KR20140019328A - 하지 기판, 질화갈륨 결정 적층 기판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

하지 기판, 질화갈륨 결정 적층 기판 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR20140019328A
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마사노부 아주마
카주유키 타다토모
나리히토 오카다
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가부시끼가이샤 도꾸야마
고쿠리츠다이가쿠호우진 야마구치 다이가쿠
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Abstract

관통 전위 밀도가 낮고 결정성이 높은 GaN 결정의 a면: <11-20>면이나 m면: <1-100>면을 주면으로 하는 기판, 혹은 <11-22>면을 주면으로 하는 기판 등, 다양한 면방위의 면이 사파이어 하지 기판 상에 적층된 GaN 결정 적층 기판, 및 그의 제조 방법을 제공한다. 사파이어 하지 기판과, 상기 기판 상에 결정 성장시켜 형성된 질화갈륨 결정층을 포함하고, 상기 질화갈륨 결정층은, 사파이어 하지 기판의 주면에 복수개 형성된 홈부의, 예를 들어 c면을 포함하는 측벽으로부터 가로 방향 결정 성장하여 상기 주면과 평행하게 표면이 형성되고, 그 표면이 a면이나 m면 등의 무극성 면, <11-22>면 등의 반극성 면을 포함하고, 또한, 상기 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만, 바람직하게는 1.85×108개/㎠ 이하, 특히 바람직하게는 1.4×108개/㎠ 이하인 질화갈륨 결정 적층 기판을 제공한다.

Description

하지 기판, 질화갈륨 결정 적층 기판 및 그의 제조 방법{BASE, SUBSTRATE WITH GALLIUM NITRIDE CRYSTAL LAYER, AND PROCESS FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, 하지 기판, 질화갈륨 결정 적층 기판, 상세하게는 사파이어 하지 기판 상에, 관통 전위 밀도가 작은 질화갈륨(GaN) 결정층을 적층한 적층 기판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)나 반도체 레이저(LD) 등의 반도체 발광 소자로서, 사파이어 기판 상에 ｎ형 GaN층, InGaN 층을 포함하는 양자 웰층과 GaN 층을 포함하는 장벽층이 교대 적층된 다중 양자 웰층(Multi Quantum Wells: MQWs) 및 ｐ형 GaN층이 순서대로 적층 형성된 구조를 갖는 것이 양산화되고 있다. 이러한 양산화되고 있는 반도체 발광 소자에서는, 어느 GaN층이든, 축방향으로 GaN이 결정 성장되고, 표면이 c면(<0001>면)으로 되어 있다.
그런데, 표면이 c면인 GaN 결정층에서는, Ga 원자만을 포함하는 Ga 원자면이 약간 플러스로 대전하는 한편, N 원자만을 포함하는 N 원자면이 약간 마이너스로 대전하여, 결과적으로 c 축방향(층 두께 방향)으로 자발 분극이 발생한다. 또한, GaN 결정층 상에 이종 반도체층을 헤테로에피택셜 성장시킨 경우, 양자의 격자 상수의 차이에 의해, GaN 결정에 압축 왜곡이나 인장 왜곡이 발생하여, GaN 결정 내에서 c 축방향으로 압전 분극(피에조 분극)이 발생한다(특허문헌 1 및 2 참조).
이 결과, 상기 구성의 반도체 발광 소자에서는, 다중 양자 웰층에 있어서, InGaN 양자 웰층에 고정 전하에 기인하는 자발 분극 외에, InGaN 양자 웰층에 가해지는 압축 왜곡에 의해 발생한 피에조 분극이 중첩되고, 그 때문에 c 축방향으로 큰 내부 분극 전기장이 발생하게 된다. 이 내부 분극 전기장의 영향을 받아, 양자 가둠 슈타르크 효과(Quantum-Confined Stark Effect: QCSE)로 인해, 발광 효율의 저하나 필요한 주입 전류의 증대에 수반하는 방출 피크 파장 시프트 등의 문제가 발생한다고 생각되고 있다.
상기 문제를 해결하기 위해, GaN 결정의 무극성 면인, a면: <11-20>면이나 m면: <1-100>면을 사용하여, 그 위에 InGaN층을 형성하여, 자발 분극과 피에조 분극이 중첩된 내부 전계의 영향을 피하는 것이 검토되고 있다(특허문헌 1 내지 3 참조).
또한, c면이, a축 혹은 m 축방향으로 약 60도 경사진 반극성 면이라고 하는 면, 예를 들어 반극성의 <11-22>면 상에 InGaN 양자 웰층을 형성하고, 그것에 의하여 내부 전극의 영향을 피하는 것도 검토되고 있다(비특허문헌 1, 비특허문헌 2).
그러나, 현재 입수 가능한 상기 GaN 결정의 a면이나 m면이라는 무극성 면을 주면으로 하는 기판, 혹은 <11-22>면이나 <10-11>면 등의 반극성 면을 주면으로 하는 기판은, 관통 전위 밀도가 2 내지 3×108개/㎠ 정도라고들 하며, 보다 관통 전위 밀도가 낮은 높은 결정 품질의 결정 기판이 요망되고 있다.
일본 특허 공개 제2008-53593호 공보 일본 특허 공개 제2008-53594호 공보 일본 특허 공개 제2007-243006호 공보
Japanese Journal of Applied Physics Vol.45, 2006, L659. Applied Physics Letters Vol.90, 2007, 261912.
관통 전위 밀도가 낮고 결정 품질이 높은 GaN 결정의 a면이나 m면을 주면으로 하는 기판, 혹은 <11-22>면이나 <10-11>면을 주면으로 하는 기판 등, 무극성 면이나 반극성 면을 주면으로 한 GaN 결정층이 사파이어 하지 기판 상에 적층된 GaN 결정 적층 기판, 그의 제조 방법, 및 해당 제조 방법에 사용되는 사파이어 하지 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 복수개의 오목상의 홈부를 갖는 사파이어 하지 기판을 사용하여, 상기 하지 기판의 홈부의 측벽면을 기점으로 하여 원하는 결정면을 갖는 GaN 결정을 성장시키는 방법에 대하여 검토해 왔다. 그 과정에서, 홈부 측벽면의 결정 성장 영역의 크기가 결정 품질(관통 전위 밀도)에 크게 영향을 미치는 한편, 성장한 결정의 표면 평탄성이나 X선 회절 측정에 의해 평가한 결정성에는 거의 영향을 미치지 않는 것을 발견하고, 본원 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 사파이어 하지 기판과, 상기 하지 기판 상에 결정 성장시켜 형성된 질화갈륨 결정층을 포함하고, 상기 질화갈륨 결정층은, 사파이어 하지 기판의 주면에 복수개 형성된 홈부의 측벽을 기점으로 하여 가로 방향 결정 성장하여 상기 주면과 평행하게, 그 표면이 형성된 것이며, 또한 상기 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판이다.
상기 질화갈륨 결정 적층 기판에 있어서,
1) 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 1.4×108개/㎠ 이하인 것,
2) 질화갈륨 결정층이, 무극성 또는 반극성의 면방위를 갖는 표면을 포함하는 질화갈륨 결정층인 것,
3) 홈부로부터의 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이, 사파이어 단결정의 c면인 것이 바람직하다.
다른 발명은, 사파이어 하지 기판 상에, 상기 하지 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 복수개의 홈부를 형성하고, 상기 홈부의 측벽을 기점으로 하여 선택적으로 질화갈륨 결정을 가로 방향 성장시키는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법에 있어서,
상기 측벽에 있어서 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)를 10 내지 750nm로 설정하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법이다.
상기 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법에 있어서,
4) 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 100 내지 200nm인 것,
5) 홈부로부터의 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이, 사파이어 단결정의 c면인 것이 바람직하다.
또한 다른 발명은, 사파이어 하지 기판 상에, 상기 하지 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 홈부를 복수개 갖고, 상기 홈부의 측벽에 있어서 선택적으로 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 10 내지 750nm로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 결정 적층 기판 제조용 사파이어 하지 기판이다.
상기 결정 적층 기판 제조용 사파이어 하지 기판에 있어서,
6) 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 100 내지 200nm인 것,
7) 홈부로부터의 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이, 사파이어 단결정의 c면인 것이 바람직하다.
본 발명의 질화갈륨 결정 적층 기판은, 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만, 바람직하게는 1.85×108개/㎠ 이하, 특히 바람직하게는 1.4×108개/㎠이하이며 결정 품질이 높으므로, 상기 적층 기판을 사용하여 제작되는 LED나 LD 등의 반도체 발광 소자는, 그 발광 효율이 향상된다.
또한, 사파이어 하지 기판 상에 형성된 홈부의 측벽으로부터 선택적으로 질화갈륨 결정을 성장시킴으로써, 무극성 면 또는 반극성 면을 주면으로 하는, 고품질의 질화갈륨 결정이 얻어진다. 이로 인해, 이것을 사용하여 제작되는 반도체 발광 소자는, 종래의 c면을 주면으로 하는 질화갈륨 결정층 기판에 비하여, 양자 가둠 슈타르크 효과에 의한 발광 효율의 저하의 영향이 작다.
도 1은 본 발명의 사파이어 하지 기판의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 사파이어 하지 기판의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 사파이어 하지 기판의 홈부의 확대 단면도이다.
도 4는 마스킹부를 갖는 사파이어 하지 기판의 홈부의 확대 사시도이다.
도 5는 하지 기판 상에 GaN 결정이 성장하는 과정을 도시하는 모식도이다.
도 6은 사파이어 하지 기판 및 얻어진 GaN 결정층의 상태를 도시하는 모식도이다.
도 7은 측벽의 폭 (d)과 암점 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 질화갈륨 결정 적층 기판은, 하지 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 홈부를 복수개 갖고, 상기 홈부의 측벽에 질화갈륨 결정을 성장시키기 위한, 폭 (d) 10 내지 750nm의 성장 영역이 형성된 사파이어 하지 기판을 하층으로 하고, 그 위에 당해 측벽을 기점으로 하여 가로 방향 결정 성장(epitaxial lateral overgrowth; ELO)하여 상기 주면과 평행하게 그 표면이 형성된, 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만인 질화갈륨 결정층이 적층된 구조를 갖는다.
암점 밀도란, 결정의 전위 결함인 관통 전위의 밀도를 나타내기 위한 지표가 되는 물성값이며, 주사형 전자 현미경/캐소드 루미네션스(SEM·CL) 장치를 사용하여 측정된다. 측정 시료는 언도프 GaN 결정층 위에 ｎ형 GaN 결정층을 적층한 시료를 사용하여, ｎ형 GaN층 표면에 있어서 측정을 행한다. 측정 시의 가속 전압은 5kV로 하고, 관찰 범위는 20㎛×20㎛로 한다. 이때, 관찰 범위 내에 관찰된 암점의 총 수로부터 암점 밀도를 산출한다.
본 발명의 결정 적층 기판 제조용의 사파이어 하지 기판은, 사파이어 기판 상에, 상기 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 홈부를 복수개 갖고, 상기 홈부의 측벽에 있어서 선택적으로 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가, 10 내지 750nm로 설정되어 있다.
상기 하지 기판으로서는, 주면이 특정한 면방위인 사파이어 기판을 사용한다. 그러나, 후술하는 원하는 GaN 결정을 얻기 위해, 결정축에 대하여 소정의 각도 경사진 미스 커트면인 것일 수도 있다.
상기 하지 기판은, 통상 두께가 0.3 내지 3.0mm, 직경이 50 내지 300mm인 원반상의 것이 사용된다.
사파이어 하지 기판의 주면은, 목적으로 하는 GaN 결정의 결정면에 맞추어 임의의 면방위로 선택된다. 예를 들어, <11-22>면을 표면에 갖는 GaN 결정을 성장시키고 싶은 경우에는, 사파이어 하지 기판의 주면은 <10-12>로 한다. <10-11>면을 표면에 갖는 GaN 결정을 성장시키고 싶은 경우에는, 사파이어 하지 기판의 주면은 <11-23>로 한다. 기타, <10-10>면, <11-20>면, <20-21>면 등을 주면으로 할 수 있다.
또한, 예를 들어 <10-12>면을 주면으로 하는 사파이어 기판을 사용하여, 홈부의 측벽의 일부에 사파이어 단결정의 c면(이하, 사파이어 c면이라고 함)을 형성한 경우, 사파이어 c면과 사파이어 기판 주면이 이루는 각도는 57.6도이다. 그러나, 목적으로 하는 GaN 결정의 <11-22>면과 GaN 결정의 c면이 이루는 각은 58.4도이기 때문에, <10-12>면을 주면으로 하는 사파이어 기판 상에는, 사파이어 주면에 대하여 0.8도 경사져 <11-22>면 GaN 결정층이 성장한다. 이 각도를 상쇄하기 위하여, <10-12>면에 오프각을 부여한 면인 미스 커트 기판을 사용하여, GaN 결정층 표면인 <11-22>면이 사파이어 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장시킬 수 있다. 이렇게 목적으로 하는 GaN 결정의 면방위와, 사용하는 사파이어 하지 기판의 면방위에 의해, GaN 결정층 표면이 사파이어 하지 기판 주면과 평행하도록 설계된, 다양한 미스 커트 기판을 사용할 수 있다.
상기 사파이어 하지 기판의 주면에는, 복수개의 홈부가 병행하여 형성된다. 홈부의 개구부 폭은 특별히 제한되지 않고, 통상 0.5 내지 10㎛의 범위로부터 설정된다. 홈부의 간격, 즉, 서로 인접하는 홈부와 홈부의 하지 기판 주면선 상의 간격은 1 내지 100㎛이다. 홈부 저면의 가로 방향의 폭, 즉 홈부의 연장되는 방향에 수직인 방향의 거리 (w)도 특별히 한정되지 않고 1 내지 100000㎛가 일반적이다.
주면 상의 홈부의 수는, 형성되는 GaN 결정의 원하는 면적에 따라 임의로 설정할 수 있지만, 상기 개구부 폭, 홈부의 간격, 저면의 폭을 감안하여, 통상 1mm당 10 내지 500개 정도 설정하면 된다.
상기 홈부는, 하지 기판 주면에 대하여 소정의 각도로 경사진 측벽을 갖고 있으며,
도 3에 도시한 바와 같이, 그 단면 형상은, 홈 개구부로부터 홈 저부를 향하여 홈 폭이 좁아지도록 경사진 테이퍼상으로 되어 있다.
상기 경사 각도란, 도 3에 도시한 바와 같이, 하지 기판 주면과 홈부 측벽의 연장면이 이루는 각도 (Θ)를 의미한다. 상기 각도는, 하지 기판 주면의 면방위에 맞추어 형성시키고 싶은 GaN 결정의 면방위를 감안하여 결정된다.
예를 들어, 사파이어 하지 기판 주면의 면방위가 <10-12>이며, 원하는 GaN 결정의 면방위가 <11-22>면인 경우에는, 이 각도를 58.4도로 하고, 이 측벽으로부터, GaN 결정을, 사파이어 하지 기판의 c축에 GaN 결정의 c축이 동일한 방향으로 되도록 성장시켜 원하는 결정을 얻는다.
원하는 GaN 결정의 주면인 <11-22>면과, 성장 방향인 GaN 결정의 c축에 대하여 수직으로 되는 GaN 결정의 c면이 이루는 각도가 58.4도이므로, 이때의 각도 58.4도가 결정된다. 그러나, 사용하는 사파이어 하지 기판의 주면인 <10-12>면과, 홈부의 측벽에 나타나는 사파이어 c면이 이루는 각도는 57.6도이기 때문에, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)는 57.6도로 되어, 그 위에 성장한 GaN 결정층의 표면은, 사파이어 하지 기판의 주면에 대하여, 약 0.8도 경사진다. 따라서, 이 각도를 상쇄하도록, 기판 주면이 사파이어 <10-12>면에 오프각을 부여한 면인 미스 커트 기판을 사용함으로써, GaN 결정의 <11-22>면이 사파이어 하지 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층을 얻을 수 있다.
사파이어 하지 기판 주면의 면방위가 <11-23>이며, 원하는 GaN 결정의 면방위가 <10-11>면인 경우에는, 이 각도를 62.0도로 하고, 이 측벽으로부터, GaN 결정을, 사파이어 하지 기판의 c축에 GaN 결정의 c축이 동일한 방향으로 되도록 성장시켜 원하는 결정을 얻는다.
원하는 GaN 결정의 주면인 <10-11>면과, 성장 방향인 GaN 결정의 c축에 대하여 수직으로 되는 GaN 결정의 c면이 이루는 각도가 62.0도이므로, 이때의 각도 62.0도가 결정된다. 그러나, 사용하는 사파이어 하지 기판의 주면인 <11-23>면과, 홈부의 측벽에 나타나는 사파이어 c면이 이루는 각도는 61.2도이기 때문에, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)는 61.2도로 되어, 그 위에 성장한 GaN 결정층의 표면은, 사파이어 하지 기판의 주면에 대하여 약 0.8도 경사진다. 따라서, 이 각도를 상쇄하도록 기판 주면이 사파이어 <11-23>면에 오프각을 부여한 면인 미스 커트 기판을 사용함으로써, GaN 결정의 <10-11>면이 사파이어 하지 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층을 얻을 수 있다.
사파이어 하지 기판 주면의 면방위가 <11-20>이며, 원하는 GaN 결정의 면방위가 <10-10>면인 경우에는, 이 각도를 90도로 하고, 이 측벽으로부터, GaN 결정을, 사파이어 하지 기판의 c축에 GaN 결정의 c축이 동일한 방향으로 되도록 성장시켜 원하는 결정을 얻는다.
원하는 GaN 결정의 주면인 <11-20>면과, 성장 방향인 GaN 결정의 c축에 대하여 수직으로 되는 GaN 결정의 c면이 이루는 각도가 90도이므로, 이때의 각도 90도가 결정된다. 그러나, 사파이어 기판에 홈부를 형성하는 에칭 공정에 있어서, 사파이어 기판 주면에 대하여 수직 방향뿐만 아니라, 평행 방향을 포함한 수직 이외의 방향으로도 에칭이 진행되기 때문에, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도, 즉 홈부 측벽이 사파이어 기판 주면에 대하여 정확하게 수직인 홈부를 형성하는 것은 기술 상 곤란하다. 그러나, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도에 가까운 홈부를 갖는 사파이어 기판을 사용함으로써, <11-20>면을 주면으로 하는 사파이어 하지 기판 상에, GaN 결정의 <10-10>면이 사파이어 하지 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층을 얻을 수 있다.
사파이어 하지 기판 주면의 면방위가 <10-10>이며, 원하는 GaN 결정의 면방위가 <11-20>면인 경우에는, 이 각도를 90도로 하고, 이 측벽으로부터, GaN 결정을, 사파이어 하지 기판의 c축에 GaN 결정의 c축이 동일한 방향으로 되도록 성장시켜 원하는 결정을 얻는다.
원하는 GaN 결정의 주면인 <10-10>면과, 성장 방향인 GaN 결정의 c축에 대하여 수직으로 되는 GaN 결정의 c면이 이루는 각도가 90도이므로, 이때의 각도 90도가 결정된다. 그러나, 상기와 같이 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도로 되는 홈부를 형성하는 것은 기술 상 곤란하다. 그러나, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도에 가까운 홈부를 갖는 사파이어 기판을 사용함으로써, <10-10>면을 주면으로 하는 사파이어 하지 기판 상에, GaN 결정의 <11-20>면이 사파이어 하지 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층을 얻을 수 있다.
사파이어 하지 기판 주면의 면방위가 <0001>이며, 원하는 GaN 결정의 면방위가 <10-10>면인 경우에는, 이 각도를 90도로 하고, 이 측벽으로부터, GaN 결정을, 사파이어 하지 기판의 a축에 GaN 결정의 c축이 동일한 방향으로 되도록 성장시켜 원하는 결정을 얻는다.
원하는 GaN 결정의 주면인 <10-10>면과, 성장 방향인 GaN 결정의 c축에 대하여 수직으로 되는 GaN 결정의 c면이 이루는 각도가 90도이므로, 이때의 각도 90도가 결정된다. 그러나, 상기와 같이 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도로 되는 홈부를 형성하는 것은 기술 상 곤란하다. 그러나, 하지 기판 주면과 홈부 측벽이 이루는 각도 (Θ)가 90도에 가까운 홈부를 갖는 사파이어 기판을 사용함으로써, <0001>면을 주면으로 하는 사파이어 하지 기판 상에, GaN 결정의 <10-10>면이 사파이어 하지 기판 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층을 얻을 수 있다.
본원 발명에 있어서는, 상기 홈부의 측벽에 있어서, GaN 결정을 성장시키는 영역(이하, 결정 성장 영역이라고 함)의 폭 (d)의 설정이, 관통 전위 밀도의 저감을 위해 매우 중요하다.
결정 성장 영역의 폭 (d)란, 도 3에 도시한 바와 같이, 성장 기점이 되는 측벽의 전체 영역이 결정 성장 영역인 경우에는, 하지 기판 주면과 측벽이 교차하는 변과, 측벽과 홈부 저면이 교차하는 변 사이의, 측벽 상의 최단 거리(간격)를 의미한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 측벽의 일부가 마스킹되어 결정 성장 영역이 제한 되어 있는 경우에는, 상기 최단 거리(간격)로부터, 마스킹 부분의 폭을 제외한 거리 (d)를 의미한다.
본 발명에 있어서는, 해당 폭 (d)를, 암점 밀도를 2×108개/㎠ 미만으로 하기 위해, 10 내지 750nm로 설정할 필요가 있다. 특히, 암점 밀도를 1.4×108개/㎠ 미만으로 하기 위해서는 폭 (d)를 100 내지 200nm로 하는 것이 필요하다. 폭 (d)의 하한은 특별히 제한은 없어 작을수록 좋지만, 하기에 설명하는 홈부 제작 시의 기술 상의 제약으로부터 결정된다.
상기 소정의 경사 각도의 측벽을 갖는 홈부는, 홈부 형성 예정 부분만 개구부로 되는 포토레지스트의 패터닝을 형성하여, 포토레지스트를 에칭 레지스트로 하고, 사파이어 하지 기판을 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching: RIE) 등의 건식 에칭 혹은 습식 에칭을 함으로써 형성할 수 있다.
또한, 측벽의 폭, 홈부 개구부 폭, 홈부 간격, 저면 폭 등의 제어 수단으로서는, 포토레지스트의 패터닝을 형성하는 단계에 있어서, 포토레지스트의 도포량, 베이크 온도, 베이크 시간, UV 조사량, UV 조사할 때의 포토마스크의 형상 등을 들 수 있다. 또한, 에칭의 단계에 있어서, 에칭 가스종, 에칭 가스 농도, 에칭 가스 혼합비, 안테나 파워, 바이어스 파워, 에칭 시간 등에 의해서도 제어할 수 있다.
이들 다양한 조건을 조합함으로써, 소정의 형상인 홈부를 갖는 사파이어 하지 기판을 얻을 수 있다. 특히 본 발명에 있어서 중요한 측벽의 폭은, 단위 시간당 사파이어가 에칭되는 속도인 에칭 레이트를 구하여, 에칭 시간을 변경함으로써 제어가 가능하다.
상기 방법에 있어서, 사파이어 하지 기판 주면의 선정, 및 홈부의 연장되는 방향의 설정에 의해, 다양한 면방위의 측벽을 갖는 하지 기판을 제작할 수 있다.
구체적으로는, 하지 기판 주면이 <10-12>면, 홈부의 연장되는 방향이 <11-20>면의 면방위, 즉 a 축방향인 경우에는, 결정 성장면인 측벽에 c면이 노출된다. 하지 기판 주면이 <11-23>면, 홈부의 연장되는 방향이 <10-10>면의 면방위, 즉 m 축방향인 경우에는, 결정 성장면인 측벽에 c면이 노출된다. 하지 기판 주면이 <11-20>면, 홈부의 연장되는 방향이 <10-10>면의 면방위, 즉 m 축방향인 경우에는, 결정 성장면인 측벽에 c면이 노출된다. 하지 기판 주면이 <10-10>면, 홈부의 연장되는 방향이 <11-20>면의 면방위, 즉 a 축방향인 경우에는, 결정 성장면인 측벽에 c면이 노출된다. 하지 기판 주면이 <0002>면, 홈부의 연장되는 방향이 <10-10>면의 면방위, 즉 m 축방향인 경우에는, 결정 성장면인 측벽에 a면이 노출된다.
상기와 같이, 사파이어 하지 기판은, 그 주면의 면방위 및 결정 성장의 기점의 면으로 되는 측벽의 면방위를 임의로 설계할 수 있다. 다양한 면방위를 갖는 측벽 중에서, c면 측벽을 기점으로 한 가로 방향 성장이 우선적으로 발생하기 쉬워 제어하기 쉽다. 따라서, 홈부를 구성하는 측벽의 적어도 일부에 c면을 포함하는 측벽을 형성하는 것이 바람직한 형태이다.
측벽의 일부를 마스킹하는 수단으로서는, 진공 증착, 스퍼터링, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 방법에 의해, 결정 성장 영역 이외의 영역에 SiO2막, SiNx막, TiO2막, ZrO2막 등을 형성하여 마스킹하는 방법을 들 수 있다. 상기 마스킹층의 두께는, 통상 O.01 내지 3㎛ 정도이다.
GaN 결정층은, 상기 측벽을 기점으로 하여, ELO에 의해 가로 방향으로 결정 성장하고, 사파이어 하지 기판 상에 하지 기판 주면과 평행하게 그 표면이 형성된다. 형성되는 GaN 결정층의 두께(사파이어 하지 기판 주면으로부터의 높이)는, 특별히 한정되지 않지만, 통상 2 내지 20㎛이다.
GaN 결정층의 결정 표면의 면방위는, 상기와 같이 사파이어 하지 기판 주면에 대응하고, <11-22>면, <10-11>면, <20-21>면 등을 포함한다.
GaN 결정의 성장 방법은, 특별히 한정되지 않고 유기 금속 기상 성장법(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE), 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy: MBE), 하이드라이드 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)이 채용되고, 이들 중 유기 금속 기상 성장법이 가장 일반적이다. 이하에서는, 유기 금속 기상 성장법을 이용한 성장 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본원 발명의 발명자들에 의해 제안된 WO2010/023846호 공보에 기재된 기술을 전혀 제한 없이 준용할 수 있다.
결정 성장에 사용되는 MOVPE 장치는, 크게는 기판 반송계, 기판 가열계, 가스 공급계 및 가스 배기계로 구성되고, 전부 전자 제어된다. 기판 가열계는, 열전대 및 저항 가열 히터, 및 그 위에 설치된 탄소제 혹은 SiC제의 서셉터로 구성되고, 그리고, 그 서셉터 상에 본 발명의 사파이어 하지 기판을 세트한 석영 트레이가 반송되어, 반도체층의 에피택셜 성장이 행해진다. 이 기판 가열계는, 수냉 기구를 구비한 석영제의 이중관 내 혹은 스테인리스제의 반응 용기 내에 설치되고, 그 이중관 혹은 반응 용기 내에 캐리어 가스 및 각종 원료 가스가 공급된다. 특히 스테인리스 반응 용기를 사용하는 경우는, 기판 상에 층류의 가스의 흐름을 실현하기 위해, 석영제의 플로우 채널을 사용한다.
캐리어 가스로서는, 예를 들어 H2, N2를 들 수 있다. 질소 원소 공급원으로서는, 예를 들어 NH3를 들 수 있다. Ga 원소 공급원으로서는, 예를 들어 트리메틸갈륨(TMG)을 들 수 있다.
이하 구체적으로, GaN 결정층의 형성에 대하여 설명한다. 우선, 사파이어 하지 기판을 기판 주면이 상향으로 되도록 석영 트레이 상에 세트한 후, 사파이어 하지 기판을 1050 내지 1150℃로 가열함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 10 내지 100kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내에 설치한 플로우 채널 내에 캐리어 가스로서 H2를 유통시켜, 그 상태를 수분간 유지함으로써 사파이어 하지 기판을 서멀 클리닝한다.
계속해서, 사파이어 하지 기판의 온도를 1050 내지 1150℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 10 내지 100kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내에 캐리어 가스 H2를 10L/분의 유량으로 유통시키면서, 거기에 NH3 및 TMG를, 각각의 공급량이 O.1 내지 5L/분 및 10 내지 150㎛ol/분으로 되도록 흘린다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 사파이어 하지 기판의 홈부의 측벽으로부터, 그 위에 언도프의 GaN이 헤테로 에피택셜 성장한다. 그리고, 그 결정 성장에 의해 기판 주면의 법선 방향으로 GaN 층의 성장이 진전되어, 도 6에 도시한 바와 같이, 사파이어 하지 기판 상에 GaN 결정층이 형성되어 적층 기판이 얻어진다. GaN 결정층의 층 두께는 약 2 내지 20㎛이다. GaN 결정층을 형성시키기 전에, 측벽의 결정 성장 영역면 상에 두께 20 내지 30nm 정도의 저온 버퍼층을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 사파이어 하지 기판을 사용하여 GaN 결정의 결정 성장을 행할 때, 상기 기판 주면으로부터의 성장을 일으키지 않고, 홈부의 측벽으로부터 우선적으로 성장이 일어나도록 제어하기 위해서는, 성장 온도, 성장 압력, 원료 가스 공급량, 원료 가스 공급비, 캐리어 가스종, 캐리어 가스량 등의 다양한 조건을 최적화할 필요가 있다. 사용하는 성장 방법이나 반응 장치나 원료 등을 결정하는 데 있어서, 미리 예비적인 실험으로 그 조건을 결정해 두면 된다. 또한, 본 발명에 사용하는 사파이어 하지 기판은, 결정을 성장시키는 영역 이외에, 예를 들어 주면이 SiO2 등을 포함하는 결정 성장 저해층으로 피복된 것일 수도 있다. 결정 성장 저해층의 부여에 의해, 기판 주면으로부터의 성장을 억제하여, 홈부의 측벽으로부터 우선적으로 성장이 발생하도록 제어할 수 있다.
구체적으로는, 하지 기판 주면이 <10-12>면, 혹은 <11-23>면인 경우, GaN 결정은 하지 기판 주면, 사파이어 c면이 노출된 홈부 측벽, 다른 한쪽의 홈부 측벽으로부터 결정 성장할 가능성이 있다. 이 경우, 사파이어 c면이 노출된 홈부 측벽으로부터 우선적으로 성장이 일어나도록 제어하기 위해서는, 상기 다양한 성장 조건의 최적화가 필요하다. 또한, 하지 기판 주면으로부터의 성장은, 결정 성장 저해층의 부여에 의해서도 억제가 가능하다.
하지 기판 주면이 <11-20>면, <10-10>면, 혹은 <0002>면인 경우, GaN 결정은 하지 기판 주면 및 홈부 측벽으로부터 결정 성장할 가능성이 있다. 이때, 양측의 홈부 측벽은 동일한 면방위를 갖고 있기 때문에, 어느 쪽으로부터든 동일한 면방위를 갖는 GaN 결정이 성장하고, 어느 한쪽의 홈부 측벽으로부터 결정이 성장하도록 제어할 필요는 없어, 하지 기판 주면으로부터의 성장을 억제하면 된다. 하지 기판 주면으로부터의 성장을 억제하기 위해서는 결정 성장 저해층의 부여가 효과적이지만, 상기 다양한 성장 조건의 최적화만으로도 제어는 가능하다.
GaN 결정층은, 홈부의 측벽의 성장 영역으로부터 결정 성장한 복수의 띠 형상의 GaN 결정의 집합체에 의해, 혹은 띠 형상의 GaN 결정이 회합하여 이어진 일체물에 의해 구성된다.
얻어지는 GaN 결정층의 표면의 면방위는, 사파이어 하지 기판의 결정 구조에 따라, 여러 가지로 상이하게 된다. 예를 들어, 사파이어 하지 기판의 주면이 <10-12>면이며, 성장 기점이 되는 측벽이 c면인 경우에는, 측벽면 상에는 사파이어의 a축과 GaN 결정의 m축이 평행하고, 사파이어의 m축과 GaN 결정의 a축이 평행한 결정 방위 관계에 있는 GaN 결정이 결정 성장한다. 이 결과, 상기 사파이어 하지 기판 상에는, GaN 결정의 <11-22>면이 사파이어 하지 기판의 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층이 형성된다.
혹은, 사파이어 하지 기판의 주면이 <11-23>면이며, 성장 기점이 되는 측벽이 c면인 경우에는, 측벽면 상에는 사파이어의 m축과 GaN 결정의 a축이 평행하고, 사파이어의 a축과 GaN 결정의 m축이 평행한 결정 방위 관계에 있는 GaN 결정이 결정 성장한다. 이 결과, 상기 사파이어 하지 기판 상에는, GaN 결정의 <10-11>면이 사파이어 하지 기판의 주면에 대하여 평행하도록 성장한 GaN 결정층이 형성된다.
상기 각종 성장법에 의해 얻어진 질화갈륨 결정 적층 기판은, 이대로 각종 반도체 발광 소자의 기판으로서 사용할 수 있다.
<실시예>
이하, 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 전혀 제한되는 것은 아니다. 또한, 실시예 중에서 설명되고 있는 특징의 조합 전부가 본 발명의 해결 수단에 필수적인 것이라고는 할 수 없다.
실시예 1
〔사파이어 하지 기판의 제작〕
<10-12>면 사파이어 하지 기판 상에 스트라이프상으로 레지스트를 패터닝하고, 계속하여 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 건식 에칭함으로써, 사파이어 하지 기판 상에 복수개의 홈부를 형성했다. 홈부는, 홈 개구 폭이 3㎛, 홈의 깊이가 100nm 및 인접하는 홈부까지의 기판 주면 부분의 폭이 3㎛가 되도록 형성했다. 측벽의 경사 각도는 약 60도이며, 홈 깊이 및 측벽의 경사 각도로부터 산출한 측벽의 폭 (d)는 115nm이었다.
건식 에칭 후, 레지스트를 세정 제거함으로써 사파이어 하지 기판을 얻었다. 이 사파이어 하지 기판은, 기판 주면 상에 8466개의 홈부가 존재한다. 상기 홈부는 결정 성장 영역으로 되는 사파이어 c면을 포함하는 측벽, 또다른 면방위의 측벽 및 홈부 저면으로 구성되어 있었다.
〔언도프 GaN 결정층의 형성〕
제작한 사파이어 하지 기판을, MOVPE 장치 내에, 기판 표면이 상향으로 되도록 석영 트레이 상에 세트한 후, 기판을 1150℃로 가열함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 100kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내에 캐리어 가스로서 H2를 10L/분으로 유통시켜, 그 상태를 10분간 유지함으로써 기판을 서멀 클리닝했다.
계속해서, 기판의 온도를 460℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 100kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내를 유통하는 캐리어 가스를 H2 5L/분의 유량으로 흘리면서, 거기에 V족 원소 공급원(NH3) 및 III족 원소 공급원(TMG)을, 각각의 공급량이 5L/분 및 5.5㎛ol/분으로 기판 상에 아몰퍼스상의 GaN을 약 25nm 퇴적시켰다. 계속하여 기판의 온도를 1075℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 20kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내를 유통하는 캐리어 가스를 H2로 하여, 그것을 5L/분의 유량으로 유통시킴으로써, 기판 상에 퇴적한 GaN을 재결정화하여, 홈부 측벽의 결정 성장 영역에 선택적으로 GaN 결정핵을 형성했다.
계속해서, 하지 기판의 온도를 1075℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 20kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내를 유통하는 캐리어 가스를 H2로 하여, 그것을 5L/분의 유량으로 유통시키면서, 거기에 V족 원소 공급원(NH3) 및 III족 원소 공급원(TMG)을, 각각의 공급량이 2L/분 및 30㎛ol/분으로 되도록 30분간 흘려, GaN 결정핵 상에 GaN(언도프 GaN)을 결정 성장시킴으로써, 하지 기판의 홈부의 측벽으로부터 가로 방향 결정 성장하도록 기판 상에 GaN 결정층을 형성했다.
계속해서, 하지 기판의 온도를 1025℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 20kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내를 유통하는 캐리어 가스를 H2로 하고, 그것을 5L/분의 유량으로 유통시키면서, 거기에 V족 원소 공급원(NH3) 및 III족 원소 공급원(TMG)을, 각각의 공급량이 2L/분 및 30㎛ol/분으로 되도록 300분간 흘려, GaN 결정을 성장시킴으로써, 하지 기판의 각 홈부의 측벽으로부터 성장한 GaN 결정들을 회합하여, GaN 결정의 <11-22>면을 포함하는 표면이 하지 기판 주면에 대하여 평행하게 형성된 GaN 결정층을 형성했다.
〔ｎ형 GaN 결정층의 형성〕
계속해서, 기판의 온도를 1025℃로 함과 동시에 반응 용기 내의 압력을 20kPa로 하고, 또한, 반응 용기 내를 유통하는 캐리어 가스를 H2로 하고, 그것을 5L/분의 유량으로 유통시키면서, 거기에 V족 원소 공급원(NH3), III족 원소 공급원(TMG) 및 ｎ형 도핑 원소 공급원(SiH4)을, 각각의 공급량이 2L/분, 30㎛ol/분 및 5.8×10-3㎛ol/분으로 되도록 60분간 흘려, 언도프 GaN 결정층의 상부에, 언도프 GaN 결정층과 동일 면방위로 에피택셜 성장한 ｎ형 GaN 결정층을 형성했다.
실시예 2
사파이어 하지 기판에 형성한 홈부의 홈 깊이를 200nm로 하고, 측벽의 폭 (d)를 231nm로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 사파이어 하지 기판 상에 GaN 결정층을 형성했다.
실시예 3
사파이어 하지 기판에 형성한 홈부의 홈 깊이를 500nm로 하고, 측벽의 폭 (d)를 587nm로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 사파이어 하지 기판 상에 GaN 결정층을 형성했다.
비교예 1
사파이어 하지 기판에 형성한 홈부의 홈 깊이를 1㎛로 하고, 측벽의 폭 (d)를 1155nm로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 사파이어 하지 기판 상에 GaN 결정층을 형성했다.
〔암점 밀도 평가〕
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 각각에 의해 얻어진 GaN 결정층에 대해, 주사형 전자 현미경/캐소드 루미네션스(SEM·CL) 장치를 사용하여, ｎ형 GaN 결정층 표면의 관찰을 행하였다. 이때의 가속 전압은 5kV, 관찰 범위는 20㎛×20㎛로 하고, 관찰 범위 내에 관찰된 암점의 총 수로부터 암점 밀도를 산출한 바, 표 1에 나타내는 결과가 얻어졌다.
Figure pct00001
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 데이터로부터, 측벽의 폭 (d)와 암점 밀도의 관계를 도 7에 나타냈다(X축은 대수 표시). 이 도면으로부터, 하지 기판의 측벽의 폭 (d)를, 750nm 이하로 함으로써, 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만인 <11-22>면방위의 GaN 결정층이, 특히 폭 (d)를 200nm 이하로 함으로써, 암점 밀도가 1.85×108개/㎠ 이하인 고결정 품질의 GaN 결정층이 얻어지는 것을 인식할 수 있어, 결정 성장 영역인 측벽의 폭 (d)가 결정 품질에 크게 기여하는 것을 확인할 수 있다.
10: 사파이어 하지 기판
11: 하지 기판 주면
20: 하지 기판 홈부
21: 홈부 측벽
22: 홈부 저면
23: 측벽 결정 성장 영역
30: GaN 결정층
31: GaN 결정층 표면
40: 마스킹부

Claims (10)

  1. 사파이어 하지 기판과, 상기 기판 상에 결정 성장시켜 형성된 질화갈륨 결정층을 포함하고, 상기 질화갈륨 결정층은, 사파이어 하지 기판의 주면에 복수개 형성된 홈부의 측벽을 기점으로 하여 가로 방향 결정 성장하여 상기 주면과 평행하게 그 표면이 형성된 것이며, 또한, 상기 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 2×108개/㎠ 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판.
  2. 제1항에 있어서, 질화갈륨 결정의 암점 밀도가 1.4×108개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질화갈륨 결정층이, 무극성 또는 반극성의 면방위를 갖는 표면을 포함하는 질화갈륨 결정층인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이 사파이어 단결정의 c면인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판.
  5. 사파이어 하지 기판 상에, 상기 하지 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 복수개의 홈부를 형성하고, 상기 홈부의 측벽을 기점으로 하여 선택적으로 질화갈륨 결정을 가로 방향 성장시키는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법에 있어서,
    상기 측벽에 있어서 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)를 10 내지 750nm로 설정하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 100 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이 사파이어 단결정의 c면인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 결정 적층 기판의 제조 방법.
  8. 사파이어 하지 기판 상에, 상기 하지 기판의 주면에 대하여 경사진 측벽을 갖는 홈부를 복수개 갖고, 상기 홈부의 측벽에 있어서 선택적으로 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 10 내지 750nm로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 결정 적층 기판 제조용 사파이어 하지 기판.
  9. 제8항에 있어서, 질화갈륨 결정을 성장시키는 영역의 폭 (d)가 100 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 결정 적층 기판 제조용 사파이어 하지 기판.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 가로 방향 결정 성장의 기점이 되는 측벽이 사파이어 단결정의 c면인 것을 특징으로 하는 결정 적층 기판 제조용 사파이어 하지 기판.
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10435812B2 (en) 2012-02-17 2019-10-08 Yale University Heterogeneous material integration through guided lateral growth
JP2013193918A (ja) * 2012-03-19 2013-09-30 Tokuyama Corp 窒化ガリウム結晶自立基板及びその製造方法
JP6004550B2 (ja) 2012-12-20 2016-10-12 日本碍子株式会社 種結晶基板、複合基板および機能素子
JPWO2014136393A1 (ja) * 2013-03-08 2017-02-09 国立大学法人山口大学 加工基板及びそれを用いた半導体装置
WO2014136602A1 (ja) * 2013-03-08 2014-09-12 国立大学法人山口大学 窒化ガリウム結晶自立基板の製造方法
US9312446B2 (en) 2013-05-31 2016-04-12 Ngk Insulators, Ltd. Gallium nitride self-supported substrate, light-emitting device and manufacturing method therefor
EP3025378B1 (en) 2013-07-22 2020-05-06 Lumileds Holding B.V. Method of separating light emitting devices formed on a substrate wafer
EP3031958B1 (en) 2013-08-08 2017-11-01 Mitsubishi Chemical Corporation Self-standing gan substrate and method for producing semiconductor device
CN105830237B (zh) 2013-12-18 2019-09-06 日本碍子株式会社 发光元件用复合基板及其制造方法
WO2015107813A1 (ja) 2014-01-17 2015-07-23 三菱化学株式会社 ＧａＮ基板、ＧａＮ基板の製造方法、ＧａＮ結晶の製造方法および半導体デバイスの製造方法
JP6154066B2 (ja) 2014-03-31 2017-06-28 日本碍子株式会社 多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子
US9978845B2 (en) 2014-04-16 2018-05-22 Yale University Method of obtaining planar semipolar gallium nitride surfaces
CN106233471A (zh) * 2014-04-16 2016-12-14 耶鲁大学 蓝宝石衬底上的氮‑极性的半极性GaN层和器件
WO2015182207A1 (ja) * 2014-05-30 2015-12-03 三菱化学株式会社 エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法
KR101758548B1 (ko) 2014-09-29 2017-07-14 엔지케이 인슐레이터 엘티디 질화갈륨 자립 기판, 발광 소자 및 이들의 제조 방법
DE102014115253A1 (de) * 2014-10-20 2016-04-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Strukturierung einer Schichtenfolge und Halbleiterlaser-Vorrichtung
US9558943B1 (en) * 2015-07-13 2017-01-31 Globalfoundries Inc. Stress relaxed buffer layer on textured silicon surface
JP6688109B2 (ja) 2016-02-25 2020-04-28 日本碍子株式会社 面発光素子、外部共振器型垂直面発光レーザー、および面発光素子の製造方法
WO2017145802A1 (ja) 2016-02-25 2017-08-31 日本碍子株式会社 多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子
US10541514B2 (en) 2016-02-25 2020-01-21 Ngk Insulators, Ltd. Surface-emitting device, vertical external-cavity surface-emitting laser, and method for manufacturing surface-emitting device
TW201810383A (zh) 2016-08-12 2018-03-16 耶魯大學 通過在生長期間消除氮極性面的生長在異質基板上的無堆疊錯誤的半極性及非極性ＧａＮ
US11145507B2 (en) * 2019-12-16 2021-10-12 Wafer Works Corporation Method of forming gallium nitride film over SOI substrate
US11804374B2 (en) 2020-10-27 2023-10-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Strain relief trenches for epitaxial growth
CN113219122A (zh) * 2021-05-12 2021-08-06 中国电子科技集团公司第四十六研究所 一种快速区分氮化铝体单晶极性面的方法与装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007012809A (ja) * 2005-06-29 2007-01-18 Univ Of Tokushima 窒化ガリウム系化合物半導体装置およびその製造方法
JP2007243006A (ja) * 2006-03-10 2007-09-20 Kyocera Corp 窒化物系半導体の気相成長方法、及び、エピタキシャル基板とそれを用いた半導体装置
JP4888857B2 (ja) * 2006-03-20 2012-02-29 国立大学法人徳島大学 Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
JP4793824B2 (ja) * 2006-08-28 2011-10-12 シャープ株式会社 窒化物半導体層の形成方法
JP5077985B2 (ja) * 2006-08-28 2012-11-21 シャープ株式会社 窒化物半導体層の形成方法
TW200816508A (en) * 2006-09-18 2008-04-01 Univ Nat Central Fabrication methods of patterned sapphire substrate and light emitting diode
JP4877144B2 (ja) * 2007-08-10 2012-02-15 三菱化学株式会社 エピタキシャルウェハの製造方法
JP5392855B2 (ja) * 2008-08-25 2014-01-22 国立大学法人山口大学 半導体基板及びその製造方法

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