KR100450785B1

KR100450785B1 - 질화갈륨후막제조방법

Info

Publication number: KR100450785B1
Application number: KR1019970072583A
Authority: KR
Inventors: 박성수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2004-11-16
Also published as: KR19990053015A

Abstract

본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법은 기판 위에 저온 버퍼층을 형성하는 단계; 800℃<T≤1050℃의 온도 범위에서 상기 저온 버퍼층 위에 고온 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 고온 버퍼층 위에 다시 저온 버퍼층 및 고온 버퍼층을 교번으로 복수회 반복하여 적층 형성하는 단계; 및 상기 적층 형성된 최종 버퍼층 위에 GaN 후막을 형성하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기판 위에 저온 및 고온 버퍼층을 교번으로 반복하여 적층 형성하므로, 종래의 단일 버퍼층을 형성하는 방식에 비해 결함밀도가 낮고 크랙이 없는 GaN 막을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 기판이 제거된 프리 스탠딩 GaN 후막 기판을 얻을 수 있고, 그 기판 상에 소자를 제조할 경우 GaN 기판과 GaN 박막 사이에 격자상수나 열팽창계수의 차가 존재하지 않아 스트레인이나 크랙이 없는 고품질의 박막을 얻을 수 있다.

Description

질화갈륨 후막 제조방법{Method of manufacturing GaN thick film}

본 발명은 GaN(Gallium Nitride) 후막(thick film) 제조방법에 관한 것으로서, 특히 스트레인(strain)과 크랙(crack)이 없는 GaN 후막 제조방법에 관한 것이다.

GaN은 밴드 갭(band gap) 에너지가 3.39eV의 직접 천이형인 광폭 밴드 갭 반도체로서, 단파장 영역의 발광 소자의 제조에 유용한 물질이다. 이와 같은 GaN은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 일반적인 액상의 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 약 15000 기압 이상의 질소 압력이 필요하며, 이에 따라 대량 생산이 어렵다. 뿐만 아니라 현재 사용가능한 결정의 크기도 80㎟ 정도의 박판형이므로, 이를 소자 제작에 사용하기 어려운 점이 있다. 따라서, GaN을 이용한 소자는 이종 기판 상에 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy), SVPE(sublimitation vapor phase epitaxy)와 같은 기상 성장법에 의해 박막을 성장하였다. 이때, 이종 기판으로는 SiC나 사파이어(sapphire) 단결정이 이용되어 왔다. SiC는 고온에서 안정하며, GaN과 같은 육방정계의 구조를 갖는다. 또한, GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차가 사파이어보다 작고, 열전도도 및 전기 전도도가 우수한 장점이 있다. 그러나, 가격이 사파이어보다 비싸고, SiC 기판 내의 마이크로파이프(micropipe)가 GaN 박막으로 전파되어 GaN 소자의 특성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 사파이어는 SiC와 마찬가지로 고온에서 안정하고 육방정계 구조를 가지며, 가격이 저렴하여 GaN 박막 제조에 널리 사용되고 있다. 그러나, 사파이어는 GaN과의 격자상수차(약 16%) 및 열팽창계수차(약 35%)가 비교적 크기 때문에 GaN과의 계면에 스트레인을 유발시키고, 그로 인해 결정내 격자 결함을 발생시켜 고품질의 GaN 박막 성장을 어렵게 한다.뿐만 아니라, 그와 같은 GaN 박막을 사용하여 제조한 소자의 수명을 단축시키고, 소자의 제조 수율을 떨어뜨리는 문제점을 안고 있다. 특히, GaN 박막의 두께가 약 15㎛ 이상의 경우 상기 스트레인 때문에 크랙이 존재하게 된다. 그리고, 사파이어 기판상에 제조된 GaN 발광 소자의 경우 공진기 제작 및 소자 절단 등의 문제점도 가지고 있다.

한편, MOCVD, MBE, HVPE, SVPE 등을 이용하여 박막 또는 후막 GaN을 성장시킴에 있어서, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 GaN 막의 스트레인을 줄이기 위해 사파이어 기판(11) 위에 저온 성장 GaN, AlGaN, ZnO 등의 단일 버퍼층(12)을 형성하였다. 이때, 이들 버퍼층 상에 성장된 GaN 막(13)에 생성된 스트레인으로 인하여 두께가 약 15㎛ 이상의 GaN 후막 성장 시, 막상에 크랙이 존재하게 된다. 따라서, 그 이상의 두께로 성장하는데 제한을 갖게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서, 스트레인과 크랙이 없는 GaN 후막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 방법에 따라 단일 버퍼층 위에 GaN 후막을 형성된 상태를 나타내 보인 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법에 따라 기판 위에 저온 버퍼층이 형성된 상태를 나타내 보인 단면도.

도 3은 도 2의 구조체 위에 고온 버퍼층이 형성된 상태를 나타내 보인 단면도.

도 4는 도 3의 구조체 위에 저온 및 고온 버퍼층이 교번으로 반복하여 적층 형성된 상태를 나타내 보인 단면도.

도 5는 도 4의 구조체 위에 GaN 후막이 형성된 상태를 나타내 보인 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11,21...(사파이어) 기판 12,22...저온 GaN(또는 AlGaN) 버퍼층

13,24...GaN 후막 23...고온 GaN 버퍼층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법은, 기판 위에 저온 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 저온 버퍼층 위에 고온 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 고온 버퍼층 위에 다시 저온 버퍼층 및 고온 버퍼층을 교번으로 홀수회 반복하여 적층 형성하는 단계; 및 상기 적층 형성된 최종 버퍼층 위에 GaN 후막을 형성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기판 위에 저온 및 고온 버퍼층을 교번으로 반복하여 적층 형성하므로, 종래의 단일 버퍼층을 형성하는 방식에 비해 결함밀도가 낮고 크랙이 없는 GaN 막을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 기판이 제거된 프리 스탠딩(free standing) GaN 후막 기판을 얻을 수 있고, 그 기판 상에 소자를 제조할 경우 GaN 기판과 GaN 박막 사이에 격자상수나 열팽창계수의 차가 존재하지 않아 스트레인이나 크랙이 없는 고품질의 박막을 얻을 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법에 따른 각 공정을 단계별로 나타내 보인 것으로서, 도 2는 기판 위에 저온 버퍼층이 형성된 상태를 나타내 보인 단면도, 도 3은 도 2의 구조체 위에 고온 버퍼층이 형성된 상태를 나타내 보인 단면도, 도 4는 도 3의 구조체 위에 저온 및 고온 버퍼층이 교번으로 반복하여 적층 형성된 상태를 나타내 보인 단면도, 도 5는 도 4의 구조체 위에 GaN 후막을 형성한 상태를 나타내 보인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법에 따라 먼저 기판(21) 위에 저온 버퍼층(22)을 형성하게 된다. 이때, 기판(21)으로는 두께가 약 300㎛인 사파이어 기판이 사용되며, 저온 버퍼층(22)은 MOCVD에 의해 약 500∼600℃에서 TMG(trimethylgallium), TMA(trimethylaluminium), NH3(암모니아) 가스를 반응시켜 GaN 혹은 AlGaN 층을 약 500Å의 두께로 성장시킴으써 형성된다.

상기 저온 버퍼층(22)의 형성이 완료되면, 도 3에 도시된 바와 같이 저온 버퍼층(22) 위에 고온 버퍼층(23)을 형성한다. 이 고온 버퍼층(23)은 저온 버퍼층(22)보다 높은 온도 범위, 곧 600℃<T≤1050℃, 예를 들면 1050℃에서 TMG와 NH3 가스를 반응시켜 GaN을 약 500Å의 두께로 성장시킴으로써 형성된다.

이와 같이 해서 고온 버퍼층(23)이 형성되면, 도 4와 같이 다시 저온 버퍼층(22)과 고온 버퍼층(23)을 교번으로 홀수회 반복하여 적층 형성한다. 이때, 물론 각 층의 두께 및 성장 조건은 위에서와 동일하다. 이렇게 하여 저온 및 고온 버퍼층(22)(23)의 교번 적층 구조가 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 최종 버퍼층(22) 위에 GaN 후막(24)을 형성한다. 여기서, 이 GaN 후막(24)은 HVPE에 의해 1050℃, 1기압하에서 HCl과 NH3를 반응 가스로, N2 또는 Ar을 캐리어(carrier) 가스로 사용하여 성장시킴으로써 형성된다. 이에 대해 더 상세히 설명해 보기로 한다.

상기 GaN 후막(24) 형성과 관련하여 반응기에서 이루어지는 화학 반응을 살표보면 다음과 같다.

Ga(l) + HCl → GaCl + 1/2H2

GaCl + NH3 → GaN + HCl + 2H2

상기 화학식 1에서의 GaN 증기가 상기 저온 및 고온 버퍼층(22)(23)의 교번 적층으로 이루어진 버퍼층에 증착되는 것이다. 이때, 저결함의 GaN 후막 단결정을 얻기 위해 GaN 막의 성장속도는 약 50㎛/h 이하로 조절된다. 이렇게 하여 GaN 막이 두께 100㎛ 이상이 되면, 기계적 방법에 의해 상기 사파이어 기판(21)을 제거한다. 그에 따라 프리 스탠딩 GaN 후막 기판이 얻어지며, 그 프리 스탠딩 GaN 기판 상에 소자를 제조할 경우, 기판과 GaN 박막 사이에 격자상수나 열팽창계수의 차가 존재하지 않아 고품질의 박막을 얻을 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 GaN 후막 제조방법은 기판 위에 저온 및 고온 버퍼층을 교번으로 반복하여 적층 형성하므로, 종래의 단일 버퍼층을 형성하는 방식에 비해 결함밀도가 낮고 크랙이 없는 GaN 막을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 기판이 제거된 프리 스탠딩 GaN 후막 기판을 얻을 수 있고, 그 기판 상에 소자를 제조할 경우 GaN 기판과 GaN 박막 사이에 격자상수나 열팽창계수의 차가 존재하지 않아 스트레인이나 크랙이 없는 고품질의 박막을 얻을 수 있다. 아울러 벽계면을 이용한 공진기 제작에 의해 공정을 단순화시킬 수 있고, 수율을 한층향상시킬 수 있다.

Claims

기판 위에 저온 버퍼층을 형성하는 단계;

800℃<T≤1050℃의 온도 범위에서 상기 저온 버퍼층 위에 고온 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 고온 버퍼층 위에 다시 저온 버퍼층 및 고온 버퍼층을 교번으로 홀수회 반복하여 적층 형성하는 단계; 및

상기 적층 형성된 최종 버퍼층 위에 GaN 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 저온 버퍼층은 MOCVD에 의해 약 500∼600℃에서 TMG, NH3 가스를 반응시켜 얻어지는 GaN을 성장시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.
제 2항에 있어서,

상기 저온 버퍼층은 약 500Å의 두께로 성장되는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 저온 버퍼층은 MOCVD에 의해 약 500∼600℃에서 TMG, TMA, NH3 가스를 반응시켜 얻어지는 AlGaN을 성장시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.
제 4항에 있어서,

상기 저온 버퍼층은 약 500Å의 두께로 성장되는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 GaN 후막은 HVPE에 의해 1050℃, 1기압하에서 HCl과 NH3를 반응 가스로, N2나 Ar중 어느 하나를 캐리어 가스로 사용하여 성장되는 것을 특징으로 하는GaN 후막 제조방법.
제 6항에 있어서,

상기 GaN 후막은 약 50㎛/h 이하의 성장속도로 성장되는 것을 특징으로 하는 GaN 후막 제조방법.