KR20040005391A - 질화갈륨 기판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로, N₂, H₂, He, Ar 등과 같은 갈륨과 반응되지 않는 가스에 의해 갈륨을 챔버 내로 이송시켜, 버퍼층을 성장시킴으로써, 버퍼층의 성장속도를 낮출 수 있으므로, 결정성 결함 및 크랙의 생성을 현저히 줄일 수 있는 효과가 발생한다.

Description

질화갈륨 기판 제조 방법{Method for manufacturing GaN substrate}

본 발명은 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갈륨과 반응되지 않는 가스에 의해 갈륨을 챔버 내로 이송시켜, 버퍼층을 성장시킴으로써, 버퍼층의 성장속도를 낮출 수 있으므로, 결정성 결함 및 크랙의 생성을 현저히 줄일 수 있는 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화 계열의 화합물 반도체는 광전자 소자를 제조하는 재료로 이용되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 총천연색 평판 표시장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 적용되어 활용되고 있다.

이러한 질화갈륨은 청색 및 녹색 발광 소자뿐만 아니라 고 전력 및 고온 소자에도 적용할 수 있는 화합물 반도체이다.

상기 질화갈륨은 동일한 육방정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등의 이종기판에서 금속 유기 화학 증착(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이나 분자 빔 에피택시(MBE, Molecular Beam Epitaxy)공정을 수행하여 박막성장이 가능하고, 이 공정으로 소자들이 제조되었다.

현재까지, 사파이어 기판이 소자를 제조하기 위하여 주로 사용되고 있었지만, 질화갈륨과의 격자상수 및 열팽창계수 차이가 있어, 기판의 제조 후에, 상당히 높은 결정 결함 밀도를 가지고 있어, 이 사파이어 기판으로 제조된 소자 역시, 특성이 우수하지 못하였다.

현재, 이런 원천적인 문제를 해결하기 위하여 질화갈륨 기판으로 소자를 제조하고 있다.

도 1a와 1b는 종래 기술에 따른 질화갈륨 기판의 제조공정도로써, 먼저, 사파이어 기판(10)의 상부에 질화갈륨층(11)을 성장시킨다.(도 1a)

상기 질화갈륨층(11)의 성장이 완료되면, 상기 질화갈륨층(11)의 상부에 레이저광을 조사하여 질화갈륨층(11)을 사파이어 기판(10)에서 이탈시키는 레이저 리프트 오프(Laser lift-off) 공정을 수행하면, 프리 스탠딩(Free standing)된 질화갈륨 기판의 제조가 완료된다.(도 1b)

이렇게 제조된 질화갈륨 기판은 실제 반도체 레이저 다이오드와 같은 소자를 제작하기 위한 기판으로 이용되기 위해서는, 제조가 완료된 질화갈륨 기판의 결정성이 매우 뛰어나야 하며 전위(Dislocation), 크랙(Crack) 및 휘어짐(Bending)도 없어야 한다.

도 2는 일반적인 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 장치의 단면도로써, 챔버(20)의 일 측면에 제 1 가스 공급관(21)과 제 2 가스 공급관(22)이 장착되고, 상기 챔버(20)의 타 측면에 가스 배출관(26)이 장착되어 있다.

상기 챔버(20)의 외부에서 NH₃가스가 상기 제 1 가스 공급관(21)을 통하여 챔버(20) 내부로 공급된다.

그리고, HCl가스는 상기 제 2 가스 공급관(22)을 통하여 챔버(20) 내부로 공급되는데, 상기 제 2 가스 공급관(22)의 내부에는 갈륨(27)이 담겨져 있는 보트(23)가 설치되어 있어, HCl 가스가 상기 제 2 가스 공급관(22)을 흐를 때, 갈륨(27)과 반응하여 GaCl 가스를 생성하고, 결국, 상기 챔버(20) 내부로는 GaCl가스가 토출된다.

더불어, 상기 챔버(20)의 내부에는 사파이어 기판(25)이 올려져 있는 서셉터(Suscepter)(24)가 설치되어 있다.

따라서, 상기 제 1 가스 공급관(21)에서 토출된 NH₃가스와 상기 제 2 가스 공급관(22)에서 토출된 GaCl 가스가 반응하여 질화갈륨(GaN)이 상기 사파이어 기판(25)의 상부에 성장되어, 질화갈륨 기판이 제조되는 것이다.

그러나, 이러한 하이드라이드 기상 박막 성장(HVPE, Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방식은 워낙 빠른 속도로 질화갈륨 후막이 성장되기 때문에, 결정성 결함이나 크랙을 줄이는 것이 용이하지 않았다.

도 3a 내지 3c는 종래 기술에 따른 버퍼층을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 공정도로써, 사파이어 기판(30)의 상부에 버퍼층(31)을 성장시키고(도 3a), 이 후, 이 버퍼층(31)의 상부에 질화갈륨층(32)을 성장시킨다(도 3b).

도 1b의 공정과 동일하게 질화갈륨층(32)의 상부에 레이저광을 조사하여 버퍼층(31)과 사파이어 기판(30)의 계면을 분리시킨다.(도 3c)

이러한 버퍼층(31)은 낮은 반응 속도를 가지면서 저속으로 사파이어 기판(30)의 상부에 성장되며, 최종적으로 버퍼층(31)에 성장이 완료된 질화갈륨층(32)은 결정성 결함 및 크랙의 발생이 도 1a와 1b의 공정에서 제조된 질화갈륨 기판 보다 줄어들게 된다.

이렇게, 도 2에 도시된 제조 장치를 이용하여 버퍼층(31)을 성장시키는 공정에서는 버퍼층의 성장두께를 조절하는 것이 무엇보다도 중요하다.

그래서, 상기 제 2 가스 공급관(22)을 통하여 주입되는 HCl 가스의 양을 조절하여, 갈륨과 HCl 가스의 반응으로 생성된 GaCl 가스를 챔버(20) 내부로 저속으로 공급시켜 버퍼층의 성장두께를 조절해왔다.

그러나, 챔버(20) 내부로 주입된 GaCl 가스는 NH₃가스와 반응성이 상당히 좋기 때문에, 버퍼층의 반응 속도를 낮추기가 어려웠고, 높은 반응 속도로 성장되는 버퍼층에 결정성 결함 및 크랙의 발생을 현저히 줄일 수 없었다.

이렇게 버퍼층에 형성된 결정성 결함 및 크랙은 버퍼층 상부에 형성되는 질화갈륨층에도 영향을 인가하게 되어, 질화갈륨 기판으로 제조된 소자의 특성이 저하되는 추가적인 문제점을 야기시키게 된다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, N₂, H₂, He, Ar 등과 같은 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스에 의해 갈륨을 챔버 내로 이송시켜, 버퍼층을 형성함으로써, 버퍼층의 성장속도를 낮출 수 있으므로, 결정성 결함 및 크랙의 생성을 현저히 줄일 수 있는 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 밀폐된 챔버(20)에 장착된 제 1 가스 공급관(21)을 통하여 NH₃가스를 상기 챔버(20) 내부로 주입하는 단계와;

상기 챔버(20)에 장착된 제 2 가스 공급관(22)을 통하여 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스를 주입하여, 상기 제 2 가스 공급관(22)에 설치된 보트(23)의 갈륨을 챔버(20) 내부로 토출시키는 단계와;

상기 챔버(20) 내부로 주입된 NH₃가스와 갈륨을 반응시켜 상기 챔버(20) 내부에 설치된 서셉터(24)의 상부에 놓여 있는 사파이어 기판(25)의 상부에 버퍼층을 성장시키는 단계와;

상기 제 2 가스 공급관(22)으로 HCl 가스를 주입하여 보트(23)의 갈륨과 반응시켜, GaCl 가스를 챔버(20) 내부로 토출시키는 단계와;

상기 NH₃가스와 GaCl 가스를 반응시켜, 상기 버퍼층의 상부에 질화갈륨층을 성장시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법이 제공된다.

도 1a와 1b는 종래 기술에 따른 질화갈륨 기판의 제조공정도이다.

도 2는 일반적인 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 장치의 단면도이다.

도 3a 내지 3c는 종래 기술에 따른 버퍼층을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 공정도이다.

도 4는 본 발명에 사용된 질화갈륨 기판 제조 장치의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,25,30 : 사파이어 기판 11,32 : 질화갈륨층

20 : 챔버 21 : 제 1 가스 공급관

22 : 제 2 가스 공급관 23 : 보트

24 : 서셉터 27 : 갈륨

31 : 버퍼층

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 사용된 질화갈륨 기판 제조 장치의 단면도로써, 본 발명에서 사용된 제조 장치는 도 2에 도시된 종래 기술의 질화갈륨 기판 제조 장치와는기술적 구성은 동일하다.

여기서, 사파이어 기판(25)의 상부에 버퍼층을 형성하는 공정에서, 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스를 이용하여 갈륨을 챔버 내부로 주입시킴으로??, 버퍼층의 성장 속도를 낮출 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 질화갈륨 기판 제조 공정을 순차적으로 설명하면,

1) 밀폐된 챔버(20)에 장착된 제 1 가스 공급관(21)을 통하여 NH₃가스를 상기 챔버(20) 내부로 주입한다.

2) 상기 챔버(20)에 장착된 제 2 가스 공급관(22)을 통하여 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스를 주입하여, 상기 제 2 가스 공급관(22)에 설치된 보트(23)의 갈륨을 챔버(20) 내부로 토출시킨다.

여기서, 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스는 N₂, H₂, He와 Ar 중 선택된 어느 한 가스이며, 주입되는 가스양은 10 ~ 10000 sccm이다.

3) 상기 챔버(20) 내부로 주입된 NH₃가스와 갈륨을 반응시켜 상기 챔버(20) 내부에 설치된 서셉터(24)의 상부에 놓여 있는 사파이어 기판(25)의 상부에 버퍼층을 성장시킨다.

이 때, 버퍼층을 성장시키는 온도는 400 ~ 1100℃로, 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스의 양을 많이 주입하여도, 갈륨과 불활성 가스는 반응하지 않으며, 갈륨과 NH₃가스의 반응으로 사파이어 기판에 질화갈륨의 성장 속도는 대략 2㎛/hr이므로, 결과적으로 버퍼층의 성장속도는 크게 증가하지 않는다.

4) 상기 제 2 가스 공급관(22)으로 HCl 가스를 주입하여 보트(23)의 갈륨과 반응시켜, GaCl 가스를 챔버(20) 내부로 토출시킨다.

5) 상기 NH₃가스와 GaCl 가스를 반응시켜, 상기 버퍼층의 상부에 질화갈륨층을 성장시킨다.

그러므로, 본 발명은 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스로 갈륨을 챔버 내로 이송시키는 역할만 수행하도록 함으로써, 버퍼층의 성장속도를 낮출 수 있는 장점이 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 N₂, H₂, He, Ar 등과 같은 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스에 의해 갈륨을 챔버 내에 이송시켜, 버퍼층을 형성함으로써, 버퍼층의 성장속도를 낮출 수 있으므로, 결정성 결함 및 크랙의 생성을 현저히 줄일 수 있으며, 결과적으로 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

1. 밀폐된 챔버(20)에 장착된 제 1 가스 공급관(21)을 통하여 NH₃가스를 상기 챔버(20) 내부로 주입하는 단계와;

   상기 챔버(20)에 장착된 제 2 가스 공급관(22)을 통하여 갈륨과 반응되지 않는 불활성 가스를 주입하여, 상기 제 2 가스 공급관(22)에 설치된 보트(23)의 갈륨을 챔버(20) 내부로 토출시키는 단계와;

   상기 챔버(20) 내부로 주입된 NH₃가스와 갈륨을 반응시켜 상기 챔버(20) 내부에 설치된 서셉터(24)의 상부에 놓여 있는 사파이어 기판(25)의 상부에 버퍼층을 성장시키는 단계와;

   상기 제 2 가스 공급관(22)으로 HCl 가스를 주입하여 보트(23)의 갈륨과 반응시켜, GaCl 가스를 챔버(20) 내부로 토출시키는 단계와;

   상기 NH₃가스와 GaCl 가스를 반응시켜, 상기 버퍼층의 상부에 질화갈륨층을 성장시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 불활성 가스는 N₂, H₂, He와 Ar 중 선택된 어느 한 가스인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 주입되는 불활성 가스의 양은 10 ~ 10000 sccm인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 버퍼층을 성장시키는 온도는 400 ~ 1100℃인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.