KR101951902B1 - 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 성장된 질화물 반도체층에 크롬등을 도핑하고 도핑된 질화물 반도체층의 화학적 분해를 유도하여, 질화물 반도체층 내부에 다수의 공극이 형성된 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판; 및 내부에 복수의 공극을 포함한 도핑된 질화물 반도체층을 포함하고 상기 기판에 형성되어 있는 질화물 반도체층을 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판과, 기판에 도핑된 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 질화물 반도체층을 열처리하여 상기 도핑된 질화물 반도체층에 다수의 공극을 형성하는 단계를 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법을 제공하여 질화물 반도체의 크랙(Crack)이나 휨(Bowing)을 감소시킬 수 있어 고품질의 질화물 반도체 기판이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판; 및 내부에 복수의 공극을 포함한 도핑된 질화물 반도체층을 포함하고 상기 기판에 형성되어 있는 질화물 반도체층을 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판과, 기판에 도핑된 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 질화물 반도체층을 열처리하여 상기 도핑된 질화물 반도체층에 다수의 공극을 형성하는 단계를 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법을 제공하여 질화물 반도체의 크랙(Crack)이나 휨(Bowing)을 감소시킬 수 있어 고품질의 질화물 반도체 기판이 가능하다.
Description
본 발명은 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 성장된 질화물 반도체층에 크롬(Cr) 등을 도핑하고 도핑된 질화물 반도체층의 화학적 분해를 유도하여, 질화물 반도체층 내부에 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
III족 질화물 반도체인 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 반도체 물질은 발광다이오드(LED)나 레이져 다이오드(LD) 등의 광학소자 및 전자소자로 많은 관심을 받고 있다.
일반적으로 질화물 반도체는 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장하고 있다.
가장 많이 사용되는 질화물 반도체인 질화갈륨(GaN)을 예로 들면, 이종기판 즉 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs) 또는 실리콘(Si) 기판등에 성장된다.
그러나 성장된 질화갈륨 등의 질화물 반도체 물질의 경우 이종기판과의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의해 큰 응력(stress)이 발생하기 때문에, 광소자 및 전자소자등의 제조시 압전기장(Piezoelectric Field)을 발생시켜 소자의 효율 감소뿐만 아니라, 기판의 휨(Bowing)을 발생시켜 소자제조 공정시 수율을 감소시키는 원인을 제공하게 된다.
이러한 응력을 감소시키기 위한 가장 좋은 방법이 성장된 반도체 층 내부에 다수의 공극을 갖는 층을 삽입하는 방법이다.
이러한 공극을 만들어 주는 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있는데, 가장 일반적으로 알려진 방법이 다음과 같다.
먼저 질화물 반도체를 고온에서 결함영역의 선택적 에칭 및 재성장을 통해 공극을 제조하는 방법과, 질화물 반도체 표면에 SiO2층 또는 금속층을 증착하여 마스크층을 만들고 그 위해 질화물 반도체를 재성장하여 공극을 제조하는 방법이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 금속층을 이용한 질화물 반도체인 GaN 내부에 공극층의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 금속층을 이용한 질화물 반도체인 GaN 내부에 공극층의 제작 방법은 사파이어(100)에 GaN층(110)을 성장시킨 후에, 금속층(120)을 증착하고, 열처리를 한 후에, 재차 GaN층(130)을 성장시키는 것이다.
여기에서, 금속층(120)은 금속재료, 금속산화물, 금속 질화물 또는 금속 탄화물을 포함한다.
이러한 금속층(120)을 열처리하면 하부에 굴곡진 에칭 표면을 얻고, 더나아가 그 상부에 질화물 반도체층(130)을 성장함으로써 공극층을 만들게 된다.
이때 금속 재료로는 티타늄(Ti)과 백금(Pt) 등을 사용하며, 금속산화물의 경우는 티타늄과 백금 등에 산소(O)가 결합된 상태로 티타늄옥사이드(TiO2) 등을 의미하고, 더나아가 금속 질화물은 질소처리에 의해 변형된 금속으로 티타늄나이트라이드(TiN) 또는 질화백금(PtN)등이고, 금속탄화물은 탄소(C)가 결합된 금속으로 티타늄카바이드(TiC) 또는 탄화된 금속을 포함한다.
그러나, 이와 같은 종래 기술에 따르면, 선택적 에칭 및 재성장에 의한 방법은 공극의 밀도를 높이는데 한계가 있어 대부분 SiO2나 금속 마스크층을 활용하고 그 위에 질화물 반도체를 재성장함으로써 공극층을 제조하고 있다.
따라서, 마스크층의 증착 또는 그 상부에 질화물 반도체를 재성장시키는 방법 등의 복잡한 공정을 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 성장된 질화물 반도체층에 크롬(Cr) 등을 도핑하고 도핑된 질화물 반도체층의 화학적 분해를 유도하여, 질화물 반도체층 내부에 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은 기판; 및 내부에 복수의 공극을 포함하는 도핑된 질화물 반도체층을 포함하고 상기 기판에 형성되어 있는 질화물 반도체층을 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 기판은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 및 질화갈륨(GaN) 기판 중 하나이다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 질화물 반도체층은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 질화물 반도체층의 두께가 0.1μm~10μm의 범위에 있다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 도핑된 질화물 반도체층은 다수의 공극과 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함한 도핑물질로 이루어져 있다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 도핑된 질화물 반도체층의 공극은 최대 폭의 길이가 최대 높이의 길이보다 크다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 질화물 반도체층은 상기 기판과 상기 도핑된 질화물 반도체층 사이에 형성된 1차 성장 질화물 반도체층; 및 상기 도핑된 질화물 반도체층에 형성된 2차 성장 질화물 반도체층을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면은 상기 질화물 반도체층에 형성되어 있는 재성장 질화물 반도체층을 더 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법에 있어서, 기판에 도핑된 질화물 반도체층을 포함한 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 질화물 반도체층을 열처리하여 도핑된 질화물 반도체층에 다수의 공극을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 기판은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 및 질화갈륨(GaN) 기판 중 하나를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 질화물 반도체층을 형성하는 단계는 상기 기판에 1차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 1차 성장 질화물 반도체층을 성장시키면서 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나가 함유된 도핑물질을 도핑하여 상기 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켜 2차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 다수의 공극을 형성하는 단계는 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스로 희석된 분위기에서 900℃ 내지 1200℃의 범위에 있는 온도에서 열처리를 수행하여 다수의 공극을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 다수의 공극을 형성하는 단계는 500℃ 내지 700℃ 범위에 있는 온도로부터 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스 또는 질소와 수소 혼합가스로 희석된 분위기에서 시작하여 최종 900℃내지 1200℃의 범위에 있는 온도로 상승시키면서 열처리를 수행하여 다수의 공극을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 질화물 반도체층은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화갈륨알루미늄(GaAlN)중 하나 이상을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 상기 질화물 반도체층에 재성장 질화물 반도체층을 재성장시키는 단계를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 질화물반도체에 크롬(Cr) 등을 도핑함으로써 제조한 공극구조는 기판에 질화물 반도체층의 성장시 격자 상수 및 열팽창계수의 차이에 의해 발생되는 응력을 감소시켜, 질화물 반도체의 크랙(Crack)이나 휨(Bowing)을 감소시킬 수 있어 고품질의 질화물 반도체 기판이 가능하다.
특히, 기존의 SiO2 또는 메탈층의 층착 방식이 아닌 도핑 방법으로 공극구조를 보다 간단히 제조할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 복잡한 다수의 과정을 거치지 않고 열처리 방법만으로 공극을 갖는 질화물 반도체층을 제조할 수 있어, 계면에서부터 생성되어 질화물 반도체층 표면까지 전달되는 관통 전위 및 나노 파이프와 같은 결함을 차단하여 공극 구조 상부에 성장된 질화물 반도체층의 고품질화를 유도할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 금속층을 이용한 질화물 반도체인 GaN 내부에 공극층의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판의 사시도이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 기판에 1차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 1차 성장 질화물 반도체층에 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 도핑된 질화물 반도체층에 2차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 도핑된 질화물 반도체층에 공극을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 2차 성장 질화물 반도체층에 재성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6의 공극이 형성된 도핑된 질화물 반도체층의 원자 배열을 보여주는 도면이다.
도 9는 전자현미경(SEM) 표면 단면 사진으로, (a)는 일반적인 사파이어 기판에 성장된 질화물 반도체 층이며, (b)는 GaCrN층이 삽입된 질화물 반도체층의 열처리 후의 구조변화 사진 및 (c)는 (b) 구조위에 추가적으로 GaN층을 성장하였을 때의 사진을 나타낸다.
도 10은 보다 두껍게 GaCrN을 삽입하고 열처리후 GaCrN 층이 열처리 과정에서 제거되고 그 자리에 공극이 만들어진 구조를 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판의 사시도이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 기판에 1차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 1차 성장 질화물 반도체층에 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 도핑된 질화물 반도체층에 2차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 도핑된 질화물 반도체층에 공극을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 2차 성장 질화물 반도체층에 재성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6의 공극이 형성된 도핑된 질화물 반도체층의 원자 배열을 보여주는 도면이다.
도 9는 전자현미경(SEM) 표면 단면 사진으로, (a)는 일반적인 사파이어 기판에 성장된 질화물 반도체 층이며, (b)는 GaCrN층이 삽입된 질화물 반도체층의 열처리 후의 구조변화 사진 및 (c)는 (b) 구조위에 추가적으로 GaN층을 성장하였을 때의 사진을 나타낸다.
도 10은 보다 두껍게 GaCrN을 삽입하고 열처리후 GaCrN 층이 열처리 과정에서 제거되고 그 자리에 공극이 만들어진 구조를 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판의 사시도이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 2의 (a)와 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판은 기판(200)과, 기판(200)에 형성된 공극이 포함된 도핑된 질화물 반도체층(212)을 포함하는 질화물 반도체층(210) 및 재성장 질화물 반도체층(220)을 포함한다.
상기 기판(200)은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 또는 질화갈륨(GaN) 기판 등이 사용된다.
그리고 질화물 반도체층(210)은 1차 성장 질화물 반도체층(211), 도핑된 질화물 반도체층(212) 및 2차 성장 질화물 반도체층(213)을 포함한다.
이와 같은 질화물 반도체층(210)은 그 두께가 0.1μm~10μm의 정도가 좋다.
상기 1차 성장 질화물 반도체층(211)은 상기 기판(200)상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장시킨 것으로, 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 포함한다.
상기 도핑된 질화물 반도체층(212)은 1차 성장 질화물 반도체층(211)에 형성되어 있으며 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al)중 적어도 하나의 도핑물질을 포함한다.
또한, 상기 도핑된 질화물 반도체층(212)은 폭이 넓고 위아래가 좁은 공극(212-1)을 다수 포함하고 있다. 즉, 도핑된 질화물 반도체층(212)의 공극(212-1)은 최대 폭 길이가 최대 높이의 길이보다 큰 것을 특징으로 한다.
이러한 도핑된 질화물 반도체층(212)에 있어서 도핑물질은 공극(212-1)의 중심 부근에서 가장 농도가 높고 위 또는 아래로 진행하면서 도핑농도가 작아진다. 상기 도핑된 질화물 반도체층(212)에 있어서 도핑물질의 도핑 농도는 1018/cm3 ~ 1022/cm3 의 범위에 있다. 이러한 도핑물질은 확산에 의해 도핑된 질화물 반도체층(212)의 아래에 있는 1차 성장 질화물 반도체층(211)으로 확산될 수 있으며 도핑된 질화물 반도체층(212)의 위에 있는 2차 성장 질화물 반도체층(213)으로도 확산되는데 재성장 질화물 반도체층(220)으로까지 일정 깊이까지 확산될 수 있다.
다음으로, 상기 2차 성장 질화물 반도체층(213)은 상기 도핑된 질화물 반도체층(212)상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장시킨 것으로, 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 포함한다.
이러한 2차 성장 질화물 반도체층(213)의 두께는 일예로 0.1μm~2μm의 정도가 좋다.
한편, 재성장 질화물 반도체층(220)은 상기 공극 구조가 생성된 질화물 반도체층(210)에 재성장에 의해 형성되며, 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 포함한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 기판에 1차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 제조 방법은 먼저 기판(200)에 1차 성장 질화물 반도체층(211)을 일정 두께로 성장시킨다.
상기 기판(200)은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN) 기판 등을 사용하고, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 기판(200)상에 1차 성장 질화물 반도체층(211)을 성장시킨다.
상기 1차 성장 질화물 반도체층(210)은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 포함한다.
또한 성장된 1차 성장 질화물 반도체층(211)은 도핑이 되거나 되지 않아도 상관없고, Al, In 등의 물질이 일부 들어간 1차 성장 질화물 반도체층(211)이어도 상관없다.
다음으로, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 1차 성장 질화물 반도체층에 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 1차 성장 질화물 반도체층(211)을 성장시키면서 도핑 물질을 도핑하여 도핑된 질화물 반도체층(212)을 형성한다.
이때, 사용가능한 도핑 물질은 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 알루미늄(Al)등을 포함한다.
상기의 도핑물질을 도핑하는 방법은 1차 성장 질화물 반도체층(211)의 성장중에 도핑물질이 함유된 가스를 이용하여 도핑된 질화물 반도체층(212)을 형성시키는 방법 이외에 1차 성장 질화물 반도체층을 충분한 두께로 성장시킨 후에 성장된 1차 성장 질화물 반도체층(211)의 표면에 이온주입법(Ion Implantation)으로 도핑물질의 이온을 삽입시키는 방법과, 도핑물질을 충분한 두께로 성장된 1차 성장 질화물 반도체층(211)에 수~수십 nm 두께로 증착시키고 열처리를 통해 1차 성장 질화물 반도체층(211)과 도핑물질의 상호확산(Interdiffusion)에 의해 도핑을 할 수도 있다.
일 예로, 도 8을 참조하면 1차 성장 질화물 반도체층(211)이 질화갈륨(GaN)층인 경우에(도 8의 (a)) 크롬(Cr)을 도핑하여 도 8의 (b)의 GaCrN로 구조를 형성한다. 이러한 도핑 과정은 1차 성장 질화물 반도체층(211)을 900 ~ 1100℃ 에서 암모니아(NH3)와 수소(H2)가스 또는 질소(N2) 가스 상에서 성장시키면서, 일정한 두께로 1차 성장 질화물 반도체층 (211)이 성장되면 Cp2Cr 가스를 활용하여 크롬(Cr)을 도핑한 후 열처리 하여 도핑된 질화물 반도체층(212)에 공극을 형성한다. 상기 도핑된 질화물 반도체층(212)의 성장조건에서 크롬의 농도는 1018/cm3 ~ 1022/cm3 의 범위에 있으며, 도핑시간은 대략 5분 ~ 60분 정도가 적당하며, 도핑시간이 증가하면 열처리후 공극의 두께가 증가한다.
다음으로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 2차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도핑된 질화물 반도체층(212)를 성장시켜 2차 성장 질화물 반도체층(213)을 형성한다.
이때, 상기 2차 성장 질화물 반도체층(213)은 상기 도핑된 질화물 반도체층(212)상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장시킨 것으로,질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 등의 포함한다.
이러한 2차 성장 질화물 반도체층(213)의 두께는 일예로 0.1μm~2μm의 정도가 좋다.
여기에서, 1차 성장 질화물 반도체층(211), 도핑된 질화물 반도체층(212) 그리고 2차 성장 질화물 반도체층(213)은 질화물 반도체층(210)으로 통칭될 수 있다. 이와 같은 질화물 반도체층(210)은 그 두께가 0.1μm~10μm의 정도가 좋다.
다음으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 도핑된 질화물 반도체층에 공극을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 질화물 반도체층(210)에 열처리를 수행하여 도핑된 질화물 반도체층(일예로, GaCrN층)(212)의 취약한 화학적 특성을 이용하여 질화물 반도체층(210)의 도핑된 질화물 반도체층(212)의 내부에 공극(212-1)을 형성한다. 이와 같은 공극(212-1)은 폭이 넓고 위아래가 좁은 형상을 가지고 있다. 즉, 공극(212-1)은 최대 폭 길이가 최대 두께 길이보다 크다.
상기 도핑된 질화물 반도체층(212)(일예로, GaCrN층)은 질화물 반도체층(210)이 갖는 결함의 구멍을 통해 열분해(Thermal Decomposition) 되어 증발하게 되며, 증발된 자리에 공극(212-1)이 형성된다. 이러한 과정을 통하여 도핑물질 크롬(Cr) 및 갈륨(Ga)이 도핑된 질화물 반도체층(212)에서 빠져 나가게 되어 확산된 도핑 농도는 공극(212-1)의 중심 부분에서 가장 높고 위아래로 진행하면서 작아진다. 이에 따라 도핑물질은 확산에 의해 도핑된 질화물 반도체층(212)의 아래에 있는 질화물 반도체층(210)으로 확산될 수 있으며 도핑된 질화물 반도체층 (212)의 위에 있는 질화물 반도체층(210)으로도 확산되는데 재성장 질화물 반도체층(220)에까지 일정 깊이까지 확산될 수 있다.
이때, 열처리하는 방법은 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스 또는 질소와 수소 혼합가스로 희석된 분위기에서 900℃ 내지 1200℃에서 열처리할 수 있다. 이때, 바람직하게 열처리하는 방법은 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스 또는 질소와 수소 혼합가스로 희석된 분위기에서 1000℃ 내지 1100℃에서 열처리할 수 있다.
또 다른 방법은 500℃ 내지 700℃ 범위에 있는 온도에서부터 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스 또는 질소와 수소 혼합가스로 희석된 분위기에서 시작하여 최종 900℃ 내지 1200℃의 범위에 있는 온도로 상승시키면서 열처리할 수 있다. 이때, 바람직하게 600℃ 부터 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2)가스 또는 수소(H2) 가스 또는 질소와 수소 혼합가스로 희석된 분위기에서 시작하여 최종 1000℃ 내지 1100℃까지 온도를 상승시키면서 열처리할 수 있다. 이때 열처리시에 1000℃ 내지 1100℃에서의 열처리 시간은 10분 ~ 60분이며, NH3가스의 비율은 총 가스량에 10 ~ 50부피%이다.
다음으로, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 있어서 질화물 반도체층에 재성장 질화물 반도체층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 공극 구조가 생성된 질화물 반도체층(210)에 재성장에 의해 재성장 질화물 반도체층(220)을 형성한다.
이처럼, 공극 구조가 내부에 형성된 질화물 반도체층(210)에 재성장 질화물 반도체층(220)을 재성장시키면 공극 구조가 그대로 유지되는 특징을 갖는다.
도 9는 Cr도핑된 GaCrN층의 열분해에 의해 형성된 공극구조를 전자현미경으로 관찰한 결과를 도시한다.
도 9의 (a)는 사파이어(Al2O3) 기판에 일반적인 방법으로 성장된 질화물반도체인 GaN의 표면 및 단면 사진이다.
다음으로 도 9의 (b)는 성장된 GaN에 Cr을 도핑하고 열처리를 통해 형성된 공극구조의 표면 및 단면 구조이다.
열분해된 GaN 표면이 확인되며 단면사진에서는 다수의 공극구조를 확인할 수 있다.
보다 자세히 살펴보면 공극구조의 일부분에는 외부와 연결된 구멍이 보이며, 이 구멍으로 열분해된 GaCrN가 증발되고 그 남는 자리에 공극이 생긴 것으로 확인할 수 있다.
더 나아가 도 9의 (c)는 앞서 설명한 도 9의 (b)의 구조에 GaN을 추가하여 성장시켰을 경우의 표면 및 단면 사진이다.
단면사진에서 볼 수 있듯이 열처리 단계에서 발생된 공극을 유지하고 있으며, 나머지 부분을 추가 성장된 질화물 반도체가 메운 상태의 구조를 보이고 있다.
또한 최종적으로 표면 품질이 우수한 GaN가 성장된 것을 표면사진으로부터 확인할 수 있다.
도 10은 보다 큰 공극을 얻기위해 Cr 도핑을 보다 두껍게 하여 열처리 한 후 공극구조를 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
약 두께 8μm의 공극이 만들어 졌는데, 이를 통해 Cr의 도핑된 영역의 두께를 증가 시키면 보다 큰 공극구조를 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.
더하여 본 사진으로부터 본 발명의 구조에는 종래 기술(대한민국 등록특허 10-0680670)와 같은 금속층 또는 금속산화물, 금속 질화물 또는 금속 탄화물로 구성된 층이 없는 것을 확인 할 수 있으며, 추가적인 마스크 층 없이 순수하게 GaCrN층 만의 열분해에 의한 공극층의 제조가 가능함을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면 질화물반도체에 Cr을 도핑함으로써 제조한 공극구조는 기판에 질화물 반도체층의 성장시 격자 상수 및 열팽창계수의 차이에 의해 발생되는 응력을 감소시켜, 질화물 반도체의 크랙(Crack)이나 휨(Bowing)을 감소시킬 수 있어 고품질의 질화물 반도체 기판이 가능하다.
특히, 기존의 SiO2 또는 메탈층의 층착 방식이 아닌 도핑 방법으로 공극구조를 보다 간단히 제조할 수 있는 장점을 가진다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 기판 210 : 질화물 반도체층
211 : 1차 성장 질화물 반도체층 212 : 도핑된 질화물 반도체층
212-1 : 공극 213 : 2차 성장 질화물 반도체층
220 : 재성장 질화물 반도체층
211 : 1차 성장 질화물 반도체층 212 : 도핑된 질화물 반도체층
212-1 : 공극 213 : 2차 성장 질화물 반도체층
220 : 재성장 질화물 반도체층
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 1차 성장 질화물 반도체층;
상기 1차 성장 질화물 반도체층 상에 형성된 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층; 및
상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층 상에 상기 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켜 형성된 2차 성장 질화물 반도체층을 포함하고,
상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층은, 상기 1차 성장 질화물 반도체층에 이온주입하거나 증착된 도핑물질의 확산을 통하여 이루어지고,
상기 1차 성장 질화물 반도체층, 상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층 및 상기 2차 성장 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층을 형성한 후, 열처리를 수행하여, 상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층 내에 상대적으로 취약한 상기 금속 물질이 도핑된 질화물이 열분해에 의해 증발되어 형성된 복수의 공극을 포함하고,
상기 열처리는, NH3가스를 N2가스, H2가스, 또는 N2와 H2 혼합가스로 희석된 분위기에서, 시작 온도범위 500℃ 내지 700℃ 온도로부터 시작하여 최종 온도범위 900℃내지 1200℃의 온도로 상승시키면서 수행되고, 여기서 NH3가스는 총 가스중 10 ~ 50부피%인 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 청구항 1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs) 및 실리콘(Si) 및 질화갈륨(GaN) 기판 중 하나인 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 청구항 1항에 있어서,
상기 질화물 반도체층은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화갈륨알루미늄(GaAlN) 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 청구항 1항에 있어서,
상기 질화물 반도체층의 두께가 0.1μm~10μm의 범위에 있는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 삭제
- 청구항 1항에 있어서,
상기 도핑된 질화물 반도체층의 공극은 최대 폭의 길이가 최대 높이의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 청구항 1항에 있어서,
상기 금속 물질은, 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 함유한 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 청구항 1항에 있어서,
상기 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 재성장 질화물 반도체층을 더 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판. - 기판 상에 1차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 1차 성장 질화물 반도체층 상에 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켜 2차 성장 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층 내에서 상대적으로 취약한 상기 금속 물질이 도핑된 질화물이 열분해에 의해 증발되어 복수의 공극이 발생하도록 열처리를 수행하는 단계를 포함하고,
상기 금속 물질이 도핑된 질화물 반도체층은, 상기 1차 성장 질화물 반도체층에 이온주입하거나 증착된 도핑물질의 확산을 통하여 이루어지고,
상기 열처리는, NH3가스를 N2가스, H2가스, 또는 N2와 H2 혼합가스로 희석된 분위기에서, 시작 온도범위 500℃ 내지 700℃ 온도로부터 시작하여 최종 온도범위 900℃내지 1200℃의 온도로 상승시키면서 수행되고, 여기서 NH3가스는 총 가스중 10 ~ 50부피%인 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법. - 삭제
- 청구항 9항에 있어서,
상기 기판은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘(Si) 및 질화갈륨(GaN) 기판 중 하나인 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법. - 청구항 9항에 있어서,
상기 금속 물질은, 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 함유한 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법. - 삭제
- 청구항 9항에 있어서,
상기 질화물 반도체층은 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화갈륨알루미늄(GaAlN)중 하나 이상을 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법. - 청구항 9항에 있어서,
상기 질화물 반도체층 상에 재성장 질화물 반도체층을 재성장시키는 단계를 더 포함하는 복수의 공극을 포함한 질화물 반도체 기판 제조 방법.
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