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KR101186233B1 - 휨이 감소된 사파이어/질화갈륨 적층체 - Google Patents

휨이 감소된 사파이어/질화갈륨 적층체 Download PDF

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KR101186233B1
KR101186233B1 KR20050094184A KR20050094184A KR101186233B1 KR 101186233 B1 KR101186233 B1 KR 101186233B1 KR 20050094184 A KR20050094184 A KR 20050094184A KR 20050094184 A KR20050094184 A KR 20050094184A KR 101186233 B1 KR101186233 B1 KR 101186233B1
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sapphire
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Abstract

본 발명은 휨이 감소된 사파이어/질화갈륨 적층체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 사파이어 기판 위에 1차 질화처리 및 염화수소 처리에 의해 식각 트랜치(trench) 구조를 형성한 다음, 2차 질화처리 후 질화갈륨을 성장시키는 본 발명에 의하면, 질화갈륨 막 두께(X)에 따른 곡률 반경 값(Y)의 함수 그래프가 하기 수학식 1을 만족하고 하기 수학식 1에서 상수 Y0가 6.23±1.15, A가 70.04±1.92, T가 1.59±0.12의 수일때 그려지는 함수 그래프와 일치하거나 그 우측에 위치하며, 사파이어 기판상에 식각 트렌치 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 사파이어/질화갈륨 적층체를 제조할 수 있으며, 이러한 적층체는 반도체의 기판으로서 유용하게 사용될 수 있다:
Figure 112005056690061-pat00001
상기 식에서, Y는 곡률반경(m)이고, X는 질화갈륨 막의 두께(㎛)이며, Y0, A 및 T는 양의 수이다.

Description

휨이 감소된 사파이어/질화갈륨 적층체 {SAPPHIRE/GALLIUM NITRIDE LAMINATE HAVING REDUCED BENDING DEFORMATION}
도 1은 종래 방법에 따라 제조된 사파이어/질화갈륨 적층체에 있어서, 질화 갈륨막의 두께에 따른 휨 정도를 나타낸 그래프이고,
도 2는 사파이어/질화갈륨 적층체를 제조하는 공정의 순서를 나타내는 블록도이고,
도 3은 본 발명에 따라 사파이어 기판 위에 형성된 육각형의 식각 트랜치 형상에 대한 3차원 간섭현미경 촬영 결과(a) 및 이차현미경 촬영 결과(b)를 나타낸 것이고,
도 4는 질화갈륨 박막이 성장된 사파이어 기판의 곡률반경 측정 방법을 보여주는 개략도이며,
도 5는 본 발명의 적층체 기판의 곡률반경과 종래의 적층체 기판의 곡률반경을 질화갈륨 박막의 두께에 따라 비교하여 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: (0001) 사파이어 기판 13: 질화갈륨 막
21: 적층체 중앙 부분의 높이 편차
22: 적층체 기판의 직경
41: 본 발명에 의한 적층체 기판의 곡률 반경 곡선
42: 종래 기술(비교예 2)에 의한 적층체 기판의 곡률 반경 곡선
43: 종래 기술(비교예 1)에 의한 적층체 기판의 곡률 반경 곡선
본 발명은 기존 제품에 비해 휨이 현저히 감소된 사파이어 기판/질화갈륨 적층체에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨 박막은, 상대적으로 온도가 낮은 분위기에서 사파이어 기판 상에 질화갈륨 막을 성장시킨 후 최종적으로 상대적으로 온도가 높은 분위기에서 질화갈륨 막의 성장을 완료함으로써 형성되고 있으나, 사파이어와 질화갈륨간의 격자상수 차이(약 16%) 및 열팽창계수 차이(약 35%)로 인해 사파이어 기판쪽으로 휨이 발생한다.
도 1은 이러한 종래의 방법에 따른, 사파이어/질화갈륨 박막 적층체의 두께에 따른 휨 정도를 나타낸 그래프이다. 도 1로부터 막 두께의 증가에 따라 휨 정도가 커져 곡률반경(curvature radius)이 감소함을 알 수 있다. 이러한 휨은 질화갈륨 박막이 성장된 기판 중심부와 주변 부위간의 결정성 차이를 유발시키게 되고, 이러한 기판을 이용하여 발광 다이오드 소자를 제작하는 경우 발광 파장이 기판 내에서 불균일하게 되는 문제를 발생시키게 된다. 최근 발광 다이오드 및 전자 소자용 하부기판으로 적용되고 있는 질화갈륨 막은 결함 밀도 감소 및 결정성 증가를 위해 막 두께의 증가가 요구되고 있으나, 이 경우 휨의 증가로 인해 동일 기판내 소자 품질의 균일도가 감소되고, 제품 수율이 급격히 감소되는 문제가 발생하고 있다.
따라서, 막 두께 증가에 따른 결함 밀도 감소와 결정성 향상, 전기적 신뢰성 증가를 통해 발광 소자 및 전자 소자의 특성을 향상시키기 위해서는, 질화갈륨 막의 두께가 증가하더라도 휨이 커지지 않고 유지되는 사파이어/질화갈륨 적층체가 요구되고 있다.
이와 관련하여, 미국 특허 제6,528,394호에서는 휨 발생을 유발하는 사파이어층과 질화갈륨층의 계면 응력을 감소시키기 위해, 질화갈륨 및 사파이어 기판 사이에 요철 구조의 질화알루미늄 층을 성장시켜 개재시키는 방법을 개시하였으며, 한국 특허출원 제2004-5585호에서는 상기 질화알루미늄 요철 구조의 크기 및 분포밀도 조절을 통해 얻은 휨이 감소된 사파이어/질화갈륨 적층체를 개시한 바 있다.
본 발명의 목적은, 기존 제품보다 휨 정도가 현저히 감소된 사파이어 기판/질화갈륨 박막 적층체 및 이의 제조방법을 제공하여, 최종 제품인 발광 다이오드 및 전자 소자의 특성 및 균일도를 향상시키고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 질화갈륨 막 두께(X)에 따른 곡률 반경 값(Y)의 함수 그래프가 하기 수학식 1을 만족하고 하기 수학식 1에서 상수 Y0가 6.23±1.15, A가 70.04±1.92, T가 1.59±0.12의 수일때 그려지는 함수 그래프와 일치하거나 그 우측에 위치하며, 사파이어 기판상에 식각 트렌치(trench) 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 사파이어/질화갈륨 적층체를 제공한다:
<수학식 1>
Figure 112005056690061-pat00002
상기 식에서, Y는 곡률반경(m)이고, X는 질화갈륨 막의 두께(㎛)이며, Y0, A 및 T는 양의 수이다.
또한, 본 발명에서는
(a) 사파이어 기판을 1차 질화처리하여 질화알루미늄의 결정을 형성하는 단계;
(b) 상기 기판을 염화수소(HCl) 가스로 식각하여 상기 질화알루미늄 결정과 동일한 형상의 식각 트랜치 구조를 기판 위에 형성하는 단계;
(c) 식각처리된 사파이어 기판을 2차 질화처리하여 질화알루미늄 요철 구조를 형성하는 단계; 및
(d) 질화처리된 사파이어 기판 위에 질화갈륨 막을 성장시키는 단계를 포함 하는, 사파이어/질화갈륨 적층체의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 사파이어/질화갈륨 적층체의 제조에 있어서, 사파이어 기판 위에 1차 질화처리 및 염화수소 처리에 의해 식각 트랜치(trench) 구조를 형성한 다음, 2차 질화처리 후 질화갈륨을 성장시킴으로써, 상기 수학식 1의 곡률반경 이상의 낮은 휨 특성을 갖는 사파이어/질화갈륨 적층체를 수득하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 사파이어/질화갈륨 단결정 적층체의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
먼저, 사파이어 기판을 가열하고(S1), 가열된 사파이어 기판 위에 900℃ 이상의 고온에서 암모니아 가스를 흘려주어 1차 질화처리한다(S2). 이러한 질화처리에 의해 사파이어 기판의 3족 원소인 알루미늄과 암모니아 가스의 질소 원자가 반응하여 질화알루미늄의 3족 질화물 결정이 형성된다.
이어서, 상기 사파이어 기판에 900℃ 이상에서 염화수소(HCl) 가스를 공급한다(S3). 공급된 염화수소에 의해, 앞서 형성된 질화알루미늄 결정 뿐만 아니라 그 하부의 사파이어 기판 표면까지 식각처리되어 육각형의 트랜치(trench) 구조가 형성된다. 도 3은 본 발명에 따라 형성된 식각 트랜치 구조의 표면을 3차원 간섭현미경(a) 및 이차전자현미경(b)으로 분석한 결과를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 염화수소 가스 처리 공정으로 형성되는 식각 트랜치 구조의 높이는 약 0.5㎛ 이하, 폭은 50 내지 60 ㎛ 범위, 트랜치 구조의 개수는 1㎜2 당 500 내지 900 개 범위가 적합하다. 이러한 트랜치 구조의 형성으로 인해 사파이어 기판 표면의 상대적인 면적이 증가하게 된다.
다음, 900℃ 이상에서 육각형의 식각 트랜치 구조가 형성된 사파이어 기판에 암모니아 및 염화수소의 혼합가스를 공급하여 2차 질화처리를 수행한다(S4). 상기 2차 질화처리 공정은 미국 특허 제6,528,394호에 공지된 방식을 적용한 것이나, 이전 단계에서 트랜치 구조의 형성으로 인해 사파이어 기판의 상대적인 표면적이 증가함에 따라 사파이어 기판상에 형성되는 질화알루미늄 요철 구조의 빈도수가 현저히 증가하여, 사파이어와 질화갈륨 막 사이에 발생되는 계면응력은 더욱 현저히 감소하게 된다. 본 발명에 따르면, 질화알루미늄 요철 구조의 높이는 약 150 nm 이하이고, 폭은 10 내지 100 nm 범위이며, 요철의 개수는 1㎛2 당 25 내지 500 개 범위이다.
2차 질화처리된 사파이어 기판 위에 질화갈륨 박막을 성장시킨 다음(S5), 냉각하는 단계(S6)를 거침으로써 사파이어/질화갈륨 적층체를 수득한다. 질화갈륨 막은 900℃ 이상, 바람직하게는 950 내지 1050℃에서 MOCVD(금속 유기화학증착) 또는 HVPE(수소화물 기상성장) 법으로 성장시킨다. 이때, 질화갈륨 막의 성장 두께는 수 ㎛ 이상이 바람직한데, 본 발명에 따른 곡률반경 값을 만족하는 질화갈륨 막의 두께는 0.5 내지 20 ㎛ 범위, 바람직하게는 10 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 냉각 단계는 상온에서 수행하며, 적층체는 냉각시에 위쪽으로 볼록한 형태의 휨이 발생하게 된다. 이러한 휨은 사파이어 기판과 질화갈륨의 열팽창 계수 차이(약 35%)에 의해 발생하는 것으로 상대적으로 열팽창계수가 큰 사파이어가 더 수축하게 되어 생기는 것이다.
이와 같이 제조된 본 발명의 사파이어/질화갈륨 적층체는 곡률반경 측정시 상기 수학식 1로 정의되는 곡률반경 값 이상의 범위를 갖는다.
또한, 본 발명에 따라 상기와 같이 휨 정도가 작은 사파이어/질화갈륨 적층체의 제조시에 질화갈륨 단결정 성장시간을 증가시켜 약 100㎛ 두께의 질화갈륨 단결정 막을 형성한 경우에는 상기 두께의 막을 통상적인 분리공법에 의해 사파이어 기판으로부터 분리하여 프리스탠딩(freestanding) 질화갈륨 단결정 막을 얻을 수 있다. 이렇게 하여 얻은 질화갈륨 기판은 기존의 기판에 비해 휨 정도가 작기 때문에 그 위에 GaN 단결정을 재성장(regrowth)시키기 위한 씨드(seed)용 기판으로 유용하게 사용될 수도 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명하며, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제공될 뿐 특허청구범위에 기재된 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
동일 크기인 지름 2 인치(inch) 및 두께 430㎛인 사파이어 기판(11) 위에, 2000 내지 4000 sccm의 암모니아 가스를 1 내지 1.5분 동안 주입하여 질화알루미늄 결정을 형성하고, 이어서 500 내지 1000 sccm의 염화수소 가스를 2 내지 3분 동안 주입하여 앞서 형성된 질화알루미늄 요철 및 상기 요철 아래의 사파이어 표면을 식각하여 육각형 트랜치 구조를 형성하였다.
이어서, 식각 처리된 사파이어 기판상에 암모니아와 염화수소를 12:1의 유량비로 주입하여 질화처리한 후 그 위에 질화갈륨 막을 950 내지 1050℃에서 HVPE법을 이용하여 성장시켰다. 이때, 질화갈륨 성장에 필요한 질소 성분(V족)으로 암모니아 가스를, 갈륨 성분(III족)으로 갈륨 금속과 염산 가스를 반응시켜 얻은 염화갈륨 가스를 공급하였으며 V족/III족 가스의 비율을 5 내지 10으로 하였다.
제조된 사파이어/질화갈륨 적층체에 대하여 질화갈륨 막 두께별 곡률반경을 도 4에 나타낸 바와 같이 측정하였다. 즉, 평평한 쟁반 위에 질화갈륨 막(13)이 성장된 사파이어 기판(11)을 볼록한 면이 위로 오도록 놓은 후, 상기 기판의 중앙 부분 두께를 측정하고 동일 기판을 뒤집어서 다시 중앙 부분의 두께를 측정하는 방법에 따라, 높이 편차(21, △H)를 측정한 후, 측정한 높이 편차(21, △H)와 기판의 직경(22, D=50mm)을 이용하여 기판 휨의 정량치인 곡률 반경(R)을 계산식 (R=D2/8ㅿH)에 의해 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112005056690061-pat00003
비교예 1
종래의 방법 중 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용하여 사파이어 기판상에 바로 질화갈륨 막을 성장시키는 방법으로 사파이어/질화갈륨 적층체(도 1에 도시된 바와 같은 적층체)를 수득한 후, 질화갈륨 막의 두께에 따른 곡률반경(R)을 실시예 1에서와 같은 방식으로 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112005056690061-pat00004
비교예 2
종래의 방법 중 한국 특허 출원 제2004-5585호에 개시된 방법에 따라, 사파이어 기판(11) 위에, 질화 처리시 HCl과 암모니아의 유량을 1:12로 하여 질화알루미늄 요철 구조를 형성하고 그 위에 질화갈륨 막을 성장시켜 사파이어/질화갈륨 적층체를 수득한 후, 질화갈륨 막의 두께에 따른 곡률반경(R)을 실시예 1에서와 같은 방식으로 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure 112005056690061-pat00005
상기 표 1 내지 3을 비교해보면, 본 발명에 따른 실시예 1의 사파이어/질화갈륨 적층체는 균등한 범위의 두께에서, 트랜치 구조 및 질화알루미늄 요철의 형성없이 제조된 비교예 1의 적층체에 비해서는 곡률반경이 3배 이상, 트랜치 구조의 형성 없이 제조된 비교예 2의 적층체에 비해서는 곡률반경이 30% 이상 증가된, 즉 휨이 크게 감소된 것임을 알 수 있다.
상기 실시예, 비교예 1 및 2에 따른 휨 측정 결과를 도 5에 그래프로서 도시하였다. 도 5에서, 실시예에 따른 적층체 기판의 곡률반경값이 곡선(41)이고, 비교예 1 및 2에 따른 곡률반경 값이 각각 곡선(43) 및 곡선(42)이다. 본 발명에 따른 사파이어/질화갈륨 적층체의 곡률반경 곡선(41)은 상술한 수학식 1에서 상수 Y0가 6.23±1.15, A가 70.04±1.92, T가 1.59±0.12의 수이고, 비교예 2의 경우(42)는 Y0가 5.44±0.55, A가 72.52±0.74, T가 1.15±0.04의 수이며, 비교예 1의 경우(43)는 Y0가 5.47±0.34, A가 24.13±0.50, T가 0.56±0.04 정도로서 본 발명 보다 작은 곡률반경을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 사파이어 기판 위에 트랜치 구조 형성 및 질화처리 수행 후 단결정을 성장시킴으로써 휨이 현저히 개선되어 곡률반경 값이 특정 수식을 만족하는 사파이어/질화갈륨 적층체를 제공할 수 있으며, 이러한 적층체의 휨 감소는 최종 제품인 발광 다이오드 및 전자 소자의 특성 및 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (a) 사파이어 기판을 1차 질화처리하여 질화알루미늄의 결정을 형성하는 단계;
    (b) 상기 기판을 염화수소(HCl) 가스로 식각하여 상기 질화알루미늄 결정과 동일한 형상의 식각 트랜치 구조를 기판 위에 형성하는 단계;
    (c) 식각처리된 사파이어 기판을 2차 질화처리하여 질화알루미늄 요철 구조를 형성하는 단계; 및
    (d) 질화처리된 사파이어 기판 위에 질화갈륨 막을 성장시키는 단계를 포함하는, 사파이어/질화갈륨 적층체의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    1차 질화처리 공정이 암모니아 가스 분위기하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    2차 질화처리 공정이 암모니아 및 염화수소의 혼합가스 분위기하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    식각 트랜치 구조가 0.5㎛ 이하의 높이, 50 내지 60 ㎛ 범위의 폭 및 1㎜2 당 500 내지 900 개 범위의 빈도수를 가진 구조임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    2차 질화처리 후 형성된 3족 질화물 요철 구조가 150 nm 이하의 높이, 10 내지 100 nm 범위의 폭 및 1㎛2 당 25 내지 500 개 범위의 요철 빈도수를 가진 구조임을 특징으로 하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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