장되어 형성된 중간 완충층과,
    상기 중간 완충층위에 성장되어 형성된 GaN 혹은 InxGa1-XN의 GaN계 화합물 반도체층을 구비함을 특징으로 하는 GaN계 화합물 반도체.
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