KR101515058B1 - 미스컷 기판들 상에 성장된 평면 비극성 ｍ-면 Ⅲ 족 질화물 막들 - Google Patents

미스컷 기판들 상에 성장된 평면 비극성 ｍ-면 Ⅲ 족 질화물 막들 Download PDF

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마코토 사이토
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스티븐 피 덴바스
슈지 나카무라
제임스 에스 스펙
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
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Abstract

기판의 미스컷 각 상에 성장된 비극성 III-질화물 막이, 표면 파동들을 억제하기 위하여, 제공된다. 상기 막의 표면 모폴로지는 a-축 방향을 향한 0.15°이상의 미스컷 각 및 a-축 방향을 향한 30°미만의 미스컷 각을 포함하는 a-축 방향을 향한 미스컷 각을 가지고 개선된다.
기판, 미스컷, 모폴로지, a-축, 표면 파동

Description

미스컷 기판들 상에 성장된 평면 비극성 ｍ-면 Ⅲ 족 질화물 막들{Planar nonpolar m-plane group III nitride films grown on miscut substrates}
본 발명은 비극성 m-면의 평면 막들의 성장을 위한 기술에 관한 것이며, 더욱 특별하게는, 임의의 표면 파동(undulation) 없이 원자적으로 평탄한 m-GaN 막의 성장을 위한 기술에 관한 것이다.
갈륨 질화물(GaN) 및 알루미늄 및 인듐을 포함하는 그의 삼원 및 사원 화합물들(AlGaN, InGaN, AlInGaN)의 유용성은 가시적이고 자외선 광전자 소자들 및 고전력 전자 소자들의 제조를 위해 잘 확립되어 있다. 이러한 화합물들은 여기에서 III족 질화물들, 또는 III-질화물들, 또는 단지 질화물들로서 언급되거나, (Al,B,Ga,In)N 의 명명법에 의해 언급된다. 이러한 화합물들로부터 형성된 소자들은 일반적으로 분자 빔 에피택시(MBE), 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD), 및 하이브리드 기상 에피택시(HVPE)를 포함하는 성장 기술들을 사용하여 에피택셜하게 성장된다.
GaN 및 그 합금들은 육각형 섬유아연석(wurtzite) 결정 구조에서 가장 안정하며, 여기에서 각각(a-축)에 대하여 120° 회전된 두 개의(또는 세 개의) 등가 기준면 축들에 의해 상기 구조가 설명되며, 여기에서 모든 축들은 유일한 c-축에 대 하여 수직이다. III 족 및 질소 원자들은 결정의 c-축을 따라 교호하는 c-평면들을 점유한다. 섬유아연석 구조 내에 포함되는 대칭 요소들은 III-질화물들이 이러한 c-축을 따라 벌크의 자발적인 분극을 가지며, 그리고 섬유아연석 구조가 압전 분극을 나타내는 것에 영향을 미친다.
전자 및 광전자 소자들을 위한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라 성장되는 질화물 막들을 사용한다. 그러나, III-질화물계 광전자 및 전자 소자들 내의 통상적인 c-면 양자 우물 구조체는, 강한 압전 및 자발적인 분극들에 기인하여, 원하지 않는 양자 속박 효과(quantum-confined Stark effect (QCSE))를 받게 된다. c-방향을 따른 강한 빌트-인 전기장들은 제한된 캐리어 재결합 효율, 감소된 진동자 강도, 및 적색 편이된 방출을 차례로 일으키는 전자들 및 홀들의 공간적인 분리를 유발한다.
GaN 광전자 소자들에서 자발적인 압전 분극 효과들을 제거하기 위한 하나의 방법은 결정의 비극성 평면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 이러한 평면들은 동일한 개수의 Ga 및 N 원자들을 포함하며 그리고 전하적으로 중성이다. 더욱이, 후속의 비극성 층들은 벌크 결정이 성장 방향을 따라 분극되지 않도록 서로에 대하여 등가이다. GaN에서 대칭-등가 비극성 평면들의 두 개의 이러한 패밀리들은 총체적으로 a-면들로 알려져 있는 {11-20} 패밀리, 및 총체적으로 m-면들로 알려져 있는 {1-100} 패밀리이다.
분극의 다른 원인은 압전 분극이다. 이것은, 닮지 않은 조성의 (따라서 다른 격자 상수들의) (Al,B,Ga,In)N 층들이 질화물 헤테로 구조에서 성장될 때 발생할 수 있는 것처럼, 물질이 압축 또는 인장 변형을 겪을 때 발생한다. 예를 들어, GaN 템플릿 상에 얇은 AlGaN 층은 면 내의 인장 변형을 가지며, 그리고 GaN 템플릿 상의 얇은 InGaN 층은 면 내의 압축 변형을 가지며, 모두 GaN에 부합하는 격자에 기인한다. 따라서, 압전 분극은, GaN 상의 InGaN 양자 우물에 대하여, InGaN 및 GaN의 자발적인 분극의 방향보다는 반대 방향으로 가리킨다. GaN에 격자 정합되는 AlGaN 층에 대하여, 압전 분극은 AlGaN 및 GaN의 자발적인 분극의 방향과 동일한 방향으로 가리킨다.
c-면 질화물들 상의 비극성 면들을 사용하는 장점은 총체적 분극이 감소되는 것이다. 특정한 면들 상에 특정한 합금 조성들에 대하여 분극이 없을수도 있다. 이러한 경우들은 장래 과학 논문들에서 상세하게 설명될 것이다. 중요한 점은 c-면 질화물 구조체들의 분극과 비교하여 분극이 감소된다는 것이다.
비극성 m-면 GaN 상의 높은 성능의 광전자 소자들이 증명되더라도, m-면 비극성 GaN에 대하여 평탄한 표면들을 구현하는 것은 어렵다고 알려져 있다. m-면 GaN 표면은 일반적으로 패시트(facet)들 또는 거시적인 표면 파동들로 덮여진다. 표면 파동은 악영향을 미치는데, 예를 들어, 그것은 양자 구조체들에서 패시팅(faceting)을 일으키며, 합금 원자들 또는 도펀트들의 분균일한 통합은 결정 패시트들 등에 의존한다.
본 발명은 비극성 m-면 질화물들의 평면막들의 성장을 위한 기술을 설명한다. 예를 들어, 임의의 표면 파동들 없이 원자적으로 평탄한 m-GaN 막이 본 발명을 사용하여 설명된다.
본 출원은 동시 계류중이며 공동으로 양도되고, "미스컷 기판들 상에 성장된 평면 비극성 m-면 III 족 질화물 막들"이라는 명칭으로 Asako Hirai, Zhongyuan Jia, Makoto Saito, Hisashi Yamada, Kenji Iso, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 James S. Speck에 의해, 2007년 6월 15일에 출원되고, 변호사 관리 번호 30794.238-US-P1 (2007-674)인 미국 임시 특허 출원 일련 번호 60/944,206의 이익을 35 U.S.C. 섹션 119(e) 하에서 주장하며, 상기 출원은 여기에서 인용되어 통합된다.
이러한 출원은 다음의 동시 계류중이고 공동으로 양도된 미국 특허 출원들에 관련되며:
변호사 관리 번호 30794.247-US-P1 (2008-063)이며, "긴 파장 방출을 가지는 비극성 III-질화물 발광 다이오드들"의 명칭으로, Hisashi Yamada, Kenji Iso, 및 Shuji Nakamura에 의해, 2007년 8월 8일에 출원된, 미국 임시 출원 일련 번호 60/954,770;
변호사 관리 번호 30794.248 -US-P1 (2008-062)이며, "미스컷 기판들 상에 성장된 III-질화물 막들"의 명칭으로, Hisashi Yamada, Kenji Iso, Makoto Saito, Asako Hirai, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura 에 의해, 2007년 8월 8일에 출원된, 미국 임시 출원 일련 번호 60/954,767; 및
변호사 관리 번호 30794.249 -US-P1 (2008-004)이며, "미스컷 기판들 상에 성장된 평면 비극성 M-면 III 족-질화물 막들"의 명칭으로, Kenji Iso, Hisashi Yamada, Makoto Saito, Asako Hirai, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura에 의해, 2007년 8월 8일에 출원된, 미국 임시 출원 일련 번호 60/954,744;
여기에서 상기 출원들은 인용되어 통합된다.
본 발명은 비극성 III-질화물 막의 표면 파동들을 억제하기 위하여, 비극성 III-질화물 막들이 그 상에 성장하는 기판의 미스컷(miscut) 각을 선택함으로써, 임의의 거시적인 표면 파동들 없이, 원자적으로(atomically) 평탄한(smooth) 표면들을 가지는 평면 비극성III-질화물 막들을 성장하기 위한 방법을 개시한다. 상기 미스컷 각은 a-축 방향을 향한 면 내의 미스컷 각이며, 여기에서 상기 미스컷 각은 상기 a-축 방향을 향한 0.15° 이상의 미스컷 각이며 그리고 상기 a-축 방향을 향한 30° 미만의 미스컷 각이다.
본 발명은 기판의 미스컷 상에 비극성 III-질화물 막 성장을 개시하며, 여기에서, 상기 막의 상부 표면은 비극성 면이며, 상기 미스컷은 상기 기판의 결정면에 대하여 미스컷 각을 가지는 상기 기판의 표면이다.
상기 미스컷 각은 0.15° 이상일 수 있다. 상기 결정면은 m-면일 수 있으며, 상기 비극성 III-질화물 막은 m-면일 수 있으며, 그리고 상기 미스컷 각은 a-축 방향을 향할 수 있으며 그리고 상기 a-축 방향을 향하여 0.15° 이상의 미스컷 각 및 상기 a-축 방향을 향한 30° 미만의 미스컷 각을 포함할 수 있다. 상부 표면은 원자적으로 평탄하고 평평할 수 있다. 상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상에 하나 또는 그 이상의 파동(undulation)들의 제곱 평균 제곱근(RMS) 스텝 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 50nm 또는 그 이하가 되도록 할 수 있다. 상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상에 파동들의 최대 단계 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 61nm 또는 그 이하가 되도록 할 수 있다. 상기 파동들은 패시트된 피라미드들을 포함할 수 있다.
결정면은 비극성 면일 수 있다. 상기 미스컷 각은 상기 막이 비극성이 되도록 충분히 작을 수 있다. 상기 미스컷 각은 상기 상부 표면이, 그리고 상기 상부 표면 상에 증착된 하나 이상의 층들의 하나 이상의 표면들이, 양자 우물 계면 또는 헤테로접합 계면에 대하여 충분히 평탄하도록 될 수 있다.
상기 막은 기판 또는 템플릿이며, 그리고 상기 상부 표면은 상기 상부 표면 상의 소자-퀄러티(device-quality) (Al,B,Ga,In)N 층들의 이후의 성장에 적합할 수 있다. 소자는 상기 막을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명은 기판의 미스컷 상의 비극성 III-질화물 막을 성장시키는 단계를 포함하는, III-질화물을 성장시키기 위한 방법을 더 개시하며, 여기에서 상기 미스컷은, 비극성 III-질화물 막의 표면 평탄도를 증가시키기 위하여, 상기 기판의 결정면에 대하여 미스컷 각의 각도를 가지는 상기 기판의표면을 포함한다. 상기 방법은 상기 막의 평탄한 표면 모폴로지(morphology)를 구현하기 위하여 상기 비극성 III-질화물 막의 표면 파동들을 억제하기 위하여 상기 미스컷 각을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 결정면은 m-면이며, 상기 비극성 III-질화물 막은 m-면일 수 있으며, 그리고 상기 미스컷 각은 a-축 방향을 향할 수 있으며 그리고 상기 a-축 방향을 향하여 0.15° 이상의 미스컷 각 및 상기 a-축 방향을 향하여 30° 미만의 미스컷 각을 포함할 수 있다. 비극성 III-질화물 막은 상기 방법을 사용하여 제조될 수 있다 .
본 발명은 기판의 미스컷 상에 성장된, 평탄한 표면 모폴로지를 가지는, 비극성 III-질화물 막을 포함하는 비극성 III-질화물계 소자를 더 개시한다.
동일한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 해당하는 부분들을 나타내는 도면들을 이제 참조한다:
도 1a 및 1b는 미스컷 각들을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 a-축 방향을 따라 GaN 막의 단면에 대한 개요적인 도면들이다.
도 2a, 2b 및 2c는 다양한 미스컷 각들을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 막의 표면의 광학적 현미경 사진들이며, 여기에서 도 2a는 0.01° 의 미스컷 각을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 막의 표면을 도시하며, 도 2b는 0.15° 의 미스컷 각을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 막의 표면을도시하며, 그리고 도 2c는 0.30° 의 미스컷 각을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 막의 표면을 도시한다.
도 3은 다양한 미스컷 각 변동을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 피라미드 특성들의 스텝 높이 측정들로부터 평가된 제곱 평균 제곱근 (RMS)값을 도시한다.
도 4는 다양한 미스컷 각 변동을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 성장된 m-면 GaN 막의 스텝 높이 측정들로부터 평가된 최대 높이 값을 도시한다.
도 5는 본 발명의 방법을 도해하는 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명에 따른 소자의 개요적인 단면도이다.
바람직한 실시예의 다음의 설명에서, 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 실시예를 도해하는 방법으로서 도시되며, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부된 도면들이 참조된다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 구조적인 변경들이 수행되고, 다른 실시예들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다 .
개관
본 발명의 일 실시예는 비극성 III-질화물 막에 대하여 평탄한 표면 모폴로지를 구현하는 방법을 설명한다. 특히, 비극성 III-질화물 막의 표면 파동들은 상기 비극성III-질화물 막이 그 상에 성장되는 기판의 미스컷 각을 조절함으로써 억제된다.
현재의 질화물 소자들은 통상적으로 극성 [0001] c-방향으로 성장되며, 이것은 수직의 소자들에서 주요한 전도 방향을 따라 전하 분리를 유발한다. 그 결과로생기는 분극 필드들은 통상의 광전자 소자들의 전류 상태의 동작에 불리하다.
비극성 방향을 따라 이러한 소자들의 성장은 상기 전도 방향을 따라 본래 있던 전기장들을 감소시킴으로서 소자 성능을 현저히 개선시킨다. 그러나, 거시적인 표면 파동들은 통상적으로 그들의 표면들 상에 존재하는데, 이것은 연속적인 막 성장에 불리하다.
지금까지, 그들은 소자 성장을 위한 더 우수한 소자 층들, 템플릿들 또는 기판들이 제공되고 있지만, 거시적인 표면 파동들없이 비극성 III-질화물 막들을 성장시키기 위한 수단들은 없었다. 본 발명의 신 규한 특징은 비극성 III-질화물 막들이 미스컷 기판을 통하여 거시적으로 그리고 원자적으로 평평한 막들로서 성장될 수 있다는 것이다. 이러한 증거로서, 발명자들은 {10-10} GaN 평면 막들을 성장시켰다. 그러나, 본 발명의 범위는 이러한 예들에 한정적으로 제한되지 않으며 대신에, 본 발명은 그들이 호모 에피택셜 또는 헤테로 에피택셜이던 간에, 질화물들의 모든 비극성 평면 막들에 관련된다.
기술적 설명
본 발명은 성장 프로세스에서 미스컷 기판을 사용하는 평면 비극성 III-질화물 막들을 성장시키는 방법을 포함한다. 예를 들어, 거시적으로 그리고 원자적으로 평평한 {10-10} GaN의 성장을 위한 적절한 방향에서 상기 기판이 미스컷 각을 가지는 것이 매우 중요하다.
본 발명에서, GaN 막은 a-축 방향을 따라 미스컷 각을 가지는 자립 m-GaN 기판 상에 통상적인 MOCVD 방법을 사용하여 성장되었다. GaN의 두께는 5 ㎛ 이었다. 표면 모폴로지는 광학적 현미경 ,원자 힘 현미경(AFM), 및 단계 높이 측정들에 의해 탐사되었다.
도 1a 및 도 1b는 m-면 미스컷 기판 상에 상기 a-축 방향을 따라 상기 GaN 막의 단면의개요적인 도면들이다. 구체적으로 말하면, 도 1a는 축 상 m-면 기판의 표면(104) 상에 a-축 방향(102)을 따라 GaN 막(100)의 단면의 개요적인 도면이며, 여기에서 GaN 막(100)의 피라미드 패시트들(106a, 106b)은 기판(104) 상에 각 α를 가지는 이등변 삼각형을 형성하며, 그리고 도 1b는 미스컷 각 θ 을 가지는 기판의 상기 표면(110) 상에 a-축 방향(102)을 따라 GaN 막(108)의 단면의 개요적인 도면이며, 여기에서 GaN 막(108)의 피라미드 패시트들(112a, 112b)은 상기 기판의 표면(110) 상에 β 및 γ의 각들을 가진다. 도 1a 및 도 1b에서 상기 기판들의 m-면(114)이 또한 보여진다.
발명자들은 AFM으로부터 미스컷 각들과 독립한 동일한 패시트들을 확인하였다. 따라서, θ는. 다음의 식들에 의해 정의된다,
β = α - θ 식. (1)
γ = α + θ 식. (2)
θ = (β-α) / 2 식. (3)
실험 결과
명목상으로 축 상에 있는 기판 상에 성장된 {10-10} GaN 막들은 네 개의 패시트된 피라미드들로 구성된 거시적인 표면 파동들을 가지는 것으로 발견된다. 이러한 피라미드 패시트들은, 도 2a 및 도 2b에서 도시된 것처럼, 일반적으로 a, c+ 및 c- 방향들로 경사지는데, 여기에서 도 2a는 0.01°의 미스컷 각을 가지며 그리고 도 2b는 0.15° 의 미스컷 각을 가진다. 상기 미스컷 각을 0.15° 까지 증가시킴으로써 더 평탄한 표면이 구현된다는 것이 알려졌다. 또한, 도 2c에서 도시된 것 처럼, 0.30° 의 미스컷 각을 가지는 기판 상의 표면은 평탄한 모폴로지를 가진다는 것이 알려졌다.
도 3은 다양한 미스컷 각들을 가지는 기판들 상에 성장된 m-면 GaN 피라미드 특성들의 스텝 높이 측정들로부터 평가된 RMS 값들을 도시한다. 각각의 미스컷 기판 상의 상기 막들의 1000 ㎛ 길이들에 대한 RMS 값들은 0.01°, 0.075° , 0.15°, 0.225°, 0.30°, 및 30°의 오배향(mis-orientation) 각들 각각에 대하여 183 nm, 121 nm, 47 nm, 7.3 nm, 13 nm, 및 13 nm이었다. 상기 RMS 값들은 미스컷 각들이 증가함에 따라 감소하는 것으로 알려졌다. 일반적으로, 50nm 보다 작은 RMS 값이 광전자 및 전자 소자들에 대하여 기대된다. 따라서, 상기 기판의 미스컷 각은 0.15° 이상인 것이 바람직하다.
도 4는 다양한 미스컷 각들에 대하여 기판들 상에 성장된 m-면 피라미드 특성들의 스텝 높이 측정들로부터 평가된 최대 스텝 높이 값들을 도시한다. 각각의 미스컷 기판 상의 상기 막들의 1000 ㎛ 길이들에 대한 최대 스텝 높이 값들은 0.01°, 0.075° , 0.15°, 0.225°, 0.30°, 및 30°의 오배향 각들 각각에 대하여 974 nm, 427 nm, 61 nm, 14 nm, 13 nm, 및 25 nm 이었다. 최대 스텝 높이 값들은미스컷 각들이 증가함에 따라 감소되는 것이 알려졌다. 도 4로부터 판단할 때, 기판의 미스컷 각은 0.15° 이상인 것이 바람직하다.
프로세스 단계들
도 5는 다음의 단계들의 하나 또는 그 이상을 포함하는, III-질화물 층들을 성장시키기 위한 방법(도 1a 및 도 1b를 또한 참조)을 도해하는 플로우차트이다:
블록(500)은 비극성 III-질화물 막의 표면 파동들을 억제하기 위하여 미스컷 각 를 선택하는 단계를 나타낸다.
블록(502)는 원하는 미스컷 각을 가지는 미스컷을 포함하는 기판을 구현하는 단계를 나타낸다. 미스컷은 기판을 슬라이싱 함으로써, 또는 예를 들어 원하는 미스컷을 가지는 기판을 선택함으로써, 구현될 수 있다.
블록(504)는 상기 기판의 미스컷 상의 비극성III-질화물 층을 성장시키는 단계를 나타내며, 여기에서 상기 미스컷은, 비극성 III-질화물 막(108)의 표면 평탄도를 증가시키기 위하여, 기판의 결정면(114)에 대하여 미스컷 각 의 각도를 가지는 기판의 표면(110)을 포함한다. 결정면(114)은 m-면일 수 있으며, 비극성 III-질화물 막(108)은 m-면일 수 있으며, 그리고 미스컷 각은 a-축 방향을 향할 수 있고 상기 a-축 방향을 향하여 0.15°이상의 미스컷 각을 포함하고 그리고 a-축 방향을 향하여30°보다 작은 미스컷 각을 포함할 수 있다.
블록(506)은, 예를 들어, 기판의 미스컷 상에 성장된, 평탄한 표면 모폴로지를 가지는 비극성 III-질화물 막을 포함하는, 상기 방법을 사용하여 성장된 비극성 III-질화물계 소자 및 막을 나타내며, 여기에서 상기 표면 모폴로지는 상기 미스컷이 없을 때 보다 더 평탄하다.
도 6은 기판(604)의 미스컷(602a) 상의, 예를 들어 성장, 비극성 III-질화물 막(600)의 개요적인 단면이며, 여기에서 상기 막(600)의 상부 표면(606)은 비극성 면이다. 미스컷(602)은 기판(604)의 결정면(610)에 대하여 미스컷 각(608)을 가지 는 기판(604)의 표면(602b)일 수 있다. 결정면(610)은 비극성 면일 수 있다. 미스컷 각(608)은 임의의 결정면(610), 예를 들어 반극성 면 또는 c-면,으로부터 값을 가질 수 있으며, 그 결과 상기 막(600)은 비극성이거나 또는 비극성방향을 가진다.
상기 막(600)은 GaN과 같은 m-면 III-질화물 비극성 막일 수 있으며, 상기 결정면(610)은 m-면일 수 있으며, 그리고 미스컷 각(608)은 a-축 방향(612)을 향할 수 있으며 a-축 방향(612)을 향하여 0.15° 이상의 미스컷 각(608)을 포함할 수 있으며 a-축 방향(612)을 향하여 30°보다 작은 미스컷 각(608)을 포함할 수 있다. 그러나 0.15°보다 더 크고 30°보다 작은 미스컷 각에 대한 각도 범위는 다른 비극성 결정면들(610)에 대하여 그리고 다른 비극성 방향들(612)에서 미스컷들을 가지는 다른 비극성 III-질화물 물질 막들(600)(예를 들어 a-면 또는 m-면 (Al,B,Ga,In)N 화합물)에 대하여 또한 적용되어야 한다. 따라서, 미스컷 각(608)이 예를 들어 비극성 막(600)을 구현하는 한, 임의의 결정면(610)에 대하여 또는 임의의 방향(612)으로 미스컷 각(608)은 0.15° 이상일 수 있으며 30°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 미스컷 각(608)은 상기 막(600)이 비극성이 되도록 충분히 작을 수 있다.
상기 막(600), 또는 상기 막(600)의 상부 표면(606)은 표면 파동들(도 1b에서의 116)을 포함할 수 있는데, 이것은 미스컷 각(608)에 의해 억제될 수 있다(일반적으로, 미스컷 각(608)을 증가시키는 것은 파동들(116)의 억제를 증가시키거나 평탄도 및 평평도를 증가시키거나 또는 파동들(116)의 스텝 높이(118a)를 감소시킨다). 표면 파동들(116)은 패시트된 피라미드들을 포함할 수 있다. 미스컷 각(608) 은 상부 표면(606) 상의 하나 또는 그 이상의 파동들(116)의 제곱 평균 제곱근(RMS) 스텝 높이(118a)가, 1000 마이크로미터의 길이에 걸쳐, 50nm 이하가 되도록 값을 가질 수 있다. 미스컷 각(608)은 상부 표면(606) 상의 파동들(116)의 최대 스텝 높이(118a)가, 1000 마이크로미터의 길이에 걸쳐, 61nm 이하가 되도록 값을 가질 수 있다. 파동들(116)의 스텝 높이(118a)가 미스컷 없이 파동(들)(120)의 스텝 높이(118b)보다 작도록 표면 파동들(116)은 미스컷 각(608)에 의해 억제될 수 있다. 상기 막(600)은 원자적으로 평탄하거나, 평평하거나 또는 패시트된 상부 표면(606)을 포함할수 있다.
표면 파동들(200a 및 200b)이 도 2a 및 도 2b에서 또한 각각 도시된다. 도 2b에서, 표면 파동들(200a)에 비교할 때 표면 파동들(200b)이 억제되도록 미스컷 각(θ)는 증가된다. 도 2c에서, 미스컷 각(θ)는 상기 표면 파동들이 더 억제되거나 또는 존재하지 않도록 더욱 증가된다.
상기 막(600)은 상부 표면(606) 상에 증착되는 III-질화물(614a)을 더 포함할 수 있다. 미스컷 각(608)은 상부 표면(606), 및/또는 상부 표면(600) 상에 성장된 하나 이상의 층들(614a)의 표면(들)(614b)이, 양자 우물 계면(예를 들어 양자 우물 층 및 배리어 층 사이) 또는 헤테로 접합을 위하여 충분히 평탄하게 되도록 값을 가질 수 있다. 상기 막(600)은 기판 또는 템플릿일 수 있으며, 그리고 상부 표면(606)은 상부 표면(606) 상의 소자 퀄러티 (Al,B,Ga,In)N 화합물 층들(614a)의 후속의 성장을 위하여 충분히 평탄하게 될 수 있다.
막(600)은 통상적으로 측방향 에피택셜 과성장이라기 보다는 직접적인 성장 이다. 막(600)은 임의의 두께를 가지는, 즉 두껍거나 얇은, 하나 이상의 층들일 수 있다. 막(600)은 예를 들어 벌크 결정 또는 자립 기판이 되도록 충분히 두꺼울 수 있다.
소자(616), 레이저와 같은, 발광 다이오드, 또는 트랜지스터는 막(600)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 막(600)은 소자 층들을 포함할 수 있다. 또는 소자 층들(614a)은 막(600)의 표면 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 소자 층들(600, 614a)은 p-n 접합 층들, 활성층들, 양자 우물 층들, 배리어 층들 또는 헤테로 접합 층들일 수 있다. 성장(600)은 자립 성장 또는 막을 제공하기 위하여 기판(604)으로부터 제거될 수도 있다 .
가능한 변형들과 변경들
앞에서 설명된 미스컷 GaN 자립 기판들에 부가하여, m-면 SiC, ZnO, 및 γ-LiAlO2과 같은, 다른 기판들이 또한 출발 물질로서 사용될 수 있다.
본 발명이 GaN 막들을 사용하여 설명되었지만, AlN, InN 또는 임의의 관련된 합금이 또한 사용될 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명된 MOCVD 에피택셜 성장 방법에 한정되지 않으며, HVPE, MBE, 등과 같은, 다른 결정 성장 방법들을 또한 사용할 수 있다.
부가적으로, 당업자는 이러한 기술들, 공정들, 물질들 등이 c-축 방향과 같은, 다른 방향으로 미스컷 각들에 또한 유사한 결과들을 가지도록 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이점들 및 개선점들
축-상 m-면 GaN 에피택셜 층들은 항상 그들의 표면들 상에 피라미드 형상의 특징들을 가진다. 결정 미스컷 방향 및 각을 조절함으로써, 평탄화된 표면들이 구현될 수 있으며, 따라서 높은 퀄러티 소자 구조체가 구현될 수 있다.
예를 들어, 평탄화된 양자 우물 계면들을 가지는 레이저 다이오드는 소자 성능을 향상시킨다. 다른 예에서, 높은 전자 이동도 트랜지스터들(HEMTs) 또는 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터들(HBTs)과 같은, 헤테로 구조 에피 소자들에 대한 평탄한 계면은 캐리어 스캐터링을 감소시키고 2차원 전자 가스(2DEG)의 더 높은 이동도를 허용한다. 종합적으로, 본 발명은 활성층 평탄도가 소자 성능에 중요한 임의의 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
더하여, 미스컷 기판을 통한 개선된 스텝-플로우 성장 모드는 높은 도펀트 농도를 가진 GaN 막들에서 일반적으로 관찰되는 결함 형성 및 전파를 억제할 수 있다. 더욱이, 이것은 m-GaN의 성장 윈도우를 확장시킬 수 있으며, 결국 생산 과정 동안 더 우수한 산출에 이를 수 있으며 임의의 종류의 측방향 에피택셜 과성장, 선택적 영역 성장 및 나노 구조 성장들에 또한 유용할 수 있다.
결론
이것은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 완료한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 앞에서의 설명은 도해 및 설명을위한 목적으로 제공되었다. 이것은 본 발명을개시되는 정확한 형태로 한정하거나 총망라하기 위한 것이 아니다. 많은 변형들 및 변경들이 앞에서의 기술적 사상에 비추어 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않으며, 여기에 첨부된 특허청구범위들에 의해 약간 한정된다.
본 발명에 의하면 표면 파동(undulation) 없이 원자적으로 평탄한 m-GaN 막의 성장을 구현할 수 있다.

Claims (24)

  1. 기판의 미스컷 상에 성장된 비극성 III-질화물 막으로서,
    상기 비극성 III-질화물 막의 상부 표면은 비극성 면이며 그리고 상기 미스컷은 상기 기판의 비극성 면에 대해서 0.15° 이상 30° 미만의 미스컷 각의 각도를 가지는 상기 기판의 표면이며,
    상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상의 하나 이상의 파동들(undulations)의 최대 스텝 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 61nm 이하가 되도록 값을 가지는 것을 특징으로 하는 기판의 미스컷 상의 비극성 III-질화물 막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비극성 면은 m-면이고;
    상기 비극성 III-질화물 막은 m-면이며; 그리고
    상기 미스컷 각은 a-축 방향을 향하며 그리고 상기 a-축 방향을 향하여 0.15°이상의 미스컷 각 및 상기 a-축 방향을 향하여 30°미만의 미스컷 각을 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 표면은 원자에 관하여(atomically) 평탄(smooth)하거나 또는 평평(planar)한 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상의 하나 이상의 파동(undulation)들의 제곱 평균 제곱근(RMS) 스텝 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 50nm 이하가 되도록 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파동들은 패시트된(faceted) 피라미드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 비극성 III-질화물 막이 비극성이 되도록 충분히 작은 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 상부 표면이, 그리고 상기 상부 표면 상에 증착된 하나 이상의 층들의 하나 이상의 표면들이, 양자 우물 계면 또는 헤테로 접합 계면을 위하여 충분히 평탄하도록 하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 비극성 III-질화물 막은 기판 또는 템플릿이며, 그리고 상기 상부 표면은 후속하여 상기 상부 표면 상에 소자-퀄러티(device-quality) (Al,B,Ga,In)N 층들의 성장에 적합한 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막.
  12. 제1항의 상기 막을 사용하여 제조되는 광전자 소자(optoelectronic device).
  13. (a) 기판의 미스컷 상에 비극성 III-질화물 막을 성장시키는 단계를 포함하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법으로서,
    상기 비극성 III-질화물 막의 상부 표면은 비극성 면이며, 상기 미스컷은 상기 기판의 비극성 면에 대하여 0.15° 이상 30° 미만의 미스컷 각의 각도를 가지는 상기 기판의 표면이며, 상기 미스컷 각은 상기 비극성 III-질화물 막의 상기 상부 표면 상의 파동들을 억제하도록 조절되며, 상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상의 하나 이상의 파동들의 최대 스텝 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 61nm 이하가 되도록 값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비극성 면은 m-면이고;
    상기 비극성 III-질화물 막은 m-면이며; 그리고
    상기 미스컷 각은 a-축 방향을 향하며 그리고 상기 a-축 방향을 향하여 0.15°이상의 미스컷 각 및 상기 a-축 방향을 향하여 30°미만의 미스컷 각을 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    상기 상부 표면은 원자에 관하여(atomically) 평탄(smooth)하거나 또는 평평(planar)한 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 상부 표면 상에 하나 이상의 파동(undulation)들의 제곱 평균 제곱근(RMS) 스텝 높이가, 1000 마이크로미터의 길이에 대하여, 50nm 이하가 되도록 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  18. 삭제
  19. 제13항에 있어서,
    상기 파동들은 패시트된 피라미드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  20. 삭제
  21. 제13항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 막이 비극성이 되도록 충분히 작은 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 미스컷 각은 상기 상부 표면이, 그리고 상기 상부 표면 상에 증착된 하 나 이상의 층들의 하나 이상의 표면들이, 양자 우물 계면 또는 헤테로 접합 계면에 대하여 충분히 평탄하도록 하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 비극성 III-질화물 막은 기판 또는 템플릿이며, 그리고 상기 상부 표면은 후속하여 상기 상부 표면 상에 소자-퀄러티(device-quality) (Al,B,Ga,In)N 층들의 성장에 적합한 것을 특징으로 하는 비극성 III-질화물 막의 성장 방법.
  24. 제13항의 상기 방법을 사용하여 제조되는 비극성 III-질화물 막.
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