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KR20080062651A - Method for producing single crystal gallium nitride substrate - Google Patents

Method for producing single crystal gallium nitride substrate Download PDF

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KR20080062651A
KR20080062651A KR20060138690A KR20060138690A KR20080062651A KR 20080062651 A KR20080062651 A KR 20080062651A KR 20060138690 A KR20060138690 A KR 20060138690A KR 20060138690 A KR20060138690 A KR 20060138690A KR 20080062651 A KR20080062651 A KR 20080062651A
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gallium nitride
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gallium
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공선환
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삼성코닝정밀유리 주식회사
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Abstract

본 발명은 2:1 내지 7:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 베이스 기판 상에 분리 경계막을 성장시키는 제1 성장 단계, 상기 분리 경계막 상에 질화갈륨 후막을 성장 시키는 제2 성장 단계, 및 상기 베이스 기판 및 분리 경계막의 경계면에 레이저를 조사하여 상기 베이스 기판을 분리하는 분리 단계를 포함하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법에 따르면, 질화갈륨 기판과 베이스 기판의 분리가 용이하고 기판 분리 시 질화갈륨 기판에 크랙이 발생되지 않는다. The present invention provides a first growth step of growing a separation boundary film on a base substrate by supplying a nitrogen source and a gallium source in a V / III ratio of 2: 1 to 7: 1, and growing a gallium nitride thick film on the separation boundary film. And a second growth step, and a separation step of separating the base substrate by irradiating a laser to the interface between the base substrate and the separation boundary layer. According to the method, it is easy to separate the gallium nitride substrate and the base substrate, and cracks do not occur in the gallium nitride substrate when the substrate is separated.

Description

단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법 {Method of manufacturing single crystal gallium nitride substrate}Method of manufacturing single crystal gallium nitride substrate

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법을 개념적으로 도시한 단면도이다. 1A to 1D are cross-sectional views conceptually illustrating a method of manufacturing a single crystal gallium nitride substrate according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 질화갈륨을 성장시키는데 사용되는 성장 반응기의 일 실시예를 도시한 사시도이다.Figure 2 is a perspective view of one embodiment of a growth reactor used to grow gallium nitride in accordance with one embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110: 베이스 기판 120: 분리 경계막110: base substrate 120: separation boundary film

130: 질화갈륨 후막 132: 크랙 방지막130: gallium nitride thick film 132: crack prevention film

134: 질화갈륨 성장막 134: gallium nitride growth film

본 발명은 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판 분리가 용이하고, 기판 분리 시 크랙 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal gallium nitride substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a single crystal gallium nitride substrate that can easily separate the substrate, and can effectively suppress the occurrence of cracks during substrate separation.

최근 고효율의 단파장 발광 소자에 대한 수요가 늘어남에 따라, 이러한 용도 에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물계 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 질화물계 물질 중에서 질화갈륨(GaN)은 밴드 갭(band gap) 에너지가 3.39eV의 직접 천이형인 광폭 밴드 갭 반도체이기 때문에, 상기 질화갈륨은 이러한 단파장 발광 소자의 제조에 널리 이용되고 있다.Recently, as the demand for high-efficiency short-wavelength light emitting devices increases, research on nitride-based semiconductors that are known to be suitable for such applications is being actively conducted. In particular, gallium nitride (GaN) is a wide bandgap semiconductor having a band gap energy of 3.39 eV, which is a direct transition type of nitride-based material, and thus, gallium nitride is widely used for manufacturing such a short wavelength light emitting device.

일반적으로, 상기 질화갈륨의 막을 성장시키기 위한 성장용 기판으로는 사파이어(Al2O3), 6HSiC, LiGaO2, MgAl2O4 등이 사용되고 있다. 또한, 상기 질화갈륨 막의 성장은 금속 유기화학 기상증착법(Metallorganic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 결정법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 고온 고압에 의한 방법과 승화법(sublimation method) 등에 의하여 수행될 수 있으나, 고온 고압에 의한 방법과 승화법(sublimation method) 등은 질화갈륨의 생성 효율 및 경제성이 낮아서 현실적으로 잘 사용되고 있지 않다. 최근에는, 사파이어 기판 상에 할라이드 기상 성장법(Halide Vapor Phase Epitaxy; HVPE)에 의하여 단결정 질화갈륨 막을 성장시키는 방법이 사용되고 있다.In general, sapphire (Al 2 O 3 ), 6HSiC, LiGaO 2 , MgAl 2 O 4, or the like is used as a growth substrate for growing the gallium nitride film. In addition, the growth of the gallium nitride film may be performed by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), high temperature and high pressure, sublimation method, and the like. However, the high temperature and high pressure method and the sublimation method are not used in reality because of the low production efficiency and economic efficiency of gallium nitride. Recently, a method of growing a single crystal gallium nitride film on a sapphire substrate by halide vapor phase epitaxy (HVPE) has been used.

이렇게 성장된 질화갈륨 막은 베이스 기판과 분리됨으로써, 자립기판으로 사용될 수 있다. 상기 베이스 기판으로부터 성장된 질화갈륨 막을 분리하기 위해서는 소정의 파장영역을 갖는 레이저를 사용하는 것이 일반적이다. The gallium nitride film thus grown may be used as a freestanding substrate by being separated from the base substrate. In order to separate the gallium nitride film grown from the base substrate, a laser having a predetermined wavelength range is generally used.

일반적으로, 레이저를 이용한 질화갈륨 막의 분리 시 질화갈륨 막이 제대로 분리되지 않거나, 분리가 되어도 분리 과정 중에 크랙이 발생되어 질화갈륨 막 전체로 전파되는 문제가 발생한다. 또한, 질화갈륨 막의 일부만 분리될 수도 있다. In general, when the gallium nitride film is separated using a laser, the gallium nitride film is not properly separated, or even when separated, cracks are generated during the separation process, thereby causing a problem of propagation through the entire gallium nitride film. In addition, only part of the gallium nitride film may be separated.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베이스 기판과 성장된 질화갈륨 막의 분리가 용이하고, 분리 공정 시 크랙 발생이 없는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a single crystal gallium nitride substrate, which is easy to separate the base substrate and the grown gallium nitride film and does not generate cracks during the separation process. .

본 발명의 일 특징에 따라 단결정 질화갈륨 기판을 제조하기 위해서는, 우선 2:1 내지 7:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 베이스 기판 상에 분리 경계막을 시킨다. 상기 분리 경계막 상에는 질화갈륨 후막을 성장한다. 단결정 질화갈륨 기판은 상기 베이스 기판 및 분리 경계막의 경계면에 레이저를 조사하여 상기 베이스 기판을 분리함으로써 획득될 수 있다. In order to manufacture a single crystal gallium nitride substrate according to an aspect of the present invention, a separation boundary film is first formed on a base substrate by supplying a nitrogen source and a gallium source in a V / III ratio of 2: 1 to 7: 1. The gallium nitride thick film is grown on the separation boundary film. The single crystal gallium nitride substrate may be obtained by separating the base substrate by irradiating a laser to the interface between the base substrate and the separation boundary layer.

상기 분리 경계막은 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께가 되도록 성장되는 것이 바람직하다. The separation boundary membrane is preferably grown to have a thickness of 10 μm to 30 μm.

상기 제2 성장 단계는, 세부적으로는 8:1 내지 18:1의 V/III족 비율 범위 내에서 순차적으로 V/III족 비율을 감소시켜 가면서 질소원 및 갈륨원을 공급하여 크랙 방지 막을 형성하는 크랙 방지 단계, 및 2:1 내지 10:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 질화갈륨 성장막을 형성시키는 성장막 형성 단계를 포함한다. In the second growth step, cracks are formed to supply a nitrogen source and a gallium source to form a crack prevention film while decreasing the Group V / III ratio sequentially within the Group V / III ratio range of 8: 1 to 18: 1. And a growth film forming step of supplying a nitrogen source and a gallium source at a V / III ratio of 2: 1 to 10: 1 to form a gallium nitride growth film.

상기 크랙 방지 막은 10㎛ 내지 30㎛의 두께로 조절되는 것이 바람직하다. The crack prevention film is preferably adjusted to a thickness of 10㎛ to 30㎛.

상기 질소원으로서는 암모니아(NH3) 가스가 사용될 수 있고, 갈륨원으로서는 염화갈륨(GaCl) 가스가 사용될 수 있다. Ammonia (NH 3 ) gas may be used as the nitrogen source, and gallium chloride (GaCl) gas may be used as the gallium source.

또한, 사용되는 레이저는 345 내지 385nm의 파장 영역을 조사할 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to use the laser which can irradiate the wavelength region of 345-385nm.

상기 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법은, 질화갈륨 막의 성장 전에, 베이스 기판의 표면을 질화 처리하는 질화처리 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 질화 처리하는 단계는 암모니아 가스 분위기 하에서 1차 질화 처리하는 단계, 암모니아 가스 및 염화수소 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 열처리 하는 단계, 및 상기 암모니아 가스 분위기 하에서 2차 질화 처리 하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the single crystal gallium nitride substrate may further include a nitriding treatment step of nitriding the surface of the base substrate before the growth of the gallium nitride film. The nitriding treatment may include a first nitriding treatment under an ammonia gas atmosphere, a heat treatment under a mixed gas atmosphere including ammonia gas and hydrogen chloride gas, and a second nitriding treatment under the ammonia gas atmosphere. .

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 본 발명의 기술 사상이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 질화물 기판의 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a single crystal nitride substrate according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 우선 질화갈륨을 성장시키기 위한 모재(母材)로서 베이스 기판(110)이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판(110)으로는 사파이어(Al2O3)를 포함하는 베이스 기판이 사용된다. 즉, 단결정 사파이어(Al2O3)로 이루어진 사파이어 기판 또는 베이스 기판(110)의 표면에만 사파이어를 포함하는 기판이 사용될 수도 있다. 이와 다르게, 베이스 기판(110)으로 사파이어 기판 외에 LiNbO3, LiTaO3 등도 3방정계 기판 또는 SiC, GaAs, Si 등도 이용될 수 있다.Referring to FIG. 1A, first, a base substrate 110 is provided as a base material for growing gallium nitride. According to one embodiment of the present invention, a base substrate including sapphire (Al 2 O 3 ) is used as the base substrate 110. That is, a sapphire substrate made of single crystal sapphire (Al 2 O 3 ) or a substrate including sapphire only on the surface of the base substrate 110 may be used. Alternatively, in addition to the sapphire substrate, as the base substrate 110, LiNbO 3 , LiTaO 3 , or the like may be used as a trigonal substrate or SiC, GaAs, Si, or the like.

도 1b를 참조하면, 상기 베이스 기판(110) 상에는 분리 경계막(120)이 성장된다. 상기 분리 경계막(120)은 질소원 및 갈륨원 2:1 내지 7:1의 V/III족 비율로 챔버에 공급함으로써 형성될 수 있다. 상기 질소원으로서는, 암모니아 가스(NH3)를 사용하고, 상기 갈륨원으로서는 염화갈륨(GaCl) 가스를 사용할 수 있다. 상기 염화갈륨은 챔버 내에 바로 공급되는 것이 아니고, 실질적으로 챔버에 공급되는 물질은 염화수소(HCl) 가스이다. 상기 염화수소 가스는 챔버 내의 소정의 위치에 미리 배치되어 있는 갈륨금속(Ga)과 반응하여 염화갈륨(GaCl) 가스가 생성된다. Referring to FIG. 1B, an isolation boundary layer 120 is grown on the base substrate 110. The separation boundary membrane 120 may be formed by supplying a chamber at a V / III ratio of a nitrogen source and a gallium source of 2: 1 to 7: 1. Ammonia gas (NH 3 ) may be used as the nitrogen source, and gallium chloride (GaCl) gas may be used as the gallium source. The gallium chloride is not directly supplied into the chamber, and substantially the material supplied to the chamber is hydrogen chloride (HCl) gas. The hydrogen chloride gas reacts with gallium metal (Ga), which is disposed at a predetermined position in the chamber, to generate gallium chloride (GaCl) gas.

따라서, V/III족비를 조절하기 위해서는 실질적으로 챔버 내에 공급되는 암모니아 가스 및 염화수소 가스의 부피비를 조절하여야 한다. 이에 대해서는 반응 장치의 설명과 함께 후술하도록 한다. Therefore, in order to adjust the V / III ratio, it is necessary to substantially adjust the volume ratio of the ammonia gas and the hydrogen chloride gas supplied into the chamber. This will be described later together with the description of the reaction apparatus.

상기와 같은 방법으로 형성된 분리 경계막(120)은 양호한 결정성을 갖고, 향후 베이스 기판(110) 상에 성장된 질화갈륨 기판의 분리 시 안정된 분리를 유도할 수 있다. 질화갈륨 기판의 분리는 상기 분리 경계막(120)과 상기 베이스 기판(110)의 경계면에서 이루어진다. The separation boundary layer 120 formed by the above method has good crystallinity and may induce stable separation upon separation of the gallium nitride substrate grown on the base substrate 110. Separation of the gallium nitride substrate is performed at the interface between the separation boundary layer 120 and the base substrate 110.

상기 분리 경계막(120)의 두께가 10 ㎛ 미만이면, 분리되지 않는 문제점이 있고, 반면에 상기 분리 경계막(120)의 두께가 30 ㎛를 초과하면 크랙이 발생되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 분리 경계막(120)은 10 내지 30 ㎛의 두께를 갖도록 성장된다. 바람직하게는 상기 분리 경계막(120)의 두께는 20 ㎛ 내외로 조절된다. If the thickness of the separation boundary membrane 120 is less than 10 μm, there is a problem in that the separation does not separate, whereas if the thickness of the separation boundary membrane 120 exceeds 30 μm, there is a problem that cracks are generated. Therefore, the separation boundary membrane 120 is grown to have a thickness of 10 to 30 μm. Preferably, the thickness of the separation membrane 120 is adjusted to about 20 ㎛.

도 1c를 참조하면, 상기 분리 경계막(120) 상에는 질화갈륨 후막(130)이 성장된다. 상기 질화갈륨 후막(130)의 성장은 다시 두 단계로 구분된다. Referring to FIG. 1C, a thick gallium nitride film 130 is grown on the separation boundary film 120. The growth of the gallium nitride thick film 130 is divided into two steps.

우선, 상기 분리 경계막(120) 상에 8:1 내지 18:1의 V/III족 비율 범위 내에서 순차적으로 V/III족 비율을 감소시켜 가면서 질소원 및 갈륨원을 공급하여 크랙 방지 막(132)을 형성한다.First, the crack prevention membrane 132 is supplied by supplying a nitrogen source and a gallium source while sequentially decreasing the V / III group ratio within the V / III group ratio range of 8: 1 to 18: 1 on the separation boundary membrane 120. ).

상기 크랙 방지 막 상에는 2:1 내지 10:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 질화갈륨 성장막(134)을 형성시킨다. The gallium nitride growth film 134 is formed on the crack prevention film by supplying a nitrogen source and a gallium source in a V / III ratio of 2: 1 to 10: 1.

즉, 초기에 결정성이 약화되도록 성장 시키다가 점점 결정성을 강화시킨 후 본격적인 질화갈륨 성장막(134)을 형성하는 것이다. In other words, the crystallization is initially made to weaken the crystallinity, and then the crystallinity is gradually formed to form the gallium nitride growth layer 134.

상기 크랙 방지 막은 형성되는 질화갈륨 후막(130)의 응력을 감소시켜, 성장된 질화갈륨 후막(130)의 크랙 발생을 최소화할 수 있다. The crack preventing film may reduce the stress of the gallium nitride thick film 130 to be formed, thereby minimizing the crack generation of the grown gallium nitride thick film 130.

상기 크랙 방지 막(132)은 질화갈륨 성장막(134)의 두께에 따라 가변적으로 조절될 수 있는데, 본 발명에 따르면, 상기 질화갈륨 성장막(134)의 두께 대비 4 내지 10 %의 두께를 갖도록 성장되는 것이 바람직하다.The crack preventing layer 132 may be variably adjusted according to the thickness of the gallium nitride growth layer 134. According to the present invention, the crack prevention layer 132 may have a thickness of 4 to 10% of the thickness of the gallium nitride growth layer 134. It is desirable to grow.

상기 분리 경계막(120) 및 질화갈륨 후막(130)의 성장 온도 및 성장 속도는 공정 효율 및 제조되는 질화갈륨 기판의 용도에 따라 다양하게 조절될 수 있으나 바람직하게는 900 내지 1100℃ 온도 하에서 10 ㎛/h 내지 300 ㎛/h의 성장 속도로 성장된다. 한편, 각각 막(120, 132, 134)에 따라 서로 다르게 조절될 수 있다. The growth temperature and growth rate of the separation boundary layer 120 and the gallium nitride thick film 130 may be variously adjusted according to process efficiency and the use of the gallium nitride substrate to be manufactured, but preferably 10 μm under a temperature of 900 to 1100 ° C. grow at a growth rate of / h to 300 μm / h. On the other hand, it can be adjusted differently according to the membrane (120, 132, 134) respectively.

본 발명에 따른 질화갈륨 기판은 상기 분리 경계막(120), 크랙 방지막(132) 및 질화갈륨 성장막(134)를 모두 포함하는 개념이다. 상기 질화갈륨 기판은 상기 베이스 기판(110)과 분리됨으로써, 자립기판으로 사용될 수 있다. The gallium nitride substrate according to the present invention is a concept including all of the separation boundary layer 120, the crack prevention layer 132, and the gallium nitride growth layer 134. The gallium nitride substrate may be separated from the base substrate 110 and used as a freestanding substrate.

도 1d를 참조하면, 상기 질화갈륨 기판(120 및 130) 및 상기 베이스 기판(110)은 상기 분리 경계막(120) 및 베이스 기판(110)의 경계면에 소정 영역의 파장을 갖는 레이저 광을 조사함으로써, 분리될 수 있다. Referring to FIG. 1D, the gallium nitride substrates 120 and 130 and the base substrate 110 are irradiated with laser light having a wavelength of a predetermined region on the boundary surfaces of the separation boundary layer 120 and the base substrate 110. , Can be separated.

상기 레이저 광의 파장은 345 내지 385nm인 것이 바람직하다. 질화갈륨은 밴드갭 에너지의 크기가 3.39eV로 고유파장이 자외선(UV)이므로, UV 파장을 사용하게 되면 사파이어 기판은 통과되고 질화갈륨에서 흡수가 발생되므로 레이저 광의 파장이 상기 범위 밖인 경우 분리가 일어나지 못하게 되다. The wavelength of the laser light is preferably 345 to 385 nm. Since gallium nitride has a bandgap energy of 3.39 eV and its intrinsic wavelength is ultraviolet (UV) light, sapphire substrates pass through and absorption occurs in gallium nitride when UV wavelength is used. Not be allowed

분리된 질화갈륨 기판은 추가적인 연마 공정 등을 거쳐 완성품으로 제조될 수 있다. The separated gallium nitride substrate may be manufactured as a finished product through an additional polishing process.

도 1에 도시되지는 않았으나, 상기 질화갈륨 기판의 제조 방법은 상기 분리 경계막(120)의 형성 전에 베이스 기판(110) 표면을 질화처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다. Although not shown in FIG. 1, the method of manufacturing the gallium nitride substrate may further include nitriding a surface of the base substrate 110 before the separation boundary layer 120 is formed.

상기 베이스 기판(110)의 표면을 질화 처리하면, 상기 베이스 기판(110)의 표면 상태를 개선시킬 수 있고 나아가 질화갈륨 막의 성장 과정 동안 질화갈륨 막 내부에서 거대 기공이 발생되는 것을 방지할 수 있다.When the surface of the base substrate 110 is nitrided, the surface state of the base substrate 110 may be improved, and further, macropores may be prevented from occurring in the gallium nitride film during the growth process of the gallium nitride film.

상기 질화 처리는 구체적으로 세 단계의 과정으로 이루어진다. 우선, 상기 베이스 기판(110)을 챔버(chamber) 내에 장입하고, 챔버 내에 암모니아(NH3) 가스를 공급하면서 암모니아 가스 분위기 하에서 1차 질화 처리를 한다. 1차 질화 처리가 완료되면, 암모니아 가스 및 염화수소(HCl) 가스로 이루어진 혼합가스를 공급하면서 상기 혼합 가스 분위기 하에서 상기 베이스 기판(110)을 열처리한다. 상기 열처리가 완료되면, 다시 1차 질화 처리와 동일한 방법으로 암모니아 가스를 챔버 내에 공급하면서 암모니아 가스 분위기 하에서 2차 질화 처리를 한다.The nitriding treatment is specifically a three step process. First, the base substrate 110 is charged into a chamber, and the first nitriding treatment is performed under an ammonia gas atmosphere while supplying ammonia (NH 3 ) gas into the chamber. When the first nitriding process is completed, the base substrate 110 is heat-treated under the mixed gas atmosphere while supplying a mixed gas composed of ammonia gas and hydrogen chloride (HCl) gas. After the heat treatment is completed, the second nitriding treatment is performed under an ammonia gas atmosphere while supplying ammonia gas into the chamber in the same manner as the first nitriding treatment.

즉, 상기 질화 처리 단계는 1 차 질화 처리, 열처리, 및 2 차 질화 처리의 3 단계 공정으로 이루어진다. 상기 열처리를 포함한 질화 처리 단계는 1000℃ 이상의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다. That is, the nitriding treatment step includes three steps of primary nitriding treatment, heat treatment, and secondary nitriding treatment. The nitriding treatment step including the heat treatment is preferably performed at a temperature of 1000 ° C. or higher.

상기 질화 처리된 베이스 기판(110) 상에 질화갈륨을 성장시키면, 질화갈륨 막 내부에서 거대 기공이 발생되는 것을 효율적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 질화 처리 공정을 수행할 경우, 상기 베이스 기판(110) 및 질화갈륨 막 사이의 경계 면에 추가적인 버퍼층(buffer layer)을 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.By growing gallium nitride on the nitrided base substrate 110, it is possible to effectively prevent the generation of large pores in the gallium nitride film. In addition, when performing the nitriding treatment process, an additional buffer layer may not be used at the interface between the base substrate 110 and the gallium nitride film.

이하에서는, 질화갈륨의 성장 방법을 성장 반응기를 설명하면서 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 질화갈륨을 성장시키는데 사용되는 성장 반응기의 일 실시예를 도시한 사시도이다.Hereinafter, a method of growing gallium nitride will be described in more detail with reference to a growth reactor. Figure 2 is a perspective view of one embodiment of a growth reactor used to grow gallium nitride in accordance with one embodiment of the present invention.

도 2의 성장 반응기(growth reactor)를 이용하여 할라이드 기상성장법(Halide Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 통해 질화 처리된 베이스 기판(110) 표면으로부터 질화갈륨 막을 성장시킬 수 있다. 도 2를 참조하면, 성장 반응기(200)는 전기로(electric furnace)(210), 챔버(chamber)(220), 주입관(injection pipe)(230), 시료 보트(sampling boat)(240), 반응관(reaction pipe)(250) 및 서셉터(susceptor)(260)를 포함한다. The gallium nitride film may be grown from the surface of the nitrided base substrate 110 through a halide vapor phase epitaxy (HVPE) using the growth reactor of FIG. 2. Referring to FIG. 2, the growth reactor 200 includes an electric furnace 210, a chamber 220, an injection pipe 230, a sampling boat 240, A reaction pipe 250 and a susceptor 260.

상기 전기로(210)는 성장 반응기(200)의 외주 면에 장착되어 챔버(220)로 열원을 공급한다. 상기 챔버(220)는 고온으로 가열될 수 있고, 상기 챔버(220)는 그 내부에 일정한 온도 분위기를 형성한다. 상기 챔버(220)의 일 측에는 질소 생성가스를 주입하는 주입관(230), 상기 주입관(230)으로부터 일정 거리 이격되어 장착되며, 내부에 갈륨 등의 III족 원소 또는 III족 원소를 포함하는 화합물이 분말 형태로 수용된 시료 보트(240) 및 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 시료 보트(240)에 수용된 III족 원소가 결합된 반응물을 토출하는 반응관(250)이 장착된다. 또한, 상기 챔버(220) 내에는 상기 주입관(230)을 통해 주입된 질소 생성가스와 상기 반응관(250)에서 토출된 반응물이 결합되어 형성된 질화물이 증착되어 성장되기 위한 사파이어 기판 등의 모재(母材)를 지지하는 서셉터(susceptor)(260)가 배치된다. The electric furnace 210 is mounted on the outer circumferential surface of the growth reactor 200 to supply a heat source to the chamber 220. The chamber 220 may be heated to a high temperature, and the chamber 220 forms a constant temperature atmosphere therein. One side of the chamber 220 is mounted to the injection tube 230 for injecting nitrogen generating gas, spaced apart from the injection tube 230 by a predetermined distance, a compound containing a group III element or group III elements, such as gallium therein The sample boat 240 accommodated in powder form and a reaction tube 250 for discharging the reactants in which the reaction gas injected from the outside and the group III elements contained in the sample boat 240 are discharged are mounted. In addition, in the chamber 220, a base material such as a sapphire substrate for growing by depositing a nitride formed by combining the nitrogen generating gas injected through the injection pipe 230 and the reactant discharged from the reaction pipe 250. And a susceptor 260 supporting iii) is disposed.

상기 질화갈륨이 사파이어 기판 등의 모재(母材)의 표면에 증착 및 성장되는 동안, 상기 반응물 및 질화물의 생성은 계속되므로, 지속적으로 상기 성장 재료인 질화갈륨은 상기 모재의 표면에 공급된다.While the gallium nitride is deposited and grown on the surface of the base material such as a sapphire substrate, the formation of the reactant and the nitride is continued, so that the growth material gallium nitride is continuously supplied to the surface of the base material.

상기 반응물 및 질화물의 순차적인 생성 반응 메커니즘을 이해하기 쉽도록 하기 위하여, 상기 반응물 및 질화물의 생성 반응식을 하기 반응식(1)에 나타내었다. In order to make it easier to understand the sequential formation reaction mechanism of the reactants and nitrides, the reaction reaction schemes of the reactants and nitrides are shown in the following reaction formula (1).

Figure 112006098501812-PAT00001
Figure 112006098501812-PAT00001

상기 반응식(1)에서 상기 X는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 인듐(In) 등의 III족 원소를 표시한다. 따라서 상기 반응식(1)에 의한 생성 반응에 의하여 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화인듐(InN) 등의 질화물이 생성될 수 있다. 상기 반응식(1)에서 보는 바와 같이, 반응 가스로는 염화수소(HCl) 가스를 사용하고, 질소 생성가스로서 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 X가 갈륨(Ga)인 경우를 상정한 것이다.In Scheme (1), X represents a group III element such as gallium (Ga), aluminum (Al), or indium (In). Therefore, nitrides such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), or indium nitride (InN) may be generated by the reaction produced by the reaction formula (1). As shown in the reaction formula (1), hydrogen chloride (HCl) gas may be used as the reaction gas, and ammonia (NH 3 ) gas may be used as the nitrogen generating gas. That is, the present invention assumes that X is gallium (Ga).

따라서, 도 2 및 상기 반응식(1)을 다시 참조하면, 상기 반응관(250)을 통해 주입된 염화수소 가스와 상기 시료 보트(240)에 수용되어 있는 갈륨 성분은 화학 반응하여 염화갈륨(GaCl) 가스를 생성한다. 상기 염화갈륨 가스가 상기 챔버(220) 내부로 토출되면, 상기 챔버(220)의 일 측에 연결된 주입관(230)을 통하여 암모니아 가스가 주입된다. 상기 암모니아 가스가 주입되면, 상기 챔버(220) 내에서는 암모니아 가스와 상기 반응관(250)에서 토출된 상기 염화갈륨 가스가 결합하여 질화갈륨(GaN)이 생성된다. 생성된 상기 질화갈륨은 상기 서셉터(260)에 의해 지지되는 사파이어 기판 등의 모재(母材) 표면에 증착되어 성장된다. 성장이 완료되면, 사파이어 기판 상에 소정의 두께를 갖는 단결정 질화갈륨 막이 형성된다. Therefore, referring back to FIG. 2 and the reaction formula (1), the gallium chloride gas injected through the reaction tube 250 and the gallium component contained in the sample boat 240 are chemically reacted to form gallium chloride (GaCl) gas. Create When the gallium chloride gas is discharged into the chamber 220, ammonia gas is injected through the injection pipe 230 connected to one side of the chamber 220. When the ammonia gas is injected, the ammonia gas and the gallium chloride gas discharged from the reaction tube 250 are combined in the chamber 220 to generate gallium nitride (GaN). The produced gallium nitride is deposited and grown on a surface of a base material such as a sapphire substrate supported by the susceptor 260. When the growth is completed, a single crystal gallium nitride film having a predetermined thickness is formed on the sapphire substrate.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법에 따 르면, 분리 경계막을 포함함으로써 질화갈륨 기판과 베이스 기판의 분리가 용이하고, 분리 공정 중 상기 질화갈륨 기판에 크랙이 전파되는 것을 억제할 수 있다.As described above, according to the method for manufacturing a single crystal gallium nitride substrate according to the present invention, it is easy to separate the gallium nitride substrate and the base substrate by including a separation boundary film, and the crack propagates to the gallium nitride substrate during the separation process. It can be suppressed.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

Claims (8)

2:1 내지 7:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 베이스 기판 상에 분리 경계막을 성장시키는 제1 성장 단계;A first growth step of growing a separation barrier on the base substrate by supplying a nitrogen source and a gallium source at a V / III ratio of 2: 1 to 7: 1; 상기 분리 경계막 상에 질화갈륨 후막을 성장 시키는 제2 성장 단계; 및A second growth step of growing a thick gallium nitride film on the separation boundary film; And 상기 베이스 기판 및 분리 경계막의 경계면에 레이저를 조사하여 상기 베이스 기판을 분리하는 분리 단계를 포함하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. And separating the base substrate by irradiating a laser to an interface between the base substrate and the separation boundary layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 분리 경계막을 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께가 되도록 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. The separation boundary film is grown to have a thickness of 10 μm to 30 μm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 성장 단계는, The second growth stage, 8:1 내지 18:1의 V/III족 비율 범위 내에서 순차적으로 V/III족 비율을 감소시켜 가면서 질소원 및 갈륨원을 공급하여 크랙 방지 막을 형성하는 크랙 방지 단계; 및A crack prevention step of supplying a nitrogen source and a gallium source while sequentially decreasing the Group V / III ratio within a Group V / III ratio range of 8: 1 to 18: 1 to form a crack prevention film; And 2:1 내지 10:1의 V/III족 비율로 질소원 및 갈륨원을 공급하여 질화갈륨 성장막을 형성시키는 성장막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. And a growth film forming step of supplying a nitrogen source and a gallium source in a V / III group ratio of 2: 1 to 10: 1 to form a gallium nitride growth film. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 크랙 방지 막의 두께를 상기 질화갈륨 성장막의 두께 대비 4 내지 10%로 조절하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. The thickness of the crack preventing film is adjusted to 4 to 10% of the thickness of the gallium nitride growth film manufacturing method of a single crystal gallium nitride substrate. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 질소원은 암모니아(NH3) 가스이고 갈륨원은 염화갈륨(GaCl) 가스인 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. The nitrogen source is ammonia (NH 3 ) gas and the gallium source is gallium chloride (GaCl) gas manufacturing method of a single crystal gallium nitride substrate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 345 내지 385nm의 파장 영역을 조사할 수 있는 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. A method for producing a single crystal gallium nitride substrate, which uses a laser capable of irradiating a wavelength region of 345 to 385 nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 베이스 기판의 표면을 질화 처리하는 질화처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법.A method of manufacturing a single crystal gallium nitride substrate further comprising a nitriding step of nitriding the surface of the base substrate. 제7항에 있어서, 상기 질화 처리 단계는,The method of claim 7, wherein the nitriding treatment step, 암모니아 가스 분위기 하에서 1차 질화 처리하는 단계;First nitriding under an ammonia gas atmosphere; 암모니아 가스 및 염화수소 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 열처리 하는 단계; 및 Heat treatment under a mixed gas atmosphere containing ammonia gas and hydrogen chloride gas; And 상기 암모니아 가스 분위기 하에서 2차 질화 처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화갈륨 기판의 제조 방법. And a second nitriding process under the ammonia gas atmosphere.
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