KR20040005271A - 질화갈륨 결정기판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판과; 상기 기판상에 형성되며, 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨과 암모니아 기체에서 분해된 질소가 직접 반응하여 재결정화된 질화갈륨 결정층; 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 제조방법은, 기판이 제공되는 단계와; 갈륨 소오스인 질화갈륨 분말을 승화시켜 갈륨을 얻는 단계와; 질소 소오스인 암모니아 기체를 열분해하여 질소를 얻는 단계; 및 상기 갈륨과 질소를 직접 반응시켜 재결정화시킴으로써 상기 기판상에 질화갈륨 결정층을 성장시키는 단계; 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨과 질소 소오스에서 제공된 질소를 직접 반응시켜 재결정화하므로, 대면적 질화갈륨 결정기판을 성장시키는데 유리하며, 제조공정을 단순화시키는데 유리하다. 특히, 갈륨 소오스로 분말형태의 질화갈륨을 사용하므로 질화갈륨 결정의 성장속도가 빠르다는 장점이 있다.

Description

질화갈륨 결정기판 및 그 제조방법{GaN crystal substrate and method for fabricating thereof}

본 발명은 질화갈륨 결정기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 질화갈륨 분말(GaN powder)에서 승화된 갈륨(Ga)과 질소 소오스(source)에서 제공된 질소(N)를 직접반응에 의해 재결정화함으로써 형성되는 질화갈륨 결정기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화갈륨 결정기판은 고휘도 청색 또는 백색 발광 다이오드(blue/white light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode, LD)를 비롯한 여러 분야에 응용되는 핵심 반도체소자로써 최근 큰 주목을 받고있다.

도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 질화갈륨 결정기판은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 사파이어 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 형성된 질화갈륨 후막층(120)을 포함한 구조를 갖는다.

상기 사파이어 기판은 열적, 화학적 반응에 대단히 안정적인 물질로써 질화륨 결정 성장에 적합한 기판으로 널리 사용된다.

그러나, 상기 사파이어는 질화갈륨 결정과의 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%) 때문에 계면에서 스트레인(strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내 격자 결함을 발생시켜 고품위 질화갈륨 후막층의 성장을 어렵게 할 뿐만 아니라, 이를 이용하여 제작한 소자들의 수명을 단축시킨다.

따라서, 도 2와 같은 사파이어 기판(110) 상에 유기금속 화학기상 증착(Meta

l Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 법으로 질화갈륨 완충층(210)을 성장시킨 다음, 상기 완충층(210) 상에 질화갈륨 후막층(120)을 성장시키게 된다.

이때, 질화갈륨 후막층(120)을 성장시키는 방식으로는 수소화물 증기상 에피(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 법, High Pressure 법 등이 있다.

이중에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 HVPE 법으로, 상기 방식은 성장 속도가 빠르며, 질화갈륨 결정기판을 이용하여 고품질의 질화갈륨 박막을 성장시킬 수 있도록, 상기 후막층(120) 상에 불순물 농도가 낮은 에피층을 성장시킬 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 종래의 HVPE 법은 갈륨 소오스로 GaCl이나 GaCl₃를 사용하고, 질소 소오스로 암모니아(NH₄)를 사용하기 때문에 질화갈륨층 성장과정에서 염화수소(HCl)기체나 염소(Cl₂) 기체와 같은 유독성 물질이 발생되는 문제가 있다. 또한, 시편 위에 주입시 GaCl₃형성반응이 기상과 액상간의 반응으로 여러 변수에 의해 영향을 받아 갈륨공급의 정밀성과 재현성 조절이 어려워 운반기체로 버블링하는 2단계 반응으로 이루어지므로, 제조 공정이 복잡해지고, 이에 따른 공정비 증가의 문제가 있었다.

한편, 종래의 High Pressure 법은 질화갈륨 결정을 성장시키기 위해서 10Kbar이상의 고압과, 1500℃ 이상의 고온이 유지되어야 하므로, 통상적인 장비로는 수행이 어려워 특수한 장비를 사용해야 하는데, 이들의 장비가 고가라는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨과 암모니아에서 분해된 질소를 성장 기판 상에서 직접 반응시키고, 재결정화시켜 형성한 고품위 대면적 질화갈륨 결정기판을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨과 암모니아에서 분해된 질소를 성장 기판 상에서 직접 반응시키고, 재결정화시켜 형성한 고품위 대면적 질화갈륨 결정기판의 제조방법을 제시하는데 있다.

도 1, 도 2는 종래 기술에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에 사용되는 CVD 반응기의 구조를 나타낸 도면.

도 5는 도 4의 CVD 반응기의 성장셀(Growth Cell)을 확대하여 나타낸 도면.

도 6은 도 4의 CVD 반응기에 적용 가능한 다른 구조의 성장셀(Growth Cell)을 확대하여 나타낸 도면.

도 7은 도 4의 CVD 반응기의 크랙커(Cracker)를 확대하여 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 310: (사파이어)기판

120, 330: 질화갈륨 후막층(GaN thick film)

210, 320: 질화갈륨 완충층340: 질화갈륨 캡(cap)층

401: 광학 고온계(optical pyrometer)

402: 배라트론 게이지(baratron gauge)

403: 매스 스펙트로미터(mass spectrometer)

410: 기체 공급부411: 유량 조절기

412: 쓰로틀 밸브(throttle valve)420: 반응부

430: 기체 배기부431: 펌프

432: 게이트 밸브(gate valve)421: 크랙커(cracker)

422: 성장셀(Growth Cell)

422a: 그라파이트 서셉터(graphite suscepter)

422b: 반응관422a-1, 422b-2: 홀더(holder)

422c: 고주파 유도 코일(RF-induction Coil)

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판과; 상기 기판상에 형성되며, 질화갈륨 분말(GaN powder)에서 승화된 갈륨과암모니아 기체에서 분해된 질소가 직접 반응하여 재결정화된 질화갈륨 결정층; 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

여기서, 상기 갈륨과 상기 질소는 바람직하게는 800 ~ 1200℃의 온도와 760 Torr의 압력 조건하에서 재결정화되어 상기 질화갈륨 결정층으로 성장됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 기판과 상기 질화갈륨 결정층은 그 사이에 MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 완충층을 더 포함하며, 상기 질화갈륨 결정층은 그 위에 MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 캡(cap)층을 더 포함함을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판이 제공되는 단계와; 갈륨 소오스인 질화갈륨 분말을 승화시켜 갈륨을 얻는 단계와; 질소 소오스인 암모니아 기체를 열분해하여 질소를 얻는 단계; 및 상기 갈륨과 질소를 직접 반응시켜 재결정화시킴으로써 상기 기판상에 질화갈륨 결정층을 성장시키는 단계; 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서, 상기 본 발명은, 상기 질화갈륨 결정층을 성장시키기 전에 기판상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 완충층을 성장시키는 단계; 를 더 포함하며, 상기 질화갈륨 결정층상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 캡층을 성장시키는 단계; 를 더 포함함을 특징으로 한다.

그리고, 상기 갈륨과 상기 질소는 바람직하게는 800 ~ 1200℃ 온도와 760 Torr 압력 조건하에서 재결정화되어 질화갈륨 결정층으로 성장됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 기판과 상기 질화갈륨 분말은 바람직하게는 0.01 ~ 0.1㎝의 수직거리 또는 0.5 ~ 5㎝의 수평거리를 유지함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판(310)과; 상기 기판(310) 상에 형성되며, MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 완충층(320)과; 상기 완충층(320) 상에 형성되며, 질화갈륨 분말과 암모니아 기체가 직접 반응하여 형성된 질화갈륨 후막층(330); 및 상기 후막층(330) 상에 형성되며, MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 캡층(340); 을 포함한 구조를 갖는다.

여기서, 상기 기판(310)은 질화갈륨 결정이 성장되는 기반으로서, 바람직하게는 사파이어(Sapphire), 규소(Si), 갈륨비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 산화 마그네슘(MgO) 중에서 선택하여 사용할 수 있지만, 특히 바람직하게는 사파이어 기판을 사용한다(이하, 기판은 '사파이어 기판'을 의미한다).

그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 질화갈륨 결정기판의 제조 방법에 대해 살펴보기로 한다.

먼저, 전술한 재질의 성장 기판(310)이 제공되면, 상기 기판(310) 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 완충층(320)을 성장시킨다. 상기 질화갈륨 완충층(320)은 기판과 이후 형성될 질화갈륨 후막층(330) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)으로 인한 스트레스를 완화 시켜주는 역할을 하며, 바람직하게는 1㎛ 이상의 두께를 갖는다.

소정 두께의 질화갈륨 완충층(320)이 형성되면, 후술하는 화학 기상 증착 반응기(Chemical Vapor Deposition Reactor; 이하 CVD 반응기) 내에서, 갈륨 소오스에서 제공된 갈륨과 질소 소오스에서 제공된 질소를 직접 반응시켜, 바람직하게는 100㎛ 이상의 두께를 갖는 질화갈륨 후막층(330)을 성장시킨다. 이때, 상기 갈륨 소오스는 질화갈륨 분말이 사용되고, 상기 질소 소오스는 암모니아 기체가 사용된다.

이후, 상기 질화갈륨 후막층(330) 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 캡층(340)을 성장시킨다. 상기 질화갈륨 캡층(340)은 상기 질화갈륨 후막층(330)을 보호하는 역할을 겸하며, 바람직하게는 2㎛ 이상의 두께를 갖는다.

한편, 상기 질화갈륨 후막층(330)을 성장시키는 방법은 본 발명의 핵심적 내용으로서 도 4, 도 5, 도 6, 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판을 성장시키기 위하여 사용되는 CVD 반응기의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 상기 CVD 반응기는, 운반기체와 암모니아 기체를 공급해 주는 기체 공급부(410)와; 상기 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨을 직접 반응시켜 기판상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 반응부(420); 및 상기 질화갈륨 결정 성장 과정에서 불필요한 기체를 외부로 배출시키는 기체 배기부(430); 를 포함하여 구성된다.

특히, 상기 반응부(420)는 기체 공급부(410)를 통해 유입된 암모니아 기체에서 질소를 열분해시키는 크랙커(421)(Cracker)와, 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 내부의 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨을 직접 반응시켜 재결정화시킴으로써 기판상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 성장셀(422)(Growth Cell) 등을 구비한다.

한편, 도 5는 도 4의 CVD 반응기의 성장셀을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 CVD 반응기에 적용 가능한 다른 구조의 성장셀을 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 성장셀(422)은, 질화갈륨 분말을 수용하기 위한 홈을 갖는 제 1표면과, 상기 제 1표면과 대면하고, 그 사이로 운반기체가 흐를 수 있는 충분한 거리를 가지며, 기판을 고정하기 위한 홀더(422a-1)(422a-2)를 갖는 제 2표면으로 이루어진 서셉터(422a)와; 질화갈륨 결정 성장에 필요한 환경이 조성되도록 상기 서셉터(422a)를 수용하는 반응관(422b); 및 상기 반응관(422b)을 가열하여, 그 내부에 있는 서셉터(422a)의 온도를 질화갈륨 결정의 성장온도로 높여주는 가열수단(422c); 를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 서셉터(422a)는 그라파이트(Graphite) 재질이 사용되고, 결정 성장시 질화갈륨 후막층(330)에 불순물인 탄소가 유입되지 않도록 실리콘 카바이드로 코팅처리 된다.

그리고, 상기 홀더(422a-1)(422a-2)는 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 질화갈륨 분말을 수용하는 홈과 수직을 이루는 위치 또는 수평을 이루는 위치에 형성가능 하다.

그리고, 상기 반응관(422b)은 바람직하게는 석영 재질이며, 상기 가열수단(4

22c)은 바람직하게는 고주파 유도 코일(RF-induction coil)이다.

그럼, 상기 구성을 갖는 CVD 반응기를 이용하여 질화갈륨 후막층(330)을 성장시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판(310)을 상기 성장셀의 그라파이트 서셉터(422a)의 홀더(422a-1 또는 422a-2)에 안착시키고, 그라파이트 서셉터(

422a)의 홈에 갈륨 소오스인 질화갈륨 분말을 투입한다.

이때, 기판과 질화갈륨 분말의 표면간 거리(도 5와 도 6의 P)는 질화갈륨 결정을 성장시키는 중요한 변수가 되는데, 투입되는 질화갈륨 분말과 암모니아 기체의 양, 성장 온도, 성장 시간, 성장 압력 등의 여러 공정변수를 고려하여 적합하게 조절된다. 실험 결과, 상기 표면간 거리는 기판(310)이 질화갈륨 분말과 수직위치에 놓일 경우 0.01 ~ 0.1㎝, 상기 기판(310)이 질화갈륨 분말과 수평위치에 놓일 경우 1 ~ 5㎝일 때 좋은 효율성을 가짐을 확인하였다.

이어, 상기 고주파 유도코일(422c)을 작동시켜 성장셀(422)을 가열하면, 상기 그라파이트 서셉터(422a)의 홈에 수용된 질화갈륨 분말의 일부가 승화되어 기체상태의 갈륨이 제공되고, 상기 성장셀의 서셉터(422a)는 질화갈륨 결정의 바람직한 성장온도인 800 ~ 1200℃ 까지 가열된다. 이때, 상기 서셉터의 보다 바람직한 가열온도는 1000 ~ 1100℃ 이다.

한편, 기체 공급부(410)에서는 질소 소오스인 암모니아 기체와, 운반기체인 질소와 수소를 상기 반응부(420)로 공급한다. 이때, 상기 반응부(420)로 유입되는 기체의 양은 유량 제어기(411)를 통해 조절된다.

반응기 내로 유입된 운반기체와 암모니아 기체는 크랙커(421)를 거치게 되는데, 상기 크랙커(421)에는 도 7에서 보는 바와 같이 열선(421a)이 구비되어 있다.따라서, 암모니아 기체는 상기 크랙커(421)를 거치면서 열적 분해되고, 상기 과정에서 발생된 질소는 질화갈륨 결정의 성장에 필요한 소오스가 된다. 여기서, 도 7은 도 4의 CVD 반응기의 크랙커를 확대하여 나타낸 도면이다.

이후, 상기 암모니아 기체에서 열적 분해된 질소는 다른 운반기체와 함께 반응기 내의 성장셀(422)로 유입되는데, 이 시점에서 상기 성장셀(422)의 내부는 고주파 유도코일(422c)의 동작에 따라 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨으로 충만된 상태이고, 상기 성장셀(422)에 놓인 기판은 질화갈륨의 결정 성장온도인 800 ~ 1200℃로 유지된 상태이다. 그리고, 상기 성장셀(422)의 내부는 760 Torr 압력(상압)으로 유지된 상태이다.

따라서, 상기 질소와 갈륨은 기판상에서 직접 반응하여 재결정화되고, 이에 따라 상기 기판상에는 도 3과 같은 질화갈륨 후막층(330)이 형성된다.

이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 정하여야만 한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판 및 그 제조방법은, 질화갈륨 분말에서 승화된 갈륨과 질소 소오스에서 제공된 질소를 직접 반응시켜 질화갈륨 결정을 성장시키므로, 대면적 질화갈륨 결정기판을 성장시키는데 유리하며, 제조공정을 단순화시키는데 유리하다. 특히, 상기 공정은 1단계 반응으로 이루어지므로 기술적, 경제적 효용성이 높다.

또한, 상기 본 발명은 갈륨 소오스로 분말형태의 질화갈륨을 사용하므로 질화갈륨 결정의 성장속도가 빠르다는 장점이 있다.

또한, 상기 본 발명은 High Pressure 방식보다 양호한 조건(온도: 800 ~ 1200℃, 압력: 760Torr)하에서 질화갈륨 결정을 성장시키기 때문에 고온/고압에 따른 공정상의 어려움을 해결한다.

Claims (10)

1. 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판과;

   상기 기판상에 형성되며, 질화갈륨 분말(GaN powder)에서 승화된 갈륨과 암모니아 기체에서 분해된 질소가 직접 반응하여 재결정화된 질화갈륨 결정층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 갈륨과 상기 질소는 800 ~ 1200℃ 온도와 760 Torr 압력 조건하에서 재결정화되어 질화갈륨 결정층으로 성장됨을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기판과 상기 질화갈륨 결정층은 그 사이에 MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 완충층을 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 질화갈륨 결정층은 그 위에 MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 캡(cap)층을 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판.
5. 기판이 제공되는 단계와;

   갈륨 소오스인 질화갈륨 분말를 가열하여 승화된 갈륨을 얻는 단계와;

   질소 소오스인 암모니아 기체를 열분해하여 분리된 질소를 얻는 단계; 및

   상기 승화된 갈륨과 분리된 질소를 직접 반응시켜 재결정화시킴으로써 상기 기판상에 질화갈륨 결정층을 성장시키는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 질화갈륨 결정층을 성장시키기 전에 상기 기판상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 완충층을 성장시키는 단계; 를 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 질화갈륨 결정층상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 캡층을 성장시키는 단계; 를 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 갈륨과 상기 질소는 800 ~ 1200℃ 온도와 760 Torr 압력 조건하에서 재결정화되어 질화갈륨 결정층으로 성장됨을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 기판과 상기 질화갈륨 분말의 수직거리는 0.01 ~ 0.1㎝로 유지됨을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.
10. 제 5항에 있어서,

    상기 기판과 상기 질화갈륨 분말의 수평거리는 0.5 ~ 5㎝로 유지됨을 특징으로 하는 질화갈륨 결정기판의 제조방법.