KR20100067114A

KR20100067114A - 비극성 및 반극성 질화물 기판들의 면적을 증가하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20100067114A
Application number: KR1020107008223A
Authority: KR
Inventors: 아사코 히라이; 제임스 에스. 스펙; 스티븐 피. 덴바스; 슈지 나카무라
Original assignee: 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-06-18
Also published as: US8080469B2; US20090072353A1; US20120086106A1; JP2010539732A; US8729671B2; WO2009039408A1

Abstract

증대된 표면적을 가지는 양질의 자립 비극성 및 반극성 질화물 기판을 형성하기 위한 방법으로서, 다르고 직교하지 않는 성장 방향들을 가지는 서로의 상부 상에 막들을 성장함으로써 다중 막들을 적층하는 단계를 포함한다.

Description

비극성 및 반극성 질화물 기판들의 면적을 증가하기 위한 방법{Method for increasing the area of non-polar and semi-polar nitride substrates}

본 발명은 큰 면적을 가진 양질의 자립 (freestanding, FS) 비극성 및 반극성 질화물 기판들을 제조하기 위한 기술에 관한 것이다.

갈륨 질화물(GaN) 및 알루미늄 및 인듐을 포함한 그 삼원 및 사원 화합물(AlGaN, InGaN, AlInGaN)의 유용성은 가시광선 및 자외선 광전자 소자들 및 고전력 전자 소자들을 제고하기 위하여 잘 확립되어 왔다. 이러한 화합물들은 여기에서 III족 질화물들 또는 III-질화물들, 또는 단지 질화물들로 명명되며, 또는 (Al,Ga,In)N, 또는 Al_(1-x-y)In_yGa_xN으로 명명되는데, 여기에서는 0 < x < 1 및 0 < y < 1이다. 이러한 소자들은 전형적으로 분자 빔 에피택시(MBE), 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD) 및 하이브리드 기상 에피택시(HVPE)를 포함하는 성장 기술들을 사용하여 에피택셜 성장된다.

GaN 및 그 합금들은 육방정계 우르차이트(

) 결정 구조체에서 가장 적합하며, 상기 구조체는 서로에 대하여(a-축들에 대하여) 120°회전되는 두 개의(또는 세 개의) 등가 기저면(basal plane) 축들에 의해 설명되며, 모든 상기 축들은 유일한 c-축에 수직이다. III 족 및 질소 원자들은 결정의 c-축을 따라 교호하는 c-면들을 점유한다. 우르차이트 구조체에서 포함되는 대칭 요소들은 이러한 c-축을 따라 벌크 자발 분극을 가지는 III-질화물들에 영향을 미치며, 그리고 상기 우르차이트 구조체는 고유한 압전 분극을 나타낸다.

전자공학적 및 광전자공학적 소자들을 위한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라 성장된 질화물 막들을 사용한다. 그러나, III-질화물계 전자공학적 및 광전자공학적 소자들에서 통상적인 c-면 양자 우물 구조체들은, 강한 압전 및 자발 분극들의 존재로 인하여, 바람직하지 않은 양자-제한 스타크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)를 받을 수 있다. c-방향을 따른 강한 내부의(built-in) 전기장들은 제한된 캐리어 재결합 효율, 감소된 오실레이터 강도 및 적색편이된 방출을 차례로 발생시키게 하는 전자들 및 홀들의 공간적인 분리를 유발한다.

GaN 광전자 소자들에서 자발 및 압전 분극 효과들을 제거하기 위한 하나의 방법은 결정의 비극성 면들 상에 소자를 성장시키는 것이다. 이러한 면들은 전하적으로 중성인 Ga 및 N 원자들의 동일한 개수를 포함한다. 더욱이, 후속의 비극성 층들은 벌크 결정이 성장 방향을 따라 분극되지 않도록 서로에 대하여 동등(equivalent)하다. GaN 내의 대칭의 등가(symmetry-equivalent) 비극성 면들의 두 개의 이러한 패밀리들은 총체적으로 a-면들로 알려진, {11-20} 패밀리이며, 그리고 총체적으로 m-면들로 알려진, {10-10} 패밀리이다. 불행하게도, 질화물계의 연구자들에 의해 이루어진 발전에도 불구하고, 양질의 비극성 및 반극성 GaN의 헤테로에피택셜 성장 및 고성능 소자 제조는 도전할 만한 분야이며 III-질화물 산업에서 아직 널리 채용되지 않고 있다. 반면에, 양질의 비극성 및 반극성 자립(FS) GaN 기판들 상에 호모에피택셜 성장된 고성능 소자들에서의 성공에도 불구하고, 좁은 기판 면적은 III-질화물 산업으로 널리 채용하는 것을 어렵게 하고 있다.

분극의 다른 원인은 압전 분극이다. 이것은 다른 조성의(그리고 따라서 다른 격자 상수들의) (Al, In, Ga, B)N 층들이 질화물 헤테로구조체 내에 성장될 때 발생하는 것처럼, 물질이 압축 또는 인장 변형을 받을 때에 발생한다. 예를 들어, GaN 템플리트(template) 상의 얇은 AlGaN 층은 면 내의 인장 변형을 가질 수 있으며 그리고 GaN 템플리트(template) 상의 얇은 InGaN 층은 면 내의 압축 변형을 가질 수 있는데, 이것은 모두 GaN에 격자 정합에 기인하는 것이다. 따라서, GaN 상의 InGaN 양자 우물에 대하여, 압전 분극은 InGaN 및 GaN의 자발 분극의 방향보다 다른 방향으로 향한다. GaN에 격자 정합된 AlGaN 층에 대하여, 압전 분극은 AlGaN 및 GaN의 자발 분극의 방향과 동일한 방향으로 향한다.

c-면 질화물들에 대하여 비극성 또는 반극성 면들을 사용한 이점은 전체 분극이 제로(비극성)이거나 또는 감소(반극성)될 수 있다는 점이다. 특정한 면들, 예를 들어, 반극성 면들, 상에 특정한 합금 조성들에 대한 제로 분극이 존재할 수 있다. 본 발명은 확대된 면적의 비극성 및 반극성 기판들의 요구를 만족한다.

앞에서 설명된 종래 기술에서의 제한들을 극복하기 위하여 그리고 본원의 상세한 설명을 읽고 이해할 때 명백해질 수 있는 다른 제한들을 극복하기 위하여, 본 발명은 다중 슬라이싱 및 성장 단계들을 통하여 큰 면적의 양질의 자립 비극성 및 반극성 질화물 기판들을 제조하기 위한 기술을 설명한다. 하나의 신규한 특징은 두꺼운 막 성장 단계들의 성장 방향을 변경함으로써 비극성 또는 반극성 기판들의 유용한 표면적을 기하학적으로 증대시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법을 개시하며, (a) 자립 III-질화물 기판의 제1면 상에 III-질화물을 성장시키는 단계 및 (b) 제2면인 상기 III-질화물의 상부 표면을 구현하기 위하여 상기 제2면을 따라 상기 III-질화물을 슬라이싱 또는 폴리싱하는 단계를 포함하는데, 여기에서 상기 III-질화물은 비극성 또는 반극성이며, 상기 제1면은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 상기 자립 III-질화물 기판은 500 미크론 이상의 전형적인 두께를 가지며, 상기 III-질화물 기판은 상기 상부 표면을 가지는 III-질화물을 포함하며 그리고 상기 제2면은 비극성 또는 반극성 면이다. 예를 들어, 제1 면은 반극성 면일 수 있으며 제2면은 비극성 면일 수 있다.

하나의 실시예에서, 제1면은 자립 III 질화물 기판의 슬라이스된 표면이며, 상기 슬라이스된 표면은 c-면에 대하여 제1 각도를 이루고 상기 III-질화물의 성장 방향을 결정하며, 그리고 상기 슬라이스된 표면의 폭은 상기 제1각도의 정현(sine)으로 나누어진 상기 제1기판의 두께이다. 예를 들어, 상기 자립 III 질화물 기판은 상기 자립 III 질화물로부터 제1각도로 슬라이스되는데, 여기에서 상기 자립 III-질화물은 c-배향을 가지며 그리고 상기 c-면은 자립 III-질화물의 표면이다.

다른 실시예에서, 상기 III-질화물의 상기 슬라이싱 또는 폴리싱은 상기 제1면에 대하여 제2각도로 이루어진다. 이러한 경우에서, 상기 제1각도 및 상기 제2각도의 합은 상기 III-질화물의 상기 상부 표면의 결정학적 방위를 결정한다. 예를 들어, 상기 합은 m-면 배향들을 구현하기 위하여 90 도일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 III-질화물 및 상기 자립 III-질화물 기판을 포함하는 상기 상부 표면 및 상기 자립 III-질화물 기판 상에 적층된 상기 III-질화물을 포함하는 상기 III-질화물 기판을 구현하기 위하여, 상기 제2면을 따라 상기 자립 III-질화물 기판 및 상기 III-질화물이 슬라이싱 또는 폴리싱된다.

상기 III-질화물의 두께는 상업적으로 입수가능한(available) III-질화물 기판의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.

일반적으로, 상기 제2면은, 상기 제1면의 상기 표면적과 비교하여 상기 상기 제2면의 상기 표면적을 확대하기 위하여, 상기 자립 III 질화물 기판의 상기 제1면에 실질적으로 직교하지 않아야 한다. 더욱 상세하게는, 상기 제2면이 비극성 면으로 선택된다면, 상기 성장 방향은 상기 c-면에 직교하는 비극성 면의 표면적과 비교하여 상기 제2면의 표면적을 확대하기 위하여 상기 c-면에 직교하지 않아야 한다. 상기 제2면은 상기 c-면에 직교하는 상기 비극성 면의 상기 표면적의 적어도 2h_MAX2배일 수 있다는 것이 계산으로 나타나며, 여기에서 h_MAX2 은 상기 III-질화물의 두께이다.

본 발명은 상기 방법을 사용하여 제조되는 소자를 추가적으로 개시한다.

본 발명에 따르면 큰 면적의 양질의 자립 비극성 및 반극성 질화물 기판들을 제조할 수 있다.

동일한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 해당하는 부분들을 나타내는 도면들을 이제 참조한다:
도 1(a), 1(b), 1(c), 1(d), 1(e), 1(f) 및 1(g) 는 c-면 GaN (GaN-1)으로 출발하여, 반극성 GaN (GaN-2,2')을 사용하고, 그리고 비극성 자립 기판 (GaN-3)으로 이르게 되는 두 단계의 프로세스 플로우의 예를 도해하는 개념도들이며, 여기에서 각 θ₁, θ₂ 를 최적하기 위하여 수치적인 계산이 도 3(a)-(c)에 의해 도해된다.
도 2(a), 2(b), 2(c), 2(d), 2(e), 2(f) 및 2(g)는 c-면 GaN (GaN-1)으로 출발하여, 반극성 GaN (GaN-2,2')을 사용하고, 그리고 비극성 자립 기판 (GaN-3)으로 이르게 되는 두 단계의 프로세스 플로우의 다른 예를 도해하는 개념도들이며, 여기에서 각 θ₁, θ₂ 를 최적하기 위하여 수치적인 계산이 도 3(d)에 의해 도해된다.
도 3(a) 는 n의 함수로서, 기저면에 대하여 반극성 면들 {10-1n}의 계산된 각들 θ(도)를 나타내며, 여기에서 n = 1, 2, 3, 4 및 5에 대하여 각각 θ= 61.9434°, 43.1715°, 32.0226°, 25.1295°, 및 20.5686°이며, 도 3(b)는 n의 함수로서 예 1에 대하여 밀리미터(mm)의 단위로 h_2h 및 h_2w을 나타내며, 도 3(c)는 n의 함수로서, h₂ 를 mm의 단위로 나타내며, 여기에서 h_2H ≤ h_2W 인 경우 h₂ = h_2H이며 그리고 h_2H > h_2W인 경우 h₂ = h_2W이며, 도 3(d)는 n의 함수로서, 예 2에 대하여 mm의 단위로 샘플 폭 h₂을 나타내며, 여기에서 n = 1, 2, 3, 및 4 에 대하여 각각 h₂ = 7.35172 mm, 8.64655 mm, 9.2392 mm, 및 9.52675 mm이다.
도 4는 본 발명의 방법을 도해하는 플로우차트이다.

본원은 변호사 관리 번호 30794.242-US-P1 (2007-675-1) 이며, Asako Hirai, James S. Speck, Steven P. DenBaars, 및 Shuji Nakamura이 발명하고, "METHOD FOR INCREASING THE AREA OF NONPOLAR AND SEMIPOLAR NITRIDE SUBSTRATES"이라는 명칭으로, 2007년 9월 19일에 출원된, 동시계류중이고 공동으로 양도된 미국 임시 특허 출원 일련 번호 60/973,656의 35 U.S.C. 섹션 119(e)하의 이익을 주장하는데, 상기 출원은 여기에서 인용되어 통합된다.

바람직한 실시예의 다음의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정한 실시예를 도해하는 방법으로서 도시되며 본 발명의 일부를 구성하는 첨부된 도면들을 참조할 수 있다. 다른 실시예들이 사용될 수 있으며 구조적인 변경들이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

개관

통상적으로, 질화물 막들은 c-방향을 향하여 2-인치 직경 기판들 상에 성장된다. GaN의 벌크 결정들은 아직까지는 유용하지 않으며, 후속의 소자 재성장을 위하여 임의로 큰 표면을 제공하기 위하여 결정을 단순히 커팅하는 것이 가능하지 않다. 현재는, 상업적으로 입수 가능한 자립 GaN 기판들은 c-방향을 향하여 HVPE에 의해 성장된 두꺼운 막들로부터 슬라이스된(sliced) 조각들이다. 슬라이스 각은 임의로 선택된 결정 면들, 예를 들어, c-면 GaN 두꺼운 막의 경우에, 수평으로(c-면), 수직으로(비극성 면), 또는 기판 표면에 어떠한 각도로(반극성 면), 에 의존하여 다르다. 따라서, 자립 비극성 또는 반극성 GaN 기판들의 기판 면적들은 성장 결정의 c-방향 두께에 의해 제한된다.

비극성 및 반극성 질화물 반도체들의 성장은, 예를 들어, {10-10} 및 {11-20} (각각, 비극성 m- 및 a-면), 및 {10-11}, {10-13}, 및 {11-22} GaN의 (반극성) 면들, 우르차이트-구조 III-질화물 소자 구조체들에서 분극 효과들을 감소시키는 수단을 제공한다. 현재의 질화물 소자들은 극성의 [0001] c-방향으로 성장되는데, 이것은 상기 [0001] c-방향을 따라 양자 우물들 내에서 전하 분리에 이르게 한다. 결과적인 분극장들은 광전자 소자들의 현재 상태의 기술의 성능에 유리하지 않다. 비극성 또는 반극성 방향에 따른 이러한 소자들의 성장은 도전 방향을 따라 형성된(built-in) 전기장들을 감소시킴으로써 소자 성능을 현저하게 개선시킬 수 있다.

지금까지, 소자 성장에서 기판들로 사용하기에 적합한 비극성 및 반극성 질화물들의 큰 면적을 가지고 양질의 자립 GaN 기판들을 준비하기 위한 수단들이 존재하지 않았다. 본 발명의 신규한 특성은 불(boule)로부터 슬라이스된 비극성 및 반극성 자립 질화물 기판들의 면적을 증대시키기 위해, 다중 성장 단계들을 수반한, 새로운 기하학적 수단이다. "불(boule)"이라는 용어는 본원의 기술적 사상을 사용하여 증대된 면적을 가지는 최종 결정 면 이외의 결정 방향으로 성장된 벌크 결정을 언급한다. 예를 들어, 본 발명은 GaN 기판의 자립 {10-10}, {11-20}, {10-11}, {10-13}, 및 {11-22} 면들을 확대(expand)하는 것을 기술한다. 그러나, 본 발명의 범위는 단지 이러한 예들에 한정되지 않는다. 본 발명은 모든 질화물 비극성 및 반극성 면들에 관한 것이다.

기술적 설명

본 발명은 두꺼운 GaN 성장물의 다양한 성장 방향들(결정 면들) 및 후속의 슬라이싱 각들을, 자립 GaN 기판의 표면적을 기하학적으로 증대시키기 위하여 결합한다. 최종 결정 면의 표면적을 증대시키기 위하여, 사전의 기판 표면에 직교하지 않는 다양한 성장 방향들을 가진 다중의 성장 단계들을 사용하는 것은 반도체 성장에서 매우 희귀(uncommon)하다.

본 발명은 도 1(a)-(g) 및 도 2(a)-(g)에서 도시된 예시들에서 예측된 면적 증대를 계산한다. 양쪽의 경우들은, 반극성 GaN 성장물(GaN-2,2')(106, 108)을 통하여, 자립 비극성 GaN (GaN-3)(104)의 최종 크기를 증대하기 위하여 이질의(foreign) 기판들(102) 상에 결함이 감소된 c-면 GaN 성장물 (GaN-1)(100)으로부터 출발하여, 두 단계의 성장/슬라이싱 공정을 다룬다.

도 1(a)-(g) 및 도 2(a)-(g)는 (a)자립(FS) III-질화물 기판(106)의 제1면(110) 상에 III-질화물(108)을 성장시키는 단계, 및 (b) 제2 면(112)인 III-질화물(108)의 상부 표면을 구현하기 위하여 제2 면(112)을 따라 III-질화물(108)을 슬라이싱 또는 폴리싱하는 단계를 포함하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판(104)을 형성하기 위한 방법을 도해하며, 여기에서 III-질화물 (108)은 비극성 또는 반극성이며, 제1면(110)은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 자립 III-질화물 기판(106)은 (다른 두께 h_S 가 가능하지만) 일반적으로 500미크론 이상의 두께 (h_S)를 가지며, III-질화물 기판(104)은 상부 표면을 가지는 III-질화물(108)을 포함하며 그리고 제2 면(112)은 비극성 면 또는 반극성 면이다.

하나의 실시예에서, 비극성 또는 반극성 면(110)은 자립 III-질화물 기판(106)의 슬라이스된 표면(114)이며, 슬라이스된 표면(114)은 하나 이상의 c-면들(116a, 116b)에 대하여 제1 각도(θ₁)을 이루며 그리고 비극성 또는 반극성 III-질화물(108)의 성장 방향(118)(즉, 예를 들어, 반극성 방향, m-방향, 또는 a-방향)을 결정하며, 그리고 슬라이스된 표면(114)의 폭(h₁)은 자립 III-질화물 기판(106)의 두께(h_MAX1)를 제1각도(θ₁)의 정현(sine)으로 나눈 값이다. 자립 III-질화물 기판(106)은 자립 III-질화물(100)로부터 제1각도(θ₁)로 슬라이싱될 수 있는데, 여기에서 자립 III-질화물(100)은 c-배향을 가지며 그리고 c-면(116a, 116b)은 자립 III-질화물(100)의 표면(120a, 120b)이다.

다른 실시예에서, 비극성 또는 반극성 III-질화물(108)의 슬라이싱 또는 폴리싱은 자립 III-질화물(106)의 비극성 또는 반극성 면(110)에 대하여 제2 각도(θ₂)로 이루어진다.

또 다른 실시예에서, III-질화물(108) 및 자립 III-질화물 기판(106)을 포함하는 상부 표면 및 자립 III-질화물 기판(106) 상에 적층된 III-질화물(108)을 포함하는 III-질화물 기판(104)을 구현하기 위하여, 제2면(112)을 따라 III-질화물(108) 및 자립 III-질화물 기판(106)이 슬라이싱된다.

전형적으로, 제1면(110)의 표면적에 비해서 제2 면(112)의 표면적을 증대시키기 위하여 제2 면(112)은 자립 III-질화물 기판(106)의 제1면(110)에 실질적으로 직교하지 않아야 한다. 더욱 상세하게는, 제2 면(112)이 비극성 면이 되도록 선택된다면, c-면(116a, 116b)에 직교하는 비극성 면(122)의 표면적에 비해서 제2 면(112)의 표면적을 증대시기키 위하여 성장 방향(118)은 c-면(116a, 116b)에 실질적으로 직교하지 않는다. 실제로, 후자의 경우에, 제2 면(112)은 c-면(116a, 116b)에 직교하는 비극성 면(122)의 표면적의 2h_MAX2 배인 표면적을 가질 수 있다는 것을 계산에 의해 알 수 있다(여기에서 h_MAX2 는 반극성 III-질화물(108)의 두께이다).

예 1

도1(a)-(g) 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정 단계들을 도해한다. 이러한 공정 단계들은 다음을 포함한다:

1. 도 1(a)에서 도시된 것처럼, 기판(102) 상에, h_MAX1의 두께 까지, 두꺼운 c-면 GaN 성장물 (GaN-1)(100), 여기에서 Φ 는 GaN-1 웨이퍼(100)의 2인치 직경이다.

2. 도 1(b)에서 도시된 것처럼, c-면 GaN-1(100)의 두께 h_MAX1를 남겨두고, 기판(102)을 제거하는 단계.

3. 슬라이싱된 반극성 기판 GaN-2(106)의 상면도인 도 1(d)에 도시된 것처럼, 폭 h₁ = h_MAX1/sin θ₁을 가지는 반극성 면(110)인 표면(114)을 가지는 슬라이스된 반극성 기판 GaN-2(106)을 형성하기 위하여, 도 1(c)에서 도시된 것처럼, c-면 GaN-1(100)으로부터 반극성 면(110)을 따라 각 θ₁으로 막(124)을 슬라이싱하는 단계.

4. 도 1(e)에 도시된 것처럼, 반극성 성장물 GaN-2'(108)을 형성하기 위하여 GaN-2(106)의 표면(114) 상에 두께(h_MAX2)를 가진 반극성 GaN을 성장시키는 단계(즉, GaN(108)의 상부 표면(126a) 및 하부 표면(126b)을 구현하기 위하여 반극성 방향(118)으로 성장시키는 단계, 여기에서 표면들(126a, 126b)은 반극성 면(110)에 평행한 반극성 면들임).

5. 도 1(f)에 도시된 것처럼, 반극성 GaN 성장물 GaN-2'(108)을 비극성 면(112)을 따라 각 (θ₂)으로 슬라이싱하여, 슬라이싱된 기판 GaN-3(104)의 상면도인, 도 1(g)에 도시된 것처럼, 슬라이스된 기판 GaN-3(104)에 이르게 한다. 슬라이스된 기판 GaN-3(104)은 폭 h₂=h_MAX2/sin θ₂을 가지는 비극성 면(112)인 상부 표면(128)을 가진다.

도 1(a)-(g) 는 도 1(c)에서 도시된 반극성 자립 기판(106)의 두께(h_S)가 상업적으로 입수 가능한 기판들의 보통의 두께 범위, 전형적으로 250-400 ㎛, 내에 있는 경우를 설명한다. 이러한 경우에, 영역 증대는 대략 h_MAX2의 두 배인 것으로 기대된다. 예를 들어, 비극성 면(112)인 표면(128)의 면적은 비극성 면(122)의 면적의 2h_MAX2 배인데, 여기에서 비극성 면(122)은 GaN-1(100)을 각 θ₁으로 슬라이싱하고, GaN-2(106)의 표면(114) 상에 성장시키며, 그리고 GaN-2(108)을 각 θ₂으로 슬라이싱함으로써 준비되는 것이 아닌 표면(130)이다.

수치적인 계산은 h_MAX1 = h_MAX2 = 5 mm이고, 제1 슬라이싱 각(θ₁)은 <0001> c-방향 (즉, n ~ 2, 여기에서 n은 {10-1n}으로 표시되는 반극성 면의 밀러 지수임)을 향하여 약간의 미스컷을 수반한 {10-11} 반극성 면(112)으로서 선택될 때, 자립 비극성 GaN(104)의 최대 폭(h₂)은 이 경우에서 약 8mm이라는 것을 보여주었다.

예 2

도2(a)-(g) 는 또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정 단계들을 도해한다. 이러한 공정 단계들은 다음을 포함한다:

1. 도 2(a)에서 도시된 것처럼, 기판(102) 상에, h_MAX1의 두께 까지, 두꺼운 c-면 GaN 성장물 (GaN-1)(100).

2. 도 2(b)에서 도시된 것처럼, c-면 GaN-1(100)의 두께 h_MAX1를 남겨두고, 기판(102)을 제거하는 단계.

3. 슬라이싱된 반극성 기판 GaN-2(106)의 상면도인 도 2(d)에 도시된 것처럼, 폭 h₁ = h_MAX1/sin θ₁을 가지는 반극성 면(110)인 표면(114)을 가지는 슬라이스된 반극성 기판 GaN-2(106)을 형성하기 위하여, 도 2(c)에서 도시된 것처럼, c-면 GaN-1(100)으로부터 반극성 면(110)을 따라 각 θ₁으로 막(124)을 슬라이싱하는 단계. 슬라이싱된 반극성 기판 GaN-2(106)은 높이 h_S를 가진다.

4. 도 2(e)에 도시된 것처럼, 반극성 성장물(반극성 면(110)에 평행한 반극성 면인 상부 표면(126a)을 구현하기 위하여 반극성 방향(118)을 따른 성장물) GaN-2'(108)을 형성하기 위하여 GaN-2(106)의 표면(114, 이것은 반극성 면(110)임) 상에 두께 h_MAX2를 가진 반극성 GaN을 성장시키는 단계.

5. 도 2(f)에 도시된 것처럼, 반극성 GaN 성장물 GaN-2'(108) 및 GaN-2(106)을 비극성 면(112)을 따라 각 θ₂으로 슬라이싱하여, 슬라이싱된 기판 GaN-3(104)의 상면도인, 도 2(g)에 도시된 것처럼, 슬라이스된 기판 GaN-3(104)에 이르게 한다. 슬라이스된 기판 GaN-3(104)은 다음의 폭을 가지는 비극성 면(12)인 표면(128)을 가진다:

h₂= (h_MAX2 + h_S)/sin θ₂

도 2(a)-(g) 는 도 2(c)에서의 반극성 자립 기판(106)의 두께 h_S 가 앞에서의 도 1(c)에서 도해된 반극성 자립 기판(106)의 두께 h_S보다 더 크며, 그 결과 도 2(g)에서의 비극성 GaN(104)의 최종 크기(즉, 표면(128)의 면적)가 도 1(g)에서 도해된 표면(128)의 면적보다 더 큰 경우를 설명한다. 예 2에서의 수치적인 계산은(아래를 참조) h_max1 = h_max2 = 5 mm 일 때, 도 2(a)-(g)에서의 자립 비극성 GaN(104)의 최대 폭(h₂)은 이 경우에서 약 9mm이라는 것을 보여주었으며, 이것은 상업적인 소자 제조를 위하여 충분히 넓은 폭이다. 또한 도 2(g)에서는 GaN(106) 및 GaN(108) 사이의 호모에피택셜 계면(130)이 도시된다.

본 발명을 위한 가장 알맞은 성장 방법은 HVPE일 수 있으며, 이것은 mm-두께 성장 동안 관통 전위들이 소멸하기 때문에, 성장 방향이 c-방향을 향할 때 적층 결함들 없이 낮은 관통 전위(threading dislocation, TD) 밀도(~10⁶ cm^-2)를 가지는 결정을 생성하는 것이 입증된 방법이다.

본 발명은 도 1(a)-(g) 및 도 2(a)-(g)에서 도시된 예들에 한정되지 않는다. 다른 반극성 면들을 포함하는 추가적인 성장 단계들이 최종적인 결정 면(112)의 크기를 더 증대시킬 수 있다. 성장물(108, 106)이 비극성 방향(118)을 따라 비극성인 경우, 표면들(114, 126a, 126b)은 비극성이다. 사파이어 기판(102)은 도 2(c)의 슬라이싱 단계 이전에 제거될 수 있으나, 자립 GaN-기판(106)은 도 2(f)의 슬라이싱 단계 이전에 제거되지 않는다.

θ ₁ 및 θ ₂ 를 최적화하기 위한 수치적 계산

도 3(a) 는 n의 함수로서, 반극성 면들 {10-1n}의 계산된 각들 θ를 표시한 것으로서, 여기에서 슬라이싱 각 θ₁은 선택된 반극성 면(110)에 대하여 θ가 되도록 선택되며, θ는 GaN-1(100)의 c-면(116b)인 기저면(기저면은 정방정계 또는 육방정계 구조에서 주요축(principal axis, c-축)에 수직인 면임)에 대한 각이며, 다음의 관계를 만족한다.

도 3(b) 는 n의 함수로서, h_2H = h_MAX2/sinθ₂ 또는 h_2W = h₁/cosθ₂, θ₁ = θ, h₁ = h_MAX1/sin θ₁, 및 θ₂ = 90°- θ₁을 사용하여, 예 1에 대한 h_2h 및 h_2w를 표시한다. 도 3(c)는 h₂ 를 표시하는데, 여기에서 h_2H ≤ h_2W 일 때 h₂ = h_2H 이며 그리고 h_2H > h_2W 일 때 h₂ = h_2W 이다.

도 3(d) 는 예 2에 대하여 샘플 폭 h₂ mm을 표시하는데, 여기에서 h_SMAX = h_MAX1cosθ - h_MAX1sin²θ 및 h₂ = (h_SMAX + h_MAX2)/sin (90 - θ)이다.

공정 단계들

도 4는 본 발명의 방법을 도해하는 플로우차트이다. 자립 GaN의 면적 증대를 위하여, 블록 132에서 도시된 것처럼, 축 상의 c-면(0001) GaN(100)의 두꺼운 막은 기판(102) 상에 먼저 성장된다. 자립의 축 상의 또는 미스컷 반극성 GaN 기판(106)은, 블록 134에서 도시된 것처럼, 각 θ₁으로 두꺼운 c-GaN 막(100)으로부터 슬라이싱되며, 그 다음에, 블록 136에 도시된 것처럼, 반극성 면 성장을 위하여 폴리싱된다. 두번째로, 반극성 GaN(108)의 두꺼운 막이, 블록 138에 도시된 것처럼, 앞에서 설명된 자립 반극성 GaN 기판(106) 상에 성장된다. 자립의 축-상의 또는 미스컷 GaN 기판(104)은, 블록 140에서 도시된 것처럼, 각 θ₂ (이 단계에서 m-면을 생성하기 위하여, θ₁ + θ₂ = 90° 이 만족되어야 함)으로 두꺼운 반극성 GaN 막(108) (또는, 108 및 106)으로부터 슬라이싱되며, 그 다음에 블록 142에서 도시된 것처럼, 에피-준비가 된 표면(128)을 생성하기 위하여 폴리싱된다. 블록 144는 증대된 표면적(128)을 가진 비극성 III-질화물 기판(104)인, 상기 방법의 최종 결과물을 나타낸다. 비록 c-면 GaN(100)이 여기에서 출발막으로서 선택되었지만, 출발막(100)을 위한 다른 결정 면들(116a)이 또한 가능할 수 있다. 이러한 경우들에서, 성장/슬라이싱/폴리싱 순서의 공정 반복의 횟수 및 슬라이싱 단계들의 각들(예를 들어, θ₁, θ₂)은, 표면(128)의 바람직한 결정학적 방위(146)에 의존하여 변경될 수 있다. 예를 들어, θ₁, θ₂가 선택됨에 따라서, 블록 138은 비극성 GaN의 성장을 포함할 수 있으며 그리고 블록 140은 반극성 기판을 슬라이싱하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 각도 θ₁ 및 제2 각도 θ₂의 합은 상부 표면(128)의 결정학적 방위(146)을 결정할 수 있다. 두께(148)를 가지는 III-질화물(104)은 자립 기판이 되기 위하여 III-질화물(106, 108)으로부터 슬라이싱될 수 있다.

가능한 변경들 및 변형들

본 발명의 범위는 앞에서 설명한 단지 특정한 예들보다 더 넓게 망라한다. 본 발명은 모든 질화물들에 관련된다. 예를 들어, 본 발명은 감소된 결함 밀도들을 가지는AlN, InN, AlGaN, InGaN, 또는 AlInN 자립 기판들의 면적을 증대시킬 수 있다. 이러한 예들 및 다른 가능예들은 본 발명의 모든 장점들을 여전히 가진다.

앞에서 설명된 공정 단계들은 본 발명을 자립 GaN의 기하학적 면적 증대에 적용하는 하나의 방법으로서 유용하다고 기대되는 한 세트의 조건들을 설명하는 것뿐이다. 최종 비 c-면 면적(final non c-plane area, 128)을 효과적으로 증대시킬 수 있는 다른 가능한 슬라이싱 각들이 존재한다. 다중 결정 면들 상에 다중 성장 단계들을 사용하여 최종 결정 면(128)의 면적 증대를 구현하는 것이 또한 가능하며, 이러한 모든 것은 넓은 면적을 가지고 결함이 감소된 자립 비극성 또는 반극성 GaN 기판(104)을 생성할 수 있다. n-타입 층들, p-타입 층들, 레이저, 발광 다이오드 또는 트랜지스터 활성층들과 같은, 비극성 또는 반극성 소자 층들은, 예를 들어, 기판(104)의 표면(128) 상에 성장될 수 있다.

비극성 또는 반극성 III-질화물(108)의 두께 h_max2는 상업적으로 입수 가능한 III-질화물 기판의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.

결론

이것으로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명을 종결한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 앞에서의 설명은 도해 및 설명의 목적을 위하여 제공되었다. 이것은 총망라하거나 또는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하기 위하여 의도되는 것이 아니다. 많은 변형들 및 변경들이 앞에서의 기술적 사상의 견지에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않으며, 오히려 여기에 첨부된 특허청구범위에 근거할 수 있다.

106 : 자립(FS) III-질화물 기판
108 : III-질화물
112 : 제2면, 110 : 제1면
104 : 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판

Claims

증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법으로서,
(a) 자립 (freestanding, FS) III-질화물 기판의 제1면 상에 III-질화물을 성장시키는 단계; 및
(b) 상기 III-질화물의 상부 표면을 구현하기 위하여 제2면을 따라 상기 III-질화물을 슬라이싱 또는 폴리싱하는 단계;를 포함하며,
상기 III-질화물은 비극성 또는 반극성이며, 상기 제1면은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 상기 자립 III-질화물 기판은 500 미크론 이상의 두께를 가지며,
상기 제2면은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 상기 III-질화물의 상기 상부 표면은 상기 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1면은 반극성 면이며 그리고 상기 제2면은 비극성 면인 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 III-질화물 및 상기 자립 III-질화물 기판을 포함하는 상기 상부 표면 및 상기 자립 III-질화물 기판 상에 적층된 상기 III-질화물을 포함하는 상기 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 구현하기 위하여 상기 제2면을 따라 상기 자립 III-질화물 기판 및 상기 III-질화물을 슬라이싱 또는 폴리싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 III-질화물은 상업적으로 입수 가능한 III-질화물 기판보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
(1) 상기 제1면은 상기 자립 III-질화물 기판의 슬라이스된 표면이며,
(2) 상기 슬라이스된 표면은 c-면에 대하여 제1 각도를 이루고 상기 III-질화물의 성장 방향을 결정하며, 그리고
(3) 상기 슬라이스된 표면의 폭은 상기 제1각도의 정현(sine)으로 나눈 상기 제1기판의 두께인 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제5항에 있어서,
자립 III-질화물 중에서 상기 제1각도로 슬라이스된 상기 자립 III-질화물 기판을 더 포함하고, 상기 자립 III-질화물은 c-배향을 가지며 그리고 상기 c-면은 상기 자립 III-질화물의 표면인 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 III-질화물의 상기 슬라이싱 또는 폴리싱은 상기 제1면에 대하여 제2각도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 제1각도 및 상기 제2각도의 합은 상기 III-질화물의 상기 상부 표면의 결정학적 방위를 결정하기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 합은 90 도인 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 제2면은 비극성 면이며 그리고 상기 성장 방향은 상기 c-면에 직교하는 비극성 면의 표면적과 비교하여 상기 제2면의 표면적을 확대하기 위하여 상기 c-면에 직교하지 않는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 제2면은 상기 c-면에 직교하는 상기 비극성 면의 상기 표면적의 2h_MAX2 배이며, 그리고 h_MAX2 은 상기 III-질화물의 두께인 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2면은, 상기 제1면의 상기 표면적과 비교하여 상기 제2면의 상기 표면적을 확대하기 위하여, 상기 제1면에 직교하지 않는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 형성하는 방법.
제1항의 상기 방법을 사용하여 형성된 소자.
증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 질화물 기판으로서,
(a) 자립(FS) III-질화물 기판의 제1면 상에 성장된 III-질화물; 및
(b) 상기 III-질화물의 상부 표면을 구현하기 위하여 제2면을 따라 슬라이싱 또는 폴리싱된 상기 III-질화물;을 포함하며,
상기 III-질화물은 비극성 또는 반극성이며, 상기 제1면은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 상기 자립 III-질화물 기판은 500 미크론 이상의 두께를 가지며,
상기 제2면은 비극성 또는 반극성 면이며, 그리고 상기 III-질화물의 상기 상부 표면은 상기 비극성 또는 반극성 III-질화물 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 증대된 표면적을 가지는 비극성 또는 반극성 질화물 기판.