KR20080110498A

KR20080110498A - ＧａＮ 기판, 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및ＧａＮ 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR20080110498A
Application number: KR1020080054666A
Authority: KR
Inventors: 히토시 카사이; 케이지 이시바시; 세이지 나카하타; 카츠시 아키타; 타카시 쿄노; 요시키 미우라
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2008-12-18
Also published as: CN101345221A; TW200903867A; JP2009018983A; JP4952547B2

Abstract

본 발명은 발광 효율을 향상시킨 발광 소자 등의 반도체 장치를 얻는 것이 가능한 GaN 기판, 상기 GaN 기판의 주표면 상에 에피택셜층을 형성한 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 GaN 기판의 제조 방법을 제공한다.

GaN 기판은, 주표면을 갖는 GaN 기판으로서, 주표면의 법선 벡터 2에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사하고 있다.

Description

ＧａＮ 기판, 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 ＧａＮ 기판의 제조 방법{GaN SUBSTRATE, SUBSTRATE WITH AN EPITAXIAL LAYER, SEMICONDUCTOR DEVICE, AND GaN SUBSTRATE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 GaN 기판, 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 GaN 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 특정적으로는, 반극성면(半極性面)을 이용 가능한 GaN 기판, 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 GaN 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, GaN을 이용한 레이저 다이오드(LD)나 발광 다이오드(LED)가 알려져 있다. 이러한 GaN을 이용한 LD나 LED는, 지금까지 사파이어 기판이나 SiC 기판, 혹은 GaN 기판의(0001)면 상에 에피택셜층을 적층함으로써 형성되어 있었다. 여기서, 전술한 GaN 기판 등의 (0001)면은 극성면이기 때문에, 발광 파장이 500 nm보다 장파장의 영역에 대해, LED의 발광 효율이 저하한다고 하는 문제가 있었다.

이러한 문제에 대해, GaN의 결정에서 종래의 (0001)면이 아닌 (11-22)면이라고 하는 반극성의 결정면 상에 양자 우물 구조를 형성함으로써, 전술한 장파장의 영역에 대한 발광 효율을 향상시키는 것이 보고되어 있다(비특허 문헌 1 참조). 또 한, 이러한 반극성의 결정면이 주표면에 노출된 GaN 기판의 제조 방법도 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-298319호 공보

[비특허 문헌 1] "뉴스 릴리스: 반극성면 벌크 GaN 기판 상에의 LED 개발에 성공", [online], 평성 18년(2006년) 6월 30일, 교토 대학, [평성 19년(2007년) 6월 1일 검색], 인터넷(http://www.kyoto-u.ac.jp/notice/05_news/documents/060630_1.htm)

상기 비특허 문헌 1에 개시된 LED는 마이크로 패싯으로서 자연 형성된 반극성의 결정면을 이용하고, 그 결정면은 (11-22)면과 고정되어, 사이즈도 작은 것이었다. 그러나, LED나 LD 등의 효율적인 제조를 고려하면, 반극성의 결정면이 주표면에 노출된{즉, 주표면의 법선 벡터에 대해, 소정의 면 방위(예컨대, [0001] 방향)가 소정의 방향으로 소정 각도만큼 경사져 있는, 소위 오프각을 갖는} 2인치 이상의 대구경 GaN 기판을 이용하여 LED 등을 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 주표면의 법선 벡터에 대한 면 방위의 경사 각도의 값을 조정함으로써(즉, 기판의 주표면에 노출되는 결정면을 변경함으로써), LED나 LD의 특성을 개선할 수 있는 가능성도 고려된다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 발광 효율을 향상시킨 발광 소자 등의 반도체 장치를 공업적으로 저렴하게 얻는 것이 가능한 2인치 이상의 대구경 GaN 기판, 상기 GaN 기판의 주표면 상에 에피택셜층을 형성한 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 GaN 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.

발명자는 전술한 특허 문헌 1에 나타낸 GaN 기판의 제조 방법을 이용하여, 여러 가지의 오프각을 갖는 GaN 기판을 작성하고, 상기 GaN 기판의 주표면 상에 에피택셜층을 형성하여 LED를 시험제작하여, 그 특성을 조사했다. 그 결과, 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 하나의 면 방위(하나의 오프각 방향)로 경사짐으로써 GaN 기판의 표면에 노출되는 결정면을 반극성면으로 할 수 있고, 상기 면 방위 [0001]을 다른 면 방위(다른 오프각 방향)로 더욱 경사시킴으로써 GaN 기판의 주표면 내의 파장 분포의 불균일을 제어할 수 있다는(작게 하는 것이 가능하다는) 것을 발견했다. 즉, 본 발명에 따른 GaN 기판은, 주표면을 갖는 GaN 기판으로서, 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사하고 있다.

이와 같이 하면, 면 방위 [0001]을 첫번째의 오프각 방향으로 경사시킴으로써 GaN 기판의 주표면을 반극성면으로 한 상태로, 상기 주표면 상에 에피택셜층을 형성할 수 있다. 이 때문에, GaN 기판의 (0001)면 등의 극성면 상에 에피택셜층을 형성하여 LED 등의 발광 소자를 제조하는 경우보다, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되는 발광 소자에 있어서 발광 효율을 향상시키거나, 인가하는 전류량의 변화에 따른 파장 시프트량을 작게 할 수 있다. 또한, 면 방위 [0001]을 두번째 오프각 방향으로 더욱 경사시킴으로써, GaN 기판의 주표면에 있어서의 면내 파장 분포의 불균일을 제어할 수 있다. 이 결과, 상기 GaN 기판을 이용함으로써 우수한 특성의 LED 등의 반도체 장치를 안정되게 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 에피택셜층이 있는 기판은, 상기 GaN 기판과, 상기 GaN 기판의 주표면 상에 형성된 에피택셜 성장층을 구비한다. 이와 같이 하면, 상기 에피택셜 성장층은 GaN 기판의 반극성면 상에 형성되기 때문에, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되고 발광 효율이 향상된 발광 소자 등의 반도체 장치를 안 정되게 제조 가능한 에피택셜층이 있는 기판을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 장치는 상기 에피택셜층이 있는 기판을 이용하고 있다. 이 경우, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되고 발광 효율이 향상되거나, 인가하는 전류량에 의한 파장 시프트량이 작은 발광 소자 등의 반도체 장치를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 GaN 기판의 제조 방법은 이하의 공정을 구비한다. 즉, 우선, 주표면의 법선 벡터에 대해, 기준 면 방위가 서로 상이한 2개의 하지 기판측 경사 방향으로 경사져 있는 하지 기판을 준비하는 공정을 실시한다. 하지 기판의 주표면 상에 GaN 결정층을 성장시키는 공정을 실시한다. GaN 결정층으로부터 하지 기판을 제거함으로써, GaN 결정층으로 이루어지는 GaN 기판을 얻는 공정을 실시한다. GaN 기판은, 주표면을 가지고, 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사하고 있다. 하지 기판에 있어서의 기준 면 방위의 하지 기판측 경사 방향에서의 경사 각도를 변경함으로써, GaN 기판에 있어서의 면 방위 [0001]의 오프각 방향에서의 경사 각도가 조정된다. 이와 같이하면, 본 발명에 따른 GaN 기판을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 하지 기판의 기준 면 방위의 하지 기판측 경사 방향에서의 경사 각도를 변경함으로써, GaN 기판의 오프각 방향에서의 경사 각도를 임의로 변경한 GaN 기판을 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 발광 파장이 500 nm보다 장파장측의 파장 영역에 있어서 발광 효율을 향상시킨 발광 소자 등의 반도체 장치를 안정되게 제조 가능한 GaN 기 판, 에피택셜층이 있는 기판, 반도체 장치 및 GaN 기판의 제조 방법을 얻을 수 있다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한, 이하의 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙여 그 설명은 반복하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 GaN 기판을 도시하는 사시 모식도이다. 도 2는 도 1에 도시한 GaN 기판의 결정 구조를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3은 도 2에 도시한 GaN 기판의 결정 구조에 있어서의 면 방위 및 결정면을 설명하기 위한 모식도이다. 도 4는 도 1에 도시한 본 발명에 따른 GaN 기판의 오프각 방향에 있어서의 경사 각도를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1∼도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 GaN 기판을 설명한다.

도 1∼도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 GaN 기판(1)은 그 주표면의 법선 벡터 2(도 1 참조)에 대해, 특정한 면 방위(여기서는 면 방위 [0001])이 서로 상이한 2개의 방향(오프각 방향)으로 경사하고 있다. 즉, GaN 기판(1)은 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2방향으로 경사하고 있는 오프각도를 갖는 기판이다.

도 2에 도시한 바와 같이, GaN의 결정 구조는, 소위 육방정의 결정 구조를 갖고 있다. 도 2에서는, GaN의 육방정의 결정 구조의 대칭성을 보다 알기 쉽게 도시하기 때문에, 복수의 셀을 포함한 상태로 GaN의 결정 구조가 예시되어 있다. 도 2에 있어서, 크고 흰 동그라미가 질소 원자(N 원자)를 도시하고, 작은 동그라미가 갈륨 원자(Ga 원자)를 도시한다. 도 2의 결정 구조의 저면에 있어서는, 중심에 Ga 원자가 존재하고, 그 Ga 원자를 중심으로 하는 정육각형의 정점에도 Ga 원자가 위치하고 있다. 저면의 중심에 위치하는 Ga 원자로부터 전술한 주변의 6개의 Ga 원자를 연결하는 방향이, 각각 반시계 방향으로 [2-1-10], [11-20], [-12-10], [-2110], [-1-120], [1-210]으로 되어 있다. 이들의 방향이, GaN에 있어서의 Ga-Ga 결합의 방향이 된다. 그리고, 저면의 중심 Ga 원자로부터 보아 Ga 원자가 존재하지 않는 방향이 [1-100] 등이 된다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시한 결정 구조에 있어서, 정육각기둥이라고 간주할 수 있는 육방정의 상면을 c면이라고 부르고, 정육각 기둥의 측벽면을 m면이라고 부른다.

도 1에 도시한 본 발명에 따른 GaN 기판(1)에서는, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향인 면 방위 [1-100] 및 면 방위 [11-20] 방향으로, 법선 벡터 2(도 1 참조)에 대해 경사져 있다. 이 GaN 기판(1)에 있어서의 주표면의 법선 벡터 2에 대한 면 방위 [0001]의 경사 상태를, 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

우선, 도 4에 있어서, 벡터 AB로 나타내는 방향이 GaN 기판의 주표면의 법선 벡터 2(도 1 참조)에 대응한다고 생각되어진다. 그리고, 이 벡터 AB에 GaN 기판의 면 방위 [0001]을 일치시킨 상태에서, 면 방위 [1-100]의 방향으로 대응하는 벡터 AE의 방향으로 면 방위 [0001]이 경사 각도 θ1만큼 경사하도록, GaN의 결정을 기울인다. 이 결과, GaN의 면 방위 [0001]의 방향은 벡터 AC로 나타내는 방향이 된다. 그리고, 이 벡터 AC로 나타내는 방향으로 경사한 GaN의 결정 구조를, 면 방위 [11-20]의 방향으로 대응하는 벡터 AF의 방향으로 경사 각도 θ2만큼 더 경사시킨다. 이 결과, GaN의 결정에 있어서의 면 방위 [0001]은 도 4의 벡터 AD에 나타내는 방향이 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 GaN 기판(1)에서는, 벡터 AB로 나타내는 주표면의 법선 벡터 2(도 1참조)에 대해, 결정의 면 방위 [0001]의 방향이 도 4의 벡터 AD로 나타내는 방향으로 기울어진 상태(주표면의 법선 벡터 2에 대해, 면 방위 [0001]이 면 방위 [1-100] 방향 및 면 방위 [11-20] 방향으로 각각 경사 각도 θ1, θ2만큼 경사한 상태)로 되어 있다.

이와 같이 하면, 본 발명에 따른 GaN 기판(1)에서는, 그 주표면이 소위 반극성면이 된다. 이러한 GaN 기판(1)의 주표면 상에 GaN이나 InGaN 등의 층을 에피택셜 성장시켜, 반도체 장치로서의 발광 소자를 형성한 경우에는, GaN의 c면 상에 에피택셜층을 형성함으로써 발광 소자를 제조하는 경우에 비해, 활성층에 있어서의 내부 전계의 발생을 억제할 수 있다. 이 결과, 내부 전계의 발생에 기인하여, 활성층에 주입한 전자와 정공과의 재결합 확률이 감소하고, 결과적으로 발광 효율이 낮게 되거나, 인가하는 전류의 변화에 따라 발광 파장이 변화된다고 하는 문제의 영향을 저감할 수 있다. 따라서, 발광 효율을 높여, 일정의 발광 파장을 갖는 발광 소자를 얻을 수 있다.

도 5는 도 1에 도시한 GaN 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6은 도 5에 도시한 흐름도에 있어서의 준비 공정의 내용을 설명하기 위한흐름도이다. 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 GaN 기판의 제조 방법을 설 명한다.

도 5 및 도 6을 참조하여, 우선 준비 공정(S10)을 실시한다. 이 준비 공정(S10)에 있어서는, GaN 기판이 되는 GaN 에피택셜층을 형성하는 기초가 되는, 하지 기판을 준비한다. 구체적으로는, 준비 공정(S10)(도 5 참조)에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 하지 기판 제작 공정(S11)을 우선 실시한다. 이 하지 기판 제작 공정(S11)에 있어서는, 그 표면 상에 GaN을 에피택셜 성장 가능한 기판으로서, GaN을 에피택셜 성장시키는 주표면의 법선 벡터에 대해, 특정한 면 방위가 각각 상이한 2방향(하지 기판측 경사 방향)으로 경사져 있는 기판을 준비한다.

여기서, 하지 기판으로서는, 그 표면에 GaN을 성막할 수 있으면, 임의의 재료를 이용할 수 있다. 하지 기판으로서는, 예컨대 갈륨 비소(GaAs) 기판, 사파이어 기판, 산화아연(ZnO) 기판, 탄화규소(SiC) 기판 혹은 GaN 기판을 이용할 수 있다. 그리고, 후술하는 성막 공정에 있어서, 형성되는 GaN 에피택셜층의 면 방위 [0001]이, 하지 기판의 GaN 에피택셜층이 형성되는 주표면의 법선 벡터에 대해 소정의 2 방향(2개의 오프각 방향)으로 경사진 상태에서, GaN 에피택셜층이 성장할 수 있도록, 하지 기판은 소위 오프각을 갖는 기판으로 되어 있다. 구체적으로는, 하지 기판에 있어서는, 에피택셜층이 형성되는 주표면의 법선 벡터에 대해, 소정의 기준 면 방위가 소정의 방향으로 경사진 상태로 되어 있다. 이러한 기판은, 예컨대 주표면이 특정한 결정면(예컨대 육방정이면 c면 등)으로 되어 있는 기판을 준비하여, 상기 기판의 주표면에 대해 소정의 방향으로 경사한 경사 각도로 상기 기판의 주표면을 연삭하는, 혹은 주표면에 대한 결정의 면 방위를 알 수 있는 벌크 기판으로부 터 소정의 잘라낸 각도로 하지 기판을 잘라낸다고 하는 방법으로 하지 기판을 준비할 수 있다.

다음으로, 도 6에 도시한 바와 같이, 마스크 패턴 형성 공정(S12)을 실시한다. 이 마스크 패턴 형성 공정(S12)에 있어서는, 하지 기판의 GaN 에피택셜층을 형성하는 주표면 상에 마스크 패턴을 형성한다. 구체적으로는, 도 7 또는 도 8에 도시한 바와 같은 패턴을 갖는 마스크층(10)을 형성한다. 도 7 및 도 8은 하지 기판의 주표면 상에 형성되는 마스크층의 마스크 패턴을 도시하는 평면 모식도이다.

우선, 도 7에 도시하는 마스크 패턴에 대해 설명한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 하지 기판의 주표면에 형성하는 마스크층(10)으로서, 폭(W1)의 라인형의 패턴을 피치(P)에서 복수 평행하게 연장되도록 형성하여도 좋다. 이 때, 피치(P)를 예컨대 8 ㎛로 하고, 선형 패턴의 폭(W1)을 6 ㎛, 선형 패턴 사이의 간격(W2)[선형 패턴 사이에 형성된 홈 형상의 개구부(11)의 폭]을 예컨대 2 ㎛로 할 수 있다. 또한, 선형 패턴의 두께를 예컨대 0.1 ㎛로 할 수 있다.

또한, 다른 마스크 패턴의 예로서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 개구부(12)가 주기적으로 형성된 것과 같은 패턴을 갖는 마스크층(10)을 이용하여도 좋다. 구체적으로는, 도 8에 도시한 바와 같이, 평면 형상이 사각형상인 개구부(12)가 소정의 간격으로 분산 배치되어 있는 마스크층(10)을 하지 기판의 주표면 상에 형성한다. 개구부(12)는 예컨대 도 8에 도시한 바와 같이 사각형 형상이고, 그 중심을 연결하는 선분의 거리(L)가 예컨대 4 ㎛이더라도 좋다. 또한, 개구부(12)의 1변의 길이(W1, W2)가 각각 2 ㎛이더라도 좋다. 그리고, 복수의 개구부(12)는 소위 지그재 그 격자형으로 배치되고, 인접하는 개구부(12)의 중심점을 연결하면 1변이 거리(L)의 정삼각형이 되도록 개구부(12)는 배치되어 있더라도 좋다.

이러한 마스크층(10)이 형성된 하지 기판에 대해, 도 5에 도시한 바와 같이 성막 공정(S20)을 실시한다. 구체적으로는, 하지 기판의 마스크층이 형성된 주표면 상에, 기상 성장법을 이용하여 GaN 박막을 형성한다. GaN 박막의 기상 성장법으로서는, HVPE법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 승화법, MOC법(Metallorganic Chloride), MOCVD법(Metal-organic Chemical Vapor Deposition) 등을 이용할 수 있다. 이 성막 공정(S20)에서는, 예컨대 HVPE 법을 이용할 수 있다. 도 9는 성막 공정(S20)에 있어서 이용하는 성막 장치를 도시하는 모식도이다. 도 9를 참조하여, HVPE 법을 이용한 성막 장치를 설명한다.

도 9에 도시한 바와 같이, 성막 장치(20)는 반응관(22)과, 반응관(22)의 내부에 설치된 Ga 보우트(23)와, 반응관(22)의 내부에 있어서 하지 기판을 유지하기 위한 서셉터(24)와, 반응관(22)의 내부를 가열하기 위한 히터(26)를 구비한다. Ga 보우트(23)의 내부에는, Ga 금속을 배치한다. 그리고, 이 Ga 보우트(23)를 향해, 수소, 질소 혹은 아르곤으로 희석한 염화수소(HC1) 가스를 공급하기 위한 배관(27)이 배치되어 있다. 또한, 서셉터(24)의 상부에, 수소, 질소 혹은 아르곤으로 희석한 암모니아(NH₃) 가스를 공급하기 위한 배관(28)이 설치되어 있다. 반응관(22)의 외주에 대향하는 위치에, 반응관(22)을 가열하기 위한 히터(26)가 설치되어 있다. 서셉터(24) 상에는, 하지 기판(5)이 설치된다. 이 하지 기판(5) 상에, 후술하는 바 와 같이 GaN 결정층(3)이 형성된다.

다음으로, 도 9에 도시한 성막 장치(20)를 이용한 GaN 결정층(3)의 제조 방법을 설명한다. 우선, 도 9에 도시한 성막 장치(20)에 있어서, 반응관(22)의 내부의 서셉터(24) 상에 하지 기판(5)을 배치한다. 그리고, 서셉터(24)의 상측에, 그 내부에 Ga 금속을 넣은 용기인 Ga 보우트(23)를 배치한다. 다음으로, 장치 전체를 히터(26)에 의해 가열한 상태로, 배관(27)을 통해 Ga 보우트(23)에 수소, 질소 혹은 아르곤에 의해 희석된 HCl 가스를 불어 넣는다. 이 결과, 2Ga+ 2HCl -> 2GaCl+ H₂라는 반응이 일어난다. 이 반응에 따라 생성된 기체형의 GaCl을 하지 기판(5)에 공급한다.

동시에, 배관(28)을 통해 서셉터(24) 근방에 수소, 질소 혹은 아르곤으로 희석한 NH₃ 가스를 공급한다. 그렇게 하면, 하지 기판(5)의 근방에 있어서, 2GaCl+ 2NH₃-> 2GaN+ 3H₂라는 반응이 생긴다. 이러한 반응에 따라 형성된 GaN을, 가열된 하지 기판(5)의 표면에 GaN 결정으로서 적층한다. 이와 같이 하여, 하지 기판(5)의 표면에 GaN 결정층(3)이 형성된다. 이 때, 하지 기판의 표면에는 도 7 또는 도 8에 도시한 바와 같은 마스크층(10) 상에 GaN 결정층(3)이 형성된다. 이 결과, 형성되는 GaN 결정층(3)의 전위 밀도를 저감할 수 있다.

또한, 하지 기판(5)이 소위 오프각을 갖는 기판으로 되어 있기 때문에, 형성되는 GaN 결정층(3)도, 하지 기판(5)의 주표면과 대향하는 표면의 법선 벡터에 대해, 소정의 면 방위가 경사진 상태로 되어 있다. 또한, GaN 결정층(3)에 있어서의 상기 법선 벡터에 대한 소정의 면 방위의 경사 방향 및 경사 각도는, 하지 기판에 있어서의 기준 면 방위의 경사 방향 및 경사 각도에 따라 변경 가능하다.

또한, GaN 결정층(3)은 후술하는 바와 같이 하지 기판(5)이 제거된 후에도 자립하여 취급이 가능하도록 충분히 두텁게 형성한다. GaN 결정층(3)의 두께는 예컨대 10 mm 정도로 할 수 있다.

다음으로, 도 5에 도시한 바와 같이 하지 기판 제거 공정(S30)을 실시한다. 이 하지 기판 제거 공정(S30)에 있어서는, 형성된 GaN 결정층(3)으로부터 하지 기판(5)을 제거한다. 하지 기판(5)의 제거 방법으로서는, 슬라이스 등의 기계적인 방법, 에칭 등의 화학적인 방법, 전해 에칭 등의 전기화학적인 방법 등 임의의 방법을 이용할 수 있다. 이 결과, GaN 결정층(3)으로 이루어지는 GaN 기판을 얻을 수 있다. 또한, 얻어진 GaN 기판(1)(도 1 참조)에서는, 하지 기판에 있어서 기준 면 방위가 2방향에 있어서 경사하고 있는 것에 따라, 그 표면에 대해 면 방위 [0001]이 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사한 상태로 되어 있다.

이 후, 후처리 공정(S40)을 실시한다. 후처리 공정(S40)으로서는, 예컨대 기판 표면의 연마 공정이나, GaN 기판(1)을 소정의 두께로 슬라이스하는 슬라이스 공정 등을 실시할 수 있다.

이와 같이 하여 얻어진 GaN 기판(1)의 표면에, 도 10에 도시한 바와 같이 GaN 등의 에피택셜층(40)을 형성함으로써, 에피택셜층이 있는 기판[에피택셜 기판(41)]을 얻을 수 있다. 도 10은 도 1에 도시한 본 발명에 따른 GaN 기판을 이용한 에피택셜층이 있는 기판을 도시하는 사시 모식도이다. 또한, 이러한 에피택셜 기판(41)을 이용하여, 도 11에 도시한 바와 같이 발광 소자를 형성할 수 있다. 도 11은 본 발명에 따른 GaN 기판을 이용한 발광 소자를 도시하는 단면 모식도이다. 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 GaN 기판을 이용한 발광 소자를 설명한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 반도체 장치로서의 발광 소자(30)는 GaN 기판(1)상에 n형의 AlGaN 중간층(31)이 형성되어 있다. n형의 AlGaN 중간층(31) 상에는 n형의 GaN 버퍼층(32)이 형성되어 있다. nGaN 버퍼층(32) 상에 발광층(33)이 형성되어 있다. 이 발광층(33)은, 예컨대 InGaN/InGaN-MQW층(다중 양자 우물층)이다. 이 발광층(33) 상에 p형의 AlGaN층(34)을 형성한다. p형의 AlGaN층(34) 상에 p형의 GaN 버퍼층(35)이 형성되어 있다. 그리고, GaN 기판(1)의 이면측[n형 AlGaN 중간층(31)이 형성된 표면측과 반대측의 표면]에는 n 전극(36)이 형성되어 있다. 그리고, p형의 GaN 버퍼층(35) 상에는 p 전극(37)이 형성되어 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 GaN 기판(1)을 이용하여 발광 소자를 형성한 경우에, 발광층(33)이 GaN 기판(1)의 소위 반극성면 상에 형성되어 있기 때문에, 발광층(33)에서의 피에조 전계가 저감된다. 이 때문에, 종래의 GaN 기판의 극성면 상에 발광층이 형성되어 있었던 발광 소자보다도, 발광층에서의 발광 효율을 향상시키거나, 인가하는 전류량 변화에 따른 발광 파장의 시프트량을 작게 할 수 있다.

전술한 실시형태와 일부 중복하는 부분도 있지만, 본 발명의 실시형태를 나열적으로 들어 설명한다.

본 발명에 따른 GaN 기판(1)(도 1 참조)은 주표면을 갖는 GaN 기판(1)으로서, 주표면의 법선 벡터 2에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방 향으로 경사져 있다.

이와 같이 하면, 면 방위 [0001]을 첫번째의 오프각 방향으로 경사시킴으로써 GaN 기판(1)의 주표면을 반극성면으로 한 상태로, 상기 주표면 상에 에피택셜층(40)을 형성할 수 있다. 이 때문에, GaN 기판(1)의 (0001)면 등의 극성면 상에 에피택셜층을 형성하여 LED 등의 발광 소자를 제조하는 경우보다, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되는 발광 소자에 있어서 발광 효율을 향상시키거나, 인가하는 전류량 변화에 따른 발광 파장의 시프트량을 작게 할 수 있다. 또한, 면 방위 [0001]을 두번째 오프각 방향으로 더욱 경사시킴으로써, GaN 기판(1)의 주표면에서의 오프각 분포나 면내 파장 분포의 불균일을 제어할 수 있다. 또한 GaN 기판의 이면도 표면과 거의 동일한 오프각을 갖는다. 그 결과, 표면 및 이면에 형성한 전극의 컨택트성이 향상하여, 동작 개시 당초부터의 동작 전압의 증가량을 작게 할 수 있다. 이 결과, 상기 GaN 기판(1)을 이용함으로써 우수한 특성을 갖는 발광 소자 등의 반도체 장치를 안정되게 제조할 수 있다.

상기 GaN 기판(1)에 있어서, 주표면의 법선 벡터 2에 대해 면 방위 [0001]이 경사하는 2개의 오프각 방향은, [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. 이 경우, GaN 기판(1)의 주표면을 반극성면으로 함으로써 장파장 영역에서의 발광 효율이 향상한 발광 소자(반도체 장치)를 얻고, GaN 기판의 주표면 상에 에피택셜층을 형성했을 때에 있어서의 면내 파장 분포의 불균일을 확실하게 제어할 수 있다.

상기 GaN 기판(1)에 있어서, 주표면의 법선 벡터에 대한 면 방위 [0001]의, [1-100] 방향에 있어서의 경사 각도 및 [11-20] 방향에 있어서의 경사 각도 중 어 느 한쪽은 10° 이상 40° 이하이고, 다른쪽은 0.02° 이상 40° 이하라도 좋다. 또한, 상기 2개의 경사 각도 중 어느 한쪽을 10° 이상 40° 이하로 하고, 다른쪽을 0.02° 이상 10° 이하로 하여도 좋다. 이 경우, GaN 기판의 주표면을 반극성면으로 함으로써 장파장 영역에서의 발광 효율이 향상한 발광 소자(반도체 장치)를 얻고, GaN 기판의 주표면 상에 에피택셜층(40)을 형성했을 때에 있어서의 면내 파장 분포의 불균일을 확실하게 작게 할 수 있다.

본 발명에 따른 에피택셜층이 있는 기판[에피택셜 기판(41)]은 상기 GaN 기판(1)과, 상기 GaN 기판(1)의 주표면 상에 형성된 에피택셜 성장층[에피택셜층(40)]을 구비한다. 이와 같이 하면, 상기 에피택셜층(40)은 GaN 기판(1)의 반극성면 상에 형성되기 때문에, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되고 발광 효율이 향상한 발광 소자 등의 반도체 장치를 안정되게 제조 가능한 에피택셜 기판(41)을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 장치(발광 소자)는 상기 에피택셜 기판(41)을 이용하여 제조된다. 이 경우, 발광 파장이 500 nm 이상의 장파장 영역에 포함되고 발광 효율이 향상되어, 인가 전류치의 변화에 대한 파장 시프트량이 작은 발광 소자를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 GaN 기판의 제조 방법은, 이하의 공정을 구비한다. 즉, 우선, 주표면의 법선 벡터에 대해, 기준 면 방위가 서로 상이한 2개의 하지 기판측 경사 방향으로 경사져 있는 하지 기판을 준비하는 공정[하지 기판 작성 공정(S11)]을 실시한다. 하지 기판(5)의 주표면 상에 GaN 결정층(3)을 성장시키는 공정[성막 공정(S20)]을 실시한다. GaN 결정층(3)으로부터 하지 기판(5)을 제거함으로써, GaN 결정층(3)으로 이루어지는 GaN 기판(1)을 얻는 공정[하지 기판 제거 공정(S30)]을 실시한다. GaN 기판(1)은 주표면을 가지고, 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사져 있다. 하지 기판에 있어서의 기준 면 방위의 하지 기판측 경사 방향에서의 경사 각도를 변경함으로써, GaN 기판에 있어서의 면 방위 [0001]의 오프각 방향에서의 경사 각도가 조정된다. 하지 기판에 있어서의 상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 서로 직교하고 있어도 좋다. 또한, GaN 기판에 있어서의 상기 2개의 오프각 방향은 서로 직교하고 있어도 좋다. 이와 같이 하면, 본 발명에 따른 GaN 기판(1)을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 하지 기판(5)의 기준 면 방위의 하지 기판측 경사 방향에서의 경사 각도를 변경함으로써, GaN 기판(1)의 오프각 방향에서의 경사 각도를 임의로 변경한 GaN 기판(1)을 용이하게 제조할 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)은 GaAs 기판이라도 좋고, 기준 면 방위는 [111]이라도 좋다. 2개의 하지 기판측 경사 방향은 <1-10> 방향 및 <11-2> 방향이라도 좋다. GaN 기판의 2개의 오프각 방향은 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향이라도 좋다. 이 경우, 하지 기판으로서 비교적 입수가 용이한 GaAs 기판을 이용함으로써 본 발명에 따른 GaN 기판(1)을 제조할 수 있기 때문에, GaN 기판의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)은 사파이어 기판이라도 좋고, 기준 면 방위는 [0001]이라도 좋다. 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향이라도 좋다. GaN 기판의 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. 이 경우, 하지 기판(5)으로서 비교적 입수가 용이한 사파이어 기판을 이용함으로써 본 발명에 따른 GaN 기판을 제조할 수 있기 때문에, GaN 기판의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)은 ZnO 기판이라도 좋고, 기준 면 방위는 [0001]이라도 좋다. 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. GaN 기판(1)의 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. 이 경우, 하지 기판(5)으로서 비교적 입수가 용이한 ZnO 기판을 이용함으로써 본 발명에 따른 GaN 기판(1)을 제조할 수 있기 때문에, GaN 기판의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)은 SiC 기판이라도 좋고, 기준 면 방위는 [0001]이라도 좋다. 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. GaN 기판(1)의 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. 이 경우, 하지 기판으로서 비교적 입수가 용이한 SiC 기판을 이용함으로써 본 발명에 따른 GaN 기판을 제조할 수 있기 때문에, GaN 기판의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)은 GaN으로 이루어지는 기판이라도 좋고, 기준 면 방위는 [0001]이라도 좋다. 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. GaN 기판(1)의 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이라도 좋다. 이 경우, GaN 기판(1)이 되어야 하 는 GaN 결정층을 형성하는 하지 기판(5)으로서 동일한 재질로 이루어지는 GaN으로 이루어지는 기판을 이용함으로써 GaN 결정층(3)의 막질을 향상시킬 수 있다. 우수한 막질의 GaN 기판(1)을 얻을 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법은 GaN 결정층을 성장시키는 공정(성막 공정(S20))에 앞서서, 하지 기판(5)의 주표면 상에 복수의 창을 갖는 마스크층을 형성하는 공정[마스크 패턴 형성 공정(S12)]을 더욱 구비하고 있어도 좋다. 이 경우, 하지 기판(5)의 주표면 상에 GaN 결정층(3)을 형성할 때에, 우선 마스크층(10)의 창[개구부(12)]으로부터 노출하고 있는 하지 기판(5)의 주표면 상에 GaN 결정이 성장하고, 그 후 마스크층(10) 상에서 GaN 결정이 가로 방향으로 성장한다. 또한, 그 후 인접하는 개구부(12)의 위에서 가로 방향으로 성장한 GaN 결정이 서로 충돌하고 나서, 마스크층(10)의 표면에 수직인(상향의) 방향으로 성장하여, GaN 기판(1)의 전위 밀도를 저감하거나, 크랙이 없는 2인치 이상의 공업적으로 유효한 대구경의 GaN 기판을 얻을 수 있다.

상기 GaN 기판의 제조 방법에 있어서, 하지 기판(5)에서의 2개의 하지 기판측 경사 방향에 있어서의 경사 각도의 한쪽은 10° 이상 40° 이하이고, 다른쪽은 0.02° 이상 40° 이하이다. 이 경우, 형성되는 GaN 기판(1)의 2개의 오프각 방향에 있어서의 경사 각도를 10° 이상 40° 이하 및 0.02° 이상 40° 이하로 조정할 수 있다.

[실시예 1]

다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 행했다. 즉, 본 발명에 따른 GaN 기판을 제작하여, 상기 GaN 기판을 이용하여 발광 소자를 제작했다. 그리고, GaN 기판 및 상기 발광 소자에 대해 후술하는 바와 같이 발광광의 파장과 공급되는 전류량의 관계 등을 측정했다. 또한, 비교를 위해, 주표면이 c면으로 되어있는 GaN 기판 및 주표면이 m면으로 되어있는 GaN 기판을 준비하여, 동일하게 이들의 GaN 기판을 이용하여 비교예로서의 발광 소자를 형성했다. 그리고, 이들의 비교예의 발광 소자에 대해서도, 동일한 특성에 대해 측정을 행했다. 이하, 실험의 내용을 구체적으로 설명한다.

(1) GaN 기판의 준비

(1-1) 본 발명의 GaN 기판의 준비

하지 기판:

GaAs 기판을 하지 기판으로서 이용했다. 단, 상기 하지 기판의 표면의 법선 벡터에 대해, 결정 방위 [111]이 <1-10> 방향으로 18° 경사지고, 또한 <11-2> 방향으로 0.03° 경사져 있는 2인치의 GaAs 기판을 이용했다. 그리고, 이 하지 기판의 표면에는, 도 7에 도시한 스트라이프형의 패턴을 갖는 마스크층을 형성했다. 이 마스크층은 산화실리콘(SiO₂)으로 이루어진다. 마스크층(10)에서는, 선형 패턴의 폭(W1)을 6 ㎛, 개구부의 폭(W2)을 2 ㎛로 하고, 선형 패턴의 스트라이프 피치(P)를 8 ㎛로 했다. 또한, 마스크층(10)의 두께는 0.1 ㎛로 했다.

성막 조건:

전술한 하지 기판의 표면 상에, 이하와 같은 조건으로 GaN 결정층을 형성했 다. 즉, 도 9에 도시한 성막 장치(20)를 이용하여, HVPE법에 의해 하지 기판의 표면 상에 GaN 결정층을 형성했다. 하지 기판의 표면 상의 GaN 결정의 성장 공정에서는, 처음에는 비교적 저온으로 얇은 버퍼층을 성장시킨다. 그 후, 버퍼층 상에 비교적 고온으로, 두꺼운 GaN 에피택셜층을 성장시킨다. 버퍼층의 성막 조건은 성막온도를 500℃, HCl의 분압을 1× 10^-3 atm(100 Pa), NH₃의 분압을 0.1 atm(10000 Pa), 성막 시간을 60분, 성막한 버퍼층의 두께를 60 nm로 했다. 또한, 버퍼층 상에 형성한 GaN 에피택셜층의 성막 조건은, 성막 온도를 1030℃, HCl의 분압을 3× 10^-2atm(3000 Pa), NH₃의 분압을 0.2 atm(20000 Pa), n형 도펀트로서 Si를 도핑하면서 성막 시간을 100 시간, 성막한 에피택셜층의 두께를 10 mm로 했다.

그 후, 기계 연삭기를 이용하여 성막한 GaN 막으로부터 GaAs 기판을 제거했다. 이와 같이 하여, 10 mm의 두께의 자립 GaN 기판을 얻었다. 그리고, 이 GaN 기판을, 와이어톱을 이용하여 두께 400 ㎛로 슬라이스하고, 또한 표면을 연마함으로써 10장의 2인치 GaN 기판을 얻었다.

(1-2) 비교예의 GaN 기판의 준비

주표면이 c면으로 되어있는 GaN 기판:

기본적으로, 전술한 본 발명에 따른 GaN 기판과 동일한 제조 방법에 따라 제조했지만, 이용한 하지 기판으로서의 GaAs 기판이, 그 주표면의 법선 벡터에 대해 결정 방위 [111]이 평행하게 되어 있는 점이 상이하다. 이러한 하지 기판을 이용함 으로써, 얻어진 자립 GaN 기판에서는 주표면의 법선 벡터와 결정 방위 [0001]이 평행하게 되어 있고, 상기 주표면은 (0001)면(c면)과 평행하게 되어 있다.

주표면이 m면으로 되어있는 GaN 기판:

상기한 주표면이 c면으로 되어 있는 GaN 기판으로부터, 그 주표면에 대해 수직 방향으로 두께 400 ㎛의 기판을 잘라냄으로써, 주표면이 m면으로 되어 있는 GaN 기판을 준비했다.

(2) 발광 소자의 형성

얻어진 본 발명의 실시예 및 비교예의 GaN 기판의 표면 상에, 에피택셜층을 퇴적하고, 전극을 더욱 형성하며, 소자마다 분할함으로써, 도 11에 도시한 바와 같은 발광 소자를 형성했다. 또한, 발광 소자의 n형 AlGaN 중간층(31)의 두께는 50 nm, n형 GaN 버퍼층(32)의 두께는 2 ㎛, 발광층(33)의 두께는 50 nm, p형 AlGaN층(34)의 두께는 20 nm, p형 GaN 컨택트층(35)의 두께는 50 nm로 했다. 또한, n 전극(36)으로서는 Al/Ti를 이용하여, 그 두께는 각각 Al: 500 nm, Ti: 50 nm로 했다. 또한, p 전극(37)에 대해서는, 재료를 Pt/Ti로 하여, 두께를 Pt: 500 nm, Ti: 50 nm로 했다. n 전극으로서는 그 외에, Au/Ge/Ni(각 두께 500 nm/100 nm/50 nm), Pt/Ti(각 두께 500 nm/50 nm), Au/Ti(각 두께 500 nm/50 nm), p 전극으로서는 그 외에 Pt(두께 500 nm), Ni(두께 500 nm)로 하여도 좋다. 이러한 발광 소자는 발광층(33)으로서 InGaN을 포함하고 있기 때문에, 청색 영역보다도 파장이 긴 녹색 영역의 광을 출사한다.

(3) 측정 내용

전술과 같이 하여 얻어진 GaN 기판에 대해, 상기 기판의 오프각(GaN 기판의 표면의 법선 벡터에 대한, 면 방위 [0001]의 경사 방향 및 경사 각도)을 측정했다. 또한, 상기 오프각의 값의 면내 분포도 측정했다. 또한, GaN 기판에 대해 전위 밀도도 측정했다. 또한, 형성한 발광 소자에 대해, 발광 파장과 전류량의 관계를 측정했다.

(3-1) 측정 방법

GaN 기판의 오프각 및 오프각 값의 분포의 측정:

GaN 기판의 오프각은, 2결정 XRD(X-ray diffraction) 장치를 이용하여, 슬릿사이즈 가로세로 모두 200 ㎛에서 측정했다. 또한, GaN 기판 내의 오프각 값의 분포는, GaN 기판의 주표면에 대해, 기판의 중심과, 상기 중심으로부터 <1-100> 방향 및 <11-20> 방향으로 각 20 mm 떨어진 4점의 합계 5점에서 상기 XRD 장치를 이용하여 오프각의 측정을 행했다. 중심으로부터 20 mm 떨어진 4점의 값과 중심의 값의 차의 절대치의 최대치를 오프각의 분포의 값으로 했다. 또한, XRD 에서의 측정 정밀도는 ± 0.01°이다.

GaN 기판의 전위 밀도의 측정:

GaN 기판에 대해, SEM을 이용한 CL(캐소드 루미네센스)를 이용하여, 상기 XRD와 동일한 5점에 대해 □100 ㎛ 내부의 어두운 점을 세어 측정을 행했다.

발광 소자의 발광광의 파장과 공급되는 전류량과의 측정:

작성한 발광 소자에 대해, 공급하는 전류의 값을 변경하면서, 동시에 발광 소자로부터 출사되는 광의 파장을 측정했다. 구체적으로는, 실온에서 발광 소자에 펄스 전류를 인가하여 발광 스펙트럼을 측정했다.

(4) 측정 결과

GaN 기판의 오프각:

GaN 기판의 오프각은 표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [0001]이, [11-20] 방향에 거의 18°경사진 오프각을 나타냈다. 또한, [1-100] 방향으로 거의 0.05° 경사진 오프각을 나타냈다. 또한, 이 [11-20] 방향에 있어서의 오프각의 면내 분포는, 상기 기판의 면 내에 있어서 오프각의 분포가 ± 0.5°(-17.5∼18.5°)의 범위에 들어가 있었다. 또한, [1-100] 방향에 있어서의 오프각의 면내 분포는 상기 기판의 면 내에서 오프각의 분포가 ± 0.3°의 범위에 들어가 있었다.

GaN 기판의 전위 밀도:

GaN 기판의 전위 밀도를 측정한 바, 상기 전위 밀도는 어떤 시료에 대해서도 1× 10⁷(/cm²) 이하였다.

발광 소자의 발광광의 파장과 공급되는 전류량과의 관계:

결과를 도 12에 도시한다. 도 12는 발광 소자에 공급되는 전류와 출사되는 광의 파장과의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예의 발광 소자의 파장과 전류량과의 관계는, 발광 소자에 공급되는 전류량이 커짐에 따라 출사되는 광의 파장이 단파장측에 시프트하고 있지만, 그 시프트량은 거의 7 nm 정도였다. 이것은, 종래의 GaN 기판, 즉 기판 표면과 GaN의 c 면이 거의 평행하게 되어 있는 c면 기판을 이용하여 제조한 비교예의 발광 소자에 있어서의 파장의 시프트량이 20 nm 정도인데 비해 작아져 있다. 또한, 도 12에 도시하는 m면 기판을 이용하여 제조한 비교예의 발광 소자의 경우는, 거의 파장의 시프트가 일어나고 있지 않다. 이것은 m면이 무극성면이므로, 발광층에 있어서 내부 전계의 발생이 없다고 생각되기 때문이다.

[실시예 2]

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 행했다. 즉, 후술하는 시료 ID1∼70의 GaN 기판을 작성하여, 이들의 GaN 기판의 시료에 대해 오프각 방향 및 오프각, 추가로 오프각의 면내 분포, 전위 밀도를 측정했다. 또한, 각 GaN 기판을 이용하여 발광 소자를 형성하고, 상기 발광 소자에 대해 투입 전류치를 변경함으로써 발광 파장의 변화량(블루 시프트(Blueshift): Δλ), 1000 시간 경과 시점에서의 동작 전압의 증가량(ΔV_o _p), GaN 기판의 면 내에서의 발광 파장 분포(σ)를 측정했다. 이하, 실험의 내용을 구체적으로 설명한다.

(1) GaN 기판의 준비

전 시료(시료 ID1∼70)에 대해, 전술한 실시예 1에 있어서의 GaN 기판의 제조 방법과 기본적으로 동일한 제조 방법을 이용하여 GaN 기판을 얻었다.

하지 기판:

시료 ID1∼65에 대해서는, GaN 기판을 형성하기 위한 하지 기판으로서 GaAs 기판을 이용하는 한편, 시료 ID66∼70에 대해서는, 하지 기판으로서 GaAs과는 상이한 재료의 기판을 이용했다. 구체적으로는, 시료 ID66 및 67에 대해, 하지 기판으 로서 사파이어 기판을 이용하고, 시료 ID68∼70의 각각에 대해, ZnO 기판, SiC 기판 및 GaN 기판을 이용했다. 각 하지 기판에 대해서는, 형성되는 GaN 기판의 오프각 방향이 2방향이 되도록, GaN 결정막이 형성되는 주표면의 법선 방향에 대해, 면 방위 [0001]이 2방향으로 경사하는 경사각(오프각)이 적절하게 설정되어 있다.

구체적으로는, GaAs 기판에 대해서는, 형성되는 GaN 결정막의 표면에 대해 GaN의 면 방위 [0001]이 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향으로 각각 경사지도록, GaAs 기판의 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [111]가 <1-10> 방향 및 <11-2> 방향으로 경사져 있다. 각 방향(오프각 방향)에서의 경사 각도(<1-10> 방향의 오프각 θ1 및 <11-2> 방향의 오프각 θ2)는 각각 각 시료마다 변경되어 있다.

또한, 사파이어 기판에 대해서는, 형성되는 GaN 결정막의 표면에 대해 GaN의 면 방위 [0001]이 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향으로 각각 경사지도록, 사파이어 기판의 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [0001]이 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향으로 경사져 있다. 각 방향(오프각 방향)에서의 경사 각도([11-20] 방향에서의 오프각 θ1 및 [1-100] 방향에서의 오프각 θ2)은, 시료 ID66에 대해서는 θ1= θ2= 26°, 시료 ID67에 대해서는 θ1= θ2= 40°로 설정했다.

또한, ZnO 기판에 대해서는, ZnO 기판의 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [O001]가 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향으로 경사져 있다. 각 방향(오프각 방향)에서의 경사 각도([1-100] 방향에서의 오프각 θ1 및 [11-20] 방향에서의 오프각 θ2)은 θ1= θ2= 26°로 설정했다.

또한, SiC 기판에 대해서는, SiC 기판의 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [0001]이 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향으로 경사져 있다. 각 방향(오프각 방향)에서의 경사 각도([1-100] 방향에서의 오프각 θ1 및 [11-20] 방향에서의 오프각 θ2)은 θ1= θ2= 26°로 설정했다.

또한, GaN 기판에 대해서는, GaN 기판의 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [0001]이 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향으로 경사져 있다. 각 방향(오프각 방향)에서의 경사 각도([1-100] 방향에서의 오프각 θ1 및 [11-20] 방향에서의 오프각 θ2)은 θ1= θ2= 26°로 설정했다.

또한, 시료 ID1∼70의 모두에 대해, 하지 기판의 주표면 상에는 실시예 1의 경우와 동일하게 도 7에 도시한 스트라이프형의 패턴을 갖는 마스크층을 형성했다. 마스크층의 두께나 선형 패턴의 사이즈 등은, 실시예 1에 있어서의 마스크층과 동일하다.

성막 조건:

전술한 하지 기판의 표면 상에, 후술하는 표 1∼표 14에 도시한 바와 같은 조건으로 GaN 결정층을 형성했다. 즉, 도 9에 도시한 성막 장치(20)를 이용하여, HVPE법에 따라 하지 기판의 표면 상에 GaN 결정층을 형성했다. 하지 기판의 표면상의 GaN 결정의 성장 공정에서는, 처음에는 비교적 저온으로 얇은 버퍼층을 성장시킨다. 그 후, 버퍼층 상에 비교적 고온으로, 두꺼운 GaN 에피택셜층을 성장시킨다. 버퍼층의 성막 조건은, 후술하는 표 1∼표 14에 나타내는 바와 같이 했다. 또한, 하지 기판으로서 GaN으로 이루어지는 기판을 이용한 시료 ID70에 대해서는, 버퍼층의 성장은 행하지 않고, 하지 기판 상에 직접 GaN 에피택셜층을 성장시켰다.

그 후, 연삭에 의해 성막한 GaN 막으로부터 GaAs 기판 등의 하지 기판을 제거했다. 이와 같이 하여, 10 mm의 두께의 자립 GaN 기판을 얻었다. 그리고, 이 GaN 기판을, 와이어톱을 이용하여 두께 400 ㎛로 슬라이스하고, 표면을 더욱 연마함으로써 10장의 2인치 GaN 기판을 얻었다.

(2) 발광 소자의 형성

얻어진 시료 ID1∼70의 GaN 기판의 표면 상에, 에피택셜층을 퇴적하고, 추가로 전극을 형성하며, 소자마다 분할함으로써, 도 11에 도시한 바와 같은 발광 소자를 형성했다. 또한, 발광 소자의 각 층의 조성이나 두께 등은, 실시예 1에 있어서의 발광 소자와 동일하게 했다.

(3) 측정

상술한 바와 같이 하여 얻어진 GaN 기판에 대해, 상기 기판의 오프각(GaN 기판의 표면의 법선 벡터에 대한, 면 방위 [0001]의 [1-100] 방향에서의 경사 각도(오프각도 θa) 및 [11-20] 방향에서의 경사 각도(오프각도 θb)를 측정했다. 또한, 상기 오프각의 값의 면내 분포도 측정했다. 또한, GaN 기판에 대해 전위 밀도도 측정했다. 또한, 형성한 발광 소자에 대해, 발광 파장과 전류량과의 관계를 측정했다. 각 데이터의 측정 방법은 이하와 같다.

GaN 기판의 오프각 및 오프각의 값의 분포의 측정:

GaN 기판의 오프각은, XRD(X-ray diffraction) 장치를 이용하여, 실시예 1에 있어서의 오프각의 측정 방법과 동일한 방법에 의해 측정했다. 또한, GaN 기판의 면 내에서의 오프각의 분포에 대해서도, 실시예 1에 있어서의 측정 방법과 동일한 측정 방법을 이용하여 측정했다.

GaN 기판의 전위 밀도의 측정:

GaN 기판에 대해, SEM에 부착한 CL을 이용하여, 실시예 1에 있어서의 측정 방법과 동일한 측정 방법을 이용하여 전위 밀도를 측정했다.

발광 소자의 발광 파장의 변화량(블루 시프트: Δλ)의 측정:

작성한 발광 소자에 대해, 공급하는 전류의 값을 변경하면서, 동시에 발광 소자로부터 출사되는 광의 파장을 측정했다. 구체적인 측정 방법은 실시예 1에 있어서의 측정 방법과 동일하다. 그리고, 발광 소자에 공급하는 전류의 값이 충분히 큰 값(구체적으로는 200 mA)이 되었을 때의 발광 파장과, 전류가 10 mA일 때의 발광 파장의 차이를 블루 시프트[Blue shift: Δλ(단위: nm)]로 했다.

발광 소자의 1000 시간 경과 시점에서의 동작 전압의 증가량(ΔV_o _p)의 측정:

작성한 발광 소자에 대해, 온도 80℃로, 발광 소자에 100 mA의 전류를 통전시키기 위해 필요한 전압을, 동작 개시 당초에서의 동작 전압과, 1000 시간 동작 시킨 후의 동작 전압으로서 측정하고, 그 증가분을 ΔV_o _p(단위: V)로 했다.

GaN 기판의 면 내에 있어서의 발광 파장 분포(σ)의 측정:

발광 소자를 형성하기 위해, 표면에 에피택셜층을 형성한 GaN 기판에 대해, 면 내의 파장 분포를 측정했다. 구체적인 측정 방법으로서는, GaN 기판의 이면에 n 전극을 형성하고, 에피택셜층 상에 p 전극을 형성한 후, 기판의 중심과, 상기 중심으로부터 <1-100> 방향 및 <11-20> 방향으로 각 20 mm 떨어진 4점의 합계 5점에서, □500 ㎛의 발광 소자를 각 점에 대해 10개씩 빼내었다. 이 결과 얻어진 합계 50개의 발광 소자에 대해, 실온에서 펄스 전류를 인가하여 발광 스펙트럼을 측정하고, 각 점마다 발광 파장의 평균치를 산출했다. 그리고, 중심과 다른 4점과의 각각에 대한 상기 발광 파장의 평균치(5개의 데이터)에 있어서, 데이터의 차의 절대치 중 가장 큰 값을 파장 분포로 한다(단위는 nm).

(4) 측정 결과

이하, 측정 결과를 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

시료 ID1∼18은 각각 하지 기판에 대해, 주표면의 법선 벡터에 대해 기준 면 방위 [111]를 하나의 방향(<1-10> 방향 또는 <11-2> 방향)으로만 경사시키고 있다. 이 때문에, 형성되는 GaN 기판에 있어서도, 기본적으로 주표면의 법선 벡터에 대해 면 방위 [0001]은 [11-20] 방향 또는[1-100] 방향으로 크게 경사져 있다.

표 1 및 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 하지 기판의 오프각(θ1 또는 θ2)을 10° 이상 40° 이하로 한 경우[즉 GaN 기판의 오프각(θa 또는 θb)을 10° 이상 40° 이하로 한 경우], 블루 시프트의 값이 작아져 있는 것을 알 수 있다.

[표 3]

[표 4]

표 3 및 표 4는 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)의 한쪽을 10°에 고정하고, 다른쪽을 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 10° 전후로 고정하고, 다른쪽을 0.02° 또는 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우]의 측정 결과를 나타내고 있다. 표 3 및 표 4에 나타낸 실시예의 시료에서는, 표 1 및 표 2에 나타낸 비교예나 참고예의 시료에 비해, GaN 기판의 오프각 면내 분포 Δθa, Δθb나, 동작 전압의 증가량(ΔV_o _p), 또한 면내 파장 분포(σ)가 작아져 있는 것을 알 수 있다. 이 원인은 명확하지 않지만, 2개의 방향에 대해 오프각을 갖는 하지 기판(GaAs 기판)을 이용하여 GaN 결정층을 성장시키면, 하지 기판 에서의 구성 성분의 일부의 외부에의 방출(예컨대 GaAs 기판의 경우이면 As의 방출)이 억제되어, 결과적으로 형성되는 GaN 결정층의 결정에 왜곡이 들어가는 것이 억제되기 때문이라고도 생각된다. 이 결과, 얻어진 GaN 기판의 오프각 면내 분포 Δθa, Δθb나, 면내 파장 분포(σ)가 작아지고 있다고 생각된다.

[표 5]

[표 6]

표 5 및 표 6은 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)의 한쪽을 18°에 고정하고, 다른쪽을 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 18°전후로 고정하고, 다른쪽을 0.02° 또는 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우]의 측정 결과를 나타내고 있다.

[표 7]

[표 8]

표 7 및 표 8은 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)의 한쪽을 25°에 고정하고, 다른쪽을 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 25°전후로 고정하고, 다른쪽을 0.02° 이상 10° 이하로 한 경우]의 측정 결과를 나타내고 있다.

[표 9]

[표 10]

표 9 및 표 10은 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)의 한쪽을 28°에 고정하고, 다른쪽을 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 28°전후로 고정하고, 다른쪽을 0.02° 또는 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우]의 측정 결과를 나타내고 있다.

[표 11]

[표 12]

표 11 및 표 12는 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)의 한쪽을 40°에 고정하고, 다른쪽을 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 40° 전후로 고정하고, 다른쪽을 0.02° 또는 0.03° 이상 10° 이하로 한 경우]의 측정 결과를 나타내고 있다.

[표 13]

표 13에서는, 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)을 26° 이상 45° 이하(구체적으로는 26°, 40°, 45°)의 범위에서 변경한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)을 26° 이상 45° 이하의 범위에서 변경한 경우]를 나타내고 있다. 표 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2) 중 어느 한쪽을 40° 이상(구체적으로는 45°)으로 한 경우, GaN 결정층을 형성할 수 없었다. 한 편, 하지 기판의 오프각(θ1 및 θ2)을 40° 이하로 한 경우[즉, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)을 40° 이하로 한 경우], 어느 것이나 표 1 및 표 2에 나타낸 비교예나 참고예에 비해, GaN 기판의 오프각 면내 분포(Δθa, Δθb)나, 동작 전압의 증가량(ΔV_o _p), 또한 면내 파장 분포(σ)가 작아져 있다.

상기의 표 3∼표 13에 나타낸 실시예의 시료[구체적으로는, GaN 기판의 오프각(θa 및 θb)의 한쪽을 10° 이상 40° 이하, 다른쪽을 0.02° 이상 40° 이하로 한 시료]는, 표 1 및 표 2에 나타낸 비교예나 참고예의 시료에 비해, GaN 기판의 오프각 면내 분포(Δθa, Δθb)나, 동작 전압의 증가량(ΔV_o _p), 또한 면내 파장 분포(σ)가 작아지고 있다.

[표 14]

표 14는 하지 기판으로서 GaAs 이외의 재료로 이루어지는 기판을 이용한 경우의 시료에 대해, GaN의 성막 조건이나 측정 결과를 나타내고 있다. 이들의 시료 ID66∼70의 측정 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 이들의 GaAs 기판 이외의 기판(사파이어 기판, ZnO 기판, SiC 기판 및 GaN 기판)을 하지 기판으로서 이용하여도, GaAs 기판을 하지 기판으로서 이용한 경우와 동일하게 2개의 오프각 방향으로 면 방위 [0001]이 경사한 GaN 기판을 제조할 수 있다. 그리고, 얻어진 GaN 기판 및 상기 GaN 기판을 이용하여 제조된 발광 소자는, GaAs 기판을 하지 기판으로서 이용하여 제조된 GaN 기판 및 상기 GaN 기판을 이용하여 제조된 발광 소자와 동일한 특 성을 나타내고 있다. 또한, 표에는 기재하지 않은, GaAs와 동일한 오프각을 갖는 사파이어 기판, ZnO 기판, SiC 기판, GaN 기판을 이용하여 제작한 GaN 기판 및 상기 GaN 기판을 이용하여 제조된 발광 소자도, 표 1에서 표 13에 나타낸 특성과 동일한 특성을 나타냈다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상기의 실시형태 및 실시예가 아닌 청구의 범위에 의해 나타내고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명은, 비교적 장파장(500 nm 이상의 파장 영역)의 광을 출사하는 발광 소자 등에 이용되는 GaN 기판 및 상기 GaN 기판의 표면 상에 에피택셜층이 형성된 에피택셜층이 있는 기판, 또한 상기 GaN 기판 등을 이용한 반도체 장치에 유리하게 적용된다.

도 1은 본 발명에 따른 GaN 기판을 도시하는 사시 모식도.

도 2는 도 1에 도시한 GaN 기판의 결정 구조를 설명하기 위한 모식도.

도 3은 도 2에 도시한 GaN 기판의 결정 구조에 있어서의 면 방위 및 결정면을 설명하기 위한 모식도.

도 4는 도 1에 도시한 본 발명에 따른 GaN 기판의 오프각 방향에 있어서의 경사 각도를 설명하기 위한 모식도.

도 5는 도 1에 도시한 GaN 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도.

도 6은 도 5에 도시한 흐름도에 있어서의 준비 공정의 내용을 설명하기 위한 흐름도.

도 7은 하지 기판의 주표면 상에 형성되는 마스크층의 마스크 패턴을 도시하는 평면 모식도.

도 8은 하지 기판의 주표면 상에 형성되는 마스크층의 마스크 패턴을 도시하는 평면 모식도.

도 9는 성막 공정(S20)에서 이용하는 성막 장치를 도시하는 모식도.

도 10은 도 1에 도시한 본 발명에 따른 GaN 기판을 이용한 에피택셜층이 있는 기판을 도시하는 사시 모식도.

도 11은 본 발명에 따른 GaN 기판을 이용한 발광 소자를 도시하는 단면 모식도.

도 12는 발광 소자에 공급되는 전류와 출사되는 광의 파장과의 관계를 도시 하는 그래프.

Claims

주표면을 갖는 GaN 기판으로서,

상기 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사져 있는 것인 GaN 기판.
제1항에 있어서, 상기 주표면의 법선 벡터에 대해 상기 면 방위 [0001]이 경사지는 2개의 상기 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향인 것인 GaN 기판.
제2항에 있어서, 상기 주표면의 법선 벡터에 대한 상기 면 방위 [0001]의, 상기 [1-100] 방향에 있어서의 경사 각도 및 상기 [11-20] 방향에 있어서의 경사 각도 중 어느 한쪽은 10° 이상 40° 이하이고, 다른쪽은 0.02° 이상 40° 이하인 것인 GaN 기판.
제1항에 기재한 GaN 기판과,

상기 GaN 기판의 상기 주표면 상에 형성된 에피택셜 성장층을 포함하는 에피택셜층이 있는 기판.
제4항에 기재한 에피택셜층이 있는 기판을 이용한 반도체 장치.
주표면의 법선 벡터에 대해, 기준 면 방위가 서로 상이한 2개의 하지 기판측 경사 방향으로 경사져 있는 하지 기판을 준비하는 공정과,

상기 하지 기판의 상기 주표면 상에 GaN 결정층을 성장시키는 공정과,

상기 GaN 결정층으로부터 상기 하지 기판을 제거함으로써, GaN 결정층으로 이루어지는 GaN 기판을 얻는 공정을 포함하고,

상기 GaN 기판은, 주표면을 가지고, 상기 주표면의 법선 벡터에 대해, 면 방위 [0001]이 서로 상이한 2개의 오프각 방향으로 경사지고,

상기 하지 기판에 있어서의 상기 기준 면 방위의 상기 하지 기판측 경사 방향에서의 경사 각도를 변경함으로써, 상기 GaN 기판에 있어서의 상기 면 방위 [0001]의 상기 오프각 방향에서의 경사 각도가 조정되는 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판은 GaAs 기판이고,

상기 기준 면 방위는 [111]이며,

상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 <1-10> 방향 및 <11-2> 방향이고,

상기 GaN 기판의 상기 2개의 오프각 방향은 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향 인 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판은 사파이어 기판이고,

상기 기준 면 방위는 [0001]이며,

상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [11-20] 방향 및 [1-100] 방향이며,

상기 GaN 기판의 상기 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향 인 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판은 ZnO 기판이고,

상기 기준 면 방위는 [0001]이며,

상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이고,

상기 GaN 기판의 상기 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향 인 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판은 SiC 기판이고,

상기 기준 면 방위는 [0001]이며,

상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이고, 상기 GaN 기판의 상기 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향인 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판은 GaN으로 이루어지는 기판이고,

상기 기준 면 방위는 [0001]이며,

상기 2개의 하지 기판측 경사 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향이고,

상기 GaN 기판의 상기 2개의 오프각 방향은 [1-100] 방향 및 [11-20] 방향 인 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 GaN 결정층을 성장시키는 공정에 앞서서, 상기 하지 기판의 상기 주표면 상에 복수의 창을 갖는 마스크층을 형성하는 공정을 더욱 포함하는 것인 GaN 기판의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 하지 기판에 있어서의 상기 2개의 하지 기판측 경사 방향에 있어서의 경사 각도의 한쪽이 10° 이상 40° 이하이고, 다른쪽이 0.02° 이상 40° 이하인 것인 GaN 기판의 제조 방법.