KR101116905B1 - 질화물 반도체 결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 질화물 반도체 결정 성장 방법은 복수의 결정면을 가지는 기판에서 제1 결정면이 표면으로 되는 기판을 준비하는 단계; 기판의 제1 결정면에, 소정의 폭과 주기를 가지는 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계; 마스크 패턴 아래로, 제1 결정면과 소정의 각도를 가지는 제2 결정면이 노출되도록 상기 기판을 에칭하는 단계; 마스크 패턴을 제거하는 단계; 노출된 제2 결정면 상에 질화물 반도체를 성장시키는 단계; 및 제1 결정면과 수직한 방향으로 질화물 반도체를 성장시키는 단계로 이루어진다.

질화물 반도체, 결정 성장, GaN, 반분극성, 실리콘 기판

Description

질화물 반도체 결정 성장 방법{Method for nitride semiconductor crystal growth}

본 발명은 질화물 반도체 결정 성장 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 반분극성을 가지는 질화물 반도체 결정 성장 방법에 관한 것이다.

최근 활발하게 개발되고 있는 III족 금속 질화물 반도체를 이용한 청색 및 백색 LED를 비롯한 청자색 레이저 다이오드 등의 광소자 및 전자소자들은 c-사파이어를 질화물 반도체 결정성장을 위한 기판으로 사용하고 있다. 그러나, 이러한 c-사파이어 기판은 결정 성장 방향으로 강한 분극성을 가지므로, 광소자의 발광 효율을 저하시키는 등의 문제점들을 가지고 있다.

이에 따라서, 이러한 분극성을 완화 또는 제거하기 위하여 반분극성(semi-polar) 또는 무극성(non-polar) 성질을 가지는 결정 성장에 대한 연구가 활발하게 진행이 되고 있다.

이러한 반분극성 질화물 반도체 결정 성장의 연구 중에서, 실리콘 기판을 사용하여 (11-22) GaN 결정을 선택적으로 성장시키는 방법이 제안된 바 있다. (Tanikawa et al., Journal of Crystal Growth Vol. 311, Issue 10 pp. 2879- 2882 (2009) 참조) 상기 제안된 방법은 (113) 결정면을 가지는 실리콘을 에칭 가공하여 (111) 결정면을 노출시키고 그 면에 (11-22) 결정면을 가지는 GaN 결정을 선택적으로 성장시키는 방법이다. (11-22) GaN 결정면은 분극성이 완화되는 특성을 가지는 반분극성(semi-polar) 결정면이기 때문에 이 결정면 위에 LED와 같은 광소자를 제작하면 발광효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

이를 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, (113) 결정면을 표면으로 하는 실리콘 기판(1)을 준비한 후(단계 S1), 실리콘 기판(1)의 (113) 결정면에 약 70 nm 두께의 SiO₂ 막을 스퍼터링하여 증착한 후 포토리소그라피 공정에 의하여 소정의 폭과 주기를 가지는 스트라이프 패턴의 마스크(2)을 제작한다. (단계 S2) 스트라이프 패턴의 마스크 제작이 완료되면 실리콘 기판(1)을 에칭하여 경사진 (111) 결정면이 노출되도록 하고(단계 S3), 유기금속 기상성장(Metalorganic vapour phase epitaxy: MOVPE) 장치를 이용하여 1차로 GaN 결정(3)을 성장한다(단계 S4) 이후, 2차로 GaN 결정을 성장하면 역삼각형 모양의 GaN 스트라이프 형상들이 합쳐지기 시작하여 최종적으로 평탄한 모양의 (11-22) GaN 결정(3')이 형성된다. (단계 S5)

도 7의 (a)는 도 6의 방법에 의해 성장된 GaN 결정의 단면 사진이고, (b)는GaN 결정의 358nm에서의 음극 발광(Cathodeluminescence: CL) 사진이며, (c) 363nm에서의 CL 사진이다.

그러나, 이러한 종래 방법에 따르면, SiO₂ 마스크 물질이 GaN 결정 성장 시 기판에 계속 존재하기 때문에 질화물 반도체 박막층과의 이질적인 성질에 의해 새로운 스트레인을 발생시키고, 반도체 내부에 적층 결함 등 많은 결정 결함을 발생시키는 문제가 있다.

특히, (113) 실리콘 기판 위에 (11-22) GaN를 결정성장 하기 위해서는 폭 1 내지 2μm의 스트라이프 형태들이 3-5μm의 주기를 가지도록 마스크를 제작하기 때문에, 단위 면적당 SiO₂의 밀도가 높게 되어서, 이에 따라서 생기는 결정 결함 등의 문제가 매우 크다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 기판 위에 반분극성 질화물 반도체 결정을 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적층 결함(stacking fault) 등의 결정 결함이 최소로 되는 우수한 결정질을 가지는 반분극성 GaN 결정 성장 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 광소자를 제조할 때 사용할 수 있는 우수한 결정질을 가지는 질화물 반도체 템플릿 기판용의 반분극성 질화물 반도체 결정을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 기타 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르는 질화물 반도체 결정 성장 방법은

복수의 결정면을 가지는 기판에서 제1 결정면이 표면으로 되도록 기판을 준비하는 단계;

기판의 제1 결정면에, 소정의 폭과 주기를 가지는 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계;

마스크 패턴 아래로, 상기 제1 결정면과 소정의 각도를 가지는 제2 결정면이 노출되도록 기판을 에칭하는 단계;

마스크 패턴을 제거하는 단계;

상기 노출된 제2 결정면 상에 질화물 반도체를 성장시키는 단계; 및

상기 제1 결정면과 수직한 방향으로 질화물 반도체를 성장시키는 단계로 이루어진다.

이때, 기판에서 스트라이프 형태의 에칭되지 않은 폭은 2μm 미만이 되고, 주기는 3-5μm 범위인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는, 스트라이프 형태의 에칭되지 않은 폭은 0.5-1.5μm 범위이다.

기판은 실리콘, GaAs, InP 및 사파이어로 이루어진 그룹 중에서 선택될 수 있으며, 질화물 반도체를 성장시키는 단계는 MOVPE를 사용하는 것이 바람직하다.

기판으로 실리콘 기판을 사용할 때, 제1 결정면은 (113) 결정면이고, 제2 결정면은 (111) 결정면이 되는 것이 바람직하다.

질화물 반도체가 갈륨 나이트라이드일 때, 상기 노출된 제2 결정면 상에 질화물 반도체를 성장시키는 단계 전에, 알루미늄 나이트라이드를 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따른 질화물 반도체는 상기한 방법으로 성장된 것이다.

본 발명의 질화물 반도체 결정 성장 방법에 따르면, 다양한 기판을 사용하면서도, 결정 결함 밀도를 감소시킨 반분극성의 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있다. 즉, 선택적 결정 성장에 흔히 사용되는 SiO₂ 또는 메탈 마스크를 사용하지 않음으로써 적층 결함에 의한 결정 결함밀도를 감소시키고 질화물 반도체 결정에 가해질 수 있는 마스크에 의한 스트레인을 제거함으로써 결정질의 향상을 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 실리콘, 사파이어, 다른 종류의 화합물 반도체(GaAs, InP) 등의 다양한 기판을 사용할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 실리콘 기판을 사용하는 경우, 대면적이 가능하여 생산 단가를 낮출 수 있고 여러 가지 고기능 소자와의 접목이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명에 의하여 제조된 질화물 반도체 결정이 템플릿 기판으로서 그 위에 청색 또는 백색 LED의 기판으로 사용되면 탑다운(top-down) 방식의 LED 전극형성이 가능하여 웨이퍼 당 수율 향상을 기대할 수 있고, 대면적의 실리콘 기판을 이용하면 LED의 생산단가도 낮출 수 있다는 장점이 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 결정 성장 방법이 도시되어 있다. 본 실시예는 실리콘 기판을 사용하여 반분극성의 (11-22) GaN 결정을 성장시키는 것에 대한 실시예이다.

먼저, (113) 결정면을 표면으로 하는 실리콘 기판(10)을 준비한다. (단계 S10)

다음으로, 실리콘 기판(10)의 (113) 결정면에 약 70 nm 두께의 SiO₂ 막을 스퍼터링하여 증착한 후 포토리소그라피 공정에 의하여 소정의 폭과 주기를 가지는 스트라이프 패턴의 마스크(20)을 제작한다. (단계 S20).

이때, 마스크(20)에서 SiO₂ 스트라이프의 폭은 2μm 미만이 되고, 주기는 3-5μm 범위이다. 최적 성장을 위해서는 폭이 0.5-1.5μm 범위가 되는 것이 바람직하다.

마스크(20) 제작이 완료되면 KOH 25% 용액을 이용해서 (113) 실리콘 기판(10)을 에칭하여 경사진 (111) 결정면이 노출되도록 한다. (단계 S30) 이때, 스트라이프 패턴의 방향은 (21-1) 방향이 되고 에칭을 실시하면, (111)결정면이 다른 방위의 결정면에 비하여 에칭 속도가 현저하게 낮기 때문에 에칭 후에는 (111) 결정면과 (-1-1-1) 결정면이 노출된다. 마스크(20)의 패턴에 따라서, 기판(10) 표면에서 스트라이프 형태의 에칭되지 않은 폭(도 2의 w)은 2μm 미만이 되고, 주기(eh 2의 s)는 3-5μm 범위가 된다.

에칭 공정이 완료되면 HF 또는 BOE 용액을 이용하여 SiO₂ 마스크를 제거한다. (단계 S40)

다음으로, MOVPE 결정 성장 장치를 이용하여 GaN 결정을 성장시킨다. MOVPE 결정 성장 장치의 Ga의 원료로는 TMGa, Al의 원료로는 TMAl 그리고 N의 원료로는 암모니아(NH₃)를 각각 이용한다. 이러한 GaN 결정 성장 단계는 두 단계(단계 S50과 단계 S60)으로 나뉘며 상세한 사항은 다음과 같다.

먼저, 스트라이프 형태로 가공된 (113) 실리콘 기판(10)을 도시되지 않은 반응관 안에 장착하고 1120℃에서 AlN을 약 100 nm 두께로 성장한 후 온도 1070℃에서 1차 GaN를 성장하면 역삼각형 모양의 GaN 스트라이프 형상(30)이 얻어진다. (단계 S50) 즉, 결정 성장을 위한 원료 분자들을 기판(10) 기판 위로 흘려주면, 원료 분자들은 기판 표면에서 일정한 거리를 이동(migration)하다가 가장 안정적인 위치를 찾게 되며, GaN의 결정구조상 실리콘 기판(10)의 (113) 결정면보다는 (111) 결정면 위에 선택적으로 결정 성장된다. 따라서, 폭이 좁은 (113) 결정면보다는 바로 옆에 존재하는 (111) 경사면에 우선적으로 성장을 하려는 경향이 있다.

도 3은 스트라이프 형태의 폭(w)이 0.5μm이고 주기(s)가 2.0μm일 때의 단계 S50이 완료된 후의 결정 단면 사진이다.

이후에 온도 1037℃에서 2차로 GaN 결정을 성장하면 역삼각형 모양의 GaN 스트라이프 형상들이 합쳐지기 시작하여 최종적으로 평탄한 모양의 (11-22) GaN 결 정(31)이 형성된다. (단계 S60)

이와 같이, SiO₂ 마스크 없이 선택적 결정 성장을 하기 위해서는 에칭 가공된 기판(도 2 참조)에서 스트라이프 형태로 형성된 (113) 결정면의 폭(w)과 주기(s)를 최적화시켜야 한다. 본 발명자는 다수의 실험을 통하여, 스트라이프의 폭(w)이 2 μm 이상이 되면 단계 S50에서 실리콘 결정의 (111) 결정면뿐 아니라 (113) 결정면 위에서도 결정 성장이 이루어짐을 확인하였다. 즉, 스트라이프 형태의 폭(w)이 평균적인 이동(migration) 거리에 해당하는 임계치를 넘어서면, 비록 (111) 결정면 위의 결정 선호도가 크더라도, 원료 분자들이 (111) 방향을 가지는 경사면까지 도달하지 못하고 (113) 결정면 위에서 결정 성장이 이루어지게 된다. (111) 결정면과 (113) 결정면에서 동시에 결정 성장이 이루어지는 경우 다결정이 되어버린다.

기판(10)의 스트라이프 형태의 폭(w)이 2μm 미만인 경우 원료가스들이 GaN 결정 성장이 비교적 쉽게 이루어지는 (111) 경사면에서 소모되면서 (111) 경사면 위에만 성장이 이루어지고 (113) 결정면 위에는 결정 성장이 되지 않게 된다.

더욱 바람직하기로는, 기판(10)의 스트라이프 형태의 폭(w)은 0.5-1.5μm 범위이다.

또한, 기판(10)의 스트라이프 형태의 주기(s)가 5μm를 넘어서게 되면, 역삼각형 모양의 GaN 결정이 너무 커진 후에 상호결합에 의한 평탄화가 시작되게 된다. 즉, 단계 S60에서의 평탄성이 나빠지게 되며, 평탄화까지의 결정 성장 시간이 길어 져서 비효율적이 된다.

도 4a 내지 도 4c는 스트라이프 형태의 폭과 주기를 달리하여 성장한 GaN 결정의 단면 사진이다. 도 4a는 폭(w)이 1μm이고 주기(s)가 2μm일 때의 GaN 결정의 단면이고, 도 4b는 폭(w)이 1μm이고 주기(s)가 3μm일 때의 GaN 결정의 단면이며, 도 4c는 폭(w)이 2μm이고 주기(s)가 3μm일 때의 GaN 결정의 단면이다. 즉, 도 4a 및 도 4b에서는 스트라이프 패턴의 폭(w)이 2μm 미만일 때 실리콘 기판의 (111) 결정면에서만 GaN이 선택적으로 성장하였음을 알 수 있으며, 도 4c에서는 스트라이프 패턴의 폭(w)이 2μm가 될 때 실리콘 기판의 (113) 결정면에도 GaN 결정이 성장되는 것을 확인할 수 있다.

도 5의 (a)는 폭(w)이 0.5μm이고 주기(s)가 2.0μm일 때, 최종적으로 성장된 GaN 결정의 단면의 SEM 사진이고, (b)와 (c)는 각각 GaN 결정의 358nm에서의 CL 및 363nm에서의 CL 사진이다. 도 5의 (b)에서 GaN의 주된 발광 영역인 358 nm의 파장에 해당하는 발광영역을 확인할 수 있다. 즉, 밝은 부분이 양호한 발광특성을 가지는 부분이다. 도 5의 (b)를 종래 SiO₂ 마스크를 사용하여 선택 결정 성장된 GaN 결정의 CL 사진인 도 7의 (b)와 비교하면, 밝은 부분의 영역이 보다 넓고 분포가 균일한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 5의 (c)는 파장 363 nm에서의 CL 영상을 도시하는 바, 이 파장 영역은 적층 결함에 관계된 영역으로 밝은 부분이 적층 결함을 가지는 영역이다. 도 5의 (c)를 종래 SiO₂ 마스크를 사용하여 선택 결정 성장된 GaN 결정의 CL 사진인 도 7의 (c)와 비교하면, 밝은 부분이 크게 줄어들었음을 확인할 수 있고, 종래에 비해 적층 결함을 가지는 영역이 크게 줄어들었음을 알 수 있다.

본 실시예에서는 실리콘 기판을 사용한 것을 설명하였으나, GaAs, InP 및 사파이어 기판을 사용하여 질화물 반도체 결정 성장을 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 실리콘 기판 위에 반분극성의 (11-22) GaN 결정 성장을 실시함에 있어서 선택적 결정 성장에 흔히 사용되는 SiO₂ 마스크를 사용하지 않음으로써 적층 결함에 의한 결정 결함밀도를 감소시키고 GaN 결정에 가해질 수 있는 마스크에 의한 스트레인을 제거함으로써 결정질의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 방법에 의하여 제조된 GaN 결정이 템플릿 기판으로 청색 또는 백색 LED의 제작에 기판으로 사용되면 탑다운 방식의 LED 전극형성이 가능하여 웨이퍼 당 수율 향상을 기대할 수 있다.

이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반분극성 GaN 결정 성장 방법을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 에칭되고 마스크가 제거된 기판을 도시한 도면이고,

도 3은 도 1의 S50 단계 후에 얻어진 GaN 결정을 촬영한 사진이고,

도 4a-도 4c는 스트라이프 형태의 폭과 주기를 달리하여 성장한 GaN 결정의 단면 사진이고,

도 5의 (a)는 본 발명의 실시예에 따라 성장한 GaN 결정의 단면 사진이고, (b)는 (a)의 결정의 358nm에서의 CL 사진이며, (c)는 363nm에서의 CL 사진이다.

도 6은 종래의 반분극성 GaN 결정 성장 방법을 도시한 도면이고,

도 7의 (a)은 도 6의 방법에 의해 성장된 GaN 결정의 단면 사진이고, (b)는 (a)의 결정의 358nm에서의 CL 사진이며, (c)는 363nm에서의 CL 사진이다.

Claims (10)

1. 질화물 반도체 결정 성장 방법에 있어서,

   복수의 결정면을 가지는 기판에서 제1 결정면이 표면으로 되는 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판의 제1 결정면에, 주기적인 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계;

   상기 마스크 패턴 아래로, 상기 제1 결정면과 경사면을 이루는 제2 결정면이 노출되도록 상기 기판을 에칭하는 단계;

   상기 마스크 패턴을 제거하는 단계;

   상기 노출된 제2 결정면 상에 질화물 반도체를 성장시키는 단계; 및

   상기 제1 결정면과 수직한 방향으로 질화물 반도체를 성장시키는 단계

   를 포함하고,

   상기 기판은 실리콘 기판이고, 제1 결정면은 (113) 결정면이고, 제2 결정면은 (111) 결정면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정 성장 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판에서 스트라이프 형태의 에칭되지 않은 폭은 2μm 미만인 질화물 반도체 결정 성장 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 기판에서 스트라이프 형태의 에칭되지 않은 폭은 0.5-1.5μm 범위인 질 화물 반도체 결정 성장 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기판에서 스트라이프 형태의 주기는 3-5μm 범위인 질화물 반도체 결정 성장 방법.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 질화물 반도체를 성장시키는 단계는 MOVPE를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정 성장 방법.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 질화물 반도체는 갈륨 나이트라이드인 것을 특징으로 하는 질화물 반도 체 결정 성장 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 노출된 제2 결정면 상에 질화물 반도체를 성장시키는 단계 전에, 알루미늄 나이트라이드를 성장시키는 단계

   를 더 포함하는 질화물 반도체 결정 성장 방법.
10. 제1항 내지 제4항, 제6항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 성장된 질화물 반도체.

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