KR20090048138A

KR20090048138A - 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090048138A
Application number: KR20070114367A
Authority: KR
Inventors: 이승재; 백종협; 이상헌; 김윤석; 김상묵; 진정근; 유영문; 염홍서
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-13

Abstract

본 발명은 패턴화된 유전체 막이 증착되어 있는 기판 상에 질화물 박막층을 성장시킴으로써, 박막층 내의 결정결함과 응력이 최소화되는 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

실리콘 기판, 소정의 형상으로 패턴화된 유전체 막으로서, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 유전체 막, 및 상기 패턴화된 유전체 막이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다.

실리콘 기판, 갈륨 질화물, 유전체 막, 결함, 응력

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 {NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패턴화된 유전체 막이 증착되어 있는 기판 상에 질화물 박막층을 성장시킴으로써, 박막층 내의 결정결함과 응력이 최소화되는 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

발광 소자(light emitting diode; LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태를 발신하는데 사용되는 소자이다.

Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode; LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다. 이와 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire:Al2O3) 또는 SiC를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이다. LED의 발광 효율은 내부 양자 효 율과 광추출 효율에 의해 결정되며, 발광 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 광추출 효율을 향상시키기 위한 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다.

도 1은 종래의 사파이어 기판(110) 상에 갈륨 질화물(130)을 성장시킨 구조를 나타낸다.

상기 갈륨 질화물(130)은 갈륨(Ga)이 함유된 유기금속화합물(트리메틸갈륨, (CH₃)₃Ga, 트리에틸갈륨, (C₂H₅)₃Ga과 질소 원자(N)가 함유된 암모니아를 이용하여 고온에서 열분해시켜 얻을 수 있으며, 갈륨 질화물(130)의 성장은 화학증착법(CVD, chemical vapor deposition)등에 의해 이루어질 수 있다.

이 방법은 1000℃ 이상의 높은 온도에서 박막 성장이 진행되기 때문에 갈륨 질화물 박막(130)과 사파이어 기판(110) 간의 34% 정도의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)와 16％ 정도의 격자부정합(lattice mismatch) 때문에 계면으로부터 야기되는 결정결함(전위결함, 점결함, 선결함 등)과 응력(stress) 등이 갈륨 질화물 박막(130) 위쪽까지 전개되어 구조적, 광학적, 전기적 특성이 우수한 갈륨 질화물 결정을 성장시키기 어렵다.

이를 극복하기 위한 가장 대표적인 방법은 버퍼층을 사용하는 것으로서, 450℃ 내지 600℃ 정도에서 Al_xGa_yIn_zN 막 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)을 성장시킨 후에 성장을 멈추게 하고, 온도를 높여 낮은 온도에서 성장된 Al_xGa_yIn_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)을 중화핵(nuclei)으로 형성시키고, 이것을 씨 앗으로 하여 고품질의 GaN 기반 질화막을 성장시키는 방법이다.

상기 버퍼층으로는, AlN 버퍼층, LT-AlGaN 버퍼층, LT-AlGaInN 버퍼층, LT-AlInN 버퍼층 등이 사용되고 있다.

그러나, 이러한 방식으로 갈륨 질화물 박막을 성장시킨다 하더라도, 갈륨 질화물 박막이 10¹⁰ 내지 10¹²/㎠ 정도의 결함 밀도(dislocation density)를 가지게 되는 문제점이 있다.

또한, 위와 같이 낮은 온도에서 사파이어 기판 위에 버퍼층을 성장하는 것이 아니라, 높은 온도에서 바로 기판 위에 GaN 기반 질화막 반도체를 성장시키는 경우도 있으나, 아직 개선할 여지가 많은 상황이다.

도 2는 종래 실리콘 기판(210)에 Al이 함유된 유기금속화합물(트리메틸알루미늄 TMAl;(CH₃)₃Al)과 암모니아를 500~1200℃에서 열 분해시켜 수십 내지 수백 나노미터(nm) 두께의 얇은 AlN 층(230)을 형성한 후 갈륨 질화물 박막(250)을 형성한 구조를 나타낸다.

20nm 이하 두께의 AlN 층을 이용할 경우, 실리콘 기판 위에 AlN의 중화핵(nuclei)이 완전하게 표면을 덮지 못하여, 2차원 핵성장을 일으키지 못한다.

또한 AlN 박막(230)이 완전하게 실리콘 기판(210)을 덮지 못하여, 초기에 SiN_x 박막을 성장시켜, 질화물 박막(250)의 결정성 향상에 기여하지 못한다.

또한 200 nm 이상의 AlN 박막을 이용하게 되면, AlN의 핵성장(grain) 크기는 증가하고, 결정결함 밀도는 감소하지만 그 위에 성장하는 질화물 갈륨 박막(250)은 인장 응력(tensile stress)이 증가하게 되며, 광학적, 구조적 특성이 나빠지게 된다.

결국 이와 같은 방법은 실리콘과 갈륨 질화물을 AlN라는 완충층을 이용하여 격자 불일치성을 줄일 수 있으나, 잔류 응력으로 인하여 성장된 갈륨 질화물 박막에서 심각한 크랙이 발생하거나, 실리콘 기판과 AlN 박막의 계면에서 SiN_x 박막을 형성하게 되어, 성장된 갈륨 질화물 물성에 심각한 영향을 미쳐 갈륨 질화물을 이용하여 소자를 제작할 때, 누설전류의 증가, 동작전압 증가, 신뢰성 저하의 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 패턴화된 유전체 막이 증착되는 실리콘 기판 상에 갈륨 질화물 박막을 성장시킴으로써, 패턴화된 유전체 막에 의해 갈륨 질화물의 결정결함 및 응력이 제어되어 고품질의 갈륨 질화물 결정이 성장되게 되고, 이에 따라 에너지의 손실이 최소화되는 고효율의 질화물계 발광소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 다른 목적은 패턴화된 유전체 막이 증착되는 실리콘 기판 상에 갈륨 질화물 박막을 성장시킴으로써, 갈륨 질화물의 결정결함 및 응력이 최소화되는 고효율의 질화물계 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 실리콘 기판, 소정의 형상으로 패턴화된 유전체 막으로서, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 유전체 막, 및 상기 패턴화된 유전체 막이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자를 제공한다.

상기 패턴의 형상은 원 또는 다각형일 수 있다.

상기 질화물 박막층의 조성은 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)일 수 있다.

상기 질화물 박막층은 단층 또는 2층 이상의 복층으로 구성될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 실리콘 기판 상에 유전체 막을 패턴화하는 단계, 및 상기 유전체 막이 패턴화된 상기 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법이 제공된다.

상기 실리콘 기판 상에 유전체 막을 패턴화하는 단계는, 상기 실리콘 기판 상에 유전체 막을 증착하는 단계, 상기 유전체 막 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계, 상기 포토레지스트에 소정 패턴을 형성하여 마스크 포토레지스트를 형성하는 단계, 상기 유전체 막에 있어서, 그 위에 상기 마스크 포토레지스트가 코팅되지 않은 부분을 제거하는 단계, 및 상기 마스크 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 질화물 박막층은 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)의 조성을 갖을 수 있다.

질화물 박막층을 형성하는 단계는, 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 또는 스퍼터링법에 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 패턴화된 유전체 막이 증착되는 실리콘 기판 상에 갈륨 질화물 박막을 성장시킴으로써, 패턴화된 유전체 막에 의해 갈륨 질화물의 결정결함 및 응력이 제어되어 고품질의 갈륨 질화물 결정이 성장되게 되고, 이에 따라 에너지의 손실이 최소화되어 고효율의 발광소자를 얻을 수 있다.

또한, 질화물계 발광소자에 있어서, 갈륨 질화물의 결정성을 향상시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 질화물계 발광소자(300)는 기판(310), 상기 기판 상에 형성되는 유전체 막(330) 및 질화물 박막층(350)을 포함한다.

기판(310)은 통상의 질화물계 발광소자에 사용되는 실리콘 기판일 수 있고, 이러한 실리콘 기판을 사용함으로써, 갈륨 질화물 결정을 대면적에 걸쳐서 성장시킬 수 있는 것이다.

유전체 막(330)은 기판(310) 상부에 소정 형상으로 패턴화된 상태로 형성된다.

유전체 막(330)의 패턴은 직선, 원, 사각형, 또는 육각형 패턴의 어느 것이나 가능하나, 이러한 특정한 형태에 제한되는 것은 아니다.

또한, 이들 유전체 막 패턴에 있어서, 유전체 막 패턴의 중심들 간 거리는 0.1~50,000㎛, 하나의 유전체 막 패턴 넓이는 0.1 ㎛²~ 500 ㎟ 으로 하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 유전체 막 패턴의 높이는 1 nm ~ 10,000 nm 로 하는 것이 바람직하나, 이 또한 이에 제한되는 것은 아니다.

질화물 박막층(350)은 상기 유전체 막(330)이 패턴화된 기판(310) 상에 형성된다. 질화물 박막층(350)은 주기율표상 3족 원자를 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 등의 기체)와 질소원자를 포함하는 기체(예를 들어, 암모니아(NH₃), 하이드라진(H₂NNH₂) 등의 기체)를 원료로 하여 형성되는 물질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)의 조성을 가질 수 있다. 이러한 질화물 박막층(350) 성장에 의해, 갈륨 질화물 결정이 얻어질 수 있다.

이렇게, 기판(310) 상에 형성되는 패턴화된 유전체 막(330)을 이용하여 질화물 박막층(350)을 형성시킴으로써, 상기 유전체 막(330)이 결정결함과 응력이 질화물 박막층(350)에까지 전달되는 것을 방지하는 역할을 하게 되어, 갈륨 질화물 결정의 결함이 최소화되고, 응력이 작아질 수 있으며, 이에 의해 에너지 손실이 최소화되어 고효율을 가지는 발광소자가 얻어질 수 있는 것이다.

도 4a 내지 4g는 도 3의 질화물계 발광소자의 제조 과정을 설명하는 공정도이다. 질화물계 발광소자의 제조에는 포토리소그래피 공정이 사용될 수 있다.

먼저, 도 4a 및 도 4b에 도시되는 바와 같이, 실리콘 기판 등의 기판(310) 상에 유전체 막(330)을 증착한다.

그 후, 도 4c에 도시되는 바와 같이, 상기 유전체 막(330) 상에 포토리소그래피를 위한 포토레지스트(370)를 균일하게 코팅한다. 상기 포토레지스트(370)로서는 포지티브(positive) 포토레지스트, 네가티브(negative) 포토레지스트, 또는 이미지 리버스 형 포토레지스트 등 어느 형태의 포토레지스트를 사용해도 되며, 필요에 따라 다른 종류의 포토레지스트를 선택적으로 사용할 수 있다.

다음으로, 노광공정을 거쳐, 도 4d에 도시되는 바와 같이, 포토레지스트(370)에 3차원 구조의 형상, 즉, 패턴을 형성시킨다. 이 패턴은 형성시키고자 하는 유전체 막(330)의 패턴에 대응하여 형성시켜야 하며, 패턴은 필요에 따라 달라질 수 있다. 도 4d에서는 사각형 형태의 패턴을 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이, 원, 직선형, 정사각형, 다각형 형상의 다양한 패턴을 형성시킬 수 있다.

예를 들어, 사각형 형태의 패턴을 형성시키는 경우에는, 패턴의 폭을 0.5 ~ 100 ㎛, 패턴간 간격을 0.5 ~ 50,000 ㎛ 로 하는 것이 바람직하다. 사각형 형태의 패턴으로 하게 되면, 기판(310)과 후에 성장되는 질화물 박막층(350)사이의 스트레스가 완화될 수 있고, 이에 따라 결정성이 상대적으로 우수한 질화물 박막층(350)을 얻을 수 있게 된다. 패터닝된 포토레지스트(370)는 리소그래피 공정에 있어서 식각(eching)용 마스크로 이용된다.

다음으로, 도 4e에 도시되는 바와 같이, 유전체 막(330)에 있어서, 그 위에 패터닝된 포토레지스트(370)가 증착되지 않은 부위를 식각 공정을 이용하여 제거해 낸다.

그 후, 도 4f에 도시되는 바와 같이, 포토레지스트(370)를 제거해낸다. 제거 방법으로는 용제세척법, 건식세척법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 용제세척법을 사용하여 포토레지스트(370)를 제거할 때에는 H₂SO₄:H₂O₂ 등의 용제를 사용할 수 있고, 건식세척법을 사용할 때에는 Ar 과 산소 등의 혼합기체를 이용한 플라즈마형 제거기를 이용하여 제거할 수 있다.

마지막으로, 도 4g에 도시되는 바와 같이, 유전체 막(330)이 패터닝된 기판(310) 상에 질화물 박막층(350)을 성장시킨다. 전술한 바와 같이, 질화물 박막층(350)은 주기율표상 3족 원자를 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 등의 기체)와 질소원자를 포함하는 기체(예를 들어, 암모니아(NH₃), 하이드라진(H₂NNH₂) 등의 기체)를 원료로 하여 형성될 수 있다.

또한, 질화물 박막층(350)은 동일한 화학양론적 조성을 가지는 단층으로 형성되어질 수 있고, 서로 다른 화학양론적 조성을 가지는 2이상의 층들이 적층되어 형성될 수도 있다.

한편, 질화물 박막층(350)의 성장은 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 혹은 스퍼터링법 등의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 성장 환경으로는, 400~1200℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하 며, 총 두께는 100 Å~20 ㎛ 정도로 성장시키는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 유전체 막(330)이 질화물 박막층(350)에 까지 결정결함과 응력이 전달되는 것을 방지하게 된다.

또한, 패터닝된 유전체 막(330)이 증착된 기판(310) 상에 질화물 박막층(350)을 성장시킬 때, 유전체 막(330)의 상부에는 질화물 박막층(350)의 성장이 거의 일어나지 않게 되고, 유전체 막(330)이 제거된 기판(310) 표면에만 질화물이 성장되게 되며, 이에 따라, 발광소자를 칩 크기로 제조할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자(300)에 있어서, 질화물 박막층(350)의 성장결과를 나타낸다.

도 6을, 도 5에 도시되는 종래의 발광소자에 있어서의 질화물 성장결과, 즉, 평탄한 AlN 박막이 성장된 실리콘 기판 위에 성장되는 갈륨질화물과 비교하여 보면, 질화물 결정에 있어서 결정결함과 응력이 줄어든 것을 확인할 수 있다.

이러한 결정결함 및 응력이 줄어듦으로써, 에너지 손실이 최소화되고, 이에 따라 고효율을 가지는 발광소자의 구현이 가능해진다.

또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 실리콘 기판을 사용하므로 대면적의 갈륨 질화물 결정을 성장시킬 수 있으며, 갈륨 질화물을 이용한 FET, LED, 센서 등에 이용될 수도 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변 형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

도 1은 종래 사파이어 기판 위에 성장시킨 갈륨 질화물 박막의 구조도이다.

도 2는 종래 실리콘 기판 위에 성장시킨 갈륨 질화물 박막의 구조도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 발광소자의 구성을 나타내는 구조도이다.

도 4a 내지 4g는 도 3의 질화물계 발광소자를 제조하는 공정을 나타내는 공정도이다.

도 5는 종래의 실리콘 기판 위에 갈륨 질화물을 형성한 결과의 일례이다.

도 6은 본 발명의 실리콘 기판 표면에 선택적으로 갈륨 질화물 박막을 성장시킨 결과의 일례이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110: 사파이어 기판 130: 갈륨질화물 박막

210: 실리콘 기판 230: 질화알루미늄(AlN)층

250: 갈륨질화물 박막 310: 기판

330: 유전체 막 350: 질화물 박막층

370: 포토레지스트

Claims

실리콘 기판;

소정의 형상으로 패턴화된 유전체 막으로서, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 유전체 막; 및

상기 패턴화된 유전체 막이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 질화물 박막층을 포함하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 패턴의 형상은 원 또는 다각형인, 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 질화물 박막층의 조성은 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)인, 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 질화물 박막층은 단층 또는 2층 이상의 복층으로 구성되는, 질화물계 발광소자.
실리콘 기판 상에 형성되는 유전체 막을 패턴화하는 단계; 및

패턴화된 상기 유전체 막이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 질화물 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 유전체 막을 패턴화하는 단계는,

상기 실리콘 기판 상에 유전체 막을 증착하는 단계;

상기 유전체 막 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계;

상기 포토레지스트에 소정 패턴을 형성하여 마스크 포토레지스트를 형성하는 단계;

상기 유전체 막에 있어서, 그 위에 상기 마스크 포토레지스트가 코팅되지 않은 부분을 제거하는 단계; 및

상기 마스크 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자의 제조방법.