KR20070096265A - 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법 및그것에 의해 형성된 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판위에 금속물질을 증착하는 단계와, 상기 금속물질이 증착된 기판위에 N 이온을 주입하여 질화물 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 기판위에 AlN 버퍼층을 형성하기 위해 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하던 종래기술에 비해 스퍼터링 공정을 통하여 Al을 증착한 후 N이온을 주입하여 형성함으로써 AlN 버퍼층 전체적으로 결정이 균일하며 결정 결함이 적은 버퍼층을 형성할 수 있다.

발광소자, 질화물 반도체, 버퍼층, AlN, 이온주입, 분자선증착법

Description

질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법 및 그것에 의해 형성된 질화물 반도체 발광소자{METHOD FOR FORMING BUFFER LAYER FOR A LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR AND LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR FORMED BY THE METHOD}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 공정 순서도.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 설명하기 위한 단면도.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법 및 그것에 의해 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판위에 금속물질을 증착한 후 증착된 금속물질에 N 이온을 주입하여 버퍼층을 성장시킴으로써 결함밀도가 작은 버퍼층을 형성하는 방법 및 그 방법에 의해 형성된 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증찹법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나, III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 위에 형성될 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광소자의 특성을 악화시킨다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(1)위에 버퍼층(2)을 형성한다. 버퍼층(2)은 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)로 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하여 형성된다.

버퍼층(2)을 형성할 경우, Al 및 Ga의 소오스 가스로 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH₃)₃)과 트리메틸갈륨(trimethyl galium; TMG, Ga(CH₃)₃)을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH₃)를 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응챔버 내에 유입시키고, 400~800℃에서 버퍼층(2)을 형성한다.

이어서, 반응챔버의 온도를 900~1200℃로 올려, 버퍼층(2) 위에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 반도체층(3)을 형성한다. 그 후, 반도체층(3)에 전극들을 형성하여 발광소자를 제조한다.

종래기술에 따르면, 반도체층과 기판 사이에 버퍼층을 형성하여, 기판과 반도체층 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 등의 발생을 감소시킬 수 있다.

그러나, 저온에서 성장된 버퍼층은 주로 기판에 수직으로 성장하므로 컬럼형상의 구조(columnar structure)를 갖는다. 또한, Al_xGa_(1-x)N(0≤x≤1)결정은 결정내 원자들 간의 결합력이 비교적 강하여, 컬럼형상의 구조내의 컬럼들 사이에서 계면 공백이 크고 결정스트레스가 크다. 한편, 반도체층은 그 하부에 위치한 버퍼층의 결정 구조, 결정질 및 컬럼의 크기 분포 등의 영향을 받는다. 즉, 버퍼층위의 반도체층에 버퍼층의 결정결함이 전사된다. 따라서, 버퍼층의 컬럼형상의 구조에 따른 결정결함은 반도체층의 결정결함으로 나타난다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 화합물 반도체 발광 소자를 제작하기 위해 버퍼층을 형성할 때 전체적으로 균일한 결정 특성을 가지며 결정결함 밀도를 감소시키는 데 있다.

이러한 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 의하면, 기판위에 금속물질을 증착하는 단계와, 상기 금속물질이 증착된 기판위에 N 이온을 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법을 제공한다.

상기 금속물질은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질인 것을 특징으로 한다.

상기 금속물질을 증착하는 단계는, 물리 기상 증착법에 의해 증착하는 것을 특징으로 한다.

상기 형성된 버퍼층에 어닐링을 수행하는 단계가 더 실행될 수 있다.

상기 N이온이 주입된 상기 버퍼층에 H, He, Ar, As, Xe 로 이루어지는 일 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온을 주입하는 단계가 더 실행될 수 있다.

또한, 상술한 방법에 의해 형성된 버퍼층을 이용하여 기판과, 상기 기판위에 금속물질이 증착되어 형성된 금속층에 N 이온이 주입되어 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층위에 형성되며 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층으로 이루어지는 반도체층을 포함하는 다양한 질화물 반도체 발광소자를 제작할 수 있다.

이때, 상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 버퍼층과 상기 반도체층 사이에 형성된 질화물 버퍼층을 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.

따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정순서도이고, 도 3 내지 도 5는 공정순서도에 따라 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(10)을 준비한다(S1). 기판은 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 산화리튬알루미늄(LiAlO₂) 또는 산화리튬갈륨(LiGaO₂) 등일 수 있으며, 바람직하게는 사파 이어 또는 SiC 기판일 수 있다.

기판(10)위에 금속 물질을 증착하여 금속층(20)을 형성한다(S2).

금속 물질의 증착은 물리 기상 증착법(PVD: Physical Vapor Deposition)을 사용하여 수행된다.

본 발명의 실시예에서는 물리 기상 증착법 중에서 스퍼터링(sputtering)을 사용하여 Al을 기판(10)에 수 내지 수십 ㎚로 증착한다.

본 발명의 실시예에서는 물리 기상 증착법 중에서 스퍼터링(sputtering)를 사용하여 Al의 증착을 수행하였지만 증발(evaporator)에 의한 물리 기상 증착법을 사용할 수 도 있다.

아울러, 본 발명의 실시예에서는 기판(10)위에 증착하는 금속 물질로 Ⅲ족 금속인 Al을 사용하였으나, Al외에도 Ga, In이 사용될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면 기판(10)위에 Al로 금속층(20)이 증착되면 금속층(20)에 N 이온을 주입하여 AlN 화합물의 버퍼층(21)을 형성한다(S3).

버퍼층(21)은 임플랜테이션(implantation) 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 금속층(20)에 N 이온을 주입하여 AlN 화합물의 버퍼층(21)을 형성하기 위해서는 55KeV의 가속 에너지로 N 이온을 주입한다.

이때, 이온의 가속 에너지를 조절하여 이온이 주입되는 깊이를 제어한다. 예를 들어, 이온의 가속 에너지는 10KeV 내지 100KeV로 사용이 가능하다.

또한, 상온에서 도펀트의 채널링을 최소화하기 위해서는 기판을 입사 빔에 대하여 7도 정도 기울여서 하는 것이 좋다.

버퍼층(21)에 주입되는 N 이온의 주입량은 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁷㎝^-2이 적절하다. 또한 이온 주입을 위한 전류밀도(current density)는 5.56㎂/㎠이 적절하다.

금속층(20)에 N 이온을 주입하여 버퍼층(21)을 형성할 때 N 이온 뿐만 아니라 H, He, Ar, As, Xe 이온 중에서 선택된 하나 또는 여러 개의 이온들을 주입하여 버퍼층(21)의 특성을 변화시킬 수 있다.

버퍼층(21)에 대한 N 이온 주입이 끝나면 N 이온이 주입된 버퍼층(21)의 상부를 유기 용매를 사용하여 세척한 후 160℃에서 H₂SO₄ : H₃PO₃= 3:1의 용액으로 에칭한다.

버퍼층(21)에 N 이온을 주입한 후 고온 또는 저온에서 수십 분 내지 수 시간동안 어닐링을 수행한다(S4).

어닐링을 수행하면 이온 주입시에 버퍼층(21)내에 형성된 응력을 제거할 수 있음에 따라 AlN 화합물의 결정 특성을 안정화시킬 수 있다.

따라서, 이온 주입시에 버퍼층(21)에 주입되는 이온의 깊이가 제어됨에 따라 버퍼층(21)은 전체적으로 Al에서 AlN 화합물로 변화된다.

상술한 공정을 통하여 기판(10)위에 금속물질이 증착되어 형성된 금속층에 위에 N 이온이 주입되어 형성된 버퍼층(21)이 제작되어 진다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 어닐링을 수행한 후 반응챔버의 온도를 900~1200℃로 하고 MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여, 버퍼층(21)위에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 반도체층(30)을 형성한다(S5). 그 후, 반도체층(30)에 전극들을 형성하여 발광소자를 제조한다.

이때, 반도체층(30)은 별도의 질화물 버퍼층없이 버퍼층(21)위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층이 차례대로 형성될 수 있다.

또한, 반도체층(30)은 버퍼층(21)위에 별도의 질화물 버퍼층이 형성된 후 그 질화물 버퍼층에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층이 형성될 수 도 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그렇지만, 구체적으로 설명된 것과는 다른 많은 기타 실시예들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 들어간다는 것을 관련 분야의 당업자들은 이해할 것이다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 III-V족 화합물 그중에서도 질화물 반도체의 하나인 AlN 버퍼층을 형성하기 위해 Al을 증착한 후 N 이온을 주입하는 것에 대하여 설명하였으나, Ⅲ족의 Al외에도 Ga, In을 사용하여 일반식 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2 원 내지 4 원 질화물 반도체 버퍼층을 형성할 수 도 있다.

아울러, 본 발명은 질화물 반도체 버퍼층 뿐만 아니라 반도체 버퍼층으로 사용될 수 있는 다양한 III-V족 화합물 반도체 버퍼층에 적용 가능하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 기판위에 AlN 버퍼층을 형성하기 위해 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하던 종래기술에 비해 스퍼터링 공정을 통하여 Al을 증착한 후 N 이온을 주입하여 형성함으로써 AlN 버퍼층 전체적으로 결정이 균일하며 결정 결함이 적은 버퍼층을 형성할 수 있다.

또한, 기판과 그 기판위에 형성된 질화물 반도체층과의 중간 물질 특성을 가지는 금속물질을 증착한 후 그 증착된 금속물질을 이용하여 질화물 화합물 버퍼층을 형성함으로서 그 버퍼층위에 형성될 반도체층의 결정결함 밀도를 감소시켜서 질화물 발광 소자의 광수율을 개선시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 기판위에 금속물질을 증착하는 단계와,

   상기 금속물질이 증착된 기판위에 N 이온을 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 금속물질은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 금속물질을 증착하는 단계는,

   물리 기상 증착법에 의해 증착하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 형성된 버퍼층에 어닐링을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 N이온이 주입된 상기 버퍼층에 H, He, Ar, As, Xe 로 이루어지는 일 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온을 주입하는 단계를 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성방법.
6. 기판과,

   상기 기판위에 금속물질이 증착되어 형성된 금속층에 N 이온이 주입되어 형성된 버퍼층과,

   상기 버퍼층위에 형성되며 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층으로 이루어지는 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 버퍼층과 상기 반도체층 사이에 형성된 질화물 버퍼층을 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자.

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