KR100277968B1 - 질화갈륨 기판 제조방법 - Google Patents

Abstract

결함을 최소화한 질화갈륨(GaN) 기판 제조방법에 관한 것으로, 질화갈륨 기판을 다이아몬드 슬러리(slurry)로 1차 연마하고, 그 질화갈륨 기판을 보론 카바이드 플레이트로 2차 연마하며, 1차 및 2차 연마에서 발생한 질화갈륨 기판의 손상층을 반응성 이온 식각으로 제거한 후, 반응성 이온 식각된 질화갈륨 기판을 열처리하여 반응성 이온 식각에 의해 발생된 결함층의 특성을 회복시킴으로써, 매우 평활한 표면을 가지며 폴리싱에 의해 생성된 결함층이 제거된 기판을 얻게 되어 후속 박막 성장시 고품위의 박막을 얻을 수 있어 이를 이용하면 우수한 특성을 나타내는 청색 발광 소자를 제작할 수 있다.

Description

질화갈륨 기판 제조방법

본 발명은 화합물 반도체 기판에 관한 것으로, 특히 결함을 최소화한 질화갈륨(GaN) 기판 제조방법에 관한 것이다.

최근 질화갈륨을 이용한 청색 발광 소자(발광 다이오드(LED;Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD;Laser Diode))는 대규모 총천연색 평판 표시장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템, 광통신 등의 응용 분야를 가지고 있어 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있으며, 이의 상업화를 위한 시도도 끊임없이 진행되고 있는 실정이다.

이러한 질화갈륨계 화합물 반도체를 이용한 청색 발광 소자에서는 특성 향상을 위하여 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등을 통해 얻은 벌크(bulk) 질화갈륨을 기판으로 사용함으로써, 박막과 기판간의 열팽창 불일치와 격자 부정합 등으로 인해 야기되는 결함을 극소화한 박막을 얻기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

하지만, 이러한 고품위의 박막을 얻기 위한 기판으로 사용하기 위해서는 적절한 표면 상태를 가져야 하는데 이에 걸맞는 폴리싱(polishing) 공정 및 전처리 공정 등의 개발이 이루어지지 않고 있다.

따라서, 호모에피택시(homoepitaxy)가 줄 수 있는 박막내의 결함의 극소화라는 장점을 충분히 살려내지 못하고 있는 실정이다.

만일 이의 개선이 이루어진다면 보다 우수한 특성의 청색 발광 소자의 제작이 가능할 것이다.

기존에는 다이아몬드 슬러리(diamond slurry)나 플레이트(plate), 페이스트(paste) 등만을 이용하여 폴리싱을 수행하였다.

그러나, 이렇게 폴리싱된 벌크 질화갈륨 기판은 표면 거칠기가 충분히 감소되지 않았다.

그 이유는 폴리싱시 다이아몬드의 경도가 높아 벌크 질화갈륨과의 경도 차이가 크기 때문이다.

그러므로, 이의 해결을 위해 충분히 작은 크기의 다이아몬드 입자들을 이용하였지만 여전히 표면 거칠기를 충분히 감소시킬 수는 없었다.

이러한 기판의 표면 거칠기는 후속 박막의 성장시 삼차원적인 성장을 유도하여 고품질의 박막을 얻기 어렵게 하고, 또한 기계적인 폴리싱에 의해 생성된 손상층이 존재하여 이후의 호모에피택시(homoepitaxy)시 손상층의 결함들이 그대로 후속 박막에 전달되어 기대한 만큼 낮은 결함 농도를 갖는 고품위의 박막을 얻어낼 수 없다.

이는 우수한 특성을 갖는 소자의 제작이 이루어질 수 없음을 의미한다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로 기판의 높은 표면 거칠기를 감소시켜 고품위의 박막을 얻을 수 있는 질화갈륨 기판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 기계적인 폴리싱에 의해 발생한 회복 불가능한 손상층(irrecoverable damaged layer)을 제거하고, 이에 수반되는 회복 가능한 손상층(recoverable damaged layer)을 열처리하여 결정성이 우수한 박막을 얻을 수 있는 질화갈륨 기판 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 기계적 폴리싱을 통해 손상된 층을 나타내는 질화갈륨 기판의 TEM 단면 사진

도 2는 본 발명에 따른 반응성 이온 식각(RIE) 이전 그리고 열처리 전후의 벌크 질화갈륨의 밴드 에지 광발광(band edge photoluminescence)을 비교한 그래프

본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 주요 특징은 질화갈륨 기판을 준비하는 제 1 단계와, 질화갈륨 기판을 다이아몬드 슬러리(slurry)로 연마하는 제 2 단계와, 질화갈륨 기판을 카바이드 화합물로 연마하는 제 3 단계와, 제 2, 제 3 단계에서 발생한 질화갈륨 기판의 손상층을 반응성 이온 식각하는 제 4 단계와, 반응성 이온 식각된 질화갈륨 기판을 열처리하여 반응성 이온 식각에 의한 결함층의 특성을 회복시키는 제 5 단계로 이루어지는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 벌크 질화갈륨(bulk GaN)은 승화 방법(sublimation method), 벌크 크리스탈 성장 방법(bulk crystal growth method) 등을 이용하여 얻은 질화갈륨(GaN) 후막을 통칭한다.

질화갈륨의 경우, 경도가 높기 때문에 폴리싱(polishing)시 일반적으로 다이아몬드 슬러리(diamond slurry)나 페이스트(paste), 플레이트(plate) 등이 사용된다.

하지만, 이 경우 질화갈륨과 다이아몬드와의 경도 차이 때문에 충분히 작은 크기의 입자를 사용하여도 어느 이상의 표면 평활도를 얻기 어려운 측면이 있다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 다이아몬드보다는 약간 무른 보론 카바이드(boron carbide)를 사용하는 단계를 추가함으로써 매우 평활한 평면을 얻을 수 있었다.

이 경우에도 각 단계에서 적절한 조건을 잡는 것이 결과에 매우 중요한 영향을 미친다.

하지만, 이렇게 준비된 벌크 질화갈륨도 호모에피택시(homoepitaxy)에 이용되기에는 부족한 면이 있었다.

그 이유는 기계적인 폴리싱에 의해 손상층이 생성되기 때문이다.

이는 후속 박막 성장시 좋지 않은 영향을 주어 고품위 박막을 성장할 수 없게 한다.

도 1은 일반적인 기계적 폴리싱을 통해 손상된 층을 나타내는 TEM(Transmission Electron Microscopy) 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이 약 1000Å 정도 두께의 손상층이 존재하는 것을 볼 수 있다.

그러므로 본 발명에서는 이 손상층을 제거하기 위하여 반응성 이온 식각을 이용하였다.

즉, 이 공정을 이용하여 기계적인 폴리싱에서 생기는 손상층을 손상층의 두께 이상으로 식각을 해내었지만 반응성 이온 식각시에도 높은 에너지의 반응성 이온들에 의해 또 다른 결함들이 생성되었다.

이 결함은 기계적인 폴리싱에 의해 생성되는 결함과는 다른 형태인데, 이 결함층 또한 후속 박막 성장시 좋지 않은 영향을 미치므로 이 층의 특성이 회복될 수 있도록 해주는 것이 필요하다.

그러므로 이를 위하여 본 발명에서는 열처리 공정을 수행하였다.

도 2는 반응성 이온 식각을 통해 생성된 결함층 때문에 광발광(photoluminescence) 세기가 감소하고, 열처리를 통해 다시 회복되는 것을 보여준다.

이렇게 준비된 본 발명의 벌크 질화갈륨 기판은 매우 평탄하며 회복된 특성의 표면을 갖는다.

이와 같은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 구체적인 실시예는 다음과 같다.

먼저, 벌크 질화갈륨 기판을 폴리싱 지그(polishing jig)에 왁스(wax)로 고정시킨다.

이어, 고정된 벌크 질화갈륨 기판을 15㎛, 9㎛, 3㎛, 1㎛, 0.5㎛ 입자 크기를 갖는 다이아몬드 슬러리(diamond slurry)로 순차적으로 폴리싱한다.

이때, 각 단계 사이에 초음파 세척을 통해 이전 단계의 입자가 다음 단계에 영향을 주지 않도록 한다.

그리고나서, 20000 메쉬(mesh)의 보론 카바이드 플레이트(boron carbide plate)로 폴리싱한 후 다시 30000 메쉬의 보론 카바이드 플레이트로 최종 처리한다.

이때, 각 단계에서 적절한 압력(약 1 ∼ 5 kg/cm²)을 가하여야 하고 지나치게 높은 압력을 가하면 표면에 스크래치가 남게 되며 너무 낮은 압력하에서는 전체적으로 고른면이 나타나지 않는다.

이러한 방법으로 얻어진 벌크 질화갈륨의 표면 거칠기를 AFM(Atomic Force Microscopy)을 통해 측정한 결과 약 2.7Å을 얻을 수 있었다.

이에 반하여 보론 카바이드 대신에 약 0.25㎛, 0.1㎛ 입자 크기를 갖는 다이아몬드 슬러리로 폴리싱한 경우에는 약 10Å 정도의 표면 거칠기를 나타내었다.

이렇게 얻어진 벌크 질화갈륨 기판을 반응성 이온 식각기에 넣어 손상층이 충분히 제거될 수 있도록 수천 Å 만큼 식각해낸다.

이를 RTP(Rapid Thermal Processing) 장비에 장착하여 약 500 ∼ 1000℃의 온도에서 약 10초 ∼ 1시간 동안 열처리한다.

이때, 반응기의 분위기는 질소나 암모니아 분위기를 유지하여 벌크 질화갈륨으로부터 질소가 빠져나오는 것을 억제해준다.

반응성 이온 식각과 열처리를 거친 후 AFM으로 표면 거칠기를 측정한 결과 약 3Å으로 나타나 이전에 비해 거의 변화가 없음을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 의한 공정을 통해 벌크 질화갈륨 기판을 처리할 경우, 매우 평활한 표면을 나타내며 폴리싱에 의해 식각으로 제거한 후 후속 박막 성장시 고품위의 박막을 얻을 수 있어 이를 이용하면 우수한 특성을 나타내는 청색 발광 소자를 제작할 수 있다.

Claims (4)

1. 질화갈륨 기판을 준비하는 제 1 단계;

   상기 질화갈륨 기판을 다이아몬드 슬러리(slurry)로 연마하는 제 2 단계;

   상기 질화갈륨 기판을 카바이드 화합물로 연마하는 제 3 단계;

   상기 제 2, 제 3 단계에서 발생한 상기 질화갈륨 기판의 손상층을 반응성 이온 식각하는 제 4 단계;

   상기 반응성 이온 식각된 질화갈륨 기판을 열처리하여 반응성 이온 식각에 의한 결함층의 특성을 회복시키는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서,

   연마시, 상기 다이아몬드 슬러리의 입자 크기가 큰 것부터 작은 것 순서로 연마하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 다이아몬드 슬러리 입자 크기 순서로 연마시, 각 단계 사이에 이전 단계의 입자가 다음 단계에 영향을 주지 않도록 초음파 세척을 하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 5 단계에서,

   열처리시, 열처리의 온도는 500 ∼ 1000℃이고, 열처리 시간은 10초 ∼ 1시간인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.