KR20060123297A

KR20060123297A - 고품질 호모에피탁시용 미사면 질화갈륨

Info

Publication number: KR20060123297A
Application number: KR1020067011417A
Authority: KR
Inventors: 로버트 피. 바우도; 쉐핑 쉬; 제프레이 에스. 플린; 조지 알. 브랜디스
Original assignee: 크리 인코포레이티드
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-12-01
Also published as: EP1684973A2; WO2005050707A3; CN1894093A; JP2007534159A; US7390581B2; EP2277696A3; JP2011006319A; JP5496007B2; US20080199649A1; US20060228584A1; CN1894093B; CN102174712A; JP2016029008A; US20100148320A1; JP6067801B2; EP2277696A2; US8043731B2; JP5827674B2; WO2005050707A2; EP1684973B1

Abstract

본 발명은 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도에서, <0001> 방향에서 <10-10> 및 <11-20>으로 구성된 군으로부터 선택된 방향을 향하여 현저하게 오프컷된 (0001) 표면을 함유하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물, 즉, GaN 기판에 관한 것으로, 상기 표면은 1 nm 이하의 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의하여 측정된 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가진다. 기판은 볼(boule) 또는 웨이퍼 블랭크에 상응하는 오프컷 슬라이싱, 상응하는 미사면 헤테로에피택셜 기판, 즉, 오프컷 사파이어상에서 래핑 또는 기판몸체의 성장에 의하여 형성된다. 기판은 보통 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기반 마이크로전자 및 광전자 디바이스의 제작에서 호모에피택셜 증착을 위해 이용된다.

미사면, 질화갈륨

Description

고품질 호모에피탁시용 미사면 질화갈륨{VICINAL GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE FOR HIGH QUALITY HOMOEPITAXY}

본 발명은 미사면 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기판, 즉, 미사면 질화갈륨 기판에 관한 것으로, 상기는 고품질의 전자 및 광전자 디바이스 제작에 있어서 상기 기판상에 호모에피택셜막(homoepitaxial films)의 증착을 위해 유용하게 이용된다.

질화갈륨(GaN) 및 관련된 Ⅲ-Ⅴ 질화 합금은 광전자(opto-electronics), 및 고주파, 고온 및 고전력 전자에 적용가능한(즉, 청색 및 UV 발광 다이오드 및 레이저 다이오드의 제작) 와이드 밴드갭(wide bandgap) 반도체 재료이다. 상기 고성능 디바이스에 있어서, 고품질 에피택셜 막(epitaxial films)은 기판상에서 성장해야한다.

질화갈륨 기반의 전자 디바이스는 전형적으로 사파이어(sapphire) 및 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 외부(헤테로에피택셜(heteroepitaxial)) 기판상에서 성장한다. 질화갈륨 디바이스 및 외부 기판 간의 격자상수의 합성 불균형 및 열팽창 계수 차이점 때문에, 결함의 고밀도는 전형적으로, 디바이스 성능에 역영향 을 주는, 질화갈륨 디바이스 층 내에서 제조된다.

질화갈륨 디바이스 층의 성장은 전형적으로, 외부 기판상에서 먼저 성장한 완충층과 함께, 유기금속 증기 에피탁시(MOVPE: metal-organic vapor phase epitaxy)에 의해 수행되고, 이어서 질화갈륨 및 관련된 디바이스 층의 일부 마이크론 두께의 성장이 계속된다. 질화갈륨 층의 크리스탈 결함을 줄이기 위해서, 에피탁시 측방 과성장(ELOG: epitaxially laterally overgrown)과 같은 기법이 사파이어 또는 실리콘 카바이드상에서 이용된다.

헤테로에피택셜 기판의 이용과 관련된 형태적 및 구조적 결핍의 측면에서, 천연 질화갈륨 기판은 많은 질화갈륨 기반의 마이크로전자 디바이스에 대해 이상적일 것이다. 질화갈륨 기판은 다양한 방법으로 준비될 수 있다.

미국특허 5,637,531에서 Porowski는 고질소압에서 금속갈륨으로부터 벌크(bulk) 질화갈륨의 성장을 설명하지만, 서술된 방법은 약 10 mm의 소형판 정도의 최대 크리스탈 크기를 획득했다(S. Porowski 및 I. Grzegory, J. Cryst. Growth, Vol. 78, 174 (1997), M. Bockowski, J. Cryst. Growth, Vol. 246, 194 (2002)). 질화갈륨 크리스탈린 소형판은 c-평면(c-plane) 구조이고 극성 표면을 가지며, 소형판의 일면에 갈륨 말단을 다른 일면에 질소 말단을 가진다. 각 표면은 구별되는 특성을 가지고, 대부분의 질화갈륨 기반 디바이스는 바람직하게는 갈륨 말단 표면, 즉, (0001) 표면상에서 성장한다. 비록 소형판의 크기가 작더라도, 호모에피택셜 성장은 상기의 소형판과 같은 샘플(sample)상에서 수행된다. 예를 들어, MOVPE 호모에피탁시는 5 mm 이하의 수평 치수(lateral dimensions)를 가지는 질화갈륨 크리 스탈린 소형판상에서 수행된다.(F.A. Ponce, D.P. Bour, W. Gotz 및 P.J. Wright, Appl. Phys. Lett., 68(1), 57 (1996)). AlGaN/GaN 헤테로스트럭쳐(heterostructure)상에 기반한 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 구조는 분자빔 에피탁시(molecular beam epitaxy)에 의해 8 x 8 ㎟ 질화갈륨 샘플상에서 성장해왔다(E. Frayssington 등, Appl. Phys. Lett. 77, 2551 (2000)). InGaN/GaN 다중양자정호(MQW) 구조 및 이중 헤테로스트럭처 LEDs는 MOVPE에 의해 약 6 x 8 ㎟ 질화갈륨 샘플상에서 성장해왔다(M. Kamp 등, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G.10.2 (1999)). 질소-말단의 질화갈륨(0001) 크리스탈 소형판 및 (0001) 평면으로부터 조금 기울어진 평면상의 MOVPE 호모에피택셜 성장이 보고되어 왔다(A. R. A. Zauner 등, J. Crystal Growth, 210, 435 (2000)).

광전자 및 전자 디바이스의 제조는 대면적 기판을 필요로 하기 때문에, 다양한 디바이스는 다른 기술들에 의해 제조된 대면적 질화 갈륨 기판상에서 성장해왔다. 디바이스는 질화갈륨-기반 레이저 다이오드를 함유한다(S. Nakamura, 등, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L309 (1998)). 복잡한 성장 순서가 상기 레이저 다이오드를 형성하기 위해 Nakamura 등에 의해 이용되었다. 먼저, 2 micron 두께 MOVPE 질화갈륨층은 사파이어 기판상에서 성장하였고, 이어서 스트라이프(stripes)로 패턴화된(patterned) 2 micron 두께 실리콘 다이옥사이드층(silicon dioxide layer)의 증착이 계속된다. 그 후 20 micron 두께 질화갈륨층은, 실리콘 다이옥사이드 패턴을 덮고 평평한 질화갈륨 표면을 획득하기 위하여, ELOG 기법을 이용하는 MOVPE에 의해 성장하였다. 상기에 이어서, 약 100 micron 두께의 질화갈륨층을 형성하기 위하 여, 수소화합물 증기 에피탁시(HVPE: hydride vapor phase epitaxy)가 계속된다. 다음으로, 사파이어 기판은 약 80 micron 두께의 질화갈륨 아티클(article)을 수득하기 위하여 폴리싱(polishing)에 의해 제거된다. 마지막으로, InGaN MQW LD 구조는 MOVPE에 의해 성장하였다.

미국특허 6,455,877에서, Ogawa 등은 사파이어상에서 MOVPE에 의해 형성된 ELOG 질화갈륨상에 질화갈륨의 HVPE증착에 의해 형성된 질화갈륨 기판상에서의 발광 디바이스의 성장을 설명하고, 여기서 사파이어는 충분한 질화갈륨 두께가 형성된 후에 폴리싱된다(polished). Ogawa 등은 질화갈륨 재료의 c-평면에서 0.10 내지 0.25 도 기울어진 바람직한 기판 배향을 설명한다. 그 이후 미국 공개특허 출원번호 2001/0030329에서, Ueta 등은 질화갈륨 재료의 c-평면에서 0.05 내지 2 도 기울어진 기판 배향에 대해 바람직하다고 서술한다. 상기 다양한 디바이스 구조에 있어서, 디바이스층은 성장한 상태 그대로의 HVPE 질화갈륨 표면상에서 직접적으로 MOVPE에 의해 성장하였다.

발명의 요약

본 발명은, 마이크로전자 및 광전자 디바이스 구조의 고품질 호모에피택셜 제작에 대해 안정성을 가지는, 미사면 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기판, 예를 들어, 질화갈륨 기판에 관한 것이다.

일 측면에서, 본 발명은, 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서

및

방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷(offcut)된 GaN(0001) 표면을 함유하는 GaN 기판에 관한 것이고, 여기서 상기 표면은 50 x 50 ㎛ AFM 스캔에 의해 측정된 1 mm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가진다.

본 발명의 다른 측면에서, 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서

및

으로 구성되는 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 GaN(0001) 표면을 함유하되, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 1 nm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 GaN 기판을 형성하는 방법에 관한 것이다. 웨이퍼(wafer)를 합성하는 방법은 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디(bulk GaN single crystal body)를 성장시키는 단계 및 상기로부터 적어도 하나의 웨이퍼를 형성하기 위하여 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 제조공정을 포함하되, 상기 제조공정 단계는 (i)

및

방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면(c-plane)으로부터 기울어져 있는 슬라이싱 평면(slicing plane)에서 수행되는 슬라이싱 단계, (ii)

및

방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면으로부터 기울어져 있는 각도 래핑(lapping) 단계, 및 (iii) 약 0.2 ~ 10도의 상기 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향으로부터

및

방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 (0001) 표면을 함유하는 미사면 헤테로에피택셜 기판상에 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 성장시킨 후, 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 분리하는 단계로 구성된 군으로부터 선택되는 단계를 포함한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 마이크로전자 및 광전자 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이고, (a) 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서

및

으로 구성되는 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 GaN(0001) 표면을 함유하되, 상기 표면은 50 x 50 ㎛ AFM 스캔에 의해 측정된 1 nm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 GaN 기판의 형성단계에 있어서, 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디(single crystal body)의 성장시키는 단계 및 상기로부터 적어도 하나의 웨이퍼를 형성하기 위하여 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디 제조공정을 포함하되, 상기 제조공정 단계는 (i)

및

방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 (0001) 표면을 함유하는 미사면 헤테로에피택셜 기판상에 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 성장시킨 후, 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 분리하는 단계로 구성된 군으로부터 선택되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계, 및 (b) 상기 GaN 기판상에 호모에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료를 증착시키는 단계를 포함한다.

다른 측면에서, 본 발명의 특징과 구체화는 계속되는 명세서 및 첨부된 청구항을 통해 보다 명백해 질 것이다.

발명의 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 구현 예

여기에서 계속되는 논의가 본 발명의 적용을 위한 구체예가 되는 Ⅲ-Ⅴ 질화물 종으로서 GaN에 우선적으로 돌아가더라도, 본 발명은, 이성분 화합물 및 합금을 포함하는, Ⅲ-Ⅴ 질화물 화합물에 광범위하게 적용가능하다고 인정될 것이다. 여기에서 사용된 바와 같이, "Ⅲ-Ⅴ 질화물" 용어는 질소 및 Al, In 및 Ga 중 적어도 하나를 함유하는 반도체 재료를 말한다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료는 상징적으로 (Al, In, Ga)N으로 표기될 수도 있다. (Al, In, Ga)N 용어는 하나 이상의 Al, In 및 Ga을 포함하는 변형된 모든 질화물을 포함하고, 따라서 대체 재료로서 AlN, InN, GaN, AlInN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN을 포함하며, 여기서 상기 금속 중 둘 또는 셋 모두를 함유하는 화합물에서 Al, In 및 Ga의 화학양론적 계수는, 상기 화학양론적 계수의 총합이 1이라는 조건과 함께 0 내지 1 사이의 어떤 적절한 값을 가질 수도 있다. 상기 측면에서, 수소 또는 탄소와 같은 불순물, 도판트(dopants) 또는 붕소와 같은 변형-개조한 재료는 또한, (Al, In, Ga)N 재료에 결합될 수 있지만, 화학양론적 계수의 총합은 ±0.1% 편차 범위 내에서 1이다. 상기 화합물의 예로서, Al_xGa₁ _- _xN(여기서, 0≤x≤1) 및 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN(여기서, 0≤x≤1 및 0≤y≤1)을 포함한다. 따라서, 계속되는 논의에서 구체예가 되는 재료로서 GaN가 직접적으로 해당되더라도, 다른 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료도 또한 본 발명의 고품질 기판에서 이용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 미사면 기판에 관한 계속되는 본 명세서에 대한 배경으로서, 다음의 설명은 다양한 대면적 기판의 c-평면 표면상에서 유기금속 증기 에피탁시(MOVPE)에 의한 질화갈륨의 호모에피택셜 성장의 결함을 보여주기 위해 수행된 일련의 실험과 연계된다.

일군의 실험에서, MOVPE 질화갈륨막은 명목상 c-평면 프리스탠딩(freestanding) GaN 웨이퍼상에서 및 사파이어상의 헤테로에피택셜 MOVPE GaN막으로 만들어진 템플릿(template)상에서 동일한 성장 실행으로 성장하였다. GaN/사파이어 템플릿의 표면은 질화갈륨이므로, 사파이어상에서 질화갈륨의 헤테로에피텍셜 성장에 대하여 최적화된 MOPVE 성장 조건은 저온 완충층(buffer layer)없이 사용되었다.

상기 실험에 있어서, GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜 GaN막이 GaN/사파이어 템플릿상의 슈도-호모에피택셜(pseudo-homoepitaxial)막보다 우수하다는 것은 예견된 것이었다. 놀랍게도, GaN 웨이퍼상에 호모에피택셜막은 GaN/사파이어 템플릿상의 GaN막보다 거칠었다.

도 1은 GaN/사파이어 템플릿상에서 성장한 MOVPE 호모에피택셜막 표면의 미분간섭(DIC) 현미경 이미지이다. 도 2는 GaN 웨이퍼상의 MOVPE 호모에피택셜 GaN막의 DIC 현미경 이미지이다. 1220℃ 성장온도 및 4 ㎛/hr 성장률로, 두 막은 하나의 성장 실행으로 성장하였다. 성장단계 중의 온도는 서셉터(susceptor) 아래에 위치한 열전지로 측정되었고, 결과적으로 실제 웨이퍼 표면 온도는 열전지의 수치보다 거의 ~100 내지 150℃ 정도 낮았다. GaN/사파이어 템플릿상의 호모에피택셜 막은 평탄하고 특징이 없었고, 반면에 GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜 막은 매우 거칠고 삼차원 성장 특성을 나타내었다

GaN 기판상의 호모에피택셜 GaN 막의 표면형태는, GaN 기판상에 호모에피택셜 GaN을 형성하기 위한 성장조건을 최적화함으로써, 실질적인 개선이 가능하도록 결정되어졌다. 실험은 성장률, 성장온도, 암모니아 흐름 및 성장압력이 변화하면서 수행되었다. 성장률을 4 ㎛/hr 에서 2 ㎛/hr 으로 줄임으로써, 표면형태가 현저하게 개선되었음이 관찰되었다. 성장률 2 ㎛/hr 에서, GaN 기판상에 호모에피택셜 막의 표면형태는 성장온도를 1220℃ 에서 1170℃ 또는 그 이하로 낮춤으로써 보다 개선되었다. 표면형태는 NH₃ 유속을 증가시킴으로써 또는 성장압력을 증가시킴으로써 개선되었음을 또한 알 수 있었다. 최적의 성장조건은 반응기 형태 및 상호 관계를 맺고 있는 성장 변수에 따라 결정된다. 반응기 내에서 조직적으로 변화하는 성장조건에 의해서, 평탄한 표면형태와 함께 명목상 c-평면 GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜 GaN 막을 수득하였다. 도 3은 명목상 c-평면 GaN 웨이퍼상의 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN 막의 DIC 현미경 이미지이다. 표면은 매우 평탄하고 특징이 거의 없었다.

그러나, 최적의 성장조건하에서 조차도, 명목상 c-평면 GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜 막의 표면형태는 균일하지 않았다. 적어도 두 가지 유형의 표면형태, 즉, 도 3에서 나타낸 바와 같은 특징의 평탄한 표면 및 힐록(hillock) 표면형태가 있었다.

도 4는 명목상 c-평면 GaN 웨이퍼상에 호모에피택셜 GaN 막의 힐록(hillock) 표면형태를 나타낸다. 힐록(hillock) 표면형태는 전형적으로 웨이퍼 중심부 근처에 위치하고, 평탄한 표면형태는 전형적으로 웨이퍼의 외부 가장자리 근처에 위치했다.

표면형태의 비균일성은 표면의 크리스탈 배향과 관련이 있도록 결정된다. 웨이퍼 폴리싱에 앞서 질화갈륨 웨이퍼 블랭크(blank)에 잔여 응력때문에, c-평면 GaN 웨이퍼 블랭크는 격자형의 굴곡을 가지는데, 말하자면, 크리스탈린 재료의 c-평면은 평평하지 않고, 오히려 굽혀져 있다. 기계적 래핑, 폴리싱 및 화학기계적 폴리싱에 의한 에피탁시-레디(epitaxy-ready) GaN 웨이퍼의 형성 도중에, 웨이퍼 표면은 기계적으로 평평하게 만들어질 수 있지만, 격자형 굴곡은 여전히 존재하고, 따라서 전형적으로 웨이퍼 중심부 근처의 특정 표면구역만이 표면에 평행한 c-평면을 가진다. 웨이퍼의 외부 가장자리를 향하는 대부분의 표면구역은 표면과 일정 각도의 c-평면을 가진다. c-평면과 표면의 일정 각도는 전형적으로 명목상 c-평면 GaN 웨이퍼에 대하여 1도 이하이다.

명목상 c-평면 GaN 웨이퍼상에서 관찰된 호모에피택셜 막의 육방 힐록(hillock) 형태는 c-평면과 정확하게 평행인 표면구역과 관련있다. 정확한 c-평면 기판상의 육방 힐록(hillock) 구조의 형성은 정확한 c-평면 표면상의 크리스탈린 단계의 저밀도에 기인하고, 상기는 평탄한 이차원 성장을 어렵게 한다. 육방 힐록(hillock)의 형성에 의해서, 크리스탈린 단계는, 국부적인 표면 평면이 더 이상 정확한 c-평면이지 않도록 야기되었다. 크리스탈린 단계는, 단계를 따라 정착하는 기상으로부터 원자의 유입을 허용하면서, 성장 막을 대한 핵중심을 야기하였다.

크리스탈린 c-평면에 관해서 표면 각도 분포와 함께 GaN 웨이퍼에 대하여 표면 단계 너비 및 단계 방향의 분포가 있었다. 정확한 c-평면 기판상에서, 육방 힐록(hillock)은 대칭이었다. slight 미사면 각도, 즉 오프컷 각도에 대한 정확한 c-평면으로부터 경미한 움직임은, 격자형 c-평면 및 국부적인 표면사이의 각도(여기서 상호 호환가능하게 사용된 미사면 및 오프컷)로서 정의되고, 도 4에서 볼 수 있듯이, 육방 힐록(hillock) 구조의 한 측면은 반대 측면을 희생하여 확장된다. 미사면 각도가 충분히 커지면, 힐록(hillock) 형태는 사라진다.

GaN 기판상의 호모에피택셜 GaN 막 표면 미세구조는 원자힘 현미경(AFM: atomic force microscope)에 의해 관찰된다. 비균일 표면형태는 또한 AFM 이미지에서 관찰된 미세구조에서도 존재한다.

힐록(hillock) 표면형태와 함께 표면 구역에서, 표면 미세구조는, 도 5의 50 x 50 ㎛² AFM 이미지에서 보여진 바와 같이 절단된 면으로 나타난다. 도 6은 미세구조를 보다 상세하게 나타내는 2 x 2 ㎛² AFM 스캔이다. 원자 단계 구조는 가시적이었다. 호모에피택셜막 상의 힐록(hillock) 형태를 가지는 구역에서 원자 단계간의 너비는 전형적으로 약 100 nm 내지 300 nm 이었다. 상기 원자단계 너비 및 단일 이중막 단계 높이 추정에 기반하여, 국부표면은, 격자형 c-평면에 대하여 약 0.2도 각도인 오프컷 표면을 성장시킨 정확한 c-평면 GaN 기판상에 격자형 c-평면, 즉, 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 막에 대하여 약 0.2도 각도를 가진다.

중심부의 힐록(hillock) 구역으로부터 떨어져 있는, 호모에피택셜 막은 도 3에서 나타난 바와 같이 매우 평탄했다. AFM 이미지 또한 평탄한 미세구조를 나타냈다. 도 7은 GaN 웨이퍼상의 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN 막의 2 x 2 ㎛²AFM 이미지이다. AFM 이미지는 도 3에서 나타난 특성의 표면형태를 가지는 구역에서 수득하였다. 도 3 내지 7은 GaN 웨이퍼상의 하나의 호모에피택셜 막으로부터 얻은 이미지이지만, 막의 다른 구역들이다. 평균 제곱근(RMS: root-mean square) 방식에 의해 측정된 표면 거칠기는 2 x 2 ㎛²AFM 이미지에 대하여 0.14 nm 였고, 호모에피택셜막 표면의 끝없는 평탄함을 실증해보였다.

대면적 GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜막의 비균일 표면형태는 비균일 디바이스 특성 및 수율 손실을 야기시키고, 그 결과

GaN 기판상에 균일하게 평탄하고 및 고품질의 호모에피택셜 GaN 막을, 신뢰할 수 있고 상업적으로 재생산 가능한 제품이 되게 하는 GaN 기술분야의 개선을 위한 기술에 있어서 설득력 있는 요구가 있어 왔다.

GaN 기판상에 호모에피택셜막의 비균일 표면 형태와 관련한 논쟁 및 GaN 막 제조에 있어서 거친 힐록(hillock) 특성의 발생은, 격자 c-평면, 즉, 미사면 c-평면 표면 또는 오프컷 표면을 가지는 웨이퍼에 대해 의도적으로 일정각을 가지는 표면을 가지는, 본 발명의 GaN 웨이퍼 아티클에 의해 미연에 방지되었고, 호모에피택셜 성장은 GaN의 고품질의 평탄한 호모에피택셜 막을 제조하기 위해 수행될 수도 있다.

참조를 위하여, GaN 크리스탈의 c-평면은 (0001) 평면으로 지정되고 및 c-평면의 방향은 c-축 [0001] 방향이다. 참조가 (0001) 평면에 대해 만들어질 때, 갈륨-말단 c-평면은 기피되는데 반해,

평면은 질소-말단 c-평면을 가리킨다. 표면 또는 평면의 방향은 표면에 대해 수직인 방향으로 정의된다. 미사면 웨이퍼의 표면 방향이 <0001> 및

방향에 의해 정의된 평면일 때, 표면은

방향에 대하여 (0001) 오프컷 표면으로서 언급된다. GaN 크리스탈의 대칭성 때문에,

방향은

,

및

을 포함하는 방향의 군의 일반적인 표현이다.

방향은

,

및

을 포함하는 방향의 군의 일반적인 표현이다. 여기에서 사용된 바와 같이, 특정방향, 즉,

방향 또는

방향과 관련하여 "~을 향하여 현저하게" 용어는, 상기 방향 ± 15 도를 향하여를 의미한다. 여기의 극성(오프컷) 각도에 대한 참조와 반대로, 상기 참조사항은 방위각의 허용 각도를 말한다는 것을 유념해야 한다. 바람직하게는 특정 방향을 향한 방위각의 변위는 ± 5 도이고, 가장 바람직하게는, 상기 변위는 ± 2 도이다.

본 발명은 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, [0001] 방향에서

및

방향으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷된 GaN(0001)표면을 함유하는 GaN 기판에 대해 고찰하고, 여기서 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 1 nm 미만의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 미만의 전위 밀도를 가진다.

특정 실시양태에 있어서 GaN(0001) 표면은, 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도 또는 약 0.2 ~ 4도 범위의 오프컷 각도 또는 약 3 ~ 8도 범위의 오프컷 각도 또는 약 5 ~ 8도 범위의 오프컷 각도 또는 약 2.5 ~ 10도 범위의 오프컷 각도 또는 약 2.5 ~ 8도 범위의 오프컷 각도 또는 약 2.5 ~ 4도 범위의 오프컷 각도로,

방향 또는

방향을 향하여 오프컷 될 수도 있고, 본 발명의 주어진 적용에 적절하게 변화할 수도 있다.

특정 실시양태에 있어서, 오프컷된 표면은 0.9 nm 미만의 50 x 50 ㎛²AFM 스캔에 의해 측정된 RMS 거칠기를 가지고 또는 보다 바람직하게는 50 x 50 ㎛²AFM 스캔에 의해 측정된 0.5 nm 미만의 RMS 거칠기를 가진다. 바람직한 측면에 있어서, GaN 기판의 전위밀도는 1E6 cm^-2 미만이고, 보다 바람직하게는 5E5 cm^-2 미만이다.

본 발명의 GaN 기판은 보통, 마이크로전자 또는 광전자 디바이스 및 디바이스 구조를 제작하는데 이용되고, AlGaN/GaN HEMT 구조를 형성하기 위해, GaN 기판상에 호모에피택셜하게 증착된 GaN 상에 AlGaN의 부가적인 증착을 수반하는 다단계 제작 단계에 있어서의 구성 단계로서, 기판상에 호모에피택셜 GaN의 증착을 수반한다. 양자택일적으로 GaN 기판상에 제작된 디바이스는 청색 또는 단파장 레이저 다이오드를 포함한다.

GaN 기판상에 호모에피택셜 GaN 또는 다른 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료의 증착은 어떠한 적합한 증착 기술, 즉, MOVPE를 이용하여 수행되고, 증착 공정은 어떠한 적합한 공정 조건에서 수행된다. 예를 들어, 호모에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료의 증착은 특정 적용에 따라 결정되고, 약 700 내지 1220 ℃ 범위, 또는 양자택일적으로 약 1120 내지 1170 ℃ 범위, 또는 양자택일적으로 약 1100 내지 1225 ℃ 범위의 온도에서 수행되며, GaN 기판상에 호모에피택셜 GaN 또는 다른 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료의 성장률은 약 0.1 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr 범위, 또는 양자택일적으로 약 1 ㎛/hr 내지 50 ㎛/hr 범위, 또는 양자택일적으로 약 1 ㎛/hr 내지 4 ㎛/hr 범위, 또는 양자택일적으로 약 1 ㎛/hr 내지 2 ㎛/hr 범위가 될 수 있다.

본 발명에 따른 오프컷 웨이퍼는 몇몇 방법에 의하여 제조될 수 있다. 긴 GaN 볼(boule)이 이용가능할 때, 볼은 c-평면에 대하여 오프컷 각도로 웨이퍼를 제조하기 위해 배향되고 슬라이스될 수 있으며, 래핑 플레이트(plate)에 대해서 미리 결정된 각도를 가지는 고정물에 웨이퍼를 위치시키는 것 및 웨이퍼의 쐐기 형상을 제조하기 위한 웨이퍼 래핑을 수반한다. 그 후 쐐기형 웨이퍼는 쐐기 형태 제거 및 격자형 c-평면에 대하여 일정 각도를 가지는 표면을 가지는 웨이퍼의 수득을 위하여 후면상에서 래핑된다. 미사면 GaN은 또한, 미사면 GaN 재료의 증착 후에 제거되는 사파이어와 같은 미사면 템플릿상에서 성장하여, 프리스탠딩 미사면 GaN 기판 아티클을 수득할 수 있다.

본 발명의 하나의 실례가 되는 실시양태에 있어서, GaN 볼은 약 1 cm 두께까지 수소화합물 증기 에피탁시(HVPE: hydride vapor phase epitaxy)에 의해 성장하였다. GaN 볼은 전선 톱으로 슬라이싱되는 동안에, 슬라이싱 평면이

방향에서 c-평면에 대해 8도 각도를 가질 수 있도록 방위계로 배향되었다. 볼은 순차적으로

방향을 향하여 8도 오프컷된 다중 웨이퍼 블랭크 속으로 슬라이스 되었다.

본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서, GaN 볼은 약 1 cm 두께까지 HVPE에 의해 성장하였다. GaN 볼은 전선 톱으로 슬라이싱되는 동안에, 슬라이싱 평면이

방향을 향하여 8도 오프컷된 다중 웨이퍼 블랭크 속으로 슬라이싱 되었다.

본 발명의 보다 다른 실시양태에 있어서, GaN 볼은 약 1 cm 두께까지 HVPE에 의해 성장하였다. GaN 볼은 전선 톱으로 슬라이싱되는 동안에, 슬라이싱 평면이

방향에서 c-평면에 대해 4도 각도를 가질 수 있도록 방위계로 배향되었다. 볼은 순차적으로

방향을 향하여 4도 오프컷된 다중 웨이퍼 블랭크 속으로 슬라이싱 되었다.

방향에서 c-평면에 대해 2도 각도를 가질 수 있도록 방위계로 배향되었다. 볼은 순차적으로

방향을 향하여 2도 오프컷된 다중 웨이퍼 블랭크 속으로 슬라이싱 되었다.

그 후 상기에 설명된 바와 같이 제조된 슬라이싱된 미사면 웨이퍼 블랭크는 톱에 의한 손상을 제거하기 위해 양 사이드 상에 9-micron 입자 크기 다이아몬드 슬러리와 함께 래핑된다. c-평면 GaN 웨이퍼는 두 개의 표면을 가지고 있는데, 질소를 가지는 말단으로 되어있고 질소-말단 (0001) 표면으로 언급된 하나, 및 갈륨을 가지는 말단으로 되어있고 갈륨-말단 (0001) 표면으로 언급된 다른 하나가 있다. 오프컷 GaN (001) 웨이퍼는 또한 두 개의 표면을 가지고 있다. 한 표면은 (0001) 표면에 대하여 미사면이고 여전히 갈륨-말단 표면이라 칭해지며, 하지만 미사면 (0001) 표면은, 표면에 대해 질소 원자의 작은 부분을 노출시키는 원자 단계를 가진다.

상기에 언급된 실시양태에서 설명된 미사면 웨이퍼의 양 사이드의 래핑 후에, 웨이퍼의 갈륨-사이드는 미러 피니쉬(mirror finish)가 획득될 때까지 더 작은 그리트(grit) 다이아몬드 슬러리와 함께 더 폴리싱되었다. 질소-사이드는 또한 선택적으로 미러 피니쉬에 대해 폴리싱될 수 있다. 표면이 폴리싱된 다이아몬드는 여전히 폴리싱 작동에 의한 표면 및 표면아래의 손상을 가지고 있었다.

화학기계적 폴리싱(CMP) 공정은 그 후, 뒤따르는 호모에피택셜 성장을 대한 표면인, 갈륨-말단 표면에서부터 남아있는 표면손상을 제거하기 위한 최종 폴리싱 단계로서 이용된다. 일반적으로, CMP 공정은 어떠한 적합한 방식 및 적합한 CMP 형태로 수행된다. CMP 공정은 스크래치(scratches) 및 표면 손상을 제거하는데 효과적이다.

도 8은

방향을 향하여 명목상 8도 각도로 오프컷된 CMP 마무리된 미사면 GaN(0001) 웨이퍼의 DIC 광학 이미지이다.

도 9는

방향을 향하여 8도 각도로 오프컷된 CMP 마무리된 미사면 GaN(0001) 웨이퍼의 50 x 50 ㎛²AFM 이미지이다. CMP 후에 8도 오프컷된 웨이퍼는 도 8 및 9에서 보여진 바와 같은 단계 구조를 나타내었다.

미사면 GaN 웨이퍼는 또한 각도 래핑에 의해 제조될 수 있다. 도 10은 명목상 c-평면 웨이퍼 블랭크로부터 미사면 GaN 기판을 형성하기 위한 각도 래핑 공정의 개략도이다. 도 10A에서, c-평면 웨이퍼 블랭크는 주머니 바닥에 미리 정해진 각도로 고정물의 포켓내에 위치한다. 포켓 내의 웨이퍼는, 래핑 후에 웨이퍼 표면의 윗부분이 고정물의 윗부분과 평행하도록, 즉, 웨이퍼 모양은 쐐기형이고 웨이퍼 윗 표면은, 도 10B에서 보여진 바와 같이, GaN의 c-평면에 대하여 미사면 각도를 가지도록 래핑 플레이트 상에 래핑된다. 쐐기 형상의 형성 후에, 쐐기형 웨이퍼는 고정물 내에 위치하고 웨이퍼의 두 표면이 서로 평행하도록 래핑되어, 동일 규모의 오프컷을 가진다.

실례로 든 실시양태에 있어서, 약 1.3 mm 두께의 GaN 웨이퍼 블랭크는 c-평면 사파이어상의 HVPE 성장에 의해 형성되었고, 그 후 사파이어는 제거되었다. 웨이퍼 블랭크는

방향을 향한 1도 오프컷을 양산하기 위하여 순차적으로 각도 래핑된다.

또 다른 실시양태에 있어서, 약 1.3 mm 두께의 GaN 웨이퍼 블랭크는 c-평면 사파이어상의 HVPE 성장에 의해 형성되었고, 사파이어는 제거되었다. 웨이퍼 블랭크는

보다 다른 실시양태에 있어서, 약 1.3 mm 두께의 GaN 웨이퍼 블랭크는 c-평면 사파이어상의 HVPE 성장에 의해 형성되었고, 사파이어는 제거되었다. 웨이퍼 블랭크는

방향을 향한 2도 오프컷을 양산하기 위하여 순차적으로 각도 래핑된다.

보다 다른 실시양태에 있어서, 약 1.3 mm 두께의 GaN 웨이퍼 블랭크는 c-평면 사파이어상의 HVPE 성장에 의해 형성되었다. 웨이퍼 블랭크는

및

사이의 중간 방향을 향한 1도 오프컷을 양산하기 위하여 순차적으로 각도 래핑된다.

상기에 설명된 바와 같이 제조된, 각도 래핑된 미사면 GaN 웨이퍼는 미러 피니시를 제조하기 위하여 더 작은 다이아몬드 그리트와 함께 갈륨-말단 표면에서 보다 더 폴리싱되었다. 질소-사이드는 선택적으로 미러 피니시에 대해 폴리싱될 수 있다는 것을 알 수 있다. 순차적으로, 웨이퍼의 갈륨-사이드는 표면 스크래치 및 표면 아래의 손상을 제거하기 위해 화학기계적으로 폴리싱된다.

도 11은

을 향하여 2도 오프컷된, 대표적인 CMP 마무리된 각도 래핑된 GaN(0001) 표면의 AFM 이미지이다. 표면은 매우 평탄했다(이미지의 피트(pits)는 전파전위(threading dislocations)와 관련이 있다).

미사면 GaN은 미사면 사파이어 기판상에서 본 발명에 따라서 성장할 수 있다. 하나의 실례가 되는 실시양태에 있어서,

방향을 향하여 1도 오프컷된 c-평면 사파이어 기판이 이용되었고, HVPE GaN 막은 기판상에서 성장하였다. X선(X-ray) 회절 측정은, GaN 막이 또한

방향을 향하여 1도 오프컷을 가진다는 것을 확인시켜주었다. 또 따른 실시양태 있어서, HVPE GaN은

방향을 향하여 2도 오프컷을 가지는 c-평면 사파이어 기판상에서 성장하였다. X선 회절 측정은

방향을 향하여 2도 오프컷된 Ga 막을 확인시켜주었다.

더욱이 또 다른 실시양태에 있어서, GaN 막은

방향을 향하여 4도 오프컷인 미사면 c-평면 사파이어 기판상에서 HVPE 기술에 의해 성장하였다. X선 회절은

방향을 향하여 4도 오프컷을 가지는 미사면으로서 GaN 막을 확인시켜주었다.

본 발명에 따른 미사면 GaN 기판은 오프컷 GaN 성장을 가능하게 하는 어떠한 적합한 재료가 형성된 미사면 기판상에 비교적 두꺼운 GaN 막을 성장시킴으로써 준비되었다. 상기 목적을 위한 미사면 기판은 예를 들어 사파이어, 질화갈륨, 실리콘 또는 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다. 보다 더 특정한 예에 있어서, 오프컷 GaN 성장은 GaN의 HVPE 증착을 수반하는 미사면 사파잉어 기판상에서 수반될 수 있다.

미사면의 외부 기판상에 비교적 두꺼운 GaN 막을 성장시킨 후, 외부 기판은 어떠한 적합한 수단 또는 방법에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 기판 제거는 기판의 소거, 기판의 일부분 또는 전체의 제거, 또는 기판 전체 및 기판에 인접한 GaN 일부분의 제거를 수반한다. 상기 목적을 위해 유용하게 이용되는 특정 기술은 기계적 그라인딩(mechanical grinding), 화학적 에칭(chemical etching), 층간 분해(inerfacial decomposition), 층간 균열(interfacial fracturing) 또는 특정 기판에 적합한 어떠한 다른 수단 또는 방법을 포함한다. 외부 기판을 제거한 후, 결과로 생긴 GaN 웨이퍼 블랭크는, 에피탁시-레디 미사면 GaN 기판을 수득하기 위하여, 여기에서 설명된 래핑, 폴리싱 및 화학 기계적 폴리싱될 수 있다.

본 발명에 따른 저결함 밀도 미사면 GaN 기판은 저결함 밀도 GaN 잉곳을 슬라이싱함으로써, 또는 저결함 밀도 GaN 웨이퍼 블랭크를 앵글 래핑함으로써, 또는 저결함 GaN 재료가 미사면 외부 기판상에 성장할 때 미사면 GaN 웨이퍼 블랭크를 래핑 및 폴리싱 함으로써 제조할 수 있다. Xueping Xu 및 Robert P. Vaudo의 이름으로 같이 출원되어 동시계속출원중인 미국특허출원 "대면적, 균일한 저전위 밀도 GaN 기판 및 그 제조방법"에서 설명된 바와 같이, 두 단계 성장공정은 상기 저전위 밀도를 가지는 GaN 재료를 제조하는데 유익하게 사용될 수 있다. 동시계속출원 중인 미국특허출원의 명세서는 그 전체를 참조로서 결합되어 있다. 바람직하게는 저전위 밀도 GaN의 전위 밀도는 3E6 cm^-2 이하이고, 보다 바람직하게는 1E6 cm^-2 이하이며, 가장 바람직하게는 5E5 cm^-2 이하이다.

본 발명에 따른 미사면 GaN 기판의 갈륨-사이드는 우수한 표면 평탄함을 위하여 화학기계적 폴리싱 공정으로 마무리되었고, 1 nm 이하의 50 x 50 ㎛² 구역내에서 원자힘 현미경으로 측정된 표면 RMS를 가진다. 2 x 2 ㎛² 구역내에서 원자힘 현미경으로 측정된 표면 RMS는 바람직하게는 0.9 nm 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5 nm 이다. 미사면 기판의 질소-사이드는 무광택 마무리될 수 있고, 또는 선택적으로 미러 피니쉬(mirror finish)로 폴리싱될 수 있다.

본 발명의 특성 및 이점은 미사면 GaN 기판상에 MOVPE GaN 호모에피택셜막 및 디바이스 성장층의 제한없는 예로 보다 자세하게 나타내어 진다.

도 1은 MOVPE GaN/사파이어 템플릿(sapphire template)상에서 성장한 MOVPE 호모에피택셜막 표면의 미분간섭(DIC) 현미경 이미지이다. 성장조건은 1220℃의 성장온도 및 4 ㎛/hr 의 성장률을 포함하였다.

도 2는 GaN 웨이퍼상에서 MOVPE 호모에피택셜 GaN막의 DIC 현미경 이미지이다. 성장조건은 1220℃의 성장온도 및 4 ㎛/hr 의 성장률을 포함하였다.

도 3은 웨이퍼의 경계로부터, GaN 웨이퍼상에서 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN막의 DIC 현미경 이미지이다. 성장조건은 1170℃의 성장온도 및 2 ㎛/hr 의 성장률을 포함하였다.

도 4는 GaN 웨이퍼상에서 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN막의 DIC 현미경 이미지이다. 이미지는 도 3에서 보여진 동일한 웨이퍼이지만, 웨이퍼상에서 중심 지점근처였다. 성장조건은 1170℃의 성장온도 및 2 ㎛/hr 의 성장률을 포함하였다.

도 5는, 도 4에서 보여진 형태를 가지는 구역 근처의, GaN 웨이퍼상에서 호 모에피택셜 GaN막에 대한 50 x 50 ㎛²AFM 이미지이다.

도 6은, 도 4에서 보여진 형태를 가지는 구역 근처의, 힐록(hillock)구역에 있는 GaN 웨이퍼상에서 호모에피택셜 GaN막에 대한 2 x 2 ㎛²AFM 이미지이다.

도 7은, 도 3에서 보여진 형태를 가지는 구역 근처의, 평탄한 구역에 있는 GaN 웨이퍼상에서 호모에피택셜 GaN막에 대한 2 x 2 ㎛²AFM 이미지이다.

도 8은

방향을 향하여 명목상 8도 각도로 오프컷되고 CMP 마무리된 미사면 GaN(0001) 웨이퍼의 DIC 광학 이미지이다.

도 9는

방향을 향하여 8도 각도로 오프컷되고 CMP 마무리된 미사면 GaN(0001) 웨이퍼의 10 x 10 ㎛²AFM 이미지이다.

도 10A 및 10B는, 각도 래핑 고정물에 위치한 웨이퍼를 나타내는 도 10A 및 웨이퍼상에 쐐기형으로 래핑한 후의 웨이퍼를 나타내는 도 10B와 함께, 웨이퍼의 각도 래핑(angle lapping)을 개략적으로 보여준다.

도 11은

방향을 향하여 2도 각도로 오프컷된 CMP 마무리되고 각도 래핑된 GaN(0001) 웨이퍼의 10 x 10 ㎛²AFM 이미지이다.

도 12는 2 ㎛/hr 성장률 및 1120℃ 성장온도를 포함하는 성장조건하에서 미사면 GaN 기판상(

을 향하여 1도)에 성장한 2-㎛ 두께 호모에피택셜막에 있어서 중심 근처 및 모서리 근처 웨이퍼 표면의 DIC 현미경 이미지이다.

도 13은 미사면 기판상(

을 향하여 1도 오프컷)에 성장한 2-㎛ 두께 호모에피택셜막의 50 x 50 ㎛²AFM 스캔이고, 막의 광학 이미지는 도 12에서 보여진 바와 같다.

도 14는 미사면 GaN(0001) 기판상(

을 향하여 1도 오프컷)에 성장한 2-㎛ 두께 호모에피택셜막의 2 x 2 ㎛²AFM 스캔이고, 막의 광학 이미지는 도 12에서 보여진 바와 같다.

도 15는 미사면 GaN 기판상(

을 향하여 2도)에 성장한 HEMT 구조 표면의 2 x 2 ㎛²AFM 스캔이다.

도 16은 수은 검사로 결정된, 2도 오프컷된(

을 향하여) GaN(0001) 기판상에 성장한 HEMT 구조의 용량-전압(CV: capacitance-voltage) 측정치이다

도 17은, 8도(

을 향하여) 미사면 GaN(0001) 기판상에 성장한 HEMT 구조 표면의 DIC 현미경 이미지이고, HEMT 표면의 형태는 도 8에서 보여진 기판 표면을 반복하였다.

도 18은 8도 오프컷된(

을 향하여) GaN(0001) 기판상에 성장한 HEMT 디바이스층의 용량-전압(CV) 측정치이다.

도 19는 현저하게

또는

군이 아닌 오프컷된 방향을 가지는 미사면 GaN(0001) 기판상에 성장한 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN막의 50 x 50 ㎛² AFM 스캔이다.

실시예 1

<10-10> 방향을 향하여 1도 오프컷된 미사면 GaN 기판은 호모에피택셜 성장을 위한 기판으로서 사용되었다.

도 12는 성장률 = 2 ㎛/hr 및 성장온도 = 1120℃인 성장조건하에서 상기 미사면 GaN 기판상(

DIC 광학 현미경 하에서, 도 12에서 보여진 바와 같이, 미사면 GaN 웨이퍼상의 호모에피택셜 GaN 막은 전체 웨이퍼 표면에 걸쳐 평탄하고 특징이 없었다. 미사면 기판의 모서리 근처 GaN 막의 광학 표면 형태는 미사면 표면의 중심 근처 GaN 막의 형태와 동일했다.

AFM은 미사면 GaN 기판상에서 GaN 막의 표면 미세구조를 특징짓는데 보다 유용하였다. 도 13은 미사면 기판상(

을 향하여 1도)에 성장한 2-㎛ 호모에피택셜막의 50 x 50 ㎛²AFM 스캔이다. 표면은 50 x 50 ㎛²구역 내에서 0.38 nm RMS 거칠기를 가지고 매우 평탄하였다. 전파 전위(threading dislocation)는 성장 피트(growth pits)로 데코레이트(decorate)되었고 막의 전위 밀도는 약 2E6 cm^-2 이었다.

도 14는 미사면 GaN 기판상(

을 향하여 1도 오프컷된)에 성장한 2-㎛ 두께 호모에피택셜막의 2 x 2 ㎛²AFM 스캔이다. 호모에피택셜 막의 RMS 거칠기는 2 x 2 ㎛²구역 내에서 0.12 nm 였고, 막의 현저하게 평탄한 성질을 나타냈다.

실시예 2

AlGaN/GaN 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 구조는 성장률 = 2 ㎛/hr 및 성장온도 = 1170℃ 이라는 성장조건 하에서, 미사면 GaN(0001) 기판(

방향을 향하여 2도 오프컷) 상에서 성장하였다. HEMT 구조는, 미사면 기판상에서 2 ㎛ 두께의 도핑되지 않은 MOVPE 호모에피택셜 GaN 막 및 호모에피택셜 GaN 막 상층부 상의 25 nm AlGaN(30 원자 % Al)층으로 구성되었다. HEMT 웨이퍼는, 광학 현미경으로 관찰했을 때 균일하고 평탄한 표면 형태를 가졌다. c-평면 GaN(0001) 기판상의 호모에피택셜 표면상에서 전형적으로 관찰된 힐록(hillock) 형태는 미사면 GaN 웨이퍼 상에는 없었다.

도 15는, 2도 오프컷(

을 향하여) GaN(0001) 기판상에서 성장한 HEMT 구조의 2 x 2 ㎛²AFM 스캔을 나타내고, 계단 구조와 함께 평탄한 표면 형태를 보여준다.

도 16은, 수은 검사를 이용한 HEMT 구조의 용량-전압(CV) 측정치이고, 이차원 전자 기체(2DEG: two-dimensional electron gas)가 형성된 것을 확인시켜준다.

실시예 3

AlGaN/GaN 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 구조는 성장률 = 2 ㎛/hr 및 성장온도 = 1170℃ 이라는 성장조건 하에서, 8도 오프컷된(

방향을 향하여) GaN(0001) 기판 상에서 성장하였다. HEMT 구조는 미사면 기판상에서 2 ㎛ 두께의 도핑되지 않은 MOVPE 호모에피택셜 GaN 막 및 호모에피택셜 GaN 막 상층부 상의 25 nm AlGaN(30 원자 % Al)층으로 구성되었다. HEMT 구조의 표면 형태는 평탄하였고 기판 형태가 반복되었다.

도 17은 8도(

을 향하여) 미사면 GaN(0001) 기판상에서 성장한 HEMT 구조 표면 및 기판 표면이 반복된 HEMT 표면의 DIC 현미경 이미지이다. 전체 웨이퍼 표면은 균일하고, 어떠한 힐록 형태도 없었다.

도 18은 8도 오프컷된(

을 향하여) GaN(0001) 기판상에서 성장한 HEMT 디바이스 층의 용량-전압 측정치이다. 날카로운 핀치-오프(pinch-off)는 AlGaN/GaN 경계 영역에서 우수한 2DEG를 나타냈다.

실시예 4

MOVPE 호모에피택셜 막은 약 1도의 각도의 오프컷을 가지는 미사면 GaN(0001) 상에서 성장하였지만 오프컷 방향은

및

사이였다. 광학 현미경 관찰에서, 호모에피택셜막 상에 존재하는 힐록 형태가 없는, 표면형태는 균 일하고 꽤 평탄하였다

도 19는

또는

사이의 오프컷 방향을 가지는 미사면 GaN(0001) 기판상에 성장한 2 ㎛ 두께 호모에피택셜 GaN막의 50 x 50 ㎛²AFM 스캔이다. 성장조건은 2 ㎛/hr의 성장률 및 1170℃의 성장온도를 포함하였다. 피트는 전위와 관련이 있었다.

AFM 이미지는, 표면이 정확하게 평평하지는 않은 대신에

또는

방향을 향하여 오프컷을 가지는 미사면 GaN(0001) 웨이퍼상에서 성장한 호모에피택셜막상에서 관찰되지 않은 작은 규모의 돌기 및 골을 가진다는 것을 나타낸다.

전술한 실질적인 예들은, 본 발명의 미사면 기판이, 그 위에 형성된 호모에피택셜막상에 힐록 표면 형태를 발생시키지 않고도, 그 위에 제조된 균일하게 평탄한 호모에피택셜 GaN 막을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 초기 웨이퍼 블랭크가 격자형 굴곡을 야기하는 잔여 응력을 가진다면, 오프컷 각도의 분포는 웨이퍼 제작 공정 도중에 마무리된 미사면 웨이퍼상에 도입될 것이다. 오프컷이 격자형 굴곡보다 더 길다면, 전체 웨이퍼는 오프컷을 가질 것이고, 따라서 힐록 표면 형태의 발생률을 피할 것이다. 그러나 전체 웨이퍼를 가로지르는 보다 지속적인 오프컷 각도 및 방향을 수득하기 위하여, 바람직하게는 웨이퍼 블랭크 내의 잔여 응력은 웨이퍼 제작공정에 앞서 제거된다. 예를 들어, 웨이퍼의 화학적 에칭(chemical etching), 열처리(thermal annealing) 등에 의해, 응력 제거가 수행될 수 있다.

본 발명의 미사면 GaN 기판상에서 최적의 MOVPE 성장 조건은 오프컷 각도의 정도 및 방향에 따라 결정되면서 조금씩 변화한다. 오프컷은 또한 호모에피택셜막에서의 도핑 및 불순물 결합에 영향을 줄 것이다. 최적의 디바이스 성능을 수득하기 위하여, 성장조건은 특정 미사면 기판에 대하여 최적화되고, 예를 들어, 본 명세서를 기반으로 한 기술 범위 내에서 이미 수행된 바와 같이, 최적의 성장조건 세트(set)를 결정짓는 성장 인수의 선택적인 변화와 관련한 경험적인 결정에 의한다.

더욱이, 다른 개별 마이크로전자/광전자 디바이스(레이저 다이오드, 발광 디바이스, 트랜지스터, 다이오드, 디텍터 등)는 본 명세서를 기반으로 한 기술범위 내에서 또한 이미 결정가능한, 특정 작용 상황에서 최고의 성능을 위하여 다른 미사면 기판을 필요로 할 수도 있다. 미사면 GaN 기판상에 최적의 MOVPE 성장조건은 또한 이용된 특정 성장 반응 용기에 따라 결정될 것이다.

본 발명의 미사면 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기판은, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 광전자 센서, 광전자 스위치, 고전자 이동 트랜지스터와 같은, Ⅲ-Ⅴ 질화물-기반 마이크로전자 및 광전자 디바이스의 제조에서, 호모에피택셜 증착을 위해 유용하게 이용된다. 예를 들어서, Ⅲ-Ⅴ질화물 기판은 청색 및 UV 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 제작에 유용한 GaN 기판이 될 수 있다. 본 발명의 기판은 고주파, 고온 및 고전력 전자 적용에 있어서 특별한 효용이 있다.

Claims

약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서
및
으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷(offcut)된 GaN(0001) 표면을 함유하는 GaN 기판에 있어서, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 1 mm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 현저하게 오프컷된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은 약 0.2 ~ 4도 범위의 오프컷 각도로 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제4항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제4항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은 약 3 ~ 8도 범위의 오프컷 각도로 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제7항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제7항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은 약 2.5 ~ 8도 범위의 오프컷 각도로 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제10항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제10항에 있어서, 상기 GaN(0001) 표면은
방향을 향하여 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 0.9 nm 이하의 RMS 거칠기를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 0.5 nm 이하의 RMS 거칠기를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 표면은 1E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 표면은 5E5 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001)표면은 약 2.5 ~ 10도의 범위로 오프컷 각도로 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 GaN(0001)표면은 약 5 ~ 8도의 범위로 오프컷 각도로 오프컷 된 것을 특징으로 하는 GaN 기판.
제1항의 GaN 기판 및 상기 표면에 증착된 호모에피택셜 GaN 층을 함유하는 마이크로전자 또는 광전자 디바이스 구조를 포함하는, 마이크로전자(microelectronic) 또는 광전자 디바이스 아티클(opto-electronic device article).
제19항에 있어서, 상기 마이크로전자 또는 광전자 디바이스 구조는 레이저 다이오드(laser diodes), 발광 디바이스(light emitting devices), 트랜지스터(transistors), 다이오드(diodes) 및 디텍터(detectors)로 구성된 군으로부터 선택되는 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자 또는 광전자 디바이스 아티클.
제19항에 있어서, 상기 디바이스 구조는 청색 또는 단파장 레이저 다이오드, 또는 HEMT 디바이스를 포함하는 디바이스 아티클.
약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서
및
으로 구성되는 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 GaN(0001) 표면을 함유하되, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 1 nm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 GaN 기판을 형성하는 방법에 있어서, 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디(bulk GaN single crystal body)를 성장시키는 단계 및 상기로부터 적어도 하나의 웨이퍼를 형성하기 위한 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디 제조 단계를 포함하되, 상기 제조 단계는 다음으로 구성된 군으로부터 선택되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

(i)
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면(c-plane)으로부터 기울어져 있는 슬라이싱 평면(slicing plane)에서 수행되는 슬라이싱 단계;

(ii)
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면으로부터 기울어져 있는 래핑 평면(lapping plane)에서 수행되는 각도 래핑 단계; 및

(iii) 약 0.2 ~ 10도의 상기 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향으로부터
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 (0001) 표면을 함유하는 미사면 헤테로에피택셜 기판상에 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 성장시킨 후, 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 분리하는 단계.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 웨이퍼는 래핑(lapping), 폴리싱(polishing) 및 화학기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing)으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 마무리 단계에 의해 마무리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 공정 단계는 (i)단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 공정 단계는 (ii)단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 공정 단계는 (iii)단계를 포함하는 방법.
제25항에 있어서, 상기 미사면 헤테로에피택셜 기판은 사파이어 및 GaAs로 구성된 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는 방법.
다음의 단계를 포함하는 마이크로전자 또는 광전자 디바이스를 제조하는 방법:

(c) 약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서
및
으로 구성되는 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 GaN(0001) 표면을 함유하되, 상기 표면은 50 x 50 ㎛ AFM 스캔에 의해 측정된 1 nm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 GaN 기판의 형성단계에 있어서, 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디(single crystal body)를 성장시키는 단계 및 상기로부터 적어도 하나의 웨이퍼를 형성하기 위한 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디 제조 단계를 포함하며, 상기 제조 단계는 다음의 단계로 구성된 군으로부터 선택되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 형성 단계:

(i)
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면(c-plane)으로부터 기울어져 있는 슬라이싱 평면(slicing plane)에서 수행되는 슬라이싱 단계;

(ii)
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 상기 방향에서 상기 오프컷 각도로 c-평면으로부터 기울어져 있는 래핑 평면(lapping plane)에서 수행되는 각도 래핑(lapping) 단계; 및

(iii) 약 0.2 ~ 10도의 상기 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향으로부터
및
방향으로 구성된 군으로부터 선택되는 방향을 향하여 현저하게 오프컷 된 (0001) 표면을 함유하는 미사면 헤테로에피택셜 기판상에 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 성장시킨 후, 상기 벌크 GaN 싱글 크리스탈 바디를 분리하는 단계, 및

(d) 상기 GaN 기판상에 호모에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료를 증착시키는 단계.
제27항에 있어서, 호모에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료를 증착시키는 상기 단계는 MOVPE를 포함하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 1100 내지 1225 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 1100 내지 1225 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 1120 내지 1170 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 700 내지 1220 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 0.1 ㎛/hr 내지 약 50 ㎛/hr 범위의 성장률로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 1 ㎛/hr 내지 약 4 ㎛/hr 범위의 성장률로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 2 ㎛/hr 내지 약 4 ㎛/hr 범위의 성장률로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 상기 호모에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 질화물 재료는 GaN을 포함하는 방법.
제35항에 있어서, AlGaN/GaN HEMT을 형성하기 위하여, GaN상에 AlGaN 재료를 증착시키는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
약 0.2 ~ 10도 범위의 오프컷 각도로, <0001> 방향에서
및
으로 구성된 군으로부터 선택된 방향을 향하여 현저하게 오프컷(offcut)된 (Al,In,Ga)N (0001) 표면을 함유하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기판에 있어서, 상기 표면은 50 x 50 ㎛² AFM 스캔에 의해 측정된 1 mm 이하의 RMS 거칠기 및 3E6 cm^-2 이하의 전위 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기판.