KR20150133622A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20150133622A
KR20150133622A KR1020140129305A KR20140129305A KR20150133622A KR 20150133622 A KR20150133622 A KR 20150133622A KR 1020140129305 A KR1020140129305 A KR 1020140129305A KR 20140129305 A KR20140129305 A KR 20140129305A KR 20150133622 A KR20150133622 A KR 20150133622A
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정정환
김경해
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서울바이오시스 주식회사
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes

Abstract

P형 질화물 반도체 성장 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광 소자가 개시된다. 상기 P형 질화물 반도체층 성장 방법은, 제1 온도의 챔버 내에 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, 및 P형 도펀트를 도입하여, 성장 기판 상에 P형 질화물 반도체층을 성장시키고, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 냉각시키되, 상기 냉각 과정 동안 상기 P형 도펀트를 상기 챔버 내에 도입하는 것을 유지하는 것을 포함한다. 본 발명에 따르면, P형 질화물 반도체층에서 챔버 내부로 P형 도펀트가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 표면 접촉 저항이 낮은 P형 질화물 반도체 성장 방법과 이를 이용하여 제조되어 낮은 순방향 전압을 갖는 발광 소자에 관한 것이다.
GaN과 같은 질화물 반도체는 그 전자기적 특성이 우수하여, 발광 다이오드와 같은 발광 소자에 폭 넓게 적용된다. 발광 다이오드와 같은 P-N 접합을 이용하는 질화물 반도체 소자는 P형 반도체층과 N형 반도체층을 포함한다. 이때, P형 반도체층과 N형 반도체층은 각각 Mg과 Si와 같은 불순물을 포함하여 각각의 도전형으로 도핑된다.
일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 발광 소자는 성장 기판 상에 N형 질화물 반도체층, 활성층, 및 P형 질화물 반도체층을 성장시킴으로써 형성된다. 발광 소자의 성장 과정에 있어서, 특히, P형 질화물 반도체층은 Ⅲ족 원소 소스, V족 원소 소스, 및 Mg과 같은 불순물 전구체를 성장 챔버 내에 도입시켜 성장된다. 이때, Mg은 Ⅲ족 원소의 사이트(site)로 치환되어 질화물 반도체층을 P형으로 도핑시킨다. 이러한 P형 질화물 반도체층은 일반적으로 수소 분위기의 성장 챔버 내에서 성장된다.
그런데, 수소 분위기의 성장 챔버 내에서 P형 질화물 반도체층에 Mg을 도핑시키는 과정에서, Mg의 미 결합부(dangling bonding)와 수소 원자가 결합하여 Mg이 질화물 반도체층 내에서 P형 불순물로 작용하는 것을 방해한다. 이에 따라, Mg의 도핑 농도가 목표한 수치보다 낮게 형성되는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, US 2007/0074651 등에는 수소 가스를 성장 챔버로부터 외부로 방출시키고 P형 질화물 반도체층을 열처리하는 기술을 개시한바 있다.
또한, P형 질화물 반도체층의 표면에는 P형 전극과의 오믹 접촉을 형성하고 반도체층과 전극과의 접촉 저항을 낮추기 위하여, P형 질화물 반도체층의 표면 부분에는 P형 불순물을 과도핑한다(예를 들어, P형 질화물 반도체층 내부 영역 대비 약 10배의 도핑 농도). 그런데, 반도체층들의 성장 완료 후, 챔버 내의 온도를 낮추는 과정 또는 P형 질화물 반도체층을 열처리하는 과정에서 챔버 내부의 Mg 농도와 P형 질화물 반도체층의 Mg 농도의 차이에 의한 Mg의 확산이 발생한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, P형 질화물 반도체층으로부터 챔버 내부로 Mg의 확산(Mg out-diffusion)이 발생하여 P형 질화물 반도체층과 P형 전극 간의 접촉 저항이 증가하는 현상이 발생한다.
P형 질화물 반도체층과 P형 전극 간의 접촉 저항이 증가하면, 제조된 발광 소자의 순방향 전압이 증가한다. 또한, 저항의 증가는 발광 효율의 저하로도 연결될 수 있다. 따라서, 제조 과정에서 P형 질화물 반도체층의 접촉 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있는 제조 방법 또는 신규의 구조가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 질화물 반도체 성장 챔버 내부의 온도를 낮추는 과정에서 P형 질화물 반도체층의 접촉 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 낮은 접촉 저항을 유지하는 P형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 소자를 제공하여, 낮은 순방향 전압과 높은 발광 효율을 갖는 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자 제조 방법은, 성장 기판 상에 N형 질화물 반도체층을 성장시키고; 상기 N형 질화물 반도체층 상에 활성층을 성장시키고; 제1 온도의 챔버 내에 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, 및 P형 도펀트를 도입하여, 상기 활성층 상에 P형 질화물 반도체층을 성장시키고; 및 상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 냉각시키되, 상기 냉각 과정 동안 적어도 일부 구간에서 상기 P형 도펀트를 상기 챔버 내에 도입하는 것을 포함한다.
이에 따라, Mg의 외부 확산이 방지되어 컨택 저항이 낮은 P형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 소자가 제공될 수 있다.
상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키는 것은, 상기 P형 질화물 반도체층 상에 상기 P형 도펀트를 포함하는 확산 방지층이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 P형 도펀트는 Mg일 수 있고, 상기 확산 방지층은 Mg 및 MgxNy 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키는 동안, 상기 챔버 내에 Ⅲ족 원자 소스를 도입하는 것을 중단시키되, 상기 Ⅴ족 원자 소스를 도입하는 것을 유지할 수 있다.
상기 발광 소자 제조 방법은, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제2 온도로 냉각시킨 후, 소정 시간 동안 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 것을 더 포함할 수 있고, 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도를 유지하는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내로 도입되며, 상기 확산 방지층은 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 동안 성장될 수 있다.
나아가, 상기 챔버 내의 온도를 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키고 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 동안, 상기 Ⅴ족 원자 소스를 도입하는 것을 유지하되, 상기 P형 질화물 반도체층을 성장시키는 동안 도입되는 Ⅴ족 원자 소스의 유량은, 상기 확산 방지층을 성장시키는 동안 도입되는 Ⅴ족 원자 소스의 유량과 같거나 더 높을 수 있다.
상기 P형 질화물 반도체층을 성장시키는 동안 도입되는 P형 도펀트의 유량은, 상기 확산 방지층을 성장시키는 동안 도입되는 P형 도펀트의 유량과 같거나 더 높을 수 있다.
상기 확산 방지층을 형성하는 동안, 상기 P형 도펀트의 유량은 다중 펄스 형태가 되도록 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내에 도입될 수 있고, 상기 확산 방지층은 Mg-rich MgxNy층 및 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 확산 방지층을 형성하는 동안, 상기 Ⅲ족 원자 소스 및 상기 P형 도펀트의 유량은 다중 펄스 형태가 되도록 상기 Ⅲ족 원자 소스 및 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내로 도입될 수 있고, 상기 확산 방지층은 MgxNy층 및 GaN층이 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 발광 소자는, N형 질화물 반도체층; 상기 N형 질화물 반도체층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 P형 질화물 반도체층; 및 상기 P형 질화물 반도체층 상에 위치하는 확산 방지층을 포함한다.
이에 따라, 컨택 저항이 낮은 P형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 소자가 제공될 수 있다.
상기 확산 방지층은 P형 도펀트 물질을 포함할 수 있다.
상기 P형 도펀트 물질은 Mg일 수 있고, 상기 확산 방지층은 Mg 및 MgxNy 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
나아가, 상기 확산 방지층은 Mg-rich MgxNy층 및 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다.
이와 달리, 상기 확산 방지층은 MgxNy층 및 GaN층이 반복 적층된 구조를 포함할 수도 있다.
상기 GaN층은 Mg을 포함하여 P형으로 도핑될 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 확산 방지층 상에 위치하는 P형 전극을 더 포함할 수 있고, 상기 P형 전극과 상기 확산 방지층은 오믹 접촉을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, P형 질화물 반도체층으로부터 P형 도펀트가 외부 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라, P형 질화물 반도체층의 접촉 저항이 증가하는 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 P형 질화물 반도체층 성장 방법을 이용하는 발광 소자 및 그 성장 방법을 제공할 수 있으므로, 본 발명에 따른 발광 소자는 접촉 저항이 낮은 P형 질화물 반도체층을 포함하여, 낮은 순방향 전압을 갖고 또한 높은 발광 효율을 가질 수 있다.
도 1은 종래의 P형 질화물 반도체층 성장 과정에서 Mg이 외부 확산(out-diffusion)되는 현상을 도식적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 방지층을 도식적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층 및 확산 방지층의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트(flow chart)이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 P형 질화물 반도체층 및 확산 방지층의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트들이다.
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.
본 발명의 실시예들에 있어서, 질화물 반도체층들은 성장 챔버 내에서 성장될 수 있고, 특히, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 챔버 내에서 성장됨으로써 형성될 수 있다. 따라서, 이하 설명에서 제시되는 성장 조건 등은 MOCVD를 이용하여 질화물 반도체층들을 성장하는 경우에 적용될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 이용하여 질화물 반도체를 성장시키는 경우도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 성장 기판(110) 상에 N형 질화물 반도체층(131), 활성층(133) 및 P형 질화물 반도체층(135)을 성장시킨다. 나아가, N형 질화물 반도체층(131) 성장시키기 전에, 성장 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 더 형성할 수 있다.
성장 기판(110)은 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 절연성 또는 도전성 기판일 수 있다. 성장 기판(110)은, 예를 들어, 사파이어 기판, 패터닝된 사파이어 기판(Patterned Sapphire Substrate; PSS), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 질화알루미늄 기판, 또는 질화갈륨 기판일 수 있다.
한편, 성장 기판(110)은 성장 챔버 내에 로딩되어, 챔버 내의 온도가 소정의 온도로 가열될 수 있다. 챔버 내의 온도는 질화물 반도체층의 성장 조건에 따라 다양하게 조절될 수 있으며, 이에 관하여는 후술하여 상세하게 설명한다.
버퍼층(120)은 성장 기판(110) 상에 성장될 수 있고, 상대적으로 저온에서 성장될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(120)은 약 500 내지 600℃의 온도에서 성장될 수 있다. 버퍼층(120)은 후속 공정에서 성장되는 반도체층들이 단결정으로 성장될 수 있는 핵층 역할을 할 수 있다. 또한, 후속 공정에서 성장되는 반도체층들과 성장 기판(110) 간에 격자부정합이 존재하는 경우, 격자부정합으로 유발되는 스트레스 및 스트레인을 완화시키는 역할도 할 수 있다.
버퍼층(120)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, AlGaN, AlN 및 GaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
N형 질화물 반도체층(131)은 성장 기판(110) 상에 성장될 수 있다. N형 질화물 반도체층(131)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체 및 N형 도펀트를 포함할 수 있다. N형 질화물 반도체층(131)은 약 900 내지 1100℃에서 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, 및 N형 도펀트 전구체를 챔버 내에 도입함으로써 성장되는 층을 포함할 수 있다. 이때, N형 도펀트는 Si일 수 있다.
또한, N형 질화물 반도체층(131)은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있으며, 초격자층을 포함할 수도 있다.
활성층(133)은 N형 질화물 반도체층(131) 상에 성장될 수 있고, (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 활성층(133)은 복수의 장벽층과 우물층을 포함하는 다중양자우물 구조(MQW)를 가질 수 있다. 이때, 상기 다중 양자우물구조를 이루는 반도체층들이 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록, 상기 반도체층들을 이루는 원소 및 그 조성이 조절될 수 있다.
P형 질화물 반도체층(135)은 활성층(133) 상에 성장될 수 있으며, (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체 및 P형 도펀트를 포함할 수 있다.
P형 질화물 반도체층(135)은 제1 온도에서 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, 및 P형 도펀트 전구체를 챔버 내에 도입함으로써 성장될 수 있다. 이때, 제1 온도는 약 900 내지 1100℃일 수 있고, Ⅲ족 원자 소스로서 TMGa를 이용할 수 있고, Ⅴ족 원자 소스로서 NH3를 이용할 수 있으며, P형 도펀트는 소스로 Cp2Mg를 이용할 수 있고, 캐리어 가스로 N2, H2, 또는 N2와 H2가 일정한 비율로 혼합된 가스를 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, P형 질화물 반도체층(135)의 성장이 완료되면, 챔버 내를 냉각시켜 P형 질화물 반도체층(135)의 성장을 완료할 수 있다. 이때, 챔버 내의 온도를 냉각시키는 것은 제1 온도에서 제2 온도로 냉각시키는 것을 포함할 수 있고, 챔버 내의 온도를 냉각시키는 동안 P형 도펀트를 상기 챔버 내에 도입하는 것을 유지할 수 있다. 상기 제2 온도는 수소 원자와 P형 도펀트의 결합이 해리되는 온도이상의 온도일 수 있고, 예를 들어, 400℃ 이상의 온도일 수 있다. 즉, P형 질화물 반도체층(135)의 성장 완료 후, 챔버 내의 온도를 냉각시키면서 P형 도펀트의 도입을 유지하여, P형 질화물 반도체층(135)으로부터 P형 도펀트가 외부로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 냉각과정에서, P형 질화물 반도체층(135)의 상면에 확산 방지층(140)이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135) 및 확산 방지층(140)의 성장 방법을 도 3 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따르면, P형 도펀트로서 Mg을 이용하고, 캐리어 가스로 N2 가스를 이용한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, Mg외에 질화물 반도체층을 P형으로 도전시킬 수 있는 원자면 P형 도펀트로서 이용가능하고, 캐리어 가스 역시 N2외 다른 희가스(noble gas)를 이용할 수도 있다.
도 5는 P형 질화물 반도체층 및 확산 방지층의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트(flow chart)이다. 도 5를 참조하면, 챔버 내의 온도를 제1 온도 설정하고, Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, Mg 및 N2 가스를 챔버 내에 도입하여 P형 질화물 반도체층(135)을 성장시킨다. 이어서, 챔버 내로 Ⅲ족 원자 소스를 도입하는 것을 중단시키고, 챔버 내의 온도를 제2 온도로 냉각시키되, Mg을 챔버 내로 도입하는 것을 유지한다. 이때, Mg과 수소의 결합을 해리시키기 위해 N2만을 캐리어 가스로 도입하고 챔버 내의 온도를 제2 온도로 냉각시킨 후, 챔버 내의 온도를 제2 온도로 소정 시간 동안 유지할 수도 있다. 또한, Ⅴ족 원자 소스를 도입하는 것 역시 냉각 과정에서 계속적으로 유지할 수 있다. 따라서, Mg이 P형 질화물 반도체층(135)으로부터 챔버로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
Mg 소스와 캐리어 가스의 도입 유량은 P형 질화물 반도체층을 성장할 때의 도입 유량과 같거나 적을 수 있으며, 도입 유량이 감소하는 시점은 제1 온도에서 제2 온도로 감온을 시작하는 시점일 수 있고, 또는 감온이 완료되고 제2 온도로 소정시간 유지되는 동안일 수도 있다.
이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버 내의 Mg과 Ⅴ족 원자 소스가 P형 질화물 반도체층(135) 상에 증착되어 확산 방지층(140)이 형성될 수 있다. 따라서, 확산 방지층(140)은 V족 원자소스 도입 여부 및 도입 유량에 따라 Mg 또는 MgxNy 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 확산 방지층(140)은 챔버 내의 온도가 제1 온도에서 제2 온도로 냉각되는 과정에서 성장될 수도 있고, 및/또는 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 과정에서 성장될 수도 있다.
확산 방지층(140)이 P형 질화물 반도체층(135) 상에 형성됨으로써, Mg이 P형 질화물 반도체층(135)으로부터 챔버 내부로 확산되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, Mg 및/또는 MgxNy를 포함하는 확산 방지층(140)이 P형 질화물 반도체층(135)의 표면에 형성됨으로써, P형 질화물 반도체층(135)에 포함된 Mg들이 챔버 내부(210)로 확산되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
확산 방지층(140)의 두께는 0.3 내지 5nm 일 수 있고, 이에 따라, 확산 방지층(140) 상에 P형 전극이 형성되더라도, 접촉 저항을 증가시키지 않는다. 또한, 확산 방지층(140)은 도전성 금속인 Mg 및/또는 도전성 질화물인 MgxNy를 포함하여, P형 전극과 오믹 접촉을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 P형 질화물 반도체층(135) 성장 방법을 이용하여 제조된 발광 소자의 순방향 전압이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 P형 도펀트는 Mg인 것으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 P형 도펀트를 이용하는 경우도 본 발명의 범위에 포함된다.
나아가, 챔버 내의 온도를 소정 시간 동안 제2 온도로 유지한 후, 챔버 내의 온도를 상온으로 냉각하여 P형 질화물 반도체층(135) 제조를 완료할 수 있다.
이어서, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 P형 질화물 반도체층(135)의 성장 방법에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135)의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 6을 참조하면, P형 질화물 반도체층(135)을 성장시키는 것은, 제1 내지 제5 구간(S1 내지 S5) 동안 P형 질화물 반도체층(135)을 성장시키는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제1 내지 제5 구간(S1 내지 S5)은 각각 제1 내지 제5 시간(T1 내지 T5) 동안 수행될 수 있다. 한편, 제1 내지 제5 구간(S1 내지 S5) 동안 성장 챔버 내의 압력은 200 내지 400 Torr 일 수 있다.
제1 구간(S1)에서, 성장 챔버 내로 Ⅲ족 원자 소스, Mg 소스, Ⅴ족 원자 소스 및 분위기 가스를 성장 챔버로 도입하여, 제1 온도에서 T1시간 동안 p-질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있다. 이때, Ⅲ족 원자 소스는 TMGa 또는 TEGa를 포함할 수 있고, Mg 소스는 Cp2Mg를 포함할 수 있으며, Ⅴ족 원자 소스는 NH3를 포함할 수 있고, 분위기 가스는 H2 및 N2를 포함할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제1 구간(S1)에서, 성장 챔버 내의 온도를 약 900 내지 1200℃의 온도로 유지하고 T1 시간 동안, 약 130 내지 160 sccm 유량의 TEGa, 약 200 내지 300 sccm 유량의 Cp2Mg, 약 약 40 내지 60 slm 유량의 NH3, 약 40 내지 70 slm 유량의 N2, 및 약 150 내지 180 slm 유량의 H2를 성장 챔버 내로 도입하여, P-질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있다. 이에 따라, P-질화물계 반도체층은 P-GaN층으로 성장될 수 있다. 한편, Ⅲ족 원자 소스로 TMGa를 이용하는 경우, TMGa는 약 30 내지 50 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다. T1시간은 P-GaN층의 두께에 따라 조절될 수 있다.
이어서, 제2 구간(S2)에서, 제1 구간(S1)에 이어 연속적으로 소스 및 분위기 가스를 성장 챔버 내로 도입하고 성장 온도를 대체로 동일하게 유지하되, Mg 소스의 유량만 증가시켜 P+-질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있다. 즉, 제2 구간(S2)에서 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스 및 분위기 가스의 유량은 제1 구간(S1)에서의 경우와 동일하게 유지하고, Mg 소스의 유량만 증가시킴으로써, P-질화물계 반도체층에 비해 도핑 농도가 높은 P+-질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있다. 이에 따라, P-질화물계 반도체층과 P+-질화물계 반도체층을 포함하는 P형 질화물 반도체층(135)이 형성될 수 있다. P-질화물계 반도체층 상에 P+-질화물계 반도체층을 성장시킴으로써, P형 전극과 P형 질화물 반도체층(135) 간의 컨택 저항을 낮출 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 제2 구간(S2)에서, 성장 챔버 내의 온도를 약 900 내지 1200℃의 온도로 유지하고 약 3분 동안, 약 130 내지 160 sccm 유량의 TEGa, 약 400 내지 600 sccm 유량의 Cp2Mg, 약 약 40 내지 60 slm 유량의 NH3, 약 40 내지 70 slm 유량의 N2, 및 약 150 내지 180 slm 유량의 H2를 성장 챔버 내로 도입하여, P+-질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있다. 이에 따라, P+-질화물계 반도체층은 P+-GaN층으로 성장될 수 있다. 한편, Ⅲ족 원자 소스로 TMGa를 이용하는 경우, TMGa는 약 30 내지 50 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다.
나아가, P+-질화물계 반도체층을 성장시키는 제2 구간(S2)에서, TMIn 또는 TEIn과 같은 In 소스를 추가적으로 성장 챔버 내에 더 도입시킬 수 있으며, 예를 들어, TMIn을 약 400 내지 500 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 더 도입시킬 수 있다. 이에 따라, P+-질화물계 반도체층은 P+-InGaN층으로 성장될 수 있다.
다음, 제3 구간(S3)에서, Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스의 공급을 중단하고, 분위기 가스의 조성을 변경하고, 성장 온도를 하강시키며, Mg 소스의 유량을 감소시킬 수 있다. Mg 소스의 유량은 제2 구간(S2)에서의 Mg 소스 유량에 비해 약 10 내지 30% 감소시킬 수 있고, 제3 구간(S3)은 T3 시간 동안 진행될 수 있다. 이에 따라, P+-질화물계 반도체층의 성장이 중단될 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 제3 구간(S3)에서, 약 45초 동안 성장 챔버 내의 온도를 약 700 내지 850℃의 온도로 하강시킨다. 이때, 제3 구간(S3)의 시작 시점 전에, Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스 및 H2의 공급을 중단시킨다. 또한, 제3 구간(S3)에서, 약 45초 동안 Mg 소스의 유량은 300 내지 500 sccm으로 감소시키고, N2의 유량은 160 내지 170 slm으로 증가시킨다. 이에 따라, P+-GaN층의 성장이 중단될 수 있다.
이어서, 제4 구간(S4)에서, 제3 구간(S3)에서 T4 시간 동안 하강시킨 온도를 유지하고, 적어도 일부 시간 동안 Mg 소스와 N2를 성장 챔버 내에 도입시킨다. 성장 챔버 내에 Mg 소스를 적어도 일부 시간 동안 도입시킴으로써, P+-질화물계 반도체층으로부터 Mg이 확산(out-diffusion)되어 나가는 것을 방지할 수 있다. 나아가, P+-질화물계 반도체층 상에 Mg 및/또는 MgxNy를 포함하는 확산 방지층(140)이 형성될 수 있다. 즉, 이와 같은 인시튜(in-situ) 열처리를 통해서 P형 질화물 반도체층(135) 상에 확산 방지층(140)을 형성할 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 제4 구간(S4)에서, 약 15분 동안 성장 챔버 내의 온도를 약 700 내지 850℃의 온도로 유지한다. 또한, 제4 구간(S4)에서, Mg 소스의 유량은 300 내지 500 sccm으로 유지하며, N2의 유량은 160 내지 170 slm으로 유지한다. 이에 따라, Mg 및/또는 MgxNy를 포함하는 확산 방지층(140)이 형성될 수 있다. 이때, Mg 소스는 제4 구간(S4) 동안 지속적으로 도입될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 일부 시간 동안만 Mg 소스가 성장 챔버 내로 도입될 수 있다. 또한, Mg 소스의 유량은 이에 한정되지 않고, 제1 구간(S1)에서 도입되는 Mg 소스의 유량과 같거나 더 적을 수도 있다.
다음, 제5 구간(S5)에서, Mg 소스의 도입을 중단시키고, N2 분위기 내에서 성장 챔버 내의 온도를 500 내지 600℃로 하강하여 T5 시간(예를 들어, 약 5분) 동안 유지한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135) 및 확산 방지층(140)의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 7의 실시예는 도 6의 실시예와 대체로 유사하나, Ⅴ족 원자 소스의 공급을 제2 구간(S2) 이후에 중단시키지 않고, 제3 및 제4 구간(S3, S4)에서 지속적으로 성장 챔버 내에 도입시키는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 설명하며, 동일한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, Ⅴ족 원자 소스는 제2 구간(S2)에서 제1 유량으로 성장 챔버 내에 도입되며, 제3 구간(S3)에서 제1 유량보다 낮은 제2 유량으로 감소되고, 제4 구간(S4)에서 제2 유량으로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다. 이때, 제2 유량은 제1 유량에 비해 약 10 내지 30% 감소된 유량일 수 있다.
구체적으로 예를 들어, Ⅴ족 원자 소스로서 NH3가 이용될 수 있고, NH3가 제2 구간(S2)에서 약 40 내지 60 slm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입되고, 제3 구간(S3)에서 NH3의 유량을 약 30 내지 50 slm으로 감소시키며, 제4 구간(S4)에서 NH3의 유량을 약 30 내지 50 slm으로 유지한다. 이에 따라, MgxNy를 포함하는 확산 방지층(140)이 형성될 수 있고, 도 6의 실시예에 비해 질화된 마그네슘의 비율이 증가될 수 있다.
MgxNy를 포함하는 확산 방지층(140)에 의해 Mg의 외부 확산을 방지할 수 있고, 또한, MgxNy이 터널링층을 형성하여 확산 방지층(140)의 컨택 저항을 저하시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135) 및 확산 방지층(140)의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 8의 실시예는 도 7의 실시예와 대체로 유사하나, 제4 구간(S4)에서 Mg 소스가 펄스 형태로 공급되는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 설명하며, 동일한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 제4 구간(S4)에서 Mg 소스는 다중 펄스 형태로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, Cp2Mg가 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 약 400 내지 600 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입되는 것과, 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 Cp2Mg의 도입을 중단하는 것이 반복하여 수행될 수 있다. 따라서, Cp2Mg의 도입 유량은, 도시된 바와 같이, 구형파 형태로 도시될 수 있다. 이때, Cp2Mg의 도입과 도입 중단의 반복 주기는 3 내지 7 주기일 수 있다.
제4 구간(S4)에서 Cp2Mg의 도입을 중단시키더라도, 성장 챔버 내에 잔류하는 Mg 소스에 의해 상대적으로 Mg의 농도가 낮은 MgxNy층이 성장될 수 있다. 이에 따라, Cp2Mg의 도입되는 동안에는 Mg의 농도가 상대적으로 높은 Mg-rich MgxNy층이 성장될 수 있고, Cp2Mg의 도입이 중단되는 동안에는 Mg의 농도가 상대적으로 낮은 Mg-poor MgxNy층이 성장될 수 있다. 따라서, 확산 방지층(140)은 Mg의 농도가 상대적으로 높은 Mg-rich MgxNy층과 Mg의 농도가 상대적으로 낮은 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층된 구조를 포함할 수 있고, 이러한 다층 구조를 포함하는 확산 방지층(140)에 의해 Mg이 외부로 확산되는 것이 더욱 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, Mg-rich MgxNy층과 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층됨으로써, MgxNy층이 P형 반도체층(135)을 완전히 덮어 터널링으로 인한 오믹 컨택 특성을 악화시키는 것(MgxNy층의 포화)을 방지할 수 있어 확산 방지층(140)에 의해 컨택 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135) 및 확산 방지층(140)의 성장 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 9의 실시예는 도 8의 실시예와 대체로 유사하나, 제4 구간(S4)에서 Mg 소스가 도입되는 않는 구간 동안 Ⅲ 원자 소스가 성장 챔버 내로 더 도입되는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 설명하며, 동일한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 제4 구간(S4)에서 Mg 소스 및 Ⅲ족 원자 소스는 다중 펄스 형태로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다. 또한, Mg 소스와 Ⅲ족 원자 소스는 서로 번갈아 성장 챔버 내에 도입될 수 있다.
구체적으로 예를 들어, Cp2Mg 및 TEGa가 각각 Mg 소스 및 Ⅲ족 원자 소스로 성장 챔버 내에 도입될 수 있다. Cp2Mg가 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 약 400 내지 600 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입되는 것과, 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 Cp2Mg의 도입을 중단하는 것이 반복하여 수행될 수 있다. 이와 유사하게, TEGa가 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 약 130 내지 160 sccm의 유량으로 성장 챔버 내에 도입되는 것과, 소정 시간(예를 들어, 약 1분) 동안 TEGa의 도입을 중단하는 것이 반복하여 수행될 수 있다. 따라서, Cp2Mg 및 TEGa의 도입 유량은, 도시된 바와 같이, 구형파 형태로 도시될 수 있다. 이때, Cp2Mg를 도입하는 동안 TEGa의 도입은 중단되며, 이와 반대로 TEGa를 도입하는 동안 Cp2Mg의 도입은 중단될 수 있다.
본 실시예에서, P형 도펀트 소스인 Cp2Mg와 V족 소스가스인 NH3의 유량이 감소한 뒤 성장 챔버를 냉각하는 것을 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. Cp2Mg와 NH3의 유량은 P형 반도체층을 성장할 때와 같을 수 있고 30%이상 감소될 수 도 있다.
이에 따라, Cp2Mg가 도입되는 구간에서는 MgxNy층이 성장될 수 있고, TEGa가 도입되는 구간에서는 GaN층이 성장될 수 있다. 따라서, 확산 방지층(140)은 MgxNy층과 GaN층이 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 이때, 상기 MgxNy층과 GaN층은 각각 단일층(mono layer)로 형성될 수 있다. 나아가, GaN층은 성장 챔버 내에 잔류하는 Mg을 더 포함하여, P형으로 도핑될 수도 있다.
확산 방지층(140)이 상술한 반복 적층 구조를 포함하여 Mg이 외부로 확산되는 것이 더욱 효과적으로 방지될 수 있다. 또한, MgxNy층과 GaN층이 반복 적층됨으로써, MgxNy층이 P형 반도체층(135)을 완전히 덮어 터널링으로 인한 오믹 컨택 특성을 악화시키는 것(MgxNy층의 포화)을 방지할 수 있어 확산 방지층(140)에 의해 컨택 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, MgxNy층과 GaN층이 반복 적층됨으로써, 터널링 효과를 증대시켜 P형 전극과의 컨택 저항을 저하시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 P형 질화물 반도체층(135) 제조 방법을 이용하여, 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 포함하는 발광 소자가 제공될 수도 있다.
상기 발광 소자는 N형 질화물 반도체층(131), 활성층(133) 및 P형 질화물 반도체층(135), 및 확산 방지층(140)을 포함할 수 있다. 나아가, 확산 방지층(140) 상에 위치하여, 확산 방지층(140)과 오믹 접촉을 형성하는 P형 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 소자의 구조 또는 구성은 한정되지 않으며, 예를 들어, 수직형, 수평형, 또는 플립칩형 구조 등 다양한 구조의 발광 소자에 본 발명의 P형 질화물 반도체층(135)과 확산 방지층(140)의 구조가 적용될 수 있다. 필요에 따라, 성장 기판(110)은 생략될 수도 있으며, 본 명세서에서 설명하지 않은 공지의 기술들이 적용될 수도 있다.
본 발명의 P형 질화물 반도체층 성장 방법 및 구조를 포함하는 발광 소자에 따르면, P형 전극과 P형 질화물 반도체층 간의 접촉 저항이 증가되는 것이 방지된다. 이에 따라, 발광 소자의 순방향 전압이 증가되는 것을 방지할 수 있으며, 접촉 저항 증가에 따른 발광 효율 감소도 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 P형 질화물 반도체층 성장 방법은, 성장 과정에서 별도의 소스 가스 또는 추가적인 공정이 요구되지 않고, 단순히 P형 도펀트를 도입하는 것을 유지함으로써 현저한 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 종래의 발광 소자 제조 방법을 거의 그대로 유지하면서, 순방향 전압 특성이 우수한 발광 소자를 제공할 수 있다.
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 (16)

  1. 성장 기판 상에 N형 질화물 반도체층을 성장시키고;
    상기 N형 질화물 반도체층 상에 활성층을 성장시키고;
    제1 온도의 챔버 내에 Ⅲ족 원자 소스, Ⅴ족 원자 소스, 및 P형 도펀트를 도입하여, 상기 활성층 상에 P형 질화물 반도체층을 성장시키고; 및
    상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 냉각시키되, 상기 냉각 과정 동안 적어도 일부 구간에서 상기 P형 도펀트를 상기 챔버 내에 도입하는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키는 것은, 상기 P형 질화물 반도체층 상에 상기 P형 도펀트를 포함하는 확산 방지층이 형성되는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 P형 도펀트는 Mg이고, 상기 확산 방지층은 Mg 및 MgxNy 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키는 동안,
    상기 챔버 내에 Ⅲ족 원자 소스를 도입하는 것을 중단시키되, 상기 Ⅴ족 원자 소스를 도입하는 것을 유지하는 발광 소자 제조 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 챔버 내의 온도를 상기 제2 온도로 냉각시킨 후, 소정 시간 동안 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 것을 더 포함하고,
    상기 챔버 내의 온도를 제2 온도를 유지하는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내로 도입되며,
    상기 확산 방지층은 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 동안 성장되는 발광 소자 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 챔버 내의 온도를 제1 온도에서 상기 제2 온도로 냉각시키고 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 유지하는 동안, 상기 Ⅴ족 원자 소스를 도입하는 것을 유지하되,
    상기 P형 질화물 반도체층을 성장시키는 동안 도입되는 Ⅴ족 원자 소스의 유량은, 상기 확산 방지층을 성장시키는 동안 도입되는 Ⅴ족 원자 소스의 유량과 같거나 더 높은 발광 소자 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 P형 질화물 반도체층을 성장시키는 동안 도입되는 P형 도펀트의 유량은, 상기 확산 방지층을 성장시키는 동안 도입되는 P형 도펀트의 유량과 같거나 더 높은 발광 소자 제조 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 확산 방지층을 형성하는 동안, 상기 P형 도펀트의 유량은 다중 펄스 형태가 되도록 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내에 도입되고,
    상기 확산 방지층은 Mg-rich MgxNy층 및 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층된 구조를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 확산 방지층을 형성하는 동안, 상기 Ⅲ족 원자 소스 및 상기 P형 도펀트의 유량은 다중 펄스 형태가 되도록 상기 Ⅲ족 원자 소스 및 상기 P형 도펀트가 상기 챔버 내로 도입되고,
    상기 확산 방지층은 MgxNy층 및 GaN층이 반복 적층된 구조를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  10. N형 질화물 반도체층;
    상기 N형 질화물 반도체층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 P형 질화물 반도체층; 및
    상기 P형 질화물 반도체층 상에 위치하는 확산 방지층을 포함하는 발광 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 확산 방지층은 P형 도펀트 물질을 포함하는 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 P형 도펀트 물질은 Mg이고, 상기 확산 방지층은 Mg 및 MgxNy 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 확산 방지층은 Mg-rich MgxNy층 및 Mg-poor MgxNy층이 반복 적층된 구조를 포함하는 발광 소자.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 확산 방지층은 MgxNy층 및 GaN층이 반복 적층된 구조를 포함하는 발광 소자.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 GaN층은 Mg을 포함하여 P형으로 도핑된 발광 소자.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 확산 방지층 상에 위치하는 P형 전극을 더 포함하고,
    상기 P형 전극과 상기 확산 방지층은 오믹 접촉을 형성하는 발광 소자.
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