KR20130129817A - Iii족 질화물 복합 기판 - Google Patents

Iii족 질화물 복합 기판 Download PDF

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KR20130129817A
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iii nitride
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잇세이 사토
히로아키 요시다
요시유키 야마모토
아키히로 하치고
히데키 마츠바라
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 III족 질화물 복합 기판(1)은, 지지 기판(10)과, 지지 기판(10) 상에 형성되어 있는 산화물막(20)과, 산화물막(20) 상에 형성되어 있는 III족 질화물층(30a)을 포함한다. 여기서, 산화물막(20)은, TiO2막 및 SrTiO3막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로 할 수 있고, 불순물을 첨가할 수 있다. 이에 따라, 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도가 높은 III족 질화물 복합 기판이 제공된다.

Description

III족 질화물 복합 기판{GROUP III NITRIDE COMPOSITE SUBSTRATE}
본 발명은, 지지 기판과 III족 질화물층을 포함하고, 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도가 높은 III족 질화물 복합 기판에 관한 것이다.
반도체 디바이스에 적합하게 이용되는 AlxInyGa1-x-yN 기판(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 등의 III족 질화물 기판은 제조 비용이 비싸다. 이 때문에, 이러한 III족 질화물 기판이 이용되고 있는 반도체 디바이스의 제조 비용이 비싸진다.
따라서, 반도체 디바이스에 이용하는 기판으로서, 비싸고 두꺼운 III족 질화물 기판 대신에, 얇은 III족 질화물층을 지지 기판에 형성한 비교적 저렴한 III족 질화물 복합 기판이 제안되어 있다. 예컨대, 일본 특허 공개 제2006-210660호 공보(특허문헌 1)는, 실리콘 기판 등에 GaN, AlN 등의 질화물 반도체막을 형성한 반도체 기판의 제조 방법을 개시한다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-210660호 공보
그러나, 일본 특허 공개 제2006-210660호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있는 반도체 기판은, 지지 기판인 실리콘 기판 등에 III족 질화물층을 직접 중첩시켜 접합하고 있기 때문에, 접합 강도가 약하다고 하는 문제점이 있었다.
그래서, 본 발명은, 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도가 높은 III족 질화물 복합 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 어떤 국면에 따르면, 지지 기판과, 지지 기판 상에 형성되어 있는 산화물막과, 산화물막 상에 형성되어 있는 III족 질화물층을 포함하는 III족 질화물 복합 기판이다.
본 발명에 따른 III족 질화물 복합 기판에 있어서, 산화물막은, TiO2막 및 SrTiO3막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로 할 수 있다. 또한, 산화물막에 불순물을 첨가할 수 있다. 여기서, 불순물은, Nb 및 La로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있다. 또한, 지지 기판은, III족 질화물 지지 기판으로 할 수 있다. 또한, 지지 기판은, 사파이어 지지 기판으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도가 높은 III족 질화물 복합 기판이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 III족 질화물 복합 기판의 일례를 도시한 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 III족 질화물 복합 기판을 제조하는 방법의 일례를 도시한 개략 단면도이다.
[III족 질화물 복합 기판]
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태인 III족 질화물 복합 기판(1)은, 지지 기판(10)과, 지지 기판(10) 상에 형성되어 있는 산화물막(20)과, 산화물막(20) 상에 형성되어 있는 III족 질화물층(30a)을 포함한다. 본 실시형태의 III족 질화물 복합 기판(1)은, 산화물막(20)을 개재시켜 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)이 접합되어 있기 때문에, 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)과의 접합 강도가 매우 높다.
(지지 기판)
지지 기판(10)은, 그 위에 산화물막(20)을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없고, 사파이어 지지 기판, Si 지지 기판, SiC 지지 기판, III족 질화물 지지 기판 등을 적합하게 들 수 있다. 여기서, III족 질화물 복합 기판에 있어서 지지 기판과 III족 질화물층 사이의 열팽창계수의 차를 저감한다는 관점에서, III족 질화물 지지 기판이 바람직하다. III족 질화물 지지 기판은, 단결정체여도 좋고, 비배향성 다결정체(예컨대 소결체), 배향성 다결정체 등의 다결정체여도 좋으며, 비결정체여도 좋지만, 제조 비용 저감의 관점에서 다결정체, 비결정체인 것이 바람직하다. 또한, III족 질화물 복합 기판의 광투과성을 향상시킨다는 관점에서 사파이어 지지 기판이 바람직하다.
또한, 지지 기판(10)의 두께는, 산화물막(20) 및 III족 질화물층(30a)을 지지할 수 있는 두께라면 특별히 제한은 없지만, 취급하기 쉽다는 관점에서 300 ㎛ 이상이 바람직하고, 재료 비용을 저감한다는 관점에서 1000 ㎛ 이하가 바람직하다.
(산화물막)
산화물막(20)은, 그 위에 III족 질화물층(30a)을 형성할 수 있고, 지지 기판(10) 상에 형성할 수 있으며, 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)과의 접합 강도가 높은 것이라면 특별히 제한은 없고, TiO2막, SrTiO3막, Ga2O3막, Al2O3막 등을 적합하게 들 수 있다. III족 질화물층으로부터의 광의 투과성을 높인다는 관점에서 굴절률이 높은 산화물막, 예컨대 TiO2막(굴절률이 약 2.8) 및 SrTiO3막(굴절률이 약 2.4)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 막인 것이 바람직하다.
또한, 도전성을 부여한다는 관점에서, 산화물막(20)은, 불순물이 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 도전성을 높이고, 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)과의 접합 강도를 높인다는 관점에서, 불순물은, 예컨대 Nb 및 La로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 불순물은, 불순물의 첨가에 의한 도전성 및 접합 강도를 높이는 효과가 높다는 관점에서 Sb, Mo, Fe, Al, Sn, Pt, I, B, N 등 중 어느 하나를 포함하고 있어도 좋다. 산화물막(20)에 포함되는 불순물의 농도는, 특별히 제한은 없지만, 도전성을 높인다는 관점에서 0.01 질량% 이상이 바람직하고, 투광성을 높인다는 관점에서 1 질량% 이하가 바람직하다.
또한, 산화물막(20)의 두께는, 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)과의 접합 강도를 높이는 두께라면 특별히 제한은 없지만, 접합 강도를 높인다는 관점에서 50 ㎚ 이상이 바람직하고, 성막 비용을 저감한다는 관점에서 1000 ㎚ 이하가 바람직하다.
(III족 질화물층)
III족 질화물층(30a)이란, AlxInyGa1-x-yN(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 등의 III족 질화물로 형성되어 있는 층을 말한다. III족 질화물층(30a)은, 그 위에 결정성이 높은 에피택셜층을 성장시킨다는 관점에서 단결정체인 것이 바람직하다.
III족 질화물층(30a)의 두께는, 그 위에 결정성이 높은 에피택셜층을 성장시킬 수 있는 두께라면 특별히 제한은 없지만, III족 질화물층(30a)을 균열이 생기지 않게 형성한다는 관점에서 100 ㎚ 이상이 바람직하고, III족 질화물층(30a)의 두께의 정밀도를 높이고, 이온 주입에 의한 결정성의 저하를 억제한다는 관점에서 1000 ㎛ 이하가 바람직하다.
[III족 질화물 복합 기판의 제조 방법]
도 2를 참조하여, 본 실시형태의 III족 질화물 복합 기판(1)을 제조하는 방법은, 특별히 제한은 없지만, 예컨대, 지지 기판(10)을 준비하여, 그 지지 기판(10) 상에 산화물막(20)을 형성하는 공정[도 2의 (A)]과, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물층(30a)을 형성함으로써 III족 질화물 복합 기판(1)을 얻는 공정[도 2의 (B)∼(D)]을 포함한다. 이러한 제조 방법에 의해 지지 기판(10)과 III족 질화물층(30a)과의 접합 강도가 높은 III족 질화물 복합 기판(1)을 효율적으로 얻을 수 있다.
도 2의 (A)를 참조하여, 지지 기판(10)을 준비하여, 그 지지 기판(10) 상에 산화물막(20)을 형성하는 공정은, 지지 기판(10)을 준비하는 서브 공정과, 지지 기판(10) 상에 산화물막(20)을 형성하는 서브 공정을 포함할 수 있다.
지지 기판(10)을 준비하는 서브 공정에 있어서, 지지 기판(10)은, 그 재질 및 형상에 알맞은 일반적인 방법으로 준비할 수 있다. 예컨대, III족 질화물 지지 기판은, HVPE(히드라이드 기상 성장)법, 승화법 등의 기상법, 플럭스법, 고질소압 용액법 등의 액상법에 의해 얻어진 III족 질화물 결정체를, 소정의 형상으로 가공함으로써 준비할 수 있다. 또한, 사파이어 지지 기판은, 사파이어 결정체를 소정의 형상으로 가공함으로써 준비할 수 있다.
지지 기판(10) 상에 산화물막(20)을 형성하는 서브 공정에 있어서, 지지 기판(10) 상에 산화물막(20)을 형성하는 방법은, 그 산화물막(20)의 형성에 적합한 한 특별히 제한은 없고, 스퍼터법, 펄스 레이저 퇴적법, 분자선 에피택시법, 전자선 증착법, 화학 기상 성장법 등의 일반적인 방법을 이용할 수 있다.
도 2의 (B)∼(D)를 참조하여, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물층(30a)을 형성함으로써 III족 질화물 복합 기판(1)을 얻는 공정은, III족 질화물 기판(30)에 그 주표면(30n)으로부터 일정한 깊이의 영역에 이온(I)을 주입하는 서브 공정[도 2의 (B)], 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물 기판(30)의 이온 주입 영역(30i)(이온이 주입된 영역을 말함. 이하 동일함.)측의 주표면(30n)을 접합시키는 서브 공정[도 2의 (C)], III족 질화물 기판(30)을, 그 이온 주입 영역(30i)에서, III족 질화물층(30a)과 잔류 III족 질화물 기판(30b)으로 분리하여, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물층(30a)을 형성하는 서브 공정[도 2의 (D)]을 포함할 수 있다.
도 2의 (B)에 도시된 III족 질화물 기판(30)에 그 주표면(30n)으로부터 일정한 깊이의 영역에 이온(I)을 주입하는 서브 공정에 있어서, 이온을 주입하는 깊이는, 특별히 제한은 없지만, 100 ㎚ 이상 1000 ㎛ 이하가 바람직하다. 이온을 주입하는 깊이가, 100 ㎚보다 작으면 III족 질화물 기판(30)을 그 이온 주입 영역(30i)에서 분리함으로써 형성되는 III족 질화물층(30a)이 균열이 생기기 쉬워지고, 1000 ㎛보다 크면 이온의 분포가 넓어져서 분리하는 깊이를 조절하는 것이 어려워지기 때문에 III족 질화물층(30a)의 두께를 조절하는 것이 어려워진다. 또한, 주입하는 이온의 종류는, 특별히 제한은 없지만, 형성하는 III족 질화물층의 결정성의 저하를 억제한다는 관점에서 질량이 작은 이온이 바람직하고, 예컨대, 수소 이온, 헬륨 이온 등이 바람직하다. 이렇게 해서 형성된 이온 주입 영역(30i)은, 주입된 이온에 의해 취화(脆化)된다.
도 2의 (C)에 도시된 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물 기판(30)의 이온 주입 영역(30i)측의 주표면(30n)을 접합시키는 서브 공정에 있어서, 그 접합 방법은, 특별히 제한은 없지만, 접합 후 고온 분위기 하에 있어서도 접합 강도를 유지할 수 있다는 관점에서, 접합시키는 면의 표면을 세정하여 직접 접합시킨 후 600℃∼1200℃ 정도로 승온하여 접합하는 직접 접합법, 플라즈마나 이온 등으로 접합면을 활성화시켜 실온(예컨대 25℃)∼400℃ 정도의 저온에서 접합하는 표면 활성화법 등이 바람직하다.
도 2의 (D)에 도시된 III족 질화물 기판(30)을, 그 이온 주입 영역(30i)에서, III족 질화물층(30a)과 잔류 III족 질화물 기판(30b)으로 분리하여, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물층(30a)을 형성하는 서브 공정에 있어서, III족 질화물 기판(30)을 그 이온 주입 영역(30i)에서 분리하는 방법은, III족 질화물 기판(30)의 이온 주입 영역(30i)에 어떠한 에너지를 부여하는 방법이라면 특별히 제한은 없고, 이온 주입 영역(30i)에, 응력을 가하는 방법, 열을 가하는 방법, 광을 조사하는 방법 및 초음파를 인가하는 방법 중 적어도 어느 하나의 방법을 이용할 수 있다. 이러한 이온 주입 영역(30i)은, 주입된 이온에 의해 취화되고 있기 때문에, 상기 에너지를 받음으로써, III족 질화물 기판(30)은, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 접합된 III족 질화물층(30a)과, 잔류 III족 질화물 기판(30b)으로 용이하게 분리된다.
상기한 바와 같이 하여, 지지 기판(10) 상의 산화물막(20) 상에 III족 질화물층(30a)을 형성함으로써, 지지 기판(10)과, 지지 기판(10) 상에 형성되어 있는 산화물막(20)과, 산화물막(20) 상에 형성되어 있는 III족 질화물층(30a)을 포함하는 III족 질화물 복합 기판(1)을 얻을 수 있다.
상기한 III족 질화물 복합 기판의 제조 방법에 있어서는, 이온 주입법을 이용하여 III족 질화물층(30a)을 형성하는 경우를 설명하였지만, 지지 기판 상의 산화물막에, 이온을 주입하지 않은 III족 질화물 기판을 접합시킨 후, III족 질화물 결정체를 그 접합시킨 주표면으로부터 소정 깊이의 면에서 분리함으로써, III족 질화물층을 형성할 수도 있다. 이 경우, III족 질화물 기판을 분리하는 방법으로서, 특별히 제한은 없고, 와이어 톱, 내주 날, 외주 날 등을 이용한 절단 등의 방법을 이용할 수 있다.
실시예
(실시예 A1∼A10)
1. 지지 기판의 준비
도 2의 (A)를 참조하여, HVPE법에 의해 성장시킨 GaN 결정체(도시하지 않음)로부터 직경이 50 ㎜이고, 두께가 500 ㎛인 10장의 기판을 잘라내어, 이들의 주표면을 연마하여, 10장의 GaN 지지 기판[지지 기판(10)]을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 산화물막의 형성
도 2의 (A)를 참조하여, 스퍼터법에 의해, 10장의 GaN 지지 기판[지지 기판(10)] 상에 두께 300 ㎚의 10종류의 TiO2막[산화물막(20)]을 각각 성장시켰다. 여기서, 10종류의 TiO2막이란, 불순물이 첨가되지 않은 TiO2막(실시예 A1), 0.01 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 A2), 0.01 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A3), 0.01 질량%의 Nb 및 0.01 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A4), 0.1 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 A5), 0.1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A6), 0.1 질량%의 Nb 및 0.1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A7), 1 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 A8), 1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A9) 및 1 질량%의 Nb 및 1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 A10)이었다. 결과를 표 1에 정리하였다.
3. 산화물막 상으로의 III족 질화물층의 형성
도 2의 (B)를 참조하여, HVPE법에 의해 성장시킨 GaN 결정체(도시하지 않음)로부터 직경이 50 ㎜이고, 두께가 500 ㎛인 10장의 기판을 잘라내어, 이들의 주표면을 연마하여, 10장의 GaN 기판[III족 질화물 기판(30)]을 준비하고, 각각의 기판의 주표면(30n)으로부터 300 ㎚ 깊이에 수소 이온을 주입하였다.
도 2의 (C)를 참조하여, 10장의 GaN 지지 기판[지지 기판(10)] 상의 TiO2막[산화물막(20)]의 주표면과, 10장의 GaN 기판[III족 질화물 기판(30)]의 이온 주입측의 주표면(30n)을 각각 아르곤 플라즈마에 의해 청정화시킨 후 접합 압력 8 MPa로 접합시켰다.
도 2의 (D)를 참조하여, 10장을 접합시킨 기판을, 300℃에서 2시간 동안 열처리함으로써, 접합시킨 기판의 접합 강도를 높이고, GaN 기판(III족 질화물 기판)을 그 이온 주입 영역(30i)에서 분리함으로써, TiO2막[산화물막(20)] 상에 두께가 300 ㎚인 GaN층[III족 질화물층(30a)]을 형성하여, GaN 지지 기판[지지 기판(10)], TiO2막[산화물막(20)] 및 GaN층[III족 질화물층(30a)]이 이 순서로 형성된 10장의 III족 질화물 복합 기판(1)을 얻을 수 있었다.
4. 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도의 측정
얻어진 10장의 III족 질화물 복합 기판(1)의 각각으로부터, 주표면의 크기가 12 ㎜×12 ㎜인 샘플을 5개 제작하여, 각 샘플의 GaN 지지 기판[지지 기판(10)] 및 GaN층[III족 질화물층(30a)]을 측정 지그에 에폭시 접착제에 의해 고정하였다. 25℃의 분위기 온도 하, 0.1 ㎜/sec의 인장 속도로 샘플이 파단될 때의 GaN 지지 기판[지지 기판(10)]-TiO2막[산화물막(20)]-GaN층[III족 질화물층(30a)]간의 접합 강도를 측정하였다. 모든 샘플에 대해서, TiO2막[산화물막(20)]과 GaN층[III족 질화물층(30a)]의 접합 계면에서 파단하였다. 이러한 접합 강도는, 1장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치를 측정하고, 후술하는 비교예 R1{TiO2막[산화물막(20)]을 개재시키지 않고, GaN 지지 기판[지지 기판(10)]과 GaN층[III족 질화물층(30a)]을 직접 접합시킨 예}에 있어서의 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치(비교예 R1에 있어서의 접합 강도의 평균치를 1로 함)에 대한 상대 접합 강도로서 나타내었다. 결과를 표 1에 정리하였다.
(비교예 R1)
1. 지지 기판의 준비
실시예 A1과 동일하게 하여, 1장의 GaN 지지 기판(지지 기판)을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 III족 질화물층의 형성
실시예 A1과 동일하게 하여, 1장의 GaN 기판(III족 질화물 기판)을 준비하고, 그 기판의 주표면으로부터 300 ㎚ 깊이에 수소 이온을 주입하였다.
계속해서, GaN 지지 기판(지지 기판)의 주표면과, GaN 기판(III족 질화물 기판)의 이온 주입측의 주표면을, 아르곤 플라즈마에 의해 청정화시킨 후 접합 압력 8 MPa로 접합시켰다.
계속해서, 접합시킨 기판을, 300℃에서 2시간 동안 열처리함으로써, 접합시킨 기판의 접합 강도를 높이고, GaN 기판(III족 질화물 기판)을 그 이온 주입 영역에서 분리함으로써, GaN 지지 기판(III족 질화물 지지 기판) 상에 두께가 300 ㎚인 GaN층(III족 질화물층)이 직접 형성된 III족 질화물 복합 기판을 얻을 수 있었다.
3. 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도의 측정
실시예 A1과 동일하게 하여, 얻어진 III족 질화물 복합 기판의 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도를 측정하였다. 샘플은 모두 GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)의 접합 계면에서 파단하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 정리하였다.
Figure pct00001
표 1을 참조하여, TiO2막(산화물막)을 개재시켜 GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 접합된 III족 질화물 복합 기판(실시예 A1∼A10)은, TiO2막(산화물막)을 개재시키지 않고 GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 직접 접합된 III족 질화물 복합 기판(비교예 R1)에 비하여 매우 큰 접합 강도를 갖고 있었다. 또한, 불순물로서 Nb 및 La 중 1종 이상의 원소가 첨가된 TiO2막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 A2∼A10)은, 불순물이 첨가되지 않은 TiO2막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 A1)에 비하여 큰 접합 강도를 갖고 있었다.
(실시예 B1∼B10)
1. 지지 기판의 준비
실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 10장의 GaN 지지 기판(지지 기판)을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 산화물막의 형성
스퍼터법에 의해 10장의 GaN 지지 기판(지지 기판) 상에 두께 300 ㎚의 10종류의 SrTiO3막(산화물막)을 각각 성장시켰다. 여기서, 10종류의 SrTiO3막이란, 불순물이 첨가되지 않은 SrTiO3막(실시예 B1), 0.01 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B2), 0.01 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B3), 0.01 질량%의 Nb 및 0.01 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B4), 0.1 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B5), 0.1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B6), 0.1 질량%의 Nb 및 0.1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B7), 1 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B8), 1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B9) 및 1 질량%의 Nb 및 1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 B10)이었다. 결과를 표 2에 정리하였다.
3. 산화물막 상으로의 III족 질화물층의 형성
실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 10장의 각각의 GaN 지지 기판(지지 기판) 상의 SrTiO3막(산화물막) 상에 두께가 300 ㎚인 GaN층(III족 질화물층)을 형성하여, GaN 지지 기판(지지 기판), SrTiO3막(산화물막) 및 GaN층(III족 질화물층)이 이 순서로 형성된 10장의 III족 질화물 복합 기판을 제작하였다.
4. 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도의 측정
얻어진 10장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서, 실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 샘플이 파단될 때의 GaN 지지 기판(지지 기판)-SrTiO3막(산화물막)-GaN층(III족 질화물층)간의 접합 강도를 측정하였다. 모든 샘플에 대해서, SrTiO3막(산화물막)과 GaN층(III족 질화물층)의 접합 계면에서 파단하였다. 이러한 접합 강도는, 1장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치를 측정하고, 비교예 R1[SrTiO3막(산화물막)을 개재시키지 않고, GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)을 직접 접합시킨 예]에 있어서의 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치(비교예 R1에 있어서의 접합 강도의 평균치를 1로 함)에 대한 상대 접합 강도로서 나타내었다. 결과를 표 2에 정리하였다.
Figure pct00002
표 2를 참조하여, SrTiO3막(산화물막)을 개재시켜 GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 접합된 III족 질화물 복합 기판(실시예 B1∼B10)은, SrTiO3막(산화물막)을 개재시키지 않고 GaN 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 직접 접합된 III족 질화물 복합 기판(비교예 R1)에 비하여, 매우 큰 접합 강도를 갖고 있었다. 또한, 불순물로서 Nb 및 La 중 1종 이상의 원소가 첨가된 SrTiO3막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 B2∼B10)은, 불순물이 첨가되지 않은 SrTiO3막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 B1)에 비하여 큰 접합 강도를 갖고 있었다.
(실시예 C1∼C10)
1. 지지 기판의 준비
직경이 50 ㎜이고, 두께가 500 ㎛이며, 주표면이 연마된 10장의 사파이어 기판을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 산화물막의 형성
스퍼터법에 의해 10장의 사파이어 지지 기판(지지 기판) 상에 두께 300 ㎜의 10종류의 TiO2막(산화물막)을 각각 성장시켰다. 여기서, 10종류의 TiO2막이란, 불순물이 첨가되지 않은 TiO2막(실시예 C1), 0.01 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 C2), 0.01 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C3), 0.01 질량%의 Nb 및 0.01 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C4), 0.1 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 C5), 0.1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C6), 0.1 질량%의 Nb 및 0.1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C7), 1 질량%의 Nb가 첨가된 TiO2막(실시예 C8), 1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C9) 및 1 질량%의 Nb 및 1 질량%의 La가 첨가된 TiO2막(실시예 C10)이었다. 결과를 표 3에 정리하였다.
3. 산화물막 상으로의 III족 질화물층의 형성
실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 10장의 각각의 사파이어 지지 기판(지지 기판) 상의 TiO2막(산화물막) 상에 두께가 300 ㎜인 GaN층(III족 질화물층)을 형성하여, 사파이어 지지 기판(지지 기판), TiO2막(산화물막) 및 GaN층(III족 질화물층)이 이 순서로 형성된 10장의 III족 질화물 복합 기판을 제작하였다.
4. 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도의 측정
얻어진 10장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서, 실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 샘플이 파단될 때의 사파이어 지지 기판(지지 기판)-TiO2막(산화물막)-GaN층(III족 질화물층)간의 접합 강도를 측정하였다. 모든 샘플에 대해서, TiO2막(산화물막)과 GaN층(III족 질화물층)의 접합 계면에서 파단하였다. 이러한 접합 강도는, 1장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치를 측정하고, 후술하는 비교예 R2[TiO2막(산화물막)을 개재시키지 않고, 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)을 직접 접합시킨 예]에 있어서의 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치(비교예 R2에 있어서의 접합 강도의 평균치를 1로 함)에 대한 상대 접합 강도로서 나타내었다. 결과를 표 3에 정리하였다.
(비교예 R2)
1. 지지 기판의 준비
실시예 C1과 동일하게 하여, 1장의 사파이어 지지 기판(지지 기판)을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 III족 질화물층의 형성
실시예 A1과 동일하게 하여, 1장의 GaN 기판(III족 질화물 기판)을 준비하고, 그 기판의 주표면으로부터 300 ㎚ 깊이에 수소 이온을 주입하였다.
계속해서, 사파이어 지지 기판(지지 기판)의 주표면과, GaN 기판(III족 질화물 기판)의 이온 주입측의 주표면을, 아르곤 플라즈마에 의해 청정화시킨 후 접합 압력 8 MPa로 접합시켰다.
계속해서, 접합시킨 기판을, 300℃에서 2시간 동안 열처리함으로써, 접합시킨 기판의 접합 강도를 높이고, GaN 기판(III족 질화물 기판)을 그 이온 주입 영역에서 분리함으로써, 사파이어 지지 기판(지지 기판) 상에 두께가 300 ㎚인 GaN층(III족 질화물층)이 직접 형성된 III족 질화물 복합 기판을 얻을 수 있었다.
3. 지지 기판과 III족 질화물층의 접합 강도의 측정
실시예 A1과 동일하게 하여, 얻어진 III족 질화물 복합 기판의 지지 기판과 III족 질화물층의 접합 강도를 측정하였다. 샘플은 모두 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)의 접합 계면에서 파단하였다. 결과를 표 3 및 4에 정리하였다.
Figure pct00003
표 3을 참조하여, TiO2막(산화물막)을 개재시켜 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 접합된 III족 질화물 복합 기판(실시예 C1∼C10)은, TiO2막(산화물막)을 개재시키지 않고 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 직접 접합된 III족 질화물 복합 기판(비교예 R2)에 비하여 매우 큰 접합 강도를 갖고 있었다. 또한, 불순물로서 Nb 및 La 중 1종 이상의 원소가 첨가된 TiO2막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 C2∼C10)은, 불순물이 첨가되지 않은 TiO2막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 C1)에 비하여 큰 접합 강도를 갖고 있었다.
(실시예 D1∼D10)
1. 지지 기판의 준비
실시예 C1∼C10과 동일하게 하여, 10장의 사파이어 지지 기판(지지 기판)을 준비하였다.
2. 지지 기판 상으로의 산화물막의 형성
스퍼터법에 의해 10장의 사파이어 지지 기판(지지 기판) 상에 두께 300 ㎚의 10종류의 SrTiO3막(산화물막)을 각각 성장시켰다. 여기서, 10종류의 SrTiO3막이란, 불순물이 첨가되지 않은 SrTiO3막(실시예 D1), 0.01 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D2), 0.01 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D3), 0.01 질량%의 Nb 및 0.01 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D4), 0.1 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D5), 0.1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D6), 0.1 질량%의 Nb 및 0.1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D7), 1 질량%의 Nb가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D8), 1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D9) 및 1 질량%의 Nb 및 1 질량%의 La가 첨가된 SrTiO3막(실시예 D10)이었다. 결과를 표 4에 정리하였다.
3. 산화물막 상으로의 III족 질화물층의 형성
실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 10장의 각각의 사파이어 지지 기판(지지 기판) 상의 SrTiO3막(산화물막) 상에 두께가 300 ㎚인 GaN층(III족 질화물층)을 형성하여, 사파이어 지지 기판(지지 기판), SrTiO3막(산화물막) 및 GaN층(III족 질화물층)이 이 순서로 형성된 10장의 III족 질화물 복합 기판을 제작하였다
4. 지지 기판과 III족 질화물층과의 접합 강도의 측정
얻어진 10장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서, 실시예 A1∼A10과 동일하게 하여, 샘플이 파단될 때의 사파이어 지지 기판(지지 기판)-SrTiO3막(산화물막)-GaN층(III족 질화물층)간의 접합 강도를 측정하였다. 모든 샘플에 대해서, SrTiO3막(산화물막)과 GaN층(III족 질화물층)의 접합 계면에서 파단하였다. 이러한 접합 강도는, 1장의 III족 질화물 복합 기판에 대해서 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치를 측정하고, 비교예 R2[SrTiO3막(산화물막)을 개재시키지 않고, 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)을 직접 접합시킨 예]에 있어서의 5개의 샘플의 접합 강도의 평균치(비교예 R2에 있어서의 접합 강도의 평균치를 1로 함)에 대한 상대 접합 강도로서 나타내었다. 결과를 표 4에 정리하였다.
Figure pct00004
표 4를 참조하여, SrTiO3막(산화물막)을 개재시켜 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 접합된 III족 질화물 복합 기판(실시예 D1∼D10)은, SrTiO3막(산화물막)을 개재시키지 않고 사파이어 지지 기판(지지 기판)과 GaN층(III족 질화물층)이 직접 접합된 III족 질화물 복합 기판(비교예 R2)에 비하여 매우 큰 접합 강도를 갖고 있었다. 또한, 불순물로서 Nb 및 La 중 1종 이상의 원소가 첨가된 SrTiO3막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 D2∼D10)은, 불순물이 첨가되지 않은 SrTiO3막(산화물막)을 갖는 III족 질화물 복합 기판(실시예 D1)에 비하여 큰 접합 강도를 갖고 있었다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : III족 질화물 복합 기판
10 : 지지 기판
20 : 산화물막
30 : III족 질화물 기판
30a : III족 질화물층
30b : 잔류 III족 질화물 기판
30i : 이온 주입 영역
30n : 주표면

Claims (6)

  1. 지지 기판(10)과, 상기 지지 기판(10) 상에 형성되어 있는 산화물막(20)과, 상기 산화물막(20) 상에 형성되어 있는 III족 질화물층(30a)을 포함하는 III족 질화물 복합 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화물막(20)은 TiO2막 및 SrTiO3막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 막인 III족 질화물 복합 기판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화물막(20)은 불순물이 첨가되어 있는 III족 질화물 복합 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 불순물은 Nb 및 La로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 III족 질화물 복합 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지 기판(10)은 III족 질화물 지지 기판인 III족 질화물 복합 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지 기판(10)은 사파이어 지지 기판인 III족 질화물 복합 기판.
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