KR20110129444A - 비극성 또는 반극성 (갈륨, 알루미늄, 인듐, 붕소)질소 기판들 상에 성장한 소자들 - Google Patents

비극성 또는 반극성 (갈륨, 알루미늄, 인듐, 붕소)질소 기판들 상에 성장한 소자들 Download PDF

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로버트 엠. 파렐
마이클 이자
제임스 에스. 스펙
스티븐 피. 덴바아스
슈지 나카무라
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상의 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장 모폴로지를 개선하는 방법을 제공하고, (Ga,Al,In,B)N 박막은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판 또는 템플릿 상에 직접적으로 성장하고, 성장 동안에 이용되는 캐리어 가스의 부분은 불활성 가스를 포함한다. 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들은 본 발명에 따라 성장한 평활한 (Ga,Al,In,B)N 박막들 상에 성장될 수 있다.

Description

비극성 또는 반극성 (갈륨, 알루미늄, 인듐, 붕소)질소 기판들 상에 성장한 소자들{Devices grown on nonpolar or semipolar (Ga,Al,In,B)N substrates}
본 발명은 반도체 물질들, 방법들, 및 소자들 에 관한 것이고, 보다 상세하게는 비극성 또는 반극성 질화물 발광 다이오드들(LED들) 및 다이오드 레이저들의 성장에 관한 것이다.
<관련출원들에 대한 상호참조>
본 출원은 이하의 동시 계류중(co-pending)이고 공통 양도된(commonly-assigned), 로버트 파렐(Robert M. Farrell), 마이클 이자(Michael Iza), 제임스 스펙(James S. Speck), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2009년3월2일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/156,710호의 "(Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법 및 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장한 소자들(METHOD OF IMPROVING SURFACE MORPHOLOGY OF (Ga,Al,In,B)N THIN FILMS AND DEVICES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES)," 대리인 문서 번호 30794.306-US-P1 (2009-429-1); 및
로버트 파렐(Robert M. Farrell), 마이클 이자(Michael Iza), 제임스 스펙(James S. Speck), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 및 수지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2009년6월5일 출원된 미국임시특허출원번호 제61/184,535호의 "(Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법 및 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장한 소자들(METHOD OF IMPROVING SURFACE MORPHOLOGY OF (Ga,Al,In,B)N THIN FILMS AND DEVICES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES)," 대리인 문서 번호 30794.306-US-P2 (2009-429-2)의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장하고, 상기 출원은 본 명세서의 참조로서 결합된다.
(유의 사항: 본 명세서는 명세서의 전체에 걸쳐서 대괄호, 예를 들어 [x] 내에 표시된 하나 또는 그 이상의 참조 번호들에 의하여 표시된 바와 같은 다른 많은 공개 문헌들을 참조한다. 이러한 참조 번호들에 따라서 배열된 다른 공개 문헌들의 목록은 "참조 문헌들"로 표시된 구역에서 찾을 수 있다. 이러한 공개 문헌들 각각은 본 명세서와 참조로서 결합된다.)
갈륨 질화물(GaN)과 (Ga,Al,In,B)N의 합금들의 유용성은 가시 광선 및 자외선 광전자 소자들 및 고출력 전자 소자들의 제조에 대하여 잘 수립되어 있다. 현재의 첨단 기술의 질화물 박막들, 이종 구조체들, 및 소자들은 [0001] 축을 따라서 성장한다. 이러한 막들의 전체 극성은 자발적이고 압전적인 극성(polarization)을 포함하고, 이들은 도 1a에 도시된 바와 같이, 섬유 아연석(wurtzite) 질화물 결정 구조체(102)의 단일의 극성 [0001] 축(100)로부터 시작된다. 질화물 이종 구조체들이 부정규형(pseudomorphically)으로 성장하는 경우에 있어서, 극성 불연속들이 표면들(도 1a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 c-면 표면(104))과 결정(102) 내의 계면에서 형성된다. 이러한 불연속들은 표면들 및 계면들에서 캐리어들의 축적 또는 공핍을 야기하고, 이에 따라 전기장들을 형성한다. 이러한 극성-유도된 전기장들의 정렬이 질화물 박막들과 이종 구조체들의 일반적인 [0001] 성장 방향과 일치되므로, 이러한 장들은 질화물 소자들의 에너지 밴드들을 "기울어지게(tilting)"하는 효과를 가진다.
c-면 섬유 아연석 질화물 양자 우물들에 있어서, "기울어진" 에너지 밴드들은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 전자 파동 함수(106)와 홀 파동 함수(108)을 공간적으로 분리한다. 이러한 공간적인 전하 분리는 발광 파장의 방사성의 전이들과 적색-천이들의 진동 강도를 감소시킨다. 이러한 효과들은 양자구속 스타르크 효과(QCSE)를 나타내며, 질화물 양자 우물들에 대하여 전체적으로 분석되어 있다 [참조 문헌들 5-8]. 추가적으로, 큰 극성-유도된 전기장들은 도판트들과 주입된 캐리어들에 의하여 부분적으로 차단될 수 있고 [참조 문헌들 9, 10], 발광 특성들을 정확하게 조작하기 어렵게 한다.
또한, 부정규형 2축 스트레인은 c-면 섬유 아연석 질화물 양자 우물들 내의 유효 홀 질량을 감소시키는 것에 거의 영향을 주지 않음을 이론적으로 예측하였다 [참조 문헌 11]. 이것은 일반적인 III-V 섬아연석(zinc-blende) InP-계 및 GaAs-계 양자 우물들에 대하여 스타르크 대조이고, 무거운 홀 밴드들과 가벼운 홀 밴드들의 이방성 스트레인-유도 분리는 유효 홀 질량의 상당한 감소를 야기한다. 유효 홀 질량 내의 감소는 일반적인 III-V 섬아연석 InP-계 및 GaAs-계 양자 우물들 내에 임의의 주어진 캐리어 밀도에 대하여 준-페르미(quasi-Fermi) 수준 분리의 실질적인 증가를 야기한다. 준-페르미 수준 분리에서 이러한 증가의 직접적인 결과로서, 광학적 이득을 생성하기 위하여 매우 작은 캐리어 밀도들이 필요하다 [참조 문헌 12]. 그러나, 섬유 아연석 질화물 결정 구조체의 경우에 있어서, 2축 스트레인된 c-면 질화물 양자 우물들 내의 질소 원자들의 육방정 대칭과 작은 스핀-오비트(spin-orbit) 커플링은 무거운 홀 밴드들과 가벼운 홀 밴드들의 무시할 정도의 분리를 생성한다 [참조 문헌 11]. 따라서, 유효 홀 질량은 2축 스트레인된 c-면 질화물 양자 우물들 내에서 유효 전자 질량보다 매우 크며, c-면 질화물 다이오드 레이저들 내에 광학적 이득을 생성하기 위하여 매우 높은 전류 밀도들이 필요하다.
질화물 소자들 내에 극성 효과들을 감소시키는 하나의 시도는 결정의 비극성 면들 상에 소자를 성장시키는 것이다. 이들은 통합적으로 a-면들로 알려진 {11-20} 면들 및 통합적으로 m-면들로 알려진 {10-10} 면들을 포함한다. 이러한 면들은 평면 당 갈륨과 질소 원자들의 동일한 갯수를 포함하고, 전하는 중성이다. 후속의 비극성 층들은, 벌크 결정이 성장 방향을 따라서 극성화되지 않도록, 서로에 대하여 균등하다.
질화물 소자들 내에서 극성 효과들 및 유효 홀 질량들을 감소시키는 다른 시도는 결정의 반극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 용어 "반극성 면(semipolar plane)"은 c-면, a-면, 또는 m-면으로 분류되지 않는 임의의 면을 지칭하도록 사용될 수 있다. 결정학적인 용어들로서, 반극성 면은 밀러 지수 h, i, 또는 k 중 적어도 두 개가 0이 아니고, 밀러 지수 l이 0이 아닌 임의의 면일 수 있다. 후속의 반극성 층들은, 벌크 결정이 성장 방향을 따라서 감소된 극성을 가지도록, 서로에 대하여 균등하다.
스트레인드 c-면 InxGa1-xN 양자 우물들과는 달리, 스트레인드 비극성 또는 반극성 InxGa1-xN 양자 우물들은 무거운 홀 밴드들 및 가벼운 홀 밴드들의 이방성 분리를 나타내고, 이러한 구조체들에 대하여 유효 홀 질량의 감소를 야기하는 것을 예측할 수 있다 [참조 문헌 13]. 압축적으로 스트레인된 InxGa1-xN 양자 우물들에 대한 많은 몸체 광학 이득의 일관성있는 계산들은 피크 이득이 유효 홀 질량 및 순 양자 우물 극성에 매우 민감함을 제안하고, 일반적인 성장 방위와 c-축 사이의 각도가 증가함에 따라, 피크 이득이 급격하게 증가되며, 이에 따라 c-축에 대하여 수직인 성장 방위들(즉, 비극성 면들 상임)에 대하여 최대가 되는 것을 제안한다 [참조 문헌들 14, 15].
최종적으로, 상업적인 c-면 질화물 LED들은 전자발광 (electroluminescence)에서 어떠한 정도의 광학 극성도 나타내지 않는다. 반면, 비극성 또는 반극성 질화물 LED들은 그들의 전자 발광에서 강한 광학 극성을 나타낸다 [참조 문헌들 16-18]. 이러한 광학 극성은 압축적으로 스트레인된 비극성 또는 반극성 InxGa1-xN 양자 우물들 내에 무거운 홀 밴드들과 가벼운 홀 밴드들의 이방성 스트레인-유도 분리에 도움이 될 수 있고, 이에 따라 다른 광학 매트릭스 요소들의 크기에 상당한 불일치들을 야기한다.
그러나, 현재의 최신 기술의 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들은 특이한 표면 모폴로지들 [참조 문헌들 2-4]를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c는 [참조 문헌 2]에서 참조되고, 도 2a 및 도 2b는 각각 m-면 n-형 GaN 막 및 m-면 LED 구조체의 최상 표면을 나타내는 노말스키(Nomarski) 광학 현미경 사진들이고, 피라미드형 힐록들(200)를 나타내고, 도 2c는 높이(h), 폭(w), 및 길이(l)를 가지는 피라미드형 힐록들(200)의 단면을 나타내는 개략도이고, m-면 GaN 막은 온-축 m-면 GaN 기판들에 수직으로 성장한다.
또한, 도 3a 내지 도 3g는 [참조 문헌 2]에서 참조되고, 도 3a는 네 개의 피라미드 표면들(두 개의 a-경사진 표면들(a1, a2) 및 두 개의 c-경사진 표면들(c+, c-))을 나타내는 10 곱하기 10 ㎛2 영역 상에 n-형 GaN 막의 진폭 사진을 나타내고, 상기 피라미드들의 경사 각도들은 a-경사진 피라미드 표면들에 대하여 0.1°이고, c-경사진 피라미드 표면들에 대하여 0.5° 내지 0.6°이고, 도 3b는 m-면 LED 구조체의 진폭 사진을 나타내고, 도 3c 내지 도 3f는 각각 도 3b의 LED 구조체의 c-, a1, a2, 및 c+ 경사진 표면들에 대한 높이 사진들이고, 도 3g는 미세 피라미드들로 데코레이트된 a- 및 c+-경사진 힐록(hillock)을 개략적으로 나타낸다(도 3d, 도 3e, 및 도 3f의 힐록들의 평면도 및 단면도임).
도 4a 및 도 4b는 [참조 문헌 2]에서 참조되고, 다른 미스컷 방향들 및 미스컷 각도들을 가지는 비축(off-axis) 기판들 상에 성장된 m-면 GaN 막들의 노말스키 광학 현미경 사진들이고, 도 4a에서는 a-미스컷 각도들은 0°로부터 0.35°까지 0.1°로 증가되고 0.52°(좌측에서 우측으로)의 범위이고, 도 4b에서는, c-미스컷 각도들은 좌측에서 우측으로 0.01°, 0.45°, 5.4°, 및 9.7°이다.
도 5은 [참조 문헌 3]에서 참조되고, 광학적 차등 콘트라스트 현미경에 의하여 관찰된 레이저 구조체의 에피택셜 성장 이후의 m-면 GaN 기판의 표면 모폴로지를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 [참조 문헌 4]에서 참조되고, 도 6a 및 도 6b는 각각 <0001> 방향을 따라서 0.2° 및 2.2°의 방위들을 가지고 비각(off-angled) 기판 상에 성장된 m-면 GaN의 노말스키 광학 현미경 사진들이다.
더 평활한 비극성 및 반극성 막들을 제공할 필요가 있다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시킨다.
본 발명은 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법 및 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장한 소자들을 제공하는 것이다.
본 발명은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상의 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법을 개시한다. 얻은 평활한 (Ga,Al,In,B)N 박막들은 고성능 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성장을 위한 템플릿으로서 기능할 수 있다. 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 및 수소화물 기상에피택시(HVPE)와 같은 일반적인 기상 에피택시 기술들이 (Ga,Al,In,B)N 박막들을 성장시키도록 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 임의의 다른 적절한 기상 성장 기술에 의한 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장에 동일하게 적용될 수 있다.
비극성 또는 반극성 질화물 박막들의 성장 및 이종 구조체들은 섬유 아연석 질화물 소자 구조체들 내의 극성 효과들을 감소시키고 유효 홀 질량을 감소시키는 수단을 제공할 수 있다. 용어들, "질화물들(nitrides)", "(Ga,Al,In,B)N", 또는 "III-질화물(III-Nitride)"은 GawAlxInyBzN의 구조식을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 반도체들의 임의의 합금 조성을 지칭하고, 여기에서 0≤w≤1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 및 w+x+y+z=1이다. 현재 상업적으로 입수 가능한 LED들 및 다이오드 레이저들은 극성 [0001] c-방향을 따라서 성장한다. 관련된 극성-유도된 전기장들 및 내재적으로 큰 유효 홀 질량은 첨단 기술의 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성능을 저하시킨다. 비극성 또는 반극성 면들 상의 이러한 소자들의 성장은 극성-유도된 전기장들을 감소시키고 유효 홀 질량을 감소시킴에 의하여, 소자 성능을 상당히 개선할 수 있다.
사파이어 상의 c-면 (Ga,Al,In,B)N의 고온 성장에 대하여, 대부분의 그룹들은 캐리어 가스로서 100%의 H2를 사용하는 것을 발표한다. 일반적인 성장 조건들 하에서, 캐리어 가스로서 100%의 H2를 사용하는 것은 최소의 전위 밀도들 및 가장 평활한 에피택셜 표면들을 가지는 c-면 (Ga,Al,In,B)N 에피택셜 층들을 발생시킨다 [참조 문헌 1]. 그러나, 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N의 재성장을 위하여 일반적인 c-면 (Ga,Al,In,B)N 성장 조건들이 사용되는 경우에는, 특이한 표면 모폴로지들이 발생할 수 있다 [참조 문헌들 2-4].
본 발명은 N2 와 같은 불활성 캐리어 가스를 이용하여 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장 모폴로지를 개선하는 방법을 개시한다. 예를 들어, 본 발명은, [참조 문헌들 2-4] 내에서 성장한 막들과 비교하여, 비극성 및 반극성 막들의 표면 평활도를 개선할 수 있다.
개선된 표면 모폴로지는 비극성 또는 반극성 질화물 소자 제조자들에 많은 잇점들을 제공할 수 있고, 상기 잇점들은 주어진 소자 내의 개개의 층들의 두께, 조성, 도핑, 전기적 특성들, 및 발광 특성들의 더 우수한 균일성을 포함하고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 평활한 표면들은 비극성 또는 반극성 질화물 레이저 다이오드들에 특히 유용할 수 있고, 광학적 분산 손실들의 상당한 감소를 제공한다.
따라서, 상술한 바와 같은 한계들을 극복하기 위하고, 본 명세서를 읽고 이해하면 명백하게 될 수 있는 다른 한계들을 극복하기 위하여, 본 발명은 (Ga,Al,In,B)N 박막을 제조하는 방법을 개시하고, 상기 방법은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판 또는 템플릿 상에 직접적으로 (directly on) (Ga,Al,In,B)N 박막을 성장시키는 단계, 및 상기 성장 단계 동안에 캐리어 가스를 이용하는 단계를 포함하고, 상기 캐리어 가스의 적어도 부분은 불활성 가스를 포함한다.
상기 방법은 낮은 지수(low index)의 결정 방위로부터 벗어난 미스컷을 가지는 기판 또는 템플릿을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판 또는 템플릿은 m-면 기판 또는 템플릿일 수 있고, 상기 미스컷은 [000-1] 방향을 향하여 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도를 가질 수 있고, 상기 (Ga,Al,In,B)N 막은 상기 미스컷의 표면 상에 성장될 수 있다.
상기 불활성 가스는 다음의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다: 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 또는 제논(Xe). 상기 캐리어 가스의 부분 또는 100 %는, 예를 들어 불활성 가스일 수 있다.
하나 또는 그 이상의 소자 층들이 상기 막의 최상 표면 상에 증착될 수 있고, 상기 소자 층들은 H2 및/또는 N2를 포함하는 캐리어 가스의 적어도 부분(또는 100%)과 함께 성장할 수 있다. 상기 하나 또는 그 이상의 소자 층들은 상기 소자의 하나 또는 그 이상의 p-형 도핑된 층들을 포함할 수 있고, 상기 p-형 도핑된 층들은 H2를 포함하는 캐리어 가스의 적어도 부분(또는 100%)과 함께 성장될 수 있다.
본 발명은 평평하고 광학적으로 평활한 영역을 가지는 비극성 또는 반극성 면인 최상 표면을 포함하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막을 더 개시하고, 이에 따라 상기 영역은 400 나노미터 내지 600 나노미터 범위의 광 파장들과 함께 광학 현미경을 이용하여 측정되는 바와 같은 인식 가능한 비-평면 표면 기복들 또는 형상들을 가지지 않고, 상기 영역은 상기 최상 표면의 영역 상에 하나 또는 그 이상의 소자 층들의 에피택셜 증착을 위한 기판으로서 사용되도록 충분히 크고, 상기 소자 층들은 20 밀리 암페어(mA)의 구동 전류에서 적어도 2 밀리 와트(milliwatts)의 출력을 가지는 광을 방출한다.
상기 영역은 줄무늬들이 없을 수 있다.
예를 들어, 상기 영역은 적어도 100 평방 마이크로미터일 수 있다. 상기 최상 표면은 100 평방 마이크로미터의 영역에 대하여, 상기 최상 표면에서 Ga, Al, In, B, 및 N 원자들의 직경 차수의 표면 거칠기를 가지고 원자적으로 평활할 수 있다. 상기 최상 표면은 100 평방 마이크로미터의 영역에 대하여, 0.5 nm, 또는 0.25 nm 미만의 제곱 평균(root mean square, RMS)을 가지는 표면 거칠기를 가질 수 있다.
상기 최상 표면은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 내지 도 3f, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6a 및 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 또는 도 9d 내지 도 9f에 도시된 최상 표면에 비하여, 더 평활하고 더 평평할 수 있다. 상기 최상 표면은 8.4 x 102 cm-2 또는 1.1 x 106 cm-2의 밀도, 10 마이크로미터의 크기 및/또는 0.1°의 경사 각도를 가지는 힐록들로 특징되는 표면에 비하여 더 평활할 수 있다. 상기 최상 표면은 도 7d 내지 도 7f, 도 8d 내지 도 8f, 또는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 표면만큼 적어도 평활한 평활도 또는 표면 거칠기를 가질 수 있다.
상기 막은 m-면 기판의 표면 상에 증착될 수 있고, 상기 m-면 기판의 표면은 [000-1] 방향을 따라서 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도를 가지는 미스컷일 수 있다.
상기 막은 m-면 GaN 막일 수 있고, 상기 최상 표면은 상기 m-면 GaN 막의 m-면일 수 있다. 상기 최상 표면의 표면 평활도 또는 거칠기는 전체적으로 성장한 상태 그대로(as-grown)이다. 상기 소자 층들의 최상 표면은 상기 막의 최상 표면만큼 적어도 평활할 수 있다.
개선된 표면 모폴로지는 비극성 또는 반극성 질화물 소자 제조자들에 많은 잇점들을 제공할 수 있고, 상기 잇점들은 주어진 소자 내의 개개의 층들의 두께, 조성, 도핑, 전기적 특성들, 및 발광 특성들의 더 우수한 균일성을 포함하고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 평활한 표면들은 비극성 또는 반극성 질화물 레이저 다이오드들에 특히 유용할 수 있고, 광학적 분산 손실들의 상당한 감소를 야기한다.
본 발명의 어플리케이션들은 고상 프로젝션 디스플레이들, 고해상도 프린터들, 고밀도 광학 데이터 저장 시스템들, 차세대 DVD 플레이어들, 고효율 고상 조명, 광학 감지 어플리케이션들, 및 의료 어플리케이션들을 포함한다.
동일한 참조 번호들은 전체적으로 상응하는 부분들을 나타내는 도면들을 참조하기로 한다.
도 1a는 섬유아연석 질화물 결정 구조체의 개략도이고, 도 1b는 극성-유도된 전기장들에 기인한 압축 스트레인드 InxGa1-xN 양자 우물들 내에 구부러진 밴드를 개략적으로 도시하고, 여기에서 Ec 는 전도 밴드이고 Ev 는 가전자 밴드이다.
도 2a 내지 도 2c, 도 3a 내지 도 3g, 도 4a 내지 도 4b, 도 5, 및 도 6a 및 도 6b는 [참조 문헌들 2-4] 에서 제조한 GaN 막들 및 LED 구조체들의 표면 모폴로지들의 사진들이다.
도 7a 내지 도 7f 및 도 8a 내지 도 8f는 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들 상에 성장한 GaN 박막들의 표면 모폴로지 상의 캐리어 가스 및 미스컷 각도의 효과들을 도시하는 광학 현미경 사진들(125 마이크로미터 (㎛)의 스케일임)을 포함하고, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c는 H2 캐리어 가스를 이용하여 형성한 경우이고, 도 7d 내지 도 7f 및 도 8d 내지 도 8f는 N2 캐리어 가스를 이용하여 형성한 경우이고, 도 7a 및 도 7d는 -0.05° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 도 7b 및 도 7e는 0.45° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 도 7c 및 도 7f는 0.61° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 도 8a 및 도 8d는 1.03° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 도 8b 및 도 8e는 1.88° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 및 도 8c 및 도 8f는 2.30° 미스컷을 가지는 기판 상에 형성한 경우이고, 모든 미스컷들은 [000-1] 방향을 향한다.
도 9a 내지 도 9f는 원자 수준의 표면 모폴로지 상의 [000-1] 미스컷의 효과를 도시하는 10 ㎛ 곱하기 10 ㎛ 원자힘 현미경(AFM) 스캔들을 포함하고, 화살표들은 <0001> 방향을 나타내고, 도 9a 내지 도 9f의 미스컷 각도들은 각각 [000-1]을 향하여 -0.06°, 0.45°, 0.89° 1.88°, 2.30°, 및 3.24°이고, 도 9a 내지 도 9f의 RMS 거칠기는 각각 0.134 nm, 0.176nm, 0.221 nm, 0.620 nm, 0.625 nm 및 1.665 nm이다.
도 10은 [000-1] 미스컷 각도(즉, [000-1] 방향을 향하는 미스컷)의 함수로서의 RMS 거칠기(nm)를 나타내고, 10 마이크로미터(㎛) 스캔 영역에 대하여, 피라미드형 힐록들(정사각형들), 원자적으로 평평한 표면들(원들), 및 측방향 줄무늬들(다이아몬드들)을 발생하는 미스컷 각도들을 나타내고, 각각의 데이터는 3개의 스캔들의 평균이다.
도 11은 본 발명에 따른 LED 소자 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 12는, 300 ㎛ 곱하기 300 ㎛ 크기의 LED들에 대하여, [000-1] 미스컷 각도(즉, [000-1] 방향을 향하는 미스컷)의 함수로서의 출력(밀리 와트, mW)을 나타내는 그래프이고, 데이터는 20 mA 구동 전류에서 수집되고, 각각의 데이터 지점은 3 개의 데이터 지점들의 평균이다.
도 13은 300 ㎛ 곱하기 300 ㎛ 크기의 LED들에 대하여, [000-1] 미스컷 각도(즉, [000-1] 방향을 향하는 미스컷)의 함수로서의 발광(EL) 피크 파장(nm)을 나타내는 그래프이고, 데이터는 20 mA 구동 전류에서 수집되고, 각각의 데이터 지점은 3개의 데이터 지점들의 평균이다.
도 14는 300 ㎛ 곱하기 300 ㎛ 크기의 LED들에 대하여, [000-1] 미스컷 각도(즉, [000-1] 방향을 향하는 미스컷)의 함수로서의 EL FWHM(Full-Width-at-Half-Maximum)(nm)를 나타내는 그래프이고, 데이터는 20 mA 구동 전류에서 수집되고, 각각의 데이터 지점은 3개의 데이터 지점들의 평균이다.
도 15는 [000-1] 미스컷의 함수로서(즉, [000-1] 방향을 향하는 미스컷) 순방향 전압(V)을 도시하는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 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.
개괄
비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 구현은 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 제조에서의 많은 잇점들을 제공한다. 비극성 또는 반극성 면들 상의 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성장은 무거운 홀 밴드들과 가벼운 홀 밴드들의 이방성 스트레인-유도 분리를 통하여 극성-유도된 전기장들을 감소시키고 유효 홀 질량을 감소시킴에 의하여 소자 성능을 상당히 개선할 수 있다. 극성-유도된 전기장들의 감소는 질화물 LED들 내의 방사 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 유사하게, 극성-유도된 전기장들의 감소 및 유효 홀 질량의 감소는 질화물 다이오드 레이저들 내의 광학 이득을 발생하기에 필요한 전류 밀도들을 감소시킬 수 있다. 이는 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들 내의 가열을 상당히 감소시킬 수 있고, 이에 따라 소자 제조자들을 위하여 더 긴 소자 수명과 더 높은 제조 수율을 야기할 수 있다.
그러나, 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장한 (Ga,Al,In,B)N 박막들에서 일반적으로 관찰되는 특이한 표면 모폴로지들을 가지고 [참조 문헌들 2-4], 소자 제조자들이 비극성 또는 반극성 질화물 소자들의 원하는 잇점들을 구현하는 것은 어려울 수 있다. 본 발명은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법을 설명한다. 개선된 표면 모폴로지는 비극성 또는 반극성 질화물 소자 제조자들에게 많은 잇점을 제공할 수 있고, 상기 잇점은 주어진 소자 내의 개개의 층들의 두께, 조성, 도핑, 전기적 특성들, 및 발광 특성들의 더 우수한 균일성을 포함하고, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 상술한 잇점들의 구현을 가능하게 한다.
본 발명의 목적은 개선된 제조성 및 고성능을 가지는 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들을 형성하는 것이다. 제안된 소자들은 다양한 상업적, 산업적, 또는 과학적 어플리케이션들을 위한 광학 소스로서 사용될 수 있다. 이러한 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들은 c-면 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들과 동일한 어플리케이션들에서 유용성을 발견하도록 기대될 수 있다. 이러한 어플리케이션들은 고상 프로젝션 디스플레이들, 고해상도 프린터들, 고밀도 광학 데이터 저장 시스템들, 차세대 DVD 플레이어들, 고효율 고상 조명, 광학 감지 어플리케이션들, 및 의료 어플리케이션들을 포함한다
기술적 설명
본 발명은 불활성 캐리어 가스의 사용에 의한 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상의 (Ga,Al,In,B)N 박막들 및 소자들의 성장 모폴로지를 개선하는 방법을 설명한다. 본 발명은 미쓰비찌 화학사(Mitsubishi Chemical Co., Ltd.)에 의하여 제조된 프리 스탠딩(free-standing) m-면 GaN 기판들 상에 MOCVD에 의하여 성장한 GaN 박막들 및 소자들을 위한 영향들을 실험적으로 나타내었다. 이러한 기판들은 c-방향으로 HVPE에 의하여 성장하였고, m-면 표면을 노출시키도록 슬라이스되었다. m-면 표면이 화학적 및 기계적 표면 처리 기술들에 의하여 준비되었다. 기판들은, 제조자에 의하여 측정되는 바와 같이, 5 x 106 cm-2 미만의 관통 전위 밀도들, 약 1 x 1017 cm-3의 캐리어 농도들, 및 1 nm 미만의 RMS 표면 거칠기를 가진다.
캐리어 가스의 변화 이외에, MOCVD 성장 조건들은 c-면 (Ga,Al,In,B)N 박막들에 일반적으로 사용되는 조건들과 매우 유사하였다. 모든 MOCVD 성장은 대기 압력(atmospheric pressure, AP)에서, 일반적인 V/III 비율들(>3000)에서, 및 일반적인 성장 온도들(>1000 ℃)에서 수행되었다. 트리메틸갈륨(TMGa), 암모니아(NH3), 및 실란(SiH4)은 각각 Ga, N, 및 Si 전구체들로서 사용되었다. 두 개의 GaN 템플릿 성장들은 표면 모폴로지 상의 캐리어 가스의 효과들을 결정하도록 다른 캐리어 가스들과 함께 수행된다. 양 성장들에 대하여, [000-1] 방향으로의 의도된 미스컷(miscut)들의 범위를 가지는 수 개의 프리 스탠딩 m-면 기판들이 MOCVD 반응기 내로 동시에 장입되었다. NH3 및 캐리어 가스를 포함하는 분위기에서 샘플들을 성장 온도까지 올린 후에, 약 10 ㎛ 두께의 Si-도핑된 GaN 박막들이 상기 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들의 상측 상에 성장되었다. 상기 GaN 박막들은, 저온 GaN 핵생성층을 사용하지 않고, 상기 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들의 최상측 상에 직접적으로 고온에서 성장하였다. 성장하는 과정 중에, 모든 캐리어 가스들과 전구체들은 균일한 유동 속도들을 유지하였다. 최종적으로, 상기 GaN 박막들의 성장의 결과로서, 샘플들은 샘플들은 NH3 및 N2을 포함하는 환경에서 상온으로 온도가 감소되었다.
도 7a 내지 도 7f 및 도 8a 내지 도 8f는 각각 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들 상에 성장한 GaN 박막들(700a, 700b, 700c, 700d, 700e, 700f, 800a, 800b, 800c, 800d, 800e, 800f)의 표면 모폴로지 상의 캐리어 가스 및 미스컷 각도의 효과들을 도시하는 광학 현미경 사진들을 포함한다. 개시된 각도들은 [000-1] 방향을 향하는 기판들의 미스컷에 상응한다. 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c에 도시된 샘플들(700a-c 및 800a-c) 각각은(전체로 6 샘플들임), MOCVD 반응기 내로 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들을 동시에 장입하고, 100% H2 캐리어 가스와 함께 GaN 막들(700a-700c 및 800a-800c)을 성장시킴에 의하여 제조되었고, 반면 도 7d 내지 도 7f 및 도 8d 내지 도 8f에 도시된 샘플들(700d-700f 및 800d-800f) 각각은(전체로 6 샘플들임), MOCVD 반응기 내로 프리 스탠딩 m-면 GaN 기판들을 동시에 장입하고, 100% N2 캐리어 가스와 함께 GaN 막들(700d-700f 및 800d-800f)을 성장시킴에 의하여 제조되었다. 사진들로부터 볼 수 있는 바와 같이, 캐리어 가스의 선택은 표면 모폴로지의 상당한 효과를 나타냈다. 0.61°(도) 미만의 작은 [000-1] 미스컷 각도를 가지는 샘플들(700a-700f)에 대하여, H2 캐리어 가스의 사용은 각각 상대적으로 크고 연속적인 피라미드형 힐록들(704a, 704b, 704c)을 가지는 표면들(702a, 702b, 702c)을 형성하고 [참조 문헌 2], 반면 N2 캐리어 가스의 사용은 각각 공간적으로 분리되고 중간 크기의 피라미드형 힐록들(706, 708, 710)과 각각 매우 작은 힐록들(712, 714, 716)을 가지는 표면들(702d, 702e, 702f)을 형성하고, 이들은 상기 표면들 사이의 영역을 데코레이팅(decorating)한다. 더 큰 [000-1] 미스컷 각도들에 대하여, H2 캐리어 가스의 사용은 각각 매우 거친 슬레이트형(slate-like) 모폴로지(804a, 804b, 804c)를 가지는 표면들(802a, 802b, 802c)을 형성하고, 반면 N2 캐리어 가스의 사용은 인식 가능한 표면 형상들을 가지지 않고(예를 들어 표면들(802d-802f)의 영역(806) 상에) 광학적으로 평활한 표면들(802d, 802e, 802f)을 형성한다.
도 9a 내지 도 9f는 GaN 막들(902a, 902b, 902c, 902d, 902e, 902f)의 원자 수준의 표면 모폴로지(900a, 900b, 900c, 900d, 900e, 900f) 상의 [000-1] 미스컷 효과를 도시하는 10 ㎛ 곱하기 10 ㎛ AFM 스캔들을 각각 포함한다. 피라미드형 힐록들 존재하는 샘플들에 있어서, AFM 데이터는 [000-1] 방향에 대면하는 피라미드형 파세트(facet)로부터 수집되었고, 이것은 검토되는 미스컷의 방향이기 때문이다. 약 1.5°에 비하여 작은 [000-1] 미스컷 각도들을 가지는 기판들 상의 막들(902a-902c)에 대하여, 샘플 표면(900a-c)은 원자-수준의 크기에서 매우 평활함을 발견하였다. 그러나, 약 1.5°에 비하여 큰 [000-1] 미스컷 각도들을 가지는 기판들 상의 막들(902d-902f)에 대하여, 표면 모폴로지(900d-900f)는 고밀도의 측방향 줄무늬들(904, 906, 908)에 의하여 주도된다.
도 10은 [000-1] 미스컷 각도의 함수로서 RMS 거칠기를 도시한다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 RMS 거칠기는 1.5° 보다 큰 [000-1] 미스컷 각도들에 대하여 급격하게 증가되고, 이는 측방향 줄무늬들(904, 906, 908)의 고밀도에 대부분 기인한다. 그러나, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 0.61° 미만의 [000-1] 미스컷 각도를 가지는 샘플들(700a-700f)은, 원자 수준의 평활도에도 불구하고, 고밀도의 피라미드형 힐록들(704a, 704b, 704c, 706, 708, 710, 712, 714, 716)로 덮였다. 이러한 이유로서, 본 발명은, m-면 성장을 위한 광학 [000-1] 미스컷 각도는 0.75° 내지 1.5° 범위 내에 있음을 결론짓는다.
도 11에 도시된 바와 같이, 평활한 MOCVD-성장된 GaN 막들(예를 들어, 800d-800f)이 나타난 이후에, (Ga,Al,In,B)N 레이저 구조체들은, 고품질 (Ga,Al,In,B)N 소자들을 성장을 위한 베이스로서 평활한 템플릿들로서 막들의 실행 가능성을 구현하도록, GaN 막들의 상측 상에 성장하였다.
소자(1100) 성장에 대하여, [000-1] 방향으로 (비극성 면, 예를 들어, m-면(1106)에 대하여) 각도(1104)를 가지는 의도적인 미스컷들의 범위를 가지는 수 개의 MOCVD-성장한 GaN 템플릿들(1102)이 MOCVD 반응기로 동시에 장입되었다. NH3 및 캐리어 가스를 포함하는 분위기에서 샘플들을 성장 온도까지 올린 후에, 약 2 ㎛ 두께(1110)의 Si-도핑된 GaN 박막들(1108)이 100% N2 캐리어 가스의 GaN 템플릿들(1102)의 상측 상에 성장되었다. Si-도핑된 GaN 층들(1108)의 성장 후에, 8 nm 두께(1114)를 가지는 InGaN 우물들(1116)과 8 nm 두께(1118a, 1118b)를 가지는 GaN 배리어들(1120a, 1120b)을 가지는 5 주기 다중 양자 우물(MQW)(1112)이 100% N2 캐리어 가스 내에 성장되었다. 이어서, 15 nm 두께(1122)의 Mg-도핑된 p-AlGaN 전자 차단층(1124)이 100% N2 캐리어 가스 내에서 성장되었다. 최종적으로, 750 nm 두께(1126)의 Mg-도핑된 p-GaN 층(1128) 및 20 nm 두께(1130)의 Mg-도핑된 p++-GaN 콘택층(1132)이 100% H2 캐리어 가스 내에서 성장되었다. p-GaN(1128) 및 p++-GaN 콘택층들(1132)이 100% H2 캐리어 가스 내에서 성장되었다고 하여도, 최종 에피택셜 표면들(1134, 1136)은 100% N2 캐리어 가스 내에 성장된 하측의 (Ga,Al,In,B)N 층들(1108, 1116, 1120a, 1120b, 1124)의 표면들(1138, 1140a, 1140b, 1140c, 1142)에 대하여 평활한 모폴로지를 유지하였다. 미스컷은 표면(1146)을 가진다.
MOCVD 성장에 후속하여, 레이저 구조체들(1100)은 200/3000Å의 Pd/Au p-콘택들을 가지는 300 ㎛ 곱하기 300 ㎛ LED들 내로 제조되었다. 모든 측정들은 20 mA의 주입 전류에서 웨이퍼 상에 대한 프로빙에 의하여 수행되었다. 직류(dc) 조건들 하에서 상대적인 광학 전력 측정들이 눈금된 넓은 영역 실리콘 포토다이오드 상으로 GaN 기판들(1102)을 통하여 후측(1144) 발광으로부터 얻었다. 도 12 내지 도 15는 템플릿 미스컷의 함수로서 레이저 구조체들의 전기적 및 광학 특성들을 종합한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 템플릿 미스컷의 증가와 함께 상대적인 광학 출력은 약간 감소하였다. 그러나, 출력에서의 이러한 측정된 감소는 템플릿 방위의 증가와 함께 표면 거칠기의 감소에 의하여 추출 효율의 감소에 기인할 수 있다. 도 13 및 도 14는 템플릿 미스컷(1104)의 함수로서 EL 스펙트럼을 종합한다. 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, EL 피크 파장 및 EL FWHM 모두는 템플릿 미스컷의 증가와 함께 매우 균일하였다. 최종적으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 20 mA에서의 순방향 전압은 미스컷 각도의 증가와 함께 상대적으로 낮고 균일하게 유지된다.
본 발명의 일 실시예는 프리 스탠딩 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N 박막들을 성장시키는 단계를 포함한다. 그러나, 본 발명의 범위는 모든 가능한 이종 기판들의 모든 가능한 결정 방위들로 성장한 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들을 또한 포함한다.
공정 단계들
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자(예를 들어 (Ga,Al,In,B) 막)을 제조하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 상기 방법은 하기의 단계들을 포함할 수 있다.
블록(1600)은 낮은 지수의 결정 방위로부터 벗어난 미스컷을 가지는 비극성 또는 반극성 기판 또는 템플릿을 제공하는 단계를 나타낸다. 예를 들어, 기판 또는 템플릿(1102)은 일반적으로 [000-1] 방향을 향하여 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도(1104)를 가지는 미스컷을 가지는 m-면 기판 또는 템플릿일 수 있다(상기 미스컷은 일반적으로 크기, 방향 및 표면(1146)을 가짐). 상기 기판은 (Ga,Al,In,B)N 기판일 수 있고, 예를 들어, 프리 스탠딩 (Ga,Al,In,B)N 기판일 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 기판은 두꺼운 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 층으로부터 이종 기판을 제거함에 의하여, 또는 벌크 (Ga,Al,In,B)N 잉곳 또는 보울(boule)을 개개의 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들로 절단함에 의하여 생성될 수 있다. 상기 템플릿은 (Ga,Al,In,B)N 템플릿일 수 있고, 예를 들어, 이종 기판 상에 위치할 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 템플릿은, 예를 들어 에피택셜 측방향 과성장(epitaxial lateral overgrowth, ELO)에 의하여 성장할 수 있다.
블록(1602)은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판 또는 템플릿 상에 (예를 들어, 직접적으로) (Ga,Al,In,B)N 막(예를 들어, 박막)을 성장시키는 단계를 나타낸다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 막(1108)은 상기 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판 또는 템플릿(1102)의 표면(예를 들어, 표면(1146)을 가지는 미스컷) 상에 위치할 수 있다.
블록(1604)은 블록(1102)의 성장 단계 동안에 캐리어 가스를 이용하는 단계를 나타내고, 성장 동안에 사용된 상기 캐리어 가스의 적어도 부분은 불활성 가스를 포함한다. 상기 불활성 가스는 N2, He, Ne, Ar, Kr, 및/또는 Xe를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 가스의 100 %는, 예를 들어 불활성 가스일 수 있다.
상기 캐리어 가스의 조성, 및/또는 방향 및/또는 상기 미스컷의 크기는, (Ga,Al,In,B)N 박막 및/또는 임의의 후속 층들의 하기의 특성들 중의 적어도 하나에 영향을 주도록 선택될 수 있다: 표면 모폴로지, 성장 속도, 합금 조성, 발광 특성들, 및 전기적 특성들임.
상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은 다양한 또는 등급된(graded) 조성들을 가지는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은, 예를 들어 Ga-극성 면 또는 N-극성 면 상에 성장할 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은 Fe, Si, Zn, 및/또는 Mg와 같은 원소들로 도핑될 수 있다. 그러나, 상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은 의도적으로 또한 도핑되지 않을 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은 핵생성층 또는 버퍼층을 포함할 수 있다.
블록(1606)은 이전의 단계들에 의하여 제조된 막을 나타낸다. 상기 (Ga,Al,In,B)N 박막은, 예를 들어 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 유기금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 및/또는 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)와 같은 후속 성장을 위한 기판으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 블록(1606)의 막(1108)은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막일 수 있고, 상기 막은 평평하고 광학적으로 평활한 영역을 가지는 비극성 또는 반극성 면인 최상 표면(1138)을 포함하고, 상기 영역은 400 나노미터 내지 600 나노미터 범위의 광 파장들과 함께 광학 현미경을 이용하여 측정되는 바와 같은 인식 가능한 비-평면 표면 기복들(undulation) 또는 형상들(200, 704a-c, 706, 708, 710, 712, 714, 716)을 가지지 않고, 상기 영역은 최상 표면(1138)의 영역 상에 하나 또는 그 이상의 소자 층들(1112, 1116, 1124, 1128, 1132)의 에피택셜 증착을 위한 기판으로서 사용되도록 충분히 크고, 소자 층들(1116)은 20 밀리 암페어의 구동 전류에서 적어도 2 밀리 와트의 출력을 가지는 광을 방출한다. 상기 영역은, 예를 들어 적어도 100 평방 마이크로미터에 대하여, 도 8d 내지 도 8f에 도시된 표면(802d-f)의 영역(806)일 수 있고, 또는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 표면 모폴로지(900a-c)의 영역일 수 있다.
최상 표면(1138)은, 100 평방 마이크로미터의 영역에 대하여, 최상 표면(1138)에서 Ga, Al, In, B, 및 N 원자들의 직경 차수의 표면 거칠기를 가지고 원자적으로 평활할 수 있다. 상기 영역은 줄무늬들, 예를 들어 측방향 줄무늬들(904, 906, 908)을 갖지 않을 수 있다. 최상 표면(1138)은, 예를 들어 100 평방 마이크로미터의 영역에 대하여, 0.5 nm, 또는 0.25 nm 미만의 RMS를 가지는 표면 거칠기를 가질 수 있다.
막(1108)은 m-면 기판(1102)의 표면(1146) 상에 증착될 수 있고, 표면(1146)은 [000-1] 방향을 향하여 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도(1104)를 가지는 상기 m-면 기판의 미스컷일 수 있다.
최상 표면(1138)은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 내지 도 3f, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6a 및 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 및/또는 도 9d 내지 도 9f에 도시된 최상 표면에 비하여, 더 평활하고 더 평평할 수 있다. 예를 들어, 최상 표면(1138)은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 내지 도 3f, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6a 및 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 또는 도 9d 내지 도 9f에 도시된 표면들에 비하여, 평평한 표면(204, 1138, 800d-800f)(예를 들어, 상기 인식 가능한 구조체들은 피라미드형 구조체들(200), 힐록들, 형상들, 표면 기복들, 또는 표면 줄무늬들일 수 있음)에 대하여 경사진 표면들(202)을 가지는 덜 인식 가능한(또는 더 작은 밀도임) 구조체들(200)을 가질 수 있다. 평평한 표면(204, 1138)은 전체적으로 기판 표면(1146)과 실질적으로 평행하다.
최상 표면(1138)은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 내지 도 3f, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6a 및 도 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 및/또는 도 9d 내지 도 9f에 도시된 표면 기복들 또는 피라미드형 힐록들에 비하여, 더 작은 크기의 표면 기복들, 형상들, 또는 피라미드형 힐록들을 가질 수 있다. 예를 들어, 최상 표면(1138)은 막의 최상 표면에 비하여 더 평활하거나 또는 더 작은 표면 거칠기를 가질 수 있고, 미스컷 각도(1104)는 [000-1] 방향으로부터 0.75°보다 작을 수 있고, 또는 [000-1] 방향으로부터 1.50°보다 클 수 있다.
최상 표면(1138)은 8.4 x 102 cm-2 또는 1.1 x 106 cm-2의 밀도, 10 마이크로미터의 크기 및/또는 0.1°의 경사 각도를 가지는 피라미드형 힐록들로 특징되는 표면에 비하여 더 평활하고 또한 평평할 수 있다. 예를 들어, 최상 표면(1138)은 도 7d 내지 도 7f, 도 8d 내지 도 8f, 및/또는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 표면(702d-702f, 802d-802f, 900a-900c)만큼 평활한 평활도(smoothness) 또는 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다.
상기 막은 m-면 GaN 막일 수 있고, 최상 표면(1138)은 GaN의 m-면일 수 있다. 표면 처리들(예를 들어, 연마/세정)이 성장에 후속하여 수행된다고 하여도, 상기 최상 표면의 상술한 바와 같은 평활도 또는 표면 거칠기는 성장한 상태 그대로(as-grown)일 수 있다(즉, 성장으로부터 직접적인 결과임).
블록(1608)은 블록(1606)의 막의 최상 표면(1138) 상에 하나 또는 그 이상의 소자 층들(1112, 1124, 1128, 1132)을 증착하는(예를 들어, 성장시키는) 단계를 나타낸다. 소자 층들(1112, 1124, 1128, 1132)은 H2를 포함하는 캐리어 가스의 적어도 부분(또는 100%)과 함께 성장할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 소자 층들(1112, 1124, 1128, 1132)은, H2를 포함하는 캐리어 가스의 적어도 부분(또는 100%)과 함께 성장할 수 있는, 하나 또는 그 이상의 p-형 도핑된 층들(1124, 1128, 1132)을 포함할 수 있다. 소자 층들(1112, 1124, 1128, 1132)은 막(1108)의 최상 표면(1138)만큼 적어도 평활한 최상 표면(1134, 1136, 1140c)을 가질 수 있다.
블록(1610)은 상술한 단계들의 결과물을 나타내고, 예를 들어 비극성 또는 반극성 LED, 레이저, 또는 트랜지스터와 같은 소자(예를 들어, 광전자 소자)이다.
가능한 변형들
또한, 성장 온도, 성장 압력, V/III 비율, 전구체 유동들 및 소스 물질들과 같은 MOCVD 성장 조건들의 변형들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 가능하다. 계면 품질의 제어는 공정에서 중요한 요소이고, 특정한 반응기 설계들의 유동 스위칭 능력에 직접적으로 관련된다. 성장 조건들의 계속되는 최적화는 상술한 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 더 정밀한 조성 제어와 두께 제어를 가능하게 한다.
상술한 비극성 GaN 박막들의 표면 모폴로지는 100% N2 캐리어 가스 내에 막들을 성장시킴에 의하여 개선되었다. 그러나, 본 발명의 범위는 임의의 캐리어 가스 내에서 비극성 또는 반극성 질화물 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장을 또한 포함하고, 상기 캐리어 가스의 부분은 불활성 가스를 포함한다. 상기 불활성 가스는 N2, He, Ne, Ar, Kr, 및/또는 Xe를 포함할 수 있다. 이러한 캐리어 가스들의 사용 및 본 명세서에 개시되지 않은 다른 가스들의 사용은 본 발명의 범위에 포함된다.
상술한 박막들은 프리 스탠딩 비극성 GaN 기판들 상에 직접적으로 성장한 단일의 균일하고 연속적인 GaN의 층들을 포함한다. 그러나, 본 발명의 범위는 다양한 또는 등급된 조성들을 가지는 복수의 층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 박막들을 또한 포함한다.
또한, 추가적인 불순물들 또는 도판트들이 본 발명에서 설명된 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들 내로 결합될 수 있다. 예를 들어, Fe, Mg, Si, 및 Zn은 질화물 이종 구조체들의 다양한 층들로 종종 추가되어, 이러한 층들 및 인접하는 층들의 도전 특성들을 변화시킨다. 이러한 도판트들 및 본 명세서에 개시되지 않은 다른 원소들의 사용은 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 기술적 설명에서 언급한 단지 하나의 비극성 방위 (m-면) 이상을 포함한다. 또한, 이러한 사상은 질화물-계 반도체 소자들의 성장을 위하여 사용될 수 있는 모든 비극성 및 반극성 면들에 관련된다. 용어 "비극성 면(nonpolar plane)"은 통합적으로 a-면들로 알려진 {11-20} 면들 및 통합적으로 m-면들로 알려진 {10-10} 면들을 포함할 수 있다. 용어 "반극성 면(semipolar plane)"은 c-면, a-면, 또는 m-면으로 분류되지 않는 임의의 면을 지칭하도록 사용될 수 있다. 결정학적인 용어들로서, 반극성 면은 밀러 지수 h, i, 또는 k 중 적어도 두 개가 0이 아니고, 밀러 지수 l이 0이 아닌 임의의 면일 수 있다.
또한, 본 발명은 특정한 결정 극성들의 선택을 포함한다. 본 명세서에서 중괄호 {}의 사용은 대칭적으로 균등한 면들의 군을 지칭한다. 따라서, {10-12} 군은 (10-12), (-1012), (1-102), (-1102), (01-12), 및 (0-112) 면들을 포함한다. 이러한 면들의 모두는 Ga-극성이고, 기판으로부터의 결정의 c-축 지점들을 의미한다. 이와 유사하게, {10-1-2} 군은 (10-1-2), (-101-2), (1-10-2), (-110-2), (01-1-2), 및 (0-11-2) 면들을 포함한다. 이러한 면들 모두는 N-극성이고 기판을 향하는 결정의 c-축 지점들을 의미한다. 극성의 선택이 성장 공정의 거동에 영향을 미칠 수 있다고 하여도, 단결정 군 내의 모든 면들은 본 발명의 목적들을 위하여 균등하다. 일부의 어플리케이션들에 있어서, N-극성 반극성 면들 상에 성장이 바람직할 수 있고, 다른 경우에는, Ga-극성 면들이 바람직할 수 있다. 양 극성들은 본 발명의 실행에 적용가능하다.
또한, 프리 스탠딩 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들과는 다른 기판들이 (Ga,Al,In,B)N 박막 성장을 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 범위는 가능한 모든 이종 기판들의 가능한 모든 결정 방위들 상에 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장을 포함한다. 이러한 이종 기판들은 실리콘 탄화물, 갈륨 질화물, 실리콘, 아연 산화물, 보론 질화물, 리튬 알루미늄화물, 리튬 니오브화물, 게르마늄, 알루미늄 질화물, 리튬 갈라이트(lithium gallate), 부분적으로 치환된 스피넬들(spinels), 및 -LiAlO2 구조체를 공유하는 4원계 정방정계 산화물들을 포함하고, 이에 한정되는 것을 아니다.
또한, 비극성 또는 반극성 질화물 핵생성 (또는 버퍼) 층들 및 핵생성층 성장 방법들의 변형들은 본 발명의 실행에서 허용될 수 있다. 상기 핵생성층들의 성장 온도, 성장 압력, 방위, 및 조성은 후속의 비극성 또는 반극성 박막들 및 이종 구조체들의 성장 온도, 성장 압력, 방위, 및 조성과 일치할 필요가 없다. 본 발명의 범위는 가능한 모든 핵생성층들 및 핵생성층 성장 방법들을 이용하여 가능한 모든 기판들 상에 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장을 포함한다.
상술한 비극성 GaN 박막들은 프리 스탠딩 비극성 GaN 기판들 상에 성장하였다. 그러나, 본 발명의 범위는 에피택셜 측방향 과성장한(ELO) (Ga,Al,In,B)N 템플릿들 상에 성장한 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들을 또한 덮는다. 상기 ELO 기술은 후속의 에피택셜 층들 내에 관통 전위들(threading dislocation, TD)의 밀도를 감소시키는 방법이다. 상기 TD 밀도를 감소시키는 것은 소자 성능을 개선할 수 있다. c-면 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들에 대하여, 이러한 개선들은 증가된 출력, 증가된 내부 양자 효율들, 더 긴 소자 수명, 및 감소된 문턱 전류 밀도를 포함할 수 있다 [참조 문헌 19]. 이러한 잇점들은 ELO 템플릿들 상에 성장한 모든 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들에 관련될 수 있다.
상술한 기술적 설명에서, c-방향으로 HVPE에 의하여 성장하고 이어서 m-면 표면을 노출하도록 슬라이스되는, 프리 스탠딩 비극성 GaN 기판들 상에 비극성 GaN 박막들의 성장이 논의되었다. 또한, 프리 스탠딩 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들은, 두꺼운 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 층로부터 이종 기판을 제거함에 의하여, 벌크 (Ga,Al,In,B)N 잉곳 또는 보울(boule)을 개개의 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들로 절단함에 의하여, 또는 다른 임의의 가능한 결정 성장 또는 웨이퍼 제조 기술들에 의하여 생성될 수 있다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 결정 성장 방법들 및 웨이퍼 제조 기술들에 의하여 형성된 모든 가능한 프리 스탠딩 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들 상에 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장을 포함한다.
장점들 및 개선점들
존재하는 실행은 극성 [0001] c-방향을 따라서 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들을 성장시키는 것이다. 관련된 극성-유도된 전기장들 및 내재적으로 큰 유효 홀 질량은 첨단 기술의 c-면 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성능을 저하시킨다. 비극성 또는 반극성 면들 상의 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성장은 극성 효과들을 감소시키고 유효 홀 질량을 감소시킴에 의하여, 소자 성능을 상당히 개선할 수 있다.
본 발명은 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상의 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 표면 모폴로지를 개선하는 방법을 개시한다. 이러한 평활한 (Ga,Al,In,B)N 박막들은 고성능 비극성 또는 반극성 질화물 LED들 및 다이오드 레이저들의 성장을 위한 템플릿으로서 기능할 수 있다. 사파이어 상의 c-면 (Ga,Al,In,B)N의 고온 성장을 위하여, 대부분의 그룹들은 캐리어 가스로서 100%의 H2를 사용하는 것을 발표한다. 일반적인 성장 조건들 하에서, 캐리어 가스로서 100%의 H2를 사용하는 것은 최소의 전위 밀도들 및 가장 평활한 에피택셜 표면들을 가지는 c-면 (Ga,Al,In,B)N 에피택셜 층들을 발생시킨다 [참조 문헌 1]. 그러나, 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N의 재성장을 위하여 일반적인 c-면 (Ga,Al,In,B)N 성장 조건들이 사용되는 경우에는, 특이한 표면 모폴로지들이 발생할 수 있다 [참조 문헌들 2-4]. 본 발명은 N2 와 같은 불활성 캐리어 가스를 이용하여 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 성장 모폴로지를 개선하는 방법을 개시한다.
개선된 표면 모폴로지는 비극성 또는 반극성 질화물 소자 제조자들에 많은 잇점들을 제공할 수 있고, 상기 잇점들은 주어진 소자 내의 개개의 층들의 두께, 조성, 도핑, 전기적 특성들, 및 발광 특성들의 더 우수한 균일성을 포함하고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 평활한 표면들은 비극성 또는 반극성 질화물 레이저 다이오드들에 특히 유용할 수 있고, 광학적 분산 손실들의 상당한 감소를 야기한다.
본 발명의 어플리케이션들은 고상 프로젝션 디스플레이들, 고해상도 프린터들, 고밀도 광학 데이터 저장 시스템들, 차세대 DVD 플레이어들, 고효율 고상 조면, 광학 감지 어플리케이션들, 및 의료 어플리케이션들을 포함한다.
참조 문헌들
하기의 참조 문헌들은 본 명세서에 참조로서 결합된다.
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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.
1100: 소자, 1102: GaN 템플릿들, 1106: m-면,
1108: Si-도핑된 GaN 박막들, 1112: 다중 양자 우물,
1116: InGaN 우물들, 1120a, 1120b: GaN 배리어들,
1128: Mg-도핑된 p-GaN 층, 1132: p++-GaN 콘택층들,
1134, 1136: 에피택셜 표면들

Claims (20)

  1. 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판 또는 템플릿 상에 직접적으로(directly on) (Ga,Al,In,B)N 막을 성장시키는 단계; 및
    상기 성장 단계 동안에 캐리어 가스를 이용하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 캐리어 가스의 적어도 부분은 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    낮은 지수의 결정 방위로부터 벗어난 미스컷을 가지는 기판 또는 템플릿을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 또는 템플릿은 m-면 기판 또는 템플릿이고,
    상기 미스컷은 [000-1] 방향을 향하여 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도를 가지고,
    상기 (Ga,Al,In,B)N 막은 상기 미스컷의 표면 상에 성장된 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 N2, He, Ne, Ar, Kr, 또는 Xe 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 막의 최상 표면 상에 하나 또는 그 이상의 소자 층들이 증착되고,
    상기 소자 층들은 H2를 포함하는 상기 캐리어 가스의 적어도 부분과 함께 성장하는 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소자 층들은 상기 소자의 하나 또는 그 이상의 p-형 도핑된 층들을 포함하고,
    상기 p-형 도핑된 층들은 H2를 포함하는 상기 캐리어 가스의 적어도 부분과 함께 성장하는 것을 특징으로 하는 (Ga,Al,In,B)N 박막을 형성하는 방법.
  7. 평평하고 광학적으로 평활한 영역을 가지는 비극성 또는 반극성 면인 최상 표면을 포함하고,
    상기 영역은 400 나노미터 내지 600 나노미터 범위의 광 파장들과 함께 광학 현미경을 이용하여 측정되는 바와 같은 인식 가능한 비-평면 표면 기복들(undulation) 또는 형상들을 가지지 않고,
    상기 영역은, 20 밀리 암페어의 구동 전류에서 적어도 2 밀리 와트의 출력을 가지는 광을 방출하는 하나 또는 그 이상의 소자 층들의 에피택셜 증착을 위한 기판으로서 사용되도록, 충분히 큰 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 영역은 줄무늬들(striations)을 가지지 않는 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 영역은 적어도 100 평방 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 최상 표면은 Ga, Al, In, B, 및 N 원자들의 직경 차수의 표면 거칠기를 가지고 원자적으로 평활한 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 최상 표면은 상기 영역 상에 0.5 나노미터 미만의 제곱 평균(root mean square)을 가지는 표면 거칠기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 최상 표면은 상기 영역 상에 0.25 나노미터 미만의 제곱 평균을 가지는 표면 거칠기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 막은 m-면 기판의 표면 상에 증착되고,
    상기 m-면 기판의 표면은 [000-1] 방향을 향하여 0.75° 내지 1.50° 범위의 미스컷 각도를 가지는 미스컷인 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 최상 표면의 영역은 도 2a 및 도 2b, 도 3a 내지 도 3f, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6a 및 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 또는 도 9d 내지 도 9f에 도시된 최상 표면에 비하여 더 평활하고 더 평평한 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 최상 표면의 영역은 8.4 x 102 cm-2의 밀도, 10 마이크로미터의 크기 및 0.1°의 경사 각도를 가지는 피라미드형 힐록(hillock)들로 특징되는 표면에 비하여 더 평활한 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 최상 표면의 영역은 1.1 x 106 cm-2의 밀도를 가지는 피라미드형 힐록들로 특징되는 표면에 비하여 더 평활한 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 최상 표면은 도 7d 내지 도 7f, 도 8d 내지 도 8f, 또는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 표면만큼 적어도 평활한 평활도(smoothness) 또는 표면 거칠기(roughness)를 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  18. 제 7 항에 있어서,
    상기 막은 m-면 GaN 막이고,
    상기 최상 표면은 상기 m-면 GaN 막의 m-면인 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  19. 제 7 항에 있어서,
    상기 소자 층들은 상기 막의 최상 표면만큼 적어도 평활한 최상 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
  20. 제 7 항에 있어서,
    상기 최상 표면의 표면 평활도 또는 거칠기는 성장한 상태 그대로(as-grown)인 것을 특징으로 하는 비극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 막.
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