KR101178399B1 - 질화갈륨 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는양면 성장되는 질화갈륨층에 휨이 발생하면, 격자상수 조절물질를 주입하여 휨을 제어하는 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법은, 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정, 및 휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을 주입하는 주입 과정을 포함을 포함한다.

Description

질화갈륨 기판 및 그 제조방법{GaN SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 질화갈륨 기판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 양면 성장되는 질화갈륨층에 휨이 발생하면, 격자상수 조절물질를 주입하여 휨을 제어하는 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨, 질화알루미늄 등과 같은 3족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고, 큰 직접 천이형의 에너지 띠 구조를 갖고 있어 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다.
특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 질화갈륨은 동일한 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 이종기판에서 금속 유기 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이나 분자 빔 에피텍시(MolecularBeam Epitaxy ; MBE)공정을 통해 박막 성장이 가능하다.
한편, 현재까지 기판으로는 사파이어를 주로 사용하고 있지만, 질화갈륨과의 격자 상수 및 열 팽창 계수에 있어 큰 차이를 가지고 있기 때문에 표면 가공 공정을 추가적으로 실시하여야 하는 부담이 있었다.
이런 문제를 원천적으로 해결하기 위해서는 단결정 질화갈륨을 기판으로 사용하여 소자를 제조하여야 하는데, 통상적으로 하이드라이드 기상 박막 성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법이나, 고온 고압에서 질소(N2)를 액화시켜 질화갈륨을 성장시키는 방법 또는 승화법으로 제조한다.
도 1은 종래의 하이드라이드 기상 박막 성장법이 적용되어 성장된 기판을 보여주는 단면 예시도(100)이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 베이스 기판(120) 상에 성장된 질화갈륨층(110)은 베이스 기판(120)과 질화가륨층(110)의 열팽창 계수나 격자 상수 차이로 인해 휘어짐(bending)이나 처짐이 발생되고, 이러한 휘어짐이나 처짐은 폴리싱 과정에서 기판 표면(surface flat)과 결정면(crystallographic)이 일치하지 않아 양질의 질화물 기판을 얻을 수 없게 하는 문제점을 초래한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 질화갈륨을 성장시킬 때 휨이나 처짐의 발생을 최소화하고 제어하기 위한 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법은, 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정, 및 휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을 주입하는 주입 과정을 포함을 포함한다.
바람직하게, 상하 면에 성장되는 상기 질화갈륨층의 휨이 임계치 이상인지 실시간 확인하는 확인 과정을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 임계치는 상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 크랙을 유발시키는 수치이다.
바람직하게, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판이다.
바람직하게, 상기 격자상수 조절물질로는 오목한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 큰 물질이 주입된다.
바람직하게, 상기 큰 물질은 인듐이다.
바람직하게, 상기 격자상수 조절물질로는 볼록한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 작은 물질이 주입된다.
바람직하게, 상기 작은 물질은 알루미늄이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판은 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상면에 성장된 제1 질화갈륨층, 및 상기 베이스 기판의 하면에 성장된 제2 질화갈륨층을 포함한다.
바람직하게, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판이다.
바람직하게, 제1 질화갈륨층 및 제2 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 있어서, 인듐 및 알루미늄 중 적어도 어느 하나가 고용된다.
본 발명에 따르면, 질화갈륨층과 베이스 기판의 크렉 및 늘어짐의 발생을 방지하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 질화갈륨층 성장시 양면 또는 한개의 면에 갈륨과 고용이 가능한 알루미늄 또는 인듐을 추가하고 그 비율(구성비)을 조절하여 격자상수를 제어함으로써 생산 제품의 휨 감소를 통한 공정 수율 및 품질을 향상시키는 궁긍적인 효과도 있다.
도 1은 종래의 하이드라이드 기상 박막 성장법이 적용되어 성장된 기판을 보여주는 단면 예시도(100).
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 공정을 보여주는 공정 순서도.
도 3은 도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 자세히 설명하기 위한 단면 예시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 격자상수 제어공정을 보여주는 단면 예시도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의 구조를 보여주는 단면 예시도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 기본 원리는 사파이어 기판의 상하 면에 성장하는 각각의 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인하여 인위적으로 격자상수 조절물질을 주입하여 그 농도를 조절함으로써 격자상수를 조절하는 것이다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 내지 도 5의 동일부재에 대해서는 동일한 도면번호를 표기한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 공정을 보여주는 공정 순서도이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)은 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정(S210)과, 상하 면에 성장되는 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인하는 확인 과정(S220), 및 확인 과정(S220)에서 휨이 임계치 이상 발생하면, 휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을주입하는 주입 과정(S230)을 포함한다.
도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 설명하면 다음과 같다.
우선 사파이어 재질의 베이스 기판 상하 면에 동시에 질화갈륨층을 성장시킨다(S210).
그 후, 상하 면에 각각 성장하는 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인한다(S220).
마지막으로, 휨의 정도가 베이스 기판이나 각각의 질화갈륨층에 휨을 유발시킬 수 있는 임계치에 접근하는 경우 상하의 질화갈륨층 중 어느 하나에 격자상수를 높이거나 혹은 줄일 수 있는 격자상수 조절물질을 주입하여 임의로 휨을 조절한다(S230).
도 3은 도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 자세히 설명하기 위한 단면 예시도이다.
도 3을 참조하면, 우선 제1 수평형 HVPE(Hybride Vapor Phase Epitaxy) 성장기(310)의 내부에는 베이스 기판(320)이 구비된다.
여기서 베이스 기판(320)은 사파이어 재질인 것이 바람직하다.
또한 베이스 기판(320)은 분리막(311)에 의해 지지된다.
바람직하게, 분리막(311)은 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서 유입되는 가스가 서로의 영역에 침범하지 못하도록 구비된다.
그 후, 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서는 베이스 기판(320)의 상하면 각각에 질화갈륨층을 형성하기 위해 갈륨이 포함된 가스가 유입되다.
이에 따라 베이스 기판(320)의 상하 면에서는 각각 질화갈륨층(a, b)이 성장된다.
바람직하게 본 발명의 실시 예에서는 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서는 동일한 농도 및 동일한 량의 갈륨이 포함된 가스가 유입된다.
따라서, 베이스 기판(320)의 상하 면에 동일하게 질화갈륨층이 성장한다.
베이스 기판의 상하 면에 동일하게 질화갈륨층을 성장시키는 이유는 베이스 기판(320)과 질화갈륨층의 격자상수의 차이에도 불구하고 상면과 하면에 동일하게 질화갈륨층을 성장시킴으로써 균형이 생기기 때문에 휨을 방지할 수 있기 때문이다.
그러나, 이와 같은 휨 방지 수단에도 불구하고 상하 면 질화갈륨층(a, b)은 시간이 경과함에 따라 그 성장하는 두께의 차이가 발생한다.
따라서 그 두께의 차이에 따라 베이스 기판(320)과 질화갈륨층들(a)은 상면 또는 하면으로 미세한 휨이 발생한다.
여기서, 휨의 발생을 측정하기 위한 일 예로 상하 면 레이저 측정기(330, 340)가 사용될 수 있다.
상하 면 레이저 측정기(330, 340)는 각각 레이저를 상하 면 질화갈륨층(a, b)의 성장 면으로 조사하여 반사되는 레이저를 측정하는 방식으로 상면과 하면 질화갈륨층(a, b)의 휨정도를 측정할 수 있다.
만약, 측정한 휨의 수치가 베이스 기판(320) 또는 상하 면 질화갈륨층(a, b)에 크렉을 발생시킬 수 있는 임계치로 판단되면, 휨이 발생한 오목한 부위 또는 볼록한 부위의 격자상수를 제어한다.
여기서 상하 면 질화갈륨층(a, b)의 격자상수를 제어하는 방법은 다음의 도 4에서 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 격자상수 제어공정을 보여주는 단면 예시도이다.
도 4(a)를 참조하면, 혼합 기판(400)의 상면 질화갈륨층(a)은 볼록하게, 하면 질화갈륨층(b)은 오목하게 휘게되는 경우를 보여준다.
이 경우, 제2 유입구(313)를 통해 격자상수가 큰 격자상수 조절물질을 주입한다.
도 4(b)를 참조하면, 갈륨과 동일한 3족원소인 인듐을 주입하여 하면 질화갈륨층(b')의 격자상수를 증가시킴으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.
반대로 제1 유입구(312)를 통해 볼록하게 휜 상면 질화갈륨층(a)으로 격자상수가 작은 격자상수 조절물질을 주입한다.
여기서는 갈륨과 동일한 3족원소인 알루미늄을 주입하여 상면 질화갈륨층(a)의 격자상수를 감소시킴으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.
만약 반대의 경우로 휨이 발생하게 되면, 제1 유입구(312)에는 인듐주입하거나, 또는 제2 유입구(313)에 알루미늄을 주입함으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.
이와 같이 격자상수가 갈륨과 차이가 있는 인듐 또는 알루미늄을 주입하는 이유는 모두 3족 원소의 질화물로서 이들은 모두 동일한 결정 구조를 갖기 때문이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의구조를 보여주는 단면 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)은 베이스 기판(510)과, 베이스 기판(510)의 상면에 성장된 제1 질화갈륨층(520), 및 베이스 기판(510)의 하면에 성장된 제2 질화갈륨층(530)을 포함한다.
도 5와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
우선 베이스 기판(510)은 사파이어 재질이며 상면에는 제1 질화갈륨층(520)을 구비하고, 하부에는 제2 질화갈륨층(530)을 구비한다.
여기서 제1 질화갈륨층(520)과 제2 질화갈륨층(530)에는 3족 원소의 질화물로써 동일한 결정구조를 가지는 격자상수 조절물질을 포함한다.
바람직하게 격자상수 조절물질은 갈륨보다 격자상수가 큰 인듐이나 갈륨보다 격자상수가 작은 알루미늄이 포함될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
S210 : 성장 과정 S220 : 확인 과정
S230 : 주입 과정 500 : 질화갈륨 기판
510 : 베이스 기판 520 : 제1 질화갈륨층
530 : 제2 질화갈륨층

Claims (11)

  1. 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정 및
    휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을 주입하는 주입 과정을 포함하되,
    상기 성장 과정은
    상하 면에 성장되는 상기 질화갈륨층의 휨이 임계치 이상인지 실시간 확인하는 확인 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 임계치는
    상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 크랙을 유발시키는 수치인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 베이스 기판은
    사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 격자상수 조절물질로는
    오목한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 큰 물질이 주입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 큰 물질은
    인듐인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 격자상수 조절물질로는
    볼록한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 작은 물질이 주입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 작은 물질은
    알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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