KR20100055187A - 산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법 - Google Patents

산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 산화갈륨기판; 상기 산화갈륨기판 상에 산화갈륨질화막; 상기 산화갈륨질화막 상에 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층이 포함된다.
산화갈륨기판

Description

산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A GALLIUM OXIDE SUBSTRATE, LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색, 녹색, UV 발광소자는 상용화되어 널리 사용되고 있다.
질화물 반도체 발광소자는 이종기판인 사파이어 기판 위에 유기 화학적으로 증착된 질화물 반도체층을 포함한다.
상기 사파이어 기판은 전기적으로 절연 특성을 갖기 때문에, 상기 질화물 반도체층에 전원을 인가하기 위해서 상기 질화물 반도체층을 일부 식각하거나 상기 사파이어 기판을 제거할 필요가 있다.
상기 질화물 반도체 발광소자는 전극층의 위치에 따라 래터럴 타입(Lateral Type)과 버티컬 타입(Vertical type)으로 구분할 수 있다.
상기 래터럴 타입의 질화물 반도체 발광소자는 상기 사파이어 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 질화물 반도체층의 상측에 두개의 전극층이 배치되도록 형성한다.
상기 버티컬 타입의 질화물 반도체 발광소자는 상기 사파이어 기판 상에 질화물 반도체층을 형성한 후, 상기 사파이어 기판을 상기 질화물 반도체층으로부터 분리하여 두개의 전극층이 각각 상기 질화물 반도체층의 상측 및 하측에 배치되도록 형성한다.
한편, 상기 래터럴 타입의 질화물 반도체 발광소자는 두개의 전극층을 형성하기 위해 질화물 반도체층의 일부를 제거해야 하고, 전류의 불균일한 분포를 갖기 때문에, 발광 특성에 대한 신뢰성 또는 효율성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 버티컬 타입의 질화물 반도체 발광소자는 상기 사파이어 기판을 분리해야 하는 문제가 있다.
따라서, 버티컬 타입의 질화물 반도체 발광소자, 특히 전도성 기판을 사용함으로써 기판을 분리할 필요가 없는 질화물 반도체 발광소자에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
실시예는 산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법을 제공한다.
실시예는 고품질의 질화물 반도체층이 형성될 수 있는 산화갈륨기판의 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 산화갈륨기판; 상기 산화갈륨기판 상에 산화갈륨질화막; 상기 산화갈륨질화막 상에 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층이 포함된다.
실시예에 따른 산화갈륨기판 제조방법은 산화갈륨기판이 준비되는 단계; 및 상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계가 포함된다.
실시예에 따른 발광소자 제조방법은 산화갈륨기판이 준비되는 단계; 상기 산화갈륨기판 상에 산화갈륨질화막을 형성하는 단계; 상기 산화갈륨질화막 상에 제1 도전형의 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계가 포함된다.
실시예는 산화갈륨기판 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예는 고품질의 질화물 반도체층이 형성될 수 있는 산화갈륨기판의 제조방법, 발광소자 및 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화갈륨기판 제조방법 및 발광소자 제조방법에 의해 제조된 발광소자를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 발광소자는 산화갈륨기판(10) 상에 제1 도전형의 반도체층(20), 활성층(30) 및 제2 도전형의 반도체층(40)이 형성되고, 상기 산화갈륨기판(10)이 하측에 제1 전극층(50)이 배치되고 상기 제2 도전형의 반도체층(40)의 상측에 제2 전극층(60)이 배치된다.
상기 산화갈륨기판(10)는 산화갈륨(Ga2O3)으로 형성될 수 있으며, 불순물 도핑에 의해 우수한 전기 전도성을 가질 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 n 타입의 도전형을 갖는 반도체층이 될 수 있으며, 예를 들어, n 형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)층이 될 수도 있다.
상기 활성층(30)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 및 제2 도전형의 반도체층(40)으로부터의 전자 및 정공이 결합되어 빛이 발생되는 층으로, 장벽층과 우물층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(30)은 질화갈륨층 및 인듐(In)이 포함된 질화갈륨층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 p 타입의 도전형을 갖는 반도체층이 될 수 있으며, 예를 들어, p 형 불순물이 주입된 질화갈륨층이 될 수도 있다.
상기 제1 전극층(50) 및 제2 전극층(60)은 도전 물질로 형성되며, 금속을 포함할 수도 있다.
도 1에 도시된 발광소자의 구조는 단지 예시에 불과할 뿐, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 발광소자의 제작함에 있어서, 도 1에 도시된 각각의 반도체층 사이에 도 1에서 설명되지 않은 반도체층이 추가될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)과 상기 제2 전극층(60) 사이에 n 타입의 도전형을 갖는 반도체층이 더 형성될 수도 있다.
한편, 산화갈륨은 고온에서 열화학적으로 불안정한 문제점이 있고 기계적으로 취약한 문제점이 있다.
산화갈륨의 결정 구조는 단사정계(monoclinic system)이며, 특정 결정면, 즉 (100) 및 (001) 결정면에 대하여 강한 벽개성을 갖는다. 따라서, 산화갈륨을 박막 형태로 제작하는 경우 층별 분리가 쉬운 문제점이 있고 기판의 표면 처리가 쉽지 않은 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 산화갈륨기판(10)의 표면처리를 통해 상기 산화갈륨기판(10) 상에 성장되는 질화갈륨층이 고품질의 박막으로 성장될 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 산화갈륨기판(10)이 준비된다(S100). 상기 산화갈륨기판(10)은 전기 전도성이 향상되도록 제1 도전형의 불순물, 예를 들어, 실리콘(Si)이 주입된 산화갈륨기판이 사용될 수 있다.
상기 산화갈륨기판(10)에 대해 습식 세척을 실시하여 산화갈륨기판(10)상의 유기물 및 무기물을 제거한다. 예를 들어, 상기 습식 세척은 먼저 유기 세척을 실시한 후 산 세척을 실시할 수도 있다.
상기 유기 세척은 아세톤과 메탄올 등을 이용하여 산화갈륨기판(10) 상의 이물질을 제거하기 위한 것이고, 산 세척은 불산, 황산 및 과산화수소 등을 이용하여 산화갈륨기판(10) 상에 돌기 형태로 존재하는 산화갈륨 입자들을 제거하기 위한 것이다.
예를 들어, 상기 유기 세척 방법으로 상기 산화갈륨기판(10)을 아세톤과 메탄올 각각에 담궈 3분씩 초음파 세척을 실시하고 탈이온수로 3분동안 초음파 세척을 실시할 수 있다.
한편, 산화갈륨기판(10)은 산화갈륨 결정 덩어리를 일정 크기 및 일정 결정학적 방향을 갖도록 기계적으로 절단하여 만든다. 따라서, 산화갈륨기판(10)의 표면에는 절단과정에서 발생된 표면 긁힘(scratch)이 존재한다.
도 3은 산화갈륨기판의 표면 긁힘을 보여주는 주사전자현미경의 사진이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 산화갈륨기판(10)에 다수의 표면 긁힘(15)이 발생된 것을 확인할 수 있다.
이러한 표면 긁힘(15)이 형성된 산화갈륨기판(10) 상에 질화갈륨층을 형성하는 경우, 고품질의 질화갈륨층이 형성되는 것이 어렵다. 이러한 표면 긁힘((15)은 습식 세척에 의해 제거되지 않는다.
도 4와 도 5는 표면 긁힘이 존재하는 산화갈륨기판 상에 100nm 두께의 질화갈륨층을 성장한 경우에 질화갈륨층의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진이다.
도 4에는 질화갈륨층의 표면에 주변과 다른 결정상(Phase)을 갖고 주변보다 돌출된 형태의 질화갈륨 패턴(12)이 형성된 것이 도시되어 있고, 도 5에는 질화갈륨층의 표면에 주변보다 성장 속도가 지연되어 계곡 형태로 함몰된 형태의 질화갈륨 패턴(22)이 형성된 것이 도시되어 있다.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 질화갈륨층 표면의 형태는 상기 산화갈륨기판(10)의 표면 긁힘의 양상에 따라 결정된다.
한편, 상기 산화갈륨기판(10) 상에 고품질의 질화갈륨층을 성장하기 위해서는 상기 산화갈륨기판(10)의 표면 긁힘(15)을 제거할 필요가 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 산화갈륨기판(10)의 표면에 발생되는 표면 긁힘(15)을 제거하기 위하여 상기 산화갈륨기판(10)을 산소 분위기에서 열처리한다.
즉, 챔버에 산소 가스 또는 산소 가스를 주된 가스로 포함하는 혼합가스를 주입하고 900-1400℃ 온도에서 3분 내지 3시간 동안 상기 산화갈륨기판(10)에 대한 열처리를 수행한다. 여기서, 열처리는 열처리 온도가 높은 경우 짧은 시간동안 실시하고, 반대로 열처리 온도가 낮은 경우 오랜 시간동안 실시한다.
예를 들어, 상기 산소 분위기에서 열처리하는 방법은 상기 산화갈륨기판(10)을 챔버에 넣고 고순도의 산소 가스를 분당 5리터의 속도로 챔버 내부로 흘려주면서 챔버의 온도를 1100℃로 올린 후 1시간동안 고온 산소 열처리를 수행할 수 있다. 그리고, 상기 산소 분위기에서 열처리한 산화갈륨기판(10)에 대해 다시 습식 세척을 진행할 수도 있다.
상기 산화갈륨기판(10)에 대해 열처리를 수행하면 상기 산화갈륨기판(10) 표면의 원자들은 열역학적으로 가장 안정된 자리로 열적 이동을 하게 되어 표면 원자들의 재배열이 이루어진다. 따라서, 싱기 산화갈륨기판(10)의 표면 긁힘(15)은 치유될 수 있다.
한편, 산화갈륨은 용융점의 온도가 1725℃이므로, 1400℃보다 높은 온도에서 열처리를 하는 경우 산화갈륨기판(10) 표면의 결정원자들의 열적 용융 및 증발이 발생되어 산화갈륨기판(10) 표면의 특성이 저하되고, 900℃보다 낮은 온도에서 열처리를 하는 경우 산화갈륨기판(10) 표면의 결정원자들의 이동도가 낮아 표면 긁힘(15)을 효과적으로 치유할 수 없다.
도 6은 산화갈륨기판에 대해 산소 분위기에서 열처리를 수행한 후, 산화갈륨기판의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 산화갈륨기판(10)에 대해 산소 분위기에서 열처리를 수행하는 경우 산화갈륨기판(10)의 표면 긁힘이 대부분 치유된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 산소 분위기에서 열처리를 한 산화갈륨기판 상에 100nm 두께의 질화갈륨층을 성장한 경우에 질화갈륨층의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진이다.
도 4 및 도 5와 비교하면, 질화갈륨층의 표면에 표면 긁힘의 흔적이 거의 남아 있지 않음을 알 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 산화갈륨기판(10)에 대해 산소 분위기에서 열처리를 수행한 후, 상기 기판(10)에 대해 암모니아 분위기에서 고온 질화처리를 선택적으로 수행할 수도 있다(S120).
상기 고온 질화처리는 챔버에 암모니아 가스, 또는 암모니아 가스와 산소 가스의 혼합가스, 또는 암모니아 가스와 질소 가스의 혼합가스를 주입하여 실시할 수 있다.
상기 고온 질화처리에 의해 상기 산화갈륨기판(10)의 표면에는 산화갈륨질화막이 형성된다. 상기 산화갈륨질화막은 이후 성장되는 질화갈륨층의 버퍼층 역할을 할 수 있으며, 산화갈륨기판(10) 상에 고품질의 질화갈륨층이 형성되도록 한다.
이때, 상기 챔버에 주입되는 가스에 실란가스와 같이 실리콘(Si)를 포함하는 가스를 주입함으로써 상기 산화갈륨질화막의 전기 전도성을 향상시킬 수도 있다.
다음, 상기 산화갈륨기판(10) 상에 제1 도전형의 반도체층(20)을 성장시키 고(S130), 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 활성층(30)을 성장시키고(S140), 상기 활성층(30) 상에 제2 도전형의 반도체층(40)을 성장시킨다(S150).
예를 들어, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 활성층(30)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 산화갈륨기판(10)의 하측에 제1 전극층(50)을 형성하고, 상기 제2 도전형의 반도체층(40) 상에 제2 전극층(60)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 산화갈륨기판(10)을 표면 처리함으로써 상기 산화갈륨기판(10) 상에 성장되는 질화갈륨층이 고품질로 형성될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 산화갈륨기판(10)의 표면에 산화갈륨질화막을 형성함에 의해, 상 기 산화갈륨기판(10) 상에 성장되는 질화갈륨층이 보다 고품질로 형성될 수 있도록 한다.
또한, 상기 산화갈륨질화막에 불순물을 주입함으로써, 상기 산화갈륨질화막의 전기 전도성을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같은 과정을 통해, 본 발명의 실시예는 전기 전도성을 갖는 기판 상에 질화물 반도체층을 형성함으로써, 기판을 제거하는 공정없이 버티컬 타입의 발광소자를 제작할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화갈륨기판 제조방법 및 발광소자 제조방법에 의해 제조된 발광소자를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조방법을 설명하는 흐름도.
도 3은 산화갈륨기판의 표면 긁힘을 보여주는 주사전자현미경의 사진.
도 4와 도 5는 표면 긁힘이 존재하는 산화갈륨기판 상에 100nm 두께의 질화갈륨층을 성장한 경우에 질화갈륨층의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진.
도 6은 산화갈륨기판에 대해 산소 분위기에서 열처리를 수행한 후, 산화갈륨기판의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진.
도 7은 산소 분위기에서 열처리를 한 산화갈륨기판 상에 100nm 두께의 질화갈륨층을 성장한 경우에 질화갈륨층의 표면을 보여주는 주사전자현미경의 사진.

Claims (15)

  1. 산화갈륨기판;
    상기 산화갈륨기판 상에 산화갈륨질화막;
    상기 산화갈륨질화막 상에 제1 도전형의 반도체층;
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층이 포함되는 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판 아래 제1 전극층 및 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 제2 전극층이 포함되는 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 산화갈륨질화막에는 제1 도전형의 불순물이 포함된 발광소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판에는 제1 도전형의 불순물이 포함된 발광소자.
  5. 산화갈륨기판이 준비되는 단계; 및
    상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계가 포함되는 산화갈륨 기판 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리한 후, 상기 산화갈륨기판을 질화처리하는 단계가 포함되는 산화갈륨기판 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리하기 전, 상기 산화갈륨기판을 습식 세척하는 단계가 포함되는 산화갈륨기판 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계는 상기 산화갈륨기판이 배치된 챔버에 산소 가스 또는 산소 가스를 포함하는 혼합가스를 주입하고 900-1400℃ 온도에서 3분 내지 3시간 동안 열처리하는 산화갈륨기판 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판을 질화처리하는 단계는 상기 산화갈륨기판이 배치된 챔버에 암모니아 가스, 또는 암모니아 가스와 산소 가스의 혼합가스, 또는 암모니아 가스와 질소 가스의 혼합가스를 주입하여 실시하는 산화갈륨기판 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판을 질화처리하는 단계는 제1 도전형의 불순물이 포함된 가스를 주입하는 산화갈륨기판 제조방법.
  11. 산화갈륨기판이 준비되는 단계;
    상기 산화갈륨기판 상에 산화갈륨질화막을 형성하는 단계;
    상기 산화갈륨질화막 상에 제1 도전형의 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계가 포함되는 발광소자 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판 아래에 제1 전극층을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계가 포함되는 발광소자 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판이 준비되는 단계는 상기 산화갈륨기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 산화갈륨기판에는 제1 도전형의 불순물이 포함되는 발광소자 제조방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 산화갈륨질화막에는 제1 도전형의 불순물이 포함되는 발광소자 제조방법.
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