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KR100809209B1 - 비극성 ｍ면 질화물 반도체 제조방법 - Google Patents

비극성 ｍ면 질화물 반도체 제조방법 Download PDF

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KR100809209B1 KR1020060037327A KR20060037327A KR100809209B1 KR 100809209 B1 KR100809209 B1 KR 100809209B1 KR 1020060037327 A KR1020060037327 A KR 1020060037327A KR 20060037327 A KR20060037327 A KR 20060037327A KR 100809209 B1 KR100809209 B1 KR 100809209B1
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Abstract

본 발명은 비극성 m면 질화물 반도체 성장방법에 관한 것으로서, 본 발명은 상면이 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체를 성장시키는 단계를 포함하는 질화물 반도체 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 다른 m면 육방정 반도체를 위한 제조공정으로 유사하게 적용될 수 있다.
m면 질화갈륨, 비극성 질화갈륨, r면 사파이어

Description

비극성 ｍ면 질화물 반도체 제조방법{METHOD OF GROWING NON-POLAR m-PLANE NITRIDE SEMICONDUCTOR}
도1a 및 도1b는 압전필드에 의한 영향을 설명하기 위한 활성층의 에너지밴드다이어그램과 전자 및 정공의 파동함수를 나타내는 그래프이다.
도2는 통상적인 a면 질화물 반도체의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명에서 채용되는 사파이어기판의 결정구조와 (11-23) 사파이어기판과 m면 질화갈륨의 격자를 대비하는 개략도이다.
도4a 및 도4b는 종래의 a면 질화물층과 본 발명에 따른 r면 질화물층의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
51: (11-23)면 사파이어 기판
52: m면 (10-10) 육방정구조 완충층
55: m면 (10-10) GaN 박막
본 발명은 질화물 반도체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비극성 m면 질화물 반도체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, Ⅲ족 질화물 반도체는 가시광 전체영역뿐만 아니라, 자외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 발할 수 있다는 특성을 가지며, 청록색을 구현하기 위한 발광소자물질로 크게 각광받고 있다.
질화물 반도체는 주로 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 이종 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법을 이용하여 성장된다.
종래에는, 질화물 발광소자로는 상기 이종기판의 c축 방향 [0001]에서 성장된 질화물 단결정이 주로 사용되었으나, 이 경우에 강한 압전성을 나타내므로, 발광소자의 효율이 저하되는 문제가 있었다. 즉, c면 질화물층의 경우에, GaN의 고유특성으로 인하여 활성층 내부에서 압전효과로 인한 전기장, 즉 "압전필드(piezoelectric field)"가 외부전기장과 반대방향으로 인가된다. 도1a에 도시된 바와 같이, 전자 및 정공의 파동함수가 공간적으로 어긋나게 되어 재결합효율이 저하된다.
최근에는, 이러한 분극특성을 제어하여 발광효율을 높이기 위해서, a면 또는 m면의 비극성 질화물층을 성장시켜 발광소자에 적용하는 방안이 활발히 모색되고 있다. 비극성 질화물층의 경우에는 결정방향 자체에서 분극이 없으므로, 극성 질화물층과 달리 내부에 전기장이 인가되지 않는다. 따라서, 비극성 질화물층이 적용된 활성층에서는 도1b와 같이 전자와 정공의 파동함수도 거의 이상적으로 일치할 수 있다.
종래의 비극성 질화물층 성장방법으로는, 미국공개특허 2003/0198837호(공개일: 2003.10.23, 발명자: Michael D. Craven 외 다수)에 개시된 바와 같이, r면 (10-12) 사파이어 기판을 사용하거나, a면 ZnO 또는 SiC와 같은 육방정계 기판을 사용함으로써 a면 (10-10) 질화물층을 성장하는 방법이 주로 사용되어 왔다.
하지만, a면 질화물층은 m면 질화물층에 비해 표면에너지 측면에서 안정적이지 못하므로, 성장시에 표면에 줄무늬패턴이 형성되는 것으로 알려져 있다. 또한, 극성에 다른 성장 이방성 문제로 인해 피트(pit)가 발생되는 문제가 있다. 도2는 표면에 줄무늬패턴으로 피트가 형성된 a면 GaN층의 단면을 촬영한 사진이다. 이러한 피트는 발광소자에서 누설전류의 경로로 제공되므로, 발광효율을 크게 저하하는 원인이 될 수 있다.
이에 반해, m면 (10-10) 질화물 반도체는 a면과 동일한 비극성을 나타내지만, a면에 비해 표면에너지가 낮아 보다 안정적이므로, 성장시 비교적 평탄한 표면을 갖는 장점이 있다. 이러한 m면 질화물 반도체는 독특한 격자상수를 가지므로, 성장기판으로는 LiAlO2 및 m면의 ZnO와 m면 SiC과 같은 기판만이 실험적으로 사용되어 왔다.
그러나, 이러한 기판은 m면 질화물 반도체의 성장기판으로는 큰 단점을 갖고 있다. 예를 들어, LiAlO2 기판의 경우에 지나치게 고가이며, ZnO인 경우에는 화학적으로 불안정하고, SiC 기판도 역시 ZnO 기판과 마찬가지로 면적에 제한적이므로, m면 질화물 반도체 성장을 실용하는데 큰 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 결정품질이 우수한 비교적 큰 구경의 사파이어 기판을 이용한 m면 질화물 반도체 성장방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 사파이어 기판의 상면은 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 사파이어 기판의 상면은 (11-23) 결정면일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 비극성 m면 질화물 반도체를 성장시키는 단계 전에, 상기 사파이어 기판 상에 m면 육방정구조를 갖는 완충층을 성장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 완충층은 ZnO 또는 SiC일 수 있다.
본 발명이 적용가능한 질화물 반도체는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 만족하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 질화물 반도체를 성장시키는 단계는, 질화물의 고속성장에 유리한 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)공정에 의해 실시될 수 있다.
또한, 질화물 단결정 기판을 제공하기 위해서, 상기 m면 질화물 반도체로부터 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 다른 육방정 결정구조 반도체 제조방법에도 유사하게 적용될 수 있다. 즉, 상기 제조방법은, 상면이 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 상면이 m면 (10-10)인 육방정 결정구조를 갖는 반도체를 성장시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에 표기된 미러 지수에서는, 숫자 상의 바(bar) 표기를 대신하여 숫자 앞에「-」를 사용한 점을 유의해야 한다. 예를 들어, (11-23)에서,「-2」은「2」상에 바가 덧붙인 것을 동일한 것으로 이해해야 한다.
이와 같이, 본 발명은 질화물 성장기판으로 보편적으로 사용되는 사파이어 기판에서 m면 질화물 반도체, 특히 m면 GaN의 성장조건에 만족할 수 있는 결정면을 선택하고, 그 결정면을 갖도록 가공된 사파이어 기판을 성장기판으로 사용하여 m 면 GaN 를 성장시키는 방법을 제공한다.
본 발명에 채용된 사파이어 기판은 성장면으로서 (11-23)면을 갖는다. 예를 들어, (11-23)면은 c축 방향을 기준으로 비스듬이 절단한 면으로 이해할 수 있다. 사파이어 기판의 (11-23)면은 m면 GaN과 격자상수 차이를 최소화하여 종래의 r면 사파이어기판 상의 a면 GaN의 성장과 유사한 수준의 조건을 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도3a에는 육방정계 사파이어(Al2O3) 결정구조가 개략적으로 도시되어 있다. 화살표로 표시된 바와 같이, 본 발명에서는 성장면(즉, 상면)이 (11-23)면인 사파이어 기판을 채용한다.
도3b는 (11-23)면 사파이어 기판과 m면 (10-10) GaN의 격자점을 대비한 개략도이다. 도3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 채용되는 (11-23)면 사파이어 기판은 m면 GaN의 격자과 매우 근사한 격자를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로, GaN의 m면 (10-10)은 a축방향으로 6.368Å이며, c축 방향으로 10.368Å인 격자상수를 가지며, 사파이어 기판의 (11-23)면은 a축방향으로 5.574Å이며, c축 방향으로 9.882Å인 격자상수를 갖는다.
따라서, (11-23)면 사파이어 기판 상에 m면 GaN을 성장시킬 때에 발생되는 압축응력은 a축 방향으로 14%, c축 방향으로 5%에 불과하다. 이러한 압축응력은 종래의 기술에서 r면 사파이어 기판 상에 a면 GaN층을 성장할 때에 발생되는 압축응력(c축 방향: 1.1%, m축 방향: 16% )과 유사한 수준이라는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, 이미 상용화된 사파이어 기판을 격자불일치 정도를 최소화할 수 있는 (11-23)면을 갖도록 특정방향으로 절단함으로써, m면 (10-10) GaN박막을 용이하게 성장시킬 수 있는 기판을 비교적 저렴한 가격과 안정된 품질로 제공할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 얻고자 하는 m면 (10-10) GaN은 앞서 설명한 바와 같이, 비극성일 뿐만 아니라 안정된 표면상태를 가지므로, 비극성 a면에서 발생되는 피트로 인한 문제를 해결할 수 있다.
상술된 m면 GaN층을 성장하기 위한 격자일치조건은 도3b에 제시된 수치로 엄격히 한정되지 않는다. 즉, 사파이어 기판은 정확히 (11-23)에 한정되는 것은 의미하지 않는다. 따라서, 본 발명에 채용가능한 사파이어 기판은 (11-23)면에 대해 일정한 범위에 한하여 틸팅되더라도 m면 GaN 성장을 위한 기판으로 사용될 수 있다.
이러한 점을 감안할 때에, 본 발명에 채용되는 사파이어 기판의 상면은 c축 방향 기준으로 약 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23) 결정면 또는 c축과 수직인 방향을 기준으로 약 ±5°이내의 오프각을 가질 수 있는 (11-23) 결정면을 포함한 것으로 설명할 수 있다.
도4a 및 도4b는 종래의 a면 질화물층과 본 발명에 따른 m면 질화물층의 단면도이다.
도4a를 참조하면, 완충층(42)이 형성된 r면 (10-12) 사파이어 기판(41) 상에 비극성 a면 (11-20) GaN 박막(45)을 성장시킨 상태를 도시되어 있다. 완충층(42)으로는 육방정계 결정구조를 갖는 물질이 주로 사용된다. 비극성 a면 GaN 박막(45)은 높은 표면에너지(약 123 meV/Å2)를 가지므로, 상대적으로 안정화된 m면이 되려는 경향을 갖게 되어 피트가 형성될 수 있다. 이러한 피트는 앞서 설명한 바와 같이 발광소자에서 누설전류의 경로로 제공되어 발광효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 소자의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다.
이에 반해, 도4b와 같이, (11-23) 사파이어 기판(51) 상에 완충층(52)을 형성한 후에, 그 위에 비극성 m면 (10-10) GaN 박막(55)을 성장시킨 상태를 도시되어 있다. 본 발명에서도 결정품질을 향상시키기 위해서, m면 육방정구조의 물질을 갖는 완충층(52)을 채용할 수 있다. 바람직하게, m면 (10-10) GaN 박막(55)을 성장하기 위한 완충층(52)으로는 ZnO 또는 SiC 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따라 성장된 m면 GaN 박막(55)은 a면 GaN과 마찬가지로 비극성이지만, a면에 비해 상대적으로 낮은 표면에너지(약 118 meV/Å2)를 가지므로 매우 안정된 상태를 갖는다. 따라서, 피트의 발생을 크게 억제할 수 있으며, 발광소자 결정으로서 우수한 특성을 갖는 비극성 GaN층으로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 직접 발광소자를 형성하기 위한 질화물 단결정 성장공정에 한정되지는 않으며, 프리스탠딩 질화물 단결정 기판을 제조하는 방법으로 응용될 수 있다. 이 경우에, 도4b에서는 m면 GaN으로부터 상기 사파이어 기판을 제거하는 공정을 더 포함할 수 있다. 사파이어 기판의 제거공정은 통상적인 레이저 리프트 오프공정으로 구현될 수 있다.
또한, 발광소자를 제조하는 공정에서는 통상적인 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법이 유익하게 적용될 수 있으나, 질화물 기판을 위한 공정에서는 질화물의 고속성장에 유리한 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)공정에 의해 실시될 수 있다.
상술된 실시형태에서는, m면 (10-10) GaN 박막을 예시하여 설명하였으나, 본 발명은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 만족하는 질화물 반도체 제조공정으로 적용될 수 있다.
나아가, 본 발명은 다른 육방정 결정구조 반도체 제조방법에도 비극성 m면의 결정을 얻기 위한 공정으로서 적용될 수 있다. 이러한 제조공정은, 상술된 m면 질화물 반도체 제조공정과 유사하게, 상면이 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 사파이어 기판을 마련하는 단계와, 상기 사파이어 기판 상에 상면이 m면 (10-10)인 육방정 결정구조를 갖는 반도체를 성장시키는 단계를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이미 상용화된 사파이어 기판의 (11-23)면을 결정 성장면으로 이용함으로써 비극성이면서도 종래의 a면보다 표면상태가 안정된 m면 (10-10) 질화물 반도체를 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 종래의 다른 기판에 비해 저가일 뿐만 아니라 결정품질이 우수하고 상대적으로 대구경이 가능하므로, 우수한 품질을 갖는 m면 질화물 반도체를 실용화 수준으로 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 사파이어 기판을 마련하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판 상에 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체를 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 사파이어 기판의 상면은 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 상면이 (11-23) 결정면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체를 성장시키는 단계 전에, 상기 사파이어기판 상에 m면 육방정구조를 갖는 완충층을 성장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 완충층은 ZnO 또는 SiC인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 만족하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체로부터 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비극성 m면 (10-10) 질화물 반도체를 성장시키는 단계는, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)공정에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
  9. 사파이어 기판을 마련하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판 상에 상면이 m면 (10-10)인 육방정 결정구조를 갖는 반도체를 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 사파이어 기판의 상면은 c축 방향 또는 c축과 수직인 방향에 대해서 ±5°이내의 오프각을 갖는 (11-23)면인 것을 특징으로 하는 육방정 결정구조 반도체 제조방법.
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