KR20040078211A - 질화갈륨 기판 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로, 사파이어 기판 상부에 일정하게 유지되는 제 1 온도에서 갈륨원소와 질소원소를 제 1 반응 부피 비율로 보이드(Void)를 갖는 질화갈륨 완충층을 성장시키는 제 1 단계와; 상기 질화갈륨 완충층의 상부에 상기 제 1 온도에서 상기 제 1 온도보다 높은 온도인 제 2 온도까지 선형적으로 온도를 증가시켜 갈륨원소와 질소원소를 제 2 반응 부피 비율로 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 제 2 단계와; 상기 제 1 질화갈륨층의 상부에 제 2 온도를 일정하게 유지시켜, 갈륨원소와 질소원소를 제 3 반응 부피 비율로 제 2 질화갈륨층을 성장시키는 제 3 단계를 포함하여 구성된다.
따라서, 본 발명은 사파이어 기판의 상부에 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 질화갈륨 완충층을 형성하여 사파이어 기판과 화합물 반도체의 접합면적을 줄여, 사파이어 기판과 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)를 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 보이드를 갖는 질화갈륨 완충층 상부에 선형적으로 온도를 증가시켜 상기 질화갈륨 완충층과 결합도가 증가되는 질화갈륨층을 성장시킨 후, 이 질화갈륨층의 상부에 격자가 안정적인 질화갈륨층을 성장시킴으로써, 양질의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있는 효과도 있다.
Description
본 발명은 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사파이어 기판의 상부에 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 질화갈륨 완충층을 형성하여 사파이어 기판과 화합물 반도체의 접합면적을 줄여, 사파이어 기판과 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)를 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있으며, 그 질화갈륨 완충층 상부에 선형적으로 온도를 증가시켜 상기 질화갈륨 완충층과 결합도가 증가되는 질화갈륨층을 성장시킨 후, 이 질화갈륨층의 상부에 격자가 안정적인 질화갈륨층을 성장시킴으로써, 양질의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있는 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨(GaN)은 넓고 직접적인 에너지 밴드갭과 원자간의 큰 상호결합력 그리고 높은 열 전도성으로 인해 광 소자 및 고온, 고전력 소자로서 이상적인 특성을 갖고 있다.
이러한 이유로 최근 그 상업적인 개발을 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 이러한 질화갈륨을 이용하여 제조되는 소자의 효율을 높이기 위해서는 동종물질의 기판인 질화갈륨 기판이 필수적이라 할 수 있다.
그러나, 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판으로 대부분 사용되어지고 있는 사파이어(Al2O3)기판과의 격자불일치와 열팽창계수의 차이로 인해 성장된 질화갈륨은 많은 전위(Dislocation) 그리고 크랙(Crack)들과 더불어 성장된 질화갈륨 기판에서의 휘어짐(Bending) 현상이 발생하게 된다.
이러한 문제를 최소화시키기 위하여 질화갈륨 성장 전에 사파이어 기판 상부에 다양한 완층층을 만들어 주거나 LEO(Lateral Epitaxial Overgrowth), 펜디오(PENDEO) 방식의 기법들이 사용되고 있는 실정이다.
또한, 저온(700℃ 이하)에서 완충층을 성장시키고, 암모니아 분위기 또는 질소 분위기에서 질화갈륨의 성장온도까지 온도를 올린 후에 본격적인 질화갈륨의 성장이 이루어지고 있어, 완충층과 성장된 질화갈륨 사이 이격이 크다고 할 수 있다.
이러한 이유로 최근 그 상업적인 개발을 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 이러한 질화갈륨 물질을 이용하는 소자의 효율을 높이기 위해서는 성장되는 질화갈륨과 동종물질의 기판을 이용하는 것이 효율적이라 할 수 있다.
그러나, 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판으로 대부분 사용되어지고 있는 사파이어(Al2O3)기판과의 격자불일치와 열팽창계수의 차이로 인해 많은 크랙(Crack)과 휘어짐(Bending) 현상이 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 사파이어 이외의 기판을 사용하거나 질화갈륨 성장 전에 사파이어 기판 상부에 다양한 완충층을 형성하여, 크랙 및 휘어짐을 줄이고 있지만, 이러한 결과들이 완벽한 해결책으로 볼 수는 없는 상태이다.
이렇듯 사파이어 기판 상부에 사용되는 완충층은 아직까지 계면에서 발생하는 질화갈륨과의 스트레스를 충분히 감소시키지 못하고 있다.
이러한 완충층의 문제점을 극복하기 위해, 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 완충층을 만들어 줌으로 해서, 보이드가 갖는 특성 즉, 사파이어와 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)의 전달을 효과적으로 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 사파이어 기판의 상부에 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 질화갈륨 완충층을 형성하여 사파이어 기판과 화합물 반도체의 접합면적을 줄여, 사파이어 기판과 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)를 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있으며, 그 질화갈륨 완충층 상부에 선형적으로 온도를 증가시켜 상기 질화갈륨 완충층과 결합도가 증가되는 질화갈륨층을 성장시킨 후, 이 질화갈륨층의 상부에 격자가 안정적인 질화갈륨층을 성장시킴으로써, 양질의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있는 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 사파이어 기판 상부에 일정하게 유지되는 제 1 온도에서 갈륨원소와 질소원소를 제 1 반응 부피 비율로 보이드(Void)를 갖는 질화갈륨 완충층을 성장시키는 제 1 단계와;
상기 질화갈륨 완충층의 상부에 상기 제 1 온도에서 상기 제 1 온도보다 높은 온도인 제 2 온도까지 선형적으로 온도를 증가시켜 갈륨원소와 질소원소를 제 2 반응 부피 비율로 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 제 2 단계와;
상기 제 1 질화갈륨층의 상부에 제 2 온도를 일정하게 유지시켜, 갈륨원소와 질소원소를 제 3 반응 부피 비율로 제 2 질화갈륨층을 성장시키는 제 3 단계로 구성된 질화갈륨 기판 제조 방법이 제공된다.
도 1은 일반적인 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 장치의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 질화갈륨층의 성장 온도와 성장 시간에 대한 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 사파이어 기판 11 : 질화갈륨 완충층
12,13 : 질화갈륨층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 1c는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조 공정 단면도로서, 도 2를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1a에서는 사파이어 기판(10) 상부에 일정하게 유지되는 제 1 온도에서 갈륨원소와 질소원소를 제 1 반응 부피 비율로 보이드(Void)를 갖는 질화갈륨 완충층(11)을 성장시킨다.(도 2의 '100'구간)
여기서, 상기 제 1 반응 부피 비율은, 갈륨원소/질소원소 부피비 = 5 ~ 15 범위내 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 질화갈륨 완충층(11)을 성장시키는 시간은 30분 ~ 1시간 30분 정도인 것이 바람직하다.
그 후, 도 1b에서는 상기 질화갈륨 완충층(11)의 상부에 상기 제 1 온도에서 상기 제 1 온도보다 높은 온도인 제 2 온도까지 선형적으로 온도를 증가시켜 갈륨원소와 질소원소를 제 2 반응 부피 비율로 제 1 질화갈륨층(12)을 성장시킨다.(도 2의 '200'구간)
상기 제 1 반응 부피 비율은, 갈륨원소/질소원소 부피비 = 5 ~ 30이며, 상기 제 2 온도는 650 ~ 1100℃이다.
그리고, 상기 제 1 질화갈륨층(12)은 1시간 ~ 3시간 정도 성장시키는 것이 바람직하다.
최종적으로, 도 1c에서는 상기 제 1 질화갈륨층(12)의 상부에 제 2 온도를 일정하게 유지시켜, 갈륨원소와 질소원소를 제 3 반응 부피 비율로 격자가 안정된 제 2 질화갈륨층(13)을 성장시킨다.(도 2의 '300'구간)
이 때, 상기 제 1 온도는 600 ~ 750℃이고, 상기 제 1 온도는 1000 ~ 1100℃인 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명은 사파이어 기판의 상부에 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 질화갈륨 완충층을 형성하여 사파이어 기판과 화합물 반도체의 접합면적을 줄여, 사파이어 기판과 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)를 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있게 된다.
더불어, 질화갈륨 완충층 상부에 선형적으로 온도를 증가시켜 상기 질화갈륨 완충층과 결합도를 우수한 질화갈륨층을 성장시키고, 그 질화갈륨층의 상부에 격자가 안정적인 양질의 질화갈륨층을 성장시킬 수 있게 된다.
따라서, 최종적으로 제조가 완성된 질화갈륨층의 표면은 격자가 안정적이어서, 이 질화갈륨 기판에 제조되는 소자는 특성이 우수하게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 사파이어 기판의 상부에 보이드(Void)를 다수 내장하고 있는 질화갈륨 완충층을 형성하여 사파이어 기판과 화합물 반도체의 접합면적을 줄여, 사파이어 기판과 질화갈륨의 계면에서 전달되는 전위(Dislocation)를 억제하고, 사파이어와의 스트레스를 충분히 감소시켜 크랙 및 휘어짐을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 보이드를 갖는 질화갈륨 완충층 상부에 선형적으로 온도를 증가시켜 상기 질화갈륨 완충층과 결합도가 증가되는 질화갈륨층을 성장시킨 후, 이 질화갈륨층의 상부에 격자가 안정적인 질화갈륨층을 성장시킴으로써, 양질의 질화갈륨 기판을 제조할 수 있는 효과도 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (4)
- 사파이어 기판 상부에 일정하게 유지되는 제 1 온도에서 갈륨원소와 질소원소를 제 1 반응 부피 비율로 보이드(Void)를 갖는 질화갈륨 완충층을 성장시키는 제 1 단계와;상기 질화갈륨 완충층의 상부에 상기 제 1 온도에서 상기 제 1 온도보다 높은 온도인 제 2 온도까지 선형적으로 온도를 증가시켜 갈륨원소와 질소원소를 제 2 반응 부피 비율로 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 제 2 단계와;상기 제 1 질화갈륨층의 상부에 제 2 온도를 일정하게 유지시켜, 갈륨원소와 질소원소를 제 3 반응 부피 비율로 제 2 질화갈륨층을 성장시키는 제 3 단계를 포함하여 구성된 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 반응 부피 비율은, 갈륨원소/질소원소 부피비 = 5 ~ 15이고,상기 제 2 반응 부피 비율은, 갈륨원소/질소원소 부피비 = 5 ~ 30이며,상기 제 3 반응 부피 비율은, 갈륨원소/질소원소 부피비 = 5 ~ 15인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 온도는 600 ~ 750℃이고,상기 제 2 온도는 650 ~ 1100℃이며,상기 제 3 온도는 1000 ~ 1100℃인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 단계에서, 질화갈륨 완충층을 성장시키는 시간은 30분 ~ 1시간 30분이고,상기 제 2 단계에서, 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 시간은 1시간 ~ 3시간인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
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