KR20060113450A - 다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, SiC 층은 상기 다이아몬드 기판을 형성하는 공정 동안에 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막기 위해 다이아몬드 막 층의 하부 표면에 형성되고, 반도체 층은 상기 다이아몬드 막 층에 형성되거나 상기 SiC 층의 하부 표면에 직접 형성된다. 이것에 의하여, 상기 다이아몬드 막 층과 상기 반도체 층 사이의 결정 격자 불일치는 SiC 층에 의해 제거되고, 상기 반도체 층의 결정 품질은 향상되고, 상기 다이아몬드 기판의 제조 방법은 단순해지고, 성능과 안정성이 향상된다.
다이아몬드 기판, SiC 층, 반도체 층

Description

다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법{Diamond substrate and method for fabricating the same}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 다이아몬드 기판의 개략도이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 제 1 실시예의 다이아몬드 기판을 제조하는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 다이아몬드 기판의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예의 다이아몬드 기판의 개략도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 제 3 실시예의 다이아몬드 기판을 제조하는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예의 다이아몬드 기판의 개략도이다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 제 4 실시예의 다이아몬드 기판을 제조하는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예의 다이아몬드 기판의 개략도이다.
본 발명은 다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적 으로, 다이아몬드와 SiC에 의해 형성된 복합층 구조를 구비한 다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 원자외선으로부터 원적외선까지 빛에 대한 높은 투과성, 높은 표면파 속도, 높은 열 전도성, 높은 경도, 높은 복사-저항성, 우수한 화학적 안정성 및 우수한 절연성과 같은 뛰어난 특성들을 가져서, 통상적인 절삭 도구와 연마 도구에 널리 사용되고 있다. 최근에, 화학기상증착(CVD)의 발전과 함께, 다이아몬드의 응용분야는 고주파수 통신 장치, 방열판 및 광전자공학의 광학 소자, 및 다이아몬드 반도체 등으로 확대되었다.
광전자 반도체로서, 발광 다이오드(LED)는 30년 동안 개발되어 왔고, 적색, 녹색 및 황색 LEDs가 상당히 개발되었다. 그러나, 청색 LEDs의 개발은 매우 느렸다. 재료와 에피택시의 발전하에서, 적색 및 백색 LEDs의 휘도는 현저하게 향상되었다. 현재, 사파이어 웨이퍼는 제조 공정에서 에피택시 기판으로 대부분 사용된다. 다결정 AlN 막과 단결정 AlN 막은 버퍼층으로 작용하기 위해 사파이어 웨이퍼 기판에 연속적으로 형성된다. 그런 후에 GaN이 버퍼층에 형성되어, 바람직한 품질의 GaN 결정을 얻으며, LEDs의 발광 효율과 안정성을 향상시킨다.
상기한 통상적인 방법은 여전히 개선해야될 많은 점들이 있고 많은 연구자들이 제조 공정을 향상시키는데 헌신하고 있다. 연구자들 중 일부는 사파이어 기판을 대체하기 위해 뛰어난 특성들을 가진 상기 다이아몬드의 사용을 제안한다. 그러나, 비록 다이아몬드와 GaN 사이의 결정 격자가 사파이어 기판과 GaN 사이의 결정 격자보다 더 잘 일치할지라도, 단결정 다이아몬드 막 층의 표면에 단결정 GaN을 형성하 는 것은 여전히 어렵다. 게다가, 다이아몬드 막 층과 베이스 층 사이에 존재하는 열 응력과 다이아몬드 막 층의 결함들에 의해 유발된 내부 응력 때문에, 다이아몬드 막 층은 쉽게 변형되거나 부서진다. 상기한 것들은 해결하기 어려운 문제들이다.
상기한 관점에서, 본 발명은 다이아몬드 기판과 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 목적은 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막기 위해 다이아몬드 막 층에 SiC 층을 형성하는 것이며, 반도체 층의 결정 품질은 향상되어, 종래 기술에 존재하는 문제들을 해결한다.
상기 목적을 성취하기 위하여, 본 발명은 다이아몬드 막 층, SiC 층 및 반도체 층을 포함하는 다이아몬드 기판을 제공한다. 상기 다이아몬드 막 층은 SiC 층의 상부 표면에 형성되고, 상기 SiC 층은 상기 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는다. 상기 반도체 층은 상기 SiC 층의 하부 표면에 형성된다. 상기 SiC 층은 다이아몬드 막 층과 반도체 층 사이의 결정 격자 불일치를 제거하여, 반도체 층의 결정 품질을 향상시킨다.
상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 또는 다결정 다이아몬드 막 층일 수 있다. 상기 SiC 층은 단결정 SiC 층, 다결정 SiC 층, 또는 비결정 SiC 층으로부터 선택될 수 있다. 상기 반도체 층은 AlN, BN, AlGaN 및 GaN과 같은 질화물들 중 하나로부터 선택될 수 있다. 또한, 전자 소자, 집적 회로, 유기 발광 다이 오드 소자, 무기 발광 다이오드 소자, 표면 음파 장치 또는 화학물질 탐지 장치가 질화물로 형성된 반도체 층의 표면에 제조될 수 있다.
또한, 본 발명은 다음 단계들을 포함하는 다이아몬드 기판 제조 방법을 제공한다. 먼저, 베이스 층을 제공한다. 그런 후에, 상기 베이스 층에 SiC 층을 형성한다. 그런 후에 상기 SiC 층에 다이아몬드 막 층을 형성하는데, SiC 층은 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는다. 마지막으로, 상기 베이스 층을 제거한다. 상기 SiC 층은 다이아몬드 막 층과 반도체 층 사이의 결정 격자 불일치를 제거하여, 완전한 단결정 구조의 반도체 층이 SiC 층에 형성될 수 있다.
본 발명은 SiC 층, 다이아몬드 막 층, 및 반도체 층을 포함하는 다른 다이아몬드 기판을 제공한다. 상기 다이아몬드 막 층은 상기 SiC 층에 형성되고 상기 SiC 층은 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는다. 상기 반도체 층은 다이아몬드 막 층에 형성된다.
상기 다이아몬드 기판은 상기 다이아몬드 막 층의 하부 표면에 형성된 베이스 층을 더 포함한다. 상기 베이스 층은 실리콘 결정 층일 수 있다. 상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 또는 다결정 다이아몬드 막 층일 수 있다. 상기 SiC는 단결정 SiC, 다결정 SiC, 또는 비결정 SiC로부터 선택될 수 있다. 상기 반도체 층은 다이아몬드 막 층을 III 족 원소로 도핑하여 형성된 P-형 반도체 층일 수 있고 또는 다이아몬드 막 층을 V 족 원소로 도핑하여 형성된 N-형 반도체 층일 수 있다. 전자 소자, 집적 회로, 유기 발광 다이오드 소자, 무기 발광 다이오드 소자, 화학물질 탐지 장치, 또는 태양 전지 장치가 N-형 또는 P-형 반도체 층을 가진 다이아몬드 기판의 표면에 제조될 수 있다.
상기 다이아몬드 기판을 제조하기 위한 다른 방법이 제공되며, 다음 단계들을 포함한다. 먼저, 베이스 층을 제공한다. 그런 후에, 상기 베이스 층에 SiC 층을 형성한다. 그런 후에 상기 SiC 층에 다이아몬드 막 층을 형성하는데, SiC 층은 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는다. 마지막으로, 상기 다이아몬드 막 층에 반도체 층을 형성한다. 또한, 상기 방법은 베이스 층이 없는 다이아몬드 기판을 얻기 위해서 베이스 층을 제거하는 단계를 더 포함하여, 더 다양한 분야에서 뛰어난 성능의 다이아몬드 기판의 최대한의 사용을 촉진시킨다.
본 발명의 응용분야의 추가 범위는 이하에 주어진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내고 있지만, 상세한 설명과 구체적인 실시예들은 단지 예로서 주어진 것이고, 본 발명의 취지와 범위 내에서 다양한 변화와 변형은 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명에 의해 제공된 다이아몬드 기판과 이의 제조 방법에 따라, 다이아몬드 기판은 2 내지 8 인치 범위 내의 지름을 가진 디스크 형태이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 다이아몬드 기판(100)은 다이아몬드 막 층(120), SiC 층(130), 및 반도체 층(140)을 포함한다. 상기 다이아몬드 막 층(120)은 SiC 층(130)의 상부 표면에 형성되고, 상기 SiC 층은 상기 다이아몬드 막 층(120)이 변형되는 것을 막는다. 상기 반도체 층(140)은 상기 SiC 층(130)의 하부 표면에 형성된다. 상기 SiC 층(130)은 다이아몬드 막 층(120)과 반도체 층(140) 사이의 결정 격자 불일치를 제거하여, 반도체 층(140)의 결정 품질을 향상 시킨다.
도 2a, 2b, 2c, 2d 및 2e를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 다이아몬드 기판을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다. 먼저, 베이스 층(110, 도 2a)을 제공한다. 그런 후에, 상기 베이스 층(110, 도 2b)에 SiC 층(130)을 형성한다. 그런 후에, 상기 SiC 층(130, 도 2c)에 다이아몬드 막 층(120)을 형성한다. 다음으로, 상기 베이스 층(110, 도 2d)을 제거한다. 마지막으로, 상기 SiC 층(130, 도 2e)의 하부 표면에 반도체 층(140)을 형성한다. 따라서, 다이아몬드 기판(100)이 형성된다.
제 1 실시예의 상기 다이아몬드 기판(100)은 레이저에 의해, 예를 들어, 원형, 정사각형, 또는 다각형 모양 등으로 적절하게 만들어질 수 있다. 상기 베이스 층(110)은 실리콘 결정 층이다. 상기 다이아몬드 막 층(120)은 단결정 다이아몬드 막 층 또는 다결정 다이아몬드 막 층이다. 상기 SiC 층(130)은 단결정 SiC 층, 다결정 SiC 층, 또는 비결정 SiC 층으로부터 선택된다. 상기 반도체 층(140)은 AlN, BN, AlGaN 및 GaN과 같은 질화물들 중 하나로부터 선택된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예의 다이아몬드 기판(200)이 제공되며, 질화물 반도체 층(240)의 표면에 배치된 전자 장치들(250)을 포함한다. 상기 전자 장치들(250)은 집적 회로, 유기 발광 다이오드 소자, 무기 발광 다이오드 소자, 표면 음파(SAW) 장치 또는 화학물질 탐지 장치일 수 있다.
GaN 반도체 층을 가진 다이아몬드 기판을 예로 들겠다. 높은 전자 이동성과 높은 열 전도성과 같은 특징들 때문에, GaN은 청색, 녹색 LEDs, 차세대 단파장 레 이저 다이오드, 백색광 조명 및 고출력 마이크로파 통신 장치에 사용될 수 있다. 게다가, GaN은 또한 압전성, 높은 표면 음파 속도(5800~5900 m/s) 및 높은 전기기계연성계수(K2=4.3)를 가져서, 표면 음파(SAW) 장치의 제조에 적합하다.
따라서, 본 발명에 의해 제공된 다이아몬드 기판 및 이의 제조 방법에 따라, GaN 반도체 층은 사파이어 기판에 형성될 필요가 없고 다층 AlN은 종래 기술에서 필요한 것과 같은 버퍼층으로 형성될 필요가 없다. 대신에, 단결정 GaN은 다이아몬드 막 층의 SiC 층에 직접 형성될 수 있어서, 제조 방법이 단순하며, 그 때문에 빠른 제조 방법과 양호한 수율의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 높은 열 전도성 때문에, 상기 다이아몬드 기판은 전자 소자들이 과열되는 것을 막을 수 있다. 특히, 본 발명의 다이아몬드 기판의 결정 격자는 GaN의 결정 격자와 잘 일치하여서, 잔여 응력에 의해 다이아몬드 기판이 변형되거나 부서지는 것을 막고 GaN이 완전한 단결정 구조 속에 결정화되는 것을 촉진시켜, 전자 소자의 성능과 안정성을 향상시킨다.
도 4를 참조하면, 다이아몬드 기판(300)은 본 발명의 제 3 실시예에 의해 제공된다. 상기 다이아몬드 기판(300)은 베이스 층(310), 다이아몬드 막 층(320), SiC 층(330) 및 반도체 층(340)을 포함한다. 상기 SiC 층(330)은 상기 베이스 층(310)의 상부 표면에 형성된다. 상기 다이아몬드 막 층(320)은 상기 SiC 층(330)의 상부 표면에 형성되고, SiC 층(330)은 다이아몬드 막 층(320)이 변형되는 것을 막을 수 있다. 상기 반도체 층(340)은 다이아몬드 막 층(320)에 형성된다.
도 5a, 5b, 5c 및 5d는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다이아몬드 기판을 제 조하기 위한 방법의 개략적인 흐름도이다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다. 먼저 베이스 층(310, 도 5a)을 제공한다. 그런 후에, 상기 베이스 층(310, 도 5b)에 SiC 층을 형성한다. 그런 후에, 상기 SiC 층(330, 도 5c)에 다이아몬드 막 층(320)을 형성한다. 마지막으로, 상기 다이아몬드 층(320, 도 5d)에 반도체 층(340)을 형성한다. 따라서, 다이아몬드 기판(300)이 형성된다.
본 실시예의 다이아몬드 기판(300)은 레이저에 의해, 예를 들어, 원형, 정사각형, 또는 다각형 모양 등으로 적절하게 만들어질 수 있다. 상기 베이스 층(310)은 실리콘 결정 층이다. 상기 다이아몬드 막 층(320)은 단결정 다이아몬드 막 층 또는 다결정 다이아몬드 막 층이다. 상기 SiC 층(330)은 단결정 SiC 층, 다결정 SiC 층, 또는 비결정 SiC 층으로부터 선택될 수 있다.
상기 반도체 층(340)은 다이아몬드 막 층을 Ga, Al, B 및 In과 같은 III 족 원소로 도핑하여 형성된 P-형 반도체 층일 수 있고 또는 다이아몬드 막 층을 N, P, As, Sb 및 Bi와 같은 V 족 원소로 도핑하여 형성된 N-형 반도체 층일 수 있다.
게다가, 상기 실시예에서, 상기 SiC 층 또는 상기 반도체 층을 형성한 후에, 베이스 층이 없는 다이아몬드 기판을 제조하기 위해 기판을 제거하는 단계가 추가로 포함된다.
도 6에 도시된 대로, 본 발명의 제 4 실시예에 따라, 다이아몬드 기판(400)은 다이아몬드 막 층(420), SiC 층(430) 및 반도체 층(440)을 포함한다. 상기 다이아몬드 막 층(420)은 상기 SiC 층(430)의 상부 표면에 형성되고 상기 SiC 층(430)은 상기 다이아몬드 막 층(420)이 변형되는 것을 막을 수 있다. 상기 반도체 층(440)은 상기 다이아몬드 층(420)의 상부 표면에 형성된다.
도 7a, 7b, 7c, 7d 및 7e는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 다이아몬드 기판을 제조하기 위한 방법의 개략적인 흐름도이다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다. 먼저 베이스 층(410, 도 7a)을 제공한다. 그런 후에, 상기 베이스 층(410, 도 7b) 에 SiC 층(430)을 형성한다. 그런 후에, 상기 SiC 층(430, 도 7c)에 다이아몬드 막 층(420)을 형성한다. 다음으로, 상기 다이아몬드 층(420, 도 7d)에 반도체 층(440)을 형성한다. 마지막으로, 상기 베이스 층(410, 도 7e)을 제거한다. 따라서, 상기 베이스 층이 없는 다이아몬드 기판(400)이 형성된다.
또한, 본 발명에 의해 제공된 상기 다이아몬드 기판은 다양한 전자 소자들에 널리 사용될 수 있다.
도 8에 도시된 대로, 본 발명의 제 5 실시예의 다이아몬드 기판(500)이 제공되고, 반도체 층(540)의 표면에 배치된 전자 소자들(550)을 포함한다. 상기 반도체 층(540)은 도핑된 다이아몬드 막 층(520)에 의해 형성된 N-형 또는 P-형 반도체 층이다. 상기 전자 소자들(550)은 집적 회로, 유기 발광 다이오드 소자, 무기 발광 다이오드 소자, 화학물질 탐지 장치, 또는 태양 전지 소자일 수 있다.
상기와 같이 기술된 본 발명은 다양한 방식으로 변화될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 이런 변화들은 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않으며, 당업자에게 명백할 것인 이런 모든 변형들은 다음 청구항의 범위 내에 포함될 것이다.
본 발명은 상기 다이아몬드 막 층이 SiC 층의 상부 표면에 형성되어, 상기 SiC 층이 상기 다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막아 반도체 층의 결정 품질이 향상된 다이아몬드 기판을 제공한다.

Claims (25)

  1. SiC 층;
    다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는 상기 SiC 층의 상부 표면에 형성된 다이아몬드 막 층; 및
    다이아몬드 막 층과 반도체 층 사이의 결정 불일치를 제거하는 상기 SiC 층의 하부 표면에 형성된 반도체 층을 포함하는 다이아몬드 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 및 다결정 다이아몬드 막 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료인 다이아몬드 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 SiC는 단결정 SiC, 다결정 SiC 및 비결정 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 AlN, BN, AlGaN 및 GaN으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료에 의해 형성되는 다이아몬드 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 기판은 2-8인치 범위 내의 지름을 가진 디스크 형태인 다이아몬드 기판.
  6. 베이스 층을 제공하는 단계;
    상기 베이스 층에 SiC 층을 형성하는 단계;
    다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는 상기 SiC 층의 상부 표면에 다이아몬드 막 층을 형성하는 단계;
    상기 베이스 층을 제거하는 단계; 및
    다이아몬드 막 층과 반도체 층 사이의 결정 격자 불일치를 제거하는 상기 SiC 층의 하부 표면에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 베이스 층은 실리콘 결정 층인 다이아몬드 기판 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 및 다결정 다이아몬드 막 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 SiC는 단결정 SiC, 다결정 SiC 및 비결정 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 AlN, BN, AlGaN 및 GaN으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료에 의해 형성되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  11. SiC 층;
    다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는 상기 SiC 층의 상부 표면에 형성된 다이아몬드 막 층; 및
    상기 다이아몬드 막 층에 형성된 반도체 층을 포함하는 다이아몬드 기판.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 SiC 층의 하부 표면에 형성된 베이스 층을 더 포함하는 다이아몬드 기판.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 베이스 층은 실리콘 결정 층인 다이아몬드 기판.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 및 다결정 다이아몬드 막 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 SiC는 단결정 SiC, 다결정 SiC 및 비결정 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 상기 다이아몬드 막 층을 III 족 원소들로 도핑하여 형성되는 P-형 반도체 층인 다이아몬드 기판.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 상기 다이아몬드 막 층을 V 족 원소들로 도핑하여 형성되는 N-형 반도체 층인 다이아몬드 기판.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 기판은 2-8인치 범위 내의 지름을 가진 디스크 형태인 다이아몬드 기판.
  19. 베이스 층을 제공하는 단계;
    상기 베이스 층에 SiC 층을 형성하는 단계;
    다이아몬드 막 층이 변형되는 것을 막는 상기 SiC 층에 다이아몬드 막 층을 형성하는 단계; 및
    상기 다이아몬드 막 층에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 SiC 층을 형성한 후에 상기 베이스 층을 제거하는 단계를 더 포함하는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 베이스 층은 실리콘 결정 층인 다이아몬드 기판 제조 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 막 층은 단결정 다이아몬드 막 층 및 다결정 다이아몬드 막 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 SiC는 단결정 SiC, 다결정 SiC 및 비결정 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 상기 다이아몬드 막 층을 III 족 원소들로 도핑하여 P-형 반도체 층으로 형성되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 반도체 층은 상기 다이아몬드 막 층을 V 족 원소들로 도핑하여 N-형 반도체 층으로 형성되는 다이아몬드 기판 제조 방법.
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