KR101293307B1 - 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 형성된 ⅲ족-나이트라이드계 공명 공극 발광 장치 - Google Patents
단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 형성된 ⅲ족-나이트라이드계 공명 공극 발광 장치 Download PDFInfo
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Abstract
공명 공극 발광 장치의 제조방법에서, 시드 갈륨 나이트라이드 결정(14) 및 소스 물질(30)이, 다구역-노(50)에 배치된 밀봉된 용기(10)에 배치된 질소 함유 초가열 유체(44)에 배열된다. 갈륨 나이트라이드 물질은 시드 갈륨 나이트라이드 결정(14) 상에서 성장되어 단결정 갈륨 나이트라이드 기판(106, 106')을 생성한다. 상기 성장은 일시적으로 변하는 열 구배(100, 100', 102, 102')를 시드 갈륨 나이트라이드 결정(14)과 소스 물질(30) 사이에 인가하여, 성장 중 적어도 일부 동안 성장 속도를 증가시킴을 포함한다. III족-나이트라이드 층(112)의 스택은, 제 1 미러 서브-스택(116) 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치(108, 150, 160, 170, 180)로 제조되기에 적합화된 활성 영역(120)을 포함하여, 단결정 갈륨 나이트라이드 기판(106, 106') 상에 침착된다.
Description
본 발명은 조명 기술에 관한 것이다. 특히, 예컨대 공명 공극 발광 다이오드(RCLED) 및 수직 공극 표면 발광 레이저(VCSEL)와 같은 공명 공극 발광 장치에 관한 것으로서, 이는 특정 참고 문헌과 함께 기술될 것이다. 그러나, 또한 본 발명은 다른 III족-나이트라이드계 광원에 관련된 용도에 관한 것이다.
현재 고체 상태 조명에서의 하나의 주요한 도전은 발광 다이오드로부터의 효율적인 광 추출이다. 다른 도전은, 발광 다이오드는 오직 한 파장만을 전형적으로 발광하는 반면, 많은 용도에서는 하나 이상의 추가적 파장 또는 백색 광이 요구되는데 있다. 전형적으로 중합체 매트릭스에서의 인광체의 사용은 추가적 파장 및/또는 백색 광의 발생을 가능케 하지만, 종종 스토크 이동(Stokes shift), 반사 또는 광 산란 손실 및 인광체 패키징과 관련된 장치 결함에 의한 효율 손실을 수반한다. 공명 공극 장치는 보다 효율적인 광 추출을 제공하는 한 방식을 제시하지만, III족-나이트라이드 물질 시스템에서 신뢰할만한 공명 공극 장치를 제조하는 것은 지금까지 어려웠다.
당업자는 넓은 면적의 갈륨 나이트라이드 웨이퍼 상에 III족-나이트라이드 발광 장치를 성장시키는 것의 실질적인 장점을 인식하고 있다. 전형적으로 갈륨 나이트라이드 기판 물질의 장점은 다음을 포함한다: (i) 도판트 영향 없이 갈륨 나이트라이드 장치 층에 대해 본질적으로 완벽한 근접 격자 매치; (ii) 근접 격자 매치의 결과로서의 에피택셜 III족-나이트라이드 층에서의 감소된 변형 및 전위(dislocation) 형성; (iii) 상호확산(interdiffusion) 문제 없이 화학적으로 가파른(abrupt) 계면; (iv) 반대-상(anti-phase) 경계의 실질적 제거; 및 (v) 높은 에피택셜 성장 온도로부터의 냉각 동안 및 고온 장치 가공 동안 열적 안정성을 증가시키는 열적 매칭(thermal matching). 이들 장점은, 격자 미스매치 변형 또는 열적 응력이 웨이퍼 휨(bowing) 또는 파단을 일으킬 수 있는, 큰 면적 장치 및 큰 면적 에피택셜 웨이퍼에서 특히 중요하다.
작은 면적의 갈륨 나이트라이드 기판과는 반대되는, 큰 면적의 갈륨 나이트라이드 웨이퍼 상에서의 성장의 장점은 전형적으로 다음을 포함한다: (i) 스케일 경제성(웨이퍼 당 보다 많은 장치); (ii) 보다 용이한 취급; (iii) 보다 용이한 자동화된 기계 조작; 및 (iv) 큰 면적 장치의 제조 가능성. 후자의 장점이 발광 장치에 특히 유용하다. 많은 조명 제품에서, 예컨대, 발광 장치는 전형적 마이크로전자 장치와 비교 시에 넓은 것이 바람직하다. 예컨대 조명 제품에서의 공명 공극 발광 다이오드는, 한 면이 약 수백 미크론 이상인 것이 바람직한데, 이는 수만 평방 미크론 이상의 장치 면적에 상응한다. 이들 장치 면적은 기판의 가능한 크기에 대한 하한값을 제공한다.
이런 공지의 장점에도 불구하고, 상업적 III족-나이트라이드 발광 장치는, 고품질의 큰 면적의 갈륨 나이트라이드 기판의 부족 때문에, 일반적으로 사파이어 또는 규소 카바이드 기판 상에 헤테로에피택셜하게 성장되는 것을 계속해 왔다. 질소의 화학적 수동성(passivity), 갈륨 나이트라이드의 높은 융점 및 다른 인자에 의해 큰 체적의 성장 및 고품질의 갈륨 나이트라이드 보울(boule)이 난제로 되었다.
미국 특허 제 5,637,531 호 및 제 6,273,948 호는, 액체 갈륨 및 갈륨계 합금을 용매로서 이용하고 용융물 이상의 고압 질소를 이용하여 GaN을 열역학적으로 안정한 상으로서 유지시키도록, 고압 및 고온에서 갈륨 나이트라이드 결정을 성장시키는 방법을 개시한다. 그 공정은 문헌["Near defect-free GaN substrates" [MRS Internet J. Nitride Semicond. Research 4S1, G1. 3 (1999)]에 기술된 바와 같이 약 103 내지 105cm-2의 전위 밀도를 갖는 전기적-전도성 GaN 결정, 또는 다르게는 약 10 내지 104cm-2의 전위 밀도를 갖는 반절연성 GaN 결정의 성장을 가능케 한다. 그러나, 전도성 결정은, 산소 불순물 및 질소 공좌(vacancy)에 기인하는 것으로 여겨지는 약 5x1019cm-3의 높은 n-형 백그라운드 도핑을 갖는다. 높은 n-형 백그라운드는, 플립-칩(flip-chip) 광 방사체(emitter)에서 문제가 되는 실질적인 결정 불투명성(예컨대 가시 범위에서 약 200cm-1의 흡광 계수)을 일으키고, 약 0.01 내지 0.02% 만큼의 격자 상수의 증가를 일으켜, 침착되는 에피택셜 GaN 층에 변형을 유발한다. 이런 방법에 의해 형성된 비도핑된 GaN 기판은, 고출력 장치에서 문제가 될 수 있는 보다 제한된 캐리어 이동도, 즉 약 30 내지 90cm2/V-s를 갖는다.
슈도(pseudo)-벌크 또는 벌크 GaN을 성장시키는 다른 기법은 하이드라이드/할라이드 증기 상 에피택시(또한 HVPE로 알려짐)이다. 하나의 시도에서, HCl은 액체 Ga와 반응하여 증기 상 GaCl을 형성하고, 이는 주입된 NH3와 반응하여 GaN을 형성하는 기판으로 수송된다. 전형적으로 침착은 비-GaN 기판, 예컨대 사파이어, 규소, 갈륨 아르세나이드 또는 LiGaO2 상에서 실시된다. HVPE-성장 필름에서의 전위 밀도는 GaN의 헤테로에피택시에서 전형적인 바와 같은 약 1010cm-2로 초기에 매우 높지만, 100 내지 300㎛의 두께의 GaN이 성장된 후에는 약 107cm-2의 값으로 떨어진다. 두꺼운 HVPE GaN의 헤테로에피택셜 성장은 성장 후 냉각 도중 변형-유도된 휨을 일으키고, 이는 본래의 기판의 제거 이후에서도 잔류한다.
큰 갈륨 나이트라이드 보울의 제조에서의 실질적 어려움의 관점에서, 일부 노력은 개별적 갈륨 나이트라이드 기판을 제조하기 위한 에피택셜 측방향 과성장(ELO)과 같은 복잡한 기법의 개발에 방향을 맞추어 왔다. ELO에서, 에피택시-저해 마스크가 사파이어 웨이퍼와 같은 핵형성 기판 위에 침착된다. 이 마스크는 석판술로 가공되어 개구부를 형성한다. 갈륨 나이트라이드 성장은 개구부에서 핵형성하고, 이를 충전하고, 그 후 측방향 과성장 방식으로 마스킹된 면적에 대해 측방향으로 성장한다. ELO 물질은 억제된 전위 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 임의적으로, 핵형성 기판이 제거되고, ELO 성장 공정이 프리-스탠딩(free-standing) 갈륨 나이트라이드 웨이퍼 상에서 반복된다. 일부 보고는 ELO에 의해 수득된 104cm-2의 낮은 전위 밀도를 주장한다.
그러나, 매우 높은 전위 밀도가 ELO 성장이 개시되는 개구부 위에 잔류한다. 또한, 인접 개구부로부터의 측방향 과성장의 응집은 에지 어레이의 전위로서 두꺼운 층에서 전형적으로 뚜렷한 틸트 경계를 생성한다. 에피택셜 측방향 과성장의 반복된 적용이 틸트 경계를 실질적으로 억제하는 것으로 예상되지는 않는다. 따라서, 에피택셜 측방향 과성장은 측방향 웨이퍼 치수에서의 상향으로 규모를 크게할 수 없고, 사용가능한 성장 치수는 핵형성 개구부의 간격 정도로 한정된다. 또한, ELO는 3차원 치수 단결정 보울을 생성하지 않고, 각 ELO 갈륨 나이트라이드 웨이퍼를 생성하는 것에 포함되는 가공은 노동-집약적이어서, ELO 웨이퍼 형성 공정의 자동화를 어렵게 한다.
희토류 금속에 의한 GaN의 도핑은 발광을 생성하는 것으로 알려져 있다. 예컨대, 로지코브스키(Lozykowski) 등의 미국 특허 제 6,140,669 호는 이온 임플랜테이션, MOCVD 또는 MBE에 의해 희토 이온을 GaN 층으로 혼입시키고, 1000℃ 이상에서 어닐링하는 것을 개시한다. 버크한(Birkhahn) 등의 미국 특허 제 6,255,669 호는 희토 이온 또는 크롬으로 도핑된 GaN 층을 사용한 발광 다이오드의 제조를 개시한다. 그러나, 이들 문헌은 벌크 결정보다는 얇은 GaN 에피택셜 층에 초점을 맞추고, 공명 공극 장치와는 관련이 없다.
뮬러-마크(Mueller-Mach) 등의 WO 01/24285 A1은 단결정 인광체 기판, 바람직하게는 희토-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(garnet) 상에 GaN계 발광 다이오드를 제조하는 것을 개시한다. 덴바스(DenBaars) 등의 WO 01/37351 A1은 크롬 또는 기타 전이 또는 희토 이온으로 도핑된 기판 상에 수직 레이저 구조체를 포함하는 GaN계 발광 다이오드 구조체의 제조를 개시한다. 그러나, 개시된 레이저 구조체는 오직 하나의 공극만을 사용하고, 백색 광 또는 광의 둘 이상의 가시 파장의 지시 발광(directional emission)에 대한 가능성은 없다.
본 발명은 전술된 한계 등을 극복하는 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다.
발명의 요약
한 양태에 따르면, 공명 공극 발광 장치의 제조방법이 제공된다. 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질이, 갈륨 나이트라이드 전구체의 질량 수송을 위한 매질을 시드 갈륨 나이트라이드 결정과 소스 물질 사이에 제공하는 질소 함유 초가열(superheated) 유체에 배열된다. 시드 갈륨 나이트라이드 결정의 표면이 제조된다. 이러한 제조는, 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질을 질소 함유 초가열 유체에 배열시키면서, 시드 갈륨 나이트라이드 결정과 소스 물질 사이에 제 1 열적 프로파일을 적용시키는 것을 포함한다. 갈륨 나이트라이드 물질은 시드 갈륨 나이트라이드 결정의 제조된 표면 상에서 성장된다. 성장은, 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질을 질소 함유 초가열 유체에 배열시키면서, 제 1 열적 프로파일과 상이한 제 2 열적 프로파일을 시드 갈륨 나이트라이드 결정과 소스 물질 사이에 적용시키는 것을 포함한다. 상기 성장은 단결정 갈륨 나이트라이드 기판을 생성한다. III족-나이트라이드 층의 스택은 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 침착된다. 스택은 제 1 미러 서브-스택 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치로 제조되기 적합한 활성 영역을 포함한다.
다른 양태에 따르면, 공명 공극 발광 장치가 개시된다. III족-나이트라이드 층의 스택은 실질적으로 틸트 경계가 없고, 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는다. III족-나이트라이드 층의 스택은 분포된 브래그(Bragg) 반사기를 한정하는(define) 제 1 미러 서브-스택 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치로 제조되기 적합한 활성 영역을 포함한다. 미러는 제 1 미러 서브-스택과 협동하여 활성 영역이 그 내부에 배치되는 공명 공극을 한정한다.
다른 양태에 따르면, 공명 공극 발광 장치가 개시된다. III족-나이트라이드 층의 스택은 활성 영역을 포함한다. III족-나이트라이드 층의 스택이 배치되는 단결정 갈륨 나이트라이드 기판은 실질적으로 틸트 경계가 없다. 단결정 갈륨 나이트라이드 기판은 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는다. 제 1 및 제 2 미러는 활성 영역이 그 내부에 배치되는 공명 공극을 한정한다. 활성 영역에 의해 생성된 광은 공명 공극에서 공명한다.
다른 양태에 따르면, 공명 공극 발광 장치가 개시된다. 단결정 갈륨 나이트라이드 기판은 약 0.01cm-1 초과의 단위 두께 당 흡광률을 갖는 약 3175cm-1에서의 특성 흡광 피크를 갖는다. III족-나이트라이드 층의 스택은 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 배치된다. 그 스택은 제 1 미러 서브-스택 및 활성 영역을 포함한다. 미러는 제 1 미러 서브-스택과 협동하여 활성 영역이 그 내부에 배치되는 공명 공극을 한정한다.
또 다른 양태에 따르면, 공명 공극 발광 장치의 제조방법이 제공된다. 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질이 다구역 노에 배치된 밀봉된 용기에 배치된 질소 함유 초가열 유체에 배열된다. 갈륨 나이트라이드 물질은 소스 물질로부터 시드 갈륨 나이트라이드 결정으로 질소 함유 초가열 유체를 통한 질량 수송에 의해 시드 갈륨 나이트라이드 결정 상에 성장된다. 상기 성장은 시드 갈륨 나이트라이드 결정에 고정된 단결정 갈륨 나이트라이드 기판을 생성한다. 상기 성장은 시드 갈륨 나이트라이드 결정과 소스 물질 사이에 일시적으로 변화되는 열 구배를 적용시켜 성장의 적어도 일부 기간 동안 성장 속도 증가를 생성하는 것을 포함한다. III족-나이트라이드 층의 스택은 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 침착된다. 스택은 제 1 미러 서브-스택 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치로 제조되기 적합한 활성 영역을 포함한다.
공명 공극 발광 장치의 도면에서, 층 두께 및 측방향 치수는 척도화되지 않았다.
도 1은 실질적으로 틸트 경계가 없는 낮은 전위 밀도의 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 보울을 성장시키는데 사용하기 위한 캡슐의 단면도를 도시한다.
도 2는 실질적으로 틸트 경계가 없는 낮은 전위 밀도의 단결정 갈륨 나이트라이드 기판 보울의 성장에서의 도 1의 캡슐과 연관된 용도를 위한 2-구역 노를 포함하는 압력 용기의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 2의 압력 용기의 2-구역 노의 다른 형상을 도시한다.
도 4는 도 3의 다른 노 형상의 사용 시에 보울 형성 공정에서의 예비 및 재결정화 결정 성장 기간 동안의 온도 프로파일을 도시한다.
도 5A는 벌크 GaN이 성장되어진 낮은 결함 밀도의 시드 결정을 도시한 개략도이다.
도 5B는 도 5A에 지시된 L방향을 따라 보여지는 시드 결정 및 도 5A의 성장된 벌크 GaN을 도시한 개략도이다.
도 6은 도 1의 캡슐으로부터 추출된 낮은 전위 밀도의 단결정 갈륨 나이트라이드 보울을 도시한다.
도 6A는 갈륨 나이트라이드 보울 상에 형성된 공명 공극 발광 장치의 어레이를 갖는 도 6의 갈륨 나이트라이드 보울로부터 슬라이싱된 예시적 갈륨 나이트라이드 웨이퍼를 도시한다.
도 7은 공명 공극 발광 다이오드 또는 수직 공극 표면 발광 레이저로서 사용하기에 적당한 예시적 공명 공극 발광 장치 층 구조체를 도시한다.
도 8은 인듐 함유 III족-나이트라이드 물질의 양자 도트를 포함하는 활성 영역을 생성하는 방법을 도시한 개략도이다.
도 9는 광학 미러 및 p-전극의 역할을 하는 반사성 층을 갖는 예시적 공명 공극 발광 다이오드 층 구조체를 도시한다.
도 10은 그리딩된(gridded) p-전극 위에 배치된 광학 미러의 역할을 하는 반사성 층을 갖는 예시적 공명 공극 발광 다이오드 층 구조체를 도시한다.
도 11은 유전성 분포된 브래그 반사기를 갖는 예시적 공명 공극 발광 장치 층 구조체를 도시한다. 이 구조체는 공명 공극 발광 다이오드 또는 수직 공극 표면 발광 레이저로서의 사용에 적당하다.
도 12는 발광 기판 또는 에피택셜 층 및 광의 하나 이상의 추가 파장에 대한 공극을 한정하는 제 2 미러를 갖는 예시적 공명 공극 발광 장치 층 구조체를 도시한다.
도 13은 400 내지 420nm 범위의 파장에서 발광하는 에지 발광 레이저 다이오드에 대한 장치 수명 대 전위 밀도의 그래프이다.
도 14는 도 6A의 낮은 전위 밀도의 단결정 갈륨 나이트라이드 웨이퍼 상에 형성된 복수의 공명 공극 발광 장치를 포함하는 발광 어레이 구성요소를 도시한다.
도 1과 관련하여, 셀 또는 캡슐(10)이 질소 함유 초가열 유체에서 수행되는 재결정화 기법을 이용하여 갈륨 나이트라이드 시드(14)로부터 3차원 갈륨 나이트라이드 보울(12)을 성장시키는데 사용된다. 캡슐(10)은, 다른 모양 및 크기가 또한 고려되지만, 약 1인치 이상의 직경을 갖는 일반적으로 실린더형 모양이 바람직한 주 용기(20)를 포함한다. 용기(20)는 밀봉된 바닥 섹션(22)을 포함하며, 이는 주 용기(20)에 통합되어 형성되는 것이 바람직하지만 주 용기에 용접되거나 또는 달리 고정된 개별적으로 형성된 바닥 섹션도 또한 고려된다.
바닥 섹션(22)을 포함하는 용기(20)는 구리, 구리계 합금, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴, 티타늄, 바나듐, 크롬, 철, 철계 합금, 니켈, 니켈계 합금, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 레늄, 이들의 조합 등 중 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 다른 실시양태에서, 바닥 섹션(22)을 포함하는 용기(20)는 냉-용접성 물질, 예컨대 구리, 구리계 합금, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴, 철, 철계 합금(예: 스테인레스 강), 니켈, 니켈계 합금(예: 인코넬(inconel) 또는 헤이스텔로이(hastelloy)), 몰리브덴, 이들의 조합 등 중 하나 이상으로부터 형성된다. 바닥 섹션(22)을 포함하는 용기(20)는, 캡슐(10) 내부의 압력이 수 k-bar 이상으로 증가됨에 따라 캡슐(10)의 팽창이 가능하도록 충분한 변형성을 갖는 물질로 형성된다. 또한, 바닥 섹션(22)을 포함하는 용기(20)는 수소, 산소 및 질소에 불투과성인 것이 바람직하다. 한 바람직한 실시양태에서, 바닥 섹션(22)을 포함하는 용기(20)는 은으로 제조된다.
갈륨 나이트라이드 시드(14)는 측면이 0.1cm보다 큰 것이 바람직하고, 틸트 경계가 없는 것이 바람직하고, 바람직하게는 약 108cm-2 미만, 보다 바람직하게는 약 105cm-2 미만의 비교적 낮은 전위 밀도를 갖는다. 본원에서 사용되는 "틸트 경계가 없는"은 "실질적으로 틸트 경계가 없는" 또는 "실질적으로 틸트 경계를 갖지 않는"과 상호교환가능하게 사용되어, 1) 결정이 비실질적인 수준으로 틸트 경계를 가질 수 있거나, 또는 틸트 경계가 TEM 또는 X-선 회절과 같은 당업계의 공지의 분석 기술에 의해 검출불가할 수 있도록 하는 정도의 작은 틸트각을 가질 수 있는 것; 또는 2) 결정이 서로 폭 넓게, 예컨대 1mm 이상 분리되어 있는 틸트 경계를 포함할 수 있는 것을 의미한다. 한 실시양태에서, 2mm 이상, 다른 실시양태에서는 5mm 이상 분리되어 있을 수 있다. 갈륨 나이트라이드 시드(14)는 다양한 소스로부터, 예컨대 사파이어 또는 규소 카바이드 기판 상에 성장된 헤테로에피택셜 갈륨 나이트라이드 층으로부터, 또는 하이드라이드 증기 상 에피택시, 승화, 금속유기 화학적 증착 등에 의해 성장된 프리-스탠딩 갈륨 나이트라이드 필름으로부터 수득될 수 있다. 다르게는, 갈륨 나이트라이드 시드(14)는 본원에 기술된 재결정화 기법에 의해 이전에 성장된 갈륨 나이트라이드 물질로부터 획득가능하다. 갈륨 나이트라이드 시드(14)는 캡슐(10)의 재결정화 말단(24)에 또는 그 부근에 배열된다. 갈륨 나이트라이드 시드(14)는 바닥 섹션(22)의 내부 표면에 또는 용기(20)의 내부 표면에 와이어(미도시) 또는 다른 고정수단으로 고정될 수 있다.
한 실시양태에서, 갈륨 나이트라이드 시드 결정은 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖고, 실질적으로 틸트 경계가 없어서(또한, 낮은 각 그레인(low-angle grain) 경계로서 알려짐), 유사하게 약 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖고, 실질적으로 틸트 경계가 없는 갈륨 나이트라이드 결정을 생성한다. 다른 실시양태에서, 갈륨 나이트라이드 시드 결정은 하나 이상의 틸트 경계를 함유한다. 하이드라이드 증기 상 에피택시에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드 결정은 시드 결정으로서 사용되어, 큰 면적의 시드 결정으로의 간편한 경로를 제공한다. 그러나, HVPE에 의해 성장된 GaN 결정은 105 내지 108cm-2 범위의 전위 밀도를 전형적으로 갖는다. 또한, 헤테로에피택시는 모자이크 구조체를 생성하고, 헤테로에피택셜 필름의 두께가 예컨대 1mm 초과로 증가함에 따라, 두꺼운 필름에서의 틸트 경계의 존재가 상당히 명백해진다. 틸트 경계를 갖는 시드 상에 본원에 기재된 초가열 유체 조절된 수송법에 따라 성장된 벌크 GaN 결정의 경우, 전형적으로 시드 결정에서의 틸트 경계는 성장 결정으로 전파될 것이다.
소스 물질(30)은 투과성 바스켓(32) 또는 다른 고정수단에 의해 캡슐(10)의 소스 말단(34)에 또는 그 부근에 고정된다. 소스 물질(30)은 단결정 또는 다결정성 갈륨 나이트라이드, 비정질 갈륨 나이트라이드, 갈륨 나이트라이드 전구체, 예컨대 갈륨 또는 갈륨 화합물 등일 수 있다. 바람직하게는, 소스 물질(30)은 재결정화 말단(24)으로부터 소스 말단(34)을 분리시키는 임의적 배플(baffle)(36)의 개구부를 너무 커서 통과하지 못하는 입자로 구성된다. 배플(36)의 개구부는 초가열 유체내로 용해된 갈륨 나이트라이드 전구체 물질은 통과시키지만, 보다 큰 고체 입자는 통과시키지 않는다(소스 물질(30)이 비-오염성이거나, 또는 캡슐(10)이 소스 물질(30)에 의해 갈륨 나이트라이드의 재결정화의 직접 오염이 실질적으로 억제되면, 임의적 배플(36)은 생략되는 것이 적절하다).
광화제(mineralizer; 38)는 용매에서의 갈륨 나이트라이드의 용해도를 증가시키기 위해 캡슐(10)에 첨가되는 것이 바람직하다. 광화제는 소스 물질(30)과 함께 첨가되거나, 또는 개별적으로 첨가될 수 있다. 적당한 광화제는 알칼리 또는 알칼리-토 나이트라이드, 예컨대 Li3N, Mg3N2 또는 Ca3N2, 아마이드, 예컨대 LiNH2, NaNH2 또는 KNH2, 우레아 또는 관련 화합물, 암모늄 염, 예컨대 NH4F 또는 NH4Cl, 할라이드, 설파이드 또는 나이트레이트 염, 예컨대 NaCl, Li2S 또는 KNO3, 아지드 염, 예컨대 NaN3, 다른 리튬 염, 전술된 물질과 갈륨 또는 갈륨 나이트라이드와의 화합물, 등을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 광화제(38)는 암모늄 플루오라이드(NH4F)이다. 다른 실시양태에서, 광화제는 암모늄 클로라이드(NH4Cl)이다.
한 실시양태에서, 또한 도판트 소스(미도시), 예컨대 n-형 갈륨 나이트라이드의 제조를 위한 규소, 또는 n-형 갈륨 나이트라이드의 제조를 위한 마그네슘 또는 아연, 또는 이들의 조합이 캡슐(10)에 첨가된다. 첨가된 도판트는 n-형, 반절연성, p-형, 자성 또는 발광성 GaN 결정을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이로운 불순물, 예컨대 산소 또는 탄소는 전형적으로 다른 방식으로 결정을 n-형으로 만들 것이다. N-형 도판트, 예컨대 O, Si 또는 Ge, 또는 p-형 도판트, 예컨대 Be, Mg 또는 Zn이 적절하게 소스 GaN에 불순물로서 첨가되어 n-형 또는 p-형 도핑을 각각 형성한다. 다르게는, 도판트는 금속, 염 또는 무기 화합물, 예컨대 Si, Si3N4, SiCl4, BeF2, Mg3N2, MgF2, Zn, ZnF2 또는 Zn3N2로서 첨가될 수 있다. 약 1015 내지 1016 cm-3 미만의 총 불순물 농도를 갖는 GaN 결정은 반절연성으로 예상된다. 그러나, 전형적으로 비의도적 불순물의 농도는 1016cm-3 보다 크고, 결정은 n-형이다. 반절연성 또는 자성 GaN 결정은 특정 전이 금속, 예컨대 철 또는 망간으로 도핑에 의해 수득될 수 있다. 발광 GaN 결정은 특정 전이 또는 희토류 금속, 예컨대 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pr, Eu, Er 또는 Tm으로 도핑시켜 수득될 수 있다. 전이 금속 또는 희토류 금속 도판트는 소스 GaN에 불순물로서 또는 금속, 염 또는 무기 화합물 단독으로서 또는 하나 이상의 추가적 도판트, 예컨대 O, Si, Mg, Zn, C 또는 H와 조합되어 첨가될 수도 있다.
한 실시양태에서, 바람직하지 못한 도판트(예컨대 산소)의 농도를 허용가능한 수준으로 유지시키기 위해, 원료(raw) 물질(소스 갈륨 나이트라이드, 광화제 및 용매) 및 캡슐에서의 불순물 수준은 적당하게 낮은 수준으로 제한되어 유지된다. 예컨대, 성장된 결정에서의 3x1018cm-3 미만의 산소 농도는 원료 물질 및 캡슐에서의 총 산소 함량을 최종 결정의 중량에 대해 약 15ppm 미만으로 유지시킴에 의해 성취될 수 있고, 3x1017cm-3 미만의 불순물 농도는 원료 물질 및 캡슐에서의 총 산소 함량을 약 1.5ppm 미만으로 유지시킴에 의해 성취될 수 있다.
도 1을 계속 참고하여, 소스 말단(34)은 일체형 충전관(42)을 포함하는 리드(lid)(40)에 의해 밀봉되어 버린다. 리드(40)가 용기(20)와 상이한 물질로 제조될 수도 있지만, 리드(40)는 예컨대 용기(20)에 적당하다고 지시된 물질들 중 하나와 같은 물질로 제조되는 것이 적당하다. 리드(40)와 용기(20) 사이의 기밀(airtight seal)은 파이프 스레드(thread) 밀봉, 금속-대-금속 압축 핏, 가스킷 밀봉에 의해, 또는 한 실시양태에서는 용접에 의해 실시된다.
갈륨 나이트라이드 시드(14)의 적재 이후, 임의적 배플(36)을 삽입하고, 소스 물질(30) 및 광화제(38)를 적재하고, 리드(40)를 소스 말단(34)에 고정시켜 기밀을 만들고, 캡슐이 적당한 질량 수송 매질(44), 예컨대 암모니아, 하이드라진, 메틸아민, 에틸렌다이아민, 멜라민, 또는 적당한 온도 및 압력 제어에 의해 초가열 유체 조건으로 가져올 수 있는 다른 질소 함유 유체로 배기 및 재충전되는(back-filled) 충전관(42)을 가스 매니폴드(미도시)에 연결시켰다. 재충전된 유체는 재충전 동안 응축 상태에 있는 것이 바람직하고, 캡슐(10)의 자유(free) 체적의 25% 내지 100%를 차지하는 것이 바람직하다. 한 바람직한 실시양태에서, 캡슐(10)의 자유 체적의 70% 내지 95%가 캡슐(10)의 냉각에 의해 유도되는 응축에 의해 또는 주입에 의해 암모니아로 재충전된다.
도 1은 재결정화 갈륨 나이트라이드 성장 공정(후술됨) 동안 한 시점에서의 캡슐(10)을 도시함을 주지한다. 그러므로, 갈륨 나이트라이드 보울(12)이 부분적으로 형성된 상태로 도 1에 도시되어 있고, 질량 수송 매질(44)이 초가열 유체 상태로 도시되어 있다. 초가열 유체 상태에서, 초가열 유체 수송 매질(44)은 실질적으로 캡슐(10)의 자유 체적 전체를 차지한다.
배출 및 재충전 이후, 캡슐(10)의 충전관(42)은 밸브 캡(46)에 의해 밀봉되어 버린다. 밸브 캡(46)의 사용보다는, 충전관(42)이 핀치(pinch) 제거되어 용접을 형성할 수 있거나, 또는 다른 적당한 밀봉법이 이용될 수 있다.
기술된 캡슐(10)은 단지 예시적이다. 다른 적당한 캡슐, 및 이런 캡슐의 충전 및 밀봉 방법이 데블린(D'Evelyn) 등의 미국 특허 출원 공보 제 2003/0141301 A1 호에 기술되어 있다.
도 1 및 도 2를 참고하여, 소스 물질(30)로부터 갈륨 나이트라이드 전구체 물질을 용해시키고, 상기 용해된 전구체 물질을 갈륨 나이트라이드 시드(14)로 질량 수송하고, 재결정화 말단(24)에서의 재결정화에 의해 갈륨 나이트라이드를 성장시키는 것이 캡슐(10)이 적재된 다중-히터 구역 압력 용기(50)에서 온도 및 압력의 제어된 인가에 의해 성취된다. 압력 용기(50)는 일반적으로 환형인 지지 밴드(52), 예컨대 그 내부에 염화 나트륨 염 또는 다른 실질적으로 열적 및 전기적 절연 물질로 된 일반적으로 환형인 라이너(54)가 배치된 하나 이상의 강화 강(steel) 밴드(53)에 의해 지지된 텅스텐 카바이드 다이를 포함한다.
일반적으로 실린더형인 히터관(56)은 일반적으로 환형인 라이너(54) 내부에 배치된다. 히터관(56)은 그라호일(GRAFOIL, 등록상표), 흑연 호일, 그래파이트, 니크롬 합금(예: 60% 니켈, 25% 철 및 15% 크롬), 니오븀, 티타늄, 탄탈, 스테인레스 강, 니켈, 크롬, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 하프늄, 백금, 규소 카바이드, 이들의 조합 등으로 제조되는 것이 적당하다. 환형 라이너(54) 및 실린더형 히터관(56)의 내부에 캡슐(10)이 배치되고, 염화 나트륨 염과 같은 압력 전송 매질(58)에 의해 둘러싸인다. 강 또는 다른 전기적 전도성 경질 물질의 말단캡(60, 62)은 압력 전송 매질(58) 및 캡슐(10)을 함유하는 실런더형 체적의 말단을 닫고, 히터관(56)의 말단과 전기적으로 접촉한다. 상부 및 하부 앤빌(anvil)(63, 64)은 일반적으로 환형인 지지 밴드(52) 및 환형 라이너(54)에 대해서 고정된 위치로 말단캡(60, 62)을 유지하여, 그 내부에 압력 전송 매질(58) 및 캡슐(10)이 배치된 실질적으로 고정된 체적을 한정한다.
일반적으로 디스크형인 전기적 전도성 환대(annulus)(66)는 말단캡(60, 62) 사이의 중간에 선택된 위치에 배치되고, 실린더형 히터관(56) 및 일반적으로 환형인 지지 밴드(52)와 전기적으로 접촉한다. 한 실시양태에서, 전도성 환대(66)는 히터관(56)에 적당한 것으로 지시된 물질들 중 하나로 형성된다. 그러나, 히터관(56) 및 전도성 환대(58)는 상이한 물질로 제조될 수 있다. 말단캡(60)은 일반적으로 환형인 절연성 부싱(70)에 의해 환형 지지 밴드(52)로부터 전기적으로 단리되는 반면, 말단캡(62)은 환형 절연성 부싱(72)에 의해 환형 지지 밴드(52)로부터 전기적으로 단리된다. 다른 전기적 절연성 물질이 사용될 수도 있지만, 환형 절연성 부싱(70, 72)은 피로파일라이트(pyrophyllite)로 제조되는 것이 적당하다.
환형 라이너(54)는 실질적으로 전기적 절연성이기 때문에, 실린더형 히터관(56)은 말단캡(60, 62)에 의해 그 말단에서 및 전도성 환대(58)를 통해 지지 밴드(52)에 의해 선택된 중간 위치에서 전기적으로 접촉된다는 것이 인식된다. 달리, 히터관(56)은 전기적으로 실질적으로 단리된다. 한 실시양태에서, 절연성 환형 디스크(73)는 일반적으로 환형인 지지 밴드(52)로부터 앤빌(63, 64)을 전기적으로 단리시킨다. 몰리브덴 호일, 그래파이트 등을 포함하는 열 절연성 및 전기적 전도성 디스크(74)는 각 환형 디스크(73)의 환대 내부에 배치되어, 상부 앤빌(63)과 상부 말단캡(60) 사이 및 바닥 앤빌(64)과 바닥 말단캡(62) 사이에 각각 전기적 접촉을 제공한다.
이와 같이 2-구역 노가 한정된다. 실시예에서, 제 1 히터 전류는 말단캡(60)과 전도성 환대(66) 사이에 위치된 히터관(56)의 제 1 부분을 통해 흐른다. 제 1 히터 전류는 말단캡(60)(앤빌(63)을 통해)과 지지 밴드(52) 사이에 인가된 제 1 전기 전원(76)에 의해 인가된다. 제 2 히터 전류는 전도성 환대(66)와 말단캡(62) 사이에 있는 히터관(56)의 제 2 부분을 통해 흐른다. 제 2 히터 전류는 지지 밴드(52)와 말단캡(62)(앤빌(64)을 통해) 사이에 인가된 제 2 전기 전원(78)에 의해 인가된다.
2-구역 노 제어기(80)는, 캡슐(10)의 재결정화 말단(24) 부근의 온도를 모니터링하는 제 1 온도 센서(82) 및 캡슐(10)의 소스 말단(34) 부근의 온도를 모니터링하는 제 2 온도 센서(84)로부터 온도 피드백을 수용한다. 온도 센서(82,84)는 열전쌍 센서, 서미스터, 광 피로미터에 연결된 광 섬유 등이 적당하다. 노 제어기(80)는, 갈륨 나이트라이드 시드(14)와 소스 물질(30) 사이의 선택된 열 구배가 생기게 하는 선택된 온도 값에서 캡슐(10)의 말단(24, 34)이 유지되도록 전기 전원(76, 78)을 제어한다.
한 실시양태에서, 2-구역 노 제어기(80)는 전기 전원(76, 78)을 제어하여, 약 550℃ 내지 1200℃로 캡슐(10)을 가열하는 히터관(56)에 전류를 인가한다. 앤빌(63, 64), 지지 밴드(52), 환형 라이너(54) 및 압력 용기(50)의 압력 전송 매질(58)이 협동하여, 캡슐(10)의 온도가 증가함에 따라, 캡슐(10)의 체적이 실질적으로 일정하게 남아 있도록 캡슐(10)의 실질적으로 고정된 체적을 한정하고, 가열에 반응하는 캡슐(10)의 자가-가압을 생성한다. 온도 증가 및 압력 증가의 조합은 질량 수송 매질(44)을 초가열 유체 상태로 구동시킨다. 초가열 유체 질량 수송 매질(44)은 액체에서 전형적인 바람직한 용매 특성을 가스에서 전형적인 신속한 대류성 질량 수송 특성과 유리하게 조합한다. 다른 실시양태에서, 초가열 유체(44)의 갈륨 나이트라이드 용해 특성은 광화제(38)에 의해 증진된다. 소스 물질(30)로부터 갈륨 나이트라이드 시드(14)로의 갈륨 나이트라이드 전구체의 질량 수송 또는 갈륨 나이트라이드 보울(12)의 성장은 광화제(38) 또는 그것의 성분과 갈륨 나이트라이드 전구체를 조합한 화학적 복합체의 형성에 의해 증진되는 것으로 여겨진다.
결정 성장 조건 하에 초가열 유체 용매(44)내로 용해된 광화제(38)의 농도에 따라서, 초가열 유체 용액은 초임계적 또는 차임계적(subcritical)일 수 있다. 예컨대, 암모니아는 132℃ 및 113bar의 임계 온도 및 압력을 각각 갖는다. NH4F에 대해 상응하는 양은 약 882℃ 및 1635bar인 NH4Cl에 대한 값과 유사하게 예상된다. 암모니아 중의 NH4F의 용액은 성분 NH4F 및 암모니아의 임계 온도 및 압력 사이의 중간에 있는 온도 및 압력에서 임계점을 가질 것으로 예상될 수 있다. 용액 중의 갈륨 함유 복합체의 존재는 초가열 유체의 상태 방정식 및 임계점을 추가로 변화시킬 것이다.
2-구역 노 제어기(80)는 캡슐(10)의 재결정화 말단(24) 및 소스 말단(34)에서의 온도를 제어하여, 그 사이에 선택된 온도 구배를 생성한다. 또한, 압력 용기(50)의 앤빌(63, 64) 및 지지 밴드(52)의 상대적 위치에 의해 한정되며, 캡슐(10)로 재충전된 질량 수송 매질(44)의 양(예컨대, 응축 상태에서 질량 수송 매질(44)에 의해 차지된 자유 체적의 퍼센트로서 측정됨)에 의해 추가로 한정되는 실질적으로 고정된 체적을 선택함에 의해, 승온에서의 캡슐(10) 내부의 압력이 선택될 수 있다. 캡슐(10) 내부의 압력은 앤빌(63, 64) 또는 유사한 수단의 운동을 모니터링하는 스트로크 게이지에 의한 앤빌(63, 64)의 압축력을 측정함에 의해 간접적으로 모니터링될 수 있다.
전술된 압력 용기(50)는 단지 예시일 뿐이다. 다른 적당한 실시양태 및 방법이 예컨대 데블린 등의 미국 특허 출원 공보 제 2003/0140845 A1 호에 기술되어 있다.
갈륨 나이트라이드 시드(14) 상에 갈륨 나이트라이드의 재결정화 성장을 실시하기 위해, 소스 말단(34) 및 재결정화 말단(24)은 캡슐(10)을 횡단하는 온도 구배를 일으키는 온도로 설정되어, 소스 물질(30)이 용해되고, 재결정화 말단(24)에서 성장된다. 따라서, 전구체 질량 수송은 소스 말단(34)으로부터 재결정화 말단(24)으로 일어나는데, 이는 갈륨 나이트라이드 보울(12)의 재결정화 결정 성장에 기여한다.
예비 단계에 의한 재결정화 결정 성장에 앞서 낮은 전위 밀도, 즉 104cm-2 미만의 전위 밀도, 한 실시양태에서는 103cm-2 미만의 전위 밀도, 다른 실시양태에서는 100cm-2 미만의 전위 밀도를 성취하는 것이 유용한 것으로 밝혀졌다. 예비 단계 동안, 갈륨 나이트라이드 시드(14) 상의 침착 속도는 후속 갈륨 나이트라이드 재결정화 성장 단계 동안 보다 낮다. 바람직한 실시양태에서, 예비 단계는, 재결정화 말단(24) 및 소스 말단(34)이 결정 성장 동안의 온도 구배에 반대되는 온도 구배를 생성하는 온도로 설정되는 에칭 단계를 포함한다. 이런 역 온도 구배는 갈륨 나이트라이드 시드(14)의 용해 또는 에칭을 일으킨다. 특정 작동 이론에 본 발명을 구속하는 것은 아니지만, 이런 에칭 단계는 보다 투명하고, 보다 무결함 제조 갈륨 나이트라이드 시드(14)의 표면을 생성하고, 이는 이후에 갈륨 나이트라이드 재결정화 동안 형성된 갈륨 나이트라이드 보울(12)의 보다 낮은 전위 밀도를 초래하는 것으로 여겨진다.
도 1 및 도 2와 관련하여, 한 실시양태에서, 예비 단계 동안, 2-구역 노 제어기(80)는 전기 전원(76, 78)을 제어하여, 도 1에 개략적으로 도시된 예비 온도 프로파일(100)을 생성하는데, 여기서 재결정화 말단(24)의 온도는 소스 말단(34)에 비해 낮아서, 온도 구배가 이들 사이에 존재한다. 도 2의 예시적 2-구역 히터 배열에서, 온도 프로파일(100)은 제 1 전기 전원(76)을 사용하여 비교적 많은 전력을 인가하고, 제 2 전기 전원(78)을 사용하여 비교적 적은 전력을 인가함에 의해 성취되는 것이 적당하다. 온도 프로파일(100)의 온도 구배는 암모늄 플루오라이드(NH4F) 광화제(38)의 존재 하에 갈륨 나이트라이드 시드(14)의 에칭을 실시하여 표면을 제조한다.
예비 단계가 완료된 이후, 노 제어기(80)는 전기 전원(76, 78)을 조정하여, 도 1에 또한 개략적으로 도시된 갈륨 나이트라이드 성장 온도 프로파일(102)을 생성하는데, 여기서 소스 말단(34)의 온도는 재결정화 말단(24)에 비해 낮아서, 에칭 온도 프로파일(100)과 비교 시에 나이트라이드 성장 온도 프로파일(102)에 대해 반대되는 온도 구배가 존재한다. 도 2의 예시적 2-구역 히터 배열에서, 온도 프로파일(102)은 제 1 전기 전원(76)을 사용하여 비교적 적은 전력을 인가하고, 제 2 전기 전원(78)을 사용하여 비교적 많은 전력을 인가함에 의해 성취되는 것이 적당하다. 온도 프로파일(102)의 온도 구배는 암모늄 플루오라이드(NH4F) 광화제(38)의 존재 하에 갈륨 나이트라이드 시드(14) 상의 재결정화 성장을 가져와서 갈륨 나이트라이드 보울(12)을 생성한다.
온도 프로파일(100, 102)의 열 구배 방향은 암모늄 플루오라이드(NH4F) 광화제에 적당하다. 임의의 특정 작동 이론에 본 발명을 구속함이 없이, 불소 함유 복합체가 초가열 유체 질량 수송 매질(44)에서의 갈륨 나이트라이드 전구체의 질량 수송을 제공하고, 이런 불소 함유 복합체는 보다 높은 온도에서 보다 효율적으로 분해되어, 재결정화 성장이 농도 구배의 고온 말단에서 증진되는 것으로 여겨진다. 복합체의 형성은 가역성이어서, 형성의 평형 상수는 온도에 따라 감소되어 자유 GaN의 형성은 고온에서 유리하고, GaN의 유효 용해도는 온도에 따라 감소된다. NH4F/NH3 화학물질을 사용한 결정 성장 실시의 종결 이후, 캡슐이 전형적으로 백색 침상(needle-shaped) 결정으로 충전되어 있는 것으로 발견된다. X-선 회절 분석에 의해 결정이 GaF3(NH3)2 및 (NH4)3GaF6(이들 구조는 문헌에 공지되어 있다)을 포함하는 것으로 나타난다.
이런 암모늄 클로라이드(NH4Cl)와 같은 일부 다른 광화제에서, 이런 효과는 역전된다. 전형적으로 재결정화 성장은 온도 구배의 보다 낮은 온도 말단에서 암모늄 클로라이드의 존재 하에 일어난다. 이런 화학물질에 대해, 온도 프로파일(100, 102)의 온도 구배는 적당하게 역전되거나 달리 조정된다.
도 2에 도시된 통합된 2-구역 노를 갖는 압력 용기(50)는 단지 예시일 뿐이다. 당업자는 특정 용도에 맞게 압력 용기(50)를 용이하게 변형시킬 수 있다. 예컨대, 전기적 전도성 환대(66)와 유사한 추가적 전기적 전도성 요소가 말단캡(60, 62) 사이에서 이격된 방식으로 배치되고, 전원(76, 78)에 유사한 추가 전기 전원이 3-구역 또는 그 이상의 구역의 노를 한정하도록 상기 말단캡에 커플링될 수 있다. 또한, 와이어 또는 다른 전기적 전도성 요소가 예시된 전기적 전도성 환대(66) 대신 대체될 수 있다. 다른 소소한 채용에 있어서, 통합된 2-구역 노를 갖는 예시적 압력 용기(50)는 벨트 장치, 피스톤-실린더 장치, 다-앤빌 장치, 분열-구(split sphere) 장치 또는 당업계에 공지된 다른 압력 용기 장치에 채용될 수 있다.
도 3 및 4와 관련하여 기술된 다른 변형에서, 실린더형 히터관(56')은 히터관(56')의 상부 말단 부근에, 즉, 히터관(56')의 상부 말단 부근의 온도 구배 구역 내에 배열된 캡슐(10)을 갖는다. 전기 전원(76')은 히터관(56')의 길이를 횡단하여, 예컨대 앤빌(63, 64)을 가로질러 전기 전원(76')을 인가함에 의해 인가된다. 따라서, 예컨대 온도 프로파일(100')은 히터관(56')의 상부 말단을 가열하는 제 2 전기 전원(78')을 사용하는 전력의 인가 없이 전기 전원(76')을 사용하는 전력의 인가에 의해 수득된다. 소스 말단(34)에서의 온도를 올려 온도 구배를 감소 또는 역전시키기 위해, 전력이 전기 전원(78')에 의해 인가되어 소스 말단(34)에 추가적 열을 제공하는 온도 프로파일 기여(96)를 생성한다. 온도 프로파일(102')은 온도 프로파일 기여(96, 100')의 합이다.
낮은 전위 밀도의 갈륨 나이트라이드를 수득하기 위해, 낮은 전위 밀도 시드 결정(14)을 사용하는 것이 바람직하다. 틸트 경계가 실질적으로 없는 약 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는 갈륨 나이트라이드 결정은 다음과 같은 초가열 유체-조절된 성장 방법을 이용하여, 틸트 경계를 갖고 약 105 내지 108cm-2의 전위 밀도를 갖는 시드 결정으로부터 성장될 수 있다.
도 5A 및 5B에 대하여, 용매 충전, 광화제 농도, 온도 및 온도 구배의 적당한 제어에 의해 시드 상에서의 성장은 c-방향(즉, c-축을 따라 (0001) 및 
) 및 c-방향에 수직 방향(예컨대 
및 
방향으로) 모두에서 일어날 수 있다. 도 5A 및 5B는 시드 S 상에서의 GaN 물질의 성장을 예시한다. 도 5A의 개략도에서 (0001) 및 
방향의 배향이 도시되어 있다. 도 5B는 도 5A에서 지시된 방향 L을 따라 시인된 것을 제외하고는, GaN의 성장을 갖는 동일한 결정을 개략적으로 보여주는 것이다. 도 5A에서, 전위 D는 점선으로 개략적으로 나타낸 반면, 틸트 경계 T는 실선으로 개략적으로 나타낸다. 틸트 경계와 관련된 추가적 전위는 간결함을 위해 생략되어 있다. 도 5B에서, (0001) 방향을 따라 우세하게 배향된 전위는 생략되어 있다.
c-방향으로 성장된 벌크 GaN에서의 전위 밀도는 상당히 감소된다. 예컨대, 약 107cm-2의 전위 밀도를 갖는 예시적 직사각형 시드 S로써 출발하여, c-배향된 시드 결정 S 위에서의 300 내지 800㎛ 두께 층의 성장은 (0001) 방향으로 시드 위의 영역에서 약 1 내지 3x106cm-2 전위를 갖는 벌크 GaN 물질을 생성한다. 그러나, c-배향된 시드 결정에 대해 측방향으로 성장된 예시적 벌크 GaN 영역 B는 104cm-2 보다 적은 전위, 바람직하게는 103cm-2 보다 적은 전위, 더욱 바람직하게는 100cm-2 보다 적은 전위를 갖는다. 전위가 우세하게 (0001) 배향되기 때문에, 이들은 실질적으로 측방향으로 성장된 물질로, 예컨대 벌크 GaN 영역 B로 전파되지 않는다.
유사하게, c-배향된 시드 결정 S에 존재하는 틸트 경계 T는 c 방향으로 성장 도중 전파되어, 상기 시드 S에서의 그레인 구조체와 유사한 상기 시드 S 위에서 성장된 벌크 GaN에서의 그레인 구조체를 생성한다. 또한, 틸트 경계는 측방향으로 성장된 벌크 GaN으로 외향으로 방사되어, 결정이 커짐에 따라서 틸트 경계가 없는 점진적으로 더 큰 벌크 GaN 영역에서의 도메인을 생성한다. 예컨대, GaN 영역 B는 틸트 경계가 없다. 틸트 경계의 위치는 당업계에 공지된 방법, 예컨대 X-선 회절, X-선 토포그래피, 음극선발광(cathodoluminescence) 또는 광학 반사에 의해 측정될 수 있고, 새로운 시드 결정은 전체적으로 틸트 경계가 없는 측방향으로 성장된 GaN 영역 B로부터 절단될 수 있다. 영역 B로부터 절단된 이런 새로운 시드 결정으로부터 성장된 벌크 GaN은 실질적으로 틸트 경계가 없고, 104cm-2 미만, 바람직하게는 103cm-2 미만, 보다 바람직하게는 100cm-2 미만의 전위 밀도를 가질 것이다.
암모늄 플루오라이드 광화제를 사용하여 실시된 하나의 초가열 유체-조절된 재결정화 갈륨 나이트라이드 성장 실시에서, 이전의 초가열 유체-조절된 재결정화 갈륨 나이트라이드 성장 실시로부터 수득된 25.3mg의 갈륨 나이트라이드 시드를 레이저-천공된 구멍을 통해 0.13mm 은 와이어에 의해 35% 개방 면적을 갖는 은 배플로부터 매달고, 0.5 인치 직경의 캡슐 용기의 재결정화 말단에 위치시켰다. 0.10g 양의 암모늄 플루오라이드(NH4F) 광화제 및 0.98g의 다결정 갈륨 나이트라이드 소스 물질을 캡슐의 소스 말단에 위치시켰다. 그 후, 0.583 인치 직경의 강 고리와 함께 충전제/밀봉 어셈블리 내에 캡슐을 넣었다. 캡슐 및 충전제/밀봉 어셈블리를 가스 매니폴드로 이동시키고, 1.07g의 암모니아로 충전시켰다. 다음, 플러그를 캡슐의 개방된 상부 말단으로 삽입하여, 은 캡슐과 은 플러그 사이에 냉 용접을 형성하고, 강 고리를 플러그에 감싸 강화시켰다. 그 후, 캡슐을 충전제/밀봉 어셈블리로부터 제거하고, 도 2의 압력 용기(50)와 기계적으로 유사하고, 도 3에 도시된 2-구역 노의 배치와 전기적으로 유사한 통합된 2-구역 노를 갖는 압력 용기에 삽입하였다.
유형 K 열전쌍으로 측정 시에 캡슐(10)의 재결정화 말단(24)의 온도가 약 700℃가 되고, 캡슐(10)의 소스 말단(34)의 온도가 약 648℃가 될 때까지, 약 11℃/분으로 1차 히터(76')를 사용하여 캡슐을 가열하였다. 그 후, 온도 구배 ΔT가 3℃로 감소될 때까지 히터(78')를 사용하여 소스 말단(34)을 통하는 전류를 증가시켰다. ΔT=3℃에서 1시간 동안 유지시킨 후에, ΔT가 약 30℃로 증가될 때까지 히터(78')에 의해 인가된 전력을 감소시킴에 의해 캡슐의 소스 말단의 온도를 5℃/시간으로 감소시킨 후, ΔT가 약 60℃로 증가될 때까지 2.5℃/시간으로 추가로 감소시키고, 온도를 20시간 동안 이 값에서 유지시켰다.
그 후, 셀을 냉각시키고, 압력 용기로부터 제거하였다. 암모니아의 배기 후 캡슐의 개방 시에, 갈륨 나이트라이드 시드는 40.2mg의 중량으로 성장되었다. 그 후, 30분간 50% HNO3에서 결정을 에칭시킴에 의해 전위 밀도의 에치 피트(etch pit) 밀도 측정이 실시되었다. 시드와 새롭게 측방향으로 성장된 물질 사이의 계면 위의 c-면(face) 상에서 에치 피트의 열(row)이 관찰되었다. 그러나, 새로 성장된 GaN의 나머지 면적은 에치 피트가 없었다. 새로 성장된 피트가 없는 GaN의 면적은 약 0.069cm2이었고, 이는 에치 피트 밀도가 (1/0.0169cm2) 또는 14cm-2 미만임을 나타낸다.
전술된 갈륨 나이트라이드 성장 실시는 단지 예시일뿐이다. 갈륨 나이트라이드 성장 실시의 다른 예가 데블린 등의 미국 특허 출원 제 10/329,981 호에 기술되어 있다. 예비 에칭 공정을 포함하고 에치 피트 밀도 측정에 의한 특징을 갖는 재결정화에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드는, 갈륨 나이트라이드 시드 위에 형성되고 갈륨 나이트라이드 시드의 c-축으로 정렬된 작은 면적을 제외하고는 전형적으로 에치 피트가 없다. 이런 에치 피트가 없는 면적은 전형적으로 50cm-2 미만의 전위 밀도에서의 상한에 상응한다. 유사하게, 낮은 전위 밀도 값은 전위 밀도의 음극선발광 특성을 이용하여 측정되어져 왔다.
약 1.5cm x 1.8cm 크기의 측방향 치수를 갖는 갈륨 나이트라이드 기판은 개시된 GaN 재결정화 성장법에 의해 제조되었고, 전술된 방법 및 장치는 보다 큰 크기로 용이하게 증가시킬 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 공명 공극 발광 장치 또는 이런 장치의 어레이를 제조하기에 충분히 큰, 25 내지 50mm의 최소 측방향 치수를 갖는 웨이퍼가 제조된다. 그러나, 보다 큰 웨이퍼도 고려된다.
바람직한 실시양태는 에치 예비 기간 이후의 재결정화 성장을 이용하지만, 또한, 보다 복잡한 예비 기간, 예컨대 에칭 및 성장 사이를 2회 이상 순환시켜 추가적 표면 개선 및 자발적으로 핵형성된 결정의 용해를 제공하는 것도 고려된다. 선택된 온도 및 압력 조건 하에, 예비 기간은 갈륨 나이트라이드 시드(14) 대신 사파이어 상에 침착된 얇은 갈륨 나이트라이드 필름을 적재시킴에 의해 갈륨 나이트라이드의 에칭이 변형되도록 설계될 수 있다. 얇은 갈륨 나이트라이드 필름이 전체적으로 에칭되어 버린 것으로 발견되어, 에칭이 일어났음을 입증한다. 또한 에칭 조건으로부터 재결정화 성장 조건으로의 점진적 전이는 낮은 전위 밀도를 생성함에 유용한 것으로 여겨진다. 임의의 특정 조작 이론에 본 발명을 구속함이 없이, 점진적 전이가 추가적 표면 스무싱(smoothing), 표면 단계 재구성 등을 제공하는 저속 초기 재결정화 성장 속도를 초래하는 것으로 여겨진다. 또한, 에칭 이후의 저속 성장 속도를 통한 점진적 전이를 포함하는 예비 기간이 사용되어 왔지만, 초기 에칭 기간 없는 저속 초기 재결정화 성장 속도를 포함하여 저속 성장 속도에 의해 제공된 표면 스무딩에 따라 GaN 결정 품질을 개선시키는 예비 기간을 이용하는 것도 고려된다.
특정 온도 설정점, 예비 공정 시간 간격 등을 특정하는 결정 성장 레서피는 전형적으로 장치-특이성을 가짐을 이해할 것이다. 예컨대, 제어에 사용된 온도 센서(82, 84)의 판독은 캡슐(10)의 재결정화 및 소스 말단(24, 34)에서의 실제 온도의 표시이지만, 전형적으로 정확하지는 않다. 센서(82, 84)의 판독과 캡슐(10)에서의 실제 온도 사이의 온도 차이는 캡슐(10)로부터 센서(82, 84)의 공간적 분리, 센서(82, 84)의 오교정, 피로메터 온도 센서의 경우의 방사율 오차 등에 의해 발생될 수 있다.
예시적 성장 실시에서, 예컨대 유형 K 열전쌍이 예비 단계 동안 소스 물질로부터 갈륨 나이트라이드 시드로 향하는 양성 온도 구배를 나타내지만, 예비 단계의 적어도 일부 동안 캡슐(10) 내에 역전된 온도 구배가 존재하였던 것으로 여겨진다. 다르게는 또는 조합하여, 예비 단계 동안 소스 물질로부터 갈륨 나이트라이드 시드로 향하는 적은 양성 온도 구배에 의해 생성된 저속 성장 속도에 의해 낮은 전위 밀도가 관찰된 것일 수 있다.
바람직하게는, 예비 온도 프로파일로부터 갈륨 나이트라이드 성장 온도 프로파일로의 전이는 소스 말단(34)의 온도가 점진적으로 증가되는 전술된 예시적 성장 실시와 같이 점진적으로 실시된다. 또한, 이런 온도 프로파일 변화 동안 도입된 상세한 온도 변화는 또한 전형적으로 장치-특이적이다. 당업자는 특정 장치 및 표적 갈륨 나이트라이드 특징에 대해 예시적 성장 실시를 용이하게 변형시킬 수 있다.
전형적으로 갈륨 나이트라이드 보울(12)은 상당한 수소 농도를 보인다. 예컨대, 초가열 유체-조절된 재결정화 성장 공정에 의해 형성된 갈륨 나이트라이드 단결정은 적외선 투과 분광법 및 라만 분광법에 의해 특성화된다. 다른 방법, 예컨대 하이드라이드 증기 상 에피택시에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드와는 대조적으로, 초가열 유체-조절된 재결정화 성장 공정에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드는 3050 내지 3300cm-1의 범위에서 날카로운 수개의 흡광 피크(3175cm-1 부근에서 최대 흡광)를 가졌다. 고순도 질소에서 30분간 750℃로 결정을 어닐링하고, 적외선 스펙트럼을 재측정하였다. 3050 내지 3300cm-1의 범위에서의 흡광 피크는 실질적으로 변화되지 않았는데, 이는 이들 종의 높은 안정성을 나타내는 것이다. 임의의 특정 조작 이론에 본 발명을 구속함이 없이, 3050 내지 3300cm-1의 범위에서 이런 흡광 피크는 갈륨 공좌와 착체된 수소와 관련되는 것으로 여겨진다. n-형 갈륨 나이트라이드에서, 갈륨 공좌는 공여체(donor)를 보상하는 깊은 삼중 수용체(acceptor)로서 작용한다. 수소는 갈륨 공좌에 결합하여, 1 내지 4의 주변 질소 원자 사이에 매달린 결합을 캐핑하여 N-H 결합을 형성하고, 이는 각각 VGaH1, VGaH2, VGaH3, VGaH4로 지칭된다. Ga 공좌와 관련된 N-H 결합(문헌[C. Van de Walle, Phys. Rev. B 56, R10020 (1997)])은 3100 내지 3500cm-1의 진동 주파수를 갖고 실질적으로 안정된 것으로 예측된다.
VGaH1 내지 VGaH4에 대한 3100 내지 3470cm-1의 진동 주파수의 예측(이는 실제 주파수를 약 200cm-1 정도 과산정할 수 있다) 및 수소-함침된 갈륨 나이트라이드에서의 3020 내지 3050cm-1 및 3140cm-1에서의 적외선 흡광 특성의 관찰에 기초하여(문헌[M. G. Weinstein et al., Appl. Phys. Lett. 72, 1703 (1998)]), 초가열 유체-조절된 재결정화 성장 갈륨 나이트라이드에서 관찰된 3150 내지 3200cm-1의 흡광 피크는 VGaH3 및 VGaH4에 상응하는 것으로 여겨진다. 초가열 유체-조절된 재결정화 성장 갈륨 나이트라이드 및 수소-함침된 갈륨 나이트라이드 모두에서 관찰된 3000 내지 3150cm-1의 흡광 피크는 VGaH1 및 VGaH2에 상응하는 것으로 여겨진다.
따라서, 초가열 유체-조절된 재결정화법에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드 결정에서의 3175cm-1 부근의 적외선 흡광 특성의 존재는 갈륨 공좌의 수소 패시베이션(passivation)을 의미하고, 고온 어닐링 시 적외선 특성의 존속은 이런 패시베이션이 비교적 안정하다는 것을 나타낸다. GaN 결정에서의 수소화된 갈륨 공좌의 농도에 따라서, 3175cm-1 피크의 단위 두께 당 흡광률은 약 0.01 내지 200cm-1의 범위일 것이다. 초가열 유체-조절된 재결정화 성장법에 의해 성장된 갈륨 나이트라이드 결정에서의 점 결함(point defect)의 패시베이션에 대한 추가적 증거는 라만 분광법에 의해 관찰되었다. 총 5개의 피크가 두 형상으로 400 내지 800cm-1에서 관찰되었다. 괄호 안의 지정물에 대한 피크는 530cm-1[A1(TO)], 558cm-1[E1(TO)], 569cm-1[E2(높음)], 734cm-1[A1(LO)] 및 742cm-1[E1(LO)]에서 관찰되었다. 이들 값은 문헌에 보고된 순수 갈륨 나이트라이드에 대한 허용된 값의 수 cm-1 내에 모두 있다. 포논-플라즈몬 커플링과 연관된 넓은 피크는 관찰되지 않았다. 비이동된 LO 모드의 관찰 및 포논-플라즈몬 모드의 부재는, 1016cm-3 내지 1020cm-3의 캐리어 농도를 갖는 갈륨 나이트라이드에 대한 문헌에 보고된 라만 측정법에 기초하여 1017cm-3 미만의 캐리어 농도를 의미한다. 이 결정에서의 총 불순물 농도는 1019cm-3 초과이었다. 불순물 농도에 대한 캐리어 농도에서의 급격한 감소는, 대부분 수소에 기인하는, 높은 정도의 보상을 의미한다.
가시 스펙트럼 내에서, 갈륨 나이트라이드 보울(12)은 실질적 투명성을 전형적으로 보인다. 공칭적으로 비도핑된 결정에 대한 흡광 계수는 465nm 내지 700nm에서 일반적으로 5cm-1 미만이다. 일부 자유 캐리어 흡광률이 높은 캐리어 농도에서 도입될 수 있지만, 도핑된 결정은 유사하게 낮은 흡광률을 보인다. 또한, 도판트, 치환적 또는 간극 불순물, 공좌 착체, 또는 다른 점 결함이 가시 범위 내에 좁은 피크의 보다 높은 흡광률을 도입할 수 있다. 이런 점 결함과 관련된 좁은 흡광 피크는 전형적이지만 조명의 후면 발광 또는 공명 공극 발광 장치에 의해 발생된 다른 유용한 광 생성과 같은 목적으로 가시 범위에서 결정의 실질적 투명도를 상당히 감소시키지는 않는다.
혼입된 수소는 양성(benign) 또는 가능하게는 심지어 유익한 것으로 여겨진다. 전형적인 갈륨 나이트라이드 결정 성장법은, 수소가 성장 시스템 내에 있는 경우에서도 수소화에 의해 갈륨 공좌의 패시베이션을 제공하지 않는다. 예컨대, 하이드라이드 증기 상 에피택시(HVPE)에 의해 성장된 300 내지 400㎛ 두께의 GaN 샘플에 대한 적외선 투과 분광법은 다른 결함과 관련된 2850 및 2915cm-1 부근에서의 약한 흡광 특성을 밝혔지만, 수소화된 Ga 공좌로 부여될 수 있는 3100 내지 3500cm-1의 흡광 특성은 HVPE 갈륨 나이트라이드 물질에서 전혀 관찰되지 않았다.
한 실시양태에서 NH4F, GaF3 또는 광화제로서의 Ga, GaN, NH3 및 HF의 반응에 의해 수득가능한 다른 화합물 중 하나 이상을 사용하여 갈륨 나이트라이드 보울(12)이 성장되는 경우, 전형적으로 갈륨 나이트라이드는 약 0.04 ppm 초과, 전형적으로는 약 0.04 내지 1ppm의 불소를 전형적으로 함유한다. 대조적으로, 불소-미함유 광화제로써 성장된 GaN 결정은 전형적으로 0.02ppm 미만의 불소를 함유한다. 혼입된 불소는 글로우 방전 질량 분광법, 2차 이온 질량 분광법, 융합-분해 후 유도적-커플링된 플라즈마 또는 불소-선택적-전극 분석법 등에 의해 정량되는 것이 적당하다. 혼입된 수소의 경우에서와 같이, 혼입된 불소는 양성 또는 가능하게는 심지어 유익한 것으로 여겨진다. 분자 또는 고체에서 불소에 대한 결합 길이는 전형적으로 수소에 대한 상응하는 결합보다 단지 약간 커, 불소가 패시베이션 결함과 유사한 역할을 할 수 있다.
도 6 및 6A와 관련하여, 한 실시양태에서, 초가열 유체-조절된 재결정화 성장 갈륨 나이트라이드 보울(12)은 슬라이싱되어(도 6에서 파선형 슬라이스 절단 라인(104)으로 지시됨) 예시적 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106)와 같은 복수의 갈륨 나이트라이드 웨이퍼를 제조한다. 한 실시양태에서, 각 웨이퍼(106)는 0.1cm 이상의 직경을 갖고, 다른 실시양태에서는, 2.5cm 내지 5.0cm의 직경을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 보다 큰 직경을 갖는다. 또한, 실질적으로 원형의 웨이퍼(106)가 도시되지만, 다른 모양의 웨이퍼도 또한 사용될 수 있다.
선택된 웨이퍼, 예컨대 웨이퍼(106)는 제 1 미러 서브-스택 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치로 제조되기에 적합화된 활성 영역을 포함하는 III족-나이트라이드 층의 스택의 에피택셜 성장에 사용된다. 반도체 장치 제조 가공법이 III족-나이트라이드 층의 스택에 적용되어 복수의 장치, 예컨대 도 6A에 도시된 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106) 상의 공명 공극 발광 장치(108)를 한정한다. 장치(108)들 사이에 연장되는 부분을 포함하는 갈륨 나이트라이드 기판 웨이퍼(106)는 틸트 경계 또는 틸트 경계와 관련된 에지 전위 어레이를 포함하지 않는다. 또한, 장치(108)의 반도체 층은 에피택셜하게 성장되고, 기판과 유사하고, 따라서 틸트 경계가 없으며, 기판(106)의 전위 밀도와 유사한 전위 밀도를 전형적으로 갖는다. 조명 제품에서, 장치(108)는 비교적 넓은 면적의 장치(예컨대 대략 수천 또는 수만 평방 미크론의 장치 면적에 상응하는 한 면이 0.05cm 이상인 장치)가 바람직하다.
한 실시양태에서, 갈륨 나이트라이드 보울(12)은 슬라이싱되어 III족-나이트라이드 층의 스택의 에피택셜 성장을 위한 선택된 결정 표면을 제공할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 에피택시 표면 배향은 (0001), (0001), (1100), (1120) 및 이들 배향에의 인접(vicinal) 배향으로 구성된 군에서 선택된다(여기서, 밑줄은 음의 값을 나타내는 것으로, 또한 윗줄을 사용한 통상적인 결정 배향 명명으로도 나타내진다). (0001) 및 (0001) 배향이 [0001] 결정 방향에 수직인 주(principal) 표면으로 슬라이싱된 웨이퍼의 반대 면 상에 활용가능함이 이해될 것이다. (0001) 표면 배향은 전형적으로 에피택셜 측방향 과성장 및 관련 기법에 의해 제공되지만, 이 표면은 III족-나이트라이드 층의 계면에 분극 필드를 초래할 수 있는 극성 표면이다. 대조적으로, (1100) 표면 및 (1120) 표면은 층 계면에서 분극 필드를 억제하는 비극성 표면이다. 인접 표면 배향, 즉 주 방향으로부터 수 도(a few degrees) 탈-배향된(off-oriented)에서의 성장은 일부 경우에 유리할 수 있다.
한 실시양태에서, 에피택셜 침착에 앞서, 갈륨 나이트라이드 기판 웨이퍼(106)를 미러 마무리가 되도록 기계적으로 연마한다. 연마 공정으로부터 남겨진 웨이퍼 상의 표면아래 손상은 화학 보조 이온 빔 에칭, 반응성 이온 에칭, 고밀도 이온 플라즈마 에칭, 습식 에칭, 화학-기계적 연마 등과 같은 하나 이상의 기술에 의해 제거될 수 있다. 나머지 손상은 임의적으로 0.1bar 내지 20kbar의 분압에서 암모니아를 함유하는 대기하에 700 내지 1500℃의 온도로 웨이퍼(106)를 가열함으로써 또한 제거된다.
III족-나이트라이드 층의 스택은 금속-유기 화학 증착(당해 분야에 유기금속 증기상 에피택시와 같은 유사한 명칭으로도 알려져 있음) 또는 분자 빔 에피택시와 같은 에피택셜 방법에 의해 적절히 침착된다. 광전자 소자용 III족-나이트라이드 물질은 전형적으로 2원 화합물 GaN, AlN, InN, 3원 화합물 InxGa1-xN, AlxGa1-xN, InxAl1-xN 및 4원 화합물 InxAlyGa1-x-yN을 포함하며, 여기서 지수 x 및 y는 0 내지 1의 범위이며, 4원 합금의 경우 (x+y)의 합은 0 내지 1의 범위이다. III족 원소인 붕소도 또한 III족-나이트라이드 층의 일부에 혼입될 수 있다. 질소 이외에 소량의 또 다른 V족 원소, 예를 들면, 인 또는 아르센을 혼입하는 것도 또한 고려된다.
한 실시양태에서, III족-나이트라이드 층의 스택을 성장시키기에 앞서, 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106)를 10-6mbar 내지 1bar의 분압에서 암모니아를 함유하는 대기하에 약 900 내지 1200℃로 가열함으로써 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106)를 반응기(금속-유기 화학 증착의 경우) 또는 성장 챔버(분자 빔 에피택시의 경우)에서 제조한다. 금속-유기 화학 증착에 바람직한 III족 전구체로는 트라이메틸갈륨, 트라이메틸알루미늄 및 트라이메틸인듐이 포함되나; 트라이에틸갈륨과 같은 다른 III족 전구체도 사용할 수 있다. 분자 빔 에피택시의 경우, 갈륨, 알루미늄 및 인듐 원소를 III족 소스로서 적절히 사용한다. 임의적으로, 가스-소스 분자 빔 에피택시 시스템에서는, 금속-유기 화학 증착과 유사하게 유기금속을 III족 소스로서 사용한다. 질소 소스로서는 암모니아를 사용하는 것이 바람직하지만, 하이드라진, 메틸하이드라진 화합물 등과 같은 다른 질소 소스도 사용할 수 있다. 분자 빔 에피택시의 경우, 질소 전구체의 해리를 촉진하기 위해 크래커(cracker)를 사용하거나, 또는 원자 질소 소스를 사용할 수 있다. 금속-유기 화학 증착용 도판트 소스로는, n-형 도핑의 경우 실레인, 다이실레인 등, 및 p-형 도핑의 경우 비스-(사이클로펜타다이에닐)마그네슘, 다이메틸아연 등이 포함된다. 원소 도판트를 분자 빔 에피택시에 사용할 수 있다.
수소는 III족-나이트라이드 물질에 통상적인 불순물이며, p-형 물질의 경우 수소-수용체 착체는 p-형 물질의 높은 저항을 야기할 수 있다. 한 실시양태에서, 수소-수용체 착체는 400℃ 초과의 온도에서 어닐링함으로써 해리되거나, 또는 수소 혼입은 실질적으로 수소-비함유 환경에서 에피택시를 수행함으로써 억제될 수 있다. 수소의 부재하에서, p-형 저항은 바람직하게는 약 105오옴-㎝ 미만이다.
III족-나이트라이드 층의 스택은 실질적으로 갈륨 나이트라이드 기판(106)에 매칭되는 격자이기 때문에, III족-나이트라이드 층은 전형적으로 갈륨 나이트라이드 기판(106)에 필적하는 전위 밀도를 가질 것이다. 한 실시양태에서, 갈륨 나이트라이드 기판(106)은 104㎝-2 미만의 전위 밀도를 가지며, 다른 실시양태에서는 103㎝-2 미만의 전위 밀도, 또 다른 실시양태에서는 100㎝-2 미만의 전위 밀도를 갖는다. 한 실시양태에서, III족-나이트라이드 층의 스택은 상응하게 104㎝-2 미만의 전위 밀도를 가지며, 다른 실시양태에서는 103㎝-2 미만, 또 다른 실시양태에서는 100㎝-2 미만의 전위 밀도를 갖는다. 소격자 미스매치로 인해 In 및/또는 Al을 함유하는 층에서, 또는 In- 및/또는 Al-함유 층으로부터의 전위의 전파로 인해 In 및/또는 Al을 함유하는 층의 상부에서 성장하는 층에서 좀 더 높은 전위가 발생할 수 있다. 또한, III족-나이트라이드 층의 스택은 기판의 에피택시 표면 배향에 상응하는 배향을 갖는 주 표면을 가지며, 상기 표면은 (0001), (0001), (1100) 및 (1120)으로 이루어진 군에서 적절히 선택된다.
도 7과 관련하여, 도 6A의 공명 공극 발광 장치(108) 중 하나를 보다 상세히 기술한다. 상기 예시적인 소자에서, 갈륨 나이트라이드 기판(106) 위에서 성장한 III족-나이트라이드 층의 스택(112)은 에피택셜 침착의 차례대로 다음을 포함한다: 임의적인 n＋GaN 층(114); n-형 AlInGaN 분포된 브래그 반사기(DBR)를 한정하는 제 1 미러 서브-스택(116); n-형 GaAlInN 클래딩층(118); GaAlInN 다중 양자 웰(well) 구조를 포함하는 활성 영역(120); p-형 GaAlInN 클래딩층(122); 전류 확산층(spreading layer)(124); 및 p-형 AlInGaN 분포된 브래그 반사기(DBR)를 한정하는 제 2 미러 서브-스택(126).
상부의 에피택셜 침착된 층 (120, 122, 124, 126)의 선택된 부분을, 임의적으로 n-GaAlInN 클래딩층(118) 두께의 일부분의 제거와 함께, 석판술로 제거하여 도 7에 도시된 바와 같이 제 2의 미러 서브-스택(126)의 일부를 포함하는 소자 메사(128)를 한정한다. 소자 메사(128)를 한정하기 위한 물질의 제거로 인해 스택(112)의 노출면으로부터 단결정 갈륨 나이트라이드 기판(106) 쪽으로 적어도 중도까지 연장되는 III족-나이트라이드 층의 스택(112)에 트렌치가 형성된다. 트렌치는 활성 영역(120)의 측방향으로 이격된 섬을 한정한다. 소자 메사(128)는 활성 영역(120)의 섬을 포함한다. 단결정 갈륨 나이트라이드 기판(106)은 실질적으로 틸트 경계가 없으므로, 소자 메사(128) 사이에 연장되는 단결정 갈륨 나이트라이드 기판(106) 부분은 저각 틸트 경계에서 전형적으로 형성되는 것과 같은 에지 전위 어레이를 실질적으로 포함하지 않는다.
전기 접점은 n-GaAlInN 클래딩층(118)을 함유하는 전면 n-형 전극(130)에 의해, 및 전류 확산층(124)과 접촉하는 전면 p-형 전극(132)에 의해 이루어진다. 절연 물질(134), 예를 들면, SiO2 또는 SiNx는 바람직하게는 전극(130)과 (132) 사이에 배치되어 전극(130), (132)의 향상된 전기적 단리를 제공하며 표면 패시베이션을 제공한다. 갈륨 나이트라이드 기판(106)이 도핑된 n-형인 경우, 전면 n-형 전극(130)은 기판(106)과 접촉하는 후면 n-형 전극(136)으로 대체될 수 있다. 표면 발광 레이저의 경우, 후면 전극(136)은 바람직하게는 반사성이며, 예를 들면, Ti/Al 금속 스택이다. 후면 발광을 이용하는 공명 곡극 발광 다이오드의 경우, 예를 들어, 실질적으로 투명한 인듐 주석 옥사이드 또는 금속의 광-투과성 박층을 포함하여 후면 전극(136)은 바람직하게는 실질적으로 광-투과성이다. 보다 바람직하게는, 후면 발광의 경우 전면 n-전극(130)을 사용한다.
공명 공극 발광 장치(108)의 바람직한 공정에 따라서 추가의 소자 제조 공정을 수행할 수 있다. 예를 들면, 수직 공극 표면 발광 레이저에서의 광학 공극을 측방향으로 한정하기 위해, 이온 주입법에 의해 이온 주입된 영역(138)을 적절히 형성한다. 원형 천공을 한정하기 위해, 예를 들면, 이온 주입 영역(138)은 레이저 천공을 한정하는 원을 형성한다. 유사하게, 직사각형 천공을 한정하기 위해, 이온 주입 영역(138)은 레이저 천공을 한정하는 직사각형을 형성한다.
III족-나이트라이드 층의 스택(112)의 다양한 층들의 두께 및 조성은 공정 및 다른 공정 특성의 목적하는 파장을 기준으로 선택된다. 예를 들면, 활성 영역(120)의 발광 파장은 양자 웰 및 장벽의 두께 및 조성과 같은 파라미터에 의해 결정된다. 340㎚ 발광의 경우, 2㎚ Al0.20In0.04Ga0.76N/7㎚ Al0.35In0.07Ga0.58N 양자 웰이 적합하다. 460㎚ 발광의 경우, 3㎚ In0.15Ga0.85N/6㎚ In0.05Ga0.95N 양자 웰이 적합하다. 소정의 파장에서 발광을 야기하기 위해 필요한 정확한 조성 및 층 두께는 AlInGaN 물질의 원자-층 배열의 세부사항에 따라 달라질 수 있다. 단일 GaAlInN 양자 웰 활성 영역을 사용하는 것도 또한 고려된다. 당해 분야에 숙련된 자라면 발광 파장에 영향을 미칠 수 있는 파라미터, 예를 들면, III족-나이트라이드 층의 띠간격, 전자 및 정공 유효 질량, 계면에서의 전도 및 원자가 밴드 옵셋 등에 대한 문헌상의 값을 이용하여 자외선 내지 청색 파장 범위(예를 들면, 약 250 내지 약 500㎚ 범위)에서의 발광을 위해 다른 양자 웰 구조를 선택할 수 있다.
활성 영역(120)은 비도핑된, p-형, n-형 또는 그의 조합일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 양자 웰은 비도핑되는 반면, 장벽 층은 비도핑되거나 도핑된 n-형이다. 보다 낮은 띠간격의 양자 웰 물질, 예를 들면, InN, InxGa1-xN 등은 전형적으로 GaN보다 낮은 온도에서 분해되므로, 이들 층은 바람직하게는 약 650 내지 1050℃의 온도에서 침착된다.
한 실시양태에서, 활성 영역(120)의 양자 웰 또는 웰들의 성장 조건을 3차원 또는 고립 성장을 촉진하도록 조정하여 평면상 양자 웰 층보다는 양자 도트를 생성한다. 금속-유기 화학 증착 에피택셜 기술에서, 2원 구성성분이 별도로 증착되도록, 인듐-함유 III족-나이트라이드 양자 도트는 성장 온도에 따라, 선택된 간격, 전형적으로는 1마이크로초 내지 1분마다 금속 전구체를 순환시켜 부분 원자 층 에피택시에 의해 성장될 수 있다. 또는, 온도, 압력 또는 기타 성장 파라미터를 고립화를 야기하는 조건하에서 증착시키기 위해 문헌에서 수득된 고체 용해도 정보를 기준으로 조정할 수 있다.
도 8과 관련하여, 인듐-함유 양자 도트를 생성하기 위한 한 접근방법이 기술된다. 도 8의 상단부에 도시되어 있듯이, In을 포획하기 위해 GaN을 먼저 증착시켜 InGaN 핵형성 부위의 배열된 층을 형성한다. 그 다음에 도 8의 중간부에 도시된 AlN 또는 AlGaN을 증착시킨다. AlN의 높은 전기음성도로 인해 물질이 필름 전체에 균일하게 교착되어, 도 8의 바닥 부분에 도시된 바와 같이, 인듐 함유 양자 도트를 캡슐화하고 유폐(confinement)시킨다. 바람직하게는, 양자 도트의 크기 분포는 단분산성이며, 양자 도트 직경의 표준 편차는 평균의 50% 미만, 보다 바람직하게는 평균의 20% 미만이다. 바람직하게, 인듐 함량과 같은 양자 도트의 조성은 대략 일정하다. 예를 들면, 인듐 함량의 표준 편차는 바람직하게는 0.05 미만, 보다 바람직하게는 0.02 미만이다. 다른 이점들 중에서, 양자 도트는 양자 웰 층에 대해 보다 용이하게 반전 분포되는 제로(zero) 차원 양자 유폐 시스템으로, 레이저 공정에 한계 전압의 감소를 야기한다.
도 7로 돌아가, 클래딩층(118, 122)는 바람직하게는 GaN 또는 AlGaN이며 활성 영역(120)의 물질보다 큰 띠간격을 가져 활성 영역(120)에서 캐리어 유폐를 촉진한다. 클래딩층은 전형적으로 금속-유기 화학 증착에 의해 약 650 내지 1150℃에서, 및 분자 빔 에피택시에 의해 약 600 내지 900℃에서 성장한다. 임의로, 클래딩층(118, 122)는 하나 이상의 인듐-함유층을 함유하는 다층 스택으로서 전기 전도도를 촉진한다.
임의적인 전류 확산층(124)은 큰 면적의 공명 공극 발광 장치(108)를 가로질러 전류의 측방향 분포를 촉진한다. 적합한 한 실시양태에서, 전류 확산층(124)은 인듐-함유 층을 포함하는 초격자이다. 또 다른 실시양태에서, 전류 확산층(124)은 p＋GaAlInN-대-n＋GaAlInN 터널 접합, 또는 터널 접합과 초격자의 조합을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 전류-확산층은 투명 또는 반투명 산화 금속 MOx를 포함하며, 이때 x는 0 이상 2 이하이고 금속 M은 인듐, 주석, 아연, 금, 은, 구리 및 니켈 중 하나 이상을 포함한다.
미러 서브-스택(116, 126) 및 그 사이의 간격은 선택된 발광 파장에서 공명 공극을 제공하기 위해 III족-나이트라이드 층의 광학 상수에 대한 문헌상의 값을 이용하여 용이하게 선택된다. 예를 들면, 405㎚ 파장에서, 미러 서브-스택(116 및 126)은 적절하게 각각 약 39㎚ 및 40㎚ 두께의 GaN 및 AlN의 교번 층을 포함한다. 16 주기(periods)를 갖는 상기 DBR은 405㎚에서 약 99.5%의 반사율을 갖는 것으로 평가된다. GaN과 AlN 사이에서 비교적 높은 격자 미스매치 변형을 감소시키기 위해, 인듐-함유 층을 혼입할 수 있다. 예를 들면, 30 주기의 In0.15Al0.70Ga0.15N/GaN DBR을 460㎚에서 98.6%로 평가된 반사율을 갖도록 설계할 수 있다.
당해 분야에 숙련된 자라면 특정 파장 및 반사율 특성에 대해 다른 DBR 구조를 용이하게 선택할 수 있다. 전형적으로 상이한 물질(예를 들면, GaN/AlN)로 달성된 높은 광학 상수 및 보다 유사한 조성의 합금(예를 들면, In0.15Al0.70Ga0.15N/GaN)을 이용하여 달성된 낮은 변형은 다양한 중간 조성에서 교환될 수 있다. 각 층의 굴절률-두께의 곱은 바람직하게는 고 반사율에 대한 1/4 파장에 상응한다. 또한, 가파른 층 계면을 이용하는 것 보다, 완만한 계면 또는 완만한 초격자를 사용하여 전기 저항을 감소시킬 수 있다. 미러 서브-스택(116), (126) 사이의 물질의 전체 굴절률-두께 곱은 발광 파장의 반-파장의 정수, 예를 들면, 반 파장 또는 단일 파장에 적절히 상응한다. 전형적으로, 미러 서브-스택(116), (126)은 금속-유기 화학 증착에 의한 성장을 위해 약 650 내지 1150℃, 및 분자 빔 에피택시에 의한 성장을 위해 약 600 내지 900℃의 온도에서 에피택셜 증착된다.
광이 갈륨 나이트라이드 기판(106)을 통해 수집되는 공명 공극 발광 다이오드로서 작용하기 위해, n-형 AlInGaN DBR을 한정하는 제 1 미러 서브-스택(116)에 약 0.4 내지 0.6의 반사율이 바람직하다. 그러나, 한 실시양태에서, 광이 에피택셜 표면으로부터(즉, p-형 DBR(126)을 통해) 수집되는 경우, n-DBR 제 1 미러 서브-스택(116)은 약 0.8 이상의 반사율을 갖는다. 수직 공극 표면 발광 레이저로 작용하기 위한 한 실시양태에서, n-DBR 제 1 미러 서브-스택(116)의 반사율은 0.95 내지 0.999, 보다 바람직하게는 0.99 내지 0.999이다.
수직 공극 표면 발광 레이저로 작용하기 위해, 이온 주입 영역(138)은 측방향 공극 유폐를 제공한다. 한 실시양태에 있어서, 이온 주입 영역(138)은 원형 천공에 대한 1 내지 8000㎛2의 천공 면적에 상응하는 1 내지 100㎛이며, 보다 바람직하게는 원형 천공에 대한 20 내지 315㎛2의 천공 면적에 상응하는 5 내지 20㎛이다. 공명 공극 발광 다이오드로서 작용하기 위해서, 측방향 유폐는 임의적이다. 10keV 내지 1MeV의 에너지 및 약 1012 내지 1014㎝-2의 플루언스(fluence)를 가지는, He＋, H＋, O＋, N＋, F＋, 금속 이온등과 같은 이온을 p-형 GaAlInN 클래딩층(122)에 주입하여 주입 영역(138)을 형성한다. 주입 조건은 바람직하게는 활성 영역(120) 내로의 이온의 실질적인 침투를 방지하도록 선택된다. 바람직하게는, 이온 주입은 전극(130, 132)의 증착 및 어닐링 후에 수행하여, 이온 주입에 의해 도입되는 격자 손상이 금속화 공정에 의해 제거되지 않는다.
이온 주입을 이용하여 광학 천공을 한정하기 보다, 선택적 측방향 산화를 이용할 수 있다. 상기 접근방법에서는, 알루미늄이 많은 III족-나이트라이드 층을 p-형 GaAlInN 클래딩층(122)에 혼입한다. 바람직하게, 알루미늄이 많은 III족-나이트라이드 층의 III족 함량은 75% 초과의 알루미늄이고, 상기 층은 바람직하게는 5 내지 50㎚의 두께를 갖는다. 메사 한정 후에, 알루미늄이 많은 III족-나이트라이드 층의 외경을 산소-함유 대기에서 가열하여 알루미늄이 많은 III족-나이트라이드 층의 외부 일부를 Al2O3로 전환시킴으로써 선택적으로 산화시킨다. 산화 공정의 온도 및 시간은 천공의 측방향 한계를 제어한다.
도 7에 도시된 공명 곡극 발광 장치(108)는 예시적인 것일 뿐이다. 당해 분야에 숙련된 자라면 특정 용도를 위해 장치(108)를 적합화시키기 위해 적절히 변형할 수 있을 것이다.
도 9와 관련하여, 공명 공극 발광 다이오드(150)에 적합한 상기 적합화 중 하나로서, p-형 AlInGaN DBR을 한정하는 제 2 미러 서브-스택(126)을 하나 이상의 은, 금, 알루미늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 크롬 등으로 제조된 반사 미러층(152)으로 대체한다. 미러층(152)을 열 증발, 전자 빔 증발 또는 또 다른 적당한 기술에 의해 전류 확산층(124) 위에(또는 전류 확산층(124)이 생략된 경우 p-형 GaAlInN 클래딩층(122) 위에 직접) 증착시킨다. 상기 실시양태에서, 바람직하게는 기판측 발광을 방해하지 않도록 전면 n-형 전극(130)을 사용한다. 또는, 전면 n-형 전극(130)은 후면 n-전극(136)으로 대체되며, 상기 후면 n-전극은 바람직하게는, 실질적으로 투명한 인듐 주석 옥사이드 또는 광-투과성 금속 박층을 포함하여, 실질적으로 광-투과성이다. 또한, 반사 미러층(152)은 바람직하게는 p-형 전극으로 작용하므로, 도 7의 공명 공극 발광 장치(108)의 p-형 전극은 도 9의 공명 공극 발광 다이오드(150)에서 배제된다.
도 10과 관련하여, 또 다른 공명 공극 발광 다이오드(160)가 기술되는데, 상기 다이오드는 반사 미러층(152)이 불연속 p-전극(162) 및 반사 미러층(164)을 포함한 2-성분 미러/p-전극으로 대체되는 것을 제외하고 도 9의 실시양태와 유사하다. 불연속 p-전극(162)은 전기 접점으로서 최적화되며, 예를 들면, 니켈/금 또는 백금/금 스택으로 제조될 수 있으며, 이때 니켈 또는 백금은 약 20 내지 200㎚의 두께이며 금은 약 100㎚ 내지 1㎛의 두께이다. 적합한 한 실시양태에서, 불연속 p-전극(162)은 측면상에 약 1㎛ 내지 0.1㎝의 그리드 개구부를 갖는 그리드 전극이다. 반사 미러층(164)은 은, 금, 알루미늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 크롬 등으로 적절히 제조되며, 전류 확산층(124) 위에(또는 전류 확산층(124)이 생략된 경우 p-형 GaAlInN 클래딩층(122) 위에 직접) 및 그리드 p-전극(162) 위에 증착된다. 바람직하게, 미러층(164)은 층간확산을 감소시키기 위해 불연속 p-전극(162)의 임의의 어닐링 가공 후에 증착된다. 임의적으로, 니켈, 로듐, 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈 또는 MCxNyOz(이때, M은 알루미늄, 붕소, 규소, 티타늄, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 란타늄 또는 희토류 금속과 같은 금속 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0 내지 3이다)와 같은 확산 장벽 층이 불연속 p-전극(162)과 미러층(164) 사이에 배치된다. 그리드 구조보다, p-전극(162)은 도트, 직사각형, 원 등의 배열로 정렬될 수 있다. p-전극 배열 요소들 간의 간격은 바람직하게는 약 1㎛ 내지 0.1㎝이다. 반사 금속 p-전극(152) 또는 반사 미러층(164)과 불연속 전극(162)의 조합을 사용하면 긴 거리에 걸쳐 p-도핑 층을 통한 측방향 캐리어 수송이 필요없이, 예를 들면, 50㎜ 이상의 큰 면적의 공명 공극 발광 다이오드 제조가 가능하다.
또한, 공명 공극 발광 다이오드(160)에서, 후면 n-전극(136)은 후면 발광용 천공 개구부를 포함하는 n-전극(136')으로 변형된다. 천공 개구부를 제공함으로써, n-전극(136')은 실질적으로 광-투과성 구조로 제한되지 않는다. 또 다른 선택으로, 후면 n-전극(136')은 전면 n-전극(130)으로 대체될 수 있다.
도 11과 관련하여, 특정 층 물질, 조성 및 두께를 가지면서 공명 공극 발광 다이오드 또는 수직 공극 표면 발광 레이저로 사용하기에 적합한 공명 공극 발광 장치(170)가 기술된다.
도 11의 장치(170)는 도 7의 장치(108)와 유사하지만, 갈륨 나이트라이드 기판(106)과 임의적인 n＋GaN 층(114) 사이에 배치된 임의적인 전류-확산 n＋AlInGaN/AlInGaN 초격자(172)를 갖는다. 이온 주입 영역(138')은 이온 주입 영역(138)에 상응하며, 임의적인 절연 물질(134)은 장치(170)에서는 생략되어 있다. p-형 제 2 미러 서브-스택(126)은 장치(170)에서 유전성 분포된 브래그 반사기(DBR) 스택(176)으로 대체된다.
훨씬 더 높은 굴절률 콘트라스트는 InAlGaN 서브-스택(126)과 비교하여 유전성 DBR 스택(176)을 사용하여 달성될 수 있다. 유전성 DBR 스택(176)의 유전 물질은 적절하게는 MOxNy(여기서, x 및 y는 각각 0 내지 2이고, M은 규소, 티타늄, 하프늄, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 또는 희토류 금속과 같은 금속 원소를 포함한다) 형태의 산화 금속이다. 각각의 MOxNy 층에 대한 굴절률-두께의 곱은 바람직하게는 방출광의 1/4 파장의 홀수 배수이며, 보다 바람직하게는 방출광의 1/4 파장이다. 산화 금속 필름은 열 증발, 전자 빔 증발, 스퍼터링 등에 의해 증착될 수 있다. 한 예로서, HfO2/SiO2의 15 주기 스택을 405㎚의 파장에서 0.9998의 반사율을 제공하도록 설계할 수 있다.
유전성 DBR 스택(176)을 사용하여 달성가능한 높은 반사율은 수직 공극 표면 발광 레이저에서 특히 유리하지만, 또한 공명 공극 발광 다이오드 장치에도 사용할 수 있다. 바람직한 수직 공극 표면 발광 레이저 또는 공명 공극 발광 다이오드 실시양태에서, 유전성 DBR 스택(176)으로 한정되는 p-미러는 일반적으로 약 20 내지 31,000㎛2의 장치 천공 면적에 상응하는 약 5 내지 약 200㎛의 직경을 갖는 원형이다. 바람직하게는, 유전성 DBR 스택(176)의 측방향 한계는 DBR 스택(176)의 증착 전에 석판술 마스킹에 의해 한정되며, 이로 인해 p-전극(132)이 마스크 제거후 장치의 상단 위에 증착된다.
한 실시양태에서, 광이 갈륨 나이트라이드 기판(106)을 통해 수집되는 경우, 기판은 하나 이상의 발광 원자 또는 색 중심, 예를 들면, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Hf, Pr, Eu, Er 또는 Tm 과 같은 전이금속 또는 희토류 금속 중 하나 이상으로 도핑된다. 또 다른 실시양태에서, 하나 이상의 발광 원자 또는 색 중심을 함유하는 GaN의 호모에피택셜 층을 갈륨 나이트라이드 기판 위에, n-DBR 아래, 공극 내에, p-DBR 위에, 또는 기판의 후면 위에 침착시킨다. 호모에피택셜 층은 당해 분야에 공지된 방법, 예를 들면, 분자 빔 에피택시 또는 금속-유기 화학 증착에 의해 증착시킨다. 도판트 또는 색 중심은 바람직하게는 1017㎝-3 이상의 농도로 존재하며, 300 내지 1000㎚의 하나 이상의 파장에서 발광을 방출하거나 생성한다. 상기 실시양태에서, 공명 공극 장치에 의해 발광된 광의 일부는 기판 중의 하나 이상의 발광 원자 또는 색 중심에 의해 흡수되어 전자 여기 상태를 야기한다. 여기 상태는 이어서 완화되어 상이한 색의 빛을 방출한다. 이러한 방식으로 공명 공극 장치는 별도의 인광체를 사용하지 않고 둘 이상의 상이한 파장의 광을 발광할 수 있다. 예를 들면, 적색-발광 GaN 결정은 Eu로 도핑하여 합성할 수 있다. 공명 공극 장치의 활성층에 의해 발광된 청색, 청-녹색 또는 녹색 광 및 기판에 의해 발광된 적색, 오렌지색, 황색 및/또는 녹색 광의 조합은 백색 광을 생성할 수 있다.
도 12와 관련하여, 기판(106')의 후면 위에 배치된 추가의 구조물을 제외하고 도 10의 공명 공극 발광 다이오드(160)와 유사한 공명 공극 발광 다이오드(180)가 기술된다. 또한, 기판(106')은 실질적으로 기판(106')이 임의적으로 발광 도판트로 도핑되는 것을 제외하고는 도 10의 기판(106)과 유사하다. 둘 이상의 파장의 광의 방향성 발광을 제공하기 위해 발광 기판(106')과 함께 또는 기판(106')의 후면 위에 배치된 발광층(182)과 함께 제 2의 공극을 사용한다. 발광 기판(106')은, 실질적으로 틸트 경계가 없고 약 104㎝-2 미만의 전위 밀도를 갖는, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Hf, Pr, Eu, Er 또는 Tm과 같은 전이 금속 또는 희토류 금속 중 하나 이상을 함유하는 갈륨 나이트라이드 기판이 적절하다. 또 다른 실시양태에서, 발광은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Hf, Pr, Eu, Er 또는 Tm과 같은 전이 금속 또는 희토류 금속 중 하나 이상으로 도핑된 GaN 에피택셜 층일 수 있는 발광층(182)에 의해 제공된다. 활성층에 의해 발광되는 주 파장 이외에 둘 이상의 파장에서의 발광은 둘 이상의 금속 원자 또는 색 중심으로 도핑하여 달성될 수 있다. 발광층(182)은 도 12에 도시된 바와 같이, 기판의 후면 위에 증착되거나, 또는 기판(106')과 n-DBR(116) 사이에, 제 1 공극 내에 또는 p-형 미러에 p-DBR을 사용하는 경우 p-DBR 위에 증착될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 발광은 적당한 결합 방법에 의해 갈륨 나이트라이드 기판의 후면에 웨이퍼-결합되는 제 2 기판(도시하지 않음)에 의해 제공된다. 상기 제 2 기판의 예로는 루비(Ti-도핑된 사파이어) 및 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷이 포함된다.
한 실시양태에서, 제 2 공극은 발광 기판(106') 또는 발광층(182)으로부터 하나 이상의 추가 파장의 광의 방향성 발광을 위해 제공된다. 제 2 미러(184)는 도 12에 도시된 바와 같이 기판 또는 발광층의 바닥면 위에 증착된다. 미러(182)는 분포된 브래그 반사기와 같이 파장-특이적일 수 있거나, 또는 부분적으로 은도금된 층과 같이 부분-반사 금속 박층에서와 같이 광대역일 수 있다. 광대역 제 2 미러를 사용하는 경우, 기판(106')과 활성층(120) 사이의 n-DBR(116)은 임의적으로 생략될 수 있다. 한 실시양태에서, 기판(106')에 대한 개선된 전기 접점은 불연속 n-전극(186) 및 반사 미러층(184)을 포함하는 2-성분 미러/n-전극을 이용하여 유리하게 달성된다. 불연속 n-전극(186)은 전기 접점으로서 최적화되며, 예를 들면, 티타늄/알루미늄, 티타늄/알루미늄/티타늄/금, 티타늄/알루미늄/니켈/금 또는 티타늄/알루미늄/백금/금 스택으로 제조될 수 있으며, 이때 스택 중 각 층의 두께는 약 10 내지 약 2000㎚의 두께이다. 첫 번째 Ti 층은 바람직하게는 10 내지 30㎚ 두께이고, Al 층은 50 내지 300㎚ 두께이며, 가장 바깥 층은 30 내지 2000㎚의 두께이다. 적합한 한 실시양태에서, 불연속 n-전극(186)은 측면상에 약 1㎛ 내지 0.5㎝의 그리드 개구부를 갖는 그리드 전극이다. 반사 미러층(184)은 은, 금, 알루미늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 크롬 등으로 적절히 제조되며, 발광 기판(106') 또는 발광층(182) 위에 및 그리드 n-전극(186) 위에 증착된다. 바람직하게, 미러층(184)은 층간확산을 감소하기 위해 불연속 n-전극(186)의 임의의 어닐링 가공 후에 증착된다. 임의적으로, 니켈, 로듐, 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈 또는 MCxNyOz(이때, M은 알루미늄, 붕소, 규소, 티타늄, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 란타늄 또는 희토류 금속과 같은 금속 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0 내지 3이다)와 같은 확산 장벽 층이 불연속 n-전극(186)과 미러층(184) 사이에 배치된다. 그리드 구조보다, 불연속 n-전극(186)은 도트, 직사각형, 원 등의 배열로 정렬될 수 있다. n-전극 배열 요소들 간의 간격은 바람직하게는 약 1㎛ 내지 0.5㎝이다. 장치 상에 효율적인 발광을 촉진하기 위해, 한 실시양태에서, 기판(106') 및 발광층(182)의 전면 및 후면을 사용하며 대략 0.1λ미만으로, 이때 λ는 제 2 공극에서 공명하는 광의 최소 파장이다. 또 다른 실시양태에서, 공극 및/또는 발광층(182)의 두께는 최적 두께가 반-파장의 정수가 되도록 선택한다. 둘 이상의 상이한 파장이 공극에 의해 유폐되는 경우, 파장 및 두께는 최적 두께가 각 파장의 절반의 정수이도록 선택한다. 도 12에서와 같이 한정된 공극에 있어서, 제 2 파장 또는 파장들에 대한 공극은 또한 활성층에 의해 발광된 1차 광을 위한 공극을 포함한다. 그러므로, 제 1 공극의 최적 통로 길이는 제 2 공극의 최적 통로 길이를 고려하여야 하지만, 제 2 파장은 제 1 공극에 대해(n-DBR을 통해) 이탈-공명일 것이므로 달리 대부분의 복잡한 문제는 야기되지 않을 것이다. 도 12에서, 제 1 공극은 p-미러(164) 및 n-DBR(116)에 의해 한정되지만, 제 2 공극은 p-미러(164) 및 부분 반사 미러층(184)에 의해 한정된다. 따라서, 제 1 및 제 2 공극은 2개의 금속 미러 및 하나의 DBR에 의해 한정된다. 다양한 다른 예기되는 실시양태에서, 1 내지 3개의 AlInGaN DBR, 0 내지 2개의 혼합-옥사이드 DBR 및 0 내지 2개의 금속 또는 부분-금속 미러의 다양한 조합을 사용하여 제 1 광학 공극 및 임의적으로 제 2 광학 공극을 한정하며, 광은 기판을 통해 또는 상부 미러를 통해 발광될 수 있다.
예시적인 공명 공극 발광 장치(108, 150, 160, 170, 180)는 n 상의 p 구조를 갖는다; 즉, n-형 물질이 갈륨 나이트라이드 기판(106, 106')에 인접하여 있는 반면, p-형 물질은 갈륨 나이트라이드 기판(106, 106')으로부터 원위에 있다. 후면 전기 접점의 경우, 갈륨 나이트라이드 기판은 규소 또는 산소 전구체와 같이 캡슐(10) 중에 적합한 도판트 소스를 포함함으로써 전도성의 도핑된 n-형이다. 도핑은 바람직하게는 10오옴-㎝ 미만, 보다 바람직하게는 1오옴-㎝ 미만의 기판 저항을 야기한다. 전면 접점을 이용하는 장치에 있어, 갈륨 나이트라이드 기판은 n-형이거나, 비도핑되거나, p-형일 수 있으나, 바람직하게는 약 10오옴-㎝ 미만의 전기 저항을 갖는 n-형이다. p 상의 n 구조를 갖는 장치도 또한 고려된다. p 상의 n 구조 장치에 있어, 갈라듐 나이트라이드 기판은 p-형일 수 있으며, InAlGaN 층(112) 및 전기 접점(130), (132) 및 (136)의 극성이 역전될 수 있다.
공명 공극 발광 장치(108, 150, 160, 170, 180)는 예시적일 뿐이다. 당해 분야에 숙련된 자라면 특정한 전기적, 광학적 또는 구조적 특징들을 나타내기 위해 추가 또는 상이한 층을 포함시키거나, 특정 장치 용도에 제한된 값을 갖는 층을 제거하는 등에 의해 상기 예시적 장치를 용이하게 변형할 수 있다. 균일한 III족-나이트라이드 층이 도시되어 있지만, 예를 들면, 수직 전류 흐름을 개선하기 위해, 공명 공극 발광 장치 구조에 경사가 완화된 층을 혼입하는 것도 또한 고려된다.
공명 공극 발광 장치(108, 150, 160, 170, 180) 또는 유사한 장치들은 실질적으로 틸트 경계를 갖지 않는, 낮은 전위 밀도의 갈륨 나이트라이드 기판(106, 106')을 포함하거나 또는 그 위에 제조된다. 이들 장치는, 104㎝-2을 초과하는 전위 밀도를 갖는 고 전위 밀도 갈륨 나이트라이드 기판, 고밀도의 틸트 경계를 갖는 에피택셜 측방향 과성장 갈륨 나이트라이드 기판, 또는 사파이어 또는 규소 카바이드 기판과 같은 상이한(즉, 비-갈륨 나이트라이드) 기판과 같은 다른 기판들을 포함하거나 그 위에 제조된 유사한 장치들에 비해 실질적인 이점을 갖는다. 틸트 경계의 존재 또는 상이한 기판으로부터 비롯되는 잔류 응력 또는 변형은 레이저 다이오드 또는 고전력 공명 공극 발광 다이오드의 저하를 가속화할 수 있다. 유사하게, 전위는 전형적으로 공명 공극 발광 장치의 수명을 감소시킨다.
공명 공극 장치에서의 비교적 두꺼운 에피택셜 DBR 층은 상당한 변형을 일으키고 크랙을 야기할 수 있으며, 이것은 틸트 경계 또는 전위에서 핵을 형성할 수 있다. 제로 격자- 및 열-팽창 미스매치 및 대단히 낮은 전위 밀도를 갖는, 변형- 및 틸트 경계가 없는 GaN 기판을 사용하면 크랙 형성 가능성이 최소화될 것이다. 본원에 기술된 초가열 유체-조절된 재결정화 공정에 의해 제조된 기판은 전형적인 발광 다이오드 및 에지 발광 레이저 다이오드에 비해 두꺼운 에피택셜 층 스택을 갖는 공명 공극 발광 장치에 특히 유리하다.
본원에 기술된 공명 공극 발광 장치는 광이 장치의 전면으로부터 추출되는 통상적인 방식으로 설치될 수 있다. 또는, 갈륨 나이트라이드 기판의 실질적인 투명성은 광이 공명 공극 발광 장치의 후면으로부터 추출되는 플립-칩 배열로의 작용을 지지한다. 전면 p-형 및 n-형 접점의 플립-칩 결합을 이용하여 상기 장치가 설치될 수 있으므로, 와이어 결합 등을 배제할 수 있다. 또는, 공명 공극 발광 장치는 단일 전면 접점을 이용하여 플립-칩 결합될 수 있으며, 후면 접점은 전도성 기판에 와이어 결합 등에 의해 형성된다.
도 13과 관련하여, 에지 발광 레이저 다이오드의 수명에 대한 전위 밀도의 영향이 예시된다. 장치 수명은 전위 밀도 증가에 따라 신속히 감소되는 것으로 보인다. 특히 유사한 전류 밀도에서 작동될 때 공명 공극 발광 다이오드 및 수직 공극 표면 발광 레이저의 유사한 양태가 예상된다. 전위에 의한 장치 수명의 저하는 활성층 내로의 전위-증대된 불순물 확산으로부터, 새로운 전위의 용이한 생성 등으로부터 야기될 수 있다. 전위는 또한 발광 효율을 저하시키는 비-방사성 재결합 중심, 전기 분류 통로 등으로 작용할 수 있다. 심지어 III족-나이트라이드계 공명 공극 발광 장치 내에 단일 전위의 존재는 그 성능 및/또는 수명을 저하시킬 수 있다.
도 6A로 돌아가, 한 바람직한 실시양태에서, 단결정 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106) 위에 제조된 개개의 장치(108)는 갈륨 나이트라이드 웨이퍼(106)를 다이싱함으로써 분리되며, 개개의 장치 다이는 보조-설치대에 다이-결합되고 에폭시 캡슐화되거나, 또는 그렇지 않으면 별개의 발광 장치로서 포장된다. 백색 광원의 경우, 장치(108)는 바람직하게는 인광체-함유 에폭시로 코팅되거나 그렇지 않으면 백색 광 생성 인광체와 광학적으로 연결된다.
도 14와 관련하여, 또 다른 바람직한 실시양태로, 갈륨 나이트라이드 기판(106) 또는 공명 공극 발광 장치(108)의 선택된 배열을 함유하는 그의 일부분을 발광 배열 구성요소(200)로 이용한다. 상기 실시양태에서, 장치(108)는 바람직하게는 후면 발광을 위해 구성되며 전면 전기 접점을 사용한다. 전기 접점은 상응하는 p-전극(132)과 합치되는 개별적으로 번지지정가능한 p-접점(204)을 갖는 프로빙(probing) 카드(202)를 이용하여 적절히 제조되며, 이것은 예를 들면, 도 9 및 10의 장치(150, 160)에 도시된 바와 같이 p-형 미러 위로 연장될 수 있다. 프로빙 카드(202)는 화살표(206)로 나타내었듯이 갈륨 나이트라이드 기판(106)의 전면(즉, 장치(108)가 배치되는 면) 위에 배치된다. 공명 공극 발광 장치의 배열은, 도 9 및 10의 장치(150, 160)에서 보이듯이, 그리드 형태로 공통 n-접점(130)을 공유한다. 임의적으로, 광학 커플링 요소(210)는 갈륨 나이트라이드 기판(106)의 후면 위에 배치된다. 광학 커플링 요소(210)는 에폭시 필름 또는 다른 지수-매치 필름, 지수-매치 광-투과성 커버 등일 수 있다. 예시된 연속 광학 커플링 요소(210)보다, 장치(108)에 상응하는 개별적인 렌즈 요소들을 기판(106)의 후면 위에 배열할 수 있다. 광은 화살표(212)에 의해 도식적으로 나타낸 바와 같이, 갈륨 나이트라이드 기판(106)의 후면으로부터 추출된다.
이상 본 발명을 바람직한 실시양태와 관련하여 기술하였다. 명백하게, 상기 상세한 설명을 파악하고 이해할 때 다른 변형 및 변화가 이루어질 것이다. 본 발명은 이러한 변형 및 변화가 첨부한 청구의 범위 또는 그 등가물의 범주에 속하는 한 상기 변형 및 변화를 모두 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (32)
- 다구역 노에 배치된 용기 내의 질소 함유 초가열(superheated) 유체에 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스(source) 물질을 배열시키되, 상기 질소 함유 초가열 유체가 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질 사이에 갈륨 나이트라이드 전구체의 질량 수송을 위한 매질을 제공하고, 상기 시드 갈륨 나이트라이드 결정이 105cm-2 미만의 전위(dislocation) 밀도를 갖고 틸트 경계가 없는 단계;시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질이 질소 함유 초가열 유체에 배열되는 동안, 시드 갈륨 나이트라이드 결정과 소스 물질 사이에 제 1 열적 프로파일을 적용시키는 것을 포함하되, 제 1 열적 프로파일이 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질 사이의 제 1 온도 구배를 포함하는, 시드 갈륨 나이트라이드 결정의 표면을 제조하는 단계;시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질이 질소 함유 초가열 유체에 배열되는 동안, 시드 갈륨 나이트라이드 결정 및 소스 물질 사이에 제 1 온도 구배와 상이한 제 2 온도 구배를 갖는 제 2 열적 프로파일을 적용하는 것을 포함하는, 제조된 시드 갈륨 나이트라이드 결정의 표면 상에 갈륨 나이트라이드 물질을 성장시켜 단결정 갈륨 나이트라이드 기판을 생성하는 단계; 및단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에, 제 1 미러(mirror) 서브-스택 및 하나 이상의 공명 공극 발광 장치의 제조용 활성 영역을 포함하는 III족-나이트라이드 층의 스택을 침착시키는 단계를 포함하는공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,시드 갈륨 나이트라이드 결정의 표면을 제조하는 단계는 시드 갈륨 나이트라이드 결정을 에칭시키는 것을 포함하는, 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 III족-나이트라이드 층의 스택을 침착시키는 단계가 금속-유기 화학 증기 침착 및 분자 빔 에피택시 중 하나에 의해 III족-나이트라이드 층의 스택을 침착시키는 것을 포함하는 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택을 가공하여 단결정 갈륨 나이트라이드 기판에 고정되는 복수의 발광 장치를 한정하는 단계를 추가로 포함하되,상기 복수의 발광 장치가 복수의 공명 공극 발광 다이오드 및 복수의 수직 공극 표면 발광 레이저로 구성된 군에서 선택되는, 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,질소 함유 초가열 유체에 광화제(mineralizer) 및 발광 도판트 중 하나 이상을 배열시키는 단계를 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,질소 함유 초가열 유체에 암모늄 플루오라이드 및 암모늄 클로라이드 광화제 중 하나 이상을 배열시키는 단계를 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,질소 함유 초가열 유체 및 갈륨 나이트라이드 소스 물질 중 하나에 전이 금속 및 희토류 금속 중 하나 이상을 포함하는 발광 도판트를 배열시키는 단계를 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,스택의 침착 단계 다음에, 복수의 공명 공극 발광 장치를 그 위에 형성하는 단계를 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,스택의 침착 단계 이전에, 단결정 갈륨 나이트라이드 기판을 복수의 일반적으로 평탄한 웨이퍼로 슬라이싱하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 스택의 침착 단계가 일반적으로 평탄한 웨이퍼들 중 하나 이상에 스택을 침착시키는 단계를 포함하는, 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,슬라이싱이 복수의 일반적으로 평탄한 (0001) 배향된 웨이퍼, 일반적으로 평탄한 (0001) 배향된 웨이퍼, 일반적으로 평탄한 (1100) 배향된 웨이퍼, 일반적으로 평탄한 (1120) 배향된 웨이퍼, 인접(vicinal) 배향을 갖는 웨이퍼 또는 이들의 혼합물을 생산하는, 공명 공극 발광 장치의 제조방법.
- 틸트 경계가 없고, 104cm-2 미만의 전위(dislocation) 밀도를 가지며, 분포된 브래그 반사기를 한정하는 제 1 미러 서브-스택 및 활성 영역을 포함하고, 0.1cm 초과의 측방향 치수를 갖는, III족-나이트라이드 층의 스택; 및제 1 미러 서브-스택과 협동하여 활성 영역이 그 내부에 배치된 공명 공극을 한정하는 미러를 포함하는공명 공극 발광 장치.
- 삭제
- 제 12 항에 있어서,미러가, 제 1 미러 서브-스택으로부터 떨어진 III족-나이트라이드 층의 스택의 표면 위에 배치된 하나 이상의 층의 반사 스택을 포함하는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 14 항에 있어서,반사 스택이 반사 금속 층을 포함하는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,제 1 미러 서브-스택으로부터 떨어진 III족-나이트라이드 층의 스택의 표면 상에 배치되며, III족-나이트라이드 층의 스택과 전기적 접촉을 하는 불연속 전극을 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,미러가, 분포된 브래그 반사기를 한정하는 III족-나이트라이드 층의 제 2 미러 서브-스택을 포함하는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택이 103cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택이 100cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택이 그 내부에 형성된 트렌치를 포함하되, 각 트렌치가 적어도 활성 영역을 통해 연장되어 측방향으로 이격된 활성 영역의 섬(island)을 한정하고, III족-나이트라이드 층의 스택의 일부가 에지 전위 어레이가 없는 측방향으로 이격된 활성 영역의 섬들의 사이로 연장된, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택이 (0001), (0001), (1100), (1120) 및 인접 배향에서 선택된 표면 배향을 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택의 활성 영역이 인듐 함유 양자 도트의 영역을 포함하는 공명 공극 발광 장치.
- 제 12 항에 있어서,III족-나이트라이드 층의 스택이 배치되고, 틸트 경계가 없으며 104cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는 단결정 갈륨 나이트라이드 기판을 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치.
- 제 23 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판이 465nm 내지 700nm의 스펙트럼 범위에 걸쳐 일반적으로 5cm-1 미만의 흡광 계수를 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 23 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판이 전기적으로 전도성인, 공명 공극 발광 장치.
- 제 23 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판이 10오옴-cm 미만의 저항을 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 23 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 또는 내에 배치된, 300nm 내지 1000nm(포함)의 범위의 파장의 발광 광을 생성하는 발광 물질 또는 도판트를 추가로 포함하되, 상기 발광 광이 활성 영역에 의해 생성된 광과 스펙트럼적으로 상이한, 공명 공극 발광 장치.
- 제 23 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 또는 내에 배치된, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co 또는 희토류 금속 중 하나 이상을 포함하는 발광 물질 또는 도판트를 추가로 포함하는 공명 공극 발광 장치.
- 제 17 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,제 1 및 제 2 미러 중 하나와 협동하여 제 2 공명 공극을 한정하는 제 3 미러를 추가로 포함하되, 발광 광이 제 2 공명 공극에서 공명하는, 공명 공극 발광 장치.
- 0.01cm-1 초과 내지 200cm-1 이하의 단위 두께 당 흡광률을 갖는 3175cm-1에서의 특성 흡광 피크를 갖는 단결정 갈륨 나이트라이드 기판;단결정 갈륨 나이트라이드 기판 상에 배치되며, 제 1 미러 서브-스택 및 활성 영역을 포함하는 III족-나이트라이드 층의 스택; 및제 1 미러 서브-스택과 협동하여 활성 영역이 그 내부에 배치된 공명 공극을 한정하는 미러를 포함하는,공명 공극 발광 장치.
- 제 30 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판이 0.04ppm 초과 내지 1ppm 이하의 불소 농도를 갖는, 공명 공극 발광 장치.
- 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,단결정 갈륨 나이트라이드 기판이 틸트 경계가 없고, 100cm-2 미만의 전위 밀도를 갖는, 공명 공극 발광 장치.
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