KR20210085889A - Crystal growth method - Google Patents

Crystal growth method Download PDF

Info

Publication number
KR20210085889A
KR20210085889A KR1020190179439A KR20190179439A KR20210085889A KR 20210085889 A KR20210085889 A KR 20210085889A KR 1020190179439 A KR1020190179439 A KR 1020190179439A KR 20190179439 A KR20190179439 A KR 20190179439A KR 20210085889 A KR20210085889 A KR 20210085889A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
gan
aln
layer
crystal growth
Prior art date
Application number
KR1020190179439A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102386031B1 (en
Inventor
유영조
Original Assignee
유영조
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유영조 filed Critical 유영조
Priority to KR1020190179439A priority Critical patent/KR102386031B1/en
Publication of KR20210085889A publication Critical patent/KR20210085889A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102386031B1 publication Critical patent/KR102386031B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403AIII-nitrides
    • C30B29/406Gallium nitride

Abstract

The present invention relates to a crystal growing method. As a crystal growing method for growing GaN on a substrate in a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) manner, provided is a crystal growing method which comprises a step of forming a GaN layer or a 3-5 family compound semiconductor layer on an AlN dot after the AlN dot is formed on a substrate, and forming a double layer of dot seeds for growing GaN, thereby improving growing speed and crystallinity of a GaN thick film.

Description

결정성장방법{Crystal growth method}Crystal growth method {Crystal growth method}

본 발명은 결정성장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GaN의 성장속도와 결정성을 향상시킬 수 있도록 한 결정성장방법에 관한 것이다.The present invention relates to a crystal growth method, and more particularly, to a crystal growth method capable of improving the growth rate and crystallinity of GaN.

일반적으로 GaN 단결정 웨이퍼는 전하이동도가 높아 쇼트키 다이오드(schottky diode) 등을 이용한 고출력, 고주파 파워 디바이스에 적합한 소재로서, 종래부터 레이저 다이오드(laser diode)용 기판으로 사용되고 있으며, 최근에는 전력반도체의 기판으로도 사용되고 있다.In general, GaN single-crystal wafers have high charge mobility, so they are suitable materials for high-output, high-frequency power devices using Schottky diodes, etc., and have been conventionally used as substrates for laser diodes. It is also used as a substrate.

이러한 GaN 웨이퍼는 통상 GaN 후막을 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)로 사파이어(sapphire)(Al2O3) 기판상에 성장시킨 후 레이저 또는 물리적으로 사파이어와 GaN을 분리하는 방식으로 제조된다.Such a GaN wafer is usually manufactured by growing a GaN thick film with hydride vapor phase epitaxy (HVPE) on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate and then laser or physically separating sapphire and GaN.

HVPE로 GaN를 성장시킬 때 성장변수는 성장온도, 암모니아 유량, Ga유량, 성장속도, 캐리어가스 유량, 사파이어(Al2O3) 기판의 초기 표면처리 등 매우 복잡하고 다양하며, 이러한 성장변수들이 최적으로 조합되어야만 결함이 적은 단결정의 GaN의 성장이 가능하다.When growing GaN with HVPE, growth parameters are very complex and diverse, such as growth temperature, ammonia flow rate, Ga flow rate, growth rate, carrier gas flow rate, and initial surface treatment of sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, and these growth parameters are optimal. The growth of single crystal GaN with few defects is possible only when combined with

특히, 상술한 성장변수 중에서 사파이어 기판의 표면처리는 GaN의 성장 초기에 이루어지는데, 이러한 기판의 표면처리 공정은 최종적인 GaN의 품질을 좌우할 정도로 매우 중요하다.In particular, among the growth parameters described above, the surface treatment of the sapphire substrate is performed at the initial stage of GaN growth, and the surface treatment process of the substrate is very important enough to influence the final quality of GaN.

구체적으로, 사파이어 기판의 초기 표면처리는 500℃~900℃의 고온에서 미량의 암모니아(NH3)를 기판 위로 흘려주는 방식으로 이루어진다. 이와 같이 사파이어 기판을 표면처리하면 사파이어 기판의 Al과 암모니아의 N이 반응하여 사파이어 기판 표면에 수십 nm의 직경을 갖는 나노 사이즈의 AlN 도트(dot)가 형성되며, 이러한 AlN 도트는 GaN 성장을 가능하게 하는 시드(seed)로 작용하는 것으로 알려져 있다.Specifically, the initial surface treatment of the sapphire substrate is made by flowing a trace amount of ammonia (NH 3 ) onto the substrate at a high temperature of 500°C to 900°C. When the sapphire substrate is surface treated in this way, Al of the sapphire substrate and N of ammonia react to form nano-sized AlN dots having a diameter of several tens of nm on the surface of the sapphire substrate, and these AlN dots enable GaN growth It is known to act as a seed.

그러나 실제 HVPE 반응기에서 상술한 방법으로 사파이어 기판 위에 AlN 도트를 형성한 후 GaN를 성장시키면 GaN가 시간당 10㎛ 이하의 매우 느린 속도로 성장하여 원하는 두께의 GaN 후막을 얻기 어려운 것을 확인할 수 있으며, 이는 AlN의 반응성이 낮아 AlN 도트만으로 GaN의 성장을 촉진하는 데 한계가 있음을 의미한다.However, when GaN is grown after forming AlN dots on a sapphire substrate by the above-described method in an actual HVPE reactor, GaN grows at a very slow rate of 10 μm or less per hour, making it difficult to obtain a thick GaN film of the desired thickness, which It means that there is a limit to promoting the growth of GaN with AlN dots alone due to the low reactivity of the AlN dots.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, HVPE로 GaN 단결정 웨이퍼를 제조할 때 GaN의 성장을 촉진할 수 있는 결정성장방법을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a crystal growth method capable of promoting the growth of GaN when manufacturing a GaN single crystal wafer using HVPE.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,As a means for solving the above technical problem,

본 발명은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)로 기판 상에 GaN를 성장시키는 결정성장방법에 있어서, 기판 위에 AlN 도트를 형성한 후 AlN 도트 위에 GaN 층 또는 3-5족 화합물 반도체 층을 형성하여 GaN 성장을 위한 이중층의 도트 시드를 형성하는 단계를 포함하는 결정성장방법을 제공한다.The present invention relates to a crystal growth method for growing GaN on a substrate with hydride vapor phase epitaxy (HVPE). After forming an AlN dot on the substrate, a GaN layer or a group 3-5 compound semiconductor layer is formed on the AlN dot to grow GaN. It provides a crystal growth method comprising the step of forming a dot seed of a double layer for

이 경우, 상기 AlN 도트의 지름과 높이는 10~100nm일 수 있다.In this case, the diameter and height of the AlN dots may be 10 to 100 nm.

이 경우, 상기 GaN 층의 두께는 1.5~20nm일 수 있다.In this case, the thickness of the GaN layer may be 1.5 to 20 nm.

이 경우, 상기 AlN 도트는 10at% 이하의 Ga를 포함할 수 있다.In this case, the AlN dots may contain 10 at% or less of Ga.

이 경우, 상기 GaN 층은 50at% 이하의 Al을 포함할 수 있다.In this case, the GaN layer may contain 50 at% or less of Al.

이 경우, 상기 AlN 도트는 10at% 이하의 Ga를 포함하고, 상기 GaN 층은 50at% 이하의 Al을 포함할 수 있다.In this case, the AlN dots may contain 10at% or less of Ga, and the GaN layer may contain 50at% or less of Al.

이 경우, 상기 3-5족 화합물 반도체 층은 InN로 이루어질 수 있다.In this case, the group 3-5 compound semiconductor layer may be made of InN.

이 경우, 상기 기판은 사파이어 기판, 산화물 기판, 황화물 기판, 불화물 기판, Si 기판 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In this case, the substrate may be any one selected from a sapphire substrate, an oxide substrate, a sulfide substrate, a fluoride substrate, and a Si substrate.

이 경우, 상기 산화물 기판은 Ga2O3, TiO2, LaAlO3, MgO, NdCaAlO4, NdGaO3, BaTiO3, SCAM, SrTiO3 기판 중에서 선택되는 어느 하나의 기판이고, 상기 황화물 기판은 ZnS 또는 ZnSe 기판이며, 상기 불화물 기판은 CaF2기판이고, 상기 Si 기판은 표면처리된 Si 기판일 수 있다.In this case, the oxide substrate is a Ga 2 O 3, TiO 2, LaAlO 3, MgO, NdCaAlO 4, NdGaO 3, BaTiO 3, SCAM, and any one substrate is selected from SrTiO 3 substrate, and the sulfide substrate ZnS or ZnSe a substrate, the fluoride substrate may be a CaF 2 substrate, and the Si substrate may be a surface-treated Si substrate.

본 발명에 따르면, HVPE에 의해 GaN를 성장시킬 때 기판에 AlN/GaN 이중층이 형성되도록 기판을 표면처리함으로써 GaN 층이 시드로 작용하여 GaN 후막의 성장속도와 결정성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, when GaN is grown by HVPE, by surface-treating the substrate so that an AlN/GaN double layer is formed on the substrate, the GaN layer acts as a seed to improve the growth rate and crystallinity of the GaN thick film.

도 1은 본 발명에 따라 기판 위에 AlN 도트가 형성된 모습을 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 AlN 도트 위에 GaN 층이 형성된 모습을 도시한 도면,
도 3 및 도 4는 각각 AlN 도트와 AlN/GaN 이중층 도트의 AFM 표면 이미지를 나타낸 사진,
도 5 및 도 6은 각각 AlN 도트와 AlN(28nm)/GaN(4.3nm) 이중층 도트의 Synchrotron XRD mapping 결과를 나타낸 사진,
도 7 및 도 8은 각각 AlN 도트와 AlN(28nm)/GaN(4.3nm) 이중층 도트의 H scan에서의 Synchrotron XRD omega scan 결과를 나타낸 그래프,
도 9 및 도 10은 AlN 층과 GaN 층의 두께를 구하기 위한 L scan을 나타낸 그래프,
도 11은 역격자 공간에서의 스캔방향을 나타낸 도면.
1 is a view showing a state in which AlN dots are formed on a substrate according to the present invention;
2 is a view showing a state in which a GaN layer is formed on the AlN dots shown in FIG. 1;
3 and 4 are photographs showing AFM surface images of AlN dots and AlN/GaN double-layer dots, respectively;
5 and 6 are photographs showing the results of Synchrotron XRD mapping of AlN dots and AlN (28 nm)/GaN (4.3 nm) double-layer dots, respectively;
7 and 8 are graphs showing the Synchrotron XRD omega scan results in H scan of AlN dots and AlN (28 nm)/GaN (4.3 nm) double-layer dots, respectively;
9 and 10 are graphs showing L scan for obtaining the thickness of the AlN layer and the GaN layer,
11 is a diagram illustrating a scan direction in a reciprocal lattice space.

이하 본 발명에 따른 결정성장방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the crystal growth method according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따라 기판 위에 AlN 도트가 형성된 모습을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 AlN 도트 위에 GaN 층이 형성된 모습을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which AlN dots are formed on a substrate according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a GaN layer is formed on the AlN dots illustrated in FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결정성장방법은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)로 GaN 단결정 웨이퍼를 제조하는 경우 GaN 후막의 성장을 촉진하기 위해 기판을 표면처리하는 것을 기술적 특징으로 하는 바 이하 각 공정에 대해 순차적으로 설명한다.1 and 2, in the crystal growth method according to a preferred embodiment of the present invention, when a GaN single crystal wafer is manufactured by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), the substrate is surface treated to promote the growth of a GaN thick film. As a technical feature, each process will be sequentially described below.

먼저, 사파이어 기판(10) 위에 AlN 도트(20)를 형성한다.First, AlN dots 20 are formed on the sapphire substrate 10 .

구체적으로, HVPE 반응기의 내부에 사파이어 기판(10)을 장착하고, 반응기 내부 온도를 약 500~1000℃까지 상승시킨다. 이후, HCL과 NH3 가스를 1:10의 비율로 N2 가스와 혼합하여 반응기 내부로 약 5분 동안 주입하여 흘려주면 사파이어 기판(10)의 Al과 암모니아의 N이 반응하여 사파이어 기판(10) 표면에 AlN 도트(20)가 형성된다. 참고적으로, 도 1 및 도 2에서 미설명부호 40은 AlN 층을 나타낸다.Specifically, the sapphire substrate 10 is mounted on the inside of the HVPE reactor, and the temperature inside the reactor is raised to about 500 to 1000°C. After that, when HCL and NH 3 gas are mixed with N 2 gas at a ratio of 1:10 and injected into the reactor for about 5 minutes and flowed, Al of the sapphire substrate 10 and N of ammonia react with the sapphire substrate 10. AlN dots 20 are formed on the surface. For reference, unexplained reference numeral 40 in FIGS. 1 and 2 denotes an AlN layer.

AlN 도트(20)의 지름과 높이는 10~100nm인 것이 바람직하다. 왜냐하면, AlN 도트(20)의 지름과 높이가 10nm 미만이면 GaN의 성장을 위한 시드로 작용할 수 없고, 100nm 초과이면 최종 제품의 표면평탄성의 저하 및 기판의 휨을 유발할수 있기 때문이다.The diameter and height of the AlN dots 20 are preferably 10 to 100 nm. This is because, if the diameter and height of the AlN dot 20 is less than 10 nm, it cannot act as a seed for GaN growth, and if it exceeds 100 nm, it may cause deterioration of the surface flatness of the final product and warpage of the substrate.

또한, AlN 도트(20)는 10at% 이하, 바람직하게는 5at% 이하의 Ga를 포함할 수 있다. 이처럼 AlN 도트(20)가 미량의 Ga을 포함하면 GaN와 AlN 후막의 격자 불일치를 줄일 수 있다. 다만, AlN 도트(20) 형성시 포함되는 Ga의 양은 5at% 이하로 미량인 것이 AlN 도트(20) 형성을 위해 바람직하다.In addition, the AlN dots 20 may contain Ga of 10 at% or less, preferably 5 at% or less. As such, when the AlN dots 20 contain a small amount of Ga, the lattice mismatch between the GaN and AlN thick films can be reduced. However, when forming the AlN dots 20, the amount of Ga included in the formation is preferably 5 at% or less, which is a very small amount for the formation of the AlN dots 20.

한편, 여기서는 사파이어 기판(10)을 예로 들어 설명하나, 본 발명에 적용 가능한 기판이 사파이어 기판으로 한정되는 것은 아니며, Ga2O3, TiO2, LaAlO3, MgO, NdCaAlO4, NdGaO3, BaTiO3, SCAM, SrTiO3와 같은 산화물 기판이나, ZnS, ZnSe과 같은 황화물 기판, CaF2와 같은 불화물 기판, 또는 표면 처리된 Si 기판도 사용할 수 있다.Meanwhile, although the sapphire substrate 10 will be described as an example, the substrate applicable to the present invention is not limited to the sapphire substrate, and Ga 2 O 3 , TiO 2 , LaAlO 3 , MgO, NdCaAlO 4 , NdGaO 3 , BaTiO 3 , SCAM, and an oxide substrate such as SrTiO 3 , a sulfide substrate such as ZnS or ZnSe, a fluoride substrate such as CaF 2 , or a surface-treated Si substrate may also be used.

이후, AlN 도트(20) 위에 GaN 층(30)을 형성한다.Thereafter, a GaN layer 30 is formed on the AlN dots 20 .

구체적으로, 미량의 GaCl과, HCl 가스 및 NH3 가스를 반응기 내에 주입하면 AlN 도트(20) 위에 수 nm 두께의 GaN 층(30)이 형성된다. 이 경우, GaCl 가스와 NH3 가스는 GaN 후막 성장시 투입되는 양보다 5% 이하의 양으로 조절되어 0.1 이하의 비율(GaCl/NH3)로 투입된다.Specifically, when a small amount of GaCl, HCl gas, and NH 3 gas are injected into the reactor, a GaN layer 30 having a thickness of several nm is formed on the AlN dot 20 . In this case, the GaCl gas and the NH 3 gas are adjusted to an amount of 5% or less than the amount input during the GaN thick film growth, and are input at a ratio of 0.1 or less (GaCl/NH 3 ).

GaN 층(30)은 GaN 후막과 같은 소재로서 결정성을 가지고 있고, 원료 반응가스에도 활성화도가 높기 때문에 GaN 후막의 성장을 촉진시키면서 GaN 후막의 결정성도 향상시킬 수 있다.Since the GaN layer 30 has crystallinity as the same material as the GaN thick film and has a high degree of activation even in the raw material reaction gas, it is possible to promote the growth of the GaN thick film and improve the crystallinity of the GaN thick film.

GaN 층(30)의 두께는 1.5~20nm인 것이 바람직하다. GaN 층(30)의 두께가 1.5nm 미만이면 하부층과의 조성의 상호확산으로 인해 GaN의 성장을 위한 시드로 작용하기 어렵다. 또한, GaN 층(30)은 GaN의 격자정수(0.45nm)가 적어도 3개 이상 반복되어 AlN 층과의 스트레인을 일부 흡수할 수 있는 두께인 1.5nm이상의 두께를 가져야 한다. 한편, GaN 층(30)의 두께가 20nm 초과이면 GaN 층(30)의 두께가 증가하여도 반응가스와의 활성도는 오히려 감소하여 성장속도가 감소하거나 성장속도가 더 이상 증가하지 않는 경향이 있어서 성장속도 및 결정성 향상의 개선 효과를 기대할 수 없다.The thickness of the GaN layer 30 is preferably 1.5 to 20 nm. If the thickness of the GaN layer 30 is less than 1.5 nm, it is difficult to act as a seed for the growth of GaN due to interdiffusion of the composition with the lower layer. In addition, the GaN layer 30 should have a thickness of 1.5 nm or more, which is a thickness that can partially absorb strain with the AlN layer by repeating at least three or more GaN lattice constants (0.45 nm). On the other hand, if the thickness of the GaN layer 30 is more than 20 nm, even if the thickness of the GaN layer 30 is increased, the activity with the reactive gas is rather decreased, so that the growth rate decreases or the growth rate does not increase anymore. It cannot be expected to improve the speed and crystallinity.

또한, GaN 층(30)은 사파이어 기판(10)의 Al과의 상호확산 등을 통해 Al을 포함할 수 있다. 이 경우, Al은 성장온도에 의한 상호확산에 의거하므로 GaN 층(30)에 최대 50at% 이하로 포함될 수 있다.In addition, the GaN layer 30 may include Al through interdiffusion with Al of the sapphire substrate 10 . In this case, since Al is based on mutual diffusion by the growth temperature, it may be included in the GaN layer 30 at a maximum of 50 at% or less.

한편, GaN 층(30) 대신 3-5족 화합물 반도체(compound semiconductor) 층을 형성하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 3-5족 화합물 반도체 소재로는 InN을 사용할 수 있다. InN의 형성은 GaN의 형성과 동일하게 In금속이 기화하여 NH3가스와 반응시키는 공정을 거쳐서 AlN 도트 위에 형성 가능하며, InN는 GaN와 격자상수는 각각 0.35nm 및 0.32nm로 유사하고, InN 역시 반응가스와의 활성화도가 높아서 성장속도를 향상시킨다.Meanwhile, the same effect can be obtained even when a group III-V compound semiconductor layer is formed instead of the GaN layer 30 . InN may be used as the group 3-5 compound semiconductor material. Formation of InN can be formed on AlN dots through a process in which In metal vaporizes and reacts with NH 3 gas in the same manner as in GaN formation. InN is similar to GaN with lattice constants of 0.35 nm and 0.32 nm, respectively, and InN is also The high degree of activation with the reaction gas improves the growth rate.

상술한 바와 같이 GaN 층(30)을 형성한 후에는 통상의 결정성장방법을 이용하여 GaN를 성장시킨다.After forming the GaN layer 30 as described above, GaN is grown using a conventional crystal growth method.

예를 들면, 앞서 주입된 HCl를 Ga와 반응시켜 GaCl을 형성하고, GaCl과 NH3 가스를 반응시켜 사파이어 기판(10) 위에 수 ㎛ 두께의 GaN 후막을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명은 GaN 후막의 성장을 위해 기판 위에 1~20nm의 GaN 층을 형성한 후 GaN 후막을 성장시킨다면 그 성장조건이나 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 다양한 방식을 적용할 수 있다.For example, GaCl may be formed by reacting the previously injected HCl with Ga, and a GaN thick film having a thickness of several μm may be formed on the sapphire substrate 10 by reacting GaCl and NH 3 gas. That is, in the present invention, if a GaN thick film is grown after forming a GaN layer of 1 to 20 nm on a substrate for growth of the GaN thick film, the growth conditions or methods are not particularly limited, and various known methods can be applied.

이상에서 설명한 결정성장방법의 효과를 확인하기 위해 AlN 도트와 AlN/GaN 이중층 도트로 표면처리된 사파이어 기판을 이용하여 GaN 후막을 성장시켜 도트가 GaN 후막 성장에 미치는 영향을 확인하였다.In order to confirm the effect of the crystal growth method described above, a GaN thick film was grown using a sapphire substrate surface-treated with AlN dots and AlN/GaN double-layer dots, and the effect of the dots on the GaN thick film growth was confirmed.

그 결과, AlN 도트로 표면처리된 경우 GaN 후막이 제한적으로 성장하고, 성장속도가 시간당 10㎛ 이하로 매우 느려 300㎛ 이상의 두꺼운 후막을 성장하는 데 용이하지 않고, 원료 가스의 소모가 매우 높았다. 그러나 AlN/GaN 이중층 도트로 표면처리된 경우에는 성장속도가 20㎛ 이상으로 매우 빠르고, 300㎛ 이상의 후막도 용이하게 성장시킬 수 있었다. 이러한 결과로부터 AlN 도트 위에 적층된 수 nm 두께의 GaN 층이 GaN 후막의 성장을 촉진시키는 역할을 하는 것을 알 수 있다.As a result, when the surface was treated with AlN dots, the GaN thick film grew limited, and the growth rate was very slow at 10 µm or less per hour, making it difficult to grow a thick film of 300 µm or more, and the consumption of raw material gas was very high. However, in the case of surface treatment with AlN/GaN double-layer dots, the growth rate was very fast (20 μm or more), and thick films of 300 μm or more could be easily grown. From these results, it can be seen that the GaN layer with a thickness of several nm laminated on the AlN dots serves to promote the growth of the GaN thick film.

이와 관련하여 도 3, 도 4에는 AlN 도트와 AlN/GaN 이중층 도트의 AFM 표면 이미지를 각각 나타내었다. 도 3 및 도 4로부터 AlN 도트는 높이 30nm의 매우 뚜렷한 도트 형상으로 존재하는 반면 AlN/GaN 이중층 도트는 샤프한 도트 형상이 아닌 수평방향으로도 성장한 도트 형상으로 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 AlN 도트 위에 형성된 GaN 층이 측면(lateral) 방향의 도트 형성을 촉진한 것으로 보여진다.In this regard, FIGS. 3 and 4 show AFM surface images of AlN dots and AlN/GaN double-layer dots, respectively. It can be seen from FIGS. 3 and 4 that AlN dots exist in a very distinct dot shape with a height of 30 nm, whereas AlN/GaN double-layer dots exist in a dot shape grown in the horizontal direction rather than a sharp dot shape. It is seen that the GaN layer formed on the AlN dots promoted the dot formation in the lateral direction.

도 5 및 도 6에는 AlN 도트와 AlN(28nm)/GaN(4.3nm) 이중층 도트의 Synchrotron XRD mapping 결과를 각각 나타내었다. 도 5 및 도 6으로부터 AlN (0002) 패턴과 GaN (0002) 패턴을 확인할 수 있다.5 and 6 show the results of Synchrotron XRD mapping of AlN dots and AlN (28 nm)/GaN (4.3 nm) double-layer dots, respectively. An AlN (0002) pattern and a GaN (0002) pattern can be confirmed from FIGS. 5 and 6 .

도 7 및 도 8에는 AlN 도트와 AlN(28nm)/GaN(4.3nm) 이중층 도트의 H scan에서의 Synchrotron XRD omega scan 결과를 각각 나타내었다. 도 7에서는 사파이어 기판의 결정성이 반영된 계면에서의 샤프한 AlN 피크가 관찰된다. 이 경우, 샤프한 AlN 성분 주위로 보이는 넓은 성분은 AlN과 사파이어 기판의 격자와의 13.2%의 격자 불일치(lattice mismatch)에 따른 strain에 의한 것이다. 또한, 도 8로부터 AlN와 GaN의 H scan의 omega scan반폭치는 0.012로 매우 작아서 사파이어 기판의 단결정성이 반영된 높은 결정성의 AlN/GaN 이중층 도트가 형성되었음을 알 수 있다. 한편, 도 8에서도 도 7과 같이 AlN 피크 에서 넓은 성분이 관찰되는 것은 AlN 층이 사파이어 기판과의 계면에 형성되고, AlN 층 위에 GaN 층이 형성되었음을 의미한다. 이러한 각 층의 두께는 도 9 및 도 10의 L scan으로 구하였고, 구체적으로 두께는 AlN 도트의 경우 23nm 이고, GaN/AlN 이중층 도트의 경우에는 AlN(28nm)/GaN(4.3nm)이다. 도 11은 상기 기술한 H scan 및 L scan 그리고 Omega 스캔을 역격자 공간에서 나타낸 도면이다.7 and 8 show the results of Synchrotron XRD omega scan in H scan of AlN dots and AlN (28 nm)/GaN (4.3 nm) double-layer dots, respectively. In FIG. 7 , a sharp AlN peak at the interface reflecting the crystallinity of the sapphire substrate is observed. In this case, the broad component seen around the sharp AlN component is due to strain due to a lattice mismatch of 13.2% between the AlN and the lattice of the sapphire substrate. In addition, it can be seen from FIG. 8 that the omega scan half width of H scan of AlN and GaN is very small as 0.012, so that AlN/GaN double-layer dots of high crystallinity reflecting the single crystallinity of the sapphire substrate are formed. On the other hand, the observation of a broad component in the AlN peak in FIG. 8 as in FIG. 7 means that the AlN layer was formed at the interface with the sapphire substrate and the GaN layer was formed on the AlN layer. The thickness of each layer was obtained by L scan of FIGS. 9 and 10 , and specifically, the thickness was 23 nm for AlN dots, and AlN (28 nm)/GaN (4.3 nm) for GaN/AlN double-layer dots. 11 is a diagram illustrating the above-described H scan, L scan, and Omega scan in a reciprocal lattice space.

10 : 사파이어 기판 20 : AlN 도트
30 : GaN 층 40 : AlN 층
10: sapphire substrate 20: AlN dot
30: GaN layer 40: AlN layer

Claims (9)

HVPE(hydride vapor phase epitaxy)로 기판 상에 GaN를 성장시키는 결정성장방법에 있어서,
기판 위에 AlN 도트를 형성한 후 AlN 도트 위에 GaN 층 또는 3-5족 화합물 반도체 층을 형성하여 GaN 성장을 위한 이중층의 도트 시드를 형성하는 단계를 포함하는 결정성장방법.
In the crystal growth method of growing GaN on a substrate with hydride vapor phase epitaxy (HVPE),
A crystal growth method, comprising: forming an AlN dot on a substrate and then forming a GaN layer or a Group 3-5 compound semiconductor layer on the AlN dot to form a double-layer dot seed for GaN growth.
제 1 항에 있어서,
상기 AlN 도트의 지름과 높이는 10~100nm인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
A crystal growth method, characterized in that the diameter and height of the AlN dots are 10 to 100 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 GaN 층의 두께는 1.5~20nm인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
The thickness of the GaN layer is a crystal growth method, characterized in that 1.5 ~ 20nm.
제 1 항에 있어서,
상기 AlN 도트는 10at% 이하의 Ga를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
The AlN dot crystal growth method, characterized in that it contains 10at% or less of Ga.
제 1 항에 있어서,
상기 GaN 층은 50at% 이하의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
The GaN layer is a crystal growth method, characterized in that it contains 50 at% or less of Al.
제 1 항에 있어서,
상기 AlN 도트는 10at% 이하의 Ga를 포함하고, 상기 GaN 층은 50at% 이하의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
The AlN dot contains 10at% or less of Ga, and the GaN layer contains 50at% or less of Al.
제 1 항에 있어서,
상기 3-5족 화합물 반도체 층은 InN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
The method of claim 1,
The group 3-5 compound semiconductor layer is a crystal growth method, characterized in that made of InN.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판은 사파이어 기판, 산화물 기판, 황화물 기판, 불화물 기판, Si 기판 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
The substrate is a crystal growth method, characterized in that any one selected from a sapphire substrate, an oxide substrate, a sulfide substrate, a fluoride substrate, and a Si substrate.
제 8 항에 있어서,
상기 산화물 기판은 Ga2O3, TiO2, LaAlO3, MgO, NdCaAlO4, NdGaO3, BaTiO3, SCAM, SrTiO3 기판 중에서 선택되는 어느 하나의 기판이고, 상기 황화물 기판은 ZnS 또는 ZnSe 기판이며, 상기 불화물 기판은 CaF2기판이고, 상기 Si 기판은 표면처리된 Si 기판인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
9. The method of claim 8,
The oxide substrate is Ga 2 O 3, TiO 2, LaAlO 3, MgO, NdCaAlO 4, NdGaO 3, BaTiO 3, and any one substrate is selected from the SCAM, SrTiO 3 substrate, and the sulfide substrate is ZnS or ZnSe substrate, The fluoride substrate is a CaF 2 substrate, the Si substrate is a crystal growth method, characterized in that the surface-treated Si substrate.
KR1020190179439A 2019-12-31 2019-12-31 Crystal growth method KR102386031B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190179439A KR102386031B1 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Crystal growth method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190179439A KR102386031B1 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Crystal growth method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210085889A true KR20210085889A (en) 2021-07-08
KR102386031B1 KR102386031B1 (en) 2022-04-12

Family

ID=76893933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190179439A KR102386031B1 (en) 2019-12-31 2019-12-31 Crystal growth method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102386031B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006066496A (en) * 2004-08-25 2006-03-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Crystal growth method of gallium nitride, gallium nitride substrate, and manufacturing method thereof
KR20060081107A (en) * 2005-01-07 2006-07-12 삼성코닝 주식회사 Epitaxial growth method
JP2007246289A (en) * 2004-03-11 2007-09-27 Nec Corp Method for manufacturing gallium nitride semiconductor substrate
JP2010141369A (en) * 1998-07-14 2010-06-24 Fujitsu Ltd Nitride based group iii-v compound semiconductor device, and method for manufacturing semiconductor device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010141369A (en) * 1998-07-14 2010-06-24 Fujitsu Ltd Nitride based group iii-v compound semiconductor device, and method for manufacturing semiconductor device
JP2007246289A (en) * 2004-03-11 2007-09-27 Nec Corp Method for manufacturing gallium nitride semiconductor substrate
JP2006066496A (en) * 2004-08-25 2006-03-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Crystal growth method of gallium nitride, gallium nitride substrate, and manufacturing method thereof
KR20060081107A (en) * 2005-01-07 2006-07-12 삼성코닝 주식회사 Epitaxial growth method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
이문상, 서울대학교 대학원 공학박사 학위논문, 2014년 6월* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102386031B1 (en) 2022-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8728938B2 (en) Method for substrate pretreatment to achieve high-quality III-nitride epitaxy
KR100712753B1 (en) Compound semiconductor device and method for manufacturing the same
KR100304664B1 (en) Method for fabricating a GaN film
US6610144B2 (en) Method to reduce the dislocation density in group III-nitride films
US8405128B2 (en) Method for enhancing growth of semipolar (Al,In,Ga,B)N via metalorganic chemical vapor deposition
US9437688B2 (en) High-quality GaN high-voltage HFETs on silicon
US20110003420A1 (en) Fabrication method of gallium nitride-based compound semiconductor
JP2010056555A (en) Semiconductor structure and method for manufacturing the same
US20170279003A1 (en) Group iii nitride semiconductor and method for producing same
JP2009208991A (en) Method for producing nitride semiconductor substrate
JP4535935B2 (en) Nitride semiconductor thin film and manufacturing method thereof
JP2011216549A (en) METHOD OF MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR EPITAXIAL SUBSTRATE
KR102386031B1 (en) Crystal growth method
US10411154B2 (en) RAMO4 substrate and nitride semiconductor apparatus
JPH11238683A (en) Manufacture of compound semiconductor film
JP3870259B2 (en) Nitride semiconductor laminate and growth method thereof
KR101072433B1 (en) Process for the preparation of single crystalline nitride-based semiconductor plate
JP5488562B2 (en) Manufacturing method of nitride semiconductor substrate
US8455881B2 (en) Ge quantum dots for dislocation engineering of III-N on silicon
JP7326759B2 (en) GaN single crystal manufacturing method
JP3841201B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
KR20100022663A (en) Nitride semiconductor substrate and manufacturing method thereof
CN101736398A (en) Method for growing AlInN monocrystal epitaxial film
EP3783639A1 (en) Ingan epitaxial layer and manufacturing method thereof
KR101890750B1 (en) Method for growing nitride semiconductor

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant