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KR101386007B1 - Method for forming a gallium nitride material smiconductor substrate and substrate structure for gallium nitride material smiconductor substrate - Google Patents

Method for forming a gallium nitride material smiconductor substrate and substrate structure for gallium nitride material smiconductor substrate Download PDF

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KR101386007B1
KR101386007B1 KR1020120125878A KR20120125878A KR101386007B1 KR 101386007 B1 KR101386007 B1 KR 101386007B1 KR 1020120125878 A KR1020120125878 A KR 1020120125878A KR 20120125878 A KR20120125878 A KR 20120125878A KR 101386007 B1 KR101386007 B1 KR 101386007B1
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gallium nitride
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metal
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Inventor
황종희
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한국세라믹기술원
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Abstract

The present invention relates to a method for forming a gallium nitride-based semiconductor substrate and a substrate structure for the gallium nitride-based semiconductor substrate. The present invention relates to a method for forming a gallium nitride-based semiconductor substrate which obtains a high quality gallium nitride (GaN) semiconductor substrate by forming a nitride metal layer of a nanocolumn shape, forming a seed layer grown at low temperatures, and forming a high temperature gallium nitride-based semiconductor layer, and a substrate structure for the gallium nitride-based semiconductor substrate.

Description

질화갈륨계 반도체기판의 형성방법 및 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체{Method for forming a gallium nitride material smiconductor substrate and substrate structure for gallium nitride material smiconductor substrate}Method for forming a gallium nitride material smiconductor substrate and substrate structure for gallium nitride material smiconductor substrate}

본 발명은 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법 및 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공정이 단순화된 고 품질의 질화물 반도체용 GaN 기판을 제공할 수 있는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법 및 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for forming a gallium nitride-based semiconductor substrate and a substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate, and more particularly, a gallium nitride-based semiconductor capable of providing a high quality GaN substrate for nitride semiconductor with a simplified process. A method of forming a substrate and a substrate structure for a gallium nitride based semiconductor substrate.

화합물 반도체를 이용하는 발광소자, 그 중에서도 특히 질화물(GaN, AlN, InN) 반도체 계열의 발광소자에 관한 많은 연구개발이 이루어지고 있으며, 발광다이오드(LED; light emitting diode), 레이저 다이오드(LD; laser diode), 평판디스플레이용 백라이트(BLU) 등과 같은 많은 발광소자 제품이 개발되어 이미 상용화가 이루어진 상태이다. Many researches and developments have been made on light emitting devices using compound semiconductors, especially light emitting devices based on nitride (GaN, AlN, InN) semiconductors, and include light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). ) And many light emitting device products such as flat panel backlight (BLU) have been developed and commercialized.

지금까지 개발되어 상용화된 질화물 반도체를 이용한 발광소자에서는 실제로 사용되는 질화물 반도체 성장용 기판은 사파이어이고, 단결정 사파이어 기판 위에 금속유기기상에피택시(MOCVD; metal organic vapor phase epitaxy)에 의해 질화갈륨(GaN)을 에피택셜성장하는 방법이 통상 사용되고 있다. 이러한 상기 사파이어 기판 위에 성장된 질화갈륨(GaN) 기판을 그대로 사용되기도 하지만, 질화갈륨(GaN) 기판만을 질화물 반도체의 최종 기판으로 사용하기 위해서는 질화물 반도체 성장용 기판인 사파이어를 질화물 반도체의 최종 기판 질화갈륨(GaN)으로부터 분리하여 제거시킨다. In the light emitting device using a nitride semiconductor developed and commercialized so far, the nitride semiconductor growth substrate actually used is sapphire, and gallium nitride (GaN) is deposited on a single crystal sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD). Epitaxial growth is commonly used. Although the gallium nitride (GaN) substrate grown on the sapphire substrate may be used as it is, in order to use only the gallium nitride (GaN) substrate as the final substrate of the nitride semiconductor, sapphire, which is a substrate for growing the nitride semiconductor, is used as a final substrate of the nitride semiconductor gallium nitride. Remove from (GaN) and remove.

상기 사파이어 기판으로부터 분리된 질화갈륨(GaN) 기판은 열적, 화학적 안정성을 가지고 있기 때문에 동종 기판의 사용으로 결함의 저감을 달성할 수 있어 신뢰성을 높이고 고효율의 제품을 만드는데 소수 이용되고 있다. 특히, 청색 및 블루 레이저 다이오드에서의 질화갈륨(GaN) 기판 사용은 특정 파장의 안정적인 확보를 위하여 필수적이라고 볼 수 있다. Since the gallium nitride (GaN) substrate separated from the sapphire substrate has thermal and chemical stability, it is possible to achieve a reduction of defects by using a homogeneous substrate, and thus a small number of gallium nitride (GaN) substrates are used to increase reliability and to make products with high efficiency. In particular, the use of gallium nitride (GaN) substrate in the blue and blue laser diode can be seen as essential for the stable securing of a specific wavelength.

일반적으로, 상기 질화갈륨(GaN) 기판은 Amono method, High pressure, Na flux, 기상 증착법 등 여러 가지 방법에 의하여 제작되고 있는데, 그 중에서, 상기의 Amono method, High pressure, Na flux와 같은 방법들은 순수한 벌크(bulk) 질화갈륨(GaN)을 형성할 수 있는 장점들이 있고, 상기의 기상 증착법, 특히, HVPE(Hydride vapor phase epitaxy) 장비를 이용하는 기상 증착법은 높은 성장율(〈1000㎛/day)을 갖는 장점이 있다. In general, the gallium nitride (GaN) substrate is manufactured by various methods such as Amono method, High pressure, Na flux, vapor deposition method, among them, such as Amono method, High pressure, Na flux is pure There are advantages in that bulk gallium nitride (GaN) can be formed, and the above vapor deposition method, in particular, vapor deposition method using HVPE (Hydride vapor phase epitaxy) equipment has a high growth rate (<1000 µm / day). There is this.

그런데, 상기의 Amono method, High pressure, Na flux와 같은 방법들은 높은 압력(300atm 이상)이 요구되어 대구경의 벌크 질화갈륨(GaN)을 쉽게 형성할 수 없다는 단점과 낮은 성장율(100㎛/day 정도)을 제공하는 특성으로 소자의 제조 단가를 매우 높이게 한다는 단점을 지니고 있고, 상기의 HVPE 장비를 이용하는 기상 증착법은 성장용 기판의 크기에 비례하여 대구경화가 용이하고, 높은 성장률로 저가의 기판 제조가 가능하지만, 사파이어 기판과 질화갈륨(GaN) 간의 높은 열팽창계수 차이에 의하여 성장 후 냉각 중에 크랙(crack)이 발생하여 수율 저하를 가져온다는 단점이 있다. However, the above methods such as Amono method, High pressure and Na flux require high pressure (more than 300atm) and cannot easily form large-diameter bulk gallium nitride (GaN) and low growth rate (about 100㎛ / day). It has the disadvantage of making the manufacturing cost of the device very high due to the property to provide, vapor deposition method using the HVPE equipment is easy to large diameter in proportion to the size of the growth substrate, it is possible to manufacture a low-cost substrate at a high growth rate However, due to a high thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate and gallium nitride (GaN), there is a disadvantage in that cracks are generated during cooling after growth, resulting in a decrease in yield.

한편, 이러한 기상 증착법의 문제점들을 해결하기 위하여 현재에 가장 많이 제안되고 있는 방법을 크게 두 가지로 나뉠 수 있으며, 첫 번째는 쉽게 분해되는 이종의 기판을 사용하여 수백 마이크로 이상으로 질화갈륨(GaN)을 성장시킨 후, 이종의 기판을 화학적 에칭으로 제거하는 방법이 있고, 두 번째는 이종의 기판 위에 수백 마이크로의 질화갈륨(GaN)을 성장시킨 후 LLO(Laser lift off) 공정에 의하여 이종의 기판과 질화갈륨(GaN)을 분리한 후 분리된 질화갈륨(GaN) 기판 위에 GaN를 재성장하여 원하는 두께의 GaN 기판을 형성하는 공정이 있다(Journal of Applied physics, Vol89, Number3 및 미국공개특허 US20050247950 A1).On the other hand, in order to solve the problems of the vapor deposition method can be largely divided into the two currently proposed methods, the first is using a heterogeneous substrate that is easily decomposed gallium nitride (GaN) to hundreds of micro or more After the growth, there is a method of removing the heterogeneous substrate by chemical etching, and the second method is to grow several hundred microns of gallium nitride (GaN) on the heterogeneous substrate and then nitride the heterogeneous substrate by the laser lift off (LLO) process. After the separation of gallium (GaN), there is a process of forming GaN substrate of desired thickness by regrowing GaN on the separated gallium nitride (GaN) substrate (Journal of Applied physics, Vol89, Number 3 and US Patent Publication US20050247950 A1).

그러나, 상기의 첫 번째 제안 방법은 이종의 기판이 높은 온도에서 분해가 되어 벌크 질화갈륨(GaN) 성장에 오염원으로 작용하는 문제점이 있고, 상기의 두 번째 제안 방법은 이종의 기판과 질화갈륨(GaN)을 분리하는 공정의 추가에 의한 수율 문제와 LLO 공정을 적용하기 위하여 사전 공정을 거쳐야 하는 문제, 그리고, 재성장시 상대적으로 얇아 깨지기 쉬운 질화갈륨(GaN) 기판을 다뤄야 하는 문제점들이 있다.
However, the first proposed method has a problem in that dissimilar substrates are decomposed at high temperatures and act as a contaminant for bulk gallium nitride (GaN) growth, and the second proposed method is heterogeneous substrates and gallium nitride (GaN). ), There is a problem of yield due to the addition of the step of separating), a problem of having to go through a pre-process to apply the LLO process, and a problem of dealing with a relatively thin and fragile gallium nitride (GaN) substrate during regrowth.

따라서, 당 기술분야에서는 상기와 같은 문제점을 방지하면서 높은 수율을 보이며, 저가의 질화갈륨(GaN) 기판을 제공할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
Therefore, there is a need in the art for a new method that can provide a low-cost gallium nitride (GaN) substrate while showing a high yield while preventing the above problems.

본 발명은 질화물 반도체용 GaN 기판의 제조시 공정의 단순화를 얻을 수 있는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법 및 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a gallium nitride-based semiconductor substrate and a substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate that can simplify the process of manufacturing a GaN substrate for a nitride semiconductor.

또한 본 발명은 고 품질의 질화물 반도체용 GaN 기판을 얻을 수 있는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법 및 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체를 제공함에 그 다른 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for forming a gallium nitride based semiconductor substrate capable of obtaining a high quality GaN substrate for a nitride semiconductor and a substrate structure for a gallium nitride based semiconductor substrate.

본 발명은 성장기판 상부에 금속막을 증착하는 제1단계; 상기 금속막에 1차 열처리하여 상기 금속막을 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층으로 형성하는 제2단계; 상기 금속층이 매립되도록 저온의 씨드층을 형성하는 제3단계; 상기 씨드층 상부에 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 제4단계; 및 상기 질화갈륨계 반도체층을 상기 성장기판으로부터 자연 분리시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention comprises a first step of depositing a metal film on the growth substrate; Performing a first heat treatment on the metal film to form the metal film as a metal layer having regular and discontinuity; A third step of forming a low temperature seed layer so that the metal layer is buried; Forming a gallium nitride based semiconductor layer on the seed layer; And a fifth step of naturally separating the gallium nitride based semiconductor layer from the growth substrate.

상기 성장기판은 사파이어 기판이고, The growth substrate is a sapphire substrate,

상기 금속막은 5∼50㎚ 두께로 형성하고, The metal film is formed to a thickness of 5-50 nm,

상기 금속막은 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함하고, The metal film includes any one metal of Ni, Au, Cr, and Co,

상기 금속막은 열기상증착법(Thermal evaporation), 전자-빔(E-beam) 및 스퍼터(sputter) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성하고, The metal film is formed by any one of thermal evaporation, E-beam and sputter methods.

상기 1차 열처리는 600∼1200℃ 온도에서 5∼20분 동안 수행하고, The first heat treatment is performed for 5 to 20 minutes at 600 to 1200 ℃ temperature,

상기 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층은 원통형 또는 반구형의 도트 형상이고, The regular and discontinuous metal layer has a cylindrical or hemispherical dot shape,

상기 제2단계는 상기 금속층에 질화처리하여 상기 금속층을 질화금속층으로 개질하는 제2-1단계;를 더 포함하고, The second step further includes a step 2-1 of nitriding the metal layer to modify the metal layer into a metal nitride layer.

상기 질화처리는 700∼1100℃에서 5∼10분 동안 수행하고, The nitriding treatment is carried out at 700 to 1100 ° C. for 5 to 10 minutes,

상기 질화금속층은 나노 컬럼 형상이고, The metal nitride layer is a nano column shape,

상기 씨드층은 질화갈륨계 반도체층 물질로 형성하고, The seed layer is formed of a gallium nitride-based semiconductor layer material,

상기 씨드층은 450∼750℃에서 5∼10분 동안 성장시켜 형성하고, The seed layer is formed by growing for 5 to 10 minutes at 450 ~ 750 ℃,

상기 씨드층은 100∼3000㎚ 두께로 형성하고, The seed layer is formed to a thickness of 100 ~ 3000nm,

상기 씨드층은 상기 금속층 사이를 매립하고 상부는 평탄면을 갖고, The seed layer is buried between the metal layer and the top has a flat surface,

상기 제4단계는 상기 씨드층에 2차 열처리를 수행하는 제4-1단계;를 더 포함하고, The fourth step further includes a step 4-1 of performing a second heat treatment on the seed layer.

상기 2차 열처리는 1000∼1100℃에서 10∼30분 동안 수행하고, The secondary heat treatment is performed for 10 to 30 minutes at 1000 ~ 1100 ℃,

상기 2차 열처리에 의하여 상기 금속층과 씨드층 사이에 보이드가 형성하고, A void is formed between the metal layer and the seed layer by the secondary heat treatment,

상기 질화갈륨계 반도체층은 1000∼1100℃에서 에피 측면 과성장(ELOG) 방법으로 형성하고, The gallium nitride-based semiconductor layer is formed by epi side overgrowth (ELOG) method at 1000 ~ 1100 ℃,

상기 질화갈륨계 반도체층은 200㎛ 이상의 두께로 형성하고, The gallium nitride-based semiconductor layer is formed to a thickness of 200㎛ or more,

상기 제 2 단계 내지 제 4 단계는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 장비 내에서 인-시튜(in-situ)로 수행한다. The second to fourth steps are performed in-situ in a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) equipment.

또한, 본 발명은 성장기판; 상기 성장기판 상부에 규칙적이면서 불연속적으로 형성된 질화금속층; 상기 질화금속층을 매립하도록 저온 성장된 씨드층; 및 상기 씨드층 상부에 형성된 질화갈륨계 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention is a growth substrate; A metal nitride layer formed regularly and discontinuously on the growth substrate; A seed layer grown at low temperature so as to fill the metal nitride layer; And a gallium nitride-based semiconductor layer formed on the seed layer.

상기 성장기판은 사파이어 기판이고, The growth substrate is a sapphire substrate,

상기 질화금속층은 나노 컬럼 형상이고, The metal nitride layer is a nano column shape,

상기 질화금속층은 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함하고, The metal nitride layer includes any one metal of Ni, Au, Cr, and Co,

상기 씨드층은 질화갈륨계 반도체층이고, The seed layer is a gallium nitride-based semiconductor layer,

상기 씨드층은 100∼3000㎚ 두께로 형성되고, The seed layer is formed to a thickness of 100 ~ 3000nm,

상기 씨드층과 질화금속층 사이에는 보이드가 형성되고, A void is formed between the seed layer and the metal nitride layer.

상기 질화갈륨계 반도체층은 에피 측면 과성장(ELOG)으로 형성되고, The gallium nitride based semiconductor layer is formed by epi side overgrowth (ELOG),

상기 질화갈륨계 반도체층은 200㎛ 이상의 두께로 형성된다. The gallium nitride-based semiconductor layer is formed to a thickness of 200㎛ or more.

게다가, 본 발명은 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항의 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법에 의하여 형성된 질화갈륨계 반도체 기판용 기판 구조체를 특징으로 한다.
In addition, the present invention features a substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate formed by the method for forming a gallium nitride-based semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 20.

본 발명에 의하면 질화처리된 질화금속층의 형성으로 Ni과 같은 금속의 반응성을 억제하면서 GaN를 성장시킬 수 있게 되어, 고 품질의 GaN 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, by forming the nitrided metal nitride layer, GaN can be grown while suppressing the reactivity of a metal such as Ni, thereby producing a high quality GaN thin film.

또한, 본 발명에 의하면 질화금속층 및 저온에서 성장된 씨드층 사이에 형성된 보이드에 의해 질화갈륨계 반도체층을 용이하게 자연 분리시킴으로써, 공정의 단순화를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the gallium nitride-based semiconductor layer is easily separated by the void formed between the metal nitride layer and the seed layer grown at low temperature, so that the process can be simplified.

게다가, 본 발명에 의하면 저온에서 성장된 씨드층 상부에 에피 측면 과성장으로 GaN 박막을 형성시킴으로써, 스트레스 완화된 질화갈륨계 반도체층, 그리고 고 품질의 질화갈륨계 반도체층을 얻을 수 있는 효과가 있다.
Furthermore, according to the present invention, a GaN thin film is formed by epi lateral overgrowth on the seed layer grown at low temperature, thereby providing a stress-relieved gallium nitride semiconductor layer and a high quality gallium nitride semiconductor layer. .

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법을 나타낸 공정별 도면.1A to 1G are process-specific views illustrating a method of forming a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 대해 상세히 설명하도록 한다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are given to the same components.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법을 나타낸 공정별 도면이다.1A to 1G are diagrams illustrating processes for forming a gallium nitride based semiconductor substrate according to the present invention.

도 1a를 참조하면, 사파이어 기판인 성장기판(100) 상부에 금속막(110)을 증착하는 제1단계를 수행한다. Referring to FIG. 1A, a first step of depositing a metal layer 110 on a growth substrate 100, which is a sapphire substrate, is performed.

상기 제1단계에 대해 부연 설명하면, 상기 금속막(110)은 열기상증착법(Thermal evaporation), 전자-빔(E-beam) 및 스퍼터(sputter) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다. In detail, the metal layer 110 may be formed by any one of thermal evaporation, an electron beam, and a sputter method.

그리고, 본 발명에 따른 금속막(110)은 열처리 등의 후속 처리에 의해 최종적으로 성장기판(100) 상부에 나노 컬럼(nano column) 형상으로 형성되도록 600∼1200℃ 범위의 온도에서 액상으로 충분한 시간 동안 유지할 수 있고, 상기의 온도에서 연속된 막이 액상의 표면 장력에 의해 막의 형태가 변할 수 있는 물질로 형성하여야 한다. 저융점 금속 중에 Ga 또는 In 금속 같은 경우에는 일정 온도 이상에서 막의 형상은 변하지만 상기의 온도에서 일정 시간 유지시 휘발되어 성장기판 상에 남아있지 않게 되므로, 그 형성 물질로는 좋지 않다.In addition, the metal film 110 according to the present invention has a sufficient time in a liquid phase at a temperature in the range of 600 to 1200 ° C. so as to be finally formed in a nano column shape on the growth substrate 100 by a subsequent treatment such as heat treatment. Can be maintained, and the continuous film at this temperature should be formed of a material whose shape can be changed by the surface tension of the liquid phase. In the case of the low melting point metal, such as Ga or In metal, the shape of the film changes at a predetermined temperature or more, but volatilizes and does not remain on the growth substrate when maintained at the above temperature for a predetermined time.

그리고, 본 발명에 따른 금속막(110)은 질소를 함유한 화합물 가스에 노출시 분체 또는 세라믹 파우더를 형성함이 적은 물질로 형성하여야 하는데, Al 또는 W 금속 같은 경우에는 암모니아와 만나 세라믹 파우더를 형성하여 GaN 성장을 저하시키므로, 그 형성 물질로는 좋지 않다.In addition, the metal film 110 according to the present invention should be formed of a material which is less likely to form powder or ceramic powder when exposed to a compound gas containing nitrogen. In the case of Al or W metal, the metal film 110 meets ammonia to form a ceramic powder. As a result, GaN growth is lowered, which is not good as the forming material.

이러한 상황을 볼 때, 본 발명에서 사용할 수 있는 금속막은 바람직하게는 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함한 물질로 형성할 수 있다. In view of such a situation, the metal film that can be used in the present invention may be preferably formed of a material containing any one metal of Ni, Au, Cr, and Co.

상기 금속막(110)은 5∼50㎚ 두께로 형성할 수 있으며, 상기 금속막(110)이 상기의 범위 보다 낮은 두께로 형성하는 경우에는 열처리 공정 중 고온에서 금속막이 없어지게 되어 나노 컬럼 형상의 금속층을 확보하지 못하게 되고, 상기의 범위 보다 높은 두께로 형성하는 경우에는 최종적인 결과물(나노 컬럼 형상의 금속층)의 형성이 어렵게 된다.
The metal film 110 may be formed to have a thickness of 5 to 50 nm, and when the metal film 110 is formed to a thickness lower than the above range, the metal film may be removed at a high temperature during the heat treatment process, thereby forming a nano-column shape. When the metal layer is not secured and formed to a thickness higher than the above range, it is difficult to form the final result (nano columnar metal layer).

도 1b를 참조하면, 상기 금속막(110)이 형성된 성장기판(100)을 HVPE 장비(미도시) 내에 장입시킨 후, 상기 금속막(110)에 1차 열처리하여 상기 금속막을 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층(111)으로 형성하는 제2단계를 수행한다. 한편, 본 발명에서는 HVPE 장비에 대해 한정하지 않고 질화갈륨계 반도체층을 형성할 수 있는 MOCVD(Metal-organic chemical vapor deposition), MBE(Molecular beam epitaxy) 장비를 이용하는 것도 가능하다.Referring to FIG. 1B, the growth substrate 100 on which the metal film 110 is formed is charged into an HVPE device (not shown), and then heat-treated to the metal film 110 to have a regular and discontinuity. A second step of forming the metal layer 111 is performed. Meanwhile, in the present invention, a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or a molecular beam epitaxy (MBE) device capable of forming a gallium nitride-based semiconductor layer is not limited to the HVPE device.

상기 제2단계에 대해 부연 설명하면, 상기 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함하는 연속적인 금속막(110)은 상기 1차 열처리에 의하여 규칙적이고 불연속성을 갖는 금속층(111)으로 형성하게 되고, 이러한 금속층(111)은 원통형 또는 반구형의 도트(dot) 형상을 갖게 된다. The second step will be described in detail. The continuous metal film 110 including any one of Ni, Au, Cr, and Co may be a metal layer 111 having regular and discontinuity by the first heat treatment. The metal layer 111 has a cylindrical shape or a hemispherical dot shape.

상기 1차 열처리는 600∼1200℃ 온도에서 5∼20분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 1차 열처리를 상기의 온도 범위 보다 낮은 온도 범위에서 수행하는 경우, 금속층이 융해가 되지 않아 불연속적인 금속층으로 형성될 수가 없고, 상기의 온도 범위 보다 높은 온도 범위에서 수행하는 경우, 금속이 일정 부분 휘발되므로 잔존하는 금속층이 없어지게 된다.
The first heat treatment is preferably performed for 5 to 20 minutes at 600 ~ 1200 ℃ temperature. When the first heat treatment is performed at a temperature range lower than the above temperature range, the metal layer is not melted and cannot be formed as a discontinuous metal layer. When the first heat treatment is performed at a temperature range higher than the above temperature range, the metal is partially The volatilization causes the remaining metal layer to disappear.

도 1c를 참조하면, HVPE 장비 내에서 인-시튜(in-situ)로 상기 금속층(111)에 질화처리하여 상기 금속층을 질화금속층(112)으로 개질하는 제3단계를 수행한다.Referring to FIG. 1C, a third step of performing nitriding on the metal layer 111 in-situ in the HVPE equipment to modify the metal layer to the metal nitride layer 112 is performed.

상기 제3단계에 대해 부연 설명하면, 상기 원통형 또는 반구형의 도트 형상으로 이루어진 금속층(111) 부분은, 상기 질화처리에 의하여 더욱 치밀화되어 서로 간의 간격은 더 넓어진 나노 컬럼 형상의 질화금속층(112)으로 형성하게 된다. The third step will be described in detail. The portion of the metal layer 111 having a cylindrical or hemispherical dot shape is further densified by the nitriding treatment, and thus the metal column 111 having the nanocolumn shape 112 having a wider space therebetween. To form.

이러한 상기 나노 컬럼 형상의 질화금속층(112)은 후속의 씨드층 및 질화갈륨계 반도체층의 형성을 유리하게 만들고, 질화물 반도체의 최종 기판인 GaN 기판의 자연 분리 효과를 극대화 시키는 역할을 하게 된다. 따라서 이러한 효과를 내기 위하여는 암모니아 가스와 금속층이 반응할 수 있도록 700∼1100℃ 온도에서 5∼10분 동안 질화처리를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 질화처리를 상기의 범위 보다 낮은 범위에서 수행하는 경우, 충분한 질화처리가 이루어지지 않아서 소망하는 크기 및 간격이 확보된 나노 컬럼의 질화금속층을 얻을 수가 없고, 상기의 범위 보다 높은 범위에서 수행하는 경우, 고온의 의한 휘발과 오버(over) 질화처리에 의해 역시 소망하는 나노 컬럼의 질화금속층을 얻을 수 없게 된다. The nano columnar metal nitride layer 112 facilitates the formation of subsequent seed layers and gallium nitride-based semiconductor layers, and serves to maximize the natural separation effect of the GaN substrate, which is the final substrate of the nitride semiconductor. Therefore, in order to achieve such an effect, it is preferable to perform nitriding for 5 to 10 minutes at a temperature of 700 to 1100 ° C. so that the ammonia gas and the metal layer can react. In the case where the nitriding treatment is performed in a range lower than the above range, sufficient nitriding treatment is not performed, so that the metal nitride layer of the nanocolumns having a desired size and spacing cannot be obtained, and the nitriding treatment is performed in a range higher than the above range. Due to the high temperature volatilization and over nitriding, the desired nanocolumn metal nitride layer is also not obtained.

일반적으로, Ni과 같은 금속은 반응성으로 인하여 사파이어 기판 상부에서 GaN의 성장이 적용되지 않으나, 본 발명에서는 Ni과 같은 금속막을 열 처리 및 질화처리하여 나노 컬럼 형상의 질화금속층으로 개질시킨 후, 이러한 질화금속층 상부에 후속의 GaN의 성장을 이루도록 하였으므로, 이러한 공정에 의해 Ni 금속의 반응성은 억제되고, 고 품질의 GaN 성장이 가능하다.
In general, metals such as Ni are not applied to the growth of GaN on the sapphire substrate due to reactivity, but in the present invention, the metal film such as Ni is thermally treated and nitrided to be modified into a nano-column metal nitride layer. Since GaN is subsequently grown on the metal layer, the reactivity of the Ni metal is suppressed by this process, and high quality GaN growth is possible.

도 1d를 참조하면, HVPE 장비 내에서 인-시튜로 상기 질화금속층(112)이 매립되도록 저온의 씨드층(seed layer, 120)을 형성하는 제4단계를 수행한다.Referring to FIG. 1D, a fourth step of forming a seed layer 120 having a low temperature such that the metal nitride layer 112 is embedded in-situ in HVPE equipment is performed.

상기 제4단계에 대해 부연 설명하면, 상기 씨드층(120)은 HVPE 성장법으로 상기 나노 컬럼의 질화금속층(112) 사이를 매립하고 상부는 평탄면을 갖는 형상을 갖는 질화갈륨계 반도체층, 바람직하게 질화갈륨(GaN) 반도체층으로 형성할 수 있는데, 이러한 상기 씨드층(120)은 질화물 박막의 결정 성장을 위한 분위기에서 상기 질화금속층(112)을 보호할 수 있을 뿐만 아니라 상기 씨드층(120) 상부에 형성되는 반도체층의 에피 성장이 용이하게 이루어지도록 해준다. In detail, the seed layer 120 may be intercalated between the metal nitride layers 112 of the nanocolumns by HVPE growth, and the gallium nitride based semiconductor layer may have a flat surface. The gallium nitride (GaN) semiconductor layer may be formed. The seed layer 120 may not only protect the metal nitride layer 112 in an atmosphere for crystal growth of the nitride thin film, but also the seed layer 120. It is to facilitate the epi growth of the semiconductor layer formed on the top.

상기 씨드층(120)과 같은 질화갈륨계 반도체층을 형성할 수 있는 HVPE 성장법은 수십∼수백 ㎛/h로써 GaN 단결정 성장이 가능하고, 또한 사용하는 원료가 싸서 제품의 제조원가를 낮출 수 있는 등 생산성이 매우 뛰어난 장점을 가진 방법으로, Ga과 N의 전구체(precursor)들의 기상 이동(Vapor transport)과 반응에 의한 비평형 성장 방법으로 Ga 금속과 HCl을 반응하여 GaCl 기체를 만든 후 약 1000℃에서 NH3 가스와 반응시켜서 사파이어 기판 상부에 GaN 단결정을 성장시키는 방법으로 진행된다. The HVPE growth method capable of forming a gallium nitride based semiconductor layer such as the seed layer 120 is capable of growing GaN single crystals of several tens to hundreds of micrometers / h, and lowers the manufacturing cost of the product due to the low cost of raw materials used. As a method of productivity, it is a non-equilibrium growth method by vapor transport and reaction of precursors of Ga and N to form GaCl gas by reacting Ga metal and HCl at about 1000 ° C. Reaction with NH 3 gas causes the GaN single crystal to grow on the sapphire substrate.

상기 씨드층(120)은 450∼750℃의 저온에서 5∼10분 동안 성장시켜 100∼3000㎚ 두께로 형성할 수 있다. 상기 씨드층(120)을 상기의 온도 범위 보다 낮은 온도 범위에서 수행하는 경우, 씨드층의 성장이 어렵게 되고, 상기의 온도 범위 보다 높은 온도 범위에서 수행하는 경우, 씨드형(seed type)의 질화갈륨(GaN)이 아닌 폴리형(poly type)의 질화갈륨(GaN)으로 성장하게 되고, 온도의 제어도 필요하게 된다.
The seed layer 120 may be grown at a low temperature of 450 to 750 ° C. for 5 to 10 minutes to form a thickness of 100 to 3000 nm. When the seed layer 120 is performed at a temperature range lower than the temperature range, growth of the seed layer becomes difficult, and when the seed layer is performed at a temperature range higher than the temperature range, a seed type gallium nitride It grows to poly type gallium nitride (GaN) rather than (GaN), and temperature control is also needed.

도 1e를 참조하면, HVPE 장비 내에서 인-시튜로 상기 씨드층(120)에 2차 열처리를 수행하는 제5단계를 수행한다.Referring to FIG. 1E, a fifth step of performing a second heat treatment on the seed layer 120 in-situ in HVPE equipment is performed.

상기 제5단계에 대해 부연 설명하면, 상기 2차 열처리는 고온에서 진행되며, 바람직하게는 씨드층(120)을 1000∼1100℃ 온도에서 10∼30분 동안 유지시켜 수행한다. In detail, the fifth step is performed at a high temperature, and preferably, the seed layer 120 is maintained at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes.

이때, 상기 고온의 2차 열처리에 의하여 박막에서 분자 또는 격자의 재배열이 이루어지면서 저온 성장된 씨드층의 결정성이 향상되고 동시에 상기 질화금속층(112)과 씨드층(120) 사이에 보이드(130)가 형성하게 되는데, 이러한 보이드(130)는 후속의 질화물 반도체의 기판인 GaN 기판의 자연 분리를 효과적으로 이루게 해준다.
At this time, the crystallinity of the seed layer grown at low temperature is improved while rearranging molecules or lattice in the thin film by the high temperature secondary heat treatment, and at the same time, the void 130 between the metal nitride layer 112 and the seed layer 120 is formed. The voids 130 effectively form a natural separation of the GaN substrate, which is the substrate of the subsequent nitride semiconductor.

일반적으로 GaN 기판을 사용하는 질화물 반도체기판의 제조시 금속과 HCl의 높은 반응성을 억제하면서 GaN 박막 내에 보이드를 형성하기 위한 여러 가지 방법들이 시도될 수 있는데, 그 중 하나의 방법으로 사파이어 기판 상부에 몇 차례 공정을 거쳐 금속막이 개재된 적층의 질화갈륨(GaN) 박막을 형성시킨 후에 상기 GaN 박막에 보이드를 형성하여, 냉각 중에 사파이어 기판과 벌크 질화갈륨(GaN)의 높은 열팽창계수 차이 및 보이드에 의해 사파이어 기판을 자동 분리시키는 것을 고려할 수 있다. In general, in manufacturing a nitride semiconductor substrate using a GaN substrate, various methods for forming voids in a GaN thin film while suppressing high reactivity of metals and HCl may be attempted. After forming a gallium nitride (GaN) thin film with a metal film interposed therebetween, a void is formed in the GaN thin film, and a high thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate and bulk gallium nitride (GaN) during cooling and sapphire due to voids Automatic separation of the substrate may be considered.

그러나, 상기의 방법은 GaN 박막 내의 보이드를 얻기 위하여 반응성이 큰 수소 가스를 사용해서 식각을 충분히 해야하는 공정이 필요하고, 또한 금속막 아래 부분(GaN 박막)까지 수소 가스로 식각을 해야 한다는 단점 및 강제적인 방법에 의하여 보이드의 형태가 불규칙하여 수율이 낮아진다는 단점을 가지고 있다. 그리고, 상기의 방법을 포함하여 대체적으로 보이드를 형성하는 방법은 사파이어 기판의 처리 문제에 있어서 많은 공정을 거치는 관계로 GaN 기판의 제조 단가가 매우 높아지고 되고, 또한 복잡한 여러 가지 공정으로 인하여 그만큼의 수율 저하의 문제를 지니고 있다.
However, the above method requires a process that requires sufficient etching using highly reactive hydrogen gas to obtain voids in the GaN thin film, and also requires the etching of hydrogen gas to the lower portion of the metal film (GaN thin film). The method has a disadvantage in that the yield of the voids is irregular due to the method. In addition, in the method of forming voids including the above method, the manufacturing cost of the GaN substrate becomes very high due to many processes in the treatment problem of the sapphire substrate, and the yield decreases due to various complicated processes. Has a problem.

이에 반해 본 발명은, 종래의 공정과는 다르게 복잡한 공정들을 거치지 않고, 질화금속층의 질화처리 및 씨드층의 저온 성장 공정으로부터 금속과 HCl의 높은 반응성을 억제하면서 GaN 박막 내에 보이드(130)를 형성할 수 있으므로, Ni과 같은 금속과 GaN 물질 간의 부적합성을 제거하여 그 공정 단계에 있어서 단순함을 얻게 되고, 높은 수율 또한 얻게 된다. On the contrary, the present invention can form the voids 130 in the GaN thin film while suppressing high reactivity of the metal and HCl from the nitride treatment of the metal nitride layer and the low temperature growth process of the seed layer without undergoing complicated processes unlike the conventional processes. As a result, incompatibilities between metals such as Ni and GaN materials can be eliminated, resulting in simplicity in the process step and high yields.

즉, 본 발명은 질화금속층의 질화처리 및 씨드층의 저온 성장 공정으로부터 금속과 HCl의 높은 반응성을 억제하기에 충분하므로, 종래 대비 복잡한 공정을 거치지 않고 간단한 공정만으로 금속과 HCl의 반응성을 억제하면서 GaN 박막 내에 보이드를 형성할 수 있게 되어, 효과적인 GaN 기판의 자연 분리가 가능하다는 장점을 가진다.
That is, the present invention is sufficient to suppress the high reactivity of the metal and HCl from the nitride treatment of the metal nitride layer and the low temperature growth process of the seed layer, GaN while suppressing the reactivity of the metal and HCl in a simple process without a complicated process compared to the conventional Being able to form voids in the thin film has the advantage that the effective separation of the GaN substrate effectively.

도 1f를 참조하면, HVPE 장비 내에서 인-시튜로 상기 2차 열처리된 씨드층(120) 상부에 질화갈륨계 반도체층(140)을 형성하는 제6단계를 수행한다. Referring to FIG. 1F, a sixth step of forming a gallium nitride based semiconductor layer 140 on the second heat treated seed layer 120 in-situ in HVPE equipment is performed.

상기 제6단계에 대해 부연 설명하면, 상기 질화갈륨계 반도체층(140)은 1000∼1100℃ 온도에서 에피 측면 과성장(ELOG; Epitaxial Lateral Overgrowth) 방법으로 200㎛ 이상의 높은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 에피 측면 과성장(ELOG)은 1000℃ 이상의 높은 온도와 원료 물질의 낮은 Ⅲ/Ⅴ비에 의하여 형성되고, 원료 물질의 혼합비 조절에 의하여 높은 두께의 GaN 성장이 가능한 장점을 가진다. In detail, the gallium nitride-based semiconductor layer 140 may be formed to a high thickness of 200 μm or more by an epitaxial lateral overgrowth (ELOG) method at a temperature of 1000 to 1100 ° C. . The epi lateral overgrowth (ELOG) is formed by a high temperature of 1000 ° C. or higher and a low III / V ratio of the raw material, and has the advantage of allowing GaN growth of a high thickness by controlling the mixing ratio of the raw material.

여기서, 상기 질화갈륨계 반도체층(140)은 HVPE 성장법에 의해 상기 저온에서 성장된 씨드층(120)으로부터 측면 성장하여 형성하게 되는데, 상기 저온에서 성장된 씨드층은 GaN 박막의 에피 성장을 용이하게 만드는 역할을 하기 때문에 상기 질화갈륨계 반도체층은 고품질의 GaN 기판으로 형성할 수 있게 되는 것이다.Here, the gallium nitride-based semiconductor layer 140 is formed by lateral growth from the seed layer 120 grown at a low temperature by HVPE growth method, the seed layer grown at a low temperature facilitates epitaxial growth of the GaN thin film. Since the gallium nitride-based semiconductor layer is to make a high quality GaN substrate.

만약에, 본 발명에 따른 저온 성장된 씨드층 없이 고온의 질화갈륨계 반도체층을 바로 형성시키는 경우라면 상기 질화갈륨계 반도체층은 씨드형 질화갈륨(GaN)이 아닌 저 품위의 폴리형 질화갈륨(GaN)으로 형성되기 때문에 온도의 제어가 필요하다는 문제점과, 그리고 장시간 성장 시 질화금속층이 모두 없어지는 현상에 의해 최종적으로 질화갈륨(GaN) 기판을 마련하기 위한 분리 공정 시, 자연 분리의 효과를 볼 수 없다는 문제점이 있게 되는데, 본 발명에 의하면 상기 질화갈륨계 반도체층은 그 하면에 저온 성장된 씨드층에 의해 고온의 에피 측면 과성장으로 형성할 수 있게 되는 것으로 이러한 장점에 의해 종래 대비 스트레스 완화된 고품질의 질화물 반도체층으로 형성하게 된다. If the high-temperature gallium nitride-based semiconductor layer is formed immediately without the low-temperature grown seed layer according to the present invention, the gallium nitride-based semiconductor layer is a low-grade polygallium nitride (GaN) instead of seed gallium nitride (GaN). It is formed of GaN), so it is necessary to control the temperature and the effect of natural separation in the separation process to finally prepare a gallium nitride (GaN) substrate due to the disappearance of all metal nitride layers during long-term growth. According to the present invention, the gallium nitride-based semiconductor layer can be formed by high temperature epi side overgrowth by a low temperature grown seed layer on the lower surface thereof. It is formed of a high quality nitride semiconductor layer.

한편, 본 발명에 따른 상기 씨드층(120) 및 질화갈륨계 반도체층(140)은 HVPE 성장법을 이용하여 형성하도록 하였지만, 본 발명에서는 이에 한정하지 않고 질화갈륨계 반도체층을 형성할 수 있는 MOCVD(Metal-organic chemical vapor deposition), MBE(Molecular beam epitaxy) 방법을 이용하는 것도 가능하다.
On the other hand, the seed layer 120 and the gallium nitride-based semiconductor layer 140 according to the present invention was formed by using the HVPE growth method, the present invention is not limited to this MOCVD that can form a gallium nitride-based semiconductor layer (Metal-organic chemical vapor deposition) or MBE (Molecular beam epitaxy) method can also be used.

도 1g를 참조하면, HVPE 장비 내에서 상기 질화갈륨계 반도체층을 상기 성장기판인 사파이어 기판으로부터 자연 분리시키는 제7단계를 수행한다. Referring to FIG. 1G, a seventh step of naturally separating the gallium nitride based semiconductor layer from the sapphire substrate, which is the growth substrate, is performed in an HVPE device.

상기 제7단계에 대해 부연 설명하면, 상기 제1단계에서부터 제6단계까지 수행하여 형성된 반도체기판용 기판 구조체, 즉, 상기 사파이어 기판과 나노 컬럼의 질화금속층과, 저온 성장된 씨드층 및 고온의 질화갈륨계 반도체층으로 이루어진 반도체기판용 기판 구조체를 저온에서 냉각시키는 것으로 상기 질화갈륨계 반도체층을 상기 사파이어 기판으로부터 자연 분리시킨다.The seventh step will be described in detail. The substrate structure for a semiconductor substrate formed by performing the first to sixth steps, that is, the metal nitride layer of the sapphire substrate and the nanocolumn, the seed layer grown at a low temperature, and the high temperature nitride The gallium nitride based semiconductor layer is naturally separated from the sapphire substrate by cooling the substrate structure for a semiconductor substrate made of the gallium based semiconductor layer at low temperature.

상기 질화갈륨계 반도체층의 자연 분리는, 상기 저온 냉각시 반도체기판용 기판 구조체에 열 충격이 반복적으로 가해지게 되면서 상기 질화금속층과 씨드층 사이에 형성된 보이드와, 상기 사파이어 기판과 GaN 간의 높은 열팽창계수 차이에 의한 스트레스로 인하여 자연 분리된다. 이 결과로 사파이어 기판으로부터 분리된 질화갈륨계 반도체층은 고 품질의 질화갈륨계 반도체기판으로 사용된다.
The spontaneous separation of the gallium nitride-based semiconductor layer is a void formed between the metal nitride layer and the seed layer and the high thermal expansion coefficient between the sapphire substrate and GaN as heat shock is repeatedly applied to the substrate structure for the semiconductor substrate during the low temperature cooling Due to the stress caused by the difference, it is naturally separated. As a result, the gallium nitride-based semiconductor layer separated from the sapphire substrate is used as a high quality gallium nitride-based semiconductor substrate.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 기판의 형성방법에 의해 형성된 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체에 대해 설명하면 다음과 같다. Meanwhile, a description will be given of a substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate formed by a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention.

도 1f를 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체는 사파이어 기판인 성장기판(100)과, 상기 성장기판 상부에 규칙적이면서 불연속적으로 형성된 질화금속층(112)과, 상기 질화금속층(112)을 매립하도록 저온 성장된 씨드층(120) 및 상기 씨드층(120) 상부에 형성된 질화갈륨계 반도체층(140)을 포함한다. Referring to FIG. 1F, a substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate according to the present invention includes a growth substrate 100 that is a sapphire substrate, a metal nitride layer 112 regularly and discontinuously formed on the growth substrate, and the metal nitride layer. And a seed layer 120 grown at low temperature to fill the 112, and a gallium nitride based semiconductor layer 140 formed on the seed layer 120.

여기서, 상기 질화금속층(112)은 나노 컬럼(nano column) 형상으로 형성될 수 있도록 600∼1200℃ 범위의 온도에서 액상으로 충분한 시간 동안 유지할 수 있고, 상기의 온도에서 연속된 막이 액상의 표면 장력에 의해 막의 형태가 변할 수 있는 물질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함한 물질로 형성될 수 있다. Here, the metal nitride layer 112 can be maintained for a sufficient time in the liquid phase at a temperature in the range of 600 ~ 1200 ℃ to be formed in a nano column (nano column) shape, the continuous film at the above temperature to the surface tension of the liquid It can be formed of a material that can change the shape of the film by, preferably, a material containing any one metal of Ni, Au, Cr and Co.

상기 씨드층(120)은 상기 질화금속층(112)을 보호하고, 고 품질의 질화갈륨(GaN) 기판을 얻기 위한 반도체층으로, 상기 씨드층(120)은 저온 성장된 GaN층으로 이루어지며, 100∼3000㎚ 두께로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 씨드층(120)과 질화금속층(112) 사이에는 보이드(130)가 형성될 수 있는데, 이러한 보이드(130)는 성장기판과 GaN 기판의 자연 분리에 효과적으로 적용된다.The seed layer 120 is a semiconductor layer for protecting the metal nitride layer 112 and obtaining a high quality gallium nitride (GaN) substrate, and the seed layer 120 is formed of a GaN layer grown at low temperature. It may be formed to a thickness of ~ 3000nm. A void 130 may be formed between the seed layer 120 and the metal nitride layer 112. The void 130 is effectively applied to the natural separation of the growth substrate and the GaN substrate.

상기 질화갈륨계 반도체층(140)은 질화물 반도체의 GaN 기판으로서 에피 측면 과성장(ELOG)으로 200㎛ 두께로 형성될 수 있다. 상기 질화갈륨계 반도체층(140)은 그 하면에 저온에서 성장된 씨드층이 구비되어 있으므로, 이러한 상기 씨드층(120)에 의해 고온의 에피 측면 과성장으로 형성할 수 있게 되면서 스트레스 완화된 고품질의 질화갈륨계 반도체층으로 형성하게 된다.
The gallium nitride based semiconductor layer 140 may be formed as a GaN substrate of nitride semiconductor to have a thickness of 200 μm due to epi side overgrowth (ELOG). Since the seed layer grown at a low temperature is provided on the lower surface of the gallium nitride-based semiconductor layer 140, the seed layer 120 can be formed by high temperature epi side overgrowth, and the stress relief is of high quality. It is formed of a gallium nitride based semiconductor layer.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. The scope of which is set forth in the appended claims.

100: 성장기판 110: 금속층
111: 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층
112: 질화금속층 120: 씨드층
130: 보이드 140: 질화갈륨계 반도체층100: growth substrate 110: metal layer
111: regular and discontinuous metal layer
112: metal nitride layer 120: seed layer
130: void 140: gallium nitride-based semiconductor layer

Claims (30)

성장기판 상부에 금속막을 증착하는 제1단계;
상기 금속막에 1차 열처리하여 상기 금속막을 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층으로 형성하는 제2단계;
상기 금속층이 매립되도록 저온의 씨드층을 형성하는 제3단계;
상기 씨드층 상부에 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 제4단계; 및
상기 질화갈륨계 반도체층을 상기 성장기판으로부터 자연 분리시키는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
Depositing a metal film on the growth substrate;
Performing a first heat treatment on the metal film to form the metal film as a metal layer having regular and discontinuity;
A third step of forming a low temperature seed layer so that the metal layer is buried;
Forming a gallium nitride based semiconductor layer on the seed layer; And
And a fifth step of naturally separating the gallium nitride based semiconductor layer from the growth substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 성장기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The growth substrate is a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that the sapphire substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 금속막은 5∼50㎚ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And the metal film is formed to have a thickness of 5 to 50 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 금속막은 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The metal film is a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that containing any one metal of Ni, Au, Cr and Co.
제 1 항에 있어서,
상기 금속막은 열기상증착법(Thermal evaporation), 전자-빔(E-beam) 및 스퍼터(sputter) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The metal film is formed by any one of thermal evaporation method (Thermal evaporation), electron-beam (E-beam) and sputtering (sputter) method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 열처리는 600∼1200℃ 온도에서 5∼20분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The primary heat treatment is a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that performed for 5 to 20 minutes at 600 ~ 1200 ℃ temperature.
제 1 항에 있어서,
상기 규칙적이면서 불연속성을 갖는 금속층은 원통형 또는 반구형의 도트 형상인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The regular and discontinuous metal layer is a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that the cylindrical or hemispherical dot shape.
제 1 항에 있어서,
상기 제2단계는 상기 금속층에 질화처리하여 상기 금속층을 질화금속층으로 개질하는 제2-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And a second step of modifying the metal layer to a metal nitride layer by nitriding the metal layer. The method of claim 2, further comprising gallium nitride-based semiconductor substrate.
제 8 항에 있어서,
상기 질화처리는 700∼1100℃에서 5∼10분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method of claim 8,
Wherein the nitriding treatment is performed at 700 to 1100 ° C. for 5 to 10 minutes.
제 8 항에 있어서,
상기 질화금속층은 나노 컬럼 형상인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method of claim 8,
The metal nitride layer is a method of forming a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that the nano-column shape.
제 1 항에 있어서,
상기 씨드층은 질화갈륨계 반도체층 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And the seed layer is formed of a gallium nitride based semiconductor layer material.
제 1 항에 있어서,
상기 씨드층은 450∼750℃에서 5∼10분 동안 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And the seed layer is formed by growing at 450 to 750 ° C. for 5 to 10 minutes.
제 1 항에 있어서,
상기 씨드층은 100∼3000㎚ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And the seed layer is formed to a thickness of 100 to 3000nm.
제 1 항에 있어서,
상기 씨드층은 상기 금속층 사이를 매립하고 상부는 평탄면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
And the seed layer is buried between the metal layers and has a flat surface on the top thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 제4단계는 상기 씨드층에 2차 열처리를 수행하는 제4-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The fourth step is a method of forming a gallium nitride based semiconductor substrate further comprises a; 4-1 step of performing a second heat treatment to the seed layer.
제 15 항에 있어서,
상기 2차 열처리는 1000∼1100℃에서 10∼30분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
16. The method of claim 15,
The secondary heat treatment is a method of forming a gallium nitride based semiconductor substrate, characterized in that performed for 10 to 30 minutes at 1000 ~ 1100 ℃.
제 15 항에 있어서,
상기 2차 열처리에 의하여 상기 금속층과 씨드층 사이에 보이드가 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
16. The method of claim 15,
And forming a void between the metal layer and the seed layer by the second heat treatment.
제 1 항에 있어서,
상기 질화갈륨계 반도체층은 1000∼1100℃에서 에피 측면 과성장(ELOG) 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The gallium nitride-based semiconductor layer is formed by the epi-lateral overgrowth (ELOG) method at 1000 ~ 1100 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 질화갈륨계 반도체층은 200㎛ 이상의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
The gallium nitride based semiconductor layer is a method of forming a gallium nitride based semiconductor substrate, characterized in that formed to a thickness of 200㎛ or more.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계 내지 제 4 단계는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 장비 내에서 인-시튜(in-situ)로 수행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second to fourth steps are performed in-situ in HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) equipment.
성장기판;
상기 성장기판 상부에 규칙적이면서 불연속적으로 형성된 질화금속층;
상기 질화금속층을 매립하도록 저온 성장된 씨드층; 및
상기 씨드층 상부에 형성된 질화갈륨계 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
Growth substrate;
A metal nitride layer formed regularly and discontinuously on the growth substrate;
A seed layer grown at low temperature so as to fill the metal nitride layer; And
And a gallium nitride-based semiconductor layer formed on the seed layer.
제 21 항에 있어서,
상기 성장기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
And the growth substrate is a sapphire substrate.
제 21 항에 있어서,
상기 질화금속층은 나노 컬럼 형상인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The metal nitride layer is a substrate structure for gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that the nano-column shape.
제 21 항에 있어서,
상기 질화금속층은 Ni, Au, Cr 및 Co 중 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The metal nitride layer is a substrate structure for gallium nitride-based semiconductor substrates, characterized in that containing any one metal of Ni, Au, Cr and Co.
제 21 항에 있어서,
상기 씨드층은 질화갈륨계 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The seed layer is a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that the gallium nitride-based semiconductor layer.
제 21 항에 있어서,
상기 씨드층은 100∼3000㎚ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The seed layer is gallium nitride-based semiconductor substrate substrate, characterized in that formed in a thickness of 100 to 3000nm.
제 21 항에 있어서,
상기 씨드층과 질화금속층 사이에는 보이드가 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
A substrate structure for a gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that a void is formed between the seed layer and the metal nitride layer.
제 21 항에 있어서,
상기 질화갈륨계 반도체층은 에피 측면 과성장(ELOG)으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The gallium nitride-based semiconductor layer substrate structure, characterized in that formed by epi-lateral overgrowth (ELOG).
제 21 항에 있어서,
상기 질화갈륨계 반도체층은 200㎛ 이상의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체기판용 기판 구조체.
22. The method of claim 21,
The gallium nitride-based semiconductor layer is a substrate structure for gallium nitride-based semiconductor substrate, characterized in that formed in a thickness of 200㎛ or more.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항의 질화갈륨계 반도체기판의 형성방법에 의하여 형성된 질화갈륨계 반도체 기판. A gallium nitride based semiconductor substrate formed by the method for forming a gallium nitride based semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 20.
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