KR19990084402A - GAN single crystal structure manufacturing method - Google Patents

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KR19990084402A
KR19990084402A KR1019980016129A KR19980016129A KR19990084402A KR 19990084402 A KR19990084402 A KR 19990084402A KR 1019980016129 A KR1019980016129 A KR 1019980016129A KR 19980016129 A KR19980016129 A KR 19980016129A KR 19990084402 A KR19990084402 A KR 19990084402A
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김준홍
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이형도
삼성전기 주식회사
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Abstract

GaN 단결정 구조체 제조방법이 개시된다. 기판 위에 ZnO층을 형성하는 단계와, ZnO층 위에 Ti1-xAlxN층을 형성하는 단계 및 이 Ti1-xAlxN층 위에 GaN층을 형성하는 단계를 포함한다. 이렇게 제조된 GaN층은 ZnO층 제거과정을 거쳐 발광소자용 기판으로 사용할 수 있어 발광소자 제작시 각 층에서 발생되던 결함이 억제되어 수명이 향상되며 제조공정이 단순화되어 수율이 향상되는 장점이 있다.A method for producing a GaN single crystal structure is disclosed. It comprises the steps of forming a GaN layer on the step and the Ti 1-x Al x N layer to form a Ti 1-x Al x N layer on the ZnO layer to form a ZnO layer on the substrate. The GaN layer manufactured as described above can be used as a substrate for a light emitting device through a ZnO layer removal process, so that defects generated in each layer during manufacturing of the light emitting device can be suppressed, thereby improving lifetime and simplifying the manufacturing process, thereby improving yield.

Description

GaN 단결정 구조체 제조방법Baan single crystal structure manufacturing method

본 발명은 GaN 단결정 구조체 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 헤테로 에피텍실(hetero-epitaxial) 성장기법에 의해 이종 기판 위에 GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차이를 좁힐 수 있도록 복수개의 완충층들을 두고, 이 완충층 위에 원하는 GaN 단결정을 형성하여 얻는 GaN 단결정 구조체 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a GaN single crystal structure, and in particular, a plurality of buffer layers are provided on a heterogeneous substrate to narrow the difference in lattice constant and coefficient of thermal expansion with a GaN by hetero-epitaxial growth techniques. A method for producing a GaN single crystal structure obtained by forming a desired GaN single crystal on a buffer layer.

In1-xGaxN의 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체로서, x값을 얼마로 하느냐에 따라 결정되는 In의 성분비에 따라 그 밴드갭에너지가 넓은 범위내에서 가변되는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 갖는 In1-xGaxN의 화합물 반도체는 In의 성분비에 따라 그 밴드갭 에너지가 청자색으로부터 빨간색까지에 걸친 발광대역 범위로 가변된다. 이러한 In1-xGaxN 반도체는 컬러 표시소자, 청색 레이저 다이오드 등의 발광 반도체 소자에 이용된다. 그 응용분야가 다양한 In1-xGaxN결정을 성장기법에 의해 고품질의 박막형태로 만들 수 있는 방법 및 그로부터 다양한 응용소자의 개발에 대한 개발이 꾸준히 진행되고 있다.The compound semiconductor of In 1-x Ga x N is a direct transition semiconductor, and has a characteristic that its bandgap energy is varied within a wide range depending on the component ratio of In determined by how much x is. The compound semiconductor of In 1-x Ga x N having such characteristics varies its bandgap energy in the emission band range from blue violet to red according to the component ratio of In. Such In 1-x Ga x N semiconductors are used in light emitting semiconductor devices such as color display devices and blue laser diodes. In 1-x Ga x N crystals having various fields of application by the growth technique, a method of forming a high quality thin film form and from there, the development of various application devices is steadily progressing.

사파이어(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 이종 기판 위에 MOCVD에 의해 In1-xGaxN박막을 성장시키고, 이를 이용하여 제작한 레이저 다이오드가 발진까지는 성공하였으나, 그 수명이 짧아 상품화하기에는 미흡하다는 연구결과가 최근의 몇몇 연구기관으로부터 발표되고 있다. 그리고, 짧은 수명에 대한 원인으로서, 이종 기판과 GaN과의 계면에서부터 발생한 여러 가지 결함들이 그 위에 후속적으로 형성되는 박막층의 성장에 까지 연쇄적으로 미쳐 야기되는 구조의 불안정을 지적하고 있다. 이러한 계면에서의 결함은 기판과 성장하는 박막층간의 격자상수 및 열팽창계수의 차이가 크기 때문에 발생한다. 따라서, 이를 효과적으로 해결할 수 있는 방안으로서는 In1-xGaxN박막을 성장시키기 위한 모체로서 동종 기판 즉, GaN기판을 사용하면 된다.In 1-x Ga x N thin films were grown by MOCVD on heterogeneous substrates such as sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC), and the laser diode fabricated using them succeeded in oscillation, but its life was short. Research results that are not sufficient for commercialization have been published recently by several research institutes. In addition, as a cause for the short life time, it is pointed out that the instability of the structure caused by a series of defects that occur from the interface between the dissimilar substrate and GaN, resulting in chain growth to the growth of the thin film layer subsequently formed thereon. Defects at these interfaces occur because of the large difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the substrate and the growing thin film layer. Therefore, as a solution to effectively solve this problem, a homogeneous substrate, that is, a GaN substrate, may be used as a matrix for growing an In 1-x Ga x N thin film.

한편, GaN은 고온고압하에서 액상으로부터 고상으로의 결정성장이 이루어질 수 있도록 기상성장법의 하나인 수소 기상 에피택시법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법으로 결정성장시킨다. 이 HVPE법은 종래에 일반적으로 적용하던 사파이어 또는 실리콘 카바이드와 같은 이종 기판 위에 공급된 GaN의 원료가스들 사이의 반응에 의해 GaN 결정이 성장되도록 하는 방법이다. 이러한 HVPE법에 의한 결정성장에 있어서, 적용되는 기판과 성장되는 막과의 결정구조, 격자상수의 정합도, 열팽창계수의 차이등에 따라 결정의 품질이 결정된다.On the other hand, GaN is crystal-grown by the hydrogen vapor phase epitaxy (HVPE) method, which is one of the vapor phase growth methods, so that crystal growth from the liquid phase to the solid phase may be performed under high temperature and high pressure. This HVPE method is a method in which GaN crystals are grown by a reaction between source gases of GaN supplied on a dissimilar substrate such as sapphire or silicon carbide which has been generally applied in the past. In the crystal growth by the HVPE method, the crystal quality is determined by the crystal structure of the applied substrate and the grown film, the degree of matching of the lattice constant, the difference in the coefficient of thermal expansion, and the like.

도 1에는 종래의 방법에 의해 형성된 GaN 단결정 구조체를 나타내 보인 단면도가 도시되어 있다.1 is a cross-sectional view showing a GaN single crystal structure formed by a conventional method.

도면을 참조하면, 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 와 같은 이종 기판(10) 위에 바로 GaN층(20)이 형성되어 있다. 그러나, 사파이어로 된 기판(20) 위에 GaN층(20)을 형성시킬 경우에는 GaN과 16%정도되는 사파이어와의 격자상수차이와, 약 35%정도되는 열팽창계수차이에 의해 사파이어로된 기판(10)과의 계면에서 발생되는 스트레인(strain)에 의한 결함요인에 의해 고품질의 단결정을 얻기 어렵다. 그리고, GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차이가 사파이어에 비해 작은 실리콘 카바이드는 가격이 고가인 단점이 있고, 이 실리콘 카바이드 기판(10) 위에 형성한 GaN층(20)에는 원하지 않는 마이크로파이프(micropipe)가 생성됨으로써 역시 고품질의 결정을 얻기 어렵다.Referring to the drawings, a GaN layer 20 is formed directly on a heterogeneous substrate 10 such as sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC). However, when the GaN layer 20 is formed on the sapphire substrate 20, the sapphire substrate 10 may be formed by lattice constant difference between GaN and sapphire of about 16% and thermal expansion coefficient difference of about 35%. It is difficult to obtain a high quality single crystal due to defect factors caused by strain generated at the interface with In addition, silicon carbide having a small lattice constant and thermal expansion coefficient difference with GaN compared to sapphire has a disadvantage in that the price is expensive, and unwanted micropipes are used in the GaN layer 20 formed on the silicon carbide substrate 10. It is also difficult to obtain high quality crystals by the formation of.

한편, 이러한 이종 기판(10)위에 곧바로 형성된 GaN층(20)은 기판(10)과의 분리가 어려운 문제점이 있다. 앞서 언급된 재료로 된 이종 기판(10)들은 화학적으로 안정하여 에칭에 의해 쉽게 제거되지 않아 기계적으로 기판을 제거하는 방법도 시도하고 있으나 많은 문제점을 안고 있다. 특히, 기판(10)을 분리하지 않고 사용하는 경우로서, 절연체인 사파이어를 기판(10)으로 사용하는 경우에는 그 자체를 전극으로 이용할 수 없는 단점 때문에 발광 소자제작시에 전극층(21)을 형성하기 위해 먼저, 도 2에서와 같이 기판(10) 위에 순차적으로 적층한 층들의 일부 즉 점선으로 표시된 부분을 식각에 의해 제거하는 공정이 추가되는 단점이 있다.On the other hand, the GaN layer 20 formed directly on the dissimilar substrate 10 has a problem that it is difficult to separate from the substrate 10. The heterogeneous substrates 10 of the above-mentioned materials are chemically stable and are not easily removed by etching, so there are many methods for mechanically removing the substrates. In particular, when the substrate 10 is used without being separated, when the sapphire, which is an insulator, is used as the substrate 10, the electrode layer 21 is formed during the fabrication of the light emitting device due to the disadvantage that it cannot be used as an electrode. First, as shown in FIG. 2, there is a disadvantage in that a process of removing a portion of layers sequentially stacked on the substrate 10, that is, a portion indicated by a dotted line, by etching is added.

이러한 단점을 극복하기 위한 일환으로 도 3에 도시된 바와 같이 이종 기판(10) 위에 GaN과 물질 특성이 비슷한 ZnO층(11)을 완층층으로서 두고, 이 ZnO층(11) 위에 GaN층(20)을 형성하는 방안이 제시되었다. 그러나, ZnO층(11)은 GaN의 성장온도인 1000℃부근에서 Zn의 재증발이 심해 그 표면에 결함이 발생한다. 이러한 열적 불안정에 의해 후속 성장되는 GaN층(20)은 ZnO층(11)과의 밀착력이 떨어져 들뜨거나, 떨어져 나가는 문제점이 있다. GaN의 성장온도를 Zn이 재증발되지 않는 온도로 낮추는 방법은 GaN의 성장이 정상적으로 이루어지지 못하기 때문에 적용할 수 없다.As a part of overcoming this drawback, as shown in FIG. 3, a ZnO layer 11 having similar material properties as GaN is disposed on the heterogeneous substrate 10 as a complete layer, and the GaN layer 20 on the ZnO layer 11. A method of forming a was proposed. However, in the ZnO layer 11, Zn re-evaporates severely around 1000 DEG C, which is the growth temperature of GaN, and defects are generated on the surface thereof. The GaN layer 20 which is subsequently grown by such thermal instability has a problem in that adhesion to the ZnO layer 11 is separated or lifted off. The method of lowering the growth temperature of GaN to a temperature at which Zn does not re-evaporate is not applicable because GaN growth is not performed normally.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 이종 기판 위에 GaN과의 격자상수 및 열팽창계수 차이를 좁힐 수 있는 완충층들을 두고, 이 완충층 위에 GaN층을 형성하는 GaN 단결정 구조체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and provides a GaN single crystal structure manufacturing method for forming a GaN layer on the buffer layer, having buffer layers capable of narrowing the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient with GaN on a heterogeneous substrate. Its purpose is to.

또 다른 목적은 상기 완충층이 전극으로도 이용할 수 있도록 하는 것이다.Another object is to allow the buffer layer to be used as an electrode.

도 1은 종래의 방법에 의해 형성된 GaN 단결정 구조체를 나타내 보인 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a GaN single crystal structure formed by a conventional method,

도 2는 도 1의 GaN 단결정 구조체를 사용하여 만든 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing a light emitting diode made using the GaN single crystal structure of FIG.

도 3은 종래의 다른 방법에 의해 형성된 GaN 단결정 구조체를 나타내 보인 단면도이고,3 is a cross-sectional view showing a GaN single crystal structure formed by another conventional method;

도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 GaN 단결정 구조체를 나타내보인 단면도이고,4 is a cross-sectional view showing a GaN single crystal structure prepared according to the manufacturing method of the present invention,

도 5는 발광다이오드의 제작등에 이용하기 위해 도 4의 GaN 단결정 구조체에서 기판과 GaN 단결정의 성장을 보조해 준 ZnO층을 제거한 후의 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view of the GaN single crystal structure of FIG. 4 after removing the ZnO layer which assisted the growth of the substrate and the GaN single crystal for use in fabrication of a light emitting diode. FIG.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10, 50: 기판 11, 60: ZnO층10, 50: substrate 11, 60: ZnO layer

20, 80: GaN층 21: 전극층20, 80: GaN layer 21: electrode layer

70: Ti1-xAlxN층70: Ti 1-x Al x N layer

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN 단결정 구조체 제조방법은 기판 위에 ZnO층을 형성하는 단계와; 상기 ZnO층 위에 Ti1-xAlxN층을 형성하는 단계; 및 상기 Ti1-xAlxN층 위에 GaN층을 형성하는 단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, a GaN single crystal structure manufacturing method according to the present invention comprises the steps of forming a ZnO layer on a substrate; Forming a Ti 1-x Al x N layer on the ZnO layer; And forming a GaN layer on the Ti 1-x Al x N layer.

상기 Ti1-xAlxN층은 성분비를 결정하는 X값이 1인 경우 즉, AlN층을 포함한다.The Ti 1-x Al x N layer includes an AlN layer when the X value for determining the component ratio is 1, that is, the AlN layer.

바람직하게는, 상기 ZnO층을 에칭액에 의한 제거에 의해 상기 기판과 상기 GaN층을 분리시키는 단계;를 더 포함한다.Preferably, the method further comprises separating the GaN layer from the substrate by removing the ZnO layer by an etching solution.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 GaN 단결정 구조체 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a GaN single crystal structure manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 GaN 단결정 구조체를 나타내보인 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a GaN single crystal structure prepared according to the manufacturing method of the present invention.

도면을 참조하면, 기판(50) 위에 제1완층층으로서의 ZnO층(60), 제2완충층으로서의 Ti1-xAlxN층(70) 및 GaN층(80)이 순차적으로 적층된 구조를 갖고 있다.Referring to the drawings, a ZnO layer 60 as a first buffer layer, a Ti 1-x Al x N layer 70 and a GaN layer 80 as a second buffer layer are sequentially stacked on the substrate 50. have.

GaN층(80)형성시 ZnO의 증발방지를 막기위해 제2완충층으로서의 Ti1-xAlxN층(70)은 성분비를 결정하는 X값이 1인 경우의 AlN층으로 형성시키거나, ZnO의 증발방지외에도 Ti를 포함하여 전극으로 이용할 수 있도록 X값이 0과 1사이에서 하나, 또는 점진적으로 막성장두께에 따라 달라지도록 하여 형성시킬 수 있다.In order to prevent the evaporation of ZnO when forming the GaN layer 80, the Ti 1-x Al x N layer 70 as the second buffer layer is formed of an AlN layer having an X value of 1, which determines the component ratio, or ZnO In addition to the prevention of evaporation, the X value may be formed between 0 and 1 so as to be used as an electrode, or may be gradually changed depending on the film growth thickness.

이하 그 제조과정을 살펴본다.The manufacturing process will be described below.

먼저, 사파이어, 또는 실리콘 카바이드 소재로 된 기판(50) 위에 RF 스퍼터링 방법에 의해 제1완층층으로서, ZnO층(60)을 0.1μm 내지 1μm의 두께로 형성한다. 다음은 이 ZnO층(60) 위에 Ti1-xAlxN층(70)을 스퍼터링 방법 또는, 기상증착법(MOCVD)에 의해 성장시킨다. Ti1-xAlxN층(70)은 스퍼터링의 경우 상온(25℃) 에서부터 500℃ 범위내에서 선택된 성장온도를 유지시키면서 형성시킨다. 기상증착법(MOCVD)에 의해 Ti1-xAlxN층(70)을 형성시킬 때는 400℃ 에서부터 1100℃ 범위내에서 선택된 성장온도를 유지시키면서 형성시킨다. Ti1-xAlxN층(70)을 전극으로도 이용할 수 있도록 Ti성분이 포함된 Ti1-xAlxN층(70)을 형성시킬 경우에는 전체 두께가 0.1μm 내지 1μm가 되도록 조절된다. 여기서 Ti1-xAlxN층(70) 형성시 막 성장두께가 증가할수록 그 혼합비를 결정하는 x값이 점진적으로 증가되도록 성장시키는 것이 바람직하다. x값의 점진적 증가에 의해 최종적으로 형성되는 Ti1-xAlxN층 막의 표면층은 GaN과 격자상수가 거의 동일한 AlN에 의해 이후 후속 성장될 GaN의 성장조건이 향상된다. 한편, Ti1-xAlxN층(70)을 X값이 1인 경우의 AlN층(70)으로만 형성시킬 경우에는 0.1μm 내지 1.5μm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.First, a ZnO layer 60 is formed on the substrate 50 made of sapphire or silicon carbide by an RF sputtering method, with a thickness of 0.1 μm to 1 μm as a first complete layer. Next, the Ti 1-x Al x N layer 70 is grown on the ZnO layer 60 by the sputtering method or the vapor phase deposition method (MOCVD). In the case of sputtering, the Ti 1-x Al x N layer 70 is formed while maintaining a selected growth temperature within a range from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. When the Ti 1-x Al x N layer 70 is formed by vapor deposition (MOCVD), the Ti 1-x Al x N layer 70 is formed while maintaining a selected growth temperature within a range from 400 ° C to 1100 ° C. When the Ti 1-x Al x N layer 70 including the Ti component is formed so that the Ti 1-x Al x N layer 70 can also be used as an electrode, the total thickness is adjusted to be 0.1 μm to 1 μm. . Here, it is preferable to grow such that the x value for determining the mixing ratio gradually increases as the film growth thickness increases when the Ti 1-x Al x N layer 70 is formed. The surface layer of the Ti 1-x Al x N layer film finally formed by the gradual increase of the x value is improved by the growth conditions of GaN to be subsequently grown by AlN having almost the same lattice constant as GaN. On the other hand, when forming the Ti 1-x Al x N layer 70 only by the AlN layer 70 when the X value is 1, it is preferable to form the thickness of 0.1 micrometer-1.5 micrometers.

이렇게 기판으로부터 제2완충층인 Ti1-xAlxN층(70)까지 형성된 구조체를 HVPE반응노에 장입하고, Ti1-xAlxN층(70) 위에 HVPE방법에 의해 GaN층(80)을 형성한다. GaN층(80)은 950 내지 1200℃로 유지된 온도에서 성장시킨다.The structure formed from the substrate to the Ti 1-x Al x N layer 70, which is the second buffer layer, is charged into the HVPE reaction furnace, and the GaN layer 80 is formed on the Ti 1-x Al x N layer 70 by the HVPE method. To form. The GaN layer 80 is grown at a temperature maintained at 950 to 1200 ° C.

이러한 적층과정에서 Ti1-xAlxN층은 GaN(80)층 형성시 ZnO층(60)으로부터 Zn의 재증발을 억제시키는 역할을 한다. 그리고, 사파이어 기판(50)에 비해 그 격자상수값이 GaN층(80)의 격자상수에 가까운 Ti1-xAlxN층(70)에 의해 이 Ti1-xAlxN층(70) 위에 성장되는 GaN층(80)의 결함이 억제된다. 이러한 이유에 의해서 Ti1-xAlxN층(70) 위에 형성된 GaN층(80)의 품질이 종래에 비해 향상된다.In this lamination process, the Ti 1-x Al x N layer serves to suppress the re-evaporation of Zn from the ZnO layer 60 when the GaN (80) layer is formed. Compared to the sapphire substrate 50, the Ti 1-x Al x N layer 70 whose lattice constant is close to the lattice constant of the GaN layer 80 is formed on the Ti 1-x Al x N layer 70. The defect of the grown GaN layer 80 is suppressed. For this reason, the quality of the GaN layer 80 formed on the Ti 1-x Al x N layer 70 is improved compared with the prior art.

이렇게 제작 완료된 GaN층(80)을 발광소자의 기판으로 이용하기 위해서는 ZnO층(60)을 에칭액으로 제거하여 도 5에 도시된 것 처럼, Ti1-xAlxN층(70)과 GaN층(80)만을 남긴다. 기판(50)으로부터 GaN층(80)과 함께 분리된 Ti1-xAlxN층(70)이 X값을 점진적으로 증가시켜 제조된 경우에는 이후, 전극층으로 사용될 수 있다. 이경우, GaN층(80)을 기판으로 사용한 레이저 다이오드의 제작예를 보면, GaN층(80)을 기판으로하여 그 위에 GaN 하부 클래드층, AlGaN 하부광도파층, GaN 또는 InGaN 활성층, AlGaN 상부 광도파층, GaN 상부 클래드층, 상부 전극층을 순차적으로 적층한다. 여기서, 상부 전극층과 Ti1-xAlxN층(70)을 양 전극단자로 이용하면 그 발광이 이루어진다. 이경우, 동종 기판으로 사용하기 위해 만든 GaN층(80) 하부의 Ti1-xAlxN층(70)은 발광소자 제작시 전극으로 그대로 이용할 수 있어 별도로 하부 전극층을 만드는 공정 또한 줄어드는 장점이 있다.In order to use the fabricated GaN layer 80 as a substrate of the light emitting device, the ZnO layer 60 is removed with an etchant, and as shown in FIG. 5, the Ti 1-x Al x N layer 70 and the GaN layer ( Only 80) is left. When the Ti 1-x Al x N layer 70 separated from the substrate 50 together with the GaN layer 80 is manufactured by gradually increasing the X value, it may be used as an electrode layer. In this case, a fabrication example of a laser diode using the GaN layer 80 as a substrate is shown. The GaN layer 80 is used as a substrate, and a GaN lower cladding layer, an AlGaN lower optical waveguide layer, a GaN or InGaN active layer, an AlGaN upper optical waveguide layer, The GaN upper cladding layer and the upper electrode layer are sequentially stacked. Here, the light emission is achieved when the upper electrode layer and the Ti 1-x Al x N layer 70 are used as the positive electrode terminals. In this case, since the Ti 1-x Al x N layer 70 under the GaN layer 80 made for use as a homogeneous substrate can be used as an electrode when fabricating a light emitting device, there is an advantage in that a process of separately forming a lower electrode layer is also reduced.

< 실시예 1><Example 1>

먼저, 사파이어 기판(50)을 TCE, 아세톤, 알콜, 증류수(D.I. water)에 각각 15분간, H2SO4와 H3PO4를 3:1로 혼합한 용액에 10분간 담그고, 마지막으로 10% 불화수소(HF)용액과 증류수(D.I.water)에 순차적으로 담가 세착하는 기판(50)의 전처리를 하였다. 전처리에 의해 세척된 사파이어 기판(50)을 RF스퍼터 장치에 장착하여 ZnO층(60)을 100 내지 1000Å사이의 두께로 증착하였다. 사용된 타겟은 ZnO세라믹 디스크였고, 방전가스는 Ar, O2를 사용하였다. 사파이어 기판(50) 위에 증착된 ZnO층(60) 위에 상온 내지 500℃의 온도에서 스퍼터링에 의해 X값을 점진적으로 증가시키면서 Ti1-xAlxN층(70)을 전극으로 사용하기 위해 3000Å 정도의 두께로 증착하였다. 이렇게 제작된 시료를 HVPE장치에 장입하고, GaN후막 단결정층(80)을 성장시켰다. 이때 갈륨 재료로는 GaCl3가스를 니트로겐 재료로는 NH3가스를 각각 HVPE반응노내에 공급하여 사용하였다. 성장시 HVPE반응노내에 캐리어 가스로 N2를 공급하였다. 성장된 GaN층(80)은 상온에서 HVPE반응노로부터 꺼내 왕수에 담구고, 이 왕수를 100℃로 가열하면서 초음파 세척기를 이용하여 ZnO층(60)을 산에칭하여 GaN층(80)을 사파이어 기판(50)으로부터 분리시켜 Ti1-xAlxN 전극층(70)을 그 하부에 갖는 GaN 단결정 웨이퍼를 얻었다.First, the sapphire substrate 50 was immersed in TCE, acetone, alcohol, distilled water (DI water) for 15 minutes, in a solution of H 2 SO 4 and H 3 PO 4 in a 3: 1 mixture for 10 minutes, and finally 10% Pretreatment was performed on the substrate 50, which was immersed in a hydrogen fluoride (HF) solution and distilled water (DIwater) in order. The sapphire substrate 50 washed by the pretreatment was mounted in an RF sputtering device to deposit a ZnO layer 60 to a thickness between 100 and 1000 mW. The target used was a ZnO ceramic disc, and the discharge gases were Ar and O 2 . 3000 Å to use Ti 1-x Al x N layer 70 as an electrode while gradually increasing the X value by sputtering at a temperature of room temperature to 500 ° C. on the ZnO layer 60 deposited on the sapphire substrate 50. Was deposited to a thickness of. The sample thus prepared was charged into an HVPE apparatus, and the GaN thick film single crystal layer 80 was grown. At this time, GaCl 3 gas was used as the gallium material and NH 3 gas was used as the nitrogen material in the HVPE reaction furnace, respectively. During growth, N 2 was supplied as a carrier gas into the HVPE reaction furnace. The grown GaN layer 80 was taken out of the HVPE reaction furnace at room temperature, immersed in aqua regia, and the GaN layer 80 was etched by acid etching the ZnO layer 60 using an ultrasonic cleaner while heating the aqua regia to 100 ° C. 50) to obtain a GaN single crystal wafer having a Ti 1-x Al x N electrode layer 70 thereunder.

< 실시예 2><Example 2>

실시예 1과 같은 조건에서 사파이어 기판(50) 위에 ZnO층(60) 까지는 같은 방법으로 형성하였고, 이 ZnO층(60) 위에 상온 내지 500℃의 온도에서 스퍼터링에 의해 AlN층(70)을 3000Å 정도의 두께로 증착하였다. 이렇게 제작된 시료에 실시예 1에서 설명된 후공정과 같은 공정을 거쳐 AlN 층(70)을 그 하부에 갖는 GaN 단결정 웨이퍼를 얻었다.Under the same conditions as in Example 1, the ZnO layer 60 was formed on the sapphire substrate 50 in the same manner, and the AlN layer 70 was spun at about 3000 kPa over the ZnO layer 60 at a temperature from room temperature to 500 ° C. Was deposited to a thickness of. The GaN single crystal wafer having the AlN layer 70 thereunder was obtained through the same process as the post-process described in Example 1 on the sample thus prepared.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 GaN 단결정 구조체 제조방법에 의하면 완충층인 Ti1-xAlxN층에 의해 이종인 사파이어 기판에 대한 GaN의 격자상수 및 열팽창계수의 차이가 완화되어 결함 및 크랙발생이 억제된 GaN단결정층을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 GaN 단결정을 기판으로 하여 그 위에 In1-xGaxN을 성막하는 과정을 거쳐 만드는 청색 발광소자의 경우 GaN기판과 In1-xGaxN박막층 사이에 격자상수 및 열팽창계수차가 근소하여 호모에피텍시(homoepitaxy)에 가까운 성장효과를 얻을 수 있어 고품질의 발광소자 제조가 가능하고, 이외에도 GaN을 주성분으로하는 다양한 발광소자용 기판으로 사용할 수 있다. 또한 Ti를 포함하도록 성분비가 결정된 Ti1-xAlxN은 그 전기전도도가 전극으로 사용할 수 있는 4000 내지 7000μΩ-cm범위이므로 발광소자 제조시 전극을 만들기 위한 식각공정이 필요없다. 따라서, GaN 단결정 구조체를 이용하여 제작되는 발광소자의 경우 소자 제작시 각 층에서 발생되던 결함이 억제되어 수명이 향상되며 제조공정이 단순화되어 수율이 향상되는 장점이 있다.As described above, according to the GaN single crystal structure manufacturing method according to the present invention, the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient of GaN for heterogeneous sapphire substrates is alleviated by the Ti 1-x Al x N layer, which is a buffer layer. A suppressed GaN single crystal layer can be obtained. The thus-obtained for blue light emitting elements are created by a GaN single crystal substrate after the step of forming the In 1-x Ga x N thereon difference lattice constant and thermal expansion coefficient between the GaN substrate and the In 1-x Ga x N thin film layer marginally A growth effect close to homoepitaxy can be obtained, and thus a high quality light emitting device can be manufactured, and in addition, it can be used as a substrate for various light emitting devices containing GaN as a main component. In addition, since Ti 1-x Al x N, whose component ratio is determined to include Ti, is in the range of 4000 to 7000 μΩ-cm, whose electrical conductivity can be used as an electrode, there is no need for an etching process for making an electrode when manufacturing a light emitting device. Therefore, in the case of a light emitting device manufactured using a GaN single crystal structure, defects generated in each layer during device fabrication are suppressed, thereby improving lifetime and simplifying a manufacturing process, thereby improving yield.

Claims (25)

기판위에 ZnO층을 형성하는 단계와;Forming a ZnO layer on the substrate; 상기 ZnO층 위에 Ti1-xAlxN층을 형성하는 단계; 및Forming a Ti 1-x Al x N layer on the ZnO layer; And 상기 Ti1-xAlxN층 위에 GaN층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.Forming a GaN layer on the Ti 1-x Al x N layer; GaN single crystal structure comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판은 사파이어 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The substrate is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the sapphire material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ZnO층은 0.1μm 내지 1μm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The ZnO layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that formed to a thickness of 0.1μm to 1μm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti1-xAlxN층은 0.1μm 내지 1μm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The Ti 1-x Al x N layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that formed to a thickness of 0.1μm to 1μm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ZnO층은 스퍼터링 방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The ZnO layer is grown by the sputtering method, GaN single crystal structure manufacturing method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti1-xAlxN층은 스퍼터링 방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The Ti 1-x Al x N layer is grown by the sputtering method GaN single crystal structure manufacturing method. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 Ti1-xAlxN층은 25℃ 내지 500℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The Ti 1-x Al x N layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the growth temperature is maintained at 25 ℃ to 500 ℃. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti1-xAlxN층은 기상증착법(MPCVD)에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The Ti 1-x Al x N layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the growth by vapor deposition (MPCVD). 제8항에 있어서, 상기 Ti1-xAlxN층은 400℃ 내지 1100℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The method of claim 8, wherein the Ti 1-x Al x N layer is grown at 400 ° C. to 1100 ° C. while maintaining its growth temperature. 제1항에 있어서, 상기 GaN층은 HVPE방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The GaN single crystal structure manufacturing method according to claim 1, wherein the GaN layer is grown by HVPE. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 GaN층은 950 내지 1200℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The GaN layer is grown at 950 to 1200 ℃ while maintaining the growth temperature of the GaN single crystal structure manufacturing method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ZnO층을 에칭액에 의한 제거에 의해 상기 기판과 상기 GaN층을 분리시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.Separating the substrate from the GaN layer by removing the ZnO layer by an etchant; and further comprising GaN single crystal structure. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti1-xAlxN층은 막 성장두께 증가에 따라 그 혼합비를 결정하는 x값이 점진적으로 증가되도록 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The Ti 1-x Al x N layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the growth of the film growth thickness so that the x value to determine the mixing ratio is gradually increased. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Ti1-xAlxN층을 형성하는 단계에서는 Ti1-xAlxN의 혼합비를 결정하는 X값이 1인 AlN으로 AlN층을 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.Method of producing a GaN single crystal structure characterized in that the step of forming the Ti 1-x Al x N layer is the X value to determine a mixing ratio of 1-x Al x N to form Ti an AlN layer as one of AlN. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 기판은 사파이어 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The substrate is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the sapphire material. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 ZnO층은 0.1μm 내지 1μm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The ZnO layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that formed to a thickness of 0.1μm to 1μm. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 AlN층은 0.1μm 내지 1.5μm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The AlN layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that formed to a thickness of 0.1μm to 1.5μm. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 ZnO층은 스퍼터링 방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The ZnO layer is grown by the sputtering method, GaN single crystal structure manufacturing method. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 AlN층은 스퍼터링 방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The AlN layer is grown by the sputtering method, GaN single crystal structure manufacturing method. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 AlN층은 25℃ 내지 500℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The AlN layer is a GaN single crystal structure manufacturing method characterized in that the growth is maintained at 25 ℃ to 500 ℃. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 AlN층은 기상증착법(MPCVD)에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The AlN layer is grown by vapor phase deposition (MPCVD) method of manufacturing a GaN single crystal structure. 제21항에 있어서, 상기 AlN층은 400℃ 내지 1100℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The GaN single crystal structure manufacturing method according to claim 21, wherein the AlN layer is grown while maintaining its growth temperature at 400 ° C to 1100 ° C. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 GaN층은 HVPE방법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The GaN layer is grown by HVPE method, characterized in that the GaN single crystal structure manufacturing method. 제23항에 있어서,The method of claim 23, wherein 상기 GaN층은 950 내지 1200℃로 그 성장온도를 유지시키면서 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.The GaN layer is grown at 950 to 1200 ℃ while maintaining the growth temperature of the GaN single crystal structure manufacturing method. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 ZnO층을 에칭액에 의한 제거에 의해 상기 기판과 상기 GaN층을 분리시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 구조체 제조방법.Separating the substrate from the GaN layer by removing the ZnO layer by an etchant; and further comprising GaN single crystal structure.
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KR20010029991A (en) * 1999-07-23 2001-04-16 이데이 노부유끼 Light emitting device, production method thereof, and light emitting apparatus and display unit using the same

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