KR20010083571A - 질화물 반도체막 성장 방법 - Google Patents

Abstract

고품위의 질화물 반도체막 성장 방법에 관한 것으로, 기판위에 질화물 반도체막을 형성한 후, 요철등의 모양을 가진 특정한 형태의 패턴으로 질화물 반도체막을 식각한 다음, 그 위에 질화물 반도체막을 성장시킴으로써, 안정적이고 우수한 성능을 가진 소자를 얻을 수 있다.

Description

질화물 반도체막 성장 방법{METHOD FOR GROWING NITRIDE SEMICONDUCTOR FILM }

본 발명은 고품위의 질화물 반도체막 성장 방법에 관한 것이다.

최근 질화물 반도체를 이용한 청색 발광소자(발광 다이오드, 레이저 다이오드 등)는 대규모 총천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템, 광통신등의 응용분야를 가지고 있어 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있으며, 이의 상업화를 위한 시도도 끊임없이 진행되고 있는 실정이다.

종래에는 질화물 반도체 레이저를 제작하기 위하여 반도체 박막을 성장할 때 울쓰광(wrutzite) 구조의 성장에 적합한 이종 물질인 사파이어 기판 위에 직접 성장을 했다.

그 이유는 사파이어 기판이 다른 기판에 비해 구하기 쉽고 기판 전처리 과정이 간단하며 질화물 반도체 성장시의 고온에서 안정하다는 장점이 있기 때문이다. 그러나, 사파이어 기판과 질화물 반도체 박막사이에는 열팽창 계수와 격자 상수가 크게 다르므로 결정 결함을 감소시키지 못해 소자의 성능을 감소시키는 단점이 있었다.

그러므로, 상위층 성장시, 결함들이 상위층에 전달되지 않도록 하기 위해 완충막을 도입하였다.

즉, 사파이어 기판위에 완충막을 형성하고, 완충막위에 질화물 반도체를 성장시키면, 이 완충막이 결정 결함의 원인인 응력을 차단하여 선결함의 일종인 전위가 상위층으로 이동, 전파되는 구동력을 줄일 수 있었다. 또한, 완충막에 큰 응력을 가한 다음 열처리 과정을 통해서도 선결함인 전위를 외부로 제거하여 결 정 결함을 감소시킬 수 있었다.

하지만, 사파이어 기판과 질화물 반도체층과의 격자 부정합 및 열팽창 계 수의 큰 차이에 기인하여 성장된 질화물 반도체에 고밀도 결함이 존재하게 된다. 이와 같이, 질화물 반도체막의 결정성은 소자의 전체 성능을 크게 좌우 하기 때 문에 고품위의 질화물 반도체막을 얻는 것이 안정적이고 우수한 성능의 반도체 레이저제작에 필수적이라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서결정성이 우수한 고품위의 박막을 얻을 수 있는 질화물 반도체막 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 고품위 질화물 반도체 박막의 성장방법을 보여주는 도면

도 2 는 본 발명에 따른 질화물 반도체막에서 상위층으로 전달되는 전파전위의 감소를 개념적으로 나타낸 도면

도 3a 및 도 3b 는 레이저 다이오드 제작을 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체막의 패턴을 보여주는 도면

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 발광소자 제조 방법은 기판위에 제 1 질화물 반도체막을 형성하는 단계와, 제 1 질화물 반도체막 위에 유전막을 형성하고 패터닝하여 소정 영역들의 제 1 질화물 반도체막을 노출시키는 단계와, 유전막을 마스크로 노출된 상기 제 1 질화물 반도체막을 일정 깊이로 식각하는 단계와 남아 있는 유전막을 제거하고 패터닝된 제 1 질화물 반도체막 위에 제 2 반도체막을 형성하는 단계로 이루어진다.

여기서, 제 1 질화물 반도체막은 요철(凹凸)형태로 식각되며, 식각된 제 1 질화물 반도체막의 요부와 철부의 폭은 각각 1㎛∼100㎛로 한다.

또한, 제 2 질화물 반도체막 위에 요철 형태의 패턴을 갖는 제 3 질화물 반도체막을 형성하고, 제 3 질화물 반도체막의 패턴 에지 영역에 리지(ridge)를 갖는 발광소자를 형성하기도 한다.

이와 같이 제작되는 본 발명은 특정한 형태의 패턴을 미리 형성하는 구성으로 성장시 상위층으로 전달되는 전파전위(threading dislocation)를 줄어 들게 하는 측면성장의 장점을 이용하여 결정 결함을 줄일 수 있으므로 우수한 결정성을 가진 박막을 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 박막 성장 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 DVD(Digital Versatile Disc)시스템의 광원으로 주목받고 있는 질화물 반도체 레이저의 성능을 향상시킬 수 있는 결정 성장 방법에 관한 것으로 특정한 패턴을 형성한 후 결정을 성장함으로써 고품위의 질화물 반도체막을 얻는데 그 목적이 있다.

일반적으로 이종기판 위에 박막을 성장할 때 기판과 박막간의 열팽창 계수와 격자 상수에 있어서 차이가 존재하기 때문에 부정합전위(misfit dislocation)등의 결함이 많이 발생한다.

이러한 결함들이 상위층 성장시 전달되지 않도록 하는 것이 중요하므로 이를 위해서 완충막을 도입하기도 한다.

완충막에 의해 응력을 차단함으로써 상위층으로 전위가 이동, 전파되는 구동력을 줄이는 방법이나 혹은, 완충막에 큰 응력을 건 다음 열처리 과정을 통해 전위등의 결함을 외부로 제거해버리는 방법이 있다. 하지만 이를 통해서 결함을 줄이는데도 한계가 있다. 또한 레이저 다이오드(LD)등은 상위층에 전달되는 결함을 줄이는 것이 필요하다.

따라서 안정적이고 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있도록 고품위 반도체막을 얻는 방법이 모색되어야만 한다.

그러므로 질화물 반도체막 성장시 특정한 형태의 패턴을 미리 형성하여 주면 상대적으로 우수한 품질의 반도체막을 얻을 수 있다.

도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 질화물 반도체막 성장 방법을 보여 주는 도면이고, 도 2 는 상위층으로 전달되는 전파전위(threading dislocation)의 감소를 개념적으로 나타낸 모식도이다.

먼저, 도 1a 에 도시된 바에서와 같이 사파이어 기판위에 n형 질화갈륨(n-GaN)층을 수 ㎛가량 성장한 후,나같은 유전막으로 스트라이프 패턴(stripe pattern)을 형성한 후, 습식식각을 통해 n형 질화갈륨(n-GaN)에 요철 형태의 패턴을 생성한다.

이때, n형 질화갈륨(n-GaN)이 남지 않을 때까지 식각을 하여 사파이어 기판이 드러나도록 패턴이 형성되게 되면, 메사(mesa) 위쪽의 성장 양상과 노출되어 있는 사파이어 위쪽의 성장 양상이 크게 달라져서 평탄화(Planarization)시 문제를 일으킬 수 있으므로 주의한다.

패턴을 생성한 후, 남아 있는 유전막을 제거하여 제 1 질화물 반도체막이 요철과 같은 스트라이프(stripe) 형태로 남도록 만든다. 이 때 제 1 질화물 반도체막의 요부와 철부의 범위는 각각 약 1㎛∼100㎛이다.

이와 같이 제 1 질화물 반도체막을 요철과 같은 스트라이프 형태로 만들어 결정 성장을 진행시킨 후, 도 1b 내지 도 1d 에 도시된 바와 같이 형성한 제 1 질화물 반도체막위에 요철 형태의 제 2 ,제 3 의 질화물 반도체막을 형성한다.

또한, 도 2 에 도시된 것보다 성장이 더 진행되면 상위층으로 전달되는전파전위(threading dislocation)가 더욱 줄어들게 되어 평균적으로 결함 밀도가 감소한다.

특히, 도 2 에 도시된 바와 같이 철(凸)부의 모서리 부분은 상위층으로 전달되는 결함이 적은 부분이다. 그러므로, 그 부분위에 성장되는 질화물 반도체는 상대적으로 결함이 더 적게 만들 수 있다.

그리고, 도 3a 및 도 3b 는 레이저 다이오드 제작을 위한 패턴을 나타내는 모식도로서, 도 3a 에 도시된 바와 같이 요철 형태의 패턴을 갖는 제 1 질화물 반도체막을 형성한 후, 그 위에 제 2 질화물 반도체막을 형성하여 평탄화한다. 이어 제 2 질화물 반도체막 위에 철(凸)부를 갖는 제 3 질화물 반도체막을 형성하고, 그 위에 레이저 다이오드를 제작하는데 상대적으로 위로 전달되는 결함이 적은 부분인 요철부의 모서리에서 약간 떨어진 곳에 리지(ridge)를 형성한다.

이와 같이, 레이저 다이오드를 제작하면 광이 발생되는 부분의 결함 밀도가 더욱 낮아지기 때문에 더욱 안정적이고 우수한 특성을 가진 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 질화물 반도체 박막의 성장방법에는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 기판 위에 질화물 박막을 요철과 같은 스트라이프 형태로 만들어 결정 성장을 진행시킨 후, 요철 형태의 질화물 반도체막을 형성하는 과정을 반복하여 측면 성장에 의해 전파전위(threading dislocation)가 진행 방향을 바꾸어 상위층으로 전달되는 전파전위가 줄어 들게 함으로써 결정성이 우수해지는 효과를 가진다. 따라서 성장시킨 질화물 반도체막위에 레이저 다이오드나 발광 다이오드를 제작하면 고성능의 발광 소자를 제작할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 기판위에 제 1 질화물 반도체막을 형성하는 제 1 단계;

   상기 제 1 질화물 반도체막 위에 유전막을 형성하고, 패터닝하여 소정 영역들의 제 1 질화물 반도체막을 노출시키는 제 2 단계;

   상기 유전막을 마스크로 노출된 상기 제 1 질화물 반도체막을 일정 깊이로 식각하는 제 3 단계;

   상기 남아 있는 유전막을 제거하는 제 4 단계; 그리고,

   상기 패터닝된 제 1 질화물 반도체막 위에 제 2 반도체막을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체막 성장 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 질화물 반도체막 위에 요철 형태의 패턴을 갖는 제 3 질화물 반도체막을 형성하고, 상기 제 3 질화물 반도체막의 패턴 에지영역에 리지(ridge)를 갖는 발광소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체막 성장 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서,

   상기 제 1 질화물 반도체막은 요철(凹凸)형태로 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체막 성장 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 식각된 제 1 질화물 반도체막의 요부와 철부의 폭은 각각 1㎛∼100㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체막 성장 방법.