KR101062283B1 - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 제 1 완충층을 형성하는 단계와, 제 1 완충층 상에 결함치유용 금속층을 형성하는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 용융시켜 상기 제1 완충층을 형성하는 단계에서 형성된 상기 제 1 완충층 상의 결함이 존재하는 부위로 이동시키는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 제 2 완충층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 완충층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
결함치유, 질화물계, 발광소자
Description
본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접천이형의 에너지밴드(energy band) 구조를 갖고 있어, 청색 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 각광을 받고 있다. 특히, GaN을 이용한 청색 및 녹색 발광소자는 대화면 천연색 평판표시장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
한편, 이러한 Ⅲ족 원소의 질화물계 반도체층 특히, GaN은 그것을 성장시킬 수 있는 동종(homo)의 기판을 제작하기가 어려워 유사한 결정 구조를 갖는 이 종(hetero) 기판 상에서 성장시킨다. 이종 기판으로는 사파이어(sapphire, Al2O3) 기판, 실리콘(Si) 단결정 기판이 주로 사용된다.
그러나, 결정 구조가 유사하더라도 기판과 그 기판 상에 형성되는 질화물계 반도체층의 격자상수가 상이함에 따라, 예를 들어 사파이어 기판 상에 질화물계 반도체층을 임계 두께 이상으로 성장시키게 되면 해당 질화물계 반도체층 내에는 전위(dislocation), 마이크로 트윈(micro-twin) 등과 같은 결함이 필연적으로 발생하게 된다.
이와 같은 질화물계 반도체층 내의 결함은 후속 공정을 통해 순차적으로 적층되는 여타의 질화물계 반도체층으로 전이되어 소자 전체의 광학적 특성 및 전기적 특성을 저하시키게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기판 상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 등의 질화물계 반도체층을 성장시키기 전에 완충층(buffer layer)을 일정 두께 이상 형성시켜 기판과 질화물계 반도체층 사이의 격자 부정합을 최소화하는 방법이 제시된 바 있다. 이 때, 완충층으로는 AlN, Al1-xGaxN 등이 이용될 수 있다. 그러나, 이 방법은 질화물계 반도체층으로의 결함 전이를 막기 위해 수㎛∼수십㎛ 두께의 완충층을 형성해야 함에 따라, 완충층 성장시간 및 재료 소모가 많다는 단점이 있다.
다른 방법으로, 완충층의 재료로 Al1-xGaxN을 이용하고 Al1-xGaxN의 Ga 함량을 서서히 증가시켜 완충층의 격자상수가 질화물계 반도체층 즉, GaN의 격자상수와 유 사하도록 유도하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법의 경우 결함전이 방지에는 효과적이나, 완충층 성장시 공정 조건의 제어가 까다롭다는 문제점이 있다. 상술한 방법 이외에, GaN 초격자(superlattice)와 AlGaN 초격자를 순차적으로 적층시켜 초격자 구조의 완충층을 형성하는 방법이 있으나, 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 격자상수가 상이한 기판 상에 질화물계 반도체층을 형성함에 있어서 질화물계 반도체층 내의 결함 밀도를 최소화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 제 1 완충층을 형성하는 단계와, 제 1 완충층 상에 결함치유용 금속층을 형성하는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 용융시켜 상기 제1 완충층을 형성하는 단계에서 형성된 상기 제 1 완충층 상의 결함이 존재하는 부위로 이동시키는 단계와, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 제 2 완충층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 완충층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기판의 격자상수는 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층의 격자상수와 동일하지 않다. 또한, 상기 기판은 실리콘 단결정 기판 또는 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있다.
상기 결함치유용 금속층은 Ⅲ족 원소로 구성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 갈 륨(Ga), 인듐(In) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 결함치유용 금속층은 물리기상증착법을 통해 형성되거나 금속-유기 화학기상증착법을 통해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 완충층과, 상기 제 1 완충층의 결함이 존재하는 부위 상에 형성된 결함치유용 금속층으로서, 상기 결함치유용 금속층은 용융되어 상기 제1 완충층이 형성될 때 발생된 상기 제 1 완충층의 결함이 존재하는 부위에 위치하는 결합치유용 금속층과, 상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 형성된 제 2 완충층과, 상기 제 2 완충층 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
완충층을 형성함에 있어, 완충층을 제 1 완충층과 제 2 완충층으로 구성하고 상기 제 1 완충층과 제 2 완충층 사이에 결함치유용 금속층을 개재시킴으로써 제 1 완충층의 결함이 제 2 완충층으로 확산되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이를 통해 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판과 질화물계 반도체층 사이에 구비되는 완충층(buffer layer)을 형성함에 있어서, 상기 완충층을 제 1 완충층과 제 2 완충층으로 구성하고 상기 제 1 완충층과 제 2 완충층 사이에 결함치유용 금속층을 구비시켜, 상기 제 1 완충층 내의 결함이 제 2 완충층으로 전이되는 것을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2a에 도시한 바와 같이 기판을 준비하고(S101), 상기 기판(101) 상에 제 1 완충층(102)을 형성한다(S102). 상기 제 1 완충층(102)은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있으며, 상기 기판(101)으로는 실리콘(Si) 단결정 기판, 사파이어(Al2O3) 기판이 사용될 수 있다. 이 때, 상기 기판(101)과 제 1 완충층(102)은 격자상수가 상이함에 따라, 격자부정합에 의해 상기 제 1 완충층(102)에는 많은 전위 결함(dislocation defect)(102a)이 존재한다.
구체적으로 살펴보면, 일 실시예로 (111) 방향의 실리콘 단결정 기판(101) 상에 제 1 완충층(102)으로 AlN을 250nm 적층시킨 상태에서, 상기 AlN 박막의 표면을 관찰하면 도 3에 도시한 바와 같이 전형적인 전위 결함의 하나인 핀홀(pin hole)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이는 실리콘 단결정 기판(101)과 AlN 박막이 약 19%의 격자부정합(lattice mismatch)을 이루기 때문이다. 이와 같은 핀홀은 제 1 완충층(102)의 핵(nucleation)과 핵 사이의 공간이 성장되는 형태로 형성되거나, 핵과 핵 사이의 성장속도 차이에 의해 나선형으로 자라면서 육각형의 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 높은 전위결함 밀도를 갖는 제 1 완충층(102)이 형성된 상태에서, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 제 1 완충층(102)의 전면 상에 결함치유용 금속층(103)을 형성한다(S103). 상기 결함치유용 금속층(103)은 물리기상증착법(physical vapor deposition) 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 통해 형성할 수 있다.
먼저, 물리기상증착법으로는 분자선 결정성장법(molecular beam epitaxy) 또는 원자층 적층법(atomic layer epitaxy)을 이용할 수 있으며, 이 경우 Al, Ga, In 등의 Ⅲ족 금속원소를 상기 제 1 완충층(102) 상에 직접 증착시켜 결함치유용 금속층(103)을 형성한다. 화학기상증착법을 이용할 경우, 금속-유기 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)을 적용할 수 있으며 세부적으로, Ⅲ족 금속원소의 전구체(precursor)인 TMA(TriMethylAluminum:((CH3)3Al), TMG (Trimethylgalium: ((CH3)3Ga), TMI (Trimethylindium: ((CH3)3In) 중 어느 하나를 상기 제 1 완충층(102) 상에 흡착시킨 후 환원가스를 공급하여 상기 제 1 완충층(102) 상에 Al, Ga, In 중 어느 하나로 이루어지는 결함치유용 금속층(103)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 상기 제 1 완충층(102) 상에 Ⅲ족 금속원소로 이루어진 결함치유용 금속층(103)이 형성된 상태에서, 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 기판(101)에 열에너지를 가하여(S104) 상기 결함치유용 금속층(103)을 금속 클러스터(cluster)(103a) 형태로 분열시키고, 분열된 금속 클러스터(103a)들이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 존재하는 부위 상에 위치하도록 한다(S105).
분열된 결함치유용 금속층(103) 즉, 금속 클러스터(103a)들이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 존재하는 부위로 이동하는 원리는 다음과 같다. 제 1 완충층(102)의 표면에 있어서 결함(102a)이 존재하는 부위는 결함이 존재하지 않는 부위에 비해 상대적으로 낮은 표면 에너지 상태를 이룬다. 이와 같은 상태에서, 상기 기판(101)에 가해진 열에너지로 인해 높은 에너지 상태의 금속 클러스터(103a)는 열역학적으로 안정화되기 위해 상대적으로 낮은 에너지 상태를 갖는 결함(102a)이 존재하는 부위로 이동하게 되는 것이다.
한편, 상기 결함치유용 금속층(103)의 분열 및 금속 클러스터(103a)의 구동력을 확보하기 위해, 상기 기판(101)은 결함치유용 금속층(103)의 녹는점에 상응하는 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
상기 분열된 결함치유용 금속층(103)이 상기 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a) 상에 위치함으로 인해 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a)은 치유되는데, 이는 실험 결과를 통해 확인할 수 있다. 도 4는 제 1 완충층인 AlN 박막 상에 결함치유용 금속층인 Al을 적층시킨 상태에서 기판에 열을 가한 후의 AlN 박막 표면을 나타낸 사진으로서, 도 4에 도시한 바와 같이 AlN 박막 표면에 존재하던 결함(도 3 참조)이 보이지 않음을 알 수 있다. 이는 열에너지가 가해진 Al이 AlN 박막 상의 결함이 존재하는 부위로 이동하였음을 반증한다.
이와 같이, 분열된 결함치유용 금속층(103)이 상기 제 1 완충층(102)의 결함(102a) 상에 위치함으로써 제 1 완충층(102) 상의 결함(102a)은 치유되며 달리 표현하여, 제 1 완충층(102)의 표면 전체가 비교적 균일한 격자상수를 갖게 됨을 의미한다.
상기 분열된 결함치유용 금속층(103)에 의해 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 치유된 상태에서, 달리 말하여 상기 제 1 완충층(102) 표면 전체의 격자상수가 균일화된 상태에서 도 2d에 도시한 바와 같이 제 2 완충층(104)을 형성한다(S106). 상기 제 2 완충층(104)은 상기 제 1 완충층(102)과 동일한 물질로 형성할 수 있으며, 구체적으로 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 형성할 수 있다. 이 때, 제 1 완충층(102)의 결함(102a)이 치유된 상태임에 따라, 상기 제 1 완충층(102) 상에 형성되는 제 2 완충층(104) 역시 결함(102a) 밀도가 최소화된 상태에서 성장된다.
상기 제 2 완충층(104)의 형성 후, 상기 제 2 완충층(104) 상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하면(S107) 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 완료된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 3은 실리콘 단결정 기판 적층된 제 1 완충층의 표면을 나타낸 SEM 사진.
도 4는 결함치유용 금속(Al)이 제 1 완충층(AlN)의 결함이 존재하는 부위로 이동된 것을 나타낸 SEM 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
101 : 기판 102 : 제 1 완충층
102a : 결함 103 : 결함치유용 금속층
103a : 금속 클러스터 104 : 제 2 완충층
Claims (16)
- 기판을 준비하는 단계;상기 기판 상에 제 1 완충층을 형성하는 단계;제 1 완충층 상에 결함치유용 금속층을 형성하는 단계;상기 결함치유용 금속층을 용융시켜 상기 제1 완충층을 형성하는 단계에서 형성된 상기 제 1 완충층 상의 결함이 존재하는 부위로 이동시키는 단계;상기 결함치유용 금속층을 포함한 상기 제 1 완충층 전면 상에 제 2 완충층을 형성하는 단계; 및상기 제 2 완충층 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 격자상수는 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층의 격자상수와 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 단결정 기판 또는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 완충층 및 제 2 완충층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결함치유용 금속층은 Ⅲ족 원소로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결함치유용 금속층은 물리기상증착법을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결함치유용 금속층은 금속-유기 화학기상증착법을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
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