KR20160099070A - Mocvd 시스템에 의해 사파이어 기판상에 성장된 알륨갈륨아세나이드 층 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사파이어 기판상에 AlGaAs층을 형성하는 방법과 이를 이용하여 제조되는 기판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투명한 사파이어 기판 위에 고 품질의 AlGaAs 층 성장 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 기판의 제조 방법은 사파이어 기판상에 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 버퍼층을 형성시키는 단계; 사파이어 기판에 형성된 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 버퍼층을 저온 열 처리하여 재결정화시키는 단계; 및 재결정화된 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 층위에 AlGaAs층을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 MOCVD를 이용하여, Al2O3 기판에 격자상수가 다른 AlGaAs 층을 고품질로 성장하여 AlGaAs 계열의 소자제작에 투명하고 강도가 높은 신규 기판 사용을 가능하게 하였다.
본 발명에 따른 기판의 제조 방법은 사파이어 기판상에 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 버퍼층을 형성시키는 단계; 사파이어 기판에 형성된 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 버퍼층을 저온 열 처리하여 재결정화시키는 단계; 및 재결정화된 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 층위에 AlGaAs층을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 MOCVD를 이용하여, Al2O3 기판에 격자상수가 다른 AlGaAs 층을 고품질로 성장하여 AlGaAs 계열의 소자제작에 투명하고 강도가 높은 신규 기판 사용을 가능하게 하였다.
Description
본 발명은 사파이어 기판상에 격자상수가 불 일치하는 AlGaAs 층을 성장하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상대적으로 투명하고 강도가 높은 사파이어 기판 위의 AlGaAs 층 성장 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 AlGaAs 물질은 태양전지, 레이저다이오드, 및 발광다이오드 등의 광 반도체 소자 제작을 위해 주요하게 사용되는 III-Ⅴ족 화합물이다. 이러한 AlGaAs 성장은 일반적으로 격자상수가 일치하여 성장이 용이하고 성장결함이 적은 GaAs 기판상에 주로 이루어 지고 있다.
그러나 AlGaAs 성장을 위해 사용되는 GaAs 기판은 일반적으로 밴드 갭이 상부의 성장 물질보다 상대적으로 적어, 광 반도체 소자 특성상 소자로부터 방출되는 빛 이나 외부에서 소자로 유입되는 빛 들을 흡수하여 그 광 반도체 소자의 효율을 크게 감소시킨다. 또한 GaAs 기판 물질 자체의 강도가 약하여 대면적 및 일괄적인 시스템 양산 적용에 한계를 가지고 있다.
실제 상대적으로 밴드갭이 크고 강도가 높은 Glass, GaP, GaN, 그리고 Al2O3(Sapphire)같은 기판이 존재하지만, AlGaAs 물질과의 큰 격자상수 차이로 성장이 어려운 것으로 알려져 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 AlGaAs를 사파이어 기판에서 안정적으로 성장시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 표면에 AlGaAs층이 성장된 고강도의 기판을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 AlGaAs가 사파이어 기판에 성장된 고강도의 기판을 이용하는 대면적의 태양전지 또는 발광다이오드 기판을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 기판은
사파이어 기판;
상기 사파이어 기판의 표면에 위치하는 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (여기서, 0<x≤0.05) 버퍼층,
상기 버퍼층의 상면에 위치하는 AlxGa1-xAs (여기서, 0.05<x<1) 또는 AlAs으로 이루어진 상부층,
으로 이루어진다.
본 발명에서, 상기 버퍼층은 10~100 nm의 두께, 바람직하게는 30~70 nm의 두께의 박막층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 버퍼층의 두께가 지나치게 두꺼울 경우, 기판 위에 형성되는 광소자, 예를 들면 발광다이오드에서 발생되는 광의 통과가 어려워져, 발광 소자용 기판 또는 태양전지용 기판으로 사용시 효율이 저하된다.
본 발명에 있어서, 상기 상부층은 500 nm 이상, 바람직하게는 1um 이상의 후막층이다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 상부층에서 AlxGa1-xAs는 바람직하게 0.1<x<1.0이며, 보다 바람직하게는 0.2<x<0.4에서 보다 우수한 결정과 표면 특성을 가진다. 상기 상부층의 AlGaAs은 n형, p형 도핑층, 또는 비 도핑층일 수 있으며, 바람직하게는 MOCVD 방식으로 통해서 에피텍셜하게 성장된다.
본 발명은 일 측면에서,
사파이어 기판상에 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (0<x<0.05) 버퍼층을 형성시키는 단계;
사파이어 기판에 형성된 버퍼층을 저온 열처리하는 단계; 및
상기 저온 열처리된 버퍼층 상부에 AlGaAs 또는 AlAs층을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 MOCVD를 이용해서 사파이어 기판상에 에피텍셜하게 성장되며, 바람직하게는 10~100 nm의 두께, 바람직하게는 30~70 nm의 두께의 박막으로 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 저온 열처리를 통해서 재결정화가 이루어지며, 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 재결정화에 의해서 표면 거칠기가 줄어들면서 상부면에 고품질의 AlGaAs 또는 AlAs층이 형성되게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 저온 열처리는 버퍼층의 성장 온도보다 낮은 온도에서 이루어지는 열처리를 의미하며, 바람직하게는 승온 과정으로 이루어지는 버퍼층 형성 단계에서 승온과정의 최고 온도에 비해서 낮은 온도에서 이루어지는 열처리를 의미하며, 바람직하게는 50~150℃ 정도 낮은 온도범위에서 일정 시간 동안 유지되는 것을 의미한다.
본 발명에 실시에 있어서, 상기 저온 열처리는 450~550℃, 바람직하게는 약 500℃에서 1시간 이하, 바람직하게는 30분 이하, 보다 바람직하게는 10-20분의 범위에서 이루어질 수 있다.
상기 열처리가 버퍼층의 성장 온도보다 고온에서 이루어질 경우, V족 원소인 As가 온도 증가에 따라 버퍼층에서 분리되어 오히려 표면의 더 많은 결점을 생성시키는 현상이 발생할 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 저온 열처리는 버퍼층에서 As의 분리나 재결합에 의한 결함을 막을 수 있도록, 다량의 수소와 AsH3의 혼합가스 분위기하에서 이루어지는 것이 더욱 바람직하다. 상기 수소가스는 재결합에 따른 결함을 안정화시키기 위해서 사용되며, AsH3는 As의 분리를 막기 위해서 사용된다. 상기 수소와 As2H3는 1:9~1:10의 몰 부피로 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 저온 열처리된 버퍼층 위에서 AlGaAs 또는 AlAs층의 성장은 고 품질로 성장하기 위해 600~800 ℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 저온 열처리 단계에 비해서 승온된 온도, 바람직하게는 100~300 ℃ 승온된 온도에서 이루어질 수 있다. 상기 AlGaAs 또는 AlAs층의 성장이 800℃ 이상의 고온에서 이루어질 경우, GaAs 및 AlGaAs 로부터 V족의 As 분리량이 커지며, 또한 III족 Ga 분리가 발생할 우려가 있다.
본 발명에서는 MOCVD를 이용하여, Al2O3 기판에 격자상수가 다른 AlGaAs를 고품질로 성장하여 AlGaAs 계열의 소자제작에 투명하고 강도가 높은 신규 기판 사용을 가능하게 하였다.
도 1은 AlGaAs 층 성장을 위해 사용되는 GaAs 기판과 Al2O3 기판에 대한 파장영역별 투과률을 보여준다.
도 2은 Al2O3 기판위에 고품질로 성장되는 AlGaAs 층의 성장에 관한 도식를 보여준다.
도 3는 Al2O3 기판위에 성장된 AlGaAs 층에 관한 상호 결정 성장 방향 분석 결과를 보여준다.
도 4은 Al2O3 기판 위에 성장된 AlGaAs 층에 대한 (a) XRD 결과와 (b)SEM 이미지를 보여주고 있다.
도 5는 Al2O3 기판 위에 성장된 (a) GaAs 버퍼층, (b) GaAs 재결정 층 및 재결정층 위에 성장된 (c) Al0.2GaAs, (d) Al0.4GaAs, (e) Al0.6GaAs, 그리고 (f) Al0.8GaAs 층들에 대한 표면 AFM 이미지를 보여준다.
도 6은 Al2O3 기판 위에 성장된 (a) GaAs 버퍼층, (b) GaAs 재결정 층 및 재결정층 위에 성장된 (c) Al0.2GaAs, (d) Al0.4GaAs, (e) Al0.6GaAs, 그리고 (f) Al0.8GaAs 층들에 대한 XRD 분석결과를 보여준다.
도 2은 Al2O3 기판위에 고품질로 성장되는 AlGaAs 층의 성장에 관한 도식를 보여준다.
도 3는 Al2O3 기판위에 성장된 AlGaAs 층에 관한 상호 결정 성장 방향 분석 결과를 보여준다.
도 4은 Al2O3 기판 위에 성장된 AlGaAs 층에 대한 (a) XRD 결과와 (b)SEM 이미지를 보여주고 있다.
도 5는 Al2O3 기판 위에 성장된 (a) GaAs 버퍼층, (b) GaAs 재결정 층 및 재결정층 위에 성장된 (c) Al0.2GaAs, (d) Al0.4GaAs, (e) Al0.6GaAs, 그리고 (f) Al0.8GaAs 층들에 대한 표면 AFM 이미지를 보여준다.
도 6은 Al2O3 기판 위에 성장된 (a) GaAs 버퍼층, (b) GaAs 재결정 층 및 재결정층 위에 성장된 (c) Al0.2GaAs, (d) Al0.4GaAs, (e) Al0.6GaAs, 그리고 (f) Al0.8GaAs 층들에 대한 XRD 분석결과를 보여준다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서 정해짐을 유의하여야 한다.
실시예 1
성장 기판으로서 사파이어(Al2O3) 기판을 사용하였다.
GaAs 버퍼층의 형성.
먼저, 사파이어 기판을 온도가 조절되는 챔버에 넣고, 도 2의 buffer growth 구간에서와 같이, 온도를 5분 동안 600 ℃로 일정한 속도로 승온하면서, 에피성장이 가능한 MOCVD 장비를 이용하여 GaAs 층 을 성장시켰다. 초기 성장된 GaAs 층의 두께는 30 nm 두께로 Al2O3 표면에 형성되었다. 형성된 기판의 표면은 AMF 방식을 통해서 거칠기를 측정하였다.
온도 하강 단계 및 재결정화 단계
초기 GaAs 버퍼층이 형성된 후에는, 챔버의 온도를 2~3분에 걸쳐서 500 ℃로 낮춘 후, 500 ℃에서 10 분 동안 일정한 온도를 유지하면서 버퍼층을 저온 열처리 진행하였다. 저온 열처리가 이루어지는 동안 챔버의 가스는 H2와 AsH3 혼합가스를 분위기 가스로 사용하였다. 재결정화된 GaAs 표면은 AFM 장치를 통해 측정하였다.
온도 상승 및 성장 단계
저온 열처리가 이루어진 후, 챔버의 온도를 650 ℃로 2 분에 걸쳐 승온시킨 후, 20분간 유지하면서 MOCVD 방식으로 AlGaAs 층을 500 nm로 두께로 GaAs층 상부에 성장시켰다. AlGaAs 상의 Al과 Ga 의 성장 상의 Al 비율을 10~100% 비율로 상대적으로 변화하여 성장 시켰다. 성장된 기판의 표면과 결정은 각각 AFM 과 XRD 장치로 측정하였다.
냉각
사파이어 기판에서 성장이 종료된 후, 챔버의 온도를 상온으로 냉각하여 챔버에서 배출하였다.
각 단계에서의 결정 구조를 확인하고, 단면을 절단하여 SEM사진을 촬영하였다.
Claims (20)
- 사파이어 기판;
상기 사파이어 기판의 표면에 위치하는 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (여기서 0<x<0.05) 버퍼층, 및
상기 버퍼층의 상면에 위치하는 AlxGa1-xAs (0.05<x<1.0) 또는 AlAs으로 이루어진 상부층
으로 이루어진 기판. - 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은 10~100 nm의 두께의 박막층인 것을 특징으로 하는 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부층은 1um 이상의 후막층인 것을 특징으로 하는 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 AlGaAs로 이루어진 상부층은 n형, p형 도핑층, 또는 비 도핑층인 것을 특징으로 하는 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상부층은 MOCVD 방식으로 에피텍셜 하게 성장된 것을 특징으로 하는 기판.
- 제5항에 있어서, 상기 버퍼층 또는 상부층은 적어도 일부가 사파이어 기판에 대해서 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 기판.
- 사파이어 기판상에 GaAs 또는 AlxGa1-xAs (x<0.05) 버퍼층을 형성시키는 단계;
사파이어 기판에 형성된 버퍼층을 저온 열처리하는 단계; 및
상기 저온 열처리된 버퍼층에 AlGaAs 또는 AlAs로 이루어진 상부 층을 성장시키는 단계
를 포함하는 기판 제조 방법. - 제7항에 있어서, 상기 버퍼 층의 형성 단계는 승온 단계인 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상부층은 Al2O3 기판에 대해 일부 경사지게 성장된 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 승온 단계는 최종 온도가 550~650 ℃인 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 버퍼층은 10~100 nm의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 단계는 버퍼층 형성의 최고 온도에 비해서 낮은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 단계는 450℃ 이상에서 550 ℃의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 단계는 H2와 AsH3의 혼합가스 분위기하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 단계는 10~20 분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 후 버퍼층은 AFM으로 측정한 표면 거칠기가 감소되는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저온 열처리 후 버퍼층은 AFM으로 측정한 표면 거칠기가 감소되는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 상부층은 500 nm 이상의 두께로 성장되는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 상부층은 성장단계는 Al의 함량이 20~100 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 기판을 이용하여 제조되는 태양전지 또는 발광소자.
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| A201 | Request for examination | ||
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