KR20030074825A

KR20030074825A - 반도체의 결정 성장 방법 및 반도체 발광 소자

Info

Publication number: KR20030074825A
Application number: KR10-2003-7010637A
Authority: KR
Inventors: 나가이세이지; 도미따가즈요시; 이로까와요시히로; 가찌데쯔
Original assignee: 도요다 고세이 가부시키가이샤
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2003-09-19
Also published as: US20040077166A1; EP1361298A1; KR100575177B1; WO2002064865A1; JP2002241191A; CN1491299A; EP1361298A4; JP4127463B2

Abstract

본 발명은 기초 기판 상에 상기 기초 기판과는 상이한 반도체 물질을 결정 성장시키는 반도체의 결정 성장 방법이며, 상기 결정 성장을 개시하기 전에 상기 기초판의 결정 성장면으로부터 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법 및 그 결정 성장 방법을 이용하여 제조된 반도체 결정을 적어도 결정 성장 기판으로서 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 상기한 결정 성장 과정에 있어서, 기초 기판은 이온 주입층을 경계로 파단하여 최종적으로는 박막부와 주요부로 분리된다.

본 발명의 반도체 결정의 제조 방법에 의해, 종래보다도 결정성이 우수한, 크랙이 적은 질화갈륨의 단결정을 얻을 수 있다.

Description

반도체의 결정 성장 방법 및 반도체 발광 소자{SEMICONDUCTOR CRYSTAL GROWING METHOD AND SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}

도4에 예시한 바와 같이 실리콘 기판 상에 질화갈륨(GaN)을 결정 성장시키고, 그 후 상온까지 냉각하면 GaN 성장층에 전위나 크랙이 다수 생기는 것이 일반적으로 알려져 있다.

이와 같이, 성장층에 전위나 크랙이 다수 들어가면, 그 위에 디바이스를 제작한 경우에 디바이스 속에 격자 결함이나 전위, 변형, 크랙 등이 다수 생기는 결과가 되어 디바이스 특성의 열화를 야기하는 원인이 된다.

또한, 실리콘(Si) 기판을 제거하고 성장층만을 남겨 독립된 기판을 얻고자 하는 경우, 상기한 전위나 크랙 등의 작용에 의해 대면적(1 ㎠ 이상)의 것을 얻기 어렵다.

그래서, 종래부터, 예를 들어 이와 같은 소위 헤테로에피택셜 성장에 의해 양질의 반도체 결정을 얻는 수단으로서는 다음 같은 시책이 취해져 왔다.

(제1 종래 수단)

저온 퇴적 완충층을 기판 상에 성막한다. 예를 들어, AlGaN, AlN, GaN, 혹은 AlGaInN 등의 Ⅲ족 질화물 반도체를 저온에서 퇴적시켜 격자 정수차에 의거하는 내부 응력을 완화하는 소위 버퍼층을 성막하는 방법이다.

(제2 종래 수단)

목적으로 하는 반도체 결정에 격자 정수가 가까운 재료를 결정 성장 기판의 재료로서 선택한다. 예를 들어, 단결정의 질화갈륨(GaN)을 목적의 반도체 결정으로 하는 경우 등에는 탄화실리콘(SiC)을 결정 성장 기판의 재료로서 선택한다.

본 발명은, 기초 기판 상에 그 기초 기판과는 상이한 반도체 물질을 결정 성장시켜 반도체 결정을 얻는「반도체의 결정 성장 방법」에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 실시예에 관한 반도체의 모식적인 단면도.

도2는 이온이 주입되는 깊이에 대한 주입 이온수(밀도)를 예시한 그래프.

도3은 이온의 주입 에너지에 대한 이온이 주입되는 깊이[최대 밀도의 깊이(h)]를 예시한 그래프.

도4는 종래의 반도체 결정의 결정 성장 상태를 예시한 모식적인 단면도.

그러나, 버퍼층을 이용해도 목적의 반도체 결정과 기판 사이에 생기는 응력은 충분히 완화할 수는 없다. 즉, 상기한 바와 같은 버퍼층은 응력의 일부만 완화할 수 있고, 예를 들어 사파이어 기판 상에 질화갈륨(GaN)을 결정 성장시킬 때 등에는 GaN 저온 퇴적 완충층을 이용하였다고 해도 상당한 수의 결함이 목적의 반도체 결정(질화갈륨층)에 발생한다.

또한, 목적의 반도체 결정에 가까운 격자 정수를 갖는 기판을 이용하는 경우, 격자 정수차에 기인하는 응력을 완화할 수는 있어도 열팽창 계수차에 의거하는 응력을 완화하는 것은 어려워, 결정 성장 후의 강온시 등에 상당한 수의 결함이 목적의 반도체 결정(질화갈륨층)에 발생하게 된다.

또한, 크랙도 발생하여 자립한 대면적의 반도체 결정을 얻기 어렵다.

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 크랙이 없고 전위의 밀도가 낮은 고품질의 반도체 결정을 얻는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해서는 이하의 수단이 유효하다.

즉, 제1 수단은 기초 기판 상에 그 기초 기판과는 상이한 반도체 물질을 결정 성장시키는 반도체의 결정 성장 순서에 있어서, 결정 성장을 개시하기 전에 기초 기판의 결정 성장면으로부터 이온을 주입하는 것이다.

또한, 제2 수단은 상기한 제1 수단에 있어서, 상기한 결정 성장 후에 기초 기판을 승온 또는 강온함으로써 기초 기판의 일부 또는 전부를 파단시키는 것이다.

또한, 제3 수단은 상기한 제1 또는 제2 수단에 있어서, 결정 성장면으로부터 20 ㎛ 이내의 깊이에 이온을 주입하는 것이다.

또한, 제4 수단은 상기한 제1 내지 제3 중 어느 하나의 수단에 있어서, 주입하는 이온으로서 수소 이온(H⁺), 또는 헬륨 이온(He⁺)을 이용하는 것이다.

또한, 제5 수단은 상기한 제1 내지 제4 중 어느 하나의 수단에 있어서, 이온의 결정 성장면에 대한 단위 면적당의 주입량을「1 × 10¹⁵〔/㎠〕내지 1 × 10²⁰〔㎠〕」로 하는 것이다.

또한, 제6 수단은 상기한 제1 내지 제5 중 어느 하나의 수단에 있어서, 상기한 기초 기판의 재료로서 실리콘(Si), 사파이어(Al₂O₃), 탄화실리콘(SiC), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨네오듐(NdGaO₃), 산화갈륨리튬(LiGaO₂) 또는 산화알루미늄마그네슘(M_gAl₂O₄)을 선택하는 것이다.

또한, 제7 수단은 상기한 제1 내지 제6 중 어느 하나의 수단에 있어서, 상기한 반도체 물질을 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체로 하는 것이다.

단, 여기서 말하는「Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체」는, 일반적으로는 2원, 3원 또는 4원의 「Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x ＋ y ≤ 1)」을 이루는, 일반식으로 나타내는 임의의 혼정비(混晶比)의 반도체가 포함되고, 또한 이들의 조성비(x, y) 등을 거의 좌우하지 않을 정도의 미량 혹은 소량의 p형 혹은 n형의 불순물이 첨가된 반도체도 본 명세서의「Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체」의 범주로 한다.

따라서, 예를 들어 2원계나 혹은 3원계의「Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체」의 경우, AlN, GaN, InN이나, 혹은 임의 또는 적당한 혼정비의 AlGaN, AlInN, GaInN 등은 물론이고, 이들의 각종 반도체의 조성비를 거의 좌우하지 않을 정도의 미량 혹은 소량의 p형 혹은 n형의 불순물이 첨가된 반도체도 본 명세서의「Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체」에 포함된다.

또한, 상기한 Ⅲ족 원소(Al, Ga, In) 중 일부를 붕소(B)나 탈륨(Tl) 등으로 치환하거나, 혹은 질소(N)의 일부를 인(P)이나 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi) 등으로 치환하거나 한 반도체 등도, 또한 본 명세서의「Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체」의 범주로 한다.

또한, 상기한 p형의 불순물로서는, 예를 들어 마그네슘(Mg)이나, 혹은 칼슘(Ca) 등을 첨가할 수 있다.

또한, 상기한 n형의 불순물로서는, 예를 들어 실리콘(Si)이나, 유황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te), 혹은 게르마늄(Ge) 등을 첨가할 수 있다.

또한, 이들의 불순물은 동시에 2원소 이상을 첨가해도 좋고, 동시에 양 형(p형과 n형)을 첨가해도 좋다.

또한, 제8 수단은 상기한 제1 내지 제7 중 어느 하나의 수단에 있어서, 이온의 주입 후, 결정 성장의 개시 전에 기초 기판을 열처리하는 것이다.

또한, 제9 수단은 반도체 발광 소자에 있어서, 상기한 제1 내지 제8 중 어느 하나의 수단에 의해 제조된 반도체 결정을 적어도 결정 성장 기판으로서 구비하는 것이다.

또한, 제10 수단은 상기한 제1 내지 제8 중 어느 하나의 수단에 의해 제조된 반도체 결정을 적어도 결정 성장 기판으로서 이용한 결정 성장에 의해 목적의 반도체 발광 소자를 제조하는 것이다.

이상의 수단에 의해, 상기한 과제를 해결할 수 있다.

이온이 주입되는 기초 기판의 표면(이온 주입면)의 전체면에 걸쳐서 이온의 가속 전압을 동일 레벨로 하여 그 가속 전압을 일정 시간 유지하면, 이온이 주입되는 기초 기판의 표면(이온 주입면)으로부터의 깊이도 대략 일정하게 유지된다. 즉, 이와 같은 이온 주입에 따르면, 이온 밀도가 가장 높아지는 깊이[최대 밀도의 깊이(h)]는 상기한 가속 전압에 대략 비례하여 이 이온 주입면의 전체면에 걸쳐서 대략 같아진다. 이하,「최대 밀도의 깊이(h)」근방의 이온 밀도가 국소적으로 높아져 있는 층을「이온 주입층」이라 한다.

또한, 기초 기판 속에 주입된 이온은, 예를 들어 승온 과정에 있어서 팽창되거나 기화되거나 하는 등의 주로 물리적인 상태 변화를 일으킨다. 그리고, 이들의 상태 변화는 기초 기판의 열팽창 등의 상태 변화보다도 각별히 큰 상태 변화로서 발현한다.

이로 인해, 이온 주입한 상기한 기초 기판을 결정 성장 기판으로서 이용한 경우, 결정 성장 온도나 승강온 과정 등에 있어서, 상기한 이온 주입층을 경계로 기초 기판의 부분적인 파단이 일어난다. 이들의 기초 기판은, 최종적으로는 이온 주입면측의 박막부와 원래의 주요부로 분리된다.

따라서, 이 박막부 상에 성장한 목적의 반도체 결정에는 기판(박막부)이 매우 얇게 부분적으로 분리되어 있으므로, 격자 정수차에 의거하는 응력이 거의 작용하지 않는다. 이로 인해, 목적의 반도체 결정은 종래보다도 결정성이 우수한 양호한 것이 된다.

또한, 결정 성장 후의 강온 과정에 있어서도 기판(박막부)이 매우 얇게 부분적으로 분리되어 있으므로, 이 박막부 상에 성장한 목적의 반도체 결정과 기초 기판과의 열팽창 계수차에 의거하는 응력에 의해, 강온 과정의 비교적 초기에 이온 주입층을 경계로 이온 주입면측의 박막부와 원래의 주요부로 분리된다. 이로 인해, 그 이후, 박막부와 이 박막부 상에 성장한 목적의 반도체 결정에는 열팽창 계수차에 의거하는 응력이 거의 작용하지 않는다.

이들의 작용에 의해, 본 발명의 수단을 이용하면, 크랙이 없고 전위의 밀도가 낮은 고품질의 반도체 결정을 얻을 수 있다.

또한, 주입하는 이온이 깊이[최대 밀도의 깊이(h)]는 목적의 반도체 결정의두께보다도 얇은 쪽이 바람직하고, 일반적인 절대적 목표로서는 20 ㎛ 이내가 바람직하다. 이 두께가 지나치게 두꺼워지면, 상기한 응력이 충분히 완화되지는 않는다.

또한, 상기한 기초 기판의 재료로서는 공지의 결정 성장 기판의 재료가 유효하고, 예를 들어 실리콘(Si), 사파이어(Al₂O₃), 탄화실리콘(SiC), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨네오듐(NdGaO₃), 산화갈륨리튬(LiGaO₂) 또는 산화알루미늄마그네슘(MgAl₂O₄) 등을 결정 성장 기판(상기한 기초 기판)으로서 이용한 결정 성장에 관하여 상기한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예에 의거하여 설명한다. 단, 본 발명은 이하에 나타낸 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 발명의 상세한 설명 난에서 기재한 사항도 발명을 실시하기 위한 최량의 형태이기도 하다.

(1) 이온 주입 기판(기초 기판)의 제작

Si(111) 기판(기초 기판)에 대략 상온에서 수소 이온(H⁺)을 1 × 10¹⁶/㎠의 도우즈량으로, 가속 전압 10 keV의 에너지로 주입한다[도1의 (a)].

도2는 이 때의 이온이 주입되는 깊이에 대한 주입 이온수(밀도)를 예시한 그래프이다. 본 도2로부터도 알 수 있는 바와 같이, 이 이온 주입에 의해 표면(이온 주입면)으로부터의 깊이가 100 ㎚ 전후인 곳에 이온 밀도가 국소적으로 높은 이온 주입층이 형성된다.

(2) GaN/Si 결정 성장

그 후, 유기 금속 화합물 기상 성장법(MOVPE법)으로 이하의 결정 성장을 실시한다.

즉, 우선 상기한 Si 기판(기초 기판)(10)의 이온 주입면 상에 약 1100 ℃에서 AlGaN으로 이루어지는 버퍼층(20)을 약 300 ㎚ 성장하고, 또한 그 위에 1050 ℃에서 목적의 반도체 결정인 질화갈륨(GaN)층(30)을 약 200 ㎛ 성장한다[도1의 (b)]. 이 결정 성장 전의 승온 과정에 있어서, 상기한 Si 기판(10)은 그 표면(이온 주입면)으로부터 h ＝ 100 ㎚ 전후에 위치하는 상기한 이온 주입층을 경계로 부분적으로 파단하고, 최종적으로는 성장 후의 강온 과정에 있어서 막 두께 약 100 ㎚의 박막부(11)와 Si 기판(10)의 주요부로 분리된다.

이상의 반도체 결정의 제조 방법에 의해, 종래보다도 결정성이 우수한, 크랙이 없는 질화갈륨(GaN)의 단결정을 얻을 수 있다.

따라서, 이와 같은 양질의 단결정을, 예를 들어 결정 성장 기판 등의 반도체발광 소자의 일부로서 이용하면, 발광 효율이 높거나, 혹은 구동 전압이 종래보다도 억제된 고품질의 반도체 발광 소자나 반도체 수광 소자 등의 반도체 제품을 제조하는 것이 가능 또는 용이해진다.

또한, 이와 같은 양질의 단결정을 이용하면, 광소자 뿐만 아니라, 내압성이 높은 반도체 파워 소자나 높은 주파수까지 동작하는 반도체 고주파 소자 등의 소위 반도체 전자 소자의 제조도 가능 또는 용이하게 할 수 있다.

이하, 상기한 실시예와는 독립적으로 본 발명의 실시 형태의 변형 가능한 범위에 대해 예시한다.

단, 이들의 변형은 상기한 실시예에 대해서도 각각 적용 가능한 것이다.

예를 들어, 상기한 실시예에 있어서는 유기 금속 화합물 기상 성장법(MOVPE법)을 이용하였지만, 본 발명의 결정 성장은 하이드라이드 기상 성장법(HVPE법) 등에 의해서도 실시 가능하다.

또한, 수소 이온(H⁺) 대신에 (He⁺)를 이용해도 상기한 실시예와 대략 같은 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

또한, 수소 이온의 도우즈량은 기초 기판의 재질 등에도 의존하지만, 대강 1 × 10¹⁵〔/㎠〕내지 1 × 10²⁰〔㎠〕의 범위에 있어서 유효하고, 이 조건 하에 있어서 상기와 대략 같은 작용 및 효과를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는, 수소 이온의 도우즈량은 3 × 10¹⁵내지 1 × 10¹⁷〔/㎠〕정도가 좋고, 더욱 바람직하게는 8× 10¹⁵내지 2 × 10¹⁶〔/㎠〕정도가 좋다. 도우즈량을 적당한 양으로 선택하면, 기초 기판의 박막부와 주요부를 결정 성장 과정에 있어서 분리하는 것도 가능하다.

또한, 이 값이 지나치게 작으면, 기초 기판으로부터 박막부를 확실하게 분리시키는 것이 곤란해진다. 또한, 이 값이 지나치게 크면, 박막부에의 손상이 커져 기초 기판으로부터 박막부를 대략 같은 두께로 깔끔한 형상으로 분리시키는 것이 곤란해진다.

또한, 입사 에너지를 가변으로 하여 기초 기판으로부터 분리되는 박막부의 두께를 제어하는 것도 가능하다. 도3에 이온의 주입 에너지에 대한 이온이 주입되는 깊이[최대 밀도의 깊이(h)]의 측정 결과를 예시한다. 예를 들어, 이와 같이 이온이 주입되는 깊이[최대 밀도의 깊이(h)]는 이온의 주입 에너지에 대략 비례하므로, 입사 에너지(가속 전압)를 조정함으로써 박막부의 두께를 적당히 제어할 수 있다.

또한, 이온 주입 후의 결정 성장 개시 전에 열처리를 행함으로써 미리 이온 주입층에 있어서의 부분적인 파단부(보이드)를 형성하는 동시에, 이온 조사에 의해 손상을 받은 기초 기판의 이온 주입부의 결정성을 회복시킬 수 있다. 또한, 이에 의해, 그 위에 성장하는 반도체의 결정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 박막부의 두께는 20 ㎛ 이하가 바람직하다. 이 두께가 얇을 수록 목적의 반도체 결정에 대한 인장 응력이 완화되어 전위나 크랙의 발생 밀도가 감소된다. 따라서, 보다 바람직하게는, 박막부의 두께는 2 ㎛ 이하가 좋고, 더욱 바람직하게는 200 ㎚ 이하가 좋다. 이들의 값을 실현하기 위해서는, 전술한 도3 등에 따라서 주입 이온수의 피크가 이 정도의 깊이가 되도록 이온의 주입 에너지(가속 전압)를 조정하면 된다.

단, 이온 주입층이 두꺼워져 버리면 박막부의 두께를 제어하기 어려워지므로, 이온 주입층의 두께 등에도 주의를 필요로 한다.

이온 주입층의 두께는, 엄밀하게는 정의할 수 없지만, 예를 들어 도2의 주입 이온수의 피크치에 대한 절반치 폭 등이 하나의 목표가 될 수 있다. 상기한 박막부의 두께는 이 이온 주입층의 두께를 얇게 할 수록 제어하기 쉬워진다.

따라서, 이온의 주입 에너지(가속 전압)를 최대한 일정치로 유지하는 등의 수단이 박막부의 두께를 정확하게 제어하는 데 있어서 유효해진다.

또한, 상대적으로는, 결정 성장시키는 목적의 반도체 결정의 두께는 박막부의 두께와 대략 동등 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 설정에 의해, 목적의 반도체 결정에 대한 응력이 완화되기 쉬워져 전위나 크랙의 발생을 종래보다도 대폭으로 억제하는 것이 가능해진다. 이 응력 완화 효과는 목적의 반도체 결정을 상대적으로 두껍게 할 수록 커진다. 또한, 이 응력 완화 효과는 박막부의 두께 등에도 의존하지만, 박막부의 두께가 20 ㎛ 이하인 경우에는 약 50 내지 200 ㎛ 정도에서 대략 포화된다.

또한, 본 발명은 기초 기판이나 목적의 반도체 결정의 종류(재질)에 특별한 제한이 없고, 전술한 기초 기판 및 반도체 결정의 각 재료끼리의 임의의 조합을 포함하여 공지 혹은 임의의 종류의 헤테로에피택셜 성장에 적용할 수 있다.

또한, 본 발명을 개시하는 데 있어서 가장 실용적이고 적절한 예로서 상기한 실시예를 이용하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위 내에서의 다른 변형예나 응용예를 포함하는 것이다.

Claims

기초 기판 상에 상기 기초 기판과는 상이한 반도체 물질을 결정 성장시키는 반도체의 결정 성장 방법이며,

상기 결정 성장을 개시하기 전에 상기 기초 기판의 결정 성장면으로부터 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정 성장 후, 상기 기초 기판을 승온 또는 강온함으로써 상기 기초 기판의 일부 또는 전부를 파단시키는 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결정 성장면으로부터 20 ㎛ 이내의 깊이에,

상기 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온이 수소 이온(H⁺), 또는 헬륨 이온(He⁺)인 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온의 상기 결정 성장면에대한 단위 면적당 주입량을 1 × 10¹⁵〔/㎠〕이상, 1 × 10²⁰〔㎠〕이하로 한 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기초 기판을 실리콘(Si), 사파이어(Al₂O₃), 탄화실리콘(SiC), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨네오듐(NdGaO₃), 산화갈륨리튬(LiGaO₂) 또는, 산화알루미늄마그네슘(MgAl₂O₄)으로 한 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 물질을 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체로 한 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온의 주입 후, 상기 결정 성장의 개시 전에 상기 기초 기판의 상기 결정 성장면을 열처리하는 것을 특징으로 하는 반도체의 결정 성장 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법을 이용하여 제조된 상기 반도체 결정을 적어도 결정 성장 기판으로서 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법을 이용하여 제조된 상기 반도체 결정을 적어도 결정 성장 기판으로서 이용한 결정 성장에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.