KR20000056002A - 변형된 선택 성장 공정을 이용한 ＧａＮ 단결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법은, 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO₂막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO₂패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO₂패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN 박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 ELO 제조 공정을 단순하게 변형함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시키면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄인다.

Description

변형된 선택 성장 공정을 이용한 ＧａＮ 단결정 성장 방법{Method for growing GaN crystalline using lateral epitaxy growth}

본 발명은 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

단결정 성장 방법에는 기상, 액상, 고상, 용융법 등 다양한 방법이 있다. 단결정 성장은 단결정 고유의 특성에 따라 결정 성장 방법이 결정되며 대형화, 결정 품질, 대량생산, 용도 등의 요소에 따라 결정 성장 가능한 여러 방법 중에서 가장 이상적인 결정 성장 방법이 선택된다.

GaN은 밴드갭(bandgap) 에너지가 3.39eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체이므로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. GaN는 고온에서 질소 증기압이 높기 때문에 액상 결정 성장으로는 1500℃ 이상의 고온과 약 15,000기압 이상의 질소 압력이 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 80㎟ 정도의 박판형이므로, 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다. 따라서, 현재 GaN 단결정 성장은 이종 기판 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Deposition), HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy), SVPE(Sublimation Vapor Phase Epitaxy)와 같은 기상 성장법에 의해 이루어지고 있다.

이종 기판으로는 SiC나 사파이어 단결정이 주로 이용되어 왔다. SiC는 고온에서 안정하며, GaN과 같은 육방정계의 구조를 갖는다. 또한 GaN과의 격자 상수 및 열팽창계수 차가 사파이어 보다 작고, 열전도도 및 전기 전도도가 우수하여 GaN 박막의 성장 및 GaN 박막을 사용한 소자 제조에 사파이어 보다 더 많은 장점을 갖고 있다. 그러나 가격이 사파이어 보다 수십배 비싸며, SiC 기판 내의 마이크로파이프(micropipe)가 GaN 박막으로 전파되어 GaN 소자의 특성이 저하되는 단점을 갖고 있어 현재에는 사파이어 기판을 가장 많이 사용한다.

이러한 사파이어 기판 위에 양질의 GaN 단결정 후막을 성장시키는 방법으로는 선택 성장(Epitaxial Lateral Overgrowth; ELO)법이 있다. 이 방법은 사파이어 기판과 GaN 결정 사이에 존재하는 격자상수 차이 및 열팽창계수 차이에 의한 스트레스 발생을 스트라이프 형태의 SiO₂마스크를 사용하여 감소시키는 방법으로 상당히 양호한 품질의 결정을 얻을 수 있으나 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다. ELO법으로 성장된 GaN 기판은 품질이 우수하므로 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의한 청색 LD, 자외선 LD, 고온/고출력 소자, HEMT, HBT 등의 고속소자 등의 제조에 이용할 수 있다.

도 1a 내지 도 1f는 종래의 선택 성장법에 의한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면이다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 사파이어나 SiC 기판(1) 상에 MOCVD로 저온 GaN 또는 AlN 버퍼(buffer)층(2)를 20 ~ 40nm의 두께로 성장시킨다.

다음에, 도 1b에 도시된 바와 같이, 버퍼층(2) 위에 다시 GaN층(3)을 약 1㎛의 두께로 성장시킨다.

다음에, 도 1c에 도시된 바와 같이, GaN층(3) 위에 E-BEAM 증착장치, 스퍼터( SPUTTER) 등과 같은 다른 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO₂박막(4)을 증착시키고 사진식각법으로 SiO₂패턴(4)을 형성한다. SiO₂패턴(4)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 스트라이프 상으로 형성된다. GaN층(3) 위에 형성된 SiO₂패턴(4)은 SiO₂스트라이프의 폭과 SiO₂스트라이프 간의 간격이 약 1 ~ 수십 ㎛정도이며 길이는 수백 ~ 수천㎛ 정도이다.

다음에, 도 1d에 도시된 바와 같이, SiO₂패턴(4)이 형성된 GaN층(3) 위에 GaN을 단결정을 성장시키면 초기에는 SiO₂스트라이프의 사이에서만 GaN 단결정(5') 성장이 진행되고 SiO₂패턴(4) 위에는 GaN 단결정이 성장되지 않는 선택성장이 이루어진다. SiO₂스트라이프의 사이에서 성장된 단결정의 전위밀도는 이종기판의 영향을 받으므로 약 10⁹개/㎠ ~ 10¹⁰개/㎠로 많은 결함을 지니고 있다.

다음에, 도 1e에 도시된 바와 같이, SiO₂스트라이프의 사이에서 성장된 결정이 수평방향으로 성장되도록 성장조건을 맞추어 주면 GaN 단결정(5")이 측면으로 성장되어 SiO₂스트라이프 위의 중간부분에서 서로 만나게 된다. SiO₂스트라이프 위에 성장된 GaN 단결정(5")은 SiO₂와 거의 반응을 하지 않으므로 스트레스가 없는 상태로 결정성장이 이루어져 결함밀도가 10⁴개/㎠ 정도로 극히 적은 결함을 지닌 양질의 단결정이 성장된다. 다만, SiO₂스트라이프 위의 중간부분에서 만난 부분의 결정에는 갭 또는 크랙(6)이 존재하게 된다.

다음에, 도 1f에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 상태에서 단결정 성장을 진행시키면 수직방향으로 결정성장이 진행되어 두꺼운 결정이 이루어지고 결정의 두께가 수㎛~ 수백㎛이상이 되면 갭 또는 크랙이 소멸되고 전위(dislocation)들은 서로 루프(loop)를 형성하여 수직방향으로 전위가 전파되지 않아 두께가 커질수록 전위밀도가 감소하게 되어 결정의 질이 향상된다.

이와같이 기존의 ELO방법은 저온의 GaN 버퍼와 1㎛ 두께의 GaN층을 MOCVD로 성장시키는 단계와 기판을 꺼내서 일반적인 SiO₂증착장비로 SiO₂박막을 형성시키고 사진식각법에 의하여 SiO₂패턴을 형성시키는 단계 및 마지막으로 이를 다시 MOCVD 장치의 반응기(reactor)에 장입하여 GaN층을 성장시키는 단계로 구성되어 결정 성장 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 기존의 ELO법이 갖고 있는 우수한 특징을 유지시키면서 공정의 복잡성을 크게 간소화하고 제조시간을 절감하는 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1f는 종래의 선택 성장법에 의한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면,

도 2는 도 1c의 사파이어 기판 위에 형성된 SiO₂패턴의 형태를 입체적으로 보여주는 도면,

그리고 도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법(Epitaxial Lateral Overgrowth)을 이용한 GaN 결정 성장 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면들이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1. 사파이어 기판 2. GaN 저온 버퍼층

3. GaN 박막층 4. SiO₂패턴

5. GaN 단결정층 6. 크랙

11. 사파이어 기판 12. SiO₂패턴

13a. GaN 저온 버퍼층 13b. GaN 고온 열처리 단결정

13c. GaN 단결정층 13d. GaN 박막 단결정층

13. GaN 단결정층 14. 크랙

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법은, (가) 반도체 이종 기판 상에 SiO₂패턴을 직접 형성하는 단계; (나) 상기 SiO₂패턴이 형성된 상기 반도체 이종 기판을 MOCVD 반응기에 장입하여 소정의 제1온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계; (다) 상기 반응기의 온도를 GaN 단결정 성장온도영역인 소정의 제2온도 영역으로 상승시켜 열처리하여 SiO₂스트라이프 위에 형성된 GaN 버퍼층이 SiO₂패턴 사이의 영역으로 이동하여 SiO₂스트라이프 사이의 노출된 사파이어 기판면에만 GaN 단결정이 형성되도록 하는 단계; (라) 상기 SiO₂패턴 사이의 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키되, 이 선택 성장된 GaN 단결정이 상기 SiO₂패턴 위에서 측방으로 성장되도록 연속적으로 성장시켜 상기 SiO₂패턴 상면에서 서로 붙게하는 단계; 및 (마) 상기 GaN 단결정층을 두껍게 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 반도체 이종 기판으로 사파이어 혹은 SiC 기판을 사용하고, 상기 (나) 단계에서 상기 제1온도영역은 400~800℃의 범위이며, 상기 GaN 저온 버퍼층의 성장 두께는 20~40nm이며, 상기 (다) 단계에서 상기 제2온도영역은 1000~1150℃인 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 변형된 선택 성장 공정을 이용한 GaN 단결정 성장 방법은 사파이어나 SiC 기판 위에 저온 GaN 또는 AlN 버퍼(buffer)층과 1㎛ 정도 두께의 GaN 결정층을 형성시키지 않고 바로 사파이어 기판 위에 SiO₂패턴을 직접 형성시킨 다음 기판을 MOCVD에 장입하여 GaN 결정을 성장시키는데 그 특징이 있다.

이러한 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법(Epitaxial Lateral Over Growth)을 이용한 GaN 결정 성장 방법을, 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 공정 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 사파이어나 SiC 기판과 같은 이종 기판(11) 위에 SiO₂패턴(12)을 직접 형성한다.

다음에, 도 3b에 도시된 바와 같이, SiO₂패턴(12)을 직접 형성된 기판(11)을 MOCVD용 장치에 장입하여 GaN 저온 버퍼층(13a)을 약 400~800℃의 온도영역에서 두께 20~40nm로 성장시킨다.

다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, GaN 저온 버퍼층(13a)이 형성된 기판(11)을 반응기(reactor)에 넣고 반응기의 온도를 실제 GaN 단결정 성장온도영역인 1000~1150℃로 상승시켜 열처리를 함으로써 SiO₂스트라이프(12) 위에 형성된 GaN 버퍼층(13a)이 SiO₂스트라이프 사이의 영역으로 이동(migration)하여 SiO₂스트라이프 사이의 노출된 사파이어 기판(11) 상면에만 GaN 단결정(13b)이 형성되도록 한다.

다음에, 도 3d에 도시된 바와 같이, SiO₂스트라이프(12) 사이의 GaN 단결정(13c) 만을 선택적으로 성장시킨다.

다음에, 도 3e에 도시된 바와 같이, SiO₂스트라이프(12) 사이에서 선택적으로 성장된 GaN 단결정(13c)이 측면으로 성장되도록 계속적으로 성장시켜 서로 붙은 GaN 단결정(13d)을 형성한다.

다음에, 도 3f에 도시된 바와 같이, GaN 단결정(13d) 위에 GaN 단결정 계속적으로 성장시켜 두꺼운 GaN 단결정(13)을 형성한다.

이와 같은 GaN 단결정 성장법은, 기존의 ELO법에서 이루어지는 공정들 중에서, MOCVD에 사파이어 기판을 장입하여 저온 GaN 버퍼층을 성장시키고 그 위에 다시 두께 1㎛정도의 GaN 박막층을 성장시킨 후 기판을 MOCVD에서 끄집어 내어 E-BEAM 증착장치, 스퍼터(SPUTTER) 등과 같은 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO₂막을 증착시키고 사진식각법으로 SiO₂패턴을 형성시키는 공정을 변형하여, E-BEAM 증착장치, 스퍼터(SPUTTER) 등과 같은 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO₂막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO₂패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO₂패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN 박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 단순화함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시킬 수 있으면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄일 수 있는 장점을 지닌다.

다음은 실시예를 소개한다.

E-BEAM 증착장치를 사용하여 (0001) 사파이어 기판 위에 두께 200nm의 SiO₂박막을 성장시켰다. 일반적인 사진식각법으로 SiO₂패턴을 형성시켰다. 이 때 스트라이프의 길이 방향은 사파이어 기판의 (10-10) 방향과 같은 방향으로 하였다. SiO₂패턴은 스트라이프 폭 4㎛, 스트라이프 사이의 간격 4㎛의 것을 사용하였다. SiO₂패턴이 형성된 사파이어 기판을 MOCVD에 장입하고 480℃의 성장온도에서 두께 20nm인 저온 GaN 버퍼층을 성장시켰다. 기판의 온도를 1050℃로 상승시켜 암모니아 분위기에서 30분간 열처리하여 스트라이프 사이의 영역에만 GaN 결정이 형성되도록 하였다. Ga 소스(source)인 TMG(Trimethylgallium)를 공급함에 따라 GaN 결정은 측면 성장을 하여 스트라이프의 중앙 부분에서 서로 붙었고, 이후 높이 성장을 하여 두께 약 80㎛인 GaN 결정이 성장되었다.

이와같이 성장된 결정의 품질을 측정하고자 TEM으로 전위밀도를 계산한 결과 10⁷/㎠의 값을 얻었으며 Double x-ray Rocking Curve(ω-SCAN)에 의한 반치폭 측정 결과 약 80arcsec의 값을 얻어 성장된 결정의 품질이 대단히 양호한 것임을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법은, 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO₂막을 사파이어 기판 위에 직접 증착시키고 사진식각법으로 SiO₂패턴을 형성시킨 다음, MOCVD에 SiO₂패턴이 형성된 사파이어 기판을 장입하고 400~800℃에서 20~40nm로 저온 GaN 박막을 성장시키고 이를 결정 성장온도에서 열처리하여 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키는 방법으로 ELO 제조 공정을 단순하게 변형함으로써, 기존의 ELO법과 동일한 품질의 GaN 단결정을 성장시킬 수 있으면서도 GaN 단결정을 성장시키는 공정시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. (가) 반도체 이종 기판 상에 SiO₂패턴을 직접 형성하는 단계;

   (나) 상기 SiO₂패턴이 형성된 상기 반도체 이종 기판을 MOCVD 반응기에 장입하여 소정의 제1온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계;

   (다) 상기 반응기의 온도를 GaN 단결정 성장온도영역인 소정의 제2온도 영역으로 상승시켜 열처리하여 SiO₂스트라이프 위에 형성된 GaN 버퍼층이 SiO₂패턴 사이의 영역으로 이동하여 SiO₂스트라이프 사이의 노출된 사파이어 기판면에만 GaN 단결정이 형성되도록 하는 단계;

   (라) 상기 SiO₂패턴 사이의 GaN 단결정을 선택적으로 성장시키되, 이 선택 성장된 GaN 단결정이 상기 SiO₂패턴 위에서 측방으로 성장되도록 연속적으로 성장시켜 상기 SiO₂패턴 상면에서 서로 붙게하는 단계; 및

   (마) 상기 GaN 단결정층을 두껍게 성장시키는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (가) 단계에서 상기 반도체 이종 기판으로 사파이어 혹은 SiC 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 (나) 단계에서 상기 제1온도영역은 400~800℃의 범위인 것을 특징으로 하는 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 (나) 단계에서 상기 GaN 저온 버퍼층의 성장 두께는 20~40nm인 것을 특징으로 하는 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 (다) 단계에서 상기 제2온도영역은 1000~1150℃인 것을 특징으로 하는 변형된 선택 성장법을 이용한 GaN 결정 성장 방법.