KR100374479B1 - 질화물계 반도체 성장 방법 - Google Patents

Abstract

청색 파장 대역의 질화물계 반도체 성장 방법에 관한 것으로서, 기판 위에 질화물계 버퍼층을 대기압보다 낮은 압력에서 성장시키고, 압력을 대기압으로 올린 후, 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리고, 버퍼층의 그레인이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간이 경과 후 기압을 다시 낮춘 다음, 고온의 질화물 반도체층을 성장시킨다. 여기서, 버퍼층의 성장 온도는 400∼1000℃이고, 버퍼층의 두께는 10∼100nm으로 하며, 질화물계 반도체 성장시, 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리는 램프 시간은 15∼25분으로 한다. 이와 같이 제작되는 본 발명은 그레인(grain) 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있고, 이 버퍼층 위에 성장되는 질화물의 결정학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

질화물계 반도체 성장 방법{method for growing nitride semiconductor}

본 발명은 화합물 반도체에 관한 것으로, 청색 파장 대역의 질화물계 반도체 성장 방법에 관한 것이다.

최근 질화물계(AlN, GaN, InN, BN, 이들의 혼합물) 화합물 반도체를 이용한 LD와 LED의 개발이 널리 보급되어 있으며, 이들 물질의 성장을 위한 여러 가지 방법들이 발표되고 있다.

다른 화합물 반도체, 예를 들면 GaAs/AlGaAs 와 같은 물질을 이용한 소자들의 특성은 성장된 물질의 결정성이 얼마만큼 좋은가에 달려있다.

이러한 질화물 막의 성장에는 MBE(Molecular beam epitaxy), MOCVD(Metalorganic chemical vapor epitaxy) 등의 여러 가지 방법이 있으나, 아직까지 사업용 소자는 MOCVD를 사용한 결정 성장법에 의하여 만들어지고 있다.

질화물계 반도체 막의 성장에는 기존의 다른 Ⅲ/Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Si과 달리 같은 종류의 기판(wafer)이 존재하지 않기 때문에 일반적으로 사파이어, SiC, Si, GaAs 등과 같은 이종 기판 위에 성장하게 된다.

일반적으로 이종 기판 위에 성장된 결정질 막의 특성은 동종 기판 위에 성장된 막보다 특성이 좋지 않기 때문에 이종 기판 위에 성장된 질화물의 결정질 막 특성을 개선시키기 위하여 기판 위에 버퍼층을 먼저 성장하게 된다.

이러한 버퍼층으로는 AlN, GaN, AlInN, GaInN 등이 많이 쓰인다.

버퍼층의 성장 온도는 약 400∼1000℃가 사용되며, 약 10∼100nm의 두께가 사용된다.

최적화된 성장 온도와 두께가 선택되어졌을 때만 결정학적, 전기적 특성이 좋은 질화물을 얻을 수 있게 된다.

일반적으로 MOCVD를 사용한 기존의 질화물 막은 대기압(약 760torr) 또는 대기압 이하(약 760torr 이하)의 일정한 기압에서 성장하게 되는데, 균일한 버퍼층을 얻는데는 대기압 성장 조건이 유리하다.

반면에 성장 속도(또는 유기 금속 원료나 암모니아의 사용 효율)와 불순물의 최소화를 위해서는 가능한 낮은 기압이 선호된다.

그동안 발표된 질화물 반도체의 성장은 하나의 일정한 기압에서 행하여졌기 때문에 상기의 상충된 조건을 만족시키기가 어려웠다.

성장된 질화물막의 백그라운드 도핑(background doping)은 아직 그 원인이 확실히 규명되지 않았지만, 모두 n형이며, 막의 특성이 좋지 않을수록 백그라운드 레벨(background level)은 높아지게 된다.

이것은 일부 결정질 내의 결함이나 불순물과 관련이 있으며, 결과적으로 소자의 전기적, 광학적 특성을 나쁘게 하는 주요 원인이 된다.

즉, 소자에서 주입된 전자(electron)나 정공(hole)이 효율적으로 사용되지 못하고, 이러한 결함이나 불순물에 붙잡혀 소비된다.

또한, p형 질화물 막을 얻기 위하여 n형을 보상해야 하기 때문에 더 많은 p형 도펀트(dopant)를 사용해야 하며, 이러한 과정에서 불순물이나 결함이 더욱 발생되어 전기적, 광학적 성질을 악화시킨다.

따라서, 최종 소자의 전기적, 광학적 성질을 결정하는 질화물 막의 결정학적 특성은 가장 중요한 문제이며, 이것은 질화물 막 성장 이전의 버퍼층의 성장 조건에 크게 좌우된다고 볼 수 있다.

본 발명의 목적은 좋은 결정 성장성을 갖는 질화물계 반도체 성장 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질화물 막 성장시 온도의 변화를 보여주는 그래프

도 2는 본 발명의 버퍼층 성장후, 압력에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프

도 3은 본 발명의 버퍼층 성장후, 고온의 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프

도 4는 본 발명의 버퍼층 성장후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 엑스-레이(X-ray) 반치폭 값의 변화량을 보여주는 그래프

본 발명에 따른 질화물계 반도체 성장 방법은 기판 위에 질화물계 버퍼층을 대기압보다 낮은 압력에서 성장시키는 제1 단계; 상기 압력을 대기압으로 올린 후, 이후 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리고, 상기 질화물계 버퍼층의 그레인(grain)이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간을 경과하는 제2 단계; 다시 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 낮추고, 상기 질화물계 버퍼층 위에 질화물계 반도체층을 성장시키는 제3 단계로 이루어진다.

상기 제1 단계의 버퍼층의 성장 온도는 400∼1000℃이고, 상기 제1 단계의 버퍼층의 두께는 10∼100nm이다.

그리고, 상기 제3 단계의 질화물계 반도체 성장시, 상기 제2 단계에서의 상기 질화물계 반도체의 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리는 램프 시간은 15∼25분이다.

이와 같이 제작되는 본 발명은 그레인(grain) 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있고, 이 버퍼층 위에 성장되는 질화물의 결정학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 질화물 막의 결정학적, 전기적 특성을 개선하기 위하여 일정한 압력에서 버퍼층을 성장시키는 기존의 성장 방법과는 달리 최적의 버퍼층을 얻을 수 있도록 버퍼층 성장 후, 압력의 변화와 온도 조절을 하게 된다.

이렇게 제작된 질화물 막은 개선된 결정학적 특성을 갖게 되며, 결함이나 불순물의 농도도 작게 되어 최종 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시키는데 기여하게 된다.

즉, 결정학적 결함이 줄어들게 되어 n형이나 p형 도핑(doping)시, 도펀트(dopant)들의 효율적인 사용으로 원하는 도핑을 얻을 수 있게 된다.

또한, 버퍼층과 그 후에 성장하게 되는 질화물층은 대기압 이하에서 진행되기 때문에 높은 성장률, 즉 효율적인 유기 금속 원료(MO source)와 NH₃의 사용을 얻게 된다.

본 발명의 제작과정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이종 기판 위에 후에 성장될 질화물 막과의 완충 역할을 위한 버퍼층을 대기압 이하의 압력에서 성장시킨다.

여기서, 질화물 막이 성장될 기판으로는 이종 기판, 즉 사파이어, SiC, Si, GaAs 등이 사용된다.

그리고, 버퍼층은 Al_1-x-yGa_xIn_yN(0≤x, y≤1)가 사용되고, 버퍼층의 성장 온도는 약 400∼1000℃로 하며, 버퍼층의 두께는 약 10∼100nm의 두께로 한다.

버퍼층을 상기의 온도로 성장시키는 이유는 약 400℃ 이하의 온도에서는 유기 금속 원료와 N의 공급이 부족하여 버퍼층의 성장이 어렵고, 약 1000℃ 이상의 온도에서는 균일한 두께의 버퍼층을 얻기 어렵기 때문이다.

그리고, 버퍼층을 상기 의 두께로 성장시키는 이유는 버퍼층의 두께가 약 10nm 이하이면 기판의 전 표면을 균일하게 덮기가 어려우며, 버퍼층의 두께가 약 100nm 이상이면 GaN의 결정성에 나쁜 영향을 주게 되므로, 약 10∼100nm의 두께를사용하였을 때, 가장 좋은 특성의 GaN 막을 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 버퍼층을 성장시키고 난 후, 반응기의 압력을 대기압까지 올린다.

이렇게 하면 종래보다 더 균일하고, 거칠기(roughness)가 작으며 그레인(grain) 크기가 큰 버퍼층을 얻게 된다.

이어, 질화물 결정 성장을 위한 온도까지 온도를 올리고, 버퍼층의 그레인이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간이 경과 후 기압을 다시 낮춘 다음, 버퍼층 위에 질화물계 반도체 막을 성장시킨다.

이렇게 제작된 질화물 막은 개선된 결정학적 특성을 갖게 되며, 결함이나 불순물의 농도도 작게 되어 최종 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시키는데 기여하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 질화물 막 성장시 온도의 변화를 보여주는 그래프로서, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 기판을 고온에서 열처리한 후, 저온에서 버퍼층을 성장시키고, 다시 고온으로 올려 질화물 막을 성장시킨다.

도 2는 본 발명의 버퍼층 성장시 압력에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 버퍼층의 성장 후, 반응기의 압력이 증가할수록 그레인 수가 줄어들면서 그레인 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있다.

따라서, 저압에서 성장된 버퍼층을 대기압 수준으로 압력을 올리면 버퍼층 그레인의 크기가 커짐에 따라서 그레인 바운더리(grain boundary)에서 발생될 수 있는 결함을 최소화하여 결정 성장성이 좋은 질화물 막을 얻을 수 있게 된다.

또한, 질화물 막의 특성은 버퍼층을 성장한 후, 질화물 막의 성장 온도까지 온도를 올리는 램프(ramp) 시간에 따라서 크게 영향을 받는다.

도 3은 본 발명의 버퍼층 성장시 램프 시간에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 램프 시간이 길어질수록 그레인 수가 줄어드는 것을 알 수 있다.

램프 시간이 약 20분일 때, 약 400nm 이상인 버퍼층의 그레인이 가장 많이 형성되고, 램프 시간이 약 30분일 때, 버퍼층의 그레인 수가 가장 적게 나타난다.

램프 시간이 약 20분인 경우에는 약 400nm 이상인 버퍼층의 그레인 수가 많아져 질화물 막의 결정성이 좋아지지만, 램프 시간이 약 30분인 경우에는 버퍼층에서 약 400nm 이상의 그레인 수가 적어 질화물 막의 결정성이 좋지 않았다.

본 발명에서는 램프 시간을 약 20분으로 하였지만, 반응기의 특성 및 조건에 따라 약 15∼25분에서도 상기의 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 버퍼층 성장후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 엑스-레이(X-ray) 반치폭 값의 변화량을 보여주는 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 저기압(약 760 torr 이하)에서 버퍼층을 성장한 후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따라서 엑스-레이의 반치폭 값이 변화하게 된다.

즉, 램프 시간이 약 120초에서 약 1200초로 길어짐에 따라 (002)와 (102) 방향의 반치폭 값이 모두 비례해서 줄어드는 것을 볼 수 있다.

반면에 압력 램프(pressure ramp)를 하지 않는 경우는 압력 램프를 하는 경우와 비교해 볼 때, (002)와 (102) 방향에서 모두 훨씬 높은 엑스-레이 반치폭 값을 갖는 것을 알 수 있다.

이것은 압력 램프가 일어나는 동안에 버퍼층의 그레인 크기가 최대화되었다는 것을 의미한다.

이 결과는 도 3의 그래프에서 보여지는 것처럼, GaN 결정 성장 온도까지 올라가는 램프 시간이 약 20분일 때, 약 400nm 이상의 그레인 수가 가장 많아진다는 결과와 일치함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 질화물계 반도체 성장 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 MOCVD를 이용한 기존의 질화물계 결정 성장 방법이 일정한 압력에서 행해지는 것과는 달리, 저기압에서 버퍼층을 성장한 후, GaN 결정 성장 온도로 올라가기 전에 압력을 대기압으로 올린 다음에, 온도를 올리고, 다시 원하는 압력으로 반응기 압력을 조절함으로써, 그레인 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있고, 그 후에 성장되는 질화물의 결정학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 백그라운드 도핑 레벨(background doping level)을 낮춤으로서, 효과적인 n형 도핑 및 p형 도핑을 얻을 수 있고, 저기압에서 질화물 결정 성장을 하므로 효율적으로 유기 금속 원료를 사용할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 기판 위에 질화물계 버퍼층을 대기압보다 낮은 압력에서 성장시키는 제1 단계;

   상기 압력을 대기압으로 올린 후, 이후 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리고, 상기 질화물계 버퍼층의 그레인(grain)이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간을 경과하는 제2 단계;

   다시 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 낮추고, 상기 질화물계 버퍼층 위에 질화물계 반도체층을 성장시키는 제3 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 성장 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 단계의 버퍼층의 성장 온도는 400∼1000℃인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 성장 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 단계의 버퍼층의 두께는 10∼100nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 성장 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제3 단계의 질화물계 반도체 성장시, 상기 제2 단계에서의 상기 질화물계 반도체의 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리는 램프 시간은 15∼25분인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 성장 방법.