KR100834698B1 - Method of forming gan layer and gan substrate manufactured using the same - Google Patents

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KR100834698B1 KR20060134748A KR20060134748A KR100834698B1 KR 100834698 B1 KR100834698 B1 KR 100834698B1 KR 20060134748 A KR20060134748 A KR 20060134748A KR 20060134748 A KR20060134748 A KR 20060134748A KR 100834698 B1 KR100834698 B1 KR 100834698B1
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gallium nitride
nitride layer
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김용진
김두수
이호준
이동건
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주식회사 실트론
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Abstract

A method of forming a gallium nitride thin film and a gallium nitride thin film substrate manufactured by the same are provided to reduce a stress due to a thermal coefficient difference between gallium nitride and silicon. A method of forming a gallium nitride thin film includes: forming a first aluminum nitride layer(20) on a silicon substrate(10); an epitaxial gallium nitride layer(30) of the first aluminum nitride layer; forming a gallium aluminum nitride layer(40) on the epitaxial gallium nitride layer; forming a second aluminum nitride layer(50) on the gallium aluminum nitride layer; and a gallium nitride thin film on the second aluminum nitride layer. The first aluminum nitride layer is formed to have a thickness ranging from 2 nm to 100 nm. The step of forming a first aluminum nitride layer on a silicon substrate includes: forming Al coating layer on the silicon substrate; and flowing NH3 gas to an upper portion of the Al coating layer to convert the Al coating layer into an aluminum nitride layer.

Description

질화 갈륨 박막 형성 방법 및 이 방법에 의해 제조된 질화 갈륨 박막 기판{Method of forming GaN layer and GaN substrate manufactured using the same}Gallium nitride thin film forming method and gallium nitride thin film substrate produced by the method {Method of forming GaN layer and GaN substrate manufactured using the same}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화 갈륨 박막 기판의 단면 구조도이다. 1 is a cross-sectional structural view of a gallium nitride thin film substrate according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화 갈륨 박막 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.2 to 8 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of forming a gallium nitride thin film according to a preferred embodiment of the present invention.

도 9는 2인치 실리콘 기판 상에 본 발명에 따라 질화 갈륨 박막을 실제로 형성하였을 때 기판 전면에 걸쳐 질화 갈륨 박막의 두께를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.9 is a view showing the result of measuring the thickness of the gallium nitride thin film over the entire surface when the gallium nitride thin film is actually formed on the 2-inch silicon substrate according to the present invention.

도 10은 결정 회절 장치(XRD)를 이용하여 본 발명에 따라 형성된 질화 갈륨 박막 샘플의 락킹(rocking) 그래프를 측정하여 결정의 특성을 분석한 결과를 보여주는 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing the results of analyzing the characteristics of a crystal by measuring a rocking graph of a gallium nitride thin film sample formed according to the present invention using a crystal diffraction apparatus (XRD).

<도면의 주요 참조번호><Main reference number in drawing>

10: 실리콘 기판 B: 버퍼층10: silicon substrate B: buffer layer

20, 80: 제1질화 알루미늄층 30, 90: 에피 질화 갈륨층20, 80: first aluminum nitride layer 30, 90: epi gallium nitride layer

40, 100: 질화갈륨알루미늄층 50, 110: 제2질화 알루미늄층40, 100: gallium aluminum nitride layer 50, 110: second aluminum nitride layer

60, 120: 질화 갈륨 박막60, 120: gallium nitride thin film

본 발명은 질화 갈륨(GaN) 박막의 품질을 향상시킨 질화 갈륨 반도체와 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gallium nitride semiconductor with improved quality of a gallium nitride (GaN) thin film and a method of manufacturing the same.

질화 갈륨은 상온에서 3.4eV의 직접 천이형 밴드갭(direct bandgap)을 가지고 있는 반도체 물질로서 질화 인듐(InN)이나 질화 알루미늄(AlN)과 같은 다른 반도체 물질과 조합될 경우, 1.9eV(InN)에서 3.4eV(GaN) 또는 6.2.eV(AlN)까지의 직접 에너지 밴드갭을 갖는다. Gallium nitride is a semiconductor material with a direct transition bandgap of 3.4 eV at room temperature, and at 1.9 eV (InN) when combined with other semiconductor materials such as indium nitride (InN) or aluminum nitride (AlN) It has a direct energy bandgap of up to 3.4 eV (GaN) or 6.2 eV (AlN).

따라서 질화 갈륨은 가시광선 영역에서부터 자외선 영역에 이르는 넓은 파장 대역에서 광소자로서의 응용 가능성이 매우 크며, 최근에는 적색, 녹색 및 청색 발광 소자에 의한 총천연색 전광판이나 백색 발광 소자에 의한 조명 기구 시장이 급속히 성장되면서 질화 갈륨에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 질화 갈륨은 단파장 대역에서의 청색 발광 다이오드(Lignt Emitting Diode: LED)와 청색 레이저 다이오드(Laser Diode: LD)의 광소자 재료로서 큰 주목을 받고 있다.Therefore, gallium nitride has a great potential as an optical device in a wide wavelength range from the visible region to the ultraviolet region, and recently, the market for lighting fixtures due to full color display boards or white light emitting devices by red, green, and blue light emitting devices is rapidly growing. As a result, much research is being conducted on gallium nitride. In particular, gallium nitride has attracted great attention as an optical device material of a blue light emitting diode (LED) and a blue laser diode (LD) in a short wavelength band.

질화 갈륨을 이용하여 광소자를 제작하기 위해서는 전위(dislocation)와 같 은 결정 결함이 없는 질화 갈륨 박막을 두껍게 성장시키는 기술이 중요하다. 질화 갈륨 박막의 후막 성장을 위해서는 질화 갈륨과 격자상수가 정합되는 모재 기판을 선정하는 것이 중요하다. 질화 갈륨과 기판의 격자상수 부정합 정도가 크면 열팽창 계수의 차이로 인해 양호한 품질의 질화 갈륨을 성장시키는데 한계가 있기 때문이다.In order to fabricate an optical device using gallium nitride, a technique for thickly growing a gallium nitride thin film without crystal defects such as dislocation is important. For thick film growth of a gallium nitride thin film, it is important to select a base substrate on which a gallium nitride and a lattice constant match. This is because when the degree of lattice constant mismatch between the gallium nitride and the substrate is large, there is a limit to the growth of good quality gallium nitride due to the difference in the coefficient of thermal expansion.

일반적으로, 질화 갈륨 박막 성장 시 사용할 수 있는 기판으로는 탄화규소(SiC) 기판과 사파이어(Al2O3) 기판이 있다. 이 중에서, 탄화규소 기판은 질화 갈륨과의 격자상수 차가 작고 고온 특성과 화학적 안정성이 우수하다. 또한 탄화수소 기판을 이용하여 질화 갈륨 계열의 광소자를 제조하면 웨이퍼를 칩으로 쉽게 분할할 수 있고, 기판 자체에 도전성이 있으므로 칩의 상하에 전극을 배분하여 칩 면적을 작게 할 수 있다. 따라서 광소자의 생산성 및 제조비용의 측면에서 사파이어 기판에 비해 우수한 장점이 있다. 하지만 기판 가격이 높고 제조량도 적어 원활한 기판 공급에 문제가 있고 광소자 제조상의 효율성에 비해 기판에 성장된 질화 갈륨 박막의 품질이 우수하지 않다는 단점이 있다. 이러한 이유로, 질화 갈륨 박막의 성장 시에는 탄화규소 기판 보다는 사파이어 기판을 주로 사용하고 있다.In general, substrates that can be used for growing a gallium nitride thin film include a silicon carbide (SiC) substrate and a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate. Among them, the silicon carbide substrate has a small lattice constant difference with gallium nitride, and is excellent in high temperature characteristics and chemical stability. In addition, when a gallium nitride-based optical device is manufactured using a hydrocarbon substrate, the wafer can be easily divided into chips, and since the substrate itself has conductivity, the chip area can be reduced by distributing electrodes above and below the chip. Therefore, there is an advantage over the sapphire substrate in terms of productivity and manufacturing cost of the optical device. However, the high price of the substrate and the low production volume have problems in smooth substrate supply, and the quality of the gallium nitride thin film grown on the substrate is not excellent compared to the efficiency of optical device manufacturing. For this reason, sapphire substrates are mainly used for growth of gallium nitride thin films rather than silicon carbide substrates.

그런데 사파이어(육방정계)의 a 축 격자 상수는 4.758Å이고, 질화 갈륨(육방정계)의 a 축 격자 상수는 3.186Å이므로 질화 갈륨과 사파이어는 약 30% 이상의 격자 상수 불일치를 보인다. 따라서 사파이어 기판 위에 질화 갈륨 박막을 성장시키면 a 축 격자 상수 부정합에 의해 장력 변형(tensile stress)이 야기될 수 있다. 그런데 실제 (0001) 사파이어 기판 위에 질화 갈륨 박막이 성장될 때에는 사 파이어의 유효 격자 상수가 질화 갈륨의 유효 격자 상수보다 약 14% 정도 작기 때문에 압축 변형(compressive strain)이 발생된다. 또한 사파이어와 질화 갈륨은 열팽창 계수도 약 25%의 차이를 보이기 때문에, 사파이어 기판과 질화 갈륨 박막의 경계에서 응력이 발생되며, 그 결과 질화 갈륨 박막으로 1014/cm2 정도의 큰 밀도를 갖는 전위 결함이 도입되어 고품질의 단결정 성장에 걸림돌이 되고 있다. 또한 질화 갈륨 박막이 10um 이상의 두께로 성장되면, 결정격자 상수의 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 과도한 응력에 의해 질화 갈륨 박막에 크랙(crack)이 발생될 가능성이 높아지므로 종래의 방법으로는 10um 이상의 두께로 질화 갈륨을 성장시키는데 한계가 있다.However, since the a-axis lattice constant of sapphire (hexagonal system) is 4.758Å and the a-axis lattice constant of gallium nitride (hexagonal) is 3.186Å, gallium nitride and sapphire show a lattice constant mismatch of about 30% or more. Therefore, when the gallium nitride thin film is grown on the sapphire substrate, tensile stress may be caused by a-axis lattice constant mismatch. However, when the gallium nitride thin film is actually grown on the sapphire substrate, compressive strain occurs because the effective lattice constant of sapphire is about 14% smaller than the effective lattice constant of gallium nitride. In addition, because sapphire and gallium nitride has a thermal expansion coefficient also show a difference of about 25%, a stress is generated on the boundary between the sapphire substrate and the GaN thin film, as a result, electric potential having a large density of about 10 14 / cm 2 in the gallium nitride thin film Defects are introduced, which is a barrier to growth of high quality single crystals. In addition, when the gallium nitride thin film is grown to a thickness of 10 μm or more, it is more likely to cause cracks in the gallium nitride thin film due to excessive stress caused by mismatch of crystal lattice constant and difference in thermal expansion coefficient. There is a limit to the growth of gallium nitride to a thickness of 10um or more.

위와 같은 문제를 해결하기 위해, 최근에 사파이어 기판 위에 질화 갈륨 박막을 성장시키기 전에 AlN, AlGaN, InN 등의 반도체 물질로 버퍼층을 형성하여 질화 갈륨 박막의 결정성과 전기/광학적 특성을 향상시킬 수 있는 이종 접합 성장법(heteroepitaxy)이 제안되었다. 하지만 이종 접합을 위한 버퍼층을 약 1 내지 500nm 정도의 두께로 성장시키고 버퍼층 위에 질화 갈륨 박막을 성장시키면, 사파이어 기판과 버퍼층 간의 격자 상수 및 열팽창 계수 부정합으로 인해 버퍼층 내에 결정 결함이 발생하게 되며, 이렇게 발생된 결정 결함은 버퍼층 위에 형성되는 질화 갈륨 박막으로 그대로 전달되어 질화 갈륨 박막의 품질을 열화시키는 요인이 되고 있다. 따라서 종래의 이종 접합 성장법에 의해서는 고품질의 질화 갈륨 박막을 형성하는데 여전히 한계가 있다.In order to solve the above problems, before the growth of the gallium nitride thin film on the sapphire substrate recently, a buffer layer is formed of a semiconductor material such as AlN, AlGaN, InN, etc. to improve the crystallinity and electrical and optical properties of the gallium nitride thin film Heteroepitaxy has been proposed. However, when the buffer layer for heterojunction is grown to a thickness of about 1 to 500 nm and the gallium nitride thin film is grown on the buffer layer, crystal defects occur in the buffer layer due to lattice constant and thermal expansion coefficient mismatch between the sapphire substrate and the buffer layer. The resulting crystal defects are transferred to the gallium nitride thin film formed on the buffer layer as it is, causing a deterioration in the quality of the gallium nitride thin film. Therefore, there is still a limitation in forming a high quality gallium nitride thin film by the conventional heterojunction growth method.

한편 사파이어 기판을 이용하여 질화 갈륨 계열의 광소자를 제조하는 경우는 전도성 기판을 사용하여 제조되는 다른 광소자에 비해 전극 형성 공정이 복잡해지는 문제도 있다. 사파이어 기판은 절연성을 가지고 있으므로 사파이어 기판에 질화 갈륨 박막을 성장시켜 광소자를 제조하면, 기판의 후면에 전극 형성을 위한 오믹 콘택을 직접 형성할 수 없기 때문이다. 이처럼 전극 형성 공정이 복잡해지면, 광소자 제조 원가가 증가될 뿐만 아니라 광소자의 직렬 저항이 증가하여 소자의 성능이 저하된다. 덧붙여, 사파이어 기판은 현재 4인치까지 제작이 가능하지만 실제 광소자 제조 공정에서는 2인치 기판이 사용되고 있으므로, 대량 수요가 예상되는 LED 및 LD의 생산 시 생산성에 한계가 예상된다. 따라서 사파이어 기판을 대체할 대구경의 기판이 필요한 실정이다. Meanwhile, when manufacturing a gallium nitride-based optical device using a sapphire substrate, there is a problem in that an electrode forming process is more complicated than other optical devices manufactured using a conductive substrate. Since the sapphire substrate has an insulating property, when a gallium nitride thin film is grown on the sapphire substrate to manufacture an optical device, an ohmic contact for forming an electrode cannot be directly formed on the rear surface of the substrate. As the electrode forming process becomes complicated, not only the manufacturing cost of the optical device increases but also the series resistance of the optical device increases, thereby degrading the performance of the device. In addition, the sapphire substrate can be manufactured up to 4 inches, but since the 2 inch substrate is used in the actual optical device manufacturing process, productivity is expected to be limited in the production of LEDs and LDs, which are expected to be in high demand. Therefore, a large diameter substrate is required to replace the sapphire substrate.

현재 사파이어 기판과 탄화규소 기판의 대안으로서 실리콘 기판을 사용한 질화 갈륨 박막의 성장에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실리콘 기판은 값이 저렴하면서도 대구경을 갖는 양질의 기판 확보가 용이하고, 단일 광소자뿐만 아니라 집적 공정의 적용이 용이하여 다양한 광소자 제조에 널리 응용이 가능 하다는 장점이 있다. 하지만 실리콘 기판의 경우도 종래의 사파이어 및 탄화규소 기판과 마찬가지로 질화 갈륨과의 격자상수 부정합과 열팽창 계수 차이에서 비롯되는 문제점을 여전히 안고 있다. 즉 실리콘 기판의 열팽창 계수 및 격자상수는 각각 3.7×10-6/K 및 3.8403Å이다. 따라서 질화 갈륨(열팽창 계수 5.59×10-6/K, 격자상수 3.1891Å)과 대비하여 약 53.6%의 열팽창 계수 차이와 16.9%의 격자 상수 차이를 갖는다. 그리고 실리콘과 질화 갈륨의 결정 구조는 각각 입방정계와 육방정계로서 기본적인 결정 구조도 서로 다르다. 따라서 실리콘 기판 위에 형성된 질화 갈륨 박막 내에는 약 1010/cm2의 밀도를 갖는 전위 결함이 존재하게 되고, 질화 갈륨 박막을 두껍게 형성할 경우 박막 내에 한계 이상의 응력이 발생되어 크랙이 유발되는 것으로 알려져 있다. 따라서 실리콘 기판이 재현성 있는 질화 갈륨 계열 광소자의 기판으로 널리 사용되기 위해서는 무엇보다도 질화 갈륨과의 격자상수 차이에서 비롯되는 결정 결함을 감소시키고 크랙 유발을 방지할 수 있는 방법을 찾아내는 것이 무엇보다 중요한 과제라 할 수 있다.Currently, research on the growth of a gallium nitride thin film using a silicon substrate as an alternative to a sapphire substrate and a silicon carbide substrate is actively conducted. Silicon substrates are inexpensive and easy to secure high quality substrates with large diameters, and can be widely applied to various optical device manufactures because of easy application of integrated processes as well as single optical devices. However, in the case of the silicon substrate as well as the conventional sapphire and silicon carbide substrate, there are still problems caused by the lattice constant mismatch with the gallium nitride and the difference in coefficient of thermal expansion. In other words, the coefficient of thermal expansion and lattice constant of the silicon substrate are 3.7 × 10 −6 / K and 3.8403 kPa, respectively. Therefore, compared with gallium nitride (thermal expansion coefficient 5.59 x 10 -6 / K, lattice constant 3.189189), it has a difference in thermal expansion coefficient of about 53.6% and a lattice constant of 16.9%. The crystal structures of silicon and gallium nitride are cubic and hexagonal, respectively, and the basic crystal structures are different. Therefore, it is known that dislocation defects having a density of about 10 10 / cm 2 exist in the gallium nitride thin film formed on the silicon substrate, and when the gallium nitride thin film is thickly formed, cracks are generated because stresses exceed the limit in the thin film. . Therefore, in order for the silicon substrate to be widely used as a substrate for reproducible gallium nitride-based optical devices, it is most important to find a method of reducing crystal defects and preventing cracks caused by the difference in lattice constant with gallium nitride. can do.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광소자 제조를 위해 실리콘 기판 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 과정에서 질화 갈륨과 실리콘 간의 격자상수 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 결정 결함의 감소가 가능하고, 질화 갈륨 박막을 두껍게 성장시키더라도 크랙 발생과 멜트 백(melt-back)을 방지할 수 있는 질화 갈륨 박막 형성 방법과 이 방법에 의해 제조된 질화 갈륨 박막 기판을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is generated due to a difference in lattice constant mismatch and thermal expansion coefficient between gallium nitride and silicon in forming a gallium nitride thin film on a silicon substrate for fabricating an optical device. Provided is a method of forming a gallium nitride thin film capable of reducing crystal defects and preventing cracking and melt-back even when a gallium nitride thin film is grown thick, and a gallium nitride thin film substrate manufactured by the method. Its purpose is to.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화 갈륨 박막 형성 방법은, 실리콘 기판 상에 제1질화 알루미늄층을 형성하는 단계; 상기 제1질화 알루미늄층 상에 에피 질화 갈륨층을 형성하는 단계; 상기 에피 질화 갈륨층 상에 질화갈륨알루미늄층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨알루미늄층 상에 제2질화 알루미늄층을 형성하는 단계; 및 상기 제2질화 알루미늄층 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a gallium nitride thin film, including: forming a first aluminum nitride layer on a silicon substrate; Forming an epi gallium nitride layer on the first aluminum nitride layer; Forming a gallium aluminum nitride layer on the epi gallium nitride layer; Forming a second aluminum nitride layer on the gallium aluminum nitride layer; And forming a gallium nitride thin film on the second aluminum nitride layer.

바람직하게, 상기 제1질화 알루미늄층은 수 nm 내지 100nm의 두께로 형성한다. 그리고 제1질화 알루미늄층 형성 단계는, 상기 실리콘 기판 상에 Al 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 Al 코팅층의 상부로 NH3를 흘려 Al 코팅층을 질화 알루미늄층으로 전환시키는 단계;를 포함한다.Preferably, the first aluminum nitride layer is formed to a thickness of several nm to 100 nm. And forming a first aluminum nitride layer, forming an Al coating layer on the silicon substrate; And converting the Al coating layer into an aluminum nitride layer by flowing NH 3 over the Al coating layer.

바람직하게, 상기 에피 질화 갈륨층은 30 내지 200nm의 두께로 형성한다. 그리고, 상기 질화갈륨알루미늄층은 100 내지 300nm의 두께로 형성한다. 아울러, 상기 제2질화 알루미늄층은 수십 내지 100nm의 두께로 형성한다.Preferably, the epi gallium nitride layer is formed to a thickness of 30 to 200nm. The gallium aluminum nitride layer is formed to a thickness of 100 to 300nm. In addition, the second aluminum nitride layer is formed to a thickness of several tens to 100nm.

바람직하게, 상기 제1질화 알루미늄층, 에피 질화 갈륨층, 질화갈륨알루미늄층 및 제2질화 알루미늄층은 1000 내지 1200℃의 온도 조건에서 MOCVD 법에 의해 형성한다.Preferably, the first aluminum nitride layer, epi gallium nitride layer, gallium aluminum nitride layer and the second aluminum nitride layer are formed by the MOCVD method at a temperature condition of 1000 to 1200 ℃.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화 갈륨 박막 기판은, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 형성된 버퍼층으로서, 제1질화 알루미늄층, 에피 질화 갈륨층, 질화갈륨알루미늄층 및 제2질화 알루미늄층이 순차적으로 적층된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 질화 갈륨 박막을 포함한다.Gallium nitride thin film substrate according to the present invention for achieving the above technical problem, the silicon substrate; A buffer layer formed on the silicon substrate, the buffer layer comprising a first aluminum nitride layer, an epi gallium nitride layer, a gallium aluminum nitride layer, and a second aluminum nitride layer sequentially stacked; And a gallium nitride thin film formed on the buffer layer.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화 갈륨 박막 기판의 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화 갈륨 박막 기판은 실리콘 기판(10)과, 실리콘 기판(10) 상에 형성된 버퍼층(B)과, 상기 버퍼층(B) 상에 형성된 질화 갈륨 박막(60)을 포함한다. 상기 버퍼층(B)은 제1질화 알루미늄층(20), 에피 질화 갈륨층(30), 질화갈륨알루미늄층(40) 및 제2질화 알루미늄층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.1 is a cross-sectional view of a gallium nitride thin film substrate according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the gallium nitride thin film substrate according to the present invention includes a silicon substrate 10, a buffer layer B formed on the silicon substrate 10, and a gallium nitride thin film 60 formed on the buffer layer B. ). The buffer layer B has a structure in which the first aluminum nitride layer 20, the epi gallium nitride layer 30, the gallium aluminum nitride layer 40, and the second aluminum nitride layer 50 are sequentially stacked.

상기 실리콘 기판(10)은 일반적인 반도체 공정에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 기판으로서, 저렴하면서 대형 웨이퍼의 제작이 가능하고 열전도도가 우수한 특징을 갖는다. 본 발명에 따른 버퍼층(B)이 형성되는 실리콘 기판(10)의 면 방위는 {111}인 것이 바람직하다. 면 방위가 {111}인 실리콘 기판(10)의 면은 약 3.8403Å의 격자상수를 갖는다. 반면 면 방위가 {100}인 실리콘 기판(10)의 면은 약 5.40Å의 격자상수를 갖는다. 따라서 질화 갈륨의 격자상수가 약 3.189Å인 점을 감안하면 실리콘 기판(10)의 면 방위는 {111}인 것이 바람직하다.The silicon substrate 10 is a substrate that is most widely used in a general semiconductor process, and is inexpensive and has a feature of making a large wafer and having excellent thermal conductivity. It is preferable that the surface orientation of the silicon substrate 10 on which the buffer layer B according to the present invention is formed is {111}. The surface of the silicon substrate 10 having a plane orientation of {111} has a lattice constant of about 3.8403 Å. On the other hand, the surface of the silicon substrate 10 having a plane orientation of {100} has a lattice constant of about 5.40 Å. Therefore, considering that the lattice constant of gallium nitride is about 3.189 Å, the surface orientation of the silicon substrate 10 is preferably {111}.

상기 버퍼층(B)은 실리콘 기판(10) 상에 질화 갈륨 박막(60)을 형성하는 과정에서 질화 갈륨 박막(60)과 실리콘 기판(10) 사이의 격자상수 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 결정 결함(주로 전위 결함)을 감소시키고, 질화 갈륨 박막(60)에 야기되는 응력을 해소하여 질화 갈륨 박막(60)에 크랙이 발생되는 것을 방지하며, 실리콘 기판(10)의 화학적 작용에 의한 멜트 백(melt-back) 에칭을 방지하여 질화 갈륨 박막(60)의 Ga 원자가 실리콘 기판(10)으로 침투하는 것을 방지한다.The buffer layer B is formed due to a lattice constant mismatch between the gallium nitride thin film 60 and the silicon substrate 10 and a difference in coefficient of thermal expansion during formation of the gallium nitride thin film 60 on the silicon substrate 10. Reduces crystal defects (mainly dislocation defects), relieves stress caused in the gallium nitride thin film 60 to prevent cracks in the gallium nitride thin film 60, and melts by chemical action of the silicon substrate 10 The back-etch is prevented to prevent Ga atoms of the gallium nitride thin film 60 from penetrating into the silicon substrate 10.

보다 구체적으로, 상기 제1질화 알루미늄층(20)은, 버퍼층(B) 구조를 형성하기 위한 초기 결정 성장 조건을 결정하고, 상부에 형성되는 에피 질화 갈륨층(30)에 포함된 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 실리콘 기판(10)으로 침투하는 것을 방지한다. 아울러 상기 제1질화 알루미늄층(20)은 질화 갈륨 박막(60)과 실리콘 기판(10) 간의 격자상수 부정합으로 인해 발생되는 결정 결함을 감소시키고 크랙 발생을 방지한다. 이러한 기능을 감안하여, 상기 제1질화 알루미늄층(20)의 두께는 수 nm 내지 100nm인 것이 바람직하다.More specifically, the first aluminum nitride layer 20 determines an initial crystal growth condition for forming the buffer layer (B) structure, and the Ga valence melt back included in the epi gallium nitride layer 30 formed thereon. It is prevented from penetrating into the silicon substrate 10 by the development. In addition, the first aluminum nitride layer 20 reduces crystal defects caused by lattice constant mismatch between the gallium nitride thin film 60 and the silicon substrate 10 and prevents crack generation. In view of such a function, the thickness of the first aluminum nitride layer 20 is preferably several nm to 100 nm.

상기 에피 질화 갈륨층(30)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막(60)의 결정 결함을 제어하여 질화 갈륨 박막(60)의 품질을 향상시킨다. 한편 에피 질화 갈륨층(30)은 하부의 실리콘 기판(10)과 근접하게 형성되어 있으므로, 에피 질화 갈륨층(30)에 포함된 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 실리콘 기판(10)으로 침투될 우려가 있다. 따라서 에피 질화 갈륨층(30)의 두께는 Ga 원자의 실리콘 기판(10) 침투를 야기하지 않을 정도의 두께로 형성한다. 바람직하게, 상기 에피 질화 갈륨층(30)의 두께는 30 내지 200nm이다.The epi gallium nitride layer 30 improves the quality of the gallium nitride thin film 60 by controlling crystal defects of the gallium nitride thin film 60 formed thereon. On the other hand, since the epi gallium nitride layer 30 is formed close to the lower silicon substrate 10, Ga atoms contained in the epi gallium nitride layer 30 may be penetrated into the silicon substrate 10 by the melt back phenomenon. have. Therefore, the thickness of the epi gallium nitride layer 30 is formed to a thickness that does not cause the penetration of the silicon substrate 10 of Ga atoms. Preferably, the epi gallium nitride layer 30 has a thickness of 30 to 200 nm.

상기 질화갈륨알루미늄층(40)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막(60)에 포함된 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 하부의 실리콘 기판(10)으로 침투되는 것을 차 단하고, 실리콘 기판(10)과 질화 갈륨 박막(60) 간의 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 응력을 완화시켜 질화 갈륨 박막(60)에서 크랙이 발생되는 것을 방지한다. 상기 질화갈륨알루미늄층(40)은 Ga 원자의 실리콘 기판(10) 침투와 응력 완화를 위해 100 내지 300nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The gallium aluminum nitride layer 40 blocks Ga atoms contained in the gallium nitride thin film 60 formed thereon from penetrating into the lower silicon substrate 10 by a melt back phenomenon, and the silicon substrate 10 and the silicon substrate 10. The stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the gallium nitride thin film 60 is alleviated to prevent cracks from occurring in the gallium nitride thin film 60. The gallium aluminum nitride layer 40 is preferably formed to a thickness of 100 to 300nm for the penetration of the silicon substrate 10 and stress relaxation of the Ga atom.

상기 제2질화 알루미늄층(50)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막(60)의 결함 밀도를 직접적으로 제어하여 질화 갈륨 박막(60)의 품질을 결정한다. 또한 제2질화 알루미늄층(50)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막(60)과 하부에 있는 실리콘 기판(10) 간의 결정격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 응력을 완화시켜 질화 갈륨 박막(60)에 크랙이 발생되는 것을 방지한다. 이러한 기능을 감안하여, 상기 제2질화 알루미늄층(50)은 수십 내지 100nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The second aluminum nitride layer 50 directly controls the defect density of the gallium nitride thin film 60 formed thereon to determine the quality of the gallium nitride thin film 60. In addition, the second aluminum nitride layer 50 may reduce the stress caused by the crystal lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference between the gallium nitride thin film 60 formed on the upper portion and the silicon substrate 10 on the lower portion. To prevent cracking). In view of such a function, the second aluminum nitride layer 50 is preferably formed to a thickness of several tens to 100 nm.

그러면 이하에서는 상술한 구조를 갖는 질화 갈륨 박막 기판의 제조를 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화 갈륨 박막 형성 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Next, a method of forming a gallium nitride thin film according to a preferred embodiment of the present invention for manufacturing a gallium nitride thin film substrate having the above-described structure will be described in detail.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화 갈륨 박막 형성 방법의 순차적 흐름을 도시한 공정 단면도들이다.2 to 8 are cross-sectional views illustrating a sequential flow of a gallium nitride thin film forming method according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 먼저 면 방위가 {111}인 실리콘 기판(10)에 대해 화학적 전처리를 수행한다. 즉, 1차로 SC1 세정을 시행하여 실리콘 기판(10) 상부 표면에 존재하는 유기 오염물, 미세 파티클 등을 제거한다. 그런 다음 2차로 실리콘 기판 상부에 형성된 자연 산화막을 희석 불산(diluted HF)을 이용하여 제거한다. Referring to FIG. 2, first, chemical pretreatment is performed on a silicon substrate 10 having a plane orientation of {111}. That is, the first SC1 cleaning is performed to remove organic contaminants, fine particles, etc. present on the upper surface of the silicon substrate 10. Then, the native oxide film formed on the silicon substrate is removed using dilute hydrofluoric acid (diluted HF).

도 3을 참조하면, 실리콘 기판(10)에 대한 화학적 전처리가 완료되면, 실리콘 기판(10)을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비 내에 반입시킨 후, 1000 내지 1200℃의 고온에서 수소를 이용한 열 클리닝 공정을 실시한다. Referring to FIG. 3, when the chemical pretreatment of the silicon substrate 10 is completed, the silicon substrate 10 is loaded into a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and then heat using hydrogen at a high temperature of 1000 to 1200 ° C. FIG. Carry out the cleaning process.

그러고 나서, 열 클리닝 공정을 실시한 온도 조건에서 TMAl(TriMethlyAlluminum) 소스를 이용한 Al 코팅 공정을 실시하여 실리콘 기판(10) 상부 표면에 Al 코팅층(70)을 형성한다. Al 코팅층(70)을 형성하는 이유는, 후속하는 제1질화 알루미늄층 형성 공정에서 실리콘 기판(10) 상부 표면의 Si 원자와 NH3의 N 원자가 만나 반응하는 것을 막기 위한 것이다. 바람직하게, Al 코팅층(70)의 증착 공정은 적어도 10 초 내지 1분 진행한다. Thereafter, an Al coating process using a TriMethlyAlluminum (TMAl) source is performed at a temperature condition where the thermal cleaning process is performed to form an Al coating layer 70 on the upper surface of the silicon substrate 10. The reason for forming the Al coating layer 70 is to prevent the Si atoms on the upper surface of the silicon substrate 10 and the N atoms of NH 3 from reacting with each other in the subsequent first aluminum nitride layer forming process. Preferably, the deposition process of the Al coating layer 70 proceeds for at least 10 seconds to 1 minute.

도 4를 참조하면, Al 코팅층(70)의 형성이 완료되고 나면, 1000 내지 1200℃의 온도 및 수소 분위기하에서 실리콘 기판(10)의 상부 표면으로 NH3를 흘려 Al 코팅층(70)과 NH3를 반응시킴으로써 제1질화 알루미늄층(80)을 형성한다. 제1질화 알루미늄층(80)은 Al 코팅층(70)을 형성할 때의 온도 조건과 동일한 온도 조건에서 형성되므로, 가장 마지막으로 형성될 질화 갈륨 박막과 실리콘 기판(10)과의 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 응력을 완화시키는 역할을 한다. 한편 제1질화 알루미늄층(80)은 후속 공정에서 형성되는 에피 질화 갈륨층의 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 실리콘 기판(10)으로 침투하는 것을 방지할 수 있도록 수 nm 내지 100nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, after formation of the Al coating layer 70 is completed, NH 3 is flowed to the upper surface of the silicon substrate 10 at a temperature of 1000 to 1200 ° C. and a hydrogen atmosphere to form the Al coating layer 70 and NH 3 . By reacting, the first aluminum nitride layer 80 is formed. Since the first aluminum nitride layer 80 is formed at the same temperature condition as that of forming the Al coating layer 70, the thermal expansion coefficient difference between the last gallium nitride thin film to be formed and the silicon substrate 10 is different. It acts to relieve the generated stress. Meanwhile, the first aluminum nitride layer 80 may be formed to have a thickness of several nm to 100 nm to prevent Ga atoms of the epi gallium nitride layer formed in a subsequent process from penetrating into the silicon substrate 10 by a melt back phenomenon. desirable.

도 5를 참조하면, 제1질화 알루미늄층(80)이 형성되고 나면, 1000 내지 1200 ℃의 온도 및 수소 분위기하에서 제1질화 알루미늄층(80)의 표면으로 TMGa(TriMethlyGalium) 및 NH3를 흘려 에피 질화 갈륨층(90)을 형성한다. 상기 에피 질화 갈륨층(90)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막의 결정 결함을 제어하여 질화 갈륨 박막의 품질을 향상시킨다. 한편 에피 질화 갈륨층(90)은 하부의 실리콘 기판(10)과 근접하게 형성되어 있으므로, 그 두께를 적절하게 제어하지 않으면 에피 질화 갈륨층(90)에 포함된 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 하부의 실리콘 기판(10)으로 침투될 우려가 있다. 따라서 에피 질화 갈륨층(90)은 Ga 원자의 실리콘 기판(10) 침투를 야기하지 않도록 30 내지 200nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, after the first aluminum nitride layer 80 is formed, TMGa (TriMethlyGalium) and NH 3 are flowed to the surface of the first aluminum nitride layer 80 at a temperature of 1000 to 1200 ° C. and a hydrogen atmosphere. The gallium nitride layer 90 is formed. The epi gallium nitride layer 90 controls the crystal defects of the gallium nitride thin film formed on the top to improve the quality of the gallium nitride thin film. On the other hand, since the epi gallium nitride layer 90 is formed close to the lower silicon substrate 10, if the thickness is not properly controlled, the Ga atoms contained in the epi gallium nitride layer 90 are formed by the melt back phenomenon. There is a risk of penetration into the silicon substrate 10. Therefore, the epi gallium nitride layer 90 is preferably formed to a thickness of 30 to 200nm so as not to cause the penetration of the silicon substrate 10 of Ga atoms.

도 6을 참조하면, 에피 질화 갈륨층(90)을 형성하고 난 후, 1000 내지 1200℃의 온도 및 수소 분위기하에서 에피 질화 갈륨층(90)의 상부 표면으로 TMAl, TMGa 및 NH3를 흘려 질화갈륨알루미늄층(100)을 형성한다. 이렇게 형성된 질화갈륨알루미늄층(100)은 후속하는 질화 갈륨 박막 형성 과정에서 멜트 백 현상을 제어하여 Ga 원자가 하부의 실리콘 기판(10)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라 실리콘 기판(10)과 질화 갈륨 박막 간의 격자상수 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 응력을 완화시킨다. 이러한 기능을 감안하여, 상기 질화갈륨알루미늄층(100)은 100 내지 300nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 6, after the epi gallium nitride layer 90 is formed, TMAl, TMGa, and NH 3 are flowed to the upper surface of the epi gallium nitride layer 90 at a temperature of 1000 to 1200 ° C. and a hydrogen atmosphere to form gallium nitride. An aluminum layer 100 is formed. The gallium aluminum nitride layer 100 formed as described above may prevent a Ga atom from penetrating into the lower silicon substrate 10 by controlling a melt back phenomenon in a subsequent gallium nitride thin film formation process. In addition, the stress caused by the lattice constant mismatch between the silicon substrate 10 and the gallium nitride thin film and the difference in thermal expansion coefficient is alleviated. In view of such a function, the gallium aluminum nitride layer 100 is preferably formed to a thickness of 100 to 300nm.

도 7을 참조하면, 질화갈륨알루미늄층(100)을 형성하고 난 후, 1000 내지 1200℃의 온도 및 수소 분위기하에서 질화갈륨알루미늄층(100)의 상부 표면으로 TMAl 및 NH3를 흘려 제1질화 알루미늄층(80)보다 두껍게 제2질화 알루미늄층(110)을 형성하여 버퍼층(B)의 구조를 완성한다. 이렇게 형성된 제2질화 알루미늄층(50)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막의 결정 결함을 직접적으로 제어하여 질화 갈륨 박막의 품질을 결정한다. 또한 제2질화 알루미늄층(110)은 상부에 형성되는 질화 갈륨 박막과 하부에 있는 실리콘 기판(10) 간의 결정격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 응력을 완화시켜 질화 갈륨 박막에 크랙이 발생되는 것을 방지한다. 이러한 점을 감안하여, 상기 제2질화 알루미늄층(110)은 수십 내지 100nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 7, after forming the gallium aluminum nitride layer 100, TMAl and NH 3 are flowed to the upper surface of the gallium aluminum nitride layer 100 under a hydrogen atmosphere and at a temperature of 1000 to 1200 ° C. to form first aluminum nitride. The second aluminum nitride layer 110 is formed thicker than the layer 80 to complete the structure of the buffer layer B. The second aluminum nitride layer 50 formed as described above directly controls the crystal defects of the gallium nitride thin film formed thereon to determine the quality of the gallium nitride thin film. In addition, the second aluminum nitride layer 110 may relieve stress caused by the crystal lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference between the gallium nitride thin film formed on the upper portion and the silicon substrate 10 on the lower portion, thereby causing cracks in the gallium nitride thin film. To prevent them. In view of this point, the second aluminum nitride layer 110 is preferably formed to a thickness of several tens to 100 nm.

도 8을 참조하면, 제2질화 알루미늄층(110)의 형성으로 버퍼층(B)의 구조가 완성되면, 1000 내지 1200℃의 온도 및 수소 분위기하에서 제2질화 알루미늄층(110)의 상부 표면으로 TMGa와 NH3를 흘려 질화 갈륨 박막(120)을 형성한다. 이 때 버퍼층(B)에 의해 실리콘 기판(10)과 질화 갈륨 박막(120) 간의 결정격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 응력이 완화되므로 크랙이 없는 양호의 품질의 질화 갈륨 박막(120)을 1.5um 이상으로 두껍게 형성할 수 있고, 나아가 멜트 백 현상에 의해 Ga 원자가 실리콘 기판(10)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 8, when the structure of the buffer layer B is completed by forming the second aluminum nitride layer 110, TMGa is formed on the upper surface of the second aluminum nitride layer 110 at a temperature of 1000 to 1200 ° C. and a hydrogen atmosphere. And NH 3 are flown to form a gallium nitride thin film 120. At this time, since the stress generated by the crystal lattice mismatch between the silicon substrate 10 and the gallium nitride thin film 120 and the difference in thermal expansion coefficient is alleviated by the buffer layer B, the gallium nitride thin film 120 having good quality without cracks is It can be formed thicker than 1.5um, and furthermore, Ga atoms can be prevented from penetrating into the silicon substrate 10 by the melt back phenomenon.

상술한 실시예에서, 버퍼층(B)과 질화 갈륨 박막(120)은 MOCVD 방법을 사용하여 형성하였다. 하지만 버퍼층(B)과 질화 갈륨 박막(120)은 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE), 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE) 등 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다른 방법을 이용하여 형성할 수 있음은 자명하다. In the above embodiment, the buffer layer B and the gallium nitride thin film 120 were formed using the MOCVD method. However, the buffer layer B and the gallium nitride thin film 120 may use other methods known in the art, such as molecular beam epitaxy (MBE) and hybrid vapor deposition (HVPE). It can be formed by the obvious.

도 9는 2 인치 실리콘 기판 상에 본 발명에 따라 버퍼층을 형성한 후 질화 갈륨 박막을 성장시켰을 때 기판 전체에 걸쳐 박막 두께를 측정한 결과를 보여준다. 도면을 참조하면, 질화 갈륨 박막이 1.5 um 이상의 두께로 성장되었음을 확인할 수 있다. Figure 9 shows the result of measuring the thickness of the thin film over the entire substrate when growing a gallium nitride thin film after forming a buffer layer in accordance with the present invention on a 2 inch silicon substrate. Referring to the drawings, it can be seen that the gallium nitride thin film was grown to a thickness of 1.5 um or more.

도 10은 결정 회절 장치(XRD)를 이용하여 본 발명에 따라 형성된 질화 갈륨 박막 샘플의 락킹(rocking) 그래프를 측정하여 결정의 특성을 분석한 결과를 보여주는 그래프이다. 도면을 참조하면, 질화 갈륨 박막의 반가폭(FWHM: Full Width at Half Max)이 580 이하이므로 버퍼층(B)에 의해 결정 결함이 효과적으로 제어되어 박막의 결정 품질이 향상된 것을 확인할 수 있다. FIG. 10 is a graph showing the results of analyzing the characteristics of a crystal by measuring a rocking graph of a gallium nitride thin film sample formed according to the present invention using a crystal diffraction apparatus (XRD). Referring to the drawings, since the full width at half max (FWHM) of the gallium nitride thin film is 580 or less, it can be seen that the crystal defects are effectively controlled by the buffer layer B, thereby improving the crystal quality of the thin film.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

본 발명에 따르면, 제1 및 제2질화 알루미늄층 사이에 에피 질화 갈륨층과 질화갈륨알루미늄층이 개재된 구조로 버퍼층을 형성한 후 질화 갈륨 박막을 형성함으로써, 질화 갈륨 박막과 실리콘 기판 간의 결정격자 부정합과 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 응력이 완화되고 전위와 같은 결정 결함이 효과적으로 제어되어 결정 품질이 향상된 질화 갈륨 박막을 1.5um 이상의 두께로 형성하는 것이 가능 하다.  According to the present invention, a crystal lattice between a gallium nitride thin film and a silicon substrate is formed by forming a gallium nitride thin film after forming a buffer layer having a structure in which an epigallium nitride layer and a gallium aluminum nitride layer are interposed between the first and second aluminum nitride layers. It is possible to form a gallium nitride thin film having a thickness of 1.5 μm or more by reducing stress caused by mismatch and coefficient of thermal expansion and effectively controlling crystal defects such as dislocations.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 버퍼층 내에 포함된 질화갈륨알루미늄층이 질화 갈륨 박막 형성 과정에서 Ga 원자가 멜트 백 현상에 의해 실리콘 기판으로 침투하는 것을 방지하여 질화 갈륨 박막의 품질 열화를 방지할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the gallium aluminum nitride layer included in the buffer layer may prevent Ga atoms from penetrating into the silicon substrate by a melt back phenomenon during gallium nitride thin film formation, thereby preventing deterioration of the quality of the gallium nitride thin film.

Claims (12)

(a) 실리콘 기판 상에 제1질화 알루미늄층을 형성하는 단계;(a) forming a first aluminum nitride layer on the silicon substrate; (b) 상기 제1질화 알루미늄층 상에 에피 질화 갈륨층을 형성하는 단계;(b) forming an epi gallium nitride layer on the first aluminum nitride layer; (c) 상기 에피 질화 갈륨층 상에 질화갈륨알루미늄층을 형성하는 단계; (c) forming a gallium aluminum nitride layer on the epi gallium nitride layer; (d) 상기 질화갈륨알루미늄층 상에 제2질화 알루미늄층을 형성하는 단계; 및(d) forming a second aluminum nitride layer on the gallium aluminum nitride layer; And (e) 상기 제2질화 알루미늄층 상에 질화 갈륨 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.(e) forming a gallium nitride thin film on the second aluminum nitride layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1질화 알루미늄층은 2 nm 내지 100nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.The first gallium nitride layer is formed with a thickness of 2 nm to 100 nm. 제2항에 있어서, 상기 (a) 단계는,The method of claim 2, wherein step (a) comprises: 상기 실리콘 기판 상에 Al 코팅층을 형성하는 단계; 및Forming an Al coating layer on the silicon substrate; And 상기 Al 코팅층의 상부로 NH3 가스를 흘려 Al 코팅층을 질화 알루미늄층으로 전환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.And converting the Al coating layer into an aluminum nitride layer by flowing NH 3 gas on top of the Al coating layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에피 질화 갈륨층은 30 내지 200nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.The epi gallium nitride layer is formed of a gallium nitride thin film, characterized in that formed in a thickness of 30 to 200nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 질화갈륨알루미늄층은 100 내지 300nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.The gallium nitride layer is formed of a gallium nitride thin film, characterized in that formed in a thickness of 100 to 300nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2질화 알루미늄층은 20 내지 100nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.The second aluminum nitride layer is formed of a gallium nitride thin film, characterized in that formed in a thickness of 20 to 100nm. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1질화 알루미늄층, 에피 질화 갈륨층, 질화갈륨알루미늄층 및 제2질화 알루미늄층은 1000 내지 1200℃의 온도 조건에서 MOCVD 법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 형성 방법.The first gallium nitride layer, the epi gallium nitride layer, the gallium nitride layer and the second aluminum nitride layer is formed by a MOCVD method at a temperature condition of 1000 to 1200 ℃. 실리콘 기판; Silicon substrates; 상기 실리콘 기판에 형성된 버퍼층으로서, 제1질화 알루미늄층, 에피 질화 갈륨층, 질화갈륨알루미늄층 및 제2질화 알루미늄층이 순차적으로 적층된 버퍼층; 및A buffer layer formed on the silicon substrate, the buffer layer comprising a first aluminum nitride layer, an epi gallium nitride layer, a gallium aluminum nitride layer, and a second aluminum nitride layer sequentially stacked; And 상기 버퍼층 상에 형성된 질화 갈륨 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 질 화 갈륨 박막 기판.Gallium nitride thin film substrate, characterized in that it comprises a gallium nitride thin film formed on the buffer layer. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 제1질화 알루미늄층은 2 nm 내지 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 기판.The first gallium nitride layer has a thickness of 2 nm to 100 nm. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 에피 질화 갈륨층은 30 내지 200nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 기판.The epi gallium nitride layer is a gallium nitride thin film substrate, characterized in that having a thickness of 30 to 200nm. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 질화갈륨알루미늄층은 100 내지 300nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 기판.The gallium nitride layer is a gallium nitride thin film substrate, characterized in that having a thickness of 100 to 300nm. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 제2질화 알루미늄층은 20 내지 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 박막 기판.The gallium nitride thin film substrate, characterized in that the second aluminum nitride layer has a thickness of 20 to 100nm.
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