KR101153861B1 - 실리콘 웨이퍼 상에 GaN 박막을 형성하는 방법 - Google Patents

실리콘 웨이퍼 상에 GaN 박막을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 웨이퍼 상에 크랙(crack)이 없고 두께가 균일한 GaN 박막을 형성하는 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 GaN 단결정 박막 제조 방법은, 실리콘 웨이퍼의 표면에 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 실리콘 영역이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 GaN 단결정 박막을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘 웨이퍼 상에 GaN 박막을 형성하는 방법{Method for growing GaN film on silicon wafer}
도 1a 내지 도 1d는 종래의 기술에 따른 GaN 박막 제조 방법을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 종래의 기술로 제조된 GaN 박막에서 두께가 불균일한 특성을 보여준다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 박막의 제조 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 GaN 박막을 도시한다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
21.....실리콘 웨이퍼 22.....포토 레지스터
24.....다공성 실리콘 영역 25.....GaN 박막
26.....다공성 GaN 영역 27.....버퍼층
본 발명은 GaN 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리 콘 웨이퍼 상에 크랙(crack)이 없고 두께가 균일한 GaN 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED와 같은 반도체 발광 소자를 제조하기 위해서는 GaN 단결정 기판이 요구된다. 이러한 GaN 단결정은 GaN 웨이퍼 상에서 성장시키는 것이 가장 바람직하지만, GaN 웨이퍼의 가격이 지나치게 고가라는 문제가 있다. GaN 웨이퍼의 대안으로는, GaN와 열팽창 계수 및 격자상수의 차이가 비교적 작은 사파이어(Al2O3) 웨이퍼를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 사파이어 기판 역시 LED의 제조에 사용하기에는 가격이 비교적 고가라는 문제가 있다. 또한, GaN 또는 사파이어를 웨이퍼로서 사용하는 경우, 웨이퍼를 대구경으로 만들기가 어렵기 때문에, LED의 대량생산이 어렵다.
이에 따라, 비교적 가격이 저렴하고 구경이 큰 실리콘(Si) 웨이퍼가 GaN 단결정의 제조에 주로 이용되고 있다. 그런데 실리콘의 경우에는, 열팽창 계수 및 격자상수에 있어서 GaN와의 차이가 비교적 크다. 이러한 열팽창 계수의 차이로 인하여, 실리콘 웨이퍼 위에 약 1000~1100 ℃ 정도의 고온에서 GaN 단결정을 성장시킨 후, 상기 GaN 단결정을 상온으로 냉각하는 과정에서 GaN 단결정에 다수의 크랙(crack)이 생기기 쉽다. 따라서, 크랙을 거의 발생시키지 않으면서 양질의 GaN 단결정을 실리콘 웨이퍼 위에 성장시키기 위한 기술들이 제안되고 있다.
도 1a 내지 도 1d는 실리콘 웨이퍼 위에 GaN 단결정을 성장시키기 위한 종래의 기술을 예시적으로 도시하고 있다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(11) 위에 포토 레지스트(12)를 도포한다. 그런 후, 예컨대 포토리소그래피(photolithography) 방법을 이용하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 포토 레지스트(12)에 스트라이프(stripe) 형태 또는 격자 무늬 형태의 패턴을 형성한다. 그런 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼(11)를 에칭하여 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 홈(13)을 형성한다. 그리고 마지막으로, 상기 에칭된 실리콘 웨이퍼(11) 상에, 예컨대 MOCVD 방법을 이용하여 수 ㎛의 얇은 두께로 GaN 단결정 박막(14)을 성장시킨다. 이때, 보다 양질의 GaN 단결정을 형성시키기 위하여, 상기 GaN 박막(14)을 형성하기 전에 저온 MOCVD 방법을 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼(11) 상에 GaN 버퍼층 또는 AlN 버퍼층을 먼저 형성할 수도 있다. 그러면, 도 1d에 도시된 바와 같이, 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 홈(13)을 제외한 실리콘 웨이퍼(11) 상에, GaN 단결정 박막(14)이 형성된다.
상술한 종래의 방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼(11) 상에 상대적으로 면적이 작은 다수의 GaN 단결정 박막(14)들이 형성되기 때문에, 냉각 과정에서 열팽창 계수의 차이로 인한 스트레스(stress)가 분산된다. 따라서, 크랙이 거의 발생하지 않는다. 또한, 각각의 GaN 단결정 박막(14)들이 홈(13)에 의해 분리되어 있으므로, 부분적으로 크랙이 발생하더라도 실리콘 웨이퍼(11) 상의 전체 GaN 단결정 박막(14)이 훼손되는 일은 발생하지 않는다.
그러나 상술한 종래의 방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼(11) 상에 GaN 단결정 박막(14)이 성장될 때, 패터닝된 실리콘 웨이퍼(11) 상의 에지(edge) 부분에서 우 선적으로 결정이 성장되기 시작하기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, GaN 단결정 박막(14)의 두께가 일정하지 않게 된다. 이러한 불균일한 두께의 GaN 단결정 박막(14) 위에 LED 소자를 형성하고자 할 경우, 포토리소그래피 공정을 수행하는 것이 곤란하다. 또한, LED 소자를 형성할 수 있는 유효 면적이 감소하기 때문에, 소자의 제조 수율이 감소하게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 실리콘 웨이퍼 상에 크랙이 없고 두께가 균일한 GaN 단결정 박막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN 단결정 박막 제조 방법은, 실리콘 웨이퍼의 표면에 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 실리콘 영역이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 GaN 단결정 박막을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계는, 실리콘 웨이퍼의 표면에 포토 레지스트를 코팅하는 단계; 포토리소그래피 방식을 이용하여 상기 포토 레지스트를 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 패턴으로 패터닝함으로써, 상기 실리콘 웨이퍼 표면의 일부를 스트라이프 형태 또는 격자 무늬의 형태로 노출시키는 단계; 상기 노출된 실리콘 웨이퍼의 표면에 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계; 및 상기 포토 레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계는, 실리콘 웨이퍼를 적당한 전해액(예컨대, HF:에탄올=1:1)에 넣고 양분극 처리하는 양극산화법(anodizing)으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 GaN 단결정 박막을 성장시키기 전에, 상기 다공성 실리콘 영역이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 AlN 또는 GaN 버퍼층을 먼저 형성하고, 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층 위에 GaN 단결정 박막을 성장시킬 수도 있다.
이 경우, 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층은 약 500 내지 800 ℃ 의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층의 두께는, 예컨대, 10Å 내지 5000Å의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 GaN 단결정 박막의 성장은 약 1000 내지 1100 ℃ 의 온도에서 이루어진다.
이러한 GaN 단결정 박막의 성장은, 예컨대, 반응 챔버 내에 Ga 소스 가스, 예컨대 트리메틸갈륨(TMG) 또는 GaCl 등과 NH3 가스를 소스 가스로서 공급함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 GaN 단결정 박막의 두께는 약 0.1㎛ 내지 10mm 의 범위 내에 있을 수 있다.
한편, 상기 다공성 실리콘 영역의 폭은 1㎛ 내지 10mm 이고, 다공성 실리콘 영역들 사이의 간격은 1mm 내지 10cm 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실리콘 웨이퍼의 직경은 1 인치 이상인 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 양호한 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 상에 GaN 단결정 박막을 형성하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 상에 GaN 단결정 박막을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 종래의 기술과 마찬가지로, 실리콘 웨이퍼(21) 상에 스핀 코팅 방식으로 포토 레지시트(22)를 코팅한다. 여기서, 상기 실리콘 웨이퍼(21)는, 예컨대, LED와 같은 소자의 대량생산을 위해, 직경이 적어도 1 인치 이상, 예컨대 약 4 내지 12 인치인 대구경의 것을 사용할 수 있다. 그런 후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 예컨대 포토리소그래피(photolithography) 방식을 이용하여, 상기 포토 레지스트(22)를 스트라이프(stripe) 형태 또는 격자 무늬 형태의 패턴(23)으로 패터닝한다. 그러면, 상기 포토 레지스트(22)의 식각된 패턴(23)을 통해 상기 실리콘 웨이퍼(21)의 표면의 일부가 스트라이프 형태 또는 격자 무늬의 형태로 외부에 노출된다.
그런 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 예컨대, 양극 산화법(anodizing)을 이용하여 상기 노출된 실리콘 웨이퍼(21)의 표면에 다공성 실리콘 영역(24)을 형성한다. 실리콘의 표면이 다공질이 되도록 표면처리하는 기술은 다양하게 공지되어 있다. 예컨대, 실리콘 웨이퍼를 적당한 전해액(예컨대, HF:에탄올=1:1)에 넣고 양분극 처리하여 다공성 실리콘 영역을 형성시킬 수 있다. 그러면, 실리콘 웨이퍼 표면의 원자들이 제거되면서 실리콘 웨이퍼의 표면에 다수의 보이드(void)가 발생된다.
이렇게 상기 포토 레지스트(22)의 패턴 사이로 노출된 실리콘 웨이퍼(21)의 표면이 다공질로 변한 후에는, 상기 포토 레지스트(22)를 제거하고, 또한 상기 실리콘 웨이퍼(21)의 표면에 남은 잔유물을 세척 공정을 통해 제거한다. 그러면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼(21)의 표면에는 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 실리콘 영역(24)이 남게 된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 다공성 실리콘 영역(24)의 폭은 예컨대 약 1㎛ 내지 10mm 이며, 바람직하게는 약 1mm 이다. 또한, 다공성 실리콘 영역(24)들 사이의 간격은 예컨대 1mm 내지 10cm 이며, 바람직하게는 약 2cm 이다. 그러나, 이러한 다공성 실리콘 영역(24)에 대한 수치값은 한정적인 것은 아니며, 이후에 형성될 GaN 단결정 박막 위에서 제조될 반도체 소자의 종류와 크기에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
다음으로, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21) 위에 GaN 단결정 박막(25)을 성장시킨다. 실리콘 웨이퍼(21) 상에 GaN 단결정 박막(25)을 형성하는 방법은 본 기술분야에서는 잘 알려져 있다. 예컨대, MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 장치의 반응 챔버 또는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 장치의 반응 챔버에 상기 다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21)를 장입한 후, N2 캐리어 가스를 충분히 공급하여 반응 챔버 내의 산소를 제거한다. 그리고, 상기 반응 챔버 내에 Ga 소스 가스, 예컨대 트리메틸갈륨(TMG) 또는 GaCl 등과 함께 NH3 가스를 소스 가스로서 공급하여 GaN 단결정 박막(25)을 상기 실리콘 웨이퍼(21)의 표면 위에 성장시킬 수 있다. 이 때, 반응 챔버 내부의 온도는 비교적 고온인 약 1000 내지 1100 ℃ 의 범위에 있는 것이 적당하다. 이러한 방식으로 GaN 단결정 박막(25)을 약 0.1㎛ 내지 10mm 범위의 두께, 바람직하게는 약 1 내지 3㎛ 범위의 두께로 성장시킨다.
그러면, 도 3e에 도시된 바와 같이, 다공성 실리콘 영역(24)이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(21)의 표면 위에서는, GaN의 결정과 실리콘 결정의 격자가 어느 정도 정합되기 때문에 GaN 단결정 박막(25)이 성장된다. 그러나, 다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21)의 표면 위에서는, 실리콘 웨이퍼(21) 표면의 무수한 다공으로 인하여 GaN의 결정과 실리콘 결정의 격자가 정합되지 않는다. 따라서, GaN 단결정이 성장되지 않고 다공성의 GaN 결정(26)이 성장된다. 즉, 상기 GaN 단결정 박막(25)의 층 내에도 역시 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 GaN 영역(26)이 존재하게 된다.
상술한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 상에 GaN 단결정 박막을 형성할 경우, 실리콘과 GaN의 열팽창계수의 차이로 인하여, 냉각 과정에서 GaN에 크랙이 생기는 문제가 있다. 또한, 이러한 문제를 방지하기 위해, 실리콘 웨이퍼에 홈을 형성하여 열팽창계수의 차이로 인한 스트레스를 분산시키면, GaN 단결정 박막의 두께가 균일하지 않게 된다. 본 발명의 경우, 실리콘과 GaN의 열팽창계수의 차이로 인한 스트레스를 분산시키기 위한 수단으로서 홈을 형성하는 대신에 다공성 영역을 형성한다. 상기 다공성 영역은 실리콘 웨이퍼의 표면 및 그 위에 형성된 GaN 단결정 박막층을 여러 구역으로 분할함으로써, 상온으로 냉각되는 과정에서 실리콘과 GaN의 열팽창계수의 차이로 인하여 발생하는 스트레스를 분산시킬 수 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 전체 표면을 매끄럽게 유지시킨 상태에서 GaN 단결정을 성장시킬 수 있기 때문에, 성장된 GaN 단결정의 두께가 불균일하게 되는 문제가 발생하지 않는다.
한편, 실리콘 웨이퍼의 경우, GaN 웨이퍼 또는 사파이어 웨이퍼에 비하여 GaN 단결정과의 격자상수의 차이가 비교적 큰 편이다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보다 양질의 GaN 단결정을 형성하기 위하여, GaN 단결정과의 격자상수의 차이가 비교적 작은 AlN 또는 GaN 버퍼층을 사용할 수도 있다. 도 4는 실리콘 웨이퍼(21) 위에 이러한 버퍼층(27)을 형성한 경우를 도시한다.
도 4를 참조하면, 도 3d와 같은 다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21)를 마련한 후, GaN 단결정 박막(25)을 성장시키기 전에, 상기 다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21) 위에 AlN 또는 GaN 버퍼층(27)을 먼저 형성한다. 여기서, 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층(27)은 반드시 양질의 단결정이어야 할 필요가 없기 때문에, 열팽창계수의 차이로 인한 스트레스를 줄이기 위하여 약 500 내지 800 ℃ 의 저온 영역에서 AlN 또는 GaN 버퍼층(27)을 성장시킨다. 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층(27) 역시 MOCVD 또는 MVPE 장치의 반응 챔버에서 형성될 수 있다. 이렇게 형성되는 AlN 또는 GaN 버퍼층(27)의 두께는 10Å 내지 5000Å의 범위에 있는 것이 적당하다. 도 4에 도시된 바와 같이, AlN 또는 GaN 버퍼층(27)의 경우에도, 다공성 실리콘 영역(24)의 바로 위에서 성장된 부분은 다공성 영역(28)이 된다.
다공성 실리콘 영역(24)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21)의 표면에 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층(27)을 형성한 후에는, 도 3e와 관련하여 이미 설명한 것과 동일한 방법으로 GaN 단결정 박막(26)을 성장시킨다. 본 실시예의 경우, 상기 GaN 단결정 박막(26)은 AlN 또는 GaN 버퍼층(27) 위에서 성장된다. 본 실시예의 경우에도, 도 4에 도시된 바와 같이, GaN 단결정 박막(26)의 층 내에 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 GaN 영역(26)이 형성된다.
지금까지 설명한 바와 같이, 실리콘과 GaN의 열팽창계수의 차이로 인한 스트레스를 분산시키기 위한 수단으로서 본 발명에서는 홈 대신에 다공성 영역을 형성한다. 상기 다공성 영역은 실리콘 웨이퍼의 표면 및 그 위에 형성된 GaN 단결정 박막층을 여러 구역으로 분할하기 때문에, 웨이퍼 및 GaN 결정의 냉각시에 실리콘과 GaN의 열팽창계수의 차이로 인하여 발생하는 스트레스를 분산시킬 수 있다. 따라서, 스트레스에 의한 크랙이 거의 발생하지 않는다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 전체 표면을 매끄럽게 유지시킨 상태에서 GaN 단결정을 성장시킬 수 있기 때문에, 성장된 GaN 단결정의 두께가 불균일하게 되는 문제가 발생하지 않는다.
그 결과, 본 발명에 따르면, GaN 단결정과의 열팽창계수의 차이 및 격자상수의 차이가 GaN 웨이퍼 또는 사파이어 웨이퍼에 비해 비교적 큰 실리콘 웨이퍼로도 양질의 GaN 단결정을 얻을 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼는 가격이 저렴하고 대구경으로 제작하는 것이 가능하기 때문에, LED와 같은 반도체 소자를 보다 저렴한 가격으로 대량생산하는 것이 가능하다.

Claims (12)

  1. 실리콘 웨이퍼의 표면에 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 다공성 실리콘 영역이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 GaN 단결정 박막을 성장시키는 단계;를 포함하며,
    실리콘 웨이퍼의 표면은 다공성 실리콘이 형성되지 않은 영역과 상기 다공성 실리콘 영역을 포함하고,
    상기 다공성 실리콘이 형성되지 않은 영역 위에는 GaN 단결정 박막이 성장되며, 상기 다공성 실리콘 영역 위에는 다공성 GaN 결정이 성장되어, 상기 GaN 단결정 박막이 상기 다공성 GaN 결정에 의해 다수의 구역으로 분할되는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계는:
    실리콘 웨이퍼의 표면에 포토 레지스트를 코팅하는 단계;
    포토리소그래피 방식을 이용하여 상기 포토 레지스트를 스트라이프 형태 또는 격자 무늬 형태의 패턴으로 패터닝함으로써, 상기 실리콘 웨이퍼 표면의 일부를 스트라이프 형태 또는 격자 무늬의 형태로 노출시키는 단계;
    상기 노출된 실리콘 웨이퍼의 표면에 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 포토 레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 다공성 실리콘 영역을 형성하는 단계는, 실리 콘 웨이퍼를 전해액에 넣고 양분극 처리하는 양극산화법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정 박막을 성장시키기 전에, 상기 다공성 실리콘 영역이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 AlN 또는 GaN 버퍼층을 먼저 형성하고, 상기 AlN 또는 GaN 버퍼층 위에 GaN 단결정 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 AlN 또는 GaN 버퍼층은 500 내지 800 ℃ 의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 AlN 또는 GaN 버퍼층의 두께는 10Å 내지 5000Å의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정 박막의 성장은 1000 내지 1100 ℃ 의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정 박막의 성장은 반응 챔버 내에 Ga 소스 가스와 함께 NH3 가스를 공급함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 Ga 소스 가스는 트리메틸갈륨(TMG) 또는 GaCl 인 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 GaN 단결정 박막의 두께는 0.1㎛ 내지 10mm 의 범위에 있는 것을 특징으로하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 실리콘 영역의 폭은 1㎛ 내지 10mm 이고, 다공성 실리콘 영역들 사이의 간격은 1mm 내지 10cm 인 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 직경은 1 인치 이상인 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 박막 제조 방법.
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