KR20090014500A - Gallium nitride growth substrate and gallium nitride substrate manufacturing method - Google Patents
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Abstract
베이스 기판과, 상기 베이스 기판 일면에 형성된 산 용해성 화학적 식각층과, 상기 식각층 상면에 형성된 질화물 박막층을 포함하는 질화갈륨 성장용 기판을 제공한다. 또한, 산 용해성 화학적 식각층과 질화물 박막층의 이중층이 일면에 형성된 베이스 기판을 준비하고, 상기 베이스 기판의 질화물 박막층 상면에 질화갈륨층을 성장시키고, 상기 화학적 식각층을 식각하여 베이스 기판과 질화갈륨층을 분리하는 단계를 포함하는 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 화학적 분리에 따라 질화갈륨 분리 과정에서 휨이나 크랙 발생이 방지하며, 베이스 기판 및 화학적 식각층을 적절히 선택함으로써 성장된 질화갈륨층의 결정 구조를 극성 또는 비극성으로 제어할 수 있다. It provides a gallium nitride growth substrate comprising a base substrate, an acid soluble chemical etching layer formed on one surface of the base substrate, and a nitride thin film layer formed on the upper surface of the etching layer. In addition, a base substrate having a double layer of an acid soluble chemical etching layer and a nitride thin film layer is prepared, a gallium nitride layer is grown on an upper surface of the nitride thin film layer of the base substrate, and the chemical etching layer is etched to etch the base substrate and the gallium nitride layer. It provides a gallium nitride substrate manufacturing method comprising the step of separating. According to the present invention, warpage and cracks are prevented during the gallium nitride separation process according to chemical separation, and the crystal structure of the grown gallium nitride layer can be controlled to be polar or nonpolar by appropriately selecting the base substrate and the chemical etching layer.
Description
본 발명은 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로, 분리 공정이 용이하고 대면적 질화갈륨 후막 제조가 가능한 방법을 제안한다.The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride growth substrate and a gallium nitride substrate, and proposes a method in which a separation process is easy and a large area gallium nitride thick film can be produced.
질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. 질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.Gallium nitride is a semiconductor material having a bandgap energy of 3.39 eV and a direct transition type, and is useful for manufacturing light emitting devices in a short wavelength region. Because of the high nitrogen vapor pressure at the melting point, gallium nitride single crystal requires high temperature of 1500 ℃ or higher and 20000 atmosphere of nitrogen atmosphere, which makes it difficult to mass-produce it. Difficult to use
지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.Until now, gallium nitride films have been grown on heterogeneous substrates by vapor phase growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or hydraulic vapor phase epitaxy (HVPE). The MOCVD method has a problem that it is difficult to use to obtain GaN substrates of tens or hundreds of micrometers because the growth rate is too slow even though a high quality film can be obtained. For this reason, a growth method using HVPE is mainly used to obtain a GaN thick film.
질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.A sapphire substrate is most commonly used as a dissimilar substrate for manufacturing a gallium nitride film because sapphire has a hexagonal structure such as gallium nitride, which is inexpensive and stable at high temperatures. However, sapphire causes strain at the interface due to gallium nitride and lattice constant difference (about 16%) and coefficient of thermal expansion (about 35%), which causes lattice defects and cracks in the crystals. It is difficult to grow a high quality gallium nitride film and shorten the life of the device fabricated on the gallium nitride film.
사파이어 기판 위에 질화갈륨을 성장시키는 경우 문제가 다른 하나는 사파이어 기판에서 성장한 질화갈륨 박막 또는 후막을 기판으로부터 분리하는 것이 용이하지 않다는 점이다. 사파이어 기판으로부터 성장한 질화갈륨을 분리하는 방법으로는 레이저를 이용한 기계적 분리 방법이 있다.Another problem with growing gallium nitride on a sapphire substrate is that it is not easy to separate the gallium nitride thin film or thick film grown on the sapphire substrate from the substrate. As a method of separating gallium nitride grown from a sapphire substrate, there is a mechanical separation method using a laser.
예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 사이이어 기판(100)과 질화갈륨층(210)에 레이저를 조사하면 두 물질 사이의 계면에서 레이저에 의한 계면 융착이 발생하고, 그 결과 도 2에 도시한 바와 같이 질화갈륨층(210)을 사파이어 기판으로부터 분리할 수 있다.For example, as shown in FIG. 1, when the laser is irradiated on the
그러나, 레이저를 이용한 질화갈륨층의 기계적 방식의 분리는 분리 과정에서 질화갈륨층에 크랙을 유발할 수 있다. 특히 레이저에 의한 분리의 경우 0.2 mm 이하 그리고 0.5 mm 이상의 두께를 가지는 질화갈륨층은 분리 공정 도중 크랙이 발생하기 매우 쉽기 때문에 대면적 후막으로 질화갈륨을 성장시킬 수 없다는 한계가 있다.However, mechanical separation of the gallium nitride layer using a laser may cause cracks in the gallium nitride layer during the separation process. In particular, in the case of separation by laser, a gallium nitride layer having a thickness of 0.2 mm or less and 0.5 mm or more has a limitation in that gallium nitride cannot be grown in a large area thick film because cracking is very easy during the separation process.
따라서, 본 발명의 목적은 대면적 질화갈륨 후막 성장에 용이한 새로운 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel gallium nitride substrate manufacturing method which is easy to grow large area gallium nitride thick film.
또한, 본 발명의 다른 목적은 화학적 방식의 분리가 용이한 질화갈륨 성장용 기판을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a substrate for growing gallium nitride, which is easy to be separated in a chemical manner.
본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 일면에 형성된 산 용해성 화학적 식각층과, 상기 식각층 상면에 형성된 질화물 박막층을 포함하는 질화갈륨 성장용 기판을 제공한다.The present invention provides a gallium nitride growth substrate comprising a base substrate, an acid soluble chemical etching layer formed on one surface of the base substrate, and a nitride thin film layer formed on an upper surface of the etching layer.
상기 화학적 식각층과 질화물 박막층은 각각 5㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 베이스 기판의 일면과 상기 화학적 식각층 사이에 50㎛ 이하의 두께로 질화갈륨 박막층을 더 형성할 수도 있다. Preferably, the chemical etching layer and the nitride thin film layer are each formed to have a thickness of 5 μm or less, and a gallium nitride thin film layer having a thickness of 50 μm or less may be further formed between one surface of the base substrate and the chemical etching layer.
상기 베이스 기판 및 화학적 식각층을 적절히 선택함으로써 성장된 질화갈륨층의 결정 구조를 극성 또는 비극성으로 제어할 수 있다. 상기 질화물 박막층은 식각층으로 사용되는 산화물층의 보호와 더불어 질화갈륨층의 결정성을 향상시킬 수 있도록 산화물층 및 질화갈륨층과 결정 구조 및 격자상수가 유사한 물질을 선택한다.By appropriately selecting the base substrate and the chemical etching layer, the crystal structure of the grown gallium nitride layer can be controlled to be polar or nonpolar. The nitride thin film layer selects a material having a crystal structure and lattice constant similar to that of the oxide layer and gallium nitride layer so as to improve the crystallinity of the gallium nitride layer together with the protection of the oxide layer used as an etching layer.
본 발명은 또한, 산 용해성 화학적 식각층과 질화물 박막층의 이중층이 일면에 형성된 베이스 기판을 준비하고, 상기 베이스 기판의 질화물 박막층 상면에 질 화갈륨층을 성장시키고, 상기 화학적 식각층을 식각하여 베이스 기판과 질화갈륨층을 분리하는 단계를 포함하는 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a base substrate having a double layer of an acid soluble chemical etching layer and a nitride thin film layer on one surface, growing a gallium nitride layer on the upper surface of the nitride thin film layer of the base substrate, and etching the chemical etching layer to the base substrate It provides a gallium nitride substrate manufacturing method comprising the step of separating the gallium nitride layer.
상기 질화갈륨층은 상기 베이스 기판 두께의 50% 이상으로 성장시키는 것이 바람직하며, 성장되는 질화갈륨층의 결정 구조를 극성 또는 비극성으로 제어하기 위하여 상기 베이스 기판을 c-plane 사파이어, SrTiO3, ScAlMgO4, LiNbO3 중의 어느 하나 또는 a-plane 또는 m-plane 사파이어, LiAlO2, LiGaO2 중의 어느 하나로 적절히 선택한다. Preferably, the gallium nitride layer is grown to 50% or more of the thickness of the base substrate, and the base substrate is c-plane sapphire, SrTiO 3 , ScAlMgO 4 to control the crystal structure of the grown gallium nitride layer to be polar or nonpolar. , LiNbO 3 , or a-plane or m-plane sapphire, LiAlO 2 , LiGaO 2 is appropriately selected.
상기 질화물 박막층은 AlN, TiN, InN, BN, CrN, Si3N4, C3N4, GaN, 및 이들의 고용체 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있으며, 분리된 질화갈륨층으로부터 질화물 박막층을 연마하여 제거할 수 있다. The nitride thin film layer may be any one selected from AlN, TiN, InN, BN, CrN, Si 3 N 4 , C 3 N 4 , GaN, and a solid solution thereof, and the nitride thin film layer is polished from the separated gallium nitride layer. Can be removed.
본 발명에 따르면, 베이스 기판에 산화물과 질화물의 이중층 구조를 형성하여 화학적 식각 방식으로 질화갈륨층을 분리할 수 있으며, 그 결과 기계적 분리시 야기될 수 있는 질화갈륨층의 휨을 방지할 수 있다. 특히, 화학적 분리에 따라 질화갈륨 분리 과정에서 휨이나 크랙 발생이 없으므로 여러가지 두께로 질화갈륨을 성장시킬 수 있고, 안정적인 분리가 가능하므로 질화갈륨 제조 수율이 향상되며 생산 원가를 절감할 수 있다. According to the present invention, by forming a double layer structure of oxide and nitride on the base substrate, the gallium nitride layer can be separated by a chemical etching method, and as a result, warping of the gallium nitride layer, which may be caused during mechanical separation, can be prevented. In particular, since there is no warpage or cracks in the gallium nitride separation process according to chemical separation, gallium nitride can be grown to various thicknesses, and the stable separation allows gallium nitride production yields to be reduced and production costs can be reduced.
본 발명은 막성장용 베이스 기판으로부터 질화갈륨 벌크를 화학적으로 분리 하기 위한 질화갈륨 성장용 기판 및 그 제조 방법을 제안한다. 구체적으로 베이스 기판으로부터 질화갈륨 후막을 화학적 방법으로 분리하기 위한 식각층으로서 산화물층과 질화물층의 이중층을 제안한다.The present invention proposes a gallium nitride growth substrate and a method of manufacturing the same for chemically separating the gallium nitride bulk from the film growth base substrate. Specifically, a bilayer of an oxide layer and a nitride layer is proposed as an etching layer for separating a gallium nitride thick film from a base substrate by a chemical method.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판이 도시되어 있다. 이 기판은 베이스 기판(100)과, 상기 베이스 기판 일면에 형성된 산 용해성 화학적 식각층(122) 및 상기 식각층 상면에 형성된 질화물 박막층(124)을 포함하는 이중층(120)으로 구성된다. 3, there is shown a substrate for growing gallium nitride according to the present invention. The substrate includes a
상기 질화갈륨 성장용 기판은 질화갈륨 제조 과정에서 베이스 기판 위에 이중층을 형성한 후 연속적으로 질화갈륨을 성장시킬 수도 있고, 미리 이중층이 형성된 베이스 기판을 준비하여 질화갈륨 기판 형성 공정에 사용할 수도 있다. 따라서, 이하에서는 베이스 기판 위에 순차적으로 상기 이중층과 질화갈륨을 형성하는 실시예를 설명하지만, 본 발명은 미리 준비된 질화갈륨 성장용 기판을 사용하여 질화갈륨 후막을 성장시키는 방법도 포괄함을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.The gallium nitride growth substrate may be formed by forming a double layer on the base substrate in the gallium nitride manufacturing process, and the gallium nitride may be continuously grown, or may be used in the gallium nitride substrate formation process by preparing a base substrate having a double layer in advance. Therefore, hereinafter, an embodiment in which the bilayer and gallium nitride are sequentially formed on a base substrate will be described. However, those skilled in the art will understand that the present invention also includes a method of growing a gallium nitride thick film using a prepared gallium nitride growth substrate. Could be.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨 제조 공정이 도시되어 있다. 베이스 기판을 준비한 후(단계 S1), 후속 공정에서 질화갈륨의 화학적 분리를 위한 식각층을 형성하고(단계 S2), 질화갈륨 박막 또는 후막 성장시 상기 식각층에 원치 않는 결함이 발생되는 것을 방지하기 위하여 보호층을 형성한다(단계 S3). 4, a gallium nitride manufacturing process according to an embodiment of the present invention is shown. After preparing the base substrate (step S1), forming an etching layer for chemical separation of gallium nitride in a subsequent process (step S2), and to prevent unwanted defects in the etching layer during the growth of gallium nitride thin film or thick film In order to form a protective layer (step S3).
화학적 분리를 위한 식각층으로는 식각액에 쉽게 용해될 수 있는 물질로서 화학적 식각층을 이용한다. 한편, 상기 보호층은 질화갈륨 성장시 원료 가스로 이 용되는 암모니아로부터 상기 화학적 식각층이 손상되는 것을 방지하기 위하여 질화물로 구성되는 박막층을 이용한다. 화학적 식각층과 질화물 박막층은 후속적인 제거가 용이하도록 가급적 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 각각 5㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 적절하다. As an etching layer for chemical separation, a chemical etching layer is used as a material that can be easily dissolved in an etching solution. On the other hand, the protective layer uses a thin film layer made of nitride to prevent damage to the chemical etching layer from ammonia used as a source gas during growth of gallium nitride. The chemical etching layer and the nitride thin film layer are preferably formed as thin as possible to facilitate subsequent removal, and specifically, each of the chemical etching layer and the nitride thin film layer is preferably formed to a thickness of 5 μm or less.
상기 베이스 기판으로는 사파이어, SrTiO3, ScAlMgO4, LiNbO3, LiAlO2, LiGaO2 중의 어느 하나의 물질로 구성된 기판을 사용할 수 있다. 기판 재질 및 결정 구조를 적절히 선택함으로써 후술하는 바와 같이 성장된 질화갈륨의 결정 구조를 극성 또는 비극성으로 제어할 수 있다. As the base substrate, a substrate made of any one of sapphire, SrTiO 3 , ScAlMgO 4 , LiNbO 3 , LiAlO 2 , and LiGaO 2 may be used. By appropriately selecting the substrate material and the crystal structure, the crystal structure of the grown gallium nitride can be controlled to be polar or nonpolar as described later.
상기 화학적 식각층으로는 TiO2, ZnO, MgO, SnO2, SrO2, ScAlMgO4, SrTiO3, LaAlO3, LiNbO3, SrRuO3, MgAl2O4, LiAlO2, LiGaO2, 및 이들 중 둘 이상으로 이루어진 다층구조 또는 이들의 고용체 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 산화물 대신 불화물인 CF4 또는 이것의 고용체를 이용할 수도 있다. In the chemical formula each layer is TiO 2, ZnO, MgO, SnO 2, SrO 2, ScAlMgO 4, SrTiO 3, LaAlO 3, LiNbO 3, SrRuO 3, MgAl 2 O 4, LiAlO 2, LiGaO 2, and two or more of these It can be used any one selected from a multilayer structure consisting of or a solid solution thereof. In addition, CF 4 which is a fluoride or a solid solution thereof may be used instead of the oxide.
화학적 식각층의 재질 역시 상기 베이스 기판 재질과의 조합에 따라 성장된 질화갈륨의 결정 구조를 결정할 수 있다. 화학적 식각층을 기판에 형성하는 방법으로는 예를 들어, 스퍼터링, 펄스레이저증착(PLD : pulsed laser deposition) 등을 이용할 수 있으나 반드시 이에 한정될 필요는 없다.The material of the chemical etching layer may also determine the crystal structure of the gallium nitride grown according to the combination with the base substrate material. As a method of forming the chemical etching layer on the substrate, for example, sputtering, pulsed laser deposition (PLD) may be used, but is not necessarily limited thereto.
상기 질화물 박막층은 AlN, TiN, InN, BN, CrN, Si3N4, C3N4, GaN, 및 이들의 고용체 중에서 선택된 어느 하나를 선택한다. 질화갈륨 성장시 사용되는 원료 가스 인 암모니아에 의하여 식각층으로 이용되는 산화물층이 입게 되는 손상을 최소화하면서 산화물층 및 질화갈륨층과 결정 구조가 유사하고 격자상수 크기가 가까운 물질을 선택함으로써 결정성의 손실없이 산화물층을 보호하는 것이 바람직할 것이다. 질화물 박막층을 형성하는 방법으로는 스퍼터링, 펄스레이저증착, HVPE, MOCVD 등을 이용할 수 있으며 반드시 이에 한정될 필요는 없다.The nitride thin film layer selects any one selected from AlN, TiN, InN, BN, CrN, Si 3 N 4 , C 3 N 4 , GaN, and solid solutions thereof. Loss of crystallinity by selecting materials with similar crystal structure and close lattice constant size to oxide layer and gallium nitride layer while minimizing damage caused by oxide layer used as etching layer by ammonia, a raw material gas used for growing gallium nitride It would be desirable to protect the oxide layer without. As a method of forming the nitride thin film layer, sputtering, pulsed laser deposition, HVPE, MOCVD, or the like may be used, but is not necessarily limited thereto.
다음으로, 화학적 식각층과 질화물 박막층의 이중층이 형성된 베이스 기판에 도 5에 도시된 바와 같이 질화갈륨을 성장시킨다(단계 S4). 질화갈륨의 성장에는 HVPE, MOCVD 등의 방법을 이용할 수 있고, 성장 속도 측면에서 HVPE법이 유리하지만 반드시 이에 한정될 필요는 없다. Next, gallium nitride is grown on the base substrate on which the double layer of the chemical etching layer and the nitride thin film layer are formed (step S4). For the growth of gallium nitride, methods such as HVPE and MOCVD can be used, and the HVPE method is advantageous in terms of growth rate, but is not necessarily limited thereto.
성장되는 질화갈륨층(210)은 상기 베이스 기판(100) 두께의 50% 이상으로 성장시키는 것이 바람직하다. 예를 들어 베이스 기판의 두께가 400㎛라면, 질화갈륨층을 200㎛ 이상의 후막으로 성장시킬 수 있으며, 나아가 베이스 기판 두께의 70% ~ 120% 정도로 두껍게 성장시키는 것도 가능하다. The grown
베이스 기판 위에 성장되는 질화갈륨층의 미세 구조는 Ga 원자와 N 원자의 결정 배열에 따라 극성 구조와 비극성 구조로 구분할 수 있다. The microstructure of the gallium nitride layer grown on the base substrate may be classified into a polar structure and a nonpolar structure according to the crystal arrangement of Ga atoms and N atoms.
GaN은 서로 120°회전되고 고유 c축과 모두 수직인 두 개(또는 세 개)의 등가 기저면 축(a축)으로 결정이 표현되는 육방 우르짜이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조에서 가장 안정하다. 우르짜이트 구조 내에서 갈륨과 질소 원자의 위치는 c축을 따라 평면별로 한 종류의 원자, 즉, Ga 또는 N만을 포함할 수 있다. 전하 중성을 유지하기 위해서, GaN 결정은 질소 원소(N 면)만을 포함하는 하나의 c면과 갈 륨 원소(Ga 면)만을 포함하는 하나의 c면으로 경계를 이룬다. 그 결과, GaN 결정은 c축을 따라 분극화되며 극성 구조를 갖게 된다.GaN is most stable in hexagonal wurtzite crystal structures in which crystals are represented by two (or three) equivalent base axes (a axis) that are rotated 120 ° to each other and are all perpendicular to the intrinsic c axis. The position of the gallium and nitrogen atoms in the urtzite structure may include only one type of atom per plane along the c axis, that is, Ga or N. To maintain charge neutrality, the GaN crystal is bounded by one c plane containing only nitrogen elements (N planes) and one c plane containing only gallium elements (Ga planes). As a result, GaN crystals are polarized along the c-axis and have a polar structure.
이와 같은 극성 질화갈륨 박막 또는 후막은 인접한 이종 층 간의 인터페이스 응력이 압전 분극을 야기한다. 총 분극은 자발 및 압전 기여분의 합으로서, 이의 전체 효과는 양자 이종구조 내에서 전하 분리를 야기한다. 양자 우물 내에서 전하 분리는 전자-홀 재결합 효율을 감소시키고 방출 파장이 적색으로 편향된다. 이러한 특성들은 발광 소자의 동작에 바람직하지 않을 수 있으며, 따라서 c축 방향 구조에 내재한 분극 효과를 제거하면 GaN 발광 소자의 효율이 개선될 수 있다.In such polar gallium nitride thin films or thick films, interface stresses between adjacent heterogeneous layers cause piezoelectric polarization. Total polarization is the sum of spontaneous and piezoelectric contributions, the overall effect of which leads to charge separation within the quantum heterostructure. Charge separation in the quantum wells reduces the electron-hole recombination efficiency and the emission wavelength is deflected red. These characteristics may be undesirable for the operation of the light emitting device, and thus, the efficiency of the GaN light emitting device may be improved by removing the polarization effect inherent in the c-axis structure.
결정 구조가 비극성으로 성장된 질화갈륨은 예를 들어 평면상에서 Ga 및 N 원소가 동일한 개수를 포함하며 전체적으로 전하 중성을 갖는다. 질화갈륨 성장층GaN 에서 대칭 등가인 비극성 면은 a면, m면 등이 해당한다. 따라서, a면 기판 또는 m면 기판을 사용하여 질화갈륨을 비극성 구조로 성장시킬 수 있다.The gallium nitride in which the crystal structure is grown non-polarly includes, for example, the same number of Ga and N elements on a plane and has charge neutrality as a whole. As for the nonpolar plane which is symmetrically equivalent in gallium nitride growth layer GaN, a plane, m plane, etc. correspond. Therefore, gallium nitride can be grown to a nonpolar structure by using an a surface substrate or an m surface substrate.
본 발명에서 질화갈륨층을 극성 기판으로 성장시키기 위해서 사용하는 베이스 기판으로는 c-plane 사파이어, SrTiO3, ScAlMgO4, LiNbO3 등이 있으며, 이 경우에 화학적 식각층에 사용되는 물질은 앞서 열거한 TiO2, ZnO, MgO, SnO2, SrO2, CF4, ScAlMgO4, SrTiO3, LaAlO3, LiNbO3, SrRuO3, MgAl2O4, 및 이들의 고용체 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. In the present invention, the base substrate used to grow the gallium nitride layer as a polar substrate includes c-plane sapphire, SrTiO 3 , ScAlMgO 4 , LiNbO 3, and the like. In this case, the materials used for the chemical etching layer are listed above. of TiO 2, ZnO, MgO, SnO 2, SrO 2, CF 4, ScAlMgO 4, SrTiO 3, LaAlO 3, LiNbO 3, SrRuO 3, MgAl 2 O 4, and any one selected from a solid solution thereof may be used.
반면, 질화갈륨층을 비극성 기판으로 성장시키기 위해서는 베이스 기판으로 a-plane 또는 m-plane 사파이어, LiAlO2, LiGaO2 중의 어느 하나를 선택하며, a- plane 또는 m-plane 사파이어가 기판으로 이용될 경우 화학적 식각층으로는 LiAlO2, LiGaO2 및 이들의 고용체 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. On the other hand, in order to grow a gallium nitride layer into a nonpolar substrate, one of a-plane or m-plane sapphire, LiAlO 2 , LiGaO 2 is selected as a base substrate, and when a-plane or m-plane sapphire is used as a substrate, It is preferable to use any one selected from LiAlO 2 , LiGaO 2 and solid solutions thereof as the chemical etching layer.
극성 구조 또는 비극성 구조로 질화갈륨을 성장시키는데 있어서 상기 질화물 박막층은 특별히 제한되지 않는다. The nitride thin film layer is not particularly limited in growing gallium nitride in a polar structure or a nonpolar structure.
질화갈륨층을 원하는 두께로 성장시킨 후에는 도 6에서와 같이 상기 화학적 식각층을 식각하여 베이스 기판과 질화갈륨층을 분리한다. 식각액으로는 예를 들어 pH 7 이하의 산을 100℃ 이상으로 가열한 용액을 사용할 수 있으며 베이스 기판 위에 질화갈륨층이 성장되어 있는 복합막을 이 용액에 수 시간에서 수십 시간 정도 담그고 화학적 식각층만을 용해시켜 질화갈륨 기판(210a)을 분리한다.After the gallium nitride layer is grown to a desired thickness, the chemical etching layer is etched to separate the base substrate and the gallium nitride layer as shown in FIG. 6. As an etchant, for example, a solution obtained by heating an acid having a pH of 7 or less to 100 ° C. or higher may be used. A composite film in which a gallium nitride layer is grown on a base substrate is immersed in this solution for several hours to several tens of hours, and only a chemical etching layer is dissolved. To separate the
분리된 질화갈륨층은 일면에 질화물 박막층이 잔류할 수 있는데 잔류하는 질화물 박막층은 기계적 또는 기계적/화학적 연마를 통해 제거하여 도 7에 도시한 바와 같이 질화갈륨만으로 구성되는 자립막(freestanding layer)(210b)을 얻는다.The separated gallium nitride layer may have a nitride thin film layer on one surface thereof. The remaining nitride thin film layer may be removed by mechanical or mechanical / chemical polishing, and as shown in FIG. 7, a
한편, 베이스 기판 위에 형성되는 이중층으로 인하여 후속적으로 성장되는 질화갈륨층의 결정성이 저하될 수 있다. 예를 들어, ZnO 등의 산화물층을 사파이어 기판에 직접 성장시키는 경우 결정성이 엑스레이 theta rocking 크기로 0.1도 (360 arcsec) 이하인 고품격의 ZnO 를 성장시키기 어렵다. On the other hand, due to the double layer formed on the base substrate, the crystallinity of the subsequently grown gallium nitride layer may be lowered. For example, when an oxide layer such as ZnO is grown directly on a sapphire substrate, it is difficult to grow high quality ZnO having a crystallinity of 0.1 degrees (360 arcsec) or less as an X-ray theta rocking size.
이러한 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 theta rocking 0.1도 이하인 고품격 질화갈륨 시드층을 먼저 베이스 기판 위에 성장시킨 후 ZnO 등의 산화물층을 형성함으로써 ZnO 결정성을 향상시키고, 결과적으로 최종 성장하는 질화갈륨층 의 결정성을 향상시킬 수 있다. 도 8은 이러한 질화갈륨 시드층(130)이 이중층(120)과 베이스 기판(100) 사이에 미리 형성되어 있는 단면 구조를 보이고 있다.In order to compensate for this disadvantage, in the present invention, a high-quality gallium nitride seed layer having a theta rocking of 0.1 degrees or less is first grown on a base substrate, and then an oxide layer such as ZnO is formed to improve ZnO crystallinity, and consequently, a final gallium nitride layer. Can improve the crystallinity. FIG. 8 illustrates a cross-sectional structure in which the gallium
질화갈륨 시드층(130) 및 화학적 분리 및 산화물 보호를 위한 이중층(120)은 베이스 기판에 미리 형성한 후, 후속적으로 질화갈륨층 성장에 이용할 수 있을 것이다. 상기 질화갈륨 시드층은 예를 들어, 베이스 기판의 일면과 상기 화학적 식각층 사이에 50㎛ 이하의 두께로 형성할 수 있을 것이다. The gallium
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.The present invention has been exemplarily described through the preferred embodiments, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various forms within the scope of the technical idea presented in the present invention, specifically, the claims. May be modified, changed, or improved.
도 1은 레이저를 이용한 질화갈륨 분리 방법을 도시한 모식도.1 is a schematic diagram showing a gallium nitride separation method using a laser.
도 2는 기계적 방식으로 분리된 질화갈륨층을 보인 모식도.Figure 2 is a schematic diagram showing a gallium nitride layer separated in a mechanical manner.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판을 보인 단면도.3 is a cross-sectional view showing a substrate for growing gallium nitride according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 제조 방법을 보인 공정도.Figure 4 is a process chart showing a gallium nitride production method according to the present invention.
도 5는 질화갈륨이 성장된 베이스 기판을 보인 단면도.5 is a cross-sectional view showing a base substrate on which gallium nitride is grown.
도 6은 베이스 기판으로부터 분리된 질화갈륨층을 보인 단면도.6 is a cross-sectional view showing a gallium nitride layer separated from a base substrate.
도 7은 질화갈륨 자립막을 보인 단면도.7 is a sectional view showing a gallium nitride independence film.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 질화갈륨 성장용 기판을 보인 단면도.Figure 8 is a sectional view showing another gallium nitride growth substrate according to the present invention.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
100:베이스 기판 122:산화물 박막층100: base substrate 122: oxide thin film layer
124:질화물 박막층 130:질화갈륨 시드층124: nitride thin film layer 130: gallium nitride seed layer
210:질화갈륨층210: gallium nitride layer
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