KR20020077194A - 질화물반도체소자 - Google Patents
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Abstract
높은 전극접촉특성을 가진 질화물반도체소자를 제공한다. 상기 질화물반도체소자는 3족 질화물반도체로 이루어지는 반도체층 및 상기 반도체층에 캐리어를 공급하는 금속전극을 포함한다. 상기 소자는 상기 반도체층 및 상기 금속 전극 사이에 적층되어 2족 원소가 첨가된 3족 질화물반도체(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1, 0<y≤1)로 된 제 1 콘택트층, 및 상기 제 1 콘택트층과 금속 전극 사이에 적층되며 3족 질화물반도체 Alx'Ga1-x'N(0≤x'≤1)로 된 제 2 콘택트층을 가진다.
Description
본 발명은 3족 질화물반도체소자에 관한 것으로, 더 구체적으로는 상기 3족 질화물반도체소자의 반도체 및 금속 전극 사이의 전기접촉 특성의 향상에 관한 것이다.
발광다이오드 및 반도체 레이저다이오드 등의 발광소자의 분야에서, 3족 질화물반도체 (AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1, 0<y≤1)에 마그네슘(Mg), 아연(Zn)등의 2족 원소가 도프된 결정층을 가진 반도체발광소자가 청색 발광 가능한 소자로서 주목받고 있다. 특히, 3족 질화물반도체소자에서는 전극과 반도체 사이의 전기적 접촉특성의 향상이 요청되고 있다.
당업자들에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 기본적으로 p형 반도체/금속계면에서의 전하수송은 반도체의 가전자대 및 금속의 페르미(Fermi) 레벨 사이의 에너지 차에 의존한다. 그 에너지 차에 의해, 오믹(Ohmic) 접촉 또는 스콧티(Schottky) 접촉이 형성된다. 현재, p형 질화물반도체에 대하여 스콧티 배리어를 충분히 낮아지게 하는 금속은 없고, 최적 전극 금속의 선택만으로는 접촉특성의 개선에 한계가 있다.
전극과 반도체 사이의 전기적 접촉특성을 개선하기 위한 종래 방법으로서, 밴드갭이 작은 반도체층을 금속과의 콘택트층으로서 이용하는 방법이 알려져 있다.
일본국 공개 특허 공보 제98-65216호에서는 In을 포함하는 밴드갭이 작은 질화물반도체를 전극과의 콘택트층으로서 이용함에 의해 전극과의 접촉저항을 감소시키려는 방법이 개시되어 있다.
접촉특성을 개선하기 위한 목적으로서, 고 캐리어농도의 반도체층을 금속과의 콘택트층으로 이용하는 방법도 알려져 있다. 그러나, 밴드갭이 큰 경우, 상기 방법에서는 고 캐리어밀도를 얻는 것이 곤란한 점도 일반적으로 알려져 있다. AlGaN계 질화물에 있어서도 밴드갭이 크게 되고, 특히 p형으로서는 고 캐리어농도를 얻기가 곤란하였다.
현재, InGaN 에서 InN 몰분율을 크게 함으로써 큰 정공 농도가 얻어지는 것으로 알려져 있다(구마쿠라 등의 일본 제이. 애플리케이션, 피직스. 39 (2000) 337).
그러나, 상기한 여러 방법들 모두에서 전기적 접촉특성이 우수한 반도체소자를 얻는데 실패하였다.
본 발명에서는 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 소자의 전극접촉특성을 향상시킬 수 있는 3족 질화물반도체소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 질화물반도체소자는 3족 질화물반도체로 이루어지는 반도체층 및 상기 반도체층에 캐리어를 공급하는 금속전극을 포함하는 질화물반도체소자로서,
상기 반도체층 및 상기 금속 전극 사이에 적층되어 2족 원소가 첨가된 3족 질화물반도체(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1, 0<y≤1)로 된 제 1 콘택트층; 및
상기 제 1 콘택트층과 금속 전극 사이에 적층되며 3족 질화물반도체 Alx'Ga1-x'N(0≤x'≤1)로 된 제 2 콘택트층을 포함한다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 제 2콘택트층에 2족 원소가 첨가되어 있다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 제 2콘택트층의 두께가 500Å 이하이다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 2족 원소가 마그네슘이다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 제 1 콘택트층이 InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)이다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 제 1 콘택트층의 두께가 10 내지 1000Å 범위내이다.
본 발명의 질화물반도체소자에서, 상기 질화물반도체소자가 발광소자이다.
본 발명자는 3족 질화물로 이루어지는 반도체층, 및 상기 반도체층에 캐리어, 즉 정공을 공급하는 금속 전극을 포함하는 소자의 전기적 특성 개선을 목적으로, 소자의 전극 접촉특성에 관한 실험을 상세하게 행하여, 본 발명을 실현하게 되었다.
예컨대, 열어닐링 처리에 의해 고 정공 농도로 제공된 p형 InGaN으로 이루어진 콘택트층을 이용하여 상기한 일본국 공개 특허 공보 제98-65216호에 개시된 소자를 제조하여, 이러한 소자의 접촉특성을 조사하였지만, 큰 개선은 얻어지지 않았다.
한편, 본 발명의 방법에서는, Mg가 첨가된 제 1 콘택트층을 구성하는 InGaN층 등을 성장시킨 후, 제 2 콘택트층으로서 최상부 표면에 얇은 GaN층 등을 성장시키고, 열어닐링 처리에 의해 p형으로 변환을 행함으로써, 완성된 소자의 접촉특성이 개선되는 것을 밝혀냈다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중양자웰구조를 가진 반도체발광소자를 나타낸 개략 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중양자웰구조를 가진 반도체발광소자의 제조공정 중의 기판의 개략적인 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체발광소자의 제조공정 중의 기판의 개략적인 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체발광소자 및 비교예의 소자의 전압 및 전류를 포함한 전기적 특성을 나타내는 그래프, 및
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중양자웰구조를 가진 반도체발광소자를 나타낸 개략 단면도이다.
이하에, 본 발명에 따른 소자에 대해서 첨부 도면들을 참조하면서 실시예들과 연관하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중양자웰구조(MQW)를 가진 반도체발광소자를 나타낸다. 이 소자는 사파이어로 이루어진 기판(1) 상에 (A1xGa1-x)1-yInyN (0≤x≤1, 0≤y≤1)로 표현되는 복수의 질화물반도체단결정막을 순차 에피택시얼 성장시킨 다층구조체로 이루어진다. 사파이어로 이루어진 기판(1) 상에는, AlN, GaN 등으로 이루어지는 저온 버퍼층(2) 및 도전층을 성장시키는 Si 등을 도핑한 n형 GaN 하지(underlying)층(3)이 순차 적층되어 있다. n형 Gan 하지층(3)상에는 활성층(4)이 배치되어 있다. 활성층(4)상에는, 열어닐링 처리에 의해 p형으로 변환되는, Mg 도프 AlGaN 전자배리어층(5), Mg 도프 InGaN층(6), 및 Mg 도프 GaN 층(7)이 순차 적층되어 있다.
또한, p형 Mg 도프 GaN 층(7) 및 n형 GaN 하지층(3)상에는 절연막(8)이 성막되고, 각각 대응하는 윈도우에는 p측 전극(9) 및 n측 전극(10)이 형성되어, 상기한 각 부분들의 발광소자를 형성하고 있다.
이하, 본 발명에 따른 질화물반도체 발광소자의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명에서는, 성막 방법으로서, 특히 다르게 언급하지 않는 한 유기금속 기상성장(MOCVD)법을 이용한다. 또한, 원료 수송를 위해 사용되는 가스로서는, 특히 다르게 언급하지 않는 한 수소가스를 이용한다.
사파이어 기판(1)을 MOCVD 리액터(도시 안됨)에 장착하고, 상기 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층(2)을 저온 성장시킨 후, 트리메틸갈륨(TMG)을 1.7xl0-4mo1/분, 암모니아를 9.0×10-2mol/분, 메틸실란을 7.2×10-9mol/분의 유량으로 반응관에 공급하여, 기판 온도 1050℃에서, Si를 도핑한 n형 GaN 층(3)을 약 6μm의 두께로 성장시킨다.
계속해서, 암모니아 9.O×1O-2mol/분을 반응관에 공급하면서 기판 온도를 780℃로 감소시킨다. 원료캐리어 가스를 질소로 바꾸고, Iny1Ga1-y1N (y1=0.1)/Iny2Ga1-y2N(y2=0.01)=30Å/60Å을 5주기 적층하여 발광층으로 되는 MQW 활성층(4)을 형성한다. 이 활성층(4)의 Iny1Ga1-y1N(y1=0.1)층의 성장에 있어서는, TMG를 4.8×10-6mol/분, 트리메틸인듐(TMI)을 2.6×10-5mo1/분, 암모니아를 3.1×10-1mol/분으로 공급하고, Iny2Ga1-y2N(y2=0.01)층의 성장에 있어서는, TMG를 4.8×10-6mol/분, TMI를 2.6×10-6mo1/분, 암모니아를 3.1×10-1mol/분으로 공급한다.
계속해서, 캐리어가스를 수소로 하여, 기판온도를 1050℃로 승온하여 보유하고, TMG를 7×10-6mol/분, 트리메틸알루미늄(TMA)을 1.2×10-6mol/분, 비세틸사이클로펜타디에닐마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}을 5.2×10-7mo1/분, 암모니아를2.2×10-1mol/분으로 공급하고, 활성층(4) 바로 위에 AlxGa1-xN(x=0.2)으로 된 전자배리어층(5)을 0.02μm 성장시킨다.
계속해서, 기판 온도를 770℃로 감소시킨다. 캐리어가스를 질소로 바꾸고, 전자배리어층(5)상에 두께 0.1μm의 Mg 도프 InxGa1-xN(x=0.14)층을 성장시킨 후, 기판 온도 770℃에서, TMG를 1.0×10-5mo1/분, TMI를 1.7×10-5mol/분, EtCp2Mg를 8.8×10-8mo1/분, 암모니아를 4.5×10-1mo1/분으로 공급하여 Mg 도프 InGaN층(6)을 퇴적한다. 계속해서, TMI의 공급을 중지하고, EtCp2Mg의 공급을 2.3×10-7mo1/분으로 변경하여 제 1 콘택트층(6)상에 10Å 두께의 Mg 도프 GaN 층(7), 즉 제 2 콘택트층을 성장시킴으로써, 도 2에 나타낸 바와 같은 웨이퍼(1)가 완성된다. 최종의 Mg 도프 GaN으로 된 제 2 콘택트층(7)의 성장에 있어서는, 40초 동안 제 2 콘택트층(7)을 에피택시얼 성장시킴에 의해 두께를 제어하였다. EtCp2Mg의 유량은 질소중, 950℃에서, 5분의 열어닐링 후 정공 농도가 최대로 되도록 조정한다.
전극 금속과 접촉하는 여러 가지 반도체층 상에 형성된 콘택트들의 전기적 접촉 특성을 검사하기 위해, 본 발명자는 상기 웨이퍼(1)의 제 1 콘택트층(6) 및 제 2 콘택트층(7)에 대응하는 층, 즉 활성층 및 전극 사이의 반도체층을, 상기 제 2 콘택트층(7)의 재료인 Mg 도프 GaN만으로 구성한 웨이퍼(2), 및 상기 제 1 콘택트층(6)의 재료인 Mg 도프 InxGa1-xN(x=0.14)만으로 구성한 웨이퍼(3)를 제조하였다. 상기 웨이퍼들(1,2,3) 사이에서, 활성층 및 전극 사이의 층들의 전체 막두께, 즉웨이퍼(1)의 경우에 GaN/InGaN (제 2 콘택트층(7)/제 1 콘택트층(6))의 전체 막두께는 서로 동일하게 된다.
계속해서, Mg 도핑한 반도체층을 p형 반도체로 변환시키도록, 완성된 웨이퍼 각각에 대해 질소분위기에서 950℃로, 5분간 열어닐링 처리를 행한다. p형 도판트인 Mg 도프 GaN계 반도체를 MOCVD 법으로 성장시키는 경우, 아무것도 처리를 하지 않은 상태에서는 반절연성이고, 따라서 p형 도전성을 나타내지 않는다. 이 때문에, 발광소자 웨이퍼 완성후, 열어닐링 처리를 행함으로써 상기 Mg 도프 층을 활성화시켜 p형 도전성을 발현시킨다.
또한, 예컨대 반응성 이온에칭(RIE) 등에 의해, 도 3에 나타낸 바와 같이 n형 GaN층(3)을 노출시킨다. 그 후, 상기 Mg 도프 InxGa1-xN(x=0.14)층(6) 또는 Mg 도프 GaN층(7)의 부분 표면에 SiO2등의 절연막(8)을 퇴적한다. 다음에, 상기 절연막(8)에 전극을 형성하기 위해 윈도우를 패터닝한다. p형으로 변환된 Mg 도프층(6,7) 및 n형 GaN층(3)상에는, 염산을 이용한 반도체 표면처리 후, 윈도우를 통해, 각각 p측 전극(9) 및 n측 전극(10)을 형성한다(도 1). p측 전극(9) 및 n측 전극(10)의 재료는 각각 니켈 및 티탄이다.
계속해서, 각 웨이퍼의 사파이어 기판의 이면을 연마하여 웨이퍼 두께를 1OOμm 정도로 감소시킨다. 그 후, 상기 웨이퍼에 칩화를 행하여, 소자를 완성한다. 웨이퍼(1,2,3)로부터 제조된 상기 소자를 이하 각각 소자1, 소자 2, 및 소자 3이라 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소자(1) 및 비교용 소자(2,3)의 전류 및 전압을 포함한 전기적 특성을 나타낸다. 도 4로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명에 의해 구동 전압이 감소되었다.
일반적으로, Mg를 도핑한 질화물반도체를 p형으로 변환하기 위해서는, 막에 어떠한 처리를 가할 필요가 있고, 그 결과로서 막의 표면이 열화되기 쉽다. 특히, InGaN에서는 In과 N 사이의 결합이 약해져서 그 열화가 현저하게 된다. 소자(3)의 경우, 열에 의한 InGaN 표면의 열화로 인해, 기대되는 전기적 접촉성의 개선이 방해받는 것으로 추측된다.
최상부면에 GaN으로 된 제 2 콘택트층(7)을 두껍게 할 수록, InGaN의 보호 효과는 증대하지만, 저항치도 증가한다. 따라서, 제 2 콘택트층(7)의 두께는 500Å 이하가 바람직하다.
제 1 콘택트층(6)은 그의 하부에 있는 층과 격자 정수차를 갖고 있기 때문에, 이 층의 두께를 지나치게 두껍게 하면, 결정성이 저하되어, 기대되는 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, 제 1 콘택트층(6)의 두께는 10∼1000Å의 범위내가 바람직하다.
상기 실시예는 본 발명을 발광다이오드에 적용한 경우에 대해서 설명하였지만, 레이저다이오드에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
또한, 다른 실시예로서, 가이드층 및 클래드층이 새로이 제공되는 점을 제외하면, 상기 실시예와 동일한 기술을 이용하여, 도 5에 나타낸 바와 같은 리지형 반도체발광소자를 형성할 수 있다. 구체적으로, n형 GaN 하지층(3)과 활성층(4) 사이에 n형 AlGaN 클래드층(11) 및 n형 GaN 가이드층(12)을 적층하고, 또한 p형 Mg 도프 AlGaN 전자배리어층(5) 및 p형 제 1 콘택트층(6) 사이에 p형 GaN 가이드층(13) 및 p형 AlGaN 클래드층(14)을 적층하여, 상기 도 3에 도시된 것에 대응하는 공정에서, 소정 폭의 마스크를 제 2 콘택트층(7)상에 형성하고, 마스크 하부 이외의 부분, 즉 p형 제 1 콘택트층(6), p형 제 2 콘택트층(7) 및 p형 AlGaN 클래드층(14)을, p형 GaN 가이드층(13)의 전체 두께 중 일부를 남기고 제거함으로써, 좁은 리지 구조를 형성한다. 그 후, 얻어진 웨이퍼 상에, 절연막(8)을 형성하고, 리지의 상부의 p측 전극용 윈도우 및 n측 전극용 윈도우를 형성하여, 각 전극을 배치함으로써 리지형 반도체발광소자를 형성한다. 도 5 및 도 1에서 동일 참조 부호로 나타낸 부재들은 동일한 부재들이다. 레이저다이오드의 경우는 LED의 경우와 비교하여 단위면적당의 전류 주입량을 크게 해야 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전류 주입을 위해 요구되는 전압을 감소시키는 본 발명의 효과는 레이저다이오드의 경우에 한층 더 유용하게 된다.
본 발명에 따르면, 3족 질화물반도체소자가 반도체의 활성층 및 금속 전극 사이에 제 1 콘택트층과 제 2 콘택트층을 갖기 때문에, 소자의 전극접촉특성이 향상될 수 있다.
Claims (9)
- 3족 질화물반도체로 이루어지는 반도체층 및 상기 반도체층에 캐리어를 공급하는 금속전극을 포함하는 질화물반도체소자로서,상기 반도체층 및 상기 금속 전극 사이에 적층되어 2족 원소가 첨가된 3족 질화물반도체(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1, 0<y≤1)로 된 제 1 콘택트층; 및상기 제 1 콘택트층과 금속 전극 사이에 적층되며 3족 질화물반도체 Alx'Ga1-x'N(0≤x'≤1)로 된 제 2 콘택트층을 포함하는 질화물반도체소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2콘택트층에 2족 원소가 첨가되어 있는 질화물반도체소자.
- 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 제 2콘택트층의 두께가 500Å 이하인 질화물반도체소자.
- 상기 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2족 원소가 마그네슘인 질화물반도체소자.
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 콘택트층이 InyGa1-yN(0.05≤y≤0.4)인 질화물반도체소자.
- 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 콘택트층의 두께가 10 내지 1000Å 범위내인 질화물반도체소자.
- 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물반도체소자가 발광소자인 질화물반도체소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 콘택트층에 적어도 2족 원소가 첨가되며, 상기 반도체층에 퇴적된 제 1 및 제 2 콘택트층을 포함하는 층들은 열어닐링 처리되어 p형 도전성을 발현하게 되는 질화물반도체소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 2족 원소가 마그네슘인 질화물반도체소자.
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