KR101137907B1

KR101137907B1 - 질화갈륨 적층체 및 질화갈륨 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR101137907B1
Application number: KR1020070000313A
Authority: KR
Inventors: 최준성; 신현민
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2007-01-02
Publication date: 2012-05-03
Also published as: KR20080063654A

Abstract

본 발명은 질화갈륨 막을 베이스 기판 상에 성장시키기 전 또는 성장시키는 동안 격자 구조가 불안정한 복수의 분리층들을 형성시켜 상기 분리층으로 구분되는 복수의 질화갈륨막들을 성장시키는 질화갈륨 막의 성장단계 및 상기 성장된 질화갈륨 막을 냉각시켜 상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨 막들을 분리하는 분리단계를 포함하는 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공하며, 또한 복수의 분리층과 복수의 질화갈륨 막을 포함하는 질화갈륨 적층체를 제공한다.

Description

질화갈륨 적층체 및 질화갈륨 기판의 제조 방법{Gallium nitride multi-stack and method of manufacturing gallium nitride substrate}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 적층체를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 적층체를 도시한 단면도이다.

도 3은 도 2의 질화갈륨 적층체에 포함된 분리층을 개략적으로 도시한 개념도이다.

[도면의 주요 부호에 대한 설명]

100, 200: 질화갈륨 적층체

110, 210: 베이스 기판

121, 123, 125, 221, 223, 225: 분리층

130, 230: 제1 질화갈륨 막

140, 240: 제2 질화갈륨 막

150, 250: 제3 질화갈륨 막

300: 분리층

310: 제1 서브 분리층

320: 제2 서브 분리층

본 발명은 질화갈륨 적층체 및 질화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨 기판의 분리 및 연마 공정을 간소화시킬 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 질화갈륨 적층체에 관한 것이다.

일반적으로, 질화갈륨(gallium nitride, GaN)은 넓은 에너지 밴드갭과 원자간의 큰 상호 결합력 그리고 높은 열전도성으로 인해 광소자 및 고온, 고전력 소자로서 적합한 특성을 구비한다. 따라서, 질화갈륨 계열의 반도체 화합물은 광전자 소자를 제조하는 재료로 다양하게 이용되고 있으며, 구체적으로, 질화갈륨을 이용하여 제조된 청색 및 녹색 발광소자는 멀티미디어, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 정보 통신분야 등 광범위한 분야에 응용되고 있다.

질화갈륨(GaN) 단결정 막은 통상적으로 사파이어(α-Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판상에 유기금속 화학증착법(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition) 또는 분자선 성장법(MBE: molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상성장법(HVPE: hydride vapor phase epitaxy) 등과 같은 기상 성장법에 의해 제조되고 있다. 이 중에서 수 내지 수백 ㎛에 이르는 후막(thick film)의 성장에는 HVPE 성장법이 유리하다. 또한, HVPE 성장법에 의하면 성장조건, 기판의 사용 조건 등에 따라 수 mm의 벌크(bulk) 성장도 가능하다.

그러나, 질화갈륨을 두께 50mm 이상의 벌크로 성장한 후 200 내지 300㎛의 두께를 가진 질화갈륨 기판을 제작하기 위해 종래에는 소잉(sawing) 공법을 적용하여 분리를 하고 있다. 그러나, 상기 소잉 공법을 적용할 경우 질화갈륨 기판이 깨지거나 파손될 우려가 있으며, 소잉 공법을 적용한 후 표면의 거칠기(roughness)를 줄이기 위해 연마 공정을 적용해야 하므로 질화갈륨 기판의 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 질화갈륨 기판을 베이스 기판과 자동 분리할 수 있고 동시에 여러 장의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 질화갈륨 기판의 제조 방법에 의해 제조된 질화갈륨 적층체를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 질화갈륨 막을 베이스 기판 상에 성장시키기 전 또는 성장시키는 동안 격자 구조가 불안정한 복수의 분리층들을 형성시켜 상기 분리층으로 구분되는 복수의 질화갈륨막들을 성장시키는 질화갈륨 막의 성장단계 및 상기 성장된 질화갈륨 막을 냉각시켜 상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨 막들을 분리하는 분리단계를 포함한다. 베이스 기판과 질화갈륨 막 사이 또는 질화갈륨 막에 포함된 상기 분리층은 도핑물질을 소스물질에 포함시 켜 공급함으로써 형성될 수 있다. 상기 도핑물질은 실리콘, 망간, 산소, 크롬, 코발트, 구리, 아연, 탄소, 알루미늄, 인듐, 니켈, 철, 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있으며, 상기 도핑물질의 농도는 10¹⁶/cm³ 내지 10²¹/cm³이다.

상기 분리층을 제조하는 방법으로는 도핑하는 방법 이외에 상기 분리층이 복수의 서브 분리층들을 포함하도록 하고, 인접하는 상기 서브 분리층들의 격자상수가 서로 다르도록 상기 분리층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법이 있다. 상기 서브 분리층들의 각각의 두께는 5 내지 5000Å이며, 상기 서브 분리층들로 이루어진 상기 분리층의 두께는 1 내지 10㎛이다. 상기 분리층으로 구분되는 질화갈륨 막의 각각의 두께는 450 내지 1000㎛이다.

상기 분리층은 격자상수가 서로 다른 제1 서브 분리층 및 제2 서브 분리층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 상기 제1 서브 분리층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 포함하고, 상기 제2 서브 분리층은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함할 수 있다.

복수의 질화갈륨 막들과 분리층을 분리하는 방법으로는 성장된 질화갈륨 막을 냉각시킴으로써 자동으로 분리가 이루어지게 하며, 상기 냉각은 500℃ 이하의 온도 하에서 이루어진다.

본 발명의 일 특징에 따른 질화갈륨 적층체는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 격자구조가 불안정한 복수의 분리층 및 상기 복수의 분리층에 의하여 구분되는 복수의 질화갈륨 막들을 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 질화갈륨 적층체(100)는 베이스 기판(110), 질화갈륨 막(130, 140, 150) 및 분리층(121, 123, 125)을 포함한다. 상기 질화갈륨 적층체(100)는 상기 베이스 기판(110) 상에 형성된 분리층(121), 상기 분리층(121) 상에 형성된 제1 질화갈륨막(130), 상기 제1 질화갈륨 막(130) 위에 형성된 분리층(123), 상기 분리층(123) 위에 형성된 제2 질화갈륨 막(140), 상기 제2 질화갈륨 막(140) 위에 형성된 분리층(125), 상기 분리층(125) 위에 형성된 제3 질화갈륨 막(150)으로 이루어진다. 이는 본 발명의 일 실시예일뿐이며, 질화갈륨 적층체 내의 분리층의 개수와 질화갈륨 막의 개수는 이에 한정되지 않는다.

또한, 상기 베이스 기판(110)과 상기 제1 질화갈륨 막(130)을 구분하는 분리층(121)을 형성하지 않고 베이스 기판(110) 상에 바로 질화갈륨 막을 성장시킬 수도 있으며, 질화갈륨 막과 분리층의 적층 순서는 상기 실시예에 한정되지 않는다.

여기서 베이스 기판(110)으로 사파이어(α-Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판 또는 질화갈륨 기판을 사용할 수 있으나, 사파이어 기판이 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이고 값이 싸며 고온에서 안정한 이유로 많이 사용된다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 있어서 분리층(121, 123, 125)을 형성하는 방법으로는 도핑물질을 소스물질에 포함시켜 공급함으로써 성장시키는 방법이 있다. 상기 분리층(121, 123, 125)에 도핑물질을 과다 투입하는 경우 격자가 불안정하게 되어 냉각시 크랙(crack)을 유발하게 되므로 베이스 기판(110)과 질화갈륨 막들(130, 140, 150)을 분리할 수 있다.

상기 도핑물질은 실리콘, 망간, 산소, 크롬, 코발트, 구리, 아연, 탄소, 알루미늄, 인듐, 니켈, 철, 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있으며, 상기 도핑물질의 농도는 10¹⁶/cm³ 내지 10²¹/cm³이다. 특히 도핑물질로 실리콘, 망간 또는 산소를 과다 투입하는 경우 격자가 불안정해진다. 이로 인해 질화갈륨 기판을 냉각할 경우 크랙이 생겨 자동으로 베이스 기판(110)과 제1 질화갈륨 막(130), 제2 질화갈륨 막(140) 및 제3 질화갈륨 막(150)이 분리된다. 상기 분리층(121, 123, 125)으로 구분되는 질화갈륨 막(130, 140, 150)의 각각의 두께는 450 내지 1000㎛이나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 질화갈륨 막(130, 140, 150)의 두께는 필요에 따라 상기 범위보다 작거나 클 수도 있다.

또한 본 발명에 있어서, 각 분리층마다 도핑되는 물질이나 도핑 농도 및 두께는 다를 수 있다. 또한 단일 분리층 내에서도 도핑 농도의 구배를 형성하여 저농도에서 고농도로 또는 고농도에서 저농도로 변화시키면서 도핑물질을 공급하여 분리층을 형성할 수도 있다.

이하에서는 분리층을 형성하는 다른 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 적층체를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2의 질화갈륨 적층체에 포함된 분리층을 개략적으로 도시한 개념도이다.

우선 도 2를 참조하면, 질화갈륨 적층체(200)을 제조하는 방법은 도 1에서의 경우와 같다. 상기 질화갈륨 적층체(200)는 베이스 기판(210) 상에 분리층(221, 223, 225)과 질화갈륨 막(230, 240, 250)을 교대로 적층하여 형성하며, 상기 분리층과 질화갈륨 막의 개수, 적층 순서 등은 이에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2의 실시예에 있어서 차이점은 분리층을 형성하는 방법이다. 도 2에서는 분리층(221, 223, 225) 내에 복수 개의 서브 분리층들이 포함된 경우를 나타내고 있다. 상기 분리층(221, 223, 225)은 복수의 서브 분리층들을 포함하고 인접하는 상기 서브 분리층들의 격자상수가 서로 다르도록 형성되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 서브 분리층들의 각각의 두께는 5 내지 5000Å이며, 상기 서브 분리층들로 이루어진 상기 분리층(221, 223, 225)의 두께는 1 내지 10㎛이다. 상기 분리층으로 구분되는 질화갈륨 막(230, 240, 250)의 각각의 두께는 450 내지 1000㎛이다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 서브 분리층, 분리층 또는 질화갈륨 막의 두께는 이와 다를 수 있으며, 제1 질화갈륨 막(230), 제2 질화갈륨 막(240) 및 제3 질화갈륨 막(250)의 각각의 두께는 모두 다를 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 분리층(221, 223, 225, 300)은 서브 분리층으로 이루어지며, 상기 분리층(300)은 격자상수가 서로 다른 제1 서브 분리층(310) 및 제2 서브 분리층(320)이 교대로 적층되어 형성된다. 상기 제1 서브 분리층(310)과 상기 제2 서브 분리층(320)이 교대로 적층될 경우 냉각시 격자상수 차이에 의한 응력에 의하여 크랙이 발생하게 된다. 이로 인해 상기 분리층(221)을 사이에 둔 제1 질화갈륨 막(230)과 베이스 기판(210), 그리고 상기 분리층(223, 225)을 사이에 둔 제1 질화갈륨 막(230), 제2 질화갈륨 막(240) 및 제3 질화갈륨 막(250)을 외력을 가하지 않고 냉각에 의해 자동분리되도록 유도할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 제1 서브 분리층(310)은 격자상수가 질화갈륨보다 작은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 포함하고, 상기 제2 서브 분리층(320)은 격자상수가 질화갈륨보다 큰 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함할 수 있다. 이와 같이 격자상수가 다른 질화인듐갈륨과 질화알루미늄갈륨을 교대로 반복적인 공정을 통해 적층하여 분리층을 형성할 수 있다. 상기 제1 서브 분리층(310)은 질화알루미늄갈륨이고, 상기 제2 서브 분리층(320)은 질화갈륨인 경우 또는 이와 반대되는 경우, 그리고 상기 제1 서브 분리층(310)은 질화인듐갈륨이고 상기 제2 서브 분리층(320)은 질화갈륨인 경우 또는 이와 반대되는 경우 등 상기 제1 서브 분리층(310)과 상기 제2 서브 분리층(320)의 조성은 다양하게 조합될 수 있다.

도 3에서 도시된 바에 의하면 분리층(300)에 있어서, 제1 서브 분리층(310)의 격자상수가 제2 서브 분리층(320)의 격자상수보다 작은 것으로 나타나 있는데, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 서브 분리층(310)과 제2 서브 분리층(320)의 격자상수가 다른 경우는 모두 포함한다.

또한, 상기 제1 분리층(310) 및 상기 제2 분리층(320)은 질화인듐갈륨과 질화알루미늄갈륨 이외의 물질이라도 격자상수에 차이가 있는 두 가지 이상의 물질을 교대로 적층하여 응력을 유발할 수 있는 경우라면 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 본 발명은 격자상수가 다른 이종의 물질을 2가지 이상 사용할 수도 있다. 예를 들면, A, B, C는 서로 격자상수가 다른 물질이라 할 때, A층-B층-A층-B층의 순서로 교대로 적층하는 경우뿐만 아니라, A층-B층-C층-A층-B층-C층의 순으로 3가지 이상의 물질을 적층할 수도 있으며, 적층 순서는 상기 순서에 한정되지 않는다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 분리층은 상기 도핑물질을 소스물질에 포함시켜 형성시키는 방법과 서로 격자상수가 다른 서브 분리층들을 적층시켜 형성하는 방법을 모두 사용하여 성장시킬 수도 있다. 예를 들어, 베이스 기판과 제1 질화갈륨 막 사이에 위치하는 분리층은 도핑물질을 과다하게 첨가하여 성장시키고, 제1 질화갈륨 막과 제2 질화갈륨 막 사이에 위치하는 분리층은 격자상수가 서로 다른 서브 분리층들을 교대로 적층하여 형성시킬 수 있다. 또한, 단일 분리층 내에서도 상기 두 방법을 모두 사용하여 분리층을 형성할 수도 있다. 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 질화갈륨 막을 성장시키는 과정에 격자구조가 불안정한 분리층을 형성시킬 수 있는 방법은 모두 포함한다.

본 발명은 상기 질화갈륨 막을 분리함에 있어서 냉각은 500℃ 이하의 온도 하에서 이루어진다. 그러나, 상기 온도 범위는 분리층에 크랙을 유도하여 질화갈륨 기판을 분리하기 위한 온도이므로, 분리층 내의 도핑물질의 농도 또는 서로 다른 격자상수를 가진 서브 분리층이 적층된 경우 격자상수 차이에 의한 응력의 크기 등에 따라 구체적인 온도 범위는 달라질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 적층체에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 질화갈륨 적층체는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 격자구조가 불안정한 복수의 분리층 및 상기 복수의 분리층에 의하여 구분되는 복수의 질화갈륨 막들을 포함한다. 상기 분리층은 질화갈륨에 도핑물질이 과다 첨가된 것이거나 격자상수가 서로 다른 복수 개의 서브 분리층이 적층된 구조일 수 있다. 상기 질화갈륨 적층체의 두께는 수십 mm일 수 있으며, 분리층을 통해 분리할 경우 복수 개의 질화갈륨 기판을 동시에 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 벌크 질화갈륨 적층체를 성장시킨 후 이를 분리하여 질화갈륨 기판을 제작함에 있어서, 질화갈륨 막의 성장 과정에 복수 개의 분리층을 형성하여 냉각시 분리층에 크랙이 유발되게 하여 베이스 기판과 질화갈륨 기판을 자동으로 분리할 수 있으며, 동시에 복수 개의 질화갈륨 기판을 외력을 가함이 없어 단일 공정 내에서 제조할 수 있게 된다.

따라서, 기존의 기판 분리 방법인 소잉(sawing) 공법을 적용하면 기판 표면의 거칠기를 줄이기 위해 연마 공정을 거쳐야 하는데, 냉각에 의한 자동분리 방법을 사용함으로써 전체 질화갈륨 기판의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다. 그리고, 소잉 공법 적용시 발생하는 두께의 손실도 줄일 수 있어 1개의 벌크 질화갈륨 적층체로부터 제조할 수 있는 질화갈륨 기판의 수가 많아질 수 있다. 또한, 소잉 공법을 적용하여 기판을 분리할 때 발생될 수 있는 질화갈륨 기판의 손상을 줄일 수 있어 기판 제조 효율을 높일 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

질화갈륨 막을 베이스 기판 상에 성장시키기 전 또는 성장시키는 동안 격자 구조가 불안정한 분리층을 복수개 형성시키며, 상기 분리층으로 구분되는 복수의 질화갈륨막들을 성장시키는 질화갈륨 막의 성장단계; 및

상기 성장된 질화갈륨 막을 냉각시켜 상기 베이스 기판 및 상기 복수의 질화갈륨 막들을 분리하는 분리단계를 포함하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 분리층은 도핑물질을 소스물질에 포함시켜 공급함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 도핑물질은 실리콘, 망간, 산소, 크롬, 코발트, 구리, 아연, 탄소, 알루미늄, 인듐, 니켈, 철, 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제3항에 있어서,

상기 도핑물질의 농도는 10¹⁶/cm³ 내지 10²¹/cm³인 것을 특징으로 하는 질화갈 륨 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 분리층이 복수의 서브 분리층들을 포함하도록 하고, 인접하는 상기 서브 분리층들의 격자상수가 서로 다르도록 상기 분리층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 분리층은 격자상수가 서로 다른 제1 서브 분리층 및 제2 서브 분리층이 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 서브 분리층의 두께는 5 내지 5000Å인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 제 1 서브 분리층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 포함하고, 상기 제2 서브 분리층은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 각각의 질화갈륨 막의 두께는 450 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 분리층의 두께는 1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 냉각은 500℃ 이하의 온도 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
i) 베이스 기판;

ii) 상기 베이스 기판 상에 형성되고,

격자구조가 불안정한 복수의 분리층들; 및

iii) 상기 분리층들 사이에 형성되어 상기 분리층들에 의하여 구분되는 복수의 질화갈륨 막들을 포함하는 질화갈륨 적층체.