KR20110102848A - 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판 - Google Patents

Abstract

질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판 및 그 제조방법이 개시된다. 그 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판은, 단결정 질화물 박막을 성장하기 위한 사파이어 기판에 있어서, 그 사파이어 기판을 연마(Grinding), 래핑(Lapping), CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리 중 적어도 하나의 공정을 수행한 후 사파이어 기판을 식각처리하여 그 단결정 질화물 박막의 성장이 이루어지는 증착면에 경사진 결정면과 수평한 결정면들이 불규칙적으로 배열된 요철이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고품질의 GaN 박막을 성장되도록 함과 동시에 기존의 PSS가 국부적으로 이룬 반사효과 보다 빛의 추출률을 극대화시킬 수 있다. 아울러, 본 발명은 기판을 제조하는 과정에서 기판의 표면에 습식식각을 통해 요철을 형성함에 따라 연마 표면이 자연스럽게 제거되기 때문에 별도의 마스크 물질을 사용하지 않고 미세 패터닝이 가능하고 종래의 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 생략함으로써 사파이어 기판 제작 공정을 단순화하고, 불량률을 낮추고 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판{Sapphire substrate for nitride semiconductor heteroepitaxy}

본 발명은 사파이어 기판에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 GaN 박막을 성장시킴에 있어 변형력을 비롯한 기판과의 결함밀도를 줄여 고품질의 질화물 반도체 박막을 생산할 수 있는 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판에 관한 것이다.

최근 전기 및 전자분야에서 광범위하게 사용되고 있는 LED(light emitting diode)는 발광 다이오드라고도 불리우며, 1960년 말 GaP를 이용한 적색 LED가 개발되어 각종 표시소자로 사용된 이후로 녹색 및 등황색 LED가 이미 상용화 단계로 접어들고 있으며, 총천연색 표시소자(full color display)를 구현하기 위한 청색 LED가 활발히 개발되고 있다.

이러한 화합물 반도체 LED가 발광할 수 있는 색은 그 재료의 띠 간격(band gap)과 주입된 불순물의 종류에 의해서 결정되는데, 초기 LED 제품은 띠 간격이 비교적 좁은 GaP, GaAsP, GaAlAs 재료를 가지고 다이오드 구조를 형성함에 따라 청색이나 자외선과 같은 단파장을 발광하는 LED 제조에는 사용될 수가 없었다.

따라서, 청색 또는 자외선 발광을 구현하기 위해서는 기존의 재료들보다 띠 간격이 넓은 새로운 재료들을 필요로 하고 있으며, 이를 충족할 수 있는 대체재료로서 GaN, ZnO, ZnSe, SiC 등이 새로운 대안으로 대두되고 있고, 이 중에서도 GaN이 활발히 사용되고 있다.

한편, 청색 및 백색 LED(Light Emitting Diode)와 같은 광소자를 만드는데 사용되는 GaN 박막은 통상적으로 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 사파이어 기판 상에 성장된다.

이와 같이 GaN 박막을 성장함에 있어 사파이어 기판은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 통하여 표면 거칠기가 수 Å정도인 매끄러운 표면을 갖는 것을 사용하게 되는데, 이 때 박막과 기판 사이의 열팽창 계수 차이 및 격자 부정합에 의해 보통 108-1010 cm-2의 밀도로 결함이 발생하게 된다.

이러한 결함은 소자의 성능을 심각하게 저하시키는 원인이 되고 있으며, 사파이어 기판 상에 보다 낮은 결함 밀도의 GaN 박막을 성장시키는 것이 LED의 성능과 신뢰성을 향상시키는 해결방안이 되고 있다.

이에 대한 해결방안으로 1990년대 후반에 사파이어 기판 또는 사파이어 기판에 얇게 성장된 GaN 박막의 표면 상에 SiNx 또는 SiO2 물질로 마스크 패터닝을 형성한 후 GaN 박막을 성장하는 ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth)법이 개발되었다.

그러나, 이러한 ELOG법은 SiO2 마스크가 이종접합에 따른 GaN 박막 속 결함의 전파를 차단하여 감소시킴에 따라 세류 전위(threading dislocation) 결함이 107 cm-2수준으로 대폭 감소하였으나, 결정 성장 과정이 2단계에 걸쳐 시행되기 때문에 오염 등에 의한 공정 실패율이 증가된다는 문제점이 제기되어 왔다.

이와 같은 ELOG법의 문제점을 보완하기 위해 사파이어 기판 상에 미세 요철을 형성한 PSS(Patterned Sapphire Substrate)가 최근 널리 이용되어 왔으며, 이러한 PSS는 일반적으로 수 um 크기의 다각형이나 원뿔을 사방 수 um의 일정한 간격으로 양각 또는 음각으로 배열시킨 것으로, 패턴의 깊이 또는 높이는 통상 0.5um 내외로서 건식 또는 습식 식각법으로 형상화시킨다.

이러한 PSS를 이용하여 GaN 단결정을 성장하는 방법은 원천적인 문제점인 결함 밀도를 개선하는 것은 아니며, LED를 제작했을 때 음각 형태의 기판 계면에서부터 빛이 반사됨에 따라 평면의 일반 사파이어 기판을 사용했을 때 보다 광소자의 빛 추출률을 약 15% 정도 향상시키는 방법이다. 이는 기판 계면의 반사에 의한 집광 효과에 기인한 것이며, 따라서 GaN 박막의 결함이 줄어든 것에 기인하지 않기 때문에 광소자의 신뢰성에 여전히 문제점이 존재하게 된다.

또한, 전술한 ELOG법과 PSS법의 경우 포토 리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 SiO2를 증착한 후, 건식 혹은 습식 식각을 통해 미세 패터닝을 하는 것이 필수적이기 때문에 공정상 복잡해지고 이로 인한 불량률이 발생할 수 있다는 공통된 문제점을 안고 있었다.

이외에도 사파이어 기초 기판의 면방향을 다양하게 변화시켜 GaN 이종 접합을 시도하여 왔으며, 이는 보통 사파이어 기판의 경우 표면이 c면으로 알려진 (0001)면으로 연마된 기판을 사용한 반면, 기판의 표면을 r면 (10-12), a면(11-20), m면 (10-10)으로 연마한 것으로, 이중 r면에서 성장된 GaN의 소자 특성이 가장 우수하다는 결과만 도출하였을 뿐이다.

따라서, 최근 광소자가 다양한 응용장치에 광범위하게 사용됨에 따라 이종성장된 GaN 막질을 지속적으로 향상시킬 필요가 있으며, 지금까지 연구된 ELOG법과 PSS법의 장점을 살리고 문제점을 보완하는 새로운 기판 처리 방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 질화물 반도체를 제작하기 위한 종래의 ELOG법과 PSS법을 개선하고 상호 보완하여 양질의 반도체 박막을 형성하기 위해, 이종 박막에 형성되는 스트레스와 결함밀도를 줄이고, 종래의 PSS가 국부적으로 이룬 반사효과 보다 빛의 추출률을 극대화시킬 수 있는, 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판은, 단결정 질화물 박막을 성장하기 위한 사파이어 기판에 있어서, 상기 사파이어 기판을 연마(Grinding), 래핑(Lapping), CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리 중 적어도 하나의 공정을 수행한 후 상기 사파이어 기판을 식각처리하여 상기 단결정 질화물 박막의 성장이 이루어지는 증착면에 경사진 결정면과 수평한 결정면들이 불규칙적으로 배열된 요철이 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 기판의 요철은 습식식각에 의해 형성된 것이 바람직하다. 상기 습식식각은 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합용액을 100~350℃ 이상의 온도에서 습식식각하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판에 의하면, 박막이 성장되는 표면에 불규칙적인 요철을 형성함으로써 GaN 이종 박막이 접촉되는 기판의 면적을 늘려 이종 박막에 형성되는 스트레스와 이에 따른 결함 밀도를 줄임에 따라 고품질의 GaN 박막을 성장되도록 함과 동시에 기존의 PSS가 국부적으로 이룬 반사효과 보다 빛의 추출률을 극대화시킬 수 있다.

아울러, 본 발명은 기판을 제조하는 과정에서 기판의 표면에 습식식각을 통해 요철을 형성함에 따라 연마 표면이 자연스럽게 제거되기 때문에 별도의 마스크 물질을 사용하지 않고 미세 패터닝이 가능하다. 또한 종래의 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 생략함으로써 사파이어 기판 제작 공정을 단순화하고, 불량률을 낮추고 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 사파이어 기판에 대한 일실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 사파이어 기판에 질화물 단결정 박막이 형성되는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 사파이어 기판에 성장된 질화물 반도체와 사파이어 기판 간에 작용하는 변형력을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 가공된 사파이어 기판의 일부를 촬영한 SEM 사진이다.
도 5a는 CMP 처리된 사파이어 기판에 대한 PL 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 RFSS에 대한 PL 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 의한 사파이어 기판에 대한 일실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 사파이어 기판(10)은 그 표면에 경사진 결정면(100)과 수평한 결정면(120)이 불규칙적으로 배열된 요철이 형성되어 있다. 상기 요철의 경사진 결정면(100)은 (10-12)면 또는 (10-14)면, (10-16)면, (10-18) 면이 될 수 있으며, 수평한 결정면(120)은 (0001)면이 가능하다.

또한, 상기 기판(10)의 경사진 결정면(100)들은 참조번호 140와 같이 서로 다른 높이를 가지거나, 또는 같은 높이를 가질 수 있으며, 상기 경사진 결정면들 간의 간격(150) 및 그 결정 형태도 불규칙하거나, 또는 규칙적일 수도 있다. 이 때 상기 경사진 결정면(100)에 의해 형성된 봉오리 간의 간격(150)은 수십 nm에서 수백 um이고, 그 깊이는 수십 nm에서 수십 um 깊이로 형성될 수 있다.

아울러, 상기 수평한 결정면(120)들도 역시 참조번호 160와 같이 서로 다른 높이를 가지거나, 또는 같은 높이를 가질 수 있으며, 그 간격 및 넓이도 도면에 도시하지는 않았으나 불규칙하거나, 또는 불규칙하지 않을 수 있다.

상기한 기판의 표면에 요철면은 기판 표면 전체를 습식식각처리함으로써 바람직하게 형성할 수 있다. 따라서 전처리과정으로서 기판의 표면을 매끄럽게 하기 위해 연마되었던 평탄(0001)면은 습식식각을 통해 제거된 것이 바람직하다. 이는 종래의 PSS법이 (0001)면으로 연마된 사파이어의 표면에 규칙적인 형태의 다각형 홈을 균일하게 형성한 후, 홈이 형성되지 않은 연마된 (0001)면 상에 질화물 단결정 성장을 하는 것과는 차별된다.

특히, 종래의 PSS법이 규칙적으로 발생한 경사진 결정면(Facet)을 이용한 것과는 달리, 본 발명은 불규칙적인 경사 결정면을 이용하기 때문에 임의 결정 성장법(Random Facets Growth)이라고 특징지을 수 있으며, 이하에서는 본 발명의 불규칙한 결정면을 갖는 사파이어 기판을 ‘RFSS’(Random Facets Sapphire Substrate)로 축약하여 지칭하도록 한다.

도 2는 본 발명에 의한 사파이어 기판에 질화물 단결정 박막이 형성되는 과정에 대한 일실시예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 RFSS에 질화물 단결정 박막을 성장하였을 경우 (a)와 같이 기판(20)의 수평한 결정면(220)에서 성장하는 수평 질화물 박막(230)과 경사진 결정면(210)에서 성장하는 경사 질화물 박막(240)은 초기 박막 성장 시엔 다른 면방향의 질화물 박막이 혼재한다. 그리고 (b), (c), (d)와 같이 증착이 진행됨에 따라 결국 한 방향의 면방향 박막이 전체 기판을 덮게 되어 단결정 성장이 이루어지는 것을 볼 수 있다.

이는 종래의 기판 준비 방식인 ELOG법이 한 면의 길이가 수 um에서 수십 um인 SiO₂, 또는 SiN 마스크를 사파이어 기판 상에 직접 형성하거나, 사파이어 상에 얇게 성장된 질화물 반도체 상에 좌우 규칙적으로 형성한다. 그 결과 ELOG법은 SiO2, SiN 마스크가 기판과 이종 박막간의 접촉면을 줄여 계면의 단층에 대해 수평 방향의 텐션(tension)을 감소시킴에 따라 이종 박막의 성장축에 대해 평행한 방향으로 발전하는 전위 결함의 수를 감소시킨다. 반면, 본 발명은 오히려 RFSS 상에서 불규칙한 결정면으로 형성된 요철에 의해 기판의 표면을 증가시킨 상태에서 박막성장이 이루어진다는 점에서 종래의 ELOG법과는 큰 차이가 있다.

상기 본 발명에 의한 RFSS는 요철 처리된 기판과 이에 성장된 이종 박막의 접촉면적을 증가시킴에 따라 성장된 박막의 면적은 일정하지만 계면의 면적은 늘어나서 단위면적당 받는 변형력이 낮아지는 효과가 있다. 도 3을 통해 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 사파이어 기판에 성장된 질화물 반도체와 사파이어 기판 간에 작용하는 변형력을 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로 사파이어의 열팽창률이 질화물 반도체 보다 크기 때문에 이종 박막 간 작용하는 변형력은 크다. 이에 따라 전위 결함의 원인이 되는 것을 감안하였을 때, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 RFSS에 질화물 박막을 성장할 경우 기판의 증착면이 경사진 결정면(310)과 수평한 결정면(320)이 불규칙적으로 배열되어 높낮이가 서로 다른 계면으로 형성된다. 따라서 기판의 수평 응력(350)과 질화물 반도체의 수평 장력(370)이 같은 높이에서 상쇄되는 효과가 발생함에 따라 일종의 버퍼층으로 작용하여 전체적으로 변형력이 감소된다.

한편, 본 발명의 RFSS를 제조하기 위한 제조방법은 다음과 같다. RFSS를 제조하기 위한 방법은, 사파이어 기판의 표면 거칠기가 1nm 이상이 되도록 전처리하는 단계와 상기 전처리된 기판의 표면을 식각처리 하는 단계로 이루어진다.

먼저, 사파이어 기판에 대해 박막 성장이 이루어지는 표면 거칠기가 1nm 이상이 되도록 전처리한다. 상기 전처리 공정에 의한 기판의 표면결함 밀도에 따라 전처리 공정 후 식각단계에서 형성되는 요철의 형태, 즉 경사진 결정면과 수평한 결정면에 의해 형성된 봉오리의 간격을 조절할 수 있기 때문에 상기 전처리 공정은 매우 중요한 공정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 전처리 공정으로 사파이어 기판에 대해 연마(Grinding), 래핑(Lapping), CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 통해 충분한 표면 거칠기와 제어된 표면결함 밀도를 갖도록 할 수 있다. 즉, 사파이어 기판에 상기 전처리 공정으로 연마(Grinding), 래핑(Lapping), CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 각각 시행할 경우 그 방법에 따라 표면결함의 밀도가 서로 상이하게 나타난다.

따라서 사용자는 그 사용 용도에 따라 전술한 전처리 가공 중에 하나를 선택하여 시행하거나 둘 이상의 가공방법을 병행하여 처리함으로써 다양한 표면결함의 밀도를 갖는 기판을 준비할 수 있다. 다만 전처리 공정으로 연마공정이 포함될 경우 가공공정상 표면결함의 밀도를 사용자가 임의로 조절할 수 있기 때문에 식각단계에서 표면의 봉오리 간 간격을 조절할 수 있어 좀 더 바람직하게 사용된다. 이는 기존의 PSS법이나 ELOG법을 이용할 경우 오직 CMP 처리되어 표면 거칠기가 수 Å정도인 기판만을 사용하는 것과는 크게 차이나는 특징이다.

다음 단계로서, 상기와 같이 연마, 래핑 또는 CMP 중에 선택하여 전처리된 기판을 준비한 후 질화물 박막을 성장하고자 하는 일측 표면을 습식 식각한다. 상기 습식식각은 염산(HCl), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합용액을 100~350℃ 이상의 온도에서 처리하여 식각할 수 있다.

상기 식각 단계에서, 본 발명은 종래의 방법들과는 달리 패터닝을 하기 위한 별도의 마스크 공정을 시행하지 않는다. 종래의 PSS법이나 ELOG법의 경우에는 포토리소그래피 공정을 통해 PR 마스크가 사파이어 기판 표면의 일부를 가려 초기의 연마된 표면을 일부 보존시켜야 되었다. 반면, 본 발명은 초기의 연마된 기판 표면은 식각단계에서 모두 제거되면서 전처리 공정에서 형성된 결함을 통해 새로운 결정면(Facets)들이 형성되기 때문에 별도의 마스크 물질이 필요하지 않는 것이다.

이로 인하여, 본 발명은 별도의 마스크 물질을 사용하지 않고 미세 패터닝이 가능함에 따라 기존의 포토 리소그래피(Photolithography) 공정을 생략하여 제작 공정을 단순화할 수 있고, 이로 인해 불량률을 감소시키고 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 사파이어기판 제조방법에 따라 가공된 사파이어 기판의 일부를 촬영한 SEM 사진으로서, 도 4에서 볼 수 있듯이 상술한 단계를 거쳐 제조된 사파이어 기판은 그 일측 표면에 불규칙한 요철이 형성되어 경사진 결정면과 수평한 결정면이 불규칙적으로 배열된 RFSS임을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 효과를 입증하기 위하여, 비교 예로서 CMP 처리된 평탄한 사파이어 기판과 함께, 본 발명에 해당하는 사파이어 기판을 습식식각 처리한 RFSS에 대하여 각각 GaN 단결정 박막을 동시에 5 um 두께로 증착한 후 PL(Photoluminescence)을 측정하여 그 결과를 도 5a와 5b에 각각 나타내었다.

도 5a는 CMP 처리된 사파이어 기판에 대한 PL 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 RFSS에 대한 PL 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 도 5b의 RFSS의 피크 높이가 도 5a의 기판의 피크 높이에 비해 약 123%가 높은 것으로 나타났으며, 아울러 반폭치도 함께 감소한 것으로 나타났다. 이는 본 발명에 해당하는 RFSS를 사용할 경우 박막의 성장과정에서 변형력과 결함이 줄어들었다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 질화물 반도체의 이종 단결정 성장은 증착면에 형성된 경사진 결정면 간의 간격이 10nm에서 10um인 사파이어 기판에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 단결정 질화물 반도체 박막을 형성함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 단결정 질화물 반도체의 성장은 증착면에 형성된 경사진 결정면 간의 간격이 1um에서 500um인 사파이어 기판에 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법에 의해 단결정 질화물 반도체 박막을 형성함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10, 20, 30 : 사파이어 기판
110, 210 : 경사진 결정면, 120, 220 : 수평한 결정면
140 : 서로 다른 높이를 갖는 경사진 결정면
150 : 경사진 결정면 간의 간격
160 : 서로 다른 높이를 갖는 수평한 결정면, 230 : 수평 질화물 박막
240 : 경사진 질화물 박막

Claims (4)

1. 질화물 반도체 성장용 사파이어 기판에 있어서,
   상기 사파이어 기판의 표면에 대해 경사진 결정면과 수평한 결정면으로 이루어지는 다각형 뿔 형태와 윗면이 평탄한 다각기둥 형태의 미세구조가 불균일한 비율로 서로 이어져 존재하며, 상기 미세구조의 간격과 높이가 불균일 하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경사진 결정면들은
   서로 다른 높이를 가지고, 상기 경사진 결정면들 간의 간격 및 그 결정 형태가 불규칙적이거나 규칙적인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판.
3. 제1항에 있어서, 상기 수평한 결정면들은
   서로 다른 높이를 가지거나 부분적으로 같은 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판.
4. 제1항에 있어서, 상기 수평한 결정면들은
   상기 수평면들 간의 간격 및 상기 수평면의 넓이가 불규칙적인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체의 이종 단결정 성장용 사파이어 기판.

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