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KR101890750B1 - Method for growing nitride semiconductor - Google Patents

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KR101890750B1
KR101890750B1 KR1020120005842A KR20120005842A KR101890750B1 KR 101890750 B1 KR101890750 B1 KR 101890750B1 KR 1020120005842 A KR1020120005842 A KR 1020120005842A KR 20120005842 A KR20120005842 A KR 20120005842A KR 101890750 B1 KR101890750 B1 KR 101890750B1
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nitride semiconductor
gan
growing
semiconductor layer
growth
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이문상
박성수
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삼성전자주식회사
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Abstract

질화물 반도체층 성장 방법이 개시된다. 개시된 질화물 반도체층 성장 방법은, 기판을 준비하는 단계와, 질소를 포함하는 가스를 이용하여 기판을 질화시키는 단계와, 질화된 기판을 표면 처리하여 성장핵을 생성시키는 단계와, 성장핵 상에 버퍼층을 저온 성장시키는 단계와, 버퍼층 상에 질화물 반도체를 적층하는 단계를 포함한다.A method for growing a nitride semiconductor layer is disclosed. A method for growing a nitride semiconductor layer includes the steps of preparing a substrate, nitriding the substrate with a gas containing nitrogen, surface-treating the nitrided substrate to produce growth nuclei, And a step of laminating a nitride semiconductor on the buffer layer.

Description

질화물 반도체층 성장 방법{Method for growing nitride semiconductor}[0001] The present invention relates to a method for growing a nitride semiconductor layer,

질화물 반도체층 성장 방법에 관한 것이다. And a method of growing a nitride semiconductor layer.

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 사용되고 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, 광기록매체의 광원, 자동차 엔진의 고출력 트랜지스터 등에 적용될 수 있다. GaN 기판을 사용한 발광 다이오드(LED)의 경우 결함이 적고, 기판과 소자 층의 굴절율이 동일하고, 열전도도 사파이어보다 약 4배 정도 크기 때문에, GaN 기판은 고출력 LED의 제작에 필수적이다.The electronics industry using nitride semiconductors is expected to meet the development and growth of the green industry. Particularly, GaN, which is one of nitride semiconductors, is widely used for manufacturing blue light emitting diodes among red, green and blue light emitting diodes which are core elements of high output electronic component devices including light emitting diodes (LEDs). This is because blue light emitting diodes using GaN are superior to zinc selenide (ZnSe), which is a semiconductor material of light emitting devices that emit light in the blue region, because of their superior physical and chemical properties, to be. In addition, since GaN has a direct band gap bandgap structure and the band gap can be controlled from 1.9 to 6.2 eV through an alloy of In or Al, it is very useful as an optical device. In addition, it is useful in various fields such as high output devices and high temperature electronic devices which can not be realized by conventional materials since the breakdown voltage is high and stable at high temperature. For example, a large electric signboard using a full color display, a light source of a signal lamp, an optical recording medium, a high output transistor of an automobile engine, and the like. GaN substrates are indispensable for the fabrication of high output LEDs because of fewer defects, the same refractive index of substrate and element layer, and larger thermal conductivity than sapphire.

기판 상에 질화물 반도체층 성장시 격자 상수 차이나 열팽창 계수 차이에 의한 크랙(crack) 발생 및 멜트백(melt back) 문제를 개선할 수 있는 질화물 반도체층 성장 방법을 제공한다.There is provided a nitride semiconductor layer growth method capable of improving a crack generation and a melt back problem due to a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient when a nitride semiconductor layer is grown on a substrate.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법은, 기판을 준비하는 단계와; 질소를 포함하는 가스를 이용하여, 상기 기판을 질화시키는 단계와; 질화된 기판을 표면 처리하여 성장핵을 생성시키는 단계와; 상기 성장핵 상에 버퍼층을 저온 성장시키는 단계와; 버퍼층 상에 질화물 반도체를 적층하는 단계;를 포함한다.A method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention includes: preparing a substrate; Nitriding the substrate using a gas containing nitrogen; Subjecting the nitrided substrate to surface treatment to produce growth nuclei; Low temperature growth of the buffer layer on the growth nuclei; And stacking the nitride semiconductor on the buffer layer.

상기 기판의 질화는 암모니아 가스를 이용하여 이루어질 수 있다.The substrate may be nitrided using ammonia gas.

상기 기판의 질화는 800도 내지 1100도의 온도에서 이루어질 수 있다.Nitriding of the substrate may be performed at a temperature of 800 to 1100 degrees.

상기 기판의 질화는 0.1분 내지 100분 이내에서 진행할 수 있다.The nitridation of the substrate can proceed within 0.1 minute to 100 minutes.

상기 기판의 질화시, 상기 질소를 포함하는 가스의 분압은 1 내지 30%일 수 있다.When the substrate is nitrided, the partial pressure of the nitrogen-containing gas may be 1 to 30%.

상기 표면 처리에 HCl을 사용할 수 있다.HCl may be used for the surface treatment.

상기 표면 처리에 HCl과 NH3를 이용할 수 있다.HCl and NH 3 may be used for the surface treatment.

상기 기판의 표면 처리는 800 내지 1100도의 온도 범위에서 이루어질 수 있다.The surface treatment of the substrate may be performed in a temperature range of 800 to 1100 degrees.

상기 HCl과 NH3은 유량이 1 내지 20000sccm이거나 분압이 1-30%일 수 있다.The HCl and NH 3 may have a flow rate of 1 to 20000 sccm or a partial pressure of 1 to 30%.

상기 기판은 실리콘 기판이며, 상기 기판을 질화시킴에 의해 β-Si3N4가 생성될 수 있다.The substrate is a silicon substrate, and? -Si 3 N 4 can be produced by nitriding the substrate.

상기 기판을 질화시켜, HCP 구조를 가지는 β-Si3N4가 생성될 수 있다.The substrate may be nitrided to produce beta -Si 3 N 4 having an HCP structure.

상기 버퍼층은 800 내지 900도의 온도 범위에서 성장될 수 있다.The buffer layer may be grown in a temperature range of 800 to 900 degrees.

상기 질화물 반도체의 성장 온도는 상기 버퍼층의 성장온도보다 높을 수 있다.The growth temperature of the nitride semiconductor may be higher than the growth temperature of the buffer layer.

상기 질화물 반도체의 성장 온도는 800 내지 1100도 범위내일 수 있다.The growth temperature of the nitride semiconductor may be in the range of 800 to 1100 degrees.

상기 질화물 반도체는 GaN일 수 있다.The nitride semiconductor may be GaN.

상기 질화물 반도체는 100nm 내지 400μm 두께로 성장될 수 있다.The nitride semiconductor may be grown to a thickness of 100 nm to 400 탆.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 기판 상에 질화물 반도체층 성장시 격자 상수 차이나 열팽창 계수 차이에 의한 크랙(crack) 발생 및 멜트백(melt back) 문제를 개선할 수 있다.According to the method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention, it is possible to improve a crack generation and a melt back problem due to a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient when a nitride semiconductor layer is grown on a substrate.

별도의 버퍼층을 형성하기 위한 엑스시트(ex situ) 공정없이, 인시투(in situ) 공정으로 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있으므로, 예를 들어, 저가격인 실리콘 기판 상에 고품질의 GaN 후막을 성장시킬 수 있다A nitride semiconductor layer can be grown by an in situ process without an ex situ process for forming a separate buffer layer. For example, a high quality GaN thick film is grown on a low-cost silicon substrate Can

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 실리콘 기판 상에 약 870도의 온도에서 HVPE 방식에 의해 약 10μm 두께로 버퍼 GaN 성장 시 질화 시간(nitridation time)에 따른 GaN 버퍼층의 형태(morphology) 변화를 보여주는 주사전자현지경(SEM:scanning electron microscope) 사진이다.
도 7a는 질화 시간을 적절히 함으로써, 실리콘 질화물(Si3N4) 결정 구조가 GaN 에피택셜 성장에 적절한 HCP 구조일 때의 실리콘 질화물(Si3N4) 분포 및 실리콘 질화물 및 실리콘 기판 상에 형성되는 GaN 성장핵을 도시적으로 보여준다.
도 7b는 질화 시간이 증가할 때, 생성된 비정질 실리콘 질화물(SiNx) 분포 및 비정질 실리콘 질화물 및 실리콘 기판 상에 형성되는 GaN 성장핵을 도시적으로 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 실리콘 기판 상에 HVPE 버퍼 GaN 성장 시 HCl + NH3를 이용한 표면 처리 단계에서의 HCl flow rate에 따른 버퍼 GaN의 형태(morphology) 사진을 보여준다.
도 9a 및 도 9b는 각각 버퍼 GaN 성장 온도를 약 890도와 약 1030도로 했을 때, 약 10μm 두께의 버퍼 GaN가 성장된 실리콘 기판 상에 약 30μm 두께의 GaN를 성장한 사진을 보여준다.
도 10a 내지 도 10c는 실리콘 기판 상에 HVPE GaN 성장시, 버퍼층 성장 온도에 따른 GaN 후막 형태(morphology) 변화를 보인 것으로, 질화 시간은 약 0.1분, 후막 두께는 약 100μm로 했을 때의 결과를 보여준다.
FIGS. 1 to 5 are views for explaining a process of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.
6a to 6c are graphs showing the morphology changes of the GaN buffer layer according to the nitridation time when the buffer GaN was grown to a thickness of about 10 mu m by the HVPE method at a temperature of about 870 degrees on the silicon substrate. SEM: scanning electron microscope).
Figure 7a by appropriate nitride time, silicon nitride (Si 3 N 4) determining the structure is formed on the silicon nitride (Si 3 N 4) distribution and silicon nitride and the silicon substrate when the appropriate HCP structure of the GaN epitaxial growth GaN growth nuclei.
FIG. 7B shows the resulting amorphous silicon nitride (SiNx) distribution and the amorphous silicon nitride and the GaN growth nuclei formed on the silicon substrate when the nitridation time increases.
FIGS. 8A and 8B show morphology photographs of buffer GaN according to the HCl flow rate in the surface treatment step using HCl + NH 3 in growing HVPE buffer GaN on a silicon substrate. FIG.
FIGS. 9A and 9B are photographs showing GaN growth of about 30 .mu.m thick on a silicon substrate on which buffer GaN is grown to a thickness of about 10 .mu.m when the buffer GaN growth temperature is about 890 and about 1030, respectively.
10A to 10C show the morphology change of GaN thick film according to the buffer layer growth temperature when HVPE GaN is grown on the silicon substrate. The nitridation time is about 0.1 min and the thick film thickness is about 100 μm .

질화물 반도체 중 질화갈륨(GaN)은 밴드갭(bandgap) 에너지가 약 3.39 eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다.Gallium nitride (GaN) in a nitride semiconductor has a bandgap energy of about 3.39 eV and is a wide bandgap semiconductor material which is a direct transition type and is useful for manufacturing a light emitting device in a short wavelength region.

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. Since the GaN single crystal has a high nitrogen vapor pressure at the melting point, the liquid crystal growth requires a high temperature of about 1500 ° C or higher and a nitrogen atmosphere of about 20000 atmospheres, which is not only difficult to mass-produce, but also has a crystal size of about 100 mm 2 It is difficult to use in production.

그래서, GaN 박막은 이종 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기상 성장 법에 의해 성장하고 있다. Therefore, the GaN thin film is grown on a heterogeneous substrate by a vapor phase growth method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy).

그러나, GaN를 예를 들어, 실리콘 기판 상에 성장 할 때, 직접적으로 실리콘과 GaN가 맞닿을 경우, 실리콘이 GaN로 확산해 들어가 실리콘 기판 표면이 에칭되어 멜트 백(melt back)이 발생하고, 실리콘과 GaN의 열팽창계수와 격자 상수 차이로 인하여 실리콘 기판 상에 GaN 성장 시 크랙(crack)이 생성될 수 있다. 이를 해결하기 위해, 그레이디드 버퍼층(graded buffer layer) 등을 이용하여 실리콘 기판상에 GaN를 성장시키는 방식을 이용하기도 하지만, 이 방법으로는 얇은 GaN 박막은 성장할 수 있으나, 두꺼운 GaN층을 성장하는데는 여전히 문제가 있다. 더욱이, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방식으로 실리콘 기판 상에 GaN 성장시, 버퍼층을 인시투(in situ)로 성장시키지 못하고, 대부분 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:금속유기화학증착)나, 스퍼터(sputter) 등을 이용하므로, 버퍼층 상에 GaN를 성장시키는 시간과 비용이 많이 요구된다. However, when GaN is grown on a silicon substrate, for example, when silicon and GaN directly contact each other, silicon diffuses into GaN and the surface of the silicon substrate is etched to cause melt back, And the difference in the thermal expansion coefficient and the lattice constant of GaN, a crack may be generated during GaN growth on the silicon substrate. In order to solve this problem, although a method of growing GaN on a silicon substrate by using a graded buffer layer or the like is used, a thin GaN thin film can be grown by this method. However, There is still a problem. In addition, when GaN is grown on a silicon substrate by a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, the buffer layer can not be grown in situ, and most of it is grown by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) sputtering or the like is used. Therefore, it takes much time and cost to grow GaN on the buffer layer.

본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 멜트백(melt back) 방지 효과와 성장 핵(nuclei)의 밀도에 따른 스트레스 완료 효과로, 기판 상에 고품질의 질화물 반도체 예컨대, GaN를 성장할 수 있으며, 인시투(in situ) 공정이 가능하기 때문에, 시간과 비용 측면에서도 큰 장점이 있다.According to the method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention, a high-quality nitride semiconductor, for example, GaN is grown on a substrate with a meltback preventing effect and a stress-complete effect depending on the density of nuclei And can be in situ, which is a great advantage in terms of time and cost.

예를 들어, HVPE 반응기(reactor) 내에서 실리콘 기판 상에 GaN 성장 시, NH3와 실리콘 기판의 반응에 의해 생성되는 Si3N4 핵(nuclei)를 사용하여 GaN를 저온에서부터 성장할 수 있으므로, 멜트백(melt back) 방지 효과와 Si3N4 성장 핵(nuclei)의 밀도에 따른 스트레스 완화 효과로 실리콘 기판 상에 인시투 공정으로 고품질 GaN을 성장할 수 있다.For example, GaN can be grown from a low temperature using Si 3 N 4 nuclei generated by the reaction of NH 3 with a silicon substrate during GaN growth on a silicon substrate in an HVPE reactor, It is possible to grow high-quality GaN on the silicon substrate by an in-situ process due to the meltback prevention effect and the stress relaxation effect due to the density of the Si 3 N 4 nuclei.

이와 같이 실리콘 기판 등의 이종 기판 상에 성장된 질화물 반도체층 예컨대, GaN층을 포함하는 구조는 실질적으로 GaN 기판으로서 역할을 할 수 있다. 또한 후속 공정으로 실리콘 기판 등의 이종 기판을 제거하는 경우, 성장된 질화물 반도체층 예컨대, GaN층을 프리스탠딩(freestanding) 질화물 반도체 기판 예컨대, GaN 기판으로 사용될 수 있다.The structure including the nitride semiconductor layer, for example, a GaN layer, grown on a different substrate such as a silicon substrate can substantially serve as a GaN substrate. In a subsequent step, when a heterogeneous substrate such as a silicon substrate is removed, the grown nitride semiconductor layer, for example, a GaN layer, may be used as a freestanding nitride semiconductor substrate, for example, a GaN substrate.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도면에서 층의 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, a method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The thickness of the layers in the drawings may be exaggerated for convenience of explanation.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 1 to 5 are views for explaining a process of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저, 기판(1)을 준비한다. 상기 기판(1)으로는 예를 들어, 실리콘 기판이 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, first, a substrate 1 is prepared. As the substrate 1, for example, a silicon substrate can be used.

다음으로, 준비된 기판(1)을 질소를 포함하는 가스를 이용하여 질화(nitridation)시킨다. 질화는 암모니아 처리를 통해 질소 화합물(5)을 만드는 공정으로, 상기 기판(1)으로 실리콘 기판(1)을 이용하는 경우, 암모니아 처리를 통해 기판(1) 표면에 예를 들어, 실리콘 질화물(Si3N4)이 생성될 수 있다.Next, the prepared substrate 1 is nitrided by using a gas containing nitrogen. Nitriding is a step of forming a nitrogen compound 5 through ammonia treatment. When the silicon substrate 1 is used as the substrate 1, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) may be generated.

상기 기판(1)의 질화는 약 800도 내지 약 1100도의 온도에서 약 0.1분 내지 약 100분 이내에서 진행될 수 있다. 또한, 상기 기판(1)의 질화시, 상기 질소를 포함하는 가스 예컨대, 암모니아 가스(NH3)의 분압은 약 1 내지 약 30% 범위내 일 수 있다.The nitridation of the substrate 1 can be performed at a temperature of about 800 to about 1100 degrees in about 0.1 minute to about 100 minutes. Further, when nitriding the substrate 1, the partial pressure of the nitrogen-containing gas such as ammonia gas (NH 3 ) may be in the range of about 1 to about 30%.

예를 들어, 실리콘 기판(1)을 HVPE 반응기(reactor) 내에서 NH3를 이용하여 약 800~1100도 범위내의 온도에서 질화(nitridation) 시킬 수 있으며, 이때, 질화 시간이 적절할 때, 실리콘 기판(1)에 생성되는 실리콘 질화물(5)의 결정 구조는 질화물 반도체 예컨대, GaN의 에피텍셜 성장(epitaxial growth)에 적절한 HCP(hexagonal close-packed lattice) 구조가 된다. 즉, 질화 시간이 적절할 때, HCP 구조를 가지는 β-Si3N4가 생성될 수 있다. 또한, 질화 시간(nitridation time)과 flow rate에 따라 실리콘 기판(1) 상의 β-Si3N4의 면적비가 달라질 수 있다.For example, the silicon substrate 1 may be nitrided at a temperature in the range of about 800 to about 1100 degrees with NH 3 in an HVPE reactor, at which time the silicon substrate 1 has a hexagonal close-packed lattice (HCP) structure suitable for epitaxial growth of a nitride semiconductor such as GaN. That is, when the nitriding time is appropriate, β-Si 3 N 4 having the HCP structure can be produced. Also, the area ratio of β-Si 3 N 4 on the silicon substrate 1 may vary depending on the nitridation time and the flow rate.

다음으로, 도 3에서와 같이, 질화된 기판(1)을 표면 처리하여 성장핵(nuclei:7)을 생성한다. 여기서, 성장핵(7)은, 표면 질화시 생성된 질소 화합물(5) 예컨대, 실리콘 질화물 중 일부의 표면이 표면처리에 의해 활성화된 표면(activated suface))된 상태를 말한다. 이와 같이 활성화된 질소 화합물(5)의 표면에 질화물 반도체 예컨대, GaN의 흡착이 용이하게 이루어질 수 있다.Next, as shown in FIG. 3, the nitrided substrate 1 is surface-treated to form nuclei 7. Here, the growth nuclei 7 refers to a state in which the surface of a part of the nitrogen compound 5 (for example, silicon nitride) generated at the time of surface nitrification is activated surface by surface treatment). The adsorption of the nitride semiconductor, for example, GaN, on the surface of the activated nitrogen compound 5 can be facilitated.

질화된 기판(1)의 표면 처리에는 HCl을 사용할 수 있다. 즉, 표면 처리에 HCl과 NH3를 이용할 수 있다. 이때, 상기 기판(1)의 표면 처리는 약 800 내지 약 1100도의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 또한, 상기 HCl과 NH3은 유량이 약 1 내지 약 20000 sccm일 수 있으며, 그 분압은 약 1% 내지 약 30% 범위내 일 수 있다.For the surface treatment of the nitrided substrate 1, HCl may be used. That is, HCl and NH 3 can be used for the surface treatment. At this time, the surface treatment of the substrate 1 may be performed in a temperature range of about 800 to about 1100 degrees. In addition, the HCl and NH 3 may have a flow rate of about 1 to about 20000 sccm, and the partial pressure may range from about 1% to about 30%.

예를 들어, β-Si3N4가 형성된 실리콘 기판(1) 상에 약 800 내지 약 1100도의 온도에서 HCl과 NH3를 이용하여 실리콘 기판(1)을 표면 처리할 수 있다. HCl과 NH3에 의해 표면 처리되어진 실리콘 기판(1)과 β-Si3N4는 질화물 반도체 예컨대, GaN의 흡착 및 핵 생성이 용이해지게 된다. 이 때, 표면 처리 온도, HCl, NH3의 flow rate와 표면 처리 시간에 따라 생성되는 GaN의 결정성과 성장핵 밀도(nuclei density)가 결정될 수 있다.For example, the silicon substrate 1 can be surface-treated with HCl and NH 3 at a temperature of about 800 to about 1100 degrees on the silicon substrate 1 on which β-Si 3 N 4 has been formed. The silicon substrate 1 and the β-Si 3 N 4 surface-treated with HCl and NH 3 can easily adsorb and nucleate the nitride semiconductor such as GaN. At this time, crystallinity and nuclei density of GaN produced according to surface treatment temperature, HCl, NH 3 flow rate and surface treatment time can be determined.

다음으로, 표면 처리된 기판(1) 상에 버퍼 질화물 반도체 예컨대, 버퍼 GaN를 성장하여, 도 4에서와 같이, 버퍼층(10)을 형성한다. 이때, 버퍼 질화물 반도체는 멜트백(melt back)이 일어나지 않는 온도 예컨대, 약 800 내지 약 900도의 온도 범위에서 저온 성장될 수 있다.Next, a buffer nitride semiconductor, for example, buffer GaN is grown on the surface-treated substrate 1 to form a buffer layer 10 as shown in FIG. At this time, the buffer nitride semiconductor can be low temperature grown at a temperature at which no melt back occurs, for example, in a temperature range of about 800 to about 900 degrees.

버퍼 질화물 반도체 예컨대, 버퍼 GaN의 성장은 상기 표면 질화를 통해 생성된 질소 화합물(5) 상에 직접적으로 성장되는 영역과 기판(1) 물질 상에 성장되는 영역이 있으며, 질화 처리 정도에 따라 그 비율이 달라질 수 있다. 버퍼 질화물 반도체 성장시, 측방향 성장률(lateral growth rate)을 높게 하여, 질소 화합물 상에 성장되는 질화물 반도체가 합체(coalescene)될 수 있도록 성장시킨다.The growth of the buffer nitride semiconductor, for example, buffer GaN, has a region directly grown on the nitrogen compound 5 produced through the surface nitridation and a region grown on the substrate 1 material, Can vary. During the growth of the buffer nitride semiconductor, the lateral growth rate is increased to grow the nitride semiconductor grown on the nitrogen compound to coalesce.

예를 들어, 상기 기판(1) 상에 GaN층을 성장하고자 하는 경우, 상기 버퍼 질화물 반도체는 버퍼 GaN가 된다. 실리콘 기판(1) 상에 GaN층을 성장하고자 하는 경우, 예컨대, 약 800 내지 약 900도 범위 내의 멜트백(melt back)이 일어나지 않는 온도에서 버퍼 GaN를 성장한다. 이 때, 버퍼 GaN의 성장은 β-Si3N4 상에 직접적으로 성장이 되는 영역과 실리콘 상에 성장이 되는 영역이 있으며, 질화 처리 정도에 따라 그 비율이 달라지게 된다. 이와 같은 버퍼층(10) 성장 시, 측방향 성장률을 높게 하면 β-Si3N4상에 성장되어 있는 GaN가 합체(coalescene)되도록 성장하여 버퍼층(10)을 형성하게 된다. For example, when a GaN layer is to be grown on the substrate 1, the buffer nitride semiconductor becomes a buffer GaN. When a GaN layer is to be grown on the silicon substrate 1, buffer GaN is grown at a temperature at which melt back does not occur, for example, in the range of about 800 to about 900 degrees. At this time, the growth of the buffer GaN has a region directly grown on the β-Si 3 N 4 phase and a region grown on the silicon, and the ratio varies depending on the degree of nitriding. When the lateral growth rate of the buffer layer 10 is increased, the GaN grown on the β-Si 3 N 4 phase grows to coalesce and form the buffer layer 10.

다음으로, 버퍼층(10) 상에 질화물 반도체 예컨대, GaN를 적층하면, 도 5에 보여진 바와 같이 기판(1) 상에 크랙없이 두꺼운 질화물 반도체층(30) 즉, GaN층을 적층한 구조가 얻어질 수 있다. 상기 질화물 반도체층(30)은 약 100nm 내지 약 400μm 두께로 성장될 수 있다. 이때, 질화물 반도체층(30)은 예컨대, 약 800 내지 약 1100도 범위내에서, 버퍼층(10) 성장 온도보다 높은 온도에서 성장될 수 있다.Next, a nitride semiconductor such as GaN is stacked on the buffer layer 10 to obtain a structure in which a thick nitride semiconductor layer 30, that is, a GaN layer, is stacked on the substrate 1 without cracks . The nitride semiconductor layer 30 may be grown to a thickness of about 100 nm to about 400 탆. At this time, the nitride semiconductor layer 30 can be grown at a temperature higher than the growth temperature of the buffer layer 10, for example, within a range of about 800 to about 1100 degrees.

도 6a 내지 도 6c는 실리콘 기판(1) 상에 약 870도의 온도에서 HVPE 방식에 의해 약 10μm 두께로 버퍼 GaN 성장 시 질화 시간(nitridation time)에 따른 GaN 버퍼층(10)의 형태(morphology) 변화를 보여주는 주사전자현지경(SEM:scanning electron microscope) 사진이다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 질화 시간이 0.1분, 1분, 5분일 때의 GaN 버퍼층의 형태(morphology) 변화를 보여준다. 도 6a에서는 잘 정렬된(well oriented) GaN이 생성되어 있음을 알 수 있으며, 도 6b 및 도 6c에서는 다중 결정화된(polycrystalline) GaN가 생성됨을 알 수 있다. 도 6a 내지 도 6c로부터 알 수 있는 바와 같이, 질화 시간이 감소하면서, 잘 정렬된 GaN의 밀도는 증가하며, 반대의 경우는 감소한다. 이는 질화 시간이 적을 때는, 실리콘 기판(1)에 생성되는 실리콘 질화물(Si3N4)의 결정 구조가 GaN 에피택셜 성장에 적절한 HCP 구조가 되고, 질화 시간이 증가하면, 비정질 SiNx가 되어, 실리콘 질화물 상에 성장되는 GaN가 에피택셜 정렬(epitaxial orientation)을 이루지 못해, 다결정(polycrystalline) GaN로 생성되기 때문일 수 있다.6A to 6C show morphology changes of the GaN buffer layer 10 with nitridation time when buffer GaN is grown to a thickness of about 10 mu m at a temperature of about 870 degrees on the silicon substrate 1 by the HVPE method Showing scanning electron microscope (SEM) photographs. 6A to 6C show morphology changes of the GaN buffer layer at nitriding times of 0.1 minute, 1 minute, and 5 minutes, respectively. In FIG. 6A, well-oriented GaN is generated, and in FIGS. 6B and 6C, polycrystalline GaN is generated. As can be seen from Figs. 6A to 6C, as the nitridation time decreases, the density of well-aligned GaN increases and vice versa. This is because when the nitriding time is short, the crystal structure of silicon nitride (Si 3 N 4 ) generated in the silicon substrate 1 becomes an HCP structure suitable for GaN epitaxial growth, and when the nitriding time is increased, it becomes amorphous SiNx, The GaN grown on the nitride may not be epitaxially oriented and may be formed of polycrystalline GaN.

도 7a는 질화 시간을 적절히 함으로써, 실리콘 질화물(Si3N4) 결정 구조가 GaN 에피택셜 성장에 적절한 HCP 구조일 때의 실리콘 질화물(40: Si3N4) 분포 및 실리콘 질화물(40) 상에 형성되는 GaN 성장핵(50)과 실리콘 기판(1) 상에 형성되는 GaN 성장핵(50')을 도시적으로 보여준다. 도 7b는 질화 시간이 증가할 때, 생성된 비정질 실리콘 질화물(60: SiNx) 분포 및 비정질 실리콘 질화물 상에 형성되는 GaN 성장핵(50") 및 실리콘 기판(1) 상에 형성되는 GaN 성장핵(50')을 도시적으로 보여준다. Figure 7a by appropriate nitride time, silicon nitride (Si 3 N 4) crystal structure of the silicon nitride when the appropriate HCP structure of the GaN epitaxial growth: on (40 Si 3 N 4) distribution and silicon nitride (40) The GaN growth nuclei 50 formed on the silicon substrate 1 and the GaN growth nuclei 50 'formed on the silicon substrate 1 are shown. 7B shows a GaN growth nucleus 50 " formed on the amorphous silicon nitride (60: SiNx) distribution and amorphous silicon nitride and a GaN growth nucleus 50 "formed on the silicon substrate 1 50 ').

도 8a 및 도 8b는 실리콘 기판(1) 상에 HVPE 버퍼 GaN 성장 시 HCl + NH3을 이용한 표면 처리 단계에서의 HCl flow rate에 따른 버퍼 GaN의 형태(morphology) 사진을 보여준다. 도 8a 및 도 8b는 버퍼 GaN 성장 온도 870도, 버퍼 GaN 두께 10μm로 할 때, HCl flow rate를 각각 50 sccm, 100sccm으로 했을 때 얻어진 결과이다. HCl flow rate를 50 sccm으로 적게 했을 때, 도 8a에서 볼 수 있는 바와 같이, 다결정(polycrystalline) GaN와 단결정(single crystalline) GaN이 혼재되어 있었으며, HCl flow rate를 100 sccm로 많게 했을 때, 도 8b에서 볼 수 있는 바와 같이, 단결정(single crystalline) GaN상 만이 존재하게 된다. 즉, HCl에 의한 표면 처리가 부족하면 β-Si3N4상 GaN의 핵생성에 용이하지 못해, 다결정 GaN가 생성되며, 반대로 HCl에 의한 표면 처리가 충분한 경우, GaN의 핵생성이 용이하여 GaN의 밀도가 높아지고 단결정(single crystalline) GaN가 생성될 수 있음을 알 수 있다. 물론, HCl에 의한 표면 처리가 너무 과한 경우 GaN의 밀도(density)가 너무 높아지기 때문에 도 8b의 사진에서처럼 크랙(crack)이 발생될 수 있다.FIGS. 8A and 8B show morphology photographs of buffer GaN according to the HCl flow rate in the surface treatment step using HCl + NH 3 in the HVPE buffer GaN growth on the silicon substrate 1. FIG. FIGS. 8A and 8B show the results obtained when the buffer GaN growth temperature is 870 ° C. and the buffer GaN thickness is 10 μm, and the HCl flow rates are 50 sccm and 100 sccm, respectively. When the HCl flow rate was reduced to 50 sccm, as shown in FIG. 8A, polycrystalline GaN and single crystalline GaN were mixed, and when the HCl flow rate was increased to 100 sccm, There is only a single crystalline GaN phase, as can be seen in Fig. That is, when the surface treatment with HCl is insufficient, it is not easy to nucleate β-Si 3 N 4 phase GaN and polycrystalline GaN is generated. On the other hand, when surface treatment with HCl is sufficient, nucleation of GaN is easy, The density of GaN can be increased and single crystalline GaN can be produced. Of course, when the surface treatment by HCl is too much, the density of GaN becomes too high, so cracks may occur as shown in the photograph of FIG. 8B.

도 8a 및 도 8b의 비교로부터, 실리콘 기판(1) 상에 HVPE 버퍼 GaN 성장 시 HCl + NH3를 이용한 표면 처리 단계에서 HCl flow rate를 적절히 하면, 단결정 버퍼 GaN을 생성할 수 있음을 알 수 있다.8A and 8B, it can be seen that a single crystal buffer GaN can be produced by appropriately adjusting the HCl flow rate in the surface treatment step using HCl + NH 3 in the HVPE buffer GaN growth on the silicon substrate 1 .

도 9a 및 도 9b는 각각 버퍼 GaN 성장 온도를 약 890도와 약 1030도로 했을 때, 약 10μm 두께의 버퍼 GaN가 성장된 실리콘 기판 상에 약 30μm 두께의 GaN를 성장한 사진을 보여준다. 도 9a는 기판 대부분의 영역에 미러면 상태의 GaN층이 성장된 상태를 보여준다. 도 9b는 기판 대부분의 영역에 멜트백(melt back)이 발생한 상태를 보여준다.FIGS. 9A and 9B are photographs showing GaN growth of about 30 .mu.m thick on a silicon substrate on which buffer GaN is grown to a thickness of about 10 .mu.m when the buffer GaN growth temperature is about 890 and about 1030, respectively. FIG. 9A shows a state in which a GaN layer in a mirror surface state is grown in the region of most of the substrate. FIG. 9B shows a state in which melt back occurs in the region of most of the substrate.

도 9a 및 도 9b의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 버퍼 GaN가 약 1030도의 고온에서 성장된 경우, 기판 대부분의 영역에 멜트백(melt back)이 발생하지만, 약 890도의 온도에서 버퍼 GaN를 성장시킨후 GaN를 성장시킨 경우, 멜트백이 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from the comparison of Figs. 9A and 9B, when buffer GaN is grown at a high temperature of about 1030 deg. C, melt back occurs in most regions of the substrate, but buffer GaN grows at a temperature of about 890 deg. , It is confirmed that no melt back occurs when GaN is grown.

그러므로, GaN 성장온도로서는 비교적 저온인 약 890도 정도에서 버퍼 GaN를 성장시키면, 즉, 버퍼층(10)을 저온 성장시키면, 멜트백을 방지할 수 있음을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that when the buffer GaN is grown at a relatively low GaN growth temperature of about 890 degrees, that is, when the buffer layer 10 is grown at a low temperature, the meltback can be prevented.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 버퍼층(10)은 멜트백이 일어나지 않는 온도 범위에서 저온 성장되므로, Gan 성장시 멜트백을 방지할 수 있다.Therefore, according to the method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention, the buffer layer 10 is grown at a low temperature in a temperature range in which no meltback occurs, so that meltback can be prevented during growth of the gan.

도 10a 내지 도 10c는 실리콘 기판 상에 HVPE GaN 성장시, 버퍼층 성장 온도에 따른 GaN 후막 형태(morphology) 변화를 보인 것으로, 질화 시간은 약 0.1분, 후막 두께는 약 100μm로 했을 때의 결과를 보여준다. 도 10a 내지 도 10c는 각각 버퍼층 성장 온도를 약 870도, 약 890도, 약 900도로 했을 때의 결과를 보여준다. 도 10a 내지 도 10c에서 왼쪽 사진 및 오른쪽 사진은 각각 HVPE 버퍼 GaN 성장후 후막 GaN 성장한 후의 GaN의 웨이퍼 사진, 및 버퍼 GaN층의 XTEM 사진이다.10A to 10C show the morphology change of GaN thick film according to the buffer layer growth temperature when HVPE GaN is grown on the silicon substrate. The nitridation time is about 0.1 min and the thick film thickness is about 100 μm . FIGS. 10A to 10C show the results when the buffer layer growth temperature is about 870 degrees, about 890 degrees, and about 900 degrees, respectively. 10A to 10C are a photograph of a wafer of GaN after thick-film GaN growth after HVPE buffer GaN growth and an XTEM image of a buffer GaN layer, respectively.

도 10a 내지 도 10c를 살펴보면, 웨이퍼 사진에서 약 890도의 버퍼 GaN 층의 성장 온도에서부터는 잘 정렬된(well-oriented) GaN이 생성되어 웨이퍼 표면이 미러면(mirror surface)을 보여주며, 성장 온도가 증가하면서 GaN 형태(morphology)는 더욱 미세해지며, 결정성 비율(crystallinity)도 좋아지는 결과를 보인다. 이는 성장 온도가 증가하면서 측방향 성장(lateral growth)이 증가하여 잘 정렬된 GaN 생성이 용이하기 때문이며, XTEM 사진에서도 같은 결과를 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 10A to 10C, well-oriented GaN is generated from the growth temperature of the buffer GaN layer of about 890 degrees in the wafer photograph, so that the wafer surface shows a mirror surface, , The GaN morphology becomes finer and the crystallinity is also improved. This is because lateral growth is increased with increasing growth temperature, and well-aligned GaN production is easy, and XTEM photograph shows the same result.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체층 성장 방법에 따르면, 별도의 버퍼층(10)을 형성하기 위한 엑스시투(ex situ) 공정 없이, 인시투(in situ) 공정으로 저가격인 실리콘 기판 상에 고품질의 GaN 막을 성장시킬 수 있다.As described above, according to the method of growing a nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention, an in situ process can be carried out without an ex situ process for forming a separate buffer layer 10, A high-quality GaN film can be grown on the silicon substrate.

Claims (20)

실리콘 기판을 준비하는 단계와;
질소를 포함하는 가스를 이용하여, 상기 실리콘 기판을 질화시켜 실리콘 질화물 결정구조를 생성하는 단계와;
질화되어 상기 실리콘 질화물 결정구조가 생성된 상기 실리콘 기판을 표면 처리하여 상기 실리콘 질화물 중 일부의 표면이 표면처리에 의해 활성화된 표면 상태를 가지는 성장핵을 생성시키는 단계와;
상기 성장핵 상에 질화물 반도체 버퍼층을 저온 성장시키는 단계와;
상기 질화물 반도체 버퍼층 상에 질화물 반도체를 적층하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체층 성장 방법.
Preparing a silicon substrate;
Nitriding the silicon substrate using a gas containing nitrogen to produce a silicon nitride crystal structure;
Nitriding the surface of the silicon substrate on which the silicon nitride crystal structure has been formed to produce a growth nuclei having a surface state in which a part of the surface of the silicon nitride is activated by surface treatment;
Growing a nitride semiconductor buffer layer on the growth nucleus at a low temperature;
And laminating a nitride semiconductor on the nitride semiconductor buffer layer.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 질화는 암모니아 가스를 이용하여 이루어지는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the nitridation of the silicon substrate is performed using ammonia gas. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 질화는 800도 내지 1100도의 온도에서 이루어지는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 2, wherein the nitridation of the silicon substrate is performed at a temperature of 800 to 1100 degrees. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 질화는 0.1분 내지 100분 이내에서 진행하는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein the nitridation of the silicon substrate proceeds within 0.1 minute to 100 minutes. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 질화시, 상기 질소를 포함하는 가스의 분압은 1 내지 30%인 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein a partial pressure of the nitrogen-containing gas during nitridation of the silicon substrate is 1 to 30%. 제1항에 있어서, 상기 표면 처리에 HCl을 사용하는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein HCl is used for the surface treatment. 제1항에 있어서, 상기 표면 처리에 HCl과 NH3를 이용하는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein HCl and NH 3 are used for the surface treatment. 제7항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 표면 처리는 800 내지 1100도의 온도 범위에서 이루어지는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 7, wherein the surface treatment of the silicon substrate is performed in a temperature range of 800 to 1100 degrees. 제7항에 있어서, 상기 HCl과 NH3은 유량이 1 내지 20000sccm이거나 분압이 1-30%인 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 7, wherein the HCl and NH 3 have a flow rate of 1 to 20000 sccm or a partial pressure of 1 to 30%. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판을 질화시킴에 의해 β-Si3N4가 생성되는 질화물 반도체층 성장 방법.The method for growing a nitride semiconductor layer according to any one of claims 1 to 9, wherein β-Si 3 N 4 is produced by nitriding the silicon substrate. 제10항에 있어서, 상기 실리콘 기판을 질화시켜, HCP 구조를 가지는 β-Si3N4가 생성되는 질화물 반도체층 성장 방법.11. The method of claim 10, by nitriding the silicon substrate, β-Si 3 N 4 is produced nitride semiconductor growth method that is having a HCP structure. 제10항에 있어서, 상기 버퍼층은 800 내지 900도의 온도 범위에서 성장되는 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 10, wherein the buffer layer is grown in a temperature range of 800 to 900 degrees. 제12항에 있어서, 상기 질화물 반도체의 성장 온도는 상기 버퍼층의 성장온도보다 높은 질화물 반도체층 성장 방법.13. The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 12, wherein a growth temperature of the nitride semiconductor is higher than a growth temperature of the buffer layer. 제13항에 있어서, 상기 질화물 반도체의 성장 온도는 800 내지 1100도인 질화물 반도체층 성장 방법.14. The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 13, wherein the nitride semiconductor has a growth temperature of 800 to 1100 degrees. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체는 GaN인 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 10, wherein the nitride semiconductor is GaN. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체의 성장 온도는 상기 버퍼층의 성장온도보다 높은 질화물 반도체층 성장 방법.The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 10, wherein a growth temperature of the nitride semiconductor is higher than a growth temperature of the buffer layer. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 반도체의 성장 온도는 상기 버퍼층의 성장온도보다 높은 질화물 반도체층 성장 방법.10. The nitride semiconductor layer growth method according to any one of claims 1 to 9, wherein a growth temperature of the nitride semiconductor is higher than a growth temperature of the buffer layer. 제17항에 있어서, 상기 질화물 반도체의 성장 온도는 800 내지 1100도인 질화물 반도체층 성장 방법.18. The method of growing a nitride semiconductor layer according to claim 17, wherein the nitride semiconductor has a growth temperature of 800 to 1100 degrees. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 반도체는 100nm 내지 400μm 두께로 성장되는 질화물 반도체층 성장 방법.10. The nitride semiconductor layer growth method according to any one of claims 1 to 9, wherein the nitride semiconductor is grown to a thickness of 100 nm to 400 占 퐉. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 반도체는 GaN인 질화물 반도체층 성장 방법.10. The nitride semiconductor layer growth method according to any one of claims 1 to 9, wherein the nitride semiconductor is GaN.
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