2. GaN/AlGaN 발광다이오드의 제작
2.4 GaN/AlGaN 이종접합구조의 성장
발광다이오드의 가장 기본 구조인 DH 구조는 energy bandgap이 큰 물질을 cladding층으로 하고 energy bandgap이 작은 활성층을 양측에서 끼워 넣는 sandwich 형태로 적층하여 구성한다. 본 연구는 DH 구조의 성장을 기본으로 한다. 그림 2.4.1은 본 연구에서 채택한 GaN/AlGaN DH 구조의 개략적인 구조도이다. r-plane 사파이어 기판 위에 HVPE 방 법으로 저온 GaN을 560 ℃에서 성장시킨 후 820 ℃에서 GaN을 연속으 로 성장한다. 이들 층은 사파이어기판과 GaN 사이의 버퍼층 역할을 담당 한다. 그 후 선택성장 구조로 GaN 버퍼층, Te 도핑된 AlGaN n- cladding 층, GaN 활성층, Mg 도핑된 AlGaN p-cladding 층, Mg 도핑된 GaN p-capping 층으로 구성되었다.
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그림 2.4.1 GaN/AlGaN DH의 개략도
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현재 청색 LED에서는 활성층을 감싸고 있는 cladding 층으로서 주 로 GaN를 사용하고 있다. LED에서 내부양자효율을 높이기 위해서는 carrier confinement가 매우 중요하기 때문에 활성층과 cladding 층간의 에너지 밴드 off-set이 클수록 유리하다. 그렇지만 AlGaN 층의 성장이 GaN cladding 층의 성장에 비해서 여러 가지 어려움이 있다. 특히, p형 도핑에 문제가 많아서 현재 상용화되고 있는 LED는 GaN cladding 층을 사용하면서 활성층과 p형 GaN cladding 층 사이에 매우 얇은 p-AlGaN 층을 성장하여 carrier over-flow를 방지하는 구조를 사용하고 있다. 그 러나 본 연구에서는 p-cladding 층 뿐만아니라 n- cladding 층도 모두 AlGaN 층을 사용하기 때문에 carrier confinement를 위한 충분한 밴드 off-set을 구현할 수 있어 활성층에서의 내부양자효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 백색광의 발광이 관측됨으로서 매우 중요한 요소 기술로서 판단된다. 따라서 본 연구에서는 cladding 층으로 AlGaN 층을 이용하였으며 Al의 조성비가 클수록 에너지 밴드갭이 커져 활성층 의 광을 흡수 하지 않게 되며 활성층 보다 작은 굴절율을 갖게 됨으로써 캐리어의 제한을 용이하게 하고자 하였으며 발광 효율 등에도 큰 영향이 있으리라 판단된다.
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선택성장 GaN/AlGaN 이종접합구조를 제작하기 위한 공정의 상세한 내용을 다음과 같이 7단계로 순서대로 요약하였다.
1) Wafer cleaning
기판은 아세톤에 5분 동안 초음파로 cleaning 하였으며 메탄올에 넣 어 5분 동안 초음파 cleaning 한 후 DI water로 rinse 하였다. 산화막 제거를 위하여 불산에 1분간 에칭하였다. 그림 2.4.2는 wafer cleaning의 중요 공정 변수를 표시하였다.
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그림 2.4.2 wafer cleaning
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2) 2-step buffer layer 성장
웨이퍼 클리닝 후 r-plane 사파이어 기판 위에 HVPE 방법으로 버 퍼층을 성장하였다. DH 구조의 고온 GaN와 사파이어 기판과의 격자 불 일치를 줄여주기 위한 단계로서 처음에는 560 ℃의 저온 GaN를 성장하 고, 그 다음 단계로는 820 ℃의 비교적 고온의 GaN를 버퍼층으로 성장 하게 되었다. 그림 2.4.3은 2-step buffer layer 성장의 중요 공정 변수 를 표시하였다. 2-step buffer layer의 단면과 표면 SEM 사진을 그림 2.4.4와 그림 2.4.5에 나타내었다.
그림 2.4.3 2-step buffer layer 성장
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그림 2.4.4 2-step buffer layer의 단면 SEM 사진
그림 2.4.5 2-step buffer layer의 표면 SEM 사진
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3) SiO
2증착
선택 성장을 위한 mask로 SiO2를 선택하였다. SiO2의 두께는 증착 시간에 따라 변화시켜 최적의 선택 성장용 mask로 활용하였다. 일반적으 로 Al은 SiO2와 쉽게 반응하여 SiO2상에 poly 형태의 결정이 올라가게 되므로 5층을 선택성장 하여야 하는 공정에서는 SiO2 조건이 매우 중요 한 변수가 된다. SiO2 mask의 역할이 불충분하여 SiO2 막 위에 poly 형 태의 결정이 올라가게 되면 DH 성장이 끝난 후 lift-off가 되지 않아 metal 전극의 Ohmic의 형성이 어려우며 소자의 특성에 매우 큰 영향을 주게 된다. 그림 2.4.4는 SiO2 증착을 위한 중요 공정 변수를 표시하였다.
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그림 2.4.4 SiO2 증착
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Cleaning한 기판은 RF-sputter 장비를 이용하여 SiO2를 증착하였다.
시료는 holder의 중앙에 위치시키고 진공을 5×10-6 Torr 정도로 한 후 Ar을 65 sccm 정도 흘려 진공도를 9×10-4∼1×10-3 Torr로 맞추고 RF power를 on하고 서서히 power를 증가시켜 210 W에서 증착 하였다.
이때 분홍빛의 플라즈마가 뜨면 pre-sputtering을 약 30분 정도 충분히 한 후 SiO2 target의 shutter를 열어 시료 위에 SiO2를 3시간 증착 하였 다. 1시간, 2시간 10분, 3시간 증착 후 선택성장 한 결과 3시간의 경우가 가장 선택성이 좋았으며 이때 두께는 약 5000 Å으로 측정 되었다. 앞서 설명한 것과 같이 5층을 선택성장 하여야 하므로 두꺼운 층이 효과가 있 는 것으로 판단된다. 그림 2.4.5은 본 연구에서 사용한 RF-sputter(6인 치 target) 장비이다.
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그림 2.4.5 RF-sputter system
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4) SAG PR pattern 형성
본 실험실의 HVPE는 2인치 성장이 가능 하나 그 uniformity가 좋 지 않아 조각 기판을 사용하고 있다. 2인치 기판을 4등분한 크기가 가장 적합하다. 따라서 SiO2가 증착된 2인치 기판은 photo 공정을 하기 전 4 등분한다. 4등분 한 시료는 각각 spin coater를 이용하여 PR을 coating 하였다. 시료와 PR 용액의 adhesion을 좋게 하기 위해서 HMDS를 이용 하였으며 PR은 AZ5214 용액을 사용하였다.
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그림 2.4.6 SAG pattern PR 형성
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HMDS와 PR AZ5214 용액은 각각 30초간 3000 rpm으로 coating 하였다. 이때 주의 할 점은 HMDS coating 후 30초 후에 PR을 coating 하였다. Soft baking은 90 ℃ 10분간 하였으며 align 하기 전 시료 뒷면 에 묻은 PR을 제거하였다. 8 W/cm2로 10초 exposure하고 MIF500 developer를 이용하여 8분 동안 development 하였다. 현미경으로 PR이 완전히 development 됨을 확인한 후 120 ℃에서 10분간 hard baking 하였다. 그림 2.4.6은 SAG pattern PR 형성을 위한 중요 공정 변수를 표 시하였다.
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5) SiO
2에칭
그림 2.4.7 SiO2 에칭
SAG PR pattern이 완성되었으면 SiO2를 제거하기 위하여 BOE 용액 에 5분간 에칭하여 pattern을 완성하였다. 그림 2.4.7에는 SiO2 에칭 공 정 변수를 나타내었다. 이때 기포가 발생하여 pattern이 완전히 에칭이
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안 될 수 있으므로 주의하여야 한다. 기포가 발생할 경우에는 기포가 기 판으로부터 잘 떨어지지 않으므로 수 초 동안 초음파를 이용하여 해결하 였다.
6) SAG-DH 성장
Multi-sliding boat의 첫 번째 well의 소스로 금속 Ga (6N) 20g을 넣었다. 두 번째 well의 소스로 Ga 25g과 금속 Al (5N) 0.5g, 금속 Te (5N) 0.17g을 혼합하였다. 세 번째 well의 소스로는 금속 Ga 25g을 넣 었으며, 네 번째 well에는 Ga 25g과 금속 Al를 0.5g, 금속 Mg (3N) 0.08g을 혼합하였다. 다섯 번째 well의 소스로는 금속 Ga 20g과 금속 Mg 0.08g을 혼합하였다. Te, Al, Mg은 50 % HCl 용액에 에칭을 하여 cleaning 하였다. Multi-sliding boat에 소스를 채운 뒤 top plate를 덮은 후 HVPE에 loading하여 약 920 ℃에서 각각의 소스들이 충분히 섞이도 록 3시간 정도 soaking 하였다. 성장 전에는 다시 multi-sliding boat를 꺼내어 소스의 상태에 따라 표면을 살짝 닦아주었다. 표 2.4.1은 DH 성 장시 각 소스들의 양을 나타낸 표이다.
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표 2.4.1 DH 성장시 각 well의 소스의 양
DH 구조 성장 전에는 HVPE의 quartz나 boat에 남아있는 도펀트 등의 영향을 최소화하기 위하여 소스가 없는 boat와 quartz는 baking하 여 사용하였다. GaN 층, Te-doped AlGaN cladding 층, GaN 활성층, Mg-doped AlGaN cladding 층 그리고 Mg-doped GaN capping 층의 모든 층의 소스영역 온도와 성장영역 온도는 각각 900 ℃와 1090 ℃로 일정하게 유지를 하여 성장 하였다. 그림 2.4.8에 온도 profile을 나타내 었으며 그림 2.4.9는 공정 흐름을 나타내었다.
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그림 2.4.8 온도 profile
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그림 2.4.9 DH 공정
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7) 금속 증착
발광다이오드의 광 추출효율을 높이기 위해서는 효과적인 전류 주입 및 금속 전극의 형성이 중요하다. 수평 주입형 발광다이오드 방식에서 효 율적인 전류의 확산을 위하여 n-type 및 p-type 질화물 반도체의 고농 도 도핑이 필요하다. 그러나 p-type 도핑이 어렵기 때문에 소자 구동시 전류 확신이 전기적 또는 발광특성에 큰 영향을 주게 된다. 따라서 소자 의 특성 향상을 위하여 보다 안정성이 뛰어난 ohmic contact이 필수적이 다.
Mg 도핑된 GaN p-capping 층위에 성장된 금속은 Cr, Ni, Au의 순 서로 e-beam evaporator 장비를 통하여 증착되었다. 전극 패턴모양은 앞서 언급된 마스크 설계 부분에서 설계도면에 보여진 대로 형성되었다.
그림 2.4.10은 금속 증착의 중요 공정 변수를 나타내었다.
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그림 2.4.2 전극 패턴까지 성장된 DH 구조의 SEM 사진
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그림 2.4.10 금속 증착
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