KR100742989B1 - 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

활성층 성장시 In 분리 현상을 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법은, In 소스를 사용하여 In 함유 우물층을 성장시키는 단계와; 장벽층을 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 성장 시간에 경과에 따라 상기 In 소스 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

질화갈륨, 발광 소자, LED, 우물층, 장벽층, 다중양자우물, In

Description

질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법{Method for Fabricating Gallium Nitride-Based Light Emitting Device}

도 1은 종래의 질화갈륨계 발광 소자의 사시도이다.

도 2a는 종래의 방법에 따른 In 소스 유량 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 2b는 종래의 방법에 따라 형성된 활성층의 In 함량 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 In 소스 유량 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 활성층의 In 함량 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 5는 발명예와 종래예에 따라 제조된 질화갈륨계 발광 소자의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 6은 발명예와 종래예에 따라 제조된 질화갈륨계 발광 소자 내 활성층의 X-선 회절곡선을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

A, A': InGaN 우물층 형성 단계

B, B': GaN 장벽층 형성 단계

a, a': InGaN 우물층

b, b': GaN 장벽층

본 발명은 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 In 분리 현상(In-segregation)을 방지하여 우수한 전기적 광학적 특성을 구현할 수 있게 하는 질화갈륨계 발광 소자의 활성층 형성 방법에 관한 것이다.

질화갈륨계 반도체는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨계 반도체는 가시광선에서 자외선에 이르는 다양한 영역의 파장을 방출할 수 있으며, 최근에는 청색 발광 다이오드 소자 제조에 많이 사용되고 있다. 질화갈륨계 반도체는 통상 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가진다.

도 1은 일반적인 질화갈륨계 발광 소자(특히, LED)를 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(10)는 기판(11) 상에 순차 적층된 n형 질화갈륨계 반도체층(13), 활성층(14), p형 질화갈륨계 반도체층(15)를 포함한다. n형 질화갈륨계 반도체층(13)의 일부 상면에는 n측 전극(18)이 형성되어 있고, p형 질화갈륨계 반도 체층(15) 상에는 투명 전극층(16)과 p측 전극(17)이 형성되어 있다. p측 전극(17)과 n측 전극(18)에 전압을 인가하여 발광 소자(10)에 전류를 흘려주면, 활성층(14)에서 전자-정공 재결합에 의해 빛이 방출된다.

이러한 발광 소자(10)를 제조하기 위해, 사파이어(Al₂O₃) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 등으로 된 기판(11) 상에 MOCVD(유기금속 화학기상증착)을 이용하여 질화갈륨계 반도체층들(13, 14, 15)을 성장시킬 수 있다. 예컨대, In의 소스로서 트리메틸인듐(Trimethylindium; TMI)을 사용하고 Ga의 소스로서 트리메틸갈륨(trimethylgalliun; TMG)를 사용하고 N의 소스로서 암모니아를 사용하여 InGaN층을 성장시킬 수 있다.

활성층(14)은 질화갈륨계 반도체로 된 단일양자우물(Single Quantum Well) 또는 다중양자우물(Multi-Quantum Well) 구조를 갖는다. 일본 특허공개공보 평10-135514호는, 언도프(undoped) GaN의 장벽층과 언도프 InGaN의 우물층으로 이루어진 다중 양자우물 구조를 갖는 활성층을 개시하고 있다. 활성층(14) 내의 양자우물층(간단히, '우물층'이라고도 함)은 질화갈륨계 발광 소자의 광학적 성질을 결정하는 가장 중요한 요소이다. 활성층(14) 내의 우물층이 균일한 조성(특히, In 조성)을 갖도록 형성되지 않으면, 발광 소자(10)의 광출력이 현저히 감소되고 파장 범위가 넓어지게 되어 소자 성능이 떨어지게 된다.

도 2a는 종래의 질화갈륨계 발광 소자 제조방법에 있어서, (다중양자우물 구조의) 활성층 성장 시간에 따른 In 소스 유량을 나타내는 그래프이다. 다중양자우 물 구조의 활성층을 형성하기 위하여 In 소스 유량이 많은 우물층 성장 단계(A)와 In 소스 유량이 작은 장벽층 성장 단계(B)를 교대로 실시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 종래에는 우물층 성장 단계(A)에서 In 소스(예컨대, TMI 가스) 유량을 일정하게 유지시킨 채로 우물층(예컨대, InGaN 우물층)을 성장시킨다. 우물층 성장 단계(A)에서는, In 소스 유량 뿐만 아니라, 다른 소스(Ga 소스 또는 N 소스)의 유량도 일정하게 유지시킨다.

상기한 종래의 방법으로 InGaN 우물층을 성장시키면, In 분리(In-segregation) 현상에 의하여 실제 성장된 InGaN 우물층(a)의 In 조성 프로파일은 도 2b와 같이 나타나게 된다. 도 2b를 참조하면, InGaN 우물층 성장 단계에 있어서 성장초기에 형성되는 InGaN 내의 In 함량보다 성장 말기에 형성되는 InGaN 내의 In 함량이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, GaN 장벽층(b) 사이에 형성된 InGaN 우물층(a) 내의 In 함량은 성장방향으로 갈수록 높게 나타나 있다. 이러한 In 분리 현상은 활성층 내의 In 조성의 재현성을 현저하게 악화시킴으로써, 소자 특성의 균일성을 확보할 수 없게 된다. 또한, 활성층 내의 광학적 특성이 현저히 열화됨으로써 고품질 발광 소자를 얻을 수 없게 된다. 특히, In 함량이 많은 InGaN 우물층을 성장시키거나 좁은 파장의 반치폭을 성장시키기 위해서는, In 분리 현상에 기인하는 InGaN 우물층 및 활성층의 열화를 방지하여야 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 In 함유 우물층을 갖는 활성층 성장시 In 분리 현상을 방지할 수 있는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법은, In 소스를 사용하여 In 함유 우물층을 성장시키는 단계와; 장벽층을 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 성장 시간에 경과에 따라 상기 In 소스 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다. 상기 우물층과 상기 장벽층은 상기 발광 소자의 활성층을 구성하는 층들에 해당한다.

상기 In 소스는 트리메틸인듐(Trimethylindium; TMI) 또는 트리에틸인듐(Triethylindium; TEI)을 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 상기 In 소스이외의 다른 소스(예컨대, Ga 소스 및 N 소스 등)의 유량은 일정하게 유지될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 성장 시간의 경과에 따라 상기 In 소스 유량을 선형적으로 감소시킬 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는 교대로 다수회 반복 실시될 수 있다. 이에 따라, 다중양자우물 구조의 활성층을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 In 함유 우물층은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜1, 0≤y＜1, 0＜x+y＜1)으로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 In 함유 우물층 InGaN으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 장벽층은 상기 우물층보다 In 함량이 작은 InGaN로 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따르면, 상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는, MOCVD를 사용하여 실시될 수 있다. 또한, 상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는 MBE(분자선 에피택셜 성장법)를 사용하여 실시될 수도 있다. 이와 달리 상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는 HVPE(하이드라이드 기상 증착법)을 사용하여 실시될 수도 있다.

본 발명은 In 함유 우물층을 포함하는 활성층 성장시 In 분리 현상을 억제할 수 있는 방안을 제공한다. In 함유 우물층 성장시 성장 시간 경과에 따라 In 소스 유량을 인위적으로 변화시킴으로써 In 분리 현상을 보상시키게 된다. 이에 따라, 균일한 In 조성을 갖는 양자우물층과 양질의 활성층을 얻을 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에 있어서, InGaN 우물층 및 GaN 장벽층 성장시 In 소스 유량 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 다중양자우물 구조의 활성층을 형성하기 위해 InGaN 우물층 성장 단계(A')와 GaN 장벽층 성장 단계(B')를 교대로 실시할 수 있다.

InGaN 우물층은 In 소스, Ga 소스 및 N 소스를 사용하여 성장시킬 수 있다. 예컨대, 유기금속(MO) 가스인 트리메틸인듐(Trimethylindium; TMI) 또는 트리에틸인듐(Triethylindium; TEI)을 In 소스로 사용하고, 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨을 Ga 소스로 사용하고, 암모니아를 N 소스로 사용하여 InGaN 우물층을 성장시킬 수 있다. 이러한 MOCVD이외에도, MBE 또는 HVPE 등의 다른 증착법을 사용하여 InGaN 우물층을 형성할 수도 있다. GaN 장벽층 성장도 MOCVD, MBE 또는 HVPE를 사용하여 성장시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 성장 시간에 경과에 따라 상기 In 소스(예컨대, TMG)의 유량을 감소시킨다. 즉, InGaN 우물층 성장시 성장 초기보다 성장 말기에 In 함량이 높아지는 In 분리 현상을 억제하기 위해, InGaN 우물층 성장시, Ga 및 N 소스 유량은 일정하게 유지시키면서 In 소스 유량은 의도적으로 성장시간 경과에 따라 감소시켜준다(성장시간에 따라 In 소스 유량이 감소하도록 In 소스 유량의 프로파일에 그레디언트를 줌). 이에 따라, 자연적으로 발생하는 In 분리 현상에 의한 In 조성의 변화가 보상되고, In 함량이 균일한 InGaN 우물층을 얻게 된다. 특히, 본 실시형태에서는, InGaN 우물층 성장 단계(A')에서 In 소스 유량을 성장시간 경과에 따라 선형적으로 감소시켜주고 있다.

도 4는 도 3의 In 소스 유량 프로파일에 의해 얻어지는 InGaN 우물층의 In 함량 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 4을 참조하면, GaN 장벽층들(b') 사이에 개재된 InGaN 우물층(a')은 성장 방향의 두께에 따라 균일한 In 함량을 나타내고 있다. 이는, In 분리 현상을 보상하도록 의도적으로 In 소스 유량에 도 3과 같은 그래디언트(gradient)를 주었기때문이다.

도 5는 발명예와 종래예에 따라 제조된 질화갈륨계 발광 소자의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 5에서 발명예의 제조 공정에서는 활성층 내의 InGaN 우물층 성장시 In 소스유량에 도 3과 같은 그레디언트를 주었다. 도 5의 종래예의 제조 공정에서는 활성층 내의 InGaN 우물층 성장시 도 2와 같이 In 소스의 유량을 일정하게 유지시켰다.

도 5를 참조하면, 발명예의 발광 스펙트럼은 약 21nm의 파장 반치폭(FWHM; Full Width at Half Maximum)을 갖는 반면에, 종래예의 발광 스펙트럼은 약 32nm의 파장 반치폭을 가지고 있다. 더 좁은 파장 반치폭을 가진다는 것은 InGaN 우물층의 조성이 더 균일하다는 것을 의미한다. 따라서, 발명예와 같이 In 소스 유량에 그레디언트(성장 시간 경과에 따라 In 소스유량이 감소되는 그레디언트)를 줌으로써, InGaN 우물층의 In 조성(또는 함량)이 균일하게 된다는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 상기 발명예와 상기 종래예에 따라 형성된 활성층의 X-선 회절곡선을 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 발명예의 X-선 회절곡선는, 종래예의 X-선 회절곡선보다 더 선명한 위성 피크(satellite peak)를 가질 뿐만 아니라, 그 세기 또한 더 강하다. 이는, 발명예의 InGaN 우물층의 (성장 방향의 두께에 따른) In 균일성이 종래예에 비하여 더 개선되어 있다는 것을 의미한다.

상술한 실시형태에서는 질화갈륨계 발광 소자의 활성층 내의 우물층은 InGaN 우물층이고 장벽층은 GaN 장벽층이었지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 본 발명에서 사용되는 우물층은 In을 함유한 우물층으로서, In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜1, 0≤y＜1, 0＜x+y＜1)으로 이루어질 수 있다. 따라서, InAlGaN 우물층을 사용할 수도 있다. 또한, 우물층으로서 InGaN 우물층을 사용하고, 장벽층으로서는 상기 InGaN 우물층 내의 In 함량이 더 작은 In 함량을 갖는 InGaN 장벽층을 사용할 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, In 함유 우물층 성장시 성장 시간 경과에 따라 In 소스 유량이 감소되도록 In 소스 유량에 그레디언트를 줌으로써 In 분리 현상을 억제할 수 있다. 이에 따라, 균일한 In 조성을 갖는 양자우물층과 양질의 활성층을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 우수한 전기적 광학적 특성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자를 얻을 수 있게 되고, 소자 재현성이 개선된다.

Claims (12)

1. In 소스를 사용하여 In 함유 우물층을 성장시키는 단계; 및

   장벽층을 성장시키는 단계를 포함하되,

   상기 In 함유 우물층 성장 단계에서, 성장 시간의 경과에 따라 상기 In 소스 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 In 소스는 트리메틸인듐 또는 트리에틸인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 In 소스이외의 다른 소스의 유량은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 In 함유 우물층 성장 단계에서 성장 시간의 경과에 따라 상기 In 소스 유량을 선형적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는 교대로 다수회 반복 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 In 함유 우물층은 In_xAl_yGa_{1 -x-y}N(0＜x＜1, 0≤y＜1, 0＜x+y＜1)의 조성을 갖도록 성장되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 In 함유 우물층은 InGaN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 장벽층은 GaN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 장벽층은 상기 우물층보다 In 함량이 작은 InGaN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는, MOCVD를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는, MBE를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
12. 제1항에 있어서,

    상기 우물층 성장 단계와 상기 장벽층 성장 단계는, HVPE를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.

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