KR20010076808A - 질화물 반도체소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체소자에 관한 것으로서, 그 목적은 버퍼층의 특성을 향상시켜 상기 버퍼층 상에 형성되는 질화물 반도체 박막의 결정성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체소자는 이종기판 상에 질화물 반도체 박막을 형성함에 있어서, 상기 기판 상에 In_xAl_1-xN(0 < x ≤1) 버퍼층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 InAlN 버퍼층을 사용하여 상기 버퍼층이 이종기판과 질화물 반도체 박막 사이에서 응력을 효과적으로 완화시키므로 인해 운반자의 이동도를 증가시켜, 저 구동 전압과 고 발광 효율이 가능한 이점이 있다.

Description

질화물 반도체소자{III-Nitride Semiconductor device}

본 발명은 질화물 반도체소자에 관한 것으로서, 특히, InAlN 버퍼층을 사용함으로써 이종 기판 상에 형성되는 질화물 반도체의 결정성을 높여 주어 질화물 반도체 발광소자에서 저 구동 전압과 고 발광 효율을 갖도록 하는 질화물 반도체소자에 관한 것이다.

Ⅲ­Ⅴ족 화합물 반도체 중 질화물 반도체인 GaN, AlN 및 InN는 1.9 ∼ 6.2 eV에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 갖기 때문에 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 빛의 삼원색을 반도체를 통해 얻을 수 있다는 측면에서 현재 매우 많은 연구와 이에 대한 투자가 이루어지고 있다.

실제 최근 들어 질화물 반도체 계열을 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광 디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고 부가가치를 창출할 수 있는 매우 유망한 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 하지만 이러한 질화물계 발광소자의 원활한 산업화를 이루기 위해서는 소자의 구동 전압을 낮춤은 물론 발광 휘도를 증가시키는 것이 필수적으로 선행되어야 할 과제이다.

또한, 현재까지 질화물 반도체를 성장하기 위한 동종의 기판이 개발되어 있지 않아 사파이어, Si, GaAs, SiC 또는 ZnO 등과 같은 이종 물질을 기판으로 사용해야 하는 문제가 있다. 때문에, 상기의 기판 재료들 상에 양질의 특성을 갖는 박막을 성장하기 위해서는 400 ℃ ∼ 900 ℃의 온도 영역에서 질화물 반도체 계열로 구성된 버퍼층(buffer layer)을 형성한다.

이러한 상기 버퍼층의 형성은 기판과 질화물 반도체 박막 사이에 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 변형력을 완화시켜 주고, 질화물 반도체 박막이 형성되기 위한 핵으로의 역할을 하여 적절한 표면 구조를 제공해 주는 것으로 알려져 있다. 실제로 상기 버퍼층을 형성하지 않고 질화물 반도체 박막을 형성한 경우는 상기 질화물 반도체 박막 표면이 육각 구조를 갖는 패턴으로 형성되는 반면, 버퍼층을 형성한 후 성장된 박막은 매끄러운 상태의 표면구조를 갖는 패턴으로 형성된다.

그러므로, 고효율 질화물 반도체 발광소자에서 격자 상수 및 열팽창 계수 차이가 있는 기판 상에 양질의 질화물 반도체 박막을 형성하기 위해서는 최적의 조건을 제공해 줄 수 있는 버퍼층의 형성이 필수적이다.

현재까지 상용화되고 있는 질화물 발광소자에 이용되는 버퍼층으로는 낮은 온도에서 성장되는 GaN(Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1750(1991)), AlN(Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986)), AlGaN(J. Appl. Phys. 28, 2378(1997)) 또는 InGaN(2nd International Symposium Proceeding on "Blue Laser and LED", 433 (1998)) 등을 이용하여 형성하였다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체소자를 도시하는 부분 단면도이다.

도 1과 같이 종래에는 질화물 반도체소자를 형성하기 위해 사파이어, Si, GaAs, SiC 또는 ZnO 등과 같은 이종 물질을 기판(10)으로 사용하여, 상기 기판(10) 상에 양질의 질화물 반도체 박막(30)을 형성하기 위한 버퍼층(20)으로 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN를 증착하여 사용한다. 상기 버퍼층(20)은 상술한 바와 같이 이종 물질 기판(10)과 상기 기판(10) 상에 형성할 질화물 반도체 박막(30) 사이의 격자 부정합 차이 및 열팽창 계수 차이를 완화시켜주는 역할을 한다.

상술한 바와 같이 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN 등의 버퍼층을 사용하는 종래의 질화물 반도체 발광소자는 20 ㎃의 구동전류에서 역동적 저항은 25Ω, 외부양자효율은 5%, 그리고 동작전압은 3.5V로 여전히 높은 값을 보이며, 상기에서 0.1V라도 구동전압을 낮추는 일은 매우 어려운 일로 여겨진다.

따라서, 버퍼층의 특성을 개선하므로써, 질화물 반도체 박막의 결정성을 향상시켜 발광소자의 성능을 개선하는 것이 매우 중요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 버퍼층의 특성을 향상시켜 상기 버퍼층 상에 형성되는 질화물 반도체 박막의 결정성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체소자는 이종기판 상에 질화물 반도체 박막을 형성함에 있어서, 상기 기판 상에 In_xAl_1-xN(0 < x ≤1) 버퍼층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체소자를 개략적으로 도시하는 부분 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 부분 단면도.

도 3은 서로 다른 버퍼층 상에 형성한 도핑하지 않은 GaN 박막의 x-선 회절 곡선을 도시하는 그래프.

도 4는 서로 다른 버퍼층 상에 형성한 도핑 하지 않은 GaN 박막의 x-선 회절 곡선의 반폭치를 도시하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : 제 1 버퍼층

120 : 제 2 버퍼층 130 : 질화물 반도체 박막

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 질화물 반도체소자의 부분 단면도이고, 도 3은 종래의 버퍼층과 본 발명의 버퍼층을 사용하여 질화물 반도체 박막을 형성하였을 경우 x-선 회절곡선을 도시하는 비교 그래프이고, 도 4는 도 3의 x-선 회절곡선의 반폭치를 비교하는 그래프이다.

도 2와 같이 본 발명에서는 일반적으로 질화물 반도체소자를 형성하기 위한 이종의 기판(100) 상에 In_xAl_1-xN 제 1 버퍼층(110)을 300 ∼ 900 ℃의 온도에서 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭함) 방법을 이용하여 20 ∼ 1000 Å의 두께로 형성한다. 상기에서 제 1 버퍼층(110)은 In의 조성비가 0 < x ≤ 1의 범위 내에서 동일 조성비로 성장된 In_xAl_1-xN 및 선형적 또는 비 선형적으로 조성이 경사진 In_xAl_1-xN를 포함한다. 상기 In의 조성은 In_xAl_1-xN의 성장시 트리메틸인듐과 트리메틸알루미늄의 유량을 제어하여 조절할 수 있다.

이어서, 상기 제 1 버퍼층(110) 상에 질화물 반도체 박막을 형성하기 위한 온도 상승시 상기 제 1 버퍼층(110)의 In의 탈착(dissociation)을 방지하기 위해 In_xAl_yGa_1-x-yN(0 ≤x+y ≤1)를 MOCVD 방법을 이용하여 5 ∼ 1000 Å 범위의 두께로 증착하여 제 2 버퍼층(120)을 형성한다.

이어, 상기 제 2 버퍼층(120) 상에 1000 ℃ 이상의 높은 온도에서 질화물 반도체 박막(130)을 형성한다. 이때, 본 발명이나 종래 기술에 의한 버퍼층을 사용하거나 관계없이 모든 질화물 반도체 박막(130)이 1×10¹⁷/㎤정도로 거의 비슷한 전자농도를 가지는 것으로 보아 In_xAl_1-xN 버퍼층(110)이 바탕전자농도를 높이는 데에는 기여하지 않는다.

GaN 박막의 품질을 평가하는 수단으로 흔히 x선 회절곡선 반폭치가 쓰여진다. (002) x-선 회절곡선의 반폭치 경우 박막 내에 존재하는 전위결함밀도를 나타내기 때문에 직접적인 박막결정성을 나타내는 지표로 쓰여질 수 있다. x-선 회절곡선의 반폭치는 작을수록 결정성이 좋음을 의미한다.

도 3 및 도 4는 다른 조건은 동일시하고 종래의 GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막과 본 발명의 In_xAl_1-xN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막의 x선 회절측정을 실시한 비교 그래프 및 그에 따른 각각의 반폭치를 비교한 그래프이다.

도 3의 동일 조건에서 두께 250 Å 정도로 형성한 종래의 GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(a)과 본 발명의 In_xAl_1-xN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(b)의 x선 회절측정을 실시한 비교 그래프로서, GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(a)보다 InAlN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(b)의 측정결과가 보는 바와 같다.

도 4는 이를 바탕으로 하여 두 질화물 반도체 박막의 x선 회절 그래프의 반폭치를 비교한 것으로 보는 바와 같이 GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(a)가 InAlN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(b)보다 반폭치가 더 큼을 알 수 있다. 즉, InAlN를 버퍼층으로 사용한 질화물 반도체 박막(b)의 GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체 박막(a)보다 결정성이 좋음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 InAlN 버퍼층을 사용하여 상기 버퍼층이 이종기판과 질화물 반도체박막 사이에서 응력을 효과적으로 완화시키므로 인해 운반자의 이동도를 증가시켜, 저 구동 전압과 고 발광 효율이 가능한 이점이 있다.

Claims (4)

1. 이종기판 상에 질화물 반도체 박막을 형성함에 있어서,

   상기 기판 상에 In_xAl_1-xN(0 < x ≤1) 버퍼층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 In_xAl_1-xN 버퍼층은 In의 조성비가 0 < x ≤ 1의 범위 내에서 동일 조성비로 성장된 In_xAl_1-xN 및 선형적 또는 비선형적으로 조성이 경사진 In_xAl_1-xN를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체소자.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 버퍼층은 300∼900℃범위의 온도에서 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체소자.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 In_xAl_1-xN 버퍼층과 질화물 반도체 박막 사이에 In_xAl_yGa_1-x-yN(0 ≤ x+y ≤1) 버퍼층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체소자.