KR20010051169A - 결정 성장용 기판 및 이를 이용한 기판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

(0001) 면 사파이어(Al2O3) 기판 (11) 상에 GaN 막 (12) 을 형성한 후, 습식 식각에 의해 GaN 막 (12) 을 섬 형상으로 남긴다. 상기 섬 형상 GaN 막 (12) 의 상부는 단결정층으로 이루어진다. 섬 형상 GaN 막 (12) 을 남긴 상태로, 에피택시얼 성장을 수행하여, 결정 결함이 거의 없는 GaN 막 (15) 을 얻게 된다.

Description

결정 성장용 기판 및 이를 이용한 기판 제조방법{BASE SUBSTRATE FOR CRYSTAL GROWTH AND MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE BY USING THE SAME}
본 발명은 하지 기판 상에 하지 기판과는 다른 결정계의 에피택시얼층을 형성하는 기술에 관한 것이다.
결정 성장 기술들 중 하나로서 에피택시 기술이 있다. 에피택시는, 기판의 결정성을 계속해서 유지하면서 주로 하지 결정의 표면을 피복하도록 층상 결정을 성장시키는 기술이다. 에피택시에서 기대되는 주요 사항은 기판 상에 소망의 특성들을 갖는 결정층을 형성하는 것이다.
LEC(Liquid encapsulated czochralski) 등에 의해 제조된 후 슬라이스된 GaAs 기판 상에서 GaAs 를 에피택시하여, 에피택시에 의해 소망 두께, 불순물의 종류 및 밀도를 갖는 GaAs 에피택시얼층을 형성할 수 있는 일 예가 있다. 에피택시 기술이 결정적인 역할을 하는 반도체 장치로서, 반도체 레이저, 통상 HEMT 로 지칭되는 2차원 전자가스 트랜지스터 등이 있음은 널리 공지되어 있다. 이들 장치에서, 하지 결정의 결정층과 동일한 형태의 결정층 또는 하지 결정의 결정층과 다른 형태의 결정층을 하지 결정 상에서 에피택시함으로써, 소위 헤테로 구조를 형성하게 된다. 상술한 예들에서 공통점은, 하지 결정과 거의 동일한 결정 구조 및 격자 정수를 갖는 결정층이 에피택시에 의해 하지 결정 상에 형성되므로, 상술한 반도체 장치의 제조에 있어서 에피택시가 필수적인 기술이라는 것이다.
그러나, 상기 에피택시 기술에 따르더라도, 결정 구조, 격자 정수 등의 관점에서 상술한 에피택시 경우의 결정과 정합되는 하지 기판을 제조할 수 없는 경우들이 존재한다. 여기서, 격자 정수의 정합은 통상적으로, 하지 기판과 에피택시얼층의 격자 정수들 간의 차이가 거의 없는 것을 의미하며, 이 사실은 격자 정수의 부정합에 기초한 전위(dislocation) 등의 결정 결함의 발생이 에피택시얼층에서 거의 발생되지 않는 정도로 이들 격자 정수들이 서로 매우 근접한 것을 대강 의미하게 된다. 또한, 격자 정수는 온도의 함수로서, 격자 정수들 간의 차이가 적은 경우에도, 에피택시얼층이 두꺼우면 변형이 증가하게 되어, 결함이 발생하게 된다. 따라서, 격자 정수들 간의 정합 조건들을 일률적으로 규정하는 것이 불가능하게 된다. 또한, 넓은 의미에서 격자 정합은 다음의 관계식을 만족하는 경우도 포함한다.
ma1≒ na2(m, n : 자연수)
여기서, a1는 하지 결정 기판의 격자 정수이며, a2는 기판 상에 형성된 결정층의 격자 정수이다.
상기 적당한 하지 결정이 없어 발생하는 문제를 갖는 재료로서, 가장 주목할 만한 것으로는 Ⅲ족 질화물계 재료가 있다. 결정 구조, 격자 정수 등의 관점에서 GaN 으로 대표되는 Ⅲ족 질화물계 재료의 결정과 정합되는 어떠한 하지 기판도 아직 발견되지 않았다. 하지 기판으로서 사파이어, SiC, MgAi2O4등을 넓게 이용한다. 에피택시얼층을 구성하는 재료의 형태와 다른 형태의 재료로 이루어진 하지 기판을 상기 방법에서 이용하는 경우, 통상적으로 하지 기판 상에 버퍼층을 형성한 후, 버퍼층 상에 소정의 에피택시얼층을 형성하는 단계로 이루어진 방법을 이용한다. 그러나, 상기 방법으로 형성된 에피택시얼층에는, 전위 등의 많은 결정 결함들이 발생하게 된다. 이들 결정 결함들을 감소시키는 것이 반도체 레이저 등의 장치들에 상술한 에피택시얼층을 적용함에 있어서 중요한 기술적 과제로 된다.
비교적 적은 결정 결함들을 갖는 Ⅲ족 질화물계 재료를 얻는 방법으로서, 사파이어 등의 이종 기판 상에 저온 버퍼층을 형성한 후, 버퍼층 상에 에피택시얼 성장층을 형성하는 방법이 공지되어 있다. 저온 퇴적 버퍼층을 이용한 결정 성장방법의 일 예로서, "응용 물리 제 68 권 제 7 호(1999) 768 - 773 페이지"(이하, 문헌 1 로 지칭함)는 다음의 공정들을 개시한다. 첫번째로, 약 500 ℃ 에서 사파이어 기판 상에 비결정막 또는 다결정을 일부 함유한 연속막을 형성한다. 상기 막의 일부는 약 1000 ℃ 까지 온도를 상승시킴으로써 증발되거나 결정화되어, 높은 밀도를 갖는 결정핵을 형성하게 된다. 이는 성장핵으로서 이용되어 비교적 양호한 결정을 갖는 GaN 막을 형성한다. 상술한 문헌 1 의 도 4 는 상기 상태를 나타내며, 고온처리후에 육각추 군락 등의 집합체가 형성되는 것을 나타낸다.
그러나, 상술한 방법을 이용하여 저온 퇴적 버퍼층을 형성하는 경우에도, 상기 문헌에서 설명한 바와 같이, 관통전위 및 보이드(void) 파이프 등의 결정 결함들이 108내지 1011cm-2정도로 존재하므로, 전극들의 이상확산 및 비복사 재결합준위의 증가 등의 문제점들이 종종 발생하게 된다.
이러한 상황하에서, 근래, 펜데오 에피택시(이하, 적당하게 "PE" 로서 약칭한다)로 지칭되는 새로운 결정 성장 기술이 주목받고 있다. 이하, PE 기술의 개요를 설명한다. 도 11 은 PE 의 2개의 모드의 개념들을 나타내는 에피택시얼 성장 단면도의 개략도로서, 유사한 도면이 문헌(Tsvetankas.Zhelrvaet.Al.; MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.4S1,G3.38(1999); 이하, 문헌 2 로 지칭함)에도 소개되어 있다. 도 11(a) 및 도 11(b) 에서는 모두, 6H-SiC 하지 결정 (101) 상에 AlN 막 (102) 을 형성한 후, GaN (103) 을 형성한다. 그 후, 리소그래피 기술에 의해 선택 식각 마스크를 형성한 후, GaN (103), AlN (102) 및 6H-SiC 하지 결정 (101) 을 선택적으로 식각함으로써, 도면에 도시된 바와 같이 지면 수직방향으로 스트라이프 형상으로 연장된 패턴을 형성하게 된다. 그 후, 도면에 PE 층 (104) 으로서 도시된 GaN종 결정층을 형성한다. 이하, 도면에서는, 퇴적된 층 (105) 에 대해서는 무시하여 설명한다.
도 11(a) 는 PE 층 (104) 의 성장 기점에서 있어서 도 11(b) 와는 다르다. 도 11(a) 에서, GaN (103) 의 측벽면으로서 (11-20) 결정면을 기점으로서 이용하여 PE 층 (104) 의 성장을 진행하게 된다. 한편, 도 11(b) 에서는, GaN (103) 이 상면으로서 (0001) 결정면을 기점으로서 이용하여 PE 층 (104) 의 성장을 진행하게 된다. 성장 기점들 간의 상기 차이는 PE 층 (104) 의 형성조건에서의 차이에 의해 발생한다. 그러나, 어느 경우에든, 상당히 빠른 결정 성장 속도가 GaN (103) 의 (11-20) 결정면에서 관측된다.
도 12 는 주기적으로 배열된 스트라이프 패턴으로 성장된 연속막의 에피택시얼 성장 단면도를 나타내며, 도 12(a) 및 도 12(b) 는 각각 도 11(a) 및 도 11(b) 에 대응하는 개략도들이다. 도 12 에 도시된 2개의 개략도들을 참조하여, 상기 문헌 2 는 우수한 단면 사진들을 나타내지만, 본 명세서에서는, 개략도들이 도시되어 있다. PE 층 (104) 은 연속층으로 된다. 스트라이프 주기 패턴 상에서 에피택시얼 성장을 수행하는 경우, 연속막 PE 층을 형성하는 것 자체도 상당히 흥미롭지만, 연속막 PE 층의 전위 등의 결함들이 거의 존재하지 않는다는 것이 더욱 중요하다. 이는 우르자이트(wurtzite) 구조를 갖는 GaN 등의 결정내의 전위가 (0001) 면에 대해 거의 수직인 방향으로 연장되며, 스트라이프상 GaN (103) 의 많은 양의 전위가, (11-20) 방향으로 고속 성장이 지배적인 PE 에서 성공하지 못하기 때문이다. 즉, 전위 밀도는 PE 에 의해 형성된 PE 층 (104) 에서 감소하므로, PE 층을 기판으로 이용하는 경우에는, GaN 등의 발광 다이오드(LED) 또는 반도체 레이저(LD) 의 성능을 향상시키는 것이 기대된다. 또한, 도 11 에 도시된 퇴적층 (105) 은 스트라이프 영역이외의 영역에서도 PE 성장 중에 GaN 이 약간 퇴적되는 것을 나타내며, 도 12 에는 퇴적층 (105) 이 생략되어 있다. 퇴적층 (105) 자체의 결정 특성은 통상적으로 열악하지만, 퇴적층 (105) 의 형성은 PE 층 (104) 의 결정 특성에 아무런 영향을 미치지 않는다.
상술한 바와 같이, 펜데오 에피택시를 이용함으로써, 에피택시얼층의 결정 결함을 감소시킬 수 있게 된다. 그러나, 펜데오 에피택시는 복잡한 공정들을 필요로 하므로, 여러 개선의 여지가 존재한다.
펜데오 에피택시에서는, 결정 성장 이전에 패턴을 형성하는 것이 필요하다. 상기 문헌 2 에서 설명된 패턴 형성에서는, 응용 물리 레터(Appl.Phys.Lett.)의 제 71 권, 제 25 호, 3631-3633 페이지(이하, 문헌 3 으로 약칭함)에 설명된 바와 같이, 니켈막을 포토레지스트에 의해 패턴 형성하고, 마스크로 이용하여 선택적 식각을 수행함으로써, 주기적 패턴의 스트라이프형상 GaN 을 형성하게 된다. 상술한 바와 같이, 선택적 식각용 마스크 재료의 퇴적, 리소그래피, 선택적 식각 및 마스크 재료의 제거 등의 복잡한 공정들이 PE 성장에서 필요하게 된다. 복잡한 공정들 뿐만 아니라 리소그래피를 하기 위한 고가의 노광 장치들을 이용하는 것이 필요하며, 또한 노광용 글래스 마스크 등의 도구들도 필요하게 된다. 또한, 복잡한 공정들을 수행해야 하기 때문에, 에피택시얼 성장 전에 기판 표면이 쉽게 오염되며, 에피택시얼층의 품질도 저하된다.
특히, 펜데오 에피택시에서는, 포토레지스트를 제거하는 공정이 필수적이지만, 상기 제거가 충분하지 않으며 포토레지스트 잔사(residue)가 발생하는 경우에는, 후속하는 에피택시얼층 성장 상에 악영향을 끼치게 되어, 성장시 웨이퍼의 전체 표면 상에서 평활한 PE 성장을 달성할 수 없게 된다.
상술한 상황들을 고려하여, 본 발명의 목적은, 복잡한 공정들 없이도 이종 재료의 기판 상에 형성된 에피택시얼 결정층이 결정 결함을 상당히 감소시키는 것이다. 본 발명에 따르면, 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용하기 위한 결정 성장용 하지 기판을 제공하는 것이며, 상기 결정 성장용 하지 기판은 에피택시얼 결정층과는 다른 결정계의 하지 기판 및 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성되는 복수의 섬 형상 결정들을 구비하며, 상기 섬 형상 결정은 에피택시얼층과 동일한 결정계의 단결정층을 포함한다.
여기서, 섬 형상 결정의 격자 정수는 에피택시얼층의 격자 정수와 거의 동일하게 되는 것이 바람직하다. 여기서, "거의 동일"은 상기 격자 정수들 간의 차이가 약 5% 이하로 되는 것을 의미한다. 또한, 단결정층의 각 결정축 방향이 에피택시얼 결정층의 각 결정축 방향과 거의 일치되는 것이 바람직하다.
섬 형상 결정은, (ⅰ) 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층 및 하부 다결정층 상에 형성된 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 상부 단결정층으로 이루어지거나, 주로 (ⅱ) 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 하지 기판은 오목/볼록 형상을 갖도록 구성될 수 있으며, 섬 형상 결정은 오목/볼록 형상의 볼록부 상에 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 결정 성장용 상술한 하지 기판이 섬 형상 결정 상에 에피택시얼 결정층이 형성되는 기판이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 하지 기판 및 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들을 구비하며 하지 기판과는 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정 성장용 하지 기판을 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은,
하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 버퍼층을 형성하는 공정; 및
버퍼층의 일부를 습식 식각하여 섬 형상 영역을 잔존시켜, 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정층을 포함한 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비한다.
또한, 본 발명에 따르면, 하지 기판 및 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들을 구비하며 하지 기판과는 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정 성장용 하지 기판을 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은,
하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 제 1 성장온도에서 제 1 버퍼층을 형성하는 공정;
제 1 성장온도 보다 높은 제 2 성장온도에서 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 제 2 버퍼층을 형성하는 공정; 및
제 1 및 제 2 버퍼층들의 일부분을 습식 식각하여 섬 형상 영역을 잔존시켜, 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정을 포함한 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비한다.
여기서, 제 1 버퍼층은 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 층으로 될 수 있다.
이들 제조 방법에서는, 버퍼층의 습식 식각 중에, 하지 기판의 노출면의 적어도 일부를 식각할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 하지 기판 및 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들을 구비하며 하지 기판과는 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정 성장용 하지 기판을 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정을 포함한 결정층을 섬 형상으로 퇴적시켜 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비한다.
상기 제조방법에서는, 섬 형상 결정을 형성한 후에, 하지 기판의 노출면의 적어도 일부를 식각할 수도 있다.
상술한 각각의 제조 방법에서는, (ⅰ) 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층 및 상기 하부 다결정층 상에 형성된 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 상부 단결정층으로 이루어진 구성이거나, (ⅱ) 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정으로 이루어진 구성이 바람직하다.
본 발명의 결정성장용 하지 기판 및 제조 방법에서는, 하지 기판의 표면에 대한 섬 형상 결정의 피복율은, 예를 들어, 0.1 % 내지 60 % 의 범위내에 존재하게 된다. 또한, 섬 형상 결정들의 평균 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위내에 존재하게 된다. 또한, 인접한 섬 형상 결정들 간의 평균간격은, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위내에 존재하게 된다. 또한, 섬 형상 결정들의 수 밀도는 10-5개/㎛2내지 10-2개/㎛2범위내에 존재하게 된다.
본 발명에 있어서, 에피택시얼 결정층은, 예를 들어, Ⅲ족 원소 질화물계 재료로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 결정성장용 하지 기판을 제조하는 상술한 방법에 의해 제조된 결정성장용 하지 기판이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 결정성장용 하지 기판을 제조하는 상기 방법을 이용하여 결정성장용 하지 기판을 제조하는 공정; 및 계속해서 섬 형상 결정과 동일한 결정계의 에피택시얼 성장층을 형성하여 섬 형상 결정을 임배딩하는 공정을 구비하는, 기판을 제조하는 방법이 제공된다. 제조 방법에 있어서, 성장 기점으로서 섬 형상 결정을 이용하여 성장에 의해 에피택시얼 결정층을 형성한다. 또한, 본 발명에 따르면, 기판을 제조하는 방법에 의해 제조된 기판이 제공된다.
이하, 상술한 본 발명의 작용에 대해 설명한다.
본 발명의 결정성장용 웨이퍼 상에 형성된 에피택시얼 성장층의 결정 구조는 이종 기판과는 다르며 섬 형상 결정과 동일하다. 따라서, 에피택시얼 성장층은, 동일한 결정구조를 갖는 섬 형상 결정으로부터 우선적으로 성장하며, 이종 기판을 기점으로 하는 성장은 상대적으로 억제된다. 따라서, 이종 기판내에 포함되거나, 이종 기판과 에피택시얼층의 계면에서 발생되는 결정 결함이 에피택시얼 성장층에 전송되는 것을 방지할 수 있으며, 에피택시얼 성장층내의 결정 결함을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 섬 형상 결정을 설치한 구성에 의해 이종 기판으로부터 결정 결함들이 도입되는 것을 억제할 수 있다. 그러나, 상기 구성만으로는, 현재 요구되는 고품위의 결정 구조를 실현하는 것이 어렵다. 결정 결함을 억제하며, 고품위의 결정 구조를 실현하기 위하여, 결정 성장의 기점으로서 섬 형상 결정 자체내에 포함된 결정 결함을 감소시키는 것도 중요하다. 따라서, 본 발명에서는, 단결정층을 포함하도록 섬 형상 결정을 구성하여, 에피택시얼층에서의 결정 결함의 상당한 저감을 실현하게 된다. 상술한 구성의 채용에 의해 결정 결함이 상당히 저감되는 이유가 반드시 명백하지는 않지만, 결정 결함이 거의 없는 단결정층을 성장 기점으로 이용하는 에피택시얼층 성장이 우선적으로 진행되기 때문에, 성장 기점 이외로부터 전송되는 결정 결함이 거의 없는 것으로 생각되고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 단결정을 포함한 섬 형상 결정이 에피택시얼층의 성장 기점으로 되기 때문에, 에피택시얼 성장층내의 결정 결함을 상당히 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 비교적 간단한 제조공정들로 섬 형상 결정들을 형성하므로, 제조 수율이 향상되며 제조 중의 웨이퍼 오염을 효율적으로 방지할 수 있는 잇점들을 얻게 된다. 상술한 바와 같이, 펜데오 에피택시에 의한 결정성장에 있어서, 스트라이프 형상 패턴을 형성할 필요가 있기 때문에, 건식 식각을 포함한 리소그래피를 수행할 필요가 있다. 한편, 본 발명에서는, 섬 형상 결정을 형성하는 방법으로서, (ⅰ) 섬 형상 결정을 형성하기 위한 막을 형성한 후, 습식 에칭에 의해 섬 형상을 형성하는 방법; (ⅱ) 막형성 재료, 막형성 온도 등을 조절하여 결정성장시 단결정을 포함한 섬 형상 결정을 형성하는 방법; 및 다른 여러 간단한 방법들을 채용하는 것도 가능하다. 따라서, 펜데오 에피택시 등의 복잡한 공정을 수행할 필요가 없으므로, 공정 상의 이유로 결정내에 불순물들이 유입되는 등의 불이익을 회피할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판 휨을 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 에피택시얼 성장후에 성장 장치로부터 제거된 웨이퍼에서 큰 휨이 발견되지만, 하지 기판으로부터 에피택시얼층이 분리된 후에는 이러한 휨이 거의 해소된다. 이는, 에피택시얼층이 섬 형상 결정에 의해서만 하지 기판에 접속되며, 분리전의 휨에 대한 원인이 성장온도로부터 실온까지의 온도 변화에 의해 하지 기판과 에피택시얼층간의 열팽창계수의 차이에 의해서만 거의 결정되기 때문으로 생각되고 있다. 특히, 섬 형상 결정의 피복율이 10 % 이하인 경우에는 이러한 휨이 현저하게 해소된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 단결정을 포함한 섬 형상 결정을 형성하여, 섬 형상 결정을 성장 기점으로 하여 에피택시얼층을 성장시키는 것을 특징으로 하고 있으나, 상기 특징들을 더욱 상세하게 설명하기 위하여, 이하, 종래 에피택시얼 성장 기술과 비교하여 본 발명을 설명한다.
도 9(a) 는 저온 퇴적 버퍼층을 이용한 종래 방법을 나타낸 도면이다. 상기 방법은, 저온 퇴적 버퍼층을 고온에서 열처리하여 미세한 섬 형상 구조를 형성하는 공정, 및 상기 구조 상에 고온에서 GaN 단결정을 성장시키는 공정을 포함한다. 또한, 문헌 1 에서 상술한 바와 같이, 섬 형상 구조는, 저온에서 결정 성장을 수행하여 표면 상에 균일한 퇴적을 실현하며, 비교적 원자간 결합이 약한 부분을 의식적으로 형성하여 큰 격자 부정합을 완화시키는 역할을 수행한다. 특히, 상술한 섬 형상 구조는 약 500 ℃ 정도의 낮은 온도에서 퇴적될 필요가 있다. 따라서, 섬 형상 구조는 다결정 구조를 가지며, 많은 결함 또는 적층 결함들을 포함하고 있으며, 결정축들도 종종 정렬되지 않는다.
한편, 본 발명에 있어서, 섬 형상 결정은 단결정층을 포함하며, 이러한 점에서 본 발명은 상술한 관련된 기술과는 다르다. 특히, 본 발명에서는, 단결정층을 포함하도록 하는 온도에서 섬 형상 결정을 형성하며, 예를 들어, 900 ℃ 이상이 고온에서 GaN 을 형성한다. 본 발명에서 섬 형상 결정은 상기 단결정층을 포함하므로, 하지 기판 상에서 에피택시얼층의 성장시에, 결정 결함을 거의 갖지 않는 단결정층 부분으로부터 에피택시얼 성장이 우선적으로 진행되며, 에피택시얼층에서의 결정 결함을 현저하게 저감시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는, 상술한 관련된 기술과 비교하여, 하지 기판 상의 섬 형상 결정밀도가 감소되며 섬 형상 결정의 입자 크기는 증가된다(도 9(a), (b)). 섬 형상 결정밀도를 감소시키며 인접한 섬 형상 결정들간의 평균 간격을 증가시킴으로써, 각 섬 형상 결정들을 기점으로 하는 에피택시얼층들의 충돌에 의해 발생하는 경계부를 감소시킬 수 있으며, 결정 결함을 더 저감시킬 수 있게 된다. 또한, 각 섬 형상 결정들을 비교적 크게 함으로써, 각 섬 형상 결정들을 성장 기점들로 하는 에피택시얼층들이 합체되며, 평탄한 에피택시얼층의 형성을 촉진시킨다.
한편, 통상의 에피택시얼 성장의 초기 단계에서도, 섬 형상 구조들은 서로 분리되어 형성된다. 그러나, 상기 섬 형상 구조는 에피택시얼 성장중의 과도기간에만 나타나며, 결정 결함을 감소시키기에 적합한 범위내에서 구조의 분포 및 밀도를 제어하는 것은 어렵다. 또한, 섬 형상 구조는, 하지 기판 또는 하지층의 결정 결함 또는 오염 장소에서 핵성장의 발생에 의해 형성된다는 것이 공지되어 있으며, 결정축들이 정렬되지 않게 되고, 섬 형상 결정 자체는 많은 경우 결정 결함을 포함하며, 결정 결함이 거의 없는 에피택시얼층을 얻기에 적합한 구조로 되지 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, 섬 형상 구조는 결정 결함 또는 오염 장소에서 쉽게 발생되며, 또한 이러한 측면에서, 결정 결함을 감소시키기에 적합한 범위내에서 분포 또는 밀도를 제어하는 것이 어렵게 된다.
한편, 본 발명은, 에피택시얼층에서 결정 결함을 감소시키기에 적합한 구조의 섬 형상 결정, 즉, 단결정층을 포함한 섬 형상 결정을 결정 성장용 하지 기판 상에 형성하고 이것을 이용하여 에피택시얼층을 형성하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에서는 결정 성장용 하지 기판 상에 섬 형상 결정이 형성되므로, 결정 결함을 감소시키기에 적합한 범위내에서 분포 및 밀도를 제어할 수 있으며, 또한, 단결정층의 각 결정축 방향이 에피택시얼층의 각 결정축 방향과 거의 일치할 수 있으므로, 섬 형상 결정을 기점으로 하는 에피택시얼 성장을 우선적으로 진행시킬 수 있게 된다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 단결정층을 포함한 섬 형상 결정이 그 위에 배치되는 웨이퍼를 결정 성장용 하지 기판으로 이용하므로, 이종 재료 기판 상에 형성된 에피택시얼 결정층의 결정 결함을 공정을 복잡하게 하지 않으면서 현저하게 감소시킬 수 있게 된다.
도 1 은 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 5 는 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 6 은 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 7 은 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 8 은 본 발명에 따른 기판 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 9 는 본 발명 및 종래 기술에 따른 결정 성장용 하지 기판의 개략 단면도.
도 10 은 본 발명에 따른 결정 성장용 하지 기판에서의 섬 형상 결정의 피복율과 기판 상에 형성된 에피택시얼층 내의 전위밀도간의 관계를 나타낸 챠트.
도 11 은 펜데오 에피택시법의 설명도.
도 12 는 펜데오 에피택시법의 설명도.
도 13 은 본 발명에 따른 결정 성장용 하지 기판의 섬 형상의 외관을 나타낸 도면 대용 사진.
도 14 는 본 발명에 따른 기판 제조방법을 적용하여 제조된 반도체 레이저의 단면도.
도 15 는 본 발명의 결정 성장용 하지 기판을 이용하여 에피택시얼층을 형성한 것을 개략적으로 나타낸 도면 대용 사진.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 21, 31, 51, 71, 81 : 사파이어(Al2O3) 기판
12, 15, 26, 32, 35, 42, 45, 54, 58, 62, 64, 72, 73, 75, 82, 83, 84 : GaN 막
13, 24 : 개구부 14, 25, 34, 44, 55, 63 : 홈
22, 52, 56 : Al0.2Ga0.8N막 23, 53, 57 : 크랙
33, 74 : 노출부 41 : 실리콘(Si)기판결정
43 : 노출 영역 61 : GaAs 결정기판
161 : 사파이어(0001)면 기판 162 : GaN 에피택시얼층
163 : n 형 GaN층 164 : n 형 Al0.15Ga0.85N 크랙층
165 : n 형 GaN 광가이드층 166 : 다중 양자웰 구조 활성화층
167 : p형 Al0.2Ga0.8N 층 168 : p형 GaN 광가이드층
169 : p형 Al0.15Ga0.85N 크랙층 170 : p형 GaN 콘택트층
171 : n형 전극 172 : p형 전극
본 발명의 섬 형상 결정은, 단결정을 포함하지만, 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층, 및 섬 형상 결정들 상에 형성된 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 상부 단결정층으로 이루어질 수도 있다. 이러한 경우, 단결정층 부분은 버퍼층을 형성하는 다결정층 상에 형성되며, 단결정층의 형성을 바람직하게 수행하게 된다.
또한, 본 발명의 섬 형상 결정은 주로 단결정으로 이루어질 수도 있다. 이러한 경우에는, 에피택시얼층에서의 결정 결함을 더욱 효율적으로 저감시킬 수 있다.
본 발명의 섬 형상 결정은 하지 기판 상에 직접 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 섬 형상 결정은 다른 층을 경유하여 하지 기판 상에 형성될 수도 있으나, 이러한 경우에는, 공정이 복잡하게 된다.
섬 형상 결정의 형성 후에 형성된 에피택시얼층을, 섬 형상 결정의 형상을 인식할 수 없으며 평탄한 표면을 얻을 수 있을 때까지, 두껍게 하는 것이 바람직하다. 에피택시얼층의 두께는 적어도 섬 형상 결정들의 평균 높이보다 더 두꺼운 것이 바람직하며, 섬 형상 결정들의 평균 높이의 10 배 이상으로 되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 반도체 레이저 등의 장치들을 형성하는 데에 바람직한 에피택시얼층을 형성할 수 있다.
본 발명의 결정성장용 하지 기판에 있어서, 하지 기판을 오목/볼록 형상으로 구성할 수 있으며, 오목/볼록 형상의 볼록부 상에 섬 형상 결정을 형성하게 된다. 상기 방법으로 구성된 하지 기판은, 섬 형상 결정의 형성후 어떠한 섬 형상 결정도 형성되지 않는 영역내에 하지 기판의 표면을 식각하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층을 식각하여 섬 형상 결정층의 형성하는 중에, 하지 기판의 표면을 부분적으로 노출시킨 후 에칭을 더 계속하면(오버 에칭), 섬 형상 결정의 크기 및 높이 모두 감소되며, 하지 기판이 국소적으로 식각되어, 홈이 형성된다. 홈을 형성함으로써, 에피택시얼층의 형성 중에, 결정 결함이 하지 기판으로부터 전송되는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있으며, 에피택시얼층에서의 결정 결함의 감소 효과도 더욱 현저하게 된다.
또한, 상술한 홈을 형성하는 경우, 상기 홈은 에피택시얼층의 성장 후에도 그대로 공동(hollow)으로 남게 된다. 이는, 결정핵으로서 섬 형상 결정을 이용한 횡방향 성장이 에피택시얼 성장의 초기단계에서 급속하게 발생하는 것을 의미하며, 성장 초기 단계에서의 급속한 횡방향 성장 자체로 인해 에피택시얼층이 평탄화되는 것을 명백하게 나타낸다. 상기 방법에서는 횡방향 성장이 지배적이므로, 이종 하지 기판의 결정형태를 연계하지 않거나, 많은 영향을 받지 않게 된다.
상술한 바와 같이, 에피택시얼층의 성장 후에도 홈은 그대로 공동으로 남게 되므로, 에피택시얼 성장 후에 하지 기판을 제거할 필요가 있는 경우에도 상기 홈은 중요한 역할을 수행하게 된다. 하지 기판을 제거할 때, 식각 용액내에 웨이퍼를 담그는 방법이 통상적으로 이용되지만, 이러한 경우, 식각 용액이 홈을 관통하게 되어, 이종 하지 기판으로부터 에피택시얼 성장층을 분리하는 것이 용이하게 된다.
본 발명에 있어서, 복수의 섬 형상 결정들의 피복율, 즉, 하지 기판의 표면영역에 대한 섬 형상 결정들에 의해 점유되는 면적의 비율은, 60 % 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 50 % 이하로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 피복율이 너무 높은 경우에는, 에피택시얼층내의 결정 결함의 감소효과를 충분히 얻을 수 없는 경우가 있다. 피복율을 어느정도 낮게 설정함으로써, 각 섬 형상 결정들을 성장 기점으로 하는 에피택시얼층들이 서로 서로 충돌하는 경우에 발생하는 경계부를 감소시킬 수 있으며, 결정 결함을 효율적으로 감소시킬 수 있게 된다. 한편, 피복율의 하한은 0.1 % 이상으로 설정되는 것이 바람직하며, 1 % 이상으로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 피복율이 너무 낮은 경우, 에피택시얼층은 충분히 평탄하게 되지 않는다.
본 발명에 있어서, 복수의 섬 형상 결정들의 평균 입자크기의 하한은 0.1 ㎛이상으로 설정되는 것이 바람직하며, 1 ㎛ 이상으로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 상한은 10 ㎛ 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 5 ㎛ 이하로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 상술한 평균 입자크기를 갖는 경우에는, 결정 결함이 거의 없는 평탄한 에피택시얼층을 바람직하게 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 복수의 섬 형상 결정들의 평균 간격의 하한은 10 ㎛ 이상으로 설정되는 것이 바람직하며, 20 ㎛ 이상으로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 평균 간격은 인접한 섬 형상 결정들 간의 거리의 평균값을 나타낸다. 평균 간격이 너무 작은 경우에는, 에피택시얼층에서 결정 결함의 감소효과를 충분하게 얻을 수 없는 경우가 있다. 평균 간격을 어느 정도 크게 설정함으로써, 상술한 경계부를 감소시킬 수 있으며, 결정 결함을 효율적으로 저감시킬 수 있게 된다. 한편, 상한은 500 ㎛ 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 100 ㎛ 이하로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 평균 간격이 너무 넓은 경우에는, 에피택시얼층을 충분하게 평탄하게 할 수 없는 경우가 있다. 또한, 평균 간격이 100 ㎛ 정도로 되면, 횡방향 성장에 의한 에피택시얼층을 충분하게 평탄화할 수 있다. 이것은, 버퍼층을 식각하여 GaN 의 섬 형상 결정층을 형성한 후, 오버에칭(식각)에 의해 하지 기판에 홈을 형성하는 실험예에 의해 확인된다. 상기 실험예에서, 섬 형상 결정들의 평균 간격은 100 ㎛ 정도로 설정되지만, 홈은, GaN 에피택시얼층의 형성후에도 그대로 남아있게 된다. 따라서, 평균 간격을 상술한 바와 같이 크게 하는 경우에도, 횡방향 성장에 의한 에피택시얼층의 평탄화가 발생하게 된다.
본 발명에 있어서, 복수의 섬 형상 결정들의 수 밀도의 상한은 10-2개/㎛2이하로 설정되는 것이 바람직하며, 10-3개/㎛2이하로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 수 밀도가 너무 큰 경우에는, 에피택시얼층에서 결정 결함의 감소효과를 충분하게 얻을 수 없는 경우가 있다. 수 밀도를 어느 정도 작게 설정함으로써, 상술한 경계부를 감소시킬 수 있으며, 결정 결함을 효율적으로 감소시킬 수 있게 된다. 한편, 하한은 10-5개/㎛2이상으로 설정되는 것이 바람직하며, 10-4개/㎛2이상으로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 수 밀도가 너무 작으면, 에피택시얼층이 충분히 평탄하게 되지 않는 경우가 있다.
버퍼층의 두께는 특별히 한정되지 않는다. 통상적으로, 버퍼층은 수 천 옹스트롬 내지 수 마이크로미터 정도의 두께로 퇴적되고 식각되어 섬 형상 결정을 형성하게 된다. 통상적으로, 버퍼층은 미세한 결정 그레인들로 형성되며, 버퍼층의 두께가 증가함에 따라 결정 그레인들도 커지게 된다. 따라서, 식각후의 섬 형상 결정들의 밀도는 낮아지려는 경향을 가지며 충분한 식각으로 인해 낮은 밀도로 되므로, 섬 형상 결정들은 섬들 간의 간격이 크게 형성된다. 이와는 반대로, 식각을 수행하여 얇은 버퍼층을 제조하는 경우에는, 작은 결정 그레인으로 인해, 밀도가 높으며 인접한 섬들간의 간격이 좁은, 섬 형상 결정들을 형성할 수 있게 된다. 결정 그레인의 크기는, 버퍼층의 막두께 내지 수 옹스트롬의 직경 정도의 크기로서 자유롭게 선택될 수 있으며, 인접한 섬들 간의 간격또한, 작은 입자 크기를 갖는 결정이 식각의 진행에 따라 사라지기 때문에, 자유롭게 선택될 수 있다. 또한, 섬 형상 결정의 입자 크기 및 간격에 대하여, 버퍼층의 조건을 일정하게 설정하여 광산란을 모니터함으로써, 공업적으로 만족할 만한 재생산성으로 일정한 특성을 갖는 섬 형상 결정을 형성할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 섬 형상 결정 또는 섬 형상 결정을 형성하기 위한 버퍼층의 성장 온도는, 층을 구성하는 재료가 큰 그레인 크기를 갖는 결정층을 형성하기에 적당한 온도로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, GaN 의 경우, 온도는 900 ℃ 내지 1150 ℃ 의 범위로 되는 것이 바람직하며, 950 ℃ 내지 1050 ℃ 의 범위로 되는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 경우, 단결정층을 포함한 섬 형상 결정을 안정적으로 형성할 수 있게 된다.
이하, 피복율 R 과 섬 형상 결정 평균 입자크기 및 평균 간격간의 관계를 설명한다. 섬 형상 결정의 섬 형상과 인접한 섬들 간의 간격은 실제적으로 임의적이지만, 다음의 설명은 그들이 평균값들을 가진다는 가정에 기초하고 있다. 섬형상 결정의 평균 입자 크기를 D, 밀도를 N 이라 가정하면, 피복율 R 은 R = (πD2/4)N 의 관계식을 만족하며, 충분히 큰 밀도 N 을 갖는 섬 형상 결정들간의 평균 간격 L 은 L = N-1/2을 만족한다. 상기 관계식을 이용하여, 실험적으로 얻어진 부근에 대하여, 다음 테이블에 계산 결과를 나타낸다.
〔테이블 1〕
N L D(㎛)
(㎛-2) (㎛) R=0.0001 R=0.001 R=0.01 R=0.1
10-5320 3.6 11 36 110
10-4100 1.1 3.6 11 36
10-332 0.36 1.1 3.6 11
10-210 0.11 0.36 1.1 3.6
10-13.2 0.036 0.11 0.36 1.1
1 1 0.011 0.036 0.11 0.36
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
〈제 1 실시예〉
우선, 하지 기판 상에, 하지 기판과는 다른 결정계의 버퍼층을 형성한다. 버퍼층은 미세한 결정 그레인들의 결합에 의해 형성되며, 버퍼층 상에 형성된 에피택시얼층과 동일한 결정계로 된다. 버퍼층의 격자 정수는 에피택시얼층의 격자 정수의 값에 거의 근사한 값으로 설정된다.
그 후, 버퍼층의 표면으로부터 습식 식각을 수행한다. 여기서, 버퍼층은 다수의 결정 그레인 경계부들을 포함하며, 습식 식각은 통상적으로 평탄하게 진행되지 않는다. 식각 속도에 대해서는, 결정 그레인 경계부에서 식각이 빠르게 진행되어, 결정 그레인부가 남게 되는 것을 쉽게 알 수 있다. 버퍼층은 상기 방법으로 이종 하지 기판 상에 섬 형상 결정으로 남게 된다. 상술한 바와 같이 섬 형상 결정을 형성하므로, 단결정 구조가 제공된다.
그 위에 섬 형상 결정이 형성되는 이종 하지 기판 상에서, 소정의 에피택시얼 성장이 수행된다. 두께가 섬 형상 결정의 두께(높이)의 수 배 정도의 두께를 초과하는 경우, 평탄한 표면을 갖는 에피택시얼 성장층을 얻게 된다.
〈제 2 실시예〉
이종 하지 기판 상에 직접 형성된 버퍼층은 통상적으로 충분히 만족할만한 결정 특성을 제공하지 않으며, 대부분의 경우 통상적으로 수 백 나노미터의 미세한 직경을 갖는 결정 그레인으로 구성된다. 따라서, 단결정층을 포함한 섬 형상 결정을 형성하기 위해, 하지 기판 상에 제 1 버퍼층을 형성한 후, 제 1 버퍼층 형성 온도보다 더 높은 온도로 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성한 후, 이들 버퍼층을 습식 식각하는 공정들로 이루어진 방법이 효율적이다.
예를 들어, 약 0.1 ㎛ 정도의 두께로 제 1 버퍼층을 형성한 후, 수 마이크로미터 내지 약 수 십 마이크로미터의 두께로 제 1 버퍼층 형성 온도보다 높은 온도에서 제 2 버퍼층을 형성한다. 이러한 경우, 제 2 버퍼층의 형성 후에 습식 식각을 수행하여, 비교적 큰 그레인 크기를 갖는 상층부를 구비한 섬 형상 결정을 형성할 수 있게 된다. 이러한 경우, 습식을 조금 더 오래 수행하면, 작은 결정 그레인들이 정리됨으로써, 섬 형상 결정의 상층부는 단결정을 형성하게 된다. 따라서, 대부분의 섬 형상 결정들의 적어도 상층부는 단결정을 형성하게 된다. 그 상층부들 상에 단결정층을 갖는 다수의 섬 형상 결정들을 웨이퍼 상에 형성하고 웨이퍼를 결정 성장용 하지 기판으로 이용할 때, 핵으로서 섬 형상 결정의 단결정부를 이용한 에피택시얼 성장이 진행되며, 에피택시얼층은 결정 결함을 거의 갖지 않으므로 상당히 높은 결정 특성을 얻을 수 있게 된다.
그 위에 형성된 단결정층을 포함한 섬 형상 결정을 하지 기판으로 이용하여 에피택시얼층을 수행함으로써 결정 결함을 현저하게 감소시킬 수 있다는 사실은, (나중에 예에서 설명되는)실험에 따라 본 발명자 등에 의해 확인되었다. 실험 결과로부터, 결정 그레인 경계부는 에피택시얼층으로 유입되는 전위의 큰 원인으로 관련되어 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서 제 1 및 제 2 버퍼 결정층들을 형성하는 방법의 구체적인 예를 설명한다.
(제 1 버퍼층의 형성 조건들)
예를 들어, 사파이어 (0001) 기판 등의 이종 기판 상에 제 1 버퍼층의 형성은, 유기금속 기 이상 에피택시(MOVPE; metalorganic vapor phase epitaxy)법에 의해 수행된다. 여기서, 제 1 버퍼층은, 결정 제 2 버퍼층 또는 제 2 버퍼층 상에 형성된 에피택시얼층이 형성되는 온도 이하의 온도에서 형성되는 것이 바람직하며, 이 온도는 400 ℃ 내지 600 ℃ 정도로 되는 것이 바람직하다. 막형성 가스원으로는, 제 1 버퍼층이 GaN 으로 구성되는 경우, 예를 들어, Ga 가스원으로 트리메틸갈륨을 이용하며, 질소 가스원으로서 암모니아를 이용한다. 제 1 버퍼층의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 20 내지 200 nm 로 된다.
(제 2 버퍼층의 형성 조건들)
제 2 버퍼층은 하이드라이드 VPE 법 등에 의해 형성된다. 성장 온도는 제 1 버퍼층의 성장 온도보다 높게 설정되는 것이 바람직하며, 900 내지 1100 ℃ 의 범위로 되는 것이 바람직하며, 950 내지 1000 ℃ 의 범위로 되는 것이 더욱 바람직하다. 제 2 버퍼층의 두께는, 예를 들어, 500 내지 5000 nm 의 범위로 된다.
제 2 버퍼층의 성장 속도는 그 후 형성되는 에피택시얼층의 성장 속도보다 느리게 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 경우 얻어진 에피택시얼층의 결정 결함을 더 효율적으로 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 제 2 버퍼층의 성장시 재료 공급량은 에피택시얼층의 성장시 재료 공급량보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
〈제 3 실시예〉
〈제 1 실시예〉에서, 버퍼층을 형성한 후, 식각을 수행하여 섬 형상 결정을 형성하게 된다. 예에서 나중에 설명되는 바와 같이, 적당한 조건들 하에서 퇴적법에 의해 섬 형상 결정을 직접 형성할 수 있다. 이 실시예에서는, 섬 형상 버퍼층의 퇴적에 대해서, 소망하는 에피택시얼 결정과 동일한 결정계로서 근사한 격자 정수를 갖는 재료를 비교적 낮은 온도에서 적당한 두께로 퇴적하며, 성장 온도를 상승시켜 제 2 버퍼층을 형성함으로써 결정 입자크기를 대형화할 수 있게 된다. 제 1 버퍼층의 형성후에 온도를 상승시키는 공정에 의해, 또는 제 2 버퍼층에 적층한 후 에피택시얼 성장 조건들을 식각 조건들로 변화시킴으로써 섬 형상을 형성하게 된다.
그 후, 소망의 에피택시얼 성장이 수행되며, 후속하는 상황들은 〈제 1 실시예〉에서 설명된 것들과 유사하다. 섬 형상 결정의 입자 크기 또는 간격 또한, 버퍼층 형성시의 조건, 성장 온도 또는 재료 가스 공급 속도 등에 따라 조절될 수 있다.
〈제 4 실시예〉
이것은 제 3 실시예의 변형이지만, 이종 하지 기판이 쉽게 열분해되거나, 소망의 에피택시얼층을 형성하는 재료 가스 등에 의해 화학분해가 일어나는 경우에는, 버퍼층 형성 공정에 있어서, 이종 하지 기판에서 부분적으로 분해가 발생함과 동시에 섬 형상 결정이 형성된다. 이종 하지 기판의 일 예로서, 소망의 에피택시얼층이 Ⅲ 족 원소의 질화물계 재료로 이루어지는 경우에는, GaAs, GaP 및 GaAsP 또는 실리콘 등의 Ⅲ-Ⅴ 족 원소의 화합물 반도체를 아주 쉽게 얻을 수 있으며 이용할 수 있게 된다. 특히, 이종 하지 기판을 이용하는 경우에는, 에피택시얼층 성장후에 하지 기판을 쉽게 제거할 수 있는 큰 잇점이 있다. 소망의 에피택시얼층이 Ⅲ 족 질화물계 재료들로 이루어지는 경우에는, 에피택시얼 성장시 너무 과도한 열분해로 인해 InP 는 부적절하게 된다. 통상적으로, 이용되는 이종 하지 기판의 녹는점은 소망의 에티택시얼 성장온도보다 200 도 이상 높은 것이 바람직하다.
섬 형상 결정을 형성한 후, 소망의 에피택시얼 성장을 수행하지만, 〈제 2 실시예〉의 경우에서와 같이, 후속하는 상황들이 〈제 1 실시예〉에 설명된 것들과 기본적으로 유사하다. 또한, 이것은 섬 형상 결정의 입자 크기 및 간격을 버퍼층 형성 조건들에 의해 조절할 수 있다는 점에서 제 2 실시예와 유사하다.
〔예들〕
이하, 예들을 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
예들에서, 인산과 황산의 1:1 혼합액(체적비)을 이용하여 얻어진 에피택시얼층을 습식-식각 한 후, 투과형 전자현미경을 이용하여 막 표면의 관측에 의해 식각 피트 밀도를 측정하였다. 식각 피트 밀도는 에피택시얼층에서의 전위밀도를 나타낸다.
또한, 각 예들에서는, 섬 형상 결정이 형성되며, 어떤 섬 형상 결정의 프로파일도 다음의 범위내에 존재한다.
하지 기판에 대한 피복율 : 0.1 % 내지 60 %(예 1 에서 90 % 의 피복율은 제외)
평균 입자크기 : 0.1 내지 10 ㎛
인접한 섬 형상 결정들간의 평균 간격 : 10 내지 500 ㎛
수 밀도 : 10-5내지 10-2개/㎛2
예 1
이하, 도 1 을 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (0001) 면 사파이어(Al2O3)기판 (11) 을 기판 (도 1(a))으로 이용한다. 트리메틸갈륨(TMG)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아(NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하며, 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 캐리어 가스로 이용하는 유기금속 기 이상 에피택시(MOVPE)법에 의해 1.5 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (12) 을 기판 (11) 상에 형성한다. GaN 막 (12) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, 세정된 표면을 갖는 사파이어 기판 (11) 을 MOVPE 장치의 성장 영역내에 놓는다. 그 후, H2가스 분위기에서, 온도를 1050 ℃ 까지 상승시키며 기판 (11) 의 표면 상에 열처리를 수행한다. 다음에, 기판 (11) 의 온도를 500 ℃ 까지 낮춘다. 온도가 안정된 후, TMG 및 NH3가 공급되어, 20 nm 의 두께를 갖는 GaN 층을 형성한다. 이러한 경우, TMG 및 NH3의 공급량은 각각 10 ㎛ mol/분과 4000 ㎝3/분으로 된다. 또한, NH3가스를 공급하면서, 기판 (11) 의 온도를 1050 ℃ 까지 상승시킨다. 온도가 안정화된 후, TMG 를 공급함으로써, 약 1.5 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (12) 을 형성한다. 이러한 경우, TMG 및 NH3의 공급량은 각각 50 ㎛ mol/분과 4000 ㎝3/분으로 된다. GaN 막 (12) 을 형성한 후, NH3분위기에서, 약 600 ℃정도의 온도까지 냉각한다. 기판 (11) 의 온도가 약 500 ℃ 에 도달하면, NH3가스의 공급을 정지한다. 그 후, H2가스를 N2가스로 바꿔, 정상 온도까지 냉각하며, MOVPE 장치로부터 기판을 제거한다.
다음에, 기판 (11) 상의 GaN 막 (12) 을 용액에 의해 섬 형상으로 식각한다(도 1(c)). GaN 막 (12) 을 섬 형상으로 형성하는 식각은, 수분이 증발된 인산과 황산의 1:1(체적비)혼합액을 270 ℃ 의 온도로 상승시키는 데에 이용된다. 30 분 동안 식각하여, GaN 막 (12) 을 섬 형상으로 제거하여, 개구부 (13) 를 형성한다. 이 조건하에서, GaN 막 (12) 에 형성된 개구부 (13) 의 비율은 약 50 % 로 된다. 이 용액이 사파이어도 식각할 수 있으므로, GaN 막 (12) 이 제거되는 개구부 (13) 의 영역 내의 사파이어 기판 (11) 의 표면 상에 홈 (14) 을 형성한다.
또한, 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 섬 형상으로 형성된 GaN 막 (12) 상에 GaN 막 (15) 을 형성한다(도 1(d) 내지 도 1(f)). GaN 막 (15) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 상술한 바와 같이 제조된 기판을 놓는 공정, 600 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 H2가스를 공급하는 공정, 및 1040 까지 온도를 상승시키면서 NH3가스를 더 공급하는 공정을 구비한다. 성장 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. 이러한 경우, Ga 상에 공급된 HCl 의 양은 40 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1000 ㎝3/분으로 된다. 상기 성장에서는, 개구부 (13) 내의 기판 (11) 의 홈 (14) 의 표면 상에서 GaN 의 성장이 거의 발생하지 않으므로, GaN 막 (12) 의 표면과 개구부 (13) 의 측면 상에서 에피택시얼 성장을 수행하게 된다(도 1(d)). GaN 막 (15) 의 성장이 진행됨에 따라, 개구부 (13) 의 영역은 점진적으로 임배딩된다. 성장이 더 계속되면, 개구부 (13) 는 완전히 임배딩된다(도 1(e)). 또한, GaN 막 (15) 의 표면 상에서 발생하는 오목/볼록 형상이 평탄하게 될 때까지 에피택시얼 성장을 계속하게 된다. 150 ㎛ 두께를 갖는 GaN 막 (15) 은 2.5 시간동안의 에피택시얼 성장에 의해 형성된다. 또한, 에피택시얼 성장에 의한 GaN 막 (15) 의 형성이 종료된 후에도 홈 (14) 은 남아있게 된다(도 1(f)). GaN 막 (15) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하고, NH3가스의 공급을 정지한다. 그 후, 정상 온도를 얻기 위해 냉각을 수행하며, H2가스를 N2가스로 바꾸고, HVPE 장치로부터 기판을 제거한다.
약 8 ㎛ 이상 두께의 직접 성장된 막에서 문제를 일으키는 어떠한 크랙이나 파열 없이 기판 (11) 상에 GaN 막 (15) 을 형성할 수 있다. 도 1(f) 의 상태에 대응하는 SEM 사진이 도 15 에 도시되어 있다. 도 15 는 GaN 막 (15) 과 사파이어 기판 (11) 의 계면 근방의 단면도를 나타낸다. 도면의 하부는 도 1(f) 의 사파이어 기판 (11) 에 대응하며, 도면의 상부는 도 1(f) 의 GaN 막 (15) 에 대응한다. 또한, 도면 중앙의 삼각형상의 부분은 도 1(f) 의 홈 (14) 을 나타낸다. 이 도면으로부터, 용액 식각에 의해 형성된 개구부 (13)(도 1(f))가 완전히 임배딩되며 사파이어 기판 (11) 의 표면에 형성된 홈 (14) 에서 어떠한 성장도 발생하지 않음을 알 수 있다. 또한, 용액에 의한 GaN 막 (15) 표면의 식각 피트 밀도를 측정한 결과, 1×107/㎝2의 값으로 되었고, 마스크를 이용한 선택적 성장에 의해 형성된 GaN 막의 값과 동일하였다.
이 예에서 형성된 GaN 막 (15) 은 결점이 거의 없기 때문에, 어떠한 크랙도 발생하지 않으며, GaN 막 (15) 상에서 레이저 구조, FET 구조, HBT 및 다른 장치 구조를 성장시킴으로써 특성들을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 연마, 화학적 식각, 레이저 등에 의해 기판으로부터 사파이어 기판 (11) 을 박리시킴으로써, GaN 막 (15) 을 기판 결정으로 이용할 수 있다.
다음으로, 이 예의 방법과 유사한 방법이 이용되며 (섬 형상 결정에 의해 점유된 면적을 하지 기판의 표면 면적으로 나누어 얻어진 값)섬 형상 결정의 피복율과 섬 형상 결정으로부터 성장된 에피택시얼층에서의 전위 밀도간의 관계식이 얻어지는 결과를 도 10 에 도시하였다. 여기서, 섬 형상 결정의 피복율은 인산과 황산의 혼합액에 의해 식각 시간을 조절함으로써 제어되었다. 이 도면으로부터, 피복율을 0.6 이하로 설정함으로써 전위 밀도를 현저하게 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
이 예에서는, 성장 속도가 빠른 하이드라이드 VPE 방법을 이용하여 GaN 막 (15) 을 형성하였지만, 유기금속 기 이상 에피택시법(MOVPE)을 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 사파이어 기판 (11) 을 하지 기판으로 이용하였지만, Si 기판, ZnO 기판, SiC 기판, LiGaO2기판, MgAl2O4기판, NdGaO3기판, GaAs 기판 등을 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 예에서는, 기판 (11) 상에 형성된 GaN 막을 이용하였지만, AlxInyGazN 막(x+y+z=1), AlxGa1-xN 막(x≤1), InxGa1-xN 막(x≤1), InN 막, InxGa1-xAs 막(x≤1), 또는 InxGa1-xP 막(x≤1)을 형성하는 경우에도, 유사한 효과를 얻게 된다. 이 예에서는, GaN 막 (15) 의 에피택시얼 성장을 설명하였지만, AlxGa1-xN 막(x≤1), InxGa1-xN 막(x≤1), InN 막, InxGa1-xAs 막(x≤1), 또는 InxGa1-xP 막(x≤1)을 에피택시얼 성장하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 불순물들이 도핑되는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다.
예 2
이하, 도 2 를 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (0001) 면 사파이어(Al2O3) 기판 (21) 을 기판으로 이용한다(도 2(a)). 트리메틸갈륨(TMG)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아(NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하며, 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 캐리어 가스로 이용하는 유기금속 기 이상 에피택시(MOVPE)법에 의해 크랙 (23) 을 갖는 약 2 ㎛ 두께의 Al0.2Ga0.8N 막 (22) 을 기판 (21) 상에 형성한다(도 2(b)). Al0.2Ga0.8N 막 (22) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, 세정된 표면을 갖는 사파이어 기판 (21) 을 MOVPE 장치의 성장 영역내에 놓는다. 그 후, H2가스 분위기에서, 온도를 1050 ℃ 까지 상승시키며 기판 (21) 의 표면 상에 열처리를 수행한다. 다음에, 온도를 500 ℃ 까지 낮추고 안정화한 후, TMG, TMA 및 NH3가 공급되어, 20 nm 의 두께를 갖는 AlGaN 층을 형성한다. TMG, TMA 및 NH3의 공급량은 각각 10 ㎛ mol/분, 2 ㎛ mol/분 및 3000 ㎝3/분으로 된다. 또한, NH3가스를 공급하면서, 기판 (21) 의 온도를 1020 ℃ 까지 상승시킨다. 온도가 안정화된 후, TMG, TMA 를 공급하여, 약 1 ㎛ 의 두께를 갖는 Al0.2Ga0.8N 막 (22) 을 형성한다. 이러한 경우, TMG, TMA 및 NH3의 공급량은 각각 50 ㎛ mol/분, 40 ㎛ mol/분 및 4000 ㎝3/분으로 된다. Al0.2Ga0.8N 막 (22) 을 형성한 후, NH3분위기에서, 약 600 ℃정도의 온도까지 냉각하여, NH3가스의 공급을 정지한다. 또한, H2가스를 N2가스로 바꿔, 정상 온도까지 냉각하며, MOVPE 장치로부터 기판을 제거한다.
사파이어 기판 (21) 과의 격자 승수의 차이로 인해 상술한 바와 같이 Al0.2Ga0.8N 막 (22) 에서 크랙 (23) 이 발생한다. 다음으로, 용액에 의해 기판 (21) 상의 Al0.2Ga0.8N 막 (22) 상에 기판 (21) 의 개구부 (24) 및 홈 (23) 을 형성한다(도 2(c)). 식각 용액은, 인산(H3PO4)과 황산(H2SO4)을 1:1.5 비율로 혼합하여 얻어지며, 280 ℃ 의 온도로 상승시키는 데에 이용된다. Al0.2Ga0.8N 막 (22) 의 크랙 (23) 영역내에서 식각 공정이 빠르게 진행되므로, 크랙 (23) 을 따라 개구부 (24) 를 형성할 수 있게 된다. 상술한 예 1 에서와 같이 용액이 사파이어도 식각할 수 있으므로, Al0.2Ga0.8N 막 (22) 의 개구부 (24) 를 따라 기판 (21) 표면 상에 홈 (25) 을 형성할 수 있게 된다. 또한, 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 예 1 에서와 동일한 방법으로 개구부 (24) 및 홈 (25) 이 형성된 기판 (21) 상에 GaN 막 (26) 을 형성한다(도 2(d) 내지 도 2(e)). GaN 막 (26) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 상술한 바와 같이 제조된 기판을 놓는 공정, 및 600 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 H2가스를 공급하는 공정을 구비한다. 또한, 1020 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 NH3가스를 공급한다. 성장 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. Ga 상에 공급된 HCl 의 양은 40 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 800 ㎝3/분으로 된다. GaN 의 HVPE 성장에서는, 개구부 (24) 내의 홈 (25) 에서 성장이 쉽게 발생하지 않으므로, Al0.2Ga0.8N 막 (22) 의 표면과 측면 상에서 성장을 수행하게 된다(도 2(d)). 에피택시얼 성장이 더 계속되면, 개구부 (13) 의 영역은 점진적으로 임배딩된다. 성장이 더 계속되면, GaN 막 (26) 은 예 1 에서와 같이 홈 (25) 영역을 충진하며, 그 후 평탄한 표면을 형성할 수 있게 된다(도 2(e)). 300 ㎛ 두께를 갖는 GaN 막 (26) 은 4 시간동안의 성장에 의해 형성된다. 또한, GaN 막 (26) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하고, NH3가스의 공급을 정지한다. 그 후, 정상 온도를 얻기 위해 냉각을 수행하며, H2가스를 N2가스로 바꾸고, 성장 장치로부터 기판을 제거한다. 기판 (21) 상의 GaN 막 (26) 은 예 1 에서와 같이, 어떠한 크랙 이나 파열 없이 형성되었다. 또한, 용액에 의한 식각 피트 밀도를 측정한 결과, 1×107/㎝2의 값으로 되었고, 마스크를 이용한 선택적 성장에 의해 형성된 GaN 막의 값과 동일하였다.
이 예에서는, 0.2 의 Al 조성을 갖는 AlGaN 막 (21) 을 이용하였지만, Al 조성 및 막 두께를 변경함으로써, 크랙 (23) 의 양 및 방향을 결정할 수 있게 된다. 또한, 개구부 (24) 의 형상은 식각 시간, 온도 및 용액의 혼합비에 의해 제어될 수 있다.
이 예에 따르면, 결정 결함이 거의 없는 GaN 막 (26) 을 얻을 수 있었다. 이 예에서는, (0001) 면 사파이어 기판 상에 직접 Al0.2Ga0.8N 막 (22) 을 형성하였지만, InxGa1-xN 막(1≤x≤0), GaN 막, InGaAs 막, ZnO 막 또는 SiC 막을 형성하기 위한 기판 재료를 사파이어 기판 상에서 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 예에서는, (0001) 사파이어 기판을 기판 (11) 의 재료로 이용하였지만, Si 기판, ZnO 기판, SiC 기판, LiGaO2기판, MgAl2O4기판, NdGaO3기판, GaAs 기판, AlxGa1-xN 기판(0≤x≤1) 등을 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다.
예 3
이하, 도 3 을 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (0001) 면 사파이어 기판 결정을 기판 (31) 으로 이용한다(도 3(a)). 기판 (31) 상에 섬 형상 GaN 막 (32) 을 형성한다(도 3(b)). 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 섬 형상 GaN 막 (32) 을 형성한다. GaN 막 (32) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 기판을 놓는 제 1 세팅 공정, 및 600 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 H2가스를 공급하는 공정을 구비한다. 또한, 1020 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 NH3가스를 공급한다. 성장 온도가 안정화된 후, Ga 상에 HCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. GaCl 의 공급량은 5 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 500 ㎝3/분으로 된다. 1분 동안의 공급에 의해 약 2 ㎛ 의 높이를 갖는 섬 형상 GaN 막 (32) 을 형성하였다. GaN 막 (32) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 정상 온도까지 냉각하며, H2가스를 N2가스로 바꾸고 성장 장치로부터 기판을 제거한다. 상술한 막 형성 방법을 채용함으로써, 섬 형상으로 GaN 막 (32) 을 형성한다.
다음으로, 섬 형상 GaN 막 (32) 및 기판 (31) 표면의 노출된 일부 (33) 를 식각하여, 기판 (11) 에 홈 (34) 을 형성한다(도 3(c)). 염소(Cl2)를 이용한 반응 이온 식각 방법(RIBE)에 의해 식각을 수행한다. 형성 수순은 RIBE 장치 상에 기판 (31) 을 놓는 세팅 공정, 및 0.6 mtorr 로 장치내의 압력을 감압하는 공정을 구비한다. 다음으로, 염소(Cl2)가스를 공급하여 장치내의 압력을 안정시킨 후, 500 V 의 가속 전압으로 식각을 수행한다. Cl2가스의 공급량은 6 ㎝3/분이며, 기판 (31) 의 온도는 정상 온도로 된다. 20 분 동안 식각함으로써, 기판 (31) 의 노출부 (33) 와 GaN 막 (32) 을 약 1 ㎛ 씩 제거하여, 노출부 (33) 의 기판 (31) 표면 상에 홈 (34) 을 형성할 수 있게 된다. 식각 후에, 가속 전압 및 Cl2가스의 공급을 정지하고, N2가스를 공급하여 장치내에 N2분위기를 형성하게 된다. Cl2가스를 충분히 퍼징한 후, 장치내의 압력을 정상 압력으로 설정하고 기판 (31) 을 제거한다.
다음으로, 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 다시 섬 형상 GaN 막 (32) 상에 GaN 막 (35) 을 형성한다(도 3(d), (e), (f)). 상술한 바와 같이, GaN 막 (35) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 기판을 놓는 제 1 세팅 공정, 및 H2가스 분위기에서 600 ℃ 까지 온도를 상승시키는 공정을 구비한다. 600 ℃ 의 온도가 얻어진 후, NH3가스를 공급하여 1020 ℃ 까지 온도를 상승시킨다. 성장 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. Ga 상에 공급된 HCl 의 양은 20 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1200 ㎝3/분으로 된다. 성장 공정에서는, 상술한 예 1 및 예 2 에서와 같이, 성장이 진행된다. 5시간 동안의 성장에 의해 250 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (35) 을 형성한다. GaN 막 (35) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하며, H2가스를 N2가스로 바꾸고 성장 장치로부터 기판을 제거한다.
이 예에 따르면, 결정 결함이 거의 없는 GaN 막 (35) 을 얻을 수 있게 된다. 이 예에서는, 사파이어를 식각하는 데에 건식 식각을 이용하였지만, 용액 식각에 의해서도 유사한 효과를 얻게 된다. 또한, GaN 막의 도트 성장(섬 형상 성장)에 있어서 하이드라이드 VPE(HVPE)방법을 이용하였지만, MOVPE 방법에 의해 막을 형성하는 경우에도, 유사한 효과를 얻게 된다. 또한, 이 막은 GaN 막에 한정되지 않으며, 섬 형상 성장이 가능하다면, AlxGa1-xN 막(0≤x≤1), InxGa1-xN 막(0≤x≤1), 또는 InAlGaN 막으로부터도 유사한 효과를 얻게 된다.
예 4
이하, 도 4 를 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (111) 면 실리콘(Si) 기판 결정을 기판 (41) 으로 이용한다(도 4(a)). 기판 (41) 상에 섬 형상 GaN 막 (42) 을 형성한다(도 4(b)). 예 3 에서와 같이, 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 섬 형상 GaN 막 (42) 을 형성한다. GaN 막 (42) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 기판을 놓는 제 1 세팅 공정, 및 H2가스분위기에서 600 ℃ 까지 온도를 상승시키는 공정을 구비한다. 600 ℃ 의 온도가 얻어진 후, NH3가스를 공급하여 1050 ℃ 까지 온도를 상승시킨다. 성장 온도가 안정화된 후, HCl 을 Ga 상에 공급하여 GaN 을 성장시킨다. HCl 의 공급량은 5 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 300 ㎝3/분으로 된다. 1분 동안의 공급에 의해 약 1 내지 2 ㎛ 의 높이를 갖는 섬 형상 GaN 막 (42) 을 형성할 수 있게 된다(도 4(b)). GaN 막 (42) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 600 ℃ 까지 냉각하며, NH3가스의 공급을 정지한다. 또한, 정상 온도까지 냉각하면, H2가스를 N2가스로 바꾸고 성장 장치로부터 기판을 제거한다.
다음으로, 기판 (41) 표면의 노출 영역 (43) 을 용액에 의해 용액 식각하여 홈 (44) 을 형성하게 된다(도 4(c)). 질산과 플루오르화 수소산의 혼합액(질산 : 플루오르화 수소산 : 물 = 1 : 1 : 2, 체적비)을 이용한 습식 식각에 의해 기판 (41) 표면내의 홈 (44) 을 형성하였다.
또한, 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)을 이용하여 섬 형상 GaN 막 (42) 상에 GaN 막 (45) 을 형성한다(도 4(d)). GaN 막 (45) 을 형성하는 수순은 HVPE 장치 상에 기판을 놓는 세팅 공정, 및 H2가스분위기에서 650 ℃ 까지 온도를 상승시키는 공정, NH3가스를 공급하는 공정 및 1000 ℃ 까지 온도를 상승시키는 공정을 구비한다. 성장 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. HCl 의 공급량은 20 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1000 ㎝3/분으로 된다. 성장시, 기판 (41) 내에 형성된 홈 (44) 에서 GaN 은 쉽게 성장되지 않는다. 따라서, GaN 은 섬 형상 GaN 막 (42) 의 표면과 측면 상에서 우선적으로 성장한다(도 4(e)). 성장이 계속되면, 인접한 GaN 막 (42) 으로부터 성장된 GaN 막 (45) 이 노출 영역 (43) 을 충진하며, 기판 (41) 표면에 형성된 홈 (44) 내에 동공을 형성한다(도 4(e)). 또한, 예 1, 2, 3 과 동일한 방법으로 에피택시얼 성장을 계속하여, GaN 막 (45) 표면을 평탄화할 수 있게 된다.(도 4(f)). 8시간 동안의 성장에 의해 400 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (45) 을 형성하였다. GaN 막 (45) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하고, NH3가스의 공급을 정지한다. 또한, 정상 온도를 얻기 위해 냉각을 수행하고, H2가스를 N2가스로 바꾸며 성장 장치로부터 기판을 제거한다. 취해진 기판 (41) 상에 GaN 막 (45) 을 어떠한 크랙이나 파열 없이, 예 1 에서와 같이 형성하였다.
다음으로, 기판 (41) 을 제거하고, 후면을 연마하여 평탄화함으로써, 단일체 구조 결정으로 GaN 막 (45) 을 형성할 수 있게 된다(도 4(g)). 질산과 플루오르화 수소산의 혼합액을 이용하여 기판의 식각 제거를 수행한다. 1:1 혼합액내에 24 시간 동안 기판을 담금으로써, 기판 (41) 을 제거하여, 연마 및 평탄화 하였다. 상기 혼합액은 실리콘을 분해하지만, GaN 막 (45) 을 거의 식각하지 않으므로, 하지 기판으로서 실리콘 기판을 바람직하게 제거할 수 있게 된다.
이 예에서는, (111) 면 실리콘 기판을 기판 결정 (41) 에서 이용하였지만, 임의 방향으로 약간 기울어진 (111) 면, (100) 면 또는 다른 면을 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻게 된다. 홈의 형상 및 크기는 이용되는 기판 면에 따라 다르게 되지만, 어느 경우에든, 만족할 만한 에피택시얼층을 얻을 수 있게 된다.
또한, 구조는 실리콘 기판에 한정되지 않으며, GaAs 기판, GaP 기판, ZnO 기판, Si 기판 상에 형성된 GaAS 막을 갖는 기판 재료, 또는 다른 재료를 이용하는 경우에도, 만족할 만한 에피택시얼층을 얻을 수 있게 된다.
예 5
이 예에서는, 예 2 에 설명된 에피택시얼층을 형성하는 공정을 복수 회 반복한다.
이하, 도 5 를 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, 예 2 에서 설명된 도 2(a) 내지 도 2(e) 의 공정들을 우선 수행하게 된다. 특히, 크랙 (53) 을 갖는 Al0.2Ga0.8N 막 (52)(도 5(b)) 을 (0001) 면 사파이어(Al2O3) 기판 (51) 상에 형성한다(도 5(a)). 다음으로, 습식 식각을 수행하여 홈부분 (55) 을 기판 (51) 에 형성한 후, 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)을 이용하여 GaN 막 (54) 을 형성한다(도 5(c)). 이러한 경우 홈 (55) 은 기판 상에 남아있게 된다.
다음으로, 상술한 공정을 다시 반복한다. 특히, 크랙 (57) 을 갖는 Al0.2Ga0.8N 막 (56)(도 5(d)) 을 형성하고, 습식 식각을 이용하여 GaN 막 (54) 에 홈부 (59) 를 형성한 후, 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)을 이용하여 GaN 막 (58) 을 형성한다(도 5(e)).
상술한 바와 같이, 현저하게 저하된 결정 결함을 갖는 GaN 막 (58) 을 얻게 된다.
예 6
이하, 도 6 을 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (110) 방향으로 2 도의 기울어진 (100) 면을 갖는 GaAs 기판 결정을 기판 (61) 으로 이용한다(도 6(a)). 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)을 이용하여 기판 (61) 상에 섬 형상 GaN 막 (62) 을 형성함과 동시에, 기판 (61) 표면에 식각 홈 (63) 을 형성한다. 기판 (61) 표면 상에 섬 형상 GaN 막 (62) 및 홈 (63) 을 형성하는 수순은, HVPE 장치 상에 기판 (61) 을 놓는 세팅 공정, H2가스 분위기에서 700 ℃ 까지 온도를 상승하는 공정, 온도를 안정화시키는 공정 및 CaCl 및 NH3가스를 공급하여 섬 형상 GaN 막 (62) 을 형성하는 공정을 구비한다. Ga 상에 공급되는 HCl 의 양은 1 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1000 ㎝3/분으로 된다. 성장에 의해, 기판 (61) 표면 상에 섬 형상 GaN 막 (62) 을 형성하며 표면 홈 (63) 을 형성한다. GaN 의 성장이 진행됨에 따라, 섬 형상 GaN 막 (62) 이 넓어지며, 기판 (61) 표면 상의 홈 (63) 이 넓어지게 된다(도 6(c)). 성장이 더 진행됨에 따라, 인접한 섬 형상 GaN 막 (62) 과 결합이 발생하게 된다. 결합된 GaN 막 (62) 영역에서, 식각 공정은 기판 (61) 표면 상에서 정지한다. 또한, 성장이 계속되며, GaN 막 (62) 은 기판 (61) 표면을 완전하게 피복하게 된다(도 6(d)). 다음으로, 기판 (61) 의 온도를 1000 ℃ 까지 상승하면서 NH3가스를 공급한다. 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하고 GaN 막 (64) 을 형성한다. Ga 상에 공급된 HCl 의 양은 20 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1000 ㎝3/분으로 된다. 6시간 동안의 성장에 의해, 300 ㎛ 두께를 갖는 GaN 막 (64) 을 형성하였다(도 6(e)). GaN 막 (64) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하며, NH3가스의 공급을 정지한다. 또한, 정상 온도까지 냉각하여, H2가스를 N2가스로 바꾸고 성장 장치로부터 기판을 제거한다.
다음으로, 기판 (61) 을 제거하고, GaN 막 (64) 의 단일체를 형성한다(도 6(f)). 황산을 이용하여 기판 (61) 의 식각 제거를 수행한다. 기판을 12 시간 동안 담금으로써, 기판 (61) 을 제거하고, 연마를 수행하여 평탄한 후면을 형성하였다. 황산은 GaN 막 (64) 을 거의 식각할 수 없으므로, GaN 막 (64) 을 단일체로서 취할 수 있게 된다. 이 예에 따르면, 결정 결함이 거의 없는 GaN 막 (64) 을 얻게 되며, 기판을 쉽게 제거할 수 있게 된다.
예 7
이하, 도 7 을 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는, (0001) 면 사파이어(Al2O3)기판 (71) 을 기판으로 이용한다(도 7(a)). 트리메틸갈륨(TMG)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아(NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하며, 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 캐리어 가스로 이용하는 유기금속 기 이상 에피택시(MOVPE)법에 의해 기판 (71) 상에 섬 형상 GaN 막 (73) 을 형성한다(도 7(c)).
GaN 막 (73) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, 세정된 표면을 갖는 사파이어 기판 (71) 을 MOVPE 장치의 성장 영역내에 놓는다. 다음으로, H2와 N2가스의 혼합 분위기에서, 1100 ℃ 까지 온도를 상승시키고 기판 (71) 의 표면 상에 열처리를 수행한다. 다음으로, 기판 (71) 의 온도를 500 ℃ 까지 낮춘다. 온도가 안정화된 후, TMG 와 NH3를 공급하고, 30 nm 의 두께를 갖는 GaN 층 (72) 을 형성한다(도 7(b)). 이러한 경우, TMG 와 NH3의 공급량은 각각 10 μmol/분과 5000 ㎝3/분으로 되며, H2또는 N2가스를 10000 ㎝3/분씩 공급한다. GaN 막 (72) 을 형성한 후, NH3가스를 다시 공급하면서, 기판 (71) 의 온도를 1080 ℃ 까지 다시 상승시킨다. 온도 상승 공정에서는, GaN 막 (72) 의 일부를 증발시켜 미립자상의 GaN 막을 형성한다. 미립자상의 GaN 막을 바람직하게 형성하기 위해서는, GaN 막의 두께를 온도 상승 속도, 성장 온도 및 H2또는 NH3부분압력에 따라 적당하게 설정하는 것이 바람직하다.
그 후, 온도가 안정화된 후, TMG 를 공급하고, 에피택시얼 성장을 수행한다. 이로 인해, 패싯(facet)을 갖는 섬 형상 GaN 막 (73) 을 미립자상의 GaN 층 (72) 을 이용하여 핵으로서 형성하게 된다. 이러한 경우, TMG 의 공급량은 90 μmol/분으로 된다.
그 후, NH3분위기에서, 600 ℃ 까지 냉각한다. 기판 (71) 의 온도가 약 500 ℃ 에 도달하면, NH3가스의 공급을 정지하고, H2가스의 공급을 정지하며, 단지 N2가스만을 공급하여, 정상 온도까지 냉각하게 되며, 기판을 MOVPE 장치로부터 제거한다.
다음으로, 섬 형상 GaN 막 (73) 상에 GaN 막 (75) 을 형성한다(도 1(d)). 갈륨(Ga)과 염화수소(HCl)의 반응 생성물인 염화 갈륨(GaCl)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아 (NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하는 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 GaN 막 (75) 을 형성한다. GaN 막 (73) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, HVPE 장치 상에 기판 (71) 을 놓은 후, 약 600 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 H2가스를 공급한다. 다음으로, 온도를 1040 ℃ 까지 더 상승시키면서 NH3가스를 공급한다. 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 을 성장시킨다. 이러한 경우 GaCl 의 공급량은 20 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 1000 ㎝3/분으로 된다. HVPE 성장시, 사파이어 기판 (71) 표면 상의 노출부 (75) 에서는 GaN 의 성장이 쉽게 발생하지 않으므로, 거의 GaN 막 (73) 표면에서만 에피택시얼 성장이 진행되게 된다. GaN 막 (75) 의 성장이 진행되면, 노출부 (74) 가 임배딩된다. 성장이 더 계속되면, GaN 막 (75) 이 평탄화된다. 5 시간 동안의 에피택시얼 성장에 의해 300 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (75) 을 형성할 수 있게 된다. GaN 막 (75) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 약 600 ℃ 까지 냉각하며, NH3가스의 공급을 정지하고, 정상 온도까지 더 냉각하며, H2가스를 N2가스로 바꾸고 기판을 HVPE 장치로부터 제거한다.
기판 (71) 상의 GaN 막 (75) 을 어떠한 크랙이나 파열 없이 형성하였다. 또한, 사파이어 기판 (71) 을 이용하였지만, Si 기판, ZnO 기판, SiC 기판, LiGaO2기판, MgAl2O4기판, NdGaO3기판, GaP 기판 등을 이용하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 예에서는, 기판 (71) 상에 형성된 GaN 막을 이용하였지만, AlxInyGazN 막(x+y+z=1), AlxGa1-xN 막(x≤1), InxGa1-xN 막(x≤1), InN 막, InxGa1-xAs 막(x≤1), 또는 InxGa1-xP 막(x≤1)을 형성하는 경우에도, 유사한 효과를 얻게 된다. 이 예에서는, GaN 막 (75) 의 에피택시얼 성장을 설명하였지만, AlxInyGazN 막(x+y+z=1(0≤x,y,z≤1), AlxGa1-xN 막(0≤x≤1), InxGa1-xN 막(x≤1), InN 막, InxGa1-xAs 막(x≤1), 또는 InxGa1-xP 막(x≤1)을 에피택시얼 성장을 하는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 불순물들이 도핑되는 경우에도, 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다.
예 8
이하, 도 8 을 참조하여 이 예를 설명한다. 이 예에서는 (0001) 면 사파이어(Al2O3) 기판 (81) 을 기판으로 이용한다(도 8(a)). 트리메틸갈륨(TMG)을 Ⅲ족 원소의 원료로 이용하며, 암모니아(NH3)가스를 Ⅴ족 원소의 원료로 이용하며, 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 캐리어 가스로 이용하는 유기금속 기 이상 에피택시(MOVPE)법에 의해 50 nm 의 두께를 갖는 GaN 막 (82) 을 기판 (81) 상에 형성한다.(도 8(b)). GaN 층 (82) 의 두께는 20 내지 300 nm 의 범위로부터 적절하게 선택될 수 있다.
GaN 막 (82) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, 세정된 표면을 갖는 사파이어 기판 (81) 을 MOVPE 장치의 성장 영역내에 놓는다. 다음으로, H2가스 분위기에서, 1050 ℃ 까지 온도를 상승시키고, 기판 (81) 의 표면 상에 열처리를 수행한다. 다음으로, 온도를 500 ℃ 까지 낮춘다. 온도가 안정화된 후, TMG 와 NH3 를 각각 10 μmin/분과 5000 ㎝3/분으로 공급하며 H2가스와 N2가스를 각각 12000 ㎝3/분과 10000 ㎝3/분으로 공급함으로써, GaN 층 (82) 을 형성한다. GaN 막 (82) 을 형성한 후, N2가스만을 냉각하여 정상 온도에 도달하게 되며, 기판을 MOVPE 장치로부터 제거한다.
다음으로, 섬 형상 GaN 막 (83), 및 평탄한 표면을 갖는 GaN 층 (84) 을 하이드라이드 VPE 방법(HVPE)에 의해 예 7 에서와 동일한 방법으로 형성한다(도 8(c), (d)). 섬 형상 GaN 막 (83) 및 GaN 층 (84) 을 형성하는 수순은 다음과 같다. 우선, 기판을 HVPE 장치 상에 놓으며, 600 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 H2가스를 공급한다. 또한, 1020 ℃ 까지 온도를 상승시키면서 NH3가스를 공급한다. 온도 상승 공정에서는, GaN 층 (82) 의 대부분이 증발되어, 미립자상의 GaN 막을 형성하게 된다. 미립자상의 GaN 막을 형성하기 위해서는, GaN 막의 두께를 온도 상승 속도, 성장 온도, 및 H2또는 NH3부분 압력에 따라 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 성장 온도가 안정화된 후, GaCl 을 공급하여 GaN 막 (83) 을 성장시킨다. HVPE 성장에서는, 미립자상의 GaN 막 (82) 의 표면만을 기점으로 실질적으로 이용하여 성장이 진행되며, 섬 형상 GaN 막 (83) 을 형성한다(도 8(c)). 이 상태에서의 단면 SEM(scanning electron microscope)사진이 도 13 에 도시되어 있다. 이러한 경우 Ga 상에 공급되는 HCl 의 양은 5 ㎝3/분이며, NH3가스의 공급량은 500 ㎝3/분으로 된다.
Ga 상에 공급된 HCl 의 양을 40 ㎝3/분으로 증가시키고 NH3가스의 유속을 1200 ㎝3/분으로 증가시키며 에피택시얼 성장을 계속함으로써, 섬 형상 GaN 막 (83) 표면 상에서 성장을 수행하게 된다. 예 7 에서와 같이, GaN 막 (84) 은 인접한 섬 형상 GaN 층 (83) 으로부터 성장된 GaN 막과 결합한다. 또한, 성장을 계속함으로써, 평탄한 표면을 형성할 수 있게 된다. 4시간 동안의 성장에 의해 300 ㎛ 의 두께를 갖는 GaN 막 (84) 을 형성할 수 있게 된다. GaN 막 (84) 을 형성한 후, NH3가스를 공급하여, 600 ℃ 까지 냉각하고, NH3가스의 공급을 정지한다. 또한, 정상 온도에 도달할 때까지 냉각을 수행하고, H2가스를 N2가스로 바꾸고 기판을 성장 장치로부터 제거한다.
상술한 바와 같이 얻어진 GaN 막 (840 에서는 크랙이나 파열이 발견되지 않았다.
상술한 각각의 예들에서는, Ⅲ족 원소의 질화물계를 본 발명에 적용한 경우를 주로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 횡방향 성장을 능숙하게 이용하며, 재료를 에피택시얼 성장에만 한정하지 않는다. 따라서, 실리콘 기판 상에서 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 에피택시얼 성장에도 적용할 수 있게 된다. 또한, 이종 하지 기판은 단일 재료에 한정되지 않으며, 서로 다른 재료들로 이루어진 복수의 층들로 형성된 기판을 이용할 수도 있다.
예 9
이 예에서는, 본 발명의 방법에 의해 에피택시얼층을 형성한 후, 반도체 레이저를 구성하는 각 반도체 층을 에피택시얼층 상에 형성하는 경우를 나타낸다.
도 14(a) 는 사파이어 (0001) 면 기판 (161) 상에 예 1 과 유사한 방법으로 실리콘(Si)이 N형 불순물로서 도핑된 GaN 에피택시얼층(200 ㎛ 의 막 두께)(162) 을 형성하고 유기금속 기 이상 에피택시 방법(MOVPE)을 이용하여 기판 상에 반도체층들을 성장시킴으로써 형성된 질화갈륨계 레이저의 개략적인 단면도이다.
GaN 계 반도체 레이저 구조에 있어서, (a) 에 도시된 기판을 MOVPE 장치 상에 세팅하고, 수소 분위기에서 성장 온도를 1050 ℃ 까지 상승시킨다. 650 ℃ 의 온도로부터 NH3가스 분위기를 형성한다. Si 를 도핑한 1 ㎛ 두께의 n형 GaN 층 (163), Si 를 도핑한 0.4 ㎛ 두께의 n형 Al0.15Ga0.85N 클래드층 (164), Si 를 도핑한 0.1 ㎛ 두께의 n형 GaN 광가이드층 (165), 2.5 nm 두께의 언도프(undoped) In0.2Ga0.8N 양자웰층 및 5 nm 두께의 언도프 In0.05Ga0.95N 배리어층으로 이루어진 3주기 다중양자웰 구조 활성화층 (166), 마그네슘(Mg)을 도핑한 20 nm 두께의 p형 Al0.2Ga0.8N 층 (167), 마그네슘(Mg)을 도핑한 0.1 ㎛ 두께의 p형 GaN 광가이드층 (168), 마그네슘(Mg)을 도핑한 0.4 ㎛ 두께의 p형 Al0.15Ga0.85N 클래드층 (169), 및 마그네슘(Mg)을 도핑한 0.5 ㎛ 두께의 p형 GaN 콘택트층 (170) 을 순차적으로 형성함으로써, 레이저 구조를 제조하였다. p형 GaN 콘택트층 (170) 을 형성한 후, NH3분위기에서 정상 온도까지 냉각을 수행하고, 기판을 성장 장치로부터 제거한다. 2.5 nm 두께의 언도프(undoped) In0.2Ga0.8N 양자웰층 및 5 nm 두께의 언도프 In0.05Ga0.95N 배리어층으로 이루어진 3주기 다중양자웰 구조 활성화층 (166) 을 780 ℃ 의 온도에서 형성하였다.
다음으로, 레이저 구조를 형성한 결정을 연마 기계에 세팅하고, 사파이어 기판 (161) 및 GaN 막 (162) 을 50 ㎛ 씩 연마한다. 노출된 GaN 층 (165) 표면 상에 티타늄(Ti)/알루미늄(Al) n형 전극 (171) 을 형성하고, 전류를 제한하도록 p형 GaN 층 (170) 상에 SiO2막 (172) 을 형성함으로써, 니켈(Ni)/골드(Au) p형 전극 (172) 을 제조하였다(도 14(b)).
상술한 바와 같은 반도체 레이저를 구성하는 각 반도체 층은 만족할 만한 특성을 가졌으며 전위를 거의 갖지 않았다. 또한, 제조 수율이 만족할 정도이고, 제조 안정성은 뛰어났으며, 3kA/㎝2의 한계 전류밀도, 및 5 V 의 한계전압으로 실온 연속 발진을 얻었다.
이 예에서는, GaN 층 (162) 상에 레이저 구조를 형성한 후, 사파이어 기판 (161) 과 GaN 막 (162) 의 일부를 연마하였지만, 레이저 구조를 제조하기 전에 사파이어 기판 (161) 과 GaN 막 (162) 을 연마하는 경우에도 유사한 효과를 얻게 된다.
본 출원서는 일본국 평성 11 년 특허출원 제 301158 호에 기초하고 있으며, 그 내용을 여기서 참조하고 있다.

Claims (43)

  1. 에피택시얼 결정층을 성장시키기 위한 하지(base)로서 이용하는 결정성장용 하지 기판으로서,
    상기 에피택시얼 결정층과 다른 결정계의 하지 기판; 및
    상기 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들을 구비하되,
    상기 섬 형상 결정은 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정은 상기 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층, 및 상기 하부 다결정층 상에 형성된 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 상부 단결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정은 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정을 주로 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하지 기판은 오목/볼록 형상을 가지며, 상기 섬 형상 결정은 상기 오목/볼록 형상의 볼록부 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하지 기판의 표면에 대한 상기 복수의 섬 형상 결정들의 피복율은 0.1 % 내지 60 % 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 평균 입자크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접한 섬 형상 결정들 간의 평균 간격은 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 수 밀도는 10-5개/㎛2내지 10-2개/㎛2의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에피택시얼 결정층은 Ⅲ족 원소의 질화물계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판.
  10. 제 1 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 상기 섬 형상 결정 상에 에피택시얼 결정층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  11. 하지 기판 및 상기 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들로 이루어지며 상기 하지 기판과 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정성장용 하지 기판의 제조 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 버퍼층을 형성하는 공정; 및
    상기 버퍼층의 일부를 습식 식각하여 섬 형상 영역을 남김으로써, 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정층을 포함한 상기 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  12. 하지 기판 및 상기 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들로 이루어지며 상기 하지 기판과 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정성장용 하지 기판의 제조 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 제 1 성장 온도에서 제 1 버퍼층을 형성하는 공정;
    상기 제 1 성장 온도보다 높은 제 2 성장 온도에서 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 제 2 버퍼층을 형성하는 공정; 및
    상기 제 1 및 제 2 버퍼층들의 일부를 습식 식각하여 섬 형상 영역을 남김으로써, 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정층을 포함한 상기 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 습식 식각시, 상기 하지 기판의 노출면의 적어도 일부를 식각하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 습식 식각시, 상기 하지 기판의 노출면의 적어도 일부를 식각하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  15. 하지 기판 및 상기 하지 기판 상에 서로 분리되어 형성된 복수의 섬 형상 결정들로 이루어지며 상기 하지 기판과 다른 결정계의 에피택시얼 결정층을 성장시키는 하지로서 이용되는, 결정성장용 하지 기판의 제조 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 하지 기판의 표면 상에 직접 또는 다른 층을 경유하여 상기 에피택시얼 결정층과 동일한 결정계의 단결정층을 포함한 결정층을 섬 형상으로 퇴적하여 상기 섬 형상 결정을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정을 형성한 후, 상기 하지 기판의 노출면의 적어도 일부를 식각하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정은 상기 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층, 및 상기 하부 다결정층 상에 형성된 상부 단결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정은 상기 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층, 및 상기 하부 다결정층 상에 형성된 상부 단결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 섬 형상 결정은 상기 하지 기판 상에 형성된 하부 다결정층, 및 상기 하부 다결정층 상에 형성된 상부 단결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 하지 기판의 표면에 대한 상기 복수의 섬 형상 결정들의 피복율은 0.1 % 내지 60 % 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 하지 기판의 표면에 대한 상기 복수의 섬 형상 결정들의 피복율은 0.1 % 내지 60 % 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 하지 기판의 표면에 대한 상기 복수의 섬 형상 결정들의 피복율은 0.1 % 내지 60 % 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  23. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 평균 입자크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  24. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 평균 입자크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 평균 입자크기는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  26. 제 11 항에 있어서,
    상기 인접한 섬 형상 결정들 간의 평균 간격은 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  27. 제 12 항에 있어서,
    상기 인접한 섬 형상 결정들 간의 평균 간격은 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  28. 제 15 항에 있어서,
    상기 인접한 섬 형상 결정들 간의 평균 간격은 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  29. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 수 밀도는 10-5개/㎛2내지 10-2개/㎛2의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  30. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 수 밀도는 10-5개/㎛2내지 10-2개/㎛2의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  31. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 섬 형상 결정들의 수 밀도는 10-5개/㎛2내지 10-2개/㎛2의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  32. 제 11 항에 있어서,
    상기 에피택시얼 결정층은 Ⅲ족 원소의 질화물계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  33. 제 12 항에 있어서,
    상기 에피택시얼 결정층은 Ⅲ족 원소의 질화물계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  34. 제 15 항에 있어서,
    상기 에피택시얼 결정층은 Ⅲ족 원소의 질화물계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정성장용 하지 기판의 제조 방법.
  35. 제 11 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 하지 기판.
  36. 제 12 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 하지 기판.
  37. 제 15 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 결정 성장용 하지 기판.
  38. 기판 제조 방법으로서,
    제 11 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법을 이용하여 결정성장용 하지 기판을 제조하는 공정; 및
    다음으로, 상기 섬 형상 결정과 동일한 결정계의 에피택시얼 성장층을 형성하여 상기 섬 형상 결정을 임배딩하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
  39. 기판 제조 방법으로서,
    제 12 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법을 이용하여 결정성장용 하지 기판을 제조하는 공정; 및
    다음으로, 상기 섬 형상 결정과 동일한 결정계의 에피택시얼 성장층을 형성하여 상기 섬 형상 결정을 임배딩하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
  40. 기판 제조 방법으로서,
    제 15 항에 따른 결정성장용 하지 기판의 제조 방법을 이용하여 결정성장용 하지 기판을 제조하는 공정; 및
    다음으로, 상기 섬 형상 결정과 동일한 결정계의 에피택시얼 성장층을 형성하여 상기 섬 형상 결정을 임배딩하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
  41. 제 38 항에 따른 기판 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 기판.
  42. 제 39 항에 따른 기판 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 기판.
  43. 제 40 항에 따른 기판 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 기판.
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