KR20050014345A

KR20050014345A - The epitaxial growth of GaN related material, using new type SiC Buffer layer

Info

Publication number: KR20050014345A
Application number: KR1020030052936A
Authority: KR
Inventors: 장문식
Original assignee: 에피밸리 주식회사
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-07

Abstract

PURPOSE: A method for growing a nitride-based semiconductor crystal is provided to grow a high-quality nitride semiconductor thin film and use such a thin film as a material of a light emitting device requiring high brightness and high reliability by using a SiC layer as a buffer layer. CONSTITUTION: A SiC thin film of a predetermined thickness on a sapphire substrate(11) is used as a buffer layer(12). An InAlGaN-based thin film is grown on the buffer layer. The thickness(t) of the SiC thin film used as the buffer layer is 0.5 nanometer<=t<=500 nanometer. CBr4 and/or CxHy(x,y are integers) are used as a carbon precursor. The growth temperature(T) of the SiC buffer layer is 300 deg.C<=T<=1500 deg.C.

Description

SiC Buffer layer를 이용한 질화물 계열 반도체 결정 성장.{The epitaxial growth of GaN related material, using new type SiC Buffer layer}{The epitaxial growth of GaN related material, using new type SiC Buffer layer}

본 발명은 사파이어 기판 위에 SiC Buffer layer를 성장하여 질화물 반도체의 성장 특성 및 결정에 관한 품질을 개선하는 것에 대한 것이다.The present invention is directed to growing a SiC buffer layer on a sapphire substrate to improve the quality of the growth characteristics and crystals of nitride semiconductors.

기존의 질화물 반도체 성장 법은 사파이어 기판 위에 AlN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, AlxInyGa(1-x-y)N중 하나의 질화물 반도체를 500℃ 정도의 저온에서 성장시켜 Buffer layer를 구성하고 그 위에 고온에서 질화물 계열 반도체를 성장시켜 발광소자에 필요한 박막품질을 획득한다. 이때 Ga 원료로 TMGa 및 TEGa 가 주로 사용되고 N 원료로 NH3가 주로 사용된다.In the conventional nitride semiconductor growth method, a nitride semiconductor of AlN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, or AlxInyGa (1-xy) N is grown on a sapphire substrate at a low temperature of about 500 ° C to form a buffer layer, Growing a nitride-based semiconductor to obtain the thin film quality required for the light emitting device. At this time, TMGa and TEGa are mainly used as Ga raw materials, and NH3 is mainly used as N raw materials.

상기와 같은 방법으로 성장된 질화물 반도체에 Mg, Zn 등의 물질이 첨가되면 정공이 풍부한 p-형 반도체 박막으로 전기적인 특성이 변한다. 그리고 Mg, Zn 대신 Si 첨가되면 잉여 전자가 존재하는 n-형 반도체 박막으로 특성이 변한다. p-형 및 n-형 반도체 박막 사이에 발광 층을 성장하면 청색, 녹색 그리고 자외선 전자기파가 발광하는 다이오드가 된다.When a material such as Mg or Zn is added to the nitride semiconductor grown by the above method, the electrical properties of the p-type semiconductor thin film rich in holes change. If Si is added instead of Mg and Zn, the characteristics change to an n-type semiconductor thin film in which excess electrons are present. When the light emitting layer is grown between the p-type and n-type semiconductor thin films, blue, green and ultraviolet electromagnetic waves emit light.

현대 사회에서 청색, 녹색 및 자외선 발광 다이오드의 응용은 다양하다. 청색, 녹색의 발광 다이오드의 경우 빛의 3원색 중 청색, 녹색을 발광할 수 있어 옥외 전광판이나 신호등 그리고 형광체가 도포 된 백색 광소자 등에 다양하게 응용되고 있다. 자외선 발광 다이오드 의 경우 위조 지폐 감지에 필요한 광원 및 차세대 조명용 광원으로 응용이 되고 있다. 응용의 범위는 질화물 반도체의 가격 하락과 더불어 수요는 지속 적으로 확장될 것으로 예상된다. 특히 고 휘도 및 고 신뢰성 발광소자를 요구하는 고품위 발광 다이오드 분야에서 지속적인 성장이 기대 되고 있다.In modern society, the application of blue, green and ultraviolet light emitting diodes is diverse. Blue and green light emitting diodes can emit blue and green colors among the three primary colors of light, and thus are widely applied to outdoor display boards, traffic lights, and white optical devices coated with phosphors. UV light emitting diodes have been applied as light sources for counterfeit bill detection and next generation lighting sources. The scope of application is expected to continue to expand with the price drop of nitride semiconductors. In particular, continuous growth is expected in the field of high-quality light emitting diodes requiring high brightness and high reliability light emitting devices.

본 발명은 질화물 반도체 성장 공정에서 Buffer layer로 SiC를 사용하는 방법에 관한 것이다. SiC를 Buffer layer로 이용할 경우 고품질의 질화물 반도체 박막이 성장되고 이러한 박막은 고 휘도 및 고 신뢰성을 요하는 발광소자의 재료가 된다.The present invention relates to a method of using SiC as a buffer layer in a nitride semiconductor growth process. When SiC is used as a buffer layer, a high quality nitride semiconductor thin film is grown, and the thin film becomes a material of a light emitting device requiring high brightness and high reliability.

이러한 목적 달성을 위해서 다양한 형태의 SiC 박막과 다양한 구조의 질화물 반도체들이 고려될 수 있다.Various types of SiC thin films and various types of nitride semiconductors may be considered to achieve this purpose.

예로 3차원 적인 구성을 갖는 Stranski-Krastanov 형태의 Quantum Dot 이나 Volmer-Weber 형태의 Island 구조로 SiC 박막이 성장된 경우, 규칙적인 굴곡이 있는 사파이어 기판을 사용한 것과 같은 효과가 있다. 이 경우 Quantum Dot 과 Island로부터 lateral Growth가 시작되어 질화물 반도체의 결정이 크게 개선된다.For example, when a SiC thin film is grown in Stranski-Krastanov type Quantum Dot or Volmer-Weber type Island structure, it has the same effect as using a sapphire substrate with regular curvature. In this case, lateral growth starts from quantum dots and islands, which greatly improves the quality of nitride semiconductors.

2차원적인 구성을 갖는 Frank-van der Merve 형태의 Layer by Layer로 생장이 진행된 박막의 경우 질화물 반도체와의 Lattice mismatch가 사파이어 기판만을 사용하는 경우보다 매우 작다. 따라서 고품질의 질화물 반도체 박막의 성장이 가능해 진다.In the case of thin films grown by Frank-van der Merve type Layer by Layer, the Lattice mismatch with nitride semiconductor is much smaller than that of using only sapphire substrate. Therefore, it is possible to grow high quality nitride semiconductor thin film.

도 1 은 사파이어 기판위에 SiC 박막을 Buffer layer로 이용하여 성장된 질화물 반도체 박막 구조.1 is a nitride semiconductor thin film structure grown using a SiC thin film as a buffer layer on a sapphire substrate.

도 2 는 Low temperature InAlGaN계 Buffer를 사용한 InAlGaN계 박막 성장.2 is an InAlGaN-based thin film growth using a low temperature InAlGaN-based buffer.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>

11: 사파이어 기판11: sapphire substrate

12: SiC buffer layer12: SiC buffer layer

13: AlxInyGa(1-x)N 박막.13: AlxInyGa (1-x) N thin film.

21: 사파이어 기판21: sapphire substrate

22: Low temperature AlxInyGa(1-x)N Buffer.22: Low temperature Al x In Ga (1-x) N Buffer.

23: AlxInyGa(1-x)N 박막.23: AlxInyGa (1-x) N thin film.

본 발명의 구성은 사파이어 기판 위에 SiC 박막을 Buffer layer로 성장하고 그 다음으로 AlN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, AlxInyGa(1-x-y)N 들이 성장된 박막 구조에 관한 것이다.The configuration of the present invention relates to a thin film structure in which a SiC thin film is grown as a buffer layer on a sapphire substrate, followed by AlN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, and AlxInyGa (1-x-y) N.

사파이어 기판과 SiC 기판 사이의 Lattice mismatch는 10.8 % 이고 SiC 기판과 GaN사이의 Lattice mismatch 는 3.3% 이다. 이에 반해 사파이어 기판과 GaN 의 Lattice mismatch는 13.8% 이므로 SiC 박막은 사파이어 기판과 GaN 사이의 Latticemismatch를 완화시키는 Buffer layer로서 구성요건을 갖추고 있다.The lattice mismatch between the sapphire substrate and the SiC substrate is 10.8% and the lattice mismatch between the SiC substrate and GaN is 3.3%. On the other hand, the lattice mismatch between sapphire substrate and GaN is 13.8%, so the SiC thin film has a constituent requirement as a buffer layer to mitigate the latticemismatch between sapphire substrate and GaN.

발명의 구분은 SiC 의 C의 재료에 따라 CH4 gas를 사용하는 것과 CBr4 Mo-source를 사용하는 것으로 나뉘고 SiC 의 구조적인 특징 및 역할에 따라 2차원 layer by layer 형태의 박막과 3차원 Quantum Dot 형태의 박막으로 나뉠 수 있다.The classification of the invention is divided into the use of CH4 gas and CBr4 Mo-source according to the material of C of SiC, and the two-dimensional layer by layer type thin film and the three-dimensional Quantum Dot type depending on the structural characteristics and role of SiC. It can be divided into thin films.

다음으로 SiC 박막 위에 성장되는 물질에 따라 AlxGa1-xN 과 GaN, InxGa1-xN 그리고 AlxInyGa(1-x-y)N ( x+y 〈 1 ) 로 세분화 될 수 있다.Next, AlxGa1-xN and GaN, InxGa1-xN, and AlxInyGa (1-x-y) N (x + y <1) may be subdivided according to the material grown on the SiC thin film.

각 구분들을 설명하면 다음과 같다.Each division is explained as follows.

먼저 SiC 박막을 성장시킬 수 있는 재료에 대한 구분을 보면, Si precursor로 SiH4 가스가 사용되고 C precursor로 CH4 Gas 와 CBr4 Mo source가 사용된다. 이러한 재료들은 MOCVD 장비를 이용한 성장에 적합하다.First of all, the material for growing SiC thin film is SiH4 gas as Si precursor and CH4 Gas and CBr4 Mo source as C precursor. These materials are suitable for growth using MOCVD equipment.

다음은 SiC 박막의 구조적인 특징에 대한 구분으로 2차원 적인 layer by layer 박막 구조와 3차원 적인 Quantum Dot 및 Island 구조로 나뉠 수 있는데 이는 성장 조건 및 기판과의 Lattice mismatch 정도에 의해 결정되어진다.The following is the structural characteristics of SiC thin film. It can be divided into two-dimensional layer by layer thin film structure and three-dimensional quantum dot and island structure, which are determined by growth conditions and Lattice mismatch with substrate.

Layer by layer 구조의 SiC 박막의 경우 GaN 와의 Lattice mismatch가 3.3%로 사파이어 기판 위에 GaN를 생장할 때의 13.8% 보다 매우 작다. 또한 사파이어 기판은 Hexagonal 결정 구조이지만 GaN 는 Wurtzite 결정 구조로 결정 구조가 서로 달라 성장 된 GaN 박막에 많은 결정 결함이 존재한다. SiC 의 경우 GaN와 같은 Wurtzite 구조를 가지므로 결정의 어긋남이나 뒤틀림이 적은 InAlGaN계 박막 성장이 가능해 진다. 결정구조 내에서 어긋남이나 뒤틀림이 있는 경우 일종의 결정 결함으로 작용하여 발광 원인 전자와 정공을 가두고 열에너지를 방출하며 소멸시키게하는 역할을 한다. 따라서 결정 결함은 광 소자의 기능과 신뢰도를 크게 저하시킨다. 결과적으로 2차원적인 성장 구조를 갖는 SiC 의 경우 질화물 계열 반도체와의 Lattice mismatch가 작고 같은 Wurtzite 결정구조를 가지므로 광소자의 기능과 신뢰도가 개선 될 수 있다.In the case of layer by layer SiC thin film, the lattice mismatch with GaN is 3.3%, which is much smaller than 13.8% when growing GaN on sapphire substrate. In addition, the sapphire substrate is a hexagonal crystal structure, but GaN is a Wurtzite crystal structure, the crystal structure is different from each other, there are many crystal defects in the grown GaN thin film. SiC has the same Wurtzite structure as GaN, so that it is possible to grow InAlGaN-based thin films with little crystal misalignment or distortion. When there is a deviation or distortion in the crystal structure, it acts as a kind of crystal defect to trap electrons and holes for emitting light, and to release and dissipate thermal energy. Thus, crystal defects greatly degrade the function and reliability of the optical device. As a result, in the case of SiC having a two-dimensional growth structure, the Lattice mismatch with the nitride-based semiconductor is small and the same Wurtzite crystal structure can improve the function and reliability of the optical device.

Quantum Dot 및 Island 구조는 격자 Lattice mismatch가 큰 경우 기판에 의해 성장 박막이 받는 변형력을 완화시키기 위하여 자연 적으로 생성이 되는 구조이다. 이렇게 Quantum Dot 이나 Island 가 형성된 박막의 경우 표면에 수십 나노 크기의 불규칙 적인 굴곡을 가지게 된다. 수십 나노 크기의 굴곡이 있는 구조에 질화물 반도체가 생장이 될 경우 질화물 반도체는 이러한 굴곡을 기점으로 Lateral Growth 형태의 성장을 시작하게 된다. 최근의 질화물 반도체 연구 결과에 의하면 Lateral Growth를 효과적으로 진행한 질화물 반도체의 경우 결정의 품질이 크게 개선된다고 보고 되고있다. 따라서 3차원 구조의 SiC 박막은 질화물 반도체 박막의 품질을 크게 개선시킬 수 있다.Quantum Dot and Island structures are structures that are naturally produced to mitigate the strain applied to the growth thin film by the substrate when the lattice lattice mismatch is large. Such thin films with quantum dots or islands have irregular curvatures of several tens of nanometers on the surface. When a nitride semiconductor is grown in a structure with a few tens of nano-size bends, the nitride semiconductor starts to grow in the form of a lateral growth based on this bend. According to the recent results of nitride semiconductor research, it is reported that the quality of crystal is greatly improved in the case of nitride semiconductor that has been effective in lateral growth. Therefore, the SiC thin film having a three-dimensional structure can greatly improve the quality of the nitride semiconductor thin film.

SiC 박막의 경우 질화물계 반도체인 GaN에 대해 사파이어 기판의 13.8% 보다는 적은 3.3%의 Lattice mismatch가 발생하므로 상기 질화물 반도체들의 결정 또한 개선시킬 수 있을 것이다.In the case of a SiC thin film, a nitride mismatch of 3.3% less than 13.8% of a sapphire substrate is generated for GaN, which is a nitride-based semiconductor, and thus the crystals of the nitride semiconductors may be improved.

현재 SiC가 기판으로 상용화되어 질화물 반도체의 성장에 이용되고 있는 예가 있으나 이 경우 SiC 기판이 고가인 이유로 인하여 생산단가가 상승하게 되는 단점이 있다. 따라서 SiC Buffer layer를 단일 공정장비 내에서 성장 할 경우 생산 단가가 SiC 기판을 사용했을 경우 보다 절감되는 효과를 볼 수 있을 것이다.Currently, SiC is commercialized as a substrate and is used for growth of nitride semiconductors. However, in this case, the production cost is increased due to the high cost of the SiC substrate. Therefore, if the SiC Buffer layer is grown in a single process equipment, the production cost will be lower than that of the SiC substrate.

질화물 반도체의 결정 품질을 향상시키기 위한 노력의 다른 예로는 사파이어 기판에 인공적으로 규칙적인 Pattern을 만들어 사용하는 경우가 있다. 이 경우 사파이어 기판에 인공적인 Pattern을 만드는 공정이 추가되고 이러한 공정의 추가는 생산 원가의 상승을 가져오게 되고 약품의 처리 및 장비의 도입에 따른 추가 적인 비용 상승을 가져 올 수 있다.Another example of efforts to improve the crystal quality of nitride semiconductors is to artificially make regular patterns on sapphire substrates. In this case, an artificial pattern is added to the sapphire substrate, and the addition of such a process leads to an increase in production cost and an additional cost increase due to the treatment of chemicals and the introduction of equipment.

본 발명의 경우 SiC Buffer layer를 포함한 질화물 반도체 구조의 성장이 하나의 장비에서 외부와의 접촉 없이 진행이 되므로 추가적인 생산 원가의 상승 없이 고 품질의 질화물 반도체 결정 박막을 얻을 수 있다.In the case of the present invention, since the growth of the nitride semiconductor structure including the SiC buffer layer proceeds without contact with the outside in one device, a high quality nitride semiconductor crystal thin film can be obtained without additional production cost.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 현재의 질화물 반도체 제조 공정과는 다른 새로운 SiC Buffer layer를 이용하여 기존 보다 우수한 품질의 질화물 반도체를 성장시킬 수 있다. 이러한 결정에 있어서의 품질개선은, 기본 적으로 SiC 가 견고한 결합 구조를 가지며 질화물 반도체와 같은 Wurtzite 결정이고 3.3% 의 작은 Lattice mismatch를 가지는 구조이기 때문이다.As described above, according to the present invention, it is possible to grow a nitride semiconductor of higher quality than the existing one by using a new SiC buffer layer different from the current nitride semiconductor manufacturing process. The quality improvement in these crystals is basically because SiC has a solid bonding structure, a Wurtzite crystal like nitride semiconductor, and a small Lattice mismatch of 3.3%.

질화물 반도체의 결정 품질의 개선은 질화물 반도체를 이용한 광소자의 품질 개선과 직접적인 연관이 있다. 결정 결함의 감소는 에너지 손실의 감소를 의미하여 고 효율을 가지는 광소자 구현이 가능하다. 결함의 감소로 인한 결정성의 향상에 의한 효과는 강한 전기적인 자극이나 화학적인 자극에 의한 광소자의 특성 저하가 작아지게 되며 이는 소자의 신뢰성 향상을 의미한다.The improvement of the crystal quality of the nitride semiconductor is directly related to the improvement of the quality of the optical device using the nitride semiconductor. The reduction of crystal defects means a reduction in energy loss, which enables the implementation of an optical device having high efficiency. The effect of the improvement of crystallinity due to the reduction of defects is to reduce the deterioration of the characteristics of the optical device due to strong electrical stimulation or chemical stimulation, which means that the reliability of the device is improved.

Claims

사파이어 기판 위에 일정 두께의 SiC 박막을 Buffer 층으로 하여 그 위에 InAlGaN계 박막을 성장하는 방법.A method of growing an InAlGaN-based thin film on a sapphire substrate using a SiC thin film having a predetermined thickness as a buffer layer.

청구항 1 중 Buffer 층으로 사용되는 SiC 박막 두께(t)를 0.5 nm ≤ t ≤500 nm로 구성하는 방법.The method of claim 1, wherein the thickness (t) of the SiC thin film used as the buffer layer is 0.5 nm ≦ t ≦ 500 nm.

청구항 1 중 SiC 박막 성장에 있어서 carbon precursor로 CBr4 또는 CxHy(x, y는 정수) 또는 위 두 가지를 혼용하는 방법.The method of claim 1, CBr4 or CxHy (x, y is an integer) or a mixture of the two as a carbon precursor in the growth of SiC thin film.

청구항 1 중 SiC Buffer layer의 성장 온도(T)가 300 ℃ ≤ T ≤ 1500 ℃인 경우.The growth temperature (T) of the SiC buffer layer of claim 1 is 300 ℃ ≤ T ≤ 1500 ℃.