KR100525725B1 - 저결함 ＧａＮ막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 GaN막 형성방법은, 기판이 장입된 반응기 내로 In기체를 흘려보내 상기 기판 표면을 In 기체로 처리하는 단계(S12); 상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 교번하여 흘려보내 상기 기판 표면을 NH3 기체와 GaCl 기체로 번갈아 가면서 처리하는 단계(S18); 및 상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 동시에 흘려보내 상기 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시키는 단계(S20); 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, GaN막 성장(S20) 전에 기판표면 처리단계(S10)를 더 거침으로서 사파이어 등의 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 GaN막의 전위밀도를 감소시킬 수 있다. 특히, 기판표면 처리단계(S10)는 처음에는 In 기체를 이용하고, 그 이후로는 GaN막을 에피텍셜 성장시키는데 사용되는 NH3와 GaCl 기체를 번갈아 가면서 이용하기 때문에 GaN막의 성장과 기판표면처리를 하나의 반응기 안에서 연속적으로 수행할 수 있어서 간단하게 GaN막의 전위밀도를 감소시킬 수 있다는 잇점이 있다.

Description

저결함 ＧａＮ막 형성방법{Method for forming low-defect GaN film}
본 발명은 GaN막 형성방법에 관한 것으로서, 특히 GaN막을 에피텍셜 성장시킬 때 GaN막의 전위밀도를 감소시키는 방법에 관한 것이다.
GaN은 부르자이트(Wurzite) 구조를 가지는 질화물 반도체로서 상온에서 가시광선의 청색 파장대에 해당하는 3.4 eV의 직접천이형 밴드갭을 가질 뿐만 아니라 InN 및 AlN와 전율고용체를 이루어 금지대폭의 조정이 가능하며 전율고용체의 전 조성 범위 내에서 직접천이형 반도체의 특성을 나타내기 때문에 청색표시 및 발광소자재료로서 가장 각광 받고 있다.
GaN막은 통상 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 실리콘(Si) 기판 등에 MOCVD나 HVPE 방법 등으로 형성한다. 그런데, 이 경우 기판과 GaN막 사이의 격자상수 및 열팽창계수가 다르기 때문에 격자부정합(lattice mismatch)으로 인해 GaN막을 에피텍셜 성장시키는 것이 매우 어렵다. GaN 뿐만 아니라 AlN, InN, GaInN, AlGaN, 및 GaAlInN 등의 GaN계가 모두 이러하다.
이를 극복하기 위한 방법으로서 격자변형(lattice strain)을 완화시키기 위한 완충층(buffer layer)을 비교적 낮은 온도에서 기판 상에 먼저 형성시킨 다음에 완충층 상에 GaN막을 성장시키는 방법 등이 일본공개 특허공보 소63-188983호 등에 개시된 바 있다. 그러나 완충층에 의한 이러한 완화는 GaN막의 에피텍셜 성장을 가능하게는 하지만 GaN막의 전위(dislocation) 밀도가 109~1010 /cm2 정도로 여전히 높아 레이저 다이오드나 발광다이오드 등으로의 응용에 제한을 받는다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, HVPE법으로 GaN막을 에피텍셜 성장시키되 GaN막 성장시에 사용되는 기체를 주로 이용하여 기판표면을 처리하는 새로운 저결함화방법을 도입하여 번거로움없이 GaN막의 전위밀도를 감소시키는 GaN막 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 GaN막 형성방법은, 기판이 장입된 반응기 내로 In기체를 흘려보내 상기 기판 표면을 In 기체로 처리하는 제1단계; 상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 교번하여 흘려보내 상기 기판 표면을 NH3 기체와 GaCl 기체로 번갈아 가면서 처리하는 제2단계; 및 상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 동시에 흘려보내 상기 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시키는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제1단계는 900 내지 1100℃에서 행해지는 것이 바람직하고, 상기 제2단계는 1000 내지 1200℃에서 행해지는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 GaN막 형성방법을 설명하기 위한 흐름도들이다.
기판을 반응기에 장입시키고 기판표면처리단계를 수행한다(S10). 기판으로는 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있는데, 기판의 종류에 의해 본 발명이 제한을 받는 것은 아니다. 기판표면처리단계(S10)는 In기체로 기판표면을 처리하는 단계(S12)와 NH3와 GaCl 기체로 기판 표면을 번갈아 가면서 처리하는 단계(S18)를 포함한다.
In 기체로 기판 표면을 처리하는 단계(S12)는 상기 반응기의 온도를 900 내지 1100℃로 유지하면서 GaN막 성장단계(S20) 시에 상기 반응기에 흘려주는 전체 기체량의 0.01 내지 0.1%에 해당하는 양으로 0.5 내지 5분 동안 In기체를 상기 반응기 내로 흘려보내어 상기 기판 표면을 처리하는 단계이다.
NH3와 GaCl 기체로 기판 표면을 번갈아 가면서 처리하는 단계(S18)는 상기 In 기체의 공급을 중단하고 행하는데, 구체적으로 상기 반응기의 온도를 1000 내지 1200℃로 유지하면서 GaN막 성장단계(S20) 시에 상기 반응기에 흘려주는 전체 기체량의 30 내지 50%에 해당하는 양으로 60 내지 90분 동안 NH3 기체를 상기 반응기 내로 흘려보내어 상기 기판 표면을 처리하고, 이어서 상기 NH3 기체의 공급을 중단하고 상기 반응기의 온도를 1000 내지 1200℃로 유지하면서 GaN막 성장단계(S20) 시에 상기 반응기에 흘려주는 전체 기체량의 30 내지 50%에 해당하는 양으로 60 내지 90분 동안 GaCl기체를 상기 반응기 내로 흘려보내어 상기 기판 표면을 처리하는 과정을 반복하는 단계이다. 물론, 1회만 행하여도 무방하다.
이 단계에서 중요한 것은 NH3와 GaCl 기체를 동시에 상기 반응기에 공급하면 이들 사이에 반응이 일어나 기판 상에 GaN막이 증착되어 버리기 때문에 NH3와 GaCl 기체가 동시에 상기 반응기로 공급되는 일이 없도록 주의해야 한다.
NH3와 GaCl 기체 둘 중에 어느 것을 먼저 공급하느냐는 상관없으며 도 1a의 경우는 NH3 기체를 먼저 공급하는 경우이고, 도 1b의 경우는 GaCl 기체를 먼저 공급하는 경우이다.
기판표면처리단계(S10)가 끝나면 상기 반응기의 온도를 950 내지 1050℃로 유지하면서 상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 동시에 흘려보내 상기 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시킨다(S20).그리고, GaN막이 형성된 기판을 상온까지 냉각시킨다(S30).
에피층(epilayer)을 성장시키는 방법으로는 크게 VPE(Vapor Phase Epitaxial growth), LPE(Liquid Phase Epitaxial growth), 및 SPE(Solid Phase Epitaxial growth)를 들 수 있다.
여기서, VPE는 반응가스를 기판위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반응을 통해 기판 위에 결정을 성장시키는 것으로서 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE, HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE, MOVPE) 등으로 분류할 수 있는데, 본 발명은 GaN막을 성장시킴에 있어서 HVPE(hydride VPE)방법을 사용한 것이다.
HVPE법으로 기판 상에 바로 GaN막을 성장시키면 통상 전위밀도가 107 내지 108 /cm2 정도 되는데, 본 발명과 같이 기판표면 전처리(S18)를 행한 후에 GaN막을 성장시키면 이 보다 낮은 106 /cm2 이하의 전위 밀도를 갖게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, GaN막 성장(S20) 전에 기판표면 처리단계(S10)를 더 거침으로서 사파이어 등의 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 GaN막의 전위밀도를 감소시킬 수 있다. 특히, 기판표면 처리단계(S10)는 처음에는 In 기체를 이용하고, 그 이후로는 GaN막을 에피텍셜 성장시키는데 사용되는 NH3와 GaCl 기체를 번갈아 가면서 이용하기 때문에 GaN막의 성장과 기판표면처리를 하나의 반응기 안에서 연속적으로 수행할 수 있어서 간단하게 GaN막의 전위밀도를 감소시킬 수 있다는 잇점이 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 GaN막 형성방법을 설명하기 위한 흐름도들이다.

Claims (4)

  1. 기판이 장입된 반응기 내로 In기체를 흘려보내 상기 기판 표면을 In 기체로 처리하는 제1단계;
    상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 교번하여 흘려보내 상기 기판 표면을 NH3 기체와 GaCl 기체로 번갈아 가면서 처리하는 제2단계; 및
    상기 반응기 내에 NH3 기체와 GaCl 기체를 동시에 흘려보내 상기 기판 상에 GaN막을 에피텍셜 성장시키는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계가 900 내지 1100℃에서 행해지는 것을 특징으로 하는 GaN막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2단계가 1000 내지 1200℃에서 행해지는 것을 특징으로 하는 GaN막 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서는 상기 In기체를 상기 제3단계에서 GaN막의 성장을 위해 공급되는 전체 기체량의 0.01 내지 0.1%에 해당하는 양으로 0.5 내지 5분 동안 상기 반응기 내로 흘려보내고, 상기 제2단계에서는 상기 NH3기체 및 GaCl기체를 각각 상기 제3단계에서 GaN막의 성장을 위해 공급되는 전체 기체량의 30 내지 50%에 해당하는 양으로 60 내지 90분 동안 상기 반응기 내로 흘려보내 상기 기판의 표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 GaN막 형성방법.
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