KR20020065892A - Method of fabricating group-ⅲ nitride semiconductor crystal, method of fabricating gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and light source using the semiconductor light-emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소 소스를 포함하지만 금속 물질은 포함하지 않는 분위기에서 기판 표면 상에 금속 물질을 이용하여 3족의 금속 입자를 증착시는 단계 및 입자가 증착되는 기판 표면 상에 3족의 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 3족의 질화물 반도체 결정막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention provides a method for depositing a Group 3 metal particle using a metal material on a substrate surface in an atmosphere including a nitrogen source but no metal material, and the Group 3 nitride semiconductor crystal on the substrate surface on which the particles are deposited. It relates to a method for producing a group 3 nitride semiconductor crystal film comprising the step of growing a.
Description
3족의 질화물 반도체는 가시광선으로부터 고 효율의 광이 방출될 수 있는 자외선까지 연장되는 직접-전이형 밴드갭 에너지를 가지기 때문에, LED 및 LD에 사용된다. 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)의 이종(hetero)접합 경계에서, 3족 질화물 반도체의 독특한 압전 효과로 인해 2차원층 상의 전자는 통상적인 3-4족의 화합물 반도체에서는 얻어질 수 없는 잠재적인 반도체 특성 중 하나의 특성을 나타낸다.Group III nitride semiconductors are used in LEDs and LDs because they have direct-transition bandgap energy that extends from visible light to ultraviolet light where high efficiency light can be emitted. At the heterojunction boundary of aluminum gallium nitride (AlGaN) and gallium nitride (GaN), due to the unique piezoelectric effect of group III nitride semiconductors, electrons on the two-dimensional layer are obtained in conventional group 3-4 compound semiconductors. One of the potential semiconductor properties that cannot be achieved.
그러나, 단결정 성장 온도에서 2000atm에 도달할 수 있는 질소 분리 압력으로 3족 화합물 반도체 단결정의 성장이 어려워진다. 따라서, 현재, 3-5족의 다른 화합물 반도체의 에피텍셜 성장을 위한 기판으로서 이러한 3족의 질화물 반도체의 단결정 기판을 이용하는 것은 어렵다. 따라서, 에피텍셜 성장 기판으로서, 다른 기판, 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 단결정 또는 실리콘 카바이드(SiC) 단결정으로 구성된 기판이 사용된다.However, the nitrogen separation pressure that can reach 2000 atm at the single crystal growth temperature makes it difficult to grow the Group 3 compound semiconductor single crystal. Therefore, at present, it is difficult to use a single crystal substrate of such a group III nitride semiconductor as a substrate for epitaxial growth of another compound semiconductor of group 3-5. Therefore, as the epitaxial growth substrate, another substrate, for example, a substrate composed of sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal or silicon carbide (SiC) single crystal is used.
이러한 기판 및 상기 기판 상에 에피텍셜 성장된 3족의 질화 화합물 반도체 결정 사이에 큰 격자 부정합이 존재한다. 예를 들어, 사파이어 및 갈륨 나이트라이드 사이에서 16% 및 SiC 및 갈륨 나이트라이드 사이에 6%의 격자 부정합이 존재한다. 일반적으로, 이러한 큰 부정합으로 인해 기판 상에 결정이 직접 에피텍셜 성장되기 어렵고, 이러한 성장이 이루어진다고 해도, 결정도는 양호하지 않다. 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 방법이 JP-C 3,026,087 및 JP-A 평4-297023에서 도시된 바와 같이, 사파이어 또는 SiC로 구성된 단결정 기판 상에 3족의 질화물 반도체 결정을 에피텍셜 성장시키는데 사용될 때, 일반적으로 사용되는 방법은 우선 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 AlGaN으로 구성된 저온의 버퍼층이라 하는 기판 상에 증착되는 단계를 포함하며, 다음으로 버퍼층 상에 3족의 질화물 반도체 결정을 에피텍셜 성장시키는 단계를 포함한다.There is a large lattice mismatch between this substrate and the Group 3 nitride compound semiconductor crystals epitaxially grown on the substrate. For example, there is a lattice mismatch of 16% between sapphire and gallium nitride and between 6% between SiC and gallium nitride. In general, such a large mismatch makes it difficult for crystals to epitaxially grow directly on a substrate, and even if such growth occurs, the crystallinity is not good. Metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) methods are used to epitaxially grow group III nitride semiconductor crystals on single crystal substrates composed of sapphire or SiC, as shown in JP-C 3,026,087 and JP-A Hei 4-297023. In general, a commonly used method includes first depositing on a substrate called a low temperature buffer layer composed of aluminum nitride (AlN) or AlGaN, and then epitaxially growing a group III nitride semiconductor crystal on the buffer layer. Steps.
사파이어 기판의 경우에, 전술한 저온의 버퍼층은 다음과 같이 형성된다. 우선, 사파이어 기판은 모든 표면 산화막 등을 제거하기 위하여 MOCVD 에피텍셜 성장 장치 내에서 1000℃ 내지 1200℃로 가열된다. 다음으로, 상기 시스템의 온도는 400-600℃로 감소되며 금속-유기 물질 및 질소 소스가 저온 버퍼층에 의해 형성되는 기판에 동시에 제공된다. 다음으로, 금속-유기 물질의 공급이 정지되고 온도가 다시 상승되어 저온의 버퍼층을 결정화하기 위한 열처리가 수행된다. 그 후에, 목표한 3족의 질화물 반도체 결정이 에피텍셜 성장된다.In the case of a sapphire substrate, the above-mentioned low temperature buffer layer is formed as follows. First, the sapphire substrate is heated to 1000 ° C to 1200 ° C in a MOCVD epitaxial growth apparatus to remove all surface oxide films and the like. Next, the temperature of the system is reduced to 400-600 ° C. and the metal-organic material and nitrogen source are simultaneously provided to the substrate formed by the low temperature buffer layer. Next, the supply of the metal-organic material is stopped and the temperature is raised again to perform a heat treatment for crystallizing the low temperature buffer layer. Thereafter, the target group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown.
증착에 의해 저온의 버퍼층이 형성되는 400℃ 내지 600℃의 온도는 금속-유기 물질 또는 질소 소스, 특히 질소 소스에 사용되는 암모니아를 열적으로 분해하기에 충분하지 않다. 따라서, 증착된 상태에서, 저온의 버퍼층은 많은 결함을 포함한다. 아울러, 상기 물질은 저온에서 반응하기 때문에, 분해되지 않아 저온의 버퍼층에서 다량으로 존재하는 불순물을 생성하는 금속-유기 물질 및 질소 소스의 알킬기와 중합 반응이 일어난다.The temperature of 400 ° C. to 600 ° C. at which the low temperature buffer layer is formed by deposition is not sufficient to thermally decompose the ammonia used in the metal-organic material or nitrogen source, in particular the nitrogen source. Thus, in the deposited state, the low temperature buffer layer contains many defects. In addition, since the material reacts at a low temperature, a polymerization reaction occurs with an alkyl group of a metal-organic material and a nitrogen source that does not decompose to generate a large amount of impurities in the low temperature buffer layer.
저온의 버퍼층의 전술한 열처리 결정화는 이러한 결함 및 불순물을 제거하기 위해 수행된다. 저온의 버퍼층에서의 불순물 및 결함은 3족의 질화물 반도체 결정이 저온의 버퍼층 상에서 에피텍셜 성장되는 온도에 근접한 고온에서 열처리됨으로써 제거된다.The above-mentioned heat treatment crystallization of the low temperature buffer layer is performed to remove such defects and impurities. Impurities and defects in the low temperature buffer layer are removed by heat treatment at a high temperature close to the temperature at which group III nitride semiconductor crystals are epitaxially grown on the low temperature buffer layer.
전술한 바와 같이, 저온의 버퍼층은 저온에서 버퍼층 물질을 증착하는 단계 및 고온에서 상기 층을 결정화하는 단계를 필요로 한다. 이러한 단계들에 대한 제조 조건은 고 품질의 버퍼층을 얻기 위해 최적화되어야 한다. 버퍼층 물질을 저온증착하는 경우에, 예를 들어, 금속-유기 물질 및 질소 소스 사이의 비율, 증착 온도, 캐리어 가스의 유량 및 이러한 다른 인자는 모두 버퍼층의 특성에 영향을 준다. 또한, 결정화 단계에서, 버퍼층의 특성에 영향을 주는 인자(factor)는 열처리가 수행되는 온도, 열처리 길이 및 온도 상승 속도를 포함한다. 알루미늄 나이트라이드로 구성된 저온의 버퍼층에 대한 이러한 조건의 영향은 결정 성장이라는 간행물, 205(1999), 20-24에서 이토 등에 의해 실험되었다.As noted above, the low temperature buffer layer requires depositing a buffer layer material at low temperature and crystallizing the layer at high temperature. Manufacturing conditions for these steps should be optimized to obtain a high quality buffer layer. In the case of cold deposition of the buffer layer material, for example, the ratio between the metal-organic material and the nitrogen source, the deposition temperature, the flow rate of the carrier gas and these other factors all influence the properties of the buffer layer. Also, in the crystallization step, factors affecting the characteristics of the buffer layer include the temperature at which the heat treatment is performed, the length of the heat treatment, and the rate of temperature rise. The effect of these conditions on a low temperature buffer layer composed of aluminum nitride was tested by Ito et al. In the publication Crystal Growth, 205 (1999), 20-24.
고 품질의 저온 버퍼층을 얻기 위하여, 이러한 조건들은 각각 주의깊게 고려되어야 하며 이러한 영향에 의해 상기 조건들이 최적화된다. 아울러, 사용된 각각의 MOCVD 장치에 대한 이러한 조건들을 일반적으로 조절할 필요가 있다. 하나의 장치에서 다른 장치에 대한 일련의 최적화된 조건은 많은 시간과 노력을 필요로 한다.In order to obtain a high quality low temperature buffer layer, each of these conditions must be carefully considered and these effects are optimized. In addition, there is a general need to adjust these conditions for each MOCVD apparatus used. A set of optimized conditions from one device to another requires a lot of time and effort.
저온의 버퍼층을 결정화하는데 사용되는 열처리에서 온도의 상승 동안, 승화(sublimation) 및 재결정화를 통해 상기 층이 변형되며, 그 결과 갈륨 나이트라이드의 결정 핵이 사파이어 기판 표면 상에 간헐적으로 분산되는 구조가 얻어진다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정은 이러한 핵으로부터 성장되고, 적절한 핵 분포 밀도하에서, 이러한 결정은 결정막을 형성하도록 결합된다. 즉, 양호한 결정도를 가지는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 결정 핵의 분포 밀도를 적절하게 제어함으로써 형성될 수 있다.During the temperature rise in the heat treatment used to crystallize the low temperature buffer layer, the layer is deformed through sublimation and recrystallization, resulting in a structure in which the crystal nuclei of gallium nitride are intermittently dispersed on the surface of the sapphire substrate. Obtained. Gallium nitride-based compound semiconductor crystals are grown from these nuclei and, under appropriate nuclear distribution density, these crystals bond to form a crystal film. That is, a gallium nitride-based compound semiconductor layer having good crystallinity can be formed by appropriately controlling the distribution density of crystal nuclei.
그러나, 결정 핵의 분포 구조는 가열 단계 동안 열적 히스토리에 의해 그리고 갈륨 나이트라이드 반도체 층의 성장 동안 캐리어 가스의 조성에 의해 부수적으로만 결정된다. 결정 핵의 밀도, 형태, 크기 및 다른 특성을 자유롭게 제어하는 것이 어렵기 때문에, 얻어진 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 결정도가 제한된다.However, the distribution structure of the crystal nuclei is incidentally determined only by the thermal history during the heating step and by the composition of the carrier gas during the growth of the gallium nitride semiconductor layer. Since it is difficult to freely control the density, morphology, size and other properties of the crystal nucleus, the crystallinity of the obtained gallium nitride-based compound semiconductor is limited.
본 발명은 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 전자 소자 등을 제조하는데 사용될 수 있는 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 발광 소자 및 반도체 발광 소자를 이용한 광원에 관한 것이다.The present invention provides a method of manufacturing a group III nitride semiconductor crystal, a gallium nitride-based compound semiconductor, a gallium nitride-based compound semiconductor, which can be used to manufacture light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), electronic devices, and the like. The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor, a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, and a light source using a semiconductor light emitting device.
도 1은 본 발명에 따라 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는 단계의 성장 메카니즘.1 is a growth mechanism of forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate in accordance with the present invention.
도 2는 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는 동안 사용된 가열 패턴의 실시예.2 is an embodiment of a heating pattern used during the formation of a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate.
도 3은 본 발명의 제 6 실시예의 단계.3 is a step of a sixth embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제 7 실시예의 단계.4 is a step of a seventh embodiment of the present invention.
도 5는 제 8 및 제 9 실시예의 단계.5 shows the steps of the eighth and ninth embodiments.
도 6은 본 발명의 제 4, 10 및 11 실시예에 따라 제조된 반도체 발광 소자의 단 구조.6 is a short structure of the semiconductor light emitting device manufactured according to the fourth, tenth and eleventh embodiments of the present invention.
도 7은 도 6의 발광 소자의 평면도.7 is a plan view of the light emitting device of FIG. 6.
도 8은 본 발명의 제 12 및 15 실시예에 따라 제조된 반도체 발광 소자의 단면 구조.8 is a cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device manufactured according to twelfth and fifteenth embodiments of the present invention.
도 9(a) 내지 9(g)는 마스크 층을 이용하여, 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는 각각의 단계에서의 성장 상태의 실시예.9A-9G illustrate examples of growth conditions in each step of forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate using a mask layer.
도 10(a) 내지 10(f)는 마스크 층을 이용하여, 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는 각각의 단계에서의 성장 상태의 실시예.10 (a) to 10 (f) show examples of growth conditions in each step of forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate using a mask layer.
본 발명의 목적은 많은 제조 조건이 최적화되어야 하는 저온의 버퍼층을 이용하는 전술한 방법 대신에, 고 품질의 3족의 질화물 반도체 결정을 형성할 수 있는 3족의 질화물 반도체 결정의 단순화된 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 단순화된 방법에 의해 고 품질의 3족의 질화물 반도체 결정이 사파이어 기판 상에 에피텍셜 성장될 수 있도록 하는 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법을 제공하는 것이다(이하에서, 3족의 질화물 반도체는 InxGayAlzN으로 표시되며, x+y+z = 1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1).SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a simplified method of manufacturing Group 3 nitride semiconductor crystals capable of forming high quality Group 3 nitride semiconductor crystals instead of the above-described method using a low temperature buffer layer where many manufacturing conditions should be optimized. It is. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for producing a group III nitride semiconductor crystal which allows epitaxial growth of high quality group III nitride semiconductor crystals on a sapphire substrate by a simplified method (hereinafter, 3 The nitride semiconductor of the group is represented by In x Ga y Al z N, where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
본 발명의 다른 목적은 기판 상에 제공된 층을 구성하는 결정 핵의 밀도, 형태, 크기 및 다른 특성이 기판에 우수한 결정도를 제공하도록 자유롭게 제어될 수 있게 하며, 기판 상에 증착됨으로써 형성된 결정층에 우수한 결정도가 제공될 수 있게 하는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to allow the density, morphology, size and other properties of the crystal nuclei constituting the layer provided on the substrate to be freely controlled to provide good crystallinity to the substrate, and to be superior to the crystal layer formed by depositing on the substrate. It is to provide a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor that allows crystallinity to be provided.
본 발명의 또 다른 목적은 발광 소자 및 우수한 방출 효율, 낮은 감쇄 속도 및 저 전력 소비율을 가지는 광원을 제공하는 것이며, 이것은 또한 저 비용이며 저 주파수로의 대체를 필요로 한다.Another object of the present invention is to provide a light emitting device and a light source having good emission efficiency, low decay rate and low power consumption rate, which is also low cost and requires replacement with a low frequency.
기판 표면 상에 3족의 금속 입자를 증착시키는 제 1 단계, 질소 소스 함유분위기에서 상기 입자를 질화 처리하는 제 2 단계, 및 상기 입자가 증착된 기판 표면 상에 InxGayAlzN(x+y+z = 1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 표시된 3족의 질화물 반도체를 성장시키는 기상 성장 방법을 이용하는 제 3 단계를 포함하는 제 1 측면에 따른 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법을 제공함으로써 본 발명의 전술한 목적이 달성됩니다.A first step of depositing Group 3 metal particles on the substrate surface, a second step of nitriding the particles in a nitrogen source containing atmosphere, and In x Ga y Al z N (x A first aspect comprising a third step of using a vapor phase growth method for growing a group III nitride semiconductor represented by + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) The above object of the present invention is achieved by providing a method for producing a nitride semiconductor crystal of Group 3 according to the present invention.
상기 방법은 기판이 사파이어(Al2O3) 기판인 경우를 포함한다.The method includes the case where the substrate is a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate.
상기 방법은 3족 금속이 InuGavAlw(u+v+w = 1, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1)인 경우를 포함한다.The method includes the case where the Group 3 metal is In u Ga v Al w (u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1).
상기 방법은 3족의 금속 입자가 금속-유기 물질의 열적 분해에 의해 증착되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the Group 3 metal particles are deposited by thermal decomposition of the metal-organic material.
상기 방법은 질소 소스가 존재하지 않는 분위기에서 3족 금속의 비등점 이상의 온도로 제 1 단계가 수행되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the first step is carried out at a temperature above the boiling point of the Group 3 metal in an atmosphere in which there is no nitrogen source.
상기 방법은 상기 제 1 단계에서 사용된 온도 이상에서 금속 물질이 존재하지 않는 분위기에서 제 2 단계가 수행되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the second step is carried out in an atmosphere in which there is no metal material above the temperature used in the first step.
상기 방법은 상기 제 2 단계에서 사용된 온도 이상에서 제 3 단계가 수행되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the third step is performed above the temperature used in the second step.
상기 방법은 3족의 질화물 반도체 결정이 금속-유기 화학 기상 증착 방법에 의해 형성되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the group III nitride semiconductor crystal is formed by a metal-organic chemical vapor deposition method.
상기 방법은 제 2 단계에서 질화 처리된 3족의 금속 입자가 다결정 및/또는비결정 3족 질화물이며 또한 비반응 금속을 가지는 경우를 포함한다.The method includes the case where the Group 3 metal particles nitrified in the second step are polycrystalline and / or amorphous Group III nitrides and have an unreacted metal.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 전술한 목적은 또한 질소 소스를 함유하지 않은 분위기에서, 금속의 비등점 이상의 온도 T1에서 In, Ga 및 Al로부터 선택된 하나 이상으로 구성된 InuGavAlw(u+v+w = 1, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1)로 표시되는 금속을 사파이어 기판 상에 증착하기 위하여, In, Ga 및 Al로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소를 포함하는 금속-유기 물질의 열적 분해를 이용하는 제 1 단계, 금속-유기 물질을 포함하지 않으며 질소 소스를 포함하는 분위기에서, 증착된 금속을 온도 T2(T2≥T1)로 질화 처리하는 제 2 단계, 및 금속이 증착된 사파이어 기판 상에 3족의 질화물 반도체 결정을 온도 T3(T3≥T2)로 에피텍셜 성장시키는데 금속-유기 화학 기상 증착 방법이 사용되는 제 3 단계를 포함하는 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법에 의해 얻어진다.According to a second aspect of the present invention, the above object is also an In u Ga v Al w (u +) consisting of one or more selected from In, Ga and Al at a temperature T1 above the boiling point of the metal, in an atmosphere not containing a nitrogen source. at least one metal element selected from In, Ga, and Al for depositing a metal represented by v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1) on the sapphire substrate A first step utilizing thermal decomposition of the metal-organic material, a second step of nitriding the deposited metal to a temperature T2 (T2 ≧ T1) in an atmosphere that does not include the metal-organic material and includes a nitrogen source, and Preparation of group III nitride semiconductor crystals comprising a third step in which a metal-organic chemical vapor deposition method is used to epitaxially grow group III nitride semiconductor crystals on a metal-deposited sapphire substrate at a temperature T3 (T3≥T2). Obtained by the method.
상기 방법은 사파이어 기판이 <0001>로부터 특정 방향으로 기울어진 수직축을 가지는 (0001)면을 구비하는 경우를 포함한다.The method includes the case where the sapphire substrate has a (0001) plane having a vertical axis inclined in a specific direction from <0001>.
상기 방법은 사파이어 기판의 특정 방향이 <1-100>이고 <0001>로부터의 경사 각도는 0.2°내지 15°인 경우를 포함한다.The method includes the case where the specific direction of the sapphire substrate is <1-100> and the inclination angle from <0001> is 0.2 ° to 15 °.
상기 방법은 온도 T1이 900℃ 이상이고 온도 T3가 1000℃ 이상인 경우를 포함한다.The method includes the case where the temperature T1 is at least 900 ° C and the temperature T3 is at least 1000 ° C.
상기 방법은 제 1 단계에서, 금속-유기 물질의 열적 분해가 수소 분위기에서 발생하는 경우를 포함한다.The method includes in the first step, thermal decomposition of the metal-organic material occurs in a hydrogen atmosphere.
상기 방법은 금속이 50Å 이상 1000Å 이하의 높이를 가지는 층으로서가 아니라 입자로서 사파이어 기판 상에 증착되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the metal is deposited on the sapphire substrate as particles rather than as a layer having a height of 50 kPa or more and 1000 kPa or less.
상기 방법은 제 2 단계에서, 질소 대 금속의 화학양론비율이 1:1이 아닌 영역, 즉 InuGavAlwNk(u+v+w = 1, 0≤u, v, w≤1 및 0< k <1) 영역에서 존재하는 다결정을 질화 처리된 금속이 가지는 경우를 포함한다.In the second step, the method comprises a region where the stoichiometric ratio of nitrogen to metal is not 1: 1, i.e., In u Ga v Al w N k (u + v + w = 1, 0 ≦ u, v, w ≦ 1 And the case where the nitrided metal has polycrystals present in the region 0 <k <1).
제 3 측면에 따르면, 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법은 가열된 기판에 3족의 금속 물질을 제공하며, 기판 상에 3족의 금속 물질을 증착 및/또는 제품을 분해하는 제 1 단계, 질소 소스를 함유하는 분위기에서 기판을 열처리하는 제 2 단계, 및 기상 방법에 의해 기판 상에 3족의 질화물 반도체 결정을 성장시키기 위해 3족의 금속 물질 및 질소 소스를 이용하는 제 3 단계를 포함한다.According to a third aspect, a method of manufacturing a group III nitride semiconductor crystal provides a group 3 metal material on a heated substrate, and deposits the group 3 metal material on the substrate and / or decomposes the product, nitrogen. A second step of heat-treating the substrate in an atmosphere containing the source, and a third step of using a Group 3 metal material and a nitrogen source to grow the Group 3 nitride semiconductor crystals on the substrate by a vapor phase method.
상기 방법은 기판상에 성장된 3족의 질화물 반도체 결정이 <0001>로부터 특정 방향으로 기울어진 수직축을 가지는 (0001)면을 구비하는 경우를 포함한다.The method includes the case where the group III nitride semiconductor crystals grown on the substrate have a (0001) plane having a vertical axis inclined in a specific direction from <0001>.
상기 방법은 특정 경사 방향이 <11-20>이고 <0001>로부터의 경사 각도가 0.2°내지 15°인 경우를 포함한다.The method includes the case where the specific tilt direction is <11-20> and the tilt angle from <0001> is 0.2 ° to 15 °.
갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정층을 기판 상에 성장시켜서 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 제조하는 방법을 제공함으로써 본원 발명의 전술한 목적이 달성된다. 제 1 측면에 따르면, 상기 방법은 금속 핵을 기판에 부착시키는 제 1 단계, 금속 핵을 어닐링하는 제 2 단계, 어닐링된 금속 핵을 질화 처리함으로써 핵을 성장시키는 제 3 단계, 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체결정층을 형성하는 성장 핵을 가지는 기판 상에서 갈륨 나이트라이드-기재 화합물을 성장시키는 제 4 단계를 포함한다.The above object of the present invention is achieved by providing a method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor by growing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal layer on a substrate. According to a first aspect, the method comprises a first step of attaching a metal nucleus to a substrate, a second step of annealing the metal nucleus, a third step of growing the nucleus by nitriding the annealed metal nucleus, and gallium nitride— And a fourth step of growing a gallium nitride-based compound on a substrate having a growth nucleus forming a base compound semiconductor crystal layer.
상기 방법은 기판이 사파이어인 경우, 및 제 1 단계에서 질소 소스를 함유하지 않는 금속-유기 수증기를 포함하는 소스 가스를 흘림으로써 금속 핵이 가열된 기판에 부착되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the substrate is sapphire and the case where the metal nucleus is attached to the heated substrate by flowing a source gas comprising metal-organic vapor that does not contain a nitrogen source in the first step.
상기 방법은 금속-유기 물질의 수증기는 갈륨 함유 금속-유기 물질, 알루미늄 함유 금속-유기 물질 및 인듐 함유 금속-유기 물질로부터 선택된 하나 이상의 부재를 가지는 경우를 포함한다.The method includes the case where the water vapor of the metal-organic material has at least one member selected from gallium-containing metal-organic materials, aluminum-containing metal-organic materials and indium-containing metal-organic materials.
상기 방법은 제 2 단계에서, 질소 소스 또는 금속-유기 물질의 수증기 중 어느 것도 함유하지 않는 캐리어 가스만을 흘림으로써 금속 핵의 어닐링이 수행되는 경우를 포함한다.The method includes, in a second step, annealing of the metal nucleus by carrying only a carrier gas containing neither a nitrogen source nor water vapor of the metal-organic material.
상기 방법은 제 3 단계에서, 질소 소스는 함유하지만 금속-유기 물질의 수증기는 함유하지 않는 가스를 흘림으로써 금속 핵이 질화 처리되는 경우를 포함한다.The method includes, in a third step, the metal nucleus being nitrided by flowing a gas containing a nitrogen source but not containing water vapor of the metal-organic material.
상기 방법은 제 4 단계에서, 금속-유기 화학 기상 증착 방법을 이용하여 질소 소스 및 금속-유기 물질 모두를 함유하는 가스를 흘림으로써 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 성장되는 경우를 포함한다.The method includes, in a fourth step, a gallium nitride-based compound semiconductor crystal being grown by flowing a gas containing both a nitrogen source and a metal-organic material using a metal-organic chemical vapor deposition method.
상기 방법은 제 2 단계가 수행되는 온도는 제 1 단계가 수행되는 온도 이상이며, 제 3 단계가 수행되는 온도는 제 2 단계가 수행되는 온도 이상이며, 그리고 제 4 단계가 수행되는 온도는 제 3 단계가 수행되는 온도 이상인 경우를 포함한다.In the method, the temperature at which the second step is performed is at least a temperature at which the first step is performed, the temperature at which the third step is performed is at least a temperature at which the second step is performed, and the temperature at which the fourth step is performed is at a third temperature. And when the step is above the temperature at which it is performed.
상기 방법은 제 1 단계 및 제 2 단계가 2회 이상 교대로 수행된 후에 제 3단계가 수행되거나, 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계가 2회 이상 교대로 수행된 후에 제 4 단계가 수행된다.The method may be carried out after the first step and the second step have been alternately performed two or more times, or after the third step is carried out alternately two or more times, after the fourth step is carried out. Is performed.
상기 방법은 제 1 단계가 알루미늄 함유 금속-유기 물질, 갈륨 함유 금속-유기 물질 및 인듐 함유 금속-유기 물질로부터 선택된 하나 이상의 부재의 수증기 함유 가스를 흘리는 제 1 상태 단계, 및 제 1 상태 단계의 금속-유기 물질과 상이한 상기 물질의 수증기 함유 가스를 흘리는 제 2 상태 단계인 두 단계를 가지는 경우를 포함한다.The method comprises a first state step in which the first stage flows a vapor-containing gas of at least one member selected from an aluminum containing metal-organic material, a gallium containing metal-organic material and an indium containing metal-organic material, and the metal of the first state step A case having two stages, a second state stage of flowing a vapor-containing gas of the substance different from the organic substance.
상기 방법은 제 1 단계의 제 1 상태 단계 및 제 2 상태 단계가 2회 이상 교대로 수행된 후에 제 2 단계가 수행되는 경우를 포함한다.The method includes the case where the second step is performed after the first and second state steps of the first step are alternately performed two or more times.
상기 방법은 성장 핵이 기판에 평행한 편평한 꼭지점 및 편평한 측면 및 수평 측면을 가지는 실질적으로 사다리꼴 질화물 반도체 결정인 경우를 포함한다.The method includes the case where the growth nucleus is a substantially trapezoidal nitride semiconductor crystal having flat vertices parallel to the substrate and flat and horizontal sides.
상기 방법은 각각의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정층이 제 4 단계에서 형성된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 상에서 성장되는 경우를 포함한다.The method includes the case where each gallium nitride-based compound semiconductor crystal layer is grown on the gallium nitride-based compound semiconductor formed in the fourth step.
제 2 측면에 따르면, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법은 기판에 금속 핵을 부착하는 제 1 단계를 포함하며, 상기 제 1 단계는 알루미늄 함유 금속-유기 물질, 갈륨 함유 금속-유기 물질 및 인듐 함유 금속-유기 물질 중에서 선택된 하나 이상의 부재의 수증기 함유 가스를 흘리는 제 1 상태 단계, 및 제 1 상태 단계의 금속-유기 물질과 상이한 상기 물질의 수증기 함유 가스를 흘리는 제 2 상태 단계인 두 단계를 가지고, 금속 핵을 질화 처리함으로써 성장 핵을 형성하는 제 2 단계, 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정층을 형성하는 성장 핵을 가지는 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물을 성장시키는 제 3 단계를 포함한다.According to a second aspect, a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor includes a first step of attaching a metal nucleus to a substrate, the first step being an aluminum containing metal-organic material, a gallium containing metal-organic material, and indium. A first state step of flowing a vapor-containing gas of at least one member selected from the containing metal-organic material, and a second state step of flowing a vapor-containing gas of the material different from the metal-organic material of the first state step; A second step of forming a growth nucleus by nitriding a metal nucleus, and a third step of growing a gallium nitride-based compound on a substrate having a growth nucleus forming a gallium nitride-based compound semiconductor crystal layer. do.
상기 방법은 기판이 사파이어 기판인 경우를 포함한다.The method includes the case where the substrate is a sapphire substrate.
상기 방법은 제 1 단계의 제 1 상태 단계 및 제 2 상태 단계가 2회 이상 교대로 수행된 후에 제 2 단계가 수행되고 제 1 단계 및 제 2 단계가 2회 이상 교대로 수행된 후에 제 3 단계가 수행되는 경우를 포함한다.The method comprises a second step performed after the first state step and the second state step of the first step are alternately performed two or more times and a third step after the first and second steps are alternately performed two or more times. Includes cases where it is performed.
상기 방법은 제 1 단계에서, 금속-유기 물질 수증기는 함유하지만 질소 소스는 함유하지 않는 가스를 흘림으로써 가열된 기판에 금속 핵이 부착되는 경우를 포함한다.The method includes, in a first step, a metal nucleus attached to a heated substrate by flowing a gas containing metal-organic material water vapor but no nitrogen source.
상기 방법은 제 2 단계에서, 질소 소스를 함유하지만 금속-유기 물질 수증기는 함유하지 않는 가스를 흘림으로써 금속 핵이 질화 처리되는 경우를 포함한다.The method includes, in a second step, the metal nucleus being nitrided by flowing a gas containing a nitrogen source but no metal-organic material vapor.
상기 방법은 제 3 단계에서, 금속-유기 화학 기상 증착 방법을 이용하여, 질소 소스 및 금속-유기 물질 모두를 함유하는 가스를 흘림으로써 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 성장되는 경우를 포함한다.The method includes, in a third step, a gallium nitride-based compound semiconductor crystal being grown by flowing a gas containing both a nitrogen source and a metal-organic material using a metal-organic chemical vapor deposition method.
상기 방법은 제 2 단계가 수행되는 온도가 제 1 단계가 수행되는 온도 이상이고, 제 3 단계가 수행되는 온도가 제 2 단계가 수행되는 온도 이상인 경우를 포함한다.The method includes the case where the temperature at which the second step is performed is at least the temperature at which the first step is performed, and the temperature at which the third step is performed is at least the temperature at which the second step is performed.
상기 방법은 성장 핵이 기판에 평행한 편평한 꼭지점 및 편평한 측면을 가지는 실질적으로 사다리꼴 3족의 질화물 반도체 결정인 경우를 포함한다.The method includes the case where the growth nuclei are substantially trapezoidal group III nitride semiconductor crystals having flat vertices and flat sides parallel to the substrate.
상기 방법은 각각의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정층이 제 3 단계에서 형성된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정층 상에 성장되는 경우를 포함한다.The method includes the case where each gallium nitride-based compound semiconductor crystal layer is grown on the gallium nitride-based compound semiconductor crystal layer formed in the third step.
본 발명은 또한 본 발명의 제 1, 제 2 및 제 3 측면에 따른 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법에 의해 제조된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 제공한다.The present invention also provides a gallium nitride-based compound semiconductor produced by the gallium nitride-based compound semiconductor manufacturing method according to the first, second and third aspects of the present invention.
본 발명은 또한 전술한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 이용하여 제조된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 발광 소자를 제공한다.The present invention also provides a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device manufactured using the above-mentioned gallium nitride-based compound semiconductor.
본 발명은 또한 전술한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 발광 소자를 이용하여 제조된 광원을 제공한다.The present invention also provides a light source manufactured using the above-described gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device.
제 1 및 제 2 측면에 따른 전술한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법은 또한 낮은 성장 속도로 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 성장시키기 위해 마스크 층을 기판 상에 형성하며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 선택적으로 성장시키는 단계를 포함한다.The above-described gallium nitride-based compound semiconductor manufacturing method according to the first and second aspects also forms a mask layer on the substrate to grow the gallium nitride-based compound semiconductor at a low growth rate, whereby gallium nitride Selectively growing the base compound semiconductor.
상기 방법은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 성장되는 동일한 에피텍셜 성장 장치 내에서 수행되는 마스크 층 형성 단계를 포함한다.The method includes a mask layer forming step performed in the same epitaxial growth apparatus in which the gallium nitride-based compound semiconductor is grown.
상기 방법은 Si 함유 가스 물질을 흘림으로써 마스크 층을 가열된 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다.The method includes forming a mask layer on a heated substrate by flowing a Si containing gas material.
상기 방법은 Si 함유 가스 물질 및 암모니아를 동시에 흘림으로써 마스크 층을 가열된 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다.The method includes forming a mask layer on a heated substrate by simultaneously flowing a Si containing gaseous material and ammonia.
상기 방법은 기판의 일부가 마스크 층을 구성하는 물질에 의해 커버되고 기판의 일부가 노출되도록 마스크 층이 형성되는 단계를 포함한다.The method includes forming a mask layer such that a portion of the substrate is covered by a material that constitutes the mask layer and the portion of the substrate is exposed.
상기 방법은 제 1 단계에서, 3족의 구성 요소를 함유하는 가스 물질 및 Si 함유 가스 물질을 동시에 흘리는 경우를 포함한다.The method includes, in the first step, flowing a gaseous material containing a group 3 component and a Si-containing gaseous material simultaneously.
상기 방법은 또한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 속도가 낮은 물질로 구성된 부분 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 속도가 높은 물질로 구성된 부분을 포함하는 마스크 층을 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다.The method also includes forming a mask layer on a substrate, the mask layer comprising a portion composed of a material having a low growth rate of a gallium nitride-based compound semiconductor and a portion composed of a material having a high growth rate of a gallium nitride-based compound semiconductor. Include.
본 발명의 상기 및 다른 특징은 도면을 참고로 기술된 명세서에서 명확해질 것이다.These and other features of the present invention will become apparent from the specification described with reference to the drawings.
이제부터 본 발명의 제 1 측면에 따른 3족 질화물 반도체 결정의 제조 방법이 시작된다.A method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to the first aspect of the present invention is now started.
제 1 측면에 따른 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법은 순차적으로, 기판 표면 상에 3족의 금속 입자를 증착하는 제 1 단계, 질소 소스 함유 분위기에서 입자를 질화 처리하는 제 2 단계, 및 3족의 질화물 반도체 결정을 성장시키는 제 3 단계를 포함한다.Group 3 nitride semiconductor crystal manufacturing method according to the first aspect is sequentially a first step of depositing the Group 3 metal particles on the substrate surface, the second step of nitriding the particles in a nitrogen source containing atmosphere, and Group 3 And a third step of growing the nitride semiconductor crystals.
3 단계로 구성된 제조 방법에 의해 우수한 결정도를 가지는 3족의 질화물 반도체 결정이 기판 상에 형성될 수 있다. 아울러, 이 방법에 의해 저온의 버퍼층을 이용한 종래 방법에 의해 요구되는 제조 조건의 엄격한 제어 없이 고 품질의 3족의 질화물 반도체 결정이 쉽게 제조될 수 있다. 본 발명의 3족의 질화물 반도체 결정은 InxGayAlzN(x+y+z = 1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 표시된다.A nitride semiconductor crystal of Group 3 having excellent crystallinity can be formed on the substrate by a manufacturing method composed of three steps. In addition, high quality group III nitride semiconductor crystals can be easily produced by this method without strict control of the manufacturing conditions required by the conventional method using a low temperature buffer layer. The nitride semiconductor crystal of Group 3 of the present invention is represented by In x Ga y Al z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
전술한 제조 방법에서 사용된 기판은 유리, SiC, Si, GaAs, 사파이어, 또는 이러한 기판일 수 있다. 사파이어 기판(AL203)의 사용으로 고 품질의 결정 및 물질을 저가로 얻을 수 있는 이점이 얻어진다. 사파이어의 경우에, 사용될 수 있는 면은 m, a, 및 c 면을 포함한다. c 면((0001)면)을 사용하는 것이 바람직하고, 또한 기판 표면의 수직 축이 <0001> 방향으로부터 기울어지는 것이 바람직하다. 기판이 유기 세정 또는 에칭되거나 제 1 단계에서 상기 세정 전에 선-처리(pre-treatment)되는 것 또한 바람직한데, 이는 상기 단계에 의해 기판 표면이 일정한 상태로 유지될 수 있기 때문이다.The substrate used in the above-described manufacturing method may be glass, SiC, Si, GaAs, sapphire, or such a substrate. The use of a sapphire substrate AL 2 O 3 provides the advantage of obtaining high quality crystals and materials at low cost. In the case of sapphire, the faces that can be used include m, a, and c faces. It is preferable to use the c plane (the (0001) plane), and it is also preferable that the vertical axis of the substrate surface is inclined from the <0001> direction. It is also preferred that the substrate is organic cleaned or etched or pre-treatment prior to the cleaning in a first step, since the substrate surface can be kept constant by this step.
제 1 단계에서, 기판 상에 증착된 3족의 금속 입자가 Al, Ga, In 등의 입자일 수 있다. 본 발명에서는 InuGavAlw(u+v+w = 1, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1) 입자를 사용하는 것이 바람직하다. InuGavAlw사용의 이점은 InuGavAlw이 다음에 형성되는 3족의 질화물 반도체와 우수한 친화력을 가진다는 것이다. 3족의 금속 입자에 부가될 수 있는 불순물은 Si, Be, Mg 및 3족 이외의 다른 금속을 포함한다. 3족 금속을 증착하기 위해 금속 화합물을 분해하는 방법이 사용될 때, 3족의 금속 입자는 탄소, 수소 및 할로겐과 같은 불순물을 함유할 수 있지만, 이 입자들은 또한 금속 입자로서 사용될 수도 있다.In the first step, the Group 3 metal particles deposited on the substrate may be particles such as Al, Ga, In, or the like. In the present invention, it is preferable to use In u Ga v Al w (u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1) particles. The advantage of using In u Ga v Al w is that In u Ga v Al w has an excellent affinity with the nitride semiconductor of the Group 3 which is formed next. Impurities that can be added to the Group 3 metal particles include Si, Be, Mg, and metals other than Group III. When a method of decomposing a metal compound is used to deposit a Group 3 metal, the Group 3 metal particles may contain impurities such as carbon, hydrogen, and halogen, but these particles may also be used as metal particles.
상기 입자는 금속-유기 물질 또는 금속 할로겐 화합물의 열적 분해, 기상 증착, 및 스퍼터링과 같은 다양한 방법에 의해 증착될 수 있다. 3족의 금속 입자를증착하기 위해 금속-유기 물질의 열적 분해 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 금속-유기 물질로서, 트리메틸 갈륨(TMG), 트리에틸 갈륨(TEG), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리메틸 인듐(TMI), 및 바이사이클로펜타디에틸 인듐(Cp2In)과 같은 화합물이 사용될 수도 있다. 3족의 금속 입자를 증착하기 위해 금속-유기 물질의 열적 분해 방법이 사용됨으로써 인시츄(in situ) 증착이 이루어질 수 있다는 이점이 얻어진다.The particles can be deposited by various methods such as thermal decomposition of metal-organic materials or metal halide compounds, vapor deposition, and sputtering. Preference is given to using a thermal decomposition method of the metal-organic material to deposit the Group 3 metal particles. As the metal-organic material, compounds such as trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), trimethyl indium (TMI), and bicyclopentadiethyl indium (Cp 2 In) may be used. . The advantage of the in situ deposition can be achieved by the method of thermal decomposition of metal-organic materials to deposit Group 3 metal particles.
암모니아와 같은 질소 소스를 함유하는 분위기에서 제 1 단계가 수행되면, 표면 이동의 억제와 같은 문제가 발생될 수 있다. 이러한 이유로 해서, 질소 소스를 함유하지 않는 분위기에서 제 1 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 불활성 캐리어 가스로서 보편적으로 사용되는 N2가스가 본 발명에서는 질소 소스로서 고려되지 않는다. N2가스는 효과적인 질소 소스를 생성하지 못하는데, 이는 질소 가스의 분해 온도가 암모니아 또는 히드라진과 같은 일반적인 질소 가스의 분해 온도보다 높기 때문이다. 따라서, 이러한 방법을 이용한 제 1 단계에서, 분위기 중에 N2가스를 함유함으로써 상기 결과는 억제되지 않는다. 사용 가능한 가스들은 수소, 희가스 및 질소를 포함한다. 3족 금속의 비등점 이상의 온도에서 제 1 단계를 수행하는 것이 바람직한데, 이는 상기 온도에서 제 1 단계를 수행하면 기판 상에서의 금속 원자의 이동이 용이해지기 때문이다.If the first step is carried out in an atmosphere containing a nitrogen source such as ammonia, problems such as suppression of surface migration can occur. For this reason, it is preferable to perform the first step in an atmosphere containing no nitrogen source. N 2 gas, which is commonly used as an inert carrier gas, is not considered a nitrogen source in the present invention. N 2 gas does not produce an effective nitrogen source, since the decomposition temperature of nitrogen gas is higher than that of a common nitrogen gas such as ammonia or hydrazine. Therefore, in the first step using this method, the result is not suppressed by containing N 2 gas in the atmosphere. Usable gases include hydrogen, rare gases and nitrogen. It is preferable to perform the first step at a temperature above the boiling point of the Group 3 metals, because performing the first step at this temperature facilitates the movement of metal atoms on the substrate.
제 1 단계에서 기판 표면 상에 증착된 3족의 금속 입자는 불연속적 분포로서 증착된다. 입자들은 제 위치에 결합될 수 있다. 기판 표면 상의 입자의 증착 상태는 원자 현미경(AFM)을 이용하여 관찰될 수 있다. 위에서 수직으로 볼 때, 제 1 단계에서 형성된 3족의 금속 입자는 높이가 약 50Å 내지 1000Å이고 끝에서 끝까지의 길이가 약 100Å 내지 10000Å이며, 입자의 표면 밀도는 약 1×106cm-2내지 1×1010cm-2의 범위이다.Group 3 metal particles deposited on the substrate surface in the first step are deposited as a discontinuous distribution. The particles can be bound in place. The deposition state of the particles on the substrate surface can be observed using atomic force microscopy (AFM). Viewed vertically from above, the Group 3 metal particles formed in the first step have a height of about 50 kPa to 1000 kPa and a length from end to end of about 100 kPa to 10000 kPa, and the surface density of the particles is about 1 × 10 6 cm -2 to 1 × 10 10 cm −2 .
금속 물질을 함유하는 분위기에서 제 2 단계가 수행되면, 제 3 단계에서 성장된 3족의 질화물 반도체 결정의 결정도는 감소될 것이기 때문에, 제 2 단계는 금속 물질이 함유되지 않은 분위기에서 수행되어야 한다. 제 2 단계에서, 질소 소스로서 암모니아 또는 히드라진을 함유한 분위기가 사용될 수 있다. 1000 내지 1×105Pa의 기압하에서 제 2 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 터널링 전자 현미경(TEM)을 이용한 단면 분석은 제 2 단계에서 질화 처리된 3족의 금속 입자가 다결정 및/또는 비결정 구조를 가지며 비반응된 금속을 포함하는 것을 보여준다.Since the crystallinity of the group III nitride semiconductor crystals grown in the third step will be reduced if the second step is performed in an atmosphere containing a metal material, the second step should be performed in an atmosphere not containing a metal material. In the second step, an atmosphere containing ammonia or hydrazine as the nitrogen source can be used. It is preferable to carry out the second step under atmospheric pressure of 1000 to 1 × 10 5 Pa. Cross-sectional analysis using tunneling electron microscopy (TEM) shows that the Group III metal particles nitrided in the second step have polycrystalline and / or amorphous structures and contain unreacted metals.
제 1 단계가 수행되는 온도 이상에서 제 2 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 발명자에 의해 수행된 실험은 상기와 같은 온도로 단계를 수행함으로써 우수한 결정도를 가지는 3족의 질화물 반도체 결정 제조가 가능해진다. 입자의 질화 처리 반응을 촉진시키기 위하여, 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상의 온도에서 제 2 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 제 2 단계에서 3족의 금속 입자를 질화 처리하는 것은 질소 소스 함유 분위기에서 약 700℃ 이상의 온도로 1 내지 10분 동안 기판에 입자가 증착되는 상태를 유지함으로써 수행될 수 있다.It is preferred to carry out the second step above the temperature at which the first step is carried out. The experiment carried out by the inventor enables the production of nitride semiconductor crystals of group 3 having excellent crystallinity by performing the step at the above temperature. In order to promote the nitriding reaction of the particles, it is preferred to carry out the second step at a temperature of at least 700 ° C, more preferably at least 900 ° C. Nitriding the Group 3 metal particles in the second step may be performed by maintaining the particles deposited on the substrate for 1 to 10 minutes at a temperature of about 700 ° C. or more in an atmosphere containing a nitrogen source.
제 2 단계가 수행되는 온도 이상에서 제 3 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 이는 성장되는 고 품질의 3족의 질화물 반도체를 제공한다는 점에서 이점이 된다. 특히, 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상의 온도에서 제 3 단계를 수행하는 것이 바람직하다.It is preferred to carry out the third step above the temperature at which the second step is carried out. This is advantageous in that it provides a grown high quality group III nitride semiconductor. In particular, it is preferred to carry out the third step at a temperature of at least 700 ° C, more preferably at least 900 ° C.
제 3 단계에서, 3족의 질화물 반도체 결정은 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 방법, 분자 빔 에피텍시(MBE) 방법 및 기상 에피텍시(VPE) 방법을 포함하는 다양한 기상 성장 방법에 의해 형성될 수 있다. 3족의 질화물 반도체 결정을 형성하기 위해 MOCVD 방법을 사용하는 것이 특히 바람직한데, 이는 상기 방법이 박막을 성장시키는데 사용될 수 있기 때문이다. 1000 내지 1×105Pa의 압력 하에서 금속-유기 물질 및 질소 소스를 함유하는 가스에서 층을 성장시키는데 사용될 수 있다. 우수한 결정도를 가지는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체는 1000℃를 초과하는 온도에서 MOCVD 방법을 이용하여 제 3 단계가 수행될 때 얻어질 수 있다는 것이 공지되어 있다. 이것은 다른 온도와 달리, 1000℃ 이상에서 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 모드가 상당히 수평인 성장 모드가 된다는 사실 때문이라고 생각된다. 이 경우에, 낮은 변위를 갖는 우수한 표면 형태를 갖는 결정층을 형성하는 것이 가능하다.In the third step, the nitride semiconductor crystals of Group 3 are produced by various vapor growth methods including metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, molecular beam epitaxy (MBE) method and vapor phase epitaxy (VPE) method. Can be formed. Particular preference is given to using the MOCVD method to form group III nitride semiconductor crystals, since the method can be used to grow thin films. It can be used to grow a layer in a gas containing a metal-organic material and a nitrogen source under a pressure of 1000 to 1 × 10 5 Pa. It is known that gallium nitride-based compound semiconductors with good crystallinity can be obtained when the third step is performed using the MOCVD method at temperatures in excess of 1000 ° C. This is thought to be due to the fact that, unlike other temperatures, the growth mode of the gallium nitride-based compound semiconductor becomes a substantially horizontal growth mode above 1000 ° C. In this case, it is possible to form a crystal layer having an excellent surface shape with low displacement.
본 발명의 제 2 측면에 따라 3족의 질화물 반도체 결정을 제조하는 방법에서, 질소 소스를 함유하지 않는 분위기의 제 1 단계에서, In, Ga 및 Al로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소를 포함하는 금속-유기 물질의 열적 분해는 금속 1의 비등점 이상의 온도로 In, Ga 및 Al로부터 선택된 하나 이상으로 구성된 금속1(InuGavAlw로 표시되며, u+v+w = 1, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1)을 사파이어 기판 상에 증착하는데 사용된다. 다음으로, 금속-유기 물질은 함유하지 않고 질소 소스를 함유하는 분위기에서 온도 T2(T2≥T1)로 증착되는 금속 1을 질화 처리하는 제 2 단계가 수행된다. 다음으로, 금속-유기 화학 기상 증착 방법은 금속 1이 증착된 사파이어 기판 상에 3족의 질화물 반도체(InxGayAlzN으로 표시되며, x+y+z = 1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 결정을 온도 T3(T3≥T2) 에피텍셜 성장시키기 위해 사용되는 제 3 단계가 수행된다.In the method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to the second aspect of the present invention, in the first step of the atmosphere containing no nitrogen source, a metal-organic compound comprising at least one metal element selected from In, Ga and Al The thermal decomposition of the material is a metal 1 consisting of at least one selected from In, Ga and Al at a temperature above the boiling point of metal 1 (in u Ga v Al w , where u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1) are used to deposit on the sapphire substrate. Next, a second step of nitriding the metal 1 deposited at a temperature T2 (T2? T1) in an atmosphere containing no metal-organic material and containing a nitrogen source is performed. Next, the metal-organic chemical vapor deposition method is a group III nitride semiconductor (In x Ga y Al z N is represented on the sapphire substrate on which the metal 1 is deposited, x + y + z = 1, 0≤x≤1 A third step is used, which is used to epitaxially grow crystals of 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, at temperature T3 (T3 ≧ T2).
상기 방법에 의해, 우수한 결정도를 가지는 3족의 질화물 반도체 결정은 사파이어 기판 상에 에피텍셜 성장될 수 있다. 아울러, 이 방법에 의해 저온의 버퍼층을 이용하는 종래의 방법에 의해 요구되는 제조 조건의 엄격한 제어 없이 고 품질의 3족 질화물 반도체 결정이 쉽게 제조될 수 있다.By the above method, group 3 nitride semiconductor crystals having excellent crystallinity can be epitaxially grown on a sapphire substrate. In addition, high quality Group III nitride semiconductor crystals can be easily produced by this method without strict control of the manufacturing conditions required by conventional methods using low temperature buffer layers.
본 발명에서는 또한 3족의 질화물 반도체 결정의 바람직한 스탭-플로우 성장(step-flow growth)이 (0001)면의 수직 축이 <0001> 방향으로부터 특정 방향으로 기울어진 (0001)면을 가진 사파이어 기판을 이용함으로써 강화된다는 것이 발견되었다. 스탭-플로우 성장은 수직 축 경사의 특정 방향이 <1-100>이고 <0001>로부터의 경사 각도가 0.2°내지 15°일 때 최대화되며, 그 결과 이것은 고 품질의 3족 질화물 반도체 결정을 제조하기 위한 조건으로서 사용될 수 있다.In the present invention, a sapphire substrate having a (0001) plane in which the preferred step-flow growth of the group III nitride semiconductor crystal is inclined in a specific direction from the <0001> direction of the (0001) plane is provided. It has been found to be enhanced by use. Step-flow growth is maximized when the specific direction of the vertical axis inclination is <1-100> and the inclination angle from <0001> is 0.2 ° to 15 °, resulting in high quality Group III nitride semiconductor crystals. Can be used as conditions.
금속-유기 물질의 효과적인 열적 분해를 위하여, 온도 T1이 200℃ 이상 및 또한 금속 1의 비등점 이상인 것이 바람직하다. 900℃ 이상의 T1은 보다 바람직하게는 100%에 가까운 금속-유기 물질이 분해되어 증착된 금속 1이 용해되게 할 수 있다. 3족의 질화물 반도체 결정이 에피텍셜 성장되는 온도 T3가 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 질소 소스의 적절한 분해가 가능한 900℃ 이상이어야 한다.For effective thermal decomposition of the metal-organic material, it is preferred that the temperature T1 is at least 200 ° C. and also at least the boiling point of metal 1. T1 of 900 ° C. or higher may more preferably close to 100% of the metal-organic material so that the deposited metal 1 dissolves. The temperature T3 at which Group III nitride semiconductor crystals are epitaxially grown should be at least 700 ° C, more preferably at least 900 ° C, which allows for proper decomposition of the nitrogen source.
금속 1이 비등점보다 높은 온도로 증착되기 때문에, 표면 장력은 층으로서 보다는 입자로서 사파이어 기판 상에 금속이 형성되게 한다는 것이 원자 현미경으로 관찰함으로써 확인되었다. 금속 1의 입자는 제 2 단계의 질화 처리 후에도 그 형태를 유지한다. 3족의 질화물 반도체 결정의 에피텍셜 성장은 상기 입자를 핵으로서 이용하여 처리되기 때문에, 우수한 결정도를 가지는 3족의 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다는 것이 고려된다.Since metal 1 was deposited at a temperature above the boiling point, surface tension was confirmed by atomic microscope observation that the metal was formed on the sapphire substrate as particles rather than as a layer. Particles of metal 1 retain their shape even after the second stage of nitriding. Since epitaxial growth of group 3 nitride semiconductor crystals is processed using the particles as nuclei, it is considered that group 3 nitride semiconductor crystals having excellent crystallinity can be obtained.
터널링 전자 현미경을 이용한 단면 분석은 제 2 단계에서 질화 처리된 3족의 금속 입자가 다결정이고 질소 대 금속의 화학양론비율이 1:1이 아닌 영역(상기 영역의 조성은 InuGavAlw로 표시되며, u+v+w = 1, 0≤u, v, w≤1, 0< k <1)에 다결정이 존재한다는 것을 보여준다. 이것은 층을 결정화하기 위해 저온 증착 후에 고온 열처리에 의해 저온 버퍼층을 형성하도록 금속-유기 물질 및 질소 소스가 동시에 공급되는 종래 기술의 경우의 성장 모드와 본 발명에 따른 금속 1을 질화 처리하는 방법 사이의 차이에 근거한 차이라고 생각된다.Cross-sectional analysis using tunneling electron microscopy showed that the group III metal particles treated in the second step were polycrystalline, and the stoichiometric ratio of nitrogen to metal was not 1: 1 (the composition of the region was In u Ga v Al w) . It is shown that polycrystals are present at u + v + w = 1, 0 ≦ u, v, w ≦ 1, 0 <k <1). This is between the growth mode in the case of the prior art in which the metal-organic material and the nitrogen source are simultaneously supplied to form a low temperature buffer layer by high temperature heat treatment after low temperature deposition to crystallize the layer and the method of nitriding metal 1 according to the present invention. It seems to be difference based on difference.
제 3 측면에 따르면, 3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법은 가열된 기판에 3족의 금속 물질을 공급하고 3족의 금속 물질을 증착하고 및/또는 기판 상에 상기 물질의 제품을 분해하는 제 1 단계, 다음으로 질소 소스를 함유하는 분위기에서 기판을 열처리하는 제 2 단계, 다음으로 기상 방법으로 기판 상에 3족의 질화물 반도체를 성장시키기 위해 3족의 금속 물질 및 질소 소스를 사용하는 제 3 단계를 포함한다.According to a third aspect, a method of manufacturing a nitride semiconductor crystal of Group 3 includes a first method of supplying a Group 3 metal material to a heated substrate, depositing a Group 3 metal material and / or decomposing a product of the material on the substrate. A second step of heat-treating the substrate in an atmosphere containing a nitrogen source, and then a third step of using a Group 3 metal material and a nitrogen source to grow a group III nitride semiconductor on the substrate by a vapor phase method It includes.
제 1 단계에서 사용된 분위기에 포함된 금속-유기 물질은 금속-유기 화합물, 금속 할로겐 화합물 또는 금속 등일 수 있다. 이 중에서, 금속-유기 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 제 1 단계에서, 사용될 수 있는 3족 원소 중 금속-유기 화합물은 트리메틸 갈륨(TMG), 트리에틸 갈륨(TEG), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리메틸 인듐(TMI), 및 바이클로펜타디에닐 인듐(Cp2In)을 포함한다. 실란(SiH4), 다이실란(Si2H6) 및 바이클로펜타디에닐 마그네슘(Cp2Mg) 등은 Si 또는 Mg 등과 같은 3족 금속이 아닌 원소로 도핑하기 위해 분위기에 첨가될 수 있다.The metal-organic material included in the atmosphere used in the first step may be a metal-organic compound, a metal halide compound or a metal. Among these, it is preferable to use a metal-organic compound. In the first step, the metal-organic compounds of the Group III elements that can be used are trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), trimethyl indium (TMI), and biclopentadienyl indium ( Cp 2 In). Silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), biclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), and the like may be added to the atmosphere to dope with elements other than Group III metals such as Si or Mg.
제 1 단계에서, 또한 분위기에 질소 소스가 함유되지 않는 것이 바람직하다. 암모니아와 같은 질소 소스가 제 1 단계에서 포함되면, 성장되는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체는 거울 표면의 형태를 가지지 않을 것이다. 이것은 JP-C 3026087 및 JP-A-평 4-297023의 종래 기술에 개시되어 있다. N2는 불활성 캐리어 가스로서 광범위하게 사용되지만, 본 발명에서는 질소 소스로서 고려되지 않는다. N2가스는 효과적인 질소 소스가 아닌데, 이는 N2의 분해 온도가 암모니아 또는 히드라진과 같은 일반적인 질소 소스의 분해 온도보다 높기 때문이다. 따라서, 상기 방법의 제 1 단계에서, 분위기에 N2가스를 함유함으로써 효과가 크게 억제되지는않는다. 사용될 수 있는 가스는 히드라진, 질소 및 희가스를 포함한다.In the first step, it is also preferred that the atmosphere does not contain a nitrogen source. If a nitrogen source such as ammonia is included in the first step, the grown gallium nitride-based compound semiconductor will not have the shape of the mirror surface. This is disclosed in the prior art of JP-C 3026087 and JP-A-PH 4-297023. N 2 is widely used as an inert carrier gas, but is not considered as a nitrogen source in the present invention. N 2 gas is not an effective nitrogen source because the decomposition temperature of N 2 is higher than that of a common nitrogen source such as ammonia or hydrazine. Therefore, in the first step of the method, the effect is not greatly suppressed by containing N 2 gas in the atmosphere. Gases that may be used include hydrazine, nitrogen and rare gases.
발명자에 의해 수행된 실험은 제 1 단계가 수행되는 온도 이상으로 제 2 단계를 수행함으로써 우수한 결정도를 갖는 3족의 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다. 특히, 입자의 질화 처리 반응을 촉진시키기 위하여, 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상의 온도에서 제 2 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 아주 우수한 결정도는 1000℃ 이상의 온도에서 얻어질 수 있다. 제 3 단계에서 3족의 질화물 반도체를 성장시키는 MOCVD 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 방법을 사용함으로써 제 1 단계 내지 제 3 단계 동안 동일한 에피텍셜 반응기가 사용될 수 있다. MOCVD 방법이 사용될 때, 1000℃ 이상은 제 3 단계를 위해 사용되기에 이상적인 온도이다. 심지어는 1100℃ 이상의 온도를 사용하는 것보다 바람직한데, 이는 1000℃ 이상의 온도에서 거울 결정이 용이하게 얻어질 수 있기 때문이다. 수소 함유 분위기에서 제 3 단계를 수행하는 것이 바람직한데, 이는 상기 분위기에서는 결정도 및 표면 형태의 제어가 보다 수월해지기 때문이다.Experiments conducted by the inventors can produce group III nitride semiconductor crystals having good crystallinity by performing the second step above the temperature at which the first step is performed. In particular, in order to accelerate the nitriding reaction of the particles, it is preferred to carry out the second step at a temperature of at least 700 ° C, more preferably at least 900 ° C. Very good crystallinity can be obtained at temperatures above 1000 ° C. It is preferable to use the MOCVD method of growing the group III nitride semiconductor in the third step. By using this method the same epitaxial reactor can be used during the first to third steps. When the MOCVD method is used, 1000 ° C or higher is the ideal temperature to be used for the third step. It is even preferable to use a temperature of 1100 ° C. or higher because mirror crystals can be easily obtained at a temperature of 1000 ° C. or higher. It is preferable to carry out the third step in a hydrogen containing atmosphere, because in this atmosphere it is easier to control the crystallinity and surface morphology.
전술한 바와 같이, 사파이어는 이상적인 기판을 형성한다. 수직 축이 <0001> 방향으로부터 특정 방향으로 기울어진 (0001)면을 갖는 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 이러한 수직 축의 바람직한 경사 방향은 <1-100>이고 <0001> 방향으로부터의 바람직한 경사 각도는 0.2°내지 15°이다.As mentioned above, sapphire forms an ideal substrate. It is preferable to use a sapphire substrate having a (0001) plane whose vertical axis is inclined in a specific direction from the <0001> direction. As mentioned above, the preferred tilt direction of this vertical axis is <1-100> and the preferred tilt angle from the <0001> direction is 0.2 ° to 15 °.
수직 축이 <0001> 방향으로부터 <1-100> 방향으로 기울어진 (0001)면을 갖는 사파이어 기판이 사용될 때, 상기 기판 상에 성장된 3족의 질화물 반도체 결정은<0001> 방향으로부터 특정 방향으로 기울어진 수직 축을 갖는 (0001)면을 가진다. 본 발명에서, 3족 질화물 반도체 결정의 표면 기울기의 특정 방향은 <11-20>인데, 이는 상기 결정이 기판의 면 방향과 비교하여 30°회전되어 성장되기 때문이다. 고품질의 3족의 질화물 반도체 결정을 제조하기 위한 조건으로서 사용될 수 있는 경사 각도 <0001>가 0.2°내지 15°일 때, 스탭-플로우 성장이 강화된다.When a sapphire substrate having a (0001) plane whose vertical axis is inclined from the <0001> direction to the <1-100> direction is used, the group III nitride semiconductor crystals grown on the substrate are moved from the <0001> direction to the specific direction. It has a (0001) plane with an inclined vertical axis. In the present invention, the specific direction of the surface inclination of the group III nitride semiconductor crystal is <11-20> because the crystal is grown by being rotated by 30 ° compared with the surface direction of the substrate. When the inclination angle <0001>, which can be used as a condition for producing high quality Group 3 nitride semiconductor crystals, is 0.2 ° to 15 °, step-flow growth is enhanced.
제조 방법은 열적 어닐링으로서 공지된 제 1 단계 이전에 공지된 열처리 단계를 포함할 수 있다. 사파이어 기판이 사용될 때 광범위하게 이용되는 열적 어닐링은 에피텍셜 반응기 내에서 수행되는 세정 처리의 한 형태이다. 상기 방법은 일반적으로 수소 또는 질소 함유 분위기에서 1000℃ 내지 1200℃로 기판을 가열하는 단계를 포함한다.The manufacturing method may comprise a known heat treatment step prior to the first step known as thermal annealing. Widely used thermal annealing when sapphire substrates are used is a form of cleaning treatment performed in an epitaxial reactor. The method generally includes heating the substrate to 1000 ° C. to 1200 ° C. in a hydrogen or nitrogen containing atmosphere.
제조 방법에서, 제 1 단계는 또한 분위기에 함유된 금속-유기 물질의 형태를 가진 다수의 단계로 나누어질 수 있고, 상기 물질의 혼합 비율 및 조성은 매번 바뀐다. 기판 처리 온도 및 길이와 같은 다른 조건들도 바뀔 수 있다. 제 1 단계가 다수의 단계들로 나뉠 때, 제 1 단계에서 분위기는 Al을 포함하는 금속-유기 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이것은 3족 금속 중에서, Al이 높은 비등점을 가지며 기판과 쉽게 결합되기 때문이다.In the production method, the first step can also be divided into a number of steps in the form of metal-organic materials contained in the atmosphere, the mixing ratio and composition of the materials being changed each time. Other conditions such as substrate processing temperature and length may also vary. When the first step is divided into a number of steps, the atmosphere in the first step preferably comprises a metal-organic material comprising Al. This is because, among the Group 3 metals, Al has a high boiling point and is easily bonded to the substrate.
금속 물질 또는 질소 소스 중 어느 것도 함유하지 않는 분위기에서의 어닐링 단계는 제 1 단계 및 제 2 단계 사이 및/또는 제 2 단계 및 제 3 단계 사이에 포함될 수 있다. 어닐링 단계는 금속 입자의 분포를 촉진시킨다. 이러한 모든 어닐링 단계는 3족의 금속 입자의 비등점 이상의 온도에서 수행되어야 한다. 상기 온도는900℃ 이상, 보다 바람직하게는 1000℃ 이상이어야 한다. 어닐링 단계는 또한 수소 분위기에서 수행되어야 한다.The annealing step in the atmosphere containing neither metal material nor nitrogen source may be included between the first and second steps and / or between the second and third steps. The annealing step promotes the distribution of metal particles. All these annealing steps must be carried out at temperatures above the boiling point of the Group 3 metal particles. The temperature should be at least 900 ° C, more preferably at least 1000 ° C. The annealing step must also be carried out in a hydrogen atmosphere.
제 2 단계는 기판의 온도가 변화하는 동안 수행될 수 있다. 이 경우에도, 제 2 단계는 질소 소스의 분해 온도 이상에서 수행되어야 한다. 제 2 단계는 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상, 가장 바람직하게는 1000℃ 이상에서 수행되어야 한다. 제 2 단계의 시작 온도는 종료 온도보다 높아야 한다. 제 2 단계는 제 1 단계에 사용되는 온도와 동일한 온도에서 시작될 수 있으며, 제 3 단계가 수행되는 온도와 동일한 온도에서 종료될 수 있다. 제 2 단계 동안 온도가 변화할 때, 상기 온도 변화는 유량 및 반응기 압력 및 사용된 캐리어 가스 타입의 변화를 수반할 수 있다.The second step can be performed while the temperature of the substrate is changing. Even in this case, the second step must be carried out above the decomposition temperature of the nitrogen source. The second step should be carried out at 700 ° C. or higher, more preferably at least 900 ° C. and most preferably at least 1000 ° C. The starting temperature of the second stage should be higher than the ending temperature. The second step may begin at the same temperature as the temperature used in the first step and may end at the same temperature as the third step is performed. When the temperature changes during the second step, the temperature change may involve changes in flow rate and reactor pressure and the carrier gas type used.
지금부터 본 발명에 따른 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법이 도면을 참조로 상세히 설명될 것이다.The gallium nitride-based compound semiconductor manufacturing method according to the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.
도 1에서는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 형성 단계에서의 성장 메카니즘에 대해 예시되며, 도 2에서는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 형성 동안 사용된 가열 패턴의 실시예가 도시된다.1 illustrates the growth mechanism in the step of forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer, and FIG. 2 illustrates an embodiment of a heating pattern used during formation of the gallium nitride-based compound semiconductor layer.
다음 단계는 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는데 사용된다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 단계 a(제 1 단계)에서, 금속 원소, 바람직하게는 3족의 금속 원소 중 금속 핵(작은 물방울)(Sa)이 기판(1)에 부착된다. 이 단계에서, 금속 핵(Sa)은 절연될 필요가 없으며, 비-연속적 입자인 상기 금속 핵(Sa)은 표면을 커버하는 액체 형태일 수 있다. 다음으로, 단계 b(제 2 단계)에서, 금속 핵(Sa)은 어닐링된다(도 1(b)). 만일, 제 1 단계에서, 입자가 완전한 절연을 위해 요구되는 상태가 아니더라도, 상기 입자는 어닐링된다. 다음으로, 단계 c(제 3 단계)에서, 어닐링된 금속 핵(Sa1)은 질화 처리되어 성장 핵(Sb)(도 1(c))을 형성시킨다. 성장 핵(Sb)의 형태와 관계 없이, 적절한 분포를 이루면, 성장 핵(Sb)은 성장 핵 기능을 하는 것으로 생각된다. 그러나, 실험을 통해서, 본 발명자는 성장 핵(Sb)의 형태가 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 결정 특성에 영향을 준다는 것을 확인하였다. 바람직하게는, 3족의 질화물 반도체 결정은 기판(1)에 평행한 평판 상부 및 기판(1)에 대해 임의의 각도를 가지는 평판 측면을 갖는 사다리꼴이어야 한다. 성장 핵(Sb)은 예를 들어, 질화 처리 동안 사용된 가스, 반응기 압력, 기판 온도 및 기판 가열 패턴에 대해 적절히 처리함으로써 원하는 형태가 얻어질 수 있다.The next step is used to form a gallium nitride-based compound semiconductor layer on the substrate. As shown in Fig. 1 (a), in step a (first step), a metal nucleus (small droplet) Sa of a metal element, preferably a Group 3 metal element, is attached to the substrate 1. In this step, the metal nucleus Sa does not need to be insulated, and the metal nucleus Sa, which is a non-continuous particle, may be in liquid form covering the surface. Next, in step b (second step), the metal nucleus Sa is annealed (Fig. 1 (b)). If, in the first step, the particles are not in the state required for complete insulation, they are annealed. Next, in step c (third step), the annealed metal nucleus Sa1 is nitrided to form a growth nucleus Sb (Fig. 1 (c)). Regardless of the shape of the growth nucleus Sb, if appropriately distributed, the growth nucleus Sb is considered to function as a growth nucleus. However, through experiments, the inventors have confirmed that the shape of the growth nucleus (Sb) affects the crystal properties of the gallium nitride-based compound semiconductor layer. Preferably, the group III nitride semiconductor crystals should be trapezoidal with a plate top parallel to the substrate 1 and a plate side with any angle to the substrate 1. The growth nucleus Sb can be obtained, for example, by appropriately treating the gas, reactor pressure, substrate temperature and substrate heating pattern used during the nitriding treatment.
단계 d(제 4 단계)에서, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 성장 핵(Sb)(도 1(d))을 갖는 기판(1) 상에서 성장된다. 상기 성장은 수평으로 진행되어, 주로 변위를 수반하고, 적절한 층 깊이(예를 들어, 2㎛)를 얻으며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체(2)(도 1(e))의 평판, 수평 층을 제공한다.In step d (fourth step), the gallium nitride-based compound semiconductor layer is grown on the substrate 1 having the growth nucleus Sb (FIG. 1 (d)). The growth proceeds horizontally, mainly involving displacement and obtaining an appropriate layer depth (eg 2 μm), whereby the flat plate of the gallium nitride-based compound semiconductor 2 (FIG. 1 (e)), Provide a horizontal layer.
단계 a 내지 d는 MOCVD 방법에 의해 에피텍셜 성장 장치에서 계속해서 사용된다. 단계 a를 수행하기 전에, 예를 들어, 사파이어 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 1000℃ 내지 1200℃의 온도(1170℃의 온도가 사용된 것을 도시함)로 MOCVD 장치 내에서 열적으로 세정된다. 이것은 기판 표면에서 모든 산화막 등을 제거하기 위해 수행된다. 에피텍셜 성장 장치의 온도는 예를 들어, 5℃ 내지 200℃로 감소되어 이 온도(도 2의 경우에는 1100℃)로 유지된다. 단계 a, b 및 c는 이 온도에서 수행된다. 단계 c의 질화 처리에 의한 성장 핵(Sb)의 형성 중에, 성장 장치의 온도는 상승되어 상승된 레벨(도 2의 경우에는 1160℃)로 유지되며: 단계 d는 성장 핵(Sb) 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물의 추가 성장을 위해 이 온도에서 수행된다.Steps a through d are continued to be used in the epitaxial growth apparatus by the MOCVD method. Before performing step a, for example, the sapphire device is thermally cleaned in the MOCVD device at a temperature of 1000 ° C. to 1200 ° C. (showing that a temperature of 1170 ° C. is used), as shown in FIG. 2. . This is done to remove all oxide films and the like from the substrate surface. The temperature of the epitaxial growth apparatus is reduced, for example, from 5 ° C. to 200 ° C. and maintained at this temperature (1100 ° C. in FIG. 2). Steps a, b and c are carried out at this temperature. During the formation of the growth nucleus Sb by the nitriding treatment of step c, the temperature of the growth apparatus is raised and maintained at an elevated level (1160 ° C. in FIG. 2): Step d is gallium on the growth nucleus Sb. It is carried out at this temperature for further growth of the nitride-based compound.
전술한 바 있으며 도 1에서 도시된 단계는 이에 제한되지 않는 본 발명 방법의 하나의 실시예이다. 예를 들어, 열적 세정은 필요한 경우에 사용될 수 있다. 유사하게, 가열 패턴은 도 2에 도시된 것에 제한되지 않는데, 이는 에피텍셜 반응기의 형태, 금속-유기 물질의 타입, 질소 소스 및 캐리어 가스, 사용된 유량 및 다른 인자에 적절한 조건을 이용하는 것이 바람직하기 때문이다. 단계 a, b 및 c 각각에 상이한 온도가 사용될 수 있거나, 단계 a와 b 및 단계 b와 c에 상이한 온도가 사용될 수 있다. 또한, 단계 d는 단계 a 내지 c보다 낮은 온도, 또는 동일한 온도에서 영향을 받을 수 있다.The steps described above and shown in FIG. 1 are one embodiment of the method of the present invention, which is not limited thereto. For example, thermal cleaning can be used where necessary. Similarly, the heating pattern is not limited to that shown in FIG. 2, which preferably uses conditions appropriate for the type of epitaxial reactor, type of metal-organic material, nitrogen source and carrier gas, flow rate used and other factors. Because. Different temperatures may be used for each of steps a, b and c, or different temperatures may be used for steps a and b and steps b and c. In addition, step d may be affected at lower temperatures, or at the same temperature, than steps a to c.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 제 1 금속 핵(Sa)은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물을 성장시키는데 사용되는 성장 핵(Sb)의 기초를 형성하는 기판(1)에 부착된다. 기판(1)에 부착된 금속 핵(Sa)의 성장은 금속-유기 가스의 유량, 가스가 흐르는 시간 길이, 사용된 처리 온도 등을 제어하고, 이에 의해 기판(1) 상의 금속 핵(Sa)의 밀도를 제어함으로써 제어될 수 있다.Thus, in this embodiment of the present invention, the first metal nucleus Sa is attached to the substrate 1 which forms the basis of the growth nucleus Sb used to grow the gallium nitride-based compound. The growth of the metal nucleus Sa attached to the substrate 1 controls the flow rate of the metal-organic gas, the length of time the gas flows, the processing temperature used, and the like, whereby the growth of the metal nucleus Sa on the substrate 1 is achieved. It can be controlled by controlling the density.
금속 핵의 어닐링에 의해 기판에 대한 습윤성으로 발생된 덩어리(도 1(b)의 Sa1)의 결과로서 금속 핵(Sa)의 수직 크기가 증가되고, 금속 핵(Sa)이 존재하지 않는 부분에 금속 수증기를 생성함으로써 접착력이 감소되며, Sa1이 부착되는 부분들 사이의 노출된 공간에 기판 표면이 형성된다. 이에 의해 질화 처리로부터 얻어진 성장 핵(Sb)의 밀도가 원하는 상태로 제어될 수 있다. 특히, 어닐링 동안 사용된 가스 및 온도, 압력, 주기 및 다른 조건들은 모두 밀도를 제어하는데 효과적이다. 이러한 조건들은 기판에 부착된 금속 핵(Sa)을 위해 사용된 금속 타입 및 반응기의 형태 등에 따라 적절하게 선택되어야 한다. 본 발명자에 의해 수행된 실험에 따르면, 사용된 가스는 수소, 온도는 900℃ 이상, 어닐링 주기는 5분 이상이어야 한다는 것이 고려된다.The vertical size of the metal nucleus Sa is increased as a result of agglomerates generated by wetting to the substrate by the annealing of the metal nucleus (Sa1 in FIG. The adhesion is reduced by generating water vapor, and the substrate surface is formed in the exposed space between the portions to which Sa1 is attached. Thereby, the density of the growth nucleus Sb obtained from the nitriding treatment can be controlled to a desired state. In particular, the gases and temperatures, pressures, cycles and other conditions used during annealing are all effective in controlling the density. These conditions should be appropriately selected depending on the type of metal used for the metal nucleus Sa attached to the substrate, the type of reactor, and the like. According to the experiments carried out by the inventors, it is considered that the gas used should be hydrogen, the temperature should be at least 900 ° C., and the annealing cycle should be at least 5 minutes.
다음으로, 금속 핵(Sa1)은 상기 핵을 질화물 반도체를 형성하는 성장 핵(Sb)으로 변형시키기 위해 질화 처리된다. 전술한 바와 같이, 성장 핵(Sb)은 기판(1)에 평행한 평판 상부 및 평판 측면을 갖는 사다리꼴 형태이어야 한다. 성장 핵(Sb)의 형태는 질화 처리 동안 사용된 조건을 제어함으로써 제어될 수 있다. 특히, 온도, 압력 및 다른 조건뿐만 아니라 질화 처리 동안 사용된 가스도 그 형태를 제어하는데 효과적이다. 이러한 조건들은 기판에 부착된 금속 핵(Sa)을 위해 사용된 금속 타입, 질화 처리를 위해 사용된 질소 물질, 반응기의 형태 등에 따라 적절하게 선택되어야 한다. 본 발명자에 의해 수행된 실험에 따르면, 사용된 가스는 수소, 온도는 900℃ 이상 그리고 온도는 질화 처리 단계들 사이에서 상승되어야 한다는 것이 고려된다.Next, the metal nucleus Sa1 is nitrided to transform the nucleus into a growth nucleus Sb forming a nitride semiconductor. As described above, the growth nucleus Sb should be trapezoidal in shape with a plate top and plate side parallel to the substrate 1. The shape of the growth nucleus Sb can be controlled by controlling the conditions used during the nitriding treatment. In particular, gases used during the nitriding treatment as well as temperature, pressure and other conditions are effective in controlling their form. These conditions should be appropriately selected depending on the type of metal used for the metal nucleus Sa attached to the substrate, the nitrogen material used for the nitriding treatment, the type of reactor, and the like. According to the experiments carried out by the inventors, it is considered that the gas used is hydrogen, the temperature is above 900 ° C. and the temperature must be raised between the nitriding treatment steps.
보다 많은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 성장 핵(Sb) 상에 성장되어, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물은 인접한 성장 핵(Sb) 사이의 공간을 채워,수평 층을 형성한다. 그 결과, 목표한 두께 및 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 형성될 수 있다.More gallium nitride-based compound semiconductors are grown on growth nuclei Sb so that the gallium nitride-based compounds fill the space between adjacent growth nuclei Sb to form a horizontal layer. As a result, a gallium nitride-based compound semiconductor layer having a desired thickness and crystallinity can be formed.
이러한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 표면은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물에 의해 커버되어, 상부 층과의 매우 우수한 격자 정합 특성이 유지될 수 있다. 따라서, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체(2)에 의해, 각각 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 기판(1) 상에 형성될 수 있다. 이로 인해 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 이용하여 제조된 반도체 발광 소자의 방출 특성이 개선된다. 전술한 방법에 의해 제조된 반도체 발광 소자는 또한 우수한 휘도 및 다른 방출 특성을 갖는 광원으로서 전자 장비, 차량, 교통 신호 등에 사용될 수 있다.The surface of this gallium nitride-based compound semiconductor layer is covered by the gallium nitride-based compound so that very good lattice matching properties with the top layer can be maintained. Thus, by the gallium nitride-based compound semiconductor 2, gallium nitride-based compound semiconductor layers each having excellent crystallinity can be formed on the substrate 1. This improves the emission characteristics of semiconductor light emitting devices produced using gallium nitride-based compound semiconductors. The semiconductor light emitting element manufactured by the above-described method can also be used as electronic light source, vehicle, traffic signal and the like as a light source having excellent brightness and other emission characteristics.
전술한 방법에서 사용된 기판은 유리, SiC, Si, GaAs, 사파이어 등일 수 있다. 사파이어(Al203) 기판을 이용함으로써 고 품질의 결정이 얻어지며 물질은 저가로 얻어질 수 있다는 이점이 있다. 사파이어의 경우에, m, a 및 c 면 중에서 사용될 수 있다. 물론, c 면((0001)면)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 기판을 유기 세정 또는 에칭하거나 제 1 단계에서 상기 세정 또는 에칭 전에 선-처리하는 것이 바람직한데, 이는 이에 의해 기판 표면이 일정한 상태로 유지될 수 있기 때문이다.Substrates used in the methods described above may be glass, SiC, Si, GaAs, sapphire and the like. By using a sapphire (Al203) substrate, high quality crystals are obtained and the material can be obtained at low cost. In the case of sapphire, it can be used among the m, a and c planes. Of course, it is preferable to use the c plane (the (0001) plane). It is also desirable to organically clean or etch the substrate or pre-treat the substrate prior to the clean or etch in the first step, since the substrate surface can be kept constant.
제 1 단계에서 기판에 부착된 금속 핵을 위해 사용될 수 있는 금속은 Al, Ga 및 In을 포함한다. 본 발명에서, InuGavAlw(u+v+w = 1, 0≤u≤1, 0≤v≤1,0≤w≤1)으로 표시된 3족 금속 핵을 사용하는 것이 바람직하다. InuGavAlw은 다음에 형성되는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체와의 우수한 친화도의 이점을 가진다. 3족의 금속 입자를 도핑하기 위해 첨가될 수 있는 불순물은 Si, Be, Mg 및 3족 이외의 다른 금속을 포함한다. 3족의 금속을 증착하기 위해 금속 화합물의 분해가 사용될 때, 3족의 금속 입자는 탄소, 수소 및 할로겐과 같은 불순물을 포함할 수 있으며, 상기 금속 입자는 또한 금속 핵으로서도 사용될 수 있다.Metals that can be used for the metal nuclei attached to the substrate in the first step include Al, Ga and In. In the present invention, it is preferable to use a Group 3 metal nucleus represented by In u Ga v Al w (u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1,0 ≦ w ≦ 1). In u Ga v Al w has the advantage of good affinity with the gallium nitride-based compound semiconductor formed next. Impurities that may be added to dope Group 3 metal particles include Si, Be, Mg, and metals other than Group 3. When decomposition of a metal compound is used to deposit a metal of Group 3, the Group 3 metal particles may include impurities such as carbon, hydrogen, and halogen, and the metal particles may also be used as metal nuclei.
금속 핵은 금속-유기 물질 또는 금속 할로겐 화합물의 열적 분해, 기상 증착, 및 스퍼터링을 포함하는 다양한 방법에 의해 기판에 부착될 수 있다. 본 발명의 경우에, 금속-유기 물질의 열적 분해를 이용하는 것이 바람직한데, 이에 의한 금속 핵의 밀도 및 형태의 제어가 용이하기 때문이다. 사용될 수 있는 금속-유기 물질은 트리메틸 갈륨(TMG), 트리에틸 갈륨(TEG), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리메틸 인듐(TMI), 바이클로펜타디에닐 인듐(Cp2In)을 포함한다. 갈륨, 알루미늄 또는 인듐을 포함하는 이와 같은 금속-유기 물질을 사용함으로써 InuGavAlw와 같은 3족 금속의 금속 핵이 부착될 수 있다.The metal nucleus may be attached to the substrate by a variety of methods, including thermal decomposition of metal-organic materials or metal halide compounds, vapor deposition, and sputtering. In the case of the present invention, it is preferred to use thermal decomposition of the metal-organic material, since it is easy to control the density and form of the metal nucleus. Metal-organic materials that can be used include trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), trimethyl indium (TMI), biclopentadienyl indium (Cp 2 In). By using such metal-organic materials comprising gallium, aluminum or indium, metal nuclei of Group 3 metals such as In u Ga v Al w can be attached.
암모니아 같은 질소 소스를 함유하는 분위기에서 제 1 단계를 수행하면, 금속 원자의 표면 이동의 억제와 같은 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 질소 소스를 함유하지 않는 분위기에서 제 1 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 본 발명에서, 불활성 캐리어 가스로서 광범위하게 사용되는 N2가스는 질소 소스로서 관찰되지 않는다. N2가스는 효과적인 질소 가스를 생성하지 못하는데, 이는 N2가스의 분해 온도가 암모니아 또는 히드라진과 같은 일반적인 질소 소스의 분해 온도보다 높기 때문이다. 따라서, 이 방법의 제 1 단계에서, 분위기에 N2가스를 포함함으로써 효과는 억제된다. 사용될 수 있는 가스는 수소, 희가스 및 질소를 포함한다.Performing the first step in an atmosphere containing a nitrogen source, such as ammonia, may cause problems such as suppressing the surface migration of metal atoms. Therefore, it is preferable to perform the first step in an atmosphere containing no nitrogen source. In the present invention, N 2 gas which is widely used as an inert carrier gas is not observed as a nitrogen source. N 2 gas does not produce effective nitrogen gas because the decomposition temperature of the N 2 gas is higher than that of a common nitrogen source such as ammonia or hydrazine. Therefore, in the first step of this method, the effect is suppressed by including N 2 gas in the atmosphere. Gases that can be used include hydrogen, rare gas and nitrogen.
제 1 단계는 금속 핵의 비등점 이상의 온도에서 수행되어야 하는데, 이는 이에 의해 기판 상에 금속 원자의 이동이 용이해지기 때문이다. 제 1 단계에서 기판 표면 상에 증착된 금속 핵은 불연속적인 분포로 증착된다. 입자는 제 위치에 결합될 수 있다. 기판 표면 상의 금속 핵의 증착 상태는 원자 현미경(AFM)을 이용하여 관찰될 수 있다. 이것은 수직 상부에서 관찰했을 때, 제 1 단계에서 형성된 금속 핵이 약 50Å 내지 1000Å의 높이 및 끝에서 끝까지 약 100Å 내지 10000Å의 길이이며, 입자의 표면 밀도는 1×106cm-2내지 1×1010cm-2의 범위인 것을 나타낸다.The first step must be carried out at a temperature above the boiling point of the metal nucleus, as this facilitates the movement of metal atoms on the substrate. In the first step, the metal nuclei deposited on the substrate surface are deposited in a discontinuous distribution. The particles can be bound in place. The deposition state of the metal nuclei on the substrate surface can be observed using atomic force microscopy (AFM). It is observed from the vertical top that the metal nucleus formed in the first stage has a height of about 50 kPa to 1000 kPa and a length of about 100 kPa to 10000 kPa from end to end, and the surface density of the particles is 1 × 10 6 cm -2 to 1 × 10 It represents the range of 10 cm <-2> .
어닐링 단계에 관하여, 질소 소스 또는 금속-유기 물질 중 어느 것도 함유하지 않는 캐리어 가스를 이용하여 금속 핵을 어닐링하는 것이 바람직한데, 이는 이에 의해 핵이 효율적으로 덩어리가 되기 때문이다. 수소, 희가스 및 질소는 모두 캐리어 가스로서 사용될 수 있는 가스이지만, 금속 핵 표면으로부터 산화물을 제거하는 효과를 갖는 수소를 이용하는 것이 가장 바람직하다. 금속 핵의 어닐닝은 금속 핵의 비등점 이상이 아닌 온도, 또한 700℃ 이상의 온도에서 수행되어야 하는데, 이는 이에 의해 상기 핵이 효율적으로 덩어리가 되기 때문이다.Regarding the annealing step, it is preferable to anneal the metal nucleus using a carrier gas containing neither a nitrogen source nor a metal-organic material, since the nuclei are efficiently agglomerated thereby. Hydrogen, rare gas and nitrogen are all gases which can be used as carrier gases, but it is most preferable to use hydrogen which has the effect of removing oxides from the metal nucleus surface. Annealing of the metal nucleus should be carried out at a temperature which is not above the boiling point of the metal nucleus, and also at a temperature of 700 ° C. or higher, since the nuclei are efficiently agglomerated.
어닐링은 제 1 단계가 수행되는 온도 이상에서 수행되어야 한다. 발명자에의해 수행된 실험은 이에 의해 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정의 제조가 가능해진다. 제 1 단계에서 사용된 온도와 동일한 온도에서 어닐링이 수행될 때에도, 우수한 결정도가 얻어져 반응기 내부의 조건을 제어하는 시스템 장치를 사용하기가 용이해진다.Annealing should be carried out above the temperature at which the first step is carried out. Experiments performed by the inventors make it possible to prepare gallium nitride-based compound semiconductor crystals having good crystallinity. Even when annealing is performed at the same temperature used in the first step, good crystallinity is obtained, which makes it easier to use a system apparatus for controlling the conditions inside the reactor.
금속 핵을 질화 처리하는 단계가 금속 물질 함유 분위기에서 수행되면, 다음 단계에서 성장되는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 결정도는 감소될 것이다. 따라서, 질화 처리 단계는 금속 물질을 함유하지 않는 분위기에서 수행되어야 한다. 본 발명의 경우에, 금속 핵이 질화 처리되는 질소 소스 함유 분위기로서, 암모니아 또는 히드라진 함유 분위기가 사용될 수 있다. 이 단계는 1000 내지 1×105Pa의 압력하에서 수행되어야 한다. 터널링 현미경(TEM)을 이용한 단면 분석은 전술한 질화 처리 단계에서 금속 핵의 질화 처리에 의해 형성된 성장 핵이 다결정 및/또는 비결정이며, 비반응 금속을 포함하는 것을 보여준다.If the step of nitriding the metal nucleus is carried out in an atmosphere containing a metal material, the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor grown in the next step will be reduced. Therefore, the nitriding treatment step should be carried out in an atmosphere free of metallic substances. In the case of the present invention, as the nitrogen source containing atmosphere in which the metal nucleus is nitrided, ammonia or hydrazine containing atmosphere can be used. This step should be carried out under a pressure of 1000 to 1 × 10 5 Pa. Cross-sectional analysis using a tunneling microscope (TEM) shows that the growth nuclei formed by nitrification of the metal nuclei in the nitriding treatment step described above are polycrystalline and / or amorphous and contain non-reactive metals.
금속 핵의 질화 반응을 촉진시키기 위하여, 질화 처리 단계는 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정을 제조하도록 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상에서 수행되어야 한다. 금속 핵의 질화 처리에 의한 성장 핵의 형성은 금속 핵이 질소 소스를 함유하는 분위기에서 700℃ 이상에서 1 내지 10분 동안 증착된 기판을 유지시킴으로써 수행될 수 있다.In order to promote the nitriding reaction of the metal nucleus, the nitriding treatment step should be carried out at 700 ° C. or higher, more preferably at least 900 ° C. to produce gallium nitride-based compound semiconductor crystals having good crystallinity. Formation of the growth nucleus by nitriding treatment of the metal nucleus can be performed by holding the substrate deposited for 1 to 10 minutes at 700 ° C. or higher in an atmosphere in which the metal nucleus contains a nitrogen source.
질화 처리 단계는 어닐링 단계의 온도 이상에서 수행되어야 하는데, 이는 이에 의해 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 제조될 수 있기 때문이다. 어닐링과 동일한 온도에서 질화 처리가 수행될 때에도, 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 얻어지며, 또한 반응기 내부의 조건을 제어하는 시스템 장치의 사용이 용이해진다.The nitriding treatment step must be carried out above the temperature of the annealing step, because gallium nitride-based compound semiconductor crystals with good crystallinity can be produced thereby. Even when the nitriding treatment is performed at the same temperature as the annealing, a gallium nitride-based compound semiconductor having good crystallinity is obtained, and the use of a system apparatus for controlling the conditions inside the reactor is facilitated.
700℃ 이상, 보다 바람직하게는 900℃ 이상에서 성장 핵으로 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 성장시키는 단계를 수행한다는 것은 고 품질의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 성장될 수 있다는 점에서 이점이다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 단계는 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 방법, 분자 빔 에피텍시(MBE) 방법 및 기상 에피텍시(VPE) 방법을 포함하는 다양한 기상 성장 방법에 의해 수행될 수 있다. 박막 성장을 위해 사용될 수 있기 때문에, MOCVD 방법을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에서, 공지된 MOCVD 방법은 1000 내지 1×105Pa의 압력 하에서 금속-유기 화합물 및 질소 소스를 함유하는 분위기에서 반도체를 성장시키는데 사용될 수 있다.The step of growing the gallium nitride-based compound semiconductor on the substrate with a growth nucleus at 700 ° C. or higher, more preferably at 900 ° C. or higher is that a high quality gallium nitride-based compound semiconductor can be grown. This is the advantage. The growth step of the gallium nitride-based compound semiconductor is performed by various vapor growth methods including metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, molecular beam epitaxy (MBE) method and vapor phase epitaxy (VPE) method. Can be. Particular preference is given to using the MOCVD method since it can be used for thin film growth. In the present invention, the known MOCVD method can be used to grow a semiconductor in an atmosphere containing a metal-organic compound and a nitrogen source under a pressure of 1000 to 1 × 10 5 Pa.
갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 단계는 질화 처리 단계가 수행되는 온도 이상에서 수행되어야 한다. 발명자에 의해 수행된 실험은 이에 의해 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 제조될 수 있다는 것을 나타낸다. 화합물 반도체의 성장 단계가 질화 처리 단계와 동일한 온도에서 수행될 때에도, 우수한 결정도가 얻어져 반응기 내부의 조건을 제어하는 시스템 장치의 사용이 용이해진다.The growth step of the gallium nitride-based compound semiconductor should be carried out above the temperature at which the nitriding treatment step is performed. Experiments conducted by the inventors show that gallium nitride-based compound semiconductor crystals with good crystallinity can be produced thereby. Even when the growth step of the compound semiconductor is carried out at the same temperature as the nitriding treatment step, excellent crystallinity is obtained to facilitate the use of the system apparatus for controlling the conditions inside the reactor.
전술한 설명은 기판(1) 상에 금속 핵(Sa)을 부착하는 단계 및 금속 핵(Sa)을어닐링하는 단계를 참조로 수행되었다. 그러나, 금속 핵(Sa)의 반복적인 부착 단계는 어닐링 단계 대신에 사용될 수 있다. 금속 핵(Sa)의 반복적인 부착단계는 단계 c에서 형성된 성장 핵(Sb)의 밀도를 제어하는데 사용될 수 있다. 이 경우에, 제 1 금속 핵을 부착시키는 제 1 단계 및 제 2 금속 핵을 부착시키는 제 2 단계에서, 성장 핵(Sb)의 밀도 및 형태는 기판(1)에 대한 접착력에 따라 흐르는 물질을 선택함으로써 용이하게 된다. 본 발명에서, 알루미늄 함유 금속-유기 물질, 갈륨 함유 금속-유기 물질 및 인듐 함유 금속-유기 물질 중에서 선택된 하나 이상의 수증기 함유 가스를 흘리는 단계를 제 1 상태 단계로서 사용하며, 제 1 상태 단계의 물질과 상이한 금속-유기 물질의 수증기 함유 가스를 흘리는 단계를 제 2 상태 단계로서 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 제 1 상태 단계에서, 예를 들어, 정해진 밀도로 기판 상에 금속 핵(Sa)을 형성하기 위하여, 기판에 양호하게 결합되는 Al을 함유하는 물질이 흘려질 수 있으며, 제 2 상태 단계에서, 양호하게 결합되지 않는 Ga 또는 In과 같은 물질은 금속 핵(Sa)을 제조하여, Ga 또는 In이 Al 주위에 존재하는 구조를 생성하도록 흘려질 수 있다. 제 1 상태 단계 및 제 2 상태 단계는 매번 바뀔 수 있지만, 2회 이상 바꾸어 사용하는 것이 바람직하다.The above description has been made with reference to attaching the metal nucleus Sa on the substrate 1 and annealing the metal nucleus Sa. However, the repeated attaching step of the metal nucleus Sa can be used instead of the annealing step. An iterative attachment step of the metal nucleus Sa can be used to control the density of the growth nucleus Sb formed in step c. In this case, in the first step of attaching the first metal nucleus and in the second step of attaching the second metal nucleus, the density and shape of the growth nucleus Sb selects the material flowing according to the adhesion to the substrate 1. It becomes easy by doing this. In the present invention, the step of flowing at least one water vapor-containing gas selected from an aluminum-containing metal-organic material, a gallium-containing metal-organic material, and an indium-containing metal-organic material is used as the first state step, and Preference is given to using the step of flowing the water-containing gas of different metal-organic materials as the second state step. In this case, in the first state step, for example, to form a metal nucleus Sa on the substrate at a predetermined density, a material containing Al that is well bonded to the substrate can be flowed, and the second state In a step, a material such as Ga or In that is not well bonded can be flowed to produce a metal nucleus (Sa), creating a structure in which Ga or In is present around Al. The first state step and the second state step may be changed each time, but it is preferable to change the two or more times.
다음으로, 어닐링을 전혀 사용하지 않고 성장 핵을 형성하는데 질화 처리가 이용된다. 본 발명에서도, 웰-형태의 성장 핵(Sb)은 금속 핵(Sa1)의 밀도를 제어하기 위해 어닐링이 사용될 때와 동일하게 질화 처리의 적절한 제어에 의해 형성될 수 있다. 어닐링의 경우에, 질화 처리 동안 사용된 가스, 온도 및 압력은 형태 제어에 영향을 주는 조건이다. 이러한 조건들은 금속 핵(Sa) 물질, 질화 처리에 사용된 질소 물질, 반응기 형태 등에 따라 적절하게 선택되어야 한다. 발명자에 의해 수행된 실험에 따르면, 사용된 가스는 수소, 온도는 900℃ 이상이어야 하고, 온도는 질화 처리 단계 동안 증가되어야 한다.Next, nitriding treatment is used to form growth nuclei without using any annealing. Also in the present invention, the well-shaped growth nucleus Sb can be formed by appropriate control of the nitriding treatment in the same manner as when annealing is used to control the density of the metal nucleus Sa1. In the case of annealing, the gas, temperature and pressure used during the nitriding treatment are conditions that affect shape control. These conditions should be appropriately selected depending on the metal core (Sa) material, the nitrogen material used for the nitriding treatment, the reactor type and the like. According to the experiments carried out by the inventors, the gas used should be hydrogen, the temperature should be at least 900 ° C. and the temperature should be increased during the nitriding treatment step.
이 경우에도, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 성장 단계는 질화 처리 온도 이상에서 수행되어야 한다. 발명자에 의해 수행된 실험은 이에 의해 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 제조될 수 있다는 것을 보여준다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 질화 처리를 위해 사용된 온도와 동일한 온도에서 성장될 때에도, 여전히 우수한 결정도가 얻어지며, 또한 반응기 내부의 조건을 제어하는 시스템 장치를 이용하기가 용이해진다.Even in this case, the growth step of the gallium nitride-based compound semiconductor must be carried out above the nitriding treatment temperature. Experiments conducted by the inventors show that gallium nitride-based compound semiconductor crystals with good crystallinity can be produced thereby. Even when gallium nitride-based compound semiconductor crystals are grown at the same temperature used for the nitriding treatment, good crystallinity is still obtained, and it becomes easy to use a system apparatus for controlling the conditions inside the reactor.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법에서, 금속 핵은 기판에 부착되어 성장된다. 우수한 결정 특성을 갖는 막은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정의 낮은 성장 속도를 갖는 마스크 층이 그 위에 형성되어 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 선택적으로 성장시키는 사파이어 기판을 사용함으로써 형성될 수 있다.As described above, in the gallium nitride-based compound semiconductor manufacturing method according to the present invention, the metal nucleus is attached to the substrate and grown. The film having excellent crystalline properties can be formed by using a sapphire substrate on which a mask layer having a low growth rate of gallium nitride-based compound semiconductor crystals is formed to selectively grow a gallium nitride-based compound semiconductor.
도 9(a) 내지 9(g)는 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 형성하는 메카니즘을 기술하는데 이용될 것이다.9 (a) to 9 (g) will be used to describe the mechanism for forming a gallium nitride-based compound semiconductor having good crystallinity.
도 9(a)에서 도시된 바와 같이, Si 함유 소스 가스(3) 및 암모니아 가스(4)는 2가지 화합물이 반응하여 정해진 온도로 가열된 사파이어 기판(1) 상에 실리콘 나이트라이드 막(5)을 형성하도록 흘려진다. 상기 막(5) 형성은 기판에 걸쳐 산란된 활성점들로부터 시작되기 때문에, 상기 막(5)은 처음에는 기판 전체를 균일하게커버하지는 못한다. 성장 시간은 기판(1) 상에 실리콘 나이트라이드 막(5)에 의해 커버된 영역 및 사파이어가 노출된 영역(6)이 존재하도록 제어된다(도 9(b)). 계속해서, 3족 물질 가스(3')를 흘림으로써 3족 원소의 물방울 모양 입자(7)가 영역(6)에 공급된 후에(도 9(c)), 암모니아가 흘려져 영역(6)에 3족 질화물(8)을 형성하는 반응에 영향을 준다(도 9(d)). 따라서, 실리콘 나이트라이드 막(5)에 의해 커버된 영역의 성장 핵은 성장이 일어나지 않는 반면, 결정(9)은 사파이어가 노출된 영역(6)으로부터 성장되며, 상기 성장은 실리콘 나이트라이드 막(5) 위에서 수평으로 진행된다(도 9(f)). 그 결과, 결정(9)은 사파이어 기판(1)의 표면 전체를 커버한다(도 9(g)). 사파이어와 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 격자 상수 차로 인해 발생되는 스레딩(threading) 변위의 성장 방향이 제어될 수 있어, 대부분의 변위는 상방으로 향하지 않고 폐루프를 형성한다. 이것은 스레딩 변위의 밀도를 감소시켜, 우수한 품질의 결정이 얻어진다.As shown in Fig. 9 (a), the Si-containing source gas 3 and the ammonia gas 4 are silicon nitride film 5 on the sapphire substrate 1 heated to a predetermined temperature by reacting two compounds. Flows to form. Since the formation of the film 5 begins with active points scattered across the substrate, the film 5 does not initially cover the entire substrate uniformly. The growth time is controlled such that the region 6 covered by the silicon nitride film 5 and the region 6 exposed by sapphire exist on the substrate 1 (Fig. 9 (b)). Subsequently, after flowing the group 3 substance gas 3 ', the droplet-shaped particles 7 of the group 3 element are supplied to the region 6 (Fig. 9 (c)), ammonia is flowed to the region 6 Influence on the reaction to form group III nitride 8 (FIG. 9 (d)). Therefore, the growth nucleus of the region covered by the silicon nitride film 5 does not grow, whereas the crystal 9 is grown from the sapphire exposed region 6, the growth being the silicon nitride film 5 Proceeds horizontally above (Fig. 9 (f)). As a result, the crystal 9 covers the entire surface of the sapphire substrate 1 (Fig. 9 (g)). The growth direction of threading displacements caused by the lattice constant difference between sapphire and gallium nitride-based compound semiconductors can be controlled so that most of the displacements do not point upwards and form a closed loop. This reduces the density of the threading displacement, so that a good quality crystal is obtained.
마스크 층은 Si 소스 가스가 암모니아와 같은 질소 소스 가스와 동시에 흘려지는 방법, 및 사파이어 표면을 부분적으로 질화 처리하기 위해 암모니아가 미리 흘려지는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 다음으로 마스크 층을 형성하는데 사용되는 실리콘 나이트라이드 막의 산란된 1 단일층을 제조하기 위하여 Si 소스 가스가 흘려진다. 실리콘 옥사이드 층이 마스크 층으로서 사용될 때, 열적 세정이 사용되어 사파이어 기판 상에 산소 원자를 활성화시키는데 사용될 수 있으며, 다음으로 실리콘 옥사이드의 1 단일층을 형성하기 위해 Si 소스 가스가 흘려진다.The mask layer may be prepared by the method in which the Si source gas is simultaneously flowed with a nitrogen source gas such as ammonia, and the method in which the ammonia is preflowed to partially nitrate the sapphire surface, and then used to form the mask layer. Si source gas is flowed to produce a single scattered single layer of silicon nitride film. When the silicon oxide layer is used as the mask layer, thermal cleaning can be used to activate oxygen atoms on the sapphire substrate, followed by flowing Si source gas to form one monolayer of silicon oxide.
상이한 성장 속도로 사파이어 기판 상에 층을 형성하는 효과적인 방법은 Si소스 가스와 3족의 소스 가스를 가열된 사파이어 기판 위에 동시에 흘린 후에 암모니아 가스를 흘리는 것이다. 도 10(a) 내지 10(f)는 이 방법의 경우의 성장 처리를 나타낸다. 우선, Si 소스 가스(3) 및 3족의 물질 가스(3')가 가열된 기판(1) 위에 흘려진다(도 10(a)). 상기 가스들이 분해되며, 실리콘 원자 집단(10) 및 3족 금속의 물방울 모양의 입자(7)가 설정된 간격으로 사파이어 기판(1)에 부착된다(도 10(b)). 다음으로, 암모니아 가스(4)를 흘림으로써 상기 실리콘 원자 및 상기 입자들이 각각 질화 처리되며, 그 결과 실리콘 옥사이드의 저속-성장 부분(5) 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 고속-성장 부분(8)으로 구성된 마스크 층이 기판(1) 상에 형성된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체(9)가 이 마스크 층 상에 성장될 때, 도 9의 실시예의 경우와 마찬가지로, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 막(8) 상에 선택적으로 결정이 성장된다. 이러한 선택적 성장은 결정도를 개선시킨다.An effective way to form layers on sapphire substrates at different growth rates is to flow ammonia gas after simultaneously flowing a Si source gas and a Group 3 source gas onto the heated sapphire substrate. 10 (a) to 10 (f) show the growth treatment in the case of this method. First, the Si source gas 3 and the group 3 material gas 3 'flow on the heated substrate 1 (Fig. 10 (a)). The gases are decomposed, and the silicon atom population 10 and the droplet-shaped particles 7 of the Group 3 metal are attached to the sapphire substrate 1 at set intervals (Fig. 10 (b)). Next, the silicon atoms and the particles are each nitrided by flowing ammonia gas 4, so that the low-growth portion 5 of silicon oxide and the high-growth portion 8 of the gallium nitride-based compound semiconductor A mask layer consisting of) is formed on the substrate 1. When the gallium nitride-based compound semiconductor 9 is grown on this mask layer, crystals are selectively grown on the gallium nitride-based compound semiconductor film 8, as in the case of the embodiment of FIG. This selective growth improves crystallinity.
도 9 및 10을 참조로 기술된 방법의 경우에, 마스크 층의 성장 이후의 처리 및 성장은 1000℃ 이상의 온도에서 수행되어야 한다. 이는 600℃ 정도의 저온에서는, 3족의 금속 입자(7) 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 막(8)이 형성되는 동안 이동이 불충분할 것이기 때문이다. 그 결과, 기판(1) 영역 및 실리콘 옥사이드 및 실리콘 나이트라이드로 커버된 버퍼층에도 성장 핵이 성장되기 시작하여, 선택적 성장 특성을 감소시킬 것이다. 심지어는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층(9)이 이 마스크 층 상에 형성될 때에도, 600℃ 정도의 저온에서는 초기 성장 단계 동안의 이동이 불충분하여, 성장 핵은 기판(1) 영역 및 실리콘 옥사이드 및 실리콘 나이트라이드로 커버된 버퍼층에서도 성장하기 시작하여, 선택적 성장 특성을 감소시킬 것이다. 실란(SiH4) 및 다이실란(Si2H4)은 Si 소스 가스로 사용될 수 있다. 마스크 층 형성 단계는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 다음의 성장을 위해 사용된 성장 장치 내에서 수행될 수 있다.In the case of the method described with reference to FIGS. 9 and 10, the treatment and growth after growth of the mask layer should be performed at a temperature of 1000 ° C. or higher. This is because at a low temperature of about 600 ° C., the movement will be insufficient while the Group 3 metal particles 7 and the gallium nitride-based compound semiconductor film 8 are formed. As a result, growth nuclei will also begin to grow in the substrate 1 region and in the buffer layer covered with silicon oxide and silicon nitride, reducing the selective growth characteristics. Even when the gallium nitride-based compound semiconductor layer 9 is formed on this mask layer, at low temperatures, such as 600 ° C., the movement during the initial growth phase is insufficient, so that the growth nuclei are formed in the substrate 1 region and silicon oxide. And also start growing in a buffer layer covered with silicon nitride, reducing the selective growth properties. Silanes (SiH 4 ) and disilanes (Si 2 H 4 ) may be used as the Si source gas. The mask layer forming step may be performed in a growth apparatus used for the next growth of the gallium nitride-based compound semiconductor.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반도체 소자 응용에 충분히 우수한 결정도를 갖는 반도체 결정막은 가열된 기판 위에 금속-유기 물질을 수반하는 단계를 포함함으로써 얻어질 수 있으며, 이에 의해 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 성장된다. 따라서, 얻어진 상기 막은 평판 거울면 및 저온의 버퍼층 방법에 의해 얻어진 막보다 우수한 결정도를 갖는다. 결정 성장 시 증가되는 피트 결함으로부터의 전류 누설, 변위에 의해 야기되는 방출 밀도의 감소 및 반도체 소자의 단점인 다른 현상들이 억제되어, 방출 출력이 개선될 수 있다.As described above, according to the present invention, a semiconductor crystal film having a crystallinity sufficiently good for semiconductor device applications can be obtained by including a metal-organic material on a heated substrate, whereby gallium nitride on the substrate -The base compound semiconductor is grown. Thus, the obtained film has better crystallinity than the film obtained by the flat mirror surface and the low temperature buffer layer method. Current leakage from pit defects increased during crystal growth, reduction in emission density caused by displacement, and other phenomena which are disadvantages of semiconductor devices can be suppressed, so that emission output can be improved.
다음으로, 3족의 질화물 반도체 결정 및 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 제조하는 방법의 특정 실시예가 기술된다. 그러나, 본 발명에 이러한 실시예에 제한되지 않는다. 다음 실시예는 각각 사파이어 기판을 사용하며 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는 방법을 이용한다.Next, a specific embodiment of a method of manufacturing a group 3 nitride semiconductor crystal and a gallium nitride-based compound semiconductor is described. However, the present invention is not limited to this embodiment. The following examples each use a method of forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer using a sapphire substrate.
실시예 1Example 1
3족의 질화물 반도체 결정 제조 방법의 실시예가 이제부터 기술될 것이다. 사용된 기판은 (0001)면을 갖는 사파이어 단결정 기판이다. 상기 기판은 아세톤으로 유기적으로 세정되고 실리콘 카바이드(SiC) 서셉터 상에 배치된 후에, MOCVD 장치에 배치된다. RF 유도 가열 시스템은 MOCVD 장치내의 온도를 제어하기 위해 사용된다. 수정 튜브 내에 밀봉된 열전쌍은 상기 장치 내에서 성장 온도가 측정될 수 있도록 서셉터 내에 삽입된다.An embodiment of a group 3 nitride semiconductor crystal manufacturing method will now be described. The substrate used is a sapphire single crystal substrate having a (0001) plane. The substrate is organically cleaned with acetone and placed on a silicon carbide (SiC) susceptor and then placed in a MOCVD apparatus. RF induction heating systems are used to control the temperature in the MOCVD apparatus. The thermocouple sealed in the quartz tube is inserted into the susceptor so that the growth temperature can be measured in the device.
기판은 장치 내에 배치된 후에, 수소 분위기에서 1180℃로 가열되며 기판 표면으로부터 모든 산화막을 제거하기 위하여 10분 동안 상기 온도가 유지된다. 이 때, 온도는 1100℃로 감소되며, 질소 소스를 함유하지 않는 동일한 수소 분위기에서, 금속-유기 물질인 트리메틸 알루미늄(TMA)이 12μ몰/분의 유량으로 1분 동안 기판에 공급된다. 따라서, TMA가 열적으로 감소되어, 사파이어 기판 상에 Al이 증착된다. TMA를 차단한 후에, 온도는 1180℃로 상승되며 암모니아(NH3) 형성시 질소 소스는 0.2 몰/분의 유량으로 3분 동안 공급되어, Al을 질화 처리한다. 다음으로, NH3의 유량은 변하지 않으며 온도는 1180℃로 유지되며, 금속-유기 물질인 트리메틸 갈륨(TMG)이 140μ몰/분의 유량으로 공급되어 Al 증착으로 기판 상에 1.1㎛의 갈륨 나이트라이드 층이 에피텍셜 성장된다. 다음으로 장치가 실온으로 냉각될 수 있어 기판이 반응기로부터 제거된다.After the substrate is placed in the apparatus, it is heated to 1180 ° C. in a hydrogen atmosphere and maintained at that temperature for 10 minutes to remove all oxide films from the substrate surface. At this time, the temperature is reduced to 1100 ° C. and in the same hydrogen atmosphere containing no nitrogen source, metal-organic trimethyl aluminum (TMA) is supplied to the substrate for 1 minute at a flow rate of 12 μmol / minute. Thus, the TMA is thermally reduced so that Al is deposited on the sapphire substrate. After blocking the TMA, the temperature is raised to 1180 ° C. and upon formation of ammonia (NH 3 ) a nitrogen source is supplied for 3 minutes at a flow rate of 0.2 mol / minute to nitrate Al. Next, the flow rate of NH 3 remains unchanged and the temperature is maintained at 1180 ° C., and trimethyl gallium (TMG), a metal-organic material, is supplied at a flow rate of 140 μmol / minute, and Al deposition provides 1.1 μm of gallium nitride on the substrate. The layer is epitaxially grown. The device can then be cooled to room temperature so that the substrate is removed from the reactor.
따라서, 제조된 에피텍셜 웨이퍼는 거울 표면을 가지며, 갈륨 나이트라이드의 에피텍셜 층의 X-레이 록킹 곡선의 절반 높이에서의 피크 폭은 959초이다. 이것은 에피텍셜 층의 우수한 결정도를 나타낸다.The epitaxial wafer thus produced has a mirror surface, and the peak width at half the height of the X-ray locking curve of the epitaxial layer of gallium nitride is 959 seconds. This shows good crystallinity of the epitaxial layer.
실시예 2Example 2
실시예 1의 경우와 마찬가지로, (0001)면을 갖는 사파이어 단결정 기판은 성장 장치 내에서 유기적으로 세정되며 열처리된다. 이 때, 기판은 질소 소스를 함유하지 않는 수소 분위기에서 1180℃로 유지되면서, 상기 기판에는 12μ몰/분의 유량으로 1분 동안 TMA 및 TMG가 공급되어, 사파이어 기판 상에 Al 및 Ga 합금이 증착된다. TMA 및 TMG가 차단되어, 온도는 1180℃로 유지되고, 암모니아는 0.2 몰/분의 유량으로 3분 동안 공급되어 Al-Ga 합금을 질화 처리한다. 다음으로, 암모니아가 공급되며 온도는 계속해서 1180℃로 유지되며, 금속-유기 물질인, 트리메틸 갈륨(TMG)이 140μ몰/분의 유량으로 공급되어 Al-Ga 합금의 증착으로 기판 상에 1.1㎛의 갈륨 나이트라이드 층을 에피텍셜 성장시킨다.As in the case of Example 1, the sapphire single crystal substrate having the (0001) plane is organically cleaned and heat treated in the growth apparatus. At this time, while the substrate is maintained at 1180 ° C. in a hydrogen atmosphere containing no nitrogen source, the substrate is supplied with TMA and TMG for 1 minute at a flow rate of 12 μmol / minute to deposit Al and Ga alloys on the sapphire substrate. do. TMA and TMG are blocked, the temperature is maintained at 1180 ° C., and ammonia is supplied for 3 minutes at a flow rate of 0.2 mol / min to nitrate the Al-Ga alloy. Next, ammonia is supplied and the temperature is continuously maintained at 1180 ° C., and a metal-organic substance, trimethyl gallium (TMG), is supplied at a flow rate of 140 μmol / min, and 1.1 μm on the substrate by deposition of an Al-Ga alloy. Epitaxially grow a gallium nitride layer.
따라서, 제조된 에피텍셜 웨이퍼는 거울 표면을 가지며, 갈륨 나이트라이드 에피텍셜 층의 X-레이 록킹 곡선의 절반 높이에서의 피크 폭은 720초이며, 이것은 에피텍셜 층의 우수한 결정도를 나타낸다. 원자 현미경에 의한 갈륨 나이트라이드 층 표면의 검사는 스탭-플로우 성장을 나타내는 원자-스탭 테라스(terrace)를 나타낸다. 원자-스탭 테라스는 보다 균일한 간격 및 평행도를 나타내며, 에피텍셜 웨이퍼의 중심으로부터 주변부로의 특정 방향으로 연장된다. 이것은 스탭-플로우 성장이 수직 축이 <0001>에서 특정 방향으로 기울어지는 웨이퍼 주변부의 (0001)면 부분에서 강화된다는 것을 의미한다. 이 방향은 <1-100>이다.Thus, the epitaxial wafers produced have a mirror surface, and the peak width at half the height of the X-ray locking curve of the gallium nitride epitaxial layer is 720 seconds, indicating good crystallinity of the epitaxial layer. Examination of the gallium nitride layer surface by atomic microscopy reveals an atomic-step terrace indicating step-flow growth. Atomic-step terraces exhibit more uniform spacing and parallelism and extend in a specific direction from the center of the epitaxial wafer to the periphery. This means that step-flow growth is enhanced at the (0001) face portion of the wafer periphery where the vertical axis is tilted in a specific direction at <0001>. This direction is <1-100>.
웨이퍼의 사파이어 기판과 갈륨 나이트라이드 층 사이의 경계 단면의 TEM 관찰은 상기 기판과 갈륨 나이트라이드 층 사이의 경계에서 금속-유기 물질의 열적 분해에 의해 증착된 금속의 질화된 다결정을 나타낸다. 상기 결정은 6각형이며 5 내지 10nm의 높이를 갖는다. μ-EDS 분석은 다결정의 Al 및 Ga 원소가 비균일하며, 질소 대 금속의 화학양론 비율이 1:1을 벗어나는 영역(상기 영역의 조성은 InuGavAlwNk(u+v+w = 1, 0≤u, v, w≤1 및 0< k <1)으로 표현된다)이 존재한다는 것을 나타낸다.TEM observation of the boundary cross section between the sapphire substrate and the gallium nitride layer of the wafer indicates the nitrided polycrystal of the metal deposited by thermal decomposition of the metal-organic material at the boundary between the substrate and the gallium nitride layer. The crystals are hexagonal and have a height of 5-10 nm. The μ-EDS analysis is a region in which the polycrystalline Al and Ga elements are non-uniform and the nitrogen to metal stoichiometric ratio deviates from 1: 1 (the composition of the region is In u Ga v Al w N k (u + v + w = 1, 0 ≦ u, v, w ≦ 1 and 0 <k <1).
다음의 실험은 실시예 2의 결정 성장 메카니즘을 조사하기 위해 수행된다.The following experiment was performed to investigate the crystal growth mechanism of Example 2.
실시예 1과 마찬가지로, (0001)면을 갖는 사파이어 단결정 기판은 유기적으로 세정되며 성장 장치 내에서 열처리된다. 이 때, 기판은 질소 소스를 함유하지 않는 분위기에서 1180℃로 유지되며, 상기 기판에는 TMA 및 TMG가 공급되어 사파이어 기판 상에 Al 및 Ga 합금이 증착된다. 다음으로, TMA 및 TMG가 차단되며, 온도는 1180℃로 유지되고, 0.2 몰/분의 유량으로 3분 동안 암모니아가 공급되어 Al-Ga 합금을 질화 처리한다. 다음에 상기 장치는 실온에서 냉각될 수 있다.As in Example 1, the sapphire single crystal substrate having the (0001) plane is organically cleaned and heat treated in the growth apparatus. At this time, the substrate is maintained at 1180 ° C in an atmosphere containing no nitrogen source, the substrate is supplied with TMA and TMG to deposit Al and Ga alloy on the sapphire substrate. Next, TMA and TMG are cut off, the temperature is maintained at 1180 ° C., and ammonia is supplied for 3 minutes at a flow rate of 0.2 mol / min to nitrate the Al-Ga alloy. The device can then be cooled at room temperature.
원자 현미경은 제조된 웨이퍼 표면을 검사하는데 사용된다. 약 50nm 높이 및 약 0.1㎛의 직경의 질화 처리된 금속 입자 다결정이 관찰된다. 다결정은 사파이어 기판 전체를 커버하지 못하는데: 다결정 사이의 수평 공간이 존재한다. 실시예 2의 갈륨 나이트라이드 층의 에피텍셜 성장이 핵으로서 작용하는 다결정으로 처리되는 것이 고려된다.An atomic microscope is used to inspect the wafer surface produced. Nitrided metal particle polycrystals about 50 nm high and about 0.1 μm in diameter are observed. Polycrystals do not cover the entire sapphire substrate: there is a horizontal space between the polycrystals. It is contemplated that epitaxial growth of the gallium nitride layer of Example 2 is treated with polycrystals that act as nuclei.
유사하게, 다음의 실험은 기판 표면 상에 증착된 3족 금속의 입자 상태를 조사하기 위해 수행된다.Similarly, the following experiment is performed to investigate the particle state of the Group 3 metal deposited on the substrate surface.
실시예 1과 마찬가지로, (0001)면을 갖는 사파이어 단결정 기판은 유기적으로 세정되며 성장 장치 내에서 열처리된다. 이 때, 실시예 2와 동일한 조건을 이용하여, 기판은 질소 소스를 함유하지 않는 수소 분위기에서 1180℃로 유지되며, 상기 기판에 TMA 및 TMG가 공급되어 사파이어 기판 상에 Al 및 Ga 합금이 증착된다. 다음으로, 상기 장치는 실온에서 냉각될 수 있으며, 원자 현미경은 표면을 조사하기 위해 사용된다. 상기 표면은 약 100Å의 높이 및 약 500Å의 길이의 입자를 갖는다는 것이 발견되며; 이러한 입자의 표면 밀도는 1×108cm-2이다. 일부 입자는 함께 결합(link)된다.As in Example 1, the sapphire single crystal substrate having the (0001) plane is organically cleaned and heat treated in the growth apparatus. At this time, using the same conditions as in Example 2, the substrate was maintained at 1180 ° C. in a hydrogen atmosphere containing no nitrogen source, and TMA and TMG were supplied to the substrate to deposit Al and Ga alloys on the sapphire substrate. . Next, the device can be cooled at room temperature and an atomic microscope is used to examine the surface. It is found that the surface has particles of height of about 100 mm 3 and length of about 500 mm 3; The surface density of these particles is 1 × 10 8 cm −2 . Some particles are linked together.
실시예 3Example 3
실시예 1과 동일한 방법을 사용하여, (0001)면을 갖는 사파이어 단결정 기판은 성장 장치 내에서 유기적으로 세정되고 가열-처리된다. 이 후에, 질소 소스를 함유하지 않는 1100℃로 감소된 온도의 수소 분위기에서, 기판에는 TMA, TMG 및 트리메틸 인듐(TMI), 다른 금속-유기 물질이 6μ몰/분, 18μ몰/분 및 30초 동안 18μ몰/분의 각각의 유량으로 제공되어, Al, Ga 및 In 합금을 사파이어 기판 상에 형성한다. 다음으로 금속-유기 물질의 공급이 차단되고, 온도는 1180℃로 유지되고, Al/Ga/In 합금을 질화처리하기 위해 0.2몰/분의 유량으로 3분 동안 암모니아가 공급된다. 암모니아의 공급이 동일한 유량으로 유지되고, 장치의 온도가 1180℃로 유지되면서, 장치에는 140μ몰/분의 유량으로 TMG가 공급되어 Al/Ga/In 합금을 갖는 기판 상에 1.1㎛의 갈륨 나이트라이드 층이 성장된다.Using the same method as in Example 1, the sapphire single crystal substrate having the (0001) plane is organically cleaned and heat-treated in the growth apparatus. Subsequently, in a hydrogen atmosphere at a temperature reduced to 1100 ° C. containing no nitrogen source, the substrate contains TMA, TMG and trimethyl indium (TMI), 6 μmol / minute, 18 μmol / minute, and 30 seconds for other metal-organic materials. Each at a flow rate of 18 μmol / min, to form Al, Ga and In alloys on the sapphire substrate. Next, the supply of the metal-organic material is cut off, the temperature is maintained at 1180 ° C., and ammonia is supplied for 3 minutes at a flow rate of 0.2 mol / minute to nitrate the Al / Ga / In alloy. While the supply of ammonia is maintained at the same flow rate and the temperature of the device is maintained at 1180 ° C., the device is supplied with TMG at a flow rate of 140 μmol / minute, giving 1.1 μm of gallium nitride on a substrate with an Al / Ga / In alloy. The layer is grown.
이 때 제조된 에피텍셜 웨이퍼는 거울 표면을 가지며, 갈륨 나이트라이드 에피텍셜 층의 X-레이 록킹 곡선의 절반 높이에서의 피크 폭은 620초이다. 이것은에피텍셜 층의 우수한 결정도를 나타낸다. 상기 실시예 1 내지 3은 갈륨 나이트라이드 층 형성시의 3족 질화물 반도체 결정의 에피텍셜 성장에 대해 기술하지만, InXGaYAl2N으로 표시되는 혼합 결정인 3족 질화물 반도체를 성장시킬 수도 있다.The epitaxial wafer produced at this time had a mirror surface, and the peak width at half height of the X-ray locking curve of the gallium nitride epitaxial layer was 620 seconds. This shows good crystallinity of the epitaxial layer. Examples 1 to 3 describe epitaxial growth of group III nitride semiconductor crystals when forming a gallium nitride layer, but it is also possible to grow group III nitride semiconductors, which are mixed crystals represented by In X Ga Y Al 2 N. .
실시예 4Example 4
실시예 4는 3족 질화물 반도체 결정 제조 방법을 이용하여, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 기술하는데 이용될 것이다.Example 4 will be used to describe a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor crystal manufacturing method.
도 6은 실시예 4에 따라 제조된 발광 소자를 위해 사용된 에피텍셜 구조를 나타낸다. 격자 부정합 에피텍셜 성장 방법이 사용되어 c-면 사파이어 기판(11) 상에 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 2-㎛의 Si로 저도핑된 GaN 층(12), 다음으로 1×1019cm-3의 전자 농도를 갖는 1-㎛의 Si로 고도핑된 GaN 층(13), 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 100-A의 In0.1Ga0.9N 클래딩 층(14), GaN 차단층으로 시작되어 끝나고, 6개의 70-A GaN 차단층(15) 및 5개의 20-A 비도핑 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조, 30-A Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17), 8×1017cm-3의 정공 농도를 갖는 0.15-㎛의 Mg-도핑된 GaN 층(18) 및 5×1018cm-3의 정공 농도를 갖는 100-A의 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)이 형성된다. 도 7은 실시예 4의 발광 소자의 전극 구조의 평면도이다.6 shows an epitaxial structure used for a light emitting device manufactured according to Example 4. FIG. A lattice mismatched epitaxial growth method was used to deposit a GaN layer 12 doped with 2-μm Si having an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 on the c-plane sapphire substrate 11, followed by 1 ×. 10 19 GaN layer 13 and doped with the Si 1-㎛ having an electron concentration of cm -3, 1 × 10 of the 100-a having an electron density of 17 cm -3 in 0.1 Ga 0.9 N cladding layer (14 ), A multi-quantum well structure consisting of six 70-A GaN blocking layers 15 and five 20-A undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16, beginning and ending with a GaN blocking layer, 30-A Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17, 0.15-μm Mg-doped GaN layer 18 with a hole concentration of 8 x 10 17 cm -3 and 100- with a hole concentration of 5 x 10 18 cm -3 A Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 of A is formed. 7 is a plan view of the electrode structure of the light emitting device of Example 4;
이하에서 기술되는 바와 같이, 상기 에피텍셜 구조를 갖는 웨이퍼는 MOCVD방법에 의해 제조된다.As described below, the wafer having the epitaxial structure is manufactured by the MOCVD method.
우선, 사파이어 기판은 유도 가열기의 RF 코일 내부에 배치된 수정 반응로(반응기)에 배치된다. 질소 가스가 공급된 글로브 박스가 탄소 서셉터 상에 기판을 배치하도록 사용된 후에, 질소 가스가 흘려져 반응기 내부를 정화시킨다. 10분 동안 질소 가스를 흘린 후에, 유도 가열기는 동작되어 기판을 1170℃로 가열하는데 사용되며, 상기 온도는 10분 주기 동안 상승된다. 동시에, 반응기 내부의 압력은 50hPa로 조절된다. 기판의 온도를 1170℃로 유지하면서, 수소 가스 및 질소 가스가 9분 동안 흘려져 기판 표면을 열적으로 세정시킨다. 열적 세정 동안, 수소 캐리어 가스는 버블링을 시작하는 반응기에 접속되어 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 포함하는 버블러(bubbler)를 통해 흘려진다. 버블러를 일정한 온도로 유지하기 위해 열적 욕조(thermobath)가 사용된다. 성장 공정의 시작까지, 캐리어 가스와 함께 버블링함으로써 제조된 TMGa 및 TMAl 수증기는 디하마나이징(deharmanizing) 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정의 완료 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되어, 반응기에는 수소만이 공급된다.First, the sapphire substrate is placed in a crystal reactor (reactor) disposed inside the RF coil of the induction heater. After the glove box supplied with nitrogen gas is used to place the substrate on the carbon susceptor, nitrogen gas is flowed to purge the reactor interior. After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater is operated to heat the substrate to 1170 ° C. and the temperature is raised for a 10 minute period. At the same time, the pressure inside the reactor is regulated to 50 hPa. While maintaining the temperature of the substrate at 1170 ° C., hydrogen gas and nitrogen gas flowed for 9 minutes to thermally clean the substrate surface. During thermal cleaning, the hydrogen carrier gas is connected to a reactor that starts bubbling and flows through a bubbler comprising trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl aluminum (TMAl). A thermobath is used to keep the bubbler at a constant temperature. Until the start of the growth process, TMGa and TMAl water vapor produced by bubbling with a carrier gas is released out of the system through a deharmanizing system. After completion of the thermal cleaning, the nitrogen gas valve is closed so that only hydrogen is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1100℃로 감소되고 반응기 압력은 100hPa로 조절된다. 온도가 1100℃에서 안정화된 후에, TMGa 및 TMAl 밸브가 동작되어 반응기에 TMGa 및 TMAl 수증기 함유 가스가 공급되며, 사파이어 기판에 금속 핵을 부착시키는 공정이 시작된다. 버블링 라인의 유량 제어기가 사용되어 TMGa 및 TMAl 사이의 분자 비율을 2:1로 조절한다. 90초 후에, TMGa 및 TMAl 밸브가 모두 동작되어 TMGa 및 TMAl 수증기 함유 가스의 이동이 정지된다. 10초 간의 정지후에, 암모니아 가스 밸브가 사용되어 반응기로의 암모니아 가스의 이동이 시작된다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1100 ° C. and the reactor pressure is adjusted to 100 hPa. After the temperature has stabilized at 1100 ° C., the TMGa and TMAl valves are operated to supply the reactor with the gas containing TMGa and TMAl steam, and the process of attaching the metal nuclei to the sapphire substrate begins. A flow controller of the bubbling line is used to adjust the molecular ratio between TMGa and TMAl to 2: 1. After 90 seconds, both the TMGa and TMAl valves are operated to stop the movement of the TMGa and TMAl steam-containing gas. After a 10 second pause, an ammonia gas valve is used to begin the movement of ammonia gas into the reactor.
10초 후에, 암모니아 가스는 계속해서 흘려져, 서셉터 온도가 1160℃로 상승된다. TMGa의 유량은 이 온도 상승 동안 조절된다. 또한, SiH4의 흐름이 시작된다. Si로 저도핑된 GaN 층의 형성을 시작할 때까지, SiH4는 외부로 방출시키기 위해 캐리어 가스와 함께 디하마나이징 시스템으로 계속해서 흘려진다. 서셉터 온도가 1160℃에 확실하게 도달한 후에, 온도는 안정화가 가능해지며, 그 후에 TMGa 및 SiH4밸브가 동작되어 반응기로의 TMGa 및 SiH4의 공급이 시작된다. Si로 저도핑된 GaN 층의 성장은 약 75분 동안 지속된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 GaN 층에서 전자의 농도가 1×1017cm-3이 되도록 제어된다. 이러한 방식으로, 2㎛ 두께를 갖는 Si로 저도핑된 GaN 층이 형성된다.After 10 seconds, ammonia gas continues to flow, and the susceptor temperature rises to 1160 ° C. The flow rate of TMGa is regulated during this temperature rise. In addition, the flow of SiH 4 begins. Until the formation of the GaN layer doped with Si begins, SiH 4 continues to flow along with the carrier gas into the dehamaging system to release to the outside. After the susceptor temperature reliably reaches 1160 ° C., the temperature can be stabilized, after which the TMGa and SiH 4 valves are operated to start the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor. The growth of the GaN layer doped with Si lasts about 75 minutes. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled such that the concentration of electrons in the GaN layer is 1 × 10 17 cm −3 . In this way, a GaN layer doped with Si having a thickness of 2 mu m is formed.
다음으로, 이 Si로 저도핑된 GaN 층 상에 Si로 고도핑된 n-GaN 층이 형성된다. Si로 저도핑된 GaN 층을 성장시킨 후에, 반응기로의 TMGa 및 SiH4의 공급은 SiH4의 유량이 변화되는 1분의 시간 동안 정지된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 Si로 고도핑된 GaN 층에서의 1×1019cm-3의 전자 농도를 달성하도록 제어된다. 반응기에는 동일한 유량의 암모니아가 지속적으로 공급된다. 1분 후에, TMGa 및 SiH4의 공급이 재개되어 층은 45분 동안 성장된다. 이로 인해 1㎛ 두께를갖는 Si로 고도핑된 GaN 층이 형성된다.Next, an n-GaN layer doped with Si is formed on the GaN layer doped with Si. After growing the low doped GaN layer with Si, the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor is stopped for a time period of one minute during which the flow rate of SiH 4 changes. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled to achieve an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 in the GaN layer doped with Si. The reactor is continuously fed with ammonia at the same flow rate. After 1 minute, the supply of TMGa and SiH 4 is resumed and the layer is grown for 45 minutes. This results in a highly doped GaN layer of Si having a thickness of 1 μm.
Si로 고도핑된 GaN 층이 형성된 후에, TMGa 및 SiH4밸브가 동작되어 반응기로의 이러한 물질들의 공급이 중단된다. 캐리어 가스가 수소에서 질소로 바뀌는 동안, 암모니아의 흐름이 유지된다. 기판의 온도는 1160℃에서 800℃로 감소되며, 동시에 반응기의 압력은 100hPa에서 200hPa로 바뀐다. SiH4의 유량은 반응기의 압력이 바뀌기를 기다리는 동안 변화된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 Si-도핑된 InGaN 클래딩 층에서 1×1017cm-3의 전자 농도가 달성되도록 제어된다. 반응기에는 동일한 유량의 암모니아가 지속적으로 공급된다. 버블러로의 트리메틸 인듐(TMIn) 및 트리에틸 갈륨(TEGa) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 클래딩 층 형성의 시작까지, 버블링에 의해 제조된 TMIn 및 TEGa 수증기에 따라 SiH4가스는 캐리어 가스와 함께 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 다음으로, 안정화하도록 반응 시간을 준 후에, 반응기로의 TMIn, TEGa 및 SiH4의 공급은 Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층을 100Å 두께로 형성하기 위하여 약 10분 동안 시작되고 유지되며, 그 후에 반응기로의 TMIa, TEGa 및 SiH4의 공급이 정지된다.After the GaN layer doped with Si is formed, the TMGa and SiH 4 valves are operated to stop the supply of these materials to the reactor. While the carrier gas changes from hydrogen to nitrogen, the flow of ammonia is maintained. The temperature of the substrate is reduced from 1160 ° C. to 800 ° C., while the reactor pressure changes from 100 hPa to 200 hPa. The flow rate of SiH 4 changes while waiting for the pressure in the reactor to change. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled such that an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 is achieved in the Si-doped InGaN cladding layer. The reactor is continuously fed with ammonia at the same flow rate. The flow of trimethyl indium (TMIn) and triethyl gallium (TEGa) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the start of cladding layer formation, SiH 4 gas is released out of the system through the dehamanaising system along with the carrier gas along with TMIn and TEGa water vapor produced by bubbling. Next, after giving the reaction time to stabilize, the supply of TMIn, TEGa and SiH 4 to the reactor is started and maintained for about 10 minutes to form a Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer to 100 microns thick, Thereafter, the supply of TMIa, TEGa and SiH 4 to the reactor is stopped.
다음으로, GaN 차단층 및 In0.2Ga0.8N 웰 층으로 구성된 다중 양자 웰 구조가 제조된다. 우선, GaN 차단층은 Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층 상에 형성된다. 요구되는 다중층 구조를 형성하기 위해 이 단계를 5회 반복한 후에, 제 6 GaN 차단층이 제 5 In0.2Ga0.8N 웰 층 상에 형성되어, 각각의 단부에 GaN 차단층을 갖는 구조가 형성된다.Next, a multi quantum well structure consisting of a GaN blocking layer and an In 0.2 Ga 0.8 N well layer is prepared. First, a GaN barrier layer is formed on a Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer. After repeating this step five times to form the required multilayer structure, a sixth GaN barrier layer is formed on the fifth In 0.2 Ga 0.8 N well layer to form a structure having a GaN barrier layer at each end. do.
보다 구체적으로는, Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층의 형성이 완료된 후에, 30초 동안 정지되며, 그 후에 반응기로의 TEGa의 공급이 시작되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 캐리어 가스의 유량이 유지된다. 7분 동안, TEGa의 공급이 정지되며, 70Å 두께의 막으로 구성된 GaN 차단층의 형성이 완료된다.More specifically, after the formation of the Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer is completed, it is stopped for 30 seconds, and then while the supply of TEGa to the reactor is started, the same substrate temperature, reactor pressure, carrier gas And the flow rate of the carrier gas is maintained. For seven minutes, the supply of TEGa is stopped, and the formation of the GaN blocking layer composed of the 70 Å thick film is completed.
GaN 차단층의 형성 동안, 디하마나이징 시스템으로 클래딩 층의 형성 동안의 유량에 비해, 흐르는 TMIn의 분자 유량은 2배가 된다. GaN 차단층이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 정지되며, 그 후에 TEGa 및 TMIn 밸브가 동작되어 TEGa 및 TMIn가 반응기에 공급됨과 동시에, 동일한 온도, 반응기 압력 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 2분 후에, TEGa 및 TMIn의 공급이 정지되며, In0.2Ga0.8N 웰 층의 형성이 종료된다. 20Å 두께의 In0.1Ga0.9N 클래딩 층이 형성된다.During the formation of the GaN barrier layer, the molecular flow rate of the flowing TMIn is doubled as compared to the flow rate during the formation of the cladding layer with the dehamaging system. After the GaN barrier layer is completed, the supply of the Group 3 material is stopped for 30 seconds, after which the TEGa and TMIn valves are operated to supply TEGa and TMIn to the reactor, while at the same temperature, reactor pressure and type of carrier gas and flow rate Is maintained. After 2 minutes, the supply of TEGa and TMIn is stopped, and the formation of the In 0.2 Ga 0.8 N well layer is finished. A 20 μm thick In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer is formed.
In0.2Ga0.8N 웰 층의 형성이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 중단되며, 그 후에 반응기로의 TEGa의 공급이 시작되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지되어, 다른 GaN 차단층이 성장된다. 5개의 GaN 차단층 및 5개의 In0.2Ga0.8N 웰 층을 제조하기 위하여 이러한 절차가 5회반복된다. 이 때, GaN 차단층이 최종 In0.2Ga0.8N 웰 층 상에 형성된다.After the formation of the In 0.2 Ga 0.8 N well layer is complete, the supply of group III material is stopped for 30 seconds, after which the supply of TEGa to the reactor begins, the same substrate temperature, reactor pressure, type of carrier gas and The flow rate is maintained so that another GaN blocking layer is grown. This procedure is repeated five times to produce five GaN barrier layers and five In 0.2 Ga 0.8 N well layers. At this time, a GaN blocking layer is formed on the final In 0.2 Ga 0.8 N well layer.
비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)은 최종 GaN 차단층 상에 제조된다. GaN 차단층을 완료하기 위해 TEGa 공급을 정지한 지 1분이 지나서, 반응기 압력이 100hPa로 바뀌는 동안, 동일한 기판 압력 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 버블러로의 트리메틸 알루미늄(TMAl) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 확산 방지층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 제조된 TMAl 수증기는 캐리어 가스와 함께, 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 다음으로, 안정화시킬 반응기 압력 시간이 주어진 후에, 반응기로의 TEGa 및 TMAl의 공급이 시작된다. 상기 층은 다음의 약 3분 동안 성장되며, 그 후에 TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층의 형성이 중단된다. 이러한 방식으로, 30Å 두께의 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층이 형성된다.An undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 is fabricated on the final GaN barrier layer. One minute after stopping the TEGa supply to complete the GaN barrier layer, the same substrate pressure and type and flow rate of the carrier gas are maintained while the reactor pressure changes to 100 hPa. The flow of trimethyl aluminum (TMAl) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the diffusion barrier layer forming step begins, the TMAl water vapor produced by bubbling, together with the carrier gas, is released out of the system through the dehamaging system. Next, after the reactor pressure time to stabilize is given, the supply of TEGa and TMAl to the reactor begins. The layer is then grown for about 3 minutes, after which the supply of TEGa and TMAl is stopped to stop the formation of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer. In this way, a 30 Å thick undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer is formed.
이 때, Mg-도핑된 GaN 층은 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층 상에 제조된다. TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층의 성장이 종료된 지 2분이 지나서, 기판의 온도는 1060℃로 상승되며 반응기 압력은 200hPa로 바뀐다. 또한, 캐리어 가스는 수소로 바뀐다. 버블러를 통한 바이사이클로펜타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)의 흐름은 이미 시작되었다. Mg-도핑된 GaN 층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 캐리어 가스와 함께 제조된 Cp2Mg 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 온도 및 압력이 바뀐 후에, 반응기 압력은안정화될 시간이 주어지며 반응기로의 TMGa 및 Cp2Mg의 공급은 시작된다. Cp2Mg 유량은 미리 연구되었으며, Mg-도핑된 GaN 층에서의 8×1017cm-3의 정공 농도가 달성되도록 조절된다. 약 6분 간의 성장 후에, TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어 Mg-도핑된 GaN 층의 형성이 중단된다. 이러한 공정으로 0.15㎛ 두께의 Mg-도핑된 GaN 층이 형성된다.At this time, a Mg-doped GaN layer is prepared on the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer. Two minutes after the growth of TEGa and TMAl was stopped and the growth of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer ended, the temperature of the substrate was raised to 1060 ° C. and the reactor pressure was changed to 200 hPa. In addition, the carrier gas is changed to hydrogen. The flow of bicyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) through the bubbler has already begun. Until the Mg-doped GaN layer formation step begins, Cp 2 Mg water vapor produced with bubbling with the carrier gas is released out of the system through the dehamaging system. After the temperature and pressure change, the reactor pressure is given time to stabilize and the supply of TMGa and Cp 2 Mg to the reactor begins. The Cp 2 Mg flow rate has been previously studied and adjusted to achieve a hole concentration of 8 × 10 17 cm −3 in the Mg-doped GaN layer. After about 6 minutes of growth, the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped to stop the formation of the Mg-doped GaN layer. This process results in a 0.15 μm thick Mg-doped GaN layer.
다음으로, Mg-도핑된 InGaN 층이 이러한 Mg-도핑된 GaN 층 상에 형성된다. TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어, Mg-도핑된 GaN 층의 성장이 종료된 후에, 기판 온도를 800℃로 낮추고 캐리어 가스를 질소로 바꾸기 위해 2분의 시간이 사용된다. 반응기는 200hPa의 동일한 압력으로 유지된다. Cp2Mg의 유량은 Mg-도핑된 GaN 층과 동일한 량의 Mg 도펀트가 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층에 도핑되도록 수정된다. 종래의 연구에 기초하여, Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층에 5×1018cm-3의 정공 농도의 도펀트 량이 제공된다. 기판 온도가 안정화되기를 기다린 후에, 반응기로의 TMIn, TEGa 및 Cp2Mg로의 흐름은 시작된다. 10분 동안의 성장 시간 후에, TMIn, TEGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층의 성장이 종료되며, 그 결과, 100Å 두께의 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층이 형성된다.Next, an Mg-doped InGaN layer is formed on this Mg-doped GaN layer. After the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped and growth of the Mg-doped GaN layer is finished, a time of two minutes is used to lower the substrate temperature to 800 ° C. and convert the carrier gas to nitrogen. The reactor is maintained at the same pressure of 200 hPa. The flow rate of Cp 2 Mg is modified such that the same amount of Mg dopant as the Mg-doped GaN layer is doped into the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer. Based on conventional work, an amount of dopant with a hole concentration of 5 × 10 18 cm −3 is provided in the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer. After waiting for the substrate temperature to stabilize, flow to TMIn, TEGa and Cp 2 Mg into the reactor begins. After 10 minutes of growth time, the supply of TMIn, TEGa and Cp 2 Mg was stopped to terminate the growth of the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer, resulting in 100 μg thick Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layers are formed.
Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층이 완료된 후에, 유도 가열기는 스위치 오프되며, 이에 의해 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 질소만으로 구성된다. 기판이 실온으로 냉각된 것을 확인한 후에, 웨이퍼는 반응기 외부로 꺼내진다. 전술한 절차에 따라, 반도체 발광 소자에서 사용되는 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼가 제조된다. Mg-도핑된 GaN 층 및 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층 모두는 p형 캐리어를 활성화시키기 위해 어닐링이 전혀 이용되지 않았음에도 불구하고 p형 특성을 나타낸다.After the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer is completed, the induction heater is switched off, whereby the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists only of nitrogen. After confirming that the substrate has cooled to room temperature, the wafer is taken out of the reactor. According to the above-described procedure, a wafer having an epitaxial structure used in a semiconductor light emitting device is manufactured. Both the Mg-doped GaN layer and the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer show p-type characteristics, although no annealing was used to activate the p-type carrier.
다음으로, 사파이어 기판 상에 형성된 상기 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼는 발광 다이오드를 제조하는데 사용되며, 상기 다이오드는 반도체 발광 소자 중 하나의 타입이다. 티타늄, 알루미늄, 및 금으로 이루어진 적층, 및 Au로만 형성되고, 패드(12)에 부착된 투명한 p-전극(21)으로 구성된 p-전극 결합 패드(12)를 형성함으로써 In0.1Ga0.9N 층(18a) 상에 p-측 전극을 제조하는데 공지된 포토리소그라피 공정이 사용된다. 다음으로, n-측 전극을 형성하는 Si로 고도핑된 GaN 층의 부분(23)을 노출시키기 위해 건식 에칭이 사용되며, Ni 및 Al의 n-전극(22)은 노출된 부분에 제조된다. 도 7은 웨이퍼 상에 제조된 전극의 형태를 도시한다.Next, a wafer having the epitaxial structure formed on the sapphire substrate is used to manufacture a light emitting diode, which is one type of semiconductor light emitting device. The In 0.1 Ga 0.9 N layer was formed by forming a p-electrode bonding pad 12 formed of a stack made of titanium, aluminum, and gold, and made of only Au and having a transparent p-electrode 21 attached to the pad 12. A known photolithography process is used to produce the p-side electrode on 18a). Next, dry etching is used to expose the portion 23 of the GaN layer doped with Si to form the n-side electrode, and the n-electrode 22 of Ni and Al is fabricated in the exposed portion. 7 shows the shape of an electrode fabricated on a wafer.
다음으로, 사파이어 기판의 반대측은 마멸되고 연마되어 거울 끝손질이 이루어지며, 웨이퍼는 각각의 측면을 따라 350㎛의 정사각형 칩으로 절단된다. 다음에, 각각의 칩은 전극 측면을 갖는 리드 프레임 상에 장착되어, 발광 소자를 형성하는 금 배선으로 리드 프레임에 접속된다. 20mA의 순방향 전류가 전극 사이에 인가될 대, 순방향 전압은 3.0V이다. p측 투명 전극을 통해 방출되는 광의 파장은470nm이고, 상기 소자는 6cd의 출력을 나타낸다. 상기 발광 다이오드의 특성은 어떠한 변화도 없이 웨이퍼의 시각적인 모든 부분으로부터 제조된 발광 다이오드로 균일하게 얻어질 수 있다.Next, the opposite side of the sapphire substrate is abraded and polished to give mirror finish, and the wafer is cut into 350 micrometer square chips along each side. Next, each chip is mounted on a lead frame having an electrode side surface, and is connected to the lead frame with gold wiring to form a light emitting element. When a 20 mA forward current is applied between the electrodes, the forward voltage is 3.0V. The wavelength of light emitted through the p-side transparent electrode is 470 nm, and the device exhibits an output of 6 cd. The properties of the light emitting diodes can be obtained uniformly with light emitting diodes made from all visible parts of the wafer without any change.
실시예 5Example 5
실시예 5는 이하 기술되는, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정 제조 방법의 실시예이다.Example 5 is an example of a method of preparing a gallium nitride-based compound semiconductor crystal, described below.
도 1의 단계 a 내지 d의 시퀀스는 사파이어 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는데 사용된다. 단계 a에서, 1:2의 분자 비율로 혼합된 트리메틸 알루미늄(TMAl) 수증기 및 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기를 함유하는 가스를 흘림으로써 기판에 금속 핵이 부착된다. 단계 b에서, 수소 가스로 어닐링이 수행된다; 단계 c에서, 수소와 암모니아의 혼합물이 흘려져 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하여 상기 혼합물을 형성시켜 성장 핵이되게 한다. 단계 d에서, TMGa 및 암모니아가 흘려져 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드를 추가로 성장시키고, 이에 의해 갈륨 나이트라이드 결정막이 제공된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 사파이어 기판 상에 제조한다.The sequence of steps a to d of FIG. 1 is used to form a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a sapphire substrate. In step a, metal nuclei are attached to the substrate by flowing a gas containing trimethyl aluminum (TMAl) water vapor and trimethyl gallium (TMGa) water vapor mixed in a 1: 2 molecular ratio. In step b, annealing is performed with hydrogen gas; In step c, a mixture of hydrogen and ammonia is flowed to nitrate the annealed metal nucleus to form the mixture to become a growth nucleus. In step d, TMGa and ammonia are flowed to further grow gallium nitride on the growth nucleus, thereby producing a gallium nitride-based compound semiconductor layer provided with a gallium nitride crystal film on the sapphire substrate.
보다 구체적으로, 우선, 내부에 유도 가열기 RF 코일이 배치된 수정 반응기 내에 사파이어 기판이 배치된다. 질소 가스가 공급된 글로부-박스는 탄소 서셉터 상에 기판을 배치시키는데 사용되며, 그 후에 질소 가스가 10분 동안 흘려져 반응기 내부를 정화시킨다. 다음으로, 유도 가열기가 활성화되어 10분 이상 1170℃로 기판 온도가 상승된다. 기판 온도는 1170℃로 유지되며, 수소 가스 및 질소 가스는 9분 동안 흘려져 기판 표면을 열적으로 세정시킨다.More specifically, first, a sapphire substrate is disposed in a quartz reactor in which an induction heater RF coil is disposed. The globu-box supplied with nitrogen gas is used to place the substrate on the carbon susceptor, after which nitrogen gas is flowed for 10 minutes to purify the inside of the reactor. Next, the induction heater is activated to raise the substrate temperature to 1170 ° C for at least 10 minutes. The substrate temperature is maintained at 1170 ° C., and hydrogen gas and nitrogen gas are flowed for 9 minutes to thermally clean the substrate surface.
열적 세정 동안, 수소 캐리어 가스는 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 갈륨(TMAl) 함유 버블러를 통해 흘려져 버블링을 시작하게 한다. 열적 욕조가 사용되어 버블러를 일정한 온도로 유지시킨다. 버블러 파이핑은 반응기에 접속된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층 성장 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 제조된 TMGa 수증기 및 TMAl 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 캐리어 가스와 함께 방출된다. 열적 세정을 완료한 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되어, 수소만이 반응기에 공급된다. 캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1100℃로 감소된다. 온도가 1100℃에서 안정화되는 것이 확인된 후에, TMGa 및 TMAl 밸브가 동작되어 사파이어 기판에 금속 핵이 부착되기 시작하도록 TMGa 및 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 버블링 라인 상의 질량 흐름 제어기는 TMGa 및 TMAl 사이의 분자 비율이 2:1로 조절되는데 사용된다. 1분 30초 동안의 이 공정 후에, TMGa 및 TMAl 밸브가 사용되어 반응기로의 TMGa 및 TMAl 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다. 이 상태는 3분 동안 지속되어 수소 캐리어 가스에서 금속 핵이 어닐링된다. 3분 동안의 어닐링 후에, 암모니아 가스 라인 밸브가 동작되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하기 위한 반응기로의 암모니아 가스의 이동이 시작되어 상기 금속 핵이 성장 핵으로 된다. 10초 동안 가스를 흘린 후에, 서셉터 온도는 1160℃로 상승된다. TMGa의 유량은 이 온도 상승 동안 조절된다. 서셉터 온도가 1160℃에 도달되는 것이 확인된 후에, 온도의 안정화가 가능해지며, 그 후에 TMGa 밸브가 동작되어 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드의 추가 성장을 위한 반응기로의 TMGa의 공급이 시작된다.During thermal cleaning, the hydrogen carrier gas is flowed through the trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl gallium (TMAl) containing bubblers to start bubbling. A thermal bath is used to keep the bubbler at a constant temperature. Bubbler piping is connected to the reactor. Until the gallium nitride-based compound semiconductor layer growth step begins, bubbling produced TMGa water vapor and TMAl water vapor are released with the carrier gas out of the system through the dehamaging system. After completing the thermal cleaning, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen is supplied to the reactor. After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1100 ° C. After confirming that the temperature is stabilized at 1100 ° C., the TMGa and TMAl vapor-containing gas is supplied to the reactor so that the TMGa and TMAl valves are operated to begin attaching metal nuclei to the sapphire substrate. The mass flow controller on the bubbling line is used to adjust the molecular ratio between TMGa and TMAl to 2: 1. After this process for 1 minute 30 seconds, the TMGa and TMAl valves are used to stop the supply of the TMGa and TMAl steam containing gas to the reactor. This state lasts for 3 minutes to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. After annealing for 3 minutes, the ammonia gas line valve is operated to start the transfer of ammonia gas into the reactor for nitriding the annealed metal nucleus so that the metal nucleus becomes a growth nucleus. After flowing gas for 10 seconds, the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. The flow rate of TMGa is regulated during this temperature rise. After confirming that the susceptor temperature reaches 1160 ° C., the temperature can be stabilized, after which the TMGa valve is operated to start supply of TMGa to the reactor for further growth of gallium nitride on the growth nucleus.
1시간 동안 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정막이 성장된 후에, 반응기로의 TMGa의 공급이 차단됨으로써 성장 공정이 종료된다. 갈륨 나이트라이드 결정막 형성의 종료 후에, 유도 가열기가 스위치 오프되어 기판이 20분 이상 실온까지 냉각될 수 있다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 성장 공정과 동일하게, 암모니아, 질소 및 수소로 구성되지만, 기판이 300℃로 냉각되는 것이 확인될 때, 암모니아 및 수소가 차단되고 기판이 실온으로 냉각될 때까지 계속해서 흘려지며, 이 온도에서 질소 가스는 반응기 외부로 배출된다. 상기 절차에 의해, 2㎛ 두께의 갈륨 나이트라이드 결정막(2)이 사파이어 기판 상에 형성된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색/투명이며, 에피텍셜 층은 거울 표면을 갖는다.After the gallium nitride-based compound semiconductor crystal film is grown for one hour, the supply process is terminated by interrupting supply of TMGa to the reactor. After completion of the gallium nitride crystal film formation, the induction heater can be switched off to allow the substrate to cool to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists of ammonia, nitrogen and hydrogen, similar to the growth process, but when it is confirmed that the substrate is cooled to 300 ° C., it continues until the ammonia and hydrogen are shut off and the substrate is cooled to room temperature. The nitrogen gas is discharged out of the reactor at this temperature. By the above procedure, a 2 μm thick gallium nitride crystal film 2 is formed on the sapphire substrate. The substrate removed from the reactor is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정의 XRC 측정이 수행된다. Cu β 라인 Χ라인 광원을 이용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 일반적으로, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 경우에, (0002)면의 XRC 스펙트럼의 절반 높이에서의 피크 폭은 평탄(모자이크성) 지수이고, (10-12)면의 XRC 스펙트럼의 절반 높이에서의 피크 폭은 변위 밀도 지수이다. 상기 측정은 (0002)면이 230초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 상기 피크 폭은 350초이다. 양쪽 모두 양호한 값이다.XRC measurements of undoped gallium nitride crystals grown in this manner are performed. Using the Cu β line? Line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. In general, for gallium nitride-based compound semiconductors, the peak width at half height of the (0002) plane XRC spectrum is the flat (mosaic) index and at half the height of the XRC spectrum of the (10-12) plane. The peak width of is the displacement density index. The measurement shows that the (0002) plane has a peak width at half height value of 230 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 350 seconds. Both are good values.
원자 현미경은 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 막의 표면을 조사하기 위해 사용된다. 상기 표면은 우수한 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것으로 발견되었다. 상기 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산용액에 10분 동안 280℃의 온도로 표본이 담궈진다. 다음에, 원자 현미경으로 상기 표면이 조사되어 약 5×107cm-2의 에칭-피트 밀도가 측정된다.An atomic microscope is used to examine the surface of the top film of gallium nitride crystals. The surface was found to have a good shape and no growth pits were observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the specimen is immersed in a sulfuric acid and phosphoric acid solution at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. The surface is then irradiated with an atomic microscope to measure an etch-pit density of about 5x10 7 cm -2 .
갈륨 나이트라이드 결정막 성장 단계 전에 표본이 반응기로부터 제거될 때, 웨이퍼는 또한 상기 절차를 통해 어느 정도까지 동일한 단계를 이용하여 제조될 수 있다. 웨이퍼가 원자 현미경으로 조사될 때, 사파이어 기판은 성장 핵을 구성된 갈륨 나이트라이드 알루미늄의 사다리꼴 결정 단면 덩어리를 가지는 것으로 발견되었다.When the sample is removed from the reactor before the gallium nitride crystal film growth step, the wafer can also be manufactured using the same steps to some extent through the above procedure. When the wafer was examined under an atomic microscope, the sapphire substrate was found to have trapezoidal crystal cross-sectional masses of gallium nitride aluminum consisting of growth nuclei.
실시예 6Example 6
도 3에서 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 단계 a 및 b를 3회 반복한 후에, 단계 c 및 d를 수행함으로써 사파이어 기판 상에 형성된다. 단계 a에서, 금속 핵은 트리메틸 알루미늄(TMAl) 수증기 함유 가스를 흘림으로써 기판에 부착되며, 단계 b에서, 금속 핵은 수소 가스로 어닐링된다. 단계 a 및 b를 3회 반복한 후에, 단계 c에서, 수소와 암모니아의 혼합물이 흘려져 어닐링된 금속 핵이 질화 처리되고 상기 금속 핵이 성장 핵이 된다; 그리고, 단계 d에서, TMGa 및 암모니아가 흘려져 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드가 추가로 성장되며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드 결정막이 제공된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 사파이어 기판 상에 제조된다.As shown in Fig. 3, in this embodiment, the gallium nitride-based compound semiconductor layer is formed on the sapphire substrate by performing steps c and d after repeating steps a and b three times. In step a, the metal nucleus is attached to the substrate by flowing a trimethyl aluminum (TMAl) vapor containing gas, and in step b, the metal nucleus is annealed with hydrogen gas. After repeating steps a and b three times, in step c, a mixture of hydrogen and ammonia is flowed so that the annealed metal nucleus is nitrided and the metal nucleus becomes a growth nucleus; Then, in step d, TMGa and ammonia are flowed to further grow gallium nitride on the growth nucleus, whereby a gallium nitride-based compound semiconductor layer provided with a gallium nitride crystal film is produced on the sapphire substrate.
우선, 기판 표면은 열적으로 세정된다. 이 단계가 지속되는 동안, 버블링을 시작하기 위해 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 함유 버블러를 통해 수소 캐리어 가스가 흘려진다. 각각의 버블러의 파이핑은 반응기에 접속된다. 열적 욕조는 일정한 온도로 버블러를 유지시키는데 사용된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 성장이 시작될 때까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa 및 TMAl 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해서 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정 단계가 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소 가스만이 반응기에 공급된다.First, the substrate surface is thermally cleaned. While this step continues, the hydrogen carrier gas flows through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl aluminum (TMAl) to start bubbling. Piping of each bubbler is connected to the reactor. Thermal baths are used to keep the bubbler at a constant temperature. Until the growth of the gallium nitride-based compound semiconductor layer begins, TMGa and TMAl water vapor formed by the bubbling and carrier gas are released out of the system through the dehamaging system. After the thermal cleaning step is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen gas is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1160℃로 감소된다. 온도가 1160℃에서 안정화되는 것이 확인된 후에, TMAl 밸브가 동작되어 사파이어 기판 상에 금속 핵을 부착시키는 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1160 ° C. After confirming that the temperature has stabilized at 1160 ° C., the TMAl vapor-containing gas is supplied to the reactor to operate the TMAl valve to attach the metal nuclei on the sapphire substrate.
3분 동안의 이 공정 후에, 반응기로의 TMAl-수증기 함유 가스의 공급이 정지된다. 상기 상태는 수소 캐리어 가스에서 금속 핵을 어닐링시키기 위해 30초 동안 유지된다. 30초 동안의 어닐링 후에, TMAl 라인 밸브가 동작되어 금속 핵을 부착시키기 위한 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기로 이동하는 것이 다시 시작된다. 첫번째와 마찬가지로, 3분 동안의 이 공정 후에, 반응기로의 TMAl 수증기 함유 가스의 공급이 30초 동안 정지되어 수소 캐리어 가스에서 금속 핵이 어닐링된다. 이 단계들은 한번 더 수행되며, 금속 핵의 형성을 반복하는 단계 및 금속 핵을 어닐링하는 단계(단계 a →단계 b)를 총 3회 실시한다. 제 3 어닐링 후에, 반응기로의 암모니아 가스의 흐름은 어닐링된 금속 핵을 질화 처리되고 상기 금속 핵이 성장 핵이 되도록 시작된다. 10초 동안 가스를 흘린 후에, TMGa 밸브가 동작되어 반응기로의 TMGa의 공급이 시작되며, 그 결과 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드의 추가성장이 이루어진다.After this process for 3 minutes, the supply of TMAl-steam containing gas to the reactor is stopped. The state is held for 30 seconds to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. After 30 seconds of annealing, the TMAl line valve is operated to resume the transfer of the TMAl vapor-containing gas to the reactor for attaching the metal nuclei. As with the first, after this process for 3 minutes, the supply of the TMAl water vapor containing gas to the reactor is stopped for 30 seconds to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. These steps are performed once more, and a total of three times of repeating the formation of the metal nucleus and annealing the metal nucleus (step a? Step b) are performed. After the third annealing, the flow of ammonia gas into the reactor begins to nitrate the annealed metal nucleus and the metal nucleus becomes a growth nucleus. After flowing gas for 10 seconds, the TMGa valve is operated to start supply of TMGa to the reactor, resulting in further growth of gallium nitride on the growth nucleus.
1시간 동안의 갈륨 나이트라이드 결정막을 성장시킨 후에, 성장 공정은 반응기로의 TMGa의 공급을 차단함으로써 종료된다. 다음에, 유도 가열기가 스위치 오프되어 기판은 20분 이상 실온까지 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 성장 공정 동안과 동일하게, 암모니아, 질소 및 수소로 구성되지만, 기판이 300℃까지 냉각되었다는 것이 확인될 때, 암모니아와 수소가 차단되지만, 질소 가스는 기판이 반응기로부터 제거되는 온도인, 실온까지 기판이 냉각될 때까지 지속적으로 흘려진다. 상기 절차에 의해, 2㎛ 두께의 갈륨 나이트라이드 결정막이 사파이어 기판 상에 제조된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색/투명이며, 에피텍셜 층은 거울 표면을 갖는다.After growing the gallium nitride crystal film for 1 hour, the growth process is terminated by interrupting the supply of TMGa to the reactor. Next, the induction heater is switched off and the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists of ammonia, nitrogen and hydrogen, as during the growth process, but when it is confirmed that the substrate has cooled to 300 ° C., the ammonia and hydrogen are shut off, but the nitrogen gas causes the substrate to be removed from the reactor. It continues to flow until the substrate cools to room temperature, which is the temperature to be removed. By the above procedure, a 2 μm thick gallium nitride crystal film was produced on the sapphire substrate. The substrate removed from the reactor is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정의 XRC 측정이 수행된다. Cu β 라인 Χ라인 광원을 이용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 상기 측정은 (0002)면이 300초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 피크 폭은 320초인 것을 나타낸다. 양쪽 모두 양호한 값이다. 원자 현미경은 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 막의 표면을 조사하기 위해 사용된다. 상기 표면은 우수한 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것이 발견되었다. 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산의 용액에 표본이 10분 동안 280℃의 온도에서 담궈진다. 다음에, 약 7×107cm-2인 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여 원자 현미경으로 표면이 검사된다.XRC measurements of undoped gallium nitride crystals grown in this manner are performed. Using the Cu β line? Line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. The measurements indicate that the (0002) plane has a peak width at half height value of 300 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 320 seconds. Both are good values. An atomic microscope is used to examine the surface of the top film of gallium nitride crystals. It has been found that the surface has a good shape and no growth pits are observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the sample is immersed in a solution of sulfuric acid and phosphoric acid at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. Next, the surface is inspected with an atomic force microscope to measure an etch-pit density of about 7 × 10 7 cm −2 .
갈륨 나이트라이드 결정막 성장 단계 전에 표본이 반응기로부터 제거될 때, 표본은 또한 상기 절차를 통해 어느 정도까지 동일한 단계를 이용하여 제조될 수 있다. 웨이퍼가 원자 현미경으로 조사될 때, 사파이어 기판은 성장 핵을 구성된 갈륨 나이트라이드 알루미늄의 사다리꼴 결정 단면 덩어리를 가지는 것으로 발견되었다. 따라서, 이러한 실시예의 경우에, 금속 핵 형성 및 어닐링 단계가 반복되어, 기판 상의 금속 핵의 밀도 및 어닐링된 핵의 형태를 제어할 기회가 증가된다. 이것은 공정 정밀도의 증가가 가능해지며 이러한 금속 핵에 기초한 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층에 목표한 형태 및 품질이 주어질 수 있다.When the sample is removed from the reactor before the gallium nitride crystal film growth step, the sample can also be prepared using the same step to some extent through the above procedure. When the wafer was examined under an atomic microscope, the sapphire substrate was found to have trapezoidal crystal cross-sectional masses of gallium nitride aluminum consisting of growth nuclei. Thus, in the case of this embodiment, the metal nucleation and annealing steps are repeated, increasing the chance of controlling the density of the metal nuclei on the substrate and the shape of the annealed nuclei. This allows for an increase in process precision and can be given a desired shape and quality for gallium nitride-based compound semiconductor layers based on these metal nuclei.
실시예 6에서, 금속 핵의 형성 및 어닐링은 3회 반복된다. 그러나, 2회의 반복, 또는 필요에 따라, 4회 이상의 반복도 가능하다.In Example 6, formation and annealing of the metal nucleus is repeated three times. However, two repetitions or, if necessary, four or more repetitions are also possible.
실시예 7Example 7
도 4에서 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 단계 a, b 및 c를 2회 반복한 후에, 단계 d를 수행함으로써 사파이어 기판 상에 형성된다. 단계 a에서, 금속 핵은 1:2:4의 분자 비율로 혼합된 트리메틸 알루미늄(TMAl) 수증기, 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기 및 트리메틸 인듐(TMIn) 수증기를 함유하는 가스를 흘림으로써 기판에 부착되며, 단계 b에서, 금속 핵은 수소 가스로 어닐링되며, 단계 c에서, 수소와 암모니아의 혼합물이 흘려져 어닐링된 금속 핵이 질화 처리되고 상기 금속 핵이 성장 핵이 된다. 단계 a, b 및 c를 2회 반복한 후에, 단계 d에서, TMGa 및 암모니아가 흘려져 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드가 추가로 성장되며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드 결정막이 제공된 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 사파이어 기판 상에 제조된다.As shown in Fig. 4, in this embodiment, the gallium nitride-based compound semiconductor layer is formed on the sapphire substrate by performing step d after repeating steps a, b and c twice. In step a, the metal nucleus is attached to the substrate by flowing a gas containing trimethyl aluminum (TMAl) water vapor, trimethyl gallium (TMGa) water vapor and trimethyl indium (TMIn) water vapor in a molecular ratio of 1: 2: 4, In step b, the metal nucleus is annealed with hydrogen gas, and in step c, a mixture of hydrogen and ammonia is flowed so that the annealed metal nucleus is nitrided and the metal nucleus becomes a growth nucleus. After repeating steps a, b and c twice, in step d, TMGa and ammonia are flowed to further grow gallium nitride on the growth nucleus, whereby a gallium nitride-based compound provided with a gallium nitride crystal film The semiconductor layer is fabricated on a sapphire substrate.
우선, 기판 표면은 열적으로 세정되며, 이 단계 동안, 버블링을 시작하기 위해 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 트리메틸 인듐(TMIn) 함유 버블러를 통해 수소 캐리어 가스가 흘려진다. 각각의 버블러의 파이핑은 반응기에 접속되며, 열적 욕조는 일정한 온도로 버블러를 유지시키는데 사용된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 성장이 시작될 때까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해서 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정 단계가 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소 가스만이 반응기에 공급된다.First, the substrate surface is thermally cleaned and during this step, a hydrogen carrier gas flows through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa), trimethyl aluminum (TMAl) and trimethyl indium (TMIn) to start bubbling. Piping of each bubbler is connected to the reactor, and a thermal bath is used to maintain the bubbler at a constant temperature. Until the growth of the gallium nitride-based compound semiconductor layer begins, TMGa, TMAl, and TMIn water vapor formed by the bubbling and carrier gases are released out of the system through the dehamaging system. After the thermal cleaning step is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen gas is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 900℃로 감소된다. 온도가 900℃에서 안정화되는 것이 확인된 후에, TMGa, TMAl 및 TMIn 라인 밸브가 동작되어 사파이어 기판에 금속 핵을 부착시키는 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 버블링 라인의 질량 흐름 제어기는 TMGa, TMAl 및 TMIn 혼합물을 2:1:4의 분자 비율로 조절하기 위해 사용된다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 900 ° C. After it is confirmed that the temperature is stabilized at 900 ° C, the TMGa, TMAl and TMIn steam valves are operated to supply the reactor with the TMGa, TMAl and TMIn water vapor containing gases to attach metal nuclei to the sapphire substrate. The mass flow controller of the bubbling line is used to control the TMGa, TMAl and TMIn mixtures at a molecular ratio of 2: 1: 4.
3분 동안의 이 공정 후에, 반응기로의 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다. 상기 상태는 수소 캐리어 가스에서 금속 핵을 어닐링시키기 위해 30초 동안 유지된다. 30초 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 상기 핵이 성장 핵이 되도록 반응기에 암모니아 가스가 공급된다. 1분 동안 암모니아 가스를 흘린 후에, 밸브가 사용되어 반응기로의 암모니아 가스의 흐름이 중단된다. 이 상태가 30초 동안 지속된 후에,밸브가 사용되어 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기 함유 가스의 공급이 재개되고 사파이어 기판에 금속 핵이 재부착된다. 3분 동안의 이 공정 후에, 반응기로의 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기 함유 가스의 공급이 30초 동안 정지되어 수소 캐리어 가스에서 금속 핵이 어닐링된다. 30초 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 상기 핵이 성장 핵이 되도록 반응기로의 암모니아 가스의 공급이 시작된다. 이러한 금속 핵의 형성, 어닐링 및 질화 처리 단계의 시퀀스(단계 a →단계 b →단계 c)를 2회 실시된다.After this process for 3 minutes, the supply of TMGa, TMAl and TMIn water vapor containing gases to the reactor is stopped. The state is held for 30 seconds to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. After annealing for 30 seconds, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nuclei, and ammonia gas is supplied to the reactor so that the nuclei become growth nuclei. After flowing ammonia gas for 1 minute, a valve is used to stop the flow of ammonia gas to the reactor. After this state lasts for 30 seconds, the valve is used to resume the supply of the TMGa, TMAl and TMIn water vapor containing gases and reattach the metal nuclei to the sapphire substrate. After this process for 3 minutes, the supply of TMGa, TMAl and TMIn water vapor containing gases to the reactor is stopped for 30 seconds to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. After 30 seconds of annealing, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nucleus and the supply of ammonia gas to the reactor is started so that the nucleus is a growth nucleus. The sequence of the formation, annealing and nitriding treatment steps (step a? Step b? Step c) is carried out twice.
10초 동안 가스를 흘린 후에, 서셉터 온도는 1160℃까지 상승된다. TMGa의 유량은 이 온도 상승 동안 조절된다. 서셉터 온도가 1160℃에 도달하는 것을 확인하고 상기 온도가 안정화되도록 한 후에, TMGa 밸브가 동작되어 성장 핵 상의 갈륨 나이트라이드의 추가 성장을 위한 반응기로의 TMGa의 공급이 시작된다. 1시간 동안의 갈륨 나이트라이드 결정막을 성장시킨 후에, 성장 공정은 반응기로의 TMGa의 공급을 차단함으로써 종료된다. 다음에, 유도 가열기가 스위치 오프되어 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 성장 공정 동안과 동일하게, 암모니아, 질소 및 수소로 구성되지만, 기판이 300℃까지 냉각되었다는 것이 확인될 때, 암모니아와 수소가 차단되지만, 질소 가스는 기판이 반응기로부터 제거되는 온도인, 실온까지 기판이 냉각될 때까지 지속적으로 흘려진다.After flowing gas for 10 seconds, the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. The flow rate of TMGa is regulated during this temperature rise. After confirming that the susceptor temperature reaches 1160 ° C. and allowing the temperature to stabilize, the TMGa valve is operated to begin supplying TMGa to the reactor for further growth of gallium nitride on the growth nucleus. After growing the gallium nitride crystal film for 1 hour, the growth process is terminated by interrupting the supply of TMGa to the reactor. The induction heater is then switched off and the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists of ammonia, nitrogen and hydrogen, as during the growth process, but when it is confirmed that the substrate has cooled to 300 ° C., the ammonia and hydrogen are shut off, but the nitrogen gas causes the substrate to be removed from the reactor. It continues to flow until the substrate cools to room temperature, which is the temperature to be removed.
상기 절차에 의해, 2㎛ 두께의 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정막이 사파이어 기판 상에 제조된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색/투명이며, 에피텍셜 층은 거울 표면을 갖는다.By the above procedure, a 2 μm thick undoped gallium nitride crystal film was produced on the sapphire substrate. The substrate removed from the reactor is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정의 XRC 측정이 수행된다. Cu β 라인 Χ라인 광원을 사용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 상기 측정은 (0002)면이 250초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 피크 폭은 300초인 것을 나타내며, 양쪽 모두 양호한 값이다. 원자 현미경은 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 막의 표면을 조사하기 위해 사용된다. 상기 표면은 우수한 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것이 발견되었다. 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산의 용액에 표본이 10분 동안 280℃의 온도에서 담궈진다. 다음에, 약 3×107cm-2인 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여 원자 현미경으로 표면이 검사된다.XRC measurements of undoped gallium nitride crystals grown in this manner are performed. Using the Cu β line? Line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. The measurement indicates that the (0002) plane has a peak width at half height value of 250 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 300 seconds, both of which are good values. An atomic microscope is used to examine the surface of the top film of gallium nitride crystals. It has been found that the surface has a good shape and no growth pits are observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the sample is immersed in a solution of sulfuric acid and phosphoric acid at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. Next, the surface is inspected with an atomic force microscope to measure an etch-pit density of about 3 × 10 7 cm −2 .
갈륨 나이트라이드 결정막 성장 단계 전에 웨이퍼가 반응기로부터 제거될 때, 표본은 또한 상기 절차를 통해 어느 정도까지 동일한 단계를 이용하여 제조된다. 웨이퍼가 원자 현미경으로 조사될 때, 사파이어 표면은 성장 핵을 구성된 갈륨 나이트라이드 알루미늄의 사다리꼴 결정 단면 덩어리를 가지는 것으로 발견되었다. 따라서, 이러한 실시예 7의 경우에, 금속 핵 형성, 어닐링 및 금속 핵 형성 단계가 반복되어, 기판 상의 금속 핵의 밀도 및 어닐링된 핵의 형태를 제어할 기회가 증가된다. 이것은 공정 정밀도의 증가가 가능해지며 이러한 금속 핵에 기초한 목표한 형태 및 품질의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 주어질 수 있다.When the wafer is removed from the reactor before the gallium nitride crystal film growth step, the specimen is also prepared using the same steps to some extent through the above procedure. When the wafer was examined under an atomic microscope, the sapphire surface was found to have trapezoidal crystal cross-section lumps of gallium nitride aluminum consisting of growth nuclei. Thus, for this Example 7, the metal nucleation, annealing and metal nucleation steps are repeated, increasing the chance of controlling the density of the metal nuclei on the substrate and the shape of the annealed nuclei. This allows for an increase in process precision and can be given a gallium nitride-based compound semiconductor layer of the desired shape and quality based on this metal nucleus.
실시예 7에서, 금속 핵의 형성 및 어닐링은 2회 반복된다. 그러나, 필요에따라, 3회 이상의 반복도 가능하다.In Example 7, formation and annealing of the metal nuclei are repeated twice. However, if necessary, three or more repetitions are possible.
실시예 8Example 8
도 5에서 도시된 바와 같이, 사파이어 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 형성되는 이 실시예에서, 단계 a는 두 단계, 즉, 단계 a1 및 단계 a2로 나누어지며, 그 후에 단계 b, c 및 d가 이어진다. 단계 a1에서, 트리메틸 알루미늄(TMA1) 함유 가스가 흘려지며, 단계 a2에서, 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기 함유 가스가 흘려져, 기판에 금속 핵이 부착된다. 다음으로, 단계 b에서, 금속 핵은 수소 가스로 어닐링되며, 단계 c에서, 수소와 암모니아의 혼합물이 흘려져 어닐링된 금속 핵이 질화 처리되고 상기 핵이 성장 핵이 된다. 단계 d에서, TMGa 및 암모니아가 흘려져 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드가 추가로 성장되며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드 결정막을 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 사파이어 기판 상에 제조된다.As shown in FIG. 5, in this embodiment in which a gallium nitride-based compound semiconductor layer is formed on a sapphire substrate, step a is divided into two steps, namely step a1 and step a2, followed by step b, c and d follow. In step a1, a trimethyl aluminum (TMA1) containing gas is flowed, and in step a2, a trimethyl gallium (TMGa) water vapor containing gas is flowed to attach a metal nucleus to the substrate. Next, in step b, the metal nucleus is annealed with hydrogen gas, and in step c, a mixture of hydrogen and ammonia is flowed so that the annealed metal nucleus is nitrided and the nucleus is a growth nucleus. In step d, TMGa and ammonia are flowed to further grow gallium nitride on the growth nucleus, thereby producing a gallium nitride-based compound semiconductor layer having a gallium nitride crystal film on the sapphire substrate.
우선, 기판 표면은 열적으로 세정되며, 이 단계 동안, 버블링을 시작하기 위해 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 함유 버블러를 통해 수소 캐리어 가스가 흘려진다. 각각의 버블러의 파이핑은 반응기에 접속되며, 열적 욕조는 일정한 온도로 버블러를 유지시키는데 사용된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 성장이 시작될 때까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa 및 TMAl 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해서 시스템 외부로 방출된다.First, the substrate surface is thermally cleaned and during this step a hydrogen carrier gas flows through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl aluminum (TMAl) to start bubbling. Piping of each bubbler is connected to the reactor, and a thermal bath is used to maintain the bubbler at a constant temperature. Until the growth of the gallium nitride-based compound semiconductor layer begins, TMGa and TMAl water vapor formed by the bubbling and carrier gas are released out of the system through the dehamaging system.
열적 세정 단계가 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소 가스만이 반응기에 공급된다. 캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1100℃로 감소된다. 온도가 1100℃에서 안정화되는 것이 확인된 후에, TMAl 라인 밸브가 동작되어 사파이어 기판에 금속(Al) 핵을 부착시키는 공정을 시작하기 위해 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 1분 동안의 이 공정 후에, 밸브의 사용으로 인해 반응기로의 TMAl 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다(단계 a1). 다음으로, TMGa 밸브가 사용되어 사파이어 기판에 금속(Ga) 핵을 부착하는 공정을 시작하는 TMGa 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 2분 동안의 어닐링 후에, 상기 밸브가 사용되어 반응기로의 TMGa 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다(단계 a2). 이 방식으로, 금속 핵의 형성 단계는 두 단계, 즉 단계 a1 및 a2에 걸쳐 수행된다.After the thermal cleaning step is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen gas is supplied to the reactor. After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1100 ° C. After confirming that the temperature has stabilized at 1100 ° C., the TMAl steam containing gas is supplied to the reactor to start the process of attaching the metal (Al) nuclei to the sapphire substrate by operating the TMAl line valve. After this process for one minute, the use of the valve stops the supply of the TMAl water vapor containing gas to the reactor (step a1). Next, a TMGa steam-containing gas is supplied to the reactor that uses a TMGa valve to start the process of attaching the metal (Ga) nuclei to the sapphire substrate. After annealing for 2 minutes, the valve is used to stop the supply of TMGa steam containing gas to the reactor (step a2). In this way, the step of forming the metal nucleus is carried out in two steps, namely steps a1 and a2.
이 상태는 5분 동안 지속되며, 수소 캐리어 가스에서 금속 핵이 어닐링된다. 5분 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 상기 핵이 성장 핵이 되도록 암모니아 가스의 공급이 시작된다.This state lasts for 5 minutes and the metal nucleus is annealed in the hydrogen carrier gas. After annealing for 5 minutes, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nucleus, and the supply of ammonia gas is started so that the nucleus becomes a growth nucleus.
10초 동안 가스를 흘린 후에, 서셉터 온도는 1160℃까지 상승된다. TMGa의 유량은 이 온도 상승 동안 조절된다. 서셉터 온도가 1160℃에 도달하는 것을 확인하고 상기 온도가 안정화되도록 한 후에, TMGa 밸브가 동작되어 성장 핵 상의 갈륨 나이트라이드의 추가 성장을 위한 반응기로의 TMGa의 공급이 시작된다.After flowing gas for 10 seconds, the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. The flow rate of TMGa is regulated during this temperature rise. After confirming that the susceptor temperature reaches 1160 ° C. and allowing the temperature to stabilize, the TMGa valve is operated to begin supplying TMGa to the reactor for further growth of gallium nitride on the growth nucleus.
1시간 동안의 갈륨 나이트라이드 결정막을 성장시킨 후에, 성장 공정은 반응기로의 TMGa의 공급을 차단함으로써 종료된다. 다음에, 유도 가열기가 스위치 오프되어 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 성장 공정 동안과 동일하게, 암모니아, 질소 및 수소로 구성되지만, 기판이 300℃까지 냉각되었다는 것이 확인될 때, 암모니아와 수소가 차단되지만, 질소 가스는기판이 반응기로부터 제거되는 온도인, 실온까지 냉각될 때까지 지속적으로 흘려진다.After growing the gallium nitride crystal film for 1 hour, the growth process is terminated by interrupting the supply of TMGa to the reactor. The induction heater is then switched off and the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists of ammonia, nitrogen and hydrogen, as during the growth process, but when it is confirmed that the substrate has cooled down to 300 ° C., the ammonia and hydrogen are shut off, but the nitrogen gas is removed from the reactor. It continues to flow until it cools to room temperature, which is the temperature to be removed.
상기 절차에 의해, 2㎛ 두께의 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정막이 사파이어 기판 상에 제조된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색/투명이며, 에피텍셜 층은 거울 표면을 갖는다.By the above procedure, a 2 μm thick undoped gallium nitride crystal film was produced on the sapphire substrate. The substrate removed from the reactor is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정의 XRC 측정이 수행된다. Cu β라인 Χ라인 광원을 사용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 상기 측정은 (0002)면이 180초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 피크 폭은 290초인 것을 나타낸다. 원자 현미경은 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 막의 표면을 조사하기 위해 사용되며, 상기 표면은 우수한 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것이 발견되었다. 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산의 용액에 표본이 10분 동안 280℃의 온도에서 담궈진다. 다음에, 약 1×107cm-2인 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여 원자 현미경으로 표면이 검사된다.XRC measurements of undoped gallium nitride crystals grown in this manner are performed. Using a Cu β line δ line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. The measurement indicates that the (0002) plane has a peak width at half height value of 180 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 290 seconds. Atomic microscopy was used to examine the surface of the top film of gallium nitride crystals, which was found to have a good shape and no growth pits were observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the sample is immersed in a solution of sulfuric acid and phosphoric acid at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. Next, the surface is inspected with an atomic force microscope to measure an etch-pit density of about 1 × 10 7 cm −2 .
갈륨 나이트라이드 결정막 성장 단계 전에 웨이퍼가 반응기로부터 제거될 때, 표본은 또한 상기 절차를 통해 어느 정도까지 동일한 단계를 이용하여 제조된다. 웨이퍼가 원자 현미경으로 조사될 때, 사파이어 표면은 성장 핵으로 구성된 갈륨 나이트라이드 알루미늄의 사다리꼴 결정 단면 덩어리를 가지는 것으로 발견되었다.When the wafer is removed from the reactor before the gallium nitride crystal film growth step, the specimen is also prepared using the same steps to some extent through the above procedure. When the wafer was examined under an atomic microscope, the sapphire surface was found to have a trapezoidal crystal cross-section of gallium nitride aluminum composed of growth nuclei.
따라서, 이러한 실시예 8의 경우에, 금속 핵 형성은 두 단계로 수행되며, 상기 핵을 형성하기 위해 역 범위 이상의 금속이 사용될 수 있으며 또한 기판 상의 금속 핵의 밀도가 보다 정확하게 제어될 수 있다. 그 결과, 이러한 금속 핵에 기초한 목표한 형태 및 품질의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 주어질 수 있다.Thus, in the case of this Example 8, metal nucleation is performed in two steps, and metals in the inverse range can be used to form the nucleus, and the density of the metal nuclei on the substrate can be more accurately controlled. As a result, a gallium nitride-based compound semiconductor layer of desired shape and quality based on this metal nucleus can be given.
실시예 8에서, 금속 핵의 형성은 두 단계에 걸쳐 수행되며, 각 단계는 한 번 수행되며, 두 단계는 각각 2회 이상 반복될 수 있다. 게다가, 본 발명은 두 단계에서 수행되는 형성 단계에 제한되지 않는다. 대신에, 상기 단계는 3 단계 이상으로 수행될 수 있다. 반복 회수와 단계 수의 증가로 인해 보다 정확하게 금속 핵이 형성될 수 있다. 또한, 실시예 8에서, 금속 핵은 두 단계에 걸쳐 수행된 후에 수소 캐리어 가스에서 어닐링되지만, 이 어닐링 단계는 생략될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 금속 핵을 위한 적절한 타입의 물질 및 상기 핵을 질화 처리하기 위한 적절한 가스 온도 및 압력을 선택할 필요가 있다.In Example 8, the formation of the metal nucleus is performed in two steps, each step being performed once, and the two steps may be repeated two or more times each. In addition, the present invention is not limited to the forming step performed in two steps. Instead, the step may be performed in three or more steps. Due to the number of repetitions and the increase in the number of steps, metal nuclei can be formed more accurately. Further, in Example 8, the metal nucleus is annealed in the hydrogen carrier gas after being carried out in two steps, but this annealing step can be omitted. In this case, however, it is necessary to select a suitable type of material for the metal nucleus and an appropriate gas temperature and pressure for nitriding the nucleus.
실시예 9Example 9
실시예 8(도 5)의 경우와 마찬가지로, 사파이어 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 형성되는 실시예 9에서, 단계 a는 두 단계, 즉, 단계 a1 및 단계 a2로 나누어지며, 그 후에 단계 b, c 및 d가 이어진다. 단계 a1에서, 트리메틸 알루미늄(TMA1) 수증기 함유 가스가 흘려지며, 단계 a2에서, 1:2의 분자 비율로 혼합된 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기 및 트리메틸 인듐(TMIn) 수증기 함유 가스가 흘려져, 기판에 금속 핵이 부착된다. 단계 a1 및 a2는 상이한 온도에서 수행된다. 단계 b에서, 금속 핵은 수소 가스로 어닐링되며, 단계 c에서, 수소와 암모니아의 혼합물이 흘려져 어닐링된 금속 핵이 질화 처리되어 성장 핵이 형성된다. 단계 d에서, TMGa 및 암모니아가 흘려져 성장 핵 상에 갈륨 나이트라이드가 추가로 성장되며, 이에 의해 갈륨 나이트라이드 결정막을 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 사파이어 기판 상에 제조된다.As in the case of Example 8 (Fig. 5), in Example 9, in which a gallium nitride-based compound semiconductor layer is formed on a sapphire substrate, step a is divided into two steps, namely, step a1 and step a2, This is followed by steps b, c and d. In step a1, a trimethyl aluminum (TMA1) vapor-containing gas is flowed, and in step a2, a mixed trimethyl gallium (TMGa) vapor and trimethyl indium (TMIn) vapor-containing gas are flown in the substrate to a substrate. The metal nucleus is attached. Steps a1 and a2 are performed at different temperatures. In step b, the metal nucleus is annealed with hydrogen gas, and in step c, a mixture of hydrogen and ammonia is flowed to nitrate the annealed metal nucleus to form a growth nucleus. In step d, TMGa and ammonia are flowed to further grow gallium nitride on the growth nucleus, thereby producing a gallium nitride-based compound semiconductor layer having a gallium nitride crystal film on the sapphire substrate.
우선, 기판 표면은 열적으로 세정되며, 이 단계 동안, 버블링을 시작하기 위해 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 트리메틸 인듐(TMIn) 함유 버블러를 통해 수소 캐리어 가스가 흘려진다. 각각의 버블러의 파이핑은 반응기에 접속되며, 열적 욕조는 일정한 온도로 버블러를 유지시키는데 사용된다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층의 성장 단계가 시작될 때까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa, TMAl 및 TMIn 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해서 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정 단계가 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소 가스만이 반응기에 공급된다.First, the substrate surface is thermally cleaned and during this step, a hydrogen carrier gas flows through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa), trimethyl aluminum (TMAl) and trimethyl indium (TMIn) to start bubbling. Piping of each bubbler is connected to the reactor, and a thermal bath is used to maintain the bubbler at a constant temperature. Until the growth phase of the gallium nitride-based compound semiconductor layer begins, TMGa, TMAl and TMIn water vapor formed by the bubbling and carrier gas are released out of the system through the dehamaging system. After the thermal cleaning step is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen gas is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1160℃로 감소된다. 온도가 1160℃에서 안정화되는 것이 확인된 후에, TMAl 라인 밸브가 동작되어 사파이어 기판에 금속(Al) 핵을 부착시키는 공정을 시작하기 위해 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 1분 동안의 이 공정 후에, 상기 밸브가 사용되어 반응기로의 TMAl 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다(단계 a1). 다음으로 서셉터 온도가 950℃로 바뀐다. 온도의 안정화를 위해 10초 동안 기다린 후에, TMGa 및 TMIn 밸브가 사용되어 사파이어 기판에 금속(Ga 및 In) 핵을 부착하는 공정을 시작하는 TMGa 및TMIn 수증기 함유 가스가 반응기에 공급된다. 버블링 라인의 질량 흐름 제어기가 사용되어 1:2 분자 비율로 TMGa 및 TMIn의 혼합 비율을 조절한다. 2분 동안의 어닐링 후에, 상기 밸브가 사용되어 반응기로의 TMGa 및 TMIn 수증기 함유 가스의 공급이 정지된다(단계 a2). 금속 핵의 형성 단계는 두 단계, 즉 단계 a1 및 a2에 걸쳐 수행된다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1160 ° C. After confirming that the temperature has stabilized at 1160 ° C., the TMAl steam containing gas is fed to the reactor to start the process of attaching the metal (Al) nuclei to the sapphire substrate by operating the TMAl line valve. After this process for one minute, the valve is used to stop the supply of the TMAl water vapor containing gas to the reactor (step a1). Next, the susceptor temperature is changed to 950 ° C. After waiting for 10 seconds for temperature stabilization, the TMGa and TMIn vapor-containing gas is fed to the reactor, where TMGa and TMIn valves are used to begin the process of attaching metal (Ga and In) nuclei to the sapphire substrate. A mass flow controller in the bubbling line is used to adjust the mixing ratio of TMGa and TMIn in a 1: 2 molecular ratio. After annealing for 2 minutes, the valve is used to stop the supply of TMGa and TMIn water vapor containing gases to the reactor (step a2). The step of forming the metal nucleus is carried out in two steps, namely steps a1 and a2.
이 상태는 5분 동안 지속되어 수소 캐리어 가스에서 금속 핵이 어닐링된다. 5분 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 상기 핵이 성장 핵이 되도록 암모니아 가스의 공급이 시작된다.This state lasts for 5 minutes to anneal the metal nuclei in the hydrogen carrier gas. After annealing for 5 minutes, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nucleus, and the supply of ammonia gas is started so that the nucleus becomes a growth nucleus.
10초 동안 가스를 흘린 후에, 서셉터 온도는 1160℃까지 상승된다. TMGa의 유량은 이 온도 상승 동안 조절된다. 서셉터 온도가 1160℃에 도달하는 것을 확인하고 상기 온도가 안정화되도록 한 후에, TMGa 밸브가 동작되어 성장 핵 상의 갈륨 나이트라이드의 추가 성장을 시작하기 위한 반응기로의 TMGa의 공급이 시작된다.After flowing gas for 10 seconds, the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. The flow rate of TMGa is regulated during this temperature rise. After confirming that the susceptor temperature reaches 1160 ° C. and allowing the temperature to stabilize, the TMGa valve is operated to begin supplying TMGa to the reactor to start further growth of gallium nitride on the growth nucleus.
1시간 동안의 갈륨 나이트라이드 결정막을 성장시킨 후에, 성장 공정은 반응기로의 TMGa의 공급을 차단함으로써 종료된다. 다음에, 유도 가열기가 스위치 오프되어 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 성장 공정 동안과 동일하게, 암모니아, 질소 및 수소로 구성되지만, 기판이 300℃까지 냉각되었다는 것이 확인될 때, 암모니아와 수소가 차단되는 동안, 질소 가스는 기판이 반응기로부터 제거되는 온도인, 실온까지 냉각될 때까지 지속적으로 흘려진다.After growing the gallium nitride crystal film for 1 hour, the growth process is terminated by interrupting the supply of TMGa to the reactor. The induction heater is then switched off and the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists of ammonia, nitrogen and hydrogen, as during the growth process, but when it is confirmed that the substrate has cooled to 300 ° C., while the ammonia and hydrogen are blocked, the nitrogen gas causes the substrate to It continues to flow until it cools to room temperature, which is the temperature removed from.
상기 절차에 의해, 2㎛ 두께의 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정막이 사파이어 기판 상에 제조된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색/투명이며, 에피텍셜 층은 거울 표면을 갖는다.By the above procedure, a 2 μm thick undoped gallium nitride crystal film was produced on the sapphire substrate. The substrate removed from the reactor is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정의 XRC 측정이 수행된다. Cu β라인 Χ라인 광원을 사용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 상기 측정은 (0002)면이 190초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 피크 폭은 260초인 것을 나타낸다. 원자 현미경은 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 막의 표면을 조사하기 위해 사용되며, 상기 표면은 우수한 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것이 발견되었다. 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산의 용액에 표본이 10분 동안 280℃의 온도에서 담궈진다. 다음에, 약 1×107cm-2인 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여 원자 현미경으로 표면이 검사된다.XRC measurements of undoped gallium nitride crystals grown in this manner are performed. Using a Cu β line δ line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. The measurements indicate that the (0002) plane has a peak width at half height value of 190 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 260 seconds. Atomic microscopy was used to examine the surface of the top film of gallium nitride crystals, which was found to have a good shape and no growth pits were observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the sample is immersed in a solution of sulfuric acid and phosphoric acid at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. Next, the surface is inspected with an atomic force microscope to measure an etch-pit density of about 1 × 10 7 cm −2 .
갈륨 나이트라이드 결정막 성장 단계 전에 웨이퍼가 반응기로부터 제거될 때, 표본은 또한 상기 절차를 통해 어느 정도까지 동일한 단계를 이용하여 제조된다. 표본이 원자 현미경으로 조사될 때, 사파이어 표면은 성장 핵으로 구성된 갈륨 나이트라이드 알루미늄의 사다리꼴 결정 단면 덩어리를 가지는 것으로 발견되었다.When the wafer is removed from the reactor before the gallium nitride crystal film growth step, the specimen is also prepared using the same steps to some extent through the above procedure. When the specimen was examined under an atomic microscope, the sapphire surface was found to have trapezoidal crystal cross-sections of gallium nitride aluminum composed of growth nuclei.
따라서, 이러한 실시예 9의 경우에, 금속 핵 형성은 두 단계에 걸쳐 수행되며, 각각의 단계는 상이한 온도로 설정된다. 상기 핵을 형성하기 위해 역 범위 이상의 금속이 사용될 수 있으며, 또한 금속 핵의 부착에 관하여 사용된 금속에 보다정확한 온도를 설정할 수 있다. 또한, 기판 상의 금속 핵의 밀도가 보다 정확하게 제어될 수 있다. 그 결과, 이러한 금속 핵에 기초한 목표한 형태 및 품질의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 주어질 수 있다.Thus, in the case of this Example 9, metal nucleation is performed in two steps, each step being set at a different temperature. Metals above the inverse range may be used to form the nucleus, and more precise temperatures may be set for the metal used with respect to the attachment of the metal nucleus. In addition, the density of the metal nuclei on the substrate can be controlled more accurately. As a result, a gallium nitride-based compound semiconductor layer of desired shape and quality based on this metal nucleus can be given.
실시예 9에서, 금속 핵의 형성은 두 단계에 걸쳐 수행되며, 상기 핵은 수소 분위기에서 어닐링된 후에, 이 어닐링 단계는 생략될 수 있다. 이 경우에, 금속 핵 형성 및 질화 처리 단계는 각각 두 단계 이상으로 수행될 수 있다.In Example 9, the formation of the metal nucleus is carried out in two steps, after the nucleus is annealed in a hydrogen atmosphere, this annealing step can be omitted. In this case, the metal nucleation and nitriding treatment steps may each be performed in two or more steps.
비교 실시예 1Comparative Example 1
실시예 1 내지 3 및 5 내지 9에 따라 각각 제조된 표본과 비교하기 위해 비교 웨이퍼 표본이 제조된다. 전술한 JP-A 평 4-297023에서 기술된 바와 같이, 비교 표본은 종래의 저온 버퍼층 방법을 이용하여 제조되었다. 이 방법은 기판 상에 2㎛ 두께의 갈륨 나이트라이드 결정의 비도핑된 막을 제조하는데 사용된다. 따라서, 상기 표본은 무색/투명이고, 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다.Comparative wafer specimens are prepared for comparison with specimens prepared according to Examples 1-3 and 5-9, respectively. As described in JP-A Hei 4-297023 described above, comparative samples were prepared using conventional low temperature buffer layer methods. This method is used to produce an undoped film of 2 μm thick gallium nitride crystals on a substrate. Thus, the specimen is colorless / transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface.
전술한 종래 방법에 의해 성장된 비도핑된 갈륨 나이트라이드 결정막의 XRC 측정은 (0002)면과 (10-12)면이 각각 400초 및 500초의 절반 값에서의 피크 폭을 가지는 것을 나타낸다. 갈륨 나이트라이드 결정의 최상부 층의 표면이 원자 현미경으로 조사될 때, 상기 표면은 다수의 변위가 존재하는 것을 나타내며, 짧은 호(arch)를 가진 산란된 성장 피트 및 테라스를 가지는 것이 발견되었다. 에치-피트 밀도를 측정하기 위하여, 표본은 실시예 5와 동일한 공정을 이용하여 준비된다. 원자 현미경을 이용한 실시예는 2×109cm-2의 에칭-피트 밀도를 나타낸다.XRC measurements of the undoped gallium nitride crystal film grown by the aforementioned conventional method indicate that the (0002) and (10-12) planes have peak widths at half values of 400 seconds and 500 seconds, respectively. When the surface of the top layer of gallium nitride crystals was examined under an atomic microscope, the surface was shown to have a large number of displacements, and was found to have scattered growth pits and terraces with short arches. In order to measure the etch-pit density, a specimen was prepared using the same process as in Example 5. The example using an atomic microscope shows an etch-pit density of 2 × 10 9 cm −2 .
실시예 10Example 10
실시예 10에서, 실시예 8을 참조로 기술된 방법은 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하는데 사용되며, 이 때 반도체 발광 소자를 제조하기 위하여 다른 갈륨 나이트라이드 층이 기판 상에 형성된다.In Example 10, the method described with reference to Example 8 is used to form a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate, with another gallium nitride layer on the substrate to fabricate a semiconductor light emitting device. Is formed.
도 6은 실시예 10에 따라 제조된 반도체 발광 소자의 단면 구조를 도시한다. 실시예 10에서, MOCVD 방법은 다음의 절차를 이용하여, 반도체 발광 소자용 다중층 구조를 형성하기 위해 사용된다. 금속 핵은 트리메틸 알루미늄(TMAl) 수증기 함유 가스를 흘린 후에, 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기 함유 가스를 흘림으로써 고온에서 가열된 기판(11) 상에 형성된다. 다음으로, 금속 핵은 수소 및 암모니아로 질화 처리된다. 다음의 층은 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 2㎛의 Si로 저도핑된 GaN 층(12); 1×1019cm-3의 전자 농도를 갖는 1㎛의 Si로 고도핑된 GaN 층(13); 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 100Å의 In0.1Ga0.9N 클래딩 층(14); GaN 차단층(15)으로 시작되어 GaN 차단층으로 끝나는, 6개의 70-Å GaN 차단층(15) 및 5개의 20Å 비도핑된 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조; 8×1017cm-3의 정공 농도를 갖는 0.15㎛ Mg-도핑된 GaN 층(18); 및 5×1018cm-3의 정공 농도를 갖는 100Å Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)의 순서로 기판 상에 형성된다. 사파이어 구조 및 상기 다중층 구조로 구성된 웨이퍼는 발광 다이오드를 제조하기 위해 사용된다.6 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device manufactured according to Example 10. FIG. In Example 10, the MOCVD method is used to form a multilayer structure for a semiconductor light emitting device using the following procedure. A metal nucleus is formed on the substrate 11 heated at a high temperature by flowing trimethyl aluminum (TMAl) steam containing gas and then flowing trimethyl gallium (TMGa) steam containing gas. Next, the metal nucleus is nitrided with hydrogen and ammonia. The next layer is a GaN layer 12 doped with 2 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 ; A GaN layer 13 heavily doped with 1 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 ; 100 In In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 14 with an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 ; A multi quantum well structure consisting of six 70-kV GaN blocking layers 15 and five 20-kV undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16, starting with GaN blocking layer 15 and ending with GaN blocking layer; 0.15 μm Mg-doped GaN layer 18 with a hole concentration of 8 × 10 17 cm −3 ; And 100 μs Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 having a hole concentration of 5 × 10 18 cm −3 . A sapphire structure and a wafer composed of the multilayer structure are used for manufacturing a light emitting diode.
전술한 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼는 다음의 단계를 이용한 MOCVD 방법에 의해 제조된다.The wafer having the epitaxial structure described above is manufactured by the MOCVD method using the following steps.
우선, 사파이어 기판(11)은 유도 가열기의 RF 코일 내부의 수정 반응기에 배치된다. 질소 가스가 공급된 글로브 박스를 이용하여, 기판은 탄소 서셉터 상에 배치되며, 그 후에 질소 가스는 반응기 내부를 정화시키기 위해 사용된다. 10분 동안 질소 가스를 흘린 후에, 유도 가열기가 활성화되어 기판을 1170℃로 가열시키며, 상기 온도는 10분 이상 상승된다. 동시에, 반응기 내부의 압력은 50hPa로 조절된다. 기판 온도가 1170℃로 유지되는 동안, 수소 가스 및 질소 가스는 9분 동안 흘려져 기판 표면을 열적으로 세정시킨다.First, the sapphire substrate 11 is placed in a quartz reactor inside the RF coil of the induction heater. Using a glove box supplied with nitrogen gas, the substrate is placed on a carbon susceptor, after which nitrogen gas is used to purify the interior of the reactor. After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater is activated to heat the substrate to 1170 ° C. and the temperature is raised for at least 10 minutes. At the same time, the pressure inside the reactor is regulated to 50 hPa. While the substrate temperature is maintained at 1170 ° C., hydrogen gas and nitrogen gas are flowed for 9 minutes to thermally clean the substrate surface.
상기 열적 세정 처리 동안, 수소 캐리어 가스는 버블링을 시작하기 위해, 반응기에 연결된 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 함유하는 버블러를 통해 흘려진다. 열적 욕조는 버블러를 일정한 온도로 유지시키기 위해 사용된다. 성장 공정의 시작까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa 및 TMAl 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정이 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소만이 반응기에 공급된다.During the thermal cleaning process, hydrogen carrier gas is flowed through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl aluminum (TMAl) connected to the reactor to start bubbling. Thermal baths are used to keep the bubbler at a constant temperature. By the beginning of the growth process, TMGa and TMAl water vapor formed by the bubbling and carrier gases are released out of the system through the dehamaging system. After the thermal cleaning is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1100℃까지 감소되고 반응기 압력은 100hPa로 조절된다. 온도가 1100℃로 안정화된 것을 확인한 후에, TMAl 밸브가 동작되어 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급되어, 사파이어 기판에 금속(Al) 핵을 부착시키는 공정이 시작된다. 이 공정의 1분 후에, 상기 TMAl 밸브는 TMAl 수증기 함유 가스 공급을 중단시키는데 사용된다. 다음으로, TMGa 밸브가 동작되어TMGa 수증기 함유 가스를 반응기에 공급되고, 사파이어 기판에 금속(Ga) 핵을 부착시키는 공정을 다시 시작한다. 2분 동안의 이 공정 후에, TMGa 밸브가 사용되어 TMGa 수증기 함유 가스의 공급이 중단된다. 이 방식으로, 금속 핵의 형성은 두 단계로 나누어진다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1100 ° C. and the reactor pressure is adjusted to 100 hPa. After confirming that the temperature has stabilized to 1100 ° C., the TMAl valve is operated to supply the TMAl water vapor-containing gas to the reactor to start the process of attaching the metal (Al) nucleus to the sapphire substrate. After one minute of this process, the TMAl valve is used to stop supplying the TMAl water vapor containing gas. Next, the TMGa valve is operated to supply the TMGa steam-containing gas to the reactor and to resume the process of attaching a metal (Ga) nucleus to the sapphire substrate. After this process for two minutes, the TMGa valve is used to stop the supply of the TMGa steam containing gas. In this way, the formation of metal nuclei is divided into two stages.
이 상태는 5분 동안 지속되어, 수소 캐리어 가스에서 형성된 금속 핵을 어닐링 한다. 5분 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 성장 핵으로 형성하기 위해 반응기로의 암모니아 가스의 공급이 시작된다. 이 시점까지의 절차는 실시예 4의 절차와 동일하다.This state lasts for 5 minutes to anneal the metal nuclei formed in the hydrogen carrier gas. After annealing for 5 minutes, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nuclei and start the supply of ammonia gas to the reactor to form into a growth nucleus. The procedure up to this point is the same as in Example 4.
10초 동안 암모니아를 흘린 후에, 서셉터 온도는 1160℃로 상승된다. TMGa의 라인 유량은 이 온도 상승 동안 조절되며, SiH4의 흐름이 시작된다. Si로 저도핑된 GaN 층의 성장이 시작될 때까지의 시간 동안, SiH4는 디하마나이징 시스템을 통해 외부로 방출된다. 서셉터 온도가 1160℃에 도달된 것을 확인하고 상기 온도가 안정화될 수 있게 한 후에, TMGa 및 SiH4밸브가 동작되어 Si로 저도핑된 GaN 층의 형성을 시작하기 위해 반응기에 TMGa 및 SiH4의 공급이 시작되어, 약 75분 동안 지속된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 GaN 층에서 1×1017cm-3의 전자 농도를 달성하도록 제어된다. 이 방식으로, 2㎛의 두께를 갖는 Si로 저도핑된 GaN 층(12)이 형성된다.After flowing ammonia for 10 seconds, the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. The line flow of TMGa is regulated during this temperature rise and the flow of SiH 4 begins. During the time until the growth of the GaN layer doped with Si begins, SiH 4 is released to the outside through the dehamaging system. After confirming that the susceptor temperature has reached 1160 ° C. and allowing the temperature to stabilize, the TMGa and SiH 4 valves are operated to initiate the formation of TMGa and SiH 4 in the reactor to begin the formation of a low doped GaN layer. Feeding begins and lasts for about 75 minutes. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled to achieve an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 in the GaN layer. In this way, a GaN layer 12 doped with Si having a thickness of 2 mu m is formed.
다음으로, Si로 고도핑된 n-GaN 층이 Si로 저도핑된 GaN 층 상에 성장된다.특히, Si로 저도핑된 GaN 층(12)을 성장시킨 후에, 반응기로의 TMGa 및 SiH4의 공급은 1분 동안 중단되고, 이 시간 동안 SiH4의 유량은 바뀐다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 Si로 고도핑된 GaN 층에서 1×1019cm-3의 전자 농도를 달성하도록 제어된다. 동일한 유량의 암모니아가 반응기에 지속적으로 공급된다. 1분 간의 공급 중단 후에, TMGa 및 SiH4의 공급이 재개되며 층 형성이 45분 동안 지속되어, 1㎛ 두께의 Si로 고도핑된 GaN 층이 형성된다.Next, an n-GaN layer doped with Si is grown on the GaN layer doped with Si. In particular, after growing the GaN layer 12 doped with Si, the TMGa and SiH 4 to the reactor Feeding is interrupted for 1 minute, during which time the flow rate of SiH 4 changes. Based on conventional work, the flow rate of SiH 4 is controlled to achieve an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 in the GaN layer doped with Si. The same flow rate of ammonia is continuously supplied to the reactor. After one minute of interruption of supply, the supply of TMGa and SiH 4 is resumed and layer formation continues for 45 minutes, forming a GaN layer doped with Si having a thickness of 1 μm.
Si로 고도핑된 GaN 층(13)을 형성한 후에, TMGa 및 SiH4의 밸브가 사용되어 이러한 물질이 반응기로 공급되는 것이 중단되고, 캐리어 가스는 암모니아 가스의 흐름이 유지되는 동안 수소에서 질소로 바뀐다. 이 때, 기판의 온도는 1160℃에서 800℃로 감소되며, 동시에 반응기 압력은 100hPa에서 200hPa로 바뀐다.After forming the GaN layer 13 doped with Si, valves of TMGa and SiH 4 are used to stop the supply of these materials to the reactor, and the carrier gas is transferred from hydrogen to nitrogen while the flow of ammonia gas is maintained. Change. At this time, the temperature of the substrate is reduced from 1160 ° C. to 800 ° C., and at the same time the reactor pressure is changed from 100 hPa to 200 hPa.
SiH4의 유량은 반응기 내부의 온도가 바뀌기를 기다리는 동안 변화된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 Si-도핑된 InGaN 클래딩 층에서 1×1017cm-3의 전자 농도를 달성하도록 제어된다. 동일한 유량의 암모니아가 반응기에 지속적으로 공급된다. 버블러로의 트리메틸 인듐(TMIn) 및 트리메틸 갈륨(TEGa) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 클래딩 층의 형성이 시작될 때까지, SiH4가스 및 버블링에 의해 형성된 TMIn 및 TEGa 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 캐리어 가스와 함께 방출된다. 안정화시킬 반응 시간이 주어진 후에, 반응기로의 TMIn, TEGa 및 SiH4의 공급이 시작되고 약 10분 동안 유지되어, 100Å 두께의 Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층(14)이 형성되며, 그 후에 반응기로의 TMIn, TEGa 및 SiH4의 공급은 중단된다.The flow rate of SiH 4 changes while waiting for the temperature inside the reactor to change. Based on conventional work, the flow rate of SiH 4 is controlled to achieve an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 in the Si-doped InGaN cladding layer. The same flow rate of ammonia is continuously supplied to the reactor. The flow of trimethyl indium (TMIn) and trimethyl gallium (TEGa) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the formation of the cladding layer begins, the SiH 4 gas and the TMIn and TEGa water vapor formed by bubbling are released with the carrier gas out of the system through the dehamaging system. After the reaction time to stabilize is given, the supply of TMIn, TEGa and SiH 4 to the reactor is started and maintained for about 10 minutes to form a 100 micron thick Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 14, Thereafter the supply of TMIn, TEGa and SiH 4 to the reactor is stopped.
다음으로, GaN 차단층(15) 및 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조가 제조된다. 우선, GaN 차단층(15)은 Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층(14) 상에 형성되며, 그 후에, GaN 차단층 상에 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)이 형성된다. 요구되는 다중층 구조를 형성하깅 위해 이러한 절차를 5회 반복한 후에, 제 6 GaN 차단층(15)은 제 6 In0.2Ga0.8N 웰 층(16) 상에 형성되어, 각각의 단부에 GaN 차단층을 갖는 구조를 형성한다.Next, a multi quantum well structure composed of a GaN blocking layer 15 and an In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is fabricated. First, a GaN blocking layer 15 is formed on a Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 14, after which an In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is formed on the GaN blocking layer. After repeating this procedure five times to form the required multilayer structure, a sixth GaN barrier layer 15 is formed on the sixth In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16, blocking GaN at each end. Form a structure with a layer.
제 1 GaN 층을 형성하기 위하여, Si-도핑된 In0.1Ga0.9N 클래딩 층의 형성이 완료된 후에, 30초 동안 정지되며, 그 후에 반응기로의 TEGa의 공급이 시작되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 캐리어 가스의 유량이 유지된다. 7분 동안, TEGa의 공급이 정지되며, 70Å 두께의 GaN 차단층의 형성이 완료된다.To form the first GaN layer, after the formation of the Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer is completed, it is stopped for 30 seconds, after which the same substrate temperature, reactor, while the supply of TEGa to the reactor starts The pressure, the type of carrier gas and the flow rate of the carrier gas are maintained. For seven minutes, the supply of TEGa is stopped, and the formation of the 70-nm thick GaN blocking layer is completed.
GaN 차단층의 형성 동안, 클래딩 층(14)의 형성 동안 사용된 유량에 비해, 디하마나이징 시스템으로 흐르는 TMIn의 분자 유량은 2배가 된다. GaN 차단층(15)이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 정지되며, 그 후에 TEGa 및 TMIn 밸브가 동작되어 TEGa 및 TMIn가 반응기에 공급됨과 동시에, 동일한 온도, 반응기 압력 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 2분 후에, TEGa 및 TMIn의 공급이 정지되며, 20Å 두께의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)의 형성이 종료된다.During the formation of the GaN barrier layer, the molecular flow rate of TMIn flowing into the dehamaging system is doubled compared to the flow rate used during the formation of the cladding layer 14. After the GaN blocking layer 15 is completed, the supply of the Group 3 material is stopped for 30 seconds, after which the TEGa and TMIn valves are operated to supply TEGa and TMIn to the reactor, while at the same temperature, reactor pressure and carrier gas The type and flow rate are maintained. After 2 minutes, the supply of TEGa and TMIn is stopped, and the formation of a 20 μm thick In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is finished.
In0.2Ga0.8N 웰 층(16)의 형성이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 중단되며, 그 후에 반응기로의 TEGa의 공급이 시작되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지되어, 다른 GaN 차단층이 성장된다. 5개의 GaN 차단층(15) 및 5개의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)을 제조하기 위하여 이러한 절차가 5회 반복된다. 마지막으로, GaN 차단층(15)이 최종의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16) 상에 형성된다.After the formation of the In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is complete, the supply of group III material is stopped for 30 seconds, after which the supply of TEGa to the reactor begins, while the same substrate temperature, reactor pressure, carrier gas The type and flow rate of is maintained so that another GaN blocking layer is grown. This procedure is repeated five times to produce five GaN blocking layers 15 and five In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16. Finally, a GaN blocking layer 15 is formed on the final In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16.
다음의 절차는 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)을 최종 GaN 차단층(15) 상에 제조하기 위해 사용된다. GaN 차단층(15)을 완료하기 위해 TEGa 공급을 정지한 지 1분이 지나서, 반응기 압력이 100hPa로 바뀌는 동안, 동일한 기판 온도 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 버블러로의 트리메틸 알루미늄(TMAl) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 확산 방지층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 제조된 TMAl 수증기는 캐리어 가스와 함께, 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 다음으로, 안정화시킬 반응기 압력 시간이 주어진 후에, 반응기로의 TEGa 및 TMAl의 공급이 시작된다. 상기 층은 다음의 약 3분 동안 성장되며, 그 후에 TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)의 형성이 중단되어, 30Å 두께의 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)이형성된다.The following procedure is used to fabricate an undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 on the final GaN barrier layer 15. One minute after the TEGa supply is stopped to complete the GaN barrier layer 15, the same substrate temperature and type and flow rate of the carrier gas are maintained while the reactor pressure changes to 100 hPa. The flow of trimethyl aluminum (TMAl) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the diffusion barrier layer forming step begins, the TMAl water vapor produced by bubbling, together with the carrier gas, is released out of the system through the dehamaging system. Next, after the reactor pressure time to stabilize is given, the supply of TEGa and TMAl to the reactor begins. The layer is then grown for about 3 minutes, after which the supply of TEGa and TMAl is stopped to stop the formation of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17, thereby undoping the 30 Å thick undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 is formed.
이 때, Mg-도핑된 GaN 층(18)은 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17) 상에 성장된다. TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)의 성장이 종료된 지 2분이 지나서, 기판의 온도는 1060℃로 상승되며 반응기 압력은 200hPa로 바뀐다. 또한, 캐리어 가스는 수소로 바뀐다. 버블러를 통한 바이사이클로펜타디에닐 마그네슘(Cp2Mg) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. Mg-도핑된 GaN 층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 캐리어 가스와 함께 제조된 Cp2Mg 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 온도 및 압력이 바뀐 후에, 반응기 압력은 안정화될 시간이 주어지며 반응기로의 TMGa 및 Cp2Mg의 공급은 시작된다. Cp2Mg 유량은 이미 연구되었으며, Mg-도핑된 GaN 층에서의 8×1017cm-3의 정공 농도가 달성되도록 조절된다. 약 6분 간의 성장 후에, TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어 Mg-도핑된 GaN 층의 형성이 중단된다. 이러한 공정으로 0.15㎛ 두께의 Mg-도핑된 GaN 층(18)이 형성된다.At this time, the Mg-doped GaN layer 18 is grown on the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17. Two minutes after the supply of TEGa and TMAl stopped and the growth of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 ended, the temperature of the substrate was raised to 1060 ° C. and the reactor pressure was changed to 200 hPa. In addition, the carrier gas is changed to hydrogen. The flow of bicyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) carrier gas through the bubbler has already begun. Until the Mg-doped GaN layer formation step begins, Cp 2 Mg water vapor produced with bubbling with the carrier gas is released out of the system through the dehamaging system. After the temperature and pressure change, the reactor pressure is given time to stabilize and the supply of TMGa and Cp 2 Mg to the reactor begins. Cp 2 Mg flow rates have already been studied and are adjusted to achieve hole concentrations of 8 × 10 17 cm −3 in the Mg-doped GaN layer. After about 6 minutes of growth, the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped to stop the formation of the Mg-doped GaN layer. This process results in a 0.15 μm thick Mg-doped GaN layer 18.
다음으로, Mg-도핑된 InGaN 층(19)이 이러한 Mg-도핑된 GaN 층(18) 상에 다음과 같이 형성된다. TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어, Mg-도핑된 GaN 층(18)의 성장이 종료된 후에, 기판 온도를 800℃로 낮추고 캐리어 가스를 질소로 바꾸기 위해 2분의 시간이 사용된다. 반응기는 200hPa의 동일한 압력으로 유지된다. Cp2Mg의 유량은 Mg-도핑된 GaN 층과 동일한 량의 Mg 도펀트가 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층에 도핑되도록 수정된다. 종래의 연구에 기초하여, Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층에 5×1018cm-3의 정공 농도의 도펀트 량이 제공된다.Next, an Mg-doped InGaN layer 19 is formed on this Mg-doped GaN layer 18 as follows. After the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped and growth of the Mg-doped GaN layer 18 is complete, a time of two minutes is used to lower the substrate temperature to 800 ° C. and convert the carrier gas to nitrogen. The reactor is maintained at the same pressure of 200 hPa. The flow rate of Cp 2 Mg is modified such that the same amount of Mg dopant as the Mg-doped GaN layer is doped into the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer. Based on conventional work, an amount of dopant with a hole concentration of 5 × 10 18 cm −3 is provided in the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer.
기판 온도가 안정화되기를 기다린 후에, 반응기로의 TMIn, TEGa 및 Cp2Mg의 흐름이 시작된다. 10분 동안의 성장 후에, TMIn, TEGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)의 성장이 종료된다. 그 결과, 100Å 두께의 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)이 형성된다.After waiting for the substrate temperature to stabilize, the flow of TMIn, TEGa and Cp 2 Mg into the reactor begins. After 10 minutes of growth, the supply of TMIn, TEGa and Cp 2 Mg is stopped to terminate the growth of the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19. As a result, a 100 g thick Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 is formed.
Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)이 완료된 후에, 유도 가열기는 스위치 오프되며, 이에 의해 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 시간 동안, 반응기의 분위기는 질소만으로 구성된다. 기판이 실온으로 냉각된 것을 확인한 후에, 형성된 웨이퍼가 반응기 외부로 꺼내진다. 웨이퍼는 옅은 황색으로 투명하고, 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다. 전술한 절차에 따라, 반도체 발광 소자에서 사용되는 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼가 제조된다. Mg-도핑된 GaN 층(18) 및 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19) 모두는 p형 캐리어를 활성화시키기 위해 어닐링이 전혀 이용되지 않았음에도 불구하고 p형 특성을 나타낸다.After the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 is complete, the induction heater is switched off, whereby the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this time, the atmosphere of the reactor consists only of nitrogen. After confirming that the substrate has cooled to room temperature, the formed wafer is taken out of the reactor. The wafer is pale yellow and transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface. According to the above-described procedure, a wafer having an epitaxial structure used in a semiconductor light emitting device is manufactured. Both the Mg-doped GaN layer 18 and the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 exhibit p-type characteristics, although no annealing was used to activate the p-type carrier.
다음으로, 사파이어 기판 상에 형성된 상기 에피텍셜 구조를 가지는 웨이퍼는 발광 다이오드를 제조하는데 사용된다. 티타늄, 알루미늄, 및 금으로 이루어진적층, 및 금으로만 형성된 p-전극 결합 패드(20)를 형성함으로써 100Å의 In0.1Ga0.9N 층(18)의 표면(18a) 상에 p-측 전극을 제조하는데 공지된 포토리소그라피 공정이 사용된다. 다음으로, n-측 전극을 형성하는 Si로 고도핑된 GaN 층(13)의 부분(131)을 노출시키기 위해 건식 에칭이 사용되며, Ni 및 Al의 n-전극(22)은 노출된 부분(131)에 제조된다. 도 7은 웨이퍼 상에 제조된 전극의 형태를 도시한다.Next, a wafer having the epitaxial structure formed on the sapphire substrate is used to manufacture a light emitting diode. A p-side electrode was fabricated on the surface 18a of an In 0.1 Ga 0.9 N layer 18 of 100 kV by forming a p-electrode bonding pad 20 formed only of gold, a lamination made of titanium, aluminum, and gold. Known photolithography processes are used for this purpose. Next, dry etching is used to expose the portion 131 of the GaN layer 13 doped with Si to form the n-side electrode, and the n-electrode 22 of Ni and Al is exposed ( 131). 7 shows the shape of an electrode fabricated on a wafer.
다음에, 사파이어 기판의 반대측이 마멸되고 연마되어 거울 표면이 완성되며, 웨이퍼는 350㎛2의 칩으로 절단된다. 다음으로, 칩은 리드 프레임 전극 측 상에 장착되고, 금 배선으로 리드 프레임에 접속된, 발광 소자를 형성한다. 20mA의 순방향 전류가 전극 사이에 인가될 때, 순방향 전압은 3.0V이다. p측 투명 전극을 통해 방출되는 광 파장은 470nm이고, 방출 출력은 6cd이다.Next, the opposite side of the sapphire substrate is abraded and polished to complete the mirror surface, and the wafer is cut into chips of 350 mu m 2 . Next, the chip is mounted on the lead frame electrode side and forms a light emitting element connected to the lead frame with gold wiring. When 20 mA of forward current is applied between the electrodes, the forward voltage is 3.0V. The light wavelength emitted through the p-side transparent electrode is 470 nm, and the emission output is 6 cd.
실시예 11Example 11
이 실시예는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 형성하고 반도체 발광 소자를 제조하는데 사용되는 단계를 참조로 설명될 것이다. 금속 핵은 TMAl의 흐름(단계 a1) 및 TMGa의 흐름(단계 a2)을 2번 바꿈으로써 형성되며, 금속 핵은 어닐링 없이(단계 b) 질화 처리(단계 c)되며, 다음으로, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층이 질화 처리된 핵(단계 d) 위에 형성된다. 제조된 소자는 도 6에서 도시된 것과 동일한 구조를 갖는다.This embodiment will be described with reference to the steps used to form a gallium nitride-based compound semiconductor and to fabricate a semiconductor light emitting device. The metal nucleus is formed by changing the flow of TMAl (step a1) and the flow of TMGa (step a2) twice, and the metal nucleus is nitrided (step c) without annealing (step b), followed by gallium nitride— A base compound semiconductor layer is formed over the nitrided nucleus (step d). The manufactured device has the same structure as shown in FIG.
상기 구조를 갖는 소자의 실시예는 이하에서 기술되는 바와 같이, MOCVD 방법에 의해 제조된다. 사파이어 기판(11)은 유도 가열기의 RF 코일 내부의 수정 반응기에 배치된다. 질소 가스가 공급된 글로브 박스를 이용하여, 기판은 가열을 위해 탄소 서셉터 상에 배치되며, 그 후에 질소 가스가 흘려져 반응기 내부가 정화된다. 실시예 6의 경우와 마찬가지로, 기판은 금속 핵을 부착시키는 단계 이전에 열적으로 세정된다. 열적 세정 동안, 실시예 6에서 사용된 동일한 물질의 버블링이 시작되며, 형성된 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 외부로 배출된다. 열적 세정이 완료된 후에, 질소 캐리어 가스 밸브가 폐쇄되어, 반응기에는 수소 가스만이 공급된다.Embodiments of the device having the above structure are manufactured by the MOCVD method, as described below. The sapphire substrate 11 is placed in a quartz reactor inside the RF coil of the induction heater. Using a glove box supplied with nitrogen gas, the substrate is placed on a carbon susceptor for heating, after which nitrogen gas is flowed to purify the reactor interior. As in the case of Example 6, the substrate is thermally cleaned prior to attaching the metal nuclei. During the thermal cleaning, the bubbling of the same material used in Example 6 begins, and the formed water vapor is discharged to the outside through the dehamaging system. After the thermal cleaning is completed, the nitrogen carrier gas valve is closed so that only hydrogen gas is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1100℃로 감소되고 반응기 압력은 100hPa로 조절된다. 상기 온도가 1100℃로 안정화된 것이 확인된 후에, TMAl 밸브가 사용되어 사파이어 기판에 알루미늄 핵을 부착시키기 위해 TMAl 수증기 함유 가스가 반응로에 공급되기 시작한다. 이 2분 동안의 공정 후에, 반응기로의 TMAl의 공급이 중단된다. 1초 후에, TMGa 라인 밸브가 사용되어 TMGa 수증기 함유 가스가 반응기에 공급되기 시작한다. 이로 인해 기판 상의 알루미늄 핵에 갈륨이 부착되기 시작한다. 4분 후에, 반응기로 TMGa의 공급이 중단된다. 이러한 반응기로의 TMAl 및 TMGa의 공급 동작이 2번 반복된다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1100 ° C. and the reactor pressure is adjusted to 100 hPa. After it is confirmed that the temperature has stabilized to 1100 ° C., a TMAl steam-containing gas begins to be supplied to the reactor to attach an aluminum nucleus to the sapphire substrate using a TMAl valve. After this two minute process, the supply of TMAl to the reactor is stopped. After one second, a TMGa line valve is used to begin supplying the TMGa steam containing gas to the reactor. This starts to attach gallium to the aluminum nucleus on the substrate. After 4 minutes, the supply of TMGa to the reactor is stopped. The feeding operation of TMAl and TMGa to this reactor is repeated twice.
반응기로의 TMGa 수증기의 제 2 공급을 중단과 동시에, 암모니아 가스 라인 밸브가 사용되어 암모니아 가스가 반응기에 공급되기 시작하여, 금속 핵의 질화 처리가 시작된다. 10초 후에, 서셉터 온도가 1160℃로 상승되는 동안, 암모니아 가스의 흐름은 유지된다. 다음으로, Si로 저도핑된 GaN 층이 제조된다. 실시예 10을 참조로 기술된 동일한 절차가 사용되어 Si로 저도핑된 GaN 층(12), Si로 고도핑된 GaN 층(13), In0.1Ga0.9N 클래딩 층(14), 6개의 GaN 차단층(15) 및 5개의 20-A 비도핑 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조, Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17), Mg-도핑된 GaN 층(18) 및 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층(19)이 성장된다.At the same time as stopping the second supply of TMGa water vapor to the reactor, an ammonia gas line valve is used to begin supplying ammonia gas to the reactor, and the nitriding treatment of the metal nucleus begins. After 10 seconds, the flow of ammonia gas is maintained while the susceptor temperature is raised to 1160 ° C. Next, a GaN layer doped with Si is produced. The same procedure described with reference to Example 10 was used to reduce the GaN layer 12 doped with Si, the GaN layer 13 doped with Si, the In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 14, and six GaN blocks. A multi-quantum well structure consisting of layer 15 and five 20-A undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16, Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17, Mg-doped GaN layer 18, and Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer 19 is grown.
웨이퍼의 최상부 층을 형성하는 Mg-도핑된 In0.1Ga0.9N 층의 완성 후에, 유도 가열기가 스위치 오프되며 기판은 20분 이상 실온으로 냉각될 수 있으며, 이 시간 동안 반응기 내의 유일한 가스는 질소이다. 기판이 실온으로 냉각된 것이 확인된 후에, 웨이퍼는 반응기에서 꺼내진다. 웨이퍼는 옅은 황색으로 투명하고 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다.After completion of the Mg-doped In 0.1 Ga 0.9 N layer forming the top layer of the wafer, the induction heater is switched off and the substrate can be cooled to room temperature for at least 20 minutes, during which time the only gas in the reactor is nitrogen. After confirming that the substrate has cooled to room temperature, the wafer is taken out of the reactor. The wafer is pale yellow and transparent and the epitaxial layer has a mirror surface.
전술한 절차에 따르면, 반도체 발광 소자 응용을 위한 다중층 구조를 갖는 웨이퍼가 제조된다. 실시예 6에 사용된 절차는 웨이퍼 상에 전극을 형성하고, 웨이퍼를 절단하여 칩을 제조하고 발광 소자를 형성하기 위하여 리드 프레임 상에 칩을 장착하는데 사용된다. 20mA의 순방향 전류가 이에 의해 제조된 발광 다이오드의 전극 사이에 인가될 때, 순방향 전압은 3.2V이다. p측 전극을 통해 방출된 광 파장은 470nm이고, 상기 소자는 5cd의 출력을 나타낸다.According to the above-described procedure, a wafer having a multilayer structure for semiconductor light emitting device application is manufactured. The procedure used in Example 6 was used to form an electrode on the wafer, cut the wafer to fabricate the chip, and mount the chip on the lead frame to form a light emitting device. When a 20 mA forward current is applied between the electrodes of the LED thus produced, the forward voltage is 3.2V. The light wavelength emitted through the p-side electrode is 470 nm, and the device exhibits an output of 5 cd.
실시예 12Example 12
이 실시예에서, 본 발명의 방법은 기판 상에 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하고, 제 1 층 상에 다른 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성하고, 반도체 발과 소자를 구성하는 적층 구조를 형성하는데 사용된다.In this embodiment, the method of the present invention forms a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate, forms another gallium nitride-based compound semiconductor layer on the first layer, and constructs a semiconductor substrate and device. Used to form a laminated structure.
도 8은 실시예 12에 따라 제조된 반도체 발광 소자의 단면 구조를 나타낸다.MOCVD 방법은 다음과 같은 반도체 발광 소자용 다중층 구조를 갖는 웨이퍼를 형성하는데 사용된다. 금속 핵은 트리메틸 알루미늄(TMAl) 수증기 함유 가스를 흘린 후에, 트리메틸 갈륨(TMGa) 수증기 함유 가스를 흘림으로써 고온에서 가열된 사파이어 기판(11) 상에 형성된다. 다음으로, 금속 핵은 수소에서 어닐링되고 암모니아에서 질화 처리된다. 다음의 층은 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 2㎛의 Si로 저도핑된 GaN 층(12); 1×1019cm-3의 전자 농도를 갖는 1㎛의 Si로 고도핑된 GaN 층(13); GaN 차단층(15)으로 시작되어 GaN 차단층(15)으로 끝나는, 6개의 70-Å GaN 차단층(15) 및 5개의 20Å 비도핑된 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조; 8×1017cm-3의 정공 농도를 갖는 0.15㎛ Mg-도핑된 GaN 층(18)의 순서로 기판 상에 형성된다. 사파이어 기판 및 상기 다중층 구조를 포함하는 웨이퍼는 발광 다이오드를 제조하기 위해 사용된다.Fig. 8 shows a cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device manufactured according to Example 12. The MOCVD method is used to form a wafer having a multilayer structure for a semiconductor light emitting device as follows. A metal nucleus is formed on the sapphire substrate 11 heated at a high temperature by flowing a trimethyl aluminum (TMAl) vapor containing gas and then a trimethyl gallium (TMGa) steam containing gas. Next, the metal nucleus is annealed in hydrogen and nitrified in ammonia. The next layer is a GaN layer 12 doped with 2 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 ; A GaN layer 13 heavily doped with 1 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 ; Multiple quantum consisting of six 70-μs GaN barrier layers 15 and five 20 μs undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16, starting with GaN barrier layer 15 and ending with GaN barrier layer 15. Well structure; It is formed on the substrate in the order of 0.15 μm Mg-doped GaN layer 18 having a hole concentration of 8 × 10 17 cm −3 . A sapphire substrate and a wafer including the multilayer structure are used to manufacture light emitting diodes.
전술한 다중층 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼는 다음의 절차를 이용한 MOCVD 방법에 의해 제조된다.The wafer with the multilayer epitaxial structure described above is manufactured by the MOCVD method using the following procedure.
우선, 사파이어 기판(11)은 유도 가열기의 RF 코일 내부의 수정 반응기에 배치된다. 질소 가스가 공급된 글로브 박스를 이용하여, 기판은 탄소 서셉터 상에 가열을 위해 배치되며, 그 후에 질소 가스는 반응기 내부를 정화시키기 위해 사용된다. 10분 동안 질소 가스를 흘린 후에, 유도 가열기가 활성화되어 기판을 1170℃로 가열시키며, 상기 온도는 10분 이상 상승된다. 동시에, 반응기 내부의 압력은 50hPa로 조절된다. 기판 온도가 1170℃로 유지되는 동안, 수소 가스 및 질소 가스가 9분 동안 흘려져 기판 표면이 열적으로 세정된다.First, the sapphire substrate 11 is placed in a quartz reactor inside the RF coil of the induction heater. Using a glove box supplied with nitrogen gas, the substrate is placed on a carbon susceptor for heating, after which nitrogen gas is used to purify the reactor interior. After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater is activated to heat the substrate to 1170 ° C. and the temperature is raised for at least 10 minutes. At the same time, the pressure inside the reactor is regulated to 50 hPa. While the substrate temperature is maintained at 1170 ° C., hydrogen gas and nitrogen gas are flowed for 9 minutes to thermally clean the substrate surface.
상기 열적 세정 처리 동안, 수소 캐리어 가스는 버블링을 시작하기 위해, 반응기에 연결된 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 함유하는 버블러를 통해 흘려진다. 열적 욕조는 버블러를 일정한 온도로 유지시키기 위해 사용된다. 성장 공정의 시작까지, 버블링 및 캐리어 가스에 의해 형성된 TMGa 및 TMAl 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 열적 세정이 완료된 후에, 질소 가스 밸브가 폐쇄되며, 그 결과 수소만이 반응기에 공급된다.During the thermal cleaning process, hydrogen carrier gas is flowed through a bubbler containing trimethyl gallium (TMGa) and trimethyl aluminum (TMAl) connected to the reactor to start bubbling. Thermal baths are used to keep the bubbler at a constant temperature. By the beginning of the growth process, TMGa and TMAl water vapor formed by the bubbling and carrier gases are released out of the system through the dehamaging system. After the thermal cleaning is completed, the nitrogen gas valve is closed, so that only hydrogen is supplied to the reactor.
캐리어 가스를 바꾼 후에, 기판 온도는 1160℃까지 감소되고 반응기 압력은 100hPa로 조절된다. 온도가 1160℃로 안정화된 것을 확인한 후에, TMAl 밸브가 동작되어 TMAl 수증기 함유 가스가 반응기에 공급되며, 사파이어 기판(11)에 금속(Al) 핵을 부착시키는 공정이 시작된다. 3분 동안의 이 공정 후에, 상기 TMAl 밸브는 TMAl 수증기 함유 가스 공급을 중단시키는데 사용된다. 다음으로, TMGa 밸브가 동작되어 TMGa 수증기 함유 가스를 반응기에 공급되고, 사파이어 기판(11)에 금속(Ga) 핵을 부착시키는 공정을 다시 시작한다. 3분 동안의 이 공정 후에, TMGa 밸브가 사용되어 TMGa 수증기 함유 가스의 공급이 중단된다. 이 방식으로, 금속 핵의 형성은 두 단계로 나누어진다.After changing the carrier gas, the substrate temperature is reduced to 1160 ° C. and the reactor pressure is adjusted to 100 hPa. After confirming that the temperature has stabilized to 1160 ° C, the TMAl valve is operated to supply the TMAl steam-containing gas to the reactor, and the process of attaching the metal (Al) nucleus to the sapphire substrate 11 is started. After this process for 3 minutes, the TMAl valve is used to stop supplying the TMAl water vapor containing gas. Next, the TMGa valve is operated to supply the TMGa steam-containing gas to the reactor, and restart the process of attaching the metal (Ga) nucleus to the sapphire substrate 11. After this process for 3 minutes, the TMGa valve is used to stop the supply of the TMGa steam containing gas. In this way, the formation of metal nuclei is divided into two stages.
이 상태는 5분 동안 지속되어, 수소 캐리어 가스에서 형성된 금속 핵이 어닐링된다. 5분 동안의 어닐링 후에, 암모니아 라인 밸브가 사용되어 어닐링된 금속 핵을 질화 처리하고, 성장 핵이 형성된다. TMGa의 라인의 질량 흐름 제어기는 흐름을 조절하기 위해 조절되는데 사용되며, 지속된 암모니아의 흐름 및 SiH4의 흐름이 시작된다. Si로 저도핑된 GaN 층의 성장 공정이 시작될 때까지의 시간 동안, SiH4는 디하마나이징 시스템을 통해, 캐리어 가스와 함께 외부로 방출된다. TMGa 및 SiH4의 유량이 안정화되며, 그 후에 TMGa 및 SiH4밸브가 사용되어 Si로 저도핑된 GaN 층의 형성을 시작하기 위해 반응기에 TMGa 및 SiH4의 공급이 시작되어, 약 75분 동안 지속된다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 GaN 층에서 1×1017cm-3의 전자 농도를 달성하도록 제어된다. 이 방식으로, 2㎛의 두께를 갖는 Si로 저도핑된 GaN 층(12)이 형성된다.This state lasts for 5 minutes so that the metal nuclei formed in the hydrogen carrier gas are annealed. After 5 minutes of annealing, an ammonia line valve is used to nitrate the annealed metal nucleus and a growth nucleus is formed. The mass flow controller of the line of TMGa is used to regulate the flow, and the continued flow of ammonia and the flow of SiH 4 are initiated. During the time until the growth process of the GaN layer doped with Si is started, SiH 4 is released to the outside along with the carrier gas through the dehamaging system. The flow rate of TMGa and SiH 4 is stabilized, after which the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor is started to start the formation of a low doped GaN layer with SiGa and SiH 4 valves, lasting about 75 minutes do. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled to achieve an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 in the GaN layer. In this way, a GaN layer 12 doped with Si having a thickness of 2 mu m is formed.
다음으로, Si로 고도핑된 n-GaN 층이 Si로 저도핑된 GaN 층 상에 성장된다. 특히, Si로 저도핑된 GaN 층(12)을 성장시킨 후에, 반응기로의 TMGa 및 SiH4의 공급은 1분 동안 중단되고, 이 시간 동안 SiH4의 유량은 바뀐다. 종래의 연구에 기초하여, SiH4의 유량은 Si로 고도핑된 GaN 층에 1×1019cm-3의 전자 농도가 제공되도록 제어된다. 동일한 유량의 암모니아가 반응기에 지속적으로 공급된다. 1분 간의 공급 중단 후에, TMGa 및 SiH4의 공급이 재개되며 층 형성이 45분 동안 지속되어, 1㎛ 두께의 Si로 고도핑된 GaN 층(13)이 형성된다.Next, an n-GaN layer doped with Si is grown on the GaN layer doped with Si. In particular, after growing the low doped GaN layer 12 with Si, the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor is stopped for 1 minute, during which the flow rate of SiH 4 changes. Based on previous studies, the flow rate of SiH 4 is controlled to provide an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 to the GaN layer doped with Si. The same flow rate of ammonia is continuously supplied to the reactor. After one minute of interruption of supply, the supply of TMGa and SiH 4 is resumed and layer formation continues for 45 minutes, forming a GaN layer 13 doped with Si having a thickness of 1 탆.
Si로 고도핑된 GaN 층(13)을 형성한 후에, TMGa 및 SiH4의 밸브가 사용되어이러한 물질이 반응기로 공급되는 것이 중단되고, 캐리어 가스는 암모니아 가스의 흐름이 유지되는 동안 수소에서 질소로 바뀐다. 이 때, 기판의 온도는 1160℃에서 800℃로 감소되며, 동시에 반응기 압력은 100hPa에서 200hPa로 바뀐다. 반응기 온도의 변화를 기다리는 동안, 암모니아는 동일한 유량으로 반응기에 지속적으로 공급된다. 버블러로의 트리메틸 인듐(TMIn) 및 트리에틸 갈륨(TEGa) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 클래딩 층의 형성이 시작될 때까지, 버블링에 의해 형성된 TMIn 및 TEGa 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 캐리어 가스와 함께 방출된다.After forming the GaN layer 13 doped with Si, valves of TMGa and SiH 4 are used to stop the supply of these materials to the reactor, and the carrier gas is transferred from hydrogen to nitrogen while the flow of ammonia gas is maintained. Change. At this time, the temperature of the substrate is reduced from 1160 ° C. to 800 ° C., and at the same time the reactor pressure is changed from 100 hPa to 200 hPa. While waiting for a change in reactor temperature, ammonia is continuously supplied to the reactor at the same flow rate. The flow of trimethyl indium (TMIn) and triethyl gallium (TEGa) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the formation of the cladding layer begins, the TMIn and TEGa water vapor formed by bubbling is released with the carrier gas out of the system through the dehamaging system.
다음으로, GaN 차단층(15) 및 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조가 제조된다. 우선, GaN 차단층(15)은 Si-도핑된 GaN 접촉 층(14) 상에 형성되며, 그 후에, GaN 차단층(15) 상에 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)이 형성된다. 이러한 구조는 5회 반복되며, 그 후에 제 6 GaN 차단층(15)은 제 6 In0.2Ga0.8N 웰 층(16) 상에 형성되어, 각각의 단부에 GaN 차단층(15)을 갖는 구조를 형성한다.Next, a multi quantum well structure composed of a GaN blocking layer 15 and an In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is fabricated. First, a GaN blocking layer 15 is formed on a Si-doped GaN contact layer 14, after which an In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is formed on the GaN blocking layer 15. This structure is repeated five times, after which the sixth GaN blocking layer 15 is formed on the sixth In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 to form a structure having a GaN blocking layer 15 at each end. Form.
제 1 GaN 층을 형성하기 위하여, TEGa 밸브가 사용되어 반응기에 TEGa가 공급되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 7분 동안, TEGa의 공급이 정지되며, 70Å 두께의 GaN 차단층의 형성이 완료된다.To form the first GaN layer, a TEGa valve is used to maintain the same substrate temperature, reactor pressure, type of carrier gas, and flow rate while TEGa is supplied to the reactor. For seven minutes, the supply of TEGa is stopped, and the formation of the 70-nm thick GaN blocking layer is completed.
GaN 차단층(15)이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 정지되며, 그 후에 TEGa 및 TMIn 밸브가 동작되어 TEGa 및 TMIn가 반응기에 공급됨과 동시에, 동일한 기판 온도, 반응기 압력 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 2분 후에, TEGa 및 TMIn의 공급이 정지되며, 20Å 두께의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)의 형성이 종료된다. In0.2Ga0.8N 웰 층(16)의 형성이 완료된 후에, 3족 물질의 공급은 30초 동안 중단되며, 그 후에 반응기로의 TEGa의 공급이 시작되는 동안, 동일한 기판 온도, 반응기 압력, 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지되어, 다른 GaN 차단층(15)이 성장된다. 5개의 GaN 차단층(15) 및 5개의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)을 제조하기 위하여 이러한 절차가 5회 반복된다. 마지막으로, GaN 차단층(15)이 최종의 In0.2Ga0.8N 웰 층(16) 상에 형성된다.After the GaN blocking layer 15 is completed, the supply of the Group 3 material is stopped for 30 seconds, after which the TEGa and TMIn valves are operated to supply the TEGa and TMIn to the reactor while simultaneously supplying the same substrate temperature, reactor pressure and carrier gas. The type and flow rate of are maintained. After 2 minutes, the supply of TEGa and TMIn is stopped, and the formation of a 20 μm thick In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is finished. After the formation of the In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16 is complete, the supply of group III material is stopped for 30 seconds, after which the supply of TEGa to the reactor begins, while the same substrate temperature, reactor pressure, carrier gas The type and the flow rate of are maintained, so that another GaN blocking layer 15 is grown. This procedure is repeated five times to produce five GaN blocking layers 15 and five In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16. Finally, a GaN blocking layer 15 is formed on the final In 0.2 Ga 0.8 N well layer 16.
다음의 절차는 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)을 양자 웰 구조의 최종 GaN 차단층(15) 상에 제조하기 위해 사용된다. GaN 차단층(15)을 완료하기 위해 TEGa 공급을 중단한 지 1분이 지나서, 반응기 압력은 100hPa로 바뀌는 동안, 동일한 기판 온도 및 캐리어 가스의 타입 및 유량이 유지된다. 버블러로의 트리메틸 알루미늄(TMAl) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. 확산 방지층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 제조된 TMAl 수증기는 캐리어 가스와 함께, 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 방출된다. 다음으로, 안정화시킬 반응기 압력 시간이 주어진 후에, TEGa 및 TMAl 밸브가 동작되어 반응기로의 TEGa 및 TMAl의 공급이 시작된다. 상기 층은 다음의 약 3분 동안 성장되며, 그 후에 TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)의 형성이 중단된다. 얻어진 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)의 두께는 30Å이다.The following procedure is used to fabricate an undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 on the final GaN barrier layer 15 of the quantum well structure. One minute after the TEGa supply was stopped to complete the GaN barrier layer 15, the same substrate temperature and type and flow rate of the carrier gas were maintained while the reactor pressure was changed to 100 hPa. The flow of trimethyl aluminum (TMAl) carrier gas into the bubbler has already begun. Until the diffusion barrier layer forming step begins, the TMAl water vapor produced by bubbling, together with the carrier gas, is released out of the system through the dehamaging system. Next, after the reactor pressure time to stabilize is given, the TEGa and TMAl valves are operated to begin supplying TEGa and TMAl to the reactor. The layer is grown for the next about 3 minutes, after which the supply of TEGa and TMAl is stopped to stop the formation of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17. The thickness of the obtained undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 is 30 kPa.
다음의 절차는 Mg-도핑된 GaN 층(18)이 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17) 상에 성장되는데 이용된다. TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 비도핑된 Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17)의 성장이 종료된 지 2분이 지나서, 기판의 온도는 1060℃로 상승되며 반응기 압력은 200hPa로 바뀌고, 캐리어 가스는 수소로 바뀐다. 버블러를 통한 바이사이클로펜타디에닐 마그네슘(Cp2Mg) 캐리어 가스의 흐름은 이미 시작되었다. Mg-도핑된 GaN 층 형성 단계가 시작될 때까지, 버블링에 의해 제조된 Cp2Mg 수증기는 디하마나이징 시스템을 통해 캐리어 가스와 함께 시스템 외부로 방출된다.The following procedure is used to grow the Mg-doped GaN layer 18 on the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17. Two minutes after the growth of TEGa and TMAl was stopped and the growth of the undoped Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17 ended, the temperature of the substrate was raised to 1060 ° C. and the reactor pressure was changed to 200 hPa. Converted to hydrogen. The flow of bicyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) carrier gas through the bubbler has already begun. Until the Mg-doped GaN layer forming step begins, bubbling produced Cp 2 Mg water vapor is discharged out of the system along with the carrier gas through the dehamaging system.
온도 및 압력이 바뀐 후에, 반응기 압력은 안정화될 시간이 주어지며 반응기로의 TMGa 및 Cp2Mg의 공급은 시작된다. Cp2Mg 유량은 이미 연구되었으며, Mg-도핑된 GaN 클래딩 층에서의 8×1017cm-3의 정공 농도가 달성되도록 조절된다. 약 6분 간의 층 성장 후에, TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어 Mg-도핑된 GaN 층의 형성이 중단된다. 이러한 공정으로 0.15㎛ 두께의 Mg-도핑된 GaN 층(18)이 형성된다.After the temperature and pressure change, the reactor pressure is given time to stabilize and the supply of TMGa and Cp 2 Mg to the reactor begins. Cp 2 Mg flow rates have already been studied and are adjusted to achieve hole concentrations of 8 × 10 17 cm −3 in the Mg-doped GaN cladding layer. After about 6 minutes of layer growth, the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped to stop the formation of the Mg-doped GaN layer. This process results in a 0.15 μm thick Mg-doped GaN layer 18.
다음으로, Mg-도핑된 InGaN 층(19)이 Mg-도핑된 GaN 층(18) 상에 다음과 같이 형성된다. TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 정지되어, Mg-도핑된 GaN 층(18)의 성장이 종료된 후에, 기판 온도를 800℃로 낮추고 캐리어 가스를 질소로 바꾸기 위해 2분의 시간이 사용된다. 반응기는 200hPa의 동일한 압력으로 유지된다. 유도 가열기는 스위치 오프되며, 이에 의해 기판은 20분 이상 실온으로 냉각된다. 이 냉각 시간 동안, 반응기의 분위기는 질소에 1%의 암모니아의 혼합물로 구성된다. 기판이 실온으로 냉각된 것을 확인한 후에, 형성된 웨이퍼가 반응기 외부로 꺼내진다. 웨이퍼는 옅은 황색으로 투명하고, 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다. 전술한 절차에 따라, 반도체 발광 소자에서 사용되는 에피텍셜 구조를 구비한 웨이퍼가 제조된다. Mg-도핑된 GaN 층(18)은 p형 캐리어를 활성화시키기 위한 어닐링이 전혀 이용되지 않았음에도 불구하고 p형 특성을 나타낸다.Next, an Mg-doped InGaN layer 19 is formed on the Mg-doped GaN layer 18 as follows. After the supply of TMGa and Cp 2 Mg is stopped and growth of the Mg-doped GaN layer 18 is complete, a time of two minutes is used to lower the substrate temperature to 800 ° C. and convert the carrier gas to nitrogen. The reactor is maintained at the same pressure of 200 hPa. The induction heater is switched off, whereby the substrate is cooled to room temperature for at least 20 minutes. During this cooling time, the atmosphere of the reactor consists of a mixture of 1% ammonia in nitrogen. After confirming that the substrate has cooled to room temperature, the formed wafer is taken out of the reactor. The wafer is pale yellow and transparent, and the epitaxial layer has a mirror surface. According to the above-described procedure, a wafer having an epitaxial structure used in a semiconductor light emitting device is manufactured. Mg-doped GaN layer 18 exhibits p-type properties, although no annealing is used to activate the p-type carrier.
사파이어 기판 상에 형성된 상기 에피텍셜 구조를 가지는 웨이퍼는 발광 다이오드를 제조하는데 사용된다. 티타늄, 알루미늄, 및 금으로 이루어진 적층, 및 금으로만 형성된 투명한 p-측 전극(21)으로 구성된 p-전극 결합 패드(20)를 형성함으로써 100Å의 In0.1Ga0.9N 층(18)의 표면(18a) 상에 p-측 전극을 제조하는데 공지된 포토리소그라피 공정이 사용된다. 다음으로, n-측 전극을 위해 Si로 고도핑된 GaN 층(13)의 부분(131)을 노출시키기 위해 건식 에칭이 사용되며, Ni 및 Al의 n-전극(22)은 노출된 부분(131)에 제조된다. 도 7은 웨이퍼 상에 제조된 전극의 형태를 도시한다.A wafer having the epitaxial structure formed on the sapphire substrate is used to manufacture a light emitting diode. The surface of the In 0.1 Ga 0.9 N layer 18 of 100 Å was formed by forming a p-electrode bonding pad 20 composed of a stack made of titanium, aluminum, and gold, and a transparent p-side electrode 21 formed only of gold. A known photolithography process is used to produce the p-side electrode on 18a). Next, dry etching is used to expose the portion 131 of the GaN layer 13 doped with Si for the n-side electrode, and the n-electrode 22 of Ni and Al is exposed portion 131. Is manufactured). 7 shows the shape of an electrode fabricated on a wafer.
다음으로, 사파이어 기판의 반대측이 마멸되고 연마되어 거울 표면이 완성되며, 웨이퍼는 350㎛2의 칩으로 절단된다. 다음으로, 칩은 리드 프레임 전극 측 상에 장착되고, 금 배선으로 리드 프레임에 접속된, 발광 소자를 형성한다. 20mA의 순방향 전류가 전극 사이에 인가될 때, 순방향 전압은 3.0V이다. p측 투명 전극을통해 방출되는 광 파장은 472nm이고, 방출 출력은 5.9cd이다.Next, the opposite side of the sapphire substrate is abraded and polished to complete the mirror surface, and the wafer is cut into chips of 350 mu m 2 . Next, the chip is mounted on the lead frame electrode side and forms a light emitting element connected to the lead frame with gold wiring. When 20 mA of forward current is applied between the electrodes, the forward voltage is 3.0V. The light wavelength emitted through the p-side transparent electrode is 472 nm and the emission output is 5.9 cd.
비교 실시예 2Comparative Example 2
비교 실시예 2에서, 웨이퍼는 종래의 저온 버퍼층 방법을 이용하여 제조된다. 이 방법은 기판 상에 비도핑된 2㎛ 두께의 갈륨 나이트라이드 막을 제조하는데 사용된다. 준비된 웨이퍼는 무색 및 투명히고, 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다. 실시예 10과 동일한 방식으로, p 및 n 측 전극이 웨이퍼 상에 형성되고, 사파이어 기판의 반대측은 마멸되고 연마되어 거울 표면이 형성되며, 웨이퍼는 350㎛2의 칩으로 절단된다. 다음으로, 칩은 리드 프레임 전극 측 상에 장착되어, 금 배선으로 리드 프레임에 접속되어, 발광 소자를 형성한다. 20mA의 순방향 전류가 전극들 사이에 인가될 때, 순방향 전압은 4.0V이다. p 측 투명 전극을 통해 방출된 광 파장은 470nm이고, 방출 출력은 3cd이다.In Comparative Example 2, the wafer is manufactured using a conventional low temperature buffer layer method. This method is used to produce a 2 μm thick gallium nitride film undoped on a substrate. The prepared wafer is colorless and transparent and the epitaxial layer has a mirror surface. In the same manner as in Example 10, p and n side electrodes are formed on the wafer, opposite sides of the sapphire substrate are abraded and polished to form a mirror surface, and the wafer is cut into chips of 350 mu m 2 . Next, the chip is mounted on the lead frame electrode side and connected to the lead frame with gold wiring to form a light emitting element. When 20 mA of forward current is applied between the electrodes, the forward voltage is 4.0V. The light wavelength emitted through the p-side transparent electrode is 470 nm, and the emission output is 3 cd.
본 발명의 방법에 따라 기판 상에 형성된 고 품질의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 방출 층의 결정도를 향상시켜, 방출 양자 수율을 개선시킨다.The high quality gallium nitride-based compound semiconductor layer formed on the substrate according to the method of the present invention improves the crystallinity of the emitting layer, thereby improving the emission quantum yield.
실시예 13Example 13
기판 상에 형성된 저속 성장 마스크 층을 이용하여 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 결정이 성장되는 실시예가 이제부터 기술될 것이다. 이 실시예에서, 상기 결정은 도 9에서 예시된 단계에 따라 기판 상에 성장된다. MOCVD 방법은 암모니아 및 다이실란(Si2H6)을 흘리고, TMG 및 TMA의 혼합물을 흘린 후, 암모니아를 흘림으로써 에피텍셜 표본이 제조되어 고온으로 가열된 기판 상에 실리콘 나이트라이드에 의해 커버되는 영역 및 알루미늄 나이트라이드 및 갈륨 나이트라이드가 사파이어 기판 상에 부착되어, 그 층위에 비도핑된 GaN 층을 형성하는 영역을 가지는 마스크 층을 제조하는데 사용된다.Embodiments in which gallium nitride-based compound semiconductor crystals are grown using a slow growth mask layer formed on a substrate will now be described. In this embodiment, the crystal is grown on the substrate according to the steps illustrated in FIG. The MOCVD method produces an epitaxial specimen by flowing ammonia and disilane (Si 2 H 6 ), flowing a mixture of TMG and TMA, and then flowing ammonia and covered by silicon nitride on a substrate heated to high temperature. And aluminum nitride and gallium nitride are attached to the sapphire substrate and used to produce a mask layer having a region that forms an undoped GaN layer over the layer.
MOCVD 방법은 다음과 같이, 상기 GaN 층을 포함하는 표본을 제조하는데 사용된다.The MOCVD method is used to prepare a specimen comprising the GaN layer as follows.
사파이어 기판(11)은 유도 가열기의 RF 코일 내부의 수정 반응기에 배치되고, 기판은 가열을 위해 탄소 서셉터 상에 장착된다. 다음으로, 반응기에서 공기가 배출된 후, 질소 가스가 흘려져 반응기 내부가 정화된다. 질소 가스가 10분 동안 흘려진 후에, 가열기가 활성화되어 10분 이상 1170℃로 기판이 가열된다. 기판이 9분 동안 1170℃로 유지되는 동안, 수소 및 질소 가스가 흘려져, 기판 표면이 열적으로 세정된다.The sapphire substrate 11 is placed in a quartz reactor inside the RF coil of the induction heater, and the substrate is mounted on the carbon susceptor for heating. Next, after the air is discharged from the reactor, nitrogen gas flows to purify the inside of the reactor. After nitrogen gas was flowed for 10 minutes, the heater was activated to heat the substrate to 1170 ° C. for at least 10 minutes. While the substrate was held at 1170 ° C. for 9 minutes, hydrogen and nitrogen gas flowed to thermally clean the substrate surface.
열적 세정 동안, 수소 캐리어 가스는 반응기에 연결되고, 트리메틸 갈륨(TMG)를 함유하는 버블러를 통해 흘려져, 버블링이 시작된다. 열적 욕조는 버블러를 일정한 온도로 유지하기 위하여 사용된다. GaN 층 성장 공정의 시작까지, 버블링에 의해 생성된 TMG 수증기는 캐리어 가스와 함께 디하마나이징 시스템을 통해 시스템 외부로 배출된다.During the thermal rinse, the hydrogen carrier gas is connected to the reactor and flowed through a bubbler containing trimethyl gallium (TMG) to start bubbling. Thermal baths are used to maintain the bubbler at a constant temperature. Until the start of the GaN layer growth process, the TMG water vapor generated by bubbling is discharged out of the system through the dehamaging system together with the carrier gas.
열적 세정의 완료 후에, 암모니아 및 다이실란 가스 밸브는 암모니아 및 다이실란 가스의 공급이 중단되도록 사용될 때까지, 1분 동안 사파이어 기판 위에 암모니아 및 다이실란 가스를 흘리기 위해 사용된다. 다음으로, 질소 캐리어 가스 밸브는 질소 가스가 반응기에 공급되기 시작하도록 사용된다. 1분 후에, TMA 및TMG 밸브가 개방되어 1분 동안 반응기에 TMA 및 TMG 함유 캐리어 가스가 공급되며, 그 후에 TMA 및 TMG의 공급이 차단되고 캐리어 가스 밸브는 반응기로 질소가 흘려지기 시작하도록 사용된다. 1분 후에, 반응기로의 암모니아의 공급이 시작되고, 10분 동안 지속되며, 그 후에 상기 공급이 차단되고 질소 가스가 공급된다. 이러한 단계들에 의해 형성된 마스크 층은 실리콘 나이트라이드 영역(5) 및 갈륨 질화물 알루미늄 영역(8)으로 구성된다.After completion of the thermal cleaning, the ammonia and disilane gas valve is used to flow the ammonia and disilane gas over the sapphire substrate for one minute until the supply of ammonia and disilane gas is used to stop. Next, a nitrogen carrier gas valve is used to start supplying nitrogen gas to the reactor. After 1 minute, the TMA and TMG valves are opened to supply the TMA and TMG containing carrier gas to the reactor for 1 minute, after which the supply of TMA and TMG is cut off and the carrier gas valve is used to start flowing nitrogen into the reactor. . After 1 minute, the supply of ammonia to the reactor starts and lasts for 10 minutes, after which the supply is cut off and nitrogen gas is supplied. The mask layer formed by these steps consists of silicon nitride region 5 and gallium nitride aluminum region 8.
마스크 층을 형성한 후에, 기판 온도는 1160℃로 감소된다. 온도가 1160℃로 안정화된 것이 확인된 후에, 암모니아 가스 라인 밸브가 동작되어 암모니아 가스(4)가 반응기에 공급되기 시작한다. 1분 후에, TMG 라인 밸브가 동작되어, TMG 수증기 함유 가스가 반응기에 제공되어 마스크 층 상에 GaN 층(9)이 성장된다. GaN 층의 성장이 약 2시간 동안 진행된 후에, TMG 공급이 차단되어 성장이 종료된다. 다음으로, 가열기가 스위치 오프되고 실시예 1에서 사용된 절차를 이용하여 표본이 제거된다. 전술한 절차에 따라, 마스크 층은 사파이어 기판(1) 상에 형성되고 2㎛ 두께의 GaN 층은 표본을 제조하는 마스크 층 상에 형성된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색 및 투명이고; 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다.After forming the mask layer, the substrate temperature is reduced to 1160 ° C. After confirming that the temperature has stabilized to 1160 ° C, the ammonia gas line valve is operated to start supplying ammonia gas 4 to the reactor. After 1 minute, the TMG line valve is operated so that a TMG steam containing gas is provided to the reactor to grow a GaN layer 9 on the mask layer. After the growth of the GaN layer proceeds for about 2 hours, the TMG supply is cut off and the growth ends. Next, the heater is switched off and the specimen is removed using the procedure used in Example 1. According to the above-described procedure, a mask layer is formed on the sapphire substrate 1 and a 2 μm thick GaN layer is formed on the mask layer for preparing the specimen. The substrate removed from the reactor is colorless and transparent; The epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 GaN 층의 XRC 측정이 수행된다. Cu β 라인 Χ라인 광원을 이용하여, 대칭 (0002)면 및 비대칭 (10-12)면을 이용한 측정이 수행된다. 일반적으로, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 경우에, (0002)면의 XRC 스펙트럼의 절반 높이에서의 피크 폭은 결정의 평탄 지수이고, (10-12)면의 XRC 스펙트럼의 절반 높이에서의 피크 폭은 변위 밀도 지수이다. 상기 측정은(0002)면이 280초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 상기 피크 폭은 300초이다.XRC measurements of the undoped GaN layer grown in this manner are performed. Using the Cu β line? Line light source, measurements using symmetrical (0002) planes and asymmetrical (10-12) planes are performed. In general, for gallium nitride-based compound semiconductors, the peak width at half height of the XRC spectrum of the (0002) plane is the flatness index of the crystal and peak at half height of the XRC spectrum of the (10-12) plane. Width is the displacement density index. The measurement shows that the (0002) plane has a peak width at half height value of 280 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 300 seconds.
원자 현미경으로의 GaN의 최상부 표면의 조사는 우수한 표면 형태를 가지며, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것으로 발견되었다. 상기 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 황산 및 인산 용액에 10분 동안 280℃의 온도로 표본이 담궈진다. 다음에, 원자 현미경으로 상기 표면이 조사되어 약 9×106cm-2의 에칭-피트 밀도가 측정된다.Irradiation of the top surface of GaN with an atomic microscope was found to have a good surface morphology and no growth pits were observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, the specimen is immersed in a sulfuric acid and phosphoric acid solution at a temperature of 280 ° C. for 10 minutes. The surface is then irradiated with an atomic microscope to measure an etch-pit density of about 9 × 10 6 cm −2 .
실시예 14Example 14
이 실시예에서, 결정은 MOCVD 방법을 이용한 도 10에 예시된 단계에 의해 기판 상에 성장된다. 사파이어 기판 표면은 고온으로 암모니아 가스를 흘림으로써 질화 처리된다. 실란 및 TMG의 혼합물을 흘린 후에 암모니아를 흘림으로서 기판 상에, 실리콘 나이트라이드에 의해 커버된 영역 및 갈륨 나이트라이드가 기판에 부착된 영역을 포함하는 마스크 층이 형성된다. 다음으로, 비도핑된 GaN 층이 마스크 층 상에 형성된다.In this embodiment, crystals are grown on the substrate by the steps illustrated in FIG. 10 using the MOCVD method. The sapphire substrate surface is nitrided by flowing ammonia gas at high temperature. By flowing ammonia after flowing the mixture of silane and TMG, a mask layer is formed on the substrate comprising a region covered by silicon nitride and a region where gallium nitride is attached to the substrate. Next, an undoped GaN layer is formed on the mask layer.
실시예 13과 동일한 MOCVD 장치를 사용하여, 다음과 같이, 상기 GaN 층을 포함하는 표본을 제조하는데 MOCVD 방법이 사용된다. 사파이어 기판은 실시예 13과 동일한 방법으로 열적 세정되고, 그 동안 버블링이 시작된다. 열적 세정의 완료후 에, 기판 위에 암모니아가 20분 동안 흘려진 후에 중단된다. 다음으로, 질소 캐리어 가스 밸브가 동작되어 질소 가스가 반응기에 공급되기 시작한다. 이 때, 실란TMG 밸브가 개방되어 실란 및 TMG 수증기를 함유하는 캐리어 가스가 30초 동안 반응기에 공급되며, 그 후에 TMG 및 실란이 차단되며 캐리어 가스 밸브가 사용되어 반응기로의 질소의 이동이 시작된다. 1분 후에, 반응기로의 암모니아의 흐름이 시작되고 10분 동안 지속된 후에, 차단되며 질소 공급이 시작된다. 이 공정에 의해 실리콘 나이트라이드 영역(5) 및 갈륨 나이트라이드 영역(8)을 포함하는 사파이어 기판 상에 마스크 층이 형성된다.Using the same MOCVD apparatus as Example 13, the MOCVD method was used to prepare a specimen comprising the GaN layer as follows. The sapphire substrate is thermally cleaned in the same manner as in Example 13, during which bubbling starts. After completion of the thermal cleaning, ammonia flows over the substrate for 20 minutes before stopping. Next, the nitrogen carrier gas valve is operated to start supplying nitrogen gas to the reactor. At this time, the silaneTMG valve is opened to supply a carrier gas containing silane and TMG water vapor to the reactor for 30 seconds, after which the TMG and silane are shut off and a carrier gas valve is used to start the movement of nitrogen into the reactor. . After 1 minute, the flow of ammonia into the reactor starts and lasts for 10 minutes, after which it is shut off and the nitrogen supply starts. This process forms a mask layer on the sapphire substrate including silicon nitride region 5 and gallium nitride region 8.
마스크 층의 형성 후에, 기판 온도는 1180℃로 감소된다. 온도가 1180℃로 안정화된 것이 확인된 후에, 암모니아 공급이 시작되어 암모니아가 반응기에 흘려진다. 1분 후에, TMG 라인 밸브가 동작되어, TMG 수증기 함유 가스가 반응기에 제공되며 마스크 층 상에 GaN 층이 성장된다. GaN 층의 성장이 약 2시간 동안 진행된 후에, TMG 공급이 차단되어 성장 공정이 종료된다. 다음으로, 가열기가 스위치 오프되고 실시예 1에서 사용된 절차를 이용하여 표본이 반응기로부터 제거된다. 전술한 절차에 따라, 마스크 층(5, 8)은 사파이어 기판(1) 상에 형성되고 2㎛ 두께의 GaN 층은 표본을 제조하는 마스크 층 상에 형성된다. 반응기로부터 제거된 기판은 무색 및 투명이고, 에피텍셜 층은 거울 표면을 가진다.After formation of the mask layer, the substrate temperature is reduced to 1180 ° C. After confirming that the temperature has stabilized to 1180 ° C., ammonia supply is started and ammonia is flowed into the reactor. After 1 minute, the TMG line valve is operated so that a TMG steam containing gas is provided to the reactor and a GaN layer is grown on the mask layer. After the growth of the GaN layer proceeds for about 2 hours, the TMG supply is cut off and the growth process ends. Next, the heater is switched off and the sample is removed from the reactor using the procedure used in Example 1. According to the above-described procedure, mask layers 5 and 8 are formed on the sapphire substrate 1 and a 2 μm thick GaN layer is formed on the mask layer to prepare the specimen. The substrate removed from the reactor is colorless and transparent and the epitaxial layer has a mirror surface.
상기 방법으로 성장된 비도핑된 GaN 층의 XRC 측정이 수행된다. (0002)면은 290초의 절반 높이 값에서의 피크 폭을 가지는 반면, (10-12)면의 상기 피크 폭은 420초이다. 원자 현미경으로의 GaN의 최상부 표면의 조사는 우수한 표면 형태를 가지지만, 성장 피트는 전혀 관찰되지 않는 것이 발견되었다. 상기 막의 에칭-피트 밀도를 측정하기 위하여, 표본이 실시예 13과 동일한 방식으로 준비되고, 원자현미경으로 상기 표면이 조사되어 약 6×107cm-2의 에칭-피트 밀도가 측정된다.XRC measurements of the undoped GaN layer grown in this manner are performed. The (0002) plane has a peak width at half height value of 290 seconds, while the peak width of the (10-12) plane is 420 seconds. Irradiation of the top surface of GaN with an atomic microscope has been found to have a good surface morphology, but no growth pits are observed at all. In order to measure the etch-pit density of the film, a specimen was prepared in the same manner as in Example 13, and the surface was irradiated with an atomic force microscope to measure an etch-pit density of about 6 × 10 7 cm −2 .
실시예 15Example 15
이 실시예는 실시예 13에서 기술된 방법에 의해 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 단계를 포함하는, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 이용한 발광소자 제조 방법에 대해 기술하기 위해 사용된다. 발광 소자의 단면 구조는 도 8에서 도시된 바와 같이, 실시예 12와 동일한 구조를 가진다. MOCVD 방법은 암모니아 및 다이실란(Si2H6)을 흘리고, TMG 및 TMA의 혼합물을 흘린 후, 암모니아를 흘림으로써 반도체 발광 소자의 다중층 구조를 갖는 웨이퍼를 형성하고, 고온으로 가열된 사파이어 기판 상에 실란 질화물에 의해 커버된 영역 및 GaAlN으로 커버된 영역을 갖는 마스크 층을 형성한다. 다음의 층은 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 2㎛의 Si로 저도핑된 GaN 층(12); 1×1019cm-3의 전자 농도를 갖는 1㎛의 Si로 고도핑된 GaN 층(13); GaN 차단층(15)으로 시작되어 GaN 차단층(15)으로 끝나는, 6개의 70-Å GaN 차단층(15) 및 5개의 20Å 비도핑된 In0.2Ga0.8N 웰 층(16)으로 구성된 다중 양자 웰 구조; 8×1017cm-3의 정공 농도를 갖는 0.15㎛ Mg-도핑된 GaN 층(18)의 순서로 기판 상에 형성된다.This example is used to describe a method for manufacturing a light emitting device using a gallium nitride-based compound semiconductor, comprising the step of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor by the method described in Example 13. The cross-sectional structure of the light emitting device has the same structure as that of Example 12, as shown in FIG. The MOCVD method flows ammonia and disilane (Si 2 H 6 ), flows a mixture of TMG and TMA, and then flows ammonia to form a wafer having a multilayer structure of a semiconductor light emitting device, and on a sapphire substrate heated to a high temperature. Form a mask layer having a region covered by silane nitride and a region covered by GaAlN. The next layer is a GaN layer 12 doped with 2 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 ; A GaN layer 13 heavily doped with 1 μm Si having an electron concentration of 1 × 10 19 cm −3 ; Multiple quantum consisting of six 70-μs GaN barrier layers 15 and five 20 μs undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layers 16, starting with GaN barrier layer 15 and ending with GaN barrier layer 15. Well structure; It is formed on the substrate in the order of 0.15 μm Mg-doped GaN layer 18 having a hole concentration of 8 × 10 17 cm −3 .
MOCVD 방법 및 실시예 13과 동일한 절차를 이용하여, 형성되는 제 1 층은 1×1017cm-3의 전자 농도를 갖는 2㎛ 두께의 수평 표면의 Si로 저도핑된 GaN 층(12)이다. 다음으로, 실시예 12에서 기술된 것과 동일한 절차를 이용하여, Si로 고도핑된 GaN 층(12) 상에 형성되며, 그에 후속하여 다중 양자 웰 구조, Al0.2Ga0.8N 확산 방지층(17), 및 Mg-도핑된 GaN 층(18)이 형성된다.Using the same procedure as in the MOCVD method and Example 13, the first layer formed is a GaN layer 12 doped with Si having a 2 μm thick horizontal surface with an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 . Next, using the same procedure as described in Example 12, a GaN layer 12 doped with Si was formed, followed by a multi quantum well structure, Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion barrier layer 17, And Mg-doped GaN layer 18 is formed.
반응기로부터 제거된 웨이퍼 상에서, 공지된 포토리소그라피 공정이 사용되어 p형 InGaN 층의 표면으로부터 시작되어 티타늄, 알루미늄, 및 금의 순서로 적층된 층 및 금으로 형성된 p 측 투명 전극 및 니켈 산화물의 순서로 배치된 층으로 구성된 결합 패드가 제조된다. 다음으로, n 측 전극을 위한 n형 GaN 층의 일부를 노출시키기 위해 건식 에칭 방법이 사용되며, 알루미늄으로 구성된 n 측 전극은 노출된 부분 상에 제조된다. 다음으로, 사파이어 기판의 반대측이 마멸되고 연마되어 거울 표면이 완성되고 웨이퍼는 350㎛2의 칩으로 절단된다. 칩이 리드 프레임 전극 측 상에 장착되고 금 배선으로 리드 프레임에 연결되어, 발광 소자가 형성된다. 20mA의 순방향 전류가 전극들 사이에 인가될 때, 순방향 전압은 3.0V이다. p 측 투명 전극을 통해 방출된 광 파장은 465nm이고, 방출 출력은 3cd이다.On the wafer removed from the reactor, a known photolithography process is used, starting from the surface of the p-type InGaN layer and layered in the order of titanium, aluminum, and gold, and in the order of p-side transparent electrode and nickel oxide formed of gold A bond pad consisting of the disposed layers is produced. Next, a dry etching method is used to expose a portion of the n-type GaN layer for the n-side electrode, and the n-side electrode made of aluminum is fabricated on the exposed portion. Next, the opposite side of the sapphire substrate is abraded and polished to complete the mirror surface and the wafer is cut into chips of 350 mu m 2 . A chip is mounted on the lead frame electrode side and connected to the lead frame with gold wiring to form a light emitting element. When a 20 mA forward current is applied between the electrodes, the forward voltage is 3.0V. The light wavelength emitted through the p-side transparent electrode is 465 nm and the emission output is 3 cd.
산업상 이용 가능성:Industrial availability:
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3족의 질화물 반도체 결정은 저온의 버퍼층을 이용한 종래의 방법에 의해 요구되는 제조 조건의 엄격한 제어 없이 고 품질의 3족의 질화물 반도체 결정을 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해 형성된 3족의 질화물 반도체 결정이 발광 소자를 제조하는데 사용될 때, 실질적으로 균일한 고 휘도의 소자 특성은 웨이퍼의 실질적으로 모든 부분으로부터 제조된 소자에서 얻어질 수 있다.As described above, the Group III nitride semiconductor crystals according to the present invention can easily produce high quality Group III nitride semiconductor crystals without strict control of the manufacturing conditions required by the conventional method using a low temperature buffer layer. Thus, when the group III nitride semiconductor crystals formed by the present invention are used to fabricate a light emitting device, a substantially uniform high brightness device characteristic can be obtained in a device manufactured from substantially all parts of the wafer.
아울러, 본 발명의 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체의 제조 방법에 따르면, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체는 기판에 금속 핵을 부착시킴으로써 제조되어 성장 핵으로 사용된다. 또한, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층은 또한 성장 핵 상에서도 성장된다. 기판 상의 금속 핵의 밀도는 금속-유기 가스의 유량, 가스 이용 시간, 공정 온도, 및 다른 조건들을 제어함으로써 제어될 수 있다.In addition, according to the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor of the present invention, the gallium nitride-based compound semiconductor is prepared by attaching a metal nucleus to a substrate and used as a growth nucleus. In addition, the gallium nitride-based compound semiconductor layer is also grown on the growth nucleus. The density of the metal nuclei on the substrate can be controlled by controlling the flow rate of the metal-organic gas, gas use time, process temperature, and other conditions.
금속 핵을 어닐링시키고 질화 처리함으로써 금속 핵은 수직 및 수평 에피텍셜 성장에 제공될 수 있으며, 또한 예를 들어, 사다리꼴과 같은 목표한 형태의 성장 핵을 얻을 수 있다. 보다 많은 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 성장 핵 상에 성장되고, 인접한 성장 핵 사이의 공간을 채우고 그 위에 수평 층을 성장시킬 수 있다. 따라서, 목표한 두께 및 우수한 결정도를 갖는 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 형성할 수 있다. 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체가 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층 상에 배치되기 때문에, 매우 우수한 격자 정합 특성이 유지될 수 있다. 따라서, 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체 층을 기판 상에 형성할 수 있으며, 각각의 층은 우수한 결정도를 갖는다. 이로 인해 갈륨 나이트라이드-기재 화합물 반도체를 이용하여 제조된 반도체 발광 소자의 방출 특성이 개선된다. 상기 방법에 의해 제조된 반도체 발광 소자는 또한 우수한 휘도 및 다른 방출 특성을 갖는 광원으로서 전자 장비, 차량, 및 교통 신호등으로서 사용될 수 있다. 종래의 방법에 의해 제조된 반도체 발광 소자에 비해, 본발명의 방법에 의해 제조된 발광 소자는 보다 효율적이고 저속에서 악화되어, 상기 발광 소자는 저 에너지를 사용하고, 비용이 감소되며, 자주 교체될 필요가 없다.By annealing and nitriding the metal nuclei, the metal nuclei can be provided for vertical and horizontal epitaxial growth, and also a growth nucleus of a desired shape such as, for example, a trapezoid can be obtained. More gallium nitride-based compound semiconductors can be grown on growth nuclei, filling the spaces between adjacent growth nuclei and growing horizontal layers thereon. Thus, a gallium nitride-based compound semiconductor layer having a desired thickness and good crystallinity can be formed. Since the gallium nitride-based compound semiconductor is disposed on the gallium nitride-based compound semiconductor layer, very good lattice matching properties can be maintained. Thus, a gallium nitride-based compound semiconductor layer can be formed on the substrate, each layer having good crystallinity. This improves the emission characteristics of semiconductor light emitting devices produced using gallium nitride-based compound semiconductors. The semiconductor light emitting element manufactured by the above method can also be used as an electronic equipment, a vehicle, and a traffic light as a light source having excellent brightness and other emission characteristics. Compared with the semiconductor light emitting device manufactured by the conventional method, the light emitting device manufactured by the method of the present invention is more efficient and deteriorated at low speed, so that the light emitting device uses low energy, reduces cost, and is frequently replaced. no need.
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