KR101539073B1

KR101539073B1 - 반극성 ＧａＮ 템플레이트를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR101539073B1
Application number: KR1020130146087A
Authority: KR
Inventors: 한재용; 원영종
Original assignee: 주식회사 루미스탈
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-07-24
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: KR20150061855A

Abstract

본 발명에 의한 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 m면 사파이어 기판 상에 인시추(In-Situ)로 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시키고 그 위에 AlN 층을 형성시키는 단계; 상기 AlN층 위에 GaN 시드층을 형성시키는 단계; 상기 GaN 시드층 위에 저온 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 단계; 상기 (11-22) GaN 응력완화층 위에 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 단계; 및 상기 (11-22) GaN 승온 성장층 위에 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반극성 ＧａＮ 템플레이트를 제조하기 위한 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING SEMI-POLAR GaN TEMPLATE}

본 발명은 반극성 GaN 템플레이트 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, HVPE 방식을 이용하여 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

질화갈륨은 상온, 상압의 상태에서 공간군(space group) P63mc 형태를 갖는 육방정계의 안정된 결정구조를 지니게 되는데, 이러한 결정구조를 우르차이트 (wurtzite) 구조라고 한다.

도 1은 일반적인 질화갈륨(GaN)의 육방정계 결정 구조를 보여주기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 통상적으로 육방정계 결정구조는 결정면지수 (a1, a2, -(a1+a2), c)의 형태로 표기되며, c축에 수직한 면을 극성(polar)면, c축에 평행한 면을 비극성(nonpolar)면이라고 하며, c축에 수직하지도 평행하지도 않은 면을 반극성(semipolar)면이라고 한다.

도 2는 육방정계 결정구조에 대한 극성면, 비극성면, 반극성면을 나타내는 도면이고, 도 3은 극성 GaN 발광소자와 비극성 GaN 발광소자의 양자우물 형태를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, (a)에서는 극성(polar)면을 보여주고 있고, (b)에서는 비극성(nonpolar)면을 보여주고 있으며, (c)에서는 반극성면(semipolar)을 보여주고 있다.

극성 GaN 박막으로 LED 등과 같은 발광소자를 제조할 경우, c축 방향으로 분극(polarization)이 형성되어 있으므로 발광소자에 가해지는 전기적 에너지의 일부분은 발광에 소요되지 않고, 압전효과에 의한 격자 운동에너지로 사용되므로 발광효율이 떨어지게 된다.

반면에 비극성 GaN 박막으로 제조된 LED 등과 같은 발광소자의 경우에는 압전효과가 없으므로 발광소자에 가해지는 전기적 에너지가 이론적으로는 거의 100% 발광에너지로 전환될 수 있으므로 매우 효율이 좋은 발광소자를 얻을 수 있다.

도 3을 참조하면, 극성과 비극성에 따른 양자우물의 형태의 차이를 확인할 수 있다.

일반적으로 반극성 GaN 박막으로 제조된 발광소자의 경우 극성축이 기판면에 대하여 경사지게 형성되므로 극성 GaN 박막으로 제조된 발광소자에 비하여 상대적으로 높은 발광효율을 얻을 수 있다. 비극성 GaN 박막의 형태로 GaN를 성장시킬 경우 극성축(POLAR AXIS)이 기판면과 평행하게 누워있으므로 적층결함(STACKING FAULT)과 같은 결함이 쉽게 발생하여 박막품질이 저하되는 단점이 존재한다.

반면에 반극성 GaN 박막으로 성장시킬 경우 극성축이 기판면에 대하여 경사지게 형성되어 있고, 결정의 경사진 계단(TERRACE)형태의 홈을 따라 결정이 용이하게 성장되는 특성을 이용할 수 있으므로 적층결함이 적게 발생하고 박막 품질이 우수하므로, 비극성 박막 보다 우수한 박막을 성장시킬 수 있다는 장점을 지니고 있다. 특히 (11-22) 반극성 면으로 GaN 결정을 성장시킬 경우에는 쌍정(TWIN)과 같은 결함을 피할 수 있는 또 다른 장점도 지니고 있으므로 결정결함이 적은 우수한 품질의 박막을 얻을 수 있으며, 또한 압전효과에 의한 에너지 손실도 적은, 높은 발광효율의 LED 등과 같은 발광소자를 제조할 수 있다.

도 4는 m면 사파이어기판 위에 성장된 (11-22) GaN층의 결정방위의 상관관계를 나타내는 도면이다.

M면 사파이어 기판(m Sapphire substrate) 위에 (11-22) 반극성 GaN 후막을 성장시킬 경우 도 4에 도시된 바와 같은 형태로 결정방위 연관성이 존재한다.

한편 GaN 템플레이트(template) 또는 GaN 기판을 제조하는 방법으로는 HVPE법이 가장 일반적인 방법이다. HVPE 법은 기상 성장법 중의 하나로 성장속도가 빠르고 원료가 저렴한 장점이 있어 후막이나 벌크(bulk) 결정 성장에 주로 사용되는 방법이다.

도 5는 일반적인 HVPE 성장 장치의 구성의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, HVPE 법을 사용한 질화물반도체 성장장치는 HVPE 시스템 또는 HVPE 성장 장치라고 하며, Hot Wall(고온 벽) 방식의 써멀(thermal) CVD(Chemical Vapor Deposition)로 분류된다.

컴퓨터(51)의 제어를 받는 반응기(reactor)는 원료가 공급되는 소스 존(source zone)(52)과 성장이 이루어지는 성장 존(growth zone)(53)으로 나뉘어지는데, 소스 존(52)에는 Ga 메탈(metal)(54)이 들어 있는 보트(boat)가 구비되며, 가스 캐비닛(55)과 연결된 가스 공급장치(56)의 공급량 제어에 의해 NH₃ 공급 튜브(tube)(57), Ga 메탈(54)과 반응하여 GaCl을 발생시키기 위한 HCl 공급 튜브(58), 및 도핑(doping)을 위한 도펀트(dopant) 공급 튜브(미도시)를 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다.

소스 존(52)에서는 가열로1(59)에 의해 적절한 온도로 유지되면서 다음의 [화학식 1]과 같은 반응이 일어난다.

[화학식 1]

Ga + HCl -> GaCl + 1/2H₂

성장 존(53)에는 GaN층을 성장시키기 위한 기판(61)이 장착되어 있으며 기판의 종류는 사파이어, SiC, GaAs, Si, GaN 등의 기판이 사용될 수 있다. 가열로2(60)에 의해 GaN 층이 성장되기에 적합한 온도로 유지된 성장 존에 위와 같은 GaCl과 NH₃ 가스를 흘려 보내면 다음의 [화학식 2]와 같은 반응이 일어나서 기판(60) 위에 GaN층이 (53)성장될 수 있다.

[화학식 2]

GaCl + NH₃ -> GaN + HCl + H₂

종래의 GaN 템플레이트 제조 공정은 사파이어 기판과 같은 이질기판 위에 이질기판과 GaN층간의 격자정합(LATTICE MATCH) 을 위한 핵생성층[nucleation layer, 이하 시드층(seed layer)이라고도 한다]을 형성시키고, 그 핵생성층 위에 GaN 단결정 후막을 성장시키는 것으로 이루어지며 통상적으로 GaN 단결정 후막의 두께가 증가할수록 열팽창계수차이에 의한 크랙이 쉽게 발생하며 또한 기판의 휨(BOWING)도 증가하므로 GaN 후막의 두께를 일정범위 이내로 성장하는 것이 일반적이다.

이질 기판 위에 GaN 단결정 후막을 성장시키고 기판을 꺼내기 위하여 냉각과정을 거치는데, 예컨대, m면 사파이어 단결정과 (11-22)면의 GaN 단결정 간에는 [11-2-3]방향으로 12.0%, [10-10]방향으로 -25.5%의 열팽창계수 차이가 있으므로 냉각이 진행될수록 GaN 후막의 [11-2-3]방향으로는 인장응력이 증가하게 되며, [10-10] 방향으로는 압축응력이 증가하게 된다.

특히 GaN 후막에서 [11-2-3]방향으로 발생하는 인장응력은 매우 쉽게 크랙을 유발시키므로, m면 사파이어 기판 위에 형성되는 (11-22) GaN 후막의 두께가 2㎛보다 두껍게 되면 (11-2-3)면을 따라서 도 6과 같이 크랙이 쉽게 발생하는 경향이 있다.

도 6은 두께 3㎛의 (11-22) 반극성 GaN 위에 (11-2-3)면을 따라 형성된 크랙의 형태를 보여주는 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, GaN층의 (11-22)면은 성장속도는 매우 느리기 때문에 수직방향으로의 성장속도가 수평방향의 성장속도보다 우세한 성장조건에서는 도 6와 같은 형태의 힐락(hillock)이 쉽게 발생하므로 거친 형태의 결정표면이 형성되어 LED 등과 같은 소자를 제조하기에 적합하지 않은 결정표면을 얻게 된다.

이처럼 종래의 방법을 사용하여 (11-22) 반극성 GaN 후막의 두께를 2㎛이상 성장시킬 경우 (11-2-3)면을 따라서 크랙이 매우 쉽게 발생하여 두께가 증가함에 따라 결정의 품질이 향상되는 장점을 이용하지 못하므로 전위결함과 적층결함이 많은 얇은 두께의 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트만을 얻을 수 있었다. 또한 (11-22) 면의 성장속도가 매우 느리기 때문에 수직성장속도가 수평성장속도에 비하여 클 경우 힐락이 대량 발생하여 요철이 심한 결정표면을 지닌 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 얻게 되어 소자제조에 부적합한 표면의 (11-22) GaN 템플레이트를 얻게 되는 문제점이 존재하였다.

따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 두께가 수십㎛가 되어도 크랙이 없으며, 힐락 등과 같은 결함 발생을 제거하여 편평한 표면을 지닌 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 성장시킬 수 있도록 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 m면 사파이어 기판 상에 인시추(In-Situ)로 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시키고 그 위에 AlN층을 형성시키는 단계; 상기 AlN층 위에 GaN 시드층(GaN seed layer)을 형성시키는 단계; 상기 GaN 시드층 위에 저온 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 단계; 상기 (11-22) GaN 응력완화층 위에 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 단계; 및 상기 (11-22) GaN 승온 성장층 위에 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 사파이어 표면을 형성시키고 그 위에 상기 AlN층을 형성시키는 단계는, 상기 HVPE 반응기 내에서 m면 사파이어기판을 1000℃~1100℃의 온도에서 암모니아 가스로 10분 이상 1시간 이하로 식각 처리하여 상기 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시킴과 동시에 AlN층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 GaN 시드층을 형성시키는 단계는 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1에서 5:1의 범위이고 성장온도 890℃에서 1100℃의 범위에서 성장시켜 0.1~2㎛의 두께로 상기 GaN 시드층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 단계는 성장온도 890℃~990℃에서 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 성장시켜 1~50㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 단계는 성장온도 1000℃~1100℃까지 승온하며, 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 1~20㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 단계는 성장온도 1000℃~1100℃ 범위에서 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 1~20㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 HVPE법으로 (11-22) 반극성 GaN 단결정 후막을 m면 사파이어 기판 위에 성장시키는 공정으로 크랙이 없고 힐락과 같은 결정결함이 없는 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 때문에 결정의 두께 증가에 따른 결함감소 효과를 얻을 수 있어 결정결함이 감소된 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 5/3비와 성장온도의 제어 및 불연속성장 구간을 회피하는 방법을 사용함으로써 요철이 심하게 되는 힐락 발생을 제거할 수 있어, 편평한 표면의 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트의 제조가 가능하므로, 우수한 품질의 발광소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 HVPE 장치 내에서 인시추(In-situ) 공정을 통해 모든 공정이 이루어지므로 외부에서 별도의 박막층 성장이나 포토리소그래피공정을 거치지 않으므로 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트 제조 시간과 비용을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 질화갈륨(GaN)의 육방정계 결정 구조를 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 육방정계 결정구조에 대한 극성면, 비극성면, 반극성면을 나타내는 도면이다.
도 3은 극성 GaN 발광소자와 비극성 GaN 발광소자의 양자우물 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 m면 사파이어기판 위에 성장된 (11-22) GaN 결정방위의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 두께 3㎛의 (11-22) 반극성 GaN 위에 (11-2-3)면을 따라 형성된 크랙의 형태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 m면 사파이어 기판과 (11-22) GaN의 계면에 대한 고분해능 투과전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 9는 m면 사파이어 기판에서 경사진 형태로 존재하는 r 벽개면의 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은 온도와 5/3비 변화에 따라 힐락이 발생하는 경우를 보여주는 도면이다.
도 11(a) 및 (b)는 불연속 성장되거나 연속 성장된 경우의 (11-22) GaN 후막 표면을 각각 보여주는 사진이다.
도 12는 우수한 품질의 두께 18㎛의 (11-22) GaN 템플레이트를 보여주는 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트 성장 도식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.

특히, 본 발명에서는 두께가 수십㎛가 되어도 크랙이 없으며, 힐락(hillock) 등과 같은 결함 발생을 제거하여 편평한 표면을 지닌 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 성장시킬 수 있도록 하는 새로운 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법을 제안한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이고, 도 8은 m면 사파이어 기판과 (11-22) GaN의 계면에 대한 고분해능 투과전자현미경 사진을 보여주는 도면이며, 도 9는 m면 사파이어 기판에서 경사진 형태로 존재하는 r 벽개면의 형태를 나타내는 도면이며, 도 10은 온도와 5/3비 변화에 따라 힐락(hillock)이 발생하는 경우를 보여주는 도면이며, 도 11(a) 및 (b)는 불연속 성장되거나 연속 성장된 경우의 (11-22) GaN 후막 표면을 보여주는 사진이며, 도 12는 우수한 품질의 두께 18㎛의 (11-22) GaN 템플레이트를 보여주는 사진이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 첫번째 단계로, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 m면 사파이어 기판 상에 인시추(In-Situ)로 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시킴과 동시에 그 위에 AlN층을 형성시킬 수 있다(S710).

HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 m면 사파이어 기판 상에 인시추(In-Situ)로 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면과 그 위에 AlN층을 형성시키는 것으로서, 먼저 m면 사파이어기판을 HVPE 반응기에 장착하고 1000℃~1100℃의 온도에서 암모니아 가스로 사파이어 기판의 표면을 10분 이상 1시간 이하로 식각 처리함으로써 도 8과 같이 사파이어의 표면이 식각되어 m면 사파이어의 r벽개면이 발달하는 표면으로 만드는 것과 동시에 사파이어의 재질인 Al₂O₃와 암모니아 가스가 반응하여 r벽개면의 표면을 질화알루미늄(AlN)으로 변화시키게 되는데 이러한 공정은 다음의 [화학식 3]과 같다.

[화학식 3]

Al₂O₃ + 2NH₃ -> 2AlN + 3H₂O

이때, m면 사파이어 기판에 형성되는 r 벽개면의 형태는 도 9와 같이 m면 사파이어 기판에서 경사진 형태로 존재한다.

m면 사파이어 기판 위에 r벽개면이 형성되고 그 위에 AlN층이 형성되면 (11-22)이외의 다른 결정이 성장될 수 없는 상태가 되므로, 본 발명과 같이 m면 사파이어 기판 위에 r 벽개면을 형성시키고 그 위에 AlN 층을 형성시키는 공정은 (11-22) 반극성 GaN 을 성장시키기 위한 필수불가결한 조건이 되며, 따라서 본 발명에 의한 r 벽개면 위에 AlN층을 형성하는 방법은 그 재현성과 반복성에서 매우 우수한 특징을 보유하고 있다.

두번째 단계로, 상기 AlN층 위에 GaN 시드층을 0.1 ~ 2㎛로 형성시킬 수 있다(S720).

상기 r벽개면 위에 형성된 AlN 층 위에 GaN 시드층을 성장시키는 방법으로 (11-22) 반극성 GaN의 경우 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비 즉, 5/3비(본 명세서에서는 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비를 "5/3비" 라고도 한다.)가 10:1 이상이 되면 도 10의 상단사진과 같이 힐락이 심하게 발생하게 된다. 본 발명에서는 (11-22) 반극성 GaN의 경우 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1에서 5:1의 범위 및 성장온도 890℃에서 1100℃의 범위에서 힐락이 발생하지 않게 된다.

즉 첫번째 단계의 1000℃~1100℃의 온도에서 질화처리가 이루어지므로 성장온도 변화없이 5/3비를 2:1 ~5:1의 범위로 하고 (11-22) 반극성 GaN 층을 0.1~2㎛의 두께로 성장시키는 과정을 통하면 힐락이 없으며 크랙이 없는 시드층을 형성시킬 수 있다.

세번째 단계로, 반응기에서 성장온도를 890~990℃로 낮추어 결함이 많은 GaN을 성장시켜 인장응력과 압축응력을 흡수할 수 있는 저온 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시킬 수 있다(S730).

즉, (11-22) 반극성 GaN 결정의 두께가 2㎛이상이 되면 인장응력이 [11-2-3]방향으로 형성되어 매우 쉽게 크랙이 발생하므로 이를 해결하기 위하여 통상적인 성장온도인 1000℃~1100℃ 보다 110℃ 낮은 온도인 890℃~990℃에서 5/3비가 2:1~5:1인 범위로 (11-22) 반극성 GaN 을 성장시키고 그 두께를 1~50㎛ 범위 이내로 제어하게 되면 힐락이 없으면서도 결함이 많이 형성된 저온 GaN층이 성장되므로 냉각 시 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 인장응력 및 압축응력을 흡수하여 크랙 발생을 방지하는 역할을 한다.

네번째 단계로, 반응기에서 온도를 승온시키며 연속적으로 결정성장을 진행시킴으로써 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시켜 힐락 발생을 차단할 수 있다(S740).

우수한 품질의 (11-22) 반극성 GaN 층을 형성시키기 위해서는 성장온도를 높여주어야 한다.

이때 결정성장을 중단한 상태에서 성장온도를 높인 후 결정성장을 다시 시작할 경우 결정성장의 불연속성이 존재하여 성장초기에는 급격한 성장속도의 변화가 발생하므로 도 11(a)에서와 같이 많은 힐락이 발생하였다. 따라서, 본 발명에서는 결정성장의 불연속성을 배제하기 위하여 세번째 단계에 이어 네번째 단계에서 온도를 올려주는 승온 과정에서도 결정성장을 연속적으로 수행하는 방법을 이용함으로써 도 11(b)와 같이 힐락이 없는 (11-22) 반극성 후막을 성장하게 된다.

이때, 성장온도는 890℃~990℃ 범위에서 시작하여 1000℃~1100℃까지 변화하였으며, 5/3비 2:1~5:1, 성장두께 1~20㎛로 하였다.

다섯번째 단계로, 통상적인 (11-22) GaN 성장온도로 편평한 표면을 지닌 (11-22) GaN 반극성 후막을 성장시킴으로써, (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시킬 수 있다(S750).

즉, 통상적인 (11-22) GaN 성장온도인 1000℃~1100℃ 범위에서 성장이 이루어지는 것으로 5/3비 2:1~5:1, 두께 1~20㎛로 (11-22) 반극성 GaN을 성장시킴으로써 도 12와 같이 크랙이 없으며 힐락이 존재하지 않는 우수한 품질의 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 얻을 수 있다.

이러한 방법으로 성장된 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트는 크랙과 힐락이 전혀 없으며 GaN 결정의 두께도 3㎛~수십㎛의 것을 얻을 수 있으므로 종래 (11-22) GaN 기판 대비 품질이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트 성장 도식도이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 먼저, 도 5와 같은 HVPE 성장장치의 반응기에 m면 사파이어 기판을 장입한다. 위에서도 기술한 바와 같이, HVPE 성장장치의 반응기(reactor)는 원료가 공급되는 소스 존(source zone)과 성장이 이루어지는 성장 존(growth zone)으로 나뉘어지며, 소스 존에는 Ga 메탈(metal)이 들어 있는 보트(boat)가 구비되며, 하기의 공정을 진행하기 위하여, 가스 캐비닛과 연결된 가스 공급장치의 공급량 제어를 받아 NH₃ 공급 튜브(tube), Ga 메탈과 반응하여 GaCl을 발생시키기 위한 HCl 공급 튜브, 도핑(doping)을 위한 도펀트(dopant) 공급 튜브, 또는 다른 필요한 가스를 공급하기 위한 다른 가스 공급 튜브 등을 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다.

이와 같이 HVPE 성장장치의 반응기에 m면 사파이어 기판이 장입된 후, 먼저, 반응기의 성장 존의 분위기 온도 1050℃에서 캐리어 가스로 질소 또는 수소 또는 질소 수소 혼합가스를 흘려주고 있는 반응기 내로 암모니아 가스를 반응기에 20분간 공급함으로써 [화학식 3]과 같은 반응에 의하여 m면 사파이어 기판을 반응시킨다.

이때 m면 사파이어 기판의 표면은 평탄하게 식각되지 않고 쉽게 식각되는 결정면을 먼저 식각하게 되고, 원자들이 밀집되어 있는 사파이어의 r면은 잘 식각되지 않으므로 도 9와 같은 형태로 표면에 사파이어의 r면이 발달하게 된다. 이러한 r면 사파이어 위에 [화학식 3]과 같이 AlN 결정이 수십 nm 두께로 형성된다.

다음 공정으로 1050℃에서 암모니아 가스와 GaCl가스의 비를 3:1로 하는 조건으로 GaCl을 암모니아와 함께 m면 사파이어 기판 위에 공급하면 (11-22) GaN 결정이 성장되는데 이때 두께를 0.5㎛까지 성장시킨다.

세번째 단계로 성장온도를 900℃로 낮춘 상태에서 암모니아 가스와 GaCl가스의 비를 3:1로 하는 조건으로 GaCl을 암모니아와 함께 m면 사파이어 기판 위에 공급하면 결함이 많은 상태의 GaN이 성장되는데 두께를 15㎛까지 성장시킨다.

네번째 단계로 암모니아 가스와 GaCl가스의 비를 3:1로 하는 조건으로 GaCl을 암모니아와 함께 m면 사파이어 기판 위에 공급하면서 온도를 900℃에서 1050℃까지 승온시키면 지속적인 연속성장이 이루어지고 이때의 결정 두께는 15㎛까지 성장시킨다.

다섯번째 단계로 1050℃의 온도에서 암모니아 가스와 GaCl가스의 비를 5:1로 하는 조건으로 GaCl을 암모니아와 함께 m면 사파이어 기판 위에 공급하여 두께 5㎛의 (11-22) 반극성 GaN을 성장시킨다. 이와 같은 과정을 거쳐 전체 두께가 35㎛인 크랙이 없고 힐락이 없는 고품질의 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 얻을 수 있다.

HVPE 반응기의 온도를 상온까지 약50℃/분의 냉각속도로 서냉시켜 상온 근처에서 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트를 HVPE 반응기로부터 끄집어 낸다.

이와 같이 제조된 (11-22) 반극성 GaN 템플레이트는 크랙과 힐락이 없는 우수한 품질의 기판 소재로 활용될 수 있으며 특히 녹색 발광소자용 기판소재로 가장 적합한 기판소재로 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: M면 사파이어 기판
200: r 벽개면에 형성된 AIN층
300: (11-22) GaN Seed층
400: 저온 (11-22) GaN 응력완화층
500: (11-22) GaN 승온 성장층
600: (11-22) GaN 이차원 성장층

Claims

HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 m면 사파이어 기판 상에 인시추(In-Situ)로 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시키고 그 위에AlN 층을 형성시키는 단계;
상기 AlN 층위에 GaN 시드층을 형성시키는 단계;
상기 GaN 시드층 위에 저온 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 단계;
상기 (11-22) GaN 응력완화층 위에 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 단계; 및
상기 (11-22) GaN 승온 성장층 위에 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.
제1 항에 있어서,
상기 사파이어 표면을 형성시키고 그 위에 AlN층을 형성시키는 단계는,
상기 HVPE 반응기 내에서 m면 사파이어기판을 1000℃~1100℃의 온도에서 암모니아 가스로 10분 이상 1시간 이하로 식각 처리하여 상기 r벽개면을 갖는 형태의 사파이어 표면을 형성시킴과 동시에 AlN층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.
제1 항에 있어서,
상기 GaN 시드층을 형성시키는 단계는,
상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1에서 5:1의 범위이고 성장온도 890℃에서 1100℃의 범위에서 성장시켜 0.1~2㎛의 두께로 상기 GaN 시드층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.
제1 항에 있어서,
상기 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 단계는,
성장온도 890℃~990℃에서 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 성장시켜 1~50㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 응력완화층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.
제1 항에 있어서,
상기 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 단계는,
성장온도 1000℃~1100℃까지 승온하며, 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 1~20㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 승온 성장층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.
제1 항에 있어서,
상기 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 단계는,
성장온도 1000℃~1100℃ 범위에서 상기 HVPE 반응기에 공급되는 NH₃가스와 GaCl가스의 비가 2:1~5:1인 범위에서 1~20㎛의 두께로 상기 (11-22) GaN 이차원 성장층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반극성 GaN 템플레이트를 제조하기 위한 방법.