KR20130008280A - 안정성이 우수한 질화물계 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층을 포함함으로써, 기판과 기판상에 형성되는 질화물 반도체층들 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 등의 물성 차이로 인한 질화물 반도체층들의 스트레스(stress)를 이완시킬 수 있다. 이로 인해, 질화물 반도체층들의 크랙 발생을 최소화하고, 질화물 반도체층의 표면 거칠기를 개선하여 질화물계 반도체 소자의 안정성 및 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자는 기판으로부터 멀어질수록 알루미늄의 함량이 감소되는 그레이드 AlGaN층을 포함함으로써, 질화물 반도체층의 크랙 발생을 최소화하고, 더욱 안정적인 구조의 질화물 반도체층을 형성할 수 있다.

Description

안정성이 우수한 질화물계 반도체 소자{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING EXCELLENT STABILITY}
안정성이 우수한 질화물계 반도체 소자가 개시된다. 더욱 상세하게는, 질화물 반도체층의 크랙이 거의 없고, 표면 거칠기가 매우 우수하여 전체적인 안정성이 향상된 질화물계 반도체 소자가 개시된다.
최근 전세계적으로 정보통신기술의 급격한 발달로 인하여 초고속, 대용량의 신호 전송을 위한 통신 기술이 급속도로 발달되고 있다. 특히 무선통신기술에서 개인휴대폰, 위성통신, 군사용레이더, 방송통신, 통신용 중계기 등의 수요가 점점 확대됨에 따라 마이크로파와 밀리미터파 대역의 초고속 정보통신 시스템에 필요한 고속·고전력 전자소자에 대한 요구가 증가되고 있다. 따라서, 고전력 전자소자에 사용되는 파워소자 또한 에너지적인 손실을 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, GaN계 질화물 반도체는 에너지갭이 크고, 높은 열적 화학적 안정도, 높은 전자포화속도(~3×107 cm/sec)등의 뛰어난 물성 가지고 있어서, 광소자 뿐만 아니라 고주파·고출력용 전자소자로의 응용이 용이하여 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
GaN계 질화물 반도체를 이용한 전자소자는 높은 항복전계(~3×106 V/cm) 및 최대전류밀도, 안정된 고온동작, 높은 열전도도등의 다양한 장점을 가지고 있으며, AlGaN/GaN의 이종접합구조를 이용한 이종접합 전계효과 트랜지스터(heterostructure field effect transistor, HFET)의 경우, 접합계면에서의 밴드 불연속(band-discontinuity)이 크기 때문에 계면에 높은 농도의 전자가 유기될 수 있어서 전자 이동도를 더욱 높일 수 있으므로, 고전력 소자로의 응용이 가능하다.
그러나, 질화물 단결정의 격자 상수 및 열팽창계수에 적합한 질화물 단결정 성장용 기판이 보편적이지 않다. 주로, 질화물 단결정은 사파이어 기판 또는 SiC 기판과 같은 이종 기판상에 MOCVD(Meta Organic chemical Vapor Deposition) 방법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법 등의 기상 성장법, 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 성장된다. 다만, 단결정 사파이어 기판이나 SiC 기판은 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 그 사이즈도 제한되어 있기 때문에 대량 생산에 적합하지 못하다. 따라서, 열전도도 문제 뿐만 아니라 기판 사이즈 확대를 통한 생산성 향상을 위해 가장 보편적으로 사용되는 기판이 실리콘(Si) 기판이다. 그러나, 실리콘 기판과 GaN 단결정 사이의 격자상수 차이와 열팽창계수 차이로 인해, GaN층은 실용화될 수 없을 정도로 크랙(crack)이 발생하기 쉽다. 따라서, 실리콘 기판상에서 GaN을 안정적으로 성장시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
도 1에는 종래의 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터의 기본 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터(10)는 실리콘 기판(11)상에 저온버퍼층(12), AlGaN/GaN 복합층(13), 도핑되지 않은 GaN층(14) 및 AlGaN층(15)이 순차적으로 형성되어 있다. AlGaN층(15) 상면의 양단에는 소스(16)와 드레인 전극(18)이 형성되고, 그 사이에 게이트 전극(17)이 배치되며, 게이트 전극(17)과 소스 전극(16), 드레인 전극(18) 사이에 보호층(19)이 형성된다. AlGaN/GaN 복합층(13)은 다수개의 층이 적층되어 형성되며, 격자상수 차이를 완화시켜 AlGaN/GaN 복합층(13) 상에 GaN층을 성장시킬 수 있다.
이종접합 전계효과 트랜지스터(10)는 상이한 밴드갭을 갖는 GaN층(14)과 AlGaN층(15)의 이종접합에 의해 2차원 전자가스(2DEG)층이 형성된다. 여기서, 게이트 전극(17)에 신호가 입력되면, 2차원 전자가스층에 의해 채널이 형성되어 소스전극(16)과 드레인 전극(18) 간에 전류가 도통될 수 있다. GaN층(14)은 도핑되지 않은 GaN층으로 형성되며, 사파이어 기판(11)에 대한 누설전류를 방지하고 소자간의 분리를 위해서 비교적 높은 저항을 갖도록 형성된다.
질화물 반도체층의 크랙이 거의 없고, 표면 거칠기가 매우 우수하여 전체적인 안정성이 향상된 질화물계 반도체 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 기판, 상기 기판상에 형성되는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층, 상기 전처리층 상에 형성되는 Al이 도핑된 GaN층 및 상기 Al이 도핑된 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층을 포함한다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층은, 단일층상 구조, 규칙적인 도트(dot) 구조, 불규칙적인 도트 구조, 및 패턴 구조로 이루어진 군에서 선택되는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 전처리층 상에 형성되는 버퍼층을 더 포함하고, 상기 버퍼층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 전처리층 및 상기 Al이 도핑된 GaN층 사이에 형성되며, III족 원소 대비 V족 원소의 비율인 V/III족 비율이 조절된 GaN 시드층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 GaN 시드층은, 상기 V/III족 비율이 높은 제1 GaN 시드층 및 상기 V/III족 비율이 낮은 제2 GaN 시드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 전처리층 및 상기 Al이 도핑된 GaN층 사이에 형성되며, 상기 전처리층으로부터 상기 Al이 도핑된 GaN층으로 갈수록 알루미늄의 함량이 감소하는 그레이드(grade) AlGaN층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 그레이드 AlGaN층에서 알루미늄 함량은 70%로부터 15%까지의 범위로 감소할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 Al이 도핑된 GaN층은 0.1% 내지 0.9%의 알루미늄을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 AlGaN층 상에 형성되는 보호층을 더 포함하며, 상기 보호층은 실리콘나이트라이드(SiNx), 실리콘옥사이드(SiOx) 및 알루미늄옥사이드(Al2O3)로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 기판은 사파이어(sapphire), 실리콘(silicone), 알루미늄나이트라이드(AlN), 실리콘카바이드(SiC), 및 갈륨나이트라이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 질화물계 반도체 소자는, 노멀리 온(normally on) 소자, 노멀리 오프(normally off) 소자 및 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)로 이루어진 군으로부터 선택되는 소자일 수 있다.
본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자에서, 상기 질화물계 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층을 포함함으로써, 기판과 기판상에 형성되는 질화물 반도체층들 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 등의 물성 차이로 인한 질화물 반도체층들의 스트레스(stress)를 이완시킬 수 있다. 이로 인해, 질화물 반도체층들의 크랙 발생을 최소화하고, 질화물 반도체층의 표면 거칠기를 개선하여 질화물계 반도체 소자의 안정성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자는 기판으로부터 멀어질수록 알루미늄의 함량이 감소되는 그레이드 AlGaN층을 포함함으로써, 질화물 반도체층의 크랙 발생을 최소화하고, 더욱 안정적인 구조의 질화물 반도체층을 형성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 다이오드의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 5는 기판상에 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 표면 및 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 표면의 광학사진이다.
도 6은 기판상에 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 표면 및 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 표면의 X-선 회절분석 값을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 X-선 회절분석 데이터(omega-2theta)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체 전체의 두께에 대한 맵핑 데이터(mapping data)를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 광학 사진 및 원자현미경 사진이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층 또는 패턴 등이 각 기판, 층 또는 패턴 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 하기의 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 다이오드의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 이종접합 전계효과 트랜지스터(100), 쇼트키 다이오드(200), 및 반도체 발광소자(300)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 노멀리 온(normally on) 소자, 노멀리 오프(normally off) 소자 및 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)로 이루어진 군으로부터 선택되는 소자일 수 있으며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자일 수 있다.
도 2 내지 도 4에서 기판(110, 210, 310), 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120, 220, 320), 버퍼층(130, 230, 330), GaN 시드층(141, 142, 241, 242, 341, 342), 그레이드 AlGaN층(150, 250, 350), Al이 도핑된 GaN층(160, 260, 360), AlGaN층(170, 270, 370)은 각각의 소자에 따라 도면부호를 달리하고 있으나, 서로 대응되기 때문에 이하에서는 중복설명을 피하기 위해 도 2를 중심으로 설명한 후, 각각의 소자에 대해서는 중복되지 않는 부분만을 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 기판(110), 기판(110)상에 형성되는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120), 전처리층(120) 상에 형성되는 Al이 도핑된 GaN층(160) 및 Al이 도핑된 GaN층(160) 상에 형성되는 AlGaN층(170)을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 버퍼층(130), GaN 시드층(140), 그레이드 AlGaN층(150)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 사파이어(sapphire), 실리콘(silicone), 알루미늄나이트라이드(AlN), 실리콘카바이드(SiC), 및 갈륨나이트라이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성될 수 있다. 즉, 기판(110)은 유리 기판 또는 사파이어(sapphire) 기판과 같은 절연성 기판일 수 있으며, Si, SiC, ZnO와 같은 도전성 기판일 수 있다. 또한, 기판(100)은 질화물 성장용 기판일 수 있으며, 예를 들어 AlN 또는 GaN계 기판일 수 있다.
알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120)은 기판(110)과 기판(110) 상에 형성되는 질화물 반도체층들 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 등의 물성 차이로 인한 질화물 반도체층들의 스트레스(stress)를 이완시킬 수 있다. 이로 인해, 질화물 반도체층들의 크랙(crack) 발생을 최소화하고, 질화물 반도체층의 표면 거칠기를 개선하여 질화물계 반도체 소자의 안정성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120)은 단일층상 구조, 규칙적인 도트(dot) 구조, 불규칙적인 도트 구조, 및 패턴 구조로 이루어진 군에서 선택되는 구조로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120)은 질화물 반도체층의 크랙 발생을 최소화하고, 질화물 반도체층의 표면 거칠기를 개선하기 위해 다양한 구조 및 형상으로 형성될 수 있다.
버퍼층(130)은 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120) 상에 형성될 수 있다. 버퍼층(130)은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 이루어질 수 있다. 버퍼층(130)은 20 nm 내지 1000 nm 두께의 단결정으로 형성될 수 있다. 버퍼층(130)은 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120)과 함께 질화물 반도체층들과 기판의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이를 최소화하여 본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자의 안정성을 향상시키고, 성능을 개선시킬 수 있다.
GaN 시드층(141, 142)은 버퍼층(130) 상에 형성될 수 있다. GaN 시드층(141, 142)은 질화물 반도체층의 안정적인 형성을 위해 V족 원소 및 III족 원소를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물 반도체층은 하기의 그레이드 AlGaN층(150), Al이 도핑된 GaN층(160) 및 AlGaN층(170)을 포함할 수 있다. GaN 시드층(141, 142)은 질화물 반도체층의 수평방향 성장을 촉진시켜 질화물계 반도체 소자의 제조 효율성 및 품질을 향상시킬 수 있다. GaN 시드층(141, 142)에서 III족 원소 대비 V족 원소의 비율인 V/III족 비율이 조절될 수 있다.
GaN 시드층(141, 142)은 V/III족 비율이 높은 제1 GaN 시드층(141) 및 V/III족 비율이 낮은 제2 GaN 시드층(142)을 포함하는 2층 구조일 수 있다. 제1 GaN 시드층(141)은 버퍼층(130) 상에 형성될 수 있으며, 고압 및 V/III족 비율이 높은 조건에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 GaN 시드층(141)은 300 Torr 이상의 압력 및 V/III족 비율이 10,000 이상의 조건에서 형성될 수 있다.
제2 GaN 시드층(142)은 제1 시드층(141) 상에 형성될 수 있으며, 저압 및 V/III족 비율이 낮은 조건에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 GaN 시드층(142)은 50 Torr 이하의 압력 및 V/III족 비율이 3,000 이하의 조건에서 형성될 수 있다.
그레이드 AlGaN층(150)은 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120) 및 Al이 도핑된 GaN층(160) 사이에 형성될 수 있다. 그레이드 AlGaN층(150)은 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층(120)으로부터 Al이 도핑된 GaN층(160)으로 갈수록 알루미늄의 함량이 감소할 수 있다. 그레이드 AlGaN층(150)에서 알루미늄 함량은 70%로부터 15%까지의 범위로 감소할 수 있다.
그레이드 AlGaN층(150)은 다층 구조일 수 있으며, 개별의 층들에서 알루미늄의 함량은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 그레이드 AlGaN층(150)은 알루미늄 함량이 70%에서 50%로 감소하는 제1 그레이드 AlGaN층(미도시), 알루미늄 함량이 50%에서 30%로 감소하는 제2 그레이드 AlGaN층(미도시) 및 알루미늄 함량이 30%에서 15%로 감소하는 제3 그레이드 AlGaN층(미도시)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 결국, 질화물 반도체층에서의 크랙 발생을 방지하고, 더욱 안정적인 구조의 질화물 반도체층이 형성될 수 있도록, 알루미늄의 함량이 Al이 도핑된 GaN층(160)으로 갈수록 감소하는 그레이드 AlGaN층(150)이 형성될 수 있다.
또한, 그레이드 AlGaN층(150)에 포함되는 다수개의 층들은 질화물 반도체층의 크랙 발생을 최소화하고, 더욱 안정적인 구조의 질화물 반도체층이 형성될 수 있도록 하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그레이드 AlGaN층에서 약 70%의 알루미늄 함량을 갖는 AlGaN층은 20 nm 내지 1000 nm의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 제2 그레이드 AlGaN층 전체는 20 nm 내지 50 nm의 두께로 형성될 수 있다.
Al이 도핑된 GaN층(160)은 그레이드 AlGaN층(150) 상에 형성될 수 있다. Al이 도핑된 GaN층(160)은 0.1% 내지 0.9%의 알루미늄을 함유할 수 있다. 바람직하게, Al이 도핑된 GaN층(160)은 0.3% 내지 0.6%의 알루미늄을 함유할 수 있다. Al이 도핑된 GaN층(160)은 알루미늄에 의해 GaN층의 결함으로 존재할 수 있는 갈륨 공격자(Ga vacancy)를 부동태화시킬 수 있다. 이로 인해, 2차원 또는 3차원 전위로의 성장을 억제하여 GaN층의 결정성을 향상시킬 수 있다.
AlGaN층(170)은 Al이 도핑된 GaN층(160) 상에 형성될 수 있다. 또한, AlGaN(170) 상에 보호층(190)이 더 형성될 수 있다. 보호층(190)은 실리콘나이트라이드(SiNx), 실리콘옥사이드(SiOx) 및 알루미늄옥사이드(Al2O3)로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다. 보호층(190)은 패시베이션(passivation) 박막층으로서 AlGaN층의 불안전한 표면 상태를 감소시키고, 고주파 동작시 전류 콜랩스(current collapse) 현상으로 인한 전력 특성의 감소를 줄일 수 있다.
상기에서 간략히 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자는 다양한 종류의 전자 소자에 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 2에서와 같이 소스 전극(181), 게이트 전극(182) 및 드레인 전극(183)을 포함하는 이종접합 전계효과 트랜지스터인 노멀리 온(normally on) 소자 및 노멀리 오프(normally off) 소자에 적용될 수 있다. 도 2에서 소스 전극(181) 및 드레인 전극(183)은 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다.
또한, 도 3에서와 같이 오믹 전극(281) 및 쇼트키 전극(282)이 형성된 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)에 적용될 수 있다. 도 3에서 오믹 전극(281)은 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다. 쇼트키 전극(282)은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기의 합금의 예로 Ni와 Au 합금, CuInO2와 Au 합금, ITO와 Au 합금, Ni, Pt 및 Au 합금, 그리고 Pt와 Au의 합금을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
나아가, 도 4에서와 같이 제1 도전형 반도체층(383), 활성층(384) 및 제2 도전형 반도체층(385)을 포함하는 반도체 발광소자에 적용될 수 있다. 반도체 발광소자에서 활성층(384)은 양자우물 구조(Quantum wall)일 수 있으며, 반도체 발광소자는 투명전극(386), p형 전극(387) 및 n형 전극(388)을 포함할 수 있다.
도 5는 기판상에 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 표면 및 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 표면의 광학사진이다. 도 6은 기판상에 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 표면 및 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 표면의 X-선 회절분석 값을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 표면(a)에는 미세한 크랙(crack)들이 발생되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 표면에는 이러한 크랙이 전혀 발생하지 않았음을 확인할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 버퍼층을 성장시키기 전에 알루미늄만으로 전처리한 질화물 반도체의 (002) X-선 회절분석 값(Al pre-treatment)은 716 arcsec인 반면, 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 (002) X-선 회절분석 값(AlSi1 - xCx pre-treatment)은 313 arcsec로 감소하였음을 알 수 있다. 이로 인해, 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리함으로써 질화물 반도체의 스트레스(stress)가 이완되었으며, 크랙 발생의 감소 뿐만 아니라 결정성이 개선되었음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 X-선 회절분석 데이터(omega-2theta)를 나타낸 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체 전체의 두께에 대한 맵핑 데이터(mapping data)를 나타낸 그래프이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 실리콘 카바이드로 전처리한 질화물 반도체의 광학 사진 및 원자현미경 사진이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자에서 알루미늄의 함량에 따른 피크(peak)들을 확인할 수 있다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 측에 따른 질화물계 반도체 소자는 알루미늄 실리콘 카바이드 전처리층 및 V/III족 비율이 조절된 GaN 시드(seed)층이 형성되어 있어서, 크랙이 거의 존재하지 않으며, 원자현미경 상의 거칠기가 0.53 nm로서 매우 우수한 표면을 가짐을 알 수 있다.
즉, 크랙이 발생되지 않으면서 질화물 반도체층을 특정 두께 이상으로 성장시키기 어려웠으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 기판상에 알루미늄 실리콘 카바이드 전처리층을 구비함으로써 크랙이 거의 발생되지 않으면서 질화물 반도체층을 특정 두께 이상으로 성장시킬 수 있다. 도 8에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는 크랙의 발생이 거의 없고, 전체 두께가 약 2.2 ㎛이고, 두께 편차가 약 1.6%인 균일한 두께 산포를 얻을 수 있었다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체는 Al이 도핑된 GaN층 상에 형성된 AlGaN층에서 알루미늄 함량이 40%일 때, 2차원 전자가스층의 이동도(mobility)가 약 1000 cm2/Vs, 시트 캐리어 농도(sheet carrier density)가 약 1.5x 1013/cm2인 것으로 확인되었다.
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 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110, 210, 310 : 기판
120, 220, 320 : 알루미늄 실리콘 카바이드 전처리층
130, 230, 330 : 버퍼층
141, 241, 341 : 제1 GaN 시드층
142, 242, 342 : 제2 GaN 시드층
150, 250, 350 : 그레이드 AlGaN층
160, 260, 360 : Al이 도핑된 GaN층
170, 270, 370 : AlGaN층

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층;
    상기 전처리층 상에 형성되는 Al이 도핑된 GaN층; 및
    상기 Al이 도핑된 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층;
    을 포함하는 질화물계 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSixC1 -x) 전처리층은, 단일층상 구조, 규칙적인 도트(dot) 구조, 불규칙적인 도트 구조, 및 패턴 구조로 이루어진 군에서 선택되는 구조로 형성되는 질화물계 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전처리층 상에 형성되는 버퍼층을 더 포함하고,
    상기 버퍼층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 이루어진 질화물계 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전처리층 및 상기 Al이 도핑된 GaN층 사이에 형성되며, III족 원소 대비 V족 원소의 비율인 V/III족 비율이 조절된 GaN 시드층을 더 포함하는 질화물계 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 GaN 시드층은,
    상기 V/III족 비율이 높은 제1 GaN 시드층; 및
    상기 V/III족 비율이 낮은 제2 GaN 시드층을 포함하는 질화물계 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전처리층 및 상기 Al이 도핑된 GaN층 사이에 형성되며, 상기 전처리층으로부터 상기 Al이 도핑된 GaN층으로 갈수록 알루미늄의 함량이 감소하는 그레이드(grade) AlGaN층을 더 포함하는 질화물계 반도체 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그레이드 AlGaN층에서 알루미늄 함량은 70%로부터 15%까지의 범위로 감소하는 질화물계 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 Al이 도핑된 GaN층은 0.1% 내지 0.9%의 알루미늄을 함유하는 질화물계 반도체 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층 상에 형성되는 보호층을 더 포함하며,
    상기 보호층은 실리콘나이트라이드(SiNx), 실리콘옥사이드(SiOx) 및 알루미늄옥사이드(Al2O3)로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 질화물계 반도체 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어(sapphire), 실리콘(silicone), 알루미늄나이트라이드(AlN), 실리콘카바이드(SiC), 및 갈륨나이트라이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성되는 질화물계 반도체 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체 소자는, 노멀리 온(normally on) 소자, 노멀리 오프(normally off) 소자 및 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)로 이루어진 군으로부터 선택되는 소자인 질화물계 반도체 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 쇼트키 다이오드에서 오믹 전극은 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성되는 질화물계 반도체 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 쇼트키 다이오드에서 쇼트키 전극은 Ni, Au, CuInO2, ITO, Pt 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성되는 질화물계 반도체 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자인 질화물계 반도체 소자.
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