KR101279398B1 - 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크랙의 발생을 억제하는 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판 내부에 기판의 표면으로부터 일정 두께로 질화갈륨(GaN) 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성하는 혼재층 형성 단계; 및 상기 기판 상에 질화갈륨을 성장시키는 질화갈륨 성장 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법을 제공한다.

Description

질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판{METHOD FOR FABRICATING GaN FILM AND SUBSTRATE FOR FABRICATING GaN FILM}

본 발명은 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨 막 제조 시 크랙의 발생을 억제할 수 있는 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판에 관한 것이다.

최근, 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등과 같은 첨단 소자의 재료로서 질화 알루미늄(AlN), 질화 갈륨(GaN), 질화 인듐(InN)과 같은 질화물 반도체에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다.

특히, 질화 갈륨(Gallium Nitride)은 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있어, 차세대 DVD광원으로 쓰이는 청색 LD, 조명용 시장 대체를 위한 백색 LED, 고온·고출력 전자소자 분야 등에서 핵심소재로 사용되는 차세대 광전자 재료이다.

이와 같은 질화물 반도체는 실용적인 동종의 기판이 없기 때문에 이종기판(Sapphire, SiC, Si, GaAs 등)에 수소기상증착법(HVPE: Hydride Vapor Phase Epitaxy), 분자빔에피텍시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 아모노서멀(Ammonothermal), Na Flux법 등의 방법에 의해 성장되게 된다.

특히, 수소기상증착법은 암모니아, 수소, 및 각종 염화물 가스를 이용하여 기판상에 비교적 두꺼운 수십~수백 마이크로미터 두께의 질화물 반도체를 성장시키는 기술로 성장 속도가 빠른 장점을 가지며, 가장 많이 사용되고 있는 기술이다.

이종기판 상에서 성장하게 되는 질화물 반도체 기판은 성장 중 또는 성장 후 냉각 과정에서 이종(異種) 기판과의 열팽창 계수 차에 의해 질화물 반도체 기판 내부에 잔류응력이 발생하게 되고, 이 힘으로 인하여 질화물 반도체 기판은 휨(Bending)을 가진다.

또한, 잔류응력이 질화물 반도체 기판의 항복응력(yield strength)을 넘어갈 경우 질화물 반도체 기판에서 크랙(Crack)이 발생하게 되고, 이 크랙이 클리비지(cleavage)면을 따라 기판 중심에서 동심원 방향으로 전파되게 된다.

이러한 휨과 크랙은 질화물 반도체 기판의 결함 및 내구성의 악화를 가져오게 된다.

특히, 이종 기판 중 사파이어(Sapphire) 기판은 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 저렴하고, 고온에서 안정하여 많이 사용되고 있으나, 사파이어 기판과 질화갈륨 간의 격자 상수차(13.8%) 및 열팽창 계수차(25.5%)로 인하여, 질화갈륨과 사파이어 기판의 경계면에 응력이 집중되어 크랙이 발생하게 된다.

도 1은 질화갈륨의 열팽창 계수를 1로 하였을 때 사파이어, SiC, GaAs의 열팽창 계수 비를 나타낸 그래프이다.

이러한 크랙의 발생을 해결하기 위해 이종기판 상에 버퍼층(buffer layer)을 증착한 후 질화 갈륨을 성장시키는 기술이 사용되고 있다.

그러나, 이와 같이 버퍼층을 증착한 후 질화 갈륨을 성장시키는 경우도, 질화갈륨과 버퍼층 사이의 불연속적인(dis-continuous)적인 경계에서 열팽창 계수 및 격자상수 등의 물질 특성의 급격한 변화에 기인한 응력 집중이 발생하여, 질화갈륨에 크랙이 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 질화갈륨과 기판과의 불연속적인 경계에서 발생하는 응력 집중을 방지하여 크랙의 발생을 억제하는 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 기판 내부에 기판의 표면으로부터 일정 두께로 질화갈륨(GaN) 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성하는 혼재층 형성 단계; 및 상기 기판 상에 질화갈륨을 성장시키는 질화갈륨 성장 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 혼재층 형성 단계는, 기판 상에 갈륨(Ga) 막을 형성하는 갈륨 증착 단계; 상기 갈륨 막에 질소 이온을 주입하여 상기 기판의 표면으로부터 일정 두께로 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성하는 혼재층 형성 단계; 및 상기 기판 상에 형성된 갈륨 막을 제거하는 갈륨 막 제거 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 갈륨은 갈륨 산화물일 수 있다.

또한, 상기 갈륨 막의 두께는 1 ~ 100㎛ 일 수 있다.

또한, 상기 기판은 사파이어(Sapphire), Si, SiC, 및 GaAs 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수가 상부에서 하부로 연속적으로 감소하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 혼재층의 두께는 10㎚ ~ 1㎛일 수 있다.

또한, 본 발명은 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판에 있어서, 상기 기판은 질화갈륨이 성장되는 표면으로부터 일정 깊이까지 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재된 혼재층을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조기판을 제공한다.

여기서, 상기 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수가 상부에서 하부로 연속적으로 감소하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판과 질화갈륨 막의 경계에서 물질 특성이 급격하게 변하는 것을 방지하여, 질화갈륨 막에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

도 1은 질화갈륨의 열팽창 계수를 1로 하였을 때 사파이어, SiC, GaAs의 열팽창 계수 비를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 막 제조방법의 개략적인 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼재층의 형성 단계를 계략적으로 나타낸 흐름도.
도 4는 종래의 질화갈륨 막 제조방법에서의 기판과 질화갈륨 막의 구성 성분 비를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 막 제조방법에서의 기판과 질화갈륨 막의 구성 성분비를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 막 제조기판의 개략적인 단면도.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 막 제조방법 및 질화갈륨 막 제조기판에 대해 상세히 설명한다.

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 일 실시예에 따른 질화갈륨 막 제조방법의 개략적인 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 막 제조방법은 혼재층 형성 단계, 및 질화갈륨 성장 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

질화갈륨 막을 제조하기 위해, 우선 기판 내부에 혼재층을 형성시킨다(S110).

기판은 질화갈륨 막을 성장시키기 위한 지지재로서, (Sapphire), Si, SiC, 및 GaAs 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 구애됨 없이 질화갈륨 막을 성장시킬 수 있는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

혼재층은 기판의 내부에, 보다 구체적으로 기판의 표면으로부터 일정 두께로, 형성되며, 질화갈륨 원자와 기판의 구성 원자가 서로 혼재되어 존재한다.

혼재층의 두께는 10㎚ ~ 1㎛ 인 것이 바람직할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼재층 형성 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 혼재층의 형성은 갈륨 증착 단계, 혼재층 형성 단계, 및 갈륨 막 제거 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

혼재층을 형성하기 위해 우선, 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등 다양한 방법에 의해 갈륨 막을 형성한다(S210).

또한, 갈륨을 대신하여 갈륨 산화물이 기판 상에 증착될 수 있다.

기판 상에 형성되는 갈륨 막의 두께는 1 ~ 100㎛인 것이 바람직할 것이다.

이후, 기판 상에 형성된 갈륨 막에 질소 이온을 주입하여 기판 내부로 질화갈륨 원자를 침투시켜 기판에 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성시킨다(S220).

즉, 갈륨 막에 질소 이온을 주입하면 갈륨과 질소가 반응하여 질화갈륨 원자가 생성되고, 생성된 질화갈륨 원자는 기판 내부로 침투하게 된다.

이렇게, 기판 내부로 침투된 질화갈륨 원자는 기판의 구성 원자와 혼재하게 되어, 기판의 표면부터 일정 두께로 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층이 형성된다.

혼재층의 두께 및 혼재층에 침투되는 질화갈륨 원자수는 질소 주입 에너지 및 시간 등에 의해 제어될 수 있다.

마지막으로, 기판 상에 존재하는 갈륨 막을 제거함으로써(S230), 기판 내부에 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성할 수 있다.

이와 같이 혼재층이 형성된 기판 상에, 보다 구체적으로는 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층의 상면에 질화갈륨을 성장시킴으로써(S120), 크랙의 발생을 억제하며 질화갈륨 막을 제조할 수 있다.

즉, 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하여 물질 특성(열팽창 계수, 격자상수 등)이 기판과 질화갈륨의 중간 성질을 갖는 혼재층을 기판 내부(기판의 표면으로부터 일정 두께로)에 형성함으로써, 기판과 질화갈륨 막의 경계에서 물질 특성이 급격하게 변하는 것을 방지하여, 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수는 혼재층의 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 감소하는 것이 바람직할 것이다.

더욱 바람직하게는, 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지고, 혼재층의 질화갈륨 원자와 기판 원자의 원자수 비가 반비례할 것이다.

이에 의해, 기판에 기판과 질화갈륨의 구성 원자가 연속적으로 변하는 혼재층이 형성됨으로써, 질화갈륨에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

즉, 종래의 질화갈륨 성장 방법에 의하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 기판과 질화갈륨 막의 경계에서 구성 성분이 불연속(dis-continuous)하게 변하게 되고, 이에 따른 물질 특성의 급격한 변화에 기인한 응력의 집중이 발생되어 질화갈륨 막에 크랙이 발생하였다.

그러나, 본 발명에 의하는 경우 도 5에 도시된 바와 같이 혼재층에서 기판과 질화갈륨의 구성 성분이 연속적으로 변하게 되어, 기판과 질화갈륨 막의 경계에서 물질 특성이 급격하게 변하는 것을 방지하여 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 막 제조기판의 개략적인 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 막 제조기판(600)은 질화갈륨이 성장되는 표면으로부터 일정 깊이까지 기판 내부에 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재된 혼재층(610)을 갖는다.

여기서, 혼재층은 상술한 바와 같이 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수가 상부에서 하부로 연속적으로 감소하며 이루어지는 것이 바람직할 것이다.

이와 같이 표면으로부터 일정 깊이에 혼재층을 갖는 기판을 이용하여 질화갈륨을 성장시킴으로써, 기판과 질화갈륨 막 경계면에서 열팽창 계수 또는 격자 상수 등과 같은 물질 특성이 급격히 변하는 방지하여, 질화갈륨 막에 크랙의 발생을 억제할 수 있고, 이에 따라 양질의 질화갈륨 막을 제조할 수 있을 것이다.

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 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

600 : 질화갈륨 막 제조기판 610 : 혼재층

Claims (9)

1. 기판 내부에 기판의 표면으로부터 일정 두께로 질화갈륨(GaN) 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성하는 혼재층 형성 단계; 및
   상기 기판 상에 질화갈륨을 성장시키는 질화갈륨 성장 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼재층 형성 단계는,
   기판 상에 갈륨(Ga) 막을 형성하는 갈륨 증착 단계;
   상기 갈륨 막에 질소 이온을 주입하여 상기 기판의 표면으로부터 일정 두께로 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재하는 혼재층을 형성하는 혼재층 형성 단계; 및
   상기 기판 상에 형성된 갈륨 막을 제거하는 갈륨 막 제거 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 갈륨은 갈륨 산화물인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 갈륨 막의 두께는 1 ~ 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 사파이어(Sapphire), Si, SiC, 및 GaAs 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수가 상부에서 하부로 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 혼재층의 두께는 10㎚ ~ 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조방법.
   
8. 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판에 있어서,
   상기 기판은 질화갈륨이 성장되는 표면으로부터 일정 깊이까지 질화갈륨 원자와 기판 원자가 혼재된 혼재층을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조기판.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 혼재층의 상부는 질화갈륨 원자로 이루어지되, 질화갈륨 원자 수가 상부에서 하부로 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 막 제조기판.
   
   

Images