KR20110093856A - Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안의 보론-함유 화합물들, 가스들 및 유체들의 사용 - Google Patents
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Abstract
Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안에 보론-함유 화합물들, 가스들 및 유체들이 사용된다. 보론-함유 화합물들은 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안에 불순물 게터들로서 사용된다. 또한, 보론-함유 가스 및/또는 초임계 유체는 유체 내로의 Ⅲ족 질화물의 증가된 용해도를 위하여 사용된다.
Description
본 발명은 Ⅲ족 질화물들의 암모노열 성장에 관한 것이다.
<관련출원들에 대한 상호참조>
본 출원은 이하의 동시 계류중(co-pending)이고 공통 양도된(commonly-assigned), 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck) 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,550호의 "Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안의 보론-함유 화합물들, 가스들 및 유체들의 사용(USING BORON-CONTAINING COMPOUNDS, GASSES AND FLUIDS DURING AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.300-US-P1 (2009-288-1)의 미국특허출원의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하고, 상기 출원은 본 명세서의 참조로서 결합된다.
본 출원은 하기의 동시 계류중이고 공통 양도된 미국특허출원들과 관련이 있다:
겐지 후지오(Kenji Fujito), 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2005년7월8일 출원된 PCT특허출원번호 제 US2005/024239호의 "오토클레이브를 이용하여 초임계 암모니아 내에서 Ⅲ족 질화물 결정들을 성장시키는 방법(METHOD FOR GROWING GROUP Ⅲ-NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE)," 대리인 문서 번호 30794.129-WO-01 (2005-339-1)의 미국법 제35호(특허법)제365조(c)에 의거한 이익을 주장하는, 겐지 후지오(Kenji Fujito), 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2007년11월30일 출원된 미국특허출원번호 제11/921,396호의 "오토클레이브를 이용하여 초임계 암모니아 내에서 Ⅲ족 질화물 결정들을 성장시키는 방법(METHOD FOR GROWING GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE)," 대리인 문서 번호 30794.129-US-WO (2005-339-2);
타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 마코토 사이토(Makoto Saito), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2006년4월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제60/790,310호의, "초임계 암모니아 내에서 넓은 표면 면적 갈륨 질화물 결정들을 성장시키는 방법 및 넓은 표면 면적 갈륨 질화물 결정들(A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.179-US-P1 (2006-204)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 마코토 사이토(Makoto Saito), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2007년4월6일 출원된 미국특허출원번호 제11/784,339호의, "초임계 암모니아 내에서 넓은 표면 면적 갈륨 질화물 결정들을 성장시키는 방법 및 넓은 표면 면적 갈륨 질화물 결정들(METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.179-US-U1 (2006-204);
타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 히로시 사토(Hitoshi Sato), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2006년6월21일 출원된 미국임시특허출원번호 제60/815,507호의 "암모노열 성장으로 준비된 N-면 GaN 기판을 이용한 광전자 및 전자 소자들(OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACE GaN SUBSTRATE PREPARED WITH AMMONOTHERMAL GROWTH)," 대리인 문서 번호 30794.184-US-P1 (2006-666) 의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 히로시 사토(Hitoshi Sato), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2007년6월20일 출원된 미국특허출원번호 제11/765,629호의 "암모노열 성장으로 준비된 N-면 또는 M-면 GaN 기판을 이용한 광전자 및 전자 소자들(OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACE OR M-PLANE GaN SUBSTRATE PREPARED WITH AMMONOTHERMAL GROWTH)," 대리인 문서 번호 30794.184-US-U1 (2006-666);
타다오 하시모토(Tadao Hashimoto) 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2007년9월19일 출원된 미국임시특허출원번호 제60/973,662호의, "갈륨 질화물 벌크 결정들 및 그들의 성장 방법(GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD)," 대리인 문서 번호 30794.244-US-P1 (2007-809-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년9월19일 출원된 미국특허출원번호 제12/234,244호의, "갈륨 질화물 벌크 결정들 및 그들의 성장 방법(GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD)," 대리인 문서 번호 30794.244-US-U1 (2007-809);
타다오 하시모토(Tadao Hashimoto)에 의하여 2006년10월25일 출원된 미국임시특허출원번호 제60/854,567호의, "초임계 암모니아 및 질소의 혼합물 내에서 Ⅲ족 질화물 결정들을 성장시키는 방법 및 Ⅲ족 질화물 결정들(METHOD FOR GROWING GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS IN MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN AND GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.253-US-P1 (2007-774)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 타다오 하시모토(Tadao Hashimoto)에 의하여 2007년10월25일 출원된 미국특허출원번호 제11/977,661호의, "초임계 암모니아 및 질소의 혼합물 내에서 Ⅲ족 질화물 결정들을 성장시키는 방법 및 그에 의해 성장한 Ⅲ족 질화물 결정들(METHOD FOR GROWING GROUP Ⅲ-NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN, AND GROUP Ⅲ-NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY)," 대리인 문서 번호 30794.253-US-U1 (2007-774-2);
시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 마코토 사이토(Makoto Saito), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck) 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월5일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/111,644호의 "에치백된 씨드 결정들 상에 성장하고 개선된 결정 품질을 가지는 Ⅲ족 질화물 단결정 및 그 제조 방법(GROUP-Ⅲ NITRIDE MONOCRYSTAL WITH IMPROVED CRYSTAL QUALITY GROWN ON AN ETCHED-BACK SEED CRYSTALS AND METHOD OF PRODUCING THE SAME)," 대리인 문서 번호 30794.288-US-P1 (2009-154-1)의 미국법 제35호(특허법)제365조(c)에 의거한 이익을 주장하는, 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 마코토 사이토(Makoto Saito), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck) 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 본원과 동일자로 출원된 미국특허출원번호 제xx/xxx,xxx호의 "에치백된 씨드 결정들 상에 성장하고 개선된 결정 품질을 가지는 Ⅲ족 질화물 단결정 및 그 제조 방법(GROUP-Ⅲ NITRIDE MONOCRYSTAL WITH IMPROVED CRYSTAL QUALITY GROWN ON AN ETCHED-BACK SEED CRYSTALS AND METHOD OF PRODUCING THE SAME)," 대리인 문서 번호 30794.288-US-U1 (2009-154-2);
데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 마코토 사이토(Makoto Saito), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,555호의, "개선된 순도의 Ⅲ족 질화물 단결정 및 그의 제조 방법(GROUP-Ⅲ NITRIDE MONOCRYSTAL WITH IMPROVED PURITY AND METHOD OF PRODUCING THE SAME)," 대리인 문서 번호 30794.295-US-P1 (2009-282-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 마코토 사이토(Makoto Saito), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 본원과 동일자로 출원된 PCT국제특허출원번호 제PCT/US09/xxxxx호의, "개선된 순도의 Ⅲ족 질화물 단결정 및 그의 제조 방법(GROUP-Ⅲ NITRIDE MONOCRYSTAL WITH IMPROVED PURITY AND METHOD OF PRODUCING THE SAME)," 대리인 문서 번호 30794.295-WO-U1 (2009-282-2);
시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,560호의, "Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장에서 사용하기 위한 반응기 설계들(REACTOR DESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.296-US-P1 (2009-283/285-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 본원과 동일자로 출원된 PCT국제특허출원번호 제PCT/US09/xxxxx호의, "Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장에서 사용하기 위한 반응기 설계들(REACTOR DESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.296-WO-U1 (2009-283/285-2);
시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,552호의, "새로운 용기 설계들 및 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장을 위하여 용기에 대한 소스 물질 및 씨드 결정들의 상대적인 위치들(NOVEL VESSEL DESIGNS AND RELATIVE PLACEMENTS OF THE SOURCE MATERIAL AND SEED CRYSTALS WITH RESPECT TO THE VESSEL FOR THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.297-US-P1 (2009-284-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 본원과 동일자로 출원된 PCT국제특허출원번호 제PCT/US09/xxxxx호의, "새로운 용기 설계들 및 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장을 위하여 용기에 대한 소스 물질 및 씨드 결정들의 상대적인 위치들(NOVEL VESSEL DESIGNS AND RELATIVE PLACEMENTS OF THE SOURCE MATERIAL AND SEED CRYSTALS WITH RESPECT TO THE VESSEL FOR THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.297-WO-U1 (2009-284-2);
시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,558호의, "밀폐된 용기 밖의 수소 확산에 기인한 질소-함유 용제의 분해 및/또는 질량 손실을 오프셋하기 위하여 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안 사용되는 질소-함유 용제에의 수소 및/또는 질소-함유 화합물들의 추가(ADDITION OF HYDROGEN AND/OR NITROGEN CONTAINING COMPOUNDS TO THE NITROGEN-CONTAINING SOLVENT USED DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS TO OFFSET THE DECOMPOSITION OF THE NITROGEN-CONTAINING SOLVENT AND/OR MASS LOSS DUE TO DIFFUSION OF HYDROGEN OUT OF THE CLOSED VESSEL)," 대리인 문서 번호 30794.298-US-P1 (2009-286-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura) 에 의하여 본원과 동일자로 출원된 PCT국제특허출원번호 제PCT/US09/xxxxx호의, "Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안 사용되는 질소-함유 용제에의 수소 및/또는 질소-함유 화합물들의 추가(ADDITION OF HYDROGEN AND/OR NITROGEN CONTAINING COMPOUNDS TO THE NITROGEN-CONTAINING SOLVENT USED DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTALS)," 대리인 문서 번호 30794.298-WO-U1 (2009-286-2); 및
시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2008년11월7일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/112,545호의, "Ⅲ족 질화물 결정의 암모노열 성장 동안 Ⅲ족 질화물 결정의 상이한 노출된 결정학적 파세트들의 상대적인 성장 속도들의 제어(CONTROLLING RELATIVE GROWTH RATES OF DIFERENT EXPOSED CRYSTALLOGRAPHIC FACETS OF A GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTAL DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTAL)," 대리인 문서 번호 30794.299-US-P1 (2009-287-1)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하는, 시다 핌푸트카(Siddha Pimputkar), 데릭 캠버(Derrick S. Kamber), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura) 에 의하여 본원과 동일자로 출원된 PCT국제특허출원번호 제PCT/US09/xxxxx호의 "Ⅲ족 질화물 결정의 암모노열 성장 동안 Ⅲ족 질화물 결정의 상이한 노출된 결정학적 파세트들의 상대적인 성장 속도들의 제어(CONTROLLING RELATIVE GROWTH RATES OF DIFERENT EXPOSED CRYSTALLOGRAPHIC FACETS OF A GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTAL DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-Ⅲ NITRIDE CRYSTAL)," 대리인 문서 번호 30794.299-WO-U1 (2009-287-2).
상기 출원들은 모두 본 명세서에서 참조로서 결합된다.
Ⅲ족 질화물들, 예를 들어, GaN의 암모노열 성장은, Ⅲ족 함유 소스 물질들, Ⅲ족 질화물 씨드 결정들, 및 암모니아와 같은 질소-함유 용제를 반응 용기 내에 위치시키는 단계, 상기 용기를 밀폐하는 단계, 및 증가된 온도들(23℃ 내지 1000℃ 사이) 및 높은 압력들(1 atm 내지, 예를 들어, 30,000 atm 사이)와 같은 조건들로 상기 용기를 가열하는 단계를 포함한다. 이러한 온도들 및 압력들 하에서, 상기 질소-함유 용제는 초임계 유체가 될 수 있고, 상기 Ⅲ족 함유 물질들의 용액 내의 증가된 용해도를 일반적으로 나타낸다. 상기 질소-함유 용제 내의 상기 Ⅲ족 함유 물질들의 용해도는 다른 조건들 중에서 온도, 압력 및 상기 용제의 밀도에 의존한다. 상기 용기 내에 두 개의 다른 영역들을 생성함으로써, 일 영역의 용해도는 다른 영역의 용해도에 비하여 큰 용해도 구배를 구현할 수 있다. 이어서, 상기 Ⅲ족 함유 소스 물질들은 더 높은 용해도 영역 내에 차별적으로 위치하고, 상기 씨드 결정들은 더 낮은 용해도 영역 내에 위치한다. 상기 두 개의 영역들 사이에 용해된 소스 물질들과 함께 상기 용제의 유체 움직임을 구현함으로써, 예를 들어 자연 대류를 사용함에 의하여, 더 높은 용해도 영역에서 상기 씨드 결정들 상에 상기 Ⅲ족 질화물 결정들이 성장하는 더 낮은 용해도 영역으로 유체를 이송할 수 있다.
본 기술 분야에서 요구되는 것은 Ⅲ족 질화물들의 암모노열 성장을 위한 개선된 기술들이다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시킨다.
상술한 바와 같은 종래 기술의 한계들을 극복하기 위하고, 또한 본 발명을 읽고 이해하면 명백하게 되는 다른 한계들을 극복하기 위하여, 본 발명은 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안에 보론-함유 화합물들, 가스들 및 유체들의 사용을 개시한다.
보론-함유 화합물들은 Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안에 불순물 게터들로서 사용된다. 또한, 보론-함유 가스 및/또는 초임계 유체는 상기 유체 내의 소스 물질들의 증가된 용해도를 위하여 사용된다.
동일한 참조 번호들은 전체적으로 상응하는 부분들을 나타내는 도면들을 참조하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 용기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 용기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.
바람직한 실시예의 설명에 있어서, 참조는 본 명세서의 부분을 이루고, 본 발명이 실행되는 특정한 실시예들을 도시하는 방법으로서 참조된 도면들로 구성된다. 다른 실시예들이 사용될 수 있고 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 구조적 변화들이 가능함을 이해하여야 한다.
장치 설명
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 반응 용기(10, vessel)를 포함하는 암모노열(Ammonothermal) 성장 시스템의 개략도이다. 상기 용기는 오토클레이브이고, 리드(lid, 12), 개스킷(gasket, 14), 입구 및 출구 포트(16) 및 외측 히터들/냉각기들(18a, 18b)을 포함할 수 있다. 배플판(baffle plate, 20)은 용기(10)의 내부를 두 영역들(22a, 22b)로 분리하고, 영역들(22a, 22b)은 각각 외측 히터들/냉각기들(18a, 18b)에 의하여 분리되어 가열되거나 및/또는 냉각된다. 상측 영역(22a)은 하나 또는 그 이상의 Ⅲ족 질화물 씨드 결정들(24)을 포함할 수 있고, 하측 영역(22b)은 하나 또는 그 이상의 Ⅲ족 함유 소스 물질들(26)을 포함할 수 있고, 다른 실시예들에서 이들의 위치들은 서로 반대일 수 있다. 씨드 결정들(24) 및 Ⅲ족 함유 소스 물질들(26) 모두는 바스켓들 또는 다른 수납 장치들 내에 포함될 수 있고, 이들은 일반적으로 Ni-Cr 합금으로 구성된다. 용기(10)와 리드(12) 및 다른 구성 요소들은 또한 Ni-Cr계 합금으로 형성된다. 최종적으로, 암모노열 성장을 달성하기 위하여 용기(10)의 내부는 질소-함유 용제(28)로 채워진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 보론-함유 화합물(30)은 또한 용기(10) 내에 도입될 수 있다. 보론-함유 화합물(30)은 용기(10) 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 불순물들(32)에 결합되기 위한 "불순물들 게터(getter)"로서 사용된다. 이러한 결합의 결과는 보론-함유 화합물(30) 및 하나 또는 그 이상의 불순물들(32)로부터의 보론으로 구성된 불순물 화합물(34)이다. 이러한 원소들이 도 1에서는 타원으로 도시되어 있다고 하여도, 보론-함유 화합물(30), 불순물들(32) 및 불순물들 화합물(34)은 임의의 상태, 즉, 초임계(supercritical), 가스, 액체, 또는 고체 상태로 존재할 수 있다.
공정 설명
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 장치를 이용하여 Ⅲ족 질화물 함유 결정을 얻거나 또는 성장시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.
블록(36)은 용기(10) 내에 하나 또는 그 이상의 Ⅲ족 질화물 씨드 결정들(24), 하나 또는 그 이상의 Ⅲ족 함유 소스 물질들(26), 및 질소-함유 용제(28)를 위치시키는 단계를 나타내고, 씨드 결정들(24)은 씨드 결정들 영역(22a 또는 22b이며, 즉, Ⅲ족 함유 소스 물질들(26)을 포함하는 영역(22b 또는 22a)과 반대임) 내에 위치하고, 소스 물질들(26)은 소스 물질들 영역(22b 또는 22a이며, 즉, 씨드 결정들(24)을 포함하는 영역(22a 또는 22b)과 반대임) 내에 위치한다. 씨드 결정들(24)은 Ⅲ족 함유 결정을 포함하고, 소스 물질들(26)은 Ⅲ족 함유 화합물, 순수한 원소 형태의 Ⅲ족 원소, 또는 이들의 혼합물, 즉, Ⅲ족 질화물 단결정, Ⅲ족 질화물 다결정, Ⅲ족 질화물 분말, Ⅲ족 질화물 그래뉼들(granules), 또는 다른 Ⅲ족 함유 화합물을 포함하고, 용제(28)는 초임계(supercritical) 암모니아 또는 전체적으로 또는 부분적으로 초임계 상태일 수 있는 하나 또는 그 이상의 그의 유도체들을 포함한다. 또한, 용기(10) 내에 선택적인 광화제(鑛化劑, mineralizer)가 위치할 수 있고, 상기 광화제는, 광화제를 가지지 않는 용제(28)에 비하여, 용제(28) 내의 소스 물질들(26)의 용해도를 증가시킨다.
블록(38)은 씨드 결정들(24)의 하나 또는 그 이상의 표면들 상에 Ⅲ족 질화물 결정을 성장시키는 단계를 나타내고, 성장을 위한 환경들 및/또는 조건들은 씨드 결정들(24)과 소스 물질들(26) 사이에 온도 구배를 형성하는 것을 포함하고, 상기 온도 구배는 상기 소스 물질들 영역 내에 용제(28) 내의 소스 물질들(26)의 더 높은 용해도 및 상기 더 높은 용해도와 비교하여 상기 씨드 결정들 영역 내의 용제(28) 내의 소스 물질들(26)의 낮은 용해도를 형성한다. 특히, 씨드 결정들(24)의 하나 또는 그 이상의 표면들 상에 Ⅲ족 질화물 결정들을 성장시키는 것은 상기 씨드 결정들 영역과 비교하여 상기 소스 물질들 영역 내에 용제(28) 내의 소스 물질들(26)의 더 높은 용해도를 형성하는, 상기 소스 물질들 영역과 상기 씨드 결정들 영역 사이의 온도 구배를 생성하도록 소스 물질들 영역 온도들 및 씨드 결정들 영역 온도들을 변화시킴에 의하여 발생한다. 예를 들어, 상기 소스 물질들 영역 온도들과 상기 씨드 결정들 영역 온도들은 0℃ 내지 1000℃ 사이의 범위일 수 있고, 상기 온도 구배들은 0℃ 내지 1000℃ 사이의 범위일 수 있다.
블록(40)은 상기 공정에 의하여 생성된 결과물, 즉, 상술한 방법에 의하여 성장한 Ⅲ족 질화물 결정을 포함한다. Ⅲ족 질화물 기판은 상기 Ⅲ족 질화물 결정으로부터 생성될 수 있고, 또한 소자는 상기 Ⅲ족 질화물 기판을 이용하여 생성될 수 있다.
암모노열 성장 동안의 보론-함유 화합물들의 사용
본 발명은 용기의 환경을 변화하도록 도 2의 공정 단계들 동안에 도 1의 용기(10)내에서 보론-함유 화합물들(30) (가스들, 유체들 또는 고체들)을 이용하는 것을 포함한다. 특히, 블록(36)에서 보론-함유 화합물들(30)은 상기 용기 내에 위치하고, 블록(38)에서 Ⅲ족 질화물 결정들(40)의 암모노열 성장 동안에 불순물들(32)에 결합되기 위한 불순물 게터들로서 사용되며, 결과적으로 블록(40) 이전에 또는 그 이후에 용기(10)로부터 제거될 수 있는 불순물들 화합물들(34)을 형성한다. 결과적으로, 보론-함유 화합물들(30)을 가지지 않고 성장한 Ⅲ족 질화물 결정들(40)과 비교하여, 보론-함유 화합물들(30)을 이용하여 성장한 Ⅲ족 질화물 결정들(40)은 더 적은 불순물들을 가진다. 또한, 보론-함유 화합물들(30)은 용제(28) 내의 소스 물질들(26) 및 씨드 결정들(24)의 용해도를 변화시키거나 또는 증가시키도록 사용될 수 있다.
Ⅲ족 질화물 결정들의 암모노열 성장 동안에 불순물 게터들로서 보론-함유 화합물들을 이용함
Ⅲ족 질화물 결정들(40)의 성장 동안에, 도 2의 공정 단계들 이전에 및 그 동안에 밀폐 용기(10) 내의 불순물들(32)의 농도들이 최소한으로 감소되는 것은 피할 수 없다. 용기(10) 내에 불순물들(32)을 감소시키는 하나의 방법은 고순도 라이너 물질들로 용기(10)의 벽들을 라이닝하는 것을 포함한다. 이것이 효과적이라고 하여도, 용기(10)가 증가된 온도들로 가열되는 경우에, 산소, 산소-함유 화합물들, 물, 또는 용기(10) 내의 다른 물질들과 같은 불순물들(32)은 용기(10)의 벽들의 표면들 및 용기(10) 내에 위치한 물질(바스켓들 등과 같은 용기(10)의 다른 영역들(22a, 22b) 내에 사용된 구조적인 구성요소들과 함께 씨드 결정들(24) 및 소스 물질들(26)과 같음)에 부착되고, 용제(18)에 결합된다.
본 발명은 "불순물들 게터들(impurities getters)"과 같은 보론-함유 화합물들(30)을 이용하는 것을 포함한다. 기본적인 개념은 보론은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 가장 두드러지게 산소, 산소 함유 화합물들, 물, 또는 용기(10) 내의 다른 물질들과 같은 불순물들(32)을 가지는 화합물들(34)을 우선적으로 형성할 수 있고, 예를 들어, 보론 산화물 B2O3을 형성하는 것이다. 불순물(32)을 가지는 화합물(34)이 형성되는 경우에는, 용기(10)로부터 제거될 때까지, 밀폐된 용기(10) 내에 그것이 사용되는 기간에 걸쳐서 화합물(34)로 잔존한다.
산소 게터로서 보론을 사용하는 이유는 보론이 우선적으로 형성되는 강한 산화물이기 때문이다. 형성된 산화물은 480℃ 및 1 atm 압력들에서 녹고, 1680℃ 및 1 atm 에서 끓는다. 용기(10) 내의 조건들 하에서, 고상 화합물을 형성할 수 있고 분해되지 않고, 이에 따라 도 2의 공정 단계들 동안에 밀폐된 용기(10) 내에 추가적인 산소 또는 다른 불순물들(32)을 트랩한다.
보론-함유 화합물들(30)의 가능하고 배타적이지 않은 목록은 보란(borane, BH3), 디보란(diborane, B2H6), 보라잔(borazane, BNH6), 보라진(borazine, B3N3H6), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 및 원소 형태의 보론(boron)을 포함한다. 용제(28) 내의 다른 몰분율들로 다양한 보론-함유 화합물들(30)의 조합을 사용하는 것이 더 바람직하고, 다른 유형들의 불순물들(32)을 유인하고 결합하도록 다른 화합물들의 능력을 변화시킬 수 있으므로 질소-함유 및/또는 보론-함유 초임계 유체 또는 가스일 수 있다.
성장 동안에 불순물들(32)에 결합되고 부동태화(즉, 그에 결합되어 유지됨)되는 보론-함유 화합물들(30)의 능력을 결정하기 위한 실험들이 수행되는 것이 요구된다. 한번 검증되면, 크기 증대 이슈들이 요구될 필요가 있고, 이들이 중 가장 큰 것은 가장 안전할 수 있다.
용제 내의 Ⅲ족 함유 소스 물질들의 증가된 용해도를 위한 보론-함유 가스 및/또는 초임계 유체의 사용
무엇보다도, Ⅲ족 질화물 결정들(40)의 성장 속도 및 결정 품질의 개선을 위하여, 용제(28) 내로의 소스 물질들(26)의 용해도가 가장 중요하다. 두 개의 용해도 영역들(22a, 22b) 사이 및 용기(10) 내에서 최적의 조건들이 선택되는 경우에 있어서, 용제(28) 내로의 소스 물질들(26)의 증가된 용해도는 성장 속도들을 증가시킬 수 있고, 결과적인 Ⅲ족 질화물 결정들(40)의 품질을 개선한다.
본 발명에 선행되는 최신 기술은 소스 물질들(26)의 용해도를 증가시키도록 용제(28)에 추가적인 원자들, 분자들, 화합물들 및/또는 화학적인 복합물들을 추가하는 것을 포함한다. 용제(28)에 추가되는 추가적인 원자들, 분자들, 화합물들 및/또는 화학적인 복합물들의 예들은, 종종 광화제들(mineralizers)로 지칭되고, 나트륨과 같은 알칼리 금속들, 아지드화 나트륨(sodium azide)과 같은 알칼리 금속 화합물들 또는 마그네슘과 같은 알칼리토 금속을 포함한다.
본 발명은 질소-함유 용제(28)를 대신하거나 또는 이에 추가하여 보론-함유 가스 또는 유체의 사용을 개시한다. 상기 보론-함유 가스 또는 유체의 목적은 용제(28) 내로의 소스 물질들(26) 및 씨드 결정들(24)의 용해도를 증가시키는 것이다. 또한, 이것은 필요한 광화제의 양을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 더 순수한 Ⅲ족 질화물 결정들(40)을 생성한다.
이러한 방법에서 사용되는 보론-함유 가스들 및 유체들의 가능하고 배타적이지 않은 목록은 보란(borane, BH3), 디보란(diborane, B2H6), 보라잔(borazane, BNH6), 보라진(borazine, B3N3H6), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 및 원소 형태의 보론(boron)을 포함한다. 이들과 다른 보론-함유 화합물들을 히드라진(hydrazine, N2H4), 트리아잔(triazane. N3H5), 테트라잔(tetrazane, N4H6), 트리아젠(triazene, N3H3), 디이민(diimine, N2H2), 질소(N2), 니트렌(nitrene, NH), 및 암모니아(NH3)와 같은 추가적인 질소-함유 화합물들과 함께 사용함에 의하여, 보론과 질소 원자들을 포함하는 초임계 유체 또는 가스를 생성할 수 있다. 보론에 대한 질소의 비율은 0으로부터 100% 바로 아래까지 자유롭게 조절된다. 유체에 질소가 전혀 추가되지 않는 경우도 있고, 이러한 경우에도 잇점이 있을 수 있다. 또한, 초임계 유체 또는 가스를 형성하는 다양한 많은 화합물들, 화학적 복합물들, 및 가스들은 한정되지 않을 수 있다. 다양한 보론-함유 화합물들 및 질소-함유 화합물들의 모든 조합들과 모든 비율들은 용제(28)에 대하여 원하는 특성들을 얻기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 성장 동안에 광화제들로서 사용되는 화합물들의 사용을 통하여 용제(28)에 보론-함유 화합물들의 도입을 개시하고, 이에 따라 추가적으로 용해도를 증가시킨다. 보론-함유 화합물인 광화제의 일 예는 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4)이 있다. 수소화붕소는 예를 들어, Al, Ga, In의 Ⅲ족 금속 이온들과 같은 금속 이온들에 대하여 우수한 리간드인 것이 알려진 바와 같으며, 잇점이 있다. 따라서, 상기 보론-함유 가스 또는 유체는 간단한 보론-함유 및 질소-함유 화합물들의 추가에 의하여 형성될 수 있고, 용해도를 증가시키거나 필요한 경우 임의의 목적을 위한 용기(10) 내의 조건들을 변화시키도록, 원소들의 주기율표로부터 다른 원소들을 포함할 수 있다.
보론-함유 초임계 유체를 사용하는 의도는 무엇보다도, 더 큰 전기 쌍극자, 다른 유전 상수 및/또는 다른 가스 상태 화학이 용제(28) 내로의 소스 물질들(26)의 용해도를 증가시키는 것이다. 또한, 보론-함유 화합물, 또는 원자로서의 보론이 Ⅲ족 질화물 결정들(40)에 결합되는 경우에 있어서, 리튬과 같은 다른 광화제들과 비교하는 경우에 부정적인 효과들을 가지지 않을 수 있다. 이러한 전자 또는 광전자 소자들에 대하여 기판으로서 암모노열로서 성장한 Ⅲ족 질화물 결정들(40)을 사용하는 경우에, 소자 품질, 효율성, 수명을 저하시킬 수 있는 이러한 부정적인 효과들의 예들은, 기판의 변색에 의하여 비의도적으로 광을 흡수하는 것, 유기금속 화학기상증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 수소화 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)와 같은 화학기상증착을 이용하여 새롭게 성장한 에피택셜 층들 내에 광화제 불순물들의 확산되는 것, 또는 절연 또는 반절연 기판들을 요구하는 소자들의 효율을 불량하게 하거나 또는 감소시킬 수 있는 기판의 증가된 전기 전도성을 나타내는 것이며, 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
보론-함유 가스 또는 초임계 유체 내로의 Ⅲ족 함유 소스 물질들의 실제 용해도를 결정하기 위하여, 실험들이 수행될 필요가 있다. 한번 검증되면, 크기 증대 이슈들이 요구될 필요가 있고, 이들이 중 가장 큰 것은 가장 안전할 수 있다. 용액 내로의 Ⅲ족 질화물의 실제 용해도를 결정하기 위하여, 추가적인 실험들이 후속된다. 용해도 곡선들은 다른 온도들 및 압력들에서 형성될 수 있다. 또한, 이에 한정되는 것은 아니지만 알칼리 금속들 및 알칼리토 금속들과 같은 추가적인 광화제 물질들이 용해도를 더 증가시키도록 상기 유체 내에 추가될 수 있다. Ⅲ족 질화물 결정들의 성장을 위하여 최적 조건들을 제공하도록 온도 및 압력에 대하여 최적 조건들이 수립될 수 있다.
결론
이는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 대한 결론이다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 상술한 설명은 이해와 설명을 위한 목적으로서 개시되어 있다. 개시된 정확한 형상으로 본 발명을 배제하거나 한정하려는 목적이 아님을 유의한다. 많은 변형들과 변화들이 상술한 가르침 내에서 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 상세한 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 하기에 첨부된 청구항들에 의하여 한정된다.
10: 고압 반응 용기, 12: 리드, 14: 개스킷, 16: 입구 및 출구 포트
18a, 18b: 히터들/냉각기들, 20: 배플판, 22a: 상측 영역
22b: 하측 영역, 24: 씨드 결정들, 26: Ⅲ족 함유 소스 물질들
28: 질소-함유 용제
18a, 18b: 히터들/냉각기들, 20: 배플판, 22a: 상측 영역
22b: 하측 영역, 24: 씨드 결정들, 26: Ⅲ족 함유 소스 물질들
28: 질소-함유 용제
Claims (15)
- (a) 용기(vessel) 내에 소스 물질들 및 씨드 결정들을 위치시키는 단계;
(b) 상기 소스 물질들을 용해시키는 용제를 상기 용기 내에 채우고, 결정들의 성장을 위하여 용해된 상기 소스 물질들을 상기 씨드 결정들로 이송하는 단계; 및
(c) 결정들의 성장을 위하여, 상기 용기의 환경을 변화시키도록 보론-함유 화합물들을 이용하는 단계;
를 포함하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 소스 물질들은 Ⅲ족 함유 소스 물질들을 포함하고, 상기 씨드 결정들은 Ⅲ족 질화물 씨드 결정들을 포함하고, 상기 용제는 질소-함유 용제를 포함하고, 및 상기 결정들은 Ⅲ족 질화물 결정들을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 보란(borane, BH3), 디보란(diborane, B2H6), 보라잔(borazane, BNH6), 보라진(borazine, B3N3H6), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 및 원소 형태로서 보론(boron)을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 상기 용기 내에 불순물 게터들(getters)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 불순물들은 산소, 산소 함유 화합물들, 물 또는 상기 용기 내의 다른 물질들인 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 상기 용제 내로의 상기 소스 물질들 또는 상기 씨드 결정들의 용해도를 변화시키거나 또는 증가시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 용제는 전체적으로 또는 부분적으로 초임계(supercritical) 상태인 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 방법. - 제 1 항의 방법을 이용하여 성장시킨 결정.
- (a) 소스 물질들과 씨드 결정들을 수용하는 용기를 포함하고,
(b) 상기 용기는 상기 소스 물질들을 용해시키는 용제로 채워지고, 용해된 상기 소스 물질들은 결정들의 성장을 위하여 상기 씨드 결정들로 이송되고, 및
(c) 상기 결정들의 성장을 위하여, 상기 용기의 환경을 변화시키도록 보론-함유 화합물들을 이용하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 소스 물질들은 Ⅲ족 함유 소스 물질들을 포함하고, 상기 씨드 결정들은 Ⅲ족 질화물 씨드 결정들을 포함하고, 상기 용제는 질소-함유 용제를 포함하고, 및 상기 결정들은 Ⅲ족 질화물 결정들을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 보란(borane, BH3), 디보란(diborane, B2H6), 보라잔(borazane, BNH6), 보라진(borazine, B3N3H6), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 및 원소 형태로서 보론(boron)을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 상기 용기 내에 불순물 게터들로서 사용되는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 불순물들은 산소, 산소 함유 화합물들, 물 또는 상기 용기 내의 다른 물질들인 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 보론-함유 화합물들은 상기 용제 내로의 상기 소스 물질들 또는 상기 씨드 결정들의 용해도를 변화시키거나 또는 증가시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 용제는 전체적으로 또는 부분적으로 초임계 상태인 것을 특징으로 하는 결정들을 성장시키는 장치.
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