KR20010010965A - Ⅲ-ⅴ족 반도체 레이저 다이오드 제조방법 - Google Patents

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Abstract

질화갈륨(GaN) 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, p형의 질화갈륨(GaN)박막을 성장시킬 때 캐리어 가스(Carrier Gas)로 기존의 수소 대신 불활성 가스를 사용함으로써 도핑 물질과의 반응을 억제하여 높은 정공 농도를 갖게 하고 박막 성장후 후열처리 공정을 생략할 수가 있어 소자의 특성을 향상시키고 제조 단가를 낮출 수 있게 된다.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 반도체 레이저 다이오드 제조방법{The manufacturing method of Ⅲ-Ⅴgroup compound semiconductor device}
본 발명은 화합물 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 Ⅲ-Ⅴ족 질화갈륨(GaN) 반도체 레이저에 대한 것이다.
최근, 광 기록 매체의 기록 밀도를 높이기 위한 방법의 일환으로 단파장 레이저 다이오드에 대한 요구가 높아지고 있으며, 이러한 요구에 부응하여 실용화 단계에 가장 근접해 있는 레이저 다이오드 물질로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 그 중에서도 질화갈륨(GaN)을 들 수 있는데 그 이유는 질화갈륨(GaN)이 안정된 열,화학적 특성 및 높은 광효율을 나타내기 때문이다.
그 동안 질화갈륨(GaN) 반도체에 대한 많은 연구가 진행되어 초기 연구 단계에 비해 비약적인 광특성의 향상을 이룩하였으나, 좀 더 안정되고 높은 신뢰성을 갖는 고품질의 광소자 제작을 위해서는 넘어야 할 기술적인 과제들이 산적해 있는 상황이다.
그 중 가장 큰 문제의 하나는 높은 정공농도(hole concentration)을 갖는 p형 질화갈륨(GaN)막을 제조하기가 쉽지 않다는 것이다. p형 질화갈륨(GaN)막 제조를 위해 사용되는 도핑물질(dopant)인 마그네슘(Mg)은 활성화 에너지가 높기 때문에 질화갈륨(GaN)막 내부에 많은 양을 도핑(doping)시켜도 도핑된 Mg과 동일한 농도의 정공농도(hole concentration)를 얻을 수 없는 것이 보통이다. 이처럼 Mg의 활성화 에너지가 높은 이유는 Mg이 캐리어 가스(Carrier gas)로 사용되는 수소(H2)와 결합하여 매우 안정된 복합체(complex)를 형성하기 때문인 것으로 알려져 있다.
이와 같이 기존의 소자 제조용 박막 성장에 많이 사용되는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)방법은 소스 물질(Source material)을 공급하는 캐리어 가스(Carrier gas)로 고순도이면서 화학적으로 안정된 수소(H2)를 주로 사용한다. 이 때 사용되는 수소(H2)는 막의 오염을 최소화시키고 소스물질과 불필요한 반응을 억제하는 장점이 있는 반면, 도핑 물질인 마그네슘(Mg)과 결합하여 복합체(complex)인 Mg-H를 형성하기 때문에 이러한 Mg-H 복합체의 결합을 제거하기 위해 막 성장이 끝난 후 활성화(activation) 과정이 필수적으로 필요하게 되며 이러한 활성화 과정을 거치더라도 높은 정공농도(hole concentration)를 얻기가 쉽지 않다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 캐리어 가스로 비활성 가스를 도입하여 도핑 물질인 마그네슘(Mg)과의 복합체 형성을 억제하여 p형 질화갈륨(GaN)막의 높은 정공농도를 얻고자 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 질화갈륨(GaN) 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 질화갈륨(GaN)박막 성장시 일어나는 도핑 물질과 캐리어 가스와의 운동을 나타내는 도면
본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 질화갈륨(GaN) 반도체 소자는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 질화갈륨(GaN)막을 성막할 때 사용되는 캐리어 가스로 비활성 가스인 질소(N2)를 도입함으로써 도핑 물질인 마그네슘(Mg)과 의 복합체 형성 반응을 최대한 억제하여 질화 갈륨(GaN)막이 높은 정공농도(hole concentration)를 갖게 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 반도체 소자의 제조 공정은 다음에서 상세히 기술하기로 한다.
본 발명에서 언급하는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 소자는 2원계 합금(binary alloy)인 질화갈륨(GaN)뿐 아니라 3원계 합금(ternary alloy)인 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)도 포함하는 개념이며 주기율표상에서 Ⅲ족 원소와 Ⅴ족 원소가 최소한 하나 이상씩 포함되어 있는 화합물 형태의 반도체 물질이면 어느 것이든 적용이 가능하다.
또한, 본 발명에서 말하는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 소자란 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 막을 이용하는 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등을 모두 포괄하는 개념이다.
여기서, 질화갈륨(GaN) 반도체 레이저 다이오드를 일 실시예로 하여 설명하면, 질화갈륨(GaN) 반도체 레이저 다이오드의 경우 도 1과 같이 사파이어(Al2O3) 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC)기판위에 n형 GaN 전극층, n형 AlGaN/GaN 클래드층, 활성층, p형 AlGaN/GaN 클래드층, p형 GaN 전극층으로 이루어지게 되며 본 발명에서는 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층을 성막하는 공정에서 p형 도핑 물질인 마그네슘(Mg) 과 캐리어 가스(Carrier gas)와의 복합체 형성을 억제하기 위해 캐리어 가스(Carrier gas)로 불활성 가스(inert gas)인 질소(N2)를 사용한다. 여기서 캐리어 가스는 질소에 국한되는 것은 아니고 불활성 가스라면 어느 것을 사용해도 관계없다. 도 2를 보면 본 발명에서 사용한 캐리어 가스(Carrier gas)인 질소(N2)의경우 일부는 마그네슘(Mg)과 질소 복합체(Mg-N)를 형성하지만 상당수는 반응하지 않고, 질소 복합체(Mg-N)의 경우에도 수소 복합체(Mg-H)에 비해 불안정하므로 질소와 마그네슘으로 다시 분리되기 쉽다.
따라서, 본 발명에 의해 성막된 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층의 경우 도핑 물질인 마그네슘(Mg)의 농도와 거의 동일한 농도의 정공 농도(hole concentration)을 얻을 수가 있게 된다.
또한, 본 발명에 의해 성막된 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층의 경우 높은 정공 농도를 얻을 수가 있으므로 별도의 후열처리 공정이 필요없게 된다.
즉, 위에서 언급한 종래 기술처럼 캐리어 가스로 수소를 사용할 경우 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층의 정공 농도를 얻기 어려워 성막후에 별도의 후열처리 공정에 의해 정공 농도를 높여주는 추가 공정이 필요했으나 본 발명의 경우 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층의 정공 농도가 충분히 높아 별도의 후열처리 공정이 필요없게 된다.
본 발명에 의해 성막된 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층의 경우 높은 정공 농도를 얻을 수가 있고 이에 따라 후열처리 공정이 필요없게 된다.
따라서, 제조 공정이 한층 간단해질 뿐 아니라 제조 단가도 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 기판 위에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층과 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층을 포함하여 형성되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,
    상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층 형성시 소스 물질에 대한 캐리어 가스(carrier gas)로 비활성 가스(inert gas)를 사용함을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자의 제조 방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비활성 가스는 질소(N2)임을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자의 제조 방법
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