KR20150048475A - 정전기 방전 특성이 향상된 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

정전기 방전 특성이 향상된 반도체 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 반도체 소자는, 하부 제1 도전형 반도체층 및 상부 제1 도전형 반도체층을 포함하는 제1 도전형 반도체층, 상기 상부 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부를 관통하는 V-피트, 및 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 상기 V-피트를 채우는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 하부 제1 도전형 반도체층보다 높은 결함 밀도를 갖는다. 이에 따라, 제너 다이오드를 이용하지 않고도 정전기 방전을 방지할 수 있는 반도체 소자가 제공된다.

Description

정전기 방전 특성이 향상된 반도체 소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING ENHANCED ESD CHARACTERISTICS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명의 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 정전기 방전에 특성이 향상된 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 질화물계 반도체는 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 또는 트랜지스터와 같은 다양한 반도체 소자에 적용되고 있다. 질화물계 반도체는 격자 정합하는 기판을 제조하는 단가가 높고, 또한, 양질의 동종 기판을 제조하는 것이 어렵다. 이와 같은 이유로 인하여, 일반적인 질화물계 반도체는 사파이어, 탄화실리콘 또는 실리콘과 같은 이종 기판 상에 성장된다. 이러한 이종 기판 상에 성장된 질화물계 반도체는 기판과 질화물계 반도체층 간의 격자 부정합으로 인하여 발생된 결함을 갖고, 특히, 약 1×108/cm2 이상의 상당히 높은 전위 밀도(dislocation density)를 갖는다.
상기 전위는 전자 트랩 사이트를 제공하여 의도하지 않은 전자의 거동을 유발하며(예를 들어, 발광 다이오드에 있어서 전자와 정공의 비발광 재결합), 또한, 전류 누설 경로를 제공한다. 이에 따라, 반도체 소자에 정전기와 같은 과전압이 인가될 경우, 상기 전위를 통해 전류가 집중하여 정전 방전에 의한 소자의 손상이 발생한다.
질화물계 반도체 소자의 열악한 정전 방전 특성 때문에, 통상적으로 제너 다이오드가 질화물 반도체 소자와 함께 사용된다. 그러나 제너 다이오드는 상대적으로 고가이며, 또한 제너 다이오드를 장착하기 위한 공정 및 공간을 필요로 한다. 또한, 발광 다이오드의 경우, 최근 그 이용범위가 소형 디스플레이 등으로 확장됨에 따라 소형화 및 고효율화가 요구되는데, 제너 다이오드를 사용하면 발광 다이오드의 소형화에 제약이 따른다. 즉, 제너 다이오드를 사용하면 발광 다이오드를 적용한 발광 소자 패키지의 면적이 증가하고, 상대적으로 발광 면적은 감소하여 발광 소자 패키지 출력 등의 효율이 저하된다.
따라서, 제너 다이오드를 사용하지 않고 정전기 방전(ESD)에 의한 반도체 소자의 손상을 방지할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제너 다이오드를 사용하지 않고 정전기 방전 특성이 향상된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 정전기 방전을 위한 V-피트(V-pit)를 효율적으로 형성할 수 있으며, 반도체층의 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 반도체 소자는, 하부 제1 도전형 반도체층 및 상부 제1 도전형 반도체층을 포함하는 제1 도전형 반도체층; 상기 상부 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부를 관통하는 V-피트; 및 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 상기 V-피트를 채우는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 하부 제1 도전형 반도체층보다 높은 결함 밀도를 갖는다.
상기 반도체 소자는 V-피트를 포함하여 정전기 방전에 의한 손상이 방지될 수 있고, 따라서 제너 다이오드를 별도로 요구하지 않아 소자의 소형화가 달성될 수 있다.
상기 상부 제1 도전형 반도체층은 V-피트 발생층을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 초격자층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 제1 도전형 반도체층은, 상기 V-피트 발생층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 제1 저온 성장 도핑층 및/또는 상기 초격자층 상에 위치하는 제2 저온 성장 도핑층을 더 포함할 수 있다.
상기 V-피트의 상부 너비는 상기 V-피트 발생층의 두께에 비례할 수 있다.
상기 V-피트 발생층은 언도핑된 GaN층일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 더 포함할 수 있고, 상기 V-피트는 상기 활성층을 관통할 수 있다.
상기 반도체 소자는, 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 부분적으로 제거되어 상기 하부 제1 도전형 반도체층이 부분적으로 노출된 영역; 및 상기 노출된 하부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제1 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 V-피트의 상부 너비는 60 내지 220nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따른 반도체 소자 제조 방법은, 기판 상에 하부 제1 도전형 반도체층을 형성하고; 상기 하부 제1 도전형 반도체층 상에 상부 제1 도전형 반도체층을 형성함과 아울러, 상기 상부 제1 도전형 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 V-피트를 형성하고; 상기 상부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 상기 V-피트를 채우는 제2 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 하부 제1 도전형 반도체층보다 낮은 온도에서 성장되어 형성된다.
상기 상부 제1 도전형 반도체층은 800 내지 900℃의 온도에서 성장될 수 있다.
상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 하부 제1 도전형 반도체층 상에 V-피트 발생층을 형성하는 것을 포함할 수 있고, 상기 V-피트는 상기 V-피트 발생층을 시드로 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 V-피트 발생층 상에 초격자층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 초격자층을 형성하기 전에, 상기 V-피트 발생층을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 열처리의 분위기 가스는 수소 가스를 포함할 수 있다.
상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 V-피트 발생층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 제1 저온 성장 도핑층 및/또는 상기 초격자층 상에 위치하는 제2 저온 성장 도핑층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 V-피트 발생층은 언도핑된 GaN층일 수 있다.
상기 제조 방법은, 상기 제2 도전형 반도체층을 형성하기 전에, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있고, 상기 V-피트는 상기 활성층을 형성함에 따라 상기 활성층의 성장 방향으로 연장되어 상기 활성층을 관통할 수 있다.
나아가 상기 제조 방법은, 상기 제2 도전형 반도체층을 형성한 후, 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 제거하여 상기 하부 제1 도전형 반도체층을 노출시키고; 상기 노출된 하부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제1 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층은 V-피트를 채워 표면을 평탄화하는 온도에서 성장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자가 크기가 크고 밀도가 높은 V-피트를 포함하고, 이에 따라, 정전기 방전에 의한 소자의 손상을 효율적으로 방지할 수 있다. 또한, 반도체층의 구조를 통해 정전기 방전에 의한 손상을 방지할 수 있어서, 제너 다이오드를 요구하지 않는다. 따라서 소형화 및 고효율화된 반도체 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 반도체 소자 제조 방법에 따르면, V-피트를 효과적으로 형성할 수 있으므로, 정전기 방전으로부터 자유로운 반도체 소자 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 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, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
상기 반도체 소자는 제1 도전형 반도체층(200), 제2 도전형 반도체층(400), 및 V-피트(V)를 포함한다. 나아가, 상기 반도체 소자는 기판(100) 및 활성층(300)을 더 포함할 수 있다.
기판(100)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(200, 400)을 성장시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 실리콘 기판, 질화물계 기판 등일 수 있다. 또한, 기판(100)은 극성, 비극성 또는 반극성의 성장면을 가질 수 있다. 본 실시예에 있어서, 기판(100)은 c면 성장면(극성)을 갖는 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 반도체 소자는 제1 도전형 반도체층(200)과 기판(100) 사이에 위치하는 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층은 제1 도전형 반도체층(200)이 성장될 수 있도록 하는 핵층 역할을 할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200)은 기판(100) 상에 위치할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(200)은 하부 제1 도전형 반도체층(210) 및 상기 하부 제1 도전형 반도체층(210) 상에 위치하는 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 포함한다. 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 상부 제1 도전형 반도체층(220)보다 낮은 결함 밀도를 가질 수 있고, 이는 하부 및 상부 제1 도전형 반도체층(210, 220)의 성장 온도를 다르게 함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 1000℃ 이상의 고온에서 성장시키고, 상부 제1 도전형 반도체층(220)은 800 내지 900℃은 저온에서 성장시킴으로써, 상부 제1 도전형 반도체층(220)이 하부 제1 도전형 반도체층(210)에 비해 높은 결함 밀도를 갖도록 할 수 있다. 상부 제1 도전형 반도체층(220)이 상대적으로 높은 결함 밀도를 갖도록 형성됨으로써, 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 적어도 부분적으로 관통하는 V-피트(V)를 형성할 수 있다. 이에 관련하여서는 후술하여 상세히 설명한다.
하부 제1 도전형 반도체층(210)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, Si와 같은 불순물을 포함하여 n형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 n형 GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다.
상부 제1 도전형 반도체층(220)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, Si와 같은 불순물을 포함하여 n형으로 도핑되거나 또는 언도핑된 질화물계 반도체층을 포함할 수 있다. 또한, 상부 제1 도전형 반도체층(220)은 다중층을 포함할 수 있으며, 이에 대해 상세히 설명한다.
상부 제1 도전형 반도체층(220)은 V-피트 발생층(221)을 포함할 수 있고, 나아가, V-피트 발생층(221) 상에 위치하는 초격자층(225)을 더 포함할 수 있다. 또한, V-피트 발생층(221)과 초격자층(225) 사이에 위치하는 제1 저온 성장 도핑층(223) 및/또는 초격자층(225) 상에 위치하는 제2 저온 성장 도핑층(227)을 더 포함할 수 있다.
V-피트 발생층(221)은 상대적으로 저온(예를 들어, 800 내지 900℃)에서 성장될 수 있고, 언도핑된 GaN층을 포함할 수 있다. 이에 따라, V-피트 발생층(221)은 상대적으로 높은 결함 밀도를 가질 수 있고, V-피트(V)가 발생되는 시발점으로 작용할 수 있다. 특히, V-피트 발생층(221)은 성장 조건을 제어하여, 3D 성장을 유도함으로써, V-피트(V)가 발생되도록 할 수 있다. 또한, V-피트 발생층(221)에 따라 V-피트(V)의 크기 및 밀도가 조절될 수 있다. 즉, V-피트(V)의 상부 너비는 V-피트 발생층(221)의 두께에 비례할 수 있으며, V-피트 발생층(221)의 성장 조건에 따른 결함 밀도에 따라 V-피트(V)의 밀도가 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 소자는 V-피트 발생층(221)을 포함하는 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 포함함으로써, V-피트의 크기 및 밀도를 종래의 경우보다 높게 할 수 있어서 정전기 방전(ESD)에 의한 소자의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
초격자층(225)은 V-피트 발생층(225) 상에 위치할 수 있으며, 초격자층(225) 역시 V-피트 발생층(221)의 성장온도와 유사한 온도 범위에서 성장될 수 있다. 초격자층(225)은 GaN층, InGaN층, AlGaN층, 및 AlInGaN층 중 적어도 두 종류의 층이 적층 또는 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 상부 제1 도전형 반도체층(220)이 초격자층(225)을 포함함으로써, 상대적으로 낮은 성장 온도에 따른 결함 밀도 증가 및 결정성의 저하를 효과적으로 보상할 수 있다. 따라서, 상부 제1 도전형 반도체층(220) 상에 성장되는 활성층(300)의 결정성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 제1 저온 성장 도핑층(223)은 V-피트 발생층(221)과 초격자층(225) 사이에 위치할 수 있고, 제2 저온 성장 도핑층(227)은 초격자층(225) 상에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 저온 성장 도핑층(223, 227)은 n형으로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, n형 GaN층을 포함할 수 있다.
활성층(300)은 제1 도전형 반도체층(200) 상에 위치할 수 있으며, 활성층(300)은 단일 양자우물구조 또는 장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 상기 장벽층은 양자우물층에 비해 밴드갭이 넓은 질화갈륨계 반도체층, 예컨대, GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN로 형성될 수 있다. 양자우물층의 질화갈륨계 반도체 조성비를 조절함으로써, 활성층(300)에서 원하는 파장의 광이 방출되도록 할 수 있다. 활성층(300)의 장벽층 및 양자우물층은 활성 영역의 결정 품질을 향상시키기 위해 불순물이 도핑되지 않은 언도프트층으로 형성될 수 있으나, 순방향 전압을 낮추기 위해 일부 또는 전체 활성 영역 내에 불순물이 도핑될 수도 있다.
V-피트(V)는 상부 제1 도전형 반도체층(220)의 적어도 일부분을 관통하는 형태로 형성될 수 있으며, 나아가, 활성층(300)을 관통할 수 있다. V-피트(V)는 복수개로 서로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, V-피트(V)는 'V'자 형태의 단면을 가지며, 하부에 상부로 갈수록 그 너비가 커지는 형태를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, V-피트 발생층(221)의 두께에 V-피트(V)의 상부 너비가 비례할 수 있으며, V-피트(V)의 상부 너비는, 예를 들어, 60 내지 220nm일 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, V-피트(V)의 상부 너비가 종래의 경우보다 월등히 크게 형성될 수 있고, 정전기 방전에 의한 역전류를 효과적으로 차단할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(400)은 활성층(300) 상에 위치할 수 있으며, V-피트(V)를 채울 수 있다. 제2 도전형 반도체층(400)은 V-피트(V)를 채움과 아울러, 그 상부 표면이 평탄화된 것일 수 있다.
제2 도전형 반도체층(400)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, Mg와 같은 불순물을 포함하여 p형으로 도핑될 수 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(400)은 다중층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 클래드층 및 컨택층을 포함할 수 있다.
본 실시예의 반도체 소자에 따르면, 크기 및 밀도가 큰 V-피트(V)를 가져, 정전기 방전에 의한 소자의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 상기 반도체 소자의 구조 및 구성은 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 또는 트랜지스터 등 다양한 종류의 반도체 소자에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2의 실시예는 도 1의 반도체 소자를 이용한 발광 다이오드의 일례를 도시하며, 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 도 2의 반도체 소자(즉, 발광 다이오드)는 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 제2 도전형 반도체층(300), 및 V-피트(V)를 포함한다. 나아가, 상기 반도체 소자는 기판(100), 및 제1 전극(510)과 제2 전극(520)을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 소자의 각 구성들 중 도 1을 참조하여 설명한 구성들과 동일한 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하고, 이하, 차이점에 대해서 설명한다.
상기 반도체 소자는 제2 도전형 반도체층(400), 활성층(300) 및 제1 도전형 반도체층(200)의 일부가 제거되어 하부 제1 도전형 반도체층(210)이 노출된 영역을 가질 수 있다. 이는 메사 식각을 통해서 제공될 수 있다.
제1 전극(510)은 상기 하부 제1 도전형 반도체층(210)의 표면이 노출된 영역 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(510)은 외부 전원과 제1 도전형 반도체층(200)을 전기적으로 연결할 수 있다. 한편, 제2 전극(520)은 제2 도전형 반도체층(400) 상에 배치될 수 있고, 외부 전원과 제2 도전형 반도체층(400)을 전기적으로 연결할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발광 다이오드와 같은 반도체 소자에 있어서, V-피트(V) 구조를 적용할 수 있고, 따라서 상기 반도체 소자의 정전기 방전에 의한 파손을 방지할 수 있다. 이에 따라 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 또한, 제너 다이오드를 별도로 이용하지 않고도 정전기 방전에 의한 손상을 방지할 수 있어서, 반도체 소자를 소형화 및 고효율화할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이하 실시예에 있어서, 도 1 또는 도 2를 참조하여 설명한 구성과 동일한 도면부호를 갖는 구성에 대한 중복되는 설명은 최소화하고, 그 차이점을 중심으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 하부 제1 도전형 반도체층(210)을 형성한다.
기판(100)은 반도체층을 성장 시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 사파이어 기판일 수 있다.
하부 제1 도전형 반도체층(210)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, Si와 같은 불순물을 포함하여 n형으로 도핑된 n형 GaN층을 포함할 수 있다. 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE와 같은 기술을 이용하여 기판(110) 상에 성장될 수 있다. 하부 제1 도전형 반도체층(210)은 상대적으로 고온에서 성장될 수 있고, 예를 들어, 약 1000℃ 이상의 온도에서 성장될 수 있다.
한편, 하부 제1 도전형 반도체층(210)을 형성하기 전에, 기판(110) 상에 버퍼층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 상기 버퍼층은 400 내지 600℃의 저온에서 성장되어 형성될 수 있다.
이어서, 도 4 및 도 5를 참조하면, 하부 제1 도전형 반도체층(210) 상에 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 형성하여 제1 도전형 반도체층(200)을 형성한다. 또한, 상기 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 형성함과 아울러, 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 적어도 부분적으로 관통하는 V-피트(V)를 형성한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 하부 제1 도전형 반도체층(210) 상에 V-피트 발생층(221)을 MOCVD, MBE, 또는 HVPE등의 기술을 이용하여 성장시키되, 하부 제1 도전형 반도체층(210)에 비해 상대적으로 저온에서 성장시킨다. V-피트 발생층(221)은 질화갈륨계 반도체를 포함할 수 있으며, 또한, 언도핑될 수 있다. 예를 들어, V-피트 발생층(221)은 MOCVD를 이용하여 800 내지 900℃의 온도에서 언도핑된 GaN층을 성장시킴으로써 제공될 수 있다. 또한, V-피트 발생층(221)은 3D 성장될 수 있고, 이에 따라, V-피트 발생층(221)의 표면은 평탄하지 않을 수 있다.
나아가, 상부 제1 도전형 반도체층(220)을 형성하는 것은, V-피트 발생층(221)을 형성한 후, 이를 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다. V-피트 발생층(221)을 열처리하는 것은 성장 온도 이상의 온도에서 수소를 포함하는 분위기 가스를 이용하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 열처리 과정에서 V-피트 발생층(221)에서 표면에 결함이 집중된 부분에 선택적으로 식각이 진행될 수 있으며, V-피트(V)의 형성이 더욱 용이하게 진행될 수 있다.
V-피트 발생층(221)은 상대적으로 저온에서 3D 성장됨으로써, V-피트(V)가 형성되는 시발점 내지 시드(seed)를 제공할 수 있다. 즉, 상대적으로 저온에서 성장된 V-피트 발생층(221)은 전위(dislocation)와 같은 결함을 상대적으로 높은 밀도로 포함하고, 3D 성장이 우세하게 작용하여 V-피트(V)의 시발점을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상부 제1 도전형 반도체층(220)의 하부에 V-피트 발생층(221)을 형성하여, V-피트(V)의 크기를 크게 형성할 수 있고, 또한 높은 밀도로 V-피트(V)를 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, V-피트 발생층(221)에 V-피트(V)의 시발점이 제공될 수 있으며, V-피트(V)를 형성하기 위한 별도의 식각 공정 등이 요구되지 않는다. 따라서, 반도체 소자 제조 공정이 인-시투(in-situ)로 진행될 수 있어서, 공정 효율이 향상될 수 있다.
도 5를 참조하면, V-피트 발생층(221) 상에 초격자층(225)을 형성할 수 있고, 나아가, V-피트 발생층(221)과 초격자층(225) 사이에 제1 저온 성장 도핑층(223)과 초격자층(225) 상에 제2 저온 성장 도핑층(227)을 더 형성할 수도 있다.
초격자층(225)은 상대적으로 저온, 예를 들어, 800 내지 900℃의 온도에서 성장될 수 있으며, GaN층, InGaN층, AlGaN층, 및 AlInGaN층 중 적어도 두 종류의 층을 적층 또는 반복 적층함으로써 형성될 수 있다. 초격자층(225)이 성장됨에 따라, V-피트(V) 역시 연장하여 성장하여 그 상부 너비가 커질 수 있다.
제1 저온 성장 도핑층(223) 및 제2 저온 성장 도핑층(227)은 MOCVD 등의 기술을 이용하여 상대적으로 저온에서 성장될 수 있다. 제1 및 제2 저온 성장 도핑층(223, 227)은 n형으로 도핑될 수 있으며, 예를 들어, n형 GaN층을 포함할 수 있다.
이어서, 도 6을 참조하면, 상부 제1 도전형 반도체층(220) 상에 활성층(300)을 형성할 수 있다.
활성층(300)은 In을 포함할 수 있으며, 또한, 상부 제1 도전형 반도체층(200) 보다 더 낮은 온도에서 성장될 수 있다. 활성층(300)은 상부 제1 도전형 반도체층(200)의 표면으로부터 성장되어 형성될 수 있으며, 특히, V-피트(V)가 형성된 영역을 제외한 표면으로부터 성장될 수 있다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 활성층(300)이 성장됨에 따라 V-피트(V)는 활성층(300)의 성장 방향으로 연장되어 활성층(300)을 관통하도록 형성될 수 있다.
이후, V-피트(V)를 채우며, 활성층(300) 상에 성장되는 제2 도전형 반도체층(400)을 형성함으로써, 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 소자가 제공될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(400)은 MOCVD 등을 이용하여 상대적으로 고온에서 성장될 수 있다. 또한, V-피트(V)를 채우면서 성장될 수 있고, 그 표면이 평탄화되는 온도에서 성장시키는 것이 바람직하다.
이상, 상기 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하고, 본 발명은 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 모두 포함한다.

Claims (20)

  1. 하부 제1 도전형 반도체층 및 상부 제1 도전형 반도체층을 포함하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 상부 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부를 관통하는 V-피트; 및
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 상기 V-피트를 채우는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 하부 제1 도전형 반도체층보다 높은 결함 밀도를 갖는 반도체 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은 V-피트 발생층을 포함하는 반도체 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 초격자층을 더 포함하는 반도체 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은, 상기 V-피트 발생층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 제1 저온 성장 도핑층 및/또는 상기 초격자층 상에 위치하는 제2 저온 성장 도핑층을 더 포함하는 반도체 소자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 V-피트의 상부 너비는 상기 V-피트 발생층의 두께에 비례하는 반도체 소자.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 V-피트 발생층은 언도핑된 GaN층인 반도체 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 더 포함하고, 상기 V-피트는 상기 활성층을 관통하는 반도체 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 부분적으로 제거되어 상기 하부 제1 도전형 반도체층이 부분적으로 노출된 영역; 및
    상기 노출된 하부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제1 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 더 포함하는 반도체 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 V-피트의 상부 너비는 60 내지 220nm인 반도체 소자.
  10. 기판 상에 하부 제1 도전형 반도체층을 형성하고;
    상기 하부 제1 도전형 반도체층 상에 상부 제1 도전형 반도체층을 형성함과 아울러, 상기 상부 제1 도전형 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 V-피트를 형성하고;
    상기 상부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 상기 V-피트를 채우는 제2 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은 상기 하부 제1 도전형 반도체층보다 낮은 온도에서 성장되어 형성된 반도체 소자 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층은 800 내지 900℃의 온도에서 성장되는 반도체 소자 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 하부 제1 도전형 반도체층 상에 V-피트 발생층을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 V-피트는 상기 V-피트 발생층을 시드로 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 V-피트 발생층 상에 초격자층을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 초격자층을 형성하기 전에, 상기 V-피트 발생층을 열처리하는 것을 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 열처리의 분위기 가스는 수소 가스를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 상부 제1 도전형 반도체층을 형성하는 것은, 상기 V-피트 발생층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 제1 저온 성장 도핑층 및/또는 상기 초격자층 상에 위치하는 제2 저온 성장 도핑층을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 V-피트 발생층은 언도핑된 GaN층인 반도체 소자 제조 방법.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층을 형성하기 전에, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 것을 더 포함하고,
    상기 V-피트는 상기 활성층을 형성함에 따라 상기 활성층의 성장 방향으로 연장되어 상기 활성층을 관통하는 반도체 소자 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층을 형성한 후, 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 제거하여 상기 하부 제1 도전형 반도체층을 노출시키고;
    상기 노출된 하부 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제1 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  20. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 V-피트를 채워 표면을 평탄화하는 온도에서 성장된 반도체 소자 제조 방법.
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