KR20090028289A - 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를이용하여 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 - Google Patents

질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를이용하여 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

저온에서 우수한 품질의 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시킬 수 있는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 우수한 전기적 특성을 갖고 발광효율이 높으며 제품의 신뢰성이 보장되는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자가 제안된다. 본 발명에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법에서 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 기판을 준비하고, 이 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시켜 제조되는데, 이 때, 질소전구체는 NH3 및 히드라진계 질소전구체이다.
히드라진계 질소전구체, NH3

Description

질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자{Manufacturing method of gallium nitride-based light emitting device and gallium nitride-based light emitting device manufactured by the same}
본 발명은 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저온에서 우수한 품질의 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시킬 수 있는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 우수한 전기적 특성 및 발광효율이 높고 신뢰성이 보장되는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
Ⅲ-V 질화물계 화합물 반도체를 사용한 소자는 그 용도가 여러 분야로 넓혀져 예를 들면, 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 발광소자, 태양전지 및 광센서 등의 수광소자, 또는 트랜지스터 및 파워디바이스 등의 전자디바이스에서의 사용에 대하여도 활발히 연구되고 그 결과물이 사용되고 있다. 이들 물질을 이용한 LD 및 LED는 총 천연색 전광판, 교통신호등, 또는 이미지 스캐너 광원 등의 각종 광원과 고밀도 광기록 매체의 개발 등을 위해서 필수적으로 그 응용이 요철되고 있다.
이 중, 발광소자로서는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며, 적은 전력으로 원하는 파장의 빛을 발광하고, 수은과 같은 환경유해물질 방출을 억제할 수 있어서 에너지 절약 및 환경보호 측면을 고려하여 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
GaN 계열 LED의 경우, 내부양자효율이 비교적 우수하여 광발생측면에서 높은 효율을 갖는다. 이들 GaN계 반도체 발광소자를 제작하기 위해서는, 사파이어 기판과 같은 기판상에 필요에 따라 버퍼층을 성장시키고, 도전성이 서로 다른 GaN층 사이에 활성층을 형성한다. 도 1은 종래의 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에서, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법에 의하여 제조하는 경우, 반응기(10)에 질소전구체 및 갈륨 전구체가 투입되는 것을 나타내는 개략도이다.
도1에서, 질소전구체로서는 NH3가 투입된다. NH3의 경우, 반도체층 성장속도 제어가 용이하고, 식각이 용이한 공정상의 이점으로 인하여 질화갈륨계 반도체층 성장시 질소전구체로서 사용된다. 그러나, 이 경우 N의 크래킹(cracking) 온도가 높고 성장시 혼성화(incorporation) 비율이 낮아서 성장된 박막의 N 공공이 다수 존재하게 되어 결함으로 작용할 수 있고, 또한 비발광중심으로 작용할 수 있는 단점이 있다. 이 경우, 소자의 특성 및 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 보다 효과적으로 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 전기적 특성 및 발광효율을 향상시킬 수 있는 방안이 요청되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저온에서 우수한 품질의 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시킬 수 있는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 우수한 전기적 특성을 갖고 발광효율이 높으며 제품의 신뢰성이 보장되는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함하는데, 질소전구체는 NH3 및 히드라진계 질소전구체인 것을 특징으로 한다.
여기서, 히드라진계 질소전구체는 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 및 터셔리부틸히드라진 중 어느 하나일 수 있고, 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 반응기내 에서 CVD방법에 의하여 제조될 수 있어서, 히드라진계 질소전구체는 캐리어 가스를 이용하여 반응기내로 도입하여 사용될 수 있다. 여기서, 캐리어 가스는 수소, 질소 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나일 수 있다.
질화갈륨계 화합물 반도체층의 성장은 500℃ 내지 1200℃의 온도에서 성장시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 성장한 질화갈륨계 화합물 반도체층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자로서, 질소전구체가 NH3 및 히드라진계 질소전구체인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자가 제공된다.
여기서, 히드라진계 질소전구체는 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 및 터셔리부틸히드라진 중 어느 하나일 수 있고, 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 질화갈륨계 반도체의 성장시, 저온에서부터 질소전구체로서 작용할 수 있는 히드라진계 질소전구체를 사용하여 우수한 품질 의 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 전기적 특성이 우수하고 발광효율이 높아 제품의 신뢰성이 보장되는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자가 제조된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에서, 반응기에 질소전구체 및 갈륨 전구체가 투입되는 것을 나타내는 개략도이다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 성장한 질화갈륨계 화합물 반도체층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자로서, 질소전구체가 NH3 및 히드라진계 질소전구체인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광소자가 제공된다.
도 2를 참조하면, 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 기판(100), 제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(130)을 포함한다.
기판(100)은 제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(130)을 성장시키기 위한 성장기판이다. 기판(110)은 사파이어 또는 스피넬(MgAl2O4)과 같은 부도전성 기판, 또는 SiC, Si, ZnO, GaAs, 및 GaN와 같은 도전성기판 등을 이용할 수 있다. 특히, 기판(110)은 사파이어 기판일 수 있는데, 사파이어 기판은 다른 기판과 비교하여 반도체층과의 결정격자상수가 유사한 장점이 있어 성장기판으로서의 이점이 있다.
바람직하게는 기판(110)과 제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(110) 사이에 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(미도시)은 GaN계 혹은 GaN/SiC계 물질로 구성되는 다층막 형태일 수 있다. 버퍼층(미도시)을 성장시키고, 그 상면에 반도체층을 성장시키면 기판과의 결정격자상수 차이에 의한 결함을 감소시켜 발광소자의 신뢰성을 높일 수 있다.
제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(110) 및 제2도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(130)은 GaN계 반도체로 형성될 수 있는데, 각각 n형 반도체층 및 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. n형 질화갈륨계 화합물 반도체층의 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, 및 Sn 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 한편, p형 질화갈륨계 화합물 반도체층의 불순물로는, Mg, Zn, 및 Be 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
활성층(120)은 발광을 활성화시키는 층으로서, 제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(110) 및 제2도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층(130)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하여 형성한다. 예를 들어 제1도전형 반도체층(120) 및 제2도전형 반도체층(140)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, GaN계 화합물 반도체의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN계 화합물 반도체를 이용하여 활성층(120)을 형성할 수 있다. 이때, 활성층(120)의 특성상, 불순물은 도핑되지 않는 것이 바람직하며, 장벽의 높이나 우물층의 두께, 조성, 우물의 개수를 조정하여 파장이나 양자효율을 조절할 수 있다.
질화갈륨계 반도체층의 형성은 CVD 방법에 의하여 수행될 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에서는, 반응기(200)에 질소전구체로서, NH3 및 히드라진계 질소전구체가 함께 반응기(200)내에 투입된다.
전술한 바와 같이, 질화물계 반도체 성장에 있어서, 공정상의 이점등을 이유로 질소전구체에는 NH3의 사용이 일반적이었다. 질소전구체로 사용되고 있는 NH3는 열적으로 매우 안정한 물질이므로 1000℃ 이상에서도 10% 이하의 NH3만이 열분해된다. 열분해된 NH3는 질소전구체로 이용되어 질화물 반도체 성장에 기여하게 된다. 따라서, 고품질의 반도체 성장을 위하여 NH3의 열분해를 고려하여 고온에서 V/III 분율을 높인 조건을 적용하여 성장시킬 필요가 있다.
본 발명의 일실시예에서 질소전구체으로서, NH3 및 히드라진계 질소전구체가 사용된다. 히드라진계 질소전구체는 예를 들면, 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 및 터셔리부틸히드라진 중 어느 하나일 수 있다.
히드라진계 질소전구체는 비교적 저온인 500℃ 내지 700℃에서 열분해되어 질화물 반도체층 성장에 기여한다. 히드라진계 질소전구체는 소정온도에서 열분해되는 경우, 반응성이 우수한 NH2 라디칼을 생성한다. NH2 라디칼은 다른 라디칼보다 결합에너지가 낮아 질화물 반도체 성장에 기여도가 높을 수 있다. 또한, 생성된 NH2 라디칼은 NH3과 반응하여 NH3의 질소전구체로서의 기여를 촉진할 수 있다.
히드라진계 질소전구체는 비교적 저온에서부터 반도체 성장에 기여하고 NH3의 반도체 성장기여를 보조하는 장점이 있으나, NH3에 비하여 고가인 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 질소전구체로서, NH3 및 히드라진계 질소전구체를 함께 사용하여 질화물 반도체 성장공정을 저온에서부터 수행할 수 있도록 하면서 효율이 높아 V/III비율을 낮출 수 있다.
다시, 도3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 반응기(200)내에서 CVD법에 의하여 제조된다. 화학기상증착(CVD) 방법은 전구물질의 열분해 또는 기체화합물의 반응에 의해 기판의 표면에 박막을 형성하는 방법이다. CVD법에서의 반응기는 대기압 반응기, 플라즈마 반응기 또는 레이저를 이용한 반응기 등이 사용될 수 있다.
질소전구체로서 NH3 및 히드라진계 질소전구체가 사용되는데, 히드라진계 질소전구체가 반응기(200)내로 도입되기 위하여는 캐리어가스가 필요하다. 다만, NH3는 기체상태이므로 별도의 캐리어가스가 필요하지 않다.
사용될 수 있는 캐리어가스로는 수소, 질소 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
갈륨 전구체로서는 특히 한정되지 않으나, 예를 들면, 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨이 사용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 종래의 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에서, 반응기에 질소전구체 및 갈륨 전구체가 투입되는 것을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에서, 반응기에 질소전구체 및 갈륨 전구체가 투입되는 것을 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 200 반응기
100 기판
110 제1도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층
120 활성층
130 제2도전형 질화갈륨계 화합물 반도체층

Claims (9)

  1. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함하고,
    상기 질소전구체는 NH3 및 히드라진계 질소전구체인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히드라진계 질소전구체는 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 및 터셔리부틸히드라진 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 반응기내에서 CVD방법에 의하여 제조되고,
    상기 히드라진계 질소전구체는 캐리어 가스를 이용하여 반응기내로 도입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 수소, 질소 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 화합물 반도체층은 500℃ 내지 1200℃에서 성장하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 기판상에 질소전구체 및 갈륨전구체를 반응시켜 성장한 질화갈륨계 화합물 반도체층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 질소전구체는 NH3 및 히드라진계 질소전구체인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히드라진계 질소전구체는 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 및 터셔 리부틸히드라진 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자.
KR20070093773A 2007-09-14 2007-09-14 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 제조방법 및 이를이용하여 제조된 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자 KR20090028289A (ko)

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