KR20010068629A - Method for growing nitride semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 화합물 반도체에 관한 것으로, 청색 파장 대역의 질화물계 반도체 성장 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a compound semiconductor, and relates to a nitride semiconductor growth method in the blue wavelength band.
최근 질화물계(AlN, GaN, InN, BN, 이들의 혼합물) 화합물 반도체를 이용한 LD와 LED의 개발이 널리 보급되어 있으며, 이들 물질의 성장을 위한 여러 가지 방법들이 발표되고 있다.Recently, the development of LD and LED using nitride based semiconductors (AlN, GaN, InN, BN, mixtures thereof) has been widely spread, and various methods for the growth of these materials have been published.
다른 화합물 반도체, 예를 들면 GaAs/AlGaAs 와 같은 물질을 이용한 소자들의 특성은 성장된 물질의 결정성이 얼마만큼 좋은가에 달려있다.The properties of devices using other compound semiconductors, such as GaAs / AlGaAs, depend on how good the crystallinity of the grown material is.
이러한 질화물 막의 성장에는 MBE(Molecular beam epitaxy), MOCVD(Metalorganic chemical vapor epitaxy) 등의 여러 가지 방법이 있으나, 아직까지 사업용 소자는 MOCVD를 사용한 결정 성장법에 의하여 만들어지고 있다.There are various methods for growing the nitride film, such as a molecular beam epitaxy (MBE) and a metalorganic chemical vapor epitaxy (MOCVD). However, commercial devices have been made by a crystal growth method using MOCVD.
질화물계 반도체 막의 성장에는 기존의 다른 Ⅲ/Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Si과 달리 같은 종류의 기판(wafer)이 존재하지 않기 때문에 일반적으로 사파이어, SiC, Si, GaAs 등과 같은 이종 기판 위에 성장하게 된다.In the growth of the nitride-based semiconductor film, unlike other conventional III / V compound semiconductors or Si, since the same kind of wafer does not exist, the nitride-based semiconductor film is generally grown on heterogeneous substrates such as sapphire, SiC, Si, GaAs, and the like.
일반적으로 이종 기판 위에 성장된 결정질 막의 특성은 동종 기판 위에 성장된 막보다 특성이 좋지 않기 때문에 이종 기판 위에 성장된 질화물의 결정질 막 특성을 개선시키기 위하여 기판 위에 버퍼층을 먼저 성장하게 된다.In general, since the characteristics of the crystalline film grown on the heterogeneous substrate are not as good as those of the film grown on the homogeneous substrate, the buffer layer is first grown on the substrate to improve the crystalline film characteristics of the nitride grown on the heterogeneous substrate.
이러한 버퍼층으로는 AlN, GaN, AlInN, GaInN 등이 많이 쓰인다.As the buffer layer, AlN, GaN, AlInN, GaInN, and the like are frequently used.
버퍼층의 성장 온도는 약 400∼1000℃가 사용되며, 약 10∼100nm의 두께가 사용된다.The growth temperature of the buffer layer is about 400 to 1000 DEG C, and a thickness of about 10 to 100 nm is used.
최적화된 성장 온도와 두께가 선택되어졌을 때만 결정학적, 전기적 특성이 좋은 질화물을 얻을 수 있게 된다.Only when optimized growth temperatures and thicknesses are selected can nitrides with good crystallographic and electrical properties be obtained.
일반적으로 MOCVD를 사용한 기존의 질화물 막은 대기압(약 760torr) 또는 대기압 이하(약 760torr 이하)의 일정한 기압에서 성장하게 되는데, 균일한 버퍼층을 얻는데는 대기압 성장 조건이 유리하다.In general, conventional nitride film using MOCVD is grown at a constant atmospheric pressure of atmospheric pressure (about 760torr) or below atmospheric pressure (about 760torr or less), atmospheric pressure growth conditions are advantageous to obtain a uniform buffer layer.
반면에 성장 속도(또는 유기 금속 원료나 암모니아의 사용 효율)와 불순물의 최소화를 위해서는 가능한 낮은 기압이 선호된다.On the other hand, the lowest possible atmospheric pressure is preferred for growth rate (or organometallic feedstock or ammonia use efficiency) and for minimizing impurities.
그동안 발표된 질화물 반도체의 성장은 하나의 일정한 기압에서 행하여졌기 때문에 상기의 상충된 조건을 만족시키기가 어려웠다.Since the growth of nitride semiconductors published in the past has been carried out at one constant pressure, it is difficult to satisfy the above conflicting conditions.
성장된 질화물막의 백그라운드 도핑(background doping)은 아직 그 원인이 확실히 규명되지 않았지만, 모두 n형이며, 막의 특성이 좋지 않을수록 백그라운드 레벨(background level)은 높아지게 된다.Background doping of the grown nitride film has not yet been clarified, but all are n-type, and the poorer the film, the higher the background level.
이것은 일부 결정질 내의 결함이나 불순물과 관련이 있으며, 결과적으로 소자의 전기적, 광학적 특성을 나쁘게 하는 주요 원인이 된다.This is associated with defects or impurities in some crystals, and consequently, is a major cause of bad electrical and optical properties of the device.
즉, 소자에서 주입된 전자(electron)나 정공(hole)이 효율적으로 사용되지 못하고, 이러한 결함이나 불순물에 붙잡혀 소비된다.In other words, electrons or holes injected from the device cannot be efficiently used and are caught and consumed by such defects or impurities.
또한, p형 질화물 막을 얻기 위하여 n형을 보상해야 하기 때문에 더 많은 p형 도펀트(dopant)를 사용해야 하며, 이러한 과정에서 불순물이나 결함이 더욱 발생되어 전기적, 광학적 성질을 악화시킨다.In addition, since the n-type must be compensated for obtaining the p-type nitride film, more p-type dopants should be used, and impurities or defects are generated in this process, thereby deteriorating the electrical and optical properties.
따라서, 최종 소자의 전기적, 광학적 성질을 결정하는 질화물 막의 결정학적 특성은 가장 중요한 문제이며, 이것은 질화물 막 성장 이전의 버퍼층의 성장 조건에 크게 좌우된다고 볼 수 있다.Therefore, the crystallographic property of the nitride film that determines the electrical and optical properties of the final device is the most important problem, it can be seen that this depends largely on the growth conditions of the buffer layer before the nitride film growth.
본 발명의 목적은 좋은 결정 성장성을 갖는 질화물계 반도체 성장 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor growth method having good crystal growth.
도 1은 본 발명에 따른 질화물 막 성장시 온도의 변화를 보여주는 그래프1 is a graph showing a change in temperature during nitride film growth according to the present invention
도 2는 본 발명의 버퍼층 성장후, 압력에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프Figure 2 is a graph showing the number of grains of the buffer layer with pressure after the growth of the buffer layer of the present invention
도 3은 본 발명의 버퍼층 성장후, 고온의 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프Figure 3 is a graph showing the number of grains of the buffer layer according to the ramp time to increase the temperature to the high temperature nitride growth temperature after the growth of the buffer layer of the present invention
도 4는 본 발명의 버퍼층 성장후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 엑스-레이(X-ray) 반치폭 값의 변화량을 보여주는 그래프Figure 4 is a graph showing the amount of change in the X-ray half-width value with the ramp time raising the temperature to the nitride growth temperature after the growth of the buffer layer of the present invention
본 발명에 따른 질화물계 반도체 성장 방법은 기판 위에 질화물계 버퍼층을대기압보다 낮은 압력에서 성장시키는 단계와, 압력을 대기압으로 올린 후 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리고, 버퍼층의 그레인이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간이 경과 후 기압을 다시 낮춘 다음, 질화물계 버퍼층 위에 질화물계 반도체층을 성장시키는 단계로 이루어진다.In the nitride-based semiconductor growth method according to the present invention, the nitride-based buffer layer is grown on the substrate at a pressure lower than atmospheric pressure, the pressure is raised to atmospheric pressure, and the temperature is raised to a predetermined temperature for nitride crystal growth, and the grain of the buffer layer is optimal. After a predetermined time has elapsed until the state is reached, the air pressure is lowered again, and then a nitride semiconductor layer is grown on the nitride buffer layer.
여기서, 버퍼층의 성장 온도는 400∼1000℃이고, 버퍼층의 두께는 10∼100nm으로 한다.Here, the growth temperature of the buffer layer is 400 to 1000 占 폚, and the thickness of the buffer layer is 10 to 100 nm.
그리고, 질화물계 반도체 성장시, 질화물 결정 성장을 위한 일정 온도까지 온도를 올리는 램프 시간은 15∼25분으로 한다.During the growth of the nitride semiconductor, the ramp time for raising the temperature to a constant temperature for nitride crystal growth is set to 15 to 25 minutes.
이와 같이 제작되는 본 발명은 그레인(grain) 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있고, 이 버퍼층 위에 성장되는 질화물의 결정학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.The present invention thus produced can obtain a buffer layer having a large grain size, and can improve the crystallographic and electrical properties of the nitride grown on the buffer layer.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.
본 발명은 질화물 막의 결정학적, 전기적 특성을 개선하기 위하여 일정한 압력에서 버퍼층을 성장시키는 기존의 성장 방법과는 달리 최적의 버퍼층을 얻을 수 있도록 버퍼층 성장 후, 압력의 변화와 온도 조절을 하게 된다.In the present invention, unlike the conventional growth method of growing the buffer layer at a constant pressure to improve the crystallographic and electrical properties of the nitride film, after the buffer layer growth, the pressure change and temperature control are performed to obtain an optimal buffer layer.
이렇게 제작된 질화물 막은 개선된 결정학적 특성을 갖게 되며, 결함이나 불순물의 농도도 작게 되어 최종 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시키는데 기여하게 된다.The nitride film thus produced has improved crystallographic properties, and the concentration of defects or impurities is also reduced, contributing to improving the optical and electrical properties of the final device.
즉, 결정학적 결함이 줄어들게 되어 n형이나 p형 도핑(doping)시, 도펀트(dopant)들의 효율적인 사용으로 원하는 도핑을 얻을 수 있게 된다.In other words, crystallographic defects are reduced, and thus, when doping n-type or p-type doping, desired doping can be obtained by efficient use of dopants.
또한, 버퍼층과 그 후에 성장하게 되는 질화물층은 대기압 이하에서 진행되기 때문에 높은 성장률, 즉 효율적인 유기 금속 원료(MO source)와 NH3의 사용을 얻게 된다.In addition, since the buffer layer and the nitride layer to be grown thereafter proceed under atmospheric pressure, high growth rates, that is, efficient use of an organometallic material (MO source) and NH 3 are obtained.
본 발명의 제작과정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the manufacturing process of the present invention in more detail as follows.
먼저, 이종 기판 위에 후에 성장될 질화물 막과의 완충 역할을 위한 버퍼층을 대기압 이하의 압력에서 성장시킨다.First, a buffer layer for buffering with a nitride film to be later grown on a heterogeneous substrate is grown at a pressure below atmospheric pressure.
여기서, 질화물 막이 성장될 기판으로는 이종 기판, 즉 사파이어, SiC, Si, GaAs 등이 사용된다.Here, as the substrate on which the nitride film is to be grown, heterogeneous substrates, that is, sapphire, SiC, Si, GaAs and the like are used.
그리고, 버퍼층은 Al1-x-yGaxInyN(0≤x, y≤1)가 사용되고, 버퍼층의 성장 온도는 약 400∼1000℃로 하며, 버퍼층의 두께는 약 10∼100nm의 두께로 한다.As the buffer layer, Al 1-xy Ga x In y N (0 ≦ x, y ≦ 1) is used, the growth temperature of the buffer layer is about 400 to 1000 ° C., and the thickness of the buffer layer is about 10 to 100 nm. .
버퍼층을 상기의 온도로 성장시키는 이유는 약 400℃ 이하의 온도에서는 유기 금속 원료와 N의 공급이 부족하여 버퍼층의 성장이 어렵고, 약 1000℃ 이상의 온도에서는 균일한 두께의 버퍼층을 얻기 어렵기 때문이다.The reason why the buffer layer is grown at the above temperature is that the supply of the organometallic raw material and N is insufficient at a temperature of about 400 ° C. or lower, so that the growth of the buffer layer is difficult, and at a temperature of about 1000 ° C. or higher, it is difficult to obtain a buffer layer having a uniform thickness. .
그리고, 버퍼층을 상기 의 두께로 성장시키는 이유는 버퍼층의 두께가 약 10nm 이하이면 기판의 전 표면을 균일하게 덮기가 어려우며, 버퍼층의 두께가 약 100nm 이상이면 GaN의 결정성에 나쁜 영향을 주게 되므로, 약 10∼100nm의 두께를사용하였을 때, 가장 좋은 특성의 GaN 막을 얻을 수 있게 된다.The reason why the buffer layer is grown to the above thickness is that when the thickness of the buffer layer is about 10 nm or less, it is difficult to uniformly cover the entire surface of the substrate, and when the thickness of the buffer layer is about 100 nm or more, it adversely affects the crystallinity of GaN. When a thickness of 10 to 100 nm is used, a GaN film having the best characteristics can be obtained.
이와 같이 버퍼층을 성장시키고 난 후, 반응기의 압력을 대기압까지 올린다.After growing the buffer layer in this manner, the pressure of the reactor is raised to atmospheric pressure.
이렇게 하면 종래보다 더 균일하고, 거칠기(roughness)가 작으며 그레인(grain) 크기가 큰 버퍼층을 얻게 된다.This results in a buffer layer that is more uniform, less rough, and larger in grain size than in the prior art.
이어, 질화물 결정 성장을 위한 온도까지 온도를 올리고, 버퍼층의 그레인이 최적의 상태가 될 때까지 일정 시간이 경과 후 기압을 다시 낮춘 다음, 버퍼층 위에 질화물계 반도체 막을 성장시킨다.Subsequently, the temperature is raised to a temperature for nitride crystal growth, and after a predetermined time until the grain of the buffer layer becomes optimal, the air pressure is lowered again, and a nitride semiconductor film is grown on the buffer layer.
이렇게 제작된 질화물 막은 개선된 결정학적 특성을 갖게 되며, 결함이나 불순물의 농도도 작게 되어 최종 소자의 광학적, 전기적 특성을 향상시키는데 기여하게 된다.The nitride film thus produced has improved crystallographic properties, and the concentration of defects or impurities is also reduced, contributing to improving the optical and electrical properties of the final device.
도 1은 본 발명에 따른 질화물 막 성장시 온도의 변화를 보여주는 그래프로서, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 기판을 고온에서 열처리한 후, 저온에서 버퍼층을 성장시키고, 다시 고온으로 올려 질화물 막을 성장시킨다.1 is a graph showing a change in temperature during growth of a nitride film according to the present invention. As shown in FIG. 1, the present invention heat-treats a substrate at a high temperature, grows a buffer layer at a low temperature, and then raises the nitride film to a high temperature. To grow.
도 2는 본 발명의 버퍼층 성장시 압력에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프이다.2 is a graph showing the number of grains of the buffer layer according to the pressure during the growth of the buffer layer of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 버퍼층의 성장 후, 반응기의 압력이 증가할수록 그레인 수가 줄어들면서 그레인 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 2, after the growth of the buffer layer, the present invention may obtain a buffer layer having a large grain size while decreasing the number of grains as the pressure of the reactor increases.
따라서, 저압에서 성장된 버퍼층을 대기압 수준으로 압력을 올리면 버퍼층 그레인의 크기가 커짐에 따라서 그레인 바운더리(grain boundary)에서 발생될 수 있는 결함을 최소화하여 결정 성장성이 좋은 질화물 막을 얻을 수 있게 된다.Therefore, when the buffer layer grown at low pressure is raised to atmospheric pressure level, as the size of the buffer layer grain increases, the nitride film having good crystal growth ability can be obtained by minimizing defects that may occur at grain boundaries.
또한, 질화물 막의 특성은 버퍼층을 성장한 후, 질화물 막의 성장 온도까지 온도를 올리는 램프(ramp) 시간에 따라서 크게 영향을 받는다.In addition, the properties of the nitride film are greatly influenced by the ramp time of raising the temperature to the growth temperature of the nitride film after growing the buffer layer.
도 3은 본 발명의 버퍼층 성장시 램프 시간에 따른 버퍼층의 그레인 수를 보여주는 그래프로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 램프 시간이 길어질수록 그레인 수가 줄어드는 것을 알 수 있다.3 is a graph showing the number of grains of the buffer layer according to the ramp time during growth of the buffer layer of the present invention. As shown in FIG. 3, it can be seen that the number of grains decreases as the ramp time increases.
램프 시간이 약 20분일 때, 약 400nm 이상인 버퍼층의 그레인이 가장 많이 형성되고, 램프 시간이 약 30분일 때, 버퍼층의 그레인 수가 가장 적게 나타난다.When the ramp time is about 20 minutes, the grains of the buffer layer having a thickness of about 400 nm or more are formed the most, and when the ramp time is about 30 minutes, the grain number of the buffer layer is the smallest.
램프 시간이 약 20분인 경우에는 약 400nm 이상인 버퍼층의 그레인 수가 많아져 질화물 막의 결정성이 좋아지지만, 램프 시간이 약 30분인 경우에는 버퍼층에서 약 400nm 이상의 그레인 수가 적어 질화물 막의 결정성이 좋지 않았다.When the lamp time is about 20 minutes, the grain layer of the buffer layer having about 400 nm or more increases to improve the crystallinity of the nitride film. However, when the lamp time is about 30 minutes, the grain layer of about 400 nm or more is low on the buffer layer, and the nitride film has poor crystallinity.
본 발명에서는 램프 시간을 약 20분으로 하였지만, 반응기의 특성 및 조건에 따라 약 15∼25분에서도 상기의 효과를 얻을 수 있다.In the present invention, although the lamp time is about 20 minutes, the above effects can be obtained even in about 15 to 25 minutes depending on the characteristics and conditions of the reactor.
도 4는 본 발명의 버퍼층 성장후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따른 엑스-레이(X-ray) 반치폭 값의 변화량을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing the amount of change in the X-ray half-width value with the ramp time of raising the temperature to the nitride growth temperature after the growth of the buffer layer of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 저기압(약 760 torr 이하)에서 버퍼층을 성장한 후, 질화물 성장 온도까지 온도를 올리는 램프 시간에 따라서 엑스-레이의 반치폭 값이 변화하게 된다.As shown in FIG. 4, after the buffer layer is grown at a low pressure (about 760 torr or less), the half width value of the X-ray is changed according to a ramp time of raising the temperature to the nitride growth temperature.
즉, 램프 시간이 약 120초에서 약 1200초로 길어짐에 따라 (002)와 (102) 방향의 반치폭 값이 모두 비례해서 줄어드는 것을 볼 수 있다.That is, as the ramp time is increased from about 120 seconds to about 1200 seconds, it can be seen that the half width values in both the (002) and (102) directions decrease proportionally.
반면에 압력 램프(pressure ramp)를 하지 않는 경우는 압력 램프를 하는 경우와 비교해 볼 때, (002)와 (102) 방향에서 모두 훨씬 높은 엑스-레이 반치폭 값을 갖는 것을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the case where the pressure ramp is not performed has a much higher X-ray half width value in both the (002) and (102) directions compared to the case where the pressure ramp is not performed.
이것은 압력 램프가 일어나는 동안에 버퍼층의 그레인 크기가 최대화되었다는 것을 의미한다.This means that the grain size of the buffer layer was maximized during the pressure ramp.
이 결과는 도 3의 그래프에서 보여지는 것처럼, GaN 결정 성장 온도까지 올라가는 램프 시간이 약 20분일 때, 약 400nm 이상의 그레인 수가 가장 많아진다는 결과와 일치함을 알 수 있다.As can be seen from the graph of FIG. 3, it can be seen that the ramp time to the GaN crystal growth temperature is about 20 minutes, which is consistent with the result that the number of grains of about 400 nm or more is the greatest.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 성장 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.The nitride-based semiconductor growth method according to the present invention has the following effects.
본 발명은 MOCVD를 이용한 기존의 질화물계 결정 성장 방법이 일정한 압력에서 행해지는 것과는 달리, 저기압에서 버퍼층을 성장한 후, GaN 결정 성장 온도로 올라가기 전에 압력을 대기압으로 올린 다음에, 온도를 올리고, 다시 원하는 압력으로 반응기 압력을 조절함으로써, 그레인 크기가 큰 버퍼층을 얻을 수 있고, 그 후에 성장되는 질화물의 결정학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.Unlike the conventional nitride-based crystal growth method using MOCVD at a constant pressure, after the buffer layer is grown at low pressure, the present invention raises the pressure to atmospheric pressure before raising the GaN crystal growth temperature, and then raises the temperature again. By adjusting the reactor pressure to the desired pressure, a buffer layer with a large grain size can be obtained, and the crystallographic and electrical properties of the nitride grown thereafter can be improved.
또한, 본 발명은 백그라운드 도핑 레벨(background doping level)을 낮춤으로서, 효과적인 n형 도핑 및 p형 도핑을 얻을 수 있고, 저기압에서 질화물 결정 성장을 하므로 효율적으로 유기 금속 원료를 사용할 수 있다.In addition, the present invention can obtain effective n-type doping and p-type doping by lowering the background doping level, and enables the growth of nitride crystals at low pressure so that an organic metal raw material can be efficiently used.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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