KR20220066610A - h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20220066610A
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이종호
김은미
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Abstract

본 발명은 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 베이스 기판을 준비하는 단계; 상기 베이스 기판의 상부면에 2차원 구조를 갖는 h-BN 기판을 형성하는 단계; 상기 h-BN 기판의 상부에 일정온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계; 상기 GaN 저온 버퍼층의 온도를 단결정 성장온도영역으로 승온시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단계; 및 상기 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법{GaN single crystal growth substrate using hexagonal Boron Nitride and its manufacturing method}
본 발명은 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다이폴(dipole)을 가지면서 2차원 물질인 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)을 이용함으로써 GaN 단결정을 용이하고 경제적이며 안정적으로 성장시킬 수 있는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
단결정 성장 방법에는 기상, 액상, 고상, 용융법 등 다양한 방법이 있다.
단결정 성장은 단결정 고유의 특성에 따라 결정 성장 방법이 결정되며 대형화, 결정 품질, 대량생산, 용도 등의 요소에 따라 결정 성장 가능한 여러 방법 중에서 가장 이상적인 결정 성장 방법이 선택된다.
한편, GaN은 밴드갭(bandgap) 에너지가 3.39eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체이므로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다.
GaN는 고온에서 질소 증기압이 높기 때문에 액상 결정 성장으로는 1,500℃ 이상의 고온과 약 15,000기압 이상의 질소 압력이 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 80㎟ 정도의 박판형이므로, 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.
따라서, 현재 GaN 단결정 성장은 이종 기판 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Deposition), HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy), SVPE(Sublimation Vapor Phase Epitaxy)와 같은 기상 성장법에 의해 이루어지고 있다.
이종 기판으로는 SiC나 사파이어 단결정이 주로 이용되어 왔으며, SiC는 고온 에서 안정하며 GaN과 같은 육방정계의 구조를 갖는다.
또한, GaN과의 격자 상수 및 열팽창계수 차가 사파이어 보다 작고, 열전도도 및 전기 전도도가 우수하여 GaN 박막의 성장 및 GaN 박막을 사용한 소자 제조에 사파이어 보다 더 많은 장점을 갖고 있다.
그러나 가격이 사파이어 보다 수십배 비싸며, SiC 기판 내의 마이크로파이프(micropipe)가 GaN 박막으로 전파되어 GaN 소자의 특성이 저하되는 단점을 갖고 있어 현재에는 사파이어 기판을 가장 많이 사용한다.
이러한 사파이어 기판 위에 양질의 GaN 단결정 후막을 성장시키는 방법으로는 선택 성장(Epitaxial Lateral Overgrowth; ELO)법이 있다.
이 방법은 사파이어 기판과 GaN 결정 사이에 존재하는 격자상수 차이 및 열팽창계수 차이에 의한 스트레스 발생을 스트라이프 형태의 SiO2 마스크를 사용하여 감소시키는 방법으로 상당히 양호한 품질의 결정을 얻을 수 있으나 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다.
상기 ELO법으로 성장된 GaN 기판은 품질이 우수하므로 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의한 청색 LD, 자외선 LD, 고온/고출력 소자, HEMT, HBT 등의 고속소자 등의 제조에 이용할 수 있다.
한편, 종래의 선택 성장법에 의한 GaN 결정 성장 방법은 사파이어나 SiC 기판 상에 MOCVD로 저온 GaN 또는 AlN 버퍼(buffer)층를 20 ~ 40nm의 두께로 성장시킨다.
다음에, 상기 버퍼층 위에 다시 GaN층을 약 1㎛의 두께로 성장시킨 다음 GaN층 위에 E-BEAM 증착장치, 스퍼터( SPUTTER) 등과 같은 다른 박막증착장치를 사용하여 두께 100 ~ 1000nm의 SiO2 박막을 증착시키고 사진식각법으로 SiO2 패턴을 형성한다.
이때, SiO2 패턴 스트라이프 상으로 형성되며, GaN층 위에 형성된 SiO2 패턴은 SiO2 스트라이프의 폭과 SiO2 스트라이프 간의 간격이 약 1 ~ 수십 ㎛정도이며 길이는 수백 ~ 수천㎛ 정도이다.
다음에, SiO2 패턴이 형성된 GaN층 위에 GaN을 단결정을 성장시키면 초기에는 SiO2 스트라이프의 사이에서만 GaN 단결정 성장이 진행되고 SiO2 패턴 위에는 GaN 단결정이 성장되지 않는 선택성장이 이루어진다. SiO2 스트라이프의 사이에서 성장된 단결정의 전위밀도는 이종기판의 영향을 받으므로 약 109 개/㎠ ~ 1010 개/㎠로 많은 결함을 지니고 있다.
아울러, SiO2 스트라이프의 사이에서 성장된 결정이 수평방향으로 성장되도록 성장조건을 맞추어 주면 GaN 단결정이 측면으로 성장되어 SiO2 스트라이프 위의 중간부분에서 서로 만나게 된다.
SiO2 스트라이프 위에 성장된 GaN 단결정은 SiO2와 거의 반응을 하지 않으므로 스트레스가 없는 상태로 결정성장이 이루어져 결함밀도가 104 개/㎠ 정도로 극히 적은 결함을 지닌 양 질의 단결정이 성장된다.
다만, SiO2 스트라이프 위의 중간부분에서 만난 부분의 결정에는 갭 또는 크랙이 존재하게 된다.
다음에, 상기와 같은 상태에서 단결정 성장을 진행시키면 수직방향으로 결정성장이 진행되어 두꺼운 결정이 이루어지고 결정의 두께가 수㎛~ 수백㎛이상이 되면 갭 또는 크랙이 소멸되고 전위(dislocation)들은 서로 루프(loop)를 형성하여 수직방향으로 전위가 전파되지 않아 두께가 커질수록 전위밀도가 감소하게 되어 결정의 질이 향상된다.
이와같이 기존의 ELO방법은 저온의 GaN 버퍼와 1㎛ 두께의 GaN층을 MOCVD로 성장시키는 단계와 기판을 꺼내서 일반적인 SiO2 증착장비로 SiO2 박막을 형성시키고 사진식각법에 의하여 SiO2 패턴을 형성시키는 단계 및 마지막으로 이를 다시 MOCVD 장치의 반응기(reactor)에 장입하여 GaN층을 성장시키는 단계로 구성되어 결정 성장 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다.
한편, 종래 기술의 경우, GaN 단결정 성장 이후 이종 기판으로 사용되는 SiC나 사파이어를 별도의 후공정을 통해 제거하여야 하며 이때, 상기 후공정은 자체가 복잡한 별도 공정으로 이루어져 생산성 또는 생산효율의 저하를 야기시켜 이에 개선이 필요한 실정이었다.
본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 다이폴(dipole)을 가지면서 2차원 물질인 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)을 이용함으로써 GaN 단결정을 용이하고 경제적이며 안정적으로 성장시킬 수 있는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.
아울러, 베이스 기판인 사파이어 기판을 별도의 후공정 없이 간단하고 용이하게 제거할 수 있으며 제거된 사파이어 기판은 재활용이 가능한 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법 제공을 다른 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 베이스 기판을 준비하는 단계, 상기 베이스 기판의 상부면에 2차원 구조를 갖는 h-BN 기판을 형성하는 단계, 상기 h-BN 기판의 상부에 일정온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계, 상기 GaN 저온 버퍼층의 온도를 단결정 성장온도영역으로 승온시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단계 및 상기 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 베이스 기판은 사파이어 기판일 수 있다.
바람직하게는 상기 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계는 560℃의 온도에서 5분 동안 수행될 수 있다.
바람직하게는 상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계는 1,130℃의 온도에서 2시간 동안 수행될 수 있다.
바람직하게는 제거된 상기 베이스 기판은 재사용될 수 있으며, 상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계는 MOCVD, HVPE 및 MOVPE로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 장비를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 및 이의 제조방법 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 다이폴(dipole)을 가지면서 2차원 물질인 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)을 이용함으로써 GaN 단결정을 용이하고 경제적이며 안정적으로 성장시킬 수 있다.
아울러, 베이스 기판인 사파이어 기판을 별도의 후공정 없이 간단하고 용이하게 제거할 수 있으며 제거된 사파이어 기판은 재활용이 가능한 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 제조방법의 전체 공정도다.
도 2는 dipole를 갖는 2차원 물질인 h-BN 및 이를 이용한 GaN 단결정 성장기판의 모식도다.
도 3은 h-BN과 Sapphire 위에 GaN의 초기 성장 결과를 보여주는 SEM이미지다.
도 4는 h-BN(a)과 그래핀(b) 위에 GaN 박막이 성장된 결과를 보여주는 이미지다.
도 5 및 6은 h-BN과 Sapphire 위에 성장된 GaN 박막의 성장 결과를 보여주는 PL spectra 및 XRD 그래프다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판 제조방법의 전체 공정도, 도 2는 dipole를 갖는 2차원 물질인 h-BN 및 이를 이용한 GaN 단결정 성장기판의 모식도, 도 3은 h-BN과 Sapphire 위에 GaN의 초기 성장 결과를 보여주는 SEM이미지, 도 4는 h-BN(a)과 그래핀(b) 위에 GaN 박막이 성장된 결과를 보여주는 이미지이며, 도 5 및 6은 h-BN과 Sapphire 위에 성장된 GaN 박막의 성장 결과를 보여주는 PL spectra 및 XRD 그래프다.
상기 도 1 내지 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 베이스 기판을 준비하는 단계(S100)를 포함한다.
이때, 상기 베이스 기판은 절연기판으로, 다양한 절연기판을 이용할 있으나 본 발명의 실시 예에 있어서는 사파이어(Sapphire) 기판을 이용한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 상기 베이스 기판의 상부면에 2차원 구조를 갖는 h-BN 기판을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.
이때, 본 발명의 실시 예에 있어서 상기 h-BN을 이용하는 이유는 후술할 h-BN의 특성으로 인해 종래 그래핀을 포함하는 다른 소재에 비해 GaN 단결정 성장 가능성이 우수한 소재이기 때문이다.
이하에서는 상기 도 2를 참조하여 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)에 대해 상세히 설명한다.
먼저, h-BN은 강한 공유결합(sp2-hybridized)으로 붕소와 질소가 결합되어 있어 표면에 불포화결합을 가지고 있지 않고, 원자수준에서 평평한 구조를 가지고 있다.
또한, 그래핀과 유사하게 투명하고 유연하면서 우수한 기계적 물성을 가지고 있고 절연특성을 가지고 있으면서도 우수한 열전도성으로 2차원 물질 연구 및 응용에 적합한 기판으로 사용될 물질로 주목받고 있다.
한편, h-BN(hexagonal-Boron Nitride)은 B 원자와 N 원자 사이의 큰 전기음성도 차이로 인해 h-BN은 일반적으로 넓은 밴드갭(~6 eV)을 가지는 절연체로 알려져있으며 기존 그래핀 기반의 2차원 소자의 유전층으로 사용하는 SiO2의 경우 산소 원자에 의한 불포화결합, 표면 전하 트랩과 같은 문제점이 있어 이것을 보완하고 대체할 수 있는 물질로 매우 평평한 표면을 가지는 h-BN이 각광받고 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 h-BN의 특성 특히, h-BN의 다이폴(dipole)과 GaN 원자의 상호작용으로 인하여 상기 h-BN 기판에 GaN 단결정을 안정적으로 성장할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 상기 h-BN 기판의 상부에 일정온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계(S300) 및 상기 GaN 저온 버퍼층의 온도를 단결정 성장온도영역으로 승온시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단계(S400)를 포함한다.
이때, 상기 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계(S300)는 다양한 조건 하에서 수행될 수 있으나, 본 발명의 실시 예에 있어서는 560℃의 온도에서 5분 동안 수행된다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 있어서 상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계(S400)는 1,130℃의 온도에서 트리메틸갈륨(TMGa)을 25sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute), NH3 4.5slm(Standard liter per Minute) 주입하고, 이때 압력은 100mbar이며 공정수행 시간은 2시간 이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계는 MOCVD(metalorganic chemical vapour deposition), HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 및 MOVPE(Metalorganic vapour phase epitaxy)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 장비를 이용한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 상기 베이스 기판을 제거하는 단계(S500)를 포함한다.
이와 관련하여 종래 기술의 경우, GaN 단결정 성장 이후 상기 베이스 기판(사파이어)을 제거하기 위한 방법으로 에칭을 하거나, 별도의 레이저 장비를 이용하여 제거하는 후공정이 필요하였다.
이러한 후공정은 별도의 독립적 공정으로, 이러한 후공정을 위해서는 별도의 장비 및 공정 시간이 투여되므로 생산성이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 사파이어 기판을 테이프와 같은 접착수단을 이용하여 간단하고 신속하게 h-BN 기판과 분리할 수 있고 분리된 사파이어 기판은 재사용이 가능하다.
이하에서는 상기 도 3 내지 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 효과에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면 상기 도 3은 h-BN, sapphire 위에 GaN이 초기 성장된 이미지로, h-BN 위에 GaN(이미지에서 요철부분)이 잘 성장되었음을 확인할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면 상기 도 4는 h-BN(a)과 그래핀(b) 위에 GaN 박막을 성장시킨 이미지로, 도 4(a)의 경우 GaN 박막이 균질하고 안정적으로 성장된 반면, 도 4(b)의 경우 비균질하게 GaN 박막이 성장됨을 확인할 수 있다.
이러한 차이는 상술한 h-BN이 갖는 dipole에 기인된 것으로, 결과적으로 dipole를 갖는 h-BN을 이용할때 상기 dipole와 GaN 원자의 상호작용으로 인하여 GaN 성장이 균질하게 잘 이루어짐을 확인하였다.
한편, h-BN 위에 성장되는 GaN와 사파이어 위에서 성장되는 GaN 박막을 분석한 상기 도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같이 h-BN이 사파이어 보다 PL intensity 증가로 보아 박막의 quality가 증가함을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법은 다이폴(dipole)을 가지면서 2차원 물질인 h-BN(hexagonal-Boron Nitride)을 이용함으로써 GaN 단결정을 용이하고 경제적이며 안정적으로 성장시킬 수 있으며 아울러, 베이스 기판인 사파이어 기판을 별도의 후공정 없이 간단하고 용이하게 제거할 수 있으며 제거된 사파이어 기판은 재활용이 가능한 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (7)

  1. 베이스 기판을 준비하는 단계;
    상기 베이스 기판의 상부면에 2차원 구조를 갖는 h-BN 기판을 형성하는 단계;
    상기 h-BN 기판의 상부에 일정온도영역에서 소정의 두께로 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계;
    상기 GaN 저온 버퍼층의 온도를 단결정 성장온도영역으로 승온시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단계; 및
    상기 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 GaN 저온 버퍼층을 성장시키는 단계는 560℃의 온도에서 5분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계는 1,130℃의 온도에서 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제거된 상기 베이스 기판은 재사용되는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정을 성장시키는 단계는 MOCVD, HVPE 및 MOVPE로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 장비를 이용하는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항으로 제조되는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 GaN 단결정 성장기판.
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