KR101084709B1 - 질소화 갈륨 기판 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저가의 대형·고품질 GaN 기판의 제작 방법을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명은 고품질 기판(110) 위에 MgO의 버퍼층(120)을 형성하고 어닐(anneal)처리를 수행한 후, ZnO 단결정막(130)을 형성한다. 그 후, ZnO막(130)의 표면의 초기 질화(窒化)를 막는 처리(e)를 함으로써, 그 위에 단결정막을 성장시키는 GaN(140)의 결정극성을 Ga극성으로 한다(f). GaN의 단결정막(140)을 성장시킨 후, ZnO를 녹여서 GaN 단결정 기판을 박리한다(g). 본 발명에 의하여 Ga 극성의 고품질 GaN 단결정을 얻을 수 있다.

GaN단결정, Ga극성, ZnO막

Description

질소화 갈륨 기판 제작 방법{PROCESS FOR PRODUCING GaN SUBSTRATE}

본 발명은 GaN 기판의 제작방법에 관한 것이다.

지금까지 시도되어 온 GaN 기판의 제작법은 크게 네 가지로 나누어진다. 그하나는 융액성장법(融液成長法)이다. 이것은 GaN 융액으로부터 고압화로 GaN의 벌크 결정을 성장시키는 방법이며 아직 기술적으로 확립되지 않았다. 장래에 1인치 이상의 대형 결정기판의 성장이 가능한지 여부가 분명하지 않다.

둘째로 용액성장법(溶液成長法)이다. 이것은 적당한 용매(예를 들면 나트륨)중에 GaN을 녹여서 용액을 만들고, 그로부터 벌크 결정을 성장시키는 방법이며 이것도 아직 기술적으로 확립되지 않았다.

세째로 사파이어 기판상에 CVD 혹은 MOCVD법에 의해 GaN 후막(厚膜)을 성장시키고 그 후 GaN막을 레이저를 이용한 리프트오프법에 의하여 박리시키는 방법이다. 이 방법에 따르면 기판 크기는 사파이어기판으로 정해지므로 대형기판 형성이 가능하지만 원료에 대한 성공률이 나쁜 점이 문제가 된다.

네째로 GaAs 기판 위에 CVD 혹은 MOCVD법에 의하여 GaN 후막을 성장시키고 그 후에 GaAs 기판을 산등으로 녹여서 GaN막을 제작하는 방법이다. 이것도 대형 기판 형성이 가능하지만 비용이 높은 점이 문제가 된다.

다섯째는 사파이어 기판상에 ZnO층을 형성한 후 ZnO층 위에 GaN층을 생성한다. 그리고 ZnO층을 녹여서 GaN 기판을 빼내는 것도 이루어지고 있다.

이 때에 사파이어상에 MgO의 버퍼층을 이용함으로써 버퍼층상에 성장한 ZnO층의 표면형상의 개량에 효과가 있음을 알고 있다(비특허문헌 1, 2참조).

[비특허문헌1]

Chen Y, Ko HJ, Hong SK, and Yao T. Layer-by-layer growth of ZnO epilayer on A1203(0001) by using a MgO buffer layer., Appl. Phys. Lett., 2000; 76: 559.

[비특허문헌2]

Chen Y, Hong SK, Ko HJ, Kirshner V, Wenisch H, Yao T, Inaba K, and Segawa Y. Effects of an extremely thin buffer on heteroepitaxy with large lattice mismatch., Appl Phys Lett, 2001;78:3352.

본 발명의 목적은 저가의 대형·고품질의 GaN 기판의 제작방법을 제공하고자 하는 것이다.

상술의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고품질 기판상에 MgO의 버퍼층을 형성하고 그 MgO의 버퍼층상에 극성 제어하여서 ZnO층을 생성시키고 그 ZnO층 상에 극성 제어하여서 GaN층을 성장시켜 상기 ZnO층을 용해시킴으로써 GaN 기판을 제작하는 것을 특징으로 한다.

상기 MgO의 버퍼층을 어닐하여서 Zn 극성의 ZnO층을 성장시켜 그 ZnO층의 표면의 질화를 막아서 Ga 극성의 GaN층을 성장시켜도 좋다.

또 상기 MgO의 버퍼층상에 O극성의 ZnO층을 성장시키고 그 ZnO층의 표면을 질화시키거나 또는 반전대칭성이 있는 박막을 퇴적시킨 후 Ga극성의 GaN층을 성장시켜도 좋다.

상기 GaN층은 저온의 GaN 버퍼층을 제작한 뒤 고온 GaN을 성장시킬 수도 있다.

도 1(a)~(d)는 GaN 기판 작성 방법을 나타내는 도면이다.

도 2(a)~(c)는 도 1의 GaN 기판 작성방법의 계속을 나타내는 도면이다.

도 3(a),(b)는 어닐 처리의 효과를 설명하기 위한 AFM 사진이다.

도 4(a),(b)는 오메가·스캔에 의한 결과를 나타내는 도면이다.

도 5(a)~(d)는 전위분포(轉位分布)를 나타내는 ZnO층의 투과형 전자 현미경 사진이다.

도 6(a)는 O플라즈마처리(시료1), (b)는 NH₃처리(시료2)의 ZnO층 표면의 AMF 사진이다.

도 7(a)~(d)는 시료 1의 CBED 패턴이 계측한 것과 시뮬레이션을 비교한 도면이다.

도 8(a)~(d)는 시료 2의 CBED 패턴이 계측한 것과 시뮬레이션을 비교한 도면이다.

도 9(a),(b)는 GaN의 결정 극성 제어를 설명하는 도면이다.

도 10은 저온 GaN 버퍼층의 효과를 설명하는 도면이다.

본 발명은 고품질 기판상에 MgO 버퍼를 성장시키고 그 위에 ZnO 단결정막을 형성하며, 그 위에 GaN의 단결정막을 성장시키는데 극성 제어하여서 GaN의 단결정막을 성장시켜서 ZnO를 녹여서 GaN 단결정 기판을 박리한다.

이로 인하여 Ga 극성의 고품질 GaN 단결정을 얻을 수 있다.

이하 본 발명의 실시형태를 첨부도면을 참조하여서 설명한다.

예로서 고품질 기판으로서 사파이어 기판을 이용한 GaN 기판 작성법 순서를 도 1, 2를 참조하여서 이하에서 상세하게 설명한다.

(1) 사파이어기판(C면 또는 A면)(110)을 청정화한다.

청정화 방법은 잘 알려져 있는 것이면 된다(도1(a)참조).

(2) 막 두께가 2nm이하의 MgO 단결정 박막(버퍼층)(120)을 퇴적한다. 이 성장조건은 기판온도:300~800℃, 성장속도:매분 10nm이하이며, 뒤에서 설명하는 실시예에서는 MBE법으로 수행하였는데 성장법은 HVPE법, MOCVD법, 플라즈마 CVD법 어느 것라도 좋다(도1(b)참조).

(3) 산소 분위기 또는 산소 플라즈마 분위기 또는 최고 진공하에서 MgO 버퍼층을 800℃이상 1200℃이하의 온도 범위에서 25분 이상 어닐한다(도 1(c)참조).

(4) ZnO(130)을 막두께 0.1μm이상 성장한다. 뒤에서 설명하는 실시예에서는 MBE법으로 수행하였는데 성장법은 HVPE법, MOCVD법, 플라즈마 CVD법 어느 것라도 좋다(도 1(d)참조).

(5) ZnO 표면에 초기 질화를 막아서 GaN을 성장시킨다. 요컨대 ZnO 표면을 암모니아나 질소 플라즈마 등에 30초 이상 폭로시키지 않고 GaN의 성장을 개시시킨다(도2(a)참조). 이를 위하여 예를 들면 불활성 가스의 분위기로 하여도 좋다.

(6) GaN을 소정의 두께만 성장시킨다(도 2(b)참조). 실시예에서는 MBE법으로 수행하였는데, 성장법은 HVPE법, MOCVD법, 플라즈마 CVD법의 어느 것이라도 좋다.

(7) 염산 등의 산용액 중에 침청함으로써 GaN막이 박리되어서 자립 기판이 형성된다(도2(c)참조). 실시예에서는 염산을 80도로 뜨겁게 하여서 수행하였다. 그러나 황산이나 버퍼 불산 등과 같은 어떠한 산이라도 가능하다. 또 불화암모늄과 같은 어떠한 알칼리라도 좋다.

상기 공정상의 포인트는 (3)의 어닐 처리와 (5)의 GaN 성장개시이다. 우선, MgO 버퍼층의 어닐 처리에 따라서 그 위에 성장하는 ZnO막의 극성은 Zn 극성이 되며, 그리고 또한 ZnO막의 표면을 초기 질화를 막아서 GaN을 성장시키면 그 위의 GaN도 Ga극성이 되어 고품질 GaN가 성장한다. 또 어닐 처리를 하지 않으면 ZnO막은 O극성이 된다.

ZnO막의 표면을 O-플라즈마나 산소·오존에 쬐이거나 NH₃이나 질소 플라즈마에 폭로하면 그 위에서 성장하는 GaN는 Ga극성이나 N극성이 된다. 이로 인하여 결정 극성을 제어하는 것이 가능하게 된다. 이 결정 극성의 제어에 관해서는 뒤에서 상세하게 설명한다.

또 상기 공정(6)에서 저온 GaN(LT-GaN)의 얇은 버퍼층(예를 들면 100nm 정도)을 먼저 성장시킨 후, 고온 GaN을 성장시킴에 따라서 결정성을 개선시킬 수도 있다. 이것도 뒤에서 상세하게 설명한다.

MgO 버퍼층에 대한 어닐 처리에 따른 효과는 ZnO층 중의 결함밀도의 감소와 고품질화에도 있다. 결함밀도가 낮은 ZnO층 상에 성장한 GaN 층의 결함밀도는 당연히 감소한다.

우선, 어닐 처리에 따른 ZnO층의 결함밀도의 감소와 고품질화에 관하여 이하에서 도 3~도 5를 이용하여서 설명한다.

〈어닐처리〉

ZnO층은 c-사파이어상에 P-MBE에 의해 LT-MgO(저온 산화 마그네슘) 버퍼층 또는 어닐한 LT-MgO 버퍼층 상에 성장시켰다. 기판은 아세톤과 메탄올에 의하여 초음파 세정기로 세정한 후, H₂SO₄(96%):H₃PO₄(85%)=3:1 용액중에서 화학적으로 160℃에서 15분간 엣칭하였다.

성장전에 기판은 준비실내에서 1시간 750℃로 열적으로 세정하였다. 그 후 기판은 산소종단 c-사파이어 표면을 작성하기 위하여 산소 플라즈마에 의해 성장실에서 650℃로 30분간 처리되었다.

작성된 시료의 구성은 다음과 같다. 우선 MgO 버퍼층이 세정된 c-사파이어 상에 700℃와 490℃로 연속적으로 작성된다. 이어서 LT-ZnO 버퍼층이 490℃로 성장후, 750℃에서 3분간 어닐링된다. 이 후, HT-ZnO층을 700℃로 성장시킨다. 어닐된 MgO 버퍼상에 성장시킨 ZnO층의 경우는 LT-MgO 버퍼층은 800℃에서 25분간 어닐된다. HT-ZnO층의 두께는 약 800nm이다.

도 3은 (a) LT-MgO 버퍼상에 성장한 ZnO층과, (b)어닐된 LT-MgO 버퍼상에 성장한 ZnO층의 원자현미경(AFM:Atomic Force Microscope)에 의한 사진을 나타낸다. 2.5㎛×2.5㎛이 스캔 영역내의 조도(粗度)의 2승 평균(rms)의 값은 각각 (a)1.1nm과 (b)0.76nm이다. 단의 높이(단구(terrace)의 크기)의 평균은 각각 (a)0.21nm(94nm)와 (b)0.25nm(245nm)이다. 이들의 사진은 LT-MgO 버퍼에 대한 고온의 어닐링에 의해 흡착원자의 표면이동을 증대시키고 표면상의 보다 큰 단구의 형성 및 보다 매끄러운 표면형태를 얻을 수 있다.

도 4에서 나타내고 있는 바와 같이, (0002)ω와 (10-11)ω의 오메가스캔의 FWHM(Full Width at Half Maximun)값(아크초)은 LT-MgO 버퍼 위와 어닐된 LT-MgO 버퍼 위에서 성장한 ZnO층에 대하여 각각 18(1079)과 22(843)이다. 즉, (0002)ω 스캔의 두 개의 시료에 대한 동일한 낮은 FWHM값은 양쪽 모두 낮은 나선전위(screw dislocation) 밀도임을 나타내고 있다. (0002)ω와 비교하면 (10-11)ω 반사의 의미 있는 퍼짐은 엣지형 전위(edge-type dislocation)의 큰 밀도의 존재를 나타내고 있다. 모든 타입의 전위(엣지,나선,혼합)가 (10-11)ω 반사를 넓히는 일은 없다. (0002)ω 반사는 나선 및 혼합형의 전위에만 민감하다. 그 외에 어닐된 MgO 버퍼상에서 성장한 ZnO층의 (10-11)오메가스캔의 FWHM값은 LT-MgO 버퍼상에 성장한 것보다 작지만 이것은 더 작은 엣지형 전위 밀도를 나타내고 있다.

전위의 타입이나 밀도는 명시야 2빔 단면 투과형 전자현미경(bright-field two-beam cross-sectional TEM)의 사진에 의해 알 수 있으므로 도 5에서 그 사진을 나타낸다. 도 5(a),(b)는 LT-MgO 버퍼상에 성장한 ZnO층이다. 포함되어져 있는 전위는 15%의 나선형(Burgers vectors b=[0001]), 67%의 엣지형(Burgers vectors b=1/3〈11-20〉), 및 18%의 혼합형(Burgers vectors b=1/3〈11-23〉)으로 분포되어 있다. 도 5(c),(d)는 어닐한 LT-MgO 버퍼상에 성장한 ZnO층이다. 포함되어져 있는 전위는 90%의 엣지형과 10%의 나선형으로 분포되어 있다. 여기서 c축을 따라서 포함되어져 있는 대다수의 전위는 양쪽의 ZnO 시료중 모두 엣지형 전위이다. 엣지형 전위는 어닐한 LT-MgO버퍼에 의해 크게 감소시킬 수 있다. 모든 전위밀도는 LT-MgO 및 어닐한 LT-MgO의 버퍼상 성장한 ZnO층에 대하여 각각 1.5×10⁹cm^-2 및 5.2×10⁸cm^-2이다. 투과형 전자현미경(TEM)의 결과에 의해 ZnO층의 전위밀도가 LT-MgO 버퍼층의 어닐링에 의해 감소하는 것이 확인된다. 이들 결과는 상술의 HRXRD와 일치하고 있다.

상술한 바와 같이 이와 같이 하여서 제작한 ZnO층의 전위밀도는 MgO의 버퍼층을 이용하지 않는 경우와 비교하면 감소시킬 수 있다. 이 ZnO층 상에 성장한 GaN층은 같은 정도의 전위밀도를 얻을 수 있으며 전위밀도를 감소시킬 수 있다.

〈결정극성제어〉

이어서, ZnO층 상의 GaN 성장개시에 따른 결정 극성제어에 관하여 설명한다. 이에 관하여 도 6~도 9를 이용하여 상세하게 설명한다.

우선, 실제로 사용한 GaN층의 생성방법은 이하에서 설명한다.

GaN의 에피층(epilayer)의 성장은 P-MBE로 성장시킨 ZnO(~1.3㎛)/MgO(~3nm)/c-사파이어·템플릿상에 암모니아 보조의 MBE에 의해 수행되었다. 다만, MgO는 고온 어닐을 수행하지 않고 있다. 고체 Ga와 NH₃가스가 Ga와 N의 공급원으로서 각각 사용되었다. 또 N의 공급원으로서 질소 플라즈마를 이용한 경우도 동일한 결과를 얻었다. GaN 성장을 위한 기판 온도는 800℃이다. GaN 성장속도는 1μm/h로 그 때의 Ga빔 압력은 2.8×10^-7Torr(3.7×10^-5Pa)이며, NH₃의 흐름 속도는 10sccm이다.

GaN의 성장 직전에 다른 처리를 수행한 2 셋트의 시료를 준비하였다.

·시료 1 : O-플라즈마에 미리 폭로한 ZnO 템플릿(template)상에 성장시킨 GaN 에피층.

·시료 2 : NH₃에 미리 폭로한 ZnO 템플릿 상에 성장시킨 GaN

이들의 ZnO 박막은 c-사파이어(Al₂O₃(0001)) 기판상에 P-MBE에 의해 성장시켰다. ZnO 템플릿의 성장후 ZnO층의 반사형 고에너지 전자회절(RHEED)에 의한 패턴은 경면(鏡面) 반사점에 의하여 줄무늬로 이루어져 있으며, 이것은 매끄러운 표면을 시사하고 있다. 원자현미경(AFM:Atomic Force Microscope)에 의하여 수행된 표면의 조도의 2승평균(rms)의 측정값은 5㎛ × 5㎛의 면적에 대하여 1㎛보다 적다.

ZnO 템플릿의 극성을 확인하기 위하여 CBED(收束電子線回折)를 사용하였다. CBED 패턴은 20nm 프로브에 의하여 시료의 몇군데 부분에서 얻어졌다.

도 6은 O-플라즈마에 미리 폭로한 ZnO상에 성장시킨 GaN(시료1) 표면의 AFM상(像)(a)과 NH₃에 미리 폭로한 ZnO상에 성장시킨 GaN(시료2) 표면의 AFM상(b)를 나타내고 있다. 시료 1과 시료 2의 2승 평균의 조도의 값은 각각 97.6nm와 23.8nm이다. 이 값은 NH₃에 미리 폭로한 ZnO상에서 성장시킨 GaN이 보다 매끄러운 표면을 가지고 있는 것임을 나타내고 있다. AFM에 따른 표면형태의 관찰에 의해 매끄러운 표면이 Ga극성의 GaN층 상에서 얻어지는데 육각형의 융기에 의한 거친 표면이 N극성의 GaN 표면에서 관찰되고 있음이 보고되고 있다. 두 개의 GaN 시료에 대한 엣칭이 0.5M KOH(10%) 용액중에서 수행되었다. 시료1 및 시료2의 엣칭 속도는 각각 3.9nm/min과 0.1nm/min 이하이다. Ga 극성의 GaN층으로의 엣칭 속도는 N극성 GaN층으로의 엣칭속도와 비교하면 대단히 낮은 것임을 알고 있다. 이들의 결과는 시료1즉 O-플라즈마에 미리 폭로한 ZnO상에 성장시킨 GaN층은 N극성을 갖으며, 시료2 즉 NH₃에 미리 폭로한 ZnO상에 성장시킨 GaN층은 Ga극성을 가지고 있음을 시사하고 있다.

CBED 기술은 우르츠 구조의 재료의 극성을 판단하는 것에 널리 사용되고 있다. 극성이 변화할 때, CBED 패턴의 c축에 대한 대칭성이 반전한다. 도 7(a)와 (b)는 (a)두께 28nm의 O극성 ZnO에 대하여 구한 경우, (b)두께 58nm의 N극성 GaN에 대하여 구한 경우에서의 존축[10-10]에서의 시뮬레이션에 따른 CBED 패턴을 나타내고 있다. 도 7(c)과 (d)는 시료1의 (c)ZnO 템플릿과 (d)GaN층의 존축[10-10]에 대한 측정된 CBED 패턴을 나타내고 있다. 도 7(a),(b)에서 나타내고 있는 바와 같이 시 뮬레이션에 따른 O극성 ZnO의 CBED 패턴은 측정된 것과 동일하며, 이것은 ZnO 템플릿은 O극성을 갖고 있는 것임을 나타내고 있다. 도 7(b),(d)에서 나태내고 있는 바와 같이 시뮬레이션에 의한 N극성 GaN의 CBED 패턴은 측정된 것과 아주 비슷하다. 이것은 O-플라즈마 처리를 한 ZnO상에 성장시킨 GaN층은 N극성을 가지고 있는 것임을 나타내고 있다. O극성 ZnO으로의 O-플라즈마 폭로는 O극성 ZnO(음이온극성) 표면을 유지하고, N극성 GaN(음이온 극성)의 성장을 도울 수 있을 것으로 생각된다.

도 8 (a)와 (b)는 두께 26nm의 (a)O극성 ZnO에 대하여 구한 경우, (b)N극성 GaN에 대하여 구한 경우에서의 존축[11-20]에서의 시뮬레이션에 의한 CBED 패턴을 나타내고 있다. 도 8 (c)와 (d)는 시료2의 (c)ZnO 템플릿과 (d)GaN층의 같은 존축에 대한 측정된 CBED 패턴을 나타내고 있다. 시뮬레이션에 의한 O극성 ZnO의 CBED 패턴(도 8(a))과 측정된 것(도8(c))을 비교하면 시료2의 ZnO 템플릿은 O극성을 갖고 있다. 도 8(d)에서 나타내고 있는 측정된 GaN의 CBED패턴은 도 8(b)에서 나타내고 있는 시뮬레이션에 의한 N극성 GaN의 CBED패턴과 비교하면 c축을 따라서 반전하고 있는 것으로 결론된다. 이 반전한 CBED 패턴은 NH₃에 폭로된 O극성 ZnO 템플릿상에서 성장한 GaN층이 Ga극성을 갖고 있는 것임을 나타내고 있다. 즉 음이온 극성 ZnO 템플릿으로의 NH₃의 폭로는 음이온 극성에서 양이온 극성으로 극성이 반전된다.

상술한 것에서 알 수 있는 GaN/O 극성 ZnO의 계면에서의 결합 시퀀스를 설명한다. 도 9는 계면에서의 개략도를 나타낸다. 도 9(a)는 O-플라즈마에 미리 폭로한 ZnO상에서 성장한 GaN층을 나타내고 있으며, 도 9(b)는 NH₃에 미리 폭로한 ZnO상에 서 성장한 GaN층을 나타내고 있다. O극성 ZnO에 O-플라즈마를 폭로한 후, ZnO의 표면은 0종단이 형성된다. 음이온으로 종단된 ZnO 표면상에 GaN의 성장이 개시될 때, Ga(양이온) 흡착원자가 안정적으로 정착하고, 그 후 N(음이온) 흡착원자가 Ga에 결합한다. 결합 시퀀스는 도 9(a)에서 나타내는 것 같이 GaN/O-플라즈마폭로/O극성 ZnO의 계면에서는 …-Zn-O-Ga-N-…이다.

도 9(b)에 있어서 NH₃ 폭로의 O극성 ZnO상에서 성장한 GaN의 경우, ZnO 표면은 Zn₃N₂와 같은 계면층을 형성하도록 변경된다. Zn₃N₂은 격자정수(格子定數) 0.978nm의 입방구조(Ia3)이며, 반전대칭을 가지고 있다. 이와 같은 반전대칭을 갖는 계면층은 결정극성을 반전시킬 수 있다. (111)Zn₃N₂면은 Zn 원자로 구성되어 있다. Zn₃N₂의 [111]을 따라서 있는 Zn면간의 공간은 0.339nm이다. Zn 표면은 Ga 극성 GaN의 N과 O극성 ZnO의 O를 결합시킬 수 있으며 결합 시퀀스를 …-Zn-O-(Zn-Zn₃N₂-Zn)-N-Ga-…로 이끈다. 이로 인하여 결정극성을 음이온 극성에서 양이온 극성으로 반전한다.

또 상술에서는 O-플라즈마와 NH₃로 극성제어하는 것을 설명하였는데 O-플라즈마 대신에 산소나 오존에 폭로하거나 NH₃ 대신에 N-플라즈마에 폭로하는 것으로도 극성 제어할 수 있다.

상술은 베이스층을 표면처리에 의하여 반응시켜 형성된 표면 반응층을 계면 반전층으로서 이용한 예이다. 다른 방법으로서는 반전 대칭성이 있는 물질을 베이 스의 위에 적층할 수도 있다. 이 방법에 의해서도 베이스 결정과 계면 반전층을 통하여 그 위에 적층된 상부 적층부분의 결정극성은 반전한다. 예를 들면 MgO는 암염 구조를 갖는 반전 대칭성이 있는 결정인데, O극성의 ZnO상에서의 성장에도 표면을 잘 적시므로 모든 면에 2차원 초기 성장하고 그 위에 성장한 GaN층은 Ga 극성이 된다. 물론 Zn 극성상에서도 그 위의 GaN을 N극성으로 하는 것은 가능하다.

〈저온 GaN 버퍼〉

ZnO막 위에 GaN을 성장시킬 때에, 저온 GaN 버퍼를 성장시킨 후 고온에서 GaN을 성장시킴에 따라 저 결함의 GaN을 얻을 수 있다. 이하에서 도 10을 이용하여서 설명한다.

우선, ZnO 상에 GaN을 저온으로 성장시킨다. 도 10은 기판 온도 500도C에서 성장한 GaN 상에 800도로 GaN을 고온 성장시킨 GaN층과, 저온 GaN층이 없이 성장한 GaN층의 XRD(0002) 오메가·록킹·커브의 비교이다. LT-GaN이 없을 때의 FWHM은 23.1arcmin, LT-GaN가 있는 경우는 11.9arcmin으로 거의 반감한다.

이와 같이 저온의 GaN을 ZnO상의 성장시킨 후, 고온에서 GaN을 성장시킴으로써 고품질의 GaN을 얻을 수 있다.

〈다른 실시형태〉

상술의 GaN 작성법(1)~(7)의 확장으로서 이하의 것도 가능하다.

(5)의 단계에서 GaN 막 두께를 10㎛ 정도 제작한다. 그 위에 100nm 정도 SiO₂를 퇴적한다. 이 SiO₂층에 대하여, 리소그래피(lithography) 기술을 사용하여서 SiO₂막을 라인·앤드·스트라이프로 패터닝한다. 스트라이프 부분의 SiO₂는 에칭으로 제거한다. 이 때, 라인의 방향은 GaN 결정의 〈11-20〉방향 또는 〈1-100〉방향으로 정렬시킨다. 이어서 HVPE, MOCVD로 GaN을 성장시킨다. 여기서 성장조건을 잘 선택함에 따라서 결함 밀도가 작은 고품질 GaN막이 성장한다.

GaN을 성장시키는 기판으로서 실리콘 기판을 이용한 실시형태를 이하에 설명한다. 이 경우 버퍼층은 CaF₂를 이용한다.

(1) 실리콘 기판을 청정화하고, 그 위에 CaF₂ 박막을 성장시킨다. 이 것은 이미 확립된 기술로 수행할 수 있다.

(2) CaF₂상에 전자선을 조사하여서 표면의 F원자를 제거한다.

(3) 이어서 ZnO를 성장시킨다. 이것이 상술한 사파이어 기판을 이용한 GaN 기판 작성법 순서에서의 (4)에 상당한다. 이 후에는 상술한 (5)이하의 순서에 의하여 GaN 기판을 제작할 수 있다.

또 상기 (2) 대신에 온도 500℃ 이상으로 CaF₂ 표면에 수소처리를 수행하는 일도 가능하다. 수소중, 수소 플라즈마 조사, 원자 형상 수소 조사 어느 쪽이라도 좋다. 전자 빔 처리와의 병용도 가능하다.

또 상기 (2) 대신에 온도 500℃이상에서 CaF₂ 표면에 산소 플라즈마 처리를 수행하여도 좋다. 전자 빔 처리와 병용할 수도 있다.

상술한 MgO 버퍼의 어닐 처리, ZnO의 표면처리에 따른 GaN의 극성제어, 저온 GaN 버퍼에 따른 GaN의 저결함화 등은 각각 독립하여서 GaN 기판 제작에 대하여 적용하는 것이 가능하며 독립하여 적용함에 따라서 각각의 효과를 얻을 수 있다.

또 본 발명의 GaN 기판 제작방법은 상기한 실시의 형태에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에서 여러가지 변경을 가할 수 있다. 예를 들면, 고품질 기판으로서 상술한 실시형태에서는 사파이어 기판이나 실리콘 기판을 이용하고 있는데 예를 들면 SiC, CaF₂, GaAs, MgO, MgAl₂O₄ 등을 이용하여도 좋다.

Claims (4)

1. 기판 위에 MgO의 버퍼층을 형성하고,

   상기 MgO의 버퍼층을 어닐하여서 Zn극성의 ZnO층을 성장시켜,

   그 ZnO층의 표면의 질화를 막아서, Ga극성의 GaN층을 성장시키고,

   상기 ZnO층을 용해시킴으로써 GaN 기판을 제작하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제작방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 기재된 GaN 기판 제작방법에 있어서,

   상기 MgO의 버퍼층 위에 O극성의 ZnO층을 성장시키고

   그 ZnO층의 표면을 질화시키거나 또는 반전대칭성이 있는 박막을 퇴적시킨 후 Ga 극성의 GaN층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제작방법.
4. 제 1항 또는 제 3항에 기재된 GaN 기판 제작방법에 있어서,

   상기 GaN층은 저온 GaN 버퍼층을 제작한 후, 고온 GaN을 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제작방법.

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