KR101270428B1 - 질화갈륨 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 냉각 시 크랙을 유발하는 질화갈륨층을 성장시켜 베이스 기판과 자동분리를 위한 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 질화갈륨 기판 제조방법에 있어서, 베이스 기판을 준비하는 과정과, 상기 베이스 기판 상에 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층을 성장시키는 과정 및, 상기 제1 질화갈륨층 상에 제2 질화갈륨층을 성장시키는 과정을 포함한다.

Description

질화갈륨 기판 및 그 제조방법{GaN SUBSTRATE AND MANUFACTURE METHOD THE SAME}
본 발명은 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 냉각 시 크랙을 유발하는 질화갈륨층을 성장시켜 베이스 기판과의 자동분리를 위한 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 기판을 수요가 급속히 진행되고 있다.
특히 질화갈륨(GaN)은 청색 발광다이오드에 주로 사용하기 때문에 그 수요가 급증하는 추세이다.
그러나 종래에는 질화갈륨 기판을 얻기 위해서는 사파이어 재질의 베이스 기판 상에서 300㎛ 이상의 질화갈륨 막을 성장시켜 레이저로 분리하는 공정을 적용하여 기판이 제거된 프리스텐딩(free standing) 질화갈륨을 얻었다.
도 1은 종래의 사파이어 베이스 웨이퍼(BaseWafer)에 질화갈륨 결정이 성장된 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 질화갈륨 기판(110)은 사파이어 베이스 웨이퍼(120)상에서 성장한다.
예를 들어, 종래에는 전하농도 1~2x1018/㎤수준으로 도핑(doping)된 n-타입 질화갈륨 기판(110)을 만들기 위하여 질화갈륨 기판(110) 성장 시 DCS(디크로실란/SiH2Cl2) 가스를 추가 투입하여 실리콘 도핑(Si doping)을 하였다.
그러나 프리스텐딩(Free Standing) 질화갈륨 기판(110)의 제작을 위해 질화갈륨 기판(110) 성장 시 사파이어 재질의 베이스 웨이퍼(120)와 질화갈륨 기판(110)의 격자상수 차와 열팽창계수 차로 인해 문제점이 발생했다.
즉, 웨이퍼(120)와 질화갈륨 기판(110)의 격자상수 차(13.8%) 및 열팽창계수 차(25%)에 의한 스트레스(Stress)로 인해 휨과 깨짐(Crack) 현상 등을 초례하는 문제점이 있었다.
또한 베이스 기판과 성장된 질화갈륨 기판을 분리하기 위해 부가적인 분리공정을 행함으로써 생산성이 저하된다는 문제점도 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층을 성장시켜 제2 질화갈륨층을 베이스 기판과 자동으로 분리하기 위한 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법은, 질화갈륨 기판 제조방법에 있어서, 베이스 기판을 준비하는 과정과, 상기 베이스 기판 상에 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층을 성장시키는 과정 및, 상기 제1 질화갈륨층 상에 제2 질화갈륨층을 성장시키는 과정을 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 질화갈륨층을 성장시키는 과정과 상기 제2 질화갈륨층을 성장시키는 과정 사이에는 버퍼층을 성장시키는 과정이 더 포함된다.
바람직하게, 상기 버퍼층은 1x1016/㎤ 전하농도로 n타입 도핑한다.
바람직하게, 상기 버퍼층은 질화갈륨을 두께 30㎛ ~ 50㎛로 성장시킨다.
바람직하게, 제1 질화갈륨층의 도핑 농도는 상기 제2 질화갈륨층의 도핑 농도 보다 더 크다.
바람직하게, 상기 제1 질화갈륨층은 3x1018/㎤ 이상의 전하농도로 n타입 도핑한다.
바람직하게, 상기 제2 질화갈륨층은 1~2x1018/㎤ 범위의 전하농도로 n타입 도핑한다.
바람직하게, 제1 항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은 질화갈륨을 두께 3㎛ ~ 5㎛로 성장시킨다.
바람직하게, 상기 제2 질화갈륨층은 질화갈륨을 두께 250㎛ ~ 300㎛로 성장시킨다.
바람직하게, 상기 베이스 기판은 사파이어 재질이다.
또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판은 질화갈륨 기판에 있어서,상기 질화갈륨의 성장을 위한 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 성장된 냉각 시 크랙의 발생을 위한 제1 질화갈륨층과, 상기 제1 질화갈륨층 상에 성장된 상기 크랙의 전파 방지를 위한 버퍼층 및, 상기 버퍼층위에 성장된 제2 질화갈륨층을 포함한다.
바람직하게, 제1 질화갈륨층의 도핑 농도는 상기 제2 질화갈륨층의 도핑 농도보다 더 크다.
본 발명에 따르면, 성장된 질화갈륨 기판을 베이스 기판과 자동으로 분리시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판의 휨과 크랙 발생을 방지하는 효과도 있다.
마지막으로 본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판을 자동분리함으로써 공정을 단순화하는 효과도 있다.
도 1은 종래의 사파이어 베이스 웨이퍼(BaseWafer)에 질화갈륨 결정이 성장된 일 예를 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 보여주는 공정 예시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판이 자동분리되는 과정을 보여주는 공정 예시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(400)을 보여주는 단면 예시도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 기본 원리는 베이스 기판에 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층을 성장시켜 베이스 기판에서 제2 질화갈륨층을 자동분리하는 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 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법을 보여주는 공정 예시도이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법은 베이스 기판(210)을 준비하는 과정(S210)과, 베이스 기판(210) 상에 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층(220)을 성장시키는 과정(S220) 및, 상기 제1 질화갈륨층(220) 상에 제2 질화갈륨층(240)을 성장시키는 과정(S240)을 포함한다.
도 2와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 질화갈륨층을 성장시킬 베이스 기판(210)을 준비한다(S210).
바람직하게 베이스 기판(210)은 사파이어 재질의 기판을 사용한다.
그 후, 베이스 기판(210) 상에 제1 질화갈륨층(220)을 성장시킨다(S220).
제1 질화갈륨층(220)은 냉각 시 크랙(Crack)을 유발함으로써, 베이스 기판(210)과 제2 질화갈륨층(240)을 자동분리하기 위한 목적으로 성장된다.
제1 질화갈륨층(220)은 3x1018/㎤ 이상의 전하농도로 n타입 도핑하여 3㎛ ~ 5㎛ 두께로 성장시킨다.
이와 같이 제1 질화갈륨층(220)을 성장시킨 후(S220), 버퍼층(230)을 성장시킨다(S230).
버퍼층(230)은 결합력이 약한 제1 질화갈륨층(210)에서 크랙이 발생하면 제2 질화갈륨층(240)으로 크랙의 전파를 방지하기 위해 성장된다.
여기서 버퍼층(230)은 1x1016/㎤ 전하농도로 n타입 도핑되고, 30㎛ ~ 50㎛로 두께로 성장된다.
이와 같이 성장되는 버퍼층(230)은 제2 질화갈륨층(240)에 강한 결합력을 갖는다.
버퍼층(230)의 성장이 완료되면(S230), 제2 질화갈륨층(240)을 성장시킨다(S240).
제2 질화갈륨층(240)은 제조자가 실제로 제조할 기판으로서 휨과 깨짐 등 각종 손상에서 보호되어야할 대상이다.
본 발명의 실시 예에서는 제2 질화갈륨층(240)은 1~2x1018/㎤ 범위의 전하농도로 n타입 도핑하여 두께 250㎛ ~ 300㎛로 성장시킨다.
따라서, 냉각 시 크랙이 유발되어 제1 질화갈륨층(220)이 자동으로 제거되면 성장된 제2 질화갈륨층(240)을 베이스 기판(210)에서 자동으로 분리할 수 있다.
또한 제1 질화갈륨층(220)에 크랙이 발생할 때, 버퍼층(230)은 제2 질화갈륨층(240)으로 크랙의 전파를 막기 때문에 안전하게 제2 질화갈륨층(240)을 얻을 수 있다.
도 3은 도 2의 동일 부재에 대해서 동일한 도면번호를 기재하였다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판이 자동분리되는 과정을 보여주는 공정 예시도이다.
도 3을 참조하면, 베이스 기판(210) 상에 성장된 질화갈륨층들(220, 230, 240)은 상온으로 냉각된다(S310).
질화갈륨이 성장할 때 약 1000도씨 정도의 온도가 필요하다.
이런 이유로, 질화갈륨층들(210, 220, 230, 240)을 약 1000도씨의 고온에서 약 30도씨의 상온으로 냉각시키면 제1 질화갈륨층(220)에 크랙(a)이 발생한다.
이 때 버퍼층(230)은 제2 질화갈륨층(240)으로 크랙(a)의 전파를 방지한다.
따라서, 냉각 과정(S310)이 끝나고 나면 제1 질화갈륨층(220)이 자동제거된 제2 질화갈륨층(240)을 얻을 수 있다(S320).
이 때, 버퍼층(230)은 제조자의 용도에 따라 사용할 수 있고, 또는 그라인딩(Grinding)과 같은 수단으로 제거할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(400)을 보여주는 단면 예시도이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(400)은 질화갈륨의 성장을 위한 베이스 기판(410)과, 베이스 기판(410) 상에 성장하여 냉각 시 크랙의 발생을 위한 제1 질화갈륨층(420)과, 제1 질화갈륨층(420) 상에 성장하여 상기 크랙의 전파 방지를 위한 버퍼층(430) 및, 버퍼층(430)위에 성장하는 제2 질화갈륨층(440)을 포함하여 구성된다.
도 4와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(400)의 구성요소들을 설명하면 다음과 같다.
우선, 베이스 기판(410)은 사파이어 재질로써, 베이스 기판(410) 상에는 제1 질화갈륨층(420)이 성장된다.
제1 질화갈륨층(420)은 냉각 시 크랙(Crack)을 유발함으로써, 베이스 기판(410)과 제2 질화갈륨층(440)을 자동분리하기 위한 목적으로 성장된다.
제1 질화갈륨층(420)은 3x1018/㎤ 이상의 전하농도로 n타입 도핑되고 3㎛ ~ 5㎛의 두께를 갖는다.
제1 질화갈륨층(420) 상에는 버퍼층(430)이 성장된다.
버퍼층(430)은 결합력이 약한 제1 질화갈륨층(420)에서 크랙이 발생하면 제2 질화갈륨층(440)으로 크랙의 전파를 방지하기 위한 목적으로 성장된다.
여기서 버퍼층(430)은 1x1016/㎤ 전하농도로 n타입 도핑되고, 30㎛ ~ 50㎛의 두께를 갖는다.
이와 같이 성장되는 버퍼층(430)은 제2 질화갈륨층(440)에 강한 결합력을 갖는다.
버퍼층(430) 상에는 제2 질화갈륨층(440)이 성장한다.
제2 질화갈륨층(440)은 제조자가 실제로 제조할 기판으로서 휨과 깨짐과 같은 손상에서 보호되어야할 대상이다.
본 발명의 실시 예에서는 제2 질화갈륨층(440)은 1~2x1018/㎤ 범위의 전하농도로 n타입 도핑되어 250㎛ ~ 300㎛의 두께를 갖는다.
따라서, 냉각 시 크랙이 유발되는 제1 질화갈륨층(420)이 제거되면 성장된 제2 질화갈륨층(440)을 베이스 기판(410)에서 자동으로 분리할 수 있다.
또한 제1 질화갈륨층(420)에 크랙이 발생할 때, 버퍼층(430)에서 제2 질화갈륨층(440)으로 크랙의 전파를 막기 때문에 안전하게 제2 질화갈륨층(440)을 얻을 수 있다.
이 때, 버퍼층(430)은 제조자의 용도에 따라 사용할 수 있고, 또는 그라인딩(Grinding)과 같은 수단으로 제거할 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.
210 : 베이스 기판 220 : 제1 질화갈륨층
230 : 버퍼층 240 : 제2 질화갈륨층
a : 크랙

Claims (12)

  1. 질화갈륨 기판 제조방법에 있어서,
    베이스 기판을 준비하는 과정과;
    상기 베이스 기판 상에 냉각 시 크랙을 유발하는 제1 질화갈륨층을 성장시키는 과정;
    상기 제1 질화갈륨층 상에 버퍼층을 성장시키는 과정; 및
    상기 버퍼층 상에 제2 질화갈륨층을 성장시키는 과정을 포함하되,
    상기 버퍼층은 상기 제1 질화갈륨층으로부터 발생된 상기 크랙이 상기 제2 질화갈륨층으로 전파되는 것을 방지하고,
    상기 제1 질화갈륨층, 상기 버퍼층 및 상기 제2 질화갈륨층은 n타입으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 버퍼층은
    1x1016/㎤ 전하농도로 n타입 도핑하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 버퍼층은
    질화갈륨을 두께 30㎛ ~ 50㎛로 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은
    3x1018/㎤ 이상의 전하농도로 n타입 도핑하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨
    기판 제조방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제2 질화갈륨층은
    1~2x1018/㎤ 범위의 전하농도로 n타입 도핑하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은
    질화갈륨을 두께 3㎛ ~ 5㎛로 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제2 질화갈륨층은
    질화갈륨을 두께 250㎛ ~ 300㎛로 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 베이스 기판은
    사파이어 재질인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조방법.
  11. 질화갈륨 기판에 있어서,
    상기 질화갈륨의 성장을 위한 베이스 기판과;
    상기 베이스 기판 상에 성장된 냉각 시 크랙의 발생을 위한 제1 질화갈륨층과;
    상기 제1 질화갈륨층 상에 성장된 상기 크랙의 전파 방지를 위한 버퍼층 및;
    상기 버퍼층 위에 성장된 제2 질화갈륨층을 포함하되,
    상기 제1 질화갈륨층, 상기 버퍼층 및 상기 제2 질화갈륨층은 n타입으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판.
  12. 삭제
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