KR100329718B1

KR100329718B1 - 질화갈륨 기판의 도핑 방법 및 도핑된 질화갈륨 기판

Info

Publication number: KR100329718B1
Application number: KR1019990028285A
Authority: KR
Inventors: 강상규; 조학동
Original assignee: 강상규; 조학동
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2002-12-06
Also published as: AU6087200A; KR20010009745A

Abstract

GaN 기판에 열중성자를 조사하여, Ga을 Ge의 변환시킨다. 이때, Ge는 GaN 내의 불순물로 도입되며 도너로써 작용한다. 이 Ge의 농도는 열중성자의 선속량에 의해 결정된다. 한편, GaN 기판에 열중성자(thermal neutron)를 조사하는 경우 속중성자(fast neutron)도 같이 조사되어, 결정성이 깨지는 등의 결함 준위가 발생하는 데, 이러한 결함 준위를 없애기 위해 도핑된 GaN 기판을 소정의 온도로 열처리한다. 이와 같이 함으로써, 특성이 우수한 도핑된 GaN 기판을 제공할 수 있다.

Description

질화갈륨 기판의 도핑 방법 및 도핑된 질화갈륨 기판{A DOPING METHOD OF GaN WAFER AND A DOPED GaN WAFER}

본 발명은 질화 갈륨 기판의 도핑 방법 및 도핑된 질화갈륨 기판에 관한 것으로서, 특히 중성자 변환 도핑 방법을 이용한 질화갈륨 기판의 도핑 방법 및 도핑된 질화갈륨 기판에 관한 것이다.

질화물계 반도체는 직접 전이형 반도체 물질로서 기존의 갈륨 비소(GaAs) 및 인듐포스파이드(InP)에 비해 열전도도가 높으며, 전자 포획 속도가 크고, 강도가 매우 높으며, 열적, 화학적으로 매우 안정한 물질로 알려져 있다.

그러나, 이러한 질화물계 반도체는 다른 화합물 반도체와는 달리 잉곳(ingot) 또는 덩어리(bulk) 형태의 질화갈륨(GaN; Gallium Nitride)을 만들어 내지 못하고 있기 때문에 지금까지는 실리콘카바이드(SiC), 사파이어(Al₂O₃)등과 같은 물리적 상수 차이가 큰 물질을 기판(wafer)으로 하여 GaN 박막을 성장시키는 이형증착(heteroepitaxy) 방법을 사용하였다.

이러한 이형증착 방법은 기판물질과의 격자상수 및 열팽창 계수 차이 등에 의한 부정합도가 크기 때문에 성장된 결정 내에 약 ∼ 정도의 결함밀도를 유발시키며, 성장되는 층에 갈라짐(crack) 등을 발생시키는 문제점을 갖고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 SiC, Al₂O₃등을 이용한 이형증착을 지양하고, 동형 증착(homoepitaxy)을 위한 GaN 단결정 기판을 개발할 필요가 있다.

한편, 이형증착으로 인한 문제점들을 해결하기 위한 GaN 단결정에 관한 연구가 1960년대말부터 지속되어 오고 있으나, GaN의 상대적으로 큰 결합에너지(8.9eV/atom)와 질소의 높은 부분압에 기인한 결정 성장의 기술적 어려움 등에 의해 거의 성과가 없는 설정이다.

그러나, 이러한 GaN 단결정 기판 부재의 한계에도 불구하고 질화물계 반도체(nitride semiconductor) 소자에 관한 연구는 질화물계 반도체의 뛰어난 특성을 이용하려는 열망 때문에 활발하게 연구되고 있다. 이러한 질화물계 소자들을 만들기 위해서는 균일한 도핑(uniform doping)과 캐리어 농도(carrier concentration)를 보다 정확히 조절할 수 있어야 하는데 질화물계 반도체에서 불순물의 정확한 조절과 양질의 도핑 특성을 얻는 것은 실리콘(Si)과 같은 단원자 반도체보다 용이하지 않다. 이는 GaN의 도판트(dopant)가 부분적으로 갈륨의 자리(Ga site) 또는 질소의 자리(N site)를 차지하며, 이 경우 물질내의 결함과 다른 불순물들간에 서로 상호 작용을 하기 때문이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중성자 변환 도핑 방법을 이용하여 GaN 기판을 도핑하는 방법 및 도핑된 GaN 기판을 제공하기 위한 것이다.

도1은 열 중성자에 조사된 시료를 900℃로 30분동안 열처리한 후, 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다.

도2는 열 중성자에 조사된 시료를 950℃로 30분동안 열처리한 후, 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다.

도3은 열 중성자에 조사된 시료를 1000℃로 30분동안 열처리한 후, 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다.

도4는 열 중성자 조사 선속이 4.146× 인 시료에 대해 1000℃에서 30분간 열처리하여 상온에서 SIMS를 측정한 스펙트럼이다.

도5는 열 중성자 조사 선속이 5.29× 인 시료에 대해 1000℃에서 30분간 열처리하여 상온에서 SIMS를 측정한 스펙트럼이다.

도6은 열 중성자 조사 선속이 1.09× 인 시료에 대해 1100℃에서 30분간 열처리하여 SIMS를 측정한 스펙트럼이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 GaN 시료의 도핑 방법은 GaN 시료에 열중성자를 조사하여 Ga을 Ge로 변환시킴으로써 상기 GaN 시료를 상기 Ge로 도핑시키는 단계를 포함한다. 이때, 도핑된 상기 Ge의 농도는 조사되는 상기 열 중성자의 선속량에 의해 조절된다.

또한, 상기 방법은 상기 Ge로 도핑된 상기 GaN 시료를 소정 온도로 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 소정 온도는 1000℃ 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 하나의 특징에 따른 GaN 기판의 제조 방법에 따르면,

GaN 기판에 열중성자를 조사하여 Ga을 Ge로 변환시킴으로써 상기 GaN 기판을 상기 Ge로 도핑시키는 단계; 및 상기 Ge로 도핑된 상기 GaN 기판을 소정 온도로 열처리하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 소정 온도는 1000℃ 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 특징에 따른 GaN 기판은 열중성자가 조사되어 Ge가 불순물로서 도핑된다. 이때, 상기 도핑된 GaN 기판은 1000℃ 이상에서 열처리되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 좋은 특성을 가지는 GaN 단결정 기판이나 소자용 박막을 얻기 위해 중성자 변환 도핑(NTD; neutron transmutation doping) 방법을 사용하여 불순물을 도핑시킨다.

이러한 중성자 도핑 방법(NTD)은 반도체 물질에서 다른 도핑 방법과 비교할 때 다음과 같은 장점을 가진다.

첫째, 중성자는 전하를 띠지 않으므로 반도체 물질내의 원소들이 균일하게 분포되어 있을 때 기판의 두께에 상관없이 불순물을 균일하게 도핑시킬 수 있다는장점이 있다.

둘째, 중성자의 도즈(dose)량을 적절히 조절함으로써 원하는 불순물 농도를 정확하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 중성자 변환 방법은 이하에서 설명하는 바와 같이 GaN 기판 도핑시 매우 유용한 방법이며, 본 발명의 실시예에 따르면 이와 같은 중성자 변환 방법을 사용하여 GaN 기판을 도핑한다. 구체적으로 본 발명의 실시예에 따르면, GaN 기판에 열중성자(thermal neutron)를 조사하여, Ga을 Ge의 변환시킨다. 이때, Ge는 GaN 내의 불순물로 도입되며 도너(donor)로써 작용한다. 이 Ge의 농도는 열중성자의 선속량에 의해 결정된다. 한편, GaN 기판에 열중성자(thermal neutron)를 조사하는 경우 속중성자(fast neutron)도 같이 조사되어, 결정성이 깨지는 등의 결함 준위가 발생하는 데, 이러한 결함 준위를 없애기 위해 본 발명의 실시예에 따르면 도핑된 GaN 기판을 소정의 온도로 열처리한다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따라 도핑된 GaN 기판의 특성을 연구하기 위해 다양한 실험을 했으며, 이하에서는 구체적인 실험예를 통해 중성자 변환 도핑 방법에 의한 GaN 기판의 도핑 특성에 대하여 설명한다.

구체적으로, GaN 시료에 열중성자(thermal neutron) 선속(flux)값을 4.146×, 5.29×그리고 1.09× 등으로 조사하여 중성자 변환 도핑을 시도하였다. 또한, 이러한 시료에 대해 질소 분위기 하에서 900, 950, 1000, 그리고 1100℃의 온도로 열처리(thermal annealing)한 후, 이 시료들에 대해 PL(photoluminescence), 홀(Hall) 효과 그리고 SIMS(secondary ion massspectroscopy) 등을 측정하여 중성자 변환 도핑된 시료의 특성을 연구하였다.

중성자 변환 도핑방법이 다른 도핑방법보다 유리한 점은 목표(target) 물질에서 Ga과 N의 동위원소가 균일하게 분포되어 있다고 가정할 때 중성자는 고르게 포획되므로 변환된 불순물이 시료 내에 균일하게 분포한다는 것이다. 또한 중성자의 도즈량을 보다 용이하게 조절할 수 있어 불순물의 도핑 농도를 정확히 조절할 수 있다는 점이다.

화합물 반도체인 GaAs나 GaN 단결정에 열중성자를 조사할 때, 변환 도핑과 함께 아래에서 설명하는 바와 같이 결함 준위가 형성된다.

먼저, 화합물 반도체인 GaN의 자연적인 동위원소 존재비와 흡수 단면적은 다음의 식(1)과 같다.

(30.2％, 1.68barn)

(19.8％, 4.7barn) .................(1)

(99.63％, 1.8barn)

여기서, 위 식의 괄호 안의 첫 번째 항은 자연적인 동위원소 존재비를 나타내며, 두 번째 항은 흡수 단면적을 나타낸다.

GaN에 열 중성자가 조사되면 다음의 식(2)와 같이 위 동위원소들은 1차적으로 중성자를 포획하여 불안정한 동위원소로 변환되며 이어 감마선과 베타선을 방출하여 동위원소로 붕괴한다.

(n, γ)→＋(21분)

(n, γ)→＋(14.1시간) .............. (2)

(n, p)→＋(5730년)

여기서,(n, γ)와(n, γ)은 각각와이 중성자의 조사에 의해 감마선이 방출되어와의 동위원소로 변환되는 것을 나타내며,(n, p)은가 중성자에 의해 조사되어 양성자가 방출되어,로 변환되는 것을 나타낸다.

이들,와은 각각 베타선을 방출하여,,와원소로 변환한다. 여기서, 괄호 안의 시간은 GaN 내에서붕괴를 일으키는 반감기이다. 핵반응에서 생성된,은 모두 GaN 내의 불순물로 도입되며 도너(donor)로써 작용한다.

화합물 반도체에 중성자 조사시 불순물의 도핑 농도다음의 식(3)으로 주어진다.

＝Φ tΣσ.............. (3)

여기서 Φ는 열중성자 선속, t는 조사시간,는 i번째 동위원소, σ는 i번째 동위원소의 흡수 단면적을 나타낸다.

Σσ는 GaN에 대해 식(2)와 식(3)의 관계로부터 약 0.16원자/㎤/중성자/㎠임이 다른 연구자들에 의해 이미 계산되었다. 따라서 불순물의 도핑 농도는 다음과 같이 열 중성자 선속(Φ)와 조사시간(t)로써 간단히 결정된다.

＝0.16Φ t() .............. (4)

그러나 핵 반응 후에 변환된 원자들은 일반적으로 그들의 본래의 결정 격자면에 위치해 있지 않고 열 중성자 흡수에 따르는 베타 붕괴 과정에서 감마선과 베타선의 방출로 인한 격자와의 반발로 인해 결정의 계면이나 또는 Ga, N의 빈자리로 이동하여 결함 준위를 형성하게 된다. 한편 속중성자들은 GaN내에 포획되지 않고 결정 격자와 충돌함으로써 GaN내에 결함 준위를 형성한다. 이와 같은 결과로 열 중성자와 속 중성자 모두에 의해 GaN내에는,,,,,와 같은 결함 준위가 생기게 된다. 여기서,는 Ga 자리에 N이 차지함을 나타내며, 반대로는 N 자리에 Ga가 차지함을 나타낸다. 또한,,는 각각 N 자리가 비었음(vacancy)과 중간자리(intermediate)에 Ga이 차지함을 나타낸다.

이렇게 형성된 GaN내의 결함 준위들은 이하에서 설명하는 바와 같이 열처리 과정에 의해 거의 회복되며 특히 1000℃를 임계 온도로 하여 GaN내에 변환 도핑된 Ge원자가 도너 준위를 이루어 캐리어의 활성화에 크게 기여하게 된다.

다음에는 중성자 변환 방법을 GaN에 적용한 경우의 특성을 확인하기 위한 구체적인 실험예를 설명한다.

이 실험예에 따르면, 질화물계 반도체 중에 대표적인 GaN 시료에 대한 열 중성자 조사는 한국 원자력 연구소 내에 있는 하나로 원자로를 이용하였으며, 이때 실험에 사용된 원자로의 출력 파워는 20㎽이었다. 열 중성자의 조사공은HTS(hydraulic transfer system)와 IP(isotope production)였으며, 열 중성자의 조사조건은 다음의 표1과 같다.

사용조사공	열중성자 선속(n/㎠ㆍsec)	조사시간	조사선속()
HTS	4.13×	3 시간	4.146×
IP-12	2.04×	3 일	5.29×
IP-10	4.10×	6 일	1.09×

조사시 시료는 서로 다른 조건에 대해 각각 알루미늄 호일로 포장해서 열 중성자와 속 중성자 측정용 시료인 Fe와 Ni 와이어를 함께 조사 용기에 2중 밀봉한 후 125∼210℃ 온도범위에서 이루어졌다.

위 조건에서 준비된 시료에 대해 질소 분위기하에서 900, 950, 1000 그리고 1100℃ 등으로 열처리하였다. 이 시료에 대한 결정성 회복 및 광학적 특성을 확인하기 위하여 10K에서 PL를 측정하였으며, 또한 Ga 원자가 변환 도핑된 Ge원자의 도핑특성을 알아보기 위하여 상온에서 홀 효과(Hall effect)를 측정하였다. 그리고 변환 도핑된 Ge원자의 정량적인 분석을 위하여 세슘(Cs) 이온을 이용한 SIMS을 측정하여 중성자 변환 도핑된 시료의 특성을 연구하였다.

도1은 조사된 열 중성자의 선속이 각각 4.146×, 5.29×그리고 1.09× 인 시료를 질소 분위기하에서 900℃로 30분동안 열처리한 시료에 대해 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다. 도1에서 (a)는 4.146×, (b)는 5.29×그리고 (c)는 1.09× 로 각각 열 중성자를 조사한 시료이다.

도1에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 열처리 조건에서도, 조사된 열중성자의 선속 크기에 따라 GaN의 밴드갭과 관련된 피크의 세기가 서로 다른 것을 알 수 있다. 이것은 반도체 물질에 중성자 조사시 도핑에 관여하는 열 중성자 이외에도 결정 결함을 유발하는 속 중성자가 동시에 시료에 조사되여 조사된 열 중성자 선속이 증가함에 따라 속중성자 역시 증가되므로 각 시료에 대한 결정 결함 역시 증가되기 때문이다. 따라서 동일한 열처리 조건에서도 재결정화 정도가 서로 다르게 관찰됨을 알 수 있다.

도2는 도1과 동일한 시료에 대해 950℃에서 30분동안 열처리한 시료를 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다. 도2에서 (a)는 4.146×, (b)는 5.29×그리고 (c)는 1.09× 로 각각 열 중성자를 조사한 시료이다.

도2의 (a)에서, 조사된 열 중성자 선속이 4.146×인 경우 3.485eV근처에서 밴드갭 관련 피크인(F-X)이외에도, 3.441eV에서 (-X)피크가, 그리고 3.407eV 근처에서 Ga이 변환 도핑된 Ge 관련 피크가 관찰되고 있다. 그러나 조사된 선속양이 증가함에 따라 피크의 상대 세기와 Ge관련 피크가 작게 나타나는데 이것은 도1에서도 설명한 바와 같이 열중성자와 동시에 조사된 속 중성자의 조사량이 상대적으로 많게 되어 결정의 결함이 증가하였기 때문이다. 따라서, 950℃에서 아직 결정성이 완전히 회복되지 못하였음을 알 수 있다.

도3은 앞에서와 같은 시료에 대해 1000℃에서 30분동안 열처리한 시료에 대해 10K에서 측정한 PL 스펙트럼이다. (a)는 4.146×, (b)는 5.29×그리고 (c)는 1.09× 로 각각 열 중성자를 조사한 시료이다. 도3에서 알 수 있는 바와 같이 도1 및 도2와는 달리 1.09× 로 조사된 시료 역시 밴드갭 관련 피크가 많이 회복되었음을 관찰할 수 있다. 이것은 열처리 온도가 증가함에 따라 속 중성자에 의해 유발된 반도체 물질내의 결정 결함이 대부분 회복되었음을 의미하는 것이다.

다음의 표2는 열 중성자가 4.146×, 5.29×그리고 1.09× 로 각각 조사된 시료를 질소 분위기 하에서 1000℃ 및 1100℃에서 30분간 열처리한 후 상온에서 측정한 홀 효과 결과이다.

열처리온도(℃)	총조사선속()	캐리어농도()	전자이동도(Vㆍ㎠)	비저항(Ωㆍ㎝)
1,000	4.146×	3.0×	65	35
1,000	5.29×	1.24×	386	56
1,100	1.09×	1.35×	232	0.56

표2에서 알 수 있는 바와 같이 캐리어의 농도는 조사된 열 중성자 총 선속의 약 100배의 차이를 나타냄을 알 수 있는데, 이것은 GaN 결정내에서 Ga원자가 약 50％의 원자 비율을 갖는다는 것과 관련된다. 여기서, 약간의 수치상의 오차를 보이는 것은 결정 결함 및 결정성이 완전히 회복되지 않았기 때문이다. 전자 이동도 및 비저항값에 있어서는 결과에 약간의 차이는 있지만, 결정성이 거의 회복되었음을 알 수 있다. 열 중성자 조사 선속이 5.29× 인 시료에서 전자 이동도가가장 큰 386Vㆍ㎠을 나타내고 있으며, 1100℃에서 열처리된 시료인 경우 비저항값이 0.56Ωㆍ㎝로 매우 낮은 값을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

도4는 열 중성자 조사 선속이 4.146× 인 시료에 대해 1000℃에서 30분간 열처리하여 상온에서 SIMS를 측정한 스펙트럼이다. 도4에서 관찰되는 바와 같이 GaN 결정내에서 Ga이 변환된 Ge의 농도가 약 1.1× 임을 알 수 있는데, 이 값은 조사된 총 중성자 선속에 대해 약 1/10이고, 홀 측정 결과에 대해서는 약 10배 정도 큰 수치이다. 이와 같은 결과는 앞에서도 언급한 바와 같이 GaN 결정내에서 Ga 원자가 약 50％의 원자 비율을 갖는다는 것과 관련되는 것이며, 또한 결정 결함 및 결정성이 열처리에 의해 아직 완전히 회복되지 않은 결과이다.

도5는 열 중성자 조사 선속이 5.29× 인 시료에 대해 1000℃에서 30분간 열처리하여 상온에서 SIMS를 측정한 스펙트럼이다. 도5에 나타난 바와 같이 GaN 결정내에서 Ga이 변환된 Ge의 농도가 약 7× 임을 알 수 있는데, 이 값은 도4에서도 설명한 바와 같이 이 시료에 조사된 총 중성자 선속에 비교할 때는 적은 수치이며, 홀 측정 결과에 대해서는 보다 큰 수치이다. 이와 같은 결과는 앞에서도 언급한 바와 같이 GaN 결정내에서 Ga 원자가 약 50％의 원자 비율을 갖는다는 것과 관련된다.

도6은 열 중성자 조사 선속이 1.09× 인 시료에 대해 1100℃에서 30분간 열처리하여 상온에서 세슘 이온을 충돌시켜 SIMS를 측정한 스펙트럼이다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 GaN 결정내에서 Ga이 변환 도핑된 Ge의 농도가 약 4× 임을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 같은 화합물 반도체인 GaAs인 경우 Ga과 As이 모두 같은 도너로 도핑에 관여하는 반면에 GaN에서는 Ga만이 도너로 변환 도핑된 결과이다.

이상에서 설명하는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 중성자 변환 방법을 사용하여 GaN 기판을 Ge으로 도핑하였으며, 이 경우 GaN 기판을 소정 온도(본 발명의 실시예에서는 1000℃) 이상으로 열처리 할 경우 비교적 우수한 도핑 특성을 얻을 수 있었다. 이때, GaN 기판의 불순물(Ge)의 농도는 열중성자의 선속량에 의해 결정된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 비교적 우수한 특성을 가진 GaN 기판이 상용화 될 수 있으며, 이에 따라 이 GaN 기판을 이용한 다양한 소자들이 응용될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 중성자 변환 도핑 방법을 이용하여 GaN 기판을 도핑하고, 소정의 온도로 열처리함으로써 우수한 전기적 특성을 가지는 GaN 기판을 제조할 수 있다.

Claims

GaN 시료에 열중성자를 조사하여 Ga을 Ge로 변환시킴으로써 상기 GaN 시료를 상기 Ge로 도핑시키는 단계를 포함하는 GaN 시료의 도핑 방법.
제1항에 있어서,

상기 Ge로 도핑된 상기 GaN 시료를 소정 온도로 열처리하는 단계를 더 포함하는 GaN 시료의 도핑 방법.
제2항에 있어서,

상기 소정 온도가 1000℃ 이상인 GaN 시료의 도핑 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

도핑된 상기 Ge의 농도는 조사되는 상기 열 중성자의 선속량에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 GaN 시료의 도핑 방법.
GaN 기판에 열중성자를 조사하여 Ga을 Ge로 변환시킴으로써 상기 GaN 기판을 상기 Ge로 도핑시키는 단계; 및

상기 Ge로 도핑된 상기 GaN 기판을 소정 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 GaN 기판의 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 소정 온도가 1000℃ 이상인 GaN 기판의 제조 방법.
Ga 및 Ge를 포함하고,

상기 Ge는 열중성자 조사를 통하여 상기 Ga의 일부가 변환되어 이루어진 도핑된 GaN 기판.
제7항에서,

상기 도핑된 GaN 기판이 1000℃ 이상에서 열처리되는 도핑된 GaN 기판.