KR101008284B1 - 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 있어서, 기판 중앙부의 가열 온도를 상대적으로 낮춤으로써 기판의 아래로 오목한 휨(Convave Bowing)을 적어도 한 방향으로 억제하는 억제 단계; 그리고, 기판이 억제 단계에 놓인 상태에서 기판과 일체가 되도록 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 성장 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
질화물, 반도체, 발광소자, 활성층, 오목, 다이오드, 성장, 기판, 사파이어

Description

3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법{METHOD OF GROWING III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LAYER}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 특히 얇은 대면적 사파이어 기판을 이용하여 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 3족 질화물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체 층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성 장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도 체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2는 종래의 MOCVD 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반응로(1) 내에서, 기판(100)이 서셉터(2)의 포켓(3)에 놓여 있다. 반응로(1)의 온도는 서셉터(2) 의 아래에 위치하는 히터(4)에 의해 조절되며, 공급관(5)을 통해 3족 질화물 반도체층 성장을 위한 원료 물질(반응 가스)을 공급함으로써 3족 질화물 반도체층의 성장이 이루어진다. 이러한 MOCVD 장치의 일 예가 미국특허 제5,334,277호에 기재되어 있다.
종래의 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 이종 기판인 사파이어(Al2O3) 기판이 주로 사용되는데, 사파이어 기판은 격자 상수 및 열팽창 계수에 있어 3족 질화물 반도체층과 차이를 가지고, 사파이어 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시켰을 때, 이 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 의해 결정 결함 및 휨(bowing)이 나타난다. 이러한 결정 결함 및 휨을 해소하는 종래의 대표적인 방법이 전술한 바와 같이 버퍼층(200)을 도입하는 것이다.
한편 최근에는 생산성 향상을 위해 기판이 대면적화되고 있으며(2인치에서 4인치 등으로), 이에 따라 3족 질화물 반도체층이 성장된 기판(이하, '웨이퍼'라 함)의 휨의 문제 및 휜 웨이퍼에 있어서 발광 파장의 제어 문제가 더욱 크게 부각되고 있다. 이 문제를 해소하기 위해, 두꺼운 사파이어 기판(예: over 800um)을 사용하여 기판의 휨을 억제하거나, 휜 기판에 균일하게 열을 공급하기 위하여 아래로 오목한(concave) 서셉터 포켓(susceptor pocket)을 사용하는 등의 개선책이 제시되고 있다. 그러나 두꺼운 사파이어 기판의 사용은 후 공정에서 있어서 많은 제약을 가져오며, 오목한 포켓의 사용은 기판의 휨의 해소에 대한 근본적인 대책이 될 수 없다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 있어서, 기판 중앙부의 가열 온도를 상대적으로 낮춤으로써 기판의 아래로 오목한 휨(Convave Bowing)을 적어도 한 방향으로 억제하는 억제 단계; 그리고, 기판이 억제 단계에 놓인 상태에서 기판과 일체가 되도록 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 성장 단계;를 포함하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 3은 본 개시에 따른 성장 방법을 설명하기 위해 사용된 실패 예의 하나를 나타내는 사진으로서, 대략 600um 전후의 4인치(inch) 사파이어 기판에 3족 질화물 반도체층을 성장시킨 후, 반응로 내부를 나타내고 있으며, 기판 또는 웨이퍼(100)는 서셉터(2)의 포켓(3)에 그대로 위치하고 있으나, 기판 또는 웨이퍼(100a)는 깨어져 있다. 웨이퍼(100a)의 깨어짐은 사파이어 기판과 3족 질화물 반도체 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 인해 성장 중에 발생하는 웨이퍼의 휨에 기인한다.
도 4는 3족 질화물 반도체층의 성장에서 웨이퍼의 곡률 변화의 일 예를 나타내는 그래프로서, 3족 질화물 반도체층의 성장에 앞서 행해지는 가열(예: 1100℃)에서 사파이어 기판(100)은 아래로 오목하게(concave) 심하게 휘어진다. 이 오목한 휘어짐은 직접 가열되는 사파이어 기판(100)의 하면과 가스가 공급되는 사파이어 기판(100) 상면 사이의 온도차에 기인하는 것으로 판단된다.
이 전처리 과정 이후 버퍼층(200)의 성장을 위해 온도가 낮추어지며(예: 550℃), 이때 웨이퍼의 휨은 감소된다.
다시, 도핑되지 않은 GaN과 GaN으로 된 n형 질화물 반도체층(300)의 성장을 위해 온도가 높혀지며, 이 과정에서 웨이퍼의 휨은 증가하고, n형 질화물 반도체층(300)의 성장에 따라 오목한 휨은 증가하게 된다. 이때 웨이퍼의 오목한 휨은 웨이퍼 상면과 하면의 온도차와 사파이어 기판(100)과 3족 질화물 반도체층(300) 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
다음으로, InGaN으로 된 활성층(400)의 성장을 위해 온도가 낮추어지며(예: 810℃), 웨이퍼의 휨도 감소하게 된다.
다시, GaN으로 된 p형 질화물 반도체층(500)의 성장을 위해 온도(예: 900℃)가 높혀지며, 이 과정에서 웨이퍼의 휨은 증가하게 되고, p형 질화물 반도체층(500)의 성장 동안에 지속된다.
3족 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 온도가 낮추어지며, 웨이퍼의 휨은 감소되고, 최종적으로 위로 볼록하게(convex) 된다.
도 5는 n형 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 두께 분포를 나타내는 이미지로서, 웨이퍼는 전체적으로 대칭적으로 아래로 오목한(concave) 형상을 가진다. 이는 C면 사파이어 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시킬 때 일반적 물리 현상이라 할 수 있다. 한편 A면 사파이어 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시키면 웨이퍼는 비대칭적으로 휘게 된다.
그리고 이러한 휨의 프로파일은 온도를 낮추어 활성층을 성장시킬 때도 유지되며, 이는 웨이퍼의 하부에 위치하는 히터에 의해 웨이퍼가 가열될 때, (웨이퍼의 에지부가 서셉터로부터 거리를 두게 되므로) 웨이퍼의 중앙부와 웨이퍼의 에지부 사이에 온도의 불균일을 가져오고, 최종적으로 성장되는 발광소자의 발광 파장의 불균일을 야기하게 된다.
도 6은 도 5에 도시된 프로파일을 가지는 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지로서, 420nm로부터 457nm까지 발광 파장이 넓게 분포하여 웨이퍼를 양산 제품으로 사용하기 어렵게 된다(통상 발광 파장이 20nm 이내로 분포하여야 한다.)
본 발명자들은 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 성장 중에 웨이퍼의 휨을 억제하고, 활성층의 성장 중에 활성층의 발광 파장 분포를 좁힐 수 있는 방안을 검토하였다.
전술한 바와 같이, 두꺼운(over 800um) 기판을 사용하면 기판의 휨을 억제할 수 있지만, 웨이퍼로부터 개별 발광소자를 만드는데 어려움이 있으며, 오목한(concave) 포켓을 가지는 서셉터를 사용하는 경우에, 균일한 웨이퍼 가열이 가능하지만, 그 가변성이 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 사정하에서, 본 발명자들은 얇은 기판을 사용하면서도 문제점을 해소할 수 있는 방안을 검토하였으며, 성장 도중 웨이퍼의 휨을 강제적으로 억제함으로써 이러한 문제점을 개선하였다.
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체층의 성장에 이용되는 MOCVD 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 서셉터(2)에 놓인 기판 또는 웨이퍼(100) 상에서 3족 질화물 반도체층의 성장은 반응 가스(Reaction Gases)를 공급함으로써 이루어지며, 이 때의 온도의 조절은 서셉터(2) 아래에 위치하여 기판 또는 웨이퍼(100)에 열을 공급하는 히터(4a,4b,4c)에 의하여 이루어진다. 히터(4a,4b,4c)는 각각 다른 온도로 가열될 수 있으며, 이러한 MOCVD 장치의 예로 Aixtron사의 Thomas Swan Crius와 CCS flatform을 들 수 있다. 도 8에는 실제 히터 구성의 일 예를 사진으로 나타내었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기판 또는 웨이퍼(100)의 휨의 정도는 MOCVD 장치의 온도에 비례하여 증가한다는 것을 알 수 있으며, 본 발명자들은 이러한 점에 착 안하여, 히터(4b)의 온도를 히터(4a,4c)의 온도보다 낮게 하여, 기판 또는 웨이퍼(100)의 중앙부의 열팽창을 억제함으로써(기판 또는 웨이퍼(100)의 중앙부가 상대적으로 편평할 때 기판 또는 웨이퍼(100) 전체의 휨의 정도는 줄어들게 된다.), 기판 또는 웨이퍼(100)의 휨을 해소하였다.
도 9는 본 개시에 따라 n형 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 두께 분포를 나타내는 이미지로서, 도 5에 나타내어진 웨이퍼와 비교할 때, 서셉터의 반경 방향에 대하여(MOCVD 장치 내에서 Flat Zone이 서셉터의 중심 반대쪽에 위치함) 웨이퍼의 휨이 많이 해소되어 있음을 알 수 있다. 서셉터의 원주 방향에 대해서도 웨이퍼 중앙부의 온도를 웨이퍼 에지부보다 낮게 함으로써 웨이퍼의 힘을 해소하는 방안을 생각할 수 있다. 다만 현재 서셉터의 원주 방향으로 온도를 다르게 제어할 수 있는 MOCVD 장치는 본 발명자들이 파악한 범위에서 없다. 따라서 이러한 MOCVD 장치의 구현이 가능하다면, 서셉터의 원주 방향에 대해서도 웨이퍼의 휨을 강제적으로 해소할 수 있을 것이다. 이러한 제약에도 불구하고, 얇은(예: 650um) 사파이어 기판을 사용하였음에도, 도 3에서와 같은 기판 또는 웨이퍼의 깨어짐은 발생하지 않았다.
MOCVD로 이와 같은 LED 구조를 성장할 때 LED 특성 및 웨이퍼의 휨에 영향을 주는 부분은 크게 GaN층과 활성층 두부분으로 나눌 수 있다. GaN층 성장시 MOCVD 파워 공급 장치에서 공급하는 비율은 히터(4a)가 80%, 히터(4b)가 51%, 그리고 히터(4c)가 78.5%로 각각 나누어 입력하였다. 다음으로 활성층 성장시 파워공급 장치에서 공급하는 비율은 히터(4a)가 77%, 히터(4b)가 46%, 그리고 히터(4c)가 78%였 다.
도 10은 도 9에 도시된 프로파일을 가지는 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지로서, 활성층의 성장에 있어서도 히터(4b)의 공급 전력 파워를 히터(4a,4c)의 공급 전력 파워 보다 상대적으로 낮추어 유지함으로써, 웨이퍼의 휨을 감소시켰으며, 나아가 히터(4a,4b,4c)는 서로 링크되어 있어서 웨이퍼의 에지부 쪽에 열이 덜 공급되고, 서셉터에 접촉하는 웨이퍼 중앙부 쪽에 열이 많이 공급되는 문제점을 해소하기 위해 웨이퍼 에지부 쪽에 상대적으로 많은 열이 공급되도록 하였다(결과적으로 히터(4a,4c)의 온도를 히터(4b)의 온도보다 높게 전력을 공급 하였다.). 그 결과 431nm로부터 444nm까지 발광 파장이 좁게 분포하는 웨이퍼를 얻을 수 있었다.
이때, 3족 질화물 반도체 발광소자가 다음과 같은 조건에서 성장되었다.
MOCVD의 반응로 안에 650um 두께를 가지는 4인치 원형 사파이어 기판을 서셉터(Susceptor)에 위치시키고, 수소 분위기에서 온도를 1100℃까지 올려서 기판 표면의 불순물을 제거하였다.
이어서 버퍼층으로 미국공개특허공보 제2006/154454호에 개시된 바와 같이 SiC/InGaN 버퍼층을 성장하였다.
버퍼층을 성장한 후에 원료 가스로서 NH3, TMGa를 사용하여 도핑되지 않은 GaN을 성장온도 1050℃에서, 두께 3.5um 정도로 성장하였다.
성장온도를 1050℃로 유지하면서, n형 GaN층을 두께 2.5um 정도로 형성하였 다. 이때, GaN층의 성장 속도는 대략 6A/s였으며, DTBSi를 n형 GaN층을 Si 소스로 사용하였다.
활성층을 성장시키기 위하여 두께 80A 정도의 InxGa1-xN 장벽층과 두께 20A 정도의 InyGa1-yN(x>y) 우물층을 7주기 반복 적층하였다. 이때 성장온도는 700~900℃로 설정되었다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 얇은 두께를 가지는 기판을 이용한 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법. 두께의 얇음과 두꺼움은 상대적인 개념이나 대략 800um 이상의 두께를 두껍다고 할 수 있다. 그러나 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법이 800um 이상의 두께를 가지는 사파이어 기판에도 적용될 수 있음은 물론이다. 다만 본 개시에 따른 성장 방법을 적용함으로써 기존에는 깨짐 및 발광 파장의 불균일 때문에 사용될 수 없었던 얇은 기판을 사용할 수 있게 되는 것이다. 얇은 두께의 하한에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 너무 얇게 되면 이것을 이유로 기판이 깨질 수 있는 점을 염두에 두어야 한다. 이러한 사정(깨어짐, 공정의 편의 및 비용 등)을 감안할 때, 500um에서 800um 사이의 두께를 가지는 기판이 바람직하며, 600um 대의 사파이어 기판을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 기판의 크기(또는 직경)에도 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 본 개시에 따른 성장 방법은 대면적 기판(over 2인치)을 이용한 성장에서 발생한 문제점을 특히 겨낭하고 있다. 현재 2인치 사파이어 기판의 경우에 통상 430um 두께를 넘지 않는 기판을 사용하므로 본 개시에 따른 성장 방법과 구분을 할 수 있을 것이다. 다만 본 개시에 따른 성장 방법이 2인치 사파이어 기판에 적용될 수 있음은 물론이다. 주의할 것은 기판의 크기(또는 직경)에 따라 기판의 두께의 두꺼움과 얇음이 상대적으로 개념으로 사용될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 2인치 사파이어 기판에서는 430um 두께의 기판은 두꺼운 기판에 해당하지만, 4인치 사파이어 기판에서는 사용하기 힘들 정도로 얇은 기판에 해당한다. 따라서 3인치, 5인치, 6인치 기판에 있어서, 두께의 얇음과 두꺼움은 상대적인 개념이며, 본 개시에 따른 성장 방법은 그에 맞추어 사용될 수 있음을 염두에 두어야 한다. 기판은 일반적으로 원형의 기판이 사용되지만 사각형이나 육각형의 기판에도 본 개시에 따른 성장 방법이 적용될 수 있을 것이다.
(2) 기판 또는 웨이퍼 중앙부의 열팽창을 억제시킨 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법. 본 개시에 따른 성장 방법은 낮은 온도에서 기판 또는 웨이퍼의 휨이 덜하는 점을 고려하여 기판 또는 웨이퍼 중앙부의 온도를 기판 또는 웨이퍼 에지부의 온도보다 낮추어 기판 또는 웨이퍼 중앙부의 곡률 반경을 감소시킴으로써 기판 또는 웨이퍼 전체의 휨을 감소시켜 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법을 제공한다. 이러한 휨의 감소를 통해, 성장 도중 기판의 깨짐을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 서셉터와 분리되는 기판 또는 웨이퍼 에지부에 열을 충분히 공급할 수 있게 되어 발광 파장의 분포를 좁게 할 수 있게 된다. C면 사파이어 기판을 이용하는 경우에 일반적으로 휨은 대칭적으로 발생하며, 본 개시에 따른 성장 방법은 기판 또는 웨이퍼의 휨을 적어도 한쪽 방향(예: 서셉터의 반경 방향 또는 기판 플랫 존(Flat Zone)에 수직 방향)으로 억제함으로써 기판 또는 웨이퍼의 휨을 해소하는 것이다. 나아가 본 개시에 따른 성장 방법은 한쪽 방향으로 기판 또는 웨이퍼의 휨을 해소하더라도 좁은 범위의 발광 파장 분포를 가지는 발광소자를 제조할 수 있음을 보여주고 있다. 이때, 히터(4b)와 히터(4a) 또는 히터(4c)와의 온도차를 일의적으로 정의할 수는 없지만, 4인치 사파이어 기판을 이용하는 경우에, 적어도 10℃ 이상의 온도차를 가지면 만족스러운 효과를 기대할 수 있을 것이다.
여기서 효과라 함은, n형 3족 질화물 반도체층의 성장에 있어서는 기판 또는 웨이퍼가 깨어지지 않도록 하는 것을 말하며, 활성층의 성장에 있어서는 제품 사양(product specification)이 요구하는 발광 파장의 범위(예: 20nm)를 말한다.
(3) 좁은 범위의 발광 파장 분포를 가지는 대면적 기판을 이용한 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법. 본 개시에 따른 성장 방법에 의하면, 기판 또는 웨이퍼 중앙부의 가열 온도를 상대적으로 낮춤으로써 기판 또는 웨이퍼 휨을 감소시키는 한편, 휨에 의해 서셉터와의 거리가 상대적으로 멀어지는 기판 또는 웨이퍼 에지부 쪽의 가열 온도를 높임으로써 좁은 범위의 발광 파장 분포를 가지는 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 하나의 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 의하면, 얇은 대면적 기판을 사용할 수 있게 된다.
또한 본 개시에 따른 다른 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 의하면, 깨짐을 방지하면서 얇은 대면적 기판을 사용할 수 있게 된다.
또한 본 개시에 따른 또다른 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 의하면, 좁은 범위의 발광 파장 분포를 가지는 얇은 대면적 기판을 사용할 수 있게 된 다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 MOCVD 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 개시에 따른 성장 방법을 설명하기 위해 사용된 실패 예의 하나를 나타내는 사진,
도 4는 3족 질화물 반도체층의 성장에서 웨이퍼의 곡률 변화의 일 예를 나타내는 그래프,
도 5는 n형 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 두께 분포를 나타내는 이미지,
도 6은 도 5에 도시된 프로파일을 가지는 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자층의 성장에 이용되는 MOCVD 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 실제 히터의 일 예를 나타내는 사진,
도 9는 본 개시에 따라 n형 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 두께 분포를 나타내는 이미지,
도 10은 도 9에 도시된 프로파일을 가지는 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지.

Claims (16)

  1. 기판 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법에 있어서,
    기판 중앙부의 가열 온도를 상대적으로 낮춤으로써 기판의 아래로 오목한 휨(Convave Bowing)을 적어도 한 방향으로 억제하는 억제 단계; 그리고,
    기판이 억제 단계에 놓인 상태에서 기판과 일체가 되도록 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 성장 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    억제 단계는 기판 중앙부의 휨을 억제함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    3족 질화물 반도체층은 전자와 정공의 재결합을 통해 발광하는 활성층을 포함하며,
    성장 단계는 기판 에지부의 가열 온도를 기판 중앙부의 가열 온도보다 높게 함으로써 발광 파장의 분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    억제 단계는 기판이 놓이는 서셉터 하부에 위치하는 복수개의 히터에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    복수개의 히터는 서셉터의 반경 방향으로 순차로 배치되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  7. 청구항 1, 2, 4, 5, 6 중의 어느 한 항에 있어서,
    기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    기판은 2인치보다 큰 대면적 C면 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    사파이어 기판은 500um이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    기판은 800um 이하의 두께를 가지는 얇은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    사파이어 기판은 600um 대의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    기판은 4인치 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  13. 청구항 4에 있어서,
    발광 파장의 분포는 20nm이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    기판은 2인치보다 큰 대면적 C면 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  15. 청구항 2에 있어서,
    기판 중앙부의 휨의 억제는 기판 중앙부의 가열 온도를 상대적으로 10℃이상 낮춤으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
  16. 청구항 4에 있어서,
    성장 단계는 기판 에지부의 가열 온도를 기판 중앙부의 가열 온도보다 10℃ 이상 높게 함으로써 발광 파장의 분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 방법.
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