KR20000041281A - Nitride system semiconductor device and method for growing semiconductor crystal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화물계 반도체소자에 관한 것으로, 특히 기판과 질화물계 단결정 사이에 BN계 화합물 버퍼층을 형성하여 결정성이 우수한 질화물계 결정층을 형성할 수 있는 질화물계 반도체소자 및 질화물계 반도체 결정성장방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor device. In particular, a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor crystal growth method capable of forming a nitride crystal layer having excellent crystallinity by forming a BN compound buffer layer between a substrate and a nitride single crystal. It is about.
근래, 단파장 영역의 빛(자외선∼녹색), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자가 각광을 받고 있는데, GaN, InN, AlN 등과 같은 질화물과 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 질화물 화합물이 이러한 파장의 빛을 발광할 수 있는 에너지갭을 갖고 있다.In recent years, light emitting devices capable of emitting light (ultraviolet to green), especially blue light in the short wavelength region have been in the spotlight, and nitride compounds such as GaN, InN, and AlN, and nitride compounds in which these nitrides are mixed at a constant ratio are used as light of these wavelengths. It has an energy gap capable of emitting light.
이러한 질화물계 반도체 결정의 성장은 MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition)법을 사용한다. MOCVD법은 주로 900∼1100℃ 온도의 반응용기내에 유기화합물 반응가스를 공급하여 기판위에 결정의 에피택셜층을 성장시키는 방법으로, 기판으로는 사파이어기판이나 SiC기판을 사용한다. 상기 사파이어기판이나 SiC기판을 사용하는 이유는 성장되는 질화물 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문이다.The growth of such nitride-based semiconductor crystals uses a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The MOCVD method is a method of growing an epitaxial layer of crystals on a substrate by supplying an organic compound reaction gas into a reaction vessel mainly at a temperature of 900 to 1100 ° C. A sapphire substrate or a SiC substrate is used as the substrate. The reason for using the sapphire substrate or the SiC substrate is that there is no commercial substrate which has the same crystal structure as the grown nitride crystal and achieves lattice matching.
그러나, 종래의 MOCVD법을 사용하여 상기한 사파이어기판이나 SiC기판 위에 질화물계 반도체 결정을 성장시키는 경우에는 성장된 에피택셜층 표면의 형태학적 특성이 불량하고 격자부정합에 의한 스트레스(stress)가 발생하기 때문에 특성이 좋은 결정을 얻기란 대단히 어려웠으며, 그 결과 청색을 빛을 발광하는 발광소자를 개발하기란 거의 불가능하였다.However, in the case of growing nitride-based semiconductor crystals on the sapphire substrate or SiC substrate by using the conventional MOCVD method, the morphological characteristics of the grown epitaxial layer surface are poor and stress due to lattice mismatch is generated. Therefore, it was very difficult to obtain crystals having good characteristics, and as a result, it was almost impossible to develop a light emitting device emitting blue light.
이러한 문제를 해결하기 위해, 제안된 반도체소자가 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어기판위에 AlN으로 이루어진 버퍼층을 형성한 후 에피택셜층을 성장시킨 소자이다. 상기 소자를 형성하는 방법은 정상적인 GaAlN결정의 성장온도(약 1000∼1100℃) 보다 훨씬 낮은 약 400∼900℃의 온도에서 GaAlN을 수백Å의 층으로 성장한 후, 그 위에 GaAlN 에피택셜층을 성장시키는 것이다. 상기한 저온 성장층은 사파이어기판과 질화물계 반도체 결정 사이에 형성되어 반도체의 결정성을 향상시키기 때문에 버퍼층이라 불린다. 상기 버퍼층에 의해 에피택셜층의 형태학적 특성 및 격자정합이 향상되었으며, 비로소 단파장영역, 특히 청색광의 발광소자가 개발되기 시작하였다.In order to solve this problem, the proposed semiconductor device is a device in which an epitaxial layer is grown after forming a buffer layer of AlN on a sapphire substrate as shown in FIG. The device forming method is to grow GaAlN into hundreds of layers at a temperature of about 400 to 900 DEG C, which is much lower than the growth temperature (about 1000 to 1100 DEG C) of a normal GaAlN crystal, and then grow a GaAlN epitaxial layer thereon. will be. The low temperature growth layer is called a buffer layer because it is formed between the sapphire substrate and the nitride semiconductor crystal to improve the crystallinity of the semiconductor. The morphological characteristics and lattice matching of the epitaxial layer were improved by the buffer layer, and light emitting devices having a short wavelength region, particularly blue light, began to be developed.
그러나, 상기한 구조의 반도체소자에 있어서는 버퍼층의 성장조건을 엄밀하게 제한할 필요가 있다. 특히, 버퍼층을 100∼500Å의 얇은 두께로 설정하지 않으면 안되고 그 두께를 사파이어기판 전면에 걸쳐 균일하게 형성해야만 하지만 이러한 버퍼층의 성장은 대단히 어려운 일이었다. 또한, 그 결정성 역시 발광다이오드나 발광반도체를 제작하는데 까지는 개선되지 않았으며, 발광다이오드를 실용화하기 위한 pn접합을 실현할 수 없었다.However, in the semiconductor device of the above structure, it is necessary to strictly limit the growth conditions of the buffer layer. In particular, although the buffer layer must be set to a thin thickness of 100 to 500 되고 and the thickness must be uniformly formed over the sapphire substrate, the growth of such a buffer layer was very difficult. In addition, the crystallinity was not improved until fabrication of light emitting diodes or light emitting semiconductors, and it was not possible to realize pn junctions for practical use of light emitting diodes.
따라서, 청색광용 발광소자를 제작하기 위해 제안된 반도체소자가 도 2에 도시된 구조의 반도체소자이다. 이 반도체소자에서는 사파이어기판위에 약 400∼800℃의 온도범위에서 GaN 버퍼층을 약 0.02∼0.2μm 에피택셜성장시킨 후 그 위에 상기 온도보다 높은 900∼1150℃의 온도범위에서 GaN의 질화물계 결정을 에픽택셜 성장시킨다. 상기 저온 성장된 버퍼층에 의해 사파이어기판과 질화물간의 격자상수 차이가 줄어들어 스트레스가 감소하게 되므로 고질의 질화물 결정을 얻을 수가 있게 되며, 발광다이오드나 발광반도체와 같은 발광소자구조의 성장이 가능해진다. 그리고, 상기한 구조는 GaxAl1-xN 버퍼층이나 GaxAl1-xN 질화물계 결정에서도 동일하게 유용하다.Therefore, the semiconductor device proposed for manufacturing the blue light emitting device is a semiconductor device having the structure shown in FIG. In this semiconductor device, a GaN buffer layer is epitaxially grown on a sapphire substrate at a temperature in the range of about 400 to 800 ° C. in a range of about 0.02 to 0.2 μm, and the GaN nitride crystals in the temperature range of 900 to 1150 ° C. are higher on the sapphire substrate. Grows tactical. The low temperature grown buffer layer reduces the difference in lattice constant between the sapphire substrate and the nitride, thereby reducing stress, thereby obtaining high quality nitride crystals, and enabling the growth of light emitting devices such as light emitting diodes and light emitting semiconductors. The above structure is equally useful for Ga x Al 1-x N buffer layers and Ga x Al 1-x N nitride crystals.
그러나, 상기한 구조의 반도체소자에도 격자부정합이 존재한다. 도 9에 각 물질에 대한 에너지갭(bandgap)과 격자상수(lattice constant)의 관계가 도시되어 있다. 상기 그래프를 살펴보면, 사파이어는 약 2.6Å, AlN은 약 3.1Å, GaN은 약 3.15Å, InN은 약 3.5Å의 격자상수를 갖음을 알 수 있다. 따라서, GaN과 사파이어의 격차상수의 차는 약 0.55Å이다. 이 정도의 격자상수는 실제의 발광소자에 적용되었을 때, 격자부정합을 일으키게 되고 결국 질화물계 결정층의 결정성이 저하되는 원인이 된다. 또한, 사파이어와 AlN의 격자상수차도 약 0.5Å 정도이기 때문에 GaN과 AlN의 화합물인 GaxAl1-xN 버퍼층을 형성하는 경우에도 질화물계 결정층의 결정성이 저하된다.However, lattice mismatch exists in the semiconductor device of the above structure. In Fig. 9, the relationship between energy gap and lattice constant for each material is shown. Looking at the graph, it can be seen that the sapphire has a lattice constant of about 2.6 Å, AlN about 3.1 Å, GaN about 3.15 Å and InN about 3.5 Å. Therefore, the difference between the gap constants of GaN and sapphire is about 0.55 GPa. When the lattice constant of this degree is applied to an actual light emitting device, lattice mismatch occurs, which in turn causes a decrease in crystallinity of the nitride-based crystal layer. In addition, since the lattice aberration between sapphire and AlN is about 0.5 dB, the crystallinity of the nitride-based crystal layer is lowered even when a Ga x Al 1-x N buffer layer of GaN and AlN is formed.
한편, 사파이어와 InN의 격자상수의 차는 상기 두물질에서의 격자상수의 차이 보다 큰 약 0.9Å이다. 따라서, InN 버퍼층을 형성하는 것도 바람직하지 않으며, 상기 AlN, GaN, InN 세물질의 어떤 화합물도 버퍼층으로는 적합하지 않음을 알 수 있다.On the other hand, the difference between the lattice constants of sapphire and InN is about 0.9 mm, which is larger than the difference between the lattice constants of the two materials. Therefore, it is not preferable to form an InN buffer layer, and it can be seen that any compound of AlN, GaN, InN fine materials is not suitable as a buffer layer.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 질화물계 반도체 결정층과 상기 결정층과 격자상수가 다른 물질 사이에 BN계 화합물 버퍼층을 형성하여 계면에서의 격자부정합이 발생하는 것을 방지할 수 있는 질화물계 반도체 소자 및 결정성장방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and a nitride which can prevent lattice mismatching at an interface by forming a BN compound buffer layer between a nitride semiconductor crystal layer and a material having a different lattice constant from the crystal layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor semiconductor device and a crystal growth method.
본 발명의 다른 목적은 사파이어기판이나 SiC기판위에 질화물계 반도체 결정층의 성장시 기판위에 BN계 화합물 버퍼층을 형성하여 기판과 결정층에 격자부정합이 발생하는 것을 방지하여 질화물계 결정층의 결정성을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체소자 및 결정성장방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to form a BN compound buffer layer on a substrate during growth of a nitride semiconductor crystal layer on a sapphire substrate or a SiC substrate to prevent the lattice mismatch between the substrate and the crystal layer to prevent crystallinity of the nitride crystal layer. To provide a nitride-based semiconductor device and a crystal growth method that can be improved.
본 발명의 또 다른 목적은 BN께 화합물 버퍼층을 기판위에 형성함으로써 발광효율이 향상되고 발광수명이 증가할 수 있는 질화물계 반도체소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a nitride-based semiconductor device capable of improving the light emission efficiency and increasing the light emission lifetime by forming a BN compound buffer layer on a substrate, and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1관점에 따른 질화물계 반도체소자는 사파이어 기판 혹은 SiC기판과, 상기 기판위에 형성된 BN계 화합물 버퍼층과, 상기 BN계 화합물 버퍼층위에 형성된 질화물계 반도체 결정층으로 구성된다.In order to achieve the above object, the nitride semiconductor device according to the first aspect of the present invention is a sapphire substrate or SiC substrate, a BN compound buffer layer formed on the substrate, and a nitride semiconductor crystal layer formed on the BN compound buffer layer It consists of.
기판위에 형성되는 BN계 화합물 버퍼층은 Ga1-xBxN(0〈x≤1), Al1-xBxN(0〈x≤1), In1-xBxN(0〈x≤1), ((Al1-yGay)1-xBx)N (0〈x≤1,0≤y≤1), ((In1-yGay)1-xBx)N (0〈x≤1,0≤y≤1), ((In1-yAly)1-xBx)N (0〈x≤1,0≤y≤1) 또는 ((AlaGabInc)1-xBx)N (0〈x≤1,a+b+c=1, a,b,c≠0)으로 구성되며, 질화물계 반도체 결정층은 AlN, GaN, InN 물질 중 적어도 한가지 물질로 이루어진다.The BN compound buffer layer formed on the substrate includes Ga 1-x B x N (0 <x≤1), Al 1-x B x N (0 <x≤1), In 1-x B x N (0 <x ≤1), ((Al 1-y Ga y ) 1-x B x ) N (0 <x≤1,0≤y≤1), ((In 1-y Ga y ) 1-x B x ) N (0 <x≤1,0≤y≤1), ((In 1-y Al y ) 1-x B x ) N (0 <x≤1,0≤y≤1) or ((Al a Ga b In c ) 1-x B x ) N (0 <x≤1, a + b + c = 1, a, b, c ≠ 0), and the nitride-based semiconductor crystal layer is composed of AlN, GaN, InN materials It consists of at least one substance.
또한, 본 발명의 제2관점에 따른 질화물계 반도체소자는 사파이어기판 또는 SiC기판과, 상기 기판위에 형성된 BN계 화합물 버퍼층과, 상기 버퍼층위에 형성된 n형 질화물계 반도체 결정층과, 상기 n형 질화물계 반도체 결정층위에 형성되며 진성 질화물계 반도체 결정으로 이루어져 전압이 인가됨에 따라 빛을 발산하는 활성층과, 상기 활성층위에 형성된 p형 질화물계 반도체 결정층과, 상기 활성층에 전압을 인가하는 제1전극 및 제2전극으로 구성된다.In addition, the nitride semiconductor device according to the second aspect of the present invention is a sapphire substrate or SiC substrate, a BN compound buffer layer formed on the substrate, an n-type nitride semiconductor crystal layer formed on the buffer layer, and the n-type nitride-based An active layer formed on the semiconductor crystal layer and made of intrinsic nitride-based semiconductor crystals to emit light as a voltage is applied; a p-type nitride semiconductor crystal layer formed on the active layer; and a first electrode and a voltage applied to the active layer. It consists of two electrodes.
상기 버퍼층을 형성하는 BN계 화합물은 AlN, GaN, InN으로 이루어진 일군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질과 BN으로 이루어지며, 상기 n형 또는 p형 질화물계 반도체 결정층은 n형 도판트 또는 p형 도판트가 도핑된 AlN, GaN, InN 물질 중 적어도 한가지 물질로 이루어지고 진성 질화물계 반도체 결정층은 AlN, GaN, InN 물질 중 적어도 한가지 물질로 이루어진다. 상기 활성층은 적어도 하나의 양자우물을 포함한다.The BN compound forming the buffer layer is made of BN and at least one material selected from the group consisting of AlN, GaN, and InN, and the n-type or p-type nitride-based semiconductor crystal layer is an n-type dopant or a p-type plate The doped AlN, GaN, InN material is made of at least one material and the intrinsic nitride-based semiconductor crystal layer is made of at least one material of AlN, GaN, InN material. The active layer includes at least one quantum well.
기판이 부도체인 사파이어기판으로 이루어진 경우에는 n형 전극이 일부가 제거된 n형 질화물계 결정층위에 형성되고, 도체인 SiC로 이루어진 경우에는 n형 전극이 기판표면에 형성된다.When the substrate is made of a sapphire substrate which is a non-conductor, the n-type electrode is formed on the n-type nitride crystal layer from which a part is removed, and when the substrate is made of SiC, which is a conductor, the n-type electrode is formed on the substrate surface.
도 1은 종래의 질화물계 반도체소자의 구조를 나타내는 도면.1 is a view showing the structure of a conventional nitride based semiconductor device.
도 2는 종래의 다른 질화물계 반도체소자의 구조를 나타내는 도면.2 is a view showing the structure of another conventional nitride semiconductor device.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자의 구조를 나타내는 도면.3 is a view showing the structure of a nitride-based semiconductor device according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자가 적용된 청색 발광다이오드의 구조의 일례를 나타내는 도면.4 is a view showing an example of a structure of a blue light emitting diode to which a nitride based semiconductor device according to the present invention is applied.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자가 적용된 청색 발광다이오드의 구조의 다른 예를 나타내는 도면.5 is a view showing another example of a structure of a blue light emitting diode to which a nitride based semiconductor device according to the present invention is applied.
도 6은 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자가 적용된 청색 발광다이오드의 구조의 또 다른 예를 나타내는 도면.6 is a view showing another example of a structure of a blue light emitting diode to which a nitride based semiconductor device according to the present invention is applied.
도 7은 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자가 적용된 청색 발광다이오드의 구조의 또 다른 예를 나타내는 도면.7 is a view showing another example of a structure of a blue light emitting diode to which a nitride based semiconductor device according to the present invention is applied.
도 8(a)∼도 8(c)은 본 발명에 따른 질화물계 반소체소자의 특성을 나타내는 그래프.8 (a) to 8 (c) are graphs showing the characteristics of the nitride semi-elements according to the present invention.
도 9는 버퍼층을 형성하는 물질과 기판으로 사용되는 사파이어의 격자상수를 나타내는 그래프.9 is a graph showing lattice constants of sapphire used as a substrate and a material forming a buffer layer.
본 발명의 가장 기본적인 목적은 질화물계 반도체를 격자상수가 다른 물질에 형성하는 방법이다. 이러한 두물질간의 격자상수의 차는 계면에서의 격자부정합을 야기하기 때문에 질화물계 반도체 결정을 성장하기 위해서는 상기 두물질 사이의 격자를 정합시키는 버퍼층을 형성해야만 한다.The most basic object of the present invention is a method of forming a nitride semiconductor in a material having a different lattice constant. Since the difference in lattice constant between the two materials causes lattice mismatch at the interface, in order to grow nitride-based semiconductor crystals, a buffer layer must be formed to match the lattice between the two materials.
본 발명에서는 격자정합을 위해 종래의 버퍼층으로 사용하던 물질 대신에 BN계 화합물을 사용한다. BN의 격자상수는 도 9에 도시된 바와 같이 약 2.4Å이다. 따라서, 기판으로 주로 사용되는 사파이어와는 약 0.2Å의 격자상수차가 발생한다. 이러한 값은 상술한 종래에 버퍼층으로 사용되는 물질과 사이이어와의 격차상수차에 비해 대단히 작음을 알 수 있다. 따라서, BN과 AlN의 화합물, BN과 GaN의 화합물 및 BN과 InN의 화합물은 모두 사파이어기판과 작은 격자상수차이만을 갖는다. 또한, AlN, GaN, InN중 두가지 이상의 물질과 상기 BN의 화합물로 버퍼층을 형성하는 경우에도 종래의 버퍼층에 비해 격자상수차가 작기 때문에 기판과 버퍼층의 격자부정합이 대폭 감소한다.In the present invention, a BN compound is used instead of the material used as a conventional buffer layer for lattice matching. The lattice constant of BN is about 2.4 Hz as shown in FIG. Therefore, lattice phase aberration of about 0.2 Hz occurs with sapphire mainly used as a substrate. It can be seen that this value is very small compared to the gap retardation between the material and the sire used in the conventional buffer layer described above. Therefore, the compounds of BN and AlN, the compounds of BN and GaN, and the compounds of BN and InN all have only a small lattice phase difference with the sapphire substrate. In addition, even when the buffer layer is formed of two or more of AlN, GaN, and InN and the compound of BN, the lattice mismatch between the substrate and the buffer layer is greatly reduced since the lattice retardation is smaller than that of the conventional buffer layer.
도 3에 도시된 질화물계 반도체소자를 참조하여 본 발명에 대해 설명하면 다음과 같다. 사파이어기판 위에 형성된 버퍼층은 (Ga1-xBx)N의 화합물로 구성되어 있으며, 그 위에는 GaN 단결정이 성장되어 있다. 이러한 구조의 질화물계 반도체소자를 형성하는 방법은 우선 저온의 제1온도에서 사파이어기판 위에 (Ga1-xBx)N 버퍼층을 에피택셜 성장시킨 후 다시 상기 버퍼층위에 상기 제1온도 보다 높은 제2온도에서 GaN 결정층을 성장시킨다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the nitride semiconductor device shown in FIG. 3. The buffer layer formed on the sapphire substrate is composed of a compound of (Ga 1-x B x ) N, on which a GaN single crystal is grown. A method of forming a nitride-based semiconductor device having such a structure is to first epitaxially grow a (Ga 1-x B x ) N buffer layer on a sapphire substrate at a low temperature of a first temperature, and then, on the buffer layer, a second higher than the first temperature. The GaN crystal layer is grown at a temperature.
상기 (Ga1-xBx)N 버퍼층은 약 10∼1000Å의 두께로 형성하는 것이 가능하고, 약 100∼600Å의 두께가 바람직하며 약 200∼300Å의 두께가 더욱 바람직하다. 또한, (Ga1-xBx)N 버퍼층을 성장하기 위한 제1온도는 약 200∼1000℃온도이며, 약 500∼600℃의 온도가 더욱 바람직하다.The (Ga 1-x B x ) N buffer layer can be formed to a thickness of about 10 to 1000 GPa, preferably about 100 to 600 GPa, and more preferably about 200 to 300 GPa. Further, the first temperature for growing the (Ga 1-x B x ) N buffer layer is about 200 to 1000 占 폚, more preferably about 500 to 600 占 폚.
상기한 (Ga1-xBx)N 버퍼층과 질화물계 반도체 결정층은 일반적인 반도체소자 성장방법에 의해 형성되는 것으로, 이를 응용하여 본 발명에 따른 질화물계 반도체의 결정성장방법을 설명하면 다음과 같다. 약 500∼600℃의 저온에서 (Ga1-xBx)N층을 성장시키면, 상기 (Ga1-xBx)N층은 비정질상태(amorphous like state)로 된다. 이러한 비정질상태의 (Ga1-xBx)N 버퍼층은 성장온도를 약 1000℃ 이상으로 서서히 상승시킴에 따라 부분적으로 결정화된다. 즉, 반응용기 내에 사파이어기판을 설치하고 유기화합물 가스를 공급하여 결정층을 에피택셜 성장시키는 경우, 우선 붕소(B)가 첨가된 혼합가스를 공급하고 500∼600℃의 온도를 유지하여 사파이어기판 위에 (Ga1-xBx)N으로 이루어진 화합물 버퍼층을 형성한 후 반응용기내의 온도를 서서히 상승시켜 약 1000℃ 이상의 온도에서 붕소가 첨가되지 않은 반응가스를 공급하여 GaN 결정층을 에피택셜 성장시킨다.The (Ga 1-x B x ) N buffer layer and the nitride-based semiconductor crystal layer are formed by a general semiconductor device growth method, and the crystal growth method of the nitride-based semiconductor according to the present invention will be described as follows. . When the (Ga 1-x B x ) N layer is grown at a low temperature of about 500 to 600 ° C., the (Ga 1-x B x ) N layer is in an amorphous state. This amorphous (Ga 1-x B x ) N buffer layer is partially crystallized as the growth temperature is gradually raised to about 1000 ° C. or more. That is, when the sapphire substrate is installed in the reaction vessel and the organic compound gas is supplied to epitaxially grow the crystal layer, first, a mixed gas containing boron (B) is supplied, and the temperature is maintained at 500 to 600 ° C. on the sapphire substrate. After forming a compound buffer layer made of (Ga 1-x B x ) N, the temperature in the reaction vessel is gradually raised to supply a reaction gas containing no boron at a temperature of about 1000 ° C. or more to epitaxially grow the GaN crystal layer.
온도가 상승함에 따라 비정질상태의 (Ga1-xBx)N 버퍼층은 부분적으로 결정화된다. 온도의 상승은 (Ga1-xBx)N 버퍼층의 각 원자에 활성화에너지(activation energy)를 dlsrk하며, 이 활성화에너지에 의해 각 원자가 격자구조(lattice structure)의 격자점(lattice point)으로 이동되어 결정화된다. 실제 이러한 결정화는 완전한 단결정 상태를 생성하지는 못한다. 결정화는 국부적으로 진행되기 때문에, 실제 버퍼층은 결정입계(grain boundary)가 작은 다결정구조가 된다. 이러한 다결정은 버퍼층 위에 GaN 결정층을 형성할 때 종결정(seed crystal)으로서 작용한다. 즉, 약 1000℃ 이상의 GaN을 에피택셜 성장시킬 때 상기 종결정으로부터 GaN 단결정층이 균일하게 형성된다.As the temperature rises, the amorphous (Ga 1-x B x ) N buffer layer is partially crystallized. The rise in temperature dlsrk the activation energy to each atom in the (Ga 1-x B x ) N buffer layer, which is moved to the lattice point of each valence lattice structure by this activation energy. And crystallize. In practice, this crystallization does not produce a complete single crystal state. Since crystallization proceeds locally, the actual buffer layer has a polycrystalline structure with small grain boundaries. This polycrystal acts as a seed crystal when forming a GaN crystal layer on the buffer layer. That is, when epitaxially growing GaN of about 1000 ° C. or more, a GaN single crystal layer is uniformly formed from the seed crystal.
약 200∼1000℃의 온도, 바람직하게는 약 500∼600℃의 온도에서 성장되는 (Ga1-xBx)N 버퍼층은 비정질상태가 아니라 그레인이 작은 다결정상태로 될 수도 있다. 이러한, 비정질상태나 다결정상태는 (Ga1-xBx)N층을 에피택셜 성장시킬 때의 조건에 따라 다르게 형성되지만, 버퍼층으로의 역할을 하는데에는 아무런 문제가 없다. 상기한 바와 같이, 비정질상태의 (Ga1-xBx)N 버퍼층이 성장되는 경우에도 GaN 결정층을 성장시키기 위해 온도를 상승시키게 되면, GaN 결정층과 계면을 이루는 (Ga1-xBx)N 버퍼층에는 다결정층이 생성되기 때문에, 결정성이 높은 GaN 결정층을 얻을 수 있게 된다. (Ga1-xBx)N 버퍼층의 비정질상태로부터 직접 GaN 결정층을 성장시키는 경우에도, 단거리질서(short range order)만을 갖는 비정질상태의 (Ga1-xBx)N 버퍼층과 결정상태의 GaN 결정층 사이에 격자부정합이 발생하지 않기 때문에 결정성이 높은 GaN 결정층을 얻을 수 있게 된다.The (Ga 1-x B x ) N buffer layer grown at a temperature of about 200 to 1000 ° C., preferably at a temperature of about 500 to 600 ° C., may not be in an amorphous state but in a small grain polycrystalline state. Such an amorphous state or a polycrystalline state is formed differently depending on the conditions when epitaxially growing a (Ga 1-x B x ) N layer, but there is no problem in acting as a buffer layer. As described above, even when the amorphous (Ga 1-x B x ) N buffer layer is grown, when the temperature is increased to grow the GaN crystal layer, the GaN -x B x interface with the GaN crystal layer is formed. Since a polycrystalline layer is formed in the N buffer layer, a GaN crystal layer having high crystallinity can be obtained. (Ga 1-x B x) of the in the case of direct growth of GaN crystal layer from the amorphous state of the N buffer layer, a short-range order (short range order) only the amorphous state of having (Ga 1-x B x) N buffer layer and the crystalline state Since no lattice mismatch occurs between the GaN crystal layers, a GaN crystal layer having high crystallinity can be obtained.
실제에 있어서, 저온(약 500∼600℃)에서 (Ga1-xBx)N 버퍼층을 형성하는 경우 버퍼층내에는 비정질상과 작은 결정입계가 작은 결정상이 혼재되어 있다. 이러한 비정질상태나 다결정상태의 버퍼층은 그 위에 균일한 단결정층의 성장을 가능하게 한다. 다시 말해서, 결정성이 높은 단결정층을 성장시키는 버퍼층은 계면에서 상기 단결정층과 격자정합되어야만 하는데, 비정질상태나 다결정상태의 버퍼층은 단결정층과 훌륭한 격장정합을 이룬다. 그러므로, 본 발명의 버퍼층의 상은 단결정상을 제외한 비정질상이나 다결정상이나 모두 가능하며, 이를 다른 말로 표현하면 비-단결정상이라 할 수 있다. 본 발명의 상세한 설명이나 특허청구범위에서 기재되는 비-단결정상의 의미는 버퍼층(혹은 다른 층)의 상태가 비정질상태이거나 결정입계가 작은 다결정상태 혹은 그 혼합상태임을 의미한다.In fact, in the case of forming the (Ga 1-x B x ) N buffer layer at low temperature (about 500 to 600 ° C), an amorphous phase and a small crystal grain boundary are mixed in the buffer layer. Such an amorphous or polycrystalline buffer layer enables the growth of a uniform single crystal layer thereon. In other words, the buffer layer growing the high crystallinity single crystal layer must be lattice matched with the single crystal layer at the interface, and the buffer layer in the amorphous state or the polycrystalline state achieves excellent coherence with the single crystal layer. Therefore, the buffer layer phase of the present invention can be either an amorphous phase or a polycrystalline phase except for a single crystal phase, and in other words, it can be referred to as a non-single crystal phase. Non-single-crystal phase described in the detailed description or claims of the present invention means that the state of the buffer layer (or other layer) is an amorphous state, a polycrystalline state with a small grain boundary, or a mixed state thereof.
종래의 버퍼층으로 사용되는 물질에 BN을 첨가함여 BN계 화합물을 버퍼층으로 사용함에 따라 버퍼층과 결정층의 격자부정합이 더욱 감소한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 버퍼층으로 주로 사용되는 물질, 예를 들면 AlN, GaN, InN과 같은 물질과 사파이어 사이의 격자상수차에 비해 BN과 사파이어 사이의 격자상수차가 훨씬 작기 때문에, 상기 BN이 첨가됨에 따라 버퍼층과 결정층 사이의 격차상수차가 감소되어 격자부정합이 감소하게 되며, 그 결과 결정성이 좋은 결정층을 형성할 수 있게 된다.As the BN compound is used as a buffer layer by adding BN to a material used as a conventional buffer layer, lattice mismatch between the buffer layer and the crystal layer is further reduced. As shown in FIG. 9, since the lattice aberration between BN and sapphire is much smaller than the lattice aberration between a material mainly used as a buffer layer, for example, AlN, GaN, InN, and sapphire, the BN is As it is added, the gap retardation between the buffer layer and the crystal layer is reduced, thereby reducing lattice mismatch, and as a result, a crystal layer having good crystallinity can be formed.
또한, BN이 첨가된 BN계 화합물의 사용은 버퍼층의 연성의 증가를 야기한다. 육방정계(hexagonal)나 우르짜이트(wurtzite) 결정구조를 갖는 BN은 버퍼층을 형성하는 다른 물질에 비해 연성이 크며 도핑이 용이하다는 특성을 가진다. 따라서, 버퍼층을 형성하는 종래의 물질에 일정 비율의 BN을 첨가하여 화합물을 만들면, 화합물의 연성이 증가하고 상기 증가된 연성에 의해 결정층과의 격자상수의 차를 더욱 감소시킬 수 있게 되어, 결정학적으로 더욱 우수한 단결정층을 얻을 수 있게 된다.In addition, the use of BN-based BN-based compounds causes an increase in the ductility of the buffer layer. BN having a hexagonal or wurtzite crystal structure is more ductile and easier to dopant than other materials forming the buffer layer. Therefore, when a certain ratio of BN is added to the conventional material forming the buffer layer to form a compound, the ductility of the compound increases and the difference in lattice constant with the crystal layer can be further reduced by the increased ductility, thereby determining It is possible to obtain a better monocrystalline layer academically.
표 1에 종래의 GaN 버퍼층과 본 발명의 (Ga1-xBx)N 버퍼층을 성장했을 때의 GaN의 단결정층의 특성을 비교하여 나타내었다.Table 1 compares the characteristics of the GaN single-crystal layer of GaN when the conventional GaN buffer layer and the (Ga 1-x B x ) N buffer layer of the present invention are grown.
GaN 버퍼층과 Ga1-xBxN 버퍼층(x=0.05)은 모두 약 550℃에서 약 300Å의 두께로 성장했으며, 버퍼층위의 GaN 단결정층은 n형 단결정층으로 약 2μm의 두께로 성장하였다.The GaN buffer layer and the Ga 1-x B x N buffer layer (x = 0.05) were both grown to a thickness of about 300 GPa at about 550 ° C., and the GaN single crystal layer on the buffer layer was grown to a thickness of about 2 μm as an n-type single crystal layer.
이때, 표에 나타낸 바와 같이 GaN 버퍼층위에 성장된 GaN 단결정층은 약 304cm2/Vs의 이동도를 가지며 Ga1-xBxN 버퍼층 위에 형성된 GaN의 단결정층은 약 340cm2/Vs의 이동도를 가진다. 즉, Ga1-xBxN 버퍼층 위에 GaN 단결정층을 형성했을 때, 이동도가 증가한다. 이러한 이동도의 증가는 단결정층내의 결함(defect)이 감소에 의한 것으로, 전자가 단결정층내를 이동할 때 결함에 의한 산란현상이 감소하기 때문이다. 따라서, 반도체 레이저와 발광다이오드와 같은 발광소자를 만들었을 때, n형 단결정층 및 p형 단결정층에서의 전자의 이동도가 향상되어 발광소자의 발광효율이 향상된다.As shown in the table, the GaN single crystal layer grown on the GaN buffer layer has a mobility of about 304 cm 2 / Vs, and the GaN single crystal layer formed on the Ga 1-x B x N buffer layer has a mobility of about 340 cm 2 / Vs. Have That is, when the GaN single crystal layer is formed on the Ga 1-x B x N buffer layer, mobility increases. This increase in mobility is due to a decrease in defects in the single crystal layer, and is due to a decrease in scattering caused by defects when electrons move in the single crystal layer. Therefore, when light emitting devices such as semiconductor lasers and light emitting diodes are made, the mobility of electrons in the n-type single crystal layer and the p-type single crystal layer is improved, thereby improving the luminous efficiency of the light emitting device.
또한, DXRD로 측정한 FWHM(Full Width a Half Maximum)은 약 550arcsec에서 약 400acrsec로 감소하였다. 따라서, 단결정의 격자점에서의 원자의 변이가 감소했으며, 이는 GaN 단결정층의 결정성이 향상되었음을 의미한다. 그리고, 전자밀도는 약 3.2×1017/cm3에서 약 2.46×1017/cm3으로 감소하였다.In addition, the Full Width a Half Maximum (FWHM) measured by DXRD decreased from about 550 arcsec to about 400 acrsec. Therefore, the variation of atoms at the lattice point of the single crystal was reduced, which means that the crystallinity of the GaN single crystal layer was improved. The electron density decreased from about 3.2 × 10 17 / cm 3 to about 2.46 × 10 17 / cm 3 .
표 2에는 붕소(B)의 조성비가 다른 Ga1-xBxN 버퍼층을 성장했을 때의 GaN 단결정층의 전자의 이동도, FWHM 및 전자밀도 특성이 표시되었으며, 도 8(a)∼도 8(c)에는 각각 상기 특성에 대해 그래프가 도시되어 있다.Table 2 shows the electron mobility, FWHM and electron density characteristics of the GaN single crystal layer when the Ga 1-x B x N buffer layer with different composition ratios of boron (B) was grown. In (c), a graph is shown for each of these characteristics.
표 2 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 붕소의 첨가되지 않았을 때에 비해 일정량, 즉 약 5∼10m%(Ga1-xBxN에서 x=0.05∼0.1에 해당)의 붕소가 버퍼층에 첨가되었을 때에 단결정층의 전기이동도, FWHM 및 전자농도특성이 향상되었으며, 그 이상으로 붕소의 조성비가 증가함에 따라 상기 특성이 다시 저하된다.As shown in Table 2 and Fig. 8, when boron is added to the buffer layer in a certain amount, that is, about 5 to 10 m% (corresponding to x = 0.05 to 0.1 in Ga 1-x B x N), as compared to when boron is not added. The electrical mobility, FWHM and electron concentration characteristics of the single crystal layer were improved, and as the composition ratio of boron was increased, the characteristics were lowered again.
버퍼층이 성장되는 기판으로는 사파이어기판 대신에 SiC기판을 사용하는 것도 가능하다. SiC기판은 그 자체가 반도체물질로 이루어져 있기 때문에 전압이 인가되는 경우 전류의 도통이 가능하게 되어 본 발명의 질화물계 반도체소자를 발광소자에 적용할 경우 유용하게 사용될 수 있다. 그러나, 상기 SiC기판도 사파이어 기판과 마찬가지로 질화물계 단결정이 그 위헤 형성될 때 계면에서 격자부정합에 의한 스트레스가 발생하기 때문에 버퍼층이 필요하게 된다.As the substrate on which the buffer layer is grown, a SiC substrate may be used instead of the sapphire substrate. Since the SiC substrate itself is made of a semiconductor material, current can be conducted when a voltage is applied, and thus the SiC substrate can be usefully used when the nitride-based semiconductor device of the present invention is applied to a light emitting device. However, like the sapphire substrate, the SiC substrate also requires a buffer layer because stress due to lattice mismatch occurs at the interface when a nitride-based single crystal is formed thereon.
본 발명의 버퍼층은 Ga1-xBxN 이외에 다른 화합물도 가능하다. 도 9에 도시된 바와 같이, BN 자체가 사파이어기판과 작은 격자상수차를 갖기 때문에 종래에 버퍼층으로 사용되는 물질, 즉 AlN, GaN 및 InN과 상기 BN의 화합물도 역시 단결정층의 결정성을 향상시키는 훌륭한 버퍼층으로 사용될 수 있다.The buffer layer of the present invention may be a compound other than Ga 1-x B x N. As shown in FIG. 9, since BN itself has a small lattice aberration with the sapphire substrate, a material conventionally used as a buffer layer, that is, AlN, GaN and InN and the compound of BN also improves the crystallinity of the single crystal layer. Can be used as a good buffer layer.
즉, Ga1-xBxN (0〈x≤1), Al1-xBxN (0〈x≤1), In1-xBxN (0〈x≤1), ((Al1-yGay)1-xBx)N (0〈x〈1,0≤y≤1), ((In1-yGay)1-xBx)N (0〈x〈1,0≤y≤1), ((AlaGabInc)1-xBx)N (0〈x〈1,a+b+c=1, 단 a,b,c는 0이 아님) 등과 같은 BN계 화합물은 무엇이든 버퍼층으로 사용될 수 있다. 버퍼층은 상기 예시된 화합물로 이루어진 반응가스를 약 200∼1000℃, 바람직하게는 약 500∼600℃의 제1온도에서 약 10∼1000Å, 바람직하게는 약 100∼600Å, 더욱 바람직하게는 약 200∼300Å의 두께로 성장함으로써 형성되며, 그 위에 상기 제1온도 보다 높은 제2온도에서 질화물계 반도체 단결정층이 에피택셜 성장된다.That is, Ga 1-x B x N (0 <x≤1), Al 1-x B x N (0 <x≤1), In 1-x B x N (0 <x≤1), ((Al 1-y Ga y ) 1-x B x ) N (0 <x <1,0≤y≤1), ((In 1-y Ga y ) 1-x B x ) N (0 <x <1, 0≤y≤1), ((Al a Ga b In c ) 1-x B x ) N (0 <x <1, a + b + c = 1, where a, b, c is not 0), etc. The same BN compound may be used as the buffer layer. The buffer layer comprises a reaction gas composed of the above-exemplified compounds at about 10 to 1000 Pa, preferably about 100 to 600 Pa, more preferably about 200 to 1000 C at a first temperature of about 200 to 1000 ° C., preferably about 500 to 600 ° C. It is formed by growing to a thickness of 300 GPa, on which a nitride semiconductor single crystal layer is epitaxially grown at a second temperature higher than the first temperature.
단결정층은 질화물계 반도체로 이루어진 어떤 물질이라도 성장가능하다. 즉, InN, GaN, AlN, In1-xGaxN, Al1-xGaxN, AlIn1-xGaxN 등과 같은 질화물계 화합물 반도체는 어떤 것도 가능하다. 상기와 같은 물질로 이루어진 반도체를 제1온도보다 높은 약 1100℃ 이상의 제2온도에서 에피택셜 성장시킨다. 제1온도에서 버퍼층을 성장한 후 온도를 제2온도까지 서서히 상승시키면서 반응용기에 반응가스를 공급함으로써 상기 단결정층이 형성된다.The single crystal layer can grow any material made of a nitride semiconductor. That is, any nitride compound semiconductor such as InN, GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x Ga x N, AlIn 1-x Ga x N, or the like may be used. A semiconductor made of the above material is epitaxially grown at a second temperature of about 1100 ° C. or higher than the first temperature. The single crystal layer is formed by growing a buffer layer at a first temperature and then supplying a reaction gas to the reaction vessel while gradually raising the temperature to the second temperature.
기판과 질화물계 반도체 단결정층 사이에 상기한 BN계 화합물로 이루어진 버퍼층이 형성된 질화물계 반도체소자는 청색광용 발광다이오드에 훌륭하게 이용될 수 있다. 도 4∼도 7에 이러한 발광다이오드의 구조가 도시되어 있다.A nitride semiconductor device in which a buffer layer made of the above-described BN compound is formed between a substrate and a nitride semiconductor single crystal layer can be used for a light emitting diode for blue light. 4 to 7 show the structure of such a light emitting diode.
우선, 도 4에 도시된 발광다이오드의 구조를 살펴보면, 사파이어기판 위에 BN계 화합물 버퍼층이 형성되어 있으며, 그 위에 n형 질화물계 단결정층이 형성되어 있다. BN계 화합물 버퍼층은 BN과 AlN, GaN, InN으로 이루어진 화합물인 Ga1-xBxN, Al1-xBxN, In1-xBxN, ((Al1-yGay)1-xBx)N, ((In1-yGay)1-xBx)N, ((AlaGabInc)1-xBx)N 등으로 이루어지며, 약 200∼1100℃의 제1온도, 바람직하게는 약 500∼600℃의 온도에서 약 10∼1000Å의 두께, 바람직하게는 약 100∼600Å의 두께, 더욱 바람직하게는 약 200∼300Å의 두께로 에피택셜 성장된다. 상기 온도에서 생성되는 버퍼층은 비정질구조 혹은 결정입계가 작은 다결정구조 혹은 비정질구조와 다결정구조가 혼합된 구조를 갖는다.First, referring to the structure of the light emitting diode shown in FIG. 4, a BN compound buffer layer is formed on a sapphire substrate, and an n-type nitride single crystal layer is formed thereon. BN compound buffer layer is a compound consisting of BN and AlN, GaN, InN Ga 1-x B x N, Al 1-x B x N, In 1-x B x N, ((Al 1-y Ga y ) 1 -x B x ) N, ((In 1-y Ga y ) 1-x B x ) N, ((Al a Ga b In c ) 1-x B x ) N, etc., about 200 to 1100 ° C Is epitaxially grown to a thickness of about 10 to 1000 kPa, preferably about 100 to 600 kPa, more preferably about 200 to 300 kPa at a first temperature of about 500-600 ° C. The buffer layer generated at the temperature has an amorphous structure or a polycrystalline structure having a small grain boundary, or a mixture of an amorphous structure and a polycrystalline structure.
n형 질화물계 결정층은 단결정의 구조를 갖으며, 상기 BN계 화합물 버퍼층 위에 상기 제1온도 보다 높은 약 1000℃ 이상의 제2온도에서 GaN, AlN, In1-xGaxN, Al1-xGaxN, AlIn1-xGaxN 등과 같은 질화물계 반도체를 에피택셜 성장한 후, n형 도판트(dopant)를 도핑함으로써 형성된다. n형 도판트의 도핑은 C, Si, Ge, Se, S, Sn, Te, Be, O 등의 이온을 일반적인 도핑방법으로 실행함으로써 이루어진다.The n-type nitride-based crystal layer has a single crystal structure, and GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x at a second temperature of about 1000 ° C. or more higher than the first temperature on the BN compound buffer layer. It is formed by epitaxially growing a nitride semiconductor such as Ga x N, AlIn 1-x Ga x N, or the like and then doping an n-type dopant. Doping of the n-type dopant is performed by performing ions of C, Si, Ge, Se, S, Sn, Te, Be, O and the like in a general doping method.
n형 질화물계 결정층 위에는 질화물계 단결정으로 이루어진 활성층이 형성되어 있다. 활성층은 불순물이 도핑되지 않은 GaN, AlN, In1-xGaxN, Al1-xGaxN, AlIn1-xGaxN 등과 같은 질화물계 진성반도체를 에피택셜 성장함으로써 형성된다. 상기 활성층은 발광다이오드에 전압이 인가되는 경우 캐리어(carrier)의 전이(transition)현상에 의해 빛을 발산하는 발광영역으로, 에너지갭이 서로 다른 복수의 층으로 형성될 수도 있다. 이러한 복수의 층은 에너지갭에 양자우물(quantum well)을 형성하기 위한 것으로, 2층으로 형성할 수도 있으며 다중양자우물(muti-quantum well)을 형성하기 3층 이상으로 형성할 수도 있다.On the n-type nitride-based crystal layer, an active layer made of a nitride-based single crystal is formed. The active layer is formed by epitaxially growing nitride-based intrinsic semiconductors such as GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x Ga x N, AlIn 1-x Ga x N and the like which are not doped with impurities. The active layer is a light emitting area that emits light due to a transition of a carrier when a voltage is applied to the light emitting diode, and may be formed of a plurality of layers having different energy gaps. The plurality of layers may be formed in quantum wells in the energy gap, and may be formed in two layers or three or more layers in order to form a multi-quantum well.
활성층에 양자우물을 형성하는 방법은 활성층을 형성하는 질화물계 물질의 조성비를 달리하는 것이다. 예를 들어, Al1-xGaxN을 에피택셜 성장하여 활성층을 형성하는 경우 Al과 Ga의 조성비, 즉 x값을 달리하여 복수의 층을 형성함으로써 양자우물을 형성할 수 있다. 이러한 양자우물을 낮은 에너지준위(energy level)로 캐리어가 트랩(trap)됨으로써 전압의 인가시 에너지갭 사이에서 캐리어의 전이가 원활하게 되어 발광효율이 대폭 증가한다. 또한, 양자우물을 갖는 활성층은 서로 다른 화합물로 이루어진 복수의 층을 형성함으로써 실행할 수도 있다. 예를 들면, In1-xGaxN/GaN, In1-xGaxN/In1-yGayN, In1-xGaxN/Al1-zGazN (여기서, x≤y, 0≤x,y,z≤1) 등으로 이루어진 복수의 층도 역시 양자우물을 갖는 활성층으로 사용될 수 있다.The method of forming the quantum well in the active layer is to vary the composition ratio of the nitride-based material forming the active layer. For example, when Al 1-x Ga x N is epitaxially grown to form an active layer, quantum wells may be formed by forming a plurality of layers by varying a composition ratio of Al and Ga, that is, x values. Since the carrier is trapped at a low energy level of the quantum well, the carrier is smoothly transitioned between the energy gaps when voltage is applied, thereby greatly increasing the luminous efficiency. The active layer having a quantum well can also be carried out by forming a plurality of layers made of different compounds. For example, In 1-x Ga x N / GaN, In 1-x Ga x N / In 1-y Ga y N, In 1-x Ga x N / Al 1-z Ga z N (where x≤ A plurality of layers made of y, 0 ≦ x, y, z ≦ 1) and the like may also be used as the active layer having a quantum well.
이 경우 하나의 층, 예를 들면 GaN층과 같은 특정한 층을 형성하고 다시 x값을 변화시키면서 복수의 In1-xGaxN층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 GaN층의 에너지준위는 포텐셜장벽(potential barrier)으로서 작용하고 복수의 In1-xGaxN층은 다중 양자우물을 형성하여 대부분의 캐리어가 상기 양자우물에 트랩된다. 그리고, 활성층을 에너지갭이 서로 다른 물질이 첨가된 화합물로 적어도 하나의 층을 형성함으로써 조성비에 따라 에너지준위가 다른 포텐셜을 형성할 수도 있다.In this case, one layer, for example, a specific layer such as a GaN layer, may be formed, and a plurality of In 1-x Ga x N layers may be formed while changing the x value again. In this case, the energy level of the GaN layer acts as a potential barrier and the plurality of In 1-x Ga x N layers form multiple quantum wells so that most of the carriers are trapped in the quantum wells. In addition, by forming at least one layer of the active layer as a compound to which materials having different energy gaps are added, potentials having different energy levels may be formed according to composition ratios.
활성층 위에는 p형 질화물계 단결정층이 형성된다. 이 p형 질화물계 단결정층은 n형 질화물계 단결정층과 마찬가지로 GaN, AlN, In1-xGaxN, Al1-xGaxN, AlIn1-xGaxN 등과 같은 질화물계 반도체를 활성층 위에 에피택셜 성장함으로써 형성되며, p형 도판트가 도핑된다. p형 도판트로는 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba 등이 사용된다.A p-type nitride single crystal layer is formed on the active layer. Like the n-type nitride-based single crystal layer, the p-type nitride-based single crystal layer is formed of an active layer of nitride semiconductor such as GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x Ga x N, AlIn 1-x Ga x N, or the like. It is formed by epitaxial growth on top, and the p-type dopant is doped. As the p-type dopant, Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba and the like are used.
상기 n형 질화물계 결정층, 활성층, p형 질화물계 결정층은 전압이 인가됨에 따라 활성화되는 p-n접합 활성층이며, 실제 빛을 발산하는 발광영역이다.The n-type nitride-based crystal layer, the active layer, and the p-type nitride-based crystal layer are p-n junction active layers that are activated when voltage is applied, and are light emitting regions that actually emit light.
도면에 도시된 바와 같이, n형 질화물계 결정층은 그 일부가 제거되어 있으며, 제거된 영역에 도전성이 좋은 금속으로 이루어진 n형 전극이 형성되어 있다. 또한, 상기 p형 질화물계 단결정층 위에도 금속으로 이루어진 p형 전극이 형성되어 있다. 상기 전극을 통해 전압이 인가됨에 따라 발광영역으로부터 빛이 발산되기 시작한다.As shown in the figure, a portion of the n-type nitride-based crystal layer is removed, and an n-type electrode made of a metal having good conductivity is formed in the removed region. A p-type electrode made of a metal is also formed on the p-type nitride based single crystal layer. As voltage is applied through the electrode, light begins to be emitted from the light emitting region.
일반적으로 사파이어기판은 부도체이다. 따라서, 활성층에 전압을 인가하기 위해 본 발명의 발광다이오드에서는 상기 n형 질화물계 결정층의 한쪽 일부를 제거하고 그 위에 전극을 형성하였다. 이러한 구조의 발광다이오드에서 전극에 인가되면, 활성층의 전체를 걸쳐서 p형 질화물계 결정층 위의 p형 전극과 n형 질화물계 결정층위에 형성된 n형 전극 사이로 전류가 흐르게 되어 결국 활성층으로부터 빛이 발산된다.Generally, sapphire substrates are insulators. Therefore, in order to apply a voltage to the active layer, in the light emitting diode of the present invention, one part of the n-type nitride-based crystal layer was removed and an electrode was formed thereon. When applied to an electrode in a light emitting diode having such a structure, current flows between the p-type electrode on the p-type nitride-based crystal layer and the n-type electrode formed on the n-type nitride-based crystal layer over the entire active layer, resulting in light emission from the active layer. do.
전극은 도전성이 좋은 금속을 사용하며, 그 종류는 일반적으로 전극과 접촉되는 n형 질화물계 결정층과 p형 질화물계 결정의 물질에 따라 달라진다. 전극을 형성하는 방법은 일반적인 금속의 적층방법, 예를 들면 증착(evaporation)이나 스퍼터링(sputtering)방법을 사용할 수 있다.The electrode uses a highly conductive metal, and its type generally depends on the material of the n-type nitride-based crystal layer and the p-type nitride-based crystal in contact with the electrode. As a method of forming the electrode, a general metal lamination method, for example, evaporation or sputtering may be used.
도 5 및 도 6에 도시된 발광다이오드의 구조는 도 4에 도시된 발광다이오드와는 기본적으로 동일한 구조이다. 단지, 차이는 전극의 형성위치가 다를 뿐이며, 이러한 구조의 발광다이오드를 만드는 것은 사파이어기판이 부도체이기 때문이다. 따라서, 도 4∼도 6에 도시된 발광다이오드의 전극은 모두 n형 질화물계 결정층과 p형 질화물계 결정층위에 형성되어 있다. 특히, 전압의 인가시 전류가 활성층의 전체를 거쳐 흐르게 하기 위해 n형 질화물계 결정층의 일부를 제거한 후 그 제거된 영역에 n형 전극이 형성된다.The structure of the light emitting diodes shown in FIGS. 5 and 6 is basically the same as that of the light emitting diodes shown in FIG. 4. The only difference is that the electrodes are formed at different positions, and the light emitting diode having such a structure is made because the sapphire substrate is an insulator. Therefore, the electrodes of the light emitting diodes shown in Figs. 4 to 6 are formed on both the n-type nitride crystal layer and the p-type nitride crystal layer. In particular, in order to allow a current to flow through the whole of the active layer when a voltage is applied, a portion of the n-type nitride-based crystal layer is removed, and then an n-type electrode is formed in the removed region.
도 7에 도시된 발광다이오드에서는 SiC기판을 사용한다. SiC는 반도체물질이기 때문에 전압이 인가되는 경우 전류가 흐르게 된다. 따라서, 도면에 나타낸 바와 같이 전극을 기판하면에 형성할 수 있게 된다. 이러한 구조의 장점은 다이오드의 발광영역을 전체 발광다이오드의 폭방향과 동일하게 형성할 수 있으며, 전극에 전압이 인가되는 경우에도 전류가 균일하게 전체 발광영역을 흐르게 되기 때문에 발광효율이 대폭 향상된다.In the light emitting diode shown in Fig. 7, a SiC substrate is used. Since SiC is a semiconductor material, current flows when a voltage is applied. Therefore, as shown in the figure, the electrode can be formed on the lower surface of the substrate. The advantage of such a structure is that the light emitting area of the diode can be formed in the same width direction of the entire light emitting diode, and even when a voltage is applied to the electrode, the light emitting efficiency is greatly improved since the current flows uniformly throughout the light emitting area.
상기 SiC기판 위에도 도 4∼도 6에 도시된 발광다이오드와 동일한 버퍼층이 형성되며 그 위에 질화물계 단결정층이 형성된다. 질화물계 단결정층은 p형 질화물계 단결정층, 진성 질화물계 단결정층 및 n형 질화물계 단결정층으로 이루어져 있다. 버퍼층은 BN계 화합물로 이루어진 비-단결정층으로 SiC기판과 질화물계 단결정층 사이에 부정합이 발생하는 것을 방지함으로써 질화물계 단결정층의 결정성을 향상한다.The same buffer layer as the light emitting diodes shown in FIGS. 4 to 6 is formed on the SiC substrate, and a nitride based single crystal layer is formed thereon. The nitride single crystal layer is composed of a p-type nitride single crystal layer, an intrinsic nitride single crystal layer, and an n-type nitride single crystal layer. The buffer layer is a non-single-crystal layer made of a BN-based compound, thereby improving the crystallinity of the nitride-based single crystal layer by preventing mismatch between the SiC substrate and the nitride-based single crystal layer.
본 발명의 질화물계 반도체소자는 질화물계 반도체로 이루어진 일반적인 발광소자에 적용될 수 있다. 발광다이오드 뿐만 아니라 발광트랜지스터와 같이 기판위에 질화물계 반도체의 p-n접합이 이루어지는 발광소자는 모두 본 발명의 개념을 이용하면 더욱 효율을 좋은 발광소자를 용이하게 제작할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 질화물계 반도체의 결정성장방법은 특정한 소자에 한정되지 않는다. 본 발명은 격자상수가 다른 물질위에 질화물계 반도체를 성장시키는 방법에 관한 것으로 특정한 소자에서의 결정성장방법에만 국한되는 것은 아니기 때문이다.The nitride semiconductor device of the present invention can be applied to a general light emitting device made of a nitride semiconductor. Not only the light emitting diode but also the light emitting device in which p-n junction of a nitride semiconductor is formed on a substrate, such as a light emitting transistor, all of the light emitting devices having high efficiency can be easily manufactured using the concept of the present invention. In addition, the crystal growth method of the nitride semiconductor of the present invention is not limited to a specific device. The present invention relates to a method of growing a nitride semiconductor on a material having a different lattice constant, and is not limited to the method of growing a crystal in a specific device.
본 발명은 상기한 바와 같이, 사파이어기판이나 SiC기판과 같은 기판위에 BN계 화합물 버퍼층을 형성함으로써 질화물계 결정층을 형성할 때 기판과 질화물계 버퍼층 사이에 격자부정합을 감소시켜서 결정층의 결정성을 향상시킨다. 또한, 결정성의 향상에 의해 발광다이오드와 같은 발광소자를 제작했을 때, 발광특성 및 전기적 특성이 향상될 뿐만 아니라 결정성이 향상되기 때문에 신뢰성, 즉 동작수명이 대폭 증가한다.As described above, when forming a nitride-based crystal layer by forming a BN-based compound buffer layer on a sapphire substrate or a SiC substrate, the lattice mismatch is reduced between the substrate and the nitride buffer layer to reduce the crystallinity of the crystal layer. Improve. In addition, when a light emitting device such as a light emitting diode is manufactured by improving the crystallinity, not only the light emission characteristics and the electrical characteristics are improved, but also the crystallinity is improved, so that the reliability, that is, the operation life is greatly increased.
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