KR20110095796A

KR20110095796A - 질화물 반도체층 성장 방법 및 이에 의해 형성되는 질화물 반도체 기판

Info

Publication number: KR20110095796A
Application number: KR1020100082085A
Authority: KR
Inventors: 박성수; 이문상
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2011-08-25
Also published as: KR20160146613A; KR101786047B1

Abstract

질화물 반도체층 성장 방법이 개시된다. 개시된 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 기판을 준비하고, 이 기판 상에 질화물 반도체 도트를 형성한다. 그리고, 질화물 반도체 도트 상에 질화물 반도체층을 성장시킨다. 이와 같이 성장된 질화물 반도체층을 기판으로부터 분리하여 질화물 반도체 기판으로 사용할 수 있다.

Description

질화물 반도체층 성장 방법 및 이에 의해 형성되는 질화물 반도체 기판{Method for growing nitride semiconductor and nitride semiconductor substrate formed therefrom}

질화물 반도체층 성장 방법 및 이에 의해 형성되는 질화물 반도체 기판에 관한 것이다.

질화물 반도체를 이용한 전자산업은 그린(green) 산업의 발전과 성장에 부합하는 분야로 기대를 모으고 있다. 특히 질화물 반도체 중 하나인 GaN의 경우, 발광 다이오드(LED)를 포함한 고출력 전자부품 소자의 핵심 소자인 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 중 청색 발광 다이오드의 제조에 널리 상용되고 있다. 이는 기존의 청색 영역의 빛을 내는 발광 소자의 반도체 물질인 징크 세레나이드(ZnSe) 보다, GaN를 이용한 청색 발광 다이오드가 GaN의 뛰어난 물리, 화학적 특성 때문에 휘도와 수명, 그리고 내부 양자효율이 우수하기 때문이다. 또한 GaN는 직접 천이형의 밴드갭 구조를 가지면서 In 이나 Al의 합금을 통해 1.9 ~ 6.2 eV 까지 밴드갭 조절이 가능하므로, 광소자로서의 이용 가치가 매우 크다. 또한 항복 전압이 높고, 고온에서도 안정하기 때문에 기존의 재료들로는 구현하지 못하는 고출력 소자나 고온 전자 소자 등 여러 분야에 유용하다. 예를 들어 풀 칼라 디스플레이(Full color display)를 이용한 대형 전광판이나, 신호등, 광기록 매체의 광원, 자동차 엔진의 고출력 트랜지스터 등에 적용될 수 있다. GaN 기판을 사용한 발광 다이오드(LED)의 경우 결함이 적고, 기판과 소자 층의 굴절율이 동일하고, 열전도도도 사파이어보다 약 4배 정도 크기 때문에, GaN는 고출력 LED의 제작에 필수 적이다.

기판 상에 질화물 반도체층 성장시 격자 상수 차이나 열팽창 계수 차이에 의해 계면에서 유발되는 스트레인(strain)에 의한 크랙(crack)이 없는 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있는 질화물 반도체층 성장 방법 및 이에 의해 형성되는 질화물 반도체 기판을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법은, 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판 상에 질화물 반도체 도트를 형성하는 단계와; 상기 질화물 반도체 도트 상에 질화물 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함한다.

상기 질화물 반도체 도트과 질화물 반도체층 사이에 스트레스 완충층이 형성되는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 질화물 반도체층은 HVPE 방법을 사용하여 성장될 수 있다.

상기 기판 상에 HVPE에 의해 상기 질화물 반도체층 성장시 인시투(in-situ)로 상기 질화물 반도체 도트를 형성할 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트는 한방향으로 정렬될 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트 크기에 따라 성장된 상기 질화물 반도체층의 두께를 제한할 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4μm 이상일 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4 ~ 0.8μm일 수 있다. 이 경우, 성장된 상기 질화물 반도체층의 두께는 100 μm 이상 내지 1000μm 이하일 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4μm 이내일 수 있다. 이 경우, 상기 질화물 반도체층의 두께는 10μm 이하일 수 있다.

상기 질화물 반도체층 및 상기 질화물 반도체 도트는 GaN를 포함할 수 있다.

상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.

상기 질화물 반도체층은 레이저 리프트오프(liftoff) 방법에 의해 상기 기판으로부터 분리되어, 질화물 반도체 기판으로 사용될 수 있다.

상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 기판은 상기한 질화물 반도체층 성장 방법에 의해 성장된 상기 질화물 반도체 도트와 상기 질화물 반도체층을 기판으로부터 분리하여 얻어질 수 있다.

이때, 상기 질화물 반도체층 및 질화물 반도체 도트는 GaN를 포함하며, 상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판일 수 있다.

상기 질화물 반도체층은 성장동안 상기 질화물 반도체 도트들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께 이상의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 기판은, 질화물 반도체 도트와; 상기 질화물 반도체 도트 상에 성장된 질화물 반도체층;을 포함할 수 있다.

상기 질화물 반도체 도트와 상기 질화물 반도체층 사이에 성장동안 스트레스 완충층이 더 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 기판은, 질화물 반도체층; 및 상기 질화물 반도체층 일면에 육각형태의 반도체 도트가 포함될 수 있다.

질화물 반도체 도트를 핵으로 하여 질화물 반도체층을 성장시키므로, 기판 상에 질화물 반도체층 성장시 격자 상수 차이나 열팽창 계수 차이에 의해 계면에서 유발되는 스트레인(strain)에 의한 크랙(crack)이 없는 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라 사파이어 기판 상에 GaN를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 사파이어 기판으로부터 분리한 GaN층을 보여준다.
도 3은 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 도트를 개략적으로 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 GaN 성장을 위한 GaN 도트를 보여주는 SEM 사진이다.
도 5는 사파이어(Sapphire) 기판 상에 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN 층을 성장시킬 때, GaN 도트와 GaN 층 사이에 스트레스(Stress) 완충층이 존재할 수 있음을 보여준다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라, GaN 도트 버퍼를 사용하여 성장된 직경 3인치, 4인치 후막 GaN/Sapphire를 개략적으로 보여주는 이미지이다.

질화물 반도체 중 갈륨 나이트라이드(GaN)는 밴드갭(bandgap) 에너지가 약 3.39 eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다.

GaN 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 대략 1500℃ 이상의 고온과 대략 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판 형으로 이를 소자 제작에 사용하기는 곤란하다.

그래서, GaN 박막은 이종 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy) 등의 기상 성장 법에 의해 성장하고 있다.

GaN 박막 제조 용 이종 기판으로는 사파이어(sapphire)가 가장 많이 사용되고 있는데 이는 사파이어가 GaN과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다.

그러나 사파이어는 GaN과 약 16%에 달하는 격자 상수 차이 및 약 35%에 달하는 열팽창 계수 차이에 의해 계면에서 스트레인(strain)이 유발된다. 이 스트레인(strain)이 결정 내 격자 결함을 발생시켜 고품질의 GaN 박막 성장이 어렵고, GaN 박막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다. 또한 사파이어 기판 상에 제조되는 발광 다이오드(LED)의 경우 결함 및 사파이어 기판과 GaN 박막의 굴절율 차이 때문에 발광 효율에 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해 GaN 기판과 같은 질화물 반도체 기판이 필요하며, 이러한 질화물 반도체 기판(GaN 기판) 상에 호모 에피탁시(homoepitaxy)에 의해 소자를 제조하는 것이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 예를 들어, HVPE 방법에 의해 기판과 질화물 반도체층 사이의 격자 상수와 열팽창 계수 등의 차에 의한 크랙 발생없도록 기판 상에 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있다.

질화물 반도체층을 성장시키기 위해, 먼저, 기판을 준비한다. 그리고, 이 기판 상에 질화물 반도체 도트(dot)를 형성한다. 이때, 질화물 반도체 도트는 한 방향으로 정렬되도록 형성된다. 상기 질화물 반도체 도트는, 기판과 후막 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합이나 열팽창 계수 차이에 의한 크랙을 줄여줄 수 있다. 질화물 반도체 도트를 한 방향으로 정렬되도록 형성하는 경우, 질화물 반도체를 이 질화물 반도체 도트를 핵으로 하여 단결정으로 성장시킬 수 있다.

이후, 예컨대, III-V족 반도체 물질의 비율과 성장 온도 등을 조절하여 수직 및 수평 성장 속도를 조절하면, 질화물 반도체 도트 상에 이 질화물 반도체 도트를 핵으로 하여 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있다. 질화물 반도체 도트가 한 방향으로 정렬되도록 형성되므로, 질화물 반도체층은 이 질화물 반도체 도트를 핵으로 하여 단결정으로 성장될 수 있다. 이때, 질화물 반도체층은 성장동안 상기 질화물 반도체 도트들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께 이상의 두께를 가지도록 성장시킨다. 질화물 반도체 도트와 질화물 반도체층 사이에는 성장동안 스트레스 완충층이 형성될 수 있다. 이 스트레스 완충층은 질화물 반도체층 성장과 같은 온도에서 연속 성장되는 것으로, 질화물 반도체 도트 위에 질화물 반도체층을 성장시키면, 성장되면서 질화물 반도체 도트 계면에서 발생된 전위가 서로 만나 일부 없어지게 되는 층을 말한다. 이 스트레스 완충층은 예를 들어, 대략 40 내지 50μm 정도의 두께를 가질 수 있다. 이 스트레스 완충층(50)의 두께는 질화물 반도체 도트들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께에 해당할 수 있다.

이후, 레이저 리프트오프(Laser liftoff) 방법에 의해 기판으로부터 후막 질화물 반도체층을 분리하면, 프리스탠딩(freestanding) 질화물 반도체 기판을 얻을 수 있다. 이때, 프리스탠딩 질화물 반도체 기판은 질화물 반도체층과 상기 질화물 반도체층 일면에 포함된 질화물 반도체 도트를 포함할 수 있다. 또한 질화물 반도체층과 질화물 반도체 도트 사이에 스트레스 완충층이 존재할 수 있다. 프리스탠딩 질화물 반도체 기판에서, 질화물 반도체층 일면즉, 기판으로부터 분리된 면에는 질화물 반도체 도트가 존재할 수 있는데, 이때 질화물 반도체 도트는 육각형태를 가질 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 예를 들어, HVPE에 의해 사파이어 기판 상에 후막 GaN을 성장하여, GaN 기판을 제조할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 의해 사파이어 기판 상에 GaN를 성장시키는 경우를 보다 구체적으로 설명한다.

후막 GaN 성장을 위한 이종 기판으로는 사파이어 기판이 사용될 수 있다. 이는 사파이어가 GaN과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 전술한 바와 같이, GaN과의 격자 상수 차이 및 열팽창 계수 차이에 의해 계면에서 스트레인이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내 격자 결함을 발생시키고, 크랙(crack)을 발생시킬 수 있다. 즉, 사파이어 기판 상에 GaN층을 형성할 때, GaN와 사파이어 사이의 격자 상수와 열팽창 계수 차에 의해 크랙이 발생할 수 있다.

이러한 크랙 발생 가능성을 제거하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 한 방향으로 정렬된 GaN 도트를 사용한다. 이 GaN 도트로부터 GaN를 수직, 수평 성장을 시켜 GaN 후막을 성장시킬 수 있다. GaN 도트 크기에 따라 크랙이 없는 후막 GaN 층의 두께가 결정될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라 사파이어 기판(10) 상에 GaN를 성장시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 구조에서, 사파이어 기판(10)으로부터 후막 GaN 층(50)을 분리하여 얻어지는 프리스탠딩(freestanding) GaN 기판을 개략적으로 보여준다.

도 1을 참조하면, 질화물 반도체인 GaN를 성장시키기 위해, 먼저, 사파이어 기판(10)을 준비한다.

그리고, 이 사파이어 기판(10) 상에 GaN 도트(30)를 형성한다. GaN 도트(30)는, 사파이어 기판(30)과 후막 GaN 층(50) 사이의 격자 부정합이나 열팽창 계수 차이에 의한 크랙을 줄여줄 수 있다. 도 1에서는 GaN 도트(30)를 층으로서 나타내었다. GaN 도트(30)는 GaN 도트층으로 표현될 수도 있다.

GaN 도트(30)는 다음의 과정을 통해 형성될 수 있다.

예를 들어, 사파이어 기판(10)을 HVPE 반응기(reactor)에 장착한 후 고온에서, HCl과 Ga 금속을 반응시켜 GaCl을 형성한다. 그리고 이를 NH₃와 반응시켜 얻어지는 GaN 도트(30)를 사파이어 기판(10) 상에 성장시킨다. 이러한 GaN 도트(30)를 형성하기 위해, 사파이어 기판(10)을 HVPE 반응기에 장착한 상태에서, 사파이어 기판(10)을 HCl + NH₃로 처리하여, 사파이어의 산호를 제거하여 GaN 도트의 핵이 되는 AlN 핵을 먼저 형성할 수 있다. 그런 상태에서, HCl과 Ga 금속을 반응시켜 GaCl을 형성하고 이를 NH₃와 반응시키면 AlN 핵으로부터 GaN가 성장되어 GaN 도트(30)가 형성될 수 있다. 이때, GaN 도트(30)는 고온 예컨대, 대략 900℃ 정도에서 성장할 수 있다.

도 3을 참조하면, 이와 같이 성장된 GaN 도트(30)는 육방정계 형태를 가지고 있기 때문에 한 방향 예컨대, c축으로 잘 정렬될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 사파이어 기판(10)에 성장된 GaN 도트들(30)을 보여주는 SEM 사진이다. 도 4a 및 도 4b의 SEM 사진으로부터 c축으로 잘 정렬된 GaN 도트들을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

이후, 예컨대, III-V족 반도체 물질의 비율과 성장 온도 등을 조절하여 수직 및 수평 성장 속도를 조절하면, GaN 도트(30) 상에 이 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN를 성장시켜 GaN층(50)을 형성할 수 있다. 상기와 같이 GaN 도트는 육방정계 형태를 가져 한 방향으로 정렬되므로, GaN는 이 GaN 도트를 핵으로 하여 단결정으로 성장될 수 있다.

이때, GaN층(50) 반도체층은 성장동안 상기 GaN 도트(30)들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께 이상의 두께를 가지도록 성장시킨다. GaN 도트(30)와 GaN층(50) 사이에는, GaN 성장동안 스트레스 완충층(도 5의 40 참조)이 형성될 수 있다. 도 5는 사파이어(Sapphire) 기판 상에 GaN 도트(30)를 핵으로 하여 GaN 층(50)을 성장시킬 때, GaN 도트(30)와 GaN 층(50) 사이에 스트레스(Stress) 완충층(40)이 존재할 수 있음을 보여준다.

스트레스 완충층(40)은 GaN 층(50) 성장과 같은 온도에서 연속 성장되는 것으로, GaN 도트(30) 위에 GaN층(50)을 성장시키면, GaN가 성장되면서 GaN 도트(30) 계면에서 발생된 전위가 서로 만나 일부 없어지게 되면서 생긴다. 이 스트레스 완충층(40)은 전술한 바와 같이 예를 들어, 대략 40 내지 50μm 정도의 두께를 가질 수 있다. 스트레스 완충층(40)의 두께는 GaN 도트(30)의 크기에 따라 달라질 수 있다.

대부분이 0.4μm 이상의 크기를 가지는 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN를 성장시키는 경우, 핵들이 서로 만나게 되는 스트레스(stress) 완화 두께(coalescence)는 대략 40 내지 50μm 정도가 된다. 스트레스 완충층(50)의 두께는 스트레스 완화 두께에 해당할 수 있다.

따라서, 대부분이 0.4μm 이상의 크기를 가지는 GaN 도트(30)를 핵으로 하여 GaN를 성장시키는 경우, GaN 층(50) 두께가 대략 60 ~ 70μm 정도만 되어도 미러와 같은 상태가 되면서 크랙이 발생하지 않는다.

이와 같이 GaN 도트(30) 크기에 따라 스트레스 완화 두께 이상으로 GaN층(50)을 성장시키면, 크랙 없는 품질이 좋은 원하는 두께 범위의 GaN 층(50)을 형성할 수 있다.

이후, 레이저 리프트오프(Laser liftoff) 방법에 의해 사파이어 기판(10)으로부터 후막 GaN 층(50)을 분리하면, 도 2에서와 같은, GaN층(50) 및 GaN 도트(30)로 된 프리스탠딩(freestanding) GaN 기판을 얻을 수 있다. 이러한 프리스탠딩 GaN 기판 상에 초 고효율 발광다이오드를 제작할 수 있다. 이러한 프리스탠딩 GaN 기판의 일면 즉, 사파이어 기판(10)이 분리된 면에는 육각 형태의 GaN 도트(30)가 존재하게 된다.

여기서, 파장이 대략 360nm 보다 짧은 파장의 레이저 빔을 조사하면 GaN층(50)을 사파이어 기판(10)으로부터 분리할 수 있다. 이러한 레이저 리프트 오프를 위한 레이저 광원으로는 파장이 대략 1064nm인 Nd:YAG 레이저의 3차 조화파(3rd harmonic :약 321nm)를 이용하거나, 파장이 대략 248nm인 KrF 엑시머 레이저(excimer laser)나 파장이 대략 330nm인 XeCl 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용할 수 있다. 이와 같이, 대략 360nm보다 짧은 파장의 레이저 빔을 조사하면, 사파이어 기판과의 계면에 존재하는 GaN층에서 흡수가 일어나, GaN가 Ga + 1/2N²로 되고, 이에 의해 사파이어 기판(10)으로부터 GaN층(50)이 분리되게 된다.

한편, 도 1 및 도 2에서는 스트레스 완충층은 GaN 도트(30) 상에 GaN를 성장시켜 원하는 두께를 가지는 GaN층(50)을 형성하는 동안 생길 수 있는 것이며, 그 스트레스 완충층의 두께는 원하는 두께로 GaN(50)을 성장시키기 위해 적용되는 GaN 도트(30)의 크기에 따라 달라질 수 있어 별도의 층으로서 구분이 되지 않을 수도록 있으므로, 스트레스 완충층의 도시를 생략하였다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 있어서, 질화물 반도체 예컨대, GaN는 HVPE 방법을 사용하여 성장될 수 있다. 이때, 예를 들어, 사파이어 기판(10) 상에 HVPE에 의한 GaN 성장시 인시트(in-situ)로 GaN 도트(30)를 성장할 수 있다.

이러한 GaN 도트(30)를 사용하므로, 사파이어 기판(10) 상에 GaN 성장시 격자 상수 및 열팽창 계수 차에 의한 크랙이 없는 결정 품질이 향상된 고품질의 후막 GaN층(50)을 성장할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 GaN 성장을 위한 GaN 도트를 보여주는 SEM 사진을 보여주는데, 도 4a에서, GaN 도트는 대부분 예를 들어, 대략 90% 정도가 0.4μm 이내의 크기를 가진다. 도 4b에서 GaN 도트의 대부분 예를 들어, 대략 90% 정도가 약 0.4 ~ 0.8μm의 크기를 가진다.

도 4a에서와 같이 상대적으로 작은 크기의 GaN 도트는, 상대적으로 낮은 성장 온도 예를 들어, 약 980℃ ~ 990℃의 성장 온도에서 형성될 수 있다. 도 4b에서와 같이 상대적으로 큰 크기의 GaN 도트는, 상대적으로 높은 성장 온도 예를 들어, 약 1040℃의 성장 온도에서 형성될 수 있다. 여기서, 상기의 성장 온도는 예시적으로 보인 것으로, 원하는 크기의 GaN 도트를 형성하기 위한 성장 온도는 여러 성장 조건에 의해 달라질 수 있다.

도 4a에서와 같이, GaN 도트가 약 0.4　μm 이내의 크기를 가질 때, 이 GaN 도트를 핵으로 하여 성장된 GaN 층은, 약 10μm 이내의 두께에서 미러와 같은(mirror like) 상태로 된다. 따라서, 0.4μm 이내의 크기를 가지는 GaN 도트를 핵으로 하여 10μm 이내의 두께를 가지는 박형의 GaN(thin GaN)층을 성장시킬 수 있다.

도 4b에서와 같이, GaN 도트가 약 0.4μm 이상 예컨대, 약 0.4μm ~ 0.8μm 의 크기를 가질 때, 이 GaN 도트를 핵으로 하여 성장된 GaN 층은 고효율 발광다이오드 등을 제작할 수 있는 프리스탠딩(freestanding) GaN 기판으로 사용될 수 있는 충분한 두께 예를 들어, 100μm 이상, 1000μm 이하의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라 성장된 GaN층을 GaN 기판으로 사용하고자 하는 경우, GaN층은 예를 들어, 대략 300μm 이상의 두께 보다 구체적인 예로서, 대략 300 내지 400μm 이상의 두께로 성장시킬 수 있다.

이와 같이, 약 0.4μm 이상 예를 들어, 0.4μm ~ 0.8μm 의 크기를 가지는 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN를 성장시키면, 300μm 이상의 두께는 가지는 두꺼운 GaN 층을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 두껍게 성장된 GaN층을 기판으로부터 분리하면, 프리스탠딩 GaN 기판을 얻을 수 있다.

여기서, 필요시 GaN 층을 300μm 이내의 두께로 성장시키는 것도 가능하며, 크랙없이 성장되는 조건하에서, GaN층은 원하는 두께를 가지도록 성장될 수 있다.

대부분이 0.4μm 이상의 크기를 가지는 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN를 성장시키는 경우, 핵들이 서로 만나게 되는 스트레스(stress) 완화 두께(coalescence)는 대략 40 내지 50μm 정도가 된다. 따라서, 대부분이 0.4μm 이상의 크기를 가지는 GaN 도트를 핵으로 하여 GaN를 성장시키는 경우, GaN 층 두께가 대략 60 ~ 70μm 정도만 되어도 미러와 같은 상태가 되면서 크랙이 발생하지 않는다.

이와 같이 GaN 도트 크기에 따라 스트레스 완화 두께 이상으로 GaN를 성장시키면, 크랙 없는 품질이 좋은 원하는 두께 범위의 GaN 층을 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라, GaN 도트 버퍼를 사용하여 성장된 직경 3인치, 4인치 후막 GaN/Sapphire를 개략적으로 보여주는 이미지이다.

도 6에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 의하면, 크랙 없이 질화물 반도체층 예컨대, GaN층을 성장시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따라 사파이어 기판 상에 GaN를 성장시키는 경우를 설명하였는데, 이는 구체적인 예시를 보인 것일 뿐으로, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형 및 타 실시예가 가능하다.

10...사파이어 기판
30...GaN 도트
40...스트레스 완충층
50...GaN층

Claims

기판을 준비하는 단계와;
상기 기판 상에 질화물 반도체 도트를 형성하는 단계와;
상기 질화물 반도체 도트 상에 질화물 반도체층을 성장시키는 단계;를 포함하는 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트과 질화물 반도체층 사이에 스트레스 완충층이 형성되는 단계;를 더 포함하는 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 HVPE 방법을 사용하여 성장되는 질화물 반도체층 성장 방법.
제3항에 있어서, 상기 기판 상에 HVPE에 의해 상기 질화물 반도체층 성장시 인시투(in-situ)로 상기 질화물 반도체 도트를 형성하는 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트는 한방향으로 정렬되는 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트 크기에 따라 성장된 상기 질화물 반도체층의 두께를 제한하는 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4μm 이상인 질화물 반도체층 성장 방법.
제7항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4 ~ 0.8μm인 질화물 반도체층 성장 방법.
제8항에 있어서, 성장된 상기 질화물 반도체층의 두께는 100 μm 이상 내지 1000μm 이하인 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트의 크기는 대부분이 0.4μm 이내인 질화물 반도체층 성장 방법.
제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 두께는 10μm 이하인 질화물 반도체층 성장 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 반도체층 및 상기 질화물 반도체 도트는 GaN를 포함하는 질화물 반도체층 성장 방법.
제12항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판인 질화물 반도체층 성장방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 레이저 리프트오프(liftoff) 방법에 의해 상기 기판으로부터 분리되어, 질화물 반도체 기판으로 사용되는 질화물 반도체층 성장 방법.
제14항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판인 질화물 반도체층 성장 방법.
청구항 1항 내지 9항 중 어느 한 항의 방법에 의해 성장된 상기 질화물 반도체 도트와 상기 질화물 반도체층을 기판으로부터 분리하여 얻어진 질화물 반도체 기판.
제16항에 있어서, 상기 질화물 반도체층 및 질화물 반도체 도트는 GaN를 포함하며, 상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판인 질화물 반도체 기판.
제16항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 성장동안 상기 질화물 반도체 도트들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께 이상의 두께를 가지는 질화물 반도체 기판.
질화물 반도체 도트와;
상기 질화물 반도체 도트 상에 성장된 질화물 반도체층;을 포함하는 질화물 반도체 기판.
제19항에 있어서, 상기 질화물 반도체층 및 질화물 반도체 도트는 GaN를 포함하며, 상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판인 질화물 반도체 기판.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 성장동안 상기 질화물 반도체 도트들이 서로 만나게 되는 스트레스 완화 두께 이상의 두께를 가지는 질화물 반도체 기판.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 질화물 반도체 도트와 상기 질화물 반도체층 사이에 성장동안 스트레스 완충층이 더 형성된 질화물 반도체 기판.
질화물 반도체층;
상기 질화물 반도체층 일면에 육각형태의 반도체 도트가 포함된 질화물 반도체 기판.