KR101251443B1 - 수소화물 기상 에피택시법에 의한 평면의, 전위 밀도가 감소된 ｍ-면 질화갈륨의 성장 - Google Patents

수소화물 기상 에피택시법에 의한 평면의, 전위 밀도가 감소된 ｍ-면 질화갈륨의 성장 Download PDF

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벤자민 에이. 하스켈
멜빈 비. 맥클로린
스티븐 피. 덴바스
제임스 에스. 스펙
슈지 나카무라
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재팬 사이언스 앤드 테크놀로지 에이젼시
더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

고도로 평면이고, 완전히 투명하며, 반사성의 m-면 질화 갈륨(GaN) 필름들을 성장시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 측방향 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도를 현저하게 감소시킨다. 고품위이고, 균일하며, 두꺼운 m-면 GaN 필름들은 비극성 소자 성장용 기판으로 사용된다.

Description

수소화물 기상 에피택시법에 의한 평면의, 전위 밀도가 감소된 Ｍ-면 질화갈륨의 성장{Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy}
본 발명은 화합물 반도체의 성장과 소자 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 수소화물 기상 에피택시법(hydride vapor phase epitaxy)에 의해 평면의 m-면 질화갈륨(GaN) 필름의 직접 성장을 수행하여 평면의, m-면 GaN 필름을 성장시키고 제조하는 것에 관한 것이다. 상기 평면의 m-면 GaN 필름을 직접 성장시킨 후에 선택적으로, GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장(lateral epitaxial overgrowth)을 수행하여 전위 밀도를 감소시킨다.
[관련 출원에 대한 상호 참조; CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS]
본 출원은 하기의 동시 계류중(co-pending)이고 공동으로 양도된(commonly-assigned) 미국특허출원의 35 U.S.C. §119(e)에 의거한 이익을 주장한다:
Benjamin A. Haskell, Melvin B. McLaurin, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2004년 6월 3일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.119-US-P1인 미국 임시특허출원 제60/576,685호;
상기 출원은 여기에 참조로서 포함된다.
상기 출원은 일부계속출원(continuation-in-part)이고, 하기의 동시 계류중이고 공동으로 양도된 특허출원들의 35 U.S.C. §119, §120 및/또는 §365에 의거한 이익을 주장한다:
Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-WO-U1(2003-224-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21918호, 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1 (2003-224-1)인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다;
Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1 (2003-225-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21916호, 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1 (2003-225-1)인 미국임시특허출원 제60/433,844호에 대해 우선권을 주장한다;
Michael D. Craven 및 James S. Speck가 "NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.100-US-U1 (2002-294-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,691호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1 (2002-294/301/303)인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;
Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.101-US-U1 (2002-301-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,690호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1 (2002-294/301/303)인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;
Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.102-US-U1 (2002-303-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,913호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;
Michael D. Craven 및 Steven P. DenBaars가 "NONPOLAR (Al, B, In, Ga)N QUANTUM WELLS"라는 제목으로 2003년 12월 11일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.104-WO-01 (2003-529-1)인 국제특허출원 제PCT/US03/39355호, 이 출원은 상기 특허출원들 제PCT/US03/21918호(30794.93-WO-U1), 제PCT/US03/21916 호(30794.94-WO-U1), 제10/413,691호(30794.100-US-U1), 제10/413,690호(30794.101-US-U1), 제10/413,913호(30794.102-US-U1)의 일부계속출원이다.
Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2005년 5월 6일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.117-US-U1 (2004-495-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제11/123,805호, 이 출원은 Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "FABRICATION OF NONPOLAR INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2004년 5월 10일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.117-US-P1 (2004-495)인 미국임시특허출원 제60/569,749호에 대해 우선권을 주장한다;
상기 모든 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.
(주의 : 본 출원의 명세서는 여러 가지의 간행물들을 참조한다. 이러한 간행물들 각각의 충분한 인용은 하기에 "참고문헌"라고 표시된 부분에서 찾을 수 있다. 이러한 간행물들 각각은 여기에 참조로서 포함된다.)
질화갈륨(gallium nitride; GaN); 및 알루미늄과 인듐을 포함하는 그의 삼원계(ternary)와 사원계(quaternary) 화합물들(AlGaN, InGaN, AlINGaN)의 유용성은 가시광 및 자외선 광전자 소자들과 고전력 전자 소자들의 제조를 위해 잘 정립되어있다. 이러한 소자들은 통상적으로 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE), 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), 또는 수소화물 기상 에피택시법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)을 포함하는 성장 기술들에 의하여 에피택시얼하게 성장한다.
GaN 및 그의 합금들은 육방정 우르차이트(hexagonal w
Figure 112012012237912-pat00001
rtzite) 결정 구조에서 가장 안정적이다. 상기 결정 구조는 서로에 대하여 120°회전하고, 단일의 c-축에 대하여 모두 수직인 두 개의(또는 세 개의) 동등한 기저면 축들(basal plane axes, a-축들)로 표시된다. 도 1은 일반적인 육방정 우르차이트 결정구조(100)와 여기서 정의된 축들(110, 112, 114, 116)과 함께 관심 면들(102, 104, 106, 108)을 개략적으로 도시한다. 여기서 채워진 패턴들은 관심 면들(102, 104, 106)을 나타내기 위함일 뿐이고, 결정 구조(100)의 재료들을 표현하는 것은 아니다. III족 및 질소 원자들은 결정의 c-축을 따라 교대로 c-면들을 점유한다. 상기 우르차이트 구조 내에 포함된 대칭 요소들은 III-질화물들이 상기 c-축을 따라서 벌크 자발 분극(bulk spontaneous polarization)을 가지는 것을 나타낸다. 더욱이, 우르차이트 결정구조는 비-중심대칭(non-centrosymmetric)이므로, 우르차이트 질화물들은 결정의 c-축을 따라서 압전 분극(piezoelectric polarization)을 추가적으로 보일 수 있다. 전자 및 광전자 소자들을 위한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라서 성장한 질화 필름들을 이용한다. 그러나, 강한 압전 및 자발적 분극의 존재로 인하여, III-질화물계 광전자 및 전자 소자들 내의 통상적인 c-면 양자우물 구조들(quantum well structures)은 바람직하지 않은 양자-가둠 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)의 영향을 받는다. c-방향을 따른 강한 내부 전기장(built-in electric fields)은 전자들 및 홀들을 공간적으로 분리하며, 이에 따라 캐리어 재결합 효율을 제한하고, 진동자 강도를 감소시키며, 또한 적색 편이 발광을 야기한다.
GaN 광전자 소자들에서 상기 자발 및 압전 분극 효과를 제거하기 위한 하나의 가능한 방법은 상기 결정의 비극성면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 이러한 면들은 동일한 수의 Ga와 N 원자들을 포함하며, 전하-중성(charge-neutral)이다. 더욱이, 계속되는 비극성면들은 서로 균등하여 전체 결정은 성장방향으로 분극되지 않는다. GaN 내에서 대칭-등가 비극성 면들(symmetry-equivalent non-polar planes)의 두 족들(families)은 집합적으로 a-면들로 알려진
Figure 112012012237912-pat00002
족과 집합적으로 m-면들로 알려진
Figure 112012012237912-pat00003
족이다.
사실상, 비극성 성장 방향들, 예를 들어,
Figure 112012012237912-pat00004
a-방향 또는
Figure 112012012237912-pat00005
m-방향을 채용하는(Al,Ga,In,B)N 양자-우물 구조들은 우르차이트 질화물 구조들 내에 분극-유발 전기장 효과(polarization-induced electric fields)를 제거하기 위한 효율적인 수단을 제공한다. 왜냐하면, 상기 극성 축은 필름의 성장면 내에 놓여져 있고, 이에 따라 양자 우물들(heterointerfaces)의 이종계면들에 평행하기 때문이다. 최근 몇년 동안, 비극성 (Al,Ga,In)N의 성장은 비극성 전자소자 및 광전소자의 제조에서의 사용 가능성으로 인해 커다란 관심을 받아왔다. 최근, 플라즈마-어시스티드(plasma-assisted) MBE에 의하여 리튬 알루민산염(lithium aluminate) 기판들 상에 성장된 비극성 m-면 AlGaN/GaN 양자 우물들과, r-면 사파이어 기판들 상에 MBE와 MOCVD 모두에 의하여 성장된 비극성 a-면 AlGaN/GaN 다중-양자 우물들(MQWs)은 성장 방향을 따라 분극장들(polarization fields)이 없음을 보여준다. 더욱 최근, Sun 등 [Sun et al., Appl. Phys. Lett. 83 (25) 5178 (2003)]과 Gardner 등 [Gardner et al., Appl. Phys. Lett. 86, 111101 (2005)]은 각각 MBE 및 MOCVD에 의해 m-면 InGaN/GaN 양자 우물 구조들을 헤테로에피택시로(heteroepitaxialy) 성장시켰다. Chitnis 등[Chitnis et al., Appl. Phys. Lett. 84 (18) 3663 (2004)]은 MOCVD에 의해 a-면 InGaN/GaN 구조들을 성장시켰다. 가장 중요하게는, UCSB의 연구원들 [Chakraborty et al., Appl. Phys. Lett. 85 (22) 5143 (2004)]은, 매우 최근, HVPE로 성장되고 낮은 결함-밀도를 갖는 a-면 GaN 템플릿들(templates)을 이용한 결함 밀도가 감소된 a-면 InGaN/GaN 소자들의 성장의 중요한 이점들을 입증하였다. 본 문헌의 본문은 비극성 III-질화물 발광 다이오드들(LEDs)과 레이저 다이오드들(LDs)이 그들의 극성 대응물들에 비교할 때 매우 양호하게 동작할 가능성을 가진다는 것을 확립하였다.
GaN의 벌크 결정들은 결정을 단순히 자르는 것에 의해 계속적인 소자 재성장을 위한 면을 제공하는 것이 가능하지 않기 때문에 유용하지 않다. 모든 GaN 막들은 처음에는 헤테로에피택시얼 성장, 다시 말해서, GaN에 대해 적절한 격자 정합을 제공하는 이질 기판들 상에 성장된다. 최근에는, 다수의 그룹들이 이질 기판을 제거하기에 충분한 두께(>200 ㎛)를 갖는 GaN 필름을 헤테로에피택시얼하게 적층하는 방법으로서 HVPE를 이용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 이에 따라, 호모에피택시얼 소자 재성장에 사용되는 프리-스탠딩(free-standing) GaN 기판을 얻을 수 있다. HVPE는 MOCVD의 성장 속도에 비해 1 또는 2 오더(order) 정도, MBE의 성장 속도에 비해 3 오더 정도 성장 속도가 크다는 장점이 있고, 이것은 기판 제조에 있어서 대단히 바람직한 이점이다.
질화물들의 헤테로에피택시얼 성장의 중요한 단점 중 하나는 기판과 에피택시얼 필름 사이의 계면에 구조적 결함이 발생될 수 있다는 점이다. 관심의 대상이 되는 연장된 결함의 두 가지 주된 형태는 실 전위들(threading dislocations)과 적층 결함들(stacking faults)이다. 극성 c-면 GaN 필름들의 전위와 적층 결함 밀도를 감소시키기 위한 주요 방법은 측방향 에피택시얼 과성장(lateral epitaxial overgrowth; LEO, ELO, 또는 ELOG), 선택 영역 에피택시(selective area epitaxy), 및 PENDEO? 에피택시를 포함하는 갖가지 측방향 과성장 기술들(lateral overgrowth techniques)을 사용하는 것이다. 이러한 공정들의 본질은 수직 성장보다 측방향 성장을 선호함으로써 전위들이 필름 표면으로 수직 전파되는 것을 차단하거나 방해하는 것이다. 이러한 전위 저감 기술들은 HVPE와 MOCVD를 사용한 c-면 GaN 성장용으로 광범위하게 개발되고 있다.
최근에야 GaN 측방향 성장 기술들이 a-면 필름들에 적용되게 되었다. Craven 등[Craven et al., Appl. Phys. Lett. 81 (7) 1201 (2002)]은 MOCVD를 통해 얇은 a-면 GaN 템플릿(template) 층 상의 절연 마스크를 사용하여 LEO를 수행하는데 성공하였다. 우리 그룹[Haskell et al., Appl. Phys. Lett. 83 (4) 644 (2003)]은 후속하여 HVPE에 의한 a-면 GaN 성장용 LEO 기술을 개발하였다. 하지만, 지금까지 상기 공정들 중 어느 것도 m-면 GaN을 위해 개발되거나 실증되지 않았다.
본 발명은 이러한 문제들을 극복하고 HVPE에 의한 고품위 m-면 GaN 성장용 기술을 처음으로 제공한다.
본 발명은 고도의 평면이고, 완전하게 투명하며, 반사성의(specular) m-면 GaN 필름들을 성장시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 측방향 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도의 상당한 감소를 제공한다. 고품위이고, 균등하고, 두꺼운 m-면 GaN 필름들은 무분극 소자 성장용 기판으로 사용될 수 있다.
본 발명은 HVPE를 통해 평면의 m-면 GaN 필름 및 프리-스탠딩 층을 제조하는 방법을 제공한다. 감소된 성장 압력 및 일부의 수소를 함유하는 캐리어 가스를 이용하여, 본 발명은 이질 기판으로부터 이격하여 비극성 m-면 GaN의 직접 성장 및 안정화를 실증한다. 또한, 본 발명은 마스크층을 통한 기판으로부터의 측방향 과성장을 사용하여 m-면 GaN의 실 전위 및 적층 결함 밀도를 감소시킬 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명은 더 평탄한 m-면 GaN 표면들을 제공할 수 있고, 이는 소자 품질을 향상시킬 수 있다.
도면들을 참조함에 있어, 도면 내의 동일 참조번호들은 전체에 걸쳐 대응부분들을 나타낸다.
도 1은 일반적인 육방정 결정 구조 및 주요 결정 면들을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소화물 기상 에피택시법에 의해 평탄한 m-면 GaN 필름들을 직접 성장시키는 단계들을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 3a는 본 발명에 의해 얻어진 균일하고 평탄한 표면 모폴러지(morphology)를 나타내는, LiAlO2 기판 상에 성장된 m-면 GaN막의 노마스키 광학 대비 현미경 사진(Nomarski optical contrast micrograph)이며, 도 3b는 동일 표면의 원자력 현미경 사진(AFM)이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 필름들의 측방향 에피택시얼 과성장을 통해 상기 평면의 m-면 GaN 필름들 내의 실전위 및 결함 밀도들을 감소시키는 단계들을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 5a는 <0001>-배향된 SiO2 스트라이프들(stripes)을 사용하는 m-면 GaN 측방향 에피택시얼 과성장 공정을 나타낸 개략도이고, 도 5b는
Figure 112012012237912-pat00006
-배향된 SiO2 스트라이프들을 사용하는 m-면 GaN 측방향 성장 공정을 나타낸 개략도이다.
도 6a는 <0001>-배향된 m-면 GaN 측방향 에피택시얼 과성장 스트라이프들의 경사진 단면도이고, 도 6b는
Figure 112012012237912-pat00007
-배향된 GaN 스트라이프들의 단면도이다.
도 7a 및 도 7c는 각각 <0001> 및
Figure 112012012237912-pat00008
-배향된 스트라이프들에서 성장되고 합체된 측방향 에피택시얼 과성장 스트라이프들의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지들을 나타내는 평면도들이다. 도 7b 및 도 7d는 도 7a 및 도 7c에 나타난 표면들의 음극선발광(cathodoluminescence; CL) 이미지들로서, 윈도우(window)와 윙(wing) 영역들을 나타낸다. 도 7e는 <0001> 방향을 따라 배향된 m-면 GaN 스트라이프의 단면 SEM 이미지이다. 도 7f는 도 7e에 나타난 스트라이프에 대응하는 CL 이미지이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 m-면 GaN 표면들의 5×5 ㎛ 원자력 현미경 사진들인데, 도 8a는 본 명세서의 첫번째 부분에 서술된 방법을 사용하여 성장된 결함 감소가 없는 표면을 나타내고, 그리고 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 따라 성장한 측방향 에피택시얼 과성장 m-면 GaN 필름의 윙들의 표면들을 나타낸다.
바람직한 실시예의 이하의 설명에서는, 본 명세서의 일부를 이루며 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하기 위하여 첨부된 도면을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 실시예들도 구현가능하며, 구조적인 변형이 가능함을 이해할 수 있다.
개관( Overview )
비극성 m-면
Figure 112012012237912-pat00009
질화물 반도체의 성장은 우르차이트-구조 Ⅲ:질화물 소자 구조에 있어서 분극 효과를 제거하는 수단을 제공한다. 현재 (Ga,Al,In,B)N 소자들은 극성 [0001] c-방향에서 성장되므로, 광전 소자들에서 1차 전기 전도 방향(primary conduction direction)을 따라 전하 분리가 야기된다. 상기 분극 장(polarization fields)은 기술 소자들(art devices)의 현재 상태의 성능에 치명적이다. 이러한 소자들을 비극성 방향을 따라 성장시키는 것은 소자 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
m-면 GaN의 두꺼운 필름을 성장시키기 위한 종전의 노력들은 피트들(pits), 노치들(notches) 및 크랙들(cracks)과 같은 고밀도의 벌크 결함들을 갖는 결함이 많은 에피층들을 제공하였다. 이러한 필름들은 극단적으로 비균질이고 호모에피택시얼 소자층 재성장용 기판들로 부적당하다. 본 발명은 두꺼운 비극성 m-면 GaN 필름들의 성장에 있어, 피트들(pits), V형 결함들, 화살촉 결함들, 실 전위들, 및 적층 결함들을 제거하는 것을 포함하여, 이미 고찰된 문제들을 해결한다. 본 발명은 고도로 평면이고, 완전히 투명하며 반사성의 m-면 GaN 필름의 성장 가능성을 최초로 보여준다. 더욱이, 본 발명은 측방항 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도의 현저한 감소를 나타낸다. 본 발명은 최초로 고품위이고, 균일하며, 두꺼운 m-면 GaN 필름들이 무분극(polarization-free) 소자 성장용 기판들로 사용되도록 제공한다.
본 발명은 고품위, 저결함 밀도 비극성 m-면
Figure 112012012237912-pat00010
GaN을 생산하는 비교적 단순한 방법을 제공한다. 현재, 벌크 결정들이 유용하지 않아 GaN 필름들은 헤테로에피택시얼하게 성장되어야만 하나, 이러한 성장 공정을 위한 완전하게 격자-정합된 기판들이 존재하지 않는다. 통상의 헤테로에피택시얼 성장에서의 격자 부정합의 결과로서, 생성된 GaN 필름들은 본질적으로 결함이 있고, 일반적으로 108 ㎝-2를 넘는 전위 밀도들을 가진다. 측방향 과성장을 이용하는 일종의 성장 기술들은 c-면 (0001) GaN 성장을 위해 개발되고 있으며, 최근에는 a-면
Figure 112012012237912-pat00011
GaN 성장을 위해 개발되고 있다. 이러한 기술들은 결함 밀도를 현저하게 감소시킬 수 있다. 본 발명은 이질 기판 상에 성장된 m-면 GaN 에피층의 막질을 실질적으로 향상시키고, 추가적으로 임의의 성장 기술에 의한 m-면 GaN의 측방향 과성장을 최초로 성공적으로 실행한다. 본 발명의 결과로서, 이제 결함밀도가 현저하게 감소되고, 두꺼운 비극성 m-면 GaN 필름을 성장시킬 수 있게 되었고, 상기 GaN 필름은 다양한 성장 기술들에 의해, 향상된 전자 및 광전 소자의 성장에 사용될 수 있다.
기술적 설명( Technical Description )
본 발명은 HVPE를 통해 평면의 m-면 GaN 필름 및 프리-스탠딩 층을 제조하는 방법을 제공한다. 감소된 성장 압력 및 일부의 수소를 함유하는 캐리어 가스를 이용하여, 본 발명은 이질 기판으로부터 이격하여 비극성 m-면 GaN의 직접 성장 및 안정화를 실증한다. 또한, 본 발명은 마스크층을 통한 기판으로부터의 측방향 과성장을 사용하여 m-면 GaN의 실 전위 및 적층 결함 밀도를 감소시킬 수 있는 방법을 제공한다.
평면 m-면 GaN 의 직접 성장( Direct Growth of Planar m- plane GaN )
본 발명은 처음으로 HVPE에 의해 평면의 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 제공한다. 이러한 성장 공정은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1 (2003-225-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21916호에 설명된 a-면 GaN 성장과 유사하다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1 (2003-225-1)인 미국임시특허출원 제60/433,844호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 두 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명은 HVPE에 의해서
Figure 112012012237912-pat00012
GaN을 제조하기 위한 여러가지 성장 과정에 적용된다. 통상의 금속-소오스 HVPE는 일염화 갈륨(GaCl)을 형성하기 위해 700℃ 이상의 온도에서 금속 갈륨(metallic gallium)과 기체 상태의 염화수소(HCl, 여기에 한정되지 않음)와 같은 할로겐 화합물의 반응을 수반한다. 상기 GaCl은 캐리어 가스에 의해서 기판 상으로 수송된다. 상기 캐리어 가스는 일반적으로 질소, 수소, 헬륨 또는 아르곤이다. 상기 기판으로 수송 중, 상기 기판 상에서 또는 배출 경로 중 어느 하나에서, GaCl은 암모니아(NH3)와 반응하여 GaN을 형성한다. 상기 기판 상에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN을 생성할 가능성을 가지므로, 필름 표면을 성장시키고 결국 결정을 성장시킨다.
본 발명은 평면의 GaN 필름을 얻기 위한 여러가지 성장 파라미터들의 조합을 사용한다.
1. m-면 6H-SiC, m-면 4H-SiC, (100)γ-LiAlO2, 또는 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 덮혀진 상기 기판들 중 어느 하나의 기판을 포함하지만 이에 한정되지 않은 적절한 기판의 사용. 본 발명은 상기 모든 기판들에 대해 성공적으로 실행되었다.
2. 반응기에서 하나 이상의 기체 흐름에 최종 성장 단계용 캐리어 가스로서 일부의 수소(H2) 사용;
3. 필름 적층의 최종 단계에서, 대기압(760 토르)이하로 감소된 반응기 압력.
프로세스 단계들( Process Steps )
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소화물 기상 에피택시법에 의해 평면의 m-면 GaN 필름들을 직접 성장시키는 단계들을 나타내는 플로우 챠트이다. 이러한 방법들은 통상적인 3-구역 수평 방향-흐름 HVPE 시스템(three-zone horizontal directed-flow HVPE system)을 사용하여 고품위, 평면의, m-면 GaN 필름들을 생성하는 대표적인 성장 순서를 포함한다. 정확한 순서는 아래에 서술한 바와 같이 기판의 선택에 따라 달라진다.
블록 200은 어떤 엑스시츄(ex situ) 세정없이 반응기 내로 기판을 로딩하는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 기판은 m-면 6H-SiC, m-면 4H-SiC, 또는 (100)γ-LiAlO2 기판, 또는 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 덮혀진 상기 기판들 중 어느 하나의 기판이다.
블록 202는 반응기를 가열하기 전에, 순수 질소(N2) 가스를 사용하여 반응기를 비우고 이 반응기를 백필(backfill)함으로써 그 내부의 산소 및 수증기 레벨을 감소시키는 단계를 나타낸다. 이 단계는 시스템 내에 존재하는 산소와 수증기를 감소시키도록 반복된다.
블록 204는 상기 시스템 내의 모든 채널들을 통해 H2와 N2의 혼합물을 흘리면서, 약 1040℃의 성장 온도에 이르기까지 상기 반응기를 가열하는 단계를 나타낸다. 만약 상기 기판이 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 코팅된 기판이라면, 상기 반응기를 가열하는 동안 상기 템플릿의 분해를 막기 위해 상기 가스 흐름에 일부의 NH3를 포함시키는 것이 바람직하다. 또한, 템플릿 층이 사용된 경우, 블록 204 전에 블록 208 즉, 압력 감소 단계를 수행함으로써 우수한 막질을 얻을 수 있다.
블록 206은 상기 반응기가 성장 온도에 도달한 후, 상기 기판을 질화하는 단계를 나타낸다. 상기 질화 단계는 상기 기판의 표면을 질화하기 위해 반응기 내의 가스 흐름에 무수 암모니아(NH3)를 추가하는 것을 포함한다. 상기 기판을 질화하는 단계는 900℃ 이상의(in excess of 900℃) 온도에서 수행된다. 상기 단계는 LiAlO2 기판을 사용할 때 매우 바람직하다. 그러나, SiC 기판을 사용할 때는 일반적으로 바람직하지 않으므로, SiC 기판이 사용될 때는 상기 단계는 생략될 수 있다.
블록 208은 원하는 증착 압력에 이르기까지 상기 반응기의 압력을 감소시키는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대기압(760 토르) 이하, 더 구체적으로는, 상기 원하는 증착 압력은 5 내지 100 토르의 범위에 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대략 76 토르이다.
블록 210은 갈륨(Ga) 소오스로 기체 염화수소(HCl) 흐름을 개시하여, 어떤 저온 버퍼 또는 결정핵형성 층들을 사용하지 않고 상기 기판 상에 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 시작하는 단계를 나타낸다. 통상적인 금속 소오스 HVPE는 700℃ 이상의(in excess of) 온도에서 기체 HCl(그러나 이에 한정되지 않음)과 같은 할로겐화물과 금속 Ga의 인시츄 반응을 수반하여 일염화 갈륨(GaCl)과 같은 금속 할로겐화물 종을 형성한다.
블록 212는 상기 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름 내에 적어도 일부의 수소(H2)를 함유하는 캐리어 가스에 의해서 상기 기판에 상기 GaCl을 수송하는 단계를 나타낸다. 상기 캐리어 가스는 질소, 헬륨, 또는 아르곤, 또는 다른 비반응성 불활성 가스들을 또한 함유할 수 있다. 상기 기판으로의 이송, 상기 기판에서, 또는 배출 경로에서, 상기 GaCl은 NH3와 반응하여 GaN 필름을 형성한다. 상기 기판에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN 필름을 생성할 가능성을 가지므로, 결정성장을 야기할 수 있다. 본 과정을 위한 대표적인 V/III 비율(GaCl에 대한 NH3의 몰분율)은 1-50이다. 상기 Ga 소오스의 다운스트림에 추가적인 HCl 주입 또는 Ga 소오스와 HCl의 불완전 반응으로 인해 NH3/HCl 비는 V/III 비율과 같을 필요는 없다.
블록 214는, 원하는 성장 시간이 경과한 후에, 기체 HCl 흐름을 중단하고, 상기 반응기 압력을 복귀시키고, 그리고 상기 반응기의 온도를 실온으로 감소시키는 단계를 나타낸다. 상기 중단 단계는 상기 반응기의 온도를 감소시키는 동안 GaN 필름의 분해를 막기 위해 가스 흐름에 NH3를 함유시키는 것을 더 포함한다. 상기 반응기 압력은 대기압으로 복원되거나 또는 저압으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각은 5 내지 760 토르에서 수행될 수 있다.
이러한 공정에 의한 상기 GaN 필름의 대표적인 성장 속도는 시간당 1 내지 400 ㎛의 범위에 있다. 이러한 성장 속도는 다수 개의 성장 파라미터들에 의존하며, 평면의 m-면 GaN 필름들을 생성하는 한 상당히 넓은 범위에서 변화될 수 있다. 상기 성장 파라미터들은 상기 소오스와 기판 온도, 상기 여러가지 가스들의 상기 시스템 내부로의 흐름 속도(flow rate), 상기 반응기 형상 등을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 파라미터들의 대부분에 대한 바람직한 값은 상기 성장 반응기 형상에 따라 특유할 수 있다.
상기 "최종 성장 단계"에 대한 상기 공정 단계들 내의 참조는 상기 기술된 조건들을 사용한 적절한 지속 단계로 상기 성장 단계를 종료함으로써 (그렇지 않았더라면 거칠거나 결함이 있었을) 필름을 평탄화하는 것이 가능하다는 고찰을 참조한다. 상기 성장의 초반 단계들은 필름 품질 또는 모폴러지에 관계없이, 명목상 m-면 배향된 물질을 생성하는 임의의 성장 파라미터들을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공정 단계들은 평면의, m-면 GaN 필름을 생성한다. 나아가, 상기 방법을 사용하여 제조된 소자는 레이저 다이오드들, 발광 다이오드들 및 트랜지스터들을 포함한다.
실험 결과( Experimental Results )
상술한 바와 같이 정의된 성장 파라미터들의 조합은 평면의 m-면 GaN 필름들을 일관되게 생성한다. 도 3a는 (100)γ-LiAlO2 기판 상에 성장된 m-면 GaN 필름의 노마스키 광학 대비 현미경 사진을 나타낸다. 본 샘플은 15.8의 V:III 비를 갖는 32% N2, 58% H2, 및 나머지 잔여량의(the balance) NH3와 HCl을 사용하여 성장되었다. 성장 압력은 70 토르였고, 상기 기판 온도는 862℃였다. 본 발명에 의하지 않고 성장된 m-면 GaN 필름의 특징인 피트 및 크랙과 같은 벌크 결함이 상기 이미지에는 없다. 상기 표면은 비결정학적이고, 작은 나노미터-스케일의 기복들(undulations)을 갖는 흐르는 모폴러지(flowing morphology)를 나타낸다. 도 3b는 이 동일한 샘플의 원자력 현미경 사진(AFM)을 나타낸다. 상기 표면은 이전에 발표된 어느 것보다 현저하게 평탄함에도 불구하고, 줄진 모폴러지(striated morphology)는 MBE-성장된 m-면 GaN 막들에서 일반적으로 관찰된다. AFM 이미지의 오른쪽 아래 사분면에 가리비꼴 모폴러지(scalloped morphology)는 이전 문헌에서 발표되지 않았다. 이러한 모폴러지는 필름 내의 나사성(screw-character) 실 전위들의 존재에 관계할 수 있다. 이 표면의 제곱평균(root-mean-square; RMS) 거칠기는 동일 기술에 의해 r-면 Al2O3 상에 성장된 a-면 GaN 필름들에 유사하게, 25 ㎛2 영역에 대해 14.1 Å 이다.
m-면 GaN 의 측방향 에피택시얼 과성장( Lateral Epitaxial Overgrowth of m-plane GaN)
상기 서술된 기술은 HVPE에 의해 평면의 m-면 GaN 필름을 성장하기 위한 제1 방법을 제공한다. 하지만, 이러한 필름들은 평탄하고(smooth) 평평하기는(flat) 하나, 여전히 그들은 높은 밀도의 실 전위들과 기저면 적층 결함들(basal plane stacking faults)을 갖는다. 사실, 이러한 직접 성장 샘플들의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM)은 실 전위 및 적층 결함 밀도가 각각 4×109 cm-2and 2×105 cm-1임을 입증하였다. 이러한 구조적 결함들의 존재는 결함 밀도가 감소된 m-면 GaN을 사용하여 얻어진 것에 비해 소자 성능을 저하시킬 것이다. 본 발명은 LEO를 통해 m-면 GaN 필름 내의 구조 결함 밀도를 낮추는 방법을 더 포함한다.
본 발명은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-WO-U1(2003-224-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21918호에 개시된 a-면 GaN 필름 내의 결함을 줄이기 위해 개발된 기술을 밀접하게 따른다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1 (2003-224-1)인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 두 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명은 여러가지 키 요소들(key elements)에 의지한다.
1. m-면 SiC 상의 AlN 버퍼층 상에 성장된 m-면 GaN 템플릿과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 적절한 기판 또는 템플릿의 사용.
2. 상기 템플릿 또는 기판 상에 다공성 마스크의 증착. 상기 마스크는 절연막의 적층 및 패터닝에서와 같이 균일(uniform)하거나, 얇고 다공성 금속 또는 세라믹 마스크를 적층하는 경우에서와 같이 비균질할(inhomogeneous) 수 있다. 상기 마스크는 여러가지 인시츄 또는 엑스시츄 기술들에 의해 증착될 수 있다.
3. 감소된 압력(760 토르 이하)에서 (Al,B,In,Ga)N의 증착.
4. 성장하는 동안 기판/템플릿이 노출되는 가스 흐름 내에 다수의(a majority of) H2를 사용.
공정 단계들( Process Steps )
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 통해 평면의 m-면 GaN 필름 내의 실전위 및 결함 밀도를 감소시키는 단계들을 나타낸 플로우 챠트이다. 이러한 단계들은 기판 상에 증착된 마스크를 패터닝하는 것(아래의 400-408 블록들)과, HVPE를 사용하여 상기 기판과 떨어져서 GaN 필름의 LEO 성장을 수행하는 것(아래의 410-420 블록들)을 포함한다. 여기서, 상기 GaN 필름은 패터닝된 마스크에 의해 가려지지 않은 기판의 부분 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크의 개구부들을 통해 수직하게 자라며, 그 후 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크 상부에서 측방향으로 퍼지며 상기 기판의 표면을 가로지른다.
블록 400은 m-면 6H-SiC 기판 상의 AlN 버퍼층 상에 MBE에 의해 성장된 m-면 GaN 템플릿과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 적절한 기판 또는 템플릿 상에 ~ 1350Å 두께의 SiO2 필름을 적층하는 단계를 나타낸다. 상기 SiO2 필름은 절연 마스크에 대한 베이스를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 패터닝된 마스크는 절연막이고, 상기 기판은 m-면 6H-SiC 기판이기는 하지만, 패터닝된 마스크로는 금속물질 기판으로는 사파이어와 같은 다른 물질들이 사용될 수 있다.
블록 402는 상기 SiO2 필름 상에 포토레지스트층을 적층하고 통상적인 포토리소그라피 공정 단계들을 사용하여 상기 적층된 포토레지스트 층을 패터닝하는 단계를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 패턴은 5㎛ 폭의 개구부들에 의해 분리된 35㎛ 폭의 스트라이프들을 포함한다.
블록 404는 상기 기판을 완충 HF(hydrofluoric)산에 2 분 동안 담궈 상기 패터닝된 포토레지스트 층에 의해 노출된 상기 SiO2 필름의 소정 부분들을 식각하는 단계를 나타낸다.
블록 406은 아세톤(acetone)을 사용하여 상기 포토레지스트층의 잔존 부분을 제거하는 단계를 나타낸다.
블록 408은 아세톤, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 및 탈이온수(deionized water)를 사용하여 상기 기판을 세정하는 단계를 나타낸다.
건조 후, 상기 기판은 5㎛ 폭의 개구부들에 의해 분리된 35㎛ 폭의 스트라이프들을 갖는 패터닝된 SiO2 필름을 구비하는 패터닝된 마스크에 의해 덮혀진다.
바람직하게는, 상기 마스크는 다공성이다. 나아가, 상기 마스크는 절연막의 적층 및 패터닝에서와 같이 균일하거나; 얇고 다공성 금속 또는 세라믹 마스크를 적층하는 경우에서와 같이 비균질할 수 있다. 상기 마스크는 여러가지 인시츄 또는 엑스시츄 기술들에 의해 증착될 수 있다.
하기 블록들은 HVPE를 사용하여 상기 기판과 이격하여 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 수행하는 단계들을 나타낸다. 상기 GaN 필름은 패터닝된 마스크에 의해 노출된 기판의 부분들 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크의 개구부들을 통해 수직하게 자라며, 그 후 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크 상부에서 측방향으로 퍼져 상기 기판의 표면을 가로지르며, 결국 서로 인접하는 GaN 스트라이프들과 만난다. 상기 측방향 에피택시얼 과성장은 대략 대기압(760 토르)의 감소된 성장 압력 및 일부분의 수소를 함유하는 캐리어 가스를 이용한다. 상기 측방향 성장 공정을 위한 성장 조건은 HVPE를 통한 고품위 평면의 m-면 GaN 성장을 위해 상술한 조건들과 매우 유사하다.
이러한 단계들, 그리고 그것을 위한 성장 파라미터들은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1이고, 동시 계류중(co-pending)이고 공동으로 양도된(commonly-assigned) 국제특허출원 제PCT/US03/21916호에 보다 자세히 기술된다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1이고, 동시 계류중이고 공동으로 양도된 미국임시특허출원 제60/433,844호;및 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 모든 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.
블록 410은 반응기 내로 기판을 로딩하는 단계를 나타낸다.
블록 412는 반응기 내부의 산소 레벨을 감소시키기 위해 순수 질소(N2) 가스를 사용하여 반응기를 비우고 이 반응기를 백필하는(backfilling) 단계를 나타낸다. 이 단계는 상기 반응기 내의 잔존 산소 레벨을 더욱 감소시키기 위해 자주 반복된다.
블록 414는 감소된 압력에서 상기 성장 챔버 내로 H2, N2 및 NH3의 혼합물을 흘리면서, 약 1040℃의 성장 온도에 이르기까지 상기 반응기를 가열하는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대기압(760 토르) 이하이고, 일반적으로는 300 토르 이하이다. 더 구체적으로는, 상기 원하는 증착 압력은 5 내지 100 토르의 범위 내로 한정될 수 있고, 76 토르에 고정될 수 있다.
블록 416은 어떤 저온 버퍼 또는 결정핵형성 층들을 사용하지 않고 상기 기판 상에 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 시작하기 위해 갈륨(Ga) 소오스로 기체 염화수소(HCl) 흐름을 개시하는 단계를 나타낸다. 통상적인 금속 소오스 HVPE는 700℃ 이상의(in excess of) 온도에서 기체 HCl(그러나 이에 한정되지 않음)과 같은 할로겐화물과 금속 Ga의 인시츄 반응을 수반하여 일염화 갈륨(GaCl)을 형성한다.
블록 418은 상기 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름들 내에 적어도 일부의 수소(H2)를 함유하는 캐리어 가스에 의해서 상기 기판에 상기 GaCl을 수송하는 단계를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 캐리어 가스는 주로 수소일 수 있고, 다른 실시예들에서는 상기 캐리어 가스는 수소와 질소, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 불활성 가스들의 혼합물을 함유할 수 있다. 상기 기판으로의 이송, 상기 기판에서, 또는 배출 경로에서, 상기 GaCl은 NH3와 반응하여 GaN 필름을 형성한다. 상기 기판 상에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN 필름을 생성할 가능성을 가지므로, 결정 성장을 야기할 수 있다. 본 과정에서 대표적인 V/III 비율은 1-50이다. 상기 Ga 소오스의 다운스트림에 추가적인 HCl 주입 또는 Ga 소오스와 HCl의 불완전 반응으로 인해 NH3/HCl 비는 V/III 비율과 같을 필요는 없다.
블록 420는, 원하는 성장 시간이 경과한 후에, 기체 HCl 흐름을 중단하고, 상기 반응기의 온도를 실온으로 감소시키는 단계를 나타낸다. 일반적으로 상기 반응기는 상기 기판이 600℃ 이하로 떨어질 때까지 저압으로 유지될 것이나, 선택적으로는 상기 반응기 압력은 지금 대기압으로 복귀될 수 있다. 상기 중단 단계는 상기 반응기의 온도를 감소시키는 동안 GaN 필름의 분해를 막기 위해 가스 흐름에 NH3를 함유시키는 것을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 공정 단계들은 템플릿과 이격하여 평면의, m-면 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 생성한다. 나아가, 상기 공정 단계들은 프리-스탠딩 m-면 GaN 필름 또는 기판을 제조하는데 사용된다. 하지만, 본 발명은 임의의 (Al,B,In,Ga)N 필름들을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 이 방법을 사용하여 제조된 소자들은 레이저 다이오드들, 발광 다이오드들 및 트랜지스터들을 포함한다.
실험 결과들( Experimental Results )
본 발명의 실증에 있어, MBE에 의해 성장된 AlN 버퍼층들을 사용하여 m-면 6H-SiC 상에 m-면 GaN 템플릿들이 성장되었다. 상기 GaN 템플릿 표면 상에 ~1350Å-두께의 SiO2층이 적층되었다. 통상적인 포토리소그라피 기술들 및 5% HF 용액 내의 습식 식각이 상기 SiO2층 내의 평행한 스트라이프 개구부들 어레이를 패터닝하기 위해 사용되었다. 최초의 실험들에서, 이러한 평행한 스트라이프들은 GaN[0001] 또는 [
Figure 112012012237912-pat00013
] 방향들을 따라 배향되었다. 아세톤 및 이소프로필알코올을 사용하여 웨이퍼들을 초음파 세정 한 후, 상기 패터닝된 웨이퍼들은 수평 HVPE 반응기 내로 로딩되었다. 상기 샘플들은 62.5 토르의 압력에서 52% N2, 42% H2 및 6% NH3 분위기에서 850 내지 1075℃ 범위의 증착 온도로 가열되었다. 상기 샘플들이 원하는 성장 온도에 도달하면, 상기 반응기 내로 들어가는 가스 흐름은 13.1의V:III 비와 함께 38% N2, 57% H2 및 나머지 잔여량의 NH3와 HCl로 바뀌었다. 원하는 성장 시간 후에, 상기 반응기 내로의 HCl 흐름은 정지되고 상기 퍼니스는 차단되었고, 이와 함께 상기 샘플들은 NH3 존재하에서 감소된 압력에서 600℃ 이하로 냉각되었다. 600℃ 이하에서, 상기 분위기는 오로지 N2로 바뀌고 상기 샘플들은 실온에 이르기까지 냉각되었다.
도 5a에 <0001> 방향을 따라 배향된 평행한 마스크 스트라이프들을 사용한 측방향 에피택시얼 과성장 과정에 대한 개략도가 나타난다. 이는 기판/템플릿(500), SiO2 마스크(502) 및 m-면 GaN 표면들(504)을 포함한다. 성장 과정 동안, 상기 m-면 GaN 필름(504)은 기판/템플릿 물질(500)의 노출된 영역으로부터만 성장하고 상기 마스크(502) 상부에서 측방향으로 퍼지며 상기 기판(500) 표면을 가로지른다. 상기 측방향으로 성장한 GaN 필름(504)은 노출된 윈도우(506) 영역으로부터 수직하게 성장한 GaN(504)에 비해 윙 영역들(508)에서 실 전위 밀도가 낮을 것이다. 도 5b는
Figure 112012012237912-pat00014
방향을 따라 정렬된 평행한 스트라이프들의 마스크 형상(502)을 위한 대응 공정을 나타낸다. 이러한 형상에 있어서, 두 개의 비대칭 윙들이 생성될 것이다. 상기 Ga-면 윙(Ga-face wing, 510)은 실 전위들과 적층 결함들이 모두 없을 것이고, 반면 N-면 윙(N-face wing, 512, 514)은 실 전위들은 없을 것이나 적층 결함들은 그렇지 않다. 두 가지 경우에서, 윈도우 물질 내에 실 전위가 존재할지라도 과성장 물질(504) 내에서 실 전위들은 제거될 것이다.
본 기술에 의해 성장된 여러가지 m-면 GaN 스트라이프들의 예시가 도 6a에 나타난다. 이러한 스트라이프들은 <0001> 방향을 따라 배향된 SiO2 마스크 내의 ~ 5㎛-폭 윈도우들을 통해 성장되고, 대략 40㎛의 폭에 이르기까지 측방향으로 퍼진 것이다. 만약 이러한 성장이 충분한 시간 동안 계속된다면 이러한 스트라이프들은 인접하는 스트라이프들과 만나서, 도 7a에 나타난 바와 같이, 연속적인 m-면 GaN 표면을 형성한다. 합체된 필름은 수직 성장에서 수평 성장으로의 전이를 통해 전위들이 구부러지고 차단됨으로써 과성장 영역들에서는 낮은 전위 밀도를 갖는다. 이러한 감소된 결함 밀도는 도 7b의 전정색 음극선발광(panchromatic cathodoluminescence; panchromatic CL)에 의해 확인된다. 상기 CL 이미지는 어둡고, 결함이 있는 윈도우 영역들과 밝고, 측방향 과성장된 윙 영역들을 나타낸다. 상기 과성장된 물질은 그 내부의 감소된 전위 밀도로 인해 더 강한 발광을 나타낸다. 따라서, 본 발명은 비극성 m-면 GaN 필름들에서 구조적 결함 밀도를 줄이는 효과적인 방법을 제공한다. 전위가 구부러지는 것은 도 7e 및 도 7f의 단면 SEM과 CL 이미지들에서 더 관찰될 수 있다.
도 6b는 m-면 GaN LEO 스트라이프들의 두 번째 예시를 나타낸다. 이 경우에서,
Figure 112012012237912-pat00015
방향을 따라 배항된 평행한 SiO2 스트라이프들이 사용된다. 도 6a에 나타난 스트라이프들과 비교할 때,
Figure 112012012237912-pat00016
방향을 따라서 배향된 스트라이프들은 수직의 c-면 측벽들과 비대칭 측면 성장 속도들을 나타낸다. 상기 Ga-면 윙(Ga-face wing)은 전위들과 적층 결함이 없는 반면, 상기 N-면 윙은 전위들만이 없다. 도 7c는
Figure 112012012237912-pat00017
-배향된 스트라이프들에 의해 성장된 평탄하고, 합체된 필름(coalesced film)을 나타낸다. 상기 감소된 결함 밀도는 도 7d에 나타난 평면 CL 이미지에서 다시 명백하다. 결함이 많은 윈도우 영역들은 어둡게 나타나고 결함 밀도가 감소된 윙 영역들은 밝게 나타난다. N-면 윙이 적층 결함들을 갖더라도, 적층 결함들은 GaN 내의 방사성 재결합 효율(radiative recombination efficiency)을 현저하게 손상시키지는 않기 때문에, N-면 윙의 발광은 윈도우 영역의 그것에 비해 더 크다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 의해 제공된 결함 감소 기술에 의한 그리고 의하지 않은 국부적 표면 모폴러지의 비교를 제공한다. 도 8a는 결함 감소의 어떠한 방법도 없이 성장된 가장 평탄한 m-면 GaN 필름의 AFM 이미지를 나타낸다. 이 표면은 25㎛2 영역에서 8Å의 RMS 거칠기를 가져, 과학 문헌에서 이전에 발표된 어떤 표면보다 현저하게 평탄하다. 도 7b에 나타난 AFM 이미지는 본 발명에 따른 <0001>-배향된 스트라이프들을 사용하여 성장한 샘플의 측방향 과성장 영역으로부터 취해진 m-면 GaN 표면의 5×5 ㎛ 이미지이다. 전위 종단들에 기인한 가리비 형상(scallops)은 제거되었고, 표면 거칠기는 6Å에 이르기까지 감소되었다. 이러한 거칠기는 매우 고품위의 극성 c-면 GaN 필름들과 동등하다. 도 8(c)는 m-면 GaN 필름들의 다른 AFM 이미지를 나타낸다. 이 경우 상기 m-면 GaN 필름들은 GaN
Figure 112012012237912-pat00018
방향을 따라 배향된 평행한 SiO2 스트라이프들을 포함하는 LEO 샘플의 측방향 성장된 윙들 중 하나이다. 표면 모폴러지는 현저하게 더 균일하고, 최고품위의 c-면 GaN 필름들에서 관찰되었던 것과 매우 유사한 모폴러지를 나타낸다. 이 표면의 RMS 거칠기는 5.31Å에 불과하여, 비-LEO 표면에 비해 약 34% 감소/향상되었다. 따라서, 본 발명은 더 평탄한 m-면 GaN 표면들을 제공할 수 있고, 이는 소자 품질을 향상시킬 수 있다.
고품위 m-면 GaN의 성장 및 그 내부의 결함 감소를 위한 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같은 사항을 포함한다;
1. (100)γ-LiAlO2 또는 (
Figure 112012012237912-pat00019
)SiC(임의의 육방정 폴리타입)과 같은, 그러나 이에 한정되지 않은 적절한 기판 또는 적절한 기판 상의 m-면 III-N 필름을 포함하는 템플릿의 사용.
2. 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름들에 GaN 증착 단계를 위한 캐리어 가스로서 일부의 수소의 사용.
3. 필름을 증착하는 GaN 성장 단계에서, 760 토르 이하로 감소된 반응기 압력의 사용.
4. 결함 감소 기술의 병합, 상기 결합 감소 기술은 하부의 III-N 템플릿 층 또는 기판에 대한 접근을 위한 개구부들 또는 스트라이프들을 구비하는 1300 Å-두께의 SiO2 마스크와 같은 얇은 마스크 층을 적층하는 것을 수반한다.
5. 상기 마스크 층을 통한 m-면 GaN 필름의 성장, 이 성장은 측면으로 퍼져 결함 밀도가 감소된 GaN을 제공한다.
예시로서, 1300 Å-두께의 SiO2 필름이 500㎛ 두께의 연마된 m-면 SiC 기판 상에 적층된다. 상기 SiC 기판은 이미 MBE에 의해 m-면 AlN 필름으로 덮혀진 기판이다. 통상의 포토리소그라피 공정을 사용하여 포토레지스트층을 패터닝하여 5㎛-폭 개구부들에 의해 분리된 35㎛-폭 스트라이프들을 형성한다. 그 후, 상기 웨이퍼를 2분 동안 완충 불산에 담가, 노출된 SiO2를 완전히 식각한다. 상기 잔존하는 포토레지스트는 아세톤을 사용하여 제거하고, 상기 웨이퍼는 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수 내에서 세정된다. 그 결과, 상기 웨이퍼는 m-면 SiC 기판 상에 m-면 AlN 필름을 구비하며, 상기 m-면 AlN 필름은 5㎛-폭 개구부들에 의해 분리된 35㎛-폭 SiO2 스트라이프들에 의해 덮혀진다. 상기 웨이퍼를 건조한 후, 성장용 반응기에 로딩한다. 성장 공정 동안, GaN은 상기 노출된 AlN 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 마스크 개구부들을 통해 수직하게 성장한다. 그 후, 상기 필름은 SiO2 스트라이프들 상부에 측방향으로 퍼지고, 결국에는 인접하는 GaN 스트라이프들과 만난다.
가능한 변형들 및 변종들( Possible Modifications and Variations )
상기 바람직한 실시예는 평면의 m-면 GaN을 성장시키고, 측방향 과성장 공정을 통해 m-면 GaN의 품질을 향상시키는 방법을 기술하였다. 본 발명의 실행에 있어 (100)γ-LiAlO2, (
Figure 112012012237912-pat00020
) 4H-SiC, 및 (
Figure 112012012237912-pat00021
) 6H-SiC를 포함한 여러 가지의 가능한 기판물질들이 유효하다는 것이 입증되었다. 그 외에 프리-스탠딩 m-면 GaN, 프리-스탠딩 m-면 AlN, SiC의 추가적인 폴리타입들, 미절단 m-면 Al2O3, 또는 이미 언급된 기판들 중 임의의 기판의 미절단 변형들을 포함한, 그러나 이에 한정되지 않은, 적절한 기판 물질들은 본 발명의 실행에 사용될 수 있다. 상기 측방향 성장 공정용 기판은 평면의 m-면 GaN 성장용으로 적절한 기판들 중 임의의 것, 또는 상기 기판들 상에 GaN, AlN, AlGaN 또는 다른 템플릿 물질의 템플릿 층이 코팅된 임의의 것을 포함할 수 있다. 다양한 성장 기술들에 의해 저온 또는 성장 온도에서 적층된 결정핵생성 층들은 이 기술을 사용하여 HVPE에 의한 후속 측방향 과성장에 또한 사용될 수 있다. 기판을 선택하는 것은 반응기 가열 단계 동안의 최적의 가스 조성에 영향을 줄 수 있음을 알아두어야 한다. LiAlO2와 같은 기판들에 대해서는 암모니아를 함유하는 분위기에서 램핑(ramp)하는 것이 바람직한 반면, SiC는 암모니아 존재하의 램핑에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 저압에서 성장 온도까지 램핑하는 것이 또한 바람직할 수 있는데, 특히, GaN 템플릿들 상에 재성장할 때가 그러하다. 램핑 조건의 중요한 변화는 본 발명의 범위 내에서 만들어질 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 실행에 있어 마스크 물질들, 마스크 적층 기술들 및 패터닝 방법들이 변화되더라도, 본 발명의 결과들을 현저하게 바꾸지 않을 수 있다. 상기 적층 수단들은 금속 마스크들(예를 들어, 티타늄 또는 텅스텐)의 증발법, 넓은 범위의 산화물들과 SiNx를 포함하는 절연 마스크들의 스퍼터 증착법, 및 산화물, 질화물 또는 불화물 마스크들의 화학기상증착법을 포함한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 마스크는 상술한 바와 같이 엑스시츄 기술(ex situ technique)을 통해 적층될 수 있고, 인시츄로 적층될 수도 있다. 일 예로서, 하나의 3-소오스 HVPE 반응기(three-source HVPE reactor) 내에서, m-SiC 기판 상에 AlN 버퍼를 증착할 수 있고, 그 후 상술한 본 발명을 사용하여 얇은 GaN 필름을 성장시킬 수 있고, 그 후 얇은 SiNx 마스크층을 적층하고 이를 통해 결함 밀도가 감소된 m-면 GaN이 성장될 수 있다. 이 경우, 상기 마스크는 SiNx의 불규칙한 섬들로 이루어지나 포토리소그라피를 통해 준비된 균일한 마스크와 같은 목적으로 사용될 수 있다. 이와는 달리, Ti 금속 필름이 프리-스탠딩 m-면 GaN 기판 상에 증발되고, HVPE 성장 시스템 내에 로딩되고, 그리고 NH3에서 어닐링되어 유사 다공성 마스크 층을 형성할 수 있다.
다른 방법은 기판 상에 패터닝된 마스크를 적층하는 대신 기판 또는 템플릿 물질 내에 패턴을 식각하는 것, 예를 들어 반응성 이온 식각법(reactive ion etching)이다. 이러한 방법에서, 기판 내의 트렌치들의 깊이와 폭은 식각되지 않은 고원들로부터 측방향으로 성장된 필름이 상기 트렌치의 바닥으로부터 성장된 GaN이 상기 트렌치의 상부에 이르기 전에 합체되도록 선택되어야 한다. 캔틸레버 에피택시법(cantilever epitaxy)으로 알려져 있는 이러한 기술은, 극성 c-면 GaN 성장을 위해 사용되었고, 본 발명과 양립할 수 있어야 한다. 상기 기판 또는 템플릿 필라들(pillars)의 상기 상부 표면은, 캔틸레버 에피택시법에서와 같이 코팅되지 않은 상태로 남겨지거나, 측벽 측방향 에피택시얼 과성장법에서와 같이 노출된 측벽들로부터의 성장을 촉진하기 위해 마스크 물질로 코팅될 수 있다.
상기 절연 마스크의 형상은 측방향-성장 필름의 거동에 상당한 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 유효성을 확립함에 있어서, 기판에 대해 다양한 배향들을 갖는 스트라이프들을 구비하는 마스크들이 사용되었다. 각 형태의 개구부로부터의 성장 거동은 다른 반면, 마스크 형상의 선택은 본 발명의 실행을 근본적으로 변화시키지 않는다. 따라서, 마스크 형상에 관계없이, GaN 결정핵생성이 선호되는 일부 영역들과 GaN 결정핵 생성이 저지되는 일부 영역들을 구비하는 어떤 마스크라도 사용가능하다.
반응기 형상 및 디자인은 본 발명의 실행에 영향을 줄 수 있다. 비극성 GaN의 성공적인 측방향 성장을 위해 필요한 성장 파라미터들은 반응기들에 따라 달라질 수 있다. 이러한 변화들은 본 발명의 일반적 실행을 근본적으로 바꾸지는 않는다.
추가적으로, 일반적으로 필름이 합체될 때까지 측방향 성장 공정을 지속시키는 것이 바람직하나, 합체는 본 발명의 실행을 위한 필요조건은 아니다. 본 발명자들은 다수의 출원들을 계획해왔는데, 상기 출원들에서 합체되지 않은 측방향-과성장 비극성 GaN 스트라이프들 또는 필라들이 매우 바람직하였다. 따라서, 본 발명은 합체된 그리고 합체되지 않은 측방향-과성장 비극성 GaN 필름들 모두에 적용될 수 있다.
본 발명은 HVPE에 의한 평면의 m-면 GaN의 성장에 촛점을 맞추었다. 하지만, 본 발명은 InGaN 및 AlGaN을 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않은, m-면 III-N 합금들의 성장에도 또한 적용될 수 있다. 비극성 GaN 필름들에 일부의 Al, In, 또는 B를 포함시키는 것은 본 발명의 실행(practice)을 근본적으로 변화시키지 않는다. 일반적으로, 상술한 논의에 있어서, "GaN"의 어떠한 언급도 보다 일반적인 질화물 조성 AlxInyGazBnN으로 치환될 수 있을 것이다. 이 때, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤n≤1이고, x+y+z+n=1 이다. 또한, Si, Zn, Mg, 및 Fe와 같은, 그러나 이에 한정되지 않은, 추가적인 도판트들은 본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 본 발명에서 서술된 필름들에 함유될 수 있다.
본 발명의 실행은 다양한 온도와 압력조건, 또는 서로 다른 질화물 조성들을 갖는 다수의 성장 단계들을 포함할 수 있다. 상기 다단계 성장 공정들은 여기서 기술된 발명과 근본적으로 양립할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 HVPE를 사용한 성장 기술을 기술하고 있다. 비극성 III-N 필름들의 성장에 대한 우리의 연구는 여기서 기술된 GaN의 측방향 과성장 기술들이 단순한 변형을 사용하여 MOCVD에 의한 m-GaN의 성장에도 적용될 수 있음을 견고하게 확립하였다.
유용성 및 향상( Advantages and Improvements )
본 발명은 평면의, 고품위 비극성 m-면 GaN 및 HVPE에 의한 m-면 GaN의 측방향 과성장에 대한 최초로 알려진 리포트를 나타낸다. 본 문헌은 임의의 기술에 의한 m-면 GaN의 측방향 성장에 대한 이전의 리포트를 전혀 포함하지 않는다.
대부분의 수소 캐리어 가스를 사용하는 저압 성장을 적용함으로써 HVPE에 의한 평면의 m-면 GaN 필름들의 성장이 처음으로 가능하게 되었다. 이에 따라, 기판 상에 헤테로에피택시얼로 성장된 비극성 GaN 필름에 비해 현저한 결함 감소와 필름 품질 향상을 달성한다. 이러한 결함 밀도가 감소된 비극성 GaN은 본 기술에 의해서 성장된 템플릿 필름 상에 후속하여 성장된 전자, 광전자 및 전기기계 장치들의 향상을 제공할 것이다. 여기서 기술된 측면 과성장된 필름은, 탈착되어 프리-스탠딩 기판을 형성할 수 있을 정도로 두꺼운 비극성 GaN 필름에서 전위 밀도를 감소시킬 수 있는 우수한 수단을 제공한다.
[참고문헌]
하기 참고문헌들은 여기에 참고로서 포함된다.
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결론( CONCLUSION )
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 기술을 결론짓는다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 상술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 개시된 정확한 형태에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 가르침에 근거한 많은 변형들과 변경들이 가능하다. 본 발명의 범위는 상기 자세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구항에 의해서 한정된다.
500: 기판/템플릿
502: SiO2
506: 윈도우
508: 윙

Claims (19)

  1. 하나 이상의 비극성(non-polar) III족-질화물의 필름들 또는 층들을 포함하는 소자 구조물로서,
    전위 밀도가 108 cm-2 미만이고, 상부 표면이 적어도 25㎛2의 영역에 대하여 8 Å 미만의 RMS (root mean square) 표면 거칠기를 갖는 소자 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비극성 III족-질화물 필름들 또는 층들은 비극성 방향으로 성장된 측방향 에피택시얼 과성장층을 포함하는 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 소자 구조물이 자발 및 압전 분극이 없는 소자 구조물인 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 측방향 에피택시얼 과성장층이 직접 성장층(direct growth layer)의 표면 위에 위치하고, 상기 직접 성장층이 III족-질화물 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비극성 III-질화물 필름들 또는 층들이 평면인 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 비극성 III-질화물 필름들 또는 층들이 m-면 질화 갈륨 (GaN) 필름인 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 소자 구조물이, 상기 비극성 III족-질화물 필름들 또는 층들을 포함하거나 또는 상기 비극성 III족-질화물 필름들 또는 층들 위에 성장된 레이저 다이오드, 발광 다이오드 또는 트랜지스터 소자 구조물인 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 소자 구조물이 자립(free-standing)하기에 충분한 두께를 갖는 기판인 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 표면이 적어도 25㎛2의 영역에 대하여 6 Å 이하의 RMS 표면 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 직접 성장층이 m-면 6H-SiC 위에, m-면 4H-SiC 위에, 또는 (In,Al,Ga,B)N 템플릿층에 의하여 덮혀진 기판들 위에 성장되는 것을 특징으로 하는 소자 구조물.
  11. (a) 비극성 면인 상부 표면을 갖는 비극성 III-질화물을 가져오도록 III족-질화물의 측방향 에피택시얼 과성장(lateral epitaxial overgrowth, LEO)을 수행하는 단계;
    를 포함하고, 상기 비극성 III족-질화물 필름이 108 cm-2 미만의 전위 밀도를 갖고, 상기 상부 표면이 적어도 25㎛2의 영역에 대하여 8 Å 미만의 RMS (root mean square) 표면 거칠기를 갖는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 단계 (a)를 수행하기 전에 직접 성장의 표면을 형성하는 III족-질화물의 직접 성장을 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 LEO가 상기 직접 성장의 표면으로부터 수행되는 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 직접 성장이 유기금속 화학기상증착(MOCVD: metalorganic chemical vapor deposition), 수소화물 기상 에피택시(HVPE: hydride vapor phase epitaxy), 기상 에피택시(VPE: vapor phase epitaxy) 또는 분자빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy)에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 LEO가 기상 에피택시를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 비극성 III족-질화물이 평면 필름인 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 비극성 III족-질화물이 자발 및 압전 분극이 없는 소자의 성장을 위한 기판으로서 사용되기 위하여 제조되는 필름인 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 비극성 III족-질화물이 m-면 질화갈륨 (GaN) 필름인 것을 특징으로 하는 비극성 III족-질화물의 성장 방법.
  18. 제 11 항의 방법을 이용하여 제조된 소자.
  19. 비극성인 상부 표면을 갖고 비극성 방향으로 성장된 측방향 에피택시얼 과성장층을 포함하는 구조물로서, 상기 측방향 에피택시얼 과성장층은 이종 에피택시적으로(heteroepitaxially) 성장되고 108 cm-2를 초과하는 전위 밀도들을 갖는 III족-질화물 필름과 비교하여 감소된 전위 밀도를 갖는 비극성 III족-질화물 필름을 포함하는 상기 구조물을 포함하는 소자.

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