KR20050039098A - A method for fabricating gan device using iii metal layer - Google Patents

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KR20050039098A KR20030074474A KR20030074474A KR20050039098A KR 20050039098 A KR20050039098 A KR 20050039098A KR 20030074474 A KR20030074474 A KR 20030074474A KR 20030074474 A KR20030074474 A KR 20030074474A KR 20050039098 A KR20050039098 A KR 20050039098A
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Abstract

본 발명은 종래의 저온 버퍼층을 사용하는 방법의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판의 온도를 200℃~1300℃로 변화 시키는 단계와, 상기 기판상에 III족 금속막을 증착하는 단계와, H2 및 N2 중 적어도 어느 한 기체를 공급하면서 상기 III족 금속막이 증착된 기판의 온도를 900℃~1300℃ 로 상승시키는 단계와, 상기 III족 금속막이 증착된 기판에 질소원 기체를 공급하여 표면을 질화처리하는 단계와, 상기 질화처리된 기판상에 u-GaN 박막을 형성시키는 단계와, 상기 성장된 GaN 박막 위에 GaN 소자를 성장시키는 단계를 포함한다. The present invention is to solve the problems of the conventional method using a low temperature buffer layer, GaN device manufacturing method of the present invention, providing a substrate, and the step of changing the temperature of the substrate to 200 ℃ ~ 1300 ℃ and Depositing a Group III metal film on the substrate, raising the temperature of the substrate on which the Group III metal film is deposited to 900 ° C. to 1300 ° C. while supplying at least one of H 2 and N 2 gas; Supplying a nitrogen source gas to the substrate on which the metal film is deposited to nitride the surface, forming a u-GaN thin film on the nitrided substrate, and growing a GaN device on the grown GaN thin film. do.

Description

3족 금속막을 이용한 질화갈륨 소자 제작방법{A METHOD FOR FABRICATING GaN DEVICE USING III METAL LAYER}A method of fabricating gallium nitride devices using a Group 3 metal film {A METHOD FOR FABRICATING GaN DEVICE USING III METAL LAYER}

본 발명은 GaN LED(light emitting diode) 소자 또는 GaN LD(laser diode) 소자를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 III족 금속막을 이용하여 보다 양질의 결정구조를 갖는 GaN 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a GaN light emitting diode (LED) device or a GaN laser diode (LD) device, and more particularly, to fabricate a GaN device having a better crystal structure by using a group III metal film. It is about a method.

GaN LED는 청색 및 자외선 계열의 빛을 발광하는 소자로서 최근 휴대폰 등의 키패드에 사용되는 백라이트나 백색 LED를 만드는데 있어서 중요하게 이용되고 있다. 또한 GaN LD는 그 발진 파장이 기존의 적색 레이저에 비해 짧으므로 인해서 대용량을 가진 DVD 타이틀 등에 응용하기 위해서 활발히 연구되고 있는 중이다. GaN LED is a device that emits blue and ultraviolet light and has been used in recent years to make a backlight or white LED used in keypads of mobile phones. In addition, GaN LD is being actively studied for application to a DVD title having a large capacity because its oscillation wavelength is shorter than that of a conventional red laser.

수명이 길고 동작이 안정적이며 고휘도를 발하는 GaN 소자를 제작하기 위해서는 소자의 각 층을 이루는 에피택시층이 얼마나 양질의 결정구조 여부가 대단히 중요한 문제인데, 이러한 양질의 결정구조에는 기판과 그 상부에서 성장하는 GaN소자와의 격자 정합성 등이 큰 영향을 미친다. 하지만, GaN는 그 격자상수 및 결정구조에 적합한 기판을 아직 발견하지 못한 상황이므로, 일반적으로는 비교적 결정 구조가 GaN와 유사한 사파이어(sapphire)를 GaN 성장 기판으로 지금까지 사용해 왔다. 사파이어 기판을 사용할 경우, 두 물질간의 격자상수 및 열팽창계수의 차를 어느 정도 해소하기 인해서 GaN 소자와 사파이어 기판 사이에 저온 GaN 버퍼층을 두는 것이 일반적이다. In order to fabricate GaN devices with long lifetime, stable operation, and high brightness, it is very important how high quality crystal structure of epitaxial layer of each layer of device is grown. The lattice match with the GaN element has a great influence. However, since GaN has not yet found a substrate suitable for its lattice constant and crystal structure, sapphire, which has a relatively similar crystal structure to GaN, has been used as a GaN growth substrate. In the case of using a sapphire substrate, it is common to provide a low temperature GaN buffer layer between the GaN device and the sapphire substrate because the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the two materials is eliminated to some extent.

하지만, 이러한 버퍼층을 채용한 GaN 소자도 비교적 결정결함 밀도가 높은 편으로서, 버퍼층 상에 형성된 GaN층의 결함 밀도는 공정 조건 및 상황에 따라 차이는 있으나 평균적으로 약 1×108cm-2 에서 1×1010cm-2 달한다고 알려져 있다. 이러한 결정 결함들은 소자의 안정적인 작동을 방해하고 활성층 등에서 홀-전자 결합의 효율을 떨어뜨리며 작동 전압의 상승을 초래한다.However, GaN devices employing such buffer layers also have relatively high crystal defect densities, and the defect density of the GaN layer formed on the buffer layer varies depending on process conditions and conditions, but on average, about 1 × 10 8 cm −2 to 1 × 10 10 cm-2 are known dalhandago. These crystal defects interfere with the stable operation of the device, reduce the efficiency of hole-electron coupling in the active layer and the like, and cause an increase in operating voltage.

따라서 효율적인 고휘도 발광을 위해서는 이러한 저온 버퍼층보다 좀 더 양질의 에피택시 층을 성장시킬 수 있는 새로운 방법이 요구된다.Therefore, a new method for growing a higher quality epitaxy layer than the low temperature buffer layer is required for efficient high luminance emission.

본 발명은 전술한 종래 저온 버퍼층을 사용하는 방법의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 저온 버퍼층 대신 III족 금속막을 이용한 새로운 GaN 결정 성장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the conventional method using the low temperature buffer layer, and to provide a new GaN crystal growth method using a Group III metal film instead of the low temperature buffer layer.

본 발명은 이러한 III족 금속막을 이용한 결정성장 방법을 통하여 양질의 GaN 소자를 제작하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high quality GaN device through a crystal growth method using such a group III metal film.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판의 온도를 200℃ ~ 1300℃ 로 변경하는 단계와, 상기 기판상에 III족 금속막을 증착하는 단계와, H2 및 N2 중 적어도 어느 한 기체를 공급하면서 상기 III족 금속막이 증착된 기판의 온도를 900℃~1300℃ 로 상승시키는 단계와, 상기 III족 금속막이 증착된 기판에 질소원 기체를 공급하여 표면을 질화처리하는 단계와, 상기 질화처리된 기판상에 u-GaN 및 GaN 소자를 성장시키는 단계를 포함한다.The GaN device fabrication method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a substrate, changing the temperature of the substrate to 200 ℃ ~ 1300 ℃, and depositing a Group III metal film on the substrate And raising the temperature of the substrate on which the group III metal film is deposited to 900 ° C. to 1300 ° C. while supplying at least one of H 2 and N 2 , and supplying a nitrogen source gas to the substrate on which the group III metal film is deposited. And nitriding the surface, and growing u-GaN and GaN devices on the nitrided substrate.

여기서 상기 III족 금속막은 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탄탈륨(Ta) 중 하나 또는 그 합금 등으로 구성될 수 있으며, 상기 기판은 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 실리콘(Si) 중 어느 한 물질로 구성된 기판일 수 있다. 또한, 상기 질소원 기체는 암모니아, 하이드라진(hydrazine) 중 적어도 어느 한 물질로 구성될 수 있다.Here, the group III metal film may be made of boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tantalum (Ta), or an alloy thereof, and the substrate may include sapphire, silicon carbide ( It may be a substrate made of any one of SiC) and silicon (Si). In addition, the nitrogen source gas may be composed of at least one material of ammonia, hydrazine (hydrazine).

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described embodiments of the present invention;

도 1은 본 발명의 기본적인 실시예를 나타내는 흐름도이고 도 2는 도 1의 흐름도를 시간 및 온도 축에 도시한 것으로서 동일한 과정은 동일한 단계부호(S1 ~ S10)로 표시하였다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a basic embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the flowchart of FIG. 1 on the time and temperature axes, and the same process is indicated by the same step symbols S1 to S10.

본 발명에서 사용하는 기판은 사파이어, SiC 및 Si 중 어느 하나의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 에피택시 성장 방법은 종래와는 달리 기판과의 정합성에 크게 의존하지 않는 방식이므로, 사파이어 외에도 탄화실리콘(SiC)이나 실리콘도 기판으로 사용가능한 것이다. As the substrate used in the present invention, a substrate made of any one of sapphire, SiC, and Si may be used. Unlike the conventional method, the epitaxy growth method used in the present invention does not rely on the compatibility with the substrate, so that silicon carbide (SiC) or silicon in addition to sapphire can be used as the substrate.

상기 기판은 아세톤 등으로 세척된 다음, 반응로에 장입된 후 수소 분위기에서 그 온도를 1300℃ 이하까지 상승시켜(S1) 기판 표면에 흡착된 유기물질 및 기타 불순물 등을 제거하는 전처리 과정을 거친다(S2). 전처리 과정은 약 1분에서 약 10분 정도 진행할 수 있다.The substrate is washed with acetone, etc., and then charged into a reactor, and then heated to a temperature of 1300 ° C. or lower in a hydrogen atmosphere (S1), and subjected to a pretreatment process of removing organic substances and other impurities adsorbed on the surface of the substrate ( S2). The pretreatment process can take about 1 to 10 minutes.

상기 전처리 과정이 끝난 후, 기판 온도를 다시 200℃~1300℃ 로 변경시켜 금속막 형성 단계를 수행한다(S4). 본 실시예에서는 약 200℃, 약 580 ℃ 및 약 1300℃에서 반응로 내에 III족 유기금속 원인 TMG(TrimethylGallium)와 수소 및/또는 질소를 공급하면서 III족 금속막을 형성하는 단계를 수행하였다(S4). 이 때 반응로내의 기압은 약 250 Torr 이다. 위 온도에서 증착되는 금속막질은 유사하였지만, 온도가 200℃이하일 때는 TMG 가 잘 분해되지 않았고 온도가 1300℃ 이상에서는 금속막이 형성되는 속도가 너무 느려 실질적으로는 바람직하지 않게 된다. 또한, 상기 금속막들은 사용되는 III족 금속원소에 따라 적정한 증착 온도가 조금씩 다르고, 후속하는 열적인 에칭 공정 등을 거쳐 다시 재결정화 등이 진행되므로 굳이 이 범위 외의 온도에서 공정을 수행할 필요는 없다. After the pretreatment process is finished, the substrate temperature is changed back to 200 ° C. to 1300 ° C. to perform a metal film forming step (S4). In the present embodiment, a group III metal film was formed while supplying Group III organometallic cause TMG (TrimethylGallium) and hydrogen and / or nitrogen in the reactor at about 200 ° C., about 580 ° C., and about 1300 ° C. (S4). . At this time, the pressure in the reactor was about 250 Torr. The metal film deposited at the above temperature was similar, but when the temperature was below 200 ° C., the TMG did not decompose well, and when the temperature was above 1300 ° C., the rate at which the metal film was formed was too slow to be substantially undesirable. In addition, since the appropriate deposition temperature is slightly different depending on the Group III metal element used, and recrystallization is performed again through a subsequent thermal etching process, it is not necessary to perform the process at a temperature outside this range. .

본 실시예에서는 III족 금속막으로서 TMG를 이용한 갈륨 금속막을 이용하였지만, 그 밖에 TEG 등의 금속 유기 소스나, 클로라이드 계열의 전구체를 금속 소스원으로 이용할 수도 있으며, 나머지 III족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 탄탈륨(Ta) 등의 소스원도 마찬가지이다. 또한 금속막은 상기 III족 원소 중 어느 하나, 또는 이들이 혼합된 형태도 가능하며 혼합된 경우에는 합금화된 금속막이 이용된다. In the present embodiment, a gallium metal film using TMG is used as the Group III metal film. However, a metal organic source such as TEG or a chloride-based precursor may be used as the metal source, and the remaining Group III elements are boron (B). The same applies to a source source such as aluminum (Al), indium (In), or tantalum (Ta). The metal film may be any one of the group III elements, or a mixture thereof, and an alloyed metal film may be used when the metal film is mixed.

본 실시예에서 사용된 온도 중 하나인 580℃에서 상기 Ga금속막이 형성된 후, 공급되던 III족 금속원 가스의 공급을 중단한다(S5). 그 다음, 수소 및/또는 질소만을 반응로내에 공급하면서 기판의 온도를 약 900℃ ~ 1300℃, 바람직하게는 약 950℃ ~ 1100℃, 좀 더 바람직하게는 약 1000℃ 사이에 유지한 후, 금속막을 에칭하는 단계를 거친다(S6). After the Ga metal film is formed at 580 ° C., which is one of the temperatures used in this embodiment, the supply of the Group III metal source gas that is supplied is stopped (S5). The temperature of the substrate is then maintained between about 900 ° C. and 1300 ° C., preferably between about 950 ° C. and 1100 ° C., more preferably about 1000 ° C., while supplying only hydrogen and / or nitrogen into the reactor. The film is etched (S6).

이 단계의 에칭은 고온에서 III족 금속막 표면에 약하게 결합된 금속 원자들의 결합이 끊어지며 금속막이 작고 골고루 분산된 금속 입자층 형태로 변하는 단계이므로 전술한 금속막 형성 단계(S4)와 실질적인 구분을 할 수 없을 정도로 연속하여 수행될 수도 있다. 즉, 가령 약 1000℃에서 금속막 형성 단계(S4)를 수행하는 경우, TMG 등의 금속원 가스 공급을 중단한 채(S5) 온도를 이 상태내에서 유지하면, 곧바로 에칭단계(S6)가 자동적으로 진행될 수도 있다. The etching of this step is a step in which the weakly bonded metal atoms on the surface of the group III metal film are broken at a high temperature, and the metal film is changed into a small and evenly dispersed metal particle layer, which is substantially different from the metal film forming step (S4). It may also be carried out continuously. That is, in the case of performing the metal film forming step S4 at, for example, about 1000 ° C., if the temperature is maintained in this state while the supply of the metal source gas such as TMG is stopped (S5), the etching step S6 is automatically performed. It may also proceed to.

이러한 에칭 단계(S6)는 온도를 상승시키면서 수행할 수도 있지만 상기 온도 범위 중 어느 한 온도에서 정지한 채로 수행할 수도 있음은 물론이다. 또한 그 에칭 시간은 금속막이 아일랜드 형상으로 재결정화되는 정도이면 충분하다. 본 실시예에서는 전술한 1000℃에서 4분~5분 정도로 수행하였다. This etching step (S6) may be performed while increasing the temperature, but of course, may be performed at a stop in any one of the above temperature range. It is sufficient that the etching time is such that the metal film is recrystallized into an island shape. In the present embodiment was performed for about 4 minutes to 5 minutes at the aforementioned 1000 ℃.

상기 금속막을 열 에너지를 이용하여 에칭한 후, 암모니아 또는 하이드라진 가스를 상기 반응로내에 공급하는 질화처리 단계를 수행한다(S7). 이 질화처리 단계는 상기 온도 상승에 따른 최종 온도인 약 900℃ ~ 1300℃에서 수행되는데 이 때 반응로내의 압력은 약 250Torr 이다. 질화처리가 상기 900℃ 이하에서 진행될 경우에는 FCC구조인 III족 금속이 HCP구조인 III족 질화물로 재결정화되는 것이 용이하지 않고, 1300℃ 이상의 경우에는 장비 안정정이나 효율면에서 그리 바람직하지 않다. After etching the metal film using thermal energy, a nitriding treatment step of supplying ammonia or hydrazine gas into the reactor is performed (S7). This nitriding step is carried out at about 900 ° C to 1300 ° C, the final temperature of the temperature rise, at which time the pressure in the reactor is about 250 Torr. When the nitriding treatment is performed at 900 ° C. or lower, the Group III metal having FCC structure is not easily recrystallized into Group III nitride having HCP structure, and at 1300 ° C. or higher, it is not preferable in terms of equipment stability and efficiency.

이러한 질화처리 단계를 거치면 상기 분산된 금속 입자층은 골고루 미세하게 분산된 III족 질화물 입자층으로 변하게 된다(S8).After the nitriding treatment step, the dispersed metal particle layer is changed into a group III nitride particle layer evenly dispersed (S8).

이러한 질화처리 단계를 거친 후의 질화물 입자층은 그 후 공정에서 양질의 결정질을 가진 GaN 에피택시 층을 성장시키는데 필요한 시드층(seed layer)으로서 작용한다. The nitride particle layer after this nitriding step serves as a seed layer necessary for growing a GaN epitaxy layer having high quality crystalline in a subsequent process.

질화처리 단계를 거친 후, 다시 온도를 약 950℃ ~ 1300℃로 변화시킨 후, 불순물이 도핑되지 않은 undoped-GaN층(이하 u-GaN층이라 한다)을 성장시키면(S9) 결정결함이 기존 공정에 비해 약 1/10로 감소한 양질의 u-GaN층을 성장시킬 수 있다.After the nitriding treatment step, the temperature is changed to about 950 ° C. to 1300 ° C., and an undoped-GaN layer (hereinafter referred to as u-GaN layer) which is not doped with impurities is grown (S9). It is possible to grow a high quality u-GaN layer, which is reduced by about 1/10 compared with that of FIG.

상기 u-GaN을 성장시킨 후 n-GaN, 활성층, p-GaN 층, 컨택층 및 전극 등을 순차로 적층시켜 GaN LED 소자를 제작하거나 또는 여기에 캐비티(cavity)를 형성하여 GaN 레이저 다이오드를 형성하는 단계(S10)는 기존의 공정과 동일하므로 상세 설명은 생략한다. 다만, 상기 활성층 형성 시, 필요한 발진 파장에 따라 알루미늄, 인듐 등을 갈륨에 포함시켜 그 발진 파장을 자외선부터 청녹색 계열까지 다양하게 변화시킬 수 있음은 물론이다.After the u-GaN is grown, n-GaN, an active layer, a p-GaN layer, a contact layer and an electrode are sequentially stacked to fabricate a GaN LED device or to form a cavity therein to form a GaN laser diode. Step S10 is the same as the existing process, so detailed description thereof will be omitted. However, when the active layer is formed, aluminum, indium, or the like may be included in gallium according to a required oscillation wavelength, and thus the oscillation wavelength may be variously changed from ultraviolet to bluish green series.

도 2의 온도 다이아그램은 전술한 각 단계의 온도에서 수행하는 상황 중 일부 실시예의 온도를 모식적으로 도시한 것이므로, 온도가 하강하거나 상승하는 것처럼 보이는 구간은 실질적으로 하강이나 상승이 아닐 수 있다. 따라서 도 2는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 본 발명의 권리범위 해석에 사용되어서는 안 된다. Since the temperature diagram of FIG. 2 schematically shows the temperature of some embodiments of the situation performed at the temperature of each step described above, a section in which the temperature appears to be falling or rising may not be substantially falling or rising. Therefore, Figure 2 is intended to help the understanding of the present invention and should not be used in the interpretation of the scope of the present invention.

도 3a는 본 발명을 이용하여 상기 질화처리된 기판의 표면 상태를 AFM으로 찍은 사진이며, 도 3b는 종래 기술의 GaN 버퍼층을 가진 기판을 찍은 사진으로서 본 발명과 대비하기 위한 것이다. 도면에서 알 수 있듯이 본 발명을 이용한 도 3a의 기판 표면의 입자 분포는 비교적 작고 그 크기가 거의 동일한 입자들로 구성된 GaN 입자층이 형성되었음을 볼 수 있는데 반해, 기존의 GaN 버퍼층은 그 표면의 거칠기가 일정하지 않음을 알 수 있다. 후술하는 u-GaN증착 공정에서 이러한 두 기판의 표면 형상 차이로 인해 본 발명은 기존 저온 GaN 버퍼층과는 전혀 다른 성장 기재를 갖게 된다. Figure 3a is a photograph taken with the AFM surface of the nitrided substrate using the present invention, Figure 3b is a photograph taken a substrate having a GaN buffer layer of the prior art to contrast with the present invention. As can be seen from the figure, the particle distribution of the surface of the substrate of FIG. 3A using the present invention can be seen that a GaN particle layer composed of particles having relatively small and almost the same size is formed, whereas the surface roughness of the conventional GaN buffer layer is constant. It can be seen that not. Due to the difference in surface shape of these two substrates in the u-GaN deposition process described later, the present invention has a growth substrate completely different from the existing low temperature GaN buffer layer.

이하에서는, 전술한 본 발명의 기판이 기존의 GaN 버퍼층을 이용한 경우보다 결정결함이 더 적고 우수한 에피택시층을 성장시킬 수 있는 본 발명의 기재(mechanism)를 설명하고자 한다. 참고로 본 발명의 기재는 정확한 측정에 근거를 둔 것은 아니며, 전술한 AFM 사진과 최종적인 표면에서의 결함 밀도에 대한 육안 측정을 바탕으로 본 발명자가 추측하는 기재임을 밝힌다. Hereinafter, the substrate of the present invention will be described in which the substrate of the present invention can grow an epitaxial layer having fewer crystal defects and an excellent epitaxial layer than the conventional GaN buffer layer. For reference, the description of the present invention is not based on accurate measurement, and the present invention is based on the above-described AFM photograph and visual measurement of defect density on the final surface.

도 4는 전술한 단계 S4 ~ S8 사이에 발생할 것이라고 추측되는 기판(10) 표면의 상태를 모식적으로 나타낸 것이다. FIG. 4 schematically shows the state of the surface of the substrate 10 that is assumed to occur between the above-described steps S4 to S8.

기판을 전처리한 후(S2), 기판 온도를 200℃ ~ 1300℃ 로 변경하고(S3), III족 금속원 가스 및 수소 또는 질소를 함께 공급하면서 금속막 형성 단계를 거치면, 기판(10) 표면에는 도 4a에 도시된 바와 같이 금속 입자들(20)이 증착되면서 곳곳에 공극과 비정질들이 산재하는 형태인 금속막이 기판 전면에 걸쳐 형성된다. After the substrate is pretreated (S2), the substrate temperature is changed to 200 ° C. to 1300 ° C. (S3), and the metal film forming step is performed while supplying the group III metal source gas and hydrogen or nitrogen together. As shown in FIG. 4A, as the metal particles 20 are deposited, a metal film is formed over the entire surface of the substrate in the form of interspersing voids and amorphous particles.

상기 금속막 형성 후, 금속원 가스의 공급을 중단한다(S5). 그 다음, 형성된 금속막을 열적으로 에칭하면서 동시에 재결정하는 단계를 거치기 위해서 기판의 온도를 900℃ ~ 1300℃로 유지한다(S6). After the metal film is formed, the supply of the metal source gas is stopped (S5). Then, the temperature of the substrate is maintained at 900 ° C to 1300 ° C in order to undergo a step of thermally etching and simultaneously recrystallizing the formed metal film (S6).

도 4b에 도시된 온도 상승 단계에서, 표면에 약하게 결합되어 있던 금속 입자들은 기판 표면과의 결합이 끊어지면서 다시 분위기 가스속으로 증발하거나(20") 또는 열역학적인 안정을 위해서 주변에 형성되는 금속 클러스터(cluster, 400)에 흡착되면서 재결정에 기여하게 된다(20'). 결국 이러한 단계를 거치면서 서로 일정 거리로 이격된 상태이며 그 크기가 작고 균질한 금속 클러스터들이 서로 거의 균일한 간격으로 이격되어 기판 표면에 골고루 형성된다. 이러한 균일성은 기판 표면에서의 엔탈피 및 엔트로피에 의해 자연스럽게 형성되는 것이다.In the temperature rise step shown in FIG. 4B, the metal particles that are weakly bound to the surface are evaporated (20 ″) back into the atmosphere gas when the bond with the substrate surface is lost, or metal clusters formed around for thermodynamic stability. Adsorbed by (cluster, 400), it contributes to recrystallization (20 '). In the end, these steps are separated from each other by a certain distance, and the small and homogeneous metal clusters are spaced at almost uniform intervals from each other. Evenly formed on the surface This uniformity is naturally formed by enthalpy and entropy at the substrate surface.

이 상태의 기판에 질소원 가스인 암모니아나 하이드라진(hydrazine)을 공급하면, 금속 클러스터들은 활성화된 질소(N*)들과 결합하면서 질화물(30)로 변하는 질화물 입자층 형성 단계를 거친다(S7). 도 4c는 이러한 상태를 모식적으로 나타낸 것으로서,클러스터 표면은 모두 질화물(30)로 변성되고 그 내부에는 아직 질화물로 변성되지 않은 금속입자(20)가 혼재하고 있다. 시간이 지나면 이 금속들도 모두 질화물로 빠르게 변성된다. 이하에서는 이처럼 변성된 질화물 분포들을 질화물 시드(seed)라 칭한다. When ammonia or hydrazine, which is a nitrogen source gas, is supplied to the substrate in this state, the metal clusters are combined with activated nitrogen (N *) and undergo a nitride particle layer forming step of changing into nitride 30 (S7). 4C schematically shows such a state, in which the cluster surface is all modified with nitride 30, and metal particles 20 not yet modified with nitride are mixed therein. Over time, all of these metals quickly denature to nitride. In the following, such modified nitride distributions are referred to as nitride seeds.

이러한 질화물 입자층 형성 단계를 거치면, 최초에는 금속막으로 형성되었던 층이 작고 균일하게 분산된 질화물 시드로 변하게 된다. 도 5는, 전술한 공정으로 형성된 질화물 시드가 어떻게 양질의 GaN 결정질을 형성하는데 기여하는지를 설명하기 위한 도면이다. Through this nitride particle layer forming step, the layer originally formed of the metal film is changed into a small, uniformly dispersed nitride seed. 5 is a view for explaining how the nitride seeds formed by the above-described process contribute to the formation of high quality GaN crystals.

도 5a에서, 모식적으로 도시된 질화물 시드(40)가 기판(10) 표면에 균일하게 분포하고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 질화물 시드가 형성되면, 본격적인 GaN 층을 형성하기 위해서 반응로 내의 온도를 GaN 성장온도인 약 950℃ ~ 1300℃로 변화시킨 후, u-GaN층을 형성하기 위한 TMG 및 NH3가스를 반응로내에 공급한다(S9).In FIG. 5A, it can be seen that the nitride seed 40 schematically shown is uniformly distributed on the surface of the substrate 10. When the nitride seed is formed, the temperature in the reactor is changed to about 950 ° C. to 1300 ° C., which is a GaN growth temperature, to form a full GaN layer, and then TMG and NH 3 gas for forming a u-GaN layer is introduced into the reactor. Supply (S9).

가스 공급 초기에 형성되는 u-GaN은 질화물 시드(40)가 열역학적으로 결정 성장이 쉬운 핵생성 자리이므로 이에 우선적으로 성장하며 성장 방식은 횡적 성장 방식(lateral growth)을 주로 취하는 것으로 보인다. 즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 초기의 u-GaN(50)은 자신과 화학적 성질이 동일하거나 극히 유사한 III족 질화물인 질화물 시드를 중심으로 그 좌우로 성장하는 방식인데, 이 때 성장되는 결정질은 질화물 시드와는 같은 III-V족 화합물이므로 서로 격자상수 및 구조 등이 극히 유사하여 그 사이에 스트레스나 결함이 거의 발생하지 않으며, 특히 질화물 시드가 Ga 금속막으로부터 출발한 경우에는 더욱 그러하다. U-GaN formed at the beginning of the gas supply is preferentially grown since the nitride seed 40 is a nucleation site that is easily thermodynamically crystallized, and the growth method appears to mainly take the lateral growth method. That is, as shown in Figure 5b, the initial u-GaN (50) is a method of growing from side to side around the nitride seed, which is a group III nitride having the same or very similar chemical properties as the crystalline that is grown at this time Since silver nitride seeds are the same group III-V compounds, the lattice constants and structures are very similar to each other, so that stresses and defects hardly occur between them, especially when the nitride seeds start from the Ga metal film.

또한 횡축이 주 성장축이므로 하부 기판의 영향을 별로 받지 않고 시드간의 거리가 그리 멀지 않으므로 인해서 그 크기도 크지 않다. 따라서 거의 결정결함이 없는 완벽한 에피택시층이 이 때 성장하는 것으로 판단된다.In addition, since the horizontal axis is the main growth axis, it is not influenced by the lower substrate and the distance between the seeds is not so long, and thus its size is not large. Thus, a perfect epitaxy layer with almost no crystal defects is believed to grow at this time.

성장 단계가 계속 진행되면(도 5c), 인접한 질화물 시드들로부터 성장이 시작된 결정질들은 그 크기가 커지면서 서로 직접적으로 부딪혀 질화물 시드들 사이의 간격을 메우고, 이러한 현상이 기판 전면에 걸쳐 발생하면서 기판 전면을 덮는 초기 u-GaN층(50‘)이 형성된다. As the growth phase continues (FIG. 5C), crystallines that have begun to grow from adjacent nitride seeds grow in size and impinge directly on each other to fill the gap between the nitride seeds, which occurs across the substrate front surface. An initial u-GaN layer 50 'covering is formed.

이러한 초기 u-GaN층(50‘)은 종래의 저온 GaN 버퍼층과는 비교할 수 없을 정도로 그 결함 밀도가 작다. 이 층에 발생하는 대부분의 결함들은 전술한 도 5b의 성장층들이 부딪친 계면(500)에서 발생하는 적층 결함(stacking fault)들인데, 그 절대적인 수가 기존의 결함밀도에 비해 작고 이 또한 고온에서 발생하는 전위의 재배열 등으로 인해 상당수가 소멸된다. 따라서 본 발명에서 성장시킨 초기 u-GaN(50’)은 기존의 저온 버퍼층과는 비교할 수 없을 정도로 결함이 적고 그 표면 형상(surface morphology) 또한 우수하다.The initial u-GaN layer 50 'has a defect density that is incomparable with the conventional low temperature GaN buffer layer. Most of the defects occurring in this layer are stacking faults occurring at the interface 500 hit by the growth layers of FIG. 5B described above, the absolute number of which is small compared to the existing defect density and also occurs at high temperature. Many of them disappear due to rearrangement of dislocations. Therefore, the initial u-GaN (50 ') grown in the present invention has fewer defects than the existing low temperature buffer layer and has excellent surface morphology.

도 6에서, 상기 초기 u-GaN층(50‘) 성장 후에도 좀 더 성장 시간을 지속시켜 두터운 u-GaN층(60)을 성장시킨 다음, 그 상부에 도시되지 않은 n-GaN, 인듐이나 알루미늄이 첨가될 수 있는 GaN 활성층, p-GaN층, 전극층 등을 성장시키고 필요한 경우, 오믹 컨택층이나 윈도우층을 추가로 성장시킬 수 있다. 또한 GaN LD를 제작하는 경우에는 파브리-페로(pabry-perot) 공진기 등을 형성한다. 이러한 LED나 LD 제작공정은 일반적으로 잘 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.In FIG. 6, even after the initial growth of the u-GaN layer 50 ′, the growth time is continued to grow a thick u-GaN layer 60, and then n-GaN, indium or aluminum is not shown thereon. A GaN active layer, a p-GaN layer, an electrode layer, etc., which may be added, may be grown, and if necessary, an ohmic contact layer or a window layer may be further grown. In addition, when fabricating GaN LD, a Fabry-Perot resonator or the like is formed. Such LED or LD fabrication process is generally well known, and thus detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 GaN 소자 제작시에 기판에 사용되는 종래의 저온 GaN 버퍼층이 가지는 고밀도 결함 문제 등을 해결하기 위한 것으로서, 저온 버퍼층 대신에 기판 표면에 균질하게 분산된 III-V족 시드층을 이용하는 방법에 관한 것이다.The present invention is to solve the problem of high density defects of the conventional low-temperature GaN buffer layer used for the substrate when manufacturing a GaN device, a method using a group III-V seed layer homogeneously dispersed on the substrate surface instead of the low-temperature buffer layer It is about.

본 발명에서 제공되는 GaN 성장 방법 및 소자 제작 방법을 이용하면 기존의 저온 버퍼층을 이용하는 방법에 비해서 월등히 결정 결함이 적고 소자의 수명 및 휘도가 획기적으로 향상된 양질의 GaN 발광소자 또는 GaN 레이저 다이오드를 생산할 수 있다. By using the GaN growth method and device fabrication method provided in the present invention, it is possible to produce high quality GaN light emitting devices or GaN laser diodes, which have significantly fewer crystal defects and dramatically improved device lifetime and luminance, compared to conventional low temperature buffer layers. have.

이러한 본 발명의 기술적 사상을 이해한 이 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시예 들에서 각 공정 단계의 온도를 약간씩 변경하거나 또는 도핑 원소들을 추가하는 방식의 다양한 변형예들을 손쉽게 생각해 낼 수 있을 것이다. 따라서 이러한 변형예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것들이므로, 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위에 의해 정해져야 한다. Those of ordinary skill in the art who understand the technical spirit of the present invention can easily come up with various modifications in the above-described embodiments by changing the temperature of each process step slightly or adding doping elements. Could be. Therefore, since these modifications also belong to the scope of the present invention, the scope of the present invention should be defined by the following claims.

도 1은 본 발명의 기본적인 실시예를 나타내는 흐름도.1 is a flow diagram illustrating a basic embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 흐름도를 시간 및 온도에 대해 표현한 공정도.FIG. 2 is a process diagram representing the flow chart of FIG. 1 with respect to time and temperature.

도 3은 본 발명의 질화처리된 Ga 금속막과 종래의 저온 GaN 버퍼층의 표면을 촬영한 사진.Figure 3 is a photograph of the surface of the nitrided Ga metal film of the present invention and a conventional low temperature GaN buffer layer.

도 4는 본 발명의 III족 금속막 형성 단계부터 질화처리 단계까지의 상황을 모식적으로 나타낸 도면. 4 is a view schematically showing a situation from the group III metal film forming step to the nitriding treatment step of the present invention.

도 5는 질화물 시드층을 이용한 u-GaN층 형성과정을 모식적으로 나타낸 도면.5 is a diagram schematically illustrating a process of forming a u-GaN layer using a nitride seed layer.

도 6은 본 발명을 이용하여 u-GaN층까지 형성된 기판 상태를 모식적으로 나타낸 도면. Fig. 6 is a diagram schematically showing a state of a substrate formed up to a u-GaN layer using the present invention.

Claims (9)

GaN 소자 제작방법에 있어서,In the GaN device manufacturing method, 기판을 제공하는 단계와,Providing a substrate, 상기 기판의 온도를 200℃~1300℃ 로 변경시키는 단계와,Changing the temperature of the substrate to 200 ° C to 1300 ° C; 상기 기판상에 III족 금속막을 증착하는 단계와,Depositing a group III metal film on the substrate; H2 및 N2 중 적어도 어느 한 기체를 공급하면서 상기 III족 금속막이 증착된 기판의 온도를 900℃~1300℃ 로 변경하는 단계와,Changing the temperature of the substrate on which the Group III metal film is deposited to 900 ° C. to 1300 ° C. while supplying at least one of H 2 and N 2; 상기 III족 금속막이 증착된 기판에 질소원 기체를 공급하여 표면을 질화처리하는 단계와,Supplying a nitrogen source gas to the substrate on which the group III metal film is deposited, and nitriding a surface thereof; 상기 질화처리된 기판상에 GaN 소자를 성장시키는 단계Growing a GaN device on the nitrided substrate 를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.GaN device manufacturing method comprising a. 제1항에 있어서, 상기 III족 금속막은 B, Al, Ga, In, Ta 중 적어도 어느 한 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, wherein the Group III metal film is made of at least one of B, Al, Ga, In, and Ta. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, SiC, Si 중 어느 한 물질로 구성된 기판인 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, wherein the substrate is a substrate made of any one of sapphire, SiC, and Si. 제1항에 있어서, 상기 질소원 기체는 암모니아, 하이드라진(hydrazine) 중 적어도 어느 하나 이상의 물질로 구성된 기체인 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, wherein the nitrogen source gas is a gas composed of at least one material of ammonia and hydrazine. 제1항에 있어서, 상기 기판상에 III족 금속막을 증착하는 단계는 수소 및 질소 분위기 중 적어도 어느 하나 이상의 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The GaN device manufacturing method of claim 1, wherein the depositing of the Group III metal film on the substrate is performed in at least one of hydrogen and nitrogen atmospheres. 제1항에 있어서, 상기 GaN 소자는 GaN로 구성된 활성층을 가진 소자로서 상기 활성층은 Al 및 In 중 적어도 어느 한 물질을 화합물로서 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, wherein the GaN device has an active layer composed of GaN, and the active layer further comprises at least one of Al and In as a compound. 제1항에 있어서, 상기 GaN 소자는 LED 및 레이저 다이오드 중 어느 하나의 소자인 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, wherein the GaN device is any one of an LED and a laser diode. 제1항에 있어서, 상기 III족 금속막 증착단계 이전에 상기 제공된 기판을 1300℃ 이하의 수소 분위기에서 전처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The method of claim 1, further comprising pretreating the provided substrate in a hydrogen atmosphere of 1300 ° C. or lower before the Group III metal film deposition step. 제1항에 있어서, 상기 GaN 소자는 950℃ 이상에서 성장되는 것을 특징으로 하는 GaN 소자 제작방법.The GaN device manufacturing method of claim 1, wherein the GaN device is grown at 950 ° C. or higher.
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