KR20110056805A - 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은, 반도체 소자에 있어서, 육방정계 결정 구조의 기판; 상기 기판의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 완충층; 상기 완충층의 주면 상에 수직 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제1 반도체층; 및 상기 제1 반도체층의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제2 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.
육방정계, Ⅲ족, V족

Description

반도체 소자 및 그 제조 방법{A semiconductor and a fabrication method thereof}
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 비활성가스 분위기의 수평성장모드에서 고품질로 제조된 Ⅲ-V족 화합물을 소재로 하는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광 소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.
LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나눠진다.
LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등 요구되는 휘도가 갈수록 높아져서, 최근에는 고출력 발광 다이오드에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.
특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 Ⅲ족 및 Ⅴ족 화합물을 이용한 반도체광 소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV 내지 6.2 eV에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭(BandGap)을 가지므로, 이를 이용하여 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
이와 같이, 반도체 소자 제조시 주요한 기재로서 사용되는, 질화갈륨(GaN)과 같은 질화물계 단결정 기판은 대부분이 c-면({0001}면)의 질화물 박막으로서, 주로 사파이어 c-면({0001}면) 단결정 기판 상에 유기금속화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE의 방법으로 성장시킴으로써 얻어진다. 이와 같이, 만들어진 c-면({0001}면) 질화물계 단결정 막은 c-결정축 방향으로 갈륨층과 질소층이 반복적으로 적층되어 있어 극성(polarity)을 띄게 된다.
예를 들어, GaN/AlGaN 헤테로 구조체의 경우, 자발 분극(spontaneous polarization) 또는 압전 분극(piezoelectric polarization)에 의해 형성되는 강한 전기장(electric field)에 의해 헤테로 구조체 내의 전자 밴드 구조(electronic band structure)를 기울게 만들어 캐리어 재결합율을 감소시켜 그 결과 양자 효율을 낮춘다.
자세히 설명하면, c-결정축 성장방향으로 편향의 비연속성(polarization discontinuity)이 존재하여 표면과 계면에 고정된 시트 전위(sheet charge)를 생성하여 그 결과로 생기는 내부 전기장이 양자우물(quantum well) 내에 있는 전자와 정공 파동함수(wave function)를 분리시켜 발광을 적색파장 쪽으로 이동시키고 전 기장 인가 시, 단파장 쪽으로 발광 파장이 이동함으로써 장파장용 소자의 개발을 어렵게 하고 있다.
이에 반해, a-면({11-20}면) 질화물계 결정들은 비극성(non-polar) 특성을 가지고 있기 때문에 상기한 바와 같은 c-면({0001}면) 질화물계 단결정의 문제점, 즉 분극에 의한 내부전기장에 의해 양자효율이 감소되는 문제점을 극복할 수 있다.
a-면({11-20}면) 질화물계 결정들은 편광장(polarization field)이 없어 밴드 벤딩(band bending)이 일어나지 않고, 비극성 결정면에 AlGaN/GaN 양자우물을 성장시킨 구조로부터 스탁 효과(Stark effect)가 관찰되지 않으므로, a-면({11-20} 면)의 비극성 질화물계 헤테로 구조체는 고효율의 자외선-가시광선 영역의 발광소자와 고출력 마이크로파 트랜지스터에 유용하게 사용될 수 있는 가능성을 갖는다.
또한 a-면({11-20} 면) 질화물계 막은 c-면({0001}면) 질화물계 단결정 막보다 고농도 p-도핑(p-doping)이 가능하다. 왜냐하면 a-면({11-20} 면)에서는 활성 에너지(activation energy)가 c-면({0001}면) 보다 낮기 때문이다. 또한 GaN에서 Al이 많이 포함될수록 일반적으로 도핑효율은 급격히 떨어지게 되는데, a-면({11-20} 면)에서는 c-면({0001}면)에 비해 상대적으로 도핑이 높게 된다.
a-면({11-20} 면) 질화물계 단결정 막이 c-면({0001}면)에 비해 보다 많은 장점을 가짐에도 불구하고, 기판으로서 제조 및 상용화되지 못 하고 있는 것은 결정성이 좋으면서 매끄러운 막의 표면을 얻기가 어렵기 때문이다.
이와 같이, a-면({11-20} 면)에서의 성장이 어려운 이유는 갈륨과 질소가 공존하고 있으므로 성장시 갈륨과 질소의 성장률이 다르기 때문이다.
따라서 상술한 바와 같은 종래의 요구를 감안한 본 발명의 목적은, 무분극 또는 반분극의 완충층을 가지는 반도체 소자의 제조시, 갈륨과 질소의 성장률 차이에 기인한 거친 표면과 저품질의 결정성을 개선할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 소자는, 육방정계 결정 구조의 기판; 상기 기판의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 완충층; 상기 완충층의 주면 상에 수직 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제1 반도체층; 및 상기 제1 반도체층의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제2 반도체층;을 포함한다.
상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 형성함을 특징으로 한다.
상기 비활성 가스는 아르곤 및 질소 중 선택된 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 형성함을 특징으로 한다.
상기 열전도도가 낮은 비활성 가스는 아르곤 및 질소에서 선택된 어느 하나 이며, 상기 열전도도가 높은 가스는 수소 및 헬륨 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 기판은 육방정계 결정 구조의 r-면({1-102} 면) 또는 m-면({1-100} 면)을 주면으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 Ⅲ-V족 화합물로 부터 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 제2 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400임을 특징으로 한다.
상기 제1 반도체층을 형성하는 III-V족 화합물의 III족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 800 내지 1500임을 특징으로 한다.
상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 성장 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킴을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 50 내지 200mbar의 압력에서 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 400 내지 700mbar의 압력에서 성장시키는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층은 5 내지 300nm의 두께로 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 1 내지 2μm의 두께로 성장시키고, 상기 제2 반도체층은 1 내지 10μm의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 육방정계 결정 구조의 기판을 마련하는 과정과, 상기 기판의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 완충층을 성장시키는 과정과, 상기 완충층의 주면 상에 수직 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 제1 반도체층을 성장시키는 과정과, 상기 제1 반도체층의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 제2 반도체층을 성장시키는 과정을 포함한다.
상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 형성함을 특징으로 한다.
상기 비활성 가스는 아르곤 및 질소 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 형성함을 특징으로 한다.
상기 열전도도가 낮은 비활성 가스는 아르곤 및 질소에서 선택된 어느 하나이며, 상기 열전도도가 높은 가스는 수소 및 헬륨 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 기판은 육방정계 결정 구조의 r-면({1-102} 면) 또는 m-면({1-100} 면)을 주면으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 Ⅲ-V족 화합물로 부터 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 상기 제2 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400임을 특징으로 한다.
상기 제1 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / )Ⅲ의 비율은 800 내지 1500임을 특징으로 한다.
상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 성장 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킴을 특징으로 한다.
상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 50 내지 200mbar의 압력에서 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 400 내지 700mbar의 압력에서 성장시키는 것을 특징으로 한다.
상기 완충층은 5 내지 300nm의 두께로 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 1 내지 2μm의 두께로 성장시키고, 상기 제2 반도체층은 1 내지 10μm의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면 수평 성장 모드에서 열전도도가 낮은 비활성기체 분위기에서 질화 갈륨 반도체를 성장시킨다. 갈륨과 질소의 성장률 차이에 기인한 거친 표면과 저품질의 결정성은 본 발명의 실시 예에 따라 성장을 하면 갈륨의 성장을 최대한 늦추어 질소와의 성장률 차이를 줄일 수 있다. 이에 따라 거친 표면과 저품질의 결정성을 개선하여 고품질의 a-면({11-20} 면) 반도체층을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
이하에서, 설명되는 반도체 소자 및 그 제조 방법은, 발광 소자와 그 제조 방법에 대해서 설명하며, 특히, 기판 상에 그 상하층의 버퍼의 역할을 하는 완충층의 수평성장 모드 시, 아르곤이나 질소와 같은 열전도도가 낮은 비활성가스 분위기에서 고품질의 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)층을 성장시켜 그 결정 및 표면 특성을 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에서 질화물 반도체 중 특히 GaN에 대해서 주로 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니며, AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)과 같은 질화물 반도체 모두 적용이 가능하다.
본 발명의 실시 예에서, "수평 성장 모드"는 위로 성장하는 속도보다는 옆으로 성장하는 속도를 빠르게 하여 성장시키는 것을 의미한다. 이에 대응하여, "수직 성장 모드"는 옆으로 성장하는 속도보다 위로 성장하는 속도를 빠르게 하여 성장시키는 것을 의미한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자는, 기판(100)과, 기판(100) 상에 순차로 성장된 완충층(200), 제1 반도체층(300) 및 제2 반도체층(400)을 포함한다.
또한, 도 2를 참조하면, 반도체 소자는 제2 반도체층(400) 상에 형성된 n형 반도체층(500), n형 반도체층(500)의 일부면 상에 순차로 적층된 활성층(600) 및 p형 반도체층(700), n형 반도체층(500)의 활성층(600)이 적층되지 않은 면 상에 형성된 n형 전극(800), 및 p형 반도체 상에 형성된 p형 전극(900)을 더 포함하여 반도체 발광 소자가 될 수 있다.
기판(100)은 사파이어 기판(100)을 이용하며, 그 주면으로 육방정계 결정 구조의 r-면({1-102} 면) 또는 m-면({1-100} 면)을 사용한다.
완충층(200), 제1 반도체층(300) 및 제2 반도체층(400)은 Ⅲ-V족 화합물을 이용하여 형성하며, 이러한 Ⅲ-V족 화합물은 GaN, AlN 및 InN 등을 예시할 수 있다. 이때, 완충층(200) 및 제2 반도체층(400)을 형성하는 III-V족 화합물은 Ⅲ족 원소 대비 Ⅲ족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400이 바람직하다. 한편, 제1 반도체층(300)을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물은 III족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율을 800 내지 1500이 바람직하다.
완충층(200), 제1 반도체층(300) 및 제2 반도체층(400)은 기판(100) 상에 순차로 적층되게 형성되며, a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨다. 이때, 완충층(200) 및 제2 반도체층(400)은 수평 성장 모드로 성장시키며, 제1 반도체층(300)은 수직 성장 모드로 성장시킨다. a-면({11-20} 면)을 주면으로 완충층(200), 제1 반도체층(300) 및 제2 반도체층(400) 모두를 수평 성장 모드로 성장시킬 경우, 성장 시간이 오래 걸린다. 이러한 이유로 제1 반도체층(300)을 수직 성장 모드로 성장시킴으로써 그 성장률을 높일 수 있다.
특히, 완충층(200)은 기판(100)의 주면 상에 형성되며, 완충층(200)은 기 판(100)과 기판(100) 상에 성장되는 층(300) 사이의 스트레스를 완충시키기 위한 역할을 수행한다.
완충층(200)은 a-면({11-20} 면)을 주면으로 형성되므로, 기판(100)이 r-면({1-102} 면)을 주면으로 형성되면 무분극 완충층(200)을 얻을 수 있다. 또한, 기판(100)이 m-면({1-100} 면)을 주면으로 사용하는 경우, 반분극 완충층(200)을 얻을 수 있다.
종래의 기술에 따라 기판(100) 상에 완충층(200)을 c-면({0001}면)으로 성장시키는 경우, 그 성장 공정을 수소 분위기 하에서 행한다. 반면, 본 발명의 실시 예에 따르면, a-면({11-20} 면)을 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 완충층(200) 및 제2 반도체층(400)을 성장시킨다. 이러한 비활성 가스는 아르곤 또는 질소를 예시할 수 있다. 이와 같이, 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하면, 질소에 비해 성장률이 빠른 갈륨의 성장률을 낮추어 전체적으로 균일하게 완충층(200)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 완충층(200)의 결정성과 표면 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 수평 성장 모드에서 열전도도가 낮은 비활성 가스 분위기 혹은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 완충층(200) 및 제2 반도체층(400)을 성장시킬 수 있다. 열전도도가 높은 가스는 H2 혹은 He를 예시할 수 있다. 이러한 혼합 분위기의 분위기 가스는 제2 반도체층(400)을 성장시키는 경우, 또는 m-면({1-100} 면) 기판(100) 상에 완충층(200)을 성장시키는 경우에 이 용됨이 바람직하다.
한편, 제1 반도체층(300)은 수소를 분위기 가스로 사용하여 형성한다.
완충층(200), 제1 반도체층(300) 및 제2 반도체층(400)의 성장시 그 성장 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킨다.
완충층(200) 및 제2 반도체층(400)의 성장시, 성장 압력은 50 내지 200mbar로 하여 형성함이 바람직하며, 제1 반도체층(300)은 400 내지 700mbar의 압력을 적용하여 성장시킴이 바람직하다.
완충층(200)은 5 내지 300nm의 두께로 성장시키며, 제1 반도체층(300)은 1 내지 2μm의 두께로 성장시키고, 제2 반도체층(400)은 1 내지 10μm의 두께로 성장시킴이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 3을 참조하면, S210 단계에서 기판(100)을 마련한다. 여기서, 기판(100)은 사파이어 기판(100)이 바람직하다. 특히, 기판(100)은 r-면({1-102} 면)을 주면으로, 즉, r-면({1-102} 면)이 위로 향하도록 형성함이 바람직하다. 한편, 기판(100)은 r-면({1-102} 면)을 주면으로 하지 않고, m-면({1-100} 면)을 주면으로 할 수 있다. 이러한 기판(100)을 도 4에 도시하였다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 상술한 기판(100)의 r-면({1-102} 면) 상에 S220 단계에서 수평 성장 모드로 완충층(200)을 형성한다. 이때, 완충층(200)으로 기판(100)의 r-면({1-102} 면) 상에 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하는 GaN을 성장시킴이 바람직하다.
보통 c-면({0001}면)을 주면으로 하는 완충층(200)의 성장은 수소 분위기 하에서 하는 반면, 본 발명에서는 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 완충층(200)을 형성한다. 이러한 비활성 가스는 아르곤 또는 질소를 예시할 수 있다. 이와 같이, 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하면, 질소에 비해 성장률이 빠른 갈륨의 성장률을 낮추어 전체적으로 균일하게 완충층(200)을 형성할 수 있다. 이때, 완충층(200)은 그 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킨다.
또한, 완충층(200)은 그 완충층(200)을 형성하는 재료로 Ⅲ-V족 화합물을 이용하여 형성할 수 있으며, 대표적으로 Ⅲ-V족 화합물은 GaN이 될 수 있다. 또한, GaN 대신 AlN 및 InN 등 다른 Ⅲ-V족 화합물을 이용할 수 있다. 이때, Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400이 바람직하다.
그리고 완충층(200)은 그 성장시 성장 압력을 50 내지 200mbar로 하여 형성함이 바람직하며, 그 두께를 5 내지 300nm로 성장시킴이 바람직하다.
한편, 기판(100)이 r-면({1-102} 면)을 주면으로 하는 대신 m-면({1-100} 면)을 주면으로 하는 사파이어 기판(100)을 이용하는 경우, 기판(100) 상에 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하는 GaN을 성장시키면 반분극(11-22)의 GaN을 얻을 수 있다. 이러한 경우, 완충층(200)을 형성하는 수평 성장 모드에서 열전도도가 낮은 비활성 가스 분위기 혹은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합분위기에서 완충층(200)을 성장시킬 수 있다. 열전도도가 높은 가스는 H2 혹은 He를 예시할 수 있다.
도 6을 참조하면, 전체적으로 수평 성장 모드로 완충층(200)인 a-면({11-20} 면) GaN을 성장시키면 성장 시간이 오래 걸리기 때문에 S230 단계에서 완충층(200) 상에 수직 성장 모드로 제1 반도체층(300)을 형성한다. 제1 반도체층(300)은 a-면({11-20} 면) GaN을 성장시키며, 수직 성장 모드로 성장시킴에 따라 성장률을 높일 수 있다.
제1 반도체층(300)은 수소를 분위기 가스로 사용하여 형성한다. 이때, 제1 반도체층(300)은 그 온도를 900 내지 1200℃에서 형성한다.
제1 반도체층(300)은 Ⅲ-V족 화합물을 이용하여 형성할 수 있으며, 대표적으로 Ⅲ-V족 화합물은 GaN이 될 수 있다. 이때,Ⅲ 족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 800 내지 1500이 바람직하다.
제1 반도체층(300)은 그 성장시 성장압력을 400 내지 700mbar으로 하여 성장시킴이 바람직하며, 1 내지 2μm의 두께로 성장시킴이 바람직하다.
도 7을 참조하면, S240 단계에서 제1 반도체층(300) 상에 수평 성장 모드로 제2 반도체층(400)을 형성한다. 제2 반도체층(400)은 a-면({11-20} 면) GaN을 성장시킴이 바람직하며, 이에 따라, 결정성과 표면 특성을 향상시킬 수 있다. 제2 반도체층(400)은 그 두께를 1 내지 10μm 정로 성장시킨다.
제2 반도체층(400)의 성장조건은 완충층(200)의 성장조건과 동일한 범위 내에서 수행한다. 즉, 열전도도가 낮은 아르곤 또는 질소 등의 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 완충층(200)을 형성한다. 이와 같이, 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하면, 질소에 비해 성장률이 빠른 갈륨의 성장률을 낮추어 전체적으로 균일하게 완충층(200)을 형성할 수 있다.
한편, 수평 성장 모드로 제2 반도체층(400)을 형성할 시 열전도도가 낮은 비활성가스 분위기 대신 열전도도가 낮은 비활성가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 성장시킬 수 있다. 여기서, 열전도도가 높은 가스는 H2 또는 He를 예시할 수 있다.
제2 반도체층(400)은 그 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킨다. 또한, 제2 반도체층(400)은 그 재료로 Ⅲ-V족 화합물을 이용하며, Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400이 바람직하다. 그리고 제2 반도체층(400)은 그 성장시 성장 압력을 50 내지 200mbar로 하여 형성함이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 기판(100)을 제작한 후, S250 단계에서 제2 반도체층(400) 상에, n형 반도체층(500)을 형성한다. 그런 다음, S260 단계에서 n형 반도체층(500) 상에 활성층(600)을 적층하고, S270 단계에서 활성층(600) 상에 p형 반도체층(700)을 형성한다.
n형 반도체층(500)에는 Si(실리콘)을 도핑시키고, p형 반도체층(700)에는 Mg(마그네슘)을 도핑시킴이 바람직하다.
여기서, 활성층(600)은 양자우물(MQW; Multiple Quantum Well) 구조로서, p형 반도체층(700)을 통하여 흐르는 정공과 n형 반도체층(500)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시킨다. 이때, 양자 우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 빛이 발광된다.
그런 다음, S280 단계에서 n형 반도체층(500)의 상면 일부가 노출되도록 활성층(600) 및 p형 반도체층(700)의 일부를 제거한다.
그런 다음, S290 단계에서 노출된 n형 반도체층(500) 상에 n형 전극(800)을 형성하고, S300 단계에서 p형 반도체층(700) 상에 p형 전극(900)을 형성하여 발광 소자를 완성한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 r-면({1-102} 면)을 주면으로 하는 사파이어 기판(100) 상에 일반적인 c-면({0001}면)을 주면으로 하는 완충층(200)의 성장조건으로 성장한 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하는 완충층(200) 표면을 도시한 것이며, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 성장 조건으로 성장한 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하는 완충층(200) 표면을 도시한 것이다. 여기서, 완충층(200)은 GaN을 재료로 하여 성장시켰다.
도시된 바와 같이, c-면({0001}면) 성장 조건으로 형성한 a-면({11-20} 면)이 주면인 완충층(200)은 표면이 매우 거칠데 반해 본 발명의 실시 예에 따른 a-면({11-20} 면)이 주면인 완충층(200)은 매우 깨끗한 표면을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11에 완충층(200)을 x-레이(x-ray)로 파이(Phi) 스캔하여 결정성을 비교한 것이다.
도 11의 그래프는 일반적인 c-면({0001}면)을 주면으로 하는 성장 조건으로 성장시킨 완충층(200)의 스캔 결과(51)와, 본 발명의 실시 예에 따른 성장조건으로 성장시킨 a-면({11-20} 면)이 주면인 완충층(200)의 스캔 결과(53)를 보인다.
보인바와 같이, 육방정계의 c-축 방향을 기준(0o)으로 측정하였을 때 기존의 c-면({0001}면) 성장 조건에서는 x-레이(x-ray) 반측폭이 1445arcsec 이었고 본 발명에 따르는 조건에서는 349arcsec를 얻어 결정성이 매우 좋아지는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면 수평 성장 모드에서 열전도도가 낮은 비활성기체를 분위기 가스로 하여 질화 갈륨 반도체를 성장시킴으로써, 갈륨의 성장을 최대한 늦추어 질소와의 성장률 차이를 줄일 수 있다. 이에 따라, 갈륨과 질소의 성장률 차이에 기인한 거친 표면과 저품질의 결정성을 개선하고, 전체적으로 고품질의 GaN으로 이루어진 반도체층을 얻을 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시 된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 구성 요소를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법을 설명하기 위한 측단면도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자 제작 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 그래프.

Claims (24)

  1. 반도체 소자에 있어서,
    육방정계 결정 구조의 기판;
    상기 기판의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 완충층;
    상기 완충층의 주면 상에 수직 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제1 반도체층; 및
    상기 제1 반도체층의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 성장시킨 제2 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비활성 가스는
    아르곤 및 질소 중 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전도도가 낮은 비활성 가스는 아르곤 및 질소에서 선택된 어느 하나이며, 상기 열전도도가 높은 가스는 수소 및 헬륨 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 육방정계 결정 구조의 r-면({1-102} 면) 또는 m-면({1-100} 면)을 주면으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 Ⅲ-V족 화합물로 부터 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 완충층 및 제2 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400임을 특징으로 하는 반도체 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 800 내지 1500임을 특징으로 하는 반도체 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 성장 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킴을 특징으로 하는 반도체 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 50 내지 200mbar의 압력에서 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 400 내지 700mbar의 압력에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 완충층은 5 내지 300nm의 두께로 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 1 내지 2μm의 두께로 성장시키고, 상기 제2 반도체층은 1 내지 10μm의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  13. 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,
    육방정계 결정 구조의 기판을 마련하는 과정과,
    상기 기판의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 완충층을 성장시키는 과정과,
    상기 완충층의 주면 상에 수직 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 제1 반도체층을 성장시키는 과정과,
    상기 제1 반도체층의 주면 상에 수평 성장 모드로 a-면({11-20} 면)을 주면으로 하여 제2 반도체층을 성장시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 완충층 및 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스를 분위기 가스로 사용하여 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 비활성 가스는
    아르곤 및 질소 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 열전도도가 낮은 비활성 가스와 열전도도가 높은 가스의 혼합 분위기에서 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방 법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열전도도가 낮은 비활성 가스는 아르곤 및 질소에서 선택된 어느 하나이며, 상기 열전도도가 높은 가스는 수소 및 헬륨 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 기판은 육방정계 결정 구조의 r-면({1-102} 면) 또는 m-면({1-100} 면)을 주면으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 Ⅲ-V족 화합물로 부터 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 완충층 및 상기 제2 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 10 내지 400임을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 반도체층을 형성하는 Ⅲ-V족 화합물의 Ⅲ족 원소 대비 V족 원소(V / Ⅲ)의 비율은 800 내지 1500임을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 완충층, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 성장 온도를 900 내지 1200℃로 하여 성장시킴을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 완충층 및 상기 제2 반도체층은 50 내지 200mbar의 압력에서 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 400 내지 700mbar의 압력에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 완충층은 5 내지 300nm의 두께로 성장시키며, 상기 제1 반도체층은 1 내지 2μm의 두께로 성장시키고, 상기 제2 반도체층은 1 내지 10μm의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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