KR100358428B1 - 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것으로서 모기판 상에 제 1 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 용융점이 낮은 제 1 버퍼층을 형성하는 공정과, 상기 제 1 버퍼층 상에 상기 제 1 질화물질의 가스와 제 2 질화물질의 가스를 반응시켜 상기 제 1 질화물질과 용융점이 높은 제 2 질화물질이 혼정을 이루되 상기 제 1 버퍼층과 접하는 하부에는 상기 제 1 질화물질의 조성비가 높고 상부로 갈수록 상기 제 2 질화물질의 조성비가 높아 조성비가 경사형을 이루는 제 2 버퍼층을 형성하는 공정과, 상기 제 2 버퍼층 상에 상기 제 2 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 화합물반도체층을 형성하는 공정과, 상기 화합물반도체층이 남도록 상기 모기판과 제 1 및 제 2 버퍼층을 기계적 연마 방법으로 제거하여 상기 잔류하는 화합물반도체층을 경면 처리하여 반도체기판을 형성하는 공정을 구비한다. 따라서, 크랙 등의 결정 결함을 감소시켜 형성되는 전자소자의 동작 특성에 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 하부면에 전극을 형성할 수 있으므로 광소자 크기를 감소시킬 수 있고, 또한, 레이저다이오드를 제작할 때 분리가 용이할 뿐만 아니라 벽개면의 거칠기를 저하시켜 임계 전류를 감소시킨다.
Description
본 발명은 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것으로써, 특히, 모기판과 격자부정합 및 열팽창 계수의 차이에 의한 크랙이 발생되는 것을 억제할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 및 질화인듐(InN) 등의 질화물계 화합물 반도체는 열적 및 화학적으로 안정하고 대체로 에너지 밴드 갭이 큰 특성을 가지므로 새로운 화합물반도체 물질로 많이 연구되고 있다.
상기에서 질화물계 화합물 반도체 재료는 열적 및 화학적으로 안정한 특성에 의해 고온 및 고전류 동작시 전기적으로 안정하므로 HBT (Heterojunction Bipolar Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 및 MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 전자 소자의 재료로 사용되고 있다.
또한, 질화물계 화합물반도체 재료 중 GaN 및 AlN 등은 직접 천이형 반도체로 실온에서 에너지 밴드 갭이 각각 3.4eV와 6.2eV 정도로 크다. 따라서, GaN 및 AlN 등은 청색의 가시영역에서 자외 파장의 짧은 파장대의 빛을 발생하므로 고휘도의 레이저 다이오드(LD)와 청색 및 자외영역의 단파장 발광 다이오드(LED)를 제조할 수 있으며, 또한, UV 검출기(Ultra Violet detector)를 제조하는 데 유용하다.
그러나, GaN 등의 질화물계 화합물 반도체물질은 융점이 2400℃ 이상으로 매우 높으며 질소의 분해압이 융점에서 약 10만 기압 정도로 매우 높아 용융 성장 방법에 의해 단결정 상으로 성장하기 어렵다.
따라서, 질화물계 화합물 반도체물질, 예를 들면, GaN은 1000∼1150℃의 고온에서 액상의 갈륨(Ga)에 암모니아(NH3) 가스를 흘려 갈륨(Ga)과 암모니아 가스가 직접 반응되어 결정화되도록 하므로써 벌크 상태로 성장되었다. 그러나, 이러한 방법에 의해 성장된 단결정 상의 GaN은 침상형(needle)을 가지므로 소자를 형성하기 어렵다.
단결정 상의 GaN을 성장하는 다른 방법으로, 1500∼1600℃의 고온에서 2만기압 정도의 질소 감압상태에서 갈륨(Ga) 용액에 질소(N2)를 용해시켜 표면에서 결정화하는 방법이 개발되었다. 이 방법에 의해 단결정 상의 GaN는 수 mm×수 mm 정도의 작은 면적과 100㎛ 정도의 얇은 두께를 갖는 판상으로 1회 공정에 의해 1장만 성장되므로 가공성 및 생산성이 저하되었다.
따라서, 사파이어기판 또는 실리콘기판으로 이루어진 모기판(mother substrate) 상에 넓은 면적과 두꺼운 두께를 가져 기판으로 사용할 수 있는 단결정 상의 질화물계 화합물 반도체기판을 이종에피택셜(heteroepitaxial) 방법으로 성장하는 방법이 개발되었다. 즉, GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물 반도체를 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법에 의해 사파이어기판 상에 직접, 또는, 실리콘기판 상에 버퍼층을 형성한 후 이종에피택셜 방법으로 성장한다. 상기에서 모기판(mother substrate)으로 사용된 사파이어기판 상에 직접 성장된 것은 기판으로 사용된다. 그러나, 실리콘기판 상에 형성된 것은 모기판으로 사용된 실리콘기판을 불산 등의 용액으로 식각하고 남은 질화물계 화합물 반도체가 기판이 된다.
그러나, 종래의 사파이어기판 및 실리콘기판을 모기판 상에 이종에피택셜 성장된 질화물계 화합물반도체는 모기판과 격자부정합과 열팽창계수의 차이가 매우 크다. 그러므로, 결정 성장된 질화물계 화합물 반도체기판은 크랙이 발생될 뿐만 아니라 결정 결함이 많이 존재하게 되어 전자소자의 동작 특성에 저하되는 문제점이 있었다.
그리고, 사파이어는 전기적으로 부도체이고 경도가 매우 높기 때문에 기계적인 가공이 어렵기 때문에 다이오드 구조를 계단형으로 에칭 가공한 후 P형 전극과 N형 전극을 질화물계 화합물반도체층에 형성하여야 하므로 크기가 증가되고 공정이 복잡한 문제점이 있었다.
또한, 사파이어는 롬보헤드랄(Rhombohedral) 격자구조를 갖고 질화물계 화합물반도체는 육방정계 격자구조를 가져 사파이어기판 상에 질화물계 화합물반도체는 30°회전된 상태로 성장된다. 그러므로, 레이저다이오드 제작하고 사파이어기판의 결정면을 따라 분리할 때 공진기를 형성하는 벽개면을 얻기 어렵기 때문에 질화물계 화합물반도체의 결정면을 따라 기계적인 방법으로 분리하여야 하므로 공정이 어려울 뿐만 아니라 벽개면이 거칠어 공진기의 효율이 저하되어 레이저 다이오드의 임계 전류가 증가되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 크랙 등의 결정 결함을 감소시켜 형성되는 전자소자의 동작 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광소자의 크기를 감소시킬 수 있으며 용이하게 제조할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저다이오드를 제작할 때 분리가 용이하고 벽개면의 거칠기를 저하시켜 레이저 다이오드의 임계 전류를 감소시킬 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법은 모기판 상에 제 1 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 용융점이 낮은 제 1 버퍼층을 형성하는 공정과, 상기 제 1 버퍼층 상에 상기 제 1 질화물질의 가스와 제 2 질화물질의 가스를 반응시켜 상기 제 1 질화물질과 용융점이 높은 제 2 질화물질이 혼정을 이루되 상기 제 1 버퍼층과 접하는 하부에는 상기 제 1 질화물질의 조성비가 높고 상부로 갈수록 상기 제 2 질화물질의 조성비가 높아 조성비가 경사형을 이루는 제 2 버퍼층을 형성하는 공정과, 상기 제 2 버퍼층 상에 상기 제 2 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 화합물반도체층을 형성하는 공정과, 상기 화합물반도체층이 남도록 상기 모기판과 제 1 및 제 2 버퍼층을 기계적 연마 방법으로 제거하여 상기 잔류하는 화합물반도체층을 경면 처리하여 반도체기판을 형성하는 공정을 구비한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조 방법을 도시하는 공정도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 질화물계 화합물 반도체기판을 제조하는 방법을 도시하는 공정도이다.
도 1a를 참조하면, 모기판(11) 상에 결정 성장 속도가 빠른 HVPE 방법에 의해 제 1 버퍼층(13)을 형성한다.
상기에서 모기판(11)은 사파이어(Al2O3), 스피넬(MgAl2O4), 용융석영(SiO2) 또는 산화아연(ZnO) 등의 산화물이나, 또는, 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 반도체물질로 형성된다.
상기에서 제 1 버퍼층(13)을 질화인듐(InN)을 HVPE 방법으로 500∼700℃ 정도의 저온에서 0.5∼1.0㎛ 정도의 두께로 성장하여 형성한다.
상기에서 질화인듐(InN)을 형성할 때 염산(HCl) 가스와 캐리어(carrier) 가스인 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성가스를 인듐(In)에 흘려 하기 (식 1)과 같이 염화인듐(InCl3) 가스를 생성한다.
2In+6HCl+N2→2InCl3+3H2↑+N2(식 1)
상기 (식 1)에서 생성된 염화인듐(InCl3) 가스를 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜 하기 (식 2)과 같이 질화인듐(InN) 가스를 생성하고, 이 질화인듐(InN) 가스로 모기판(11) 상에 제 1 버퍼층(13)을 형성한다.
InCl3+NH3→InN+3HCl↑(식 2)
상기에서 질화인듐(InN)은 융점이 1100℃ 정도 내외로 낮으므로 성장 온도가 높게 되면 인듐(In) 성분이 승화되어 조성비가 변하므로 제 1 버퍼층(13)을 500∼700℃ 정도의 저온에서 성장한다.
도 1b를 참조하면, 제 1 버퍼층(13) 상에 인 시튜(in situ)에서 HVPE 방법에 의해 제 2 버퍼층(15)을 형성한다.
상기에서 제 2 버퍼층(15)은 제 1 버퍼층(13)을 형성한 후 질화인듐(InN)과 질화같륨(GaN)의 혼정을 700∼1100℃ 정도로 온도를 상승시키면서 0.5∼1.0㎛ 정도의 두께로 성장하여 조성비가 경사형을 갖도록 형성한다.
상기에서 염화인듐(InCl3)을 (식 1)에 의해 생성하면서 하기 (식 3)에 의해 염화같륨(GaCl3)을 생성한다.
2Ga+6HCl+N2→2GaCl3+3H2↑+N2(식 3)
그리고, (식 1)에 의해 생성된 염화인듐(InCl3) 가스와 (식 3)에 의해 생성된 질화인듐(GaCl3) 가스를 반응하여 하기 (식 4)에 의해 제 1 버퍼층(13) 상에 질화갈륨인듐(InxGa1-xN)으로 이루어진 제 2 버퍼층(15)을 형성한다.
(InCl3)X+(GaCl3)1-X+NH3→InXGa1-XN+3HCl↑ (식 4)
상기 (식 4)에서 0≤X≤1이다.
상기에서 질화인듐(InN)은 융점이 1100℃ 정도 내외로 낮으면서 격자 상수가 3.548Å이며, 질화인듐(GaN)은 융점이 2000℃ 정도로 높으면서 격자 상수가 3.189Å이다. 그러므로, 제 2 버퍼층(15)을 이루는 질화갈륨인듐(InXGa1-XN)은 제 1 버퍼층(13)과 접하는 부분에는 인듐(In)의 비율이 높다가 온도가 상승되면서 점차로 인듐(In)이 승화되어 갈륨(Ga)의 비율이 증가되어 경사형의 조성비를 갖는다.
상기에서 제 2 버퍼층(15)을 갈륨 대신에 알루미늄을 사용하여 질화알루미늄인듐(InXAl1-XN)의 혼정으로 형성할 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 제 2 버퍼층(15) 상에 인 시튜(in situ)에서 HVPE 방법에 의해 화합물반도체층(17)을 700∼1100oC 정도의 온도에서 600∼800㎛ 정도의 두께로 형성한다.
상기에서 화합물반도체층(17)은 제 2 버퍼층(15)을 형성한 후 인듐(In)에 가스의 흐름을 중지하고 같륨(Ga)에만 염산(HCl) 가스와 캐리어 가스인 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성가스를 흘려 (식 3)과 같이 염화갈륨(GaCl3) 가스를 생성한다. (식 3)과 같이 생성된 염화갈륨(GaCl3) 가스를 암모니아(NH3) 가스와 반응하여 하기 (식 4)과 같이 질화갈륨(GaN) 가스를 생성하고, 이 질화갈륨(GaN) 가스로 제 2 버퍼층(15) 상에 단결정 질화갈륨(GaN)의 화합물반도체층(17)을 형성한다
GaCl3+NH3→GaN+3HCl↑(식 4)
상기에서 화합물반도체층(17)이 높은 온도에서 형성되므로 열적으로 불안정한 제 1 및 제 2 버퍼층(13)(15)을 이루는 질화인듐(InN)이 분해되어 소멸되거나 일부만 잔류된다. 그러므로, 화합물반도체층(17)은 모기판(11)과 밀착성이 저하되므로 격자 상수가 4.758Å인 사파이어(Al2O3)로 이루어진 모기판(11)과 격자 상수가 3.189Å인 질화인듐(GaN)으로 이루어진 화합물반도체층(17) 사이의 격자부정합과 열팽창계수의 차이에 의하여 냉각되는 과정 중에 화합물반도체층(17)에 크랙 등의 결정 결함이 생성되는 것을 감소시킨다.
상기에서 화합물반도체층(17)을 질화갈륨(GaN)이외에 질화알루미늄(AlN)으로 형성할 수도 있다.
화합물반도체층(17)을 형성한 후 갈륨 쪽에 흐르는 염산(HCl) 가스를 중지하고 불활성가스와 암모니아 가스를 550∼650℃의 온도까지 공급하면서 온도를 3∼10℃/분의 속도로 서서히 냉각시킨다.
도 1d를 참조하면, 화합물반도체층(17)만 남도록 모기판(11), 제 1 및 제 2 버퍼층(13)(15)을 기계적 연마 방법으로 제거한다. 그리고, 화합물반도체층(17)을 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 300∼400㎛ 정도의 두께가 되도록 상부 및 하부 표면을 연마한 후, 다시, 입경이 0.05∼0.1㎛ 정도인 산화알루미늄 분말과 입경이 0.05㎛ 이하인 산화알루미늄 분말을 각각 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하여 경면 처리하여 질화물계 화합물반도체기판(19)을 형성한다.
상기에서 모기판(11)이 용융석영(SiO2), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si) 또는 갈륨비소(GaAs)로 형성된 경우에는, 이 모기판(11)을 화학적 에칭 방법으로 제거할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 형성된 화합물반도체기판은 제 1 및 제 2 버퍼층에 의해 모기판과의 격자부정합 및 열팽창계수의 차이에 의한 크랙 등의 결정 결함을 감소시키며, 모기판을 제거하므로 하부면에 전극을 형성할 수 있고, 또한, 레이저다이오드를 제작한 후 벽개면을 따라 분리를 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 크랙 등의 결정 결함을 감소시켜 형성되는 전자소자의 동작 특성에 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 하부면에 전극을 형성할 수 있으므로 광소자 크기를 감소시킬 수 있고, 또한, 레이저다이오드를 제작할 때 분리가 용이할 뿐만 아니라 벽개면의 거칠기를 저하시켜 임계 전류를 감소시키는 잇점이 있다.
Claims (7)
- 모기판 상에 제 1 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 용융점이 낮은 제 1 버퍼층을 형성하는 공정과,상기 제 1 버퍼층 상에 상기 제 1 질화물질의 가스와 제 2 질화물질의 가스를 반응시켜 상기 제 1 질화물질과 용융점이 높은 제 2 질화물질이 혼정을 이루되 상기 제 1 버퍼층과 접하는 하부에는 상기 제 1 질화물질의 조성비가 높고 상부로 갈수록 상기 제 2 질화물질의 조성비가 높아 조성비가 경사형을 이루는 제 2 버퍼층을 형성하는 공정과,상기 제 2 버퍼층 상에 상기 제 2 질화물질의 가스를 소스로 사용하여 화합물반도체층을 형성하는 공정과,상기 제 1 및 제 2 버퍼층과 상기 화합물반도체층을 인 시튜(in situ)에서 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 연속해서 형성하는 공정과,상기 화합물반도체층이 남도록 상기 모기판과 제 1 및 제 2 버퍼층을 기계적 연마 방법으로 제거하여 상기 잔류하는 화합물반도체층을 경면 처리하여 반도체기판을 형성하는 공정을 포함하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서 상기 모기판으로 사파이어(Al2O3), 스피넬(MgAl2O4), 용융석영(SiO2) 또는 산화아연(ZnO)의 산화물이나, 또는, 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 또는 탄화실리콘(SiC)의 반도체물질을 사용하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서 상기 제 1 버퍼층을 질화인듐(InN)을 500∼700℃의 저온에서 0.5∼1.0㎛ 정도의 두께로 성장하여 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서 상기 제 2 버퍼층을 질화인듐(InN)과 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)의 혼정으로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서 상기 제 2 버퍼층을 700∼1100℃로 온도를 상승시키면 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서 상기 화합물반도체층을 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)을 700∼1100oC의 온도와 600∼800㎛ 정도의 두께로 성장하여 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
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