KR20130107815A - Method of fabricating non-polar gallium nitride-based semiconductor layer - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a non-polar gallium nitride-based semiconductor layer is provided to improve the surface morphology of a gallium nitride layer by preventing anisotropic etching on the growth plane of a substrate. CONSTITUTION: A gallium nitride substrate (11) having an m growth plane is arranged in a chamber. A substrate is heated in order to raise the temperature of the substrate to a GaN growth temperature. At the GaN growth temperature, Ga source gas, N source gas, and ambient gas are supplied into the chamber. A gallium nitride layer (13) is grown on the gallium nitride substrate. The ambient gas includes N2. The ambient gas does not include H2.

Description

비극성 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 방법{METHOD OF FABRICATING NON-POLAR GALLIUM NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LAYER}A method of forming a non-polar gallium nitride-based semiconductor layer {METHOD OF FABRICATING NON-POLAR GALLIUM NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LAYER}

본 발명은 질화갈륨계 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 비극성 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor device, and more particularly to a method of forming a nonpolar gallium nitride based semiconductor layer.

질화갈륨계 화합물은 고출력 및 고성능의 광소자나 전자 소자에 중요한 재료로 인식되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 예컨대, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.Gallium nitride compounds have been recognized as important materials for high power and high performance optical and electronic devices. In particular, nitrides of group III elements such as gallium nitride (GaN) have excellent thermal stability and have a direct transition type energy band structure, and thus have recently received a lot of attention as materials for light emitting devices in the visible and ultraviolet regions. have. For example, blue and green light emitting devices using indium gallium nitride (InGaN) are used in various applications such as large-scale color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting, high density light sources, high resolution output systems, and optical communications.

이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD)을 통해 성장되어 왔다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 특히, GaN 에피층은 c면 방향성을 갖고 성장하려는 경향이 있기 때문에, c면 성장면을 갖는 사파이어 기판이 주로 사용되고 있다.The nitride semiconductor layer of such a group III element is difficult to fabricate the same kind of substrate capable of growing it, and has been grown through metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on heterogeneous substrates having a similar crystal structure. A sapphire substrate having a hexagonal system structure is mainly used as a heterogeneous substrate. In particular, since the GaN epilayer tends to grow with c-plane orientation, a sapphire substrate having a c-plane growth surface is mainly used.

그러나, 이종 기판 상에 성장된 에피층은 성장 기판과의 격자 부정합 및 열팽창 계수 차이에 기인하여 전위 밀도가 상대적으로 높다. 사파이어 기판 상에 성장된 에피층은 일반적으로 1E8/㎠ 이상의 전위밀도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 높은 전위밀도를 갖는 에피층으로는 발광 다이오드의 발광 효율을 개선하는데 한계가 있다.However, epitaxial layers grown on dissimilar substrates have a relatively high dislocation density due to lattice mismatch with the growth substrate and differences in coefficient of thermal expansion. Epilayers grown on sapphire substrates are generally known to have dislocation densities of at least 1E8 / cm 2. The epitaxial layer having such a high dislocation density has a limit in improving the luminous efficiency of the light emitting diode.

더욱이, c면 성장면 상에 성장된 c면 질화갈륨계 반도체층은 자발분극 및 압전 분극에 의해 내부 전기장이 발생되고, 이에 따라 발광 재결합율이 감소된다. 이러한 분극 현상을 방지하기 위해 비극성 또는 반극성 질화갈륨계 반도체층에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구의 하나로, 비극성 또는 반극성 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 사용하여 질화갈륨층을 형성하는 것이 시도되고 있다. 그러나 사파이어 기판 상에서의 성장 방법을 이용하여 비극성 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨층을 성장시킬 경우, 이 질화갈륨층은 매우 거친 표면 모폴로지를 갖는다. 이러한 질화갈륨층을 이용하여 발광 다이오드와 같은 반도체 소자를 제조할 경우, 누설전류가 크고 비발광 재결합이 증가하여 양호한 발광 효율을 얻기 어렵다.Further, the c-plane gallium nitride-based semiconductor layer grown on the c-plane growth surface generates an internal electric field by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, thereby reducing the recombination rate of light emission. In order to prevent such a polarization phenomenon, research on a nonpolar or semipolar gallium nitride-based semiconductor layer is in progress. As one of such studies, it has been attempted to form a gallium nitride layer using a nonpolar or semipolar gallium nitride substrate as a growth substrate. However, when growing a gallium nitride layer on a nonpolar gallium nitride substrate using a growth method on a sapphire substrate, the gallium nitride layer has a very rough surface morphology. When manufacturing a semiconductor device such as a light emitting diode using such a gallium nitride layer, the leakage current is large and the non-emitting recombination is increased to obtain a good light emission efficiency.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비극성 질화갈륨 기판 상에 성장되는 질화갈륨계 반도체층의 표면 모폴로지를 개선할 수 있는 비극성 질화갈륨층 형성 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for forming a nonpolar gallium nitride layer which can improve the surface morphology of a gallium nitride based semiconductor layer grown on a nonpolar gallium nitride substrate.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 비극성 질화갈륨 기판 상에 결정품질이 양호한 비극성 질화갈륨계 반도체층들을 형성하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device by forming nonpolar gallium nitride based semiconductor layers having good crystal quality on a nonpolar gallium nitride substrate.

종래 사파이어 기판 상에 질화갈륨층을 성장시킬 경우, 분위기 가스로는 주로 H2 또는 H2와 N2가 함께 사용된다. H2는 분자 이동도가 크기 때문에 챔버 내부의 온도를 균일화하는데 유리하며, 더욱이, 사파이어 기판 표면을 클리닝하는 기능을 수행하여 양호한 표면 특성을 갖는 질화갈륨층을 성장시키기 위해 선호된다. 그러나, 사파이어 기판 상에 질화갈륨층을 성장시키는 조건과 동일한 성장 조건을 이용하여 비극성 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨층을 성장시키면, 표면이 거친 질화갈륨층이 성장된다. 본 발명자들은 비극성 질화갈륨 기판의 표면에서의 이방성이 표면 모폴로지에 영향을 주는 것을 알아내어 본 발명을 달성하게 되었다.If prior to growing a GaN layer on a sapphire substrate, the atmosphere gas is mainly H 2 or H 2 and N 2 are used in combination. H 2 is advantageous for homogenizing the temperature inside the chamber because of its high molecular mobility, and moreover, it is preferred to perform the function of cleaning the sapphire substrate surface to grow a gallium nitride layer having good surface properties. However, when the gallium nitride layer is grown on the nonpolar gallium nitride substrate using the same growth conditions as the conditions for growing the gallium nitride layer on the sapphire substrate, the roughened gallium nitride layer is grown. The inventors have found that the anisotropy at the surface of the nonpolar gallium nitride substrate affects the surface morphology to achieve the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 비극성 질화갈륨층을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, m면 성장면을 갖는 질화갈륨 기판을 챔버 내에 배치하고, 상기 기판을 가열하여 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리고, 상기 성장 온도에서 상기 챔버 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스 및 분위기 가스를 공급하여 상기 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨층을 성장시키는 것을 포함한다. 여기서, 상기 공급되는 분위기 가스는 N2를 포함하고 H2를 포함하지 않는다.According to one embodiment of the present invention, a method of forming a nonpolar gallium nitride layer using a metal organic chemical vapor deposition method is provided. The method includes arranging a gallium nitride substrate having an m-plane growth surface in a chamber, heating the substrate to raise the substrate temperature to a GaN growth temperature, and into the chamber at the growth temperature, a Ga source gas, an N source gas, and an atmosphere gas. Supplying and growing a gallium nitride layer on the gallium nitride substrate. Here, the supplied atmospheric gas contains N 2 and does not include H 2 .

H2 가스는 질화갈륨 기판 표면을 식각하는데, 질화갈륨 기판 표면은 그 이방성 때문에 H2 가스에 의해 방향에 따라 다르게 식각된다. 또한, 기판 상에 성장되는 질화갈륨층 또한 H2 가스에 의해 이방성 식각되므로, 거친 표면을 갖는 질화갈륨층이 성장된다. 이에 따라, 본 발명은 분위기 가스로 사용되는 H2 가스의 공급을 차단하여 기판 표면 또는 성장 도중의 GaN가 H2에 의해 식각되는 것을 방지함으로써 표면 모폴로지가 개선된 질화갈륨층을 제조할 수 있다.The H 2 gas etches the gallium nitride substrate surface, which is etched differently in the direction by the H 2 gas because of its anisotropy. In addition, since the gallium nitride layer grown on the substrate is also anisotropically etched by H 2 gas, a gallium nitride layer having a rough surface is grown. Accordingly, the present invention can produce a gallium nitride layer having an improved surface morphology by blocking supply of H 2 gas used as an atmosphere gas to prevent etching of GaN during substrate surface or growth by H 2 .

나아가, 분위기 가스로 N2 가스만이 상기 챔버 내로 공급될 수 있다.Furthermore, only N 2 gas may be supplied into the chamber as the atmospheric gas.

한편, 상기 Ga 소스 가스는 TMG 또는 TEG일 수 있으며, 상기 N 소스 가스는 NH3일 수 있다.Meanwhile, the Ga source gas may be TMG or TEG, and the N source gas may be NH 3 .

상기 GaN 성장 온도는 950℃ 이상이고 1050℃ 미만인 것이 바람직하며, 특히, 1000℃일 수 있다.The GaN growth temperature is preferably 950 ° C. or more and less than 1050 ° C., in particular, 1000 ° C.

또한, 상기 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리는 동안에도 상기 N 소스 가스 및 상기 분위기 가스가 공급될 수 있다.In addition, the N source gas and the atmosphere gas may be supplied while raising the substrate temperature to the GaN growth temperature.

상기 Ga 소스 가스는, 상기 기판 온도를 올리는 동안에도 공급될 수 있으나, 불안정한 온도에서 GaN가 형성되는 것을 방지하기 위해 상기 GaN 성장 온도에서만 공급될 수 있다. 덧붙여, 상기 질화갈륨 기판이 상기 GaN 성장 온도에 도달한 후, 상기 Ga 소스 가스를 공급하기 전에 3~10분 동안 상기 질화갈륨 기판을 유지할 수 있다.The Ga source gas may be supplied even while raising the substrate temperature, but may be supplied only at the GaN growth temperature to prevent GaN from forming at an unstable temperature. In addition, after the gallium nitride substrate reaches the GaN growth temperature, the gallium nitride substrate may be maintained for 3 to 10 minutes before supplying the Ga source gas.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위에서 설명한 방법을 이용하여 형성된 비극성 질화갈륨층을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device using a nonpolar gallium nitride layer formed using the method described above.

본 발명에 따르면, 비극성 질화갈륨 기판 상에 양호한 표면 모폴로지를 갖는 비극성 질화갈륨층을 성장시킬 수 있다. 따라서, 비극성 질화갈륨 기판 상에 양호한 결정품질을 갖는 반도체층들을 성장시킬 수 있으며, 이들 반도체층들을 이용하여 발광 효율이 높은 발광 다이오드 등의 반도체 소자를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to grow a nonpolar gallium nitride layer having a good surface morphology on a nonpolar gallium nitride substrate. Therefore, semiconductor layers having good crystal quality can be grown on a nonpolar gallium nitride substrate, and semiconductor devices such as light emitting diodes having high luminous efficiency can be manufactured using these semiconductor layers.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 온도 프로파일을 나타낸다.
도 4는 분위기 가스 종류에 따른 비극성 질화갈륨층의 표면 모폴로지를 나타내는 광학 사진들이다.
도 5는 성장 온도에 따른 비극성 질화갈륨층의 표면 모폴로지를 나타내는 광학 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a schematic flowchart illustrating a method of manufacturing a non-polar gallium nitride layer according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a nonpolar gallium nitride layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a temperature profile for explaining a nonpolar gallium nitride layer manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
4 are optical photographs showing the surface morphology of the nonpolar gallium nitride layer according to the atmosphere gas type.
5 are optical photographs showing the surface morphology of the nonpolar gallium nitride layer with growth temperature.
6 is a cross-sectional view for describing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the same reference numerals denote the same elements, and the width, length, thickness, and the like of the elements may be exaggerated for convenience.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층 제조 방법을 설명하기 위한 온도 프로파일을 나타낸다. 도 3에 분위기 가스를 함께 나타내었다.1 is a schematic flowchart illustrating a method of manufacturing a non-polar gallium nitride layer according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a non-polar gallium nitride layer according to an embodiment of the present invention 3 shows a temperature profile for explaining a method of manufacturing a non-polar gallium nitride layer according to an embodiment of the present invention. 3 also shows the atmosphere gas.

도 1, 도 2 및 도 3을를 참조하면, 우선, 비극성 질화갈륨 기판(11)이 MOCVD 챔버 내에 배치된다(S1). 본 실시예에 있어서, 상기 비극성 질화갈륨 기판(11)은 m면 성장면을 갖는다. 또한, 상기 질화갈륨 기판(11)의 성장면은 에피층의 성장을 돕기 위한 경사각을 가질 수 있다.1, 2 and 3, first, a nonpolar gallium nitride substrate 11 is disposed in a MOCVD chamber (S1). In this embodiment, the nonpolar gallium nitride substrate 11 has an m-plane growth surface. In addition, the growth surface of the gallium nitride substrate 11 may have an inclination angle to help the growth of the epi layer.

m면 성장면을 갖는 질화갈륨 기판(11)은 HVPE 등의 기술을 이용하여 제조된 베어(bare) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 m면 질화갈륨 기판(11)은 상면에 상기 베어 기판 상에 성장된 m면 성장면을 갖는 질화갈륨계 반도체층을 포함할 수 있다. 예컨대, 베어 상태의 m면 질화갈륨 기판 상에 상대적으로 저온에서 GaN층 또는 InGaN층이 성장될 수 있으며, 이들 GaN층 또는 InGaN층 상에 본 실시예에 따른 비극성 질화갈륨층(13)이 성장될 수도 있다.The gallium nitride substrate 11 having the m-plane growth surface may be a bare substrate manufactured using a technique such as HVPE, but is not limited thereto. The m-plane gallium nitride substrate 11 may be formed on the upper surface thereof. It may include a gallium nitride based semiconductor layer having an m-plane growth surface grown on the bare substrate. For example, a GaN layer or an InGaN layer may be grown on a bare m-plane gallium nitride substrate at a relatively low temperature, and the nonpolar gallium nitride layer 13 according to the present embodiment may be grown on these GaN layers or InGaN layers. It may be.

상기 MOCVD 챔버는 일반적으로 알려져 있는 질화갈륨계 반도체층 성장용 챔버로서, 기판(11)을 배치하기 위한 트레이 및 상기 트레이가 놓이는 서셉터가 내부에 있고, 가열 수단에 의해 상기 서셉터가 가열되며, 서셉터로부터 열이 기판(11)에 전달되어 기판(11)이 가열된다. 상기 서셉터의 온도가 써모커플에 의해 측정되며, 이 서셉터의 온도가 기판 온도로 간주된다. 한편, 상기 챔버에는 Al, In 및 Ga과 같은 Ⅲ족 원소의 소스 가스, NH3와 같은 N 소스 가스, SiH4, Cp2Mg와 같은 불순물 소스 가스와 함께, N2, H2, Ar 등의 분위기 가스(혹은 캐리어 가스)를 공급하는 가스 공급 수단이 구비된다.The MOCVD chamber is a chamber for growing a gallium nitride based semiconductor layer, which is generally known, having a tray for placing a substrate 11 and a susceptor on which the tray is placed, the susceptor being heated by heating means, Heat is transferred from the susceptor to the substrate 11 to heat the substrate 11. The temperature of the susceptor is measured by the thermocouple, and the temperature of this susceptor is considered the substrate temperature. Meanwhile, the chamber has an atmosphere such as N 2 , H 2 , or Ar together with a source gas of group III elements such as Al, In, and Ga, an N source gas such as NH 3 , and an impurity source gas such as SiH 4 , Cp 2 Mg. Gas supply means for supplying a gas (or carrier gas) is provided.

상기 가열 수단에 의해 서셉터가 가열되고, 이 서셉터로부터 열이 전달되어 기판이 가열된다(S2). 이에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이, t1에서 t2 시간 동안 기판(11) 온도는 Ta에서 Tb로 올라간다. 상기 기판(11) 온도는 예를 들어 약 (100℃/분)의 속도로 올라갈 수 있다.The susceptor is heated by the heating means, heat is transferred from the susceptor, and the substrate is heated (S2). Accordingly, as shown in Fig. 3, the temperature of the substrate 11 rises from Ta to Tb during the time t1 to t2. The substrate 11 temperature may rise, for example, at a rate of about (100 ° C./minute).

상기 기판(11)이 가열되는 동안 분위기 가스로 N2가 공급될 수 있으며, 나아가 NH3가 공급될 수 있다. 기판(11)을 가열하는 동안 H2 가스는 공급하지 않는 것이 바람직하다. 특히, 기판(11) 온도가 약 800℃ 이상의 높은 온도에서 H2 가스를 공급할 경우, H2 가스에 의해 기판(11) 표면이 식각될 수 있다. 이 경우, m면 질화갈륨 기판(11)은 이방성이 크기 때문에, H2 가스에 의한 표면 식각이 기판(11) 표면에서 방향에 따라 다르게 나타나며, 그 결과, 스트라이프 형상의 거친 표면을 갖게 된다. 따라서, 기판(11) 온도를 올리는 동안 기판(11) 표면이 거칠어지는 것을 방지하기 위해 H2 공급을 차단하는 것이 바람직하다.N 2 may be supplied to the atmosphere gas while the substrate 11 is heated, and NH 3 may be supplied. It is preferable not to supply H 2 gas while heating the substrate 11. In particular, when the H 2 gas is supplied at a high temperature of about 800 ° C. or more, the surface of the substrate 11 may be etched by the H 2 gas. In this case, since the m-plane gallium nitride substrate 11 has high anisotropy, the surface etching by H 2 gas is different depending on the direction on the surface of the substrate 11, and as a result, a rough surface having a stripe shape is obtained. Therefore, it is preferable to block the H 2 supply to prevent the surface of the substrate 11 from roughening while raising the substrate 11 temperature.

한편, Ga 소스 가스는 기판(11)을 가열하는 동안 공급될 수도 있으나, Ga 소스 가스의 공급에 의해 기판(11) 상에 GaN층이 성장될 수 있다. 이 GaN층은 온도가 안정화되지 않은 상태에서 형성되기 때문에 표면이 거칠게 형성되기 쉽다. 양호한 표면 모폴로지를 갖도록 상기 GaN층을 성장하기 위해서는 공정 조건에 대한 정밀한 제어가 요구된다. 따라서, 안정한 공정 수행을 위해 기판(11)을 가열하는 동안에는 Ga 소스 가스는 공급하지 않는 것이 바람직하다.Meanwhile, the Ga source gas may be supplied while the substrate 11 is heated, but the GaN layer may be grown on the substrate 11 by supplying the Ga source gas. Since this GaN layer is formed in a state where the temperature is not stabilized, the surface is easily formed to be rough. In order to grow the GaN layer to have a good surface morphology, precise control of the process conditions is required. Therefore, it is preferable not to supply the Ga source gas while heating the substrate 11 to perform a stable process.

한편, NH3 가스는 기판(11) 표면에 질소(N)를 공급하여 질화갈륨 기판(11)으로부터 질소 원자가 분리되는 것을 방지한다. 또한 분위기 가스로서 N2는 챔버 내부의 온도를 올리는 역할을 수행한다. N2 대신에 또는 N2에 더하여 Ar과 같은 비활성 기체가 분위기 가소로 공급될 수도 있다.On the other hand, the NH 3 gas supplies nitrogen (N) to the surface of the substrate 11 to prevent the nitrogen atoms from being separated from the gallium nitride substrate 11. In addition, as an atmosphere gas, N2 serves to raise the temperature inside the chamber. An inert gas such as Ar may be supplied to the atmosphere calcining instead of or in addition to N2.

이어서, 기판(11) 온도가 성장 온도(Tb)에 도달된 후, t2에서 t3 시간 동안, 기판(11)이 성장 온도(Tb)에서 유지된다(S3). 상기 시간은 예를 들어 3~10분일 수 있다. 상기 성장 온도(Tb)는 950℃ 이상이고 1050℃ 미만이며, 특히 약 1000℃일 수 있다. 이 시간 동안, N2 및 NH3는 계속해서 공급되어 챔버 내부의 가스 상태 및 기판(11)의 표면 상태가 안정화된다. 또한, 이 시간 동안에도, 위에서 설명한 바와 같은 이유로 H2는 공급되지 않는다. 상기 단계(S3)는 공정을 안정화하기 위해 요구되는 것으로 생략될 수도 있다.Subsequently, after the substrate 11 temperature reaches the growth temperature Tb, the substrate 11 is maintained at the growth temperature Tb for a time t3 at t2 (S3). The time may be, for example, 3 to 10 minutes. The growth temperature (Tb) may be at least 950 ° C. and less than 1050 ° C., in particular about 1000 ° C. During this time, N2 and NH3 are continuously supplied to stabilize the gas state inside the chamber and the surface state of the substrate 11. Also during this time, H2 is not supplied for the reasons described above. The step S3 may be omitted as required to stabilize the process.

이어서, 챔버 내에 Ga 소스 가스가 공급되어 기판(11) 상에 질화갈륨층(13)이 성장된다(S4). 질화갈륨층(13)은 기판(11)의 성장면을 따라 m면 성장면을 갖고 성장된다. 이때, 분위기 가스로 H2를 공급할 경우, H2가 성장하고 있는 GaN를 이방성 식각하여 질화갈륨층(13)의 표면을 거칠게 만들 수 있다. 따라서, 분위기 가스로서 H2는 공급하지 않는다. 분위기 가스로는 앞서 설명한 바와 같이 N2가 사용될 수 있으며, 또한 Ar 등의 비활성 기체가 사용될 수 있다. 상기 질화갈륨층(13)에 불순물을 도핑하기 위해 SiH4나 Cp2Mg와 같은 불순물 소스 가스가 함께 공급될 수도 있다.Subsequently, the Ga source gas is supplied into the chamber to grow the gallium nitride layer 13 on the substrate 11 (S4). The gallium nitride layer 13 is grown along the growth plane of the substrate 11 with the m plane growth plane. In this case, when H2 is supplied to the atmosphere gas, GaN in which H2 is grown may be anisotropically etched to roughen the surface of the gallium nitride layer 13. Therefore, H2 is not supplied as an atmospheric gas. As the atmosphere gas, N 2 may be used as described above, and an inert gas such as Ar may be used. In order to dope an impurity in the gallium nitride layer 13, an impurity source gas such as SiH 4 or Cp 2 Mg may be supplied together.

(실험예 1)(Experimental Example 1)

도 4는 분위기 가스 종류에 따른 비극성 질화갈륨층(13)의 표면 모폴로지를 나타내는 광학 사진들이다. 여기서 (a)는 분위기 가스로서 N2를 공급한 것이고, (b)는 분위기 가스로서 H2를 공급한 것이고, (c)는 분위기 가스로서 N2와 H2를 함께 공급한 것이다. 모두 m면 질화갈륨 기판(11) 상에 1000℃의 동일한 성장 온도에서 질화갈륨층을 성장하였으며, 각 분위기 가스에 적합하게 소스 가스들의 유량을 조절하였다.4 are optical photographs showing the surface morphology of the nonpolar gallium nitride layer 13 according to the type of atmospheric gas. Here, (a) is supplied with N 2 as the atmosphere gas, (b) is supplied with H 2 as the atmosphere gas, and (c) is supplied with N 2 and H 2 as the atmosphere gas. The gallium nitride layer was grown on the m-plane gallium nitride substrate 11 at the same growth temperature of 1000 ° C., and the flow rates of the source gases were adjusted to suit the respective atmospheric gases.

도 4(a)에 보이듯이, H2를 공급하지 않고 N2를 분위기 가스로 공급한 경우, 표면 모폴로지가 상대적으로 양호한 질화갈륨층(13)이 성장되었다. 이에 반해, 도 4(b) 및 (c)에 보이듯이, H2가 분위기 가스에 포함된 경우, 질화갈륨층의 표면이 매우 거칠었다. 덧붙여, H2만을 공급한 도 4(b)의 질화갈륨층이 가장 거칠게 형성되었다.As shown in Fig. 4A, when N 2 was supplied as an atmosphere gas without H 2 supplied, a gallium nitride layer 13 having a relatively good surface morphology was grown. In contrast, as shown in Figs. 4B and 4C, when H 2 was included in the atmosphere gas, the surface of the gallium nitride layer was very rough. In addition, the gallium nitride layer of FIG. 4 (b) which supplied only H 2 was formed roughest.

H2를 분위기 가스로 공급한 경우, 질화갈륨 기판(11)의 표면 및 질화갈륨층이 H2에 의해 이방성 식각되기 때문에, 질화갈륨층(13)의 표면이 거칠게 형성되는 것으로 판단된다.When H 2 is supplied as an atmosphere gas, since the surface of the gallium nitride substrate 11 and the gallium nitride layer are anisotropically etched by H 2 , the surface of the gallium nitride layer 13 is roughly formed.

도 5는 성장 온도에 따른 비극성 질화갈륨층의 표면 모폴로지를 나타내는 광학 사진들이다. 각 시료의 질화갈륨층은 성장 온도를 다르게 한 것을 제외하면 모두 동일한 조건에서 m면 질화갈륨 기판(11) 상에 성장되었으며, 모두 동일하게 분위기 가스로는 N2 분위기 가스만을 사용하였다.5 are optical photographs showing the surface morphology of the nonpolar gallium nitride layer with growth temperature. All of the gallium nitride layers of the samples were grown on the m-plane gallium nitride substrate 11 under the same conditions except that the growth temperatures were different.

도 5를 참조하면, 기판 온도(Tb)에 따라 질화갈륨층(13)의 표면 모폴로지가 많은 차이를 나타낸다. 특히, 기판 온도가 1000℃일 때, 상대적으로 양호한 표면 모폴로지를 갖는 질화갈륨층이 성장된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, the surface morphology of the gallium nitride layer 13 shows a large difference according to the substrate temperature Tb. In particular, when the substrate temperature is 1000 ℃, it can be seen that the gallium nitride layer having a relatively good surface morphology is grown.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.6 is a cross-sectional view for describing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판(11), 제1 콘택층(13), 초격자층(15), 활성층(17), p형 클래드층(19) 및 제2 콘택층(21)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, 투명 전극층(23), 제1 전극(25) 및 제2 전극(27)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the light emitting diode includes a gallium nitride substrate 11, a first contact layer 13, a superlattice layer 15, an active layer 17, a p-type cladding layer 19, and a second contact layer. (21). Furthermore, the light emitting diode may include a transparent electrode layer 23, a first electrode 25, and a second electrode 27.

상기 질화갈륨 기판(11)은 도 2를 참조하여 설명한 기판과 동일한 것으로 상세한 설명은 생략한다. 상기 제1 콘택층(13)은 Si이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 상기 제1 콘택층(13)은 도 2의 질화갈륨층(13)으로 다만 불순물로서 Si이 도핑된 것에 차이가 있다. 상기 제1 콘택층(13)은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 질화갈륨 기판(11) 상에 성장되며, 분위기 가스로는 N2가 사용되고 H2는 사용되지 않는다.The gallium nitride substrate 11 is the same as the substrate described with reference to FIG. 2 and a detailed description thereof will be omitted. The first contact layer 13 may be formed of GaN doped with Si. The first contact layer 13 is a gallium nitride layer 13 of FIG. 2 except that Si is doped as an impurity. The first contact layer 13 is grown on the gallium nitride substrate 11 as described with reference to FIGS. 1 to 3, and N2 is used as the atmosphere gas and H2 is not used.

상기 제1 콘택층(13) 상에 다층 구조의 초격자층(15)이 위치할 수 있다. 상기 초격자층(13)은 제1 콘택층(13)과 활성층(17) 사이에 위치한다. 상기 초격자층(15)은 예컨대, InGaN/GaN의 쌍을 복수 주기(예컨대, 15 내지 20 주기) 반복 적층하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 초격자층(15)은 InGaN층/AlGaN층/GaN층의 3층 구조가 복수 주기(예컨대, 약 10 내지 20 주기) 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 초격자층(15)을 형성하는 동안에도 H2 가스는 공급되지 않는 것이 바람직하다.A superlattice layer 15 having a multilayer structure may be positioned on the first contact layer 13. The superlattice layer 13 is positioned between the first contact layer 13 and the active layer 17. For example, the superlattice layer 15 may be formed by repeatedly stacking InGaN / GaN pairs in a plurality of cycles (for example, 15 to 20 cycles), but is not limited thereto. For example, the superlattice layer 15 may have a structure in which a three-layer structure of an InGaN layer / AlGaN layer / GaN layer is repeatedly stacked in a plurality of cycles (for example, about 10 to 20 cycles). It is preferable that H2 gas is not supplied even while the superlattice layer 15 is formed.

한편, 상기 초격자층(15) 상에 다중양자우물 구조의 활성층(17)이 위치한다. 상기 활성층(17)은, 장벽층 및 우물층이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 예컨대, 상기 장벽층은 GaN, AlGaN 또는 AlInGaN일 수 있으며, 상기 우물층은 InGaN 또는 GaN일 수 있다. 상기 활성층(17)은 제1 콘택층(13) 성장 온도보다 상대적으로 낮은 온도에서 성장되지만, H2 가스를 공급하지 않는 것이 바람직하다.On the other hand, the active layer 17 of the multi-quantum well structure is located on the superlattice layer 15. The active layer 17 has a structure in which a barrier layer and a well layer are alternately stacked. For example, the barrier layer may be GaN, AlGaN or AlInGaN, and the well layer may be InGaN or GaN. The active layer 17 is grown at a temperature relatively lower than the growth temperature of the first contact layer 13, but preferably does not supply H2 gas.

상기 p형 클래드층(19)은 활성층(17) 상에 위치하며, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 p형 클래드층(19)은 InGaN/AlGaN을 반복 적층한 초격자 구조로 형성될 수도 있다. 상기 p형 클래드층(19)은 전자 블록층으로서, 전자가 p형 콘택층(21)으로 이동하는 것을 차단하여 발광 효율을 개선한다. 상기 p형 클래드층(19)은 상기 활성층(17) 성장 온도보다 상대적으로 높은 온도에서 성장된다. 따라서, 상기 p형 클래드층(19)을 성장하기 위해 기판 온도를 올릴 필요가 있다. 이때, 상기 기판 온도를 올리는 동안 H2 가스는 공급되지 않는다. 나아가, 상기 p형 클래드층(19)을 성장하는 동안에도 H2 가스는 공급되지 않는다.The p-type cladding layer 19 is positioned on the active layer 17 and may be formed of AlGaN or AlInGaN. Alternatively, the p-type cladding layer 19 may be formed in a superlattice structure in which InGaN / AlGaN is repeatedly stacked. The p-type cladding layer 19 is an electron blocking layer, and blocks electrons from moving to the p-type contact layer 21 to improve luminous efficiency. The p-type cladding layer 19 is grown at a temperature relatively higher than the growth temperature of the active layer 17. Therefore, in order to grow the p-type cladding layer 19, it is necessary to raise the substrate temperature. At this time, H2 gas is not supplied while raising the substrate temperature. Furthermore, H2 gas is not supplied even while the p-type cladding layer 19 is grown.

한편, 제2 콘택층(21)은 Mg을 도핑한 GaN로 형성될 수 있다. 제2 콘택층(21)은 p형 클래드층(19) 상에 위치할 수 있다. 상기 제2 콘택층(21)은 상기 p형 클래드층(19)에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 성장될 수 있으며, 따라서 기판 온도를 내리는 단계가 요구될 수 있다. 기판 온도를 내리는 단계나, 제2 콘택층(21)을 성장하는 동안 분위기 가스로서 H2는 공급되지 않으며 N2 가스만이 분위기 가스로 사용될 수 있다. 한편, 상기 p형 클래드층(19)이 생략되고, 상기 제2 콘택층(21)이 상기 활성층(17) 상에 직접 성장될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 콘택층(21)의 성장 온도는 활성층(17)의 성장 온도보다 상대적으로 높기 때문에, 활성층(17)이 형성된 후, 기판 온도를 올릴 필요가 있다. 이때, 상기 기판 온도를 올리는 동안 H2 가스는 공급되지 않는다.Meanwhile, the second contact layer 21 may be formed of GaN doped with Mg. The second contact layer 21 may be located on the p-type cladding layer 19. The second contact layer 21 may be grown at a relatively lower temperature than the p-type cladding layer 19, and thus, a step of lowering the substrate temperature may be required. During the step of lowering the substrate temperature or growing the second contact layer 21, H2 is not supplied as the atmosphere gas and only N2 gas may be used as the atmosphere gas. Meanwhile, the p-type cladding layer 19 may be omitted, and the second contact layer 21 may be directly grown on the active layer 17. In this case, since the growth temperature of the second contact layer 21 is relatively higher than the growth temperature of the active layer 17, it is necessary to raise the substrate temperature after the active layer 17 is formed. At this time, H2 gas is not supplied while raising the substrate temperature.

한편, 제2 콘택층(21) 상에 ITO나 ZnO와 같은 투명 도전층(23)이 형성되어 제2 콘택층(21)에 오믹 콘택할 수 있다. 제2 전극(27)이 투명 도전층(23)을 통해 제2 콘택층(21)에 접속될 수 있다. 또한, 제2 콘택층(21), p형 클래드층(19), 활성층(17) 및 초격자층(15)의 일부를 식각 공정으로 제거하여 제1 콘택층(13)이 노출될 수 있다. 제1 전극(25)은 상기 노출된 제1 콘택층(13) 상에 형성될 수 있다.Meanwhile, a transparent conductive layer 23 such as ITO or ZnO is formed on the second contact layer 21 to make ohmic contact with the second contact layer 21. The second electrode 27 may be connected to the second contact layer 21 through the transparent conductive layer 23. In addition, a portion of the second contact layer 21, the p-type cladding layer 19, the active layer 17, and the superlattice layer 15 may be removed by an etching process to expose the first contact layer 13. The first electrode 25 may be formed on the exposed first contact layer 13.

본 실시예에 있어서, 비극성 질화갈륨층(13)을 사용하는 발광 다이오드를 예로 설명하였지만, 본 발명은 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니며, 비극성 질화갈륨계 반도체층을 채택하는 모든 종류의 반도체 소자에 적용될 수 있다.In the present embodiment, a light emitting diode using the nonpolar gallium nitride layer 13 has been described as an example, but the present invention is not limited to the light emitting diode and is applied to all kinds of semiconductor devices employing the nonpolar gallium nitride based semiconductor layer. Can be.

이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments or constructions. Various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. have.

Claims (11)

금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 비극성 질화갈륨층을 형성하는 방법에 있어서,
m면 성장면을 갖는 질화갈륨 기판을 챔버 내에 배치하고,
상기 기판을 가열하여 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리고,
상기 성장 온도에서 상기 챔버 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스 및 분위기 가스를 공급하여 상기 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨층을 성장시키는 것을 포함하되,
상기 공급되는 분위기 가스는 N2를 포함하고 H2를 포함하지 않는 비극성 질화갈륨층 형성 방법.In the method of forming a nonpolar gallium nitride layer using a metal organic chemical vapor deposition method,
a gallium nitride substrate having an m-plane growth surface is placed in the chamber,
Heating the substrate to raise the substrate temperature to the GaN growth temperature;
Supplying a Ga source gas, an N source gas, and an atmosphere gas into the chamber at the growth temperature to grow a gallium nitride layer on the gallium nitride substrate,
The supplied atmospheric gas comprises N2 and does not contain H2. The method of forming a nonpolar gallium nitride layer. 청구항 1에 있어서,
분위기 가스로 N2 가스만이 챔버 내로 공급되는 비극성 질화갈륨층 형성 방법. The method according to claim 1,
A method of forming a nonpolar gallium nitride layer in which only N2 gas is supplied into the chamber as an atmosphere gas. 청구항 1에 있어서,
상기 Ga 소스 가스는 TMG 또는 TEG이고,
상기 N 소스 가스는 NH3인 비극성 질화갈륨층 형성 방법. The method according to claim 1,
The Ga source gas is TMG or TEG,
And the N source gas is NH3. 청구항 1에 있어서,
상기 GaN 성장 온도는 950℃ 이상이고 1050℃ 미만인 비극성 질화갈륨층 형성 방법.The method according to claim 1,
The GaN growth temperature is at least 950 ℃ and less than 1050 ℃ nonpolar gallium nitride layer forming method. 청구항 4에 있어서,
상기 GaN 성장 온도는 1000℃인 비극성 질화갈륨층 형성 방법.The method of claim 4,
The GaN growth temperature is 1000 ℃ nonpolar gallium nitride layer formation method. 청구항 1에 있어서,
상기 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리는 동안에도 상기 N 소스 가스 및 상기 분위기 가스가 공급되는 비극성 질화갈륨층 형성 방법.The method according to claim 1,
And the N source gas and the atmospheric gas are supplied while raising the substrate temperature to the GaN growth temperature. 청구항 6에 있어서,
상기 Ga 소스 가스는 상기 GaN 성장 온도에서만 공급되는 비극성 질화갈륨층 형성 방법.The method of claim 6,
And the Ga source gas is supplied only at the GaN growth temperature. 청구항 7에 있어서,
상기 질화갈륨 기판이 상기 GaN 성장 온도에 도달한 후, 상기 Ga 소스 가스를 공급하기 전에 3~10분 동안 상기 질화갈륨 기판을 유지하는 것을 더 포함하는 질화갈륨층 형성 방법.The method of claim 7,
And maintaining the gallium nitride substrate for 3 to 10 minutes after the gallium nitride substrate reaches the GaN growth temperature and before supplying the Ga source gas. 금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 비극성 질화갈륨층을 형성하여 반도체 소자를 제조하는 방법에 있어서,
m면 성장면을 갖는 질화갈륨 기판을 챔버 내에 배치하고,
상기 기판을 가열하여 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리고,
상기 성장 온도에서 상기 챔버 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스 및 분위기 가스를 공급하여 상기 질화갈륨 기판 상에 질화갈륨층을 성장시키는 것을 포함하되,
상기 공급되는 분위기 가스는 N2를 포함하고 H2를 포함하지 않는 반도체 소자 제조 방법.In the method of manufacturing a semiconductor device by forming a nonpolar gallium nitride layer using a metal organic chemical vapor deposition method,
a gallium nitride substrate having an m-plane growth surface is placed in the chamber,
Heating the substrate to raise the substrate temperature to the GaN growth temperature;
Supplying a Ga source gas, an N source gas, and an atmosphere gas into the chamber at the growth temperature to grow a gallium nitride layer on the gallium nitride substrate,
The supplied atmospheric gas contains N2 and does not contain H2. 청구항 9에 있어서,
상기 GaN 성장 온도로 기판 온도를 올리는 동안에도 상기 N 소스 가스 및 상기 분위기 가스가 공급되는 반도체 소자 제조 방법.The method of claim 9,
The N source gas and the atmosphere gas are supplied even while raising the substrate temperature to the GaN growth temperature. 청구항 9에 있어서,
상기 반도체 소자는 발광 다이오드인 반도체 소자 제조 방법.The method of claim 9,
The semiconductor device is a semiconductor device manufacturing method of the light emitting diode.
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