KR20180094437A - 수소화물 기상증착법(hvpe)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법 - Google Patents

수소화물 기상증착법(hvpe)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소화물 기상증착법(HVPE)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 암모니아(NH3) 가스를 주입하는 제1 표면 처리 단계; 상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스 및 염화 수소(HCl) 가스를 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리 단계; 및 상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨(GaN)을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소화물 기상증착법(HVPE)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법{METHODE FOR MANUFACTURING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE USING THE HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY}
본 발명은 수소화물 기상증착법(HVPE)을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화갈륨 기판의 휨 현상 및 깨짐 방지를 개선하여 고품위의 낮은 결함 밀도를 갖는 질화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
레이저 다이오드나 발광다이오드와 같은 반도체 소자의 성능 및 수명은 해당 소자를 구성하는 여러 요소들에 의해 결정되는데, 특히, 소자들이 적층되는 베이스 기판에 의해 많은 영향을 받는다. 양질의 반도체 기판 제조를 위한 여러 방법이 제시되고 있다.
대표적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기판으로 GaN 기판을 들 수 있는데, GaN 기판은 GaAs 기판, InP 기판 등과 함께, 반도체 소자에 적합하게 이용되고 있지만, GaAs 기판 및 InP 기판에 비해 제조 비용이 매우 비싸다.
질화갈륨계 반도체는 이종기판 상에 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy), 수소화물 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy: HVPE) 등과 같은 기상 성장법을 통해 단결정의 질화갈륨(GaN) 막을 제조하고 있다.
이중에서도 수 내지 수백 ㎛에 이르는 후막(thick film) 성장에는 HVPE 성장법이 유리하며, 특히, HVPE 성장법에 의하면 성장조건, 기판의 사용조건 등에 따라 수mm의 벌크(bulk) 성장도 가능하다.
그러나, 이종기판과 질화갈륨(GaN)계 반도체 간의 격자 상수의 차이로 인하여 질화갈륨 층에 내부 응력(strain)이 발생하게 되고 성장 후 냉각 시 더 많은 응력이 계면에 축적되어, 일정 두께 이상 성장시 균열이 발생하며, 응력 완화를 위해 사파이어와 질화갈륨 계면으로부터 전위(dislocation)가 발생하게 된다.
발생된 전위는 결정의 성장 방향으로 전파하게 되며 관통전위는 성장 표면까지 전파하여 질화물계 반도체 기판의 결정성을 감소시킴으로써 궁극적으로 소자의 전기 특성을 저하시킨다.
이를 해결하기 위해, 대한민국등록특허 제 10-0893360호 에 개시된 바와 같은 HCl:NH3의 비를 조절하여 HVPE 성장법으로 질화갈륨 단결정을 위한 버퍼층을 형성하는 방법이 제안되었다. 종래의 버퍼층을 형성하는 방법은 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 경계면에 나노 다공성 형태의 버퍼층을 형성하여 질화갈륨과 사파이어 기판 간의 열팽창계수를 감소시키는 기술을 개시한다.
그러나, 종래 방법은 성장 전에 사파이어 기판을 HCl로 전처리하기 때문에 공정이 복잡하고, HCl로 인해 사파이어 기판이 손상(예; 식각)되어 결정 결함을 증가시킬 수 있고, 공정 마지막 단계에서 NH3 이 비교적 높은 유량으로 주입되어 사파이어 기판 표면에 질화갈륨이 고르게 성장되지 않고, 사파이어 기판 엣지에 폴리 질화갈륨(poly GaN)이 집중 성장된다.
또한, 일본공개특허 제 2009-519202호 에 개시된 바와 같은, NH3 유량 및 HCl 유량을 조절하여 HVPE 성장법으로 III족 질화물을 성장시켜 III족 질화물의 휨을 감소시키는 기술, 특히, NH3 유량을 조절하는 기술이 제안되었다.
그러나, 종래 방법은 사파이어 기판 표면에 질화갈륨이 고르게 성장되지 않고, 사파이어 기판 엣지에 폴리 질화갈륨(poly GaN)이 집중 성장된다. 또한, 성장된 III족 질화물의 결정 구조를 예방하면서 가능한 만큼의 원하는 두께로 성장시켜 높은 광학 품질을 갖는 낮은-결함 물질을 수득하는 것이 어렵다.
또한, 일본공개특허 제 2004-296640호 에 개시된 바와 같은, V/III비를 조절하여 HVPE 성장법으로 질화갈륨계 반도체층을 성장시켜 양질의 질화갈륨계 반도체층를 제조하는 기술이 제안되었다.
그러나, 종래 방법은 성장된 질화갈륨계 반도체층의 결정 구조를 예방하면서 가능한 만큼의 두께로 성장시켜 높은 광학 품질을 갖는 낮은-결함 물질을 수득하는 것이 어렵다.
또한, Hae-Yong Lee 에 의해 진행된 종래의 HVPE 성장법은 질화갈륨을 성장시킬 때, 1010℃의 성장 온도에서 서셉터를 100rpm으로 회전시켜 성장 시킴으로써, 질화갈륨의 휨을 감소시키는 기술이 제안되었다.
그러나, 종래 방법은 공정 난이도가 증가 되고, 성장된 질화갈륨의 휨이 충분히 완화되지 않는다.
또한, P. Visconti 에 의해 진행된 종래의 HVPE 성장 기술은 수산화칼륨(KOH) 및 인산(H3PO4)을 이용하여 화학적 식각을 통해 성장된 질화갈륨의 결함을 감소시키는 기술이 제안되었다.
그러나, 종래 방법은 성장 공정을 진행한 다음 화학적 식각 공정이 진행되기 때문에 공정이 단계가 추가되고, 과도한 화학적 식각에 의해 질화갈륨이 손상될 수 있다.
대한민국등록특허 제 10-0893360호, "질화갈륨 단결정의 성장을 위한 버퍼층의 형성방법" 일본공개특허 제 2009-519202호, "III족 질화물 제품 및 동 제품의 제작 방법" 일본공개특허 제 2004-296640호, "GaN계 반도체층의 성장 방법 및 그것을 이용한 반도체 기판의 제조 방법, 반도체 장치의 제조 방법"
Hae-Yong Lee 외 7, 2014, The control of mechanical bow for GaN substrate grown by HVPE with relatively longer radius of lattice curvature P. Visconti 외 4, 2000, Dislocation density in GaN determined by photoelectrochemical and hot-wet etching
본 발명의 실시예는 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨(GaN)을 성장시켜, 사파이어 기판 표면에 질화갈륨을 고르게 성장시킴으로써, 사파이어 기판의 엣지에 폴리 질화갈륨(poly GaN)이 집중 성장되는 것을 방지하여 휨 현상 및 깨짐 현상을 해결한 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 제1 및 제2 표면 처리를 진행함으로써, 사파이어 기판 표면 거칠기를 감소시켜 미러 질화갈륨층과 유사한 피트 질화갈륨층이 성장된 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 버퍼층을 형성함으로써, 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 커다란 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시켜, 결정 결함이 개선된 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 암모니아 가스(NH3)를 주입하는 제1 표면 처리 단계; 상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스 및 염화 수소 가스(HCl)를 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리 단계; 및 상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(NH3:HCl)를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시키는 상기 단계는, 상기 암모니아 가스의 유량은 시간에 따라 단계별로 감소되고, 염화 수소 가스의 유량은 시간에 따라 일정하게 유지될 수 있다.
상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시키는 상기 단계는, 상기 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비에 의해 질화갈륨 기판의 휨(bow)이 제어될 수 있다.
상기 암모니아:염화 수소 가스의 비는 2 내지 10.8일 수 있다.
상기 질화갈륨은 피트 질화갈륨층(Pit GaN) 및 미러 질화갈륨층(Mirror GaN)층을 포함할 수 있다.
상기 피트 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 미러 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 버퍼층은 질화 알루미늄(AlN)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨(GaN)을 성장시켜, 사파이어 기판 표면에 질화갈륨을 고르게 성장시킴으로써, 사파이어 기판 엣지에 폴리 질화갈륨(poly GaN)이 집중 성장되는 것을 방지하여 휨 현상 및 깨짐 현상을 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 제1 및 제2 표면 처리를 진행함으로써, 사파이어 기판 표면 거칠기를 감소시켜 미러 질화갈륨층과 유사한 피트 질화갈륨층을 성장시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 버퍼층을 형성함으로써, 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 커다란 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시켜, 결정 결함을 개선할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법을 도시한 흐름도 및 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 두께를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 전의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 공정을 통해 사파이어 기판을 분리한 후의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 미러 질화갈륨층(170㎛)을 도시한 전자 주사 현미경-음극선 발광(SEM-Cathodoluminescence) 이미지이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는, 도 1a 내지 도 1c를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법을 도시한 흐름도 및 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 수소화물 기상증착법을 이용하여 진행될 수 있다.
수소화물 기상증착법 장치는 반응실(reactor), 반응실 내에 배치되어 사파이어(sapphire) 기판을 지지하는 기판 지지부, 반응실에 연통하도록 배치된 도입실 및 히터를 구비할 수 있고, 도입실에는 캐리어 가스(carrier gas), 암모니아(NH3) 가스 및 염화 수소(HCl) 가스를 공급할 수 있다.
또한, 도입실 내에는, 갈륨(Ga)을 수용한 용기가 배치되어 있고, 도입실 내에 공급된 염화 수소 가스는 용기 내의 갈륨과 반응하여 염화 갈륨(GaCl) 가스를 생성한다. 생성된 염화 갈륨 가스는 캐리어 가스 및 암모니아 가스와 함께 반응실 내로 공급되어 질화갈륨을 성장시킬 수 있다.
또한, 염화 수소 가스의 유량은 염화 갈륨 가스의 분압과 비례하기 때문에, 암모니아:염화 갈륨 가스의 비(NH3:GaCl)(x:1)는 암모니아:염화 수소 가스의 유량의 비(NH3:HCl)(x:1)와 동일할 수 있다.
캐리어 가스로는 비활성 가스가 사용될 수 있고, 바람직하게는 수소(H2) 가스 또는 질소(N2) 가스일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제1 표면 처리 단계 S110, 사파이어 기판 상에 암모니아 가스 및 염화 수소 가스를 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계 S120 및 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리 단계 S130를 포함한다.
이후, 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소(grading)시키면서 질화갈륨을 성장시키는 단계 S140을 진행한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시켜, 사파이어 기판 표면에 질화갈륨을 고르게 성장시킴으로써, 사파이어 기판 엣지(edge)에 폴리 질화갈륨(poly GaN)이 집중 성장되는 것을 방지하여 휨 현상 및 깨짐 현상을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제1 표면 처리 단계 S110, 사파이어 기판 상에 암모니아 가스 및 염화 수소 가스를 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계 S120 및 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리 단계 S130를 각각 분리하여 도시하였으나, 단계 S110 및 S130에서도 S120에서처럼 버퍼층이 형성될 수 있다.
이하에서는, 도 1a 내지 도 1c을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
단계 S110은 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제1 표면 처리를 진행한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판을 반응실 내에 장착한 다음, 암모니아 가스를 주입하여 사파이어 기판에 제1 표면 처리를 진행할 수 있다.
사파이어 기판에 암모니아 가스를 흘려주면 사파이어 표면에 아주 얇은 질화 알루미늄(AlN) 막이 형성될 수 있고, 질화 알루미늄 막은 버퍼층(buffer layer)으로 사용될 수 있다.
예를 들면, 사파이어 기판을 반응실에 장착하고 900℃ 내지 1,100℃의 온도에서 암모니아 가스로 사파이어 기판의 표면을 10분 내지 1시간 동안 식각(etching) 처리하면, 사파이어 기판 재질인 산화 알루미늄(Al2O3)과 암모니아 가스가 반응하여 사파이어 기판 표면을 질화 알루미늄으로 변화시킬 수 있다.
산화 알루미늄(Al2O3)과 암모니아 가스의 반응은 하기 [화학식 1]과 같다.
[화학식 1]
Figure pat00001
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 단계 S110에서는 염화 수소 가스는 주입되지 않고, 암모니아 가스만 주입되기 때문에, 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 0을 갖는다.
또한, 암모니아 가스는 단계 110에서 16,000sccm 내지 18,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 16,000sccm 이하이면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 작아지는 문제가 있고, 18,000sccm를 초과하면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 과도하게 크게 생성되는 문제가 있다.
단계 S120은 사파이어 기판 상에 암모니아 가스 및 염화 수소(HCl) 가스를 주입하여 버퍼층을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판이 장착된 반응실 내에 암모니아 가스 및 염화 수소 가스를 주입하여 사파이어 기판에 버퍼층을 형성할 수 있다.
예를 들면, 사파이어 기판을 반응실에 장착하고 900℃ 내지 1,100℃의 온도에서 암모니아 가스 및 염화 수소 가스로 사파이어 기판의 표면을 10분 내지 1시간 동안 식각 처리하면, 사파이어 기판 재질인 산화 알루미늄과 암모니아 가스 및 염화 수소 가스가 반응하여 사파이어 기판 표면을 질화 알루미늄으로 변화시켜 버퍼층을 형성할 수 있다.
또한, 단계 S120은 단계 S110과 다르게, 추가적으로 암모니아 가스가 주입되기 때문에, 버퍼층이 집중적으로 형성되어, 단계 S110 보다 두꺼운 질화 알루미늄을 형성할 수 있다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 단계 S120에서는 단계 S110과 동일한 유량으로 암모니아 가스가 주입되나, 단계 S110과 다르게 염화 수소 가스가 일정 유량으로 주입된다.
또한, 암모니아 가스는 단계 110에서 16,000sccm 내지 18,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 16,000sccm 이하이면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 작아지는 문제가 있고, 18,000sccm를 초과하면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 과도하게 크게 생성되는 문제가 있다.
또한, 염화 수소 가스는 단계 S120에서 1,000sccm 내지 2,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 염화 수소 가스의 유량이 1,000sccm 이하이면 질화 알루미늄이 충분히 성장되지 않는 문제가 있고, 2,000sccm를 초과하면 질화 알루미늄의 성장과 에칭이 동시에 되어 질화 알루미늄 형성에 문제가 있다.
또한, 단계 120은 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 11 내지 13일 수 있고, 12이하이면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 작아지는 문제가 있고, 13을 초과하면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 과도하게 크게 생성되는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 별도의 추가 공정 없이 인-시츄(in-situ)로 버퍼층을 형성함으로써, 공정 난이도를 감소시킬 수 있다.
또한, 버퍼층은 사파이어 기판과 후속 공정에서 성장될 질화갈륨의 결정학적 차이를 줄여 결정결함 밀도를 최소화시킬 수 있다.
단계 S130는 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리를 진행한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판이 장착된 반응실 내에 암모니아 가스를 주입하여 사파이어 기판에 제2 표면 처리를 진행할 수 있다.
또한, 제2 표면 처리는 제1 표면 처리와 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
사파이어 기판에 암모니아 가스를 흘려주면 사파이어 표면에 아주 얇은 질화 알루미늄(AlN) 막이 형성될 수 있고, 질화 알루미늄 막은 버퍼층(buffer layer)으로 사용될 수 있다.
예를 들면, 사파이어 기판을 반응실에 장착하고 900℃ 내지 1,100℃의 온도에서 암모니아 가스로 사파이어 기판의 표면을 10분 내지 1시간 동안 식각(etching) 처리하면, 사파이어 기판 재질인 산화 알루미늄(Al2O3)과 암모니아 가스가 반응하여 사파이어 기판 표면을 질화 알루미늄으로 변화시킬 수 있다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 단계 S110에서는 염화 수소 가스는 주입되지 않고, 암모니아 가스만 주입되기 때문에, 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 0을 갖는다.
또한, 암모니아 가스는 단계 110에서 16,000sccm 내지 18,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 16,000sccm 이하이면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 작아지는 문제가 있고, 18,000sccm를 초과하면 생성되는 질화 알루미늄의 양과 크기가 과도하게 크게 생성되는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 단계 S110, S120 및 S130을 이용하여 버퍼층을 형성함으로써, 질화갈륨의 표면 거칠기를 감소시켜 미러 표면과 같은 표면을 갖는 질화갈륨을 성장시킬 수 있다.
단계 S140는 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판이 장착된 반응실 내에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시킬 수 있다.
또한, 단계 S140은 피트 질화갈륨층(Pit GaN)을 성장시키는 단계 S141 및 미러 질화갈륨층(Mirror GaN)을 성장시키는 단계 S142를 포함할 수 있다.
피트 질화갈륨층은 초기에 성장되는 질화갈륨으로 미러 질화갈륨층보다 결함이 다소 많은 부분이고, 미러 질화갈륨층은 피트 질화갈륨층의 상부에 형성되는 층으로 거울 표면과 같은 표면을 갖는 질화갈륨층이다. 단계 S140은 피트 질화갈륨층 및 미러 질화갈륨층을 구분하여 설명하였으나, 피트 질화갈륨층 및 미러 질화갈륨층은 성장 공정 중에 자연스럽게 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 단계 S140 동안 암모니아 가스의 유량은 시간에 따라 단계별로 감소되지만, 염화 수소 가스의 유량은 시간에 따라 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 실시예에 따라. 단계 S140은 피트 질화갈륨층을 성장시키는 단계 S141 동안은 염화 수소 가스의 유량은 시간에 따라 일정하게 유지되고, 미러 질화갈륨층을 성장시키는 단계 S142에서 염화 수소 가스의 유량은 단계 S141의 염화 수소 가스의 유량보다 감소된 값으로 일정하게 유지시킬 수 있다.
미러 질화갈륨층을 성장시키는 단계 S142에서 미러 질화갈륨층의 성장 속도는 염화 수소 가스의 유량(염화 갈륨의 유량)에 비례하게 되는데, 피트 질화갈륨층과 동일한 염화 수소 가스의 유량으로 주입하게 되면 빠른 성장속도로 인해 다공성 미러 질화갈륨층이 형성될 수 있어, 관통전위밀도가 높게 성장될 수 도 있다.
따라서, 미러 질화갈륨층의 관통 전위밀도를 낮추기 위해 성장 속도를 감소시킬 수 있고, 성장 속도를 감소시키기 위해 염화 수소 가스의 유량을 감소시킬 수 있다.
또한, 도 1c를 참조하면, 단계 S140 동안 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 단계별로 감소된다.
바람직하게는, 피트 질화갈륨층을 성장시키는 단계 S141에서는 피트 질화갈륨층이 형성될 때까지는 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시키고, 미러 질화갈륨층을 성장시키는 단계 S142에서는 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 일정 값으로 유지시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 질화갈륨을 성장 시, 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시킴으로써, 사파이어 기판 표면에 질화갈륨을 고르게 성장시킬 수 있고, 사파이어 기판 엣지에 폴리 질화갈륨이 집중 성장되는 것을 방지하여 휨 현상 및 깨짐 현상을 최소화시킬 수 있다.
또한, 질화갈륨을 성장 시, 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소시킴으로써, 성장 시 발생하는 응력을 최소화시킬 수 있다.
암모니아 가스는 단계 140에서 3,000sccm 내지 20,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 3,000sccm 이하이면 질화갈륨 성장 속도가 매우 저하되는 문제가 있고, 20,000sccm를 초과하면 다공성의 질화갈륨이 매우 빠르게 성장되는 문제가 있다.
또한, 염화 수소 가스는 단계 S140에서 1,000sccm 내지 3,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 염화 수소 가스의 유량이 1,000sccm 이하이면 질화갈륨의 성장 속도가 현저히 저하되는 문제가 있고, 3,000sccm를 초과하면 질화갈륨의 성장 속도가 증가하지만 표면의 거칠기가 증가하는 문제가 있다.
또한, 단계 140은 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 2 내지 10.8일 수 있고, 2이하이면 질화갈륨 성장 속도가 저하되는 문제가 있고, 10.8를 초과하면 질화갈륨 성장 속도는 증가하지만 다공성의 질화갈륨이 성장되는 문제가 있다.
바람직하게는, 암모니아 가스는 단계 141에서 4,000sccm 내지 20,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 4,000sccm 이하이면 다공성 질화갈륨이 성장되지 않아 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 스트레스를 줄여주지 못하는 문제가 있고, 20,000sccm를 초과하면 다공성 질화갈륨이 성장되지만 성장된 표면의 거칠기가 커져 질화갈륨 성장에 방해를 하는 문제가 있다.
따라서, 단계 141은 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 2 내지 10.8일 수 있고, 2이하이면 다공성 질화갈륨이 성장되지 않아 질화갈륨의 크랙을 유발하는 문제가 있고, 10.8을 초과하면 성장된 질화갈륨 표면의 거칠기가 커져 질화갈륨 성장에을 방해할 수 있다.
바람직하게는, 암모니아 가스는 단계 142에서 2,000sccm 내지 4,000sccm의 유량으로 주입될 수 있고, 암모니아 가스의 유량이 2,000sccm 이하이면 질화갈륨이 원활하게 성장되지 않는 문제가 있고, 4,000sccm를 초과하면 다공성 질화갈륨이 성장되는 문제가 있다.
또한, 단계 142은 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)는 1 내지 3일 수 있고, 1이하이면 질화갈륨 성장속도가 저하되는 문제가 있고, 3을 초과하면 다공성 질화갈륨이 성장되는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 암모니아:염화수소 가스의 유량 비에 의해 질화갈륨 기판의 휨이 제어될 수 있다.
따라서, 초기 기판의 휨 정도에 따라, 암모니아:염화수소 가스의 비를 조절하여 질화갈륨 기판의 휨을 제어할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 굽은 형태의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있어, 다양한 분야에 활용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 시간에 따라 암모니아:염화수소 가스의 비를 조절(단계별로 감소)할 뿐만 아니라, 성장되는 질화갈륨층의 두께에 따라 암모니아:염화수소 가스의 비를 조절(단계별로 감소)하여, 질화갈륨 기판의 휨을 제어할 수 있다.
피트 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다. 피트 질화갈륨층의 두께가 50㎛이하이면, 사파이어 기판과 성장된 질화갈륨 사이의 스트레스를 줄여주지 못하는 문제가 있고, 200㎛를 초과하면 미러 질화갈륨의 두께를 두껍게 형성하지 못하는 문제가 있다.
미러 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다. 미러 질화갈륨층의 두께가 50㎛이하이면, 성장된 질화갈륨의 관통전위(threading dislocation)가 줄어들지 않아 결함밀도가 증가하는 문제가 있고, 200㎛를 초과하면 성장 후 상온으로 램프 다운(ramp down) 과정에서 크랙이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 질화갈륨으로부터 사파이어 기판을 제거하여 셀프-스탠딩(self-standing) 구조의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 성장된 질화갈륨을 식각 방법, 레이저 리프트 오프(laser lift off; LLO) 방법 및 기계적 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 사파이어 기판으로부터 분리할 수 있고, 바람직하게는, 레이저 리프트 오프 방법이 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 355nm의 자외선을 사용하는 레이저 리프트 오프 방법으로 분리될 수 있다.
예를 들면, 사파이어 기판에 고 전력 자외선 레이저를 조사하여 질화갈륨과 사파이어 기판을 분리시킬 수 있고, 사용되는 자외선 레이저는 사파이어 기판의 밴드갭 보다는 에너지가 낮고 질화갈륨의 밴드갭보다는 에너지가 높아서, 자외선 레이저를 조사할 경우, 사파이어 기판을 통과하고 질화갈륨 계면에서 레이저 에너지가 인가된다.
따라서, 사파이어 기판과 질화갈륨 계면을 순간적으로 녹이게 되어 사파이어 기판 및 질화갈륨이 분리된다. 그러나, 사파이어 기판을 분리시키는 공정은 사파이어 기판과 질화갈륨의 경계면에 잔류 물질을 남길 수 있으나, 잔류 물질은 예를 들어, 식각 방법에 의해 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 질화갈륨을 성장시킨 이후, 사파이어 기판을 제거하지 않고 공정을 종료함으로써, 템플릿 기판 구조의 질화갈륨 기판을 제조할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제조된 질화갈륨 기판은 응력완화 효과에 의한 균열 현상의 감소 및 성장 모드 조절에 의한 결함 밀도의 감소로 인하여 사파이어 기판 상에 두께 300㎛ 이상 및 직경 50.8mm(2 inch) 이상의 질화갈륨 후막을 성장하여도 결함, 휨 및 균열이 발생하지 않고, 두께 측면에서 질화갈륨 후막은 무한대로 성장 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법의 바람직한 실시예는 하기 실시예 1과 같다.
[실시예 1]
사파이어 기판을 수소화물 기상성장 반응실에 장입한 후, 950℃의 온도에서 암모니아 가스를 흘려주면서 제1 표면 처리를 하고, 암모니아 가스와 염화수소 가스의 흘려주면서 질화 알루미늄 버퍼층을 형성하며, 다시 암모니아 가스를 흘려주면서 제2 표면 처리를 하였다.
이어, 수소화물 기상성장 반응실의 갈륨 용기에 갈륨을 적재하여 위치시키고, 온도를 850℃로 유지하면서 염화 수소 가스를 흘려주어 염화갈륨 기체를 생성하였다. 또 다른 주입구를 통해 암모니아 가스를 단계별로 감소시키면서 흘려줌(암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(x:1)를 단계별로 감소)으로써, 950℃에서 약 300㎛의 두께의 질화갈륨을 사파이어 단결정 기판 상에 성장시켰다.
또한, 공정의 신뢰성을 테스트 하기 위해 동일한 공정으로 10개의 질화갈륨 기판을 제조하였다.
본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법의 공정 조건은 [표 1]과 같다.
[표 1]은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법의 공정 조건을 도시한 표이다.
[표 1]
Figure pat00002
본 발명의 실시예 1에 따른 수소화물 기상증착법을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법은 제1 표면 처리 및 제2 표면 처리 동안 암모니아 가스만 16,800sccm의 유량으로 주입하였다.
또한, 제1 표면 처리를 진행한 다음에, 암모니아 가스를 동일하게 16,800sccm의 유량으로 주입하고, 염화 갈륨을 1,400sccm의 유량(=염화 수소의 유량)으로 주입하여 버퍼층을 형성하였다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 수소화물 기상증착법을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 갈륨 가스(암모니아:염화 수소 가스)의 유량 비를 16단계로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시켰고, 이 중, 피트 질화갈륨층을 성장시키는 공정을 15단계로 진행하며, 미러 질화갈륨층을 성장시키는 공정은 1단계로 진행하였다.
[표 1]에서와 같이, 질화갈륨 성장 동안 암모니아 가스의 유량은 단계별로 감소되고, 각각의 단계(1단계 내지 16단계)에서의 암모니아 가스는 일정 시간 혹은 일정 두께 동안 동일한 유량으로 주입된다.
반면, 염화 갈륨(염화 수소) 가스는 질화갈륨 성장 동안 동일한 유량으로 지속적으로 주입된다. 따라서, 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비는 단계별로 점점 감소 된다.
[비교예 1]
수소화물 기상성장 반응실의 갈륨 용기에 갈륨을 적재하여 위치시키고 온도를 850℃로 유지하면서 1,800 sccm의 염화 수소 가스를 흘려주어 1,800 sccm의 염화 갈륨 기체를 생성하였다. 또 다른 주입구를 통해 19,600 sccm의 암모니아 가스를 공급하여 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비 10.8:1로 흘려줌으로써, 990℃에서 약 100㎛의 피트 질화갈륨층 및 200㎛의 미러 질화갈륨층을 성장시켜, 300㎛ 두께의 질화갈륨을 사파이어 단결정 기판 상에 성장시켰다.
또한, 공정의 신뢰성을 테스트 하기 위해 동일한 공정으로 10개의 질화갈륨 기판을 제조하였다.
[비교예 2]
[비교예 1]의 공정에서 100㎛의 피트 질화갈륨층의 두께를 75 um 하는 대신 225㎛의 미러 질화갈륨층을 성장시켜 300㎛ 두께의 질화갈륨을 성장시키는것을 제외하고는, [비교예 1]과 동일한 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.
[비교예 3]
[비교예 1]의 공정에서 미러 질화갈륨 성장 두께를 200㎛ 대신 180㎛로 성장시키는 것을 제외하고는, [비교예 1]과 동일한 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.
[비교예 4]
[비교예 1]의 공정에서 미러 질화갈륨의 두께를 200㎛ 대신 220㎛로 성장시키는 것을 제외하고는, [비교예 1]과 동일한 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.
[비교예 5]
[비교예 1]의 공정에서 공정에서 미러 질화갈륨성장 두께를 200㎛ 대신 175㎛로 성장시키는 것을 제외하고는 [비교예 1]과 동일한 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.
[비교예 6]
[비교예 1]의 공정에서 공정에서 미러 질화갈륨성장 두께를 200㎛ 대신 205㎛로 성장시키는 것을 제외하고는, [비교예 1]과 동일한 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5c를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 특성에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 두께를 도시한 그래프이다.
[표 2]는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 두께를 도시한 표이다.
[표 2]
Figure pat00003
도 2 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판은 비교예 1 내지 비교예 6 대비 균일한 두께를 갖는 질화갈륨 기판이 제조된다.
도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 전의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 그래프이다.
[표 3]는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 전의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 표이다.
[표 3]
Figure pat00004
도 3 및 [표 3]를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 의해 제조된 질화갈륨 기판은 비교예 1 내지 비교예 6 따른 수소화물 기상증착법을 이용한 질화갈륨 기판의 제조 방법에 의해 제조된 질화갈륨 기판과 유사한 휨을 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 공정을 통해 사파이어 기판을 분리한 후의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 그래프이다.
[표 4]는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판 및 비교예 1 내지 비교예 6에 따라 질화갈륨 기판 제조 시, 레이저 리프트 오프 공정을 통해 사파이어 기판을 제조한 후의 질화갈륨 기판의 휨을 도시한 표이다.
[표 4]
Figure pat00005
도 4 및 [표 4]를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판은 비교예 1 내지 비교예 6 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판에 비해 작은 휨 값을 갖는다.
일반적으로, 질화갈륨 기판은 평균 휨 값이 -30㎛를 가지는 것이 이상적이다.
본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판은 평균 휨 값이 -50㎛를 가진다.
따라서, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 사파이어 기판 표면에 질화갈륨이 고르게 성장시켜, 사파이어 기판 엣지에 폴리 질화갈륨이 집중 성장되는 것을 방지하여 휨을 최소화하고, 질화갈륨 성장 시 발생하는 응력을 최소화하여, 깨짐 없는 질화갈륨 기판을 제조할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 미러 질화갈륨층(170㎛)을 도시한 전자 주사 현미경-음극선 발광(SEM-Cathodoluminescence) 이미지이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 미러 질화갈륨층의 결함 비율이 매우 적고, 고르게 형성되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5a에서 도시된, 미러 질화갈륨층의 표면 중앙 부분의 관통전위(threading dislocation; TDD)는 1.31 x 107cm- 2 이었고, 도 5b에서 되시된, 미러 질화갈륨층의 표면 왼쪽 엣지 부분의 관통전위는 6.16 x 106cm- 2 이었으며, 도 5c에서 도시된, 미러 질화갈륨층의 표면 오른쪽 엣지 부분의 관통전위는 7.63 x 106cm-2이었다.
따라서, 본 발명의 실시예1에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따라 제조된 질화갈륨 기판의 관통전위가 감소된다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 사파이어 기판 상에 암모니아 가스를 주입하는 제1 표면 처리 단계;
    상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스 및 염화 수소(HCl) 가스를 주입하여 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 사파이어 기판 상에 상기 암모니아 가스를 주입하는 제2 표면 처리 단계; 및
    상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비(NH3:HCl) (x:1)를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨(GaN)을 성장시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시키는 상기 단계는,
    상기 암모니아 가스의 유량은 시간에 따라 단계별로 감소되고, 염화 수소 가스의 유량은 시간에 따라 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 상에 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비를 단계별로 감소시키면서 질화갈륨을 성장시키는 상기 단계는,
    상기 암모니아:염화 수소 가스의 유량 비에 의해 질화갈륨 기판의 휨(bow)이 제어되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아:염화 수소 가스의 비는 2 내지 10.8인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질화갈륨(GaN)은 피트 질화갈륨층(Pit GaN) 및 미러 질화갈륨층(Mirror GaN)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피트 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 미러 질화갈륨층은 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 질화 알루미늄(AlN)인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102129390B1 (ko) * 2019-05-24 2020-07-02 한국세라믹기술원 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법
CN112820634A (zh) * 2021-01-14 2021-05-18 镓特半导体科技（上海）有限公司 半导体结构、自支撑氮化镓层及其制备方法
KR20220131765A (ko) * 2021-03-22 2022-09-29 김용한 질화갈륨 기판의 제조 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004296640A (ja) 2003-03-26 2004-10-21 Furukawa Co Ltd ＧａＮ系半導体層の成長方法およびそれを用いた半導体基板の製造方法、半導体装置の製造方法
KR100893360B1 (ko) 2008-05-02 2009-04-15 (주)그랜드 텍 질화갈륨 단결정의 성장을 위한 버퍼층의 형성방법
JP2009519202A (ja) 2005-12-12 2009-05-14 キーマ テクノロジーズ， インク． Ｉｉｉ族窒化物製品及び同製品の作製方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004296640A (ja) 2003-03-26 2004-10-21 Furukawa Co Ltd ＧａＮ系半導体層の成長方法およびそれを用いた半導体基板の製造方法、半導体装置の製造方法
JP2009519202A (ja) 2005-12-12 2009-05-14 キーマ テクノロジーズ， インク． Ｉｉｉ族窒化物製品及び同製品の作製方法
KR100893360B1 (ko) 2008-05-02 2009-04-15 (주)그랜드 텍 질화갈륨 단결정의 성장을 위한 버퍼층의 형성방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hae-Yong Lee 외 7, 2014, The control of mechanical bow for GaN substrate grown by HVPE with relatively longer radius of lattice curvature
P. Visconti 외 4, 2000, Dislocation density in GaN determined by photoelectrochemical and hot-wet etching

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102129390B1 (ko) * 2019-05-24 2020-07-02 한국세라믹기술원 HVPE 성장법을 이용하여 성장한 고품질 β-Ga2O3 박막 제조 방법
CN112820634A (zh) * 2021-01-14 2021-05-18 镓特半导体科技（上海）有限公司 半导体结构、自支撑氮化镓层及其制备方法
CN112820634B (zh) * 2021-01-14 2024-01-16 镓特半导体科技（上海）有限公司 半导体结构、自支撑氮化镓层及其制备方法
KR20220131765A (ko) * 2021-03-22 2022-09-29 김용한 질화갈륨 기판의 제조 장치

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