KR20070051831A - Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy - Google Patents

Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy Download PDF

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

고도로 평면이고, 완전히 투명하며, 반사성의 m-면 질화 갈륨(GaN) 필름들을 성장시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 측방향 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도를 현저하게 감소시킨다. 고품위이고, 균일하며, 두꺼운 m-면 GaN 필름들은 비극성 소자 성장용 기판으로 사용된다.It provides a method of growing highly planar, completely transparent, reflective m-plane gallium nitride (GaN) films. The method significantly reduces structural defect density through lateral overgrowth techniques. High quality, uniform, thick m-plane GaN films are used as substrates for nonpolar device growth.

Description

수소화물 기상 에피택시법에 의한 평면의, 전위 밀도가 감소된 Ｍ-면 질화갈륨의 성장{Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy}Growing of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy by hydride vapor phase epitaxy

본 발명은 화합물 반도체의 성장과 소자 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 수소화물 기상 에피택시법(hydride vapor phase epitaxy)에 의해 평면의 m-면 질화갈륨(GaN) 필름의 직접 성장을 수행하여 평면의, m-면 GaN 필름을 성장시키고 제조하는 것에 관한 것이다. 상기 평면의 m-면 GaN 필름을 직접 성장시킨 후에 선택적으로, GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장(lateral epitaxial overgrowth)을 수행하여 전위 밀도를 감소시킨다.The present invention relates to the growth of compound semiconductors and device fabrication. More specifically, the present invention performs direct growth of planar m-plane gallium nitride (GaN) film by hydride vapor phase epitaxy to grow and manufacture planar, m-plane GaN film. It's about doing. After directly growing the planar m-plane GaN film, optionally, lateral epitaxial overgrowth of the GaN film is performed to reduce the dislocation density.

[관련 출원에 대한 상호 참조; CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS][Cross Reference to Related Application; CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS]

본 출원은 하기의 동시 계류중(co-pending)이고 공동으로 양도된(commonly-assigned) 미국특허출원의 35 U.S.C. §119(e)에 의거한 이익을 주장한다:This application is co-pending and commonly-assigned US Patent Application No. 35 U.S.C. Claim the benefit under § 119 (e):

Benjamin A. Haskell, Melvin B. McLaurin, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2004년 6월 3일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.119-US-P1인 미국 임시특허출원 제 60/576,685호;Benjamin A. Haskell, Melvin B. McLaurin, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura wrote, "GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY." U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 576,685, filed on Dec. 30, 2007-US-P1;

상기 출원은 여기에 참조로서 포함된다.Said application is incorporated herein by reference.

상기 출원은 일부계속출원(continuation-in-part)이고, 하기의 동시 계류중이고 공동으로 양도된 특허출원들의 35 U.S.C. §119, §120 및/또는 §365에 의거한 이익을 주장한다:The application is a continuation-in-part, 35 U.S.C. of the following co-pending and jointly assigned patent applications: Claims benefit under §119, §120, and / or §365:

Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-WO-U1(2003-224-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21918호, 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1 (2003-224-1)인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다;Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, entitled "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY." International Patent Application No. PCT / US03 / 21918, filed Jul. 15, 2015, with the agent filing number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2), filed under Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura filed December 16, 2002, entitled "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY," Claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843, which is 30794.93-US-P1 (2003-224-1);

Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1 (2003-225-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21916호, 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1 (2003-225-1)인 미국임시특허출원 제60/433,844호에 대해 우선권을 주장한다;Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura wrote "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY "International Patent Application No. PCT / US03 / 21916, filed July 15, 2003, with the agent filing number 30794.94-WO-U1 (2003-225-2), filed under Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura are entitled "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY" And claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844, filed Dec. 16, 2002 and having the agent clearance number 30794.94-US-P1 (2003-225-1);

Michael D. Craven 및 James S. Speck가 "NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.100-US-U1 (2002-294-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,691호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1 (2002-294/301/303)인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;Filed on April 15, 2003 by Michael D. Craven and James S. Speck entitled “NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION” and the agent filing number 30794.100-US-U1 ( U.S. Utility Patent Application No. 10 / 413,691, filed by Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra. United States Provisional Patent Application No. 60, filed April 15, 2002 entitled "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS," with the agent filing number 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303) Claims priority to / 372,909;

Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.101-US-U1 (2002-301-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,690호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1 (2002-294/301/303)인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra described "NON-POLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES, US Utility Patent Application No. 10 / 413,690, filed April 15, 2003, filed April 30, 2003, with the agent filing number 30794.101-US-U1 (2002-301-2), filed under Michael D. Craven, Stacia. Filed on 15 April 2002 by Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra, entitled "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS." Priority claim is made to US Provisional Patent Application No. 60 / 372,909, filed 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303);

Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS"라는 제목으로 2003년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.102-US-U1 (2002-303-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제10/413,913호, 이 출원은 Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS"라는 제목으로 2002년 4월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.95-US-P1인 미국임시특허출원 제60/372,909호에 대해 우선권을 주장한다;Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra, entitled "DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS," U.S. Utility Patent Application No. 10 / 413,913, filed on Dec. 30794.102-US-U1 (2002-303-2), filed under Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, Tal Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra, filed on April 15, 2002, entitled "NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS," and filed with agent clearance number 30794.95-US-P1. Claim priority on provisional patent application No. 60 / 372,909;

Michael D. Craven 및 Steven P. DenBaars가 "NONPOLAR (Al, B, In, Ga)N QUANTUM WELLS"라는 제목으로 2003년 12월 11일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.104-WO-01 (2003-529-1)인 국제특허출원 제PCT/US03/39355호, 이 출원은 상기 특허출원들 제PCT/US03/21918호(30794.93-WO-U1), 제PCT/US03/21916 호(30794.94-WO-U1), 제10/413,691호(30794.100-US-U1), 제10/413,690호(30794.101-US-U1), 제10/413,913호(30794.102-US-U1)의 일부계속출원이다.Filed on December 11, 2003 by Michael D. Craven and Steven P. DenBaars entitled "NONPOLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELLS" and the agent filing number 30794.104-WO-01 (2003-529 -1) International Patent Application No. PCT / US03 / 39355, which is the patent application No. PCT / US03 / 21918 (30794.93-WO-U1), PCT / US03 / 21916 (30794.94-WO-U1). And 10 / 413,691 (30794.100-US-U1), 10 / 413,690 (30794.101-US-U1), and 10 / 413,913 (30794.102-US-U1).

Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2005년 5월 6일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.117-US-U1 (2004-495-2)인 미국 유틸리티 특허출원 제11/123,805호, 이 출원은 Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra가 "FABRICATION OF NONPOLAR INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"라는 제목으로 2004년 5월 10일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.117-US-P1 (2004-495)인 미국임시특허출원 제60/569,749호에 대해 우선권을 주장한다;Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra described "FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMITION VAPOR VAPOR" U.S. Utility Patent Application No. 11 / 123,805, filed May 6, 2005, with Representative No. 30794.117-US-U1 (2004-495-2), filed under Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia. Filed on May 10, 2004 by Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra entitled "FABRICATION OF NONPOLAR INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION." Claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 569,749, with the agent filing number 30794.117-US-P1 (2004-495);

상기 모든 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.All such applications are incorporated herein by reference.

(주의 : 본 출원의 명세서는 여러 가지의 간행물들을 참조한다. 이러한 간행물들 각각의 충분한 인용은 하기에 "참고문헌"라고 표시된 부분에서 찾을 수 있다. 이러한 간행물들 각각은 여기에 참조로서 포함된다.)(NOTE: The specification of this application refers to various publications. A full citation of each of these publications can be found in the section marked “References” below. Each of these publications is incorporated herein by reference. )

질화갈륨(gallium nitride; GaN); 및 알루미늄과 인듐을 포함하는 그의 삼원계(ternary)와 사원계(quaternary) 화합물들(AlGaN, InGaN, AlINGaN)의 유용성은 가시광 및 자외선 광전자 소자들과 고전력 전자 소자들의 제조를 위해 잘 정립되어있다. 이러한 소자들은 통상적으로 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE), 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), 또는 수소화물 기상 에피택시법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)을 포함하는 성장 기술들에 의하여 에피택시얼하게 성장한다.Gallium nitride (GaN); And the usefulness of their ternary and quaternary compounds (AlGaN, InGaN, AlINGaN), including aluminum and indium, are well established for the production of visible and ultraviolet optoelectronic devices and high power electronic devices. Such devices typically include molecular beam epitaxy (MBE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Growth techniques grow epitaxially.

GaN 및 그의 합금들은 육방정 우르차이트(hexagonal w

Figure 112007000727119-PCT00001
rtzite) 결정 구조에서 가장 안정적이다. 상기 결정 구조는 서로에 대하여 120°회전하고, 단일의 c-축에 대하여 모두 수직인 두 개의(또는 세 개의) 동등한 기저면 축들(basal plane axes, a-축들)로 표시된다. 도 1은 일반적인 육방정 우르차이트 결정구조(100)와 여기서 정의된 축들(110, 112, 114, 116)과 함께 관심 면들(102, 104, 106, 108)을 개략적으로 도시한다. 여기서 채워진 패턴들은 관심 면들(102, 104, 106)을 나타내기 위함일 뿐이고, 결정 구조(100)의 재료들을 표현하는 것은 아니다. III족 및 질소 원자들은 결정의 c-축을 따라 교대로 c-면들을 점유한다. 상기 우르차이트 구조 내에 포함된 대칭 요소들은 III-질화물들이 상기 c-축을 따라서 벌크 자발 분극(bulk spontaneous polarization)을 가지는 것을 나타낸다. 더욱이, 우르차이트 결정구조는 비-중심대칭(non-centrosymmetric)이므로, 우르차이트 질화물들은 결정의 c-축을 따라서 압전 분극(piezoelectric polarization)을 추가적으로 보일 수 있다. 전자 및 광전자 소자들을 위한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라서 성장한 질화 필름들을 이용한다. 그러나, 강한 압전 및 자발적 분극의 존재로 인하여, III-질화물계 광전자 및 전자 소자들 내의 통상적인 c-면 양자우물 구조들(quantum well structures)은 바람직하지 않은 양자-가둠 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)의 영향을 받는다. c-방향을 따른 강한 내부 전기장(built-in electric fields)은 전자들 및 홀들을 공간적으로 분리하며, 이에 따라 캐리어 재결합 효율을 제한하고, 진동자 강도를 감소시키며, 또한 적색 편이 발광을 야기한다.GaN and its alloys are hexagonal wurches
Figure 112007000727119-PCT00001
rtzite) most stable in crystal structure. The crystal structure is represented by two (or three) equivalent basal plane axes (a-axes) that are rotated 120 ° relative to each other and are all perpendicular to a single c-axis. FIG. 1 schematically illustrates the planes of interest 102, 104, 106, 108 with the general hexagonal urethane crystal structure 100 and the axes 110, 112, 114, 116 defined herein. The filled patterns here are only intended to represent the planes of interest 102, 104, 106, and do not represent the materials of the crystal structure 100. Group III and nitrogen atoms occupy c-planes alternately along the c-axis of the crystal. Symmetric elements included in the urchite structure indicate that III-nitrides have bulk spontaneous polarization along the c-axis. Moreover, since the wurtzite crystal structure is non-centrosymmetric, the wurtzite nitrides may additionally exhibit piezoelectric polarization along the c-axis of the crystal. Current nitride technology for electronic and optoelectronic devices utilizes nitride films grown along the c-direction of polarity. However, due to the presence of strong piezoelectric and spontaneous polarization, conventional c-plane quantum well structures in III-nitride-based optoelectronic and electronic devices have the undesirable quantum-confined effect. Stark effect (QCSE). Strong built-in electric fields along the c-direction spatially separate electrons and holes, thereby limiting carrier recombination efficiency, reducing oscillator strength, and also causing redshift light emission.

GaN 광전자 소자들에서 상기 자발 및 압전 분극 효과를 제거하기 위한 하나의 가능한 방법은 상기 결정의 비극성면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 이러한 면들은 동일한 수의 Ga와 N 원자들을 포함하며, 전하-중성(charge-neutral)이다. 더욱이, 계속되는 비극성면들은 서로 균등하여 전체 결정은 성장방향으로 분극되지 않는다. GaN 내에서 대칭-등가 비극성 면들(symmetry-equivalent non-polar planes)의 두 족들(families)은 집합적으로 a-면들로 알려진

Figure 112007000727119-PCT00002
족과 집합적으로 m-면들로 알려진
Figure 112007000727119-PCT00003
족이다.One possible way to eliminate the spontaneous and piezoelectric polarization effects in GaN optoelectronic devices is to grow the devices on the nonpolar surfaces of the crystal. These planes contain the same number of Ga and N atoms and are charge-neutral. Moreover, subsequent nonpolar planes are equal to each other so that the whole crystal is not polarized in the growth direction. In GaN, two families of symmetry-equivalent non-polar planes are collectively known as a-planes.
Figure 112007000727119-PCT00002
Known collectively as m-planes
Figure 112007000727119-PCT00003
Family.

사실상, 비극성 성장 방향들, 예를 들어,

Figure 112007000727119-PCT00004
a-방향 또는
Figure 112007000727119-PCT00005
m-방향을 채용하는(Al,Ga,In,B)N 양자-우물 구조들은 우르차이트 질화물 구조들 내에 분극-유발 전기장 효과(polarization-induced electric fields)를 제거하기 위한 효율적인 수단을 제공한다. 왜냐하면, 상기 극성 축은 필름의 성장면 내에 놓여져 있고, 이에 따라 양자 우물들(heterointerfaces)의 이종계면들에 평행하기 때문이다. 최근 몇년 동안, 비극성 (Al,Ga,In)N의 성장은 비극성 전자소자 및 광전소자의 제조에서의 사용 가능성으로 인해 커다란 관심을 받아왔다. 최근, 플라즈마-어시스티드(plasma-assisted) MBE에 의하여 리튬 알루민산염(lithium aluminate) 기판들 상에 성장된 비극성 m-면 AlGaN/GaN 양자 우물들과, r-면 사파이어 기판들 상에 MBE와 MOCVD 모두에 의하여 성장된 비극성 a-면 AlGaN/GaN 다중-양자 우물들(MQWs)은 성장 방향을 따라 분극장들(polarization fields)이 없음을 보여준다. 더욱 최근, Sun 등 [Sun et al., Appl. Phys. Lett. 83 (25) 5178 (2003)]과 Gardner 등 [Gardner et al., Appl. Phys. Lett. 86, 111101 (2005)]은 각각 MBE 및 MOCVD에 의해 m-면 InGaN/GaN 양자 우물 구조들을 헤테로에피택시로(heteroepitaxialy) 성장시켰다. Chitnis 등[Chitnis et al., Appl. Phys. Lett. 84 (18) 3663 (2004)]은 MOCVD에 의해 a-면 InGaN/GaN 구조들을 성장시켰다. 가장 중요하게는, UCSB의 연구원들 [Chakraborty et al., Appl. Phys. Lett. 85 (22) 5143 (2004)]은, 매우 최근, HVPE로 성장되고 낮은 결함-밀도를 갖는 a-면 GaN 템플릿들(templates)을 이용한 결함 밀도가 감소된 a-면 InGaN/GaN 소자들의 성장의 중요한 이점들을 입증하였다. 본 문헌의 본문은 비극성 III-질화물 발광 다이오드들(LEDs)과 레이저 다이오드들(LDs)이 그들의 극성 대응물들에 비교할 때 매우 양호하게 동작할 가능성을 가진다는 것을 확립하였다.Indeed, non-polar growth directions, for example
Figure 112007000727119-PCT00004
a-direction or
Figure 112007000727119-PCT00005
N quantum-well structures employing the m-direction provide an efficient means for eliminating polarization-induced electric fields in urethane nitride structures. This is because the polar axis lies within the growth plane of the film and is thus parallel to the heterogeneous interfaces of quantum wells. In recent years, the growth of nonpolar (Al, Ga, In) N has been of great interest due to its use in the manufacture of nonpolar electronic and optoelectronic devices. Recently, nonpolar m-plane AlGaN / GaN quantum wells grown on lithium aluminate substrates by plasma-assisted MBE and MBE on r-plane sapphire substrates. Nonpolar a-plane AlGaN / GaN multi-quantum wells (MQWs) grown by both MOCVD show no polarization fields along the growth direction. More recently, Sun et al., Sun et al., Appl. Phys. Lett. 83 (25) 5178 (2003) and Gardner et al., Gardner et al., Appl. Phys. Lett. 86, 111101 (2005) grew m-plane InGaN / GaN quantum well structures by heteroepitaxialy by MBE and MOCVD, respectively. Chitnis et al., Chitnis et al., Appl. Phys. Lett. 84 (18) 3663 (2004)] grew a-plane InGaN / GaN structures by MOCVD. Most importantly, researchers at UCSB [Chakraborty et al., Appl. Phys. Lett. 85 (22) 5143 (2004) describes very recently the growth of a-plane InGaN / GaN devices with reduced defect density using a-plane GaN templates grown with HVPE and having low defect-density. Important advantages have been demonstrated. The text of this document established that nonpolar III-nitride light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) have the potential to work very well when compared to their polar counterparts.

GaN의 벌크 결정들은 결정을 단순히 자르는 것에 의해 계속적인 소자 재성장을 위한 면을 제공하는 것이 가능하지 않기 때문에 유용하지 않다. 모든 GaN 막들은 처음에는 헤테로에피택시얼 성장, 다시 말해서, GaN에 대해 적절한 격자 정합을 제공하는 이질 기판들 상에 성장된다. 최근에는, 다수의 그룹들이 이질 기판을 제거하기에 충분한 두께(>200 ㎛)를 갖는 GaN 필름을 헤테로에피택시얼하게 적층하는 방법으로서 HVPE를 이용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 이에 따라, 호모에피택시얼 소자 재성장에 사용되는 프리-스탠딩(free-standing) GaN 기판을 얻을 수 있다. HVPE는 MOCVD의 성장 속도에 비해 1 또는 2 오더(order) 정도, MBE의 성장 속도에 비해 3 오더 정도 성장 속도가 크다는 장점이 있고, 이것은 기판 제조에 있어서 대단히 바람직한 이점이다.Bulk crystals of GaN are not useful because it is not possible to provide a facet for continuous device regrowth by simply cutting the crystal. All GaN films are initially grown on heteroepitaxial growth, that is, on heterogeneous substrates that provide adequate lattice matching for GaN. Recently, a number of groups have found that it is possible to use HVPE as a method of heteroepitaxially stacking GaN films having a thickness (> 200 μm) sufficient to remove foreign substrates. Accordingly, a free-standing GaN substrate used for homoepitaxial element regrowth can be obtained. HVPE has the advantage that the growth rate is about 1 or 2 orders higher than the growth rate of MOCVD, and 3 orders higher than the growth rate of MBE, which is a very desirable advantage in substrate manufacturing.

질화물들의 헤테로에피택시얼 성장의 중요한 단점 중 하나는 기판과 에피택시얼 필름 사이의 계면에 구조적 결함이 발생될 수 있다는 점이다. 관심의 대상이 되는 연장된 결함의 두 가지 주된 형태는 실 전위들(threading dislocations)과 적층 결함들(stacking faults)이다. 극성 c-면 GaN 필름들의 전위와 적층 결함 밀도를 감소시키기 위한 주요 방법은 측방향 에피택시얼 과성장(lateral epitaxial overgrowth; LEO, ELO, 또는 ELOG), 선택 영역 에피택시(selective area epitaxy), 및 PENDEO® 에피택시를 포함하는 갖가지 측방향 과성장 기술들(lateral overgrowth techniques)을 사용하는 것이다. 이러한 공정들의 본질은 수직 성장보다 측방향 성장을 선호함으로써 전위들이 필름 표면으로 수직 전파되는 것을 차단하거나 방해하는 것이다. 이러한 전위 저감 기술들은 HVPE와 MOCVD를 사용한 c-면 GaN 성장용으로 광범위하게 개발되고 있다.One of the major disadvantages of heteroepitaxial growth of nitrides is that structural defects can occur at the interface between the substrate and the epitaxial film. Two main types of extended defects of interest are threading dislocations and stacking faults. The main methods for reducing dislocations and stacking defect densities of polar c-plane GaN films are lateral epitaxial overgrowth (LEO, ELO, or ELOG), selective area epitaxy, and It is to use various lateral overgrowth techniques including PENDEO ® epitaxy. The essence of these processes is to block or prevent dislocations from propagating vertically to the film surface by favoring lateral growth rather than vertical growth. These potential reduction techniques have been extensively developed for c-plane GaN growth using HVPE and MOCVD.

최근에야 GaN 측방향 성장 기술들이 a-면 필름들에 적용되게 되었다. Craven 등[Craven et al., Appl. Phys. Lett. 81 (7) 1201 (2002)]은 MOCVD를 통해 얇은 a-면 GaN 템플릿(template) 층 상의 절연 마스크를 사용하여 LEO를 수행하는데 성공하였다. 우리 그룹[Haskell et al., Appl. Phys. Lett. 83 (4) 644 (2003)]은 후속하여 HVPE에 의한 a-면 GaN 성장용 LEO 기술을 개발하였다. 하지만, 지금까지 상기 공정들 중 어느 것도 m-면 GaN을 위해 개발되거나 실증되지 않았다.Only recently have GaN lateral growth techniques been applied to a-side films. Craven et al., Craven et al., Appl. Phys. Lett. 81 (7) 1201 (2002) succeeded in performing LEO using an insulating mask on a thin a-plane GaN template layer via MOCVD. Our group [Haskell et al., Appl. Phys. Lett. 83 (4) 644 (2003) subsequently developed LEO technology for a-plane GaN growth by HVPE. However, none of the above processes have been developed or demonstrated for m-plane GaN.

본 발명은 이러한 문제들을 극복하고 HVPE에 의한 고품위 m-면 GaN 성장용 기술을 처음으로 제공한다.The present invention overcomes these problems and provides for the first time a technique for high quality m-plane GaN growth by HVPE.

본 발명은 고도의 평면이고, 완전하게 투명하며, 반사성의(specular) m-면 GaN 필름들을 성장시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 측방향 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도의 상당한 감소를 제공한다. 고품위이고, 균등하고, 두꺼운 m-면 GaN 필름들은 비극성 소자 성장용 기판으로 사용될 수 있다.The present invention provides a method of growing highly planar, completely transparent, and specular m-plane GaN films. The method provides a significant reduction in structural defect density through lateral overgrowth techniques. High quality, uniform, thick m-plane GaN films can be used as substrates for non-polar device growth.

도면들을 참조함에 있어, 도면 내의 동일 참조번호들은 전체에 걸쳐 대응부분들을 나타낸다.In the drawings, like reference numerals in the drawings indicate corresponding parts throughout.

도 1은 일반적인 육방정 결정 구조 및 주요 결정 면들을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a general hexagonal crystal structure and major crystal faces.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소화물 기상 에피택시법에 의해 평탄한 m-면 GaN 필름들을 직접 성장시키는 단계들을 나타내는 플로우 챠트이다.FIG. 2 is a flow chart illustrating the steps of directly growing flat m-plane GaN films by hydride vapor phase epitaxy according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명에 의해 얻어진 균일하고 평탄한 표면 모폴러지(morphology)를 나타내는, LiAlO2 기판 상에 성장된 m-면 GaN막의 노마스키 광학 대비 현미경 사진(Nomarski optical contrast micrograph)이며, 도 3b는 동일 표면의 원자력 현미경 사진(AFM)이다.FIG. 3A is a Nomarski optical contrast micrograph of an m-plane GaN film grown on a LiAlO 2 substrate, showing a uniform and flat surface morphology obtained by the present invention, and FIG. 3B is the same. An atomic force micrograph (AFM) of the surface.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 필름들의 측방향 에피택시얼 과성장을 통해 상기 평면의 m-면 GaN 필름들 내의 실전위 및 결함 밀도들을 감소시키는 단계들을 나타낸 플로우 챠트이다.4 is a flow chart illustrating steps of reducing potential potential and defect densities in the planar m-plane GaN films through lateral epitaxial overgrowth of GaN films in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 5a는 <0001>-배향된 SiO2 스트라이프들(stripes)을 사용하는 m-면 GaN 측방향 에피택시얼 과성장 공정을 나타낸 개략도이고, 도 5b는

Figure 112007000727119-PCT00006
-배향된 SiO2 스트라이프들을 사용하는 m-면 GaN 측방향 성장 공정을 나타낸 개략도이다.FIG. 5A is a schematic diagram illustrating an m-plane GaN lateral epitaxial overgrowth process using <0001> -oriented SiO 2 stripes; FIG. 5B
Figure 112007000727119-PCT00006
Schematic showing an m-plane GaN lateral growth process using oriented SiO 2 stripes.

도 6a는 <0001>-배향된 m-면 GaN 측방향 에피택시얼 과성장 스트라이프들의 경사진 단면도이고, 도 6b는

Figure 112007000727119-PCT00007
-배향된 GaN 스트라이프들의 단면도이다.FIG. 6A is an oblique cross-sectional view of the <0001> -oriented m-plane GaN lateral epitaxial overgrowth stripes, FIG. 6B
Figure 112007000727119-PCT00007
Cross-sectional view of oriented GaN stripes.

도 7a 및 도 7c는 각각 <0001> 및

Figure 112007000727119-PCT00008
-배향된 스트라이프들에서 성장되고 합체된 측방향 에피택시얼 과성장 스트라이프들의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지들을 나타내는 평면도들이다. 도 7b 및 도 7d는 도 7a 및 도 7c에 나타난 표면들의 음극선발광(cathodoluminescence; CL) 이미지들로서, 윈도우(window)와 윙(wing) 영역들을 나타낸다. 도 7e는 <0001> 방향을 따라 배향된 m-면 GaN 스트라이프의 단면 SEM 이미지이다. 도 7f는 도 7e에 나타난 스트라이프에 대응하는 CL 이미지이다.7A and 7C show <0001> and
Figure 112007000727119-PCT00008
-Plan views showing scanning electron microscopy (SEM) images of lateral epitaxial overgrowth stripes grown and coalesced in oriented stripes. 7B and 7D are cathodoluminescence (CL) images of the surfaces shown in FIGS. 7A and 7C, showing window and wing regions. 7E is a cross-sectional SEM image of m-plane GaN stripes oriented along the <0001> direction. FIG. 7F is a CL image corresponding to the stripe shown in FIG. 7E.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 m-면 GaN 표면들의 5×5 ㎛ 원자력 현미경 사진들인데, 도 8a는 본 명세서의 첫번째 부분에 서술된 방법을 사용하여 성장된 결함 감소가 없는 표면을 나타내고, 그리고 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 따라 성장한 측방향 에피택시얼 과성장 m-면 GaN 필름의 윙들의 표면들을 나타낸다.8A, 8B and 8C are 5 × 5 μm atomic force micrographs of m-plane GaN surfaces, FIG. 8A showing a defect free surface grown using the method described in the first part of this specification, 8B and 8C show the surfaces of the wings of a lateral epitaxial overgrowth m-plane GaN film grown according to the present invention.

바람직한 실시예의 이하의 설명에서는, 본 명세서의 일부를 이루며 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하기 위하여 첨부된 도면을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 실시예들도 구현가능하며, 구조적인 변형이 가능함을 이해할 수 있다.In the following description of the preferred embodiments, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, to illustrate exemplary embodiments of the invention. It is to be understood that other embodiments may be implemented and structural modifications may be made without departing from the scope of the present invention.

개관(Overview)Overview

비극성 m-면

Figure 112007000727119-PCT00009
질화물 반도체의 성장은 우르차이트-구조 Ⅲ:질화물 소자 구조에 있어서 분극 효과를 제거하는 수단을 제공한다. 현재 (Ga,Al,In,B)N 소자들은 극성 [0001] c-방향에서 성장되므로, 광전 소자들에서 1차 전기 전도 방향(primary conduction direction)을 따라 전하 분리가 야기된다. 상기 분극 장(polarization fields)은 기술 소자들(art devices)의 현재 상태의 성능에 치명적이다. 이러한 소자들을 비극성 방향을 따라 성장시키는 것은 소자 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.Non-polar m-plane
Figure 112007000727119-PCT00009
The growth of nitride semiconductors provides a means to eliminate the polarization effect in the wurtzite-structure III: nitride device structure. Currently (Ga, Al, In, B) N devices are grown in the polar c-direction, causing charge separation along the primary conduction direction in photovoltaic devices. The polarization fields are critical to the performance of the current state of the art devices. Growing such devices along non-polar directions can significantly improve device performance.

m-면 GaN의 두꺼운 필름을 성장시키기 위한 종전의 노력들은 피트들(pits), 노치들(notches) 및 크랙들(cracks)과 같은 고밀도의 벌크 결함들을 갖는 결함이 많은 에피층들을 제공하였다. 이러한 필름들은 극단적으로 비균질이고 호모에피택시얼 소자층 재성장용 기판들로 부적당하다. 본 발명은 두꺼운 비극성 m-면 GaN 필름들의 성장에 있어, 피트들(pits), V형 결함들, 화살촉 결함들, 실 전위들, 및 적층 결함들을 제거하는 것을 포함하여, 이미 고찰된 문제들을 해결한다. 본 발명은 고도로 평면이고, 완전히 투명하며 반사성의 m-면 GaN 필름의 성장 가능성을 최 초로 보여준다. 더욱이, 본 발명은 측방항 과성장 기술을 통해 구조적 결함 밀도의 현저한 감소를 나타낸다. 본 발명은 최초로 고품위이고, 균일하며, 두꺼운 m-면 GaN 필름들이 비극성( polarization-free) 소자 성장용 기판들로 사용되도록 제공한다.Previous efforts to grow thick films of m-plane GaN have provided defective epilayers with dense bulk defects such as pits, notches and cracks. Such films are extremely heterogeneous and inadequate for substrates for homoepitaxial device layer regrowth. The present invention solves the problems already discussed in the growth of thick non-polar m-plane GaN films, including removing pits, V-shaped defects, arrowhead defects, yarn dislocations, and lamination defects. do. The present invention first demonstrates the growth potential of highly planar, completely transparent and reflective m-plane GaN films. Moreover, the present invention exhibits a significant reduction in structural defect density through lateral overgrowth techniques. The present invention first provides high quality, uniform, thick m-plane GaN films for use as substrates for polarization-free device growth.

본 발명은 고품위, 저결함 밀도 비극성 m-면

Figure 112007000727119-PCT00010
GaN을 생산하는 비교적 단순한 방법을 제공한다. 현재, 벌크 결정들이 유용하지 않아 GaN 필름들은 헤테로에피택시얼하게 성장되어야만 하나, 이러한 성장 공정을 위한 완전하게 격자-정합된 기판들이 존재하지 않는다. 통상의 헤테로에피택시얼 성장에서의 격자 부정합의 결과로서, 생성된 GaN 필름들은 본질적으로 결함이 있고, 일반적으로 108 ㎝-2를 넘는 전위 밀도들을 가진다. 측방향 과성장을 이용하는 일종의 성장 기술들은 c-면 (0001) GaN 성장을 위해 개발되고 있으며, 최근에는 a-면
Figure 112007000727119-PCT00011
GaN 성장을 위해 개발되고 있다. 이러한 기술들은 결함 밀도를 현저하게 감소시킬 수 있다. 본 발명은 이질 기판 상에 성장된 m-면 GaN 에피층의 막질을 실질적으로 향상시키고, 추가적으로 임의의 성장 기술에 의한 m-면 GaN의 측방향 과성장을 최초로 성공적으로 실행한다. 본 발명의 결과로서, 이제 결함밀도가 현저하게 감소되고, 두꺼운 비극성 m-면 GaN 필름을 성장시킬 수 있게 되었고, 상기 GaN 필름은 다양한 성장 기술들에 의해, 향상된 전자 및 광전 소자의 성장에 사용될 수 있다.High quality, low defect density nonpolar m-plane
Figure 112007000727119-PCT00010
It provides a relatively simple way of producing GaN. Currently, bulk crystals are not useful and GaN films must be grown heteroepitaxially, but there are no fully lattice-matched substrates for this growth process. As a result of lattice mismatch in normal heteroepitaxial growth, the resulting GaN films are inherently defective and generally have dislocation densities in excess of 10 8 cm −2 . Some types of growth techniques using lateral overgrowth are being developed for c-plane (0001) GaN growth, and recently, a-plane
Figure 112007000727119-PCT00011
It is being developed for GaN growth. These techniques can significantly reduce defect density. The present invention substantially improves the film quality of the m-plane GaN epilayer grown on the heterogeneous substrate and additionally successfully performs lateral overgrowth of m-plane GaN by any growth technique for the first time. As a result of the present invention, defect density is now significantly reduced and it is possible to grow thick non-polar m-plane GaN films, which can be used for the growth of improved electronic and optoelectronic devices by various growth techniques. have.

기술적 설명(Technical description ( TechnicalTechnical DescriptionDescription ))

본 발명은 HVPE를 통해 평면의 m-면 GaN 필름 및 프리-스탠딩 층을 제조하는 방법을 제공한다. 감소된 성장 압력 및 일부의 수소를 함유하는 캐리어 가스를 이용하여, 본 발명은 이질 기판으로부터 이격하여 비극성 m-면 GaN의 직접 성장 및 안정화를 실증한다. 또한, 본 발명은 마스크층을 통한 기판으로부터의 측방향 과성장을 사용하여 m-면 GaN의 실 전위 및 적층 결함 밀도를 감소시킬 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing planar m-plane GaN film and free-standing layer through HVPE. With a reduced growth pressure and a carrier gas containing some hydrogen, the present invention demonstrates the direct growth and stabilization of nonpolar m-plane GaN away from the heterogeneous substrate. The present invention also provides a method that can reduce the lateral overgrowth from the substrate through the mask layer and the lattice defect density and the true dislocations of the m-plane GaN.

평면 m-면 Flat m-side GaNGaN 의 직접 성장(Direct growth of DirectDirect GrowthGrowth ofof PlanarPlanar m- m- planeplane GaN) GaN)

본 발명은 처음으로 HVPE에 의해 평면의 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 제공한다. 이러한 성장 공정은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1 (2003-225-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21916호에 설명된 a-면 GaN 성장과 유사하다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1 (2003-225-1)인 미국임시특허출원 제60/433,844호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 두 출원들은 여기에 참조로서 포 함된다.The present invention provides for the first time the direct growth of planar m-plane GaN films by HVPE. These growth processes are described by Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, as “GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY, filed on July 15, 2003 and filed a-page described in International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 with agent filing number 30794.94-WO-U1 (2003-225-2). Similar to GaN growth. This application is described by Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY, filed Dec. 16, 2002, and claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844, filed on Dec. 16, 2002, with the agent filing number 30794.94-US-P1 (2003-225-1). do. These two applications are incorporated herein by reference.

본 발명은 HVPE에 의해서

Figure 112007000727119-PCT00012
GaN을 제조하기 위한 여러가지 성장 과정에 적용된다. 통상의 금속-소오스 HVPE는 일염화 갈륨(GaCl)을 형성하기 위해 700℃ 이상의 온도에서 금속 갈륨(metallic gallium)과 기체 상태의 염화수소(HCl, 여기에 한정되지 않음)와 같은 할로겐 화합물의 반응을 수반한다. 상기 GaCl은 캐리어 가스에 의해서 기판 상으로 수송된다. 상기 캐리어 가스는 일반적으로 질소, 수소, 헬륨 또는 아르곤이다. 상기 기판으로 수송 중, 상기 기판 상에서 또는 배출 경로 중 어느 하나에서, GaCl은 암모니아(NH3)와 반응하여 GaN을 형성한다. 상기 기판 상에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN을 생성할 가능성을 가지므로, 필름 표면을 성장시키고 결국 결정을 성장시킨다.The present invention is based on HVPE
Figure 112007000727119-PCT00012
It is applied to various growth processes for producing GaN. Conventional metal-source HVPE involves the reaction of metallic gallium with halogen compounds such as gaseous hydrogen chloride (HCl, but not limited to) at temperatures above 700 ° C. to form gallium monochloride (GaCl). do. The GaCl is transported onto the substrate by a carrier gas. The carrier gas is generally nitrogen, hydrogen, helium or argon. During transport to the substrate, either on the substrate or in the discharge path, GaCl reacts with ammonia (NH 3 ) to form GaN. Reactions occurring on the substrate have the potential to produce GaN on the substrate, thus growing the film surface and eventually growing the crystals.

본 발명은 평면의 GaN 필름을 얻기 위한 여러가지 성장 파라미터들의 조합을 사용한다.The present invention uses a combination of various growth parameters to obtain a planar GaN film.

1. m-면 6H-SiC, m-면 4H-SiC, (100)γ-LiAlO2, 또는 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 덮혀진 상기 기판들 중 어느 하나의 기판을 포함하지만 이에 한정되지 않은 적절한 기판의 사용. 본 발명은 상기 모든 기판들에 대해 성공적으로 실행되었다.1.A substrate of any of the above substrates covered with m-plane 6H-SiC, m-plane 4H-SiC, (100) γ-LiAlO 2 , or m- (In, Al, Ga, B) N template layer Use of a suitable substrate, including but not limited to. The present invention has been successfully implemented for all of the above substrates.

2. 반응기에서 하나 이상의 기체 흐름에 최종 성장 단계용 캐리어 가스로서 일부의 수소(H2) 사용;2. Use of some hydrogen (H 2 ) as the carrier gas for the final growth stage in one or more gas streams in the reactor;

3. 필름 적층의 최종 단계에서, 대기압(760 토르)이하로 감소된 반응기 압 력.3. Reactor pressure reduced to below atmospheric pressure (760 Torr) in the final stage of film lamination.

프로세스 단계들(Process steps ( ProcessProcess StepsSteps ))

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소화물 기상 에피택시법에 의해 평면의 m-면 GaN 필름들을 직접 성장시키는 단계들을 나타내는 플로우 챠트이다. 이러한 방법들은 통상적인 3-구역 수평 방향-흐름 HVPE 시스템(three-zone horizontal directed-flow HVPE system)을 사용하여 고품위, 평면의, m-면 GaN 필름들을 생성하는 대표적인 성장 순서를 포함한다. 정확한 순서는 아래에 서술한 바와 같이 기판의 선택에 따라 달라진다.2 is a flow chart illustrating the steps of directly growing planar m-plane GaN films by hydride vapor phase epitaxy according to a preferred embodiment of the present invention. These methods include a representative growth sequence for producing high quality, planar, m-plane GaN films using conventional three-zone horizontal directed-flow HVPE systems. The exact order depends on the choice of substrate as described below.

블록 200은 어떤 엑스시츄(ex situ) 세정없이 반응기 내로 기판을 로딩하는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 기판은 m-면 6H-SiC, m-면 4H-SiC, 또는 (100)γ-LiAlO2 기판, 또는 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 덮혀진 상기 기판들 중 어느 하나의 기판이다.Block 200 represents loading the substrate into the reactor without any ex situ cleaning. In a preferred embodiment, the substrate is covered with an m-plane 6H-SiC, m-plane 4H-SiC, or (100) γ-LiAlO 2 substrate, or an m- (In, Al, Ga, B) N template layer. Any one of the above substrates.

블록 202는 반응기를 가열하기 전에, 순수 질소(N2) 가스를 사용하여 반응기를 비우고 이 반응기를 백필(backfill)함으로써 그 내부의 산소 및 수증기 레벨을 감소시키는 단계를 나타낸다. 이 단계는 시스템 내에 존재하는 산소와 수증기를 감소시키도록 반복된다.Block 202 illustrates the step of reducing oxygen and water vapor levels therein by emptying the reactor using pure nitrogen (N 2 ) gas and backfilling the reactor before heating the reactor. This step is repeated to reduce the oxygen and water vapor present in the system.

블록 204는 상기 시스템 내의 모든 채널들을 통해 H2와 N2의 혼합물을 흘리면서, 약 1040℃의 성장 온도에 이르기까지 상기 반응기를 가열하는 단계를 나타낸 다. 만약 상기 기판이 m-(In,Al,Ga,B)N 템플릿 층으로 코팅된 기판이라면, 상기 반응기를 가열하는 동안 상기 템플릿의 분해를 막기 위해 상기 가스 흐름에 일부의 NH3를 포함시키는 것이 바람직하다. 또한, 템플릿 층이 사용된 경우, 블록 204 전에 블록 208 즉, 압력 감소 단계를 수행함으로써 우수한 막질을 얻을 수 있다.Block 204 illustrates heating the reactor to a growth temperature of about 1040 ° C. while flowing a mixture of H 2 and N 2 through all channels in the system. If the substrate is a substrate coated with an m- (In, Al, Ga, B) N template layer, it is desirable to include some NH 3 in the gas stream to prevent decomposition of the template while heating the reactor. Do. In addition, when a template layer is used, excellent film quality can be obtained by performing block 208, ie, the pressure reducing step, before block 204.

블록 206은 상기 반응기가 성장 온도에 도달한 후, 상기 기판을 질화하는 단계를 나타낸다. 상기 질화 단계는 상기 기판의 표면을 질화하기 위해 반응기 내의 가스 흐름에 무수 암모니아(NH3)를 추가하는 것을 포함한다. 상기 기판을 질화하는 단계는 900℃ 이상의(in excess of 900℃) 온도에서 수행된다. 상기 단계는 LiAlO2 기판을 사용할 때 매우 바람직하다. 그러나, SiC 기판을 사용할 때는 일반적으로 바람직하지 않으므로, SiC 기판이 사용될 때는 상기 단계는 생략될 수 있다.Block 206 illustrates nitriding the substrate after the reactor reaches a growth temperature. The nitriding step includes adding anhydrous ammonia (NH 3 ) to the gas stream in the reactor to nitride the surface of the substrate. Nitriding the substrate is performed at a temperature in excess of 900 ° C. This step is very desirable when using LiAlO 2 substrates. However, since the SiC substrate is generally not preferred, the above step can be omitted when the SiC substrate is used.

블록 208은 원하는 증착 압력에 이르기까지 상기 반응기의 압력을 감소시키는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대기압(760 토르) 이하, 더 구체적으로는, 상기 원하는 증착 압력은 5 내지 100 토르의 범위에 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대략 76 토르이다.Block 208 illustrates reducing the pressure in the reactor to the desired deposition pressure. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is at or below atmospheric pressure (760 Torr), more specifically, the desired deposition pressure is in the range of 5 to 100 Torr. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is approximately 76 Torr.

블록 210은 갈륨(Ga) 소오스로 기체 염화수소(HCl) 흐름을 개시하여, 어떤 저온 버퍼 또는 결정핵형성 층들을 사용하지 않고 상기 기판 상에 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 시작하는 단계를 나타낸다. 통상적인 금속 소오스 HVPE는 700℃ 이상의(in excess of) 온도에서 기체 HCl(그러나 이에 한정되지 않음)과 같은 할로겐화물과 금속 Ga의 인시츄 반응을 수반하여 일염화 갈륨(GaCl)과 같은 금속 할로겐화 물 종을 형성한다.Block 210 represents initiating a gaseous hydrogen chloride (HCl) flow with a gallium (Ga) source to initiate direct growth of an m-plane GaN film on the substrate without using any low temperature buffer or nucleation layers. Conventional metal source HVPEs include metal halides such as gallium chloride (GaCl) with an in situ reaction of metal Ga with halides such as but not limited to gaseous HCl at temperatures in excess of 700 ° C. Forms a species.

블록 212는 상기 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름 내에 적어도 일부의 수소(H2)를 함유하는 캐리어 가스에 의해서 상기 기판에 상기 GaCl을 수송하는 단계를 나타낸다. 상기 캐리어 가스는 질소, 헬륨, 또는 아르곤, 또는 다른 비반응성 불활성 가스들을 또한 함유할 수 있다. 상기 기판으로의 이송, 상기 기판에서, 또는 배출 경로에서, 상기 GaCl은 NH3와 반응하여 GaN 필름을 형성한다. 상기 기판에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN 필름을 생성할 가능성을 가지므로, 결정성장을 야기할 수 있다. 본 과정을 위한 대표적인 V/III 비율(GaCl에 대한 NH3의 몰분율)은 1-50이다. 상기 Ga 소오스의 다운스트림에 추가적인 HCl 주입 또는 Ga 소오스와 HCl의 불완전 반응으로 인해 NH3/HCl 비는 V/III 비율과 같을 필요는 없다.Block 212 illustrates transporting the GaCl to the substrate by a carrier gas containing at least some hydrogen (H 2 ) in one or more gas streams in the reactor. The carrier gas may also contain nitrogen, helium, or argon, or other non-reactive inert gases. In the transfer to the substrate, at the substrate, or at the discharge path, the GaCl reacts with NH 3 to form a GaN film. Reactions that occur in the substrate have the potential to produce a GaN film on the substrate, which may cause crystal growth. Representative V / III ratio (mole fraction of NH 3 to GaCl) for this procedure is 1-50. The NH 3 / HCl ratio need not be equal to the V / III ratio due to additional HCl injection downstream of the Ga source or incomplete reaction of the Ga source with HCl.

블록 214는, 원하는 성장 시간이 경과한 후에, 기체 HCl 흐름을 중단하고, 상기 반응기 압력을 복귀시키고, 그리고 상기 반응기의 온도를 실온으로 감소시키는 단계를 나타낸다. 상기 중단 단계는 상기 반응기의 온도를 감소시키는 동안 GaN 필름의 분해를 막기 위해 가스 흐름에 NH3를 함유시키는 것을 더 포함한다. 상기 반응기 압력은 대기압으로 복원되거나 또는 저압으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각은 5 내지 760 토르에서 수행될 수 있다.Block 214 illustrates stopping the gas HCl flow, returning the reactor pressure, and reducing the temperature of the reactor to room temperature after the desired growth time has elapsed. The stopping step further includes the inclusion of NH 3 in the gas stream to prevent decomposition of the GaN film while reducing the temperature of the reactor. The reactor pressure may be restored to atmospheric pressure or maintained at low pressure. For example, the cooling may be performed at 5 to 760 Torr.

이러한 공정에 의한 상기 GaN 필름의 대표적인 성장 속도는 시간당 1 내지 400 ㎛의 범위에 있다. 이러한 성장 속도는 다수 개의 성장 파라미터들에 의존하 며, 평면의 m-면 GaN 필름들을 생성하는 한 상당히 넓은 범위에서 변화될 수 있다. 상기 성장 파라미터들은 상기 소오스와 기판 온도, 상기 여러가지 가스들의 상기 시스템 내부로의 흐름 속도(flow rate), 상기 반응기 형상 등을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 파라미터들의 대부분에 대한 바람직한 값은 상기 성장 반응기 형상에 따라 특유할 수 있다. Representative growth rates of the GaN film by this process are in the range of 1 to 400 μm per hour. This growth rate depends on a number of growth parameters and can vary over a wide range as long as producing planar m-plane GaN films. The growth parameters include, but are not limited to, the source and substrate temperatures, the flow rate of the various gases into the system, the reactor shape, and the like. Preferred values for most of these parameters may be specific to the growth reactor shape.

상기 "최종 성장 단계"에 대한 상기 공정 단계들 내의 참조는 상기 기술된 조건들을 사용한 적절한 지속 단계로 상기 성장 단계를 종료함으로써 (그렇지 않았더라면 거칠거나 결함이 있었을) 필름을 평탄화하는 것이 가능하다는 고찰을 참조한다. 상기 성장의 초반 단계들은 필름 품질 또는 모폴러지에 관계없이, 명목상 m-면 배향된 물질을 생성하는 임의의 성장 파라미터들을 포함할 수 있다.Reference in the process steps to the "final growth step" considers that it is possible to planarize the film (otherwise it would have been rough or defective) by ending the growth step with an appropriate sustaining step using the conditions described above. See. The early stages of growth may include any growth parameters that produce a nominal m-plane oriented material, regardless of film quality or morphology.

바람직하게는, 상기 공정 단계들은 평면의, m-면 GaN 필름을 생성한다. 나아가, 상기 방법을 사용하여 제조된 소자는 레이저 다이오드들, 발광 다이오드들 및 트랜지스터들을 포함한다.Preferably, the process steps produce a planar, m-plane GaN film. Furthermore, devices fabricated using the method include laser diodes, light emitting diodes and transistors.

실험 결과(Experiment result( ExperimentalExperimentalal ResultsResults ))

상술한 바와 같이 정의된 성장 파라미터들의 조합은 평면의 m-면 GaN 필름들을 일관되게 생성한다. 도 3a는 (100)γ-LiAlO2 기판 상에 성장된 m-면 GaN 필름의 노마스키 광학 대비 현미경 사진을 나타낸다. 본 샘플은 15.8의 V:III 비를 갖는 32% N2, 58% H2, 및 나머지 잔여량의(the balance) NH3와 HCl을 사용하여 성장되었 다. 성장 압력은 70 토르였고, 상기 기판 온도는 862℃였다. 본 발명에 의하지 않고 성장된 m-면 GaN 필름의 특징인 피트 및 크랙과 같은 벌크 결함이 상기 이미지에는 없다. 상기 표면은 비결정학적이고, 작은 나노미터-스케일의 기복들(undulations)을 갖는 흐르는 모폴러지(flowing morphology)를 나타낸다. 도 3b는 이 동일한 샘플의 원자력 현미경 사진(AFM)을 나타낸다. 상기 표면은 이전에 발표된 어느 것보다 현저하게 평탄함에도 불구하고, 줄진 모폴러지(striated morphology)는 MBE-성장된 m-면 GaN 막들에서 일반적으로 관찰된다. AFM 이미지의 오른쪽 아래 사분면에 가리비꼴 모폴러지(scalloped morphology)는 이전 문헌에서 발표되지 않았다. 이러한 모폴러지는 필름 내의 나사성(screw-character) 실 전위들의 존재에 관계할 수 있다. 이 표면의 제곱평균(root-mean-square; RMS) 거칠기는 동일 기술에 의해 r-면 Al2O3 상에 성장된 a-면 GaN 필름들에 유사하게, 25 ㎛2 영역에 대해 14.1 Å 이다. The combination of growth parameters defined as described above consistently produces planar m-plane GaN films. 3A shows a Nomasky optical contrast micrograph of an m-plane GaN film grown on a (100) γ-LiAlO 2 substrate. This sample was grown using 32% N 2 , 58% H 2 , and the balance NH 3 and HCl with a V: III ratio of 15.8. Growth pressure was 70 Torr and the substrate temperature was 862 ° C. There are no bulk defects in the image, such as pits and cracks, which are characteristic of m-plane GaN films grown without the invention. The surface is amorphous and exhibits a flowing morphology with small nanometer-scale undulations. 3B shows an atomic force micrograph (AFM) of this same sample. Although the surface is significantly flatter than any previously published, streaked morphology is generally observed in MBE-grown m-plane GaN films. Scalloped morphology in the lower right quadrant of the AFM image has not been published in previous literature. Such morphology can relate to the presence of screw-character seal dislocations in the film. The root-mean-square (RMS) roughness of this surface is 14.1 Å for a 25 μm 2 region, similar to a-plane GaN films grown on r-plane Al 2 O 3 by the same technique. .

m-면 m-side GaNGaN 의 of 측방향Lateral 에피택시얼Epitaxy 과성장( Overgrowth LateralLateral EpitaxialEpitaxial OvergrowthOvergrowth ofof m-plane  m-plane GaNGaN ))

상기 서술된 기술은 HVPE에 의해 평면의 m-면 GaN 필름을 성장하기 위한 제1 방법을 제공한다. 하지만, 이러한 필름들은 평탄하고(smooth) 평평하기는(flat) 하나, 여전히 그들은 높은 밀도의 실 전위들과 기저면 적층 결함들(basal plane stacking faults)을 갖는다. 사실, 이러한 직접 성장 샘플들의 투과 전자 현미 경(transmission electron microscopy; TEM)은 실 전위 및 적층 결함 밀도가 각각 4×109 cm-2and 2×105 cm-1임을 입증하였다. 이러한 구조적 결함들의 존재는 결함 밀도가 감소된 m-면 GaN을 사용하여 얻어진 것에 비해 소자 성능을 저하시킬 것이다. 본 발명은 LEO를 통해 m-면 GaN 필름 내의 구조 결함 밀도를 낮추는 방법을 더 포함한다.The technique described above provides a first method for growing a planar m-plane GaN film by HVPE. However, while these films are smooth and flat, they still have high density of yarn dislocations and basal plane stacking faults. In fact, transmission electron microscopy (TEM) of these direct growth samples demonstrated that the yarn dislocation and stacking defect density were 4 × 10 9 cm −2 and 2 × 10 5 cm −1 , respectively. The presence of these structural defects will degrade device performance compared to that obtained using m-plane GaN with reduced defect density. The invention further includes a method of lowering the density of structural defects in an m-plane GaN film via LEO.

본 발명은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-WO-U1(2003-224-2)인 국제특허출원 제PCT/US03/21918호에 개시된 a-면 GaN 필름 내의 결함을 줄이기 위해 개발된 기술을 밀접하게 따른다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1 (2003-224-1)인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 두 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.The invention is described by Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura as "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY." To reduce defects in the a-plane GaN film, filed on July 15, 2003 and disclosed in International Patent Application No. PCT / US03 / 21918, filed July 15, 2003, with the agent filing number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2). Follow closely the technology developed. This application is described by Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, as "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY." Priority is claimed on U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 433,843, filed December 16, 2002, with the agent filing number 30794.93-US-P1 (2003-224-1). These two applications are incorporated herein by reference.

본 발명은 여러가지 키 요소들(key elements)에 의지한다.The present invention relies on various key elements.

1. m-면 SiC 상의 AlN 버퍼층 상에 성장된 m-면 GaN 템플릿과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 적절한 기판 또는 템플릿의 사용.1. Use of a suitable substrate or template, such as, but not limited to, an m-plane GaN template grown on an AlN buffer layer on m-plane SiC.

2. 상기 템플릿 또는 기판 상에 다공성 마스크의 증착. 상기 마스크는 절연막의 적층 및 패터닝에서와 같이 균일(uniform)하거나, 얇고 다공성 금속 또는 세라믹 마스크를 적층하는 경우에서와 같이 비균질할(inhomogeneous) 수 있다. 상기 마스크는 여러가지 인시츄 또는 엑스시츄 기술들에 의해 증착될 수 있다.2. Deposition of a porous mask on the template or substrate. The mask may be uniform, such as in the stacking and patterning of an insulating film, or inhomogeneous, such as in the case of laminating a thin, porous metal or ceramic mask. The mask may be deposited by various in situ or ex situ techniques.

3. 감소된 압력(760 토르 이하)에서 (Al,B,In,Ga)N의 증착.3. Deposition of (Al, B, In, Ga) N at reduced pressure (760 Torr or less).

4. 성장하는 동안 기판/템플릿이 노출되는 가스 흐름 내에 다수의(a majority of) H2를 사용.4. Use a majority of H 2 in the gas flow to which the substrate / template is exposed during growth.

공정 단계들(Process steps ProcessProcess StepsSteps ))

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 통해 평면의 m-면 GaN 필름 내의 실전위 및 결함 밀도를 감소시키는 단계들을 나타낸 플로우 챠트이다. 이러한 단계들은 기판 상에 증착된 마스크를 패터닝하는 것(아래의 400-408 블록들)과, HVPE를 사용하여 상기 기판과 떨어져서 GaN 필름의 LEO 성장을 수행하는 것(아래의 410-420 블록들)을 포함한다. 여기서, 상기 GaN 필름은 패터닝된 마스크에 의해 가려지지 않은 기판의 부분 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크의 개구부들을 통해 수직하게 자라며, 그 후 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크 상부에서 측방향으로 퍼지며 상기 기판의 표면을 가로지른다.FIG. 4 is a flow chart illustrating steps of reducing the potential dislocation and defect density in a planar m-plane GaN film through lateral epitaxial overgrowth of a GaN film in accordance with a preferred embodiment of the present invention. These steps include patterning a mask deposited on a substrate (400-408 blocks below) and performing LEO growth of GaN film away from the substrate using HVPE (410-420 blocks below). It includes. Wherein the GaN film nucleates only on a portion of the substrate that is not covered by the patterned mask, and the GaN film grows vertically through the openings of the patterned mask, after which the GaN film is Spread laterally over the patterned mask and across the surface of the substrate.

블록 400은 m-면 6H-SiC 기판 상의 AlN 버퍼층 상에 MBE에 의해 성장된 m-면 GaN 템플릿과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 적절한 기판 또는 템플릿 상에 ~ 1350Å 두께의 SiO2 필름을 적층하는 단계를 나타낸다. 상기 SiO2 필름은 절연 마스크에 대한 베이스를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 패터닝된 마스크는 절연막이고, 상기 기판은 m-면 6H-SiC 기판이기는 하지만, 패터닝된 마스크로는 금속물질 기판으로는 사파이어와 같은 다른 물질들이 사용될 수 있다.Block 400 comprises depositing a ~ 1350 mm thick SiO 2 film on a suitable substrate or template, such as, but not limited to, an m-plane GaN template grown by MBE on an AlN buffer layer on an m-plane 6H-SiC substrate. Indicates. The SiO 2 film provides a base for the insulating mask. In a preferred embodiment, the patterned mask is an insulating film and the substrate is an m-plane 6H-SiC substrate, but other materials such as sapphire may be used as the metal substrate as the patterned mask.

블록 402는 상기 SiO2 필름 상에 포토레지스트층을 적층하고 통상적인 포토리소그라피 공정 단계들을 사용하여 상기 적층된 포토레지스트 층을 패터닝하는 단계를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 패턴은 5㎛ 폭의 개구부들에 의해 분리된 35㎛ 폭의 스트라이프들을 포함한다.Block 402 illustrates depositing a photoresist layer on the SiO 2 film and patterning the stacked photoresist layer using conventional photolithography process steps. In one embodiment, the pattern includes 35 μm wide stripes separated by 5 μm wide openings.

블록 404는 상기 기판을 완충 HF(hydrofluoric)산에 2 분 동안 담궈 상기 패터닝된 포토레지스트 층에 의해 노출된 상기 SiO2 필름의 소정 부분들을 식각하는 단계를 나타낸다.Block 404 represents the step of immersing the substrate in buffered hydrofluoric acid for 2 minutes to etch certain portions of the SiO 2 film exposed by the patterned photoresist layer.

블록 406은 아세톤(acetone)을 사용하여 상기 포토레지스트층의 잔존 부분을 제거하는 단계를 나타낸다.Block 406 illustrates removing the remaining portion of the photoresist layer using acetone.

블록 408은 아세톤, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 및 탈이온수(deionized water)를 사용하여 상기 기판을 세정하는 단계를 나타낸다.Block 408 illustrates cleaning the substrate with acetone, isopropyl alcohol, and deionized water.

건조 후, 상기 기판은 5㎛ 폭의 개구부들에 의해 분리된 35㎛ 폭의 스트라이프들을 갖는 패터닝된 SiO2 필름을 구비하는 패터닝된 마스크에 의해 덮혀진다.After drying, the substrate is covered by a patterned mask having a patterned SiO 2 film having 35 μm wide stripes separated by 5 μm wide openings.

바람직하게는, 상기 마스크는 다공성이다. 나아가, 상기 마스크는 절연막의 적층 및 패터닝에서와 같이 균일하거나; 얇고 다공성 금속 또는 세라믹 마스크를 적층하는 경우에서와 같이 비균질할 수 있다. 상기 마스크는 여러가지 인시츄 또는 엑스시츄 기술들에 의해 증착될 수 있다.Preferably, the mask is porous. Furthermore, the mask is uniform as in the stacking and patterning of the insulating film; It may be heterogeneous as in the case of laminating thin, porous metal or ceramic masks. The mask may be deposited by various in situ or ex situ techniques.

하기 블록들은 HVPE를 사용하여 상기 기판과 이격하여 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 수행하는 단계들을 나타낸다. 상기 GaN 필름은 패터닝된 마스크에 의해 노출된 기판의 부분들 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크의 개구부들을 통해 수직하게 자라며, 그 후 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크 상부에서 측방향으로 퍼져 상기 기판의 표면을 가로지르며, 결국 서로 인접하는 GaN 스트라이프들과 만난다. 상기 측방향 에피택시얼 과성장은 대략 대기압(760 토르)의 감소된 성장 압력 및 일부분의 수소를 함유하는 캐리어 가스를 이용한다. 상기 측방향 성장 공정을 위한 성장 조건은 HVPE를 통한 고품위 평면의 m-면 GaN 성장을 위해 상술한 조건들과 매우 유사하다.The blocks below show steps for performing lateral epitaxial overgrowth of a GaN film spaced apart from the substrate using HVPE. The GaN film nucleates only on portions of the substrate exposed by the patterned mask, the GaN film grows vertically through the openings in the patterned mask, and then the GaN film is patterned Spread laterally over the mask, across the surface of the substrate, eventually encountering adjacent GaN stripes. The lateral epitaxial overgrowth utilizes a carrier gas containing a reduced growth pressure of approximately atmospheric pressure (760 Torr) and a portion of hydrogen. Growth conditions for the lateral growth process are very similar to the conditions described above for high-quality plane m-plane GaN growth through HVPE.

이러한 단계들, 그리고 그것을 위한 성장 파라미터들은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2003년 7월 15일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-WO-U1이고, 동시 계류중(co-pending)이고 공동으로 양도된(commonly-assigned) 국제특허출원 제PCT/US03/21916호에 보다 자세히 기술된다. 이 출원은 Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.94-US-P1이고, 동시 계류중이고 공동으로 양도된 미국임시특허출원 제60/433,844호;및 Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura가 "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY"라는 제목으로 2002년 12월 16일에 출원하고 대리인 정리번호가 30794.93-US-P1인 미국임시특허출원 제60/433,843호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 모든 출원들은 여기에 참조로서 포함된다.These steps, and growth parameters for them, are described by Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, as described in "GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY, filed on July 15, 2003, with the agent filing number 30794.94-WO-U1, co-pending and commonly- assigned) in more detail in International Patent Application No. PCT / US03 / 21916. This application is described by Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura, "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY, filed on December 16, 2002, with an Interim Revision No. 30794.94-US-P1, co-pending and jointly assigned, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844; and Benjamin A Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura published the title "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY." Priority is claimed on US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843, filed on May 16, with an agent clearance number 30794.93-US-P1. All these applications are incorporated herein by reference.

블록 410은 반응기 내로 기판을 로딩하는 단계를 나타낸다.Block 410 represents loading a substrate into a reactor.

블록 412는 반응기 내부의 산소 레벨을 감소시키기 위해 순수 질소(N2) 가스를 사용하여 반응기를 비우고 이 반응기를 백필하는(backfilling) 단계를 나타낸다. 이 단계는 상기 반응기 내의 잔존 산소 레벨을 더욱 감소시키기 위해 자주 반복된다.Block 412 represents the step of emptying and backfilling the reactor using pure nitrogen (N 2 ) gas to reduce the oxygen level inside the reactor. This step is often repeated to further reduce the remaining oxygen level in the reactor.

블록 414는 감소된 압력에서 상기 성장 챔버 내로 H2, N2 및 NH3의 혼합물을 흘리면서, 약 1040℃의 성장 온도에 이르기까지 상기 반응기를 가열하는 단계를 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 상기 원하는 증착 압력은 대기압(760 토르) 이하이고, 일반적으로는 300 토르 이하이다. 더 구체적으로는, 상기 원하는 증착 압력은 5 내지 100 토르의 범위 내로 한정될 수 있고, 76 토르에 고정될 수 있다.Block 414 represents heating the reactor to a growth temperature of about 1040 ° C. while flowing a mixture of H 2 , N 2 and NH 3 into the growth chamber at reduced pressure. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is below atmospheric pressure (760 Torr) and generally below 300 Torr. More specifically, the desired deposition pressure may be defined in the range of 5 to 100 Torr, and may be fixed at 76 Torr.

블록 416은 어떤 저온 버퍼 또는 결정핵형성 층들을 사용하지 않고 상기 기판 상에 m-면 GaN 필름의 직접 성장을 시작하기 위해 갈륨(Ga) 소오스로 기체 염화수소(HCl) 흐름을 개시하는 단계를 나타낸다. 통상적인 금속 소오스 HVPE는 700℃ 이상의(in excess of) 온도에서 기체 HCl(그러나 이에 한정되지 않음)과 같은 할로겐화물과 금속 Ga의 인시츄 반응을 수반하여 일염화 갈륨(GaCl)을 형성한다.Block 416 illustrates initiating gaseous hydrogen chloride (HCl) flow with a gallium (Ga) source to initiate direct growth of an m-plane GaN film on the substrate without using any low temperature buffer or nucleation layers. Conventional metal source HVPEs form gallium monochloride (GaCl) with an in situ reaction of a metal Ga with a halide such as, but not limited to, gaseous HCl at a temperature in excess of 700 ° C.

블록 418은 상기 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름들 내에 적어도 일부의 수소(H2)를 함유하는 캐리어 가스에 의해서 상기 기판에 상기 GaCl을 수송하는 단계를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 캐리어 가스는 주로 수소일 수 있고, 다른 실시예들에서는 상기 캐리어 가스는 수소와 질소, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 불활성 가스들의 혼합물을 함유할 수 있다. 상기 기판으로의 이송, 상기 기판에서, 또는 배출 경로에서, 상기 GaCl은 NH3와 반응하여 GaN 필름을 형성한다. 상기 기판 상에서 일어나는 반응들은 상기 기판 상에 GaN 필름을 생성할 가능성을 가지므로, 결정 성장을 야기할 수 있다. 본 과정에서 대표적인 V/III 비율은 1-50이다. 상기 Ga 소오스의 다운스트림에 추가적인 HCl 주입 또는 Ga 소오스와 HCl의 불완전 반응으로 인해 NH3/HCl 비는 V/III 비율과 같을 필요는 없다.Block 418 illustrates transporting the GaCl to the substrate by a carrier gas containing at least some hydrogen (H 2 ) in one or more gas streams in the reactor. In one embodiment, the carrier gas may be primarily hydrogen, and in other embodiments the carrier gas may contain a mixture of hydrogen and nitrogen, argon, helium, or other inert gases. In the transfer to the substrate, at the substrate, or at the discharge path, the GaCl reacts with NH 3 to form a GaN film. Reactions occurring on the substrate have the potential to produce a GaN film on the substrate, which can cause crystal growth. The typical V / III ratio in this process is 1-50. The NH 3 / HCl ratio need not be equal to the V / III ratio due to additional HCl injection downstream of the Ga source or incomplete reaction of the Ga source with HCl.

블록 420는, 원하는 성장 시간이 경과한 후에, 기체 HCl 흐름을 중단하고, 상기 반응기의 온도를 실온으로 감소시키는 단계를 나타낸다. 일반적으로 상기 반응기는 상기 기판이 600℃ 이하로 떨어질 때까지 저압으로 유지될 것이나, 선택적 으로는 상기 반응기 압력은 지금 대기압으로 복귀될 수 있다. 상기 중단 단계는 상기 반응기의 온도를 감소시키는 동안 GaN 필름의 분해를 막기 위해 가스 흐름에 NH3를 함유시키는 것을 더 포함한다.Block 420 illustrates stopping the gas HCl flow and reducing the temperature of the reactor to room temperature after the desired growth time has elapsed. Generally the reactor will be kept at low pressure until the substrate drops below 600 ° C., but optionally the reactor pressure may now be returned to atmospheric pressure. The stopping step further includes the inclusion of NH 3 in the gas stream to prevent decomposition of the GaN film while reducing the temperature of the reactor.

바람직하게는, 상기 공정 단계들은 템플릿과 이격하여 평면의, m-면 GaN 필름의 측방향 에피택시얼 과성장을 생성한다. 나아가, 상기 공정 단계들은 프리-스탠딩 m-면 GaN 필름 또는 기판을 제조하는데 사용된다. 하지만, 본 발명은 임의의 (Al,B,In,Ga)N 필름들을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 이 방법을 사용하여 제조된 소자들은 레이저 다이오드들, 발광 다이오드들 및 트랜지스터들을 포함한다.Preferably, the process steps produce lateral epitaxial overgrowth of the planar, m-plane GaN film spaced apart from the template. Furthermore, the process steps are used to produce a free-standing m-plane GaN film or substrate. However, the present invention may include laminating arbitrary (Al, B, In, Ga) N films. Furthermore, devices fabricated using this method include laser diodes, light emitting diodes and transistors.

실험 결과들(Experimental results ( ExperimentalExperimentalal ResultsResults ))

본 발명의 실증에 있어, MBE에 의해 성장된 AlN 버퍼층들을 사용하여 m-면 6H-SiC 상에 m-면 GaN 템플릿들이 성장되었다. 상기 GaN 템플릿 표면 상에 ~1350Å-두께의 SiO2층이 적층되었다. 통상적인 포토리소그라피 기술들 및 5% HF 용액 내의 습식 식각이 상기 SiO2층 내의 평행한 스트라이프 개구부들 어레이를 패터닝하기 위해 사용되었다. 최초의 실험들에서, 이러한 평행한 스트라이프들은 GaN[0001] 또는 [

Figure 112007000727119-PCT00013
] 방향들을 따라 배향되었다. 아세톤 및 이소프로필알코올을 사용하여 웨이퍼들을 초음파 세정 한 후, 상기 패터닝된 웨이퍼들은 수평 HVPE 반응기 내로 로딩되었다. 상기 샘플들은 62.5 토르의 압력에서 52% N2, 42% H2 및 6% NH3 분위기에서 850 내지 1075℃ 범위의 증착 온도로 가열되었다. 상기 샘플들이 원하는 성장 온도에 도달하면, 상기 반응기 내로 들어가는 가스 흐름은 13.1의V:III 비와 함께 38% N2, 57% H2 및 나머지 잔여량의 NH3와 HCl로 바뀌었다. 원하는 성장 시간 후에, 상기 반응기 내로의 HCl 흐름은 정지되고 상기 퍼니스는 차단되었고, 이와 함께 상기 샘플들은 NH3 존재하에서 감소된 압력에서 600℃ 이하로 냉각되었다. 600℃ 이하에서, 상기 분위기는 오로지 N2로 바뀌고 상기 샘플들은 실온에 이르기까지 냉각되었다.In the demonstration of the present invention, m-plane GaN templates were grown on m-plane 6H-SiC using AlN buffer layers grown by MBE. An ˜1350 μs-thick SiO 2 layer was deposited on the GaN template surface. Conventional photolithography techniques and wet etching in 5% HF solution were used to pattern the array of parallel stripe openings in the SiO 2 layer. In the first experiments, these parallel stripes were made of GaN [0001] or [
Figure 112007000727119-PCT00013
] Along the directions. After ultrasonic cleaning of the wafers with acetone and isopropyl alcohol, the patterned wafers were loaded into a horizontal HVPE reactor. The samples were heated to a deposition temperature in the range of 850-1075 ° C. in a 52% N 2 , 42% H 2 and 6% NH 3 atmosphere at a pressure of 62.5 Torr. When the samples reached the desired growth temperature, the gas flow entering the reactor was changed to 38% N 2 , 57% H 2 and the remaining amounts of NH 3 and HCl with a V: III ratio of 13.1. After the desired growth time, the HCl flow into the reactor was stopped and the furnace shut off, with the samples cooled below 600 ° C. at reduced pressure in the presence of NH 3 . Below 600 ° C., the atmosphere was changed to N 2 only and the samples cooled to room temperature.

도 5a에 <0001> 방향을 따라 배향된 평행한 마스크 스트라이프들을 사용한 측방향 에피택시얼 과성장 과정에 대한 개략도가 나타난다. 이는 기판/템플릿(500), SiO2 마스크(502) 및 m-면 GaN 표면들(504)을 포함한다. 성장 과정 동안, 상기 m-면 GaN 필름(504)은 기판/템플릿 물질(500)의 노출된 영역으로부터만 성장하고 상기 마스크(502) 상부에서 측방향으로 퍼지며 상기 기판(500) 표면을 가로지른다. 상기 측방향으로 성장한 GaN 필름(504)은 노출된 윈도우(506) 영역으로부터 수직하게 성장한 GaN(504)에 비해 윙 영역들(508)에서 실 전위 밀도가 낮을 것이다. 도 5b는

Figure 112007000727119-PCT00014
방향을 따라 정렬된 평행한 스트라이프들의 마스크 형상(502)을 위한 대응 공정을 나타낸다. 이러한 형상에 있어서, 두 개의 비대칭 윙들이 생성될 것이다. 상기 Ga-면 윙(Ga-face wing, 510)은 실 전위들과 적층 결함들이 모두 없을 것이고, 반면 N-면 윙(N-face wing, 512, 514)은 실 전위들은 없을 것이나 적층 결함들은 그렇지 않다. 두 가지 경우에서, 윈도우 물질 내에 실 전위가 존재할지라도 과성장 물질(504) 내에서 실 전위들은 제거될 것이다. 5A shows a schematic of the lateral epitaxial overgrowth process using parallel mask stripes oriented along the <0001> direction. It includes a substrate / template 500, SiO 2 mask 502 and m-plane GaN surfaces 504. During the growth process, the m-plane GaN film 504 grows only from the exposed areas of the substrate / template material 500 and laterally spreads over the mask 502 and crosses the surface of the substrate 500. The laterally grown GaN film 504 will have a lower real dislocation density in the wing regions 508 compared to GaN 504 grown vertically from the exposed window 506 region. 5b is
Figure 112007000727119-PCT00014
A corresponding process for the mask shape 502 of parallel stripes aligned along the direction is shown. In this shape, two asymmetrical wings will be created. The Ga-face wing 510 would be free of both seal dislocations and stacking defects, whereas the N-face wing 512 and 514 would have no seal dislocations but stacking defects would not. not. In both cases, the real potentials in the overgrowth material 504 will be eliminated even if there are real potentials in the window material.

본 기술에 의해 성장된 여러가지 m-면 GaN 스트라이프들의 예시가 도 6a에 나타난다. 이러한 스트라이프들은 <0001> 방향을 따라 배향된 SiO2 마스크 내의 ~ 5㎛-폭 윈도우들을 통해 성장되고, 대략 40㎛의 폭에 이르기까지 측방향으로 퍼진 것이다. 만약 이러한 성장이 충분한 시간 동안 계속된다면 이러한 스트라이프들은 인접하는 스트라이프들과 만나서, 도 7a에 나타난 바와 같이, 연속적인 m-면 GaN 표면을 형성한다. 합체된 필름은 수직 성장에서 수평 성장으로의 전이를 통해 전위들이 구부러지고 차단됨으로써 과성장 영역들에서는 낮은 전위 밀도를 갖는다. 이러한 감소된 결함 밀도는 도 7b의 전정색 음극선발광(panchromatic cathodoluminescence; panchromatic CL)에 의해 확인된다. 상기 CL 이미지는 어둡고, 결함이 있는 윈도우 영역들과 밝고, 측방향 과성장된 윙 영역들을 나타낸다. 상기 과성장된 물질은 그 내부의 감소된 전위 밀도로 인해 더 강한 발광을 나타낸다. 따라서, 본 발명은 비극성 m-면 GaN 필름들에서 구조적 결함 밀도를 줄이는 효과적인 방법을 제공한다. 전위가 구부러지는 것은 도 7e 및 도 7f의 단면 SEM과 CL 이미지들에서 더 관찰될 수 있다.Examples of various m-plane GaN stripes grown by the present technology are shown in FIG. 6A. These stripes are grown through ˜5 μm-width windows in a SiO 2 mask oriented along the <0001> direction and spread laterally up to a width of approximately 40 μm. If this growth continues for a sufficient time, these stripes meet adjacent stripes, forming a continuous m-plane GaN surface, as shown in FIG. 7A. The coalesced film has low dislocation densities in the overgrowth regions by dislocations being bent and blocked through the transition from vertical growth to horizontal growth. This reduced defect density is confirmed by panchromatic cathodoluminescence (panchromatic CL) of Figure 7b. The CL image shows dark, defective window areas and bright, lateral overgrown wing areas. The overgrown material exhibits stronger luminescence due to the reduced dislocation density therein. Thus, the present invention provides an effective method of reducing structural defect density in nonpolar m-plane GaN films. The bending of dislocations can be further observed in the cross-sectional SEM and CL images of FIGS. 7E and 7F.

도 6b는 m-면 GaN LEO 스트라이프들의 두 번째 예시를 나타낸다. 이 경우에서,

Figure 112007000727119-PCT00015
방향을 따라 배항된 평행한 SiO2 스트라이프들이 사용된다. 도 6a에 나타난 스트라이프들과 비교할 때,
Figure 112007000727119-PCT00016
방향을 따라서 배향된 스트라이프들 은 수직의 c-면 측벽들과 비대칭 측면 성장 속도들을 나타낸다. 상기 Ga-면 윙(Ga-face wing)은 전위들과 적층 결함이 없는 반면, 상기 N-면 윙은 전위들만이 없다. 도 7c는
Figure 112007000727119-PCT00017
-배향된 스트라이프들에 의해 성장된 평탄하고, 합체된 필름(coalesced film)을 나타낸다. 상기 감소된 결함 밀도는 도 7d에 나타난 평면 CL 이미지에서 다시 명백하다. 결함이 많은 윈도우 영역들은 어둡게 나타나고 결함 밀도가 감소된 윙 영역들은 밝게 나타난다. N-면 윙이 적층 결함들을 갖더라도, 적층 결함들은 GaN 내의 방사성 재결합 효율(radiative recombination efficiency)을 현저하게 손상시키지는 않기 때문에, N-면 윙의 발광은 윈도우 영역의 그것에 비해 더 크다.6B shows a second example of m-plane GaN LEO stripes. In this case,
Figure 112007000727119-PCT00015
Parallel SiO 2 stripes that are routed along the direction are used. Compared with the stripes shown in FIG. 6A,
Figure 112007000727119-PCT00016
Stripes oriented along the direction exhibit vertical c-plane sidewalls and asymmetrical lateral growth rates. The Ga-face wing is devoid of dislocations and stacking defects, while the N-plane wing is devoid of dislocations only. 7c
Figure 112007000727119-PCT00017
Represents a flat, coalesced film grown by oriented stripes. The reduced defect density is again evident in the planar CL image shown in FIG. 7D. Defective window areas appear dark and wing areas with reduced defect density appear bright. Although the N-plane wing has stacking defects, the light emission of the N-plane wing is larger than that of the window region, because the stacking defects do not significantly impair the radial recombination efficiency in GaN.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 의해 제공된 결함 감소 기술에 의한 그리고 의하지 않은 국부적 표면 모폴러지의 비교를 제공한다. 도 8a는 결함 감소의 어떠한 방법도 없이 성장된 가장 평탄한 m-면 GaN 필름의 AFM 이미지를 나타낸다. 이 표면은 25㎛2 영역에서 8Å의 RMS 거칠기를 가져, 과학 문헌에서 이전에 발표된 어떤 표면보다 현저하게 평탄하다. 도 7b에 나타난 AFM 이미지는 본 발명에 따른 <0001>-배향된 스트라이프들을 사용하여 성장한 샘플의 측방향 과성장 영역으로부터 취해진 m-면 GaN 표면의 5×5 ㎛ 이미지이다. 전위 종단들에 기인한 가리비 형상(scallops)은 제거되었고, 표면 거칠기는 6Å에 이르기까지 감소되었다. 이러한 거칠기는 매우 고품위의 극성 c-면 GaN 필름들과 동등하다. 도 8(c)는 m-면 GaN 필름들의 다른 AFM 이미지를 나타낸다. 이 경우 상기 m-면 GaN 필름들은 GaN

Figure 112007000727119-PCT00018
방향을 따라 배향된 평행한 SiO2 스트라이프들을 포함하는 LEO 샘플의 측방향 성장된 윙들 중 하나이다. 표면 모폴러지는 현저하게 더 균일하고, 최고품위의 c-면 GaN 필름들에서 관찰되었던 것과 매우 유사한 모폴러지를 나타낸다. 이 표면의 RMS 거칠기는 5.31Å에 불과하여, 비-LEO 표면에 비해 약 34% 감소/향상되었다. 따라서, 본 발명은 더 평탄한 m-면 GaN 표면들을 제공할 수 있고, 이는 소자 품질을 향상시킬 수 있다.8A, 8B and 8C provide a comparison of local surface morphology with and without the defect reduction technique provided by the present invention. 8A shows an AFM image of the flatst m-plane GaN film grown without any method of defect reduction. This surface has an RMS roughness of 8 dB in the 25 μm 2 region, which is significantly flatter than any surface previously published in the scientific literature. The AFM image shown in FIG. 7B is a 5 × 5 μm image of the m-plane GaN surface taken from the lateral overgrowth region of the sample grown using <0001> -oriented stripes according to the present invention. Scallops due to dislocation terminations were removed and surface roughness was reduced to 6 kPa. This roughness is equivalent to very high quality polar c-plane GaN films. 8 (c) shows another AFM image of m-plane GaN films. In this case, the m-plane GaN films are GaN
Figure 112007000727119-PCT00018
One of the laterally grown wings of the LEO sample comprising parallel SiO 2 stripes oriented along the direction. Surface morphology is significantly more uniform and exhibits a morphology very similar to that observed with the highest quality c-plane GaN films. The RMS roughness of this surface is only 5.31 dB, which is about 34% reduction / improvement compared to the non-LEO surface. Thus, the present invention can provide flatter m-plane GaN surfaces, which can improve device quality.

고품위 m-면 GaN의 성장 및 그 내부의 결함 감소를 위한 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같은 사항을 포함한다;Preferred embodiments of the present invention for the growth of high quality m-plane GaN and the reduction of defects therein include:

1. (100)γ-LiAlO2 또는 (

Figure 112007000727119-PCT00019
)SiC(임의의 육방정 폴리타입)과 같은, 그러나 이에 한정되지 않은 적절한 기판 또는 적절한 기판 상의 m-면 III-N 필름을 포함하는 템플릿의 사용.1. (100) γ-LiAlO 2 or (
Figure 112007000727119-PCT00019
The use of a template comprising an m-plane III-N film on a suitable substrate or a suitable substrate, such as, but not limited to, SiC (any hexagonal polytype).

2. 반응기 내의 하나 이상의 가스 흐름들에 GaN 증착 단계를 위한 캐리어 가스로서 일부의 수소의 사용.2. Use of some hydrogen as a carrier gas for the GaN deposition step in one or more gas streams in the reactor.

3. 필름을 증착하는 GaN 성장 단계에서, 760 토르 이하로 감소된 반응기 압력의 사용.3. Use of reduced reactor pressure below 760 Torr in the GaN growth step of depositing the film.

4. 결함 감소 기술의 병합, 상기 결합 감소 기술은 하부의 III-N 템플릿 층 또는 기판에 대한 접근을 위한 개구부들 또는 스트라이프들을 구비하는 1300 Å-두께의 SiO2 마스크와 같은 얇은 마스크 층을 적층하는 것을 수반한다.4. Incorporation of defect reduction techniques, the bond reduction technique can be used to deposit a thin mask layer, such as a 1300 mm-thick SiO 2 mask with openings or stripes for access to the underlying III-N template layer or substrate. Entails.

5. 상기 마스크 층을 통한 m-면 GaN 필름의 성장, 이 성장은 측면으로 퍼져 결함 밀도가 감소된 GaN을 제공한다.5. Growth of an m-plane GaN film through the mask layer, which grows laterally to provide GaN with reduced defect density.

예시로서, 1300 Å-두께의 SiO2 필름이 500㎛ 두께의 연마된 m-면 SiC 기판 상에 적층된다. 상기 SiC 기판은 이미 MBE에 의해 m-면 AlN 필름으로 덮혀진 기판이다. 통상의 포토리소그라피 공정을 사용하여 포토레지스트층을 패터닝하여 5㎛-폭 개구부들에 의해 분리된 35㎛-폭 스트라이프들을 형성한다. 그 후, 상기 웨이퍼를 2분 동안 완충 불산에 담가, 노출된 SiO2를 완전히 식각한다. 상기 잔존하는 포토레지스트는 아세톤을 사용하여 제거하고, 상기 웨이퍼는 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수 내에서 세정된다. 그 결과, 상기 웨이퍼는 m-면 SiC 기판 상에 m-면 AlN 필름을 구비하며, 상기 m-면 AlN 필름은 5㎛-폭 개구부들에 의해 분리된 35㎛-폭 SiO2 스트라이프들에 의해 덮혀진다. 상기 웨이퍼를 건조한 후, 성장용 반응기에 로딩한다. 성장 공정 동안, GaN은 상기 노출된 AlN 상에서만 결정핵을 이루고(nucleate), 상기 마스크 개구부들을 통해 수직하게 성장한다. 그 후, 상기 필름은 SiO2 스트라이프들 상부에 측방향으로 퍼지고, 결국에는 인접하는 GaN 스트라이프들과 만난다.As an example, a 1300 kV-thick SiO 2 film is deposited on a 500 m thick polished m-plane SiC substrate. The SiC substrate is a substrate already covered with an m-plane AlN film by MBE. The photoresist layer is patterned using conventional photolithography processes to form 35 μm-width stripes separated by 5 μm-width openings. The wafer is then immersed in buffered hydrofluoric acid for 2 minutes to fully etch the exposed SiO 2 . The remaining photoresist is removed using acetone and the wafer is cleaned in acetone, isopropyl alcohol and deionized water. As a result, the wafer has an m-side AlN film on an m-side SiC substrate, and the m-side AlN film is covered by 35 μm-wide SiO 2 stripes separated by 5 μm-wide openings. Lose. The wafer is dried and then loaded into a growth reactor. During the growth process, GaN nucleates only on the exposed AlN and grows vertically through the mask openings. The film then laterally spreads over the SiO 2 stripes, eventually encountering adjacent GaN stripes.

가능한 변형들 및 변종들(Possible variations and variants PossiblePossible ModificationsModifications andand VariationsVariations ))

상기 바람직한 실시예는 평면의 m-면 GaN을 성장시키고, 측방향 과성장 공정을 통해 m-면 GaN의 품질을 향상시키는 방법을 기술하였다. 본 발명의 실행에 있 어 (100)γ-LiAlO2, (

Figure 112007000727119-PCT00020
) 4H-SiC, 및 (
Figure 112007000727119-PCT00021
) 6H-SiC를 포함한 여러 가지의 가능한 기판물질들이 유효하다는 것이 입증되었다. 그 외에 프리-스탠딩 m-면 GaN, 프리-스탠딩 m-면 AlN, SiC의 추가적인 폴리타입들, 미절단 m-면 Al2O3, 또는 이미 언급된 기판들 중 임의의 기판의 미절단 변형들을 포함한, 그러나 이에 한정되지 않은, 적절한 기판 물질들은 본 발명의 실행에 사용될 수 있다. 상기 측방향 성장 공정용 기판은 평면의 m-면 GaN 성장용으로 적절한 기판들 중 임의의 것, 또는 상기 기판들 상에 GaN, AlN, AlGaN 또는 다른 템플릿 물질의 템플릿 층이 코팅된 임의의 것을 포함할 수 있다. 다양한 성장 기술들에 의해 저온 또는 성장 온도에서 적층된 결정핵생성 층들은 이 기술을 사용하여 HVPE에 의한 후속 측방향 과성장에 또한 사용될 수 있다. 기판을 선택하는 것은 반응기 가열 단계 동안의 최적의 가스 조성에 영향을 줄 수 있음을 알아두어야 한다. LiAlO2와 같은 기판들에 대해서는 암모니아를 함유하는 분위기에서 램핑(ramp)하는 것이 바람직한 반면, SiC는 암모니아 존재하의 램핑에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 저압에서 성장 온도까지 램핑하는 것이 또한 바람직할 수 있는데, 특히, GaN 템플릿들 상에 재성장할 때가 그러하다. 램핑 조건의 중요한 변화는 본 발명의 범위 내에서 만들어질 수 있다.The preferred embodiment described a method for growing planar m-plane GaN and improving the quality of the m-plane GaN through a lateral overgrowth process. In the practice of the present invention (100) γ-LiAlO 2 , (
Figure 112007000727119-PCT00020
) 4H-SiC, and (
Figure 112007000727119-PCT00021
A variety of possible substrate materials, including 6H-SiC, have proven to be effective. Other free-standing m-plane GaN, free-standing m-plane AlN, additional polytypes of SiC, uncut m-plane Al 2 O 3 , or any of the previously mentioned substrates Suitable substrate materials, including but not limited to, can be used in the practice of the present invention. The substrate for lateral growth process includes any of the substrates suitable for planar m-plane GaN growth, or any coated with a template layer of GaN, AlN, AlGaN or other template material on the substrates. can do. The nucleation layers deposited at low or growth temperatures by various growth techniques can also be used for subsequent lateral overgrowth with HVPE using this technique. It should be noted that selecting the substrate may affect the optimal gas composition during the reactor heating step. For substrates such as LiAlO 2 , it is desirable to ramp in an ammonia containing atmosphere, while SiC can be negatively affected by ramping in the presence of ammonia. Ramping from low pressure to growth temperature may also be desirable, particularly when regrowth on GaN templates. Significant variations in ramping conditions can be made within the scope of the present invention.

추가적으로, 본 발명의 실행에 있어 마스크 물질들, 마스크 적층 기술들 및 패터닝 방법들이 변화되더라도, 본 발명의 결과들을 현저하게 바꾸지 않을 수 있다. 상기 적층 수단들은 금속 마스크들(예를 들어, 티타늄 또는 텅스텐)의 증발 법, 넓은 범위의 산화물들과 SiNx를 포함하는 절연 마스크들의 스퍼터 증착법, 및 산화물, 질화물 또는 불화물 마스크들의 화학기상증착법을 포함한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 마스크는 상술한 바와 같이 엑스시츄 기술(ex situ technique)을 통해 적층될 수 있고, 인시츄로 적층될 수도 있다. 일 예로서, 하나의 3-소오스 HVPE 반응기(three-source HVPE reactor) 내에서, m-SiC 기판 상에 AlN 버퍼를 증착할 수 있고, 그 후 상술한 본 발명을 사용하여 얇은 GaN 필름을 성장시킬 수 있고, 그 후 얇은 SiNx 마스크층을 적층하고 이를 통해 결함 밀도가 감소된 m-면 GaN이 성장될 수 있다. 이 경우, 상기 마스크는 SiNx의 불규칙한 섬들로 이루어지나 포토리소그라피를 통해 준비된 균일한 마스크와 같은 목적으로 사용될 수 있다. 이와는 달리, Ti 금속 필름이 프리-스탠딩 m-면 GaN 기판 상에 증발되고, HVPE 성장 시스템 내에 로딩되고, 그리고 NH3에서 어닐링되어 유사 다공성 마스크 층을 형성할 수 있다. In addition, even if mask materials, mask stacking techniques, and patterning methods are changed in the practice of the present invention, the results of the present invention may not be significantly changed. The lamination means include evaporation of metal masks (eg titanium or tungsten), sputter deposition of insulating masks comprising a wide range of oxides and SiNx, and chemical vapor deposition of oxide, nitride or fluoride masks. . However, it is not limited to this. The masks may be stacked via an ex situ technique as described above, or may be stacked in situ. As an example, in one three-source HVPE reactor, an AlN buffer may be deposited on an m-SiC substrate, which is then used to grow a thin GaN film using the present invention described above. It is then possible to deposit a thin SiNx mask layer through which m-plane GaN can be grown with reduced defect density. In this case, the mask consists of irregular islands of SiNx but can be used for the same purpose as a uniform mask prepared through photolithography. Alternatively, the Ti metal film can be evaporated onto a free-standing m-plane GaN substrate, loaded into an HVPE growth system, and annealed in NH 3 to form a pseudoporous mask layer.

다른 방법은 기판 상에 패터닝된 마스크를 적층하는 대신 기판 또는 템플릿 물질 내에 패턴을 식각하는 것, 예를 들어 반응성 이온 식각법(reactive ion etching)이다. 이러한 방법에서, 기판 내의 트렌치들의 깊이와 폭은 식각되지 않은 고원들로부터 측방향으로 성장된 필름이 상기 트렌치의 바닥으로부터 성장된 GaN이 상기 트렌치의 상부에 이르기 전에 합체되도록 선택되어야 한다. 캔틸레버 에피택시법(cantilever epitaxy)으로 알려져 있는 이러한 기술은, 극성 c-면 GaN 성장을 위해 사용되었고, 본 발명과 양립할 수 있어야 한다. 상기 기판 또는 템플 릿 필라들(pillars)의 상기 상부 표면은, 캔틸레버 에피택시법에서와 같이 코팅되지 않은 상태로 남겨지거나, 측벽 측방향 에피택시얼 과성장법에서와 같이 노출된 측벽들로부터의 성장을 촉진하기 위해 마스크 물질로 코팅될 수 있다.Another method is to etch a pattern into the substrate or template material instead of depositing a patterned mask on the substrate, for example reactive ion etching. In this method, the depth and width of the trenches in the substrate should be chosen such that the laterally grown film from the unetched plateaus merges before GaN grown from the bottom of the trench reaches the top of the trench. This technique, known as cantilever epitaxy, has been used for polar c-plane GaN growth and should be compatible with the present invention. The upper surface of the substrate or template pillars may be left uncoated as in cantilever epitaxy, or may be grown from exposed sidewalls as in sidewall lateral epitaxial overgrowth. It may be coated with a mask material to facilitate it.

상기 절연 마스크의 형상은 측방향-성장 필름의 거동에 상당한 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 유효성을 확립함에 있어서, 기판에 대해 다양한 배향들을 갖는 스트라이프들을 구비하는 마스크들이 사용되었다. 각 형태의 개구부로부터의 성장 거동은 다른 반면, 마스크 형상의 선택은 본 발명의 실행을 근본적으로 변화시키지 않는다. 따라서, 마스크 형상에 관계없이, GaN 결정핵생성이 선호되는 일부 영역들과 GaN 결정핵 생성이 저지되는 일부 영역들을 구비하는 어떤 마스크라도 사용가능하다.The shape of the insulating mask can significantly affect the behavior of the lateral-grown film. In establishing the effectiveness of the present invention, masks having stripes having various orientations with respect to the substrate have been used. The growth behavior from each type of opening is different, while the choice of mask shape does not fundamentally change the practice of the present invention. Thus, any mask having some regions where GaN nucleation is preferred and some regions where GaN nucleation is inhibited can be used, regardless of the mask shape.

반응기 형상 및 디자인은 본 발명의 실행에 영향을 줄 수 있다. 비극성 GaN의 성공적인 측방향 성장을 위해 필요한 성장 파라미터들은 반응기들에 따라 달라질 수 있다. 이러한 변화들은 본 발명의 일반적 실행을 근본적으로 바꾸지는 않는다.Reactor shape and design may affect the implementation of the present invention. Growth parameters required for successful lateral growth of nonpolar GaN may vary depending on the reactors. These changes do not fundamentally change the general practice of the present invention.

추가적으로, 일반적으로 필름이 합체될 때까지 측방향 성장 공정을 지속시키는 것이 바람직하나, 합체는 본 발명의 실행을 위한 필요조건은 아니다. 본 발명자들은 다수의 출원들을 계획해왔는데, 상기 출원들에서 합체되지 않은 측방향-과성장 비극성 GaN 스트라이프들 또는 필라들이 매우 바람직하였다. 따라서, 본 발명은 합체된 그리고 합체되지 않은 측방향-과성장 비극성 GaN 필름들 모두에 적용될 수 있다.Additionally, it is generally desirable to continue the lateral growth process until the film is coalesced, but coalescence is not a requirement for the practice of the present invention. The inventors have planned a number of applications, with lateral-overgrown nonpolar GaN stripes or pillars not incorporated in the above applications being very preferred. Thus, the present invention can be applied to both incorporated and non-merged side-overgrown nonpolar GaN films.

본 발명은 HVPE에 의한 평면의 m-면 GaN의 성장에 촛점을 맞추었다. 하지만, 본 발명은 InGaN 및 AlGaN을 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않은, m-면 III-N 합금들의 성장에도 또한 적용될 수 있다. 비극성 GaN 필름들에 일부의 Al, In, 또는 B를 포함시키는 것은 본 발명의 실행(practice)을 근본적으로 변화시키지 않는다. 일반적으로, 상술한 논의에 있어서, "GaN"의 어떠한 언급도 보다 일반적인 질화물 조성 AlxInyGazBnN으로 치환될 수 있을 것이다. 이 때, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤n≤1이고, x+y+z+n=1 이다. 또한, Si, Zn, Mg, 및 Fe와 같은, 그러나 이에 한정되지 않은, 추가적인 도판트들은 본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 본 발명에서 서술된 필름들에 함유될 수 있다.The present invention focuses on the growth of planar m-plane GaN by HVPE. However, the present invention is also applicable to the growth of m-plane III-N alloys, including but not limited to InGaN and AlGaN. Including some Al, In, or B in nonpolar GaN films does not fundamentally change the practice of the present invention. In general, in the foregoing discussion, any mention of "GaN" may be substituted with the more general nitride composition Al x In y Ga z B n N. At this time, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 1, and x + y + z + n = 1. In addition, additional dopants such as, but not limited to, Si, Zn, Mg, and Fe may be contained in the films described herein without departing from the scope of the present invention.

본 발명의 실행은 다양한 온도와 압력조건, 또는 서로 다른 질화물 조성들을 갖는 다수의 성장 단계들을 포함할 수 있다. 상기 다단계 성장 공정들은 여기서 기술된 발명과 근본적으로 양립할 수 있다.The practice of the present invention may include multiple growth stages with varying temperature and pressure conditions, or different nitride compositions. The multistage growth processes are essentially compatible with the invention described herein.

더욱이, 본 발명은 HVPE를 사용한 성장 기술을 기술하고 있다. 비극성 III-N 필름들의 성장에 대한 우리의 연구는 여기서 기술된 GaN의 측방향 과성장 기술들이 단순한 변형을 사용하여 MOCVD에 의한 m-GaN의 성장에도 적용될 수 있음을 견고하게 확립하였다.Moreover, the present invention describes growth techniques using HVPE. Our work on the growth of nonpolar III-N films has firmly established that the lateral overgrowth techniques of GaN described herein can also be applied to the growth of m-GaN by MOCVD using simple modifications.

유용성 및 향상(Usability and enhancements ( AdvantagesAdvantages andand ImprovementsImprovements ))

본 발명은 평면의, 고품위 비극성 m-면 GaN 및 HVPE에 의한 m-면 GaN의 측방 향 과성장에 대한 최초로 알려진 리포트를 나타낸다. 본 문헌은 임의의 기술에 의한 m-면 GaN의 측방향 성장에 대한 이전의 리포트를 전혀 포함하지 않는다. The present invention presents the first known report of lateral overgrowth of m-plane GaN by planar, high-quality nonpolar m-plane GaN and HVPE. This document does not contain any previous reports on the lateral growth of m-plane GaN by any technique.

대부분의 수소 캐리어 가스를 사용하는 저압 성장을 적용함으로써 HVPE에 의한 평면의 m-면 GaN 필름들의 성장이 처음으로 가능하게 되었다. 이에 따라, 기판 상에 헤테로에피택시얼로 성장된 비극성 GaN 필름에 비해 현저한 결함 감소와 필름 품질 향상을 달성한다. 이러한 결함 밀도가 감소된 비극성 GaN은 본 기술에 의해서 성장된 템플릿 필름 상에 후속하여 성장된 전자, 광전자 및 전기기계 장치들의 향상을 제공할 것이다. 여기서 기술된 측면 과성장된 필름은, 탈착되어 프리-스탠딩 기판을 형성할 수 있을 정도로 두꺼운 비극성 GaN 필름에서 전위 밀도를 감소시킬 수 있는 우수한 수단을 제공한다.By applying low pressure growth using most hydrogen carrier gas, growth of planar m-plane GaN films by HVPE was made possible for the first time. This achieves significant defect reduction and film quality improvement over non-polar GaN films grown heteroepitaxially on a substrate. Non-polar GaN with this reduced defect density will provide an improvement in the electronic, optoelectronic and electromechanical devices subsequently grown on template films grown by the present technology. The lateral overgrown films described herein provide an excellent means for reducing dislocation density in non-polar GaN films that are thick enough to be detachable to form a free-standing substrate.

[참고문헌][references]

하기 참고문헌들은 여기에 참고로서 포함된다.The following references are incorporated herein by reference.

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결론(conclusion( CONCLUSIONCONCLUSION ))

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 기술을 결론짓는다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 상술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 개시된 정확한 형태에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 가르침에 근거한 많은 변형들 과 변경들이 가능하다. 본 발명의 범위는 상기 자세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구항에 의해서 한정된다.The description of the preferred embodiment of the present invention is concluded. The foregoing description of one or more embodiments of the invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teaching. It is intended that the scope of the invention be limited not by this detailed description, but rather by the claims appended hereto.

Claims (19)

(a) 수소화물 기상 에피택시에 의해 평면의 m-면 GaN 필름들을 직접 성장시키는 단계; 및(a) directly growing planar m-plane GaN films by hydride vapor phase epitaxy; And (b) 상기 GaN 필름들의 측방향 에피택시얼 과성장을 통해 평면의 m-면 GaN 필름들 내의 실전위 및 결함 밀도를 감소시키는 단계를 포함하는 평면의 m-면 질화 갈륨(GaN) 필름 성장 방법.(b) reducing the potential potential and defect density in planar m-plane GaN films through lateral epitaxial overgrowth of the GaN films. . 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 평면의 m-면 GaN 필름들은 비극성(polarization-free) 소자 성장용 기판들로 사용되는 것인 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And said planar m-plane GaN films are used as substrates for polarization-free device growth. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 평면의 m-면 GaN 필름들의 직접 성장은 m-면 SiC, (100)γ-LiAlO2, 또는 m-면 (In,Al,Ga,B)N 템플릿 층에 의해 덮혀진 기판을 포함하는 기판 상에 수행되는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.Direct growth of the planar m-plane GaN films includes a substrate that is covered by an m-plane SiC, (100) γ-LiAlO 2 , or an m-plane (In, Al, Ga, B) N template layer. Planar m-plane GaN film growth method performed on the phase. 제1항에 있어서, 평면의 m-면 GaN 필름을 직접 성장시키는 단계는The method of claim 1, wherein directly growing the planar m-plane GaN film (1) 반응기 내에 기판을 로딩하는 단계;(1) loading a substrate into the reactor; (2) 성장 챔버 내에 수소(H2) 및 질소(N2)의 혼합물을 공급하면서, 상기 반응기를 성장 온도로 가열하는 단계;(2) heating the reactor to a growth temperature while feeding a mixture of hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) into a growth chamber; (3) 상기 반응기의 압력을 대기압 이하의 증착 압력으로 감소시키는 단계;(3) reducing the pressure of the reactor to a deposition pressure below atmospheric pressure; (4) 갈륨(Ga) 소오스로 기체 염화 수소(HCl) 흐름을 시작하여 상기 기판 상에 상기 평면의 m-면 GaN 필름을 직접 성장시키는 것을 시작하되, 상기 기체 HCl은 상기 Ga와 반응하여 일염화 갈륨(GaCl)을 형성하는 단계;(4) Initiate a gaseous hydrogen chloride (HCl) flow into a gallium (Ga) source to directly grow the planar m-plane GaN film on the substrate, wherein the gaseous HCl reacts with the Ga to monochloride Forming gallium (GaCl); (5) 상기 GaCl을 적어도 일부의 수소(H2)를 함유하는 캐리어 가스를 사용하여 상기 기판 상에 수송하되, 상기 GaCl은 기판에서 암모니아(NH3)와 반응하여 상기 GaN 필름을 형성하는 단계; 및(5) transporting the GaCl onto the substrate using a carrier gas containing at least some hydrogen (H 2 ), the GaCl reacting with ammonia (NH 3 ) on the substrate to form the GaN film; And (6) 성장 시간이 경과한 후에, 기체 HCl 흐름을 중단하고, 상기 반응기의 압력을 대기압으로 복원하고, 상기 반응기의 온도를 실온으로 감소시키는 단계를 더 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.(6) after the growth time has elapsed, stopping the gaseous HCl flow, restoring the pressure of the reactor to atmospheric pressure, and reducing the temperature of the reactor to room temperature. . 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 기판은 상기 성장 온도 또는 저온에서 적층된 결정핵 생성층으로 코팅된 것인 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And said substrate is coated with a crystal nucleation layer deposited at said growth temperature or low temperature. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 반응기 내의 가스 흐름에 무수 암모니아(anhydrous ammonia; NH3)를 추 가하여 상기 기판을 질화시키는 것을 더 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And nitriding the substrate by adding anhydrous ammonia (NH 3 ) to the gas stream in the reactor. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 (6) 단계는 상기 반응기의 온도를 감소시키는 동안 가스 흐름에 무수 암모니아(NH3)를 포함시켜 상기 GaN 필름의 분해를 방지하는 단계를 더 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.Step (6) further comprises the step of including anhydrous ammonia (NH 3 ) in the gas stream to reduce the decomposition of the GaN film while reducing the temperature of the reactor. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 (6) 단계는 감소된 압력에서 상기 기판을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.The step (6) further comprises the step of cooling the substrate at a reduced pressure planar m-plane GaN film growth method. 제1항에 있어서, 상기 감소 단계는The method of claim 1, wherein said reducing step (1) 기판 상에 적층된 마스크를 패터닝하는 단계; 및(1) patterning a mask stacked on a substrate; And (2) 수소화물 기상 에피택시를 사용하여 상기 기판으로부터 이격되어 상기 GaN 필름을 측방향 에피택시얼 과성장시키되, 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크에 의해 덮혀지지 않은 기판의 일부분들에서만 결정핵을 이루고, 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크의 개구부들을 통해 수직하게 성장하고, 그 후 상기 GaN 필름은 상기 패터닝된 마스크 상부에서 측방향으로 퍼져 상기 기판의 표면을 가로 지르는 단계를 더 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.(2) lateral epitaxial overgrowth of the GaN film spaced apart from the substrate using a hydride vapor phase epitaxy, wherein the GaN film can only nucleate crystal nuclei in portions of the substrate that are not covered by the patterned mask. And wherein the GaN film grows vertically through the openings of the patterned mask, and then the GaN film spreads laterally over the patterned mask to cross the surface of the substrate. -Cotton GaN film growth method. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 측방향 에피택시얼 과성장은 대략 대기압 또는 그 이하의 성장 압력을 사용하고, 캐리어 가스는 일부의 수소를 함유하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.Wherein said lateral epitaxial overgrowth uses a growth pressure of approximately atmospheric pressure or less, and the carrier gas contains some hydrogen. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 캐리어 가스는 주로 수소인 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And said carrier gas is predominantly hydrogen. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 캐리어 가스는 수소와 질소, 아르곤 또는 헬륨의 혼합물을 함유하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And said carrier gas comprises a planar m-plane GaN film containing a mixture of hydrogen and nitrogen, argon or helium. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 측방향 에피택시얼 과성장은 상기 GaN 필름 내의 실 전위 밀도를 감소시키는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.Said lateral epitaxial overgrowth reduces planar m-side GaN film growth in said GaN film. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 패터닝된 마스크는 금속 물질 또는 절연 물질을 함유하는 것인 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And wherein said patterned mask contains a metallic material or an insulating material. 제9항에 있어서, 상기 패터닝 단계는The method of claim 9, wherein the patterning step is 상기 기판 상에 실리콘 산화막(SiO2)을 적층하는 단계;Depositing a silicon oxide film (SiO 2 ) on the substrate; 상기 실리콘 산화막 상에 포토레지스트막을 패터닝하는 단계;Patterning a photoresist film on the silicon oxide film; 상기 패터닝된 포토레지스트막에 의해 노출된 실리콘 산화막의 일부분들을 식각하는 단계;Etching portions of the silicon oxide film exposed by the patterned photoresist film; 상기 포토레지스트막의 잔존하는 부분들을 제거하는 단계; 및Removing remaining portions of the photoresist film; And 상기 기판을 세정하는 단계를 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.And cleaning said substrate. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 기판은 성장 온도 또는 저온에서 적층된 결정핵 생성층으로 코팅된 것인 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.The substrate is a planar m-plane GaN film growth method is coated with a nucleation layer laminated at a growth temperature or low temperature. 제1항에 있어서, 상기 측방향 에피택시얼 과성장은The method of claim 1 wherein the lateral epitaxial overgrowth is (1) 기판 또는 탬플릿으로부터 필라들 또는 스트라이프들을 식각해 내는 단계; 및(1) etching the pillars or stripes from the substrate or template; And (2) 상기 필라들 또는 스트라이프들로부터 측방향으로 성장시키는 단계를 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.(2) a planar m-plane GaN film growth method comprising growing laterally from the pillars or stripes. 제1항에 있어서, 상기 측방향 에피택시얼 과성장은The method of claim 1 wherein the lateral epitaxial overgrowth is (1) 기판 또는 탬플릿으로부터 필라들 또는 스트라이프들을 식각해 내는 단계;(1) etching the pillars or stripes from the substrate or template; (2) 상기 필라들 또는 스트라이프들의 상부 표면을 마스킹하는 단계; 및(2) masking an upper surface of the pillars or stripes; And (3) 상기 필라들 또는 스트라이프들의 마스킹된 상부 표면의 노출된 부분들로부터 측방향으로 성장시키는 단계를 포함하는 평면의 m-면 GaN 필름 성장 방법.(3) growing laterally from exposed portions of the masked top surface of the pillars or stripes. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항을 사용하여 제조된 소자.Device manufactured using any one of claims 1 to 18.
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