KR100455277B1 - Method for growing GaN crystalline using lateral epitaxy growth - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법은, 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO2패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO2패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN 박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 ELO 제조 공정을 단순하게 변형함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시키면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄인다.The present invention describes a GaN single crystal growth method using a modified selective growth process. In the GaN crystal growth method using the modified selective growth method according to the present invention, a SiO 2 film having a thickness of 100 to 1000 nm is directly deposited on a sapphire substrate using a thin film deposition apparatus, and a SiO 2 pattern is formed by photolithography, followed by MOCVD. By inserting a sapphire substrate with a SiO 2 pattern in it, growing a low-temperature GaN thin film at 400 to 800 ° C. at 20 to 40 nm, and heat-treating it at a crystal growth temperature to selectively grow a GaN single crystal. In addition, the process time for growing GaN single crystals is greatly reduced while growing GaN single crystals having the same quality as the conventional ELO method.
Description
본 발명은 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a GaN single crystal growth method using a modified selective growth process.
단결정 성장 방법에는 기상, 액상, 고상, 용융법 등 다양한 방법이 있다. 단결정 성장은 단결정 고유의 특성에 따라 결정 성장 방법이 결정되며 대형화, 결정 품질, 대량생산, 용도 등의 요소에 따라 결정 성장 가능한 여러 방법 중에서 가장 이상적인 결정 성장 방법이 선택된다.The single crystal growth method includes various methods such as gas phase, liquid phase, solid phase, and melting method. Single crystal growth is determined by the characteristics of the single crystal, the crystal growth method is determined, and the most ideal crystal growth method is selected from among the many methods available for crystal growth depending on factors such as enlargement, crystal quality, mass production, use.
GaN은 밴드갭(bandgap) 에너지가 3.39eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체이므로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. GaN는 고온에서 질소 증기압이 높기 때문에 액상 결정 성장으로는 1500℃ 이상의 고온과 약 15,000기압 이상의 질소 압력이 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 80㎟ 정도의 박판형이므로, 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다. 따라서, 현재 GaN 단결정 성장은 이종 기판 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Deposition), HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy), SVPE(Sublimation Vapor Phase Epitaxy)와 같은 기상 성장법에 의해 이루어지고 있다.Since GaN has a bandgap energy of 3.39 eV and a direct transition wide bandgap semiconductor, GaN is a useful material for manufacturing a light emitting device in a short wavelength region. Since GaN has high nitrogen vapor pressure at high temperature, liquid crystal growth requires high temperature of 1500 ℃ or higher and nitrogen pressure of about 15,000 atmosphere, which makes it difficult to mass-produce. Difficult to use Therefore, GaN single crystal growth is currently grown on heterogeneous substrates by vapor phase growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam deposition (MBE), hybrid or halogen vapor phase epitaxy (HVPE), and sublimation vapor phase epitaxy (SVPE). It is done.
이종 기판으로는 SiC나 사파이어 단결정이 주로 이용되어 왔다. SiC는 고온에서 안정하며, GaN과 같은 육방정계의 구조를 갖는다. 또한 GaN과의 격자 상수 및 열팽창계수 차가 사파이어 보다 작고, 열전도도 및 전기 전도도가 우수하여 GaN 박막의 성장 및 GaN 박막을 사용한 소자 제조에 사파이어 보다 더 많은 장점을 갖고 있다. 그러나 가격이 사파이어 보다 수십배 비싸며, SiC 기판 내의 마이크로파이프(micropipe)가 GaN 박막으로 전파되어 GaN 소자의 특성이 저하되는 단점을 갖고 있어 현재에는 사파이어 기판을 가장 많이 사용한다.SiC and sapphire single crystals have been mainly used as heterogeneous substrates. SiC is stable at high temperatures and has a hexagonal structure such as GaN. In addition, the difference in lattice constant and coefficient of thermal expansion with GaN is smaller than that of sapphire, and thermal conductivity and electrical conductivity are excellent, which has advantages over growth of GaN thin film and device fabrication using GaN thin film. However, the price is tens of times higher than that of sapphire, and since the micropipes in the SiC substrate are propagated to the GaN thin film, the characteristics of the GaN device are deteriorated.
이러한 사파이어 기판 위에 양질의 GaN 단결정 후막을 성장시키는 방법으로는 선택 성장(Epitaxial Lateral Overgrowth; ELO)법이 있다. 이 방법은 사파이어 기판과 GaN 결정 사이에 존재하는 격자상수 차이 및 열팽창계수 차이에 의한 스트레스 발생을 스트라이프 형태의 SiO2마스크를 사용하여 감소시키는 방법으로 상당히 양호한 품질의 결정을 얻을 수 있으나 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다. ELO법으로 성장된 GaN 기판은 품질이 우수하므로 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의한 청색 LD, 자외선 LD, 고온/고출력 소자, HEMT, HBT 등의 고속소자 등의 제조에 이용할 수 있다.An epitaxial lateral overgrowth (ELO) method is a method of growing a high quality GaN single crystal thick film on such a sapphire substrate. This method reduces stress generation due to the lattice constant difference and thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate and the GaN crystal by using a SiO 2 mask in the form of stripe. It has GaN substrates grown by ELO method are excellent in quality and can be used for the production of high speed devices such as blue LD, ultraviolet LD, high temperature / high power devices, HEMT, HBT by homoepitaxy.
도 1a 내지 도 1f는 종래의 선택 성장법에 의한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면이다.1A to 1F are diagrams showing step-by-step steps of a GaN crystal growth method according to a conventional selective growth method.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 사파이어나 SiC 기판(1) 상에 MOCVD로 저온 GaN 또는 AlN 버퍼(buffer)층(2)를 20 ~ 40nm의 두께로 성장시킨다.First, as shown in FIG. 1A, a low temperature GaN or AlN buffer layer 2 is grown to a thickness of 20 to 40 nm by MOCVD on sapphire or SiC substrate 1.
다음에, 도 1b에 도시된 바와 같이, 버퍼층(2) 위에 다시 GaN층(3)을 약 1㎛의 두께로 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 1B, the GaN layer 3 is grown to a thickness of about 1 μm again on the buffer layer 2.
다음에, 도 1c에 도시된 바와 같이, GaN층(3) 위에 E-BEAM 증착장치, 스퍼터( SPUTTER) 등과 같은 다른 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2박막(4)을 증착시키고 사진식각법으로 SiO2패턴(4)을 형성한다. SiO2패턴(4)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 스트라이프 상으로 형성된다. GaN층(3) 위에 형성된 SiO2패턴(4)은 SiO2스트라이프의 폭과 SiO2스트라이프 간의 간격이 약 1 ~ 수십 ㎛정도이며 길이는 수백 ~ 수천㎛ 정도이다.Next, as illustrated in FIG. 1C, another SiO 2 thin film 4 having a thickness of 100 to 1000 nm is deposited on the GaN layer 3 using another thin film deposition apparatus such as an E-BEAM deposition apparatus or a sputter. SiO 2 pattern 4 is formed by photolithography. The SiO 2 pattern 4 is formed in a stripe shape, as shown in FIG. GaN layer (3) formed on the SiO 2 pattern (4) is a distance between the width and the SiO 2 stripes of the SiO 2 stripe about one to several tens ㎛ and has a length of hundreds to a few thousand ㎛.
다음에, 도 1d에 도시된 바와 같이, SiO2패턴(4)이 형성된 GaN층(3) 위에 GaN을 단결정을 성장시키면 초기에는 SiO2스트라이프의 사이에서만 GaN 단결정(5') 성장이 진행되고 SiO2패턴(4) 위에는 GaN 단결정이 성장되지 않는 선택성장이 이루어진다. SiO2스트라이프의 사이에서 성장된 단결정의 전위밀도는 이종기판의 영향을 받으므로 약 109개/㎠ ~ 1010개/㎠로 많은 결함을 지니고 있다.Next, as shown in FIG. 1D, when GaN is grown on the GaN layer 3 on which the SiO 2 pattern 4 is formed, GaN single crystal 5 'is grown initially only between SiO 2 stripes, and SiO On the two patterns 4, selective growth is performed in which the GaN single crystal is not grown. Since the dislocation density of the single crystal grown between the SiO 2 stripes is affected by the heterogeneous substrate, it has many defects of about 10 9 pieces / cm 2 to 10 10 pieces / cm 2.
다음에, 도 1e에 도시된 바와 같이, SiO2스트라이프의 사이에서 성장된 결정이 수평방향으로 성장되도록 성장조건을 맞추어 주면 GaN 단결정(5")이 측면으로 성장되어 SiO2스트라이프 위의 중간부분에서 서로 만나게 된다. SiO2스트라이프 위에 성장된 GaN 단결정(5")은 SiO2와 거의 반응을 하지 않으므로 스트레스가 없는 상태로 결정성장이 이루어져 결함밀도가 104개/㎠ 정도로 극히 적은 결함을 지닌 양질의 단결정이 성장된다. 다만, SiO2스트라이프 위의 중간부분에서 만난 부분의 결정에는 갭 또는 크랙(6)이 존재하게 된다.Next, as shown in FIG. 1E, if the growth conditions are adjusted so that the crystals grown between the SiO 2 stripes are grown in the horizontal direction, the GaN single crystals (5 ″) are grown laterally to form an intermediate portion on the SiO 2 stripes. GaN single crystal (5 ") grown on SiO 2 stripe hardly reacts with SiO 2 , so crystal growth is stress-free and defect density is 10 4 / cm 2 Single crystals grow. However, gaps or cracks 6 exist in the crystals of the portion encountered in the middle portion on the SiO 2 stripe.
다음에, 도 1f에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 상태에서 단결정 성장을 진행시키면 수직방향으로 결정성장이 진행되어 두꺼운 결정이 이루어지고 결정의 두께가 수㎛~ 수백㎛이상이 되면 갭 또는 크랙이 소멸되고 전위(dislocation)들은 서로 루프(loop)를 형성하여 수직방향으로 전위가 전파되지 않아 두께가 커질수록 전위밀도가 감소하게 되어 결정의 질이 향상된다.Next, as shown in FIG. 1F, when single crystal growth proceeds in the above state, crystal growth proceeds in the vertical direction to form a thick crystal, and when the thickness of the crystal becomes several μm to several hundred μm or more, a gap or crack is formed. The dislocations are dissipated and the dislocations form a loop with each other, so that dislocations do not propagate in the vertical direction, so that the dislocation density decreases as the thickness increases, thereby improving the crystal quality.
이와같이 기존의 ELO방법은 저온의 GaN 버퍼와 1㎛ 두께의 GaN층을 MOCVD로 성장시키는 단계와 기판을 꺼내서 일반적인 SiO2증착장비로 SiO2박막을 형성시키고 사진식각법에 의하여 SiO2패턴을 형성시키는 단계 및 마지막으로 이를 다시 MOCVD 장치의 반응기(reactor)에 장입하여 GaN층을 성장시키는 단계로 구성되어 결정 성장 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다.As such, the conventional ELO method grows a low temperature GaN buffer and a 1 μm thick GaN layer by MOCVD, removes a substrate, forms a SiO 2 thin film using a conventional SiO 2 deposition apparatus, and forms a SiO 2 pattern by photolithography. Step and finally, it is charged back into the reactor of the MOCVD apparatus to grow a GaN layer has a complex disadvantage of crystal growth process.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 기존의 ELO법이 갖고 있는 우수한 특징을 유지시키면서 공정의 복잡성을 크게 간소화하고 제조시간을 절감하는 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and while maintaining the excellent characteristics of the existing ELO method, GaN single crystal growth method using a modified selective growth process that greatly simplifies the complexity of the process and reduces the manufacturing time The purpose is to provide.
도 1a 내지 도 1f는 종래의 선택 성장법에 의한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면,1A to 1F illustrate a GaN crystal growth method according to a conventional selective growth method step by step;
도 2는 도 1c의 사파이어 기판 위에 형성된 SiO2패턴의 형태를 입체적으로 보여주는 도면,2 is a view showing three-dimensionally the shape of the SiO 2 pattern formed on the sapphire substrate of Figure 1c,
그리고 도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법(Epitaxial Lateral Overgrowth)을 이용한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면들이다.3A to 3F are diagrams showing the GaN crystal growth method using the modified selective growth method (Epitaxial Lateral Overgrowth) according to the process step by step.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1. 사파이어 기판 2. GaN 저온 버퍼층1. Sapphire substrate 2. GaN low temperature buffer layer
3. GaN 박막층 4. SiO2패턴3. GaN thin film layer 4. SiO 2 pattern
5. GaN 단결정층 6. 크랙5. GaN single crystal layer 6. Crack
11. 사파이어 기판 12. SiO2패턴11.Sapphire Substrate 12.SiO 2 Pattern
13a. GaN 저온 버퍼층 13b. GaN 고온 열처리 단결정13a. GaN low temperature buffer layer 13b. GaN high temperature heat treatment single crystal
13c. GaN 단결정층 13d. GaN 박막 단결정층13c. GaN single crystal layer 13d. GaN thin film single crystal layer
13. GaN 단결정층 14. 크랙13. GaN single crystal layer 14. Crack
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN단결정 성장 방법은, (가) 반도체 이종 기판 상에 SiO2패턴을 직접 형성하는 단계; (나) 상기 SiO2패턴이 형성된 상기 반도체 이종 기판을 MOCVD 반응기에 장입하여 소정의 제1온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계; (다) 상기 반응기의 온도를 GaN 단결정 성장온도영역인 소정의 제2온도 영역으로 상승시켜 열처리하여 SiO2스트라이프 위에 형성된 GaN 버퍼층이 SiO2패턴 사이의 영역으로 이동하여 SiO2스트라이프 사이의 노출된 사파이어 기판면에만 GaN 단결정이 형성되도록 하는 단계; (라) 상기 SiO2패턴 사이의 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키되, 이 선택 성장된 GaN 단결정이 상기 SiO2패턴 위에서 측방으로 성장되도록 연속적으로 성장시켜 상기 SiO2패턴 상면에서 서로 붙게하는 단계; 및 (마) 상기 GaN 단결정층을 두껍게 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.GaN single crystal growth method using a modified selective growth process in order to achieve the above object, (A) directly forming a SiO 2 pattern on a hetero semiconductor substrate; (B) inserting the semiconductor hetero substrate having the SiO 2 pattern into a MOCVD reactor to grow a GaN low temperature buffer layer with a predetermined thickness in a predetermined first temperature region; (C) The exposed sapphire between the heat treatment was increased to the second temperature zone temperature to a predetermined a GaN single crystal growth temperature range of the reactor, the GaN buffer layer formed on the SiO 2 stripe by moving into the area between the SiO 2 pattern SiO 2 stripe Allowing the GaN single crystal to be formed only on the substrate surface; (D) the method comprising the sikidoe SiO 2 selectively growing a GaN single crystal between the pattern by successively grown so that the selective growth of GaN single crystal is grown laterally over the SiO 2 pattern butge each other in the upper surface of the SiO 2 pattern; And (e) growing the GaN single crystal layer thickly.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 반도체 이종 기판으로 사파이어 혹은 SiC 기판을 사용하고, 상기 (나) 단계에서 상기 제1온도영역은 400~800℃의 범위이며, 상기 GaN 저온 버퍼층의 성장 두께는 20~40nm이며, 상기 (다) 단계에서 상기 제2온도영역은 1000~1150℃인 것이 바람직하다.In the present invention, in the step (a) using a sapphire or SiC substrate as the semiconductor hetero substrate, in the step (b) the first temperature range is 400 ~ 800 ℃ range, the growth of the GaN low temperature buffer layer The thickness is 20 to 40nm, and in the step (c), the second temperature range is preferably 1000 to 1150 ° C.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a GaN single crystal growth method using a modified selective growth process according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명에 따른 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법은 사파이어나 SiC 기판 위에 저온 GaN 또는 AlN 버퍼(buffer)층과 1㎛ 정도 두께의 GaN결정층을 형성시키지 않고 바로 사파이어 기판 위에 SiO2패턴을 직접 형성시킨 다음 기판을 MOCVD에 장입하여 GaN 결정을 성장시키는데 그 특징이 있다.The GaN single crystal growth method using the modified selective growth process according to the present invention is a SiO 2 pattern directly on the sapphire substrate without forming a low temperature GaN or AlN buffer layer and a GaN crystal layer having a thickness of about 1 μm on the sapphire or SiC substrate. It is characterized by growing GaN crystals by directly forming and then loading the substrate into MOCVD.
이러한 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법(Epitaxial Lateral Over Growth)을 이용한 GaN 결정 성장 방법을, 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 공정 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.The GaN crystal growth method using the modified selective growth method (Epitaxial Lateral Over Growth) according to the present invention will be described in detail with respect to the process step with reference to Figures 3a to 3f.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 사파이어나 SiC 기판과 같은 이종 기판(11) 위에 SiO2패턴(12)을 직접 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, a SiO 2 pattern 12 is directly formed on a heterogeneous substrate 11 such as sapphire or SiC substrate.
다음에, 도 3b에 도시된 바와 같이, SiO2패턴(12)을 직접 형성된 기판(11)을 MOCVD용 장치에 장입하여 GaN 저온 버퍼층(13a)을 약 400~800℃의 온도영역에서 두께 20~40nm로 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 3B, the GaN low-temperature buffer layer 13a is inserted into the MOCVD apparatus by inserting the substrate 11 on which the SiO 2 pattern 12 is directly formed into a thickness of 20 to about 400 to 800 ° C. Grow at 40 nm.
다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, GaN 저온 버퍼층(13a)이 형성된 기판(11)을 반응기(reactor)에 넣고 반응기의 온도를 실제 GaN 단결정 성장온도영역인 1000~1150℃로 상승시켜 열처리를 함으로써 SiO2스트라이프(12) 위에 형성된 GaN 버퍼층(13a)이 SiO2스트라이프 사이의 영역으로 이동(migration)하여 SiO2스트라이프 사이의 노출된 사파이어 기판(11) 상면에만 GaN 단결정(13b)이 형성되도록 한다.Next, as shown in FIG. 3C, the substrate 11 on which the GaN low temperature buffer layer 13a is formed is placed in a reactor, and the temperature of the reactor is raised to 1000 to 1150 ° C., which is an actual GaN single crystal growth temperature region, to perform heat treatment. by such that SiO 2 stripe (12) GaN buffer layer (13a) is SiO 2 stripe area by moving (migration) to SiO 2 stripe upper surface of the exposed sapphire substrate 11, only a GaN single crystal (13b) between the between the formed over the formation .
다음에, 도 3d에 도시된 바와 같이, SiO2스트라이프(12) 사이의 GaN 단결정(13c) 만을 선택적으로 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 3D, only the GaN single crystal 13c between the SiO 2 stripes 12 is selectively grown.
다음에, 도 3e에 도시된 바와 같이, SiO2스트라이프(12) 사이에서 선택적으로 성장된 GaN 단결정(13c)이 측면으로 성장되도록 계속적으로 성장시켜 서로 붙은 GaN 단결정(13d)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3E, GaN single crystals 13c selectively grown between the SiO 2 stripes 12 are continuously grown so as to grow laterally, thereby forming GaN single crystals 13d adhering to each other.
다음에, 도 3f에 도시된 바와 같이, GaN 단결정(13d) 위에 GaN 단결정 계속적으로 성장시켜 두꺼운 GaN 단결정(13)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3F, the GaN single crystal 13d is continuously grown on the GaN single crystal 13d to form a thick GaN single crystal 13.
이와 같은 GaN 단결정 성장법은, 기존의 ELO법에서 이루어지는 공정들 중에서, MOCVD에 사파이어 기판을 장입하여 저온 GaN 버퍼층을 성장시키고 그 위에 다시 두께 1㎛정도의 GaN 박막층을 성장시킨 후 기판을 MOCVD에서 끄집어 내어 E-BEAM 증착장치, 스퍼터(SPUTTER) 등과 같은 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2막을 증착시키고 사진식각법으로 SiO2패턴을 형성시키는 공정을 변형하여, E-BEAM 증착장치, 스퍼터(SPUTTER) 등과 같은 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO2패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO2패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN 박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 단순화함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시킬 수 있으면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄일 수 있는 장점을 지닌다.In the GaN single crystal growth method, a sapphire substrate is charged in MOCVD to grow a low temperature GaN buffer layer among the processes performed by the ELO method, and a GaN thin film layer having a thickness of about 1 μm is grown thereon, and then the substrate is pulled out in MOCVD. E-BEAM deposition apparatus by modifying the process of depositing a SiO 2 film having a thickness of 100 ~ 1000nm and forming a SiO 2 pattern by photolithography using a thin film deposition apparatus such as E-BEAM deposition apparatus, sputter, etc., Using a thin film deposition apparatus such as sputter, etc., a SiO 2 film having a thickness of 100 to 1000 nm is directly deposited on the sapphire substrate, a SiO 2 pattern is formed by photolithography, and then a sapphire substrate having a SiO 2 pattern is loaded into MOCVD. By growing low temperature GaN thin film from 400 ~ 800 ℃ to 20 ~ 40nm and heat-treating it at the crystal growth temperature, GaN single crystal is grown selectively. By purification, to grow a GaN single crystal of the same quality as conventional ELO method and yet has the advantage of greatly reducing the process time of growing a GaN single crystal.
다음은 실시예를 소개한다.The following introduces an embodiment.
E-BEAM 증착장치를 사용하여 (0001) 사파이어 기판 위에 두께 200nm의 SiO2박막을 성장시켰다. 일반적인 사진식각법으로 SiO2패턴을 형성시켰다. 이 때 스트라이프의 길이 방향은 사파이어 기판의 (10-10) 방향과 같은 방향으로 하였다. SiO2패턴은 스트라이프 폭 4㎛, 스트라이프 사이의 간격 4㎛의 것을 사용하였다. SiO2패턴이 형성된 사파이어 기판을 MOCVD에 장입하고 480℃의 성장온도에서 두께 20nm인 저온 GaN 버퍼층을 성장시켰다. 기판의 온도를 1050℃로 상승시켜 암모니아 분위기에서 30분간 열처리하여 스트라이프 사이의 영역에만 GaN 결정이 형성되도록 하였다. Ga 소스(source)인 TMG(Trimethylgallium)를 공급함에 따라 GaN 결정은 측면 성장을 하여 스트라이프의 중앙 부분에서 서로 붙었고, 이후 높이 성장을 하여 두께 약 80㎛인 GaN 결정이 성장되었다.A 200 nm thick SiO 2 thin film was grown on a (0001) sapphire substrate using an E-BEAM deposition apparatus. SiO 2 patterns were formed by general photolithography. At this time, the longitudinal direction of the stripe was in the same direction as the (10-10) direction of the sapphire substrate. As the SiO 2 pattern, one having a stripe width of 4 m and an interval of 4 m between stripes was used. A sapphire substrate on which a SiO 2 pattern was formed was charged into MOCVD, and a low-temperature GaN buffer layer having a thickness of 20 nm was grown at a growth temperature of 480 ° C. The temperature of the substrate was raised to 1050 ° C. for 30 minutes in an ammonia atmosphere to form GaN crystals only in the region between the stripes. By supplying TMG (Trimethylgallium) which is a Ga source, GaN crystals were laterally grown and stuck to each other at the center of the stripe. Then, GaN crystals having a height of about 80 μm were grown.
이와같이 성장된 결정의 품질을 측정하고자 TEM으로 전위밀도를 계산한 결과 107/㎠의 값을 얻었으며 Double x-ray Rocking Curve(ω-SCAN)에 의한 반치폭 측정 결과 약 80arcsec의 값을 얻어 성장된 결정의 품질이 대단히 양호한 것임을 확인할 수 있었다.As a result of calculating the dislocation density by TEM to measure the quality of the grown crystals, a value of 10 7 / ㎠ was obtained, and the half-width measurement by the double x-ray rocking curve (ω-SCAN) resulted in a value of about 80 arcsec. It was confirmed that the quality of the crystal was very good.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법은, 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO2패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO2패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 ELO 제조 공정을 단순하게 변형함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시킬 수 있으면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, in the GaN crystal growth method using the modified selective growth method according to the present invention, a SiO 2 film having a thickness of 100 to 1000 nm is directly deposited on a sapphire substrate using a thin film deposition apparatus, and a SiO 2 pattern is formed by photolithography. The ELO fabrication process was performed by inserting a sapphire substrate having a SiO 2 pattern in MOCVD, growing a low temperature GaN thin film at 400 to 800 ° C. at 20 to 40 nm, and heat-treating it at a crystal growth temperature to selectively grow a GaN single crystal. By simply modifying, it is possible to grow GaN single crystals of the same quality as the existing ELO method, while also significantly reducing the process time for growing GaN single crystals.
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