KR101337615B1 - 질화갈륨계 화합물 반도체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 화합물 반도체의 제조방법은 기판위에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층위에 n형 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 n형 GaN층위에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층위에 p형 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 p형 GaN층위에 인듐 리치 InGaN 컨택층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 인듐 리치 InGaN 컨택층을 사용하여 인듐 리치 InGaN 컨택층위에 형성되는 투명전극과의 접촉저항이 감쇠됨에 따라 질화갈륨계 화합물 반도체의 성능이 개선된다.

질화갈륨, 반도체 화합물, 사파이어, InGaN, 인듐 리치, 컨택층, 투명전극

Description

질화갈륨계 화합물 반도체 및 그 제조방법{GaN-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 사파이어 기판 200 : 버퍼층

300 : Undoped GaN층 400 : n형 GaN층

500 : 활성층 600 : p형 GaN층

700 : 인듐 리치 InGaN 컨택층 800 : 투명전극

900a,900b : 전극패드

본 발명은 질화갈륨계 화합물 반도체에 관한 것으로, 상세하게는, 오믹 접촉으로 인한 접촉 저항을 줄이기 위해 인듐 리치(Indum rich) InGaN 컨택층이 형성 된 질화갈륨계 화합물 반도체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

III-V족 화합물 반도체는 고속 및 고온 전자제품들, 광 방출기 및 광 검출기 등의 응용제품들에서 우수한 성능을 제공한다. 특히, 질화갈륨계 화합물 반도체에 포함되어 있는 갈륨 나이트라이드(GaN)는 청색 레이저 및 청색 파장의 스펙트럼을 방출하는 발광 다이오드에 요구되는 밴드갭을 가지고 있어, 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 그 사용이 증가하고 있다. 또한, 알루미늄 나이트라이드(AlN), 인디움 나이트라이드(InN) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)의 얼로이(alloy)는 가시영역 전범위에 걸친 스펙트럼을 제공한다.

일반적으로 질화갈륨계 화합물 반도체는 기판위에 버퍼층, n형 GaN층, 활성층, p형 콘택층, 투명전극이 형성된다.

종래의 경우 투명전극아래에 형성되는 p형 콘택층으로 p-GaN을 사용하기 때문에 오믹 접촉으로 인한 접촉 저항이 1×10^-4Ω㎠ 이하를 얻기 힘들다. 왜냐하면, p형 GaN의 정공 밀도가 p형 GaN에 들어있는 Mg원자의 억셉터(acceptor)에 기인한 10¹⁸cm^{- 3}이하이기 때문이다. 따라서, 접촉 저항을 줄이려는 노력이 계속되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 질화갈륨계의 화합물 반도체층이 적층되고 그 위에 투명전극이 형성되는 질화갈륨계 화합물 반도체에서 투명전극의 하부에 형성되는 오믹 접촉으로 인한 접촉 저항을 줄이는 데 있다.

이러한 기술적 과제들을 달성하기 위해 본 발명의 일측면에 의하면, 기판위에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층위에 n형 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 n형 GaN층위에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층위에 p형 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 p형 GaN층위에 인듐 리치 InGaN 컨택층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체의 제조방법을 제공한다.

상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은, 불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 어느 하나일 수 있다.

상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은, 불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 적어도 둘 이상이 상호적층되어 이루어질 수 도 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판과, 상기 기판위에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층위에 형성된 n형 GaN층과, 상기 n형 GaN층위에 형성된 활성층과, 상기 활성층위에 형성된 p형 GaN층과, 상기 p형 GaN층위에 형성된 인듐 리치 InGaN 컨택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체를 제공한다.

상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은, 불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 어느 하나일 수 있 다.

상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은, 불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 적어도 둘 이상이 상호적층되어 이루어질 수 도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 사파이어 기판(100), 버퍼층(200), Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600), 인듐 리치 InGaN 컨택층(700), 투명전극(800), 전극패드(900a,900b)를 포함한다.

사파이어 기판(100)은 안정성이 높은 사파이어로 이루어져 있으며 기판(100)위로는 버퍼층(200)이 형성된다.

버퍼층(200), Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600), 인듐 리치 InGaN 컨택층(700)은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

버퍼층(200)은 사파이어 기판(100)과 Undoped GaN층(300)간의 격자 불일치를 완화하기 위해 개재된다. 예를 들어 버퍼층(200)은 Al_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)로 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

버퍼층(200)을 형성할 경우, Al 및 Ga의 소오스 가스로 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH₃)₃)과 트리메틸갈륨(trimethyl galium; TMG, Ga(CH₃)₃)을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH₃)를 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400 ~ 1200℃에서 버퍼층(200)을 형성할 수 있다.

Undoped GaN 층(300)은 버퍼층(200)위에 n형 GaN층(400)을 성장시키기 위하여 성장된다.

n형 GaN층(400)은 GaN에 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

활성층(500)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN/GaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(500)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 활성층(500)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형 성된 다층막일 수 있다. 양자우물층과 장벽층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x- y}N (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.

p형 GaN층(600)은 GaN에 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

인듐 리치 InGaN 컨택층(700)은 In_xGa_{1 -x}N(0<x<1)으로 표현되는 화합물 반도체층이다.

여기에서, 인듐 리치(Indum rich) InGaN 컨택층(700)은 InGaN내에 인듐(In)이 충분하게 포함되어 있는 것을 의미한다. 예를 들면 InGaN내에 인듐(In)이 60% - 70% 정도 함유되게 할 수 있다.

Ga, In, N의 소오스 가스로 트리메틸갈륨(trimethyl galium; TMG, Ga(CH₃)₃), 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH₃)₃), 암모니아(NH₃)를 사용하고, 반응가스로 질소(N₂)을 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400~1200℃에서 인듐 리치 InGaN 컨택층(700)을 형성할 수 있다.

인듐 리치 InGaN 컨택층(700)은 불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중에서 어느 하나로 형성할 수 도 있고, 둘 이상을 상호 적층하여 형성할 수 도 있다.

인듐 리치 InGaN 컨택층(700)의 두께는 0.5 - 30㎚로 한다.

인듐 리치 InGaN 컨택층(700)에서의 전기장(electric field)은 피에조 전기 극성 필드(piezoelectric polarization field)와 표면 공핍층(surface depletion layer)에서의 이온화된 억셉터에 의한 전기장으로 이루어진다.

이 두 가지 전기장은 터널링 장벽 폭(tunneling barrier width)을 감소시키고 터널링 전송(tunneling tranport)을 개선시킴으로써 접촉 저항을 감쇠시킨다.

투명 전극(800)은 인듐 리치 InGaN 컨택층(700)위에 형성된다. 투명전극(800)은 판상 형태로서 활성층(500)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다.

투명전극(800)은 Ni/Au 또는 인디움틴산화막(ITO)와 같은 투명물질로 형성될 수 있다.

투명전극(800)은 전극패드(900a)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광효율을 높이는 역할도 수행한다.

전극 패드(900a,900b)는 투명전극(800) 위 및 n형 GaN층(400)위에 형성된다. 전극패드(900a, 900b)는 와이어(wire)에 의해 리드(lead)(미도시)와 연결되어 외부전원으로부터 전원을 공급받는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면 사파이어 기판(100)을 준비한다(S1).

그 후, 사파이어 기판(100)위에 버퍼층(200)을 형성한다(S2).

버퍼층(200)은 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

버퍼층(200)은 400 내지 1200℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 상술한 결정 성장 방법 중 어느 하나를 이용하여 성장될 수 있다.

버퍼층(200)이 형성된 이후에 버퍼층(200)위에 1㎛ 두께의 Undoped GaN 층(300)과 2㎛ 두께의 n형 GaN층(400)과, 활성층(500)과 0.15㎛ 두께의 p형 GaN층(600)을 1000℃에서 차례대로 성장시킨다(S3)

Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 GaN층(600)은 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 또는 분자선 성장법(MBE) 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 동일한 공정 챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

p형 GaN층(600)이 형성된 후 500 - 1200℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 p형 GaN층(600)위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 PALE(Pused Atomic Layer Epitaxy)법을 이용하여 0.5 - 30㎚ 두께의 인듐 리치 InGaN 컨택층(700)을 형성한다(S4).

인듐 리치 InGaN 컨택층(700)이 형성된 후에 인듐 리치 InGaN 컨택층(700)위에 투명전극(800)을 형성한다(S5).

투명전극(800)이 형성된 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 인듐 리치 InGaN 컨택층(700), p형 GaN층(600) 및 활성층(500)을 패터닝 또는 식각하여 n형 GaN층(400)의 일부 영역이 노출되도록 한다(S6).

그 후, 노출된 n형 GaN층(400)위에 전극패드(900b)를 형성하고 투명전 극(800)위에 전극패드(900a)를 형성하고(S7) 절차를 종료한다. 여기에서 전극 패드들(900a,900b)은 리프트 오프(lift off)법을 사용하여 형성될 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 사파이어 기판을 중심으로 설명했으나 사파이어 기판 이외에도 스피넬(spinel) 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등 다른 종류의 기판이 사용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 의하면 질화갈륨계 화합물 반도체는 인듐 리치 InGaN 컨택층을 구비하고 있다. 인듐 리치 InGaN 컨택층에서 형성되는 전기장(electric field)은 피에조 전기 극성 필드(piezoelectric polarization field)와 표면 공핍층(surface depletion layer)에서의 이온화된 억셉터에 의한 전기장으로 이루어진다.

이 두 가지 전기장은 터널링 장벽 폭(tunneling barrier width)을 감소시키고 터널링 전송(tunneling tranport)을 개선시킴으로써 접촉 저항을 감쇠시킨다.

이와 같이 인듐 리치 InGaN 컨택층을 사용하여 투명전극 아래의 접촉저항이 감쇠됨에 따라 질화갈륨계 화합물 반도체의 성능이 개선된다.

Claims (14)

1. 기판위에 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 버퍼층위에 n형 GaN층을 형성하는 단계와,

   상기 n형 GaN층위에 활성층을 형성하는 단계와,

   상기 활성층에 p형 GaN층을 형성하는 단계와,

   상기 p형 GaN층위에 인듐(In)이 60% ~ 70% 정도 함유된 인듐 리치(Indum rich) InGaN 컨택층을 형성하는 단계를 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은,

   불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InAlGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은,

   불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 적어도 둘 이상이 상호적층된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체의 제조방법.
4. 기판과,

   상기 기판위에 형성된 버퍼층과,

   상기 버퍼층위에 형성된 n형 GaN층과,

   상기 n형 GaN 층위에 형성된 활성층과,

   상기 활성층위에 형성된 p형 GaN층과,

   상기 p형 GaN층위에 인듐(In)이 60% ~ 70% 정도 함유된 인듐 리치(Indum rich) InGaN 컨택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은,

   불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 인듐 리치 InGaN 컨택층은,

   불순물이 첨가되지 않은 undoped 인듐 리치 InGaN층, n형 인듐 리치 InGaN층, p형 인듐 리치 InGaN층 중 적어도 둘 이상이 상호적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
7. 기판상에 형성된 n형 반도체층, p형 반도체층;

   상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 형성된 인듐을 포함하는 활성층;

   상기 p형 반도체층 상에 형성된 투명전극; 및

   상기 p형 반도체층과 상기 투명전극 사이에 인듐(In)이 60% ~ 70% 정도 함유된 인듐리치 InGaN 컨택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,

   상기 인듐리치 InGaN 컨택층에서의 전기장은 피에조 전기극성필드와 표면 공핍층에서의 이온화된 억셉터에 의한 전기장으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 전기장은 터널링 장벽폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
11. 청구항 7에 있어서,

    상기 p 형 반도체층은 p-GaN층을 포함하며,

    상기 컨택층은 상기 p-GaN층과 접하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
12. 청구항 7에 있어서,

    상기 인듐리치 InGaN 컨택층의 두께는 0.5~30nm 인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
13. 청구항 7에 있어서,

    상기 인듐리치 InGaN 컨택층은 undoped 인듐리치 InGaN, n- 인듐리치 InGaN, p- InxAlyGaN인듐리치 InGaN 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.
14. 청구항 7에 있어서,

    상기 인듐리치 InGaN 컨택층은 undoped 인듐리치 InGaN, n- 인듐리치 InGaN,p- 인듐리치 InGaN중 적어도 둘 이상을 상호 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 화합물 반도체.

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