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KR100323710B1 - 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법 - Google Patents

질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빠르게 성장시킬 수 있음과 동시에 미세균열의 발생을 방지한 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 기판위에 제 1 질화갈륨층을 성장시키고 상기 제 1 질화갈륨층위에 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제 1 질화갈륨층의 일부가 노출되게 소정패턴의 제 1 절연막 마스크 패턴을 형성한 후 상기 제 1 절연막 마스크 패턴 및 상기 제 1 질화갈륨층 위에 제 2 질화갈륨층을 성장시켜서 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 제조함을 특징으로 한다.

Description

질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법{method for fabricating GaN semiconductor laser substate}
본 발명은 청색파장을 내는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 소정패턴의 산화물 마스크위에 ELOG(Epitaxially Lateral Over Growth)를 이용하여 질화갈륨층을 성장시켜 미세균열(microcrack)을 줄인 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용한 청색발광소자의 개발을 위해 크게 두가지 방향으로 질화갈륨 박막을 성장시키려는 시도가 이루어지고 있다.
즉, 첫째 방법은 도 3과 같이, 사파이어 기판(1)위에 질화알루미늄(AlN) 버퍼층(2) 혹은 질화 갈륨(GaN) 버퍼층(2')을 키운 뒤 질화갈륨(3)을 성장시키는 방법이고, 둘째 방법은 도 4와 같이 사파이어 기판(4)상에 벌크 질화갈륨층(5)을 HVPE(Hydride Vaper Phase Epitaxy) 방법으로 성장시킨 뒤 이것을 기판으로 사용하여 그위에 질화갈륨(6)을 성장시키는 동종성장(Homoepitaxy) 방법이다.
그러나, 상술한 첫째 방법에 의한 질화갈륨 성장방법은 사파이어(1)와 질화알류미늄 버퍼층(2) 또는 질화갈륨 버퍼층(2')과의 격자부정합 및 열팽창 계수의 큰 차이로 인하여 이로부터 성장된 질화갈륨에 고밀도의 결정성 결함이 존재하게 되는 문제점이 있었다.
한편, 둘째 방법에 의한 질화갈륨 성장방법은 동종성장(Homoepitaxy)의 이점으로 인해 원리적으로는 격자부정합 및 열팽창 계수의 차이에 기인한 결정성 결함의 발생을 줄일 수 있으나 사파이어 기판(4)위에 빠른속도로 두꺼운층의 질화갈륨(5)을 성장시킬 때 필연적으로 발생되는 결정성 결함의 영향을 줄이고, 표면 평탄화를 위한 기판용 벌크 질화갈륨(5)의 표면연마(Polishing) 과정에서 발생한 손상층(Damaged layer) 때문에 고품질의 질화갈륨을 제조하는데는 아직도 많은 기술적 문제점이 있으며 또한 벌크 질화갈륨(5)의 성장에 사용되는 HVPE 방법은 박막성장 속도가 빠르기 때문에 일반적으로 소자제조용 박막 성장에 사용되는 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)나 MBE(Molecular Beam Epitaxy)에 비하여 박막의 결정성이 나쁘며 고밀도의 미세균열(Microcrack)이 존재하는 문제점이 있다.
또한, HVPE방법을 이용하여 고온(1000℃)에서 질화갈륨 후막을 형성시킨 후 빠른 속도로 기판의 온도를 내리면 사파이어 기판(4)와 벌크 질화갈륨(5)의 열팽창 계수의 차이에 기인하여 매우 큰 스트레스가 생기고 이로 인해 많은 양의 크랙이 계면상에 생긴다.
이 크랙을 이용하여 사파이어 기판을 사파이어 기판위에 형성되는 질화갈륨 후막으로부터 용이하게 분리할 수 있다는 이점도 있으나 질화갈륨 후막에 잔류하는 크랙이 후속공정에서 성장되어지는 질화갈륨 박막의 결정성을 크게 저하시킨다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은, 빠르게 성장시킬 수 있음과 동시에 미세균열의 발생을 크게 경감시킨 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 사파이어 기판위에 후막의 GaN을 성장시킨 후 사파이어 기판을 제거할 때 발생하는 크랙을 경감시키는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화갈륨 반도체 레이저의 각 공정에서의 단면을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 산화물 마스크의 패턴을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 종래의 질화갈륨 반도체 레이저의 제조방법에서 최종 공정에서의 단면을 나타낸 도면도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,4 : 사파이어 기판 2 : 질화 알루미늄 버퍼층2' : 질화갈륨 버퍼층 5 : 벌크 질화갈륨층3, 6 : 질화가륨층10 : 기판 11,13,15 : 질화갈륨층
12,14 : SiO2마스크 패턴
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법은, 절연성 기판상에 제 1 질화갈륨층을 키운 뒤, 제 1 질화갈륨층 위에 이 제 1 질화갈륨층의 일부가 노출되는 소정 패턴의 제 1 절연물 마스크 패턴을 형성하고, 상기 절연물 패턴위에 ELOG(Epitaxy Lateral Over Growth)로 제 2 질화갈륨층을 성장시킨 후 이 제 2 질화갈륨층만이 남겨지도록 제거하는 제거공정을 구비하여 반도체 레이저 기판을 제조함을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법은 상기 제거 공정전에 상기 제 1 질화갈륨이 노출된 부위에 형성된 제 2 질화갈륨 성장부분이 가려지도록 제 2 절연성 마스크 패턴을 상기 제 2 질화갈륨 성장층위에 형성한후에, 이 제 2 질화갈륨층 및 제 2 절연성 마스크 위에 ELOG로 제 3 질화갈륨층을 성장시키고, 래핑공정으로 이 제 3 질화갈륨층만이 남겨지도록 하여 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 제조하면 미세균열이 거의 제거된 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 얻을 수 있어 바람직하다.
또한 본 발명의 제조방법은 상기 제 2 질화갈륨층을 성장시킨 후 분순물을 도핑하여 완충층을 형성하고 이어 제 2 절연물 마스크 패턴의 형성 등 상술한 후속공정을 수행하여 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 제조하면 사파이어 절연물 기판의 제거시에 발생되는 미세균열의 발생이 경감되므로 고품질의 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 얻을 수 있어 바람직하다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 근거하여 상세히 설명한다.
도 1a~도 1d는 본 발명의 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 각 제조공정에서의 단면을 개략적으로 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 제조방법은 먼저, 절연물 기판, 예를 들어 사파이어 기판(10)을 준비한 후 상기 사파이어 기판(10)상에 빠른 속도로 성장되는 HVPE 방법으로 질화갈륨층(11)을 두께 50㎛ 내지 500㎛정도로 성장하고, 이어 평탄화하도록 기계적인 연마를 행한 후, 연마된 질화갈륨층(11)위에, SiO2를 형성하며, 포토리소그래피 공정을 이용하여 스트립형상(제 2도 참조)의 SiO2마스크 패턴(12)을 형성한다.
이때 상기 마스크 패턴(12)과 마스크 패턴(12) 사이에는 질화갈륨층(11)이 노출되며, 마스크 패턴(12)의 폭은 0.01㎛~10㎛이고 마스크 패턴과 마스크 패턴간의 노출부(또는 창)는 0.01㎛~10㎛의 폭을 가지도록 형성한다.
이어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 SiO2마스크 패턴(12)을 이용하여 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 MBE(Moleculer Beam Epitaxy)을 사용하여 질화갈륨층(13)을 성장하여 형성한다.
이때 SiO2마스크 패턴(12)을 이용하여 질화갈륨층(13)을 성장시키면 SiO2마스크 패턴(12) 위에서는 핵형성(Nucleation)이 일어나지 않으므로 SiO2마스크 패턴(12) 사이의 노출부(또는 창)을 통하여 질화갈륨층(13)이 성장하게 되고, SiO2마스크 패턴(12) 위쪽에서는 횡방향 성장(Lateral Over Growth)을 통해 질화갈륨(13)이 덮이게 된다.
이렇게 질화갈륨을 성장시키면 SiO2마스크 패턴(12) 위쪽에 성장된 질화갈륨층(13)에는 전위(Dislocation)가 발생하지 않으며, 이로 인해 평탄화를 위한 기계적 연마(Mechanical Polishing)과정에서 생성된 손상층에서 추가적으로 발생되는 전위가 SiO2마스크 패턴(12) 사이의 노출부(또는 창)에 형성된 질화갈륨층(13')에만 존재하게 된다(도 1b 참조).
이렇게 성장되어진 질화갈륨층(13,13') 위에 도 1c에 도시된 바와같이, SiO2마스크 패턴(12)의 위치가 적당히 평행이동되어 상기 질화갈륨(11)의 노출부(또는 창) 위에 형성된 질화갈륨층(13')이 전부 가리도록 상기 질화갈륨층(13)위에 SiO2마스크 패턴(14)을 다시 형성한 후에 이 SiO2마스크 패턴(14)을 이용하여 HVPE법으로 질화갈륨층(15)을 성장시킨다.
따라서 상기 질화갈륨층(15)은 원리상으로는 전위가 존재하지 않으며, 그리고 이 질화갈륨층(15)은 빠른 성장속도로 전술한 ELOG(Epitaxy Lateral Over Growth)로 형성된다.
이어, 도 1d에 도시된 바와같이, HVPE로 성장된 질화갈륨층(15)의 '가'부분까지만 남기고 나머지층들은 래핑공정으로 제거하여 고품질의 질화갈륨 반도체 레이저 기판을 얻는다.
상기 실시예에서는 설명하지 아니하였으나, 질화갈륨층(13)을 형성한 후에 인듐을 농도 x (1×1014㎝-3< x < 1×1020㎝-3)로 도핑하여 두께 y(0.01㎛ < y < 10㎛)인 완충층을 형성하면 그 위에 질화갈륨에서의 크랙밀도를 현저히 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 제조방법에 의하면, 기판상에 질화갈륨 박막을 형성시킨 후 소정 패턴의 산화막 마스크 패턴을 형성하고, 이 산화막 마스크 패턴을 이용하여 ELOG를 통한 MOCVD 방법으로 질화갈륨층을 형성하면 크랙이 현저히 감소된 질화갈륨층을 얻을 수 있고, 질화갈륨층 위에 다시 ELOG를 통한 HVPE 방법으로 질화갈륨층을 성장시키면 빠른 성장속도로 성장되면서도 거의 크랙 및 결정성 결함이 제거된 질화갈륨 기판을 얻는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 기판위에 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 단계와,
    상기 제 1 질화갈륨층위에 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제 1 질화갈륨층의 일부가 노출되는 제 1 절연막 마스크 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 절연막 마스크 패턴 및 상기 제 1 질화갈륨층 위에 제 2 질화갈륨층을 성장시키는 단계를 구비함을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 질화갈륨층의 성장단계에 이어,
    상기 제 1 질화갈륨층 바로위의 제 2 질화갈륨층 성장부분이 전부 가려지도록 상기 제 2 질화갈륨층위에 제 2 절연 마스크 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제 2 절연마스크 패턴을 이용하여 상기 제 2 절연마스크 패턴 및 상기 제 2 질화갈륨층위에 제 3 질화갈륨층을 성장시키는 단계와,
    상기 제 3 질화갈륨층만을 남기고 모두 제거시키는 제거 단계를 구비함을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층은 HVPE(Hidride Vapor Phase Epitaxay) 공정을 이용하여 성장시킴을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 2 질화갈륨층은 ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth)을 사용한 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 성장시킴을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 질화갈륨층은 ELOG을 사용한 HVPE 방법으로 성장시킴을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저의 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층을 성장함에 있어서 In을 도핑하여 중간에 완충층을 형성하는 공정을 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 질화갈륨층을 성장시키는 단계 이후에 평탄화 공정을 더 포함함을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 레이저 기판의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 절연 마스크 패턴과 제 2 절연 마스크 패턴은 규소 산화물층으로 이루어지고 이들 마스크의 패턴은 스트립 형상으로 형성하도록 함을 특징으로 하는 반도체 레이저 기판의 제조방법.
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