KR101168655B1 - Ｎ 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법 - Google Patents

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Abstract

n 타입 도판트가 고농도로 도핑된 질화갈륨 웨이퍼에 있어서, 상기 질화갈륨 웨이퍼를 분당 20℃ 이하의 속도로 승온시키고 900℃ 이상의 온도에서 일정시간 유지 후 분당 15℃ 이하로 서냉하는 열처리를 하여 내부 결함을 제거하는 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 질화갈륨 웨이퍼의 투과도 및 발광 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 전하 농도를 증가시킬 수 있다.
질화갈륨, 투과도, 발광특성, 전하농도, 결함

Description

Ｎ 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법{ENHANCING METHOD OF OPTICAL PROPERTY OF GALLIUM NITRIDE WAFER}
본 발명은 질화갈륨 웨이퍼에 관한 것으로, 특히 n 타입 질화갈륨 웨이퍼에 있어서 투과율, 발광특성 등의 광학 특성을 향상시키는 개선된 방법을 제안한다.
질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. 질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어렵다.
지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.
질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.
한편, 질화갈륨이 LED나 LD 등에 응용되기 위해서는 이종 물질이 도핑되어 전기적인 특성을 변화시킬 필요가 있다. p 타입 질화갈륨 또는 n 타입 질화갈륨 등이 그것이다.
HVPE 등의 방법으로 성장된 n 타입 질화갈륨 웨이퍼를 실제로 최종 소자에 응용하기 위해서는 높은 투과도, 발광특성 및 높은 전하 농도가 요구된다. 그러나 높은 전하농도를 위해서 Si 등의 도판트를 고농도로 도핑하면, 전하 농도는 증가하지만 이로 인하여 질화갈륨 웨이퍼 내부의 미세 구조에 결함이 발생되어 발광 특성 및 투과 특성이 저하된다.
p 타입 물질(예를 들어, Mg)이 도핑된 질화갈륨의 경우에는, 열처리시 급가열 급냉법(rapid thermal annealing)을 이용하여 짧은 시간(예를 들어, 5분에서 30분이내)에 1000℃ 내외의 온도에서 약 5분~ 30분 정도 열처리를 하는 방안이 연구되고 있다.
반면, n 타입 질화갈륨의 경우 최종적인 소자에 응용되기 위해서 Ti계 전극을 접촉시켜여 하므로 상호간의 열적 안정성이 주로 문제가 되어 이에 관한 연구가 진행된 바 있지만, 고농도로 도핑된 n 타입 질화갈륨의 경우 투과 및 발광 특성을 제어하는 방법이 보고된 바 없다.
질화갈륨을 발광 소자나 광감지기 등의 소자에 응용하기 위해서는 높은 전하 농도와 더불어, 각 소자의 용도에 따라 높은 발광특성 및 투과도가 매우 중요하다. 그러므로 n 타입 질화갈륨의 투과도 및 발광 특성을 향상시킴과 동시에 전하 농도는 저하되지 않는 새로운 기술이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성을 향상시키는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 전하 농도를 증가시키는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, n 타입 도판트가 고농도로 도핑된 질화갈륨 웨이퍼에 있어서, 상기 질화갈륨 웨이퍼를 분당 20℃ 이하의 속도로 열처리하여 900℃ 이상의 온도에서 내부 결함을 제거하는 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법을 제공한다.
또한, 상기 질화갈륨 웨이퍼를 분당 15℃ 이하의 속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
상기 질화갈륨 웨이퍼는 Si 등의 도판트로 1017/cm3 이상 고농도 도핑될 수 있다. 상기 질화갈륨 웨이퍼는 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 방법으로 성장된 것을 이용할 수 있다.
상기 질화갈륨 웨이퍼를 열처리시 질소 등의 비산소 분위기를 유지하는 것이 바람직하고, 상기 질화갈륨 웨이퍼를 열처리하여 소정의 정상 온도에 도달하면 30 ~ 120 분간 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 질화갈륨 웨이퍼의 투과도 및 발광 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 전하 농도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 질화갈륨의 전하 농도를 증가시키기 위해 고농도 도핑을 수행할 경우 필연적으로 수반되는 발광 특성 및 투과도 저하를 방지할 수 있고, 최종적인 소자로의 응용시 제품 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명은 독특한 열처리 공정을 적용하여 n 타입 질화갈륨의 광학 특성을 개선하는 방법을 제공한다. 열처리 시 설정 온도 및 시간, 그리고 분위기 가스에 따라서 n 타입 질화갈륨의 광학 특성 및 전하 농도가 크게 좌우되는 것을 본 발명자들은 확인하였다.
본 발명에서는 급속 가열이 아닌 질소 분위기에서 설계된 온도 가열방식에 따라 천천히 질화갈륨을 가열하고, 열처리 후 서냉시킴으로써, 열충격을 최소화하고, 질화갈륨 내부의 구조적인 결함을 감소시킨다. 그 결과 투과도 및 발광 특성의 향상 뿐만 아니라, 전하 농도를 증가시킬 수 있었다.
질화갈륨의 전하 농도를 증가시키기 위해 고농도 도핑을 수행할 경우 필연적으로 수반되는 발광 특성 및 투과도 저하를 개선시킴으로써 최종적인 소자로의 응용시 제품 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따르면, 도 1의 모식도에서 볼 수 있는 바와 같이 열처리로(300) 내에서 지지대(320) 위에 배치된 질화갈륨 웨이퍼(330)에 온도 상승 속도를 제어하면서 소정 온도로 가열하고, 정상 온도에서 소정 시간을 유지함으로써 전하 농도의 증가와 더불어 광학 특성을 개선한다. 특히 열처리 과정에서 산소의 혼입을 방지하도록 가스 분위기를 적절히 제어한다.
본 발명에 따른 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 세 가지 단계의 열처리 공정을 수반한다. 온도 상승 구간(I)과 하강 구간(III)은 비교적 낮은 속도로 유지하며, 특히 온도 상승 구간(I)에서 승온 속도가 크지 않도록 제어하는 것이 매우 중요하다.
바람직한 실시예로서, 전하 농도가 4.3 × 1018으로 고농도로 Si가 도핑된 질화갈륨을 사용하여 질소 분위기 하에서 적절히 설계된 가열 메카니즘에 따라 천천이 샘플을 가열하였다.
가열 속도는 최초 15℃/min의 승온 속도로 1000℃까지 가열하였다. 그 후 1000℃에서 30 ~ 120분 동안 유지하였고, 그 후 천천히 샘플을 서냉하여 600℃까지 10℃/min의 감온 속도로 냉각시켰다. 열처리로는 질소로 충전되게 하여 산소의 혼입을 방지하였다.
열처리된 샘플의 투과도를 측정한 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 3의 결과를 보면 열처리 전보다 열처리 후에 (밴드갭으로 나타낸) 전체적인 파장 범위에 대하여 투과도가 향상되었음을 알 수 있다. 특히 자외선 영역으로 갈수록 투과도의 향상이 두드러짐을 알 수 있다. 이들 데이터부터 질화갈륨의 광학적 갭을 구한 결과, 광학적 갭은 열처리에 대해 변화가 거의 없고 단지 투과도만 향상된 것을 확인하였다. 이러한 결과로 볼 때, 질화갈륨의 가전자대(valence band) 및 전도대(conduction band)의 전자 구조의 변화는 없는 것으로 결론지을 수 있다.
도 4는 열처리 하기 전과 1000℃ 에서 열처리한 후 투과도의 증가분, 즉 1000℃에서 열처리 후의 투과도와 열처리 전의 투과도 차이(D투과도)의 변화를 에너지 대역별로 나타낸 그래프이다. 열처리 정도에 따라 높은 에너지로 갈수록 투과도가 증가분이 향상되며, 거의 직선에 가까운 투과성의 개선 정도를 보이고 있다.
열처리된 샘플의 발광 특성을 측정한 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 열처리 온도가 높을 수록 발광 특성도 우수한 것을 알 수 있으며, 1000℃도에서 발광 강도가 매우 증가한 것을 볼 수 있다.
도 6을 참조하면, 열처리하기 전보다(reference) 열처리를 함으로써 특히 1000℃에서의 열처리로 발광 강도(photo luminescence)가 가장 증가한 것을 알 수 있다.
본 발명은 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 열처리를 통하여 광학 특성이 개선됨과 동시에 전하 농도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 도 7의 결과를 참조하면, 열처리로 인하여 열처리하기 전보다(reference) 전하 농도(hall concentration)가 증가 하는 것을 볼 수 있다.
전하 농도의 활성화를 저해하는 질화갈륨 내부 결함으로서 공공(Ga vaccany) 및 구조적 결함(dislocation) 등을 들 수 있다. 이와 같은 결함들이 질화갈륨의 전자기적 구조에서 deep level을 형성하기 때문에 발광 특성 및 투과 특성이 저하된다. 따라서, 이와 같은 결함들을 효과적으로 제거시켜주어야만 발광 및 투과특성이 향상될 수 있고, 전하 농도 또한 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 있어, 발광 및 투과특성과 더불어 전하 농도가 향상된 것은 도판트의 활성화를 억제하는 질화갈륨 내부의 결함이 본 발명에 따른 열처리 메카니즘을 통하여 효과적으로 제거되었음을 의미한다.
예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이 질화갈륨 내부 구조에서 미량의 산소와 결합되어있던 공공(Ga vacancy)(420)이 열처리에 의해 결합이 파괴됨으로써 이 공공이 소멸된 것으로 파악할 수 있다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이 질화갈륨 내부 격자 중간에 (도판트가 위치하는) Si intersititial 결함(410) 또는 Ga intersitital 결함 등이 본 발명의 열처리 메카니즘에 따라 소멸되고 각각 Ga 사이트(site)로 정상화될 수 있었던 것으로 파악할 수도 있다. 그러나 도 3 및 도 6에 보이는 바와 같이 열처리 온도가 특정 최적치를 초과하면 오히려 미세 Ga droplet등과 같은 결함을 형성시켜서 발광 및 투과특성이 저하되기 시작함을 알 수 있다.
결국, 본 발명은 고농도로 도핑된 질화갈륨을 질소 분위기 등의 비산소 분위기 하에서 천천히 가열 및 서냉시키는 비급속 열처리를 통하여, 질화갈륨 내부 구 조의 점결함(point defect)들을 소멸시켜서 투과 및 발광 특성을 향상시키고 전하 농도를 증가시켰다고 할 수 있다.
본 발명에서 n 타입 도판트로 Si 만을 언급하였으나 질화갈륨을 n 타입으로 전환시킬 수 있는 다른 도판트의 도핑을 고려할 수 있을 것이다. 또한, 질화갈륨은 MOCVD, MBE, HVPE, 기타 공정에 의하여 성장될 수 있으며, 그 성장 방법은 특별히 제한될 필요가 없을 것이다.
본 발명은 비급속 열처리를 통하여 질화갈륨 웨이퍼의 가시광선 및 자외선 영역에서 투과도를 향상시키고, 발광 특성을 개선하므로, 질화갈륨을 이용하는 각종 광학 소자에 요구되는 다양한 특성을 만족시킬 수 있을 것이다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
도 1은 질화갈륨의 열처리를 보인 모식도.
도 2는 질화갈륨의 열처리 과정을 모식적으로 보인 그래프.
도 3 및 4는 본 발명에 따라 열처리된 질화갈륨의 투과 특성을 보인 그래프.
도 4는 도3에 나타낸 열처리 전과 1000℃ 에서 열처리 후 각 에너지에 대응해서 향상된 투과도의 증가분을 나타낸 그래프.
도 5 및 6은 본 발명에 따라 열처리된 질화갈륨의 투과 특성을 보인 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 열처리된 질화갈륨의 전하 농도 변화를 보인 그래프.
도 8 및 9는 질화갈륨의 내부 구조적 결함을 보인 모식도.

Claims (7)

  1. n 타입 질화갈륨 웨이퍼에 있어서,
    상기 질화갈륨 웨이퍼를 분당 20℃ 이하의 승온 속도로 열처리하고, 900℃ 이상의 온도에서 30~120 분간 유지하여 내부 결함을 제거하며, 600℃까지 분당 15℃ 이하의 속도로 냉각하되,
    상기 질화갈륨 웨이퍼는 Si 로 도핑된 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 웨이퍼의 도핑 농도는 1017/cm3 이상인 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 웨이퍼는 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 방법으로 성장된 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 웨이퍼를 질소분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 n 타입 질화갈륨 웨이퍼의 광학 특성 향상 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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