KR20010107604A - 광학 장치, 광학 장치 제조용 기판, 광학 장치의 제조방법 및 광학 장치 제조용 기판의 제조 방법 - Google Patents

광학 장치, 광학 장치 제조용 기판, 광학 장치의 제조방법 및 광학 장치 제조용 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR20010107604A
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시바타 마사하루
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Abstract

AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층과 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0)의 조성을 갖는 다층 박막이 기판 상에 차례로 형성된다. 버퍼층의 Al 성분이 최소인 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크게 설정된다. 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소된다.

Description

광학 장치, 광학 장치 제조용 기판, 광학 장치의 제조 방법 및 광학 장치 제조용 기판의 제조 방법{A PHOTONIC DEVICE, A SUBSTRATE FOR FABRICATING A PHOTONIC DEVICE, A METHOD FOR FABRICATING THE PHOTONIC DEVICE AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE PHOTONIC DEVICE-FABRICATING SUBSTRATE}
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ 니트라이드 반도체로 이루어진 다층 박막이 에피택시얼 성장되어 있는, 발광 장치 및 광검출기와 같은 광학 장치와, 이러한 광학 장치 제조용 기판에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 광학 장치의 제조 방법 및 광학 장치 제조용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 장치 및 광검출기와 같은 광학 장치를 위해서 Ⅲ-Ⅴ 니트라이드 반도체 재료가 공업적으로 사용된다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 니트라이드 반도체 재료로서, AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 재료가 널리 이용 가능하며, 즉 광학 장치의 각각의 층은 MOCVD 방법에 의해 에피택시얼 성장된 AlxGayInzN 막으로 이루어진다. 이러한 기본적인 경우에 있어서, Al 원재료로서 TMA(트리메틸 알루미늄)가 사용되고, Ga 원재료로서 TMG(트리메틸 갈륨)가 사용되고, In 원재료로서 TMI(트리메틸 인듐)가사용된다. 또한, 질소 원재료로서 NH3가 사용된다. 캐리어 가스로서 N2가스 및/또는 H2가 사용된다.
다음, 상기 원재료들의 유속을 다양하게 제어하면 AlxGayInzN 막의 조성을 변화시킨다. AlN 막은 밴드 갭 Eg가 6.2 eV이고, GaN 막은 밴드 갭 Eg가 3.4 eV이다. 따라서, TMA 및 TMG를 사용하여 AlxGa1-xN 막을 형성하는 경우에, AlxGa1-xN 막은 그 밴드 갭이 실질적으로 6.2x+3.4(1-x) eV이고, 그 발광 파장 λ는 식 λ=1240/Eg로부터 실질적으로 λ= 1240/{6.2x+3.4(1-x)}이다. 주어진 값 x=0.3에서, 발광 파장 λ=292 nm이다. 이 경우에, 검출 파장은 292 nm 미만이다.
AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 다층 박막으로부터 발광 다이오드를 제조하는 경우에, AlxGayInzN 막이 MOCVD 방법에 의해 C면을 갖는 사파이어 기판 상에 에피택시얼 성장될 때, 다량의 결함을 갖게 되어서, 그 결정도(結晶度)가 저하되며, 따라서 그 발광 효율이 저하된다.
이러한 견지에서 볼 때, AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 다층 박막은 저온에서 CVD에 의해 에피택시얼 성장되는 GaN 막으로 만들어진 버퍼층을 통하여 사파이어 기판 상에 형성될 것이 제안된다. GaN 버퍼층은 사파이어 기판과 다층 박막 사이에 10 % 이상의 격자 상수를 보충하며, 다층 박막에 양호한 결정도를 제공한다. GaN 버퍼층 대신에, AlN 버퍼층이 사용될 수도 있다.
앞서 언급한 바와 같은 일반적인 발광 장치는 단지 400 nm의 또는 그 이상의빛을 발산할 수 있다. 따라서, AlxGayInzN 다층 박막은 단파장 청색광 또는 단파장 자외선을 방출하기 위해서 다량의 Al 함량을 가질 것이 요구된다. 또한, 녹색 내지 청색광의 방출을 위해서, 발광층을 제외한 모든 AlxGayInzN 막은 발광층 내 에너지를 효과적으로 제한하기 위해서 각각 다량의 Al을 함유할 것이 요구된다. 그러나, Al이 풍부한 AlxGayInzN 박막이 저온에서 CVD에 의해 에피택시얼 성장된 예를 들어 GaN 막이나 AlN 막으로 이루어진 버퍼층 상에 형성되면, Al이 풍부한 AlxGayInzN 박막 내에 균열을 야기하고 그 결정도를 저하시킬 수 있다.
그 이유는, Al이 풍부한 AlxGayInzN 박막이 작은 격자 상수를 가지므로, 박막이 버퍼층 상에 형성되는 경우에 박막과 버퍼층 사이에 격자 상수가 크게 차이남으로 인해서 박막 내에 큰 인장 응력이 발생할 수 있기 때문이다. 또한, Al이 풍부한 AlxGayInzN 박막의 측방향 성장 속도가 매우 낮고, 따라서 저온 에피택시얼 성장으로 인한 열악한 결정성 버퍼층에 의해 박막의 결정도의 향상이 방해받는다. 또한 UV 광검출기와 같은 광검출기에서, 그 검출 감도는 버퍼층의 열악한 결정도로 인해 저하된다.
상기 문제들을 해소하기 위해서, AlxGa1-xN(1≥x≥0) 막으로 이루어진 버퍼층 상에 Al이 풍부한 AlxGayInzN 다층 박막을 갖는 이와 같은 발광 장치가, 일본 공개특허 Tokukai 평성9-64477호(JP A 9-64477)에 개시 및 제안되어 있다.
또한, 이러한 발광 장치가 일본 공개특허 Tokukai 평성5-291628호에 개시되어 있는데, 다양한 x- 및/또는 y- 성분을 갖는 복수의 Ga1-x-yInxAlyN(1≥x≥0, 1≥y≥0) 박막들이 사파이어 기판 상에 형성되어 예정된 Ga1-a-bInaAlbN(1≥a≥0, 1≥b≥0) 버퍼층을 얻고, 그 후 Ga1-a-bInaAlbN(1≥a≥0, 1≥b≥0) 다층 박막은 버퍼층 상에 형성된다.
일본 공개 특허 Tokukai 평성9-64477호에서, AlGaN 버퍼층은 상대적으로 높은 온도에서 형성되므로, 버퍼층 상에 에피택시얼 성장된 Al이 풍부한 AlxGayInzN 다층 박막은 비교적 양호한 결정도를 가질 수 있고 내부에 균열을 갖지 않는다.
그러나, AlGaN 버퍼층은 1300 ℃ 이상의 고온에서 형성되고, 버퍼층의 형성 후에 약 1500 ℃의 고온에서 어닐링될 것이 요구된다. 이러한 고온 처리는 MOCVD 장치 내의 가열기에 과부하를 가하며, 그 결과 유지 보수가 어렵고 제조 비용이 증가한다.
특히, 상기 단파장 빛을 방출 또는 검출하기 위해 광학 장치를 작동시킬 때, 요구되는 Al이 풍부한 AlxGayInzN 다층 박막은 그 수직방향 성장 속도 및 측방향 성장 속도가 낮으므로, 높은 막 형성 온도가 오랜 시간 유지되어야 하고, 따라서 MOCVD 장치의 가열기 등에 과부하를 가한다.
두께가 0.3 ㎛인 상기 AlGaN 버퍼층이 약 1200 ℃에서 형성될 때, 많은 균열이 버퍼층 내에 생성되고, 버퍼층의 결정도는 저하된다. 결과적으로, Al이 풍부한 AlxGayInzN 다층 박막의 전체 결정도는 저하된다.
상기 일본 공개특허 평성5-291618호에서, Ga1-a-bInaAlbN(1≥a≥0, 1≥b≥0) 다층 박막은 다양한 x- 및/또는 y- 성분을 갖는 적층형 복수의 Ga1-x-yInxAlyN(1≥x≥0, 1≥y≥0) 박막으로 구성된 Ga1-a-bInaAlbN(1≥a≥0, 1≥b≥0) 버퍼층 상에 형성되므로, 유리한 결정도를 가질 수 있고, 내부에 균열을 거의 전혀 갖지 않는다. 또한, 버퍼층은 약 700 ℃의 저온에서 형성되므로, MOCVD 장치 내의 가열기에는 과부하가 가해지지 않는다.
그러나, 상기 일반적인 제조 방법에서, 다층 박막과 버퍼층은 동일한 성분 및 조성을 가지며, 따라서 이들은 그 경계의 존재에도 불구하고 연속적이 된다. 이 경우에, 다층 박막으로부터 버퍼층으로 누설 유동이 흐르게 되고, 그 결과 저항 손실로 인해 다층 박막을 갖는 발광 장치의 발광 효율은 감소한다.
본 발명의 목적은 양호한 결정도를 갖는, 버퍼층 상에 에피택시얼 성장된 균열을 갖지 않는 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 다층 박막과 AlaGabIncN(a+b+c≥0, a,b,c≥0) 버퍼층을 가지는 광학 장치와, 이 광학 장치를 제조하기 위한 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광학 장치를 제조하기 위한 방법과, 광학 장치 제조용 기판을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 기판과, 기판 상에 형성된 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층과, 버퍼층 상에 에피택시얼 성장된 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0)의 조성을 갖는 다층 박막을 포함하는 광학 장치에 관한 것이며, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크도록 설정되며, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소된다.
또한, 본 발명은 기판과, 기판 상에 형성된 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층을 포함하는 광학 장치를 제조하기 위한 기판에 관한 것이며, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크도록 설정되어 광학 장치를 구성하며, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소된다.
본 발명에서, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크게 설정된다. 이러한 요건은 다층 박막 내에 균열을 방지하기 위한 것이다. 최대 인장 응력은 다층 박막의 최대 두께 층에서 발생될 수 있으며, 이에 의해 최대 두께 층에서 균열이 발생되기 쉬울 수도 있다. 따라서, 균열의 발생을 방지하기 위한 상기 요건에 따라서 압축 응력이 생성된다.
또한, 본 발명에서, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소된다.
버퍼층이 약 1200 ℃의 저온에서 형성되면, 그 양호한 결정도를 얻기 위해서 예를 들어 1 ㎛ 내지 2 ㎛의 두께로 형성될 것이 요구된다. 그러나, 이러한 두께의 버퍼층은 버퍼층의 격자 상수가 증가되기 때문에 큰 인장 응력을 갖게 되어, 버퍼층 내에 균열이 발생될 수 있다.
도 1 및 도 2는 상기 현상을 설명하는 그래프이다. 도 1에서, 수평축은 버퍼층의 기판에 인접한 AlN 부분의 두께를 나타내며, 수직축은 AlN 부분의 결정도를 평가하기 위해 AlN 부분의 (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM을 나타낸다. 도 1로부터 분명하듯이, AlN 부분의 두께가 증가됨에 따라, FWHM은 감소되고, 따라서 AlN 부분의 결정도는 향상된다.
도 2a 및 도 2b에서, 수평축은 버퍼층의 AlN 부분의 두께를 나타내고, 수직축은 도 3에 도시한 AlN 부분의 6각 주상 결정의 바닥면의 격자 상수 "a"와 "c"를 각각 나타낸다. 굵은 선은 6각 주상 결정을 갖는 AlN 막의 이상적인 격자 상수 "a" 및 "c"를 각각 나타낸다. 도 2로부터 분명하듯이, AlN 부분의 두께가 증가됨에 따라서, 격자 상수 "a"는 증가되고 격자 상수 "b"는 감소된다.
따라서, 버퍼층의 기판에 인접한 AlN 부분의 두께가 증가됨에 따라서, AlN 부분의 결정도는 향상되고, 바닥면 격자 상수 "a"는 증가된다. 결과적으로, AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)로 이루어진 버퍼층의 두께가 증가됨에 따라서, 버퍼층 내에 수평하게 인장 응력이 발생하고, 따라서 균열이 생기기 쉽다.
균열을 방지하기 위해서, 버퍼층 내에 약간의 균열이 발생되기 전에 버퍼층의 상부측은 격자 상수가 큰 재료로 이루어지도록 하는 것이 고려된다. AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 Al 성분이 감소됨에 따라, 그 격자 상수는 증가된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 버퍼층을 이루는 AlaGabIncN의 Al 성분이 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되어 광학 장치를 이루면, 버퍼층의 상부측의 격자 상수는 감소되어, 인장 응력이 발생하지 않고 따라서 버퍼가 약 1200 ℃의 저온에서 두껍게 형성되는 경우에도 균열이 방지된다.
또한, 버퍼층이 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)으로부터 Ga 성분을 포함하면, 버퍼층의 측방향 성장 속도는 향상될 수 있어서, 버퍼층 내의 전위량은 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 광학 장치의 바람직한 실시예에서, 다층 박막의 Al 성분 최소 층은 단파장 발광 장치 또는 단파장 광검출기에 적합한 AlxGayInzN(x+y+z=1, 1.0≥x≥0.3)으로 이루어진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, Al 성분 최소 부분은 AlaGabIncN(a+b+c=1, 1.0≥a≥0.5), 바람직하게는 AlaGabIncN(a+b+c=1, 1.0≥a≥0.7)으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 버퍼층의 기판에 인접한 부분은 AlN의 조성을 갖는다. 이 경우에, 버퍼층은 Al 성분에 대해 큰 자유도를 가질 수 있으므로, 본 발명의 상기 요건은 쉽게 만족될 수 있다. 결과적으로, 양호한 결정도를 갖는 균열을 갖지 않는 다층 박막을 갖는 광학 장치가 효율적으로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 버퍼층을 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 상하로 분할하는 계면이 버퍼층 내에 형성된다. 특히, 본 발명의 광학 장치에서, 버퍼층과 다층 박막을 Al 성분이 10 원자% 이상 차이나도록 분할하는 계면이 형성되는 것이 바람직하다. 버퍼층 또는 광학 장치는 이러한 큰 Al 성분 단차(段差)를 가지며, 큰 Al 성분 단차로 인해서 상방으로 전위가 이동할 수 없다. 결과적으로, 상기 계면, 즉 큰 Al 성분 단차로부터 상부측에서의 전위는 감소될 수 있고, 따라서 다층 박막의 결정도는 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 기판을 제공하는 단계와, MOCVD 방법에 의해서 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계와, MOCVD 방법에 의해 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0)의 조성을 갖는 다층 박막을 에피택시얼 성장시키는 단계를 포함하는 광학 장치 제조 방법에 관한 것이며, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크게 설정되고, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 조건하에서 이루어진다.
또한, 본 발명은 기판을 제공하는 단계와, MOCVD 방법에 의해서 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 성분을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 광학 장치 제조용 기판을 제조하는 방법에 관한 것이며, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 부분의 Al 성분보다 크게 설정되어 광학 장치를 구성하며, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 조건하에서 이루어진다.
광학 장치를 제조하는 방법 및 광학 장치 제조용 기판을 제조하는 방법에 관련된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 버퍼층은 다층 박막의 막 형성 온도보다 높은 막 형성 온도에서 형성된다. 이에 의해서, 다층 박막의 Al 성분보다 다량의 Al 성분을 함유하는 버퍼층의 결정도는 효율적으로 향상될 수 있다.
구체적으로는, 버퍼층은 1100 ℃ 이상에서 형성된다. 또한, 버퍼층은 바람직하게는 앞서 언급한 바와 같이, MOCVD 장치에서 가열기와 같은 여러 부품들에 대한 부하를 완화시키기 위해 1300 ℃ 미만의 온도에서 형성된다. 이러한 점에서 볼 때, 본 발명의 버퍼층은 약 700 ℃의 저온에서 에피택시얼 성장된 상기 종래의 버퍼층과 비교하여, "고온 버퍼층"이라 명명될 수 있다.
또한, 버퍼층을 형성할 때의 캐리어 가스 유량비(H2캐리어 가스 유량/N2캐리어 가스 유량)는 다층 박막을 형성할 때의 캐리어 가스 유량비보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 여기에서, Ⅲ족 원료 가스의 유량은 그 포화 증기압으로부터 계산되며, Ⅲ족 원료 가스는 중합체화, 예를 들어 이합체화되지 않은 것으로 가정한다.
또한, Al 성분을 함유하는 Ⅲ족 원료 가스를 사용할 때, MOCVD 장치의 반응기 내에서 상기 원료 가스들과 기판 상의 상기 캐리어 가스를 포함하는 평균 가스 유속은 바람직하게는 1 m/s 이상이 되도록 설정된다. 평균 가스 유속은 아래의 수학식 1로부터 얻어진다.
즉, 가스 유량의 합이 증가되고 및/또는 반응기의 단면적이 감소되고 및/또는 반응기 내부 압력이 감소됨에 따라, 평균 가스 유속은 증가된다. 평균 가스 유속이 1 m/s 이상으로 설정될 때, 원료 가스는 MOCVD 장치의 반응기 내에서 증기 상태로 상호 거의 반응하지 않아서, 버퍼층의 결정도는 효율적으로 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 장치를 제조하는 방법 및 광학 장치 제조용 기판을 제조하는 방법에 있어서, 바람직하게는 버퍼층을 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 상하로 분할하는 계면이 버퍼층 내에 형성된다. 특히, 본 발명의 광학 장치를 제조하는 방법에 있어서, 바람직하게는 버퍼층과 다층 박막을 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성된다. 이에 의해서, 다층 박막의 결정도는 다층 박막 내에 전위를 감소시킴으로써 향상될 수 있다.
도 1은 버퍼층의 기판에 인접한 AlN 부분의 두께와 버퍼층의 결정도(結晶度) 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 2는 버퍼층의 AlN 부분의 두께와 AlN 부분의 격자 상수 "a" 및 "b" 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 AlN 막의 결정 구조를 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명에 따라서 광학 장치로서 발광 장치를 제조하는 방법의 일실시예에서의 단계를 나타내는 단면도.
도 5는 도 4에 도시한 단계 후의 단계를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 발광 장치를 나타내는 단면도.
도 7은 평균 유속과 버퍼층 형성시 버퍼층의 결정도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 기판
2 : 버퍼층
3 : AlN 막
4, 5 : AlGaN 막
6, 7, 8, 9, 10 : AlGaInN 막
11, 12 : 전극
도 4와 도 5는 본 발명에 따라서 광학 장치로서 자외선 발광 장치를 제조하는 단계를 나타낸다. 먼저, MOCVD 장치의 반응기 속에 C면 사파이어(Al2O3) 기판(1)이 배치된다. 다음에, 기판(1)은 약 1200 ℃로 가열되고, Ⅲ족 원료 가스로서 TMA와 Ⅴ족 원료 가스로서 NH3가스가 H2캐리어 가스를 갖는 MOCVD 장치의 반응기 속으로 진입되며, 이때 전체 압력은 15 Torr이고 전체 가스 유량은 10 L/분인 조건하에서 이루어지며, 이에 의해서 약 0.5 ㎛ 두께의 AlN 막(3)을 형성한다.
또한, 이 경우에, 원료 가스 유량비(Ⅴ족 원료 가스 유량/Ⅲ족 원료 가스 유량)는 450으로 설정되고, 막 형성 속도는 상기 원료 가스의 공급을 제어함으로써 1㎛/시간으로 설정된다. 또한, 이 경우에, 캐리어 가스 유량비(H2캐리어 가스 유량/N2캐리어 가스 유량)는 무한하게 설정된다. MOCVD 장치의 반응기는 측방향으로 신장된 형상을 가지며 기판(1) 상의 반응기의 단면적은 5×10-3㎡이므로, 평균 가스 유속은 수학식 1로부터 계산했을 때 1.7 m/s이다.
다음에, Ⅲ족 원료 가스로서 TMG 가스가 MOCVD 장치의 반응기 속으로 진입되어 약 0.5 ㎛ 두께의 Al0.985Ga0.015N 막(4)을 형성한다. 유량비(TMA 가스/TMG 가스)를 변화시켜, 약 0.5 ㎛ 두께의 Al0.85Ga0.15N 막(5)을 형성한다. 전체 가스 압력과 같은 기타 조건은 상기의 경우와 유사하게 설정된다. 결과적으로, AlN 막(3)과 Al0.985Ga0.015N 막(4)과 Al0.85Ga0.15N 막(5)으로 구성된 버퍼층(2)이 기판(1) 상에 형성된다. 기판(1)과 버퍼층(2)은 본 발명에 따른 장치를 구성한다. 또한, 이 실시예에서, 버퍼층(2)은 기판(1)에 인접한 AlN 막(3)으로 이루어진 AlN 부분을 갖는다.
이 경우에, 버퍼층의 (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM은 50 arcsec이다. 또한, AlGaN 막(4, 5)을 Al 성분이 10 % 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성된다. 따라서, AlGaN 막(4)이 다량의 전위를 포함하더라도, 계면을 지나는 전위 이동이 효율적으로 방지되기 때문에 AlGaN 막(5)은 이러한 다량의 전위를 포함하지 않는다.
다음에, 다층 박막은 MOCVD 방법에 의해 버퍼층(2) 상에 에피택시얼 성장을 통해서 형성된다. 다층 박막은 버퍼층(2)을 갖는 기판(1)이 MOCVD 장치의 반응기로부터 취출되어 다른 MOCVD 장치 속에 배치된 후에 다른 MOCVD 장치 내에서 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 다층 박막은 동일한 MOCVD 장치 내에서 연속적으로 형성된다.
다층 박막을 형성할 때, 기판 온도는 버퍼층이 형성되는 온도인 1200 ℃보다 낮은 1050 ℃로 설정된다. 다음에, 캐리어 가스 유량비(H2캐리어 가스 유량/N2캐리어 가스 유량)는 버퍼층(2)을 형성할 때의 유량비보다 훨씬 낮은 "1"로 설정되며, 원료 가스 유량비(Ⅴ족 원료 가스 유량/Ⅲ족 원료 가스 유량)는 버퍼층(2)을 형성할 때의 유량비보다 훨씬 큰 "2000"으로 설정된다.
즉, 이 실시예에서, 버퍼층(2)을 형성할 때의 캐리어 가스 유량비는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 크게 설정된다. 이에 의해서, 버퍼층의 결정도는 다량의 H2캐리어 가스로 인해서 향상된다. 버퍼층(2)을 형성할 때의 캐리어 유량이 H2캐리어 가스 없이 다층 박막을 형성할 때의 유량과 거의 같게 되도록 설정되는 경우에, 버퍼층(2)의 결정도는 저하되고, 따라서 버퍼층(2)의 (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM은 100 arcsec 이상으로 증가된다.
또한, 이 실시예에서, 버퍼층(2)을 형성할 때의 원료 가스 유량비는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 작게 설정되므로, 버퍼층(2)의 결정도는 또한 향상된다.
다층 박막을 형성할 때, 캐리어 가스 유량비가 증가되고 원료 가스 유량비가 감소되면, 제조하고자 하는 발광 장치의 발광 효율은 저하될 수 있다. 그 이유는,다량의 Al 성분 및/또는 Ga 성분을 갖는 AlxGayInzN 막으로 이루어진 다층 박막이 다량의 H2가스로 인해 에칭에 의한 손상을 입게되고 그 결과 다층 박막의 결정도가 저하되기 때문이다. 결과적으로, 발광 효율은 저하되고, 게다가 다른 전기적 특성이 저하된다.
구체적으로는, 다층 박막은 다음과 같이 형성된다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 먼저 버퍼층(2) 상에 두께가 3 ㎛인 n-형 GaN 막(6)이 형성된다. 이 경우에, 버퍼층(2)과 다층 박막을 Al 성분이 10 % 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성되므로, 앞서 언급한 바와 같이, 버퍼층(2) 특히 AlGaN 막(5)이 다량의 전위를 포함하는 경우에도 GaN 막(6)에서의 전위는 감소될 수 있다.
다음에, n-형 Al0.10Ga0.90N 막(7)이 GaN 막(6) 상에 0.1 ㎛의 두께로 형성된다. 그 후, 발광층으로서 i-In0.15Ga0.85N 막(8)이 Al0.10Ga0.90N 막(7) 상에 0.05 ㎛의 두께로 형성된다. 또한, p-형 Al0.10Ga0.90N 막(9)이 i-In0.15Ga0.85N 막(8) 상에 0.05 ㎛의 두께로 형성된다. 다음에, 저저항 p-형 GaN 막(10)이 Al0.10Ga0.90N 막(9) 상에 0.5 ㎛의 두께로 형성된다. 다층 박막은 GaN 막(6), Al0.10Ga0.90N 막(7), i-In0.15Ga0.85N 막(8), Al0.10Ga0.90N 막(9) 및 GaN 막(10)으로 이루어진다.
마지막으로, GaN 막(10)을 통하여 GaN 막(6)은 그 두께 방향으로 부분적으로 에칭되고 제거되어 GaN 막(6)의 일부가 노출된다. 다음에, 한 쌍의 전극(11, 12)이 GaN 막(6)과 저저항 GaN 막(10)의 노출된 표면 상에 각각 제공되고 이에 의해 발광장치를 완성한다.
이 경우에, 다층 박막의 최대 두께 GaN 막(6)은 Al 성분을 전혀 포함하지 않으므로, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분이 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 작아야 되는 요건은 만족된다.
본 발명에 따른 상기 발광 장치의 변형된 실시예에서, Al 성분비가 0.8인 n-형 AlGaInN 막(6)이 도 5에 도시한 바와 같이 버퍼층(2) 상에 1 내지 2 ㎛의 두께로 형성된다. 다음에, Al 성분비가 0.5인 n-형 AlGaInN 막(7)이 AlGaInN 막(6) 상에 약 0.5 ㎛의 두께로 형성된다. 이 경우에, AlGaInN 막(6, 7)을 Al 성분이 10 % 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성되므로, 앞서 언급한 바와 같이 AlGaInN 막(6)이 많은 전위를 포함하는 경우에도 AlGaInN 막(7)에서의 전위는 감소될 수 있다.
다음에, 발광층으로서 Al 성분비가 0.4인 i-AlGaInN 막(8)이 AlGaInN 막(7) 상에 약 0.1 ㎛의 두께로 형성된다. 그 후, Al 성분비가 0.5인 p-형 AlGaInN 막(9)이 AlGaInN 막(8) 상에 0.5 ㎛의 두께로 형성되고, Al 성분이 0.1 이하인 저저항 AlGaInN 막(10)이 AlGaInN 막(9) 상에 약 0.5 ㎛의 두께로 형성된다. 이 실시예에서, 다층 박막은 또한 AlGaInN 막(6 내지 10)으로 구성된다. 또한, 광학 장치 제조용 기판은 또한 기판(1)과 버퍼층(2)으로 구성된다.
마지막으로, AlGaInN 막(6 내지 10)은 그 두께 방향으로 부분적으로 에칭되고 제거되어 AlGaInN 막(6 내지 10)의 일부가 노출된다. 다음에, 한 쌍의 전극(11, 12)이 AlGaInN 막(6)과 AlGaInN 막(10)의 노출된 표면 상에 각각 제공된다.
이 실시예에서, 버퍼층(2)의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 최대 두께 AlGaInN 막(6)의 Al 성분보다 크게 설정된다.
도 6은 본 발명에 따른 광학 장치로서 자외선 민감성 영역을 갖는 PIN형 포토다이오드를 도시한다. 도 6에 도시한 포토다이오드에서, AlN 막(3), Al0.985Ga0.015N 막(4) 및 Al0.85Ga0.15N 막(5)으로 이루어진 버퍼층(2)이 예를 들어 C면 사파이어 단일 결정으로 이루어진 기판(1) 상에 형성된다. 다음에, Al 성분비가 0.5인 n-형 AlGaInN 막(6)이 버퍼층(2) 상에 1 내지 2 ㎛의 두께로 형성된다.
다음에, Al 성분비가 0.5인 도핑되지 않은 AlGaInN 막(7)이 AlGaInN 막(6) 상에 100 Å의 두께로 형성되고, Al 성분비가 0.15인 p-형 AlGaInN 막(8)이 AlGaInN 막(7) 상에 100 nm의 두께로 형성된다. 마지막으로, AlGaInN 막(6 내지 8)은 그 두께 방향으로 부분적으로 에칭되고 제거되어 AlGaInN 막(6)의 일부가 노출된다. 다음에, 한 쌍의 전극(11, 12)이 AlGaInN 막(6)과 AnGaInN 막(8)의 노출된 표면상에 각각 제공되어, PIN형 포토다이오드를 완성한다. 이 실시예에서, 다층 박막은 또한 AlGaInN 막(6 내지 8)으로 구성된다. 또한, 광학 장치 제조용 기판은 또한 기판(1)과 버퍼층(2)으로 구성된다.
전극(12)이 투명한 전도성 재료로 이루어지면, 포토다이오드의 검출 표면으로서 사용될 수도 있다. 또한, 기판(1)은 상기 언급한 사파이어 단일 결정과 같은 투명한 재료로 이루어지며, 포토다이오드의 검출 표면으로서 사용될 수 있다.
상기 모든 실시예에서, 버퍼층(2)은 수학식 1로부터 계산된 값이 1 m/s 이상인 평균 가스 유속에서 형성된다. 도 7은 평균 가스 유속과 버퍼층의 결정도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 수평축은 평균 가스 유속을 나타내고, 수직축은 버퍼층의 (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM을 나타낸다. 도 7에 나타낸 플롯은 다양한 가스 유속과, 다양한 MOCVD 장치의 반응기의 단면적과, 다양한 반응기 압력을 사용하여 수학식 1로부터 계산된 것이다. 도 7로부터 명백한 바와 같이, 평균 가스 유속이 1 m/s 이상으로 설정되면, FWHM은 90 arcsec 이하로 감소되고, 따라서 버퍼층(2)의 결정도는 향상될 수 있다.
상기 예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이상의 개시 내용에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 모든 유형의 변화 및 변형이 이루어질 수도 있다.
예를 들어, 기판(1)은 상기 사파이어 결정 대신에 ZnO와 같은 산화물 결정, SiC, Si, GaAs 또는 GaN과 같은 반도체 결정으로 이루어질 수도 있다. 또한, 사파이어 결정의 기판을 제조하는 경우에, C면 결정 표면 대신에 임의의 결정 표면이 사용될 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 자외선 발광 장치 및 PIN형 포토다이오드가 예시되었지만, 본 발명은 청색광 발광 장치나 레이저 다이오드와 같은 다른 유형의 발광 장치 또는 쇼트키형 포토다이오드와 같은 다른 유형의 광검출기에 대해 적용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0) 버퍼층과, 양호한 결정도를 갖는 버퍼층 상에 에피택시얼 성장된 균열이 없는AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 다층 박막을 갖는 광학 장치와, 광학 장치 제조용 기판이 제공될 수 있다.
또한, 광학 장치를 제조하는 방법과 광학 장치 제조용 기판을 제조하는 방법이 제공될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 구성에 따르면, 결정도가 양호하고 균열이 발생되지 않는 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0) 다층 박막과 AlaGabIncN(a+b+c≥0, a,b,c≥0) 버퍼층을 가지는 광학 장치, 이 광학 장치 제조용 기판 및 이들을 제조하는 방법이 제공된다.

Claims (29)

  1. 기판과, 기판 상에 형성된 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층과, 버퍼층 상에 에피택시얼 성장된 AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0)의 조성을 갖는 다층 박막을 포함하는 광학 장치에 있어서,
    버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크도록 설정되며,
    버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 것인 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분은 AlaGabIncN(a+b+c=1, 1.0 ≥a≥0.5)의 조성을 갖는 것인 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 버퍼층의 기판에 인접한 부분은 AlN의 조성을 갖는 것인 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 버퍼층은 90 arcsec 이하의, (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM을 갖는 것인 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서, 다층 박막의 최대 두께 층은 AlxGayInzN(x+y+z=1, 1.0≥x≥0.3)의 조성을 갖는 것인 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서, 버퍼층을 상하로 또는 버퍼층과 다층 박막을 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성되어 있는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서, 버퍼층과 다층 박막은 기판에 의해 지지되는 것인 광학 장치.
  8. 기판과, 기판 상에 형성된 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층을 포함하는 광학 장치를 제조하기 위한 기판에 있어서,
    버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크도록 설정되어 광학 장치가 구성되고,
    버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 것인 광학 장치 제조용 기판.
  9. 제8항에 있어서, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분은 AlaGabIncN(a+b+c=1, 1.0 ≥a≥0.5)의 조성을 갖는 것인 광학 장치 제조용 기판.
  10. 제8항에 있어서, 버퍼층의 기판에 인접한 부분은 AlN의 조성을 갖는 것인 광학 장치 제조용 기판.
  11. 제8항에 있어서, 버퍼층은 90 arcsec 이하의, (002) 피크에서의 X-선 요동 곡선의 FWHM을 갖는 것인 광학 장치 제조용 기판.
  12. 제8항에 있어서, 버퍼층을 상하로 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성되어 있는 광학 장치 제조용 기판.
  13. 제8항에 있어서, 버퍼층은 기판에 의해 지지되는 것인 광학 장치 제조용 기판.
  14. 기판을 준비하는 단계와,
    MOCVD 방법에 의해서 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계와,
    MOCVD 방법에 의해서, AlxGayInzN(x+y+z=1, x,y,z≥0)의 조성을 갖는 다층 박막을 에피택시얼 성장시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 단계들은, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크게 설정되며, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 것을 조건으로 하여 실시되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 다층 박막을 위한 막 형성 온도는 버퍼층을 위한 막 형성 온도보다 낮게 설정되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 버퍼층에 대한 막 형성 온도는 1100 ℃ 이상으로 설정되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 버퍼층을 대한 막 형성 온도는 1300 ℃ 미만으로 설정되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 버퍼층을 형성할 때의 캐리어 가스 유량비(H2캐리어 가스 유량/N2캐리어 가스 유량)는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 크게 설정되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서, 버퍼층을 형성할 때의 원료 가스 유량비(Ⅴ족 원료 가스 유량/Ⅲ족 원료 가스 유량)는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 작게 설정되는것인 광학 장치 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서, 원료 가스와 캐리어 가스를 포함하는 평균 가스 유속은 버퍼층을 형성할 때 1 m/s 이상으로 설정되는 것인 광학 장치 제조 방법.
  21. 제14항에 있어서, 버퍼층을 상하로 또는 버퍼층과 다층 박막을, Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록 분할하는 계면이 형성되는 광학 장치 제조 방법.
  22. 기판을 준비하는 단계와,
    MOCVD 방법에 의해서 AlaGabIncN(a+b+c=1, a,b,c≥0)의 조성을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 단계들은, 버퍼층의 Al 성분 최소 부분의 Al 성분은 다층 박막의 적어도 최대 두께 층의 Al 성분보다 크게 설정되어 광학 장치를 구성하고, 버퍼층의 Al 성분은 기판측으로부터 다층 박막측으로 연속적으로 또는 단계적으로 감소되는 것을 조건으로 하여 실시되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 버퍼층을 위한 막 형성 온도는 광학 장치의 다층 박막을 위한 막 형성 온도보다 크게 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서, 버퍼층을 위한 막 형성 온도는 1100 ℃ 이상으로 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  25. 제22항에 있어서, 버퍼층을 위한 막 형성 온도는 1300 ℃ 미만으로 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  26. 제22항에 있어서, 버퍼층을 형성할 때의 캐리어 가스 유량비(H2캐리어 가스 유량/N2캐리어 가스 유량)는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 크게 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  27. 제22항에 있어서, 버퍼층을 형성할 때의 원료 가스 유량비(Ⅴ족 원료 가스 유량/Ⅲ족 원료 가스 유량)는 다층 박막을 형성할 때의 유량비보다 작게 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  28. 제22항에 있어서, 원료 가스와 캐리어 가스를 포함하는 평균 가스 유속은 버퍼층을 형성할 때 1 m/s 이상으로 설정되는 것인 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
  29. 제22항에 있어서, 버퍼층을 상하로 Al 성분이 10 원자% 이상 차이가 나도록분할하는 계면이 형성되는 광학 장치 제조용 기판 제조 방법.
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