KR20110018890A

KR20110018890A - 제ｉｉｉ족 질화물 주형 및 관련된 헤테로구조체, 장치, 및 그들의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110018890A
Application number: KR1020107027186A
Authority: KR
Inventors: 타냐 파스코바; 에드워드 에이. 프레블레; 테리 엘. 클라이츠; 앤드류 디. 한저; 키스 알. 에반스
Original assignee: 키마 테크놀로지스, 인코포레이티드
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2011-02-24
Also published as: US20120235161A1; WO2009137556A2; EP2285736A2; US20110127544A1; WO2009137556A3; CN102083743A; JP2011524322A

Abstract

주형화된 기판은 기재 층, 및 상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층을 포함한다. 상기 주형 층은 상기 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하고, 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함한다.

Description

제ＩＩＩ족 질화물 주형 및 관련된 헤테로구조체, 장치, 및 그들의 제조 방법 {GROUP III NITRIDE TEMPLATES AND RELATED HETEROSTRUCTURES, DEVICES, AND METHODS FOR MAKING THEM}

관련 출원의 상호-인용

본 출원은 발명의 명칭이 "제III족 질화물 헤테로구조체 및 장치를 제작하기 위한 제III족 질화물 스퍼터링된 주형, 및 그 주형을 포함하는 제III족 질화물 구조"인, 2008년 5월 6일자 출원된 미국 임시 특허 출원 일련번호 61/126,680 호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 그 전체로서 참고문헌으로 도입된다.

본 발명은 일반적으로, 다양한 헤테로구조체 및 마이크로전자 장치의 제작에 유용한 제III족 질화물-포함 주형, 뿐만 아니라, 그러한 주형을 기반으로 하는 헤테로구조체 및 마이크로전자 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 나노기둥형 주형 층을 포함하는 주형화된 기판 관련된 헤테로구조체 및 마이크로전자 장치에 관한 것이다.

적정 기판의 선택은 고품질 반도체 재료의 에피택셜 성장에 있어서 중요한 요인으로 고려된다. 제III족 질화물 장치의 호모에피택셜 성장을 위한 천연의 질화물 기판에 대한 오래 지속된 요구는 아직 만족되지 못하고 있다. 대신, 헤테로에피택시(예를 들면, 격자 상수 및 열팽창 계수의 부조화)의 잘 알려진 불리한 결과에도 불구하고 대부분의 질화물 응용에 외래의 기판이 사용되어 왔다. 사파이어가 제III족 질화물 층의 헤테로에피택셜 성장에서 가장 흔히 사용되는 기초 기판이다. 사파이어 기판 뿐만 아니라, SiC, GaAs, Si와 같은 몇 가지 여타 기판, 및 LiAlO₂, MgAl₂O₄ 및 MgO와 같은 특정 산화물 기판이 집중적으로 연구되어 왔다.

입수가능한 기판의 경우 격자 부조화 및 열팽창 계수 부조화가 모두 매우 크므로, 질화물 층의 성질 및 장치 구조가, 특히 구조적 결함 및 잔류 변형에 있어서, 개선될 수 있는지 여부를 결정하기 위해, 많은 그룹에 의해 성장 적정화가 연구되었다. 여러 가지 성장 접근법이 제시되었고, 결정 품질 및 장치 성능에 있어서 상당한 개선을 초래하는 것으로 입증되었다. 이러한 성장 접근법은 일반적으로 3 가지 주요 군으로 분류될 수 있다: (i) 다단계 완충물, (ii) 복잡한-구조 계면 주형 (복잡한-패턴을 가진 구조) 및 (iii) 다른 화합물 재료의 주형 층.

다단계 완충물, 또는 저온 (LT) 완충물은 원리적으로, 더 높은 온도(HT)로 가열하는 도중 재결정되는 하나의 저온 (LT) 핵형성 층, 및 더 높은 온도에서 침착되는 하나의 결정성 층으로 이루어진다. 즉, 핵형성 층은 아래에 놓인 외래의 기판 상에 저온에서 성장하며, 이어서 상기 단일-결정 층은 더 높은 성장 온도에서 침착된다. 장치 구조는 그 후 상기 2-단계 완충물 구조 위에 침착될 수 있다. 다수의 상이한 종류의 이러한 LT 완충물이 존재한다. 이들은 재료의 종류 (GaN, AlN, AlGaN), 삼원 합금의 조성, 그들의 두께, 및 사용되는 특정 성장 조건에 있어 변한다. 뿐만 아니라, 완충물 짝 (LT 핵형성 - HT 단일 결정성) 층의 수는 하나에서 여러 개까지 변할 수 있다. 제2 짝, 제3 짝 등에서의 LT 층은 종종 LT 사이층이라 한다. 이러한 접근법은 질화물 층의 전체 품질을 개선하는 것으로 입증되었다. 정반사성 표면을 갖고, 균열이나 패임이 없으며, 기둥형 구조가 없는 층이 수득되었고, 변위 밀도 및 배경 담체 농도는 상당히 감소되었으며, 담체 운동성은 많이 증가되었고, 발광 성질은 현저하게 향상되었다. 상기 주요 층의 성질에 미치는 저온 완충물의 영향을 간단히 설명하면, 완충물은 후속의 고온 질화물 층에서 결함-많은 영역을 유도한다. 대략 50 nm의 상기 오류 영역에서, 구조적 결함은 가로 성장에 의해 신속하게 재조합되고 고품질 에피택셜 층이 맨 위에 형성된다. 다양한 종류의 LT 완충물이 상업적 생산량에서 상이한 장치 응용에 대하여 적정화되었다.

변위 밀도를 더욱 감소시키고 장치 성능을 개선할 주요 목적을 갖고 복잡한-구조 계면 주형이 제안되었다. 이들 주형의 제작은, 다양한 형태(줄, 육각형, 난형 구멍), 다양한 주기, 및 다양한 두께를 갖는 패턴 형성을 포함하는, 몇 가지 기술적 공정 단계를 필요로 한다. 이들 패턴은 단일-결정성 박층으로 형성되고, 이는 그 자체가 LT 완충물 기술을 사용하여 성장된다. 다음, 상기 단일-결정성 층을 단일-결정성 층의 위에 침착된 상이한 물질(SiO₂, W, SiN)의 마스크를 통해 선택적으로 에칭된다. 에피택셜 가로 과성장 (ELOG), 선택적 면적 과성장 (SAOG), 펜데오에피택시 등을 포함하는, 당업자에게 공지된 다수의 다양한 접근법이 존재한다. 이러한 성장 기술은, 특히 가로 성장 모드가 우세한 일부 면적에서, 변위 밀도를 감소시키는 데 매우 효과적임이 입증되었다. 그러나, 동시에, 융합이 일어나는 다른 영역에서, 다양한 종류의 변위 및 공극과 같은, 더 많은 결함이 형성되었다. 더 나아가서, 낮은 결함-밀도 영역은 향상된 불순물 포함으로 인하여 훨씬 더 높은 전도성을 경험하는 것이 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 낮은-결함 밀도 면적은 상당히 개선된 성능을 가진 장치의 제작을 가능하게 하며, 현재 특정 유형의 질화물 장치의 반도체 제작에 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 기술은 여전히 매우 복잡하고 시간-소모적이며 고비용이다.

낮은 온도에서 합리적인 성장을 수행하지 못함으로 인해 LT 완충물 접근법이 바람직하지 못한 것으로 생각될 경우, 결정 품질 및 장치 성능을 개선할 동일한 주요 목적을 갖고, 대체 물질의 주형 단일 층이 제안되었다. 예를 들면, GaN의 수화물 증기 상 에피택시(HVPE)에서, LT 완충물 접근법은 성공적이지 않았고, 결과적으로 다양한 기술에 의해 별도로 침착된 주형 층이 필요하였다. ZnO, CrN, TiN, SiN, GaN, AlN과 같은 여러 주형 층이 연구되었다. 이러한 유형의 주형 층은 이들이 특별한 목적을 이루기 위해 다양한 방식으로 작용할 것이라는 가정 하에 개발되었다. 이러한 유형의 주형 층은 그들의 주요 기능을 기준으로 3 개의 군으로 분류될 수 있다. 제1 군은 외래의 기판 위에 양호한 전이를 제공하는 ZnO 및 CrN과 같은 층을 포함하여, GaN 층의 양호한 결정 품질을 수득하며, 화학적으로 용해되어 기판 탈적층을 초래하고 독립되어-서있는 질화물 층을 생성할 수도 있다. 제2 군은 가열 및 다음 층 성장의 초기 단계 도중, 섬 (island) 또는 공극 결함을 형성함으로써 재결정되는 TiN 및 SiN과 같은 층을 포함한다. 즉, 이들은 약한 계면 영역을 형성하는데, 여기에서 변형이 축적되며 균열이 발생하여 바람직하게는 또한 기판의 자체 분리를 초래할 것이다. 제3 군은 2-5 μm 두께의 MOCVD GaN 층 또는 1-2 μm 두께의 반응성 스퍼터링된 AlN 층과 같은 단일 결정성 층 주형을 포함하고, 이는 그 주된 층의 양호한 결정 품질을 보장하고 최종 구조를 보전한다.

위에 요약한 헤테로에피택셜 접근은 결정 품질 및 장치 성능에서 개선을 나타내었지만, 이들은 공정 단계의 복잡한 조합을 필요로하며 고비용이다. 그러므로, 양호한 결정 구조 및 향상된 장치 성능을 제공하도록 다양한 외래의 기판과 질화물 층 사이에 양호한 조화로서 저가의 주형을 제공하는 것에 대한 요구가 여전히 남는다.

전술한 문제점을 전체 또는 부분적으로, 및/또는 당업자에 의해 관찰될 수 있는 다른 문제점을 조처하기 위해, 본 개시는 이하에 기재된 실시예에 의해 기재되는 것과 같은 방법, 공정, 시스템, 기구, 기기 및/또는 장치를 제공한다.

하나의 실시에 따르면, 주형화된 기판은 기재 층, 및 상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층을 포함한다. 상기 주형 층은 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하며, 여기에서 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함한다.

또 하나의 실시에 따르면, 헤테로구조체는 기재 층, 상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층, 및 제III족 질화물-포함 성장 층을 포함한다. 상기 주형 층은 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하며, 여기에서 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함한다. 제III족 질화물-포함 헤테로구조체는 나노기둥형 하위층 위에 배치된다.

또 다른 실시에 따르면, 마이크로전자 장치는 기재 층, 상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층, 및 제III족 질화물-포함 장치 구조를 포함한다. 상기 주형 층은 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하며, 여기에서 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함한다. 제III족 질화물-포함 장치 구조는 나노기둥형 하위층 위에 배치된다.

또 다른 실시에 따르면, 주형화된 기판을 제작하기 위한 방법이 제공된다. 기재 층 위에 연속적인 하위층을 형성하고, 상기 연속적인 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 형성함으로써 (상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함함), 단일-결정 제III족 질화물-포함 주형 층을 진공 증착에 의해 기재 층 위에서 성장시킨다.

또 다른 실시에 따르면, 헤테로구조체의 제작을 위한 방법이 제공된다. 기재 층 위에 연속적인 하위층을 형성하고, 상기 연속적인 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 형성함으로써 (상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함함), 단일-결정 제III족 질화물-포함 주형 층을 진공 증착에 의해 기재 층 위에서 성장시킨다. 제III족 질화물-포함 헤테로 구조는 상기 나노기둥형 하위층 위에서 성장한다.

또 다른 실시에 따르면, 마이크로전자 장치의 제작을 위한 방법이 제공된다. 기재 층 위에 연속적인 하위층을 형성하고, 상기 연속적인 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 형성함으로써 (상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함함), 단일-결정 제III족 질화물-포함 주형 층을 진공 증착에 의해 기재 층 위에서 성장시킨다. 제III족 질화물-포함 장치 구조는 상기 나노기둥형 하위층 위에서 성장한다.

본 발명의 다른 장치, 기구, 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이하의 도면 및 상세한 설명을 살펴보면 당업자에게 분명하거나 분명해질 것이다. 모든 그러한 추가의 시스템, 방법, 특징 및 장점이 본 명세서에 포함되고, 본 발명의 범위 내이며, 첨부하는 청구항에 의해 보호될 것이 의도된다.

본 발명은 이하의 도면을 참고하면 더 잘 이해될 수 있다. 도면의 요소들은 반드시 축척에 의한 것이 아니며, 대신 본 발명의 원리를 도시함에 있어서 강조된 것이다. 도면에서, 같은 참고숫자는 다른 도에 있어서 상응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 하나의 실시에 따르는 주형화된 (또는 주형-포함) 기판의 단면도이다.
도 2A는 그 기둥형 표면 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 원자력 현미경 (AFM) 사진(2-차원 평면도)이다.
도 2B는 그 기둥형 표면 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 원자력 현미경 (AFM) 사진(3-차원)이다.
도 2C는 그 기둥형 표면 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형의 표면을 가로질러 조도 선-주사(line-scan) 표면 윤곽이다.
도 3A는 그 결정학적 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 x-선 회절 (XRD) 파이-주사이다.
도 3B는 그 결정학적 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 XRD 2θ/ω 주사이다.
도 4A는 상기 주형 층의 구별되는 하위층을 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 XRD ω 주사이다.
도 4B는 상기 주형 층의 구별되는 하위층을 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 상호 공간 지도(RSM)이다.
도 5A, 5B 및 5C는 상이한 온도에서 침착된 대표적인 나노기둥형 주형 층의 AFM 사진이다.
도 6A, 6B 및 6C는 상이한 두께로 침착된 대표적인 나노기둥형 주형 층의 AFM 사진이다.
도 7은 상이한 두께의 대표적인 나노기둥형 주형 층의 대칭 002 반사 주위의 XRD 2θ/ω 주사를 모은 것이다.
도 8은 상이한 표면 미스컷(miscut)을 갖는 사파이어 기판 위에서 성장한 대표적인 주형 층의 일련의 XRD RSM이다.
도 9A 및 9B는 각각 SiC 및 Si 기재 층 위에 성장한 대표적인 주형 층의 AFM 사진이다.
도 10A 및 10B는 각각 SiC 및 Si 기재 층 위에 성장한 대표적인 주형 층의 RSM이다.
도 11A는 종래의 LED 장치의 예의 개략적 단면도이다.
도 11B는 본 개시에 따라 제작된 LED 장치의 예의 개략적 단면도이다.
도 12A는 그 위에 마스크가 침착되고 패턴화된, 본원에 기재된 것과 같은 주형화된 기판의 사시도이다.
도 12B는 에칭 및 마스크 제거 후, 도 12B에 도시된 주형화된 기판의 사시도이다.
도 13은 본원에 기재된 것과 같은 주형화된 기판을 사용하여 표준 MOCVD LED를 제작하는 데 필요한 더 짧은 시간(실선)을, 종래의 LT 완충물 핵형성 공정을 사용하는 동일한 LED 장치를 제작하는 데 필요한 더 긴 시간(점선)과 비교하는 도식적 시간 스케쥴이다.

본 개시의 목적을 위해, 층(또는 필름, 영역, 기판, 요소, 장치 등)이 또 하나의 층 "위에(on 또는 over)" 있는 것으로 언급될 경우, 그 층은 다른 층의 직접 또는 실제로 위에 있거나, 그렇지 않으면, 개재하는 층(예, 완충 층, 전이 층, 사이층, 희생 층, 에칭-중지 층, 마스크, 전극, 상호연결부, 접촉부 등)이 존재할 수도 있는 것으로 이해될 것이다. 또 하나의 층 "바로 위에" 있는 층은 달리 명시되지 않는 한, 개재하는 층이 존재하지 않는 것을 의미한다. 하나의 층이 또 하나의 층의 "위에 (on 또는 over)" 있다고 할 때, 그 층은 다른 층의 전체 표면을 덮거나 상기 다른 층의 일부만을 덮을 수 있는 것으로 또한 이해될 것이다. "위에 형성된" 또는 "위에 배치된"과 같은 용어는 물질 운반, 침착, 제작, 표면 처리의 특정 방법, 또는 물리적, 화학적 또는 이온성 결합 또는 상호작용에 관하여 어떠한 제한을 도입하고자 함이 아니다.

달리 명시되지 않는 한, "제III족 질화물"이라는 용어는 예를 들면 질화 갈륨, 질화 인듐, 질화 알루미늄, 질화 알루미늄 갈륨, 질화 인듐 갈륨, 질화 인듐 알루미늄, 및 질화 알루미늄 인듐 갈륨과 같은 2차, 3차 또는 4차 제III족 질화물-기재 화합물, 및 첨가된 도판트, 불순물 또는 미량 성분의 존재 또는 부재 하의 이들의 합금, 혼합물 또는 조합물, 뿐만 아니라 모든 가능한 결정 구조 및 형태학, 및 이들의 임의의 유도체 또는 개질된 조성물을 표현하도록 의도된다. 달리 명시되지 않는 한, 이들 화합물의 화학량론에 제한이 주어지지 않는다. 즉, "제III족 질화물"이라는 용어는 제III족 질화물 및 질화물 합금; 즉, Al_xGa_yIn_zN (x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1), 또는 (Al, Ga, In)N을 포함한다.

본원에서 사용되는 "나노기둥" 또는 "나노-규모 기둥"이라는 용어는 일반적으로 1 μm 미만인 적어도 하나의 특징적인 치수를 갖는 기둥형 구조를 의미한다. 이러한 맥락에서 특징적인 치수는 기둥의 높이(예, 길이방향 치수) 또는 기둥의 가로 치수(예, 직경)를 의미한다. 하나의 비제한적인 예에서, "나노기둥" 또는 "나노-규모 기둥"은 약 20 nm 이하의 높이, 또는 약 150 nm 이하의 가로 치수를 갖는 기둥형 구조이다.

도 1은 하나의 실시에 따르는 주형화된 (또는 주형-포함) 기판(100)의 단면도이다. 상기 주형화된 기판(100)은 주형이라고도 한다. 주형화된 기판(100)은 그 위에서 나노기둥형 주형 층(108)이 성장하는 기재 층(104)(또는 바닥 기판)을 포함한다. 전형적인 실시에서, 상기 기재 층(104) 및 주형 층(108)은 상이한 재료를 포함하고, 따라서 상기 기재 층(104)은 외래의 층 또는 외래의 기판이라 불릴 수 있다. 전형적인 실시에서, 기재 층(104)은 사파이어(Al₂O₃), 예를 들면 6H-SiC 또는 4H-SiC와 같은 탄화 규소(SiC), 또는 규소(Si)일 수 있다. 그러나 기재 층(104)은 비제한적으로 첨정석 (MgAl₂O₄) 또는 리튬 갈레이트(LiGaO₂)와 같은 여타 조성물을 포함할 수도 있다. 기재 층(104)을 위한 다른 가능한 조성물은 다이아몬드, 탄소 (C), 다이아몬드-같은 탄소 (DLC), 리튬 알루미네이트 (LiAlO₂), ScAlMgO₄, 산화 아연 (ZnO), 산화 마그네슘 (MgO), 비화 갈륨 (GaAs), 유리, 텅스텐 (W), 몰리브덴 (Mo), 하프늄 (Hf), 지르코늄 (Zr), 질화 지르코늄 (ZrN), 절연체-상-규소 (SOI), 탄화된 SOI, 및 다른 각종 질화물 및 산화물을 포함한다. 더 나아가서, 상기 기재 층(104)은 전도성, 절연성, 반-절연성, 꼬여-결합된, 유순한, 또는 패턴화된 기판일 수 있다. 주형 층(108)은 제III족 질화물, 즉 상기 정의된 것과 같은 (Al, Ga, In)N을 포함하는 조성물로 이루어지거나, 이를 갖는다. 일부 바람직한 실시에서, 주형 층(108)은 AlN 또는 GaN이다.

기재 층(104)은 가능한 한 임의의 결정학적 또는 오프-컷 (미스컷) 배향을 가질 수 있다. 필요하다면, 그 위에서 주형 층(108)이 성장하는 기재 층(104)의 표면의 결정학적 배향은 극성, 비극성 또는 반극성 질화물 헤테로에피택시(예, c-평면, m-평면, a-평면, r-평면 등)를 보장하도록 선택될 수 있다. 본 개시의 양수인에게 양도되었고 본원에 그 전체로서 참고문헌으로 도입되는 미국 특허 출원 공보 제 2009/0081857 호를 참조하라. 기재 층(104)은 주형 층(108)을 성장시키고 결과적으로 장치 품질이 좋은 주형화된 기판(100)을 제공하는 데 적합한 임의의 크기 및 모양을 가질 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 기재 층(104)은 기둥형 또는 원반-모양이거나 다각형 또는 각주형일 수 있다. 기재 층(104)의 크기는 일반적으로 성장 방향에서의 두께(112) 및 상기 두께(112)에 일반적으로 수직인 가로 치수(116)에 의해 특징된다. 도 1의 사시도로부터, 두께(112)의 방향은 수직이지만, 도 1에 나타낸 주형화된 기판(100)의 배향은 무작위이고, 단순한 하나의 예이다. 가로 치수(116)은 기재 층(104)의 모양의 임의 차원 특성이다. 예로서, 가로 치수(116)은 기둥형 또는 원반-모양 기재 층(104)의 경우 직경이거나, 다각형 또는 각주형 기재 층(104)의 경우 폭 또는 길이(즉, 두 마주보는 변 또는 모서리/꼭지점/정점 사이의 거리)일 수 있다. 일부 바람직한 실시에서, 상기 가로 치수(116)은 다양한 헤테로구조체 및 장치의 제작에 사용하기 적합한 크기의 주형화된 기판(100)의 제작을 용이하게 하기 위해 2 인치 이상이다.

주형 층(108)은 본원에 기재된 구조를 수득할 수 있는 임의의 기술에 의해 기재 층(104) 위에서 성장한다. 전형적인 실시에서, 주형 층(108)은 진공 증착 기술에 의해 성장한다. 일부 바람직한 실시에서, 상기 주형 층(108)은 물리적 증착(PVD)에 의해 성장하지만, 화학적 증착(CVD)와 같은 여타 기술도 적합할 수 있다. 일부 바람직한 실시에서, 특히 주형 층(108)이 AlN인 경우, 주형 층(108)은 스퍼터링, 특히, 플라스마-향상된 (또는 플라스마-보조) 스퍼터링에 의해 성장한다. 주형 층(108)은 성장 방향 및 가로 치수에서 두께(122)를 갖는다. 주형 층(108)의 가로 치수는 상기 기재 층(104)의 것과 동일연장에 있을 수 있고, 따라서 일부 바람직한 실시에서 상기 주형 층(108)의 가로 치수는 2 인치 이상이다. 전형적인 예에서, 주형 층(108)의 두께(122)는 100 내지 10,000 Å(10 내지 1000 nm)의 범위이다. 다른 예에서, 주형 층(108)의 두께(122)는 100Å 초과 10,000 Å 미만일 수 있다.

본 개시에 따르면, 주형 층(108)은 외래의 기재 층(104)과 이어서 성장하는 질화물 층(도시되지 않음) 사이에 양호한 전이를 제공하도록 구조화된다. 주형 층(108)은 결함 및 변형을 축적함으로써, 나중에 상기 주형 층(108) 위에서 성장하는 임의의 장치 구조의 양호한 결정 품질을 수득하도록 구조화된다. 도 1에 나타난 것과 같이, 주형 층(108)은 2 개의 자체-형성된 하위층인, 연속적인 형태학으로 특징되는 제1 (또는 연속적인) 하위층 (130) 및 나노기둥형 형태학으로 특징되는 제2 (또는 나노기둥형) 하위층(134)을 포함한다. 상기 연속적인 하위층(130) 및 나노기둥형 하위층(134)은 모두 단일-결정 형태학을 가질 수 있다. 상기 연속적인 하위층(130)으로부터 나노기둥형 하위층(134)으로의 전이는 가로 치수에서 서로로부터 공간을 갖고 존재하는 구별되는 기둥(138)의 시작으로 특징될 수 있다. 달리 말하면, 상기 나노기둥형 하위층(134)으로부터 연속적인 하위층(130)으로의 전이는 기둥(138)의 바닥이 합병되는 곳에서 나타난다. 따라서, 나노기둥형 형태학은 일반적으로 구별되는 기둥(138)의 존재로 특징될 수 있고, 상기 연속적인 형태학은 일반적으로 기둥(138)의 부재로 특징될 수 있다.

상기 나노기둥형 하위층(134)은 연속적인 하위층(130)으로부터 주형 층(108)의 맨 위 표면(142)(즉, 나노기둥형 하위층(134)의 상부 표면(142))까지 연장되는 복수의 나노-규모 기둥(138)을 나타낸다. 전형적인 실시에서, 기둥(138)은 일반적으로 원뿔형이다. 즉, 각 기둥(138)은 연속적인 하위층(130)에서 기둥 바닥으로부터 상부 표면(142)에 있는 비교적 날카로운 기둥 상단까지 테이퍼된다. 이러한 맥락에서, "날카로운 상단"이라는 용어는 기둥(138)이 편평한 표면에서 종결되지 않고 오히려 기둥 상단의 모양이 점 또는 첨단을 갖는 돔 형태의 것임을 일반적으로 의미한다. 기둥 상단의 가로 치수는 확대하여 볼 때 (예, AFM) 기둥 바닥의 것보다 더 작게 보인다. 주형 층(108)의 맨 위 표면(142)은 가까운-간격을 가진 (나노미터-규모) 기둥 상단의 집합을 포함하는 것으로 특징될 수 있다. 맨 위 표면(142) 위에서 후속의 층이 성장할 때, 상기 나노기둥형 하위층(134)은 변형 이완, 응력 이완, 에피택셜 성장의 촉진에 기여하고, 결함 밀도를 낮출 수 있다.

임의의 주어진 시료 주형화된 기판(100)에서, 기둥(138)의 치수(예, 높이, 가로 치수)는 하나의 기둥(138)에서 다른 것까지 균일 또는 실질적으로 균일하거나, 그렇지 않으면 하나의 기둥(138)로부터 다른 것으로 변할 수도 있다. 일부 비제한적인 예에서, 그 각각의 바닥에서 기둥(138)의 평균 가로 치수는 10 내지 150 nm의 범위이고, 기둥(138)의 평균 높이는 1 내지 20 nm의 범위이다. 일부 실시예에서, 기둥(138)의 가로 치수는 직경이라 칭할 수 있다. 이러한 맥락에서, "직경"이라는 용어는 기둥(138)이 일반적으로 원형의 단면을 가짐을 가정한다. 그러나, 상기 기둥(138)은 완전한 원형의 단면을 나타내지 않을 수도 있어서, "직경"은 상기 언급된 성장 방향 또는 두께 방향에 가로지르는 방향에서 기둥(138)의 특징적인 치수를 일반적으로 포함하며, 즉, 상기 직경 또는 가로 치수는 도 1의 사시도로부터 수평 방향을 따라 나타난다. 또한 이러한 맥락에서, 기둥(138)의 높이는 일반적으로, 성장 방향 또는 두께 치수, 즉 도 1의 사시도로부터의 수직 방향에 해당한다.

연속적인 하위층(130)은 제1 두께(146)를 가지며, 나노기둥형 하위층(134)은 제2 두께(148)를 갖는데, 역시 도 1의 사시도로부터의 수직 방향이다. 전형적인 실시에서, 상기 연속적인 하위층(130)은 나노기둥형 하위층(134)보다 더 두껍다. 나노기둥형 하위층(134)의 두께(148)는 기둥(138)의 높이에 해당한다. 즉, 일부 비제한적인 실시예에서, 나노기둥형 하위층(134)의 두께(148)는 1 내지 20 nm의 범위이고, 주형 층(108)(연속적인 하위층(130) 및 나노기둥형 하위층(134))의 총 두께(122)는 10 내지 1000 nm의 범위이다.

주형화된 기판(100)의 특정 실시예에서, 주형 층(108)의 표면 조도는 0.2 내지 10 nm(RMS)의 범위이고, 나노기둥형 하위층(134)의 변형 값 e_zz는 0.2 x 10^-2 내지 0.8 x 10^-2의 범위일 수 있다. 변형 값 e_zz는 층 표면에 수직인 성장 방향(z 방향)에서의 변형에 해당하며, 기둥(138)에 관련된 피크의 XRD 측정으로부터 계산된다. 표면 조도 및 변형 상태는 이하에 나타내는 것과 같이 조절될 수 있다. 주형 층(108)은, 표준 필립스(Philips) 3-축 회절측정기를 이용하여 측정할 때, 나노기둥형 하위층(134)의 경우 100 내지 500 arcsec의 범위, 연속적인 하위층(130)의 경우 500 내지 2500 arcsec의 범위인 록킹 곡선 FWHM으로 특징되는 결정 품질을 가질 수 있다.

본원에 기재되고 도 1에 설명된 주형화된 기판(100)은 다양한 낮은 결함-밀도의 제III족 질화물 에피택셜 층, 헤테로구조체 및 장치의 직접적인 성장을 위한 기판 또는 주형으로 사용될 수 있다. 단일-단계-성장된 주형 층(108)은 외래의 조성물로 된 기재 층(104)과 나중에 성장하는 질화물 구조 사이에 양호한 조화를 제공한다. 즉, 주형화된 기판(100)을 사용하는 것은 상기 헤테로구조체 또는 장치가 양호한 결정 품질 및 우수한 성능을 갖도록 보장한다. 주형 층(108), 특히 나노기둥형 하위층(134)의 구체적인 특성(예, 기둥 크기/표면 형태학, 변형 등)은 임의의 원하는 디자인이나 구조의 이어지는 질화물 장치 에피택시에 적정하게 맞추어질 수 있다. 더 나아가서, 주형 층(108)은 비교적 얇고, 저가의 성장 쳄버를 사용하여 중간의 성장 조건(즉, 저온이나 고온 조건이 아닌)에서 저렴한 방법으로 신속하게 성장할 수 있다. 공정 시간을 단축하고 LT 완충물과 관련된 고가의 시약에 대한 필요를 피함으로써, 상기 주형화된 기판(100)은 더 시간-소모적이며 고비용인 다-단계 LT 완충물 기술에 대한 바람직한 대체물로 사용될 수 있다. 주형화된 기판(100)은 또한 다양한 장치 응용을 위해 복잡한 패턴 핵형성을 포함하는 장치 구조에도 도입될 수 있다.

주형 기판(108)은 전술한 바와 같이 2 개의 구별되는 하위층(130 및 134)을 포함하며, 상기 주형 층(108)은 단일-단계 공정으로 형성된다. 즉, 두 하위층(130 및 134)은 동일한 성장 조건(예, 성장 속도, 성장 온도, 기체 압력, 기체 유량, 플라스마 작동 변수 등)을 이용하여 형성되며, 즉, 연속적인 하위층(130)으로부터 나노기둥형 하위층(134)으로의 전이는 성장 조건에 변화를 필요로 하지 않는다. 이러한 점에서, 두 하위층(130 및 134)은 "자체-형성"이라 특징될 수 있다.

상기 주형화된 기판(100)을 제작하는 하나의 비제한적 실시예는 다음과 같다. 기재 층(104) 및 제III족 금속 목표물을 스퍼터 침착 쳄버에 넣는다. 임의의 적합한 수단에 의해 기재 층(104)을 넣기 전에 전형적으로 세정한 다음, 적합한 기판 홀더 위에 올려놓는다. 상기 쳄버에서, 기판 홀더는 기판 온도를 제어하기 위해 적합한 가열 장치와 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 쳄버를 그 후 적절한 진공 압력까지 펌프를 이용하여 감압한다. 예를 들면 아르곤(Ar)과 같은 배경 기체를 이용하여 쳄버 내에 강력한 플라스마가 생성된다. 플라스마의 작동 조건은 적합한 값(예, 출력, 주파수 등)으로 조정될 수 있다. 별도의 질소-함유 기체를 쳄버 내에 유입시킨다. 질소-함유 기체는 예를 들면 2원자 질소 또는 암모니아(NH₃)와 같은 질소-포함 화합물일 수 있다. 질소-함유 기체 및 추가의 기체(플라스마-가능케하는 기체 (예, Ar) 또는 다른 종류의 기체) 양자의 경우, 작동 조건은 혼합-기체 환경으로 특징될 수 있다. 그렇지 않으면, 질소 화학종을 제공하기 위해 사용되는 동일한 기체가 플라스마를 생성하기 위해서도 사용될 수 있는데, 이 경우 별도의 배경 기체는 사용될 필요가 없다. 기체 흐름은 적합한 유량 조절기에 의해 조절될 수 있다. 다음, 제III족 금속 목표물을 스퍼터링하여 제III족 금속 공급원 증기를 생성한다. 제III족 금속 공급원 증기는 질소-함유 기체와 조합되고, 제III족 금속 및 질소의 성분을 포함하는 반응물 증기 화학종이 상기 기재 층(104)의 표면 위에 침착된다. 공정 조건(예, 성장 속도, 성장 온도, 기체 압력, 기체 유량, 플라스마 작동 변수 등)은 나노기둥형 주형 층(108)의 성장을 촉진하는 데 필요한 대로 조절되며, 상기 주형 층(108)의 조성 및 원하는 특정 성질(예, 변형, 표면 조도 등)에 의존한다. AlN 주형 층(108)의 침착을 수반하는 특정의 구체적인, 하지만 비제한적인 예에서, 성장 속도는 비교적 낮으며, 즉 1 μm/hr 미만이다. 또 하나의 구체적인 예에서, 성장 온도는 500℃를 초과한다. 또 하나의 구체적인 예에서, 상기 AlN 주형 층(108)은 1 μm/hr 미만의 성장 속도 및 500℃를 초과하는 온도에서 혼합-기체 환경 중 성장한다. 본 개시의 다른 곳에 기재된 것과 같이, 연속적인 하위층(130) 및 나노기둥형 하위층(134)은 공정 조건을 변화시키지 않고 형성될 수 있다. 상기 주형화된 기판(100)은 단지 소수의 단계만을 필요로 하고, 종래의 주형-제작 공정의 경우에서와 같이 진공을 중단하거나 이질적인 단계를 수행할 필요없이, 완전히 그 자리에서의 공정에서 제작됨이 또한 인지될 것이다.

도 2A 내지 10B는 본 개시에 따라 제작된 주형화된 기판(100)의 구체적인 시료의 분석을 제공한다. 이들 시료를 제작함에 있어서, AlN 주형 층(108)은 플라스마-보조 스퍼터링에 의해 기재 층(104) 위에서 성장한다. 기재 층(104)은 사파이어, SiC 또는 Si였다.

도 2A는 그 기둥형 표면 구조를 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 원자력 현미경 (AFM) 사진(2-차원 평면도)이다. 도 2B는 동일한 나노기둥형 주형 층의 원자력 현미경 (AFM) 사진(3-차원 도)이다. 도 2C는 동일한 나노기둥형 주형 층의 표면을 가로질러 조도 선-주사 표면 윤곽이다. 기둥들은 날카로운 첨단에서 종결되는 대체로 원뿔 모양을 갖는 것으로 나타난다. 기둥 바닥의 평균 가로 치수는 10 내지 150 nm에서 변한다. 기둥의 평균 높이는 1 내지 20 nm에서 변한다. 즉, 본 실시예에서 주형 층은 성장 조건에 의존하는, 기둥의 크기를 변화시키는 것으로 특징되는 것을 알 수 있다. 다시 기둥의 크기는 주어진 시료의 표면 조도를 조정한다. 상기 기둥에 의해 나타나는 상부 표면의 평균 제곱근 (RMS) 조도는, 성장된 다양한 시료 주형화된 기판의 AFM 사진으로부터 계산할 때, 0.2 내지 10 nm에서 변한다.

도 3A는 그 결정학적 구조를 나타내는, 도 2A-2C에서 나타낸 동일한 나노기둥형 주형 층의 x-선 회절 (XRD) 파이-주사이다. 구체적으로, 도 3A는 360°의 방위각 범위에 걸쳐 6 개 피크를 나타내는 비대칭 10-13 반사 주위의 XRD 파이-주사를 나타내며, 따라서 부르트자이트 결정에 전형적인 6-겹 대칭을 의미한다. 도 3B는 역시 그 결정학적 구조를 나타내는 동일한 나노기둥형 주형 층의 XRD 2θ/ω 주사이다. 구체적으로, 도 3B는 넓은 2θ 범위에서 유일한 피크인 대칭의 002 반사 주위의 XRD 2θ/ω 주사를 보여주며, 따라서, 스퍼터링된 층의 단일-결정 구조를 의미한다. 도 3B는 또한 절반 최대값에서 좁은 전체 폭(FWHM)을 보이며, 성장 방향에서 큰 간섭 길이 및 높은 결정 품질을 의미한다. 도 3B는 또한 간섭 주름으로 분석된 보다 낮은-각 측에서 여러 개의 피크를 나타내며, 이는 평행의 계면을 갖는 높은-결정 품질의 비교적 얇은 층에 전형적인 것이다. 즉, 본 실시예의 주형 층은 고품질의 단일-결정성 형태학으로 특징됨을 알 수 있다.

도 4A는 상기 주형 층의 구별되는 하위층을 입증하는, 도 2A-2C에 나타낸 동일한 나노기둥형 주형 층의 XRD ω 주사이다. 구체적으로, 도 4A는 대칭 002 반사 주위의 XRD ω 주사를 보여주며, 상기 피크가 2 개의 피크로 이루어진 것을 나타내고, 따라서 고품질의 하위층 및 변위 및 알갱이 경사(grain tilt)를 함유하는 하위층의 존재를 나타낸다. 도 4A는 단일-단계-성장한 주형 층이 두 자체-형성된 하위층의 복잡한 구조를 가짐을 보여준다. 도 4B는 상기 주형 층의 구별되는 하위층을 나타내는 대표적인 나노기둥형 주형 층의 상호 공간 지도(RSM)이다. 구체적으로, 도 4B는 대칭 002 반사 주위의 RSM이다. 도 4B는 보다 낮은 가로 산란 벡터에서 신장된 저-강도의 충격을 보여주는데, 이는 변형된 하위층을 나타낸다. 도 4B는 또한 약간 신장된 날개를 갖는 강도있는 좁은 주 피크를 보이는데, 이는 초기 부분적 이완을 갖는 고품질의 하위층을 나타낸다. 즉, 본 실시예의 주형 층은 나노기둥형 하위층에서의 변형이 연속적인 하위층에서의 변형과 상이한 복잡한 변형 상태를 나타내는 것으로 특징된다.

도 5A, 5B 및 5C는 상이한 온도, 750℃, 850℃ 및 950℃에서 각각 침착된 대표적인 나노기둥형 주형 층의 AFM 사진이다. 상이한 성장 온도에서, 평균 기둥 크기 및 따라서 표면 조도가 변화함을 알 수 있다. 따라서, 주형 층의 표면 조도는 성장 온도에 매우 의존성이며 따라서 그에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 표면 형태학, 이 경우에는 표면 조도는 나중에 성장하는 헤테로구조체 및 장치의 보다 나은 결정 품질을 수득하도록 적정화될 수 있다.

도 6A, 6B 및 6C는 상이한 두께, 25 nm, 350 nm 및 1000 nm로 각각 침착된 대표적인 나노기둥형 주형 층의 AFM 사진이다. 상이한 두께에서, 평균 기둥 크기 및 따라서 표면 조도가 변한다. 즉, 주형 층의 표면 조도는 침착된 주형 물질의 두께에 매우 의존성이며 따라서 그에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 표면 형태학, 이 경우에는 표면 조도는 나중에 성장하는 헤테로구조체 및 장치의 보다 나은 결정 품질을 수득하도록 적정화될 수 있다.

도 7은 상이한 두께, 각각 25 nm, 50 nm, 350 nm, 1000 nm 및 2000 nm의 대표적인 나노기둥형 주형 층의 대칭 002 반사 주위의 XRD 2θ/ω 주사를 모은 것이다. 도 7은 층 두께의 증가에 따라 피크의 이동 및 피크 비대칭성의 감소를 보여주며, 이는 층 두께가 변화하면 변형이 변함을 보여준다. 상기 나노기둥형 하위층에서 변형 e_zz는 성장된 다양한 시료 주형화된 기판으로부터 계산할 때, 0.2 x 10^-2 내지 0.4 x 10^-2에서 변한다. 도 7은 500Å보다 얇은 주형 층에서 고도로-변형된 하위층의 존재를 보여주는 한편, 700Å을 초과하는 두께를 가진 주형 층에서는 초기 이완을 갖는 하위층이 나타나며, 1000Å보다 두꺼운 주형 층에서는 완전히 이완된 하위층이 존재한다. 따라서, 주형 층에서의 변형은 침착된 주형 물질의 두께에 의존하며, 따라서 그에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 나중에 성장하는 헤테로구조체 및 장치의 더 나은 결정 품질을 수득하도록 변형이 적정화될 수 있다.

도 8은 구체적으로 각각 0.0°, 0.5°, 1.0°및 2.0°의 상이한 표면 오프-컷(또는 미스컷)을 갖는 사파이어 기판 위에서 성장한 대표적인 주형 층의 일련의 XRD RSM이다. 기판 오프-컷의 각도가 증가함에 따라 변형이 감소함을 알 수 있다. 즉, 주형 층의 변형은 그 위에 주형 층이 침착되는 기재 층의 오프-컷에 의존하며, 따라서 그에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 나중에 성장하는 헤테로구조체 및 장치의 더 나은 결정 품질을 수득하도록 변형이 적정화될 수 있다.

도 9A 및 9B는 각각 SiC 기재 층 및 Si 기재 층 위에 성장한 대표적인 주형 층의 AFM 사진이다. 그렇지 않았으면, 2 개의 주형 층은 유사한 성장 조건 하에 성장하여, 유사한 구조(연속적인 및 나노기둥형 하위층) 및 유사한 형태학을 가졌을 것이다. 그러나, 각각의 주형 층의 기둥 크기는 다르다. 상기 주형 층의 표면 형태학, 특히 기둥 크기 및 따라서 표면 조도는, 그 위에 주형 층이 침착되는 기재 층의 조성에 의존한다.

도 10A 및 10B는 각각 도 9A 및 9B에 도시된 동일한 SiC 및 Si 주형 층의 RSM이다. 도 10A 및 10B는 SiC 및 Si 주형 층이 완전히 다른 변형 상태를 가짐을 보여준다. SiC 기재 층 위의 AlN 주형 층에 해당하는 좌측의 RSM(도 10A)은 SiC 및 AlN의 2 개의 주 피크를 나타낸다. 도 10A는, 두 물질에 관련된 두 지도의 완전히 수직인 정렬에 의해 명백하듯이, SiC의 것과 유사한 AlN의 가로 격자 변수로 인하여 매우 변형된 주형 하위층의 존재를 나타낸다. Si 기재 층 위의 AlN 주형 층에 해당하는 우측의 RSM(도 10B)은, 화살표로 나타낸 표면의 평면에 평행인 방향으로 상당히 넓어진, AlN으로부터의 단일 피크를 나타낸다. 도 10B는, Si 피크가 AlN 피크와 정렬하지 않고 사실상 도 10B에 나타낸 지도 범위 밖이므로, 주형 층에서 상당한 변형 이완을 나타낸다. 단일-층 침착된 주형은, 나중에 성장된 헤테로구조체의 더 나은 결정 품질을 수득하기 위해 록킹 곡선의 선-폭이 좁도록 특징된다.

도 11A는 종래의 LED 장치(160)의 예의 개략적 단면도이다. LED 장치(160)는 사파이어 기판(104), 상기 사파이어 기판(104) 위에 침착된 LT 완충물 구조(152), 및 상기 LT 완충물 구조(152) 위에 침착된 LED 장치 구조(162)를 포함한다. LT 완충물 구조(152) 및 LED 장치 구조(162)는 전형적으로 금속유기 CVD(MOCVD)에 의해 성장한다. LT 완충물 구조(152)는, 사파이어 기판(104) 위에 2.5 μm GaN 핵형성 층(154)이 침착되는 다-단계 핵형성 공정에 이어 도핑되지 않은 GaN의 0.5 μm 층(156)의 침착에 의해 성장한다. LED 장치 구조(162)는 N+ GaN(전형적으로 2 μm)의 층(164), 양자 웰 층(166)(단일- 또는 다-양자 웰), 및 P+ GaN의 층(168)을 포함한다.

비교하면, 도 11B는 본 개시에 따라 제작된 LED 장치(170)의 예의 개략적 단면도이다. LED 장치(170)는 주형화된 기판(100), 및 상기 주형화된 기판(100) 위에 침착된 LED 장치 구조(162)를 포함한다. 주형화된 기판(100)은 본원에 기재된 바 기재 층(104) 및 주형 층(108)을 포함한다. 비제한적인 예로써, 상기 주형 층(108)은 전술한 바와 같이 PVD에 의해 침착된 AlN이거나 이를 포함할 수 있다. 비제한적인 비교의 목적으로, 본 실시예의 기재 층(104)은 사파이어 기판이고 상기 LED 장치 구조(162)는 도 11A에 도시된 공지의 LED 장치(160)의 경우와 같이, N+ GaN 층(164), 양자 웰 층(166), 및 P+ GaN 층(168)을 포함한다. LED 장치 구조(162)는 MOCVD 또는 임의의 다른 적합한 기술에 의해 성장할 수 있다. 도 11B에 도시된 LED 장치(170)는 도 11A에 도시된 공지의 LED 장치(160)에 비해 덜 복잡하고 보다 저렴한 디자인을 갖는다. 단일-단계 주형 층(108)이 종래의 LT 완충물(152) 또는 임의의 다른 종래의 완충물이나 전이 층의 대체물로 사용될 수 있다.

도 11B는 본원에 개시된 주형화된 기판으로부터 제작될 수 있는 다양한 종류의 LED 장치의 한 예에 불과함이 이해될 것이다. 더욱 일반적으로, LED 장치는 본원에 개시된 주형화된 기판(100)로부터 제작될 수 있는 다양한 종류의 마이크로전자 장치 및 헤테로구조체 중 하나의 예에 불과함이 이해될 것이다. 본원에 사용되는 "마이크로전자 장치"라는 용어는 예를 들면 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지, 광검출기 및 UV 검출기, 뿐만 아니라 생물학적 또는 화학적 센서, 다른 종류의 센서 또는 검출기, 전자 또는 광학 필터, 전계-효과 트랜지스터 (FET), 다른 종류의 트랜지스터, 다른 종류의 다이오드 및 정류 회로, 미소전극 배열, 결합 패드, 금속화 요소 및 상호연결부와 같은 장치 및 요소를 일반적으로 포함한다. 따라서, 본 개시의 실시는 추가의 제III족 질화물 층 및/또는 그 위에 제작된 제III족 질화물-기재 마이크로전자 장치를 갖는 주형화된 기판을 포함하는 물품을 포함한다.

단일-단계 주형 층(108)은 마스크 윤곽과 같은 복잡한 패턴을 가진 구조를 사용하는 제작 기술과 관련하여 종래의 LT 완충물을 대체하는 것으로 사용될 수도 있다. 도 12A는 그 위에 마스크(182)(전형적으로 유전성 물질)가 침착되고 패턴화된, 기재 층(104)과 주형 층(108)을 포함하는, 본원에 기재된 것과 같은 주형화된 기판(100)의 사시도이다. 상기 마스크 재료는 주형 층(108)의 나노기둥형 표면 위에 직접, 또는 중간 에피택셜 제III족 질화물 층(184) 위에 침착될 수 있다. 도 12B는 임의의 적합한 기술에 의해 에칭 및 마스크 제거 단계를 수행한 후, 도 12B에 도시된 주형화된 기판(100)의 사시도이다. 화살표로 나타낸 것과 같이, 에피택셜 제 III 군 질화물 재료(184)는 위의 배경 기술 부분에서 나타낸 것들과 같은 다양한 공지의 성장/과성장 기술에 따라 수직으로 및 수평으로 성장할 수 있다.

도 13은 본원에 기재된 것과 같은 주형화된 기판(100)을 사용하여 표준 MOCVD LED 장치(도 11B에 도시된 바와 같음)를 제작하는 데 필요한 더 짧은 시간(실선)을, 종래의 LT 완충물 핵형성 공정을 사용하는 동일한 LED 장치(도 11A에 도시된 바와 같음)를 제작하는 데 필요한 더 긴 시간(점선)과 비교하는 도식적 시간 스케쥴이다. 본원에 개시된 것과 같이 주형 층(108)을 성장시킨 후 LED 장치 성장의 개시는 1302에 나타난다. 종래의 LT 완충물 층을 성장시킨 후 LED 장치 성장의 개시는 1304로 나타나는데, 이는 시간이 훨씬 더 걸린다. 공정 선을 시간의 함수로서 성장 온도로서 플롯한다. 본원에 개시된 공정은 임의의 저온 단계를 필요로하지 않는 것을 알 수 있다. 종래의 LT 완충물 핵형성 공정의 경우 공정 선에서의 우묵한 부분은 LT 핵형성 층의 요구되는 성장에 해당하는데, 이는 그 위에서 LED 장치 구조의 성장을 개시할 수 있기 전에 LT 완충물 구조의 성장을 완료하기 위해 더 긴 시간이 필요하게 하는 원인이 된다.

나타낸 실시예에서, 불순물 또는 도판트가 특정 응용에 필요하거나 원한다면 제III족 질화물 층 내에 도입되거나 그와 함께 침착될 수 있다. 필요하거나 원한다면, N-형, p-형, 반-절연, 절연, 비-극성 또는 반-극성 제III족 질화물 층이 성장될 수 있다.

본 발명의 실시예는 여러가지 구체적인 성장 순서를 사용한다. 이들 구체적인 성장 공정은 예시적인 목적이지 제한적인 의미가 아님이 이해되어야 한다. 실시예에 인용된 성장 조건은 실시예에 사용된 성장 반응기에 대하여 특이적임이 또한 인지되어야 한다. 다른 반응기 디자인 또는 반응기 기하학을 사용할 경우, 유사한 결과를 얻기 위해 상이한 조건을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 일반적인 동향은 여전히 유사하다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 다양한 국면 또는 세부 사항이 변경될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 전술한 설명은 단지 예시의 목적을 위한 것이지 제한의 목적이 아니며 본 발명은 하기 청구항에 의해 정의된다.

Claims

기재 층; 및
상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층을 포함하고, 상기 주형 층은 상기 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하고, 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함하는 것인, 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 기재 층이 사파이어, SiC, 6H-SiC, 4H-SiC, Si, MgAl₂O₄, 및 LiGaO₂로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 기재 층이 0 내지 2°범위의 오프-컷 배향을 포함하는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층의 조성이 GaN 및 AlN으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 주형화된 기판.
제4항에 있어서, 상기 기재 층이 사파이어인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 2 인치 이상의 최대 가로 치수를 포함하는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 부르트자이트 결정성 구조를 포함하는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 10 내지 1000 nm 범위의 두께를 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 나노기둥형 하위층이 1 내지 20 nm 범위의 두께를 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 연속적인 하위층이 제1 두께를 갖고, 상기 나노기둥형 하위층이 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 0.2 내지 10 nm 범위의 표면 조도를 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 0.2 x 10^-2 내지 0.8 x 10^-2 범위의 변형 값을 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 주형 층이 나노기둥형 하위층의 경우 100 내지 500 arcsec 범위, 연속적인 하위층의 경우 500 내지 2500 arcsec의 로킹 곡선 FWHM으로 특징되는 결정 품질을 갖는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 기둥이 실질적으로 원뿔 모양을 갖고 각각의 첨단에서 종결되는 것인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 기둥이 각각의 가로 치수를 갖는 각각의 기둥 바닥을 포함하고, 상기 기둥 바닥의 평균 가로 치수가 10 내지 150 nm 범위인 주형화된 기판.
제1항에 있어서, 상기 기둥이 각각의 높이를 갖고, 기둥의 평균 높이가 1 내지 20 nm 범위인 주형화된 기판.
기재 층;
상기 기재 층 위에 배치되고 단일-결정 제III족 질화물을 포함하는 조성을 갖는 주형 층; 및
나노기둥형 하위층 위에 배치된 제III족 질화물-포함 헤테로구조체를 포함하며,
상기 주형 층은 상기 기재 층 위에 연속적인 하위층 및 상기 제1 하위층 위에 나노기둥형 하위층을 포함하고, 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함하는 것인, 헤테로구조체.
기재 층 위에 진공 증착에 의해 단일-결정 제III족 질화물-포함 주형 층을 성장시키는 것을 포함하고, 상기 성장은
상기 기재 층 위에 연속적인 하위층을 형성하고,
상기 연속적인 하위 층 위에 나노기둥형 하위층을 형성하는 것을 포함하며,
여기서 상기 나노기둥형 하위층은 복수의 나노-규모 기둥을 포함하는 것인,
주형화된 기판의 제작 방법.
제18항에 있어서, 상기 주형 층이 스퍼터링에 의해 성장하는 방법.
제18항에 있어서,상기 주형 층이, 500℃를 초과하는 온도의 혼합-기체 환경에서 달성되는, 1 μm/hr 미만의 성장 속도로 성장하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 연속적인 하위층을 형성하는 것과 나노기둥형 하위층을 형성하는 것이 동일한 성장 온도에서 일어나는 방법.
제18항에 있어서, 상기 주형 층이 10 내지 1000 nm 범위의 두께로 성장하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 나노기둥형 하위층이 1 내지 20 nm 범위의 두께로 형성되는 방법.
제18항에 있어서, 상기 기둥이 실질적으로 원뿔 모양이고 각각의 첨단에서 종결되는 것인 방법.
제18항에 있어서, 상기 기둥이 각각의 가로 치수를 갖는 각각의 기둥 바닥을 포함하고, 상기 기둥 바닥의 평균 가로 치수가 10 내지 150 nm의 범위인 방법.
제18항에 있어서, 상기 기둥이 각각의 높이를 갖고, 상기 기둥의 평균 높이가 1 내지 20 nm의 범위인 방법.
제18항에 있어서, 주형 층이 성장하는 성장 온도, 상기 주형 층이 성장하는 두께의 조절에 의한 기둥의 크기, 및 상기 기재 층의 조성으로 이루어진 군에서 선택된 변수를 조절함으로써 기둥의 크기를 조절하는 것을 더 포함하는 방법.
제18항에 있어서, 주형 층이 성장하는 두께, 기재 층의 오프-컷 배향, 및 기재 층의 조성으로 이루어진 군에서 선택된 변수를 조절함으로써 주형 층의 변형 값을 조절하는 것을 더 포함하는 방법.
제18항에 있어서, 나노기둥형 하위층 위에 제III족 질화물-포함 에피택셜 층을 성장시키는 것을 더 포함하는 방법.
제18항의 방법에 따라 제작된 주형화된 기판.