KR100915268B1 - 질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법 - Google Patents

질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법

Info

Publication number
KR100915268B1
KR100915268B1 KR1020047000171A KR20047000171A KR100915268B1 KR 100915268 B1 KR100915268 B1 KR 100915268B1 KR 1020047000171 A KR1020047000171 A KR 1020047000171A KR 20047000171 A KR20047000171 A KR 20047000171A KR 100915268 B1 KR100915268 B1 KR 100915268B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
single crystal
substrate
mask
gan
elo
Prior art date
Application number
KR1020047000171A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040101179A (ko
Inventor
아키타카쓰시
오카히사타쿠지
Original Assignee
스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 스미토모덴키고교가부시키가이샤 filed Critical 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Publication of KR20040101179A publication Critical patent/KR20040101179A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100915268B1 publication Critical patent/KR100915268B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02647—Lateral overgrowth

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

ELO 마스크법과 결함종(種) 마스크법을 병용해서 전위(轉位)가 적은 GaN 결정을 성장시킨다. ELO 마스크는 GaN 결정이 직접 성장하지 않고 가로방향으로 성장하며, 결함종 마스크는 결함이 집중한 폐쇄결함 집합영역을 성장시키도록 하는 것이다. ELO 마스크에는 SiN, SiON, SiO2 중의 어느 한 재료를 사용하고, 결함종 마스크에는 Pt, Ti, Ni 중의 어느 한 재료를 사용한다. 사파이어, GaAs, 스피넬, Si, InP, SiC 등의 단결정 기판, 또는 그들 단결정 기판에 GaN 버퍼층을 피복한 것을 기판으로 해서, ELO 마스크와 결함종 마스크를 상보적으로 형성해서 GaN을 기상(氣相) 성장시킨다.

Description

질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법{SUBSTRATE FOR GROWING GALLIUM NITRIDE, METHOD FOR PREPARING SUBSTRATE FOR GROWING GALLIUM NITRIDE AND METHOD FOR PREPARING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE}
본 발명은 청색 발광다이오드(LED)나 청색 반도체 레이저(LD)의 기판으로서 이용할 수 있는 질화갈륨(GaN) 단결정 기판과 그 제조방법에 관한 것이다. 질화물계의 청색발광소자는 활성층이 InGaN층이므로 InGaN계 발광소자라고 부르는 일도 있고, 간단하게 GaN계라고 말하는 일도 있다. GaN 단결정 기판을 제조하는 일이 어렵기 때문에 현재는 육방정계(hexagonal system) 사파이어 기판 위에, GaN 박막, InGaAs 박막 등을 헤테로에피택셜 성장시켜서 제조하고 있다. 사파이어 기판 InGaN-LED는 사용 실적도 있고 휘도, 신뢰성, 수명의 점에서도 만족할 수 있는 것이다. 현재 널리 사용되고 있는 InGaN계 LED 기판은 거의 사파이어 기판이다. 즉 온-사파이어(on-sapphire) InGaN-LED라고 말할 수 있다.
그러나, 사파이어에는, 벽개(劈開)가 GaN의 벽개방향과 다르다는 점, 절연성이라는 점 등의 결점이 있다.
그래서, GaN 단결정을 기판으로 해서 청색발광소자를 제작하고자 하는 요망이 강해졌다. GaN 단결정 기판은 소자의 구성요소의 GaN 박막, InGaN 박막과 동일한 결정 구조(육방정계)를 가지는 명확한 벽개성(劈開性)을 가진다. 또, 불순물 도핑에 의해서 당연히 도전성이 될 것이다. 따라서, 저면에 n형 전극을 형성할 수 있고 자연벽개에 의해서 소자 분리될 가능성이 있다.
그러나 GaN 단결정 기판을 제조하는 것은 용이하지 않다. GaN 고체를 가열해도 용융하지 않기 때문에 융액으로부터 결정성장시키는 통상의 브리지맨법(Bridgman method)이나 쵸크랄스키법(Czochralski method)에서는 결정을 만들 수 없다. 초고압을 걸어 가열하면 GaN의 융액이 될지도 모르지만, 그러나 그것은 곤란하고 대형의 결정이 가능하지 않은 것은 분명하다.
사파이어 기판 위에 1㎛ 정도 혹은 1㎛ 이하의 GaN층, InGaN층을 제작하는 것은 현재 기상성장법에 의해서 이루어지고 있다. 그 예는 HVPE법, MOC법, MOCVD법 등이다. 그러한 박막성장용의 기상 성장 기술에 의해서 두꺼운 GaN 결정도 만드는 노력이 이루어지고 있다.
그러나, 그들은 원래 사파이어 기판상에의 1㎛ 이하의 박막 성장 기술이며, 애초부터 결함 발생이 심한 것이다. 사파이어 기판 위에 LED를 만들 뿐이라면 GaN층도 얇기 때문에 응력도 작으나, 벌크 결정을 만들기 위해서 막두께를 증가시켜 가면 응력이 증가해서 결함이나 변형이 증가하여 기판으로부터 박리하거나 해서 두꺼운 것을 얻을 수 없다.
[A. 에피택셜 레이터럴 오버그로스법]
그래서 에피택셜 레이터럴 오버그로스법(Epitaxial Lateral Overgrowth: ELO)이라고 하는 수법을 고안해냈다. 이것에 대한 문헌으로는, 예를 들어,
① 사카이 아키라, 우수이 아키라 「GaN 선택횡방향성장에 의한 전위밀도의 저감」응용 물리 제 68권, 제7호, p774(1999)
② 우수이 아키라 「하이드라이드 VPE에 의한 후막 GaN 결정의성장」전자정보통신학회논문지 C-11, vo1.J81-C-11, No.1, p58-64(1998)
③ Kensaku Motoki, Takuji Okahisa, Naoki Matsumoto, Masato Matsushima, Hiroya Kimura, Hitoshi Kasai, Kikurou Takemoto, Koji Uematsu, Tetsuya Hirano, Masahiro Nakayama, Seiji Nakahata, Masaki Ueno, Daijirou Hara, Yoshinao Kumagai, Akinori Koukitu & Hisashi Seki "Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001) pp.L140-L143
④ 일본국 특개 2000-222l2 「GaN 단결정 기판 및 그 제조방법」
⑤ 일본국 특개 2000-12900 「GaN 단결정 기판 및 그 제조방법」등이 있다.
ELO는 한 변(L)(수㎛)의 정삼각형에 의해서 빠짐없이 평면을 피복하여 정삼각형의 정점에 해당하는 위치에 창(직경(E))을 연 것 같은 마스크(F)를 기판에 붙이고, 그 위로부터 GaN을 성장시켜 전위(轉位)를 줄이는 방법이다. 도 1 및 도 2에 마스크 형상을 표시한다. 도 1은 원형상의 창을 반복해서 정삼각형 패턴의 정점에 나열시킨 것이다. 도 2는 정육각형의 창을 반복해서 정삼각형 패턴의 정점에 나열시킨 것이다. ELO 마스크(F)는 피복부분(3)과 창(4)을 가지지만, 창(4)의 형상은 원형상, 각형상, 띠형상 등 여러 가지 있을 수 있다. 그러한 정삼각형 창패턴의 반복 마스크를 사파이어 기판 위에 형성하고, 그 위로부터 GaN을 기상성장시킨다. 마스크의 소재는 SiN이거나 SiO2 등으로 GaN이 성장하지 않도록 하는 재질로 한다.
도 3에 ELO의 막성장의 과정을 표시한다. 도 3(1)은 기판(2) 위에 피복부분(3)과 창(4)을 가지는 ELO 마스크(F)를 형성한 상태의 단면도를 표시한다. 도 3(2)는 기상 성장에 의해서 창(4) 위에 GaN 결정핵(5)이 성장한 상태를 표시한다. 고립한 창의 기판면에 작은 결정핵이 성장한다. 기판과 일치하도록 결정 방위가 정해진다. 마스크 위에는 결정핵이 발생하지 않는다. ELO 마스크의 재료는 GaN의 성장을 억제하는 작용이 있다. 성장이 진행되면 고립한 결정핵이 점차 비대해서 서로 결합하여 섬이 된다. 섬이 연결되어 박막 형상이 된다. 창의 내부는 결국 균일한 막두께의 GaN 박막으로 피복되게 된다. 도 3(3)은 GaN이 성장해서 박막(6)으로 된 상태를 표시한다. 섬이 결합하기 때문에, 그 경계는 복잡한 결정 결함으로 된다. 그러한 고밀도의 결함이 생기지만 막의 성장과 함께 결함이 그대로 위로 연장된다. 그것이 수직 방향으로 연장하는 전위를 형성한다. 전위는 감소되지 않고, 그대로 연장된다. 원래 고밀도의 전위가 있기 때문에 그것이 유지된다.
마스크의 높이에 GaN 박막이 성장하면 마스크보다 높게 더욱 성장해가지만 마스크 위에 GaN이 성장되지 않기 때문에 도 3(4)에 표시한 바와 같이 추형상으로 GaN 결정(7)이 융기해간다. 경사진 면을 패싯(facet)(23)이라고 한다. 패싯면(23)은 저면지수의 {l-101}{2-1-12}면 등이다. 추형상의 형성이 진행되어 인접 창으로부터의 성장막 창 가득히 GaN막이 성장하여 각뿔 형상(8)으로 된다. 전위(20)는 성장 방향과 동일하게 상향으로 연장된다. 도 3(5)에 그것을 표시한다. 각뿔이 되면 그 형상을 유지해서, 그것보다 위로 연장될 수 없기 때문에 마스크 위에 GaN층이 적층된다. 이 때의 패싯을 임계 패싯면(24)이라고 부른다. 이번에는 마스크 위를 가로방향으로 패싯면을 유지하면서 진행해간다. 전위는 임계 패싯면(24)에서 90˚ 구부러져 가로방향 전위(22)로 된다. 이때의 절곡으로 전위가 감소한다. 도 3(6)은 그와 같은 상태의 GaN 각뿔대 결정(9)을 표시한다.
동등한 패싯면이 6개 있으므로 정육각형의 각뿔과 같은 형상으로 수평방향으로 박막성장이 진행한다. 패싯면은 6방향으로 형성되므로 실제로는 6각뿔대로 되어 넓어진다. 마스크 위의 가로방향의 성장이 진행되면 인접 창으로부터 성장한 GaN 결정 덩어리가 창의 수직이등분선(25) 상에서 접촉한다(도 3(7)). 그 후에는 정육각형의 경계홈을 메우도록 GaN 결정이 성장해서 경계홈(26)이 메워져간다. 양쪽으로부터 연장된 전위(22)는 경계홈(26)에서 충돌해서 대부분이 거기에서 머문다. 도 3(8)과 같이 인접 창으로부터의 결정 성장이 합체해서 표면이 평탄하게 되면, 다시 성장의 방향은 상향으로 변화한다. 즉, 성장 방향은 2번 변화하게 된다. 전위(22)가 연장되는 방향은 다시 상향으로 바뀌지만, 그때에 다수의 전위가 상쇄된다. 전위 밀도가 감소한 후에 성장이 상향으로 되기 때문에, 비교적 전위가 적은 GaN 결정이 생긴다고 하는 것이다. 그것이 ELO법의 골자이다.
GaN 성장에 관해서는 본 발명이 기초로 하는 또 하나의 선행 기술이 있다. 그것은 ELO와 같이 잘 알려진 공지기술은 아니다. 그것은 본 발명의 발명자들이 창작한 후 아직도 발표되어 있지 않다. 기판 위에 금속, 유전체 등의 입자 등을 놓아두면, 그 위에는 닫힌 결함 집합영역(폐쇄결함 집합영역(H))이 생겨, 그 동심형상 주위에는 결함이 적고 도전율이 높은 단결정 저전위 수반영역(Z)이 형성되고, 간극에 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이 형성된다. 일단 형성된 전위는 사라지지 않지만 폐쇄결함 집합 영역(H)에 흡수되므로, 그 외의 단결정 저전위 수반영역(Z), 단결정 저전위 나머지 영역(Y)의 전위가 감소한다고 하는 것이다.
그러한 영역은 SEM이나 TEM에서는 볼 수 없는, CL(cathode luminescence)에 의해서 단결정 저전위 수반영역(Z)과 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이 구별되어 보인다. 도 4는 기판(2) 위에 결함종 마스크(X)를 배치한 상태의 평면도를 표시한다. 이것은 고융점 금속, SiO2, SiN 등의 유전체 등의 원형 패턴이다. 이것도 반복하는 정삼각형의 패턴의 정점 위치에 배치한 것이다. 그러나 ELO 마스크(F)(주기(L), 직경(E))보다도, 결함종 마스크(X)(주기(M), 직경(B))의 주기, 직경은 훨씬 크다(M >> L, B >> E). 도 5에 의해서 결함종 마스크법의 수법을 설명한다. 도 5(1)은 사파이어 기판(2)을 표시한다. 도 5(2)는 사파이어 기판(2) 위에 GaN 버퍼층(52)을 균일하게 형성한 상태를 표시한다. 도 5(3)은 GaN 버퍼층(52) 위에 성장억제작용이 있는 결함종 마스크(X)를 설치한 상태의 단면도이다.
도 5(4)는 그 위에 기상 성장법에 의해서 GaN을 성장시킨 상태를 표시한다. 결함종 마스크(X) 위에는 폐쇄결함 집합영역(H)이 성장한다. 그 주위에는 패싯(53)을 가진 단결정 저전위 수반영역(Z)이 성장한다. 경계의 평탄면(54)에는 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이 성장한다. 그러한 수법에 의해서 결함이 폐쇄결함 집합영역에 국한된 결정을 얻을 수 있다. 전체적으로 단결정이지만, 결함이 폐쇄결함 집합영역에 집중해있어 나머지 부분(Y, Z)은 저전위 저결함으로 된다. 도 5(5)는 그 후 이면의 기판을 깎아내 연삭가공하여, 평탄한 표면을 가지는 GaN 기판이 얻어진 상태를 표시한다. 도 6은 CL(캐소드 루미네센스)을 현미경 관찰한 것을 표시한다. 원반형상의 단결정 저전위 수반영역(Z) 부분만이 실제로 검게 보이므로 잘 알 수 있다. CL이 아니면, 현미경으로 보아도 투명하므로 알 수 없다.
ELO 마스크는 초기의 성장에 있어서 GaN 중의 전위를 줄이는 것이다. 그것은 상쇄되어서 전위를 줄이는 것이며 실제로 감소한다. 결함종 마스크법(공지된 것이 아님)은 성장의 중기에 있어서 결함을 폐쇄결함 집합영역(H)에 집중시킴으로써 나머지 영역의 전위를 줄이는 것이다.
도 1은 정삼각형을 베이스로 한 반복 패턴의 정삼각형의 정점에 원형 창이 배치된 마스크로, 사파이어 기판 위에 형성해서 결함이 적은 GaN 박막을 성장시키기 위한 ELO 마스크의 일부 평면도.
도 2는 정삼각형을 베이스로 한 반복 패턴의 정삼각형의 정점에 정육각형창이 배치된 마스크로, 사파이어 기판 위에 형성해서 결함이 적은 GaN 박막을 성장시키기 위한 ELO 마스크의 일부 평면도.
도 3은 복수의 창을 배치한, GaN이 성장하기 어려운 마스크를 기판에 형성해서, 창으로부터 GaN을 성장시키는 ELO 성장법을 설명하기 위한 도면. 도 3(1)은 기판에 창을 가지는 마스크를 형성한 상태의 단면도. 도 3(2)는 창의 부분의 기판 표면에 GaN의 결정핵이 발생한 상태를 표시하는 단면도. 도 3(3)은 창의 부분의 기판 표면에 GaN의 얇은 층이 성장한 상태를 표시하는 단면도. 도 3(4)는 창의 높이를 넘어서 패싯면을 가진 각뿔대 형상으로 GaN 결정이 성장한 상태를 표시하는 단면도. 도 3(5)는 창의 높이를 넘어서 패싯면을 가진 각뿔대의 GaN 결정이 패싯면을 가진 각뿔 형상으로 성장한 상태를 표시하는 단면도. 도 3(6)은 창의 가장자리를 넘어서 패싯면을 가진 각뿔대 형상의 GaN 결정이 횡방향 성장해서 각뿔대의 상태로 된 것을 표시하는 단면도. 도 3(7)은 창의 가장자리를 넘어서 패싯면을 가지는 각뿔대형상의 GaN 결정이 횡방향 성장해서 인접 창으로부터의 결정이 수직이등분선을 이루는 경계면에서 접촉한 상태를 표시하는 단면도. 도 3(8)은 인접창으로부터 성장한 GaN 결정이 경계선을 덮은 상태의 단면도.
도 4는 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬 및 GaN 중의 어느 하나의 단결정 기판, 혹은 그 단결정 기판에 GaN 버퍼층을 성장시켜 얻어진 기판 위에 반복 정삼각형의 정점 위치에 GaN 결함이 집적해서 성장시키는 바와 같은 재료를 배치한 결함종 마스크를 형성한 상태의 평면도.
도 5는 결함종 마스크(X)를 기판 또는 기판 위에 형성된 GaN 버퍼층 위에 형성하고, 그 위에 GaN 결정을 성장시켜서 GaN 기판을 제조하는 과정을 표시하는 단면도. 도 5(1)은 기판의 단면도. 도 5(2)는 기판 위에 균일한 GaN 버퍼층을 형성한 상태를 표시하는 단면도. 도 5(3)은 GaN 버퍼층 위에 결함종 마스크(X)를 형성한 상태의 단면도. 도 5(4)는 결함종 마스크(X) 위에 GaN 결정을 성장시키면 결함종 마스크(X) 위에는 폐쇄결함 집합 영역(H)이 성장하며, 그 이외의 부분 위에는 경사진 패싯면을 가지고 결함이 적은 단결정 저전위 수반영역(Z)이 성장하고, 인접 마스크(X)의 경계에 해당되는 부분에는 평면을 가진 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이 성장하는 것을 표시하는 단면도. 도 5(5)는 성장한 GaN 위의 정상부를 연마제거하고 기판을 제거해서 평탄한 GaN 기판으로 한 상태의 단면도.
도 6은 결함종 마스크법에 의해서 성장한 GaN 기판을 CL(캐소드 루미네센스)법에 의해서 관찰했을 때에 보이는 패턴도. 결함종 마스크(X)로부터 성장한 것은 폐쇄결함 집합영역(H)이고, 그 주위에 동심형상으로 성장한 부분이 결함이 적은 단결정 저전위 수반영역(Z)이며, 동심원의 외측에 있는 것이 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이다.
도 7은 이중(二重) 마스크법인 본 발명의 실시예로서, 정삼각형의 반복 패턴의 정점에 형성한 결함종 마스크와, 그 이외의 대부분의 영역에 형성된 ELO 마스그에 의해서 상호보완적으로 기판을 덮은 상태를 표시하는 평면도. 작은 창을 다수 나열한 것이 ELO 마스크이며 큰 피복부를 가지는 것이 결함종 마스크이다.
도 8은 이중 마스크법인 본 발명의 실시예로서, 평행한 피치(M)로 반복하는 띠형상 패턴인 결함종 마스크와, 그 이외의 대부분의 영역에 형성된 ELO 마스크에 의해서 상호보완적으로 기판을 덮은 상태를 표시하는 평면도. 작은 창을 다수 나열한 것이 ELO 마스크이며 큰 띠형상 피복부를 가지는 것이 결함종 마스크이다.
도 9는 기판(사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬 및 GaN 중 어느 하나의 단결정 기판, 혹은 그위에 GaN 버퍼층을 형성한 것) 위에 SiN, SiO2 및 SiON 중 어느 하나로 이루어진 ELO 마스크를 형성하고 해당 ELO 마스크 위에 결함종 마스크를 형성한 본 발명(이중 마스크법)의 GaN 성장용 기판의 구조를 표시하는 단면도.
도 10은 기판(사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬 및 GaN 중 어느 하나의 단결정 기판, 혹은 그 위에 GaN 버퍼층을 형성한 것) 위에 SiO2로 이루어진 ELO 마스크를 형성하고 ELO 마스크 위에 Pt/Ti로 이루어진 결함종 마스크를 형성한 본 발명(이중 마스크법)의 실시예에 관한 GaN 성장용 기판의 구조를 표시하는 단면도.
<도면의 참조부호 일람>
2 : 기판 3 : 피복부분
4 : 창 6 : 박막
7 : GaN결정 8 : 각뿔 형상
9 : GaN 각뿔대 결정 20, 22 : 전위
23 : 패싯 24 : 임계 패싯면
25 : 창의 수직이등분선 26 : 경계홈
52 : GaN 버퍼층 54 : 경계의 평탄면
F : ELO 마스크 H : 폐쇄결함 집합영역
L : 인접 창의 중심간거리
본 발명자는 양자를 병용해서 저전위 GaN 단결정을 제조하고자 한다. 그러면, 보다 낮은 전위 밀도의 GaN 단결정을 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 그러한 예상에 의거하여 실제로 SiO2의 마스크를 만들어 성장을 시도했다. 미세한 반복창을 가진 ELO 마스크와, 큰 반복 피복부를 가진 결함종 마스크를 1층의 SiO2로 형성했다. SiO2는 ELO 마스크로서 실적이 있으므로, ELO 성장은 잘 되었지만, 결함종 마스크의 종(種)으로서는 잘 되지 않았다. 처음에는 결함이 많은 GaN층이 성장되었지만, 결국은 그것이 사라져 버려 종 위에도 결함이 적은 GaN이 성장하게 되었다. 결함이 작은 GaN은 종으로서 기능하지 않아서 문제이다.
ELO의 마스크는 GaN 성장을 억제하게 되는 재료가 아니면 안된다. 결함을 집중시키기 위한 종도 GaN 성장을 억제하는 것이나, 전위를 집중시키는 작용은 단지 성장 억제를 하는 작용과는 다르다고 말할 수 있다. 본 발명자는 그 이유를 고려해서 실험을 반복했다. 그 결과, 결함 집중의 종으로 되어야 할 재료와, 성장 억제를 위하여 매우 적합한 ELO 마스크의 재료는 다르다는 것을 알게 되었다.
본 발명은, ELO와 결함종 마스크법을 조합시켜, 기판 위에 초기결함을 감소시키기 위한 ELO 마스크(F)와, 성장중에 결함 집중을 일으키는 결함종 마스크(X)를 상호보완적으로 형성해서, 그 위에 기상성장법에 의해서 GaN의 두꺼운 결정을 성장시키는 것이다. ELO 마스크 재료로서 SiO2, SiN 또는 SiON을 사용하고, 결함종 마스크 재료로서 Pt, Ti 또는 Ni를 이용한다. 본 발명은 질화갈륨 성장을 위한 기판, 그 기판을 만들기 위한 방법, 질화갈륨성장법에 관한 것이다.
[1. 질화갈륨 성장용 기판]
본 발명의 질화갈륨성장용 기판은, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판; 상기 기판 위에, Ti, Pt 또는 Ni로 이루어진 피복부분만으로 규칙적으로 형성되어, 폐쇄결함 집합영역(H)을 발생시키기 위한 종(種)으로 되는 결함종 마스크(X); 및 상기 기판 위에서 상기 결함종 마스크와 규칙적으로 상보적으로 형성된 SiON, SiO2 및 SiN 중 어느 하나로 이루어진 피복 부분과, 작은 주기로 규칙적으로 배열된 다수의 창을 가지는 ELO 마스크(F)를 포함하되, 상기 결함종 마스크(X)는 창을 지니지 않는다.
ELO 마스크(F)의 창의 직경을 (E)로 하고 인접창의 중심간 거리를 (L)로 한다. 당연히 E<L이다. 창의 배열 규칙은 규칙적으로 반복하는 다각형의 정점에 나열되도록 한다는 것이다. 예를 들어, 정삼각형의 정점에 나열되거나, 규칙적으로 반복하는 정방형군의 정점에 나열되거나, 혹은 규칙적으로 반복하는 정육각형의 정점에 내열되거나 하는 배열이다.
결함종 마스크(X)의 중심간 거리(M)와 피복 부분의 직경(혹은 폭)(B)은 당연히 B<M이다. (M)과 (B)는 모두 (E) 및 (L)보다도 훨씬 큰 것이다. 그러나, 결함종 마스크(X)의 면적 S(X)는 ELO 마스크의 면적 S(F)보다 작다(S(X) < S(F)).
결함종 마스크(X)를 Ti, Pt 및 Ni 중 어느 하나로 하고, ELO 마스크(F)를 SiON, SiO2 및 SiN 중 어느 하나로 한다. 그와 같이 마스크 재료가 다르다고 하는 것이 본 발명의 요지이다.
기판 위를 처음부터 둘로 나누어서, 한 쪽에는 결함종 마스크 재료만을, 다른 쪽에는 ELO 마스크 재료만을 피복하도록 해도 된다.
그러나, 그것은 에칭 작업이 한 번 증가하므로, 기판 위에 ELO 마스크 재료, 결함종 마스크 재료를 차례로 형성(결함종 마스크/ELO 마스크/기판)하고, 결함종 마스크 재료의 일부 및 ELO 마스크 재료의 일부를 제거하도록 해도 된다.
그것과는 반대로 기판 위에 결함종 마스크 재료, ELO 재료를 차례로 피복하고(ELO 마스크/결함종 마스크/기판), ELO 재료의 일부 및 결함종 마스크 재료의 일부를 제거한다고 하는 것도 가능하다. 그러나, ELO 마스크는 창을 뚫어서 사파이어 기판 또는 GaAs 기판을 노출시켜야 하고, 결함종 마스크는 피복부만으로 되므로 에칭이 복잡하게 되어 버린다. 재료의 조합에 따라서는 에칭 불가능한 것도 있다.
[2. 질화갈륨 성장용 기판의 제조방법]
본 발명의 질화갈륨성장용 기판은, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에, SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막을 형성하는 단계; 상기 ELO 마스크용 박막 위에 Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크용 박막을 형성하는 단계; ELO 마스크(F)로 될 부분의 상기 결함종 마스크용 박막을 에칭에 의해서 제거하는 단계; 및 상기 에칭에 의한 제거에 의해서 노출된 상기 SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막에, 규칙적인 배열로 나열된 창을 에칭에 의해 형성하는 단계를 포함하는 것이다.
또, 본 발명의 질화갈륨성장용 기판의 제조방법은, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 SiO2, SiN 및 SiON 중 어느 하나의 ELO 마스크용 박막을 형성하는 단계; 상기 ELO 마스크용 박막에 있어서 ELO 마스크로 될 부분에 규칙적인 배열로 나열된 창을 형성하는 단계; 및 상기 창을 통해 노출된 상기 SiO2, SiN 및 SiON 중의 어느 하나로 이루어진 ELO 마스크의 부분 중에서 결함종 마스크(X)로 될 부분에, Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크용의 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.
SiO2, SiN 및 SiON 중 어느 하나 위에 Pt를 부착시키는 경우에는, 그대로는 잘 부착되지 않으므로 그 사이에 Ti층을 개재시킨다. ELO 마스크를 SiO2로 하는 경우에는, Pt/Ti/SiO2/기판과 같은 층 구조로 된다. 이 경우의 Ti는 밀착성을 증가시키기 위한 것으로 결함종 마스크는 아니다. 물론 Ti 단독으로 결함종 마스크로 할 수 있다. 이하의 9개의 경우가 있다.
Pt/Ti/SiO2/기판, Pt/Ti/SiON/기판, Pt/Ti/SiN/기판, Ti/SiO2/기판, Ti/SiON/기판, Ti/SiN/기판, Ni/SiO2/기판, Ni/SiON/기판, Ni/SiN/기판.
[3. 질화갈륨 기판의 제조방법]
본 발명의 질화갈륨 기판의 제조방법은, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에, SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크(F)용 박막을 형성하는 단계; 상기 ELO 마스크용 박막 위에 Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크(X)용 박막을 형성하는 단계; ELO 마스크(F)로 될 부분의 상기 결함종 마스크용 박막을 에칭에 의해 제거하는 단계; 및 상기 에칭에 의한 제거에 의해 노출된 상기 SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막에, 규칙적인 배열로 나열된 창을 에칭에 의해서 형성함으로써, 마스크 부착 기판을 얻는 단계; 상기 마스크 부착 기판을 기상 성장로에 넣는 단계; 상기 마스크 부착 기판 위에, NH3를 함유하는 원료와 Ga를 함유하는 원료를 공급해서 기상 합성법에 의해서 GaN 단결정을 성장시켜, 기판이 부착된 GaN 단결정을 얻는 GaN 단결정 성장 단계; 상기 GaN 단결정 성장 완료 후, 상기 기상 성장로로부터 상기 기판이 부착된 GaN 단결정을 빼내는 단계; 및 상기 기판이 부착된 GaN 단결정으로부터 상기 마스크 부착 기판과 마스크(F) 및 (X)를 에칭 또는 연마에 의해 제거하여, 자립한 GaN 단결정 기판을 얻는 단계를 포함하되, 상기 GaN 단결정 성장 단계에서는, 초기에는 ELO 마스크(F)의 창에 노출된 기판 위에 GaN의 결정핵을 발생시키는 단계; 상기 ELO 마스크의 피복부와 상기 결함종 마스크(X) 위에는 GaN 결정이 성장하지 않고, 창을 넘은 GaN 결정은 상기 ELO 마스크의 피복부 위를 가로방향으로 성장하는 단계; 및 상기 각각의 창으로부터 가로방향으로 성장한 결정막이 합체한 후에는, 상기 ELO 마스크(F)상에서는 상향의 저전위의 성장을 하고, 결함종 마스크(X) 위에서는 GaN의 퇴적이 시작되어 결함을 다수 포함한 GaN의 폐쇄결함 집합영역(H)이 성장해 가도록 하는 단계를 포함하는 것이다.
ELO 마스크(F) 상의 결함은 증가하는 일없이 저전위의 단결정 성장을 지속하여, 결함종 마스크(X) 상에서는 결함이 농축된 GaN의 성장이 이루어진다. 결함이 폐쇄결함 집합영역(H)에 집중함으로써 ELO 마스크 상의 GaN의 결함이 감소한다
본 발명은, 기판 위에 초기결함을 감소시키기 위한 ELO 마스크(F)와, 성장중에 결함 집중을 일으키는 결함종 마스크(X)를 상보적으로 형성하고, 그 위에 기상 성장법에 의해서 GaN의 두꺼운 결정을 성장시키는 것이다. 충분한 두께의 GaN 단결정이 성장되면, 기판이나 마스크를 에칭, 연마에 의해서 제거한다.
(1. 기판) GaN의 성장이 가능한 단결정 기판을 이용한다. 사파이어 단결정, GaAs 단결정, 스피넬 단결정, Si 단결정, InP 단결정, SiC 단결정, GaN 단결정, 혹은 그들 단결정 표면에 얇은 GaN의 버퍼층을 형성한 것.
(2. ELO 마스크) SiN, SiON 및 SiO2 중 어느 하나로 한다. 이들 유전체층은 스퍼터링, CVD에 의해서 형성할 수 있다. 막두께는 30㎚ ~ 200㎚ 정도이다.
(3. 결함종 마스크) Pt, Ti 및 Ni 중 어느 하나로 한다. 이들 금속층은 증착 또는 스퍼터링, CVD에 의해서 형성할 수 있다. 이것은 기판 위에 직접 형성해도 된다. 그러나, ELO 마스크 위에 겹쳐서 형성해서 불요 부분을 제거하는 쪽이 간단하다. 그 경우는, SiN, SiO2 또는 SiON 위에 Pt, Ti 또는 Ni가 중첩되는 것으로 된다. Pt의 경우는 밀착성을 향상하기 위해 Ti층을 개재시킨다. 도 9는 ELO 마스크(F) 위에 결함종 마스크(X)를 겹친 바와 같은 이중 마스크의 단면도를 표시한다. 도 10은 SiO2의 ELO 마스크(F) 위에 Pt/Ti의 결함종 마스크를 겹쳐서 형성한 예를 표시한다.
(4. ELO 마스크 창) ELO 마스크의 창의 직경(E)은 0.5㎛ ~ 2㎛ 정도이다. 창은 규칙적으로 베이스로 한 정다각형의 정점에 위치하도록 배치한다. 정삼각형을 베이스로 한 패턴(정삼각형 ELO), 정사각형을 베이스로 한 패턴(정사각형 ELO), 정육각형을 베이스로 한 패턴(정육각형 ELO)이 가능하다. 인접 창의 중심간의 거리(L)(L>E)는 1.5 ~ 5㎛ 정도이다. 창의 형상은 원, 타원, 정육각형, 정삼각형, 정방형 등이다. 개구비 σ(개구부 면적의 전체에 대한 비)는 20% ~ 70% 정도이다.
정삼각형을 베이스로 한 패턴의 정점에 원형 창을 배치한 것이 도 1에 표시한 것이다. 패턴을 이루는 정삼각형의 한 변을 (L)(패턴 주기), 원형창의 직경을 (E)로 하면, 개구비 σ는 σ= πE2/2ㆍ31/2L2이다. 정삼각형을 베이스로 한 패턴의 정점에 정육각형 창을 배치한 것이 도 2에 표시한 것이다. 패턴을 이루는 정삼각형의 한 변을 (L), 정육각형 창의 최장 대각선 길이를 (E)로 하면, 개구비σ는 σ= 3E2/4L2이다.
(5. 결함종 마스크의 형상) 결함종 마스크(X)는 피복부만으로 이루어진 마스크로, 창은 없다. 결함종 마스크(X)의 패턴의 직경(B)(띠형상의 경우는 폭), 반복주기(M)는 ELO 마스크의 창 직경(E)나 반복주기(L)보다 훨씬 크다(B>>E, M>>L). 형상은 환, 정방형, 정육각형, 직사각형, 띠형상(스트라이프) 등이다.
고립한 환(丸), 정방형, 정육각형, 직사각형의 경우는 2차원적인 규칙적인 분포를 한다. 직경(B), 배열 주기(M), 배열 형태 등이 파라미터로 된다. 도 7은 반복해서 정삼각형의 정점에 둥근 결함종 마스크(X)를 형성하고, 그 나머지 공간에 ELO 마스크(F)를 형성한 것이다. 미세한 창(4)과 좁은 피복부(3)를 가지는 것이 ELO 마스크의 부분이다. 큰 환의 피복부분이 결함종 마스크(X)이다. 결함종 마스크(X)의 직경(B)은 ELO 마스크 창직경(E)이나 주기(L)보다 훨씬 크다. 결함종 마스크(X)의 반복주기(M)는 ELO 마스크 창의 주기(L)보다도 크다.
띠형상(스트라이프)의 경우는 길이방향의 치수는 기판 한 변과 동일한 길이를 가지므로, 폭(B)과 반복 주기(M)만이 파라미터로 된다. 도 8은 띠형상의 결함종 마스크를 형성한 예를 표시한다. 결함종 마스크 패턴의 직경(B)은 20㎛ ~ 80㎛ 정도이다. 50㎛ 정도가 가장 이용하기 쉽다. 예를 들어, 띠형상의 결함종 마스크(X)로 폭이 B=50㎛인 것을 주기가 M=400㎛로 평행하게 GaAs 기판 위에 형성하고, 사이의 350㎛의 띠형상의 영역에 ELO 마스크(F)를 형성한다. 결국 기판 위에 50㎛ X:350㎛ F:50㎛ X:350㎛ F:…와 같이 밭이랑과 같이 연속하는 것 같은 ELO 및 결함종 마스크의 패턴으로 할 수 있다. 그것은 400㎛의 폭을 가지는 LD소자를 제조하기 위한 기판으로서 사용할 수 있다. ELO 및 결함종 마스크 패턴의 평행으로 연장한 방향을 LD의 스트라이프에 맞추도록 한다.
(6. 결정성장방법) 박막과 같은 방식으로 GaN 기판 결정을 기상성장법에 의해서 제조한다. 다음에 표시하는 어느 방법도 적용할 수 있다. 어느 방법에 있어서도 처음에 저온에서 버퍼층을 얇게 형성(마스크보다 얇음)해도 되고, 버퍼층이 없어도 된다.
l. HVPE법(하이드라이드 기상성장법: Hydride Vapor Phase Epitaxy)
핫 월형(hot-wall type)의 반응로 안에, Ga 금속을 수납한 용기를 배치해 두고, 주위에 설치한 히터로 가열하여 Ga 융액으로 해두고, HCl + 수소가스를 내뿜어 GaCl로 하고, 그것을 하부로 인도하고, H2+NH3 가스와 함께 가열한 기판에 닿게 해서 GaN을 합성해서 GaN 결정을 기판 위에 퇴적시켜간다.
2. MOC법(유기금속 염화물 기상 성장법: Metallorganic Chloride Method)
트리메틸갈륨 등의 Ga를 함유하는 유기금속을 수소로 희석한 가스와, 수소로 희석한 HC1 가스를 핫 월형의 노 내에서 반응시켜, 일단 GaCl을 합성하고, 이것과 기판 부근에 흐르게 한 NH3(+H2) 가스를 반응시켜, 가열한 기판 위에 GaN 박막을 성장시키는 수법이다.
3. MOCVD법(유기금속 CVD법: Metal1organic Chemical Vapor Deposition)
콜드 월형의 반응로에 있어서, TMG 등의 Ga의 유기금속을 수소로 희석한 가스와, NH3를 수소로 희석한 가스를 가열한 기판에 분사해서, 기판 상에서 GaN을 합성하고, GaN의 결정을 기판 위에 퇴적시키는 방법이다. GaN 박막성장기술로서 가장 빈번하게 이용되는 수법이다.
SiO2로 이루어지고 정육각형의 창을 다수 가지는 폭이 350㎛인 ELO 마스크(F)와, Pt/Ti로 이루어지고 폭이 50㎛인 띠형상 결함종 마스크를 주기 400㎛로 2인치 GaAs 기판 위에 형성했다. HVPE법에 의해서 처음에는 450℃의 저온으로 100㎚ 두께의 GaN 버퍼층을 성장시켰다. NH3 분위기에서 950℃까지 승온했다. 950℃의 고온에서 더욱 GaN의 성장을 행하여 100㎛의 두께의 GaN 층을 성장시켰다. 결함종 마스크 위에는 폐쇄결함 집합영역(H)이 성장하고, 그것을 둘러싸는 동심 형상의 영역에 단결정 저전위 수반영역(Z)이 성장하며, 경계 부분에 단결정 저전위 나머지 영역(Y)이 성장했다. 그것이 기판의 전체에 걸쳐서(도 6과 같이) 형성되어 있는 것을 확인했다.
본 발명은, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정 등, 혹은 그것에 GaN 버퍼층을 형성한 기판 위에 초기결함을 줄이기 위한 ELO 마스크와 결함 집중을 일으키게 하기 위한 결함종 마스크를 상보적으로 형성한다. ELO 마스크 재료로서는 SiO2, SiON, SiN 등의, GaN이 그 위에 극히 성장되기 어려운 재료를 이용하고, 결함종 마스크 재료로서는 Pt, Ni, Ti 등의, GaN이 그 위에 성장되기 어렵지만 결함이 많은 GaN 결정을 성장시킬 수 있는 재료를 이용한다.
그 때문에, 결함종 마스크 위에서 GaN이 집중된 결함(폐쇄 결함 집합 영역(H))이 성장 중에 소멸하는 일은 없다. 반대로 ELO 마스크 위에 결함 집중 영역이 발생하는 일도 없다.
결함종 마스크 위의 일부의 영역에 고밀도의 폐쇄결함 집합영역이 형성되고, 그 만큼 다른 영역은 저결함이 되므로, 그 외의 부분에 대해서 보면 저결함 밀도의 GaN 단결정을 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판;
    상기 기판 위에, Ti, Pt 또는 Ni로 이루어진 피복부분만으로 규칙적으로 형성되어, 폐쇄결함 집합영역(H)을 발생시키기 위한 종(種)으로 되는 결함종 마스크(X); 및
    상기 기판 위에서 상기 결함종 마스크와 규칙적으로 상보적으로 형성된 SiON, SiO2 및 SiN 중 어느 하나로 이루어진 피복 부분과, 작은 주기로 규칙적으로 배열된 다수의 창을 가지는 ELO 마스크(F)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판.
  2. 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 위에, SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막을 형성하는 단계;
    상기 ELO 마스크용 박막 위에 Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크용 박막을 형성하는 단계;
    ELO 마스크(F)로 될 부분의 상기 결함종 마스크용 박막을 에칭에 의해서 제거하는 단계; 및
    상기 에칭에 의한 제거에 의해서 노출된 상기 SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막에, 규칙적인 배열로 나열된 창을 에칭에 의해 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨성장용 기판의 제조방법.
  3. 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 위에 SiO2, SiN 및 SiON 중 어느 하나의 ELO 마스크용 박막을 형성하는 단계;
    상기 ELO 마스크용 박막에 있어서 ELO 마스크로 될 부분에 규칙적인 배열로 나열된 창을 형성하는 단계; 및
    상기 창을 통해 노출된 상기 SiO2, SiN 및 SiON 중의 어느 하나로 이루어진 ELO 마스크의 부분 중에서 결함종 마스크(X)로 될 부분에, Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크용의 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨성장용 기판의 제조방법.
  4. 사파이어 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, Si 단결정, SiC 단결정, 스피넬 단결정 및 GaN 단결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종의 단결정으로 이루어진 기판, 또는 해당 단결정 위에 GaN 버퍼층을 형성해서 얻어진 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 위에, SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크(F)용 박막을 형성하는 단계;
    상기 ELO 마스크용 박막 위에 Pt, Ti 또는 Ni로 이루어진 결함종 마스크(X)용 박막을 형성하는 단계;
    ELO 마스크(F)로 될 부분의 상기 결함종 마스크용 박막을 에칭에 의해서 제거하는 단계;
    상기 에칭에 의한 제거에 의해 노출된 상기 SiO2, SiN 또는 SiON으로 이루어진 ELO 마스크용 박막에, 규칙적인 배열로 나열된 창을 에칭에 의해서 형성함으로써, 마스크 부착 기판을 얻는 단계;
    상기 마스크 부착 기판을 기상 성장로에 넣는 단계;
    상기 마스크 부착 기판 위에, NH3를 함유하는 원료와 Ga를 함유하는 원료를 공급해서 기상 합성법에 의해서 GaN 단결정을 성장시켜, 기판이 부착된 GaN 단결정을 얻는 GaN 단결정 성장 단계;
    상기 GaN 단결정 성장 완료 후, 상기 기상 성장로로부터 상기 기판이 부착된 GaN 단결정을 빼내는 단계;
    상기 기판이 부착된 GaN 단결정으로부터 상기 마스크 부착 기판과 마스크(F) 및 (X)를 에칭 또는 연마에 의해 제거하여, 자립한 GaN 단결정 기판을 얻는 단계를 포함하되,
    상기 GaN 단결정 성장 단계에서는,
    초기에는 ELO 마스크(F)의 창에 노출된 기판 위에 GaN의 결정핵을 발생시키는 단계;
    상기 ELO 마스크의 피복부와 상기 결함종 마스크(X) 위에는 GaN 결정이 성장하지 않고, 창을 넘은 GaN 결정은 상기 ELO 마스크의 피복부 위를 가로방향으로 성장하는 단계; 및
    상기 각각의 창으로부터 가로방향으로 성장한 결정막이 합체한 후에는, 상기 ELO 마스크(F)상에서는 상향의 저전위의 성장을 하고, 결함종 마스크(X) 위에서는 GaN의 퇴적이 시작되어 결함을 다수 포함한 GaN의 폐쇄결함 집합영역(H)이 성장해 가도록 하는 단계를 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판의 제조방법.
KR1020047000171A 2002-04-30 2003-01-23 질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법 KR100915268B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002127727A JP3997827B2 (ja) 2002-04-30 2002-04-30 窒化ガリウム成長用基板及び窒化ガリウム成長用基板の製造方法並びに窒化ガリウム基板の製造方法
JPJP-P-2002-00127727 2002-04-30
PCT/JP2003/000613 WO2003094214A1 (fr) 2002-04-30 2003-01-23 Substrat pour croissance de nitrure de gallium, procede de preparation de substrat de croissance de nitrure de gallium et procede de preparation de substrat de nitrure de gallium

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040101179A KR20040101179A (ko) 2004-12-02
KR100915268B1 true KR100915268B1 (ko) 2009-09-03

Family

ID=29397245

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020047000171A KR100915268B1 (ko) 2002-04-30 2003-01-23 질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7351347B2 (ko)
EP (1) EP1501117B1 (ko)
JP (1) JP3997827B2 (ko)
KR (1) KR100915268B1 (ko)
CN (2) CN101241851A (ko)
DE (1) DE60333559D1 (ko)
TW (1) TWI286391B (ko)
WO (1) WO2003094214A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150003723A (ko) * 2012-03-21 2015-01-09 프라이베르게르 컴파운드 마터리얼스 게엠베하 Iii-n 템플레이트의 제조방법과 이의 재처리 및 iii-n 템플레이트
KR101967716B1 (ko) 2018-02-05 2019-04-10 주식회사 루미스탈 질화갈륨 웨이퍼의 제조방법

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4588380B2 (ja) * 2003-08-18 2010-12-01 ローム株式会社 半導体発光素子
KR100712753B1 (ko) * 2005-03-09 2007-04-30 주식회사 실트론 화합물 반도체 장치 및 그 제조방법
KR100691176B1 (ko) * 2005-05-31 2007-03-09 삼성전기주식회사 질화물 반도체 단결정 성장방법
KR20060127743A (ko) * 2005-06-06 2006-12-13 스미토모덴키고교가부시키가이샤 질화물 반도체 기판과 그 제조 방법
JP4656410B2 (ja) * 2005-09-05 2011-03-23 住友電気工業株式会社 窒化物半導体デバイスの製造方法
JP4462249B2 (ja) * 2005-09-22 2010-05-12 ソニー株式会社 発光ダイオードの製造方法、集積型発光ダイオードの製造方法および窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の成長方法
US20070224784A1 (en) * 2006-03-22 2007-09-27 Soloviev Stanislav I Semiconductor material having an epitaxial layer formed thereon and methods of making same
JP4984119B2 (ja) 2006-08-28 2012-07-25 スタンレー電気株式会社 窒化物半導体結晶ないしそれを用いた発光素子及びその製造方法
KR100858923B1 (ko) * 2006-09-29 2008-09-17 고려대학교 산학협력단 질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판, 질화갈륨 박막제조방법 및 질화갈륨 박막 제조용 단결정 기판으로 제조된질화갈륨 박막을 포함하는 발광다이오드 및레이저다이오드
KR100831843B1 (ko) 2006-11-07 2008-05-22 주식회사 실트론 금속층 위에 성장된 화합물 반도체 기판, 그 제조 방법 및이를 이용한 화합물 반도체 소자
US20080121903A1 (en) * 2006-11-24 2008-05-29 Sony Corporation Method for manufacturing light-emitting diode, light-emitting diode, lightsource cell unit, light-emitting diode backlight, light-emitting diode illuminating device, light-emitting diode display, and electronic apparatus
US20080132081A1 (en) * 2006-12-04 2008-06-05 Shaheen Mohamad A Thin III-V semiconductor films with high electron mobility
JP4259591B2 (ja) * 2007-01-16 2009-04-30 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法、ｉｉｉ族窒化物結晶基板およびｉｉｉ族窒化物半導体デバイス
KR101374090B1 (ko) * 2007-07-26 2014-03-17 아리조나 보드 오브 리젠츠 퍼 앤 온 비하프 오브 아리조나 스테이트 유니버시티 에피택시 방법들과 그 방법들에 의하여 성장된 템플릿들
US8759203B2 (en) 2009-11-17 2014-06-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Growing III-V compound semiconductors from trenches filled with intermediate layers
US8716049B2 (en) * 2010-02-23 2014-05-06 Applied Materials, Inc. Growth of group III-V material layers by spatially confined epitaxy
CN102487111B (zh) * 2010-12-04 2014-08-27 展晶科技(深圳)有限公司 半导体发光芯片制造方法
JP2013084832A (ja) * 2011-10-12 2013-05-09 Sharp Corp 窒化物半導体構造の製造方法
CN102394261B (zh) * 2011-11-17 2013-04-24 扬州中科半导体照明有限公司 在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法
CN102492986B (zh) * 2011-12-02 2014-05-28 北京大学 一种选区异质外延衬底结构及其制备和外延层生长方法
KR101668541B1 (ko) * 2012-01-11 2016-10-21 고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 오사까 다이가꾸 Iii족 질화물 결정의 제조 방법, iii족 질화물 결정 및 반도체 장치
DE102012107001A1 (de) 2012-07-31 2014-02-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips und optoelektronischer Halbleiterchip
DE102012217640B4 (de) 2012-09-27 2020-02-20 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
KR101547546B1 (ko) 2013-09-17 2015-08-28 서울대학교산학협력단 박막 구조체 및 그 제조방법
WO2015083768A1 (ja) * 2013-12-05 2015-06-11 日本碍子株式会社 窒化ガリウム基板および機能素子
CN103996757B (zh) * 2014-05-30 2016-09-07 西安神光皓瑞光电科技有限公司 一种利用TiO2纳米管阵列薄膜提高LED亮度的方法
CN105448651B (zh) * 2014-08-15 2019-03-29 北大方正集团有限公司 一种衬底上的外延片及其制作方法
EP3414773A1 (en) 2016-02-12 2018-12-19 Hexagem AB Iii-nitride semiconductor devices
JP2017178769A (ja) * 2016-03-22 2017-10-05 インディアン インスティテゥート オブ サイエンスＩｎｄｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ 横方向に配向した低欠陥密度で大面積の金属窒化物アイランドのプラットフォームおよびその製造方法
WO2017168012A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Hexagem Ab Forming a planar surface of a iii-nitride material
US10991578B2 (en) 2016-10-19 2021-04-27 Hexagem Ab Forming a planar surface of a III-nitride material
KR102680861B1 (ko) * 2016-12-15 2024-07-03 삼성전자주식회사 질화 갈륨 기판의 제조 방법
US11621371B2 (en) 2019-09-30 2023-04-04 Chongqing Konka Photoelectric Technology Research Institute Co., Ltd. Epitaxial structure, preparation method thereof, and LED
US10847625B1 (en) * 2019-11-19 2020-11-24 Opnovix Corp. Indium-gallium-nitride structures and devices
CN111958070B (zh) * 2020-10-22 2021-02-02 中电化合物半导体有限公司 一种低缺陷密度碳化硅单晶衬底的制备方法
WO2024145658A1 (en) 2022-12-30 2024-07-04 Opnovix Corp. Variable composition ternary compound semiconductor alloys, structures, and devices

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03116927A (ja) * 1989-09-29 1991-05-17 Kyocera Corp 半導体装置
JPH0864791A (ja) * 1994-08-23 1996-03-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd エピタキシャル成長方法
JPH10312971A (ja) * 1997-03-13 1998-11-24 Nec Corp ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜とその成長方法、ＧａＮ系半導体膜とその形成方法、ＧａＮ系半導体積層構造とその形成方法、ＧａＮ系半導体素子とその製造方法
JP2001185498A (ja) * 1999-12-27 2001-07-06 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体膜の成長方法及びｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0918033A (ja) * 1995-06-27 1997-01-17 Daido Hoxan Inc 薄膜太陽電池およびその製法
US6348096B1 (en) * 1997-03-13 2002-02-19 Nec Corporation Method for manufacturing group III-V compound semiconductors
CN100344004C (zh) 1997-10-30 2007-10-17 住友电气工业株式会社 GaN单晶衬底及其制造方法
TW417315B (en) 1998-06-18 2001-01-01 Sumitomo Electric Industries GaN single crystal substrate and its manufacture method of the same
JP3788037B2 (ja) 1998-06-18 2006-06-21 住友電気工業株式会社 ＧａＮ単結晶基板
JP3788041B2 (ja) 1998-06-30 2006-06-21 住友電気工業株式会社 ＧａＮ単結晶基板の製造方法
JP2001288000A (ja) 2000-04-04 2001-10-16 Hitachi Ltd 半導体薄膜結晶の製造方法
JP2002270516A (ja) * 2001-03-07 2002-09-20 Nec Corp Ｉｉｉ族窒化物半導体の成長方法、ｉｉｉ族窒化物半導体膜およびそれを用いた半導体素子
JP3819730B2 (ja) 2001-05-11 2006-09-13 三洋電機株式会社 窒化物系半導体素子および窒化物半導体の形成方法
JP3864870B2 (ja) * 2001-09-19 2007-01-10 住友電気工業株式会社 単結晶窒化ガリウム基板およびその成長方法並びにその製造方法
JP3801125B2 (ja) * 2001-10-09 2006-07-26 住友電気工業株式会社 単結晶窒化ガリウム基板と単結晶窒化ガリウムの結晶成長方法および単結晶窒化ガリウム基板の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03116927A (ja) * 1989-09-29 1991-05-17 Kyocera Corp 半導体装置
JPH0864791A (ja) * 1994-08-23 1996-03-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd エピタキシャル成長方法
JPH10312971A (ja) * 1997-03-13 1998-11-24 Nec Corp ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜とその成長方法、ＧａＮ系半導体膜とその形成方法、ＧａＮ系半導体積層構造とその形成方法、ＧａＮ系半導体素子とその製造方法
JP2001185498A (ja) * 1999-12-27 2001-07-06 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体膜の成長方法及びｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150003723A (ko) * 2012-03-21 2015-01-09 프라이베르게르 컴파운드 마터리얼스 게엠베하 Iii-n 템플레이트의 제조방법과 이의 재처리 및 iii-n 템플레이트
KR102083043B1 (ko) * 2012-03-21 2020-02-28 프라이베르게르 컴파운드 마터리얼스 게엠베하 Iii-n 템플레이트의 제조방법과 이의 재처리 및 iii-n 템플레이트
KR101967716B1 (ko) 2018-02-05 2019-04-10 주식회사 루미스탈 질화갈륨 웨이퍼의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
TW200405585A (en) 2004-04-01
JP3997827B2 (ja) 2007-10-24
US20050064206A1 (en) 2005-03-24
EP1501117A4 (en) 2008-05-14
EP1501117B1 (en) 2010-07-28
CN100352004C (zh) 2007-11-28
JP2003324069A (ja) 2003-11-14
CN101241851A (zh) 2008-08-13
WO2003094214A1 (fr) 2003-11-13
TWI286391B (en) 2007-09-01
EP1501117A1 (en) 2005-01-26
CN1533593A (zh) 2004-09-29
KR20040101179A (ko) 2004-12-02
DE60333559D1 (de) 2010-09-09
US7351347B2 (en) 2008-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100915268B1 (ko) 질화갈륨성장용 기판 및 질화갈륨성장용 기판의 제조방법 및 질화갈륨기판의 제조방법
EP1367150B1 (en) Production method for semiconductor crystal and semiconductor luminous element
US7095062B2 (en) Methods of fabricating gallium nitride semiconductor layers on substrates including non-gallium nitride posts, and gallium nitride semiconductor structures fabricated thereby
US6844569B1 (en) Fabrication method of nitride-based semiconductors and nitride-based semiconductor fabricated thereby
JP3864870B2 (ja) 単結晶窒化ガリウム基板およびその成長方法並びにその製造方法
KR100626625B1 (ko) 질화갈륨의 에피택셜층의 제조 방법
KR101142745B1 (ko) 질화갈륨 단결정 기판 및 그 제조방법
CN105702562B (zh) 使用化学剥离方法的ⅲ族氮化物基板的制备方法
KR20060043770A (ko) ＧａＮ 단결정 기판의 제조 방법 및 ＧａＮ 단결정 기판
CN100454487C (zh) 制备GaN晶体衬底的方法
KR20010031642A (ko) ＧａＮ단결정기판 및 그 제조방법
WO2009015350A1 (en) Epitaxial methods and templates grown by the methods
JP6947746B2 (ja) 複合ＧａＮナノカラムの製造方法
JP2002373864A (ja) 窒化ガリウム結晶への酸素ドーピング方法と酸素ドープされたｎ型窒化ガリウム単結晶基板
KR100878512B1 (ko) ＧａＮ 반도체 기판 제조 방법
JP2010521810A (ja) 半導体ヘテロ構造及びその製造
JP5103014B2 (ja) マスクを通るラテラル成長による窒化ガリウム基板の製造
JP4356208B2 (ja) 窒化物半導体の気相成長方法
JP2017522721A (ja) 半極性ｉｉｉ族窒化物層を含む半導体材料の製造方法
WO2001059819A1 (en) Methods of fabricating gallium nitride semiconductor layers on substrates including non-gallium nitride posts, and gallium nitride semiconductor structures fabricated thereby
JP4093064B2 (ja) 埋め込み基板結晶製造方法および埋め込み基板結晶
EP1884580A2 (en) Method of growing gallium nitride crystal
JP5146697B2 (ja) 窒化物半導体
JP4605513B2 (ja) 埋め込み基板結晶製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee