KR20030069212A - Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

(Ti1-xAx)N(여기서, A는 알루미늄, 갈륨 및 인듐 중에서 선택된 적어도 1종의 금속임)으로 표현되는 금속 질화물층이 형성되며, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층이 금속 질화물층 상에 형성된다. 티타늄층은 충분한 두께로 금속 질화물층과 기판 사이에 개재된다. 티타늄층을 제거함으로써 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자가 제공된다.

Description

Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자{COMPOUND SEMICONDUCTOR ELEMENT BASED ON GROUP Ⅲ ELEMENT NITRIDE}
일본 특허 공개 평09-237938호에는 우수한 결정성의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 얻기 위해, 하지층(undercoat layer)으로서 염화나트륨 구조를 갖는 금속 질화물의 (111)면을 기판으로서 사용하는 것이 개시되어 있다. 즉, 상기 공보에서는, 염화나트륨 구조를 갖는 금속 질화물이 기판으로서 사용되고, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층이 금속 질화물의 (111)면 상에 성장한다.
또한, 일본 특허 공개 평10-321954호에는, 염화나트륨형 또는 육방정계의 결정 구조를 갖는 천이 금속 질화물의 전기 도전층이 기판과 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층 사이에 개재되는 것이 개시되어 있다. 천이 금속 질화물의 예로서는, TiN, VN, ZrN, NbN, HfN 및 TaN이 제시되어 있다.
본 발명자들은 금속 질화물, 특히 TiN에 주목하면서 중점적인 검토를 수행하였다. 그 결과, TiN과 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 사이의 격자 상수의 차이가 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체의 결정성에 영향을 미칠 수 있는 우려가 있다는 것을 발견하였다. 부수적으로, 면(c)을 갖는 TiN의 격자 상수는 0.299nm인 반면, Ⅲ족질화물계 화합물 반도체로서의 GaN의 격자 상수는 0.319nm이다.
한편, 반도체 소자의 기능을 유지하기 위한 특성(강성, 내충격성 등)이 반도체 소자의 기판에 요구된다. 기판이 금속 질화물로 형성될 때, 특성을 유지하기 위해 기판이 50㎛ 이상의 두께를 가질 필요가 있는 것으로 고려된다. 이러한 두께를 갖는 금속 질화물은 반도체를 제조하기 위해 사용되는 산업 제품의 원재료로서 전혀 제공되고 있지 않다.
본 발명의 목적은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 하부의 하지층으로서 기능하는 금속 질화물의 격자 상수를 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체의 격자 상수에 더욱 근접시킴으로써, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 결정성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산업적으로 용이하게 입수 가능한 원재료를 사용함으로써 우수한 결정 구조의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 형성할 수 있게 하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 소자는 우수한 결정 구조의 반도체층을 가지며 저렴하게 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 신규한 구성의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도6a 및 도6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
도7a 및 도7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시하는 도면.
본 발명자들은 상기 목적들 중 적어도 하나를 성취하기 위해 중점적인 검토를 수행하였다. 그 결과, 하기의 발명을 고안하였다.
A는 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인,(Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층과,
상기 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
본 발명에 따라 전술한 바와 같이 구성된 반도체 소자에서, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 (Ti1-xAx)N의 금속 질화물층 상에 형성된다. 이 금속 질화물층은 TiN과 같은 2원소 금속 질화물층과 비교할 때, 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층과의 격자 부정합(lattice misfit)이 더욱 작아진다. 따라서, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 결정성이 향상될 수 있다.
(Ti1-xAx)N의 금속 질화물층은 사파이어와 같은 기판 상에 우수한 결정성으로 형성될 수 있다. 또한, 금속 질화물층은 Ti를 성분으로서 포함하기 때문에 티타늄층 상에 우수한 결정성으로 형성될 수 있으며, 티타늄층은 사파이어와 같은 기판 상에 우수한 결정성으로 형성될 수 있다. 또한, 소자의 기능을 유지하는데 필요한 두께를 갖는 기판이 얻어질 수 있기 때문에 금속 질화물층이 얇게 형성될 수 있다. 따라서, 금속 질화물층은 용이하고 저렴하게 형성될 수 있다. 사파이어와 같은 범용 재료가 기판으로서 사용될 때, 소자는 전체로서 저렴하게 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자를 구성하는 각각의 기술을 하기에 상세히 설명한다.
먼저, 사파이어, SiC(탄화 실리콘), GaN(질화 갈륨) 또는 ZrB2(지르코늄 다이보라이드)와 같은 육방정계 재료, 또는 Si(실리콘), GaP(인화 갈륨) 또는 GaAs(비화 갈륨)과 같은 입방정계 재료가 기판으로서 사용될 수 있다. 육방정계 재료의 경우, 하지층이 육방정계 재료 상에서 성장한다. 입방정계 재료의 경우에는, 입방정계 재료의 (111)면이 사용된다.
SiC, GaN, 실리콘, GaP 또는 GaAs가 기판으로서 사용되는 경우, 전기 도전 특성이 기판에 제공될 수 있다. 전기 도전 특성은 또한 (Ti1-xAx)N의 금속 질화물에도 제공될 수 있다. 이 경우, 전극이 반도체 소자의 두 표면 상에 형성될 수 있다. 소자 제조 공정의 수가 감소될 수 있으므로, 제조 비용이 감소될 수 있다. 부수적으로, 금속 A의 조성 x가 0.01 내지 0.6의 범위로 선택될 때, 금속 질화물은 필요한 전기 도전 특성을 취한다. 더욱 바람직한 금속 A의 조성 x는 0.1 내지 0.6이다. 특히 바람직한 금속 A의 조성 x는 0.2 내지 0.6이다.
기판으로서 사파이어를 사용하여 LED가 제조되는 경우, 금속 질화물이 금속 광택을 가지며 LED로부터 방출되는 광이 질화 티타늄, 질화 하프늄, 질화 지르코늄 등에 의해 반사되기 때문에 휘도의 향상이 예기된다.
금속 질화물은 또한, 금속 질화물이 사파이어보다 더욱 가요성이기 때문에 사파이어 기판과 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층 사이의 격자 상수 또는 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 왜곡(내부 응력)을 완화하는 기능을 갖는다.
소자의 기능을 유지하기 위한 특성(강성 및 내충격성)이 기판에 요구된다. 따라서, 기판의 두께는 바람직하게는 50㎛ 이상, 보다 바람직하게는 100㎛ 이상이 되도록 선택된다. 그러나, 기판은 강성이 유지될 수 있으면 얇을 수도 있다.
알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 Ⅲ족 원소가 (Ti1-xAx)N의 금속 질화물에 함유된 금속 A 성분으로서 선택될 수 있다. 특히, 격자 상수의 차이가 작기 때문에 Al이 바람직하다.
Ⅲ족 원소는 특히 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 일부 치환될 수도 있다.
금속 질화물 성장 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 플라즈마 CVD, 열적 CVD 또는 광학 CVD와 같은 CVD(화학 기상 증착)법, 또는 스퍼터링, 반응 스퍼터링, 레이저 증착법, 이온 도금, 증착 또는 ECR과 같은 PVD(물리적 기상 증착)가 사용될 수 있다.
금속 질화물층이 티타늄층 상에 형성될 때, 스퍼터링법이 사용되는 것이 특히 바람직하다. 이는 금속 질화물 단결정의 결정성이 향상되기 때문이다.
기판 및/또는 티타늄층이 존재하는 경우, 금속 질화물층의 두께는 5nm 내지 10㎛의 범위가 되도록 선택되는 것이 바람직하다.
티타늄층이 제거되어 금속 질화물층이 기판으로부터 분리되는 경우, 금속 질화물층의 두께는, 기판으로서의 특성이 금속 질화물층에 요구되기 때문에, 바람직하게는 50㎛ 이상, 보다 바람직하게는 100㎛ 이상이 되도록 선택된다.
티타늄층이 금속 질화물층과 기판 사이에 개재되는 경우, 티타늄층은 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 기판 상에 형성될 수 있다. 티타늄층의 두께는 특히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛의 범위, 보다 바람직하게는 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위, 가장 바람직하게는 0.2㎛ 내지 3㎛의 범위가 되도록 선택된다.
본 발명자들의 검토에 의하면, 질화 티타늄이 기판으로서의 실리콘의 (111)면 상에 성장하는 경우, Al층이 (111)면과 질화 티타늄층 사이에 개재되는 것이 바람직하다. Al층의 두께는 특히 한정되는 것은 아니지만 약 100Å으로 선택될 수 있다. Al층 형성 방법은 특히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 증착 또는 스퍼터링에 의해 Al층이 형성될 수 있다.
티타늄층은 산(불산 등)에 의해 화학적으로 에칭될 수 있다. 그 결과, 기판은 금속 질화물층으로부터 분리된다. 전기 도전 특성을 갖는 금속 질화물층에 의하면, 이 금속 질화물층이 전극으로서 사용될 수 있으므로, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층측에 단지 하나의 전극만이 형성되면 된다.
각각의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 일반식 AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X+Y≤1)으로 표현되며, AlN, GaN 및 InN과 같은 소위 2원계 화합물 및 AlxGa1-xN, AlxIn1-xN 및 GaxIn1-xN(이상에 대해 0<x<1)과 같은 소위 3원계 화합물을 포함한다. Ⅲ족 원소는 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 일부 치환될 수도 있다. 질소(N)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등으로 일부 치환될 수도 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 임의의 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. Si, Ge, Se, Te, C 등이 n형 불순물(impurity)로서 사용될 수 있다. Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등이 p형 불순물로서 사용될 수 있다. 또한, p형 불순물로 도핑된 후, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체에 전자선 조사(electron beam irradiation), 플라즈마 조사 또는 노에 의한 가열을 수행할 수도 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층 형성 방법은 특히 한정되는 것은 아니다. 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD법) 이외에, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 분자선 결정 성장법(MBE법), 할라이드 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터링법, 이온 도금법 또는 전자 샤워법(electron showering method)과 같은 공지된 방법에 의해 형성될 수도 있다.
또한, 호모 구조(homo structure), 단일 헤테로 구조(single heterostructure) 또는 이중 헤테로 구조가 발광 소자의 구조로서 사용될 수 있다. 양자 우물 구조(단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조)가 발광층을 포함하는 층으로서 사용될 수도 있다.
금속 질화물층과, 소자 기능부를 구성하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(제2의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체) 사이에는 버퍼층이 형성될 수도 있다. 버퍼층은 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체로 제조된다. 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는, AlXGaYIn1-X-YN(0<X<1, 0<Y<1, 0<X+Y<1)로 표현되는 4원계 화합물 반도체와, AlXGa1-XN(0<X<1)으로 표현되는 3원계 화합물 반도체 및 AlN, GaN 및 InN을 포함한다.
MOCVD법에서, AlN, GaN 등의 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(버퍼층)은 약 400℃의 저온에서 사파이어와 같은 기판 상에 직접 형성된다. 그러나, 금속 질화물층은, 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체가 약 1000℃의 고온에서 성장할 때 바람직한 결정으로서 얻어질 수 있다. 따라서, 양호한 결정성의 버퍼층 상에 형성된 제2의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 결정성이 또한 향상된다.
약 1000℃의 온도는 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(버퍼층) 상에 형성된 제2의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(소자 기능 형성층)의 성장 온도와 실질적으로 동일하다. 따라서, 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체가 MOCVD법에 의해 형성될 때, 성장 온도는 바람직하게는 600℃ 내지 1200℃의 범위, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 1200℃의 범위가 되도록 선택된다.
제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(버퍼층)의 성장 온도가 이러한 방식으로 제2의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(소자 기능 형성층)의 성장 온도와 동일하게 설정될 때, MOCVD법의 실행시의 온도 조절이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층으로 구성된 버퍼층이 스퍼터링법에 의해 금속 질화물층 상에 형성되는 경우에도, 버퍼층은 MOCVD법(성장 온도: 1000℃)에 의해 버퍼층이 형성되는 경우와 동일하거나 더욱 바람직한 결정성을 갖는 버퍼층으로서 얻어질 수 있다. 따라서, 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층 상에 형성된 제2의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 결정성이 또한 향상된다. 더욱이, 제1의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(버퍼층)이 스퍼터링법에 의해 형성되는 경우, MOCVD법과 비교할 때 원재료로서 TMA, TMI 등과 같은 고가의 유기 금속이 사용될 필요가 없다. 따라서, 소자가 저렴하게 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
본 실시예는 발광 다이오드(10)를 나타낸다. 도1은 발광 다이오드(10)의 구성을 도시한다.
각각의 층의 사양은 하기와 같다.
층 : 조성 : 도펀트
p형층(18): p-GaN : Mg
발광층을 포함하는 층(17): InGaN의 층을 포함
n형층(16): n-GaN : Si
버퍼층(15): AlN
금속 질화물층(14): Ti0.97Al0.03N
Ti층(13): Ti
기판(11): 사파이어
n형층(16)은 발광층측을 포함하는 층(17)의 낮은 전자 농도의 n- 층과 버퍼층(15)측의 높은 전자 농도의 n+ 층을 갖는 2층 구조일 수 있다. 높은 전자 농도의 n+ 층은 "n형 접촉층"이라 칭한다.
발광층을 포함하는 층(17)은 초격자(superlattice) 구조에 한정되는 것은 아니다. 단일 헤테로형 구조, 이중 헤테로형 구조, 호모-접합형 구조 등이 발광 소자의 구조로서 사용될 수도 있다. 단일 양자 우물 구조가 또한 사용될 수도 있다.
넓은 띠 간격(band gap)을 가지며 마그네슘 등과 같은 억셉터(acceptor)가 도핑되어 있는 AlXInYGa1-X-YN(X=0, Y=0 및 X=Y=0을 포함)의 층이 발광층을 포함하는 층(17)과 p형층(18) 사이에 개재될 수도 있다. 이는 발광층을 포함하는 층(17) 내로 주입된 전자가 p형층(18) 내로 확산되는 것을 방지하기 위한 것이다.
p형층(18)은 발광층측을 포함하는 층(17)의 낮은 정공 농도의 p- 층과 전극측의 높은 정공 농도의 p+ 층을 갖는 2층 구조일 수 있다. 높은 정공 농도의 p+층은 "p형 접촉층"이라 칭한다.
Ti층(13)이 반응성 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 사파이어 기판의 a면 상에 형성된다. 질소가 순환되는 동안, Al이 타겟으로서 첨가되어 TiAlN층(14)이 반응성 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 Ti층(13) 상에 형성된다. 부수적으로, TiAl 합금이 또한 타겟으로서 사용될 수도 있다. 타겟은 또한 Al로 교체되어, AlN 버퍼층(15)이 반응성 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 형성된다. 부수적으로, AlN 버퍼층(15)의 형성이 생략될 수도 있다.
다음, AlN/TiAlN/Ti/사파이어의 샘플이 스퍼터링 장치로부터 MOCVD 장치의 챔버 내로 이송된다. 수소 가스 및 암모니아가 챔버 내로 순환되는 동안, 샘플은 1100℃로 가열되어 5분 동안 유지된다.
다음, 1100℃의 온도를 유지하면서, n형층(16)과 n형층(16) 이후의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층이 통상의 방법(MOCVD법)에 의해 형성된다. 이 성장법에서, 암모니아 가스와, 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA) 및 트리메틸인듐 (TMI)과 같은 Ⅲ족 원소 알킬 화합물의 가스가 적절한 온도로 가열된 기판 상에 공급되고 열분해 반응됨으로써, 기판 상에 소정의 결정이 성장된다.
이와 같이 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(16 내지 18)은 양호한 결정성을 갖는다.
투광성 전극(19)은 금을 포함하는 박막으로 구성된다. 투광성 전극(19)은 p형층(18)의 실질적으로 전체 상부면을 덮도록 적층된다. p형 전극(20)은 또한 금을 포함하는 재료로 구성된다. p형 전극(20)은 기상 증착에 의해 투광성 전극(19)상에 형성된다.
n형 전극(21)은 에칭에 의해 노출된 n-GaN층(16)의 표면 상에 기상 증착에 의해 형성된다. 부수적으로, AlN 버퍼층(15)이 MOCVD법에 의해 또한 형성될 수 있다.
(제2 실시예)
도2는 제2 실시예에 따른 발광 다이오드(25)를 도시한다. 또한, 제1 실시예와 동일한 요소는 제1 실시예와 동일한 도면 부호로 나타내며 그 설명은 생략한다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드(25)는, 도1에 도시한 발광 다이오드로부터 Ti층(13)이 생략되도록 구성된다. 금속 질화물층(14)이 사파이어 기판 상에 직접 형성된다.
또한, 전술한 바와 같이 구성된 발광 다이오드(25)에서, 우수한 결정성의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층(16 내지 18)이 얻어질 수 있다.
(제3 실시예)
도3은 제3 실시예에 따른 발광 다이오드(30)를 도시한다. 또한, 도2와 동일한 요소는 도2와 동일한 도면 부호로 나타내며, 그 설명은 생략한다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드(30)에서, n형 전극(21)이 금속 질화물층(14) 상에 형성되어 있는 구성이 도2에 도시한 발광 다이오드에 적용된다. 금속 질화물층(14)은 n-GaN층(16) 보다 높은 전기 도전 특성을 갖기 때문에, 전류가 전체적으로 더욱 균일하게 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층 내로 분포될 수 있다. 게다가, TiAlN의 금속 질화물층(14)은 n형 전극(21)과 동일한 원소(Al)를 포함하기 때문에, 접촉 저항이 감소될 뿐만 아니라 양자간의 밀착력이 향상될 수 있다.
(제4 실시예)
도4는 제4 실시예에 따른 발광 다이오드(40)를 도시한다. 또한, 도1과 동일한 요소는 도1과 동일한 도면 부호로 나타내며, 그 설명은 생략한다.
층 : 조성 : 도펀트
p형층(18): p-GaN : Mg
발광층을 포함하는 층(17): InGaN의 층을 포함
n형층(16): n-GaN : Si
버퍼층(15): AlN
금속 질화물층(14): Ti0.97Al0.03N
Ti층(13): Ti
기판(11): 실리콘 단결정 (111)
Si의 (111)면 상에 형성된 TiN층(13) 이후의 성장 방법은 제1 실시예와 동일하다.
또한, Si 기판층(41)은 전기 도전 특성을 갖기 때문에 n형 전극으로서 사용될 수 있다. 또한, AlN 버퍼층(15)은 MOCVD법에 의해 형성될 수 있거나, MOCVD법에 의해 형성될 필요가 없을 수도 있다. 또한, 10nm(100Å)의 막 두께를 갖는 Al층이 Si 기판(41)과 Ti층(13) 사이에 형성될 수도 있다. Ti층(13)은 생략될 수도 있다.
(제5 실시예)
도5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 소자를 도시한다. 본 실시예에 따른 반도체 소자는 발광 다이오드(50)이다. 또한, 도4와 동일한 요소는 도4와 동일한 도면 부호로 나타내며, 그 설명은 생략한다.
각각의 층의 사양은 하기와 같다.
층 : 조성 : 도펀트
n형층(58): n-GaN : Si
발광층을 포함하는 층(17): InGaN의 층을 포함
p형층(56): p-GaN : Mg
버퍼층(15): AlN
금속 질화물층(14): Ti0.97Al0.03N
Ti층(13): Ti
기판(41): 실리콘 단결정 (111)
도5에 도시한 바와 같이, p형층(56), 발광층을 포함하는 층(17) 및 n형층(58)이 버퍼층(15) 상에 순차적으로 성장하여, 발광 다이오드(50)를 형성한다. 상기 소자(50)의 경우, 저항치가 낮은 n형층(58)이 최상층으로서 사용되기 때문에 투광성 전극(도4의 도면 부호 19 참조)이 생략될 수 있다.
도면에서 도면 부호 59는 n 전극을 나타낸다. Si 기판(41)은 p 전극으로서 직접 사용될 수 있다.
부수적으로, AlN 버퍼층(15)이 MOCVD법에 의해 형성될 수 있거나 MOCVD법에 의해 형성될 필요가 없을 수도 있다. 또한, 10nm(100Å)의 막 두께를 갖는 Al층이 Si 기판과 Ti 사이에 형성될 수도 있다. Ti층(13)은 생략될 수도 있다.
(제6 실시예)
도6a 및 도6b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 또한, 도6a 및 도6b에서 제1 실시예와 동일한 요소는 제1 실시예와 동일한 도면 부호로 나타내며, 그 설명은 생략한다. 본 실시예에서, TiAlN층(64)의 막 두께는 80㎛로 형성된다. 반도체층(15 내지 18)은 MOCVD법에 의해 TiAlN층(64) 상에 형성된다(도6a 참조). 다음, Ti층(13)은 TiAlN층(64)으로부터 기판을 분리하도록 왕수(aqua regia)로 화학적으로 에칭된다(도6b 참조). 전극(19, 20, 61)이 제1 실시예와 동일한 방식으로 기상 증착에 의해 형성되어, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(60)가 얻어진다.
본 실시예는 반도체층(15 내지 18)이 형성된 후 에칭에 의해 Ti층(13)이 제거되는 경우를 설명하였지만, Ti층(13)은 반도체층들이 일부 형성된 후에 제거될 수도 있다. Ti층(13)은 TiAlN층(64)이 형성된 직후에 에칭에 의해 제거될 수도 있다. 즉, TiAlN의 기판이 얻어진다.
이와 같이 얻어진 발광 다이오드(60)는 그 기판으로서 벌크 TiAlN 기판을 갖는다. TiAlN은 전기 도전 특성을 갖기 때문에, TiAlN 기판(64) 자체가 전극으로서 사용될 수도 있다. 게다가, TiAlN은 금속 광택을 갖기 때문에, 발광층을 포함하는 층으로부터 방출된 광은 발광 관측면측(도면의 상부측)을 향해 효과적으로 반사될 수 있다.
(제7 실시예)
도7a 및 도7b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 또한, 도6a 및 도6b와 동일한 요소는 도6a 및 도6b와 동일한 도면 부호로 나타내며, 그 설명은 생략한다. 본 실시예에서, p형층(76), 발광층을 포함하는 층(17) 및 n형층(78)이 MOCVD법에 의해 버퍼층(15) 상에 순차적으로 성장한다. 본 실시예의 경우, 저항치가 낮은 n형층(78)이 최상층으로서 사용되기 때문에 투광성 전극(도6b의 도면부호 19 참조)이 생략될 수 있다.
다음, Ti층(13)은 TiAlN층(64)으로부터 기판을 분리하도록 왕수로 화학적으로 에칭된다(도7b 참조). 전극(79)은 제5 실시예와 동일한 방식으로 기상 증착에 의해 형성되어, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(70)가 얻어진다.
본 실시예에서는 반도체층(76, 17, 78)이 형성된 후에 Ti층(13)이 에칭에 의해 제거되는 경우를 설명하였지만, Ti층(13)은 반도체층들이 일부 형성된 후에 제거될 수도 있다. Ti층(13)은 TiAlN층(64)이 형성된 직후에 에칭에 의해 제거될 수도 있다. 즉, TiAlN의 기판이 얻어진다.
이와 같이 얻어진 발광 다이오드(70)는 그 기판으로서 벌크 TiAlN 기판을 갖는다. TiAlN은 전기 도전 특성을 갖기 때문에, TiAlN 기판(64) 자체가 전극으로서 사용될 수도 있다. 게다가, TiAlN은 금속 광택을 갖기 때문에, 발광층을 포함하는 층으로부터 방출된 광은 발광 관측면측(도면의 상부측)을 향해 효과적으로 반사될 수 있다.
전술한 실시예는 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 버퍼층이 형성된 경우를 설명하였지만, MOCVD법 등(단, 성장 온도가 1000℃의 고온임)에 의해 형성될 수도 있다.
본 발명이 적용되는 소자는 전술한 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 발명은 또한 광검출기, 레이저 다이오드, 태양 전지 등과 같은 광학 소자와, 정류기, 사이리스터, 트랜지스터 등과 같은 쌍극 소자(bipolar device)와, FET 등과 같은 단극 소자(unipolar device) 및 마이크로파 소자 등과 같은 전자 기기에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 소자들의 중간체인 적층체(laminate)에 적용될 수도 있다.
본 발명은 상기 발명의 실시의 형태 및 실시예의 기재에만 한정되는 것은 아니며, 특허 청구 범위의 범위를 일탈하지 않고, 이 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 수 있는 다양한 변형을 포함한다.
본 발명을 특정 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경 및 변형이 수행될 수 있다는 것은 이 기술 분야의 숙련자들에게는 명백할 것이다.
본 출원은 그 내용이 본 명세서에서 참고하게 되는 2001년 1월 15일 출원된 일본 특허 출원(특허 출원 제2001-007038호)에 기초한다.
이하, 다음 사항을 개시한다.
첫째로, 실리콘 기판과, 실리콘 기판 상에 형성되고, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층 및 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자가 개시된다. 금속 A는 Al이고 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자는 발광 소자 또는 광검출기로서 사용될 수 있다.
둘째로, 사파이어 기판과, 사파이어 기판 상에 형성되고, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층 및 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자가 개시된다. 금속 A는 Al이고 조성 x는0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자는 발광 소자 또는 광검출기로서 사용될 수 있다. 또한, 금속 질화물층은 전기 도전 특성을 가지므로, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 에칭에 의해 노출된 금속 질화물층의 부분에 n 전극이 형성될 수 있다.
셋째로, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층 및 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 적층체가 개시된다. 금속 A는 Al이고 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, Ti층이 기판과 금속 질화물층 사이에 제공될 수도 있다. 또한, 적층체는 발광 소자 또는 광검출기로서 사용될 수 있다.
넷째로, 기판 상에 티타늄층을 형성하는 단계와, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 금속 질화물층이 형성되도록 티타늄층 상에 금속 질화물층을 형성하는 단계 및 금속 질화물층 상에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 적층체 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은 티타늄층을 화학적으로 에칭함으로써 금속 질화물층으로부터 기판을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 금속 A는 Al이고 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, 기판은 사파이어, 탄화 실리콘, 질화 갈륨, 실리콘, 인화 갈륨, 지르코늄 다이보라이드 및 비화 갈륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
다섯째로, 실리콘 기판과, 실리콘 기판 상에 형성되며, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층 및 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 적층체가 개시된다. 금속 A는 Al이고 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, 적층체는 발광 소자 또는 광검출기로서 사용될 수 있다.
여섯째로, 사파이어 기판과, 사파이어 기판 상에 형성되며, A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층 및 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 구비하는 적층체가 개시된다. 금속 A는 Al이고 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것이 바람직하다. 또한, 적층체는 발광 소자 또는 광검출기로서 사용될 수 있다. 또한, 금속 질화물층은 전기 도전 특성을 가지므로, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층의 에칭에 의해 노출된 금속 질화물층의 부분에 n 전극이 형성될 수 있다.

Claims (10)

  1. A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 형성된 금속 질화물층과,
    상기 금속 질화물층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 A는 Al인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 A의 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서, 기판 및 상기 기판과 상기 금속 질화물층 사이에 형성된 Ti층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자는 발광 소자 또는 광검출기인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자.
  6. 기판 상에 티타늄층을 형성하는 단계와,
    A가 Al, Ga 및 In으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속인, (Ti1-xAx)N으로 금속 질화물층이 형성되도록 상기 티타늄층 상에 금속 질화물층을 형성하는 단계와,
    상기 금속 질화물층 상에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 티타늄층을 화학적으로 에칭함으로써 상기 금속 질화물층으로부터 상기 기판을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 금속 A는 Al인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 금속 A의 조성 x는 0.01 내지 0.6인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, 탄화 실리콘, 질화 갈륨, 실리콘, 인화 갈륨, 지르코늄 다이보라이드 및 비화 갈륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 부재인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 제조 방법.
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