KR20120078125A - Gan substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화갈륨 기판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 양면 성장되는 질화갈륨층에 휨이 발생하면, 격자상수 조절물질를 주입하여 휨을 제어하는 질화갈륨 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gallium nitride substrate, and more particularly, to a gallium nitride substrate and a method of manufacturing the same, when warping occurs in the gallium nitride layer to be grown on both sides by injecting a lattice constant control material.
일반적으로 질화갈륨, 질화알루미늄 등과 같은 3족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고, 큰 직접 천이형의 에너지 띠 구조를 갖고 있어 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다.In general, nitrides of Group III elements, such as gallium nitride and aluminum nitride, have excellent thermal stability and have a large direct transition type energy band structure, which has recently attracted much attention as a material for photoelectric devices in the blue and ultraviolet regions.
특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.In particular, blue and green light emitting devices using gallium nitride (GaN) are used in various applications such as large-scale color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting and high density light sources, high resolution output systems, and optical communications.
이러한 질화갈륨은 동일한 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 이종기판에서 금속 유기 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이나 분자 빔 에피텍시(MolecularBeam Epitaxy ; MBE)공정을 통해 박막 성장이 가능하다.Such gallium nitride is a metal organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy (MBE) process in heterogeneous substrates such as sapphire or silicon carbide (SiC) having the same hexagonal structure. Thin film growth is possible.
한편, 현재까지 기판으로는 사파이어를 주로 사용하고 있지만, 질화갈륨과의 격자 상수 및 열 팽창 계수에 있어 큰 차이를 가지고 있기 때문에 표면 가공 공정을 추가적으로 실시하여야 하는 부담이 있었다.On the other hand, sapphire is mainly used as a substrate until now, but since there is a big difference in lattice constant and thermal expansion coefficient with gallium nitride, there was a burden of additional surface processing.
이런 문제를 원천적으로 해결하기 위해서는 단결정 질화갈륨을 기판으로 사용하여 소자를 제조하여야 하는데, 통상적으로 하이드라이드 기상 박막 성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법이나, 고온 고압에서 질소(N2)를 액화시켜 질화갈륨을 성장시키는 방법 또는 승화법으로 제조한다.In order to solve this problem fundamentally, a device must be manufactured using single crystal gallium nitride as a substrate. Typically, a hydride vapor phase epitaxy method or a solution of gallium nitride by liquefying nitrogen (N2) at high temperature and high pressure. It is prepared by the method of growing or sublimation.
도 1은 종래의 하이드라이드 기상 박막 성장법이 적용되어 성장된 기판을 보여주는 단면 예시도(100)이다.1 is an exemplary
도 1을 참조하면, 종래에는 베이스 기판(120) 상에 성장된 질화갈륨층(110)은 베이스 기판(120)과 질화가륨층(110)의 열팽창 계수나 격자 상수 차이로 인해 휘어짐(bending)이나 처짐이 발생되고, 이러한 휘어짐이나 처짐은 폴리싱 과정에서 기판 표면(surface flat)과 결정면(crystallographic)이 일치하지 않아 양질의 질화물 기판을 얻을 수 없게 하는 문제점을 초래한다.Referring to FIG. 1, in the related art, a
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 질화갈륨을 성장시킬 때 휨이나 처짐의 발생을 최소화하고 제어하기 위한 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention, in particular, gallium nitride substrate for minimizing and controlling the occurrence of warpage or deflection when growing gallium nitride and its manufacturing method To provide.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법은, 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정, 및 휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을 주입하는 주입 과정을 포함을 포함한다.To this end, the method for manufacturing a gallium nitride substrate according to the present invention includes a growth process of simultaneously growing a gallium nitride layer on the upper and lower surfaces of a base substrate, and an implantation process of injecting a lattice constant modifier into the gallium nitride layer having warpage. .
바람직하게, 상하 면에 성장되는 상기 질화갈륨층의 휨이 임계치 이상인지 실시간 확인하는 확인 과정을 더 포함한다.Preferably, the method further includes a confirmation process of real-time checking whether the warpage of the gallium nitride layer grown on the upper and lower surfaces is greater than or equal to a threshold value.
바람직하게, 상기 임계치는 상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 크랙을 유발시키는 수치이다.Preferably, the threshold is a value that causes a crack in at least one of the base substrate and the gallium nitride layer.
바람직하게, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판이다.Preferably, the base substrate is a sapphire substrate.
바람직하게, 상기 격자상수 조절물질로는 오목한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 큰 물질이 주입된다.Preferably, as the lattice constant adjusting material, a material having a lattice constant greater than that of gallium is injected into the gallium nitride layer where concave warpage occurs.
바람직하게, 상기 큰 물질은 인듐이다.Preferably, the large material is indium.
바람직하게, 상기 격자상수 조절물질로는 볼록한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 작은 물질이 주입된다.Preferably, as the lattice constant adjusting material, a material having a lattice constant smaller than that of gallium is injected into the gallium nitride layer having convex warpage.
바람직하게, 상기 작은 물질은 알루미늄이다.Preferably, the small material is aluminum.
이를 위해 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판은 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상면에 성장된 제1 질화갈륨층, 및 상기 베이스 기판의 하면에 성장된 제2 질화갈륨층을 포함한다.To this end, the gallium nitride substrate according to the present invention includes a base substrate, a first gallium nitride layer grown on an upper surface of the base substrate, and a second gallium nitride layer grown on a lower surface of the base substrate.
바람직하게, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판이다.Preferably, the base substrate is a sapphire substrate.
바람직하게, 제1 질화갈륨층 및 제2 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 있어서, 인듐 및 알루미늄 중 적어도 어느 하나가 고용된다.Preferably, in at least one of the first gallium nitride layer and the second gallium nitride layer, at least one of indium and aluminum is dissolved.
본 발명에 따르면, 질화갈륨층과 베이스 기판의 크렉 및 늘어짐의 발생을 방지하는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect of preventing the generation of cracks and sagging of the gallium nitride layer and the base substrate.
또한 본 발명에 따르면 질화갈륨층 성장시 양면 또는 한개의 면에 갈륨과 고용이 가능한 알루미늄 또는 인듐을 추가하고 그 비율(구성비)을 조절하여 격자상수를 제어함으로써 생산 제품의 휨 감소를 통한 공정 수율 및 품질을 향상시키는 궁긍적인 효과도 있다. In addition, according to the present invention, the process yield through the reduction of warpage of the produced product by controlling the lattice constant by adding gallium and insoluble aluminum or indium on both sides or one side during growth of the gallium nitride layer and adjusting the ratio (composition ratio) and It also has the ultimate effect of improving quality.
도 1은 종래의 하이드라이드 기상 박막 성장법이 적용되어 성장된 기판을 보여주는 단면 예시도(100).
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 공정을 보여주는 공정 순서도.
도 3은 도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 자세히 설명하기 위한 단면 예시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 격자상수 제어공정을 보여주는 단면 예시도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의 구조를 보여주는 단면 예시도.1 is a cross-sectional view illustrating a substrate grown by applying a conventional hydride vapor deposition method (100).
2 is a process flow chart showing a process of the gallium nitride
Figure 3 is an exemplary cross-sectional view for explaining in detail the gallium nitride
Figure 4 is an exemplary cross-sectional view showing a lattice constant control process of the gallium nitride
5 is a cross-sectional view showing a structure of a
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 기판 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a gallium nitride substrate and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 기본 원리는 사파이어 기판의 상하 면에 성장하는 각각의 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인하여 인위적으로 격자상수 조절물질을 주입하여 그 농도를 조절함으로써 격자상수를 조절하는 것이다. The basic principle of the present invention is to control the lattice constant by controlling the concentration by artificially injecting the lattice constant adjusting material by real-time checking the warpage of each gallium nitride layer growing on the upper and lower surfaces of the sapphire substrate.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 2 내지 도 5의 동일부재에 대해서는 동일한 도면번호를 표기한다.The same reference numerals are used for the same members in FIGS. 2 to 5.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 공정을 보여주는 공정 순서도이다.2 is a process flowchart showing a process of the gallium nitride
도 2를 참조하면 본 발명에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)은 베이스 기판 상하 면에 질화갈륨층을 동시에 성장시키는 성장 과정(S210)과, 상하 면에 성장되는 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인하는 확인 과정(S220), 및 확인 과정(S220)에서 휨이 임계치 이상 발생하면, 휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을주입하는 주입 과정(S230)을 포함한다.Referring to Figure 2 gallium nitride
도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 설명하면 다음과 같다.Referring to the gallium nitride
우선 사파이어 재질의 베이스 기판 상하 면에 동시에 질화갈륨층을 성장시킨다(S210).First, the gallium nitride layer is simultaneously grown on the upper and lower surfaces of the sapphire base substrate (S210).
그 후, 상하 면에 각각 성장하는 질화갈륨층의 휨을 실시간 확인한다(S220).Thereafter, the warping of the gallium nitride layer growing on the upper and lower surfaces is confirmed in real time (S220).
마지막으로, 휨의 정도가 베이스 기판이나 각각의 질화갈륨층에 휨을 유발시킬 수 있는 임계치에 접근하는 경우 상하의 질화갈륨층 중 어느 하나에 격자상수를 높이거나 혹은 줄일 수 있는 격자상수 조절물질을 주입하여 임의로 휨을 조절한다(S230).
Finally, when the degree of warpage approaches a threshold that can cause warpage in the base substrate or each gallium nitride layer, a lattice constant modifier can be injected into either the upper or lower gallium nitride layer to increase or decrease the lattice constant. Arbitrarily adjust the bending (S230).
도 3은 도 2와 같이 진행되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)을 자세히 설명하기 위한 단면 예시도이다.3 is a cross-sectional view illustrating in detail a gallium nitride
도 3을 참조하면, 우선 제1 수평형 HVPE(Hybride Vapor Phase Epitaxy) 성장기(310)의 내부에는 베이스 기판(320)이 구비된다.Referring to FIG. 3, first, a
여기서 베이스 기판(320)은 사파이어 재질인 것이 바람직하다.The
또한 베이스 기판(320)은 분리막(311)에 의해 지지된다.In addition, the
바람직하게, 분리막(311)은 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서 유입되는 가스가 서로의 영역에 침범하지 못하도록 구비된다.Preferably, the
그 후, 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서는 베이스 기판(320)의 상하면 각각에 질화갈륨층을 형성하기 위해 갈륨이 포함된 가스가 유입되다.Thereafter, a gas containing gallium is introduced into the
이에 따라 베이스 기판(320)의 상하 면에서는 각각 질화갈륨층(a, b)이 성장된다.Accordingly, gallium nitride layers a and b are grown on the upper and lower surfaces of the
바람직하게 본 발명의 실시 예에서는 제1 유입구(312)와 제2 유입구(313)에서는 동일한 농도 및 동일한 량의 갈륨이 포함된 가스가 유입된다.Preferably, in the embodiment of the present invention, a gas containing the same concentration and the same amount of gallium is introduced into the
따라서, 베이스 기판(320)의 상하 면에 동일하게 질화갈륨층이 성장한다.Therefore, the gallium nitride layer grows on the upper and lower surfaces of the
베이스 기판의 상하 면에 동일하게 질화갈륨층을 성장시키는 이유는 베이스 기판(320)과 질화갈륨층의 격자상수의 차이에도 불구하고 상면과 하면에 동일하게 질화갈륨층을 성장시킴으로써 균형이 생기기 때문에 휨을 방지할 수 있기 때문이다.The reason for growing the gallium nitride layer on the upper and lower surfaces of the base substrate is the same because the balance is generated by growing the gallium nitride layer on the upper and lower surfaces in spite of the difference in lattice constant between the
그러나, 이와 같은 휨 방지 수단에도 불구하고 상하 면 질화갈륨층(a, b)은 시간이 경과함에 따라 그 성장하는 두께의 차이가 발생한다.However, in spite of such warpage prevention means, the thickness of the growing gallium nitride layers a and b is increased as time passes.
따라서 그 두께의 차이에 따라 베이스 기판(320)과 질화갈륨층들(a)은 상면 또는 하면으로 미세한 휨이 발생한다.Therefore, the
여기서, 휨의 발생을 측정하기 위한 일 예로 상하 면 레이저 측정기(330, 340)가 사용될 수 있다.Here, as an example for measuring the occurrence of the warp top and bottom laser measuring devices (330, 340) can be used.
상하 면 레이저 측정기(330, 340)는 각각 레이저를 상하 면 질화갈륨층(a, b)의 성장 면으로 조사하여 반사되는 레이저를 측정하는 방식으로 상면과 하면 질화갈륨층(a, b)의 휨정도를 측정할 수 있다.The upper and lower
만약, 측정한 휨의 수치가 베이스 기판(320) 또는 상하 면 질화갈륨층(a, b)에 크렉을 발생시킬 수 있는 임계치로 판단되면, 휨이 발생한 오목한 부위 또는 볼록한 부위의 격자상수를 제어한다.If the measured warpage value is determined to be a threshold value that can cause cracks in the
여기서 상하 면 질화갈륨층(a, b)의 격자상수를 제어하는 방법은 다음의 도 4에서 설명한다.
Here, a method of controlling the lattice constant of the upper and lower gallium nitride layers a and b will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판 제조방법(200)의 격자상수 제어공정을 보여주는 단면 예시도이다.4 is a cross-sectional view showing a lattice constant control process of the gallium nitride
도 4(a)를 참조하면, 혼합 기판(400)의 상면 질화갈륨층(a)은 볼록하게, 하면 질화갈륨층(b)은 오목하게 휘게되는 경우를 보여준다.Referring to FIG. 4A, the upper gallium nitride layer a of the
이 경우, 제2 유입구(313)를 통해 격자상수가 큰 격자상수 조절물질을 주입한다.In this case, the lattice constant modifier having a large lattice constant is injected through the
도 4(b)를 참조하면, 갈륨과 동일한 3족원소인 인듐을 주입하여 하면 질화갈륨층(b')의 격자상수를 증가시킴으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.Referring to FIG. 4 (b), when indium, which is the same group 3 element as gallium, is injected, the warpage can be flattened by increasing the lattice constant of the gallium nitride layer b '.
반대로 제1 유입구(312)를 통해 볼록하게 휜 상면 질화갈륨층(a)으로 격자상수가 작은 격자상수 조절물질을 주입한다.On the contrary, a lattice constant adjusting material having a small lattice constant is injected into the upper gallium nitride layer (a) convexly convex through the
여기서는 갈륨과 동일한 3족원소인 알루미늄을 주입하여 상면 질화갈륨층(a)의 격자상수를 감소시킴으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.In this case, the warping can be made flat by reducing the lattice constant of the upper gallium nitride layer (a) by injecting aluminum, the same group III element as gallium.
만약 반대의 경우로 휨이 발생하게 되면, 제1 유입구(312)에는 인듐주입하거나, 또는 제2 유입구(313)에 알루미늄을 주입함으로써 휨을 평평하게 만들 수 있다.If bending occurs in the opposite case, the bending may be made flat by injecting indium into the
이와 같이 격자상수가 갈륨과 차이가 있는 인듐 또는 알루미늄을 주입하는 이유는 모두 3족 원소의 질화물로서 이들은 모두 동일한 결정 구조를 갖기 때문이다.
The reason why the lattice constant is injected with indium or aluminum, which is different from gallium, is because they are all nitrides of Group 3 elements, and they all have the same crystal structure.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의구조를 보여주는 단면 예시도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a structure of a
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)은 베이스 기판(510)과, 베이스 기판(510)의 상면에 성장된 제1 질화갈륨층(520), 및 베이스 기판(510)의 하면에 성장된 제2 질화갈륨층(530)을 포함한다.Referring to FIG. 5, a
도 5와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따르는 질화갈륨 기판(500)의 구성을 설명하면 다음과 같다.Referring to the configuration of the
우선 베이스 기판(510)은 사파이어 재질이며 상면에는 제1 질화갈륨층(520)을 구비하고, 하부에는 제2 질화갈륨층(530)을 구비한다.First, the
여기서 제1 질화갈륨층(520)과 제2 질화갈륨층(530)에는 3족 원소의 질화물로써 동일한 결정구조를 가지는 격자상수 조절물질을 포함한다.Here, the first
바람직하게 격자상수 조절물질은 갈륨보다 격자상수가 큰 인듐이나 갈륨보다 격자상수가 작은 알루미늄이 포함될 수 있다.Preferably, the lattice constant modifier may include indium having a lattice constant greater than gallium or aluminum having a lattice constant smaller than gallium.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by not only the claims below but also equivalents to the claims.
S210 : 성장 과정 S220 : 확인 과정
S230 : 주입 과정 500 : 질화갈륨 기판
510 : 베이스 기판 520 : 제1 질화갈륨층
530 : 제2 질화갈륨층S210: Growth Process S220: Confirmation Process
S230: implantation process 500: gallium nitride substrate
510: base substrate 520: first gallium nitride layer
530: second gallium nitride layer
Claims (11)
휨이 발생한 질화갈륨층에 격자상수 조절물질을 주입하는 주입 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.A growth process of simultaneously growing a gallium nitride layer on the upper and lower surfaces of the base substrate, and
A gallium nitride substrate manufacturing method comprising the step of injecting a lattice constant control material into the gallium nitride layer having a warpage.
상하 면에 성장되는 상기 질화갈륨층의 휨이 임계치 이상인지 실시간 확인하는 확인 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 1, wherein the growth process
The gallium nitride substrate manufacturing method further comprises a step of confirming in real time whether the warp of the gallium nitride layer grown on the upper and lower surfaces is more than a threshold.
상기 베이스 기판 및 상기 질화갈륨층 중 적어도 어느 하나에 크랙을 유발시키는 수치인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 1, wherein the threshold is
Gallium nitride substrate manufacturing method characterized in that the numerical value causing the crack in at least one of the base substrate and the gallium nitride layer.
사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 1, wherein the base substrate
A gallium nitride substrate manufacturing method, characterized in that the sapphire substrate.
오목한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 큰 물질이 주입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 1, wherein the lattice constant adjusting material is
A method of manufacturing a gallium nitride substrate, characterized in that a material having a lattice constant greater than that of gallium is injected into the gallium nitride layer having concave warpage.
인듐인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 5, wherein the large material is
A gallium nitride substrate manufacturing method, characterized in that the indium.
볼록한 휨이 발생한 질화갈륨층에 갈륨보다 격자상수가 작은 물질이 주입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 1, wherein the lattice constant adjusting material is
A method of manufacturing a gallium nitride substrate, characterized in that a material having a lattice constant smaller than that of gallium is injected into a gallium nitride layer having convex warpage.
알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.The method of claim 7, wherein the small material
Gallium nitride substrate manufacturing method characterized in that the aluminum.
상기 베이스 기판의 상면에 성장된 제1 질화갈륨층 및
상기 베이스 기판의 하면에 성장된 제2 질화갈륨층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판.Base substrate
A first gallium nitride layer grown on an upper surface of the base substrate;
And a second gallium nitride layer grown on a lower surface of the base substrate.
사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판.The method of claim 9, wherein the base substrate
A gallium nitride substrate, which is a sapphire substrate.
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