KR20160122863A - Hexagonal wurtzite single crystal - Google Patents

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KR20160122863A KR1020167028667A KR20167028667A KR20160122863A KR 20160122863 A KR20160122863 A KR 20160122863A KR 1020167028667 A KR1020167028667 A KR 1020167028667A KR 20167028667 A KR20167028667 A KR 20167028667A KR 20160122863 A KR20160122863 A KR 20160122863A
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제임스 에스. 스펙
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

용매-열 방법 (solvo-thermal method)을 사용하여 고품질 벌크 육방정 단결정 (bulk hexagonal single crystal)을 성장시키는 기술, 및 동시에 고품질 및 빠른 속도를 달성하는 기술이 개시된다. 결정 품질은 성장 평면에 강하게 의존하는데, 여기서 비극성 또는 반극성 시드 표면 (seed surface)은 c-평면 시드 표면과 비교하여 더 고품질의 결정을 가져온다. 또한, 성장 속도는 성장 평면에 강하게 의존하는데, 여기서 반극성 시드 표면은 더 빠른 성장 속도를 가져온다. 적절한 성장 평면을 선택함으로써 동시에 고품질 결정 (high crystal quality) 및 빠른 성장 속도가 달성될 수 있다. 비극성 또는 반극성 시드 표면 RMS 거칠기가 100 nm 보다 작은 경우 고품질 결정이 달성가능하며; 반면, 원자적으로 매끈한 표면으로부터 성장되더라도, Ga-면 또는 N-면으로부터 성장한 결정은 불량한 결정 품질의 결과가 된다.Techniques for growing high-quality bulk hexagonal single crystals using a solvo-thermal method and techniques for achieving high quality and fast speeds are disclosed. Crystal quality is strongly dependent on the growth plane, where the nonpolar or semi-polar seed surface results in a higher quality crystal compared to the c-plane seed surface. Also, the growth rate strongly depends on the growth plane, where the semi-polar seed surface results in a faster growth rate. High crystal quality and fast growth rates can be achieved at the same time by selecting an appropriate growth plane. High quality crystals are achievable when the non-polar or semi-polar seed surface RMS roughness is less than 100 nm; On the other hand, even if grown from an atomically smooth surface, crystals grown from Ga-plane or N- plane result in poor crystal quality.

Description

육방정 우르차이트 단결정{Hexagonal wurtzite single crystal}Hexagonal wurtzite single crystal < RTI ID = 0.0 >

관련 출원의 교차 참조Cross reference of related application

본 출원은 다음의 동시 계류 중이며 공동 양도된 미국 특허 출원의 35 U.S.C. 119(e)의 이익을 주장한다:This application is a continuation-in-part of co-pending U. S. Patent Application No. Assume the benefit of 119 (e):

Makoto Saito 등에 의하여 2008년 5월 28일 출원된, "HEXAGONAL W

Figure pat00001
TZITE SINGLE CRYSTAL AND HEXAGONAL W
Figure pat00002
RTZITE SINGLE CRYSTAL SUBSTRE,"표제의 미국 특허 출원 번호 61/056,797(상기 출원은 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다)."HEXAGONAL W " filed on May 28, 2008 by Makoto Saito et al.
Figure pat00001
TZITE SINGLE CRYSTAL AND HEXAGONAL W
Figure pat00002
RTZITE SINGLE CRYSTAL SUBSTRE, entitled "U.S. Patent Application Serial No. 61 / 056,797, the application of which is incorporated herein by reference.

본 출원은 다음의 동시 계류 중이며 공동 양도된 미국 특허 출원과 관계 있다:This application is related to the following co-pending and commonly assigned US patent applications:

Tadao Hashimoto 등에 의하여, 2006년 4월 7일 출원된, "A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS," 표제의 미국 특허 가출원 번호 60/790,310, 대리인 사건 번호 30794.0179USP1; Tadao Hashimoto et al., Entitled " A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS "filed April 7, 2006, entitled " US Patent Application No. 60 / 790,310, 30794.0179USP1;

Tadao Hashimoto, Hitoshi Sato, 및 Shuji Nakamura 등에 의하여, 2007년 6월 20일 출원된, "OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACE GaN SUBSTRATE PREPARED WITH AMMONOTHERMAL GROWTH," 표제의 미국 특허 출원 번호 11/765,629, 대리인 사건 번호 30794.184-US-P1 (2006-666);Tadao Hashimoto, Hitoshi Sato, and Shuji Nakamura et al., U.S. Patent Application No. 11 / 765,629, entitled " OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACE GaN SUBSTRATE PREPARED WITH AMMONOTHERMAL GROWTH, "filed on June 20, Attorney Docket No. 30794.184-US-P1 (2006-666);

Frederick F. Lange, Jin Hyeok Kim, Daniel B. Thompson 및 Steven P. DenBaars 등에 의하여, 2006년 8월 4일 출원된, "HYDROTHERMAL SYNTHESIS OF TRANSPARENT CONDUCTING ZnO HETEROEPITAXIAL FILMS ON GaN IN WATER AT 90C," 표제의 미국 특허 가출원 번호 60/821,558, 대리인 사건 번호 30794.192-US-P1 (2007-048-1);Quot; HYDROTHERMAL SYNTHESIS OF TRANSPARENT CONDUCTING ZINO HETEROEPITAXIAL FILMS ON GAIN IN WATER AT 90C, "filed on August 4, 2006, by Frederick F. Lange, Jin Hyeok Kim, Daniel B. Thompson and Steven P. DenBaars, Patent Application No. 60 / 821,558, Attorney Docket No. 30794.192-US-P1 (2007-048-1);

Frederick F. Lange, Jin Hyeok Kim, Daniel B. Thompson 및 Steven P. DenBaars등에 의하여, 2007년 4월 11일 출원된, "HYDROTHERMAL SYNTHESIS OF TRANSPARENT CONDUCTING ZnO HETEROEPITAXIAL FILMS ON GaN IN WATER AT 90C,"표제의 미국 특허 가출원 번호 60/911,213, 대리인 사건 번호 30794.192-US-P2 (2007-048-2);Quot; HYDROTHERMAL SYNTHESIS OF TRANSPARENT CONDUCTING ZINO HETEROEPITAXIAL FILMS ON GAIN IN WATER AT 90C, "filed April 11, 2007 by Frederick F. Lange, Jin Hyeok Kim, Daniel B. Thompson and Steven P. DenBaars, Patent Application No. 60 / 911,213, Attorney Docket No. 30794.192-US-P2 (2007-048-2);

Siddha Pimputkar 등에 의하여 2008년 11월 7일 출원된, "REACTOR DESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS," 표제의 미국 특허 가출원 번호 61/112,560, 대리인 사건 번호 30794.296-US-P1 (2009-283-1);US Provisional Patent Application No. 61 / 112,560, Attorney Docket No. 30794.296-US-P1, filed November 7, 2008 by Siddha Pimputkar et al., Entitled "REACTOR DESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS, 283-1);

Siddha Pimputkar 등에 의하여 2008년 11월 7일 출원된, "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," 표제의 미국 특허 가출원 번호 61/112,552, 대리인 사건 번호 30794.297-US-P1 (2009-284-1);Siddha Pimputkar et al., Entitled " 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, 61 / 112,552, Attorney Docket No. 30794.297-US-P1 (2009-284-1);

Siddha Pimputkar 등에 의하여 2008년 11월 7일 출원된, "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," 표제의 미국 특허 가출원 번호 61/112,558, 대리인 사건 번호 30794.298-US-P1 (2009-286-1);Siddha Pimputkar et al., "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 US Patent Application No. 61 / 112,558, Attorney Docket No. 30794.298-US-P1 (2009-286-1), entitled " AND / OR MASS LOSS DUE TO DIFFUSION OF HYDROGEN OUT OF THE CLOSED VESSEL,

Siddha Pimputkar 등에 의하여 2008년 11월 7일 출원된, "CONTROLLING RELATIVE GROWTH RATES OF DIFFERENT EXPOSED CRYSTALLOGRAPHIC FACETS OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL," 표제의 미국 특허 가출원 번호 61/112,545, 대리인 사건 번호 30794.299-US-P1 (2009-287-1); Siddha Pimputkar et al., Entitled " CONTROLLING RELATIVE GROWTH RATES OF DIFFERENT EXPOSED CRYSTALLOGRAPHIC FACETS OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL DURING THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL, / 112,545, Attorney Docket No. 30794.299-US-P1 (2009-287-1);

Siddha Pimputkar 등에 의하여 2008년 11월 7일 출원된, "USING BORON-CONTAINING COMPOUNDS, GASSES AND FLUIDS DURING AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS," 표제의 미국 특허 가출원 번호 61/112,550, 대리인 사건 번호 30794.300-US-P1 (2009-288-1); 및US Provisional Patent Application No. 61 / 112,550 entitled " USING BORON-CONTAINING COMPOUNDS, GASSES AND FLUIDS DURING AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS, "filed November 7, 2008 by Siddha Pimputkar et al., Attorney Docket No. 30794.300-US -P1 (2009-288-1); And

Makoto Saito 등에 의하여 2008년 5월 28일 출원된, "HEXAGONAL WURTZITE TYPE EPITAXIAL LAYER POSSESSING A LOW ALKALI-METAL CONCENTRATION AND METHOD OF CREATING THE SAME," 표제의 미국 특허 출원 번호 61/855,591, U.S. Patent Application No. 61 / 855,591 entitled " HEXAGONAL WURTZITE TYPE EPITAXIAL LAYER POSSESSING A LOW ALKALI-METAL CONCENTRATION AND METHOD OF CREATING THE SAME, "filed May 28, 2008 by Makoto Saito et al.

상기 모든 출원들은 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다.All of the above applications are incorporated herein by reference.

본 발명은 육방정 우르차이트 유형 벌크 단결정(hexagonal wurtzite type bulk single crystals)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 육방정 우르차이트 유형 단결정의 고속 및 고품질 용매-열 성장 (solvo-thermal growth)에 관한 것이다.The present invention relates to hexagonal wurtzite type bulk single crystals, and more particularly to high-speed and high-quality solvent-to-solvo-thermal growth of hexagonal wurtzite type single crystals. .

(주의: 본 출원은 명세서 전체를 통하여 표시한 바와 같이 많은 다른 문헌들을 괄호 내에 하나 이상의 인용 번호로 예를 들어 [X]로 인용한다. 이러한 인용 번호에 따라 배열된 이들 다른 문헌 목록은 "참조"로 제목이 붙여진 부분의 아래에서 발견될 수 있다. 이들 각각의 문헌들은 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다.) (Note: The present application cites many other documents as parentheses, for example, [X], as indicated throughout the specification, with one or more quotation numbers, for example. Each of these documents is incorporated herein by reference.)

질화 갈륨 (GaN) 및 알루미늄 및 인듐을 포함하는 이의 3원 화합물 및 이의 4원소 화합물(AlGaN, InGaN, AlInGaN)의 유용함은 가시광 및 자외선 광전자 디바이스 및 고출력 전자 디바이스의 제작에서 잘 확립되어 있다. 이들 디바이스들은 전형적으로 분자빔 에피택시 (molecular beam epitaxy) (MBE), 유기 금속 화학 증착법 (metalorganic chemical vapor deposition) (MOCVD), 및 수소화물 증기상 에피택시 (hydride vapor phase epitaxy) (HVPE)를 포함하는 성장 기술을 이용하여 에피택셜하게 (epitaxially) 성장한다.The availability of gallium nitride (GaN), its ternary compounds including aluminum and indium and its four elemental compounds (AlGaN, InGaN, AlInGaN) is well established in the production of visible and ultraviolet optoelectronic devices and high power electronic devices. These devices typically include molecular beam epitaxy (MBE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), and hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Lt; RTI ID = 0.0 > epitaxially < / RTI >

GaN 및 이의 합금들은 육방정 우르차이트 결정 구조에서 가장 안정하며, 여기서 상기 구조는 모두 유일한 c-축에 수직하며 서로 (a-축)에 대하여 120 도 회전된 2 개(또는 3개)의 등가 기저면 축들로 기술된다. III 족 및 질소 원자들은 상기 결정의 c-축을 따라 교호하는 c-평면을 점유한다. 우르차이트 구조에 포함되어 있는 대칭 요소들은 III족 질화물 (III-nitride)이 상기 c-축을 따라 벌크 자발 분극 (bulk spontaneous polarization)을 가지며, 우르차이트 구조가 압전 분극 (piezoelectric polarization)을 나타내도록 한다.GaN and its alloys are most stable in the hexagonal-wurtzite crystal structure, wherein all of the structures are two (or three) equivalents of the crystal structure, which are all perpendicular to the unique c-axis and rotated 120 degrees relative to each other Described as base axes. Group III and nitrogen atoms occupy the alternating c-planes along the c-axis of the crystal. The symmetry elements contained in the wurtzite structure are such that the group III-nitride has bulk spontaneous polarization along the c-axis and the wurtzite structure exhibits piezoelectric polarization. do.

전자 디바이스 및 광전자 디바이스 (optoelectronic devices)에서의 현재의 질화물 기술은 극성 c-방향을 따라 성장한 질화물 필름을 사용한다. 그러나, 강한 압전 및 자발 분극의 존재로 인하여 III족 질화물계 광전자 디바이스 및 전자 디바이스에서의 통상적인 c-평면 양자 우물 구조는 바람직하지 않은 양자 가둠 슈타르크 효과 (quantum-confined Stark effect) (QCSE)를 받는다. c-방향을 따라 존재하는 강한 내부 전기장(built-in electric field)은 전자 및 홀의 공간적인 분리를 일으키며 이는 이번에는 제한된 캐리어 재결합 효율 (restricted carrier recombination efficiency), 감소된 진동자 강도 (reduced oscillator strength), 및 적색 편이 발광 (red-shifted emission)을 일으킨다.Current nitride techniques in electronic devices and optoelectronic devices use nitride films grown along the polar c-direction. However, due to the presence of strong piezoelectric and spontaneous polarization, conventional c-plane quantum well structures in III-nitride-based optoelectronic devices and electronic devices have an undesirable quantum-confined Stark effect (QCSE) Receive. The strong built-in electric field along the c-direction causes spatial separation of electrons and holes, which in turn leads to limited carrier recombination efficiency, reduced oscillator strength, And red-shifted emission.

GaN 광전자 디바이스에서 자발 및 압전 분극 효과를 제거하거나 또는 감소시키는 한가지 접근 방법은 결정의 비극성 평면 (non-polar plane) 또는 반극성 평면 (semi-polar plane)상에서 디바이스를 성장시키는 것이다. 최근, 비극성 디바이스 및 반극성 디바이스의 이점을 확인하는 여러 보고들이 출판되고 있다. 이들의 대부분은 고품질의 기재(substrate)가 이들 디바이스 제조에 필수적임을 지적한다. 역사적으로는, 디바이스를 제조하기 위해 SiC, 스피넬 (spinel), 사파이어, 등과 같은 이질 기재 (foreign substrate)를 사용하기 위한 많은 노력이 있었는데; 그러나, 디바이스 품질은 헤테로에피택시 (hetero-epitaxy)를 원인으로 하는 높은 결함 밀도 탓으로 불량이었다.One approach to removing or reducing spontaneous and piezoelectric polarization effects in GaN optoelectronic devices is to grow the device on a non-polar plane or a semi-polar plane of the crystal. Recently, several reports have been published confirming the advantages of non-polar and semi-polar devices. Most of them point out that high quality substrates are essential for the manufacture of these devices. Historically, there have been many efforts to use foreign substrates such as SiC, spinel, sapphire, etc. to fabricate devices; However, device quality was poor due to high defect density due to hetero-epitaxy.

이러한 상황에서, 호모에피택시 (homo-epitaxy)용 고품질 및 고가 성능 (high cost-performance) GaN 기재는 비극성 디바이스 및 반극성 디바이스의 산업화를 위한 주요 재료이다. HVPE를 GaN 기재와 함께 사용하는 것은 고품질 비극성 디바이스 또는 반극성 디바이스를 실현하기 위한 한 접근 방법이나, 웨이퍼 크기는 제한되어 있고 제조 비용은 매우 높다.In this situation, high quality and high cost-performance GaN substrates for homo-epitaxy are key materials for the industrialization of non-polar and semipolar devices. The use of HVPE in conjunction with GaN substrates is an approach for realizing high quality non-polar or semi-polar devices, but wafer size is limited and fabrication costs are very high.

또한, 초임계 암모니아 (supercritical ammonia)에서의 III족 질화물 결정 성장이 제안되었었다. 이 방법은 통상적인, HVPE-성장, GaN 기재와 비교하여, 변형이 없고 만곡 (bow)이 없으며, 더 낮은 결함 밀도, 비용 효율적인 공정 등인 기재 같은 장점을 가진다. 그러나, 상기 방법에는 아직 낮은 성장 속도, 불량한 결정 품질 등과 같은 문제점이 있다. In addition, the growth of Group III nitride crystals in supercritical ammonia has been proposed. This method has advantages, such as no deformation, no bow, lower defect density, cost effective process, etc., compared with conventional HVPE-grown, GaN substrates. However, this method still has problems such as low growth rate, poor crystal quality and the like.

따라서, 당업계에는 고품질, 벌크, 육방정 우르차이트 단결정을 성장시키는 개선된 기술을 위한 필요가 남아있다. 본 발명은 이러한 필요를 만족시킨다. Thus, there remains a need in the art for improved techniques for growing high-quality, bulk, hexagonal-wurtzite single crystals. The present invention satisfies this need.

육방정 우르차이트 구조를 포함하는 벌크 단결정을 제공하는 것이다.And a bulk monocrystal including a hexagonal wurtzite structure.

육방정 우르차이트 구조로 벌크 단결정을 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.And a method of growing a bulk single crystal with a hexagonal wurtzite structure.

상기 언급한 종래 기술에서의 한계를 극복하기 위해, 그리고 본 명세서를 읽고 이해하면 분명해질 다른 한계를 극복하기 위해, 본 발명은 용매-열 방법 (solvo-thermal method)을 사용하여 고품질, 벌크, 육방정 우르차이트 단결정 (hexagonal wurtzite single crystal)을 성장시키는 기술을 설명한다. 상기 기술은 고품질 및 빠른 성장 속도 모두를 동시에 달성한다.In order to overcome the limitations in the above-mentioned prior art and to overcome other limitations which will become apparent upon reading and understanding the present specification, the present invention provides a high-quality, bulk, hexagonal Describes a technique for growing a hexagonal wurtzite single crystal. The technology achieves both high quality and fast growth rates at the same time.

결정 품질은 성장 평면 (growth plane)에 강하게 의존한다. 본 발명에서, {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22}, 또는 {11-2-2} 같은 비극성 또는 반극성 시드 표면 (seed surface)은 c-평면 시드 표면, 즉 (0001) 및 (000-1)과 비교하여 더 우수한 결정 품질을 가져온다. 또한, 성장 속도는 성장 평면에 강하게 의존한다. {10-12}, {10-1-2}, {11-22}, 또는 {11-2-2} 같은 반극성 시드 표면은, 더 빠른 성장 속도를 가져온다. 고품질 및 빠른 성장 속도 모두는 적합한 성장 평면을 선택함으로써 동시에 달성될 수 있다.Crystal quality is strongly dependent on the growth plane. In the present invention, {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} Or a non-polar or semi-polar seed surface such as {11-2-2} leads to better crystal quality compared to the c-plane seed surface, i.e., (0001) and (000-1). Also, the growth rate strongly depends on the growth plane. Semi-polar seed surfaces such as {10-12}, {10-1-2}, {11-22}, or {11-2-2} lead to faster growth rates. Both high quality and fast growth rates can be achieved at the same time by selecting a suitable growth plane.

결정 품질은 또한 시드 표면 거칠기 (roughness)에도 의존한다. 비극성 또는 반극성 시드 표면의 평균 평방근 (root mean square) (RMS) 거칠기가 100 nm 미만인 경우 고품질 결정이 얻어질 수 있다. 반면, Ga-면 또는 N-면으로부터 성장한 결정은 원자적으로 매끄러운 표면으로부터 성장하더라도 불량한 품질의 결정이 된다.The crystal quality also depends on the seed surface roughness. High quality crystals can be obtained when the mean root mean square (RMS) roughness of the non-polar or semi-polar seed surface is less than 100 nm. On the other hand, a crystal grown from a Ga-plane or an N-plane becomes a crystal of poor quality even if grown from an atomically smooth surface.

"비극성 평면 (non-polar planes)"이라는 용어는 2 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수를 가지며 1 개의 밀러 지수는 0인 넓은 범위의 평면들을 지칭하는데 사용될 수 있다.The term "non-polar planes" can be used to refer to a wide range of planes having two non-zero h, i, or k miller indices and one Miller index of zero.

"반극성 평면 (semi-polar planes)"이라는 용어는 2 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수를 가지며 1 개의 0이 아닌 밀러 지수를 갖는 넓은 범위의 평면들을 지칭하는데 사용될 수 있다.The term "semi-polar planes" can be used to refer to a wide range of planes with two nonzero h, i, or k miller indices and one non-zero Miller index.

성장 속도는 축상 m-평면 (on-axis m-plane)으로부터의 오프배향 (off-orientation)에 강하게 의존한다. 본 발명은 축상 m-평면 (10-10), 및 축상 m-평면 (10-10)으로부터의 다음의 오프배향들을 조사하였다: c+/c- 을 향하여 2 도, c+/c- 을 향하여 5 도, c+/c- (10-11)/(10-1-1) 을 향하여 28 도, c+/c- (10-12)/(10-1-2) 을 향하여 47 도, 및 c+/c- (0001)/(000-1) 을 향하여 90 도. 축상 m-평면 (10-10)으로부터의 더 큰 오프배향을 가지는 시드를 사용하여 더 빠른 성장 속도가 관찰되었다.The growth rate strongly depends on the off-orientation from the on-axis m-plane. The present invention examined the following off-orientations from the axial m-plane (10-10) and the axial m-plane (10-10): two degrees toward c + / c-, five degrees toward c + / c- , c + / c- (10-12) / (10-1-2) toward the c + / c- (10-11) / (10-1-1) 90 degrees toward (0001) / (000-1). A faster growth rate was observed using a seed with a larger off orientation from the axial m-plane (10-10).

또한, 결정 품질은 축상 면으로부터의 오프배향에 강하게 의존한다. 2 도 오프배향된 시드 결정 (off-oriented seed crystal)은 XRD 로킹 커브 (rocking curve) 측정의 가장 좁은 FWHM 값을 보여주었다. 반면, 90 도 오프배향된 (0001)/(000-1) 시드 결정은 가장 큰 FWHM을 보여주었다.In addition, the crystal quality strongly depends on the off-orientation from the axial plane. The off-oriented seed crystal of 2 degrees showed the narrowest FWHM value of the XRD rocking curve measurement. On the other hand, (0001) / (000-1) seed crystals with 90 degrees off-orientation showed the largest FWHM.

고품질 결정 및 빠른 성장 속도는 적합한 오프배향각 (off-orientation angle)을 선택함으로써 동시에 달성할 수 있다.High quality crystals and fast growth rates can be achieved at the same time by selecting an appropriate off-orientation angle.

본 발명은 결정 및 결정을 성장시키는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 벌크 단결정 (single bulk crystal)은 육방정 우르차이트 구조 (hexagonal wurtzite structure)를 포함하며, 여기서 상기 벌크 단결정은 비극성 평면 또는 반극성 평면을 가지는 시드를 사용하여 용매-열 성장 (solvo-thermal growth)을 거쳐 성장된다. The present invention discloses a method for growing crystals and crystals. A single bulk crystal according to the present invention comprises a hexagonal wurtzite structure wherein the bulk monocrystalline is subjected to solvent-thermal growth (solvo) using a seed having a non- -thermal growth.

그러한 결정은 III족 질화물 (III-nitride)인 벌크 단결정을 추가로 선택적으로 포함하며, 이는 성장 표면을 가지는 결정용 시드는 다음의 평면들 중의 하나 이상을 포함하며: {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} 또는 {11-2-2}, 성장 표면을 가지는 결정용 시드는 오프배향각을 가지는 m-평면을 포함하며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하며 상기 오프배향각은 0.5 도 보다 크고 및 48 도 이하이며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하며 0.5 도 보다 크고 4.5 도 미만이며, 상기 오프배향각은 [000-1] 방향을 향하며, 0.5 도 보다 크고 90 도 미만이며, 상기 시드의 성장 표면의 평균 평방근 (RMS) 거칠기는 100 nm 미만이고, 벌크 결정에 대한 x-선 회절 (XRD) 로킹 커브 반치폭 (FWHM)은 500 arcsec 보다 작고, 상기 벌크 단결정은 질화 갈륨 (gallium nitride)이며, 상기 벌크 단결정을 절단하여 기재를 얻을 수 있다.Such crystals optionally further comprise a bulk monocrystal, which is a group III-nitride, wherein the seed for crystal having a growth surface comprises one or more of the following planes: {10-10}, {10- 11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22}, or {11-2-2} Wherein the off-orientation angle is in the [0001] direction, the off-orientation angle is in the range of greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, and the off-orientation angle is in the [0001] direction (RMS) roughness of the growth surface of the seed is less than 100 nm, and the orientation angle is in the range of greater than 0.5 degrees and less than 90 degrees. , The x-ray diffraction (XRD) rocking curve half width (FWHM) for the bulk crystal is less than 500 arcsec, the bulk monocrystalline is gallium nitride, The substrate can be obtained by cutting the crystal.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따라 육방정 우르차이트 구조를 가지는 벌크 단결정을 성장시키는 방법은 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 표면을 가지는 시드 결정 상에 용매-열 결정 성장을 수행하는 단계를 포함한다.A method of growing a bulk monocrystal having a hexagonal wurtzite structure in accordance with one or more embodiments of the present invention includes performing solvent-thermal crystal growth on a seed crystal phase having a growth surface comprising a nonpolar plane or a semi- .

그러한 방법은 III족 질화물인 벌크 단결정을 선택적으로 더 포함하며, Such a method optionally further comprises a bulk monocrystal, which is a group III nitride,

상기 성장 표면은 다음 평면들 중의 하나 이상을 포함하며:{10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} 또는 {11-2-2}, 상기 성장 표면은 오프배향각을 가지는 m-평면을 포함하며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 48 도 이하이며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 4.5 도 미만이며, 상기 오프배향각은 [000-1] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 48 도 미만이며, 상기 성장 표면의 평균 평방근 (RMS) 거칠기는 100 nm 미만이며, 상기 벌크 결정의 x-선 회절 (XRD) 로킹 커브 반치폭 (FWHM)은 500 arcsec 보다 작고, 상기 벌크 결정은 질화 갈륨이며, 상기 결정을 절단하여 기재를 얻는다.The growth surface comprises at least one of the following planes: {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11 -20}, {11-22}, or {11-2-2}, the growth surface includes an m-plane having an off orientation angle, the off orientation angle is toward the [0001] direction, And the off-orientation angle is greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, the off-orientation angle is greater than 0.5 degrees and less than 4.5 degrees, the off-orientation angle is toward the [000-1] (RMS) roughness of the growth surface is less than 100 nm, the x-ray diffraction (XRD) rocking curve half width (FWHM) of the bulk crystal is less than 500 arcsec, the bulk crystal is gallium nitride, To obtain a substrate.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따라 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스를 제조하는 다른 방법은 시드의 성장 표면 상에 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스를 성장시키는 단계로서, 여기서 상기 성장 표면은 1 이상의 비극성 평면 또는 반극성 평면, 또는 상기 비극성 평면 또는 반극성 평면의 1 이상의 오프배향을 포함하는 단계, 및 비극성, 반극성 또는 오프배향된 방향에서의 성장을 이용하여, III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스의 품질, 성장 속도, 또는 품질 및 성장 속도 모두를 향상시키는 단계를 포함한다.Another method of fabricating a Group III nitride bulk crystal or device according to one or more embodiments of the present invention includes growing a Group III nitride bulk crystal or device on a growth surface of the seed wherein the growth surface comprises one or more non- Or semi-polar plane, or one or more off-orientations of the non-polar planar or semipolar plane, and growth in a non-polar, semi-polar or off-oriented direction, the quality of the group III nitride bulk crystal or device, Growth rate, or both quality and growth rate.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따라 III족 질화물 결정을 제조하는 다른 방법은 용매-열 방법에 의하여 III족 질화물 벌크 결정을 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 III족 질화물 벌크 결정은 c-평면 이외의 성장 평면 상에서 성장하며, 여기서 상기 성장 평면은 상기 성장 평면에서 성장 속도 및 상기 성장 평면에서 성장의 품질 중의 1 이상에 기초하여 선택된다.Another method of making Group-III nitride crystals in accordance with one or more embodiments of the present invention includes growing Group-III nitride bulk crystals by a solvent-thermal process wherein the Group-III nitride bulk crystals are grown on a substrate other than the c- Wherein the growth plane is selected based on at least one of a growth rate in the growth plane and a quality of growth in the growth plane.

본 발명은 용매-열 방법 (solvo-thermal method)을 사용하여 고품질, 벌크, 육방정 우르차이트 단결정 (hexagonal wurtzite single crystal)을 성장시키는 기술을 설명한다. 상기 기술은 고품질 및 빠른 성장 속도 모두를 동시에 달성한다.The present invention describes a technique for growing high-quality, bulk, hexagonal wurtzite single crystals using a solvo-thermal method. The technology achieves both high quality and fast growth rates at the same time.

참조하는 도면들에서 같은 참조 번호는 대응 부분을 끝까지 나타낸다:
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 오토클레이브를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 얻어진 결정의 두께 및 시드 결정 (seed crystal)의 각각의 평면에 대하여 산정된 성장 속도 자료를 나타내는 표이다.
도 3은 평면 결정 각각에 대하여 XRD 로킹 커브 (rocking curve) FWHM (반치폭; full width at half maximum) 자료를 나타내는 표이다.
도 4는 각각의 시드 표면의 축상 (on-axis) XRD FWHM 자료 및 얻어진 결정의 축상 XRD FWHM 자료 사이의 상호 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 각각의 시드 표면의 RMS 거칠기 및 얻어진 결정의 축상 XRD FWHM 자료 사이의 상호 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 성장 속도의 오프배향 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 각각의 오프배향된 시드 결정의 XRD 로킹 커브 FWHM 자료를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 6의 0 - 5 도 범위를 확대한 도면이다.
도 9는 도 7의 0 - 5 도 범위를 확대한 도면이다.
도 10은 본 발명의 1 이상의 구현예에 따른 성장을 나타내는 도면이다.
The same reference numerals in the figures refer to the corresponding parts to the end:
1 is a diagrammatic view of an autoclave according to one embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a table showing the thickness of the obtained crystal and the growth rate data calculated for each plane of the seed crystal.
3 is a table showing XRD rocking curve FWHM (full width at half maximum) data for each of the planar crystals.
Figure 4 is a graph showing the correlation between the on-axis XRD FWHM data of each seed surface and the axial XRD FWHM data of the resulting crystals.
Figure 5 is a graph showing the correlation between the RMS roughness of each seed surface and the axial XRD FWHM data of the resulting crystal.
6 is a graph showing the off orientation dependency of the growth rate.
7 is a graph showing the XRD rocking curve FWHM data of each off-oriented seed crystal.
8 is an enlarged view of the range of 0 to 5 in FIG.
FIG. 9 is an enlarged view of the range of 0 to 5 in FIG.
10 is a diagram illustrating growth according to one or more embodiments of the present invention.

다음의 바람직한 구현예의 기술에서는 발명이 실시될 수 있는 특정 구현예를 도시하고, 구현예의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조하였다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현예들이 사용될 수 있고 구조적인 변화가 있을 수 있음은 말할 필요도 없다.The following description of the preferred embodiments illustrates specific embodiments in which the invention may be practiced, with reference to the accompanying drawings, which form a part hereof. It is needless to say that other embodiments may be used and structural changes may be made without departing from the scope of the present invention.

개관survey

본 발명은 용매-열 방법을 사용하여 고품질, 벌크, 육방정 우르차이트 단결정을 성장시키는 기술을 설명한다. 본 발명은 또한 고품질 및 빠른 성장 속도를 동시에 달성하는 기술을 설명한다. The present invention describes a technique for growing high-quality, bulk, hexagonal-wurtzite single crystals using a solvent-heat method. The present invention also describes a technique for simultaneously achieving high quality and fast growth rates.

본 발명 전에, 초임계 암모니아 (supercritical ammonia)에서 III족 질화물 결정을 성장시키는 방법이 제안되었었다. 상기 방법은 만곡이 없고 (bow-free), 더 낮은 결함 밀도이며, 비용 효율적인 GaN 기재를 제조할 것으로 기대되었었다. 그러나, 아직 느린 성장 속도 및 불량한 결정 품질 같은 문제가 있다.Prior to the present invention, a method of growing Group III nitride crystals in supercritical ammonia has been proposed. The method has been expected to produce a GaN substrate that is bow-free, has a lower defect density, and is cost effective. However, there are still problems such as slow growth rate and poor crystal quality.

c-평면 시드 결정이 이 방법과 함께 사용되었었다. 본 발명에서는, 그러나, 비극성 및 반극성 시드 결정 (nonpolar and semipolar seed crystal)이 최초로 도입되었고, 이러한 면들의 높은 성능이 성공적으로 증명되었다.C-plane seed crystals have been used with this method. In the present invention, however, nonpolar and semipolar seed crystals were first introduced, and the high performance of these faces has been successfully demonstrated.

본 발명은 성장 공정에서, 극성 평면(N-면 및 Ga-면), 비극성 평면(m-평면 및 a-평면) 및 반극성 평면을 포함하는 시드 결정의 여러 가지 평면들을 활용한다.The present invention utilizes various planes of seed crystals, including polar planes (N-plane and Ga-plane), non-polar planes (m-plane and a-plane) and semi-polar planes in the growth process.

기술 설명Technical description

본 발명은 빠른 성장 속도로 고품질 GaN 벌크 결정을 성장시키는 방법을 포함한다. 특히, 본 발명은 성장 공정에서 여러 가지 평면 시드 결정을 활용한다. 예를 들어, 적합한 성장 평면을 선택하는 것은 결정적으로 중요하다.The present invention includes a method for growing high quality GaN bulk crystals at a high growth rate. In particular, the present invention utilizes various planar seed crystals in the growth process. For example, it is crucial to choose a suitable growth plane.

도 1은 본 발명의 일 구현예에서 사용될 수 있는 오토클레이브의 개략도이다. 오토클레이브(1)에는 오토클레이브 뚜껑(2), 오토클레이브 나사(3), 개스킷(4), 암모니아 배출구(5), 및 배플 플레이트 (baffle plate)(6)가 포함되어 있다.Figure 1 is a schematic diagram of an autoclave that may be used in one embodiment of the present invention. The autoclave 1 includes an autoclave lid 2, an autoclave screw 3, a gasket 4, an ammonia discharge port 5, and a baffle plate 6.

다른 용기가 또한 사용될 수 있으나, 바람직하게는, 오토클레이브(1)는 Ni-Cr 수퍼 합금으로 만들어진 내부 직경 1-인치 오토클레이브이다. 배플 플레이트 (6)는 오토클레이브의 더 높은 온도 영역 및 오토클레이브의 더 낮은 온도 영역을 한정하고 분리시킨다. 앞서 언급한 시드 결정은 오토클레이브의 더 높은 온도 영역 (성장 지역)에 탑재되고, 배플 플레이트(6)는 오토클레이브의 중간에 배치되고, Ni-Cr 메쉬 바스킷 (mesh basket) 내에 담겨져 있는, 다결정성 GaN 결정 (polycrystalline GaN crystal)은 오토클레이브의 더 낮은 온도 영역 (영양 지역 (nutrient region))에 위치하게 된다. 영양 다결정성 결정(nutrient polycrystalline crystal)은 HVPE 방법으로 합성되었다. 다음으로, 광화제 (mineralizer)인, 소듐 아미드 (sodium amide) 또는 소듐 금속을 오토클레이브 내에 도입하였다. 오토클레이브 뚜껑(2)을 닫고 필요한 토크로 죄었다. 이들 로딩 공정은 산소 오염을 피하기 위해 질소 글러브 박스 내에서 모두 수행되었다.Preferably, the autoclave 1 is an internal diameter 1-inch autoclave made of a Ni-Cr superalloy, although other vessels may also be used. The baffle plate 6 defines and separates the higher temperature zone of the autoclave and the lower temperature zone of the autoclave. The aforementioned seed crystals are mounted in the higher temperature region (growth region) of the autoclave and the baffle plate 6 is placed in the middle of the autoclave and is placed in a Ni-Cr mesh basket, The polycrystalline GaN crystal is located in the lower temperature region (nutrient region) of the autoclave. Nutrient polycrystalline crystals were synthesized by the HVPE method. Next, a mineralizer, sodium amide or sodium metal, was introduced into the autoclave. The autoclave lid (2) was closed and tightened with the required torque. These loading processes were all performed in a nitrogen glove box to avoid oxygen contamination.

다음으로, 액체 질소를 사용하여 오토클레이브를 냉각시켰다. 다음으로, 암모니아를 오토클레이브 내에 도입하였다. 암모니아의 양은 유량계로 모니터되었고, 필요한 양의 암모니아가 오토클레이브 내부에서 응축된 후 오토클레이브의 고압 밸브를 닫았다. 암모니아의 양은 성장 온도 500 ~ 600 ℃에서 필요한 압력, 이 경우 ~ 200 MPa을 얻기 위해 엄격히 조절되었다. 다음으로, 오토클레이브를 저항체 히터 시스템 (resistive heater system)에 위치시켰는데, 여기서 히팅 시스템은 하부 영역 및 상부 영역으로 분리되어 있으며, 이는 각각 오토클레이브의 성장 지역 및 영양 지역에 대응된다. Next, the autoclave was cooled using liquid nitrogen. Next, ammonia was introduced into the autoclave. The amount of ammonia was monitored by the flow meter and the required amount of ammonia was condensed inside the autoclave and then closed the autoclave high pressure valve. The amount of ammonia was strictly controlled to obtain the required pressure at the growth temperature of 500 to 600 ° C, in this case ~ 200 MPa. Next, the autoclave is placed in a resistive heater system, where the heating system is divided into a lower region and an upper region, each corresponding to a growing region and a nutrient region of the autoclave.

분당 ~ 2 ℃ 속도를 사용하여 온도를 올렸고, 시드 표면을 에칭하기 위해 500 ~ 550 ℃에서 1 ~ 2 일 동안 유지시켰다. 다음으로, 오토클레이브의 성장 영역의 온도를 다시 550 ~ 600 ℃까지 올렸다. 이러한 온도 구배는 오토클레이브의 두 개의 지역 사이에 용해도 차이를 발생시키고, 또한 영양 이동 (nutrient transfer)을 위해 오토클레이브 내부의 대류를 향상시킨다. 오토클레이브를 성장 온도에서 13 ~ 23 일 동안 유지시켰다(4 번의 성장을 수행하였다, 예를 들어, 최대는 23 일이었고 최소는 13 일이었다). 다음으로, 오토클레이브를 실온으로 돌린 후 암모니아를 방출하였다. 마지막으로, 오토클레이브로부터 결정을 꺼냈다.The temperature was raised using a speed of ~ 2 ° C per minute and maintained at 500-550 ° C for 1-2 days to etch the seed surface. Next, the temperature of the growth region of the autoclave was increased again to 550 to 600 ° C. This temperature gradient causes a difference in solubility between the two regions of the autoclave and also improves the convection inside the autoclave for nutrient transfer. The autoclave was maintained at growth temperature for 13-23 days (4 growths were performed, for example, the maximum was 23 days and the minimum was 13 days). Next, the autoclave was turned to room temperature, and ammonia was released. Finally, crystals were taken from the autoclave.

마이크로미터로 얻어진 결정의 성장 두께 = 성장 속도를 조사하였고, 결정 품질 평가를 위해 X-선 회절 미터로 얻어진 결정을 조사하였다. 시드 결정의 표면 거칠기를 단계 높이 측정 (step height measurement)으로 조사하였다. 실험 결과를 아래에 더욱 자세히 설명한다.Growth rate of crystal obtained by micrometer = growth rate was investigated, and crystals obtained by X-ray diffractometer were examined for crystal quality evaluation. The surface roughness of the seed crystal was investigated by a step height measurement. The experimental results are described in more detail below.

실험 결과Experiment result

도 2는 얻어진 결정의 두께 및 시드 결정의 각각의 평면에 대한 산정된 성장 속도 자료를 보여주는 표이다. 성장 속도는 성장 평면에 강하게 의존한다. 반극성 (11-22) / (11-2-2) 평면 시드는 가장 빠른 성장 속도를 보였다. 또한 반극성 (10-12) / (10-1-2) 평면 시드도 빠른 성장 속도를 보였다; 그러나, (10-12) 평면은 (10-11) 각면 (facet)이 부분적으로 나타나는 점에서 성장 공정 동안 불안하였다. 반면, 비극성 (10-10) / (10-10) 시드는 더 느린 성장 속도를 보였는데, 이는 이 평면의 안정성을 나타낸다. 성장 동안 (11-20) a-평면은 사라져서 (10-10) m-평면으로 변화하였다. Ga-면 / N-면 성장된 결정은 상대적으로 빠른 성장 속도를 보였다; 그러나, XRD (x-선 회절) 측정으로 불량한 결정 품질이 확인되었다. 또한, Ga-면 성장된 결정의 극단적으로 거친 표면이 광학 현미경으로 관찰될 수 있다. Fig. 2 is a table showing the thickness of the crystals obtained and the estimated growth rate data for each plane of the seed crystal. The growth rate depends strongly on the growth plane. The semi-polar (11-22) / (11-2-2) plane seed showed the fastest growth rate. Semi-polar (10-12) / (10-1-2) plane seeds also showed fast growth rates; However, the (10-12) plane was unstable during the growth process in that (10-11) the facet appeared partially. On the other hand, the non-polar (10-10) / (10-10) seed showed a slower growth rate, indicating the stability of this plane. During growth, the (11-20) a-plane disappeared and changed to (10-10) m-plane. Ga-face / N-face grown crystals showed relatively fast growth rates; However, poor crystal quality was confirmed by XRD (x-ray diffraction) measurement. In addition, an extremely rough surface of the Ga-face grown crystal can be observed with an optical microscope.

도 3은 시드 결정 상에서 성장된 결정 각각에 대해서 XRD 로킹 커브 FWHM (반치폭) 자료를 보여주는 표이다. 본 명세서에서 언급되는 모든 시드 결정은 연마되었고 1 nm 미만의 RMS 거칠기를 가지는 원자적으로 매끈한 표면을 가진다. 비극성/반극성 평면은 우수한 결정 품질의 증거를 보여주었다; 그러나, 원자적으로 매끈한 표면으로부터 성장하였음에도 불구하도 c-평면 결정은 불량한 결정 품질의 증거를 보여주었다(다수의 그레인 및 더 넓은 XRD 커브 FWHM은 더 불량한 결정 품질의 증거이다). 더구나, (0001) 평면상 성장에서 2771 아크초(arcsecond)의 거칠기, 및 (0001) 및 (000-1) 성장 평면 모두에 존재하는 다수의 그레인은, 예를 들어, 암열 방법 (ammonothermal method) 같은, 용매열 방법을 사용하는 이러한 평면들의 성장이, 기계적인 이유, 전기적 특성 이유, 및/또는 다른 이유로 디바이스 제작에 수용할 수 없는 표면을 생성하기 쉽다는 것을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 상기 수용할 수 없는 극성 필름과 동일한 용매열 방법에 의해 얻어진 반극성 성장 속도 및 반극성 필름 표면의 상대적인 평활성 (smoothness)이, 예를 들어, 작동 디바이스 제조에 사용할 수 있는 "디바이스 품질"인 반극성 표면을 낳는다는 것을 보여준다.FIG. 3 is a table showing XRD rocking curve FWHM (full width width) data for each crystal grown on the seed crystal. All seed crystals referred to herein are polished and have an atomically smooth surface with an RMS roughness of less than 1 nm. The non-polar / semi-polar planes showed evidence of good crystal quality; However, despite growing from an atomically smooth surface, c-planar crystals showed evidence of poor crystal quality (multiple grains and wider XRD curves FWHM are evidence of poorer crystal quality). Moreover, the roughness of 2771 arcseconds in (0001) planar growth, and the large number of grains present in both the (0001) and (000-1) growth planes, for example, as in the ammonothermal method , Indicating that growth of these planes using the solvent heating method is likely to create unacceptable surfaces in device fabrication for mechanical, electrical, and / or other reasons. However, the present invention is based on the fact that the semi-polar growth rate obtained by the same solvent heating method as the unacceptable polarity film and the relative smoothness of the semi-polar film surface are, for example, " Quality "semi-polar surface.

도 4는 각각의 시드 표면의 축상 XRD FWHM 자료 (on-axis XRD FWHM data) 및 얻어진 결정의 축상 XRD FWHM 자료 사이의 상호 관계를 보여주는 그래프이다. 작은 FWHM를 가지는 시드가 반드시 작은 FWHM 결정을 만드는 것은 아니다. 또한, 슬라이스되어 에칭된 시드 표면은 생성되는 결정에 대해 더 악화된 FWHM 값을 가져온다.Figure 4 is a graph showing the correlation between the on-axis XRD FWHM data of each seed surface and the axial XRD FWHM data of the resulting crystals. A seed with a small FWHM does not necessarily make a small FWHM crystal. Also, the sliced and etched seed surface results in a worse FWHM value for the crystals being produced.

도 5는 각각의 시드 표면의 RMS 거칠기 및 생성되는 결정의 축상 XRD FWHM 자료 사이의 상호 관계를 보여주는 그래프이다. RMS 거칠기는 단계 높이 측정 시스템 (step height measurement system)으로 측정된다. 매끈한 시드 표면은 더 우수한 결정 품질을 가져온다. 미시적으로는, 거친 시드 표면 상에서 여러 방향 성장이 발생하고, FWHM은 넓어진다.Figure 5 is a graph showing the correlation between the RMS roughness of each seed surface and the axial XRD FWHM data of the resulting crystal. RMS roughness is measured with a step height measurement system. A smooth seed surface results in better crystal quality. Microscopically, multiple directional growth occurs on the rough seed surface and the FWHM is widened.

어떤 벌크 결정 성장에서는, 시드 표면을, 성장 바로 전에 약간 에칭하는 것(etching off)이 일반적이고 효과적이다. 에칭의 목적은 손상된 층을 제거하거나, 또는 시드 표면을 매끄럽게 만들거나, 또는 시드 표면으로부터 불순물을 “세척”하는 것이다. 그러나, 이는 초임계 암모니아 및 GaN에서는 효과적인 것처럼 보이지 않는데; 적어도, 초임계 암모니아에 의한 에칭이 거친 GaN 표면을 매끈하게 만들 수는 없다. In some bulk crystal growth, etching off the seed surface slightly before growth is common and effective. The purpose of the etching is to remove the damaged layer, to make the seed surface smoother, or " clean " impurities from the seed surface. However, this does not appear to be effective in supercritical ammonia and GaN; At least, etching with supercritical ammonia can not smooth the rough GaN surface.

오프배향에 대한 실험 결과Experimental results on off orientation

본 발명의 일 구현예에서, 여러 가지 오프배향된 시드 결정이 동일한 성장 공정으로 탑재되었다. 본 발명은 축상 (10-10) m-평면 시드 결정 (on-axis (10-10) m-plane seed crystal) 및 축상 (10-10) m-평면으로부터 다음의 오프배향을 가지는 시드 결정을 조사하였다: c+/c- 방향을 향하여 2 도, c+/c- 방향을 향하여 5 도, c+/c-(10-11)/(10-1-1) 방향을 향하여 28 도, c+/c-(10-12)/(10-1-2) 방향을 향하여 47 도, 및 c+/c- (0001)/(000-1) 방향을 향하여 90 도. In one embodiment of the invention, several off-oriented seed crystals were mounted with the same growth process. The present invention relates to a process for preparing seed crystals having off-orientation from the axial (10-10) m-plane seed crystal (on-axis (10-10) C + / c- (direction) toward the c + / c- direction, 5 degrees toward the c + / c- direction, 28 degrees toward the c + / c- (10-11) / 10 degrees) / (10-1-2) direction, and 90 degrees toward c + / c- (0001) / (000-1).

시드 결정은 HVPE 방법을 사용하여 [0001] 방향으로 성장되었고 앞서 설명한 바와 같은 요구되는 오프배향을 가지는 웨이퍼 모양으로 슬라이스되었다. 상기 시드 웨이퍼의 오프배향 허용 한계는 +0.5/-0.5 도였다.The seed crystal was grown in the [0001] direction using the HVPE method and sliced into a wafer shape with the required off orientation as described above. The off-orientation permissible limit of the seed wafer was +0.5 / -0.5 degrees.

본 발명의 이 구현예는, 앞서 설명한 바와 같이 유사한 조건에서 4 회 성장 실험을 수행하였다.This embodiment of the invention performed a four-fold growth experiment under similar conditions as described above.

도 6은 성장 속도의 오프배향 의존성을 보여준다. 성장 속도는 오프배향각에 강하게 의존한다. 더 큰 오프배향 시드 결정은 더 빠른 성장 속도를 보여주는데, 축상 (10-10) m-평면 시드 보다 8 배까지 더 빠르다.Figure 6 shows the off orientation dependence of growth rate. The growth rate strongly depends on the off orientation angle. Larger off-oriented seed crystals show faster growth rates, up to eight times faster than axial (10-10) m-plane seeds.

도 7은 각각의 오프배향된 시드 결정에 대해 XRD 로킹 커브 FWHM 자료를 보여준다. -90 내지 48 도 오프배향된 시드 결정은 유사한 결정 품질을 보여주었다. 반면, (0001) 결정은 훨씬 더 큰 FWHM를 보였다.Figure 7 shows the XRD locking curve FWHM data for each off-oriented seed crystal. Seed crystals of -90 to 48 degrees off-orientation showed similar crystal quality. On the other hand, (0001) crystals showed a much larger FWHM.

더 빠른 성장 속도는 오프배향된 시드 결정을 사용함으로써 결정 품질을 잃지 않고 달성될 수 있다. Faster growth rates can be achieved without sacrificing crystal quality by using off-oriented seed crystals.

도 8은 도 6의 0 - 5 도 범위의 확대도이다. 이는 심지어 2 도 또는 5 도 정도의 작은 오프배향도 약 3 배 더 빠른 성장 속도를 가져올 수 있음을 보여준다. 8 is an enlarged view of the range of 0 to 5 degrees in Fig. This shows that even a small off-orientation of about 2 or 5 degrees can result in growth rates about three times faster.

도 9는 도 7의 0 - 5 도 범위의 확대도이다. 이는 오프배향이 0 도 및 5 도 사이일 때 결정 품질이 최고가 됨을 보여준다.9 is an enlarged view of the range of 0 to 5 degrees in Fig. This shows that the crystal quality is highest when the off-orientation is between 0 and 5 degrees.

최상의 결정 품질은 약간 오프배향된 시드 결정을 사용함으로써 달성될 수 있다.The best crystal quality can be achieved by using slightly off-oriented seed crystals.

가능한 변형예Possible variations

앞서 설명한 바와 같이 초임계 암모니아에서의 GaN 성장에 추가하여, 본 발명의 기술은 AlN, InN, 등과 같은 다른 III족 질화물 결정에 적용가능하다. 또한, 본 발명의 기술은 수열 방법 (hydro-thermal method)으로 성장된 ZnO 등과 같은 육방정 결정에 적용가능하다.In addition to GaN growth in supercritical ammonia as described above, the techniques of the present invention are applicable to other Group III nitride crystallites such as AlN, InN, and the like. Also, the technique of the present invention is applicable to hexagonal crystals such as ZnO grown by a hydro-thermal method.

축상 비극성 및 반극성 시드 결정이 사용되었음에도 불구하고, 이들 평면으로부터 미스배향된 어떠한 웨이퍼 (misoriented wafer)라도 또한 적용가능하다. 본 발명은 c+/c- 방향을 향하여 오프배향을 가지는 m-평면 시드 결정을 사용하였지만, a-방향 또는 다른 방향을 향한 오프배향도 적용가능하다. Even though axial nonpolar and semi-polar seed crystals are used, any misoriented wafer from these planes is also applicable. The present invention uses an m-plane seed crystal having an off orientation toward the c + / c-direction, but an off orientation oriented toward the a-direction or another direction is also applicable.

더 불량한 품질 결정과 동일/유사한 성장 조건 하에서 제조된 더욱 고품질 결정과 비교하여 더 불량한 품질 결정이 더 많은 불순물을 포함한다고 생각하는 것은 합리적이다. 비극성/반극성 시드 결정을 사용하는 경우 Ga-면 또는 N-면 시드 결정과 비교해서 더 낮은 불순물 혼입 속도 (impurity incorporation rate)가 예상된다.It is reasonable to assume that poorer quality determinations contain more impurities as compared to higher quality crystals produced under the same / similar growth conditions as poorer quality determinations. A lower impurity incorporation rate is expected when using non-polar / semi-polar seed crystals compared to Ga-face or N-face seed crystals.

c-평면 결정과 비교하여 비극성/반극성 평면 결정이 더 고품질인 것이 발견되었다. 또한 본 발명은 약간 오프배향된 m-평면 시드 상에서 성장된 결정이 축상 m-평면 시드 상에서 성장된 결정 보다 더 고품질인 것을 발견하였다. 이에 대한 이유는 성장 방법이 아니라, 육방정 결정 구조의 성질일 것이다. 따라서, 본 발명은 기상 성장 등과 같은 다른 성장 기술에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다.It has been found that non-polar / semi-polar flat crystals are of higher quality compared to c-planar crystals. The present invention also finds that crystals grown on slightly off-oriented m-plane seeds are of higher quality than crystals grown on axial m-plane seeds. The reason for this is not the growth method, but the nature of the hexagonal crystal structure. Therefore, the present invention can be widely applied to other growth techniques such as vapor phase growth and the like.

용매열 성장 (solvothermal growth)은 초임계 유체에 의한 성장이다. 용매열 성장은 예를 들어 수열 성장 (hydrothermal growth) 및 암열 성장 (ammonthermal growth)을 포함한다. 본 발명은 또한 예를 들어 ZnO 결정의 수열 성장을 예견한다.Solvothermal growth is growth by supercritical fluid. Solvent thermal growth includes, for example, hydrothermal growth and ammonthermal growth. The present invention also anticipates hydrothermal growth of, for example, ZnO crystals.

이점 및 개선점Benefits and Improvements

초임계 암모니아를 사용하여 느린 성장 속도로 제조된 고품질 결정 c-평면 결정 (high crystal quality c-plane crystal)이 보고된 바 있다[1]. 본 발명에서, 동일 또는 더 우수한 XRD FWHM가 비극성/반극성 평면 시드 결정을 사용하여 10 배 이상 더 빠른 성장 속도로 달성될 수 있음이 확인되었다. XRD-FWHM 자료에서 보여주는 바와 같이 더 빠른 성장 속도 조건에서, c-평면 성장된 결정 품질은 더 나빴다. 적합한 성장 평면을 선택함으로써 빠른 성장 속도가 고품질 결정과 동시에 달성 가능함이 확인되었다. High-quality crystalline c-plane crystals have been reported using supercritical ammonia at a slow growth rate [1]. It has been found in the present invention that the same or better XRD FWHM can be achieved at a growth rate of more than 10 times faster using nonpolar / semi-polar flat seed crystals. At the higher growth rate conditions, as shown in the XRD-FWHM data, the c-plane grown crystal quality was worse. It has been confirmed that a fast growth rate can be achieved simultaneously with high-quality crystals by selecting a suitable growth plane.

본 발명에서, 약간 오프배향된 m-평면 시드 결정을 사용하여, 오프-컷 (off-cut)되지 않은 m-평면 시드 결정을 사용하는 경우와 비교하여 약 5 배 더 빠른 성장 속도로 우수한 XRD FWHM가 달성될 수 있다는 것이 또한 확인되었다. XRD-FWHM 자료에서 보이는 바와 같이 c-평면 성장된 결정의 품질은 더 나쁘다. 적합한 오프배향각을 선택함으로써 빠른 성장 속도 및 고품질 결정이 동시에 달성 가능함이 확인되었다. In the present invention, by using slightly off-oriented m-plane seed crystals, excellent XRD FWHMs with about 5 times faster growth rate than those using m-plane seed crystals that are not off- Can be achieved. As shown in the XRD-FWHM data, the quality of c-plane grown crystals is worse. It was confirmed that a fast growth rate and a high quality crystal can be achieved at the same time by selecting an appropriate off orientation angle.

도 10은 본 발명의 1 이상의 구현예에 따른 성장을 나타낸다.Figure 10 illustrates growth according to one or more embodiments of the present invention.

성장 표면(1002)을 가지고 있는 시드 결정(1000)이 도시되어 있다. 시드 결정(1000)은 전형적으로 육방정 우르차이트 결정이고, 전형적으로 III 족 질화물 구조이다. 앞서 논의된 바와 같이, 성장 표면(1002)은 시드 결정(1000)의 비극성 평면 또는 반극성 평면이다. 또한, 성장 표면(1002)은 시드 결정(1000)의 오프배향된 m-평면, 또는 시드 결정(1000)의 임의의 평면으로부터 오프배향된 평면일 수 있다. 층(1004)은 전형적으로 암열 방법인 용매-열 방법에 의하여 성장 표면(1002) 상에서 성장된다. 성장 평면은 다른 성장 속도로 성장하기 때문에, 각각의 평면 상에서 성장된 재료는, 예를 들어, 전기적 특성, 표면 평활성 등에서 다른 성질을 가지며, 성장 평면은 디바이스 요구 조건, 가능한 시간 (time available), 및 비용 등에 맞도록 선택될 수 있다. 그래서, 예를 들어, 비제한적으로, 시드 결정(1000) 상의 성장 표면(1002)은 층(1004)의 성장 속도를 최대화하거나, 층(1004)의 표면 평활성을 최대화하도록 선택될 수 있거나, 또는 시드 결정(1000) 상에 다른 성장 표면(1002)을 선택함으로써 층(1004)에서 요구되는 어떤 다른 특성이 디자인될 수 있다.A seed crystal 1000 having a growth surface 1002 is shown. The seed crystal 1000 is typically a hexagonal wurtzite crystal, typically a Group III nitride structure. As discussed above, the growth surface 1002 is a nonpolar plane or a semi-polar plane of the seed crystal 1000. In addition, the growth surface 1002 may be an off-oriented m-plane of the seed crystal 1000, or a plane off-oriented from any plane of the seed crystal 1000. The layer 1004 is grown on the growth surface 1002 by a solvent-thermal process, typically a dark-heat process. Since the growth planes grow at different growth rates, the materials grown on each plane have different properties, for example, in electrical properties, surface smoothness, etc., and the growth planes are determined by device requirements, time available, and Cost, and so on. Thus, for example, and not limitation, growth surface 1002 on seed crystal 1000 can be selected to maximize growth rate of layer 1004, maximize surface smoothness of layer 1004, Any other property required in layer 1004 may be designed by selecting another growth surface 1002 on crystal 1000. [

참고문헌references

다음 참고 문헌은 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다:The following references are incorporated herein by reference: < RTI ID = 0.0 >

[1] Hashimoto et al., Nat. Mater. 6 (2007) 568.[1] Hashimoto et al., Nat. Mater. 6 (2007) 568.

[2] 2005년 9월 21일 출원된 "Hexagonal Wurtzite Single Crystal, Process for Producing the same, and Hexagonal Wurtzite Single Crystal Substrate,"라는 제목의 유럽 특허 출원 공개 번호 EP 1 816 240 A1.European Patent Application Publication No. EP 1 816 240 A1 entitled " Hexagonal Wurtzite Single Crystal, Process for Producing the Same, and Hexagonal Wurtzite Single Crystal Substrate, " filed September 21, 2005.

결론conclusion

본 발명은 결정 및 결정 성장 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 벌크 단결정은 육방정 우르차이트 구조를 포함하며, 여기서 상기 벌크 단결정은 비극성 평면 또는 반극성 평면을 가지는 시드를 사용하여 용매-열 성장을 거쳐 성장된다. The present invention discloses a crystal and crystal growth method. A bulk monocrystal according to the present invention comprises a hexagonal wurtzite structure wherein the bulk monocrystal is grown via solvent-thermal growth using a seed having a nonpolar plane or a semi-polar plane.

그러한 결정은 또한 선택적으로 III족 질화물인 벌크 단결정을 포함하며, 성장 표면을 가지는 결정용 시드는 다음 평면들 중의 하나 이상을 포함하며: {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} 또는 {11-2-2}, 성장 표면을 가지는 상기 결정용 시드는 오프배향각을 가지는 m-평면을 포함하고, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하고 상기 오프배향각은 0.5 도 보다 크고 48 도 이하이며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하며 0.5 도 보다 크고 4.5 도 미만이며, 상기 오프배향각은 [000-1] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 90 도 보다 작으며, 상기 시드의 성장 표면의 평균 평방근 (RMS) 거칠기는 100 nm 미만이고, 상기 벌크 결정의 x-선 회절 (XRD) 로킹 커브 반치폭 (FWHM)은 500 arcsec 보다 작고, 상기 벌크 단결정은 질화 갈륨이며, 상기 벌크 단결정을 절단하여 기재를 얻는다.Such crystals also include a bulk monocrystal, optionally a Group III nitride, and the seed for crystal having a growth surface comprises one or more of the following planes: {10-10}, {10-11}, {10-1- 1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22}, or {11-2-2}, the seed for crystal having a growth surface has an off- plane, and the off-orientation angle is greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, the off-orientation angle is greater than 0.5 degrees and less than 4.5 degrees with respect to the [0001] (RMS) roughness of the growth surface of the seed is less than 100 nm, and the x-ray diffraction intensity of the bulk crystal is in the range of < RTI ID = 0.0 & Ray diffraction (XRD) rocking curve half width (FWHM) is less than 500 arcsec, the bulk monocrystal is gallium nitride, Obtained.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따른 육방정 우르차이트 구조를 가지는 벌크 단결정을 성장시키는 방법은 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 표면을 가지는 시드 결정 상에서 용매-열 결정 성장을 수행하는 단계를 포함한다.A method of growing a bulk monocrystal having a hexagonal wurtzite structure according to one or more embodiments of the present invention comprises performing solvent-thermal crystal growth on a seed crystal having a growth surface comprising a nonpolar plane or a semi-polar plane .

그러한 방법은 또한 III족 질화물 (III-nitride)인 벌크 단결정을 선택적으로 포함하며, Such a method also optionally includes a bulk monocrystal, which is a group III nitride,

성장 표면은 다음 평면들 중의 하나 이상을 포함하며:{10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} 또는 {11-2-2}, 상기 성장 표면은 오프배향각을 가지는 m-평면을 포함하고, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 48 도 이하이며, 상기 오프배향각은 [0001] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 4.5 도 보다 작으며, 상기 오프배향각은 [000-1] 방향을 향하며, 0.5 도 보다 크고 48 도 보다 작으며, 상기 성장 표면의 평균 평방근 (RMS) 거칠기는 100 nm 미만이고, 상기 벌크 결정의 x-선 회절 (XRD) 로킹 커브 반치폭 (FWHM)은 500 arcsec 보다 작고, 상기 벌크 결정은 질화 갈륨이며, 상기 결정을 절단하여 기재를 얻는다.The growth surface includes one or more of the following planes: {10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11- 20}, {11-22}, or {11-2-2}, the growth surface includes an m-plane having an off orientation angle, the off orientation angle toward the [0001] The off-orientation angle is greater than 0.5 degrees and less than 4.5 degrees, the off-orientation angle is toward the [000-1] direction, is greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, Wherein the average surface roughness (RMS) of the growth surface is less than 100 nm, the x-ray diffraction (XRD) rocking curve half width (FWHM) of the bulk crystal is less than 500 arcsec, the bulk crystal is gallium nitride, And a substrate is obtained by cutting.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따른 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스 제조의 다른 방법은 시드의 성장 표면 상에 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스를 성장시키는 단계로서, 여기서 상기 성장 표면은 1 이상의 비극성 평면 또는 반극성 평면, 또는 상기 비극성 평면 또는 반극성 평면의 1 이상의 오프배향을 포함하는 단계, 및 비극성, 반극성 또는 오프배향된 방향에서의 성장을 이용하여, 상기 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스의 품질, 성장 속도, 또는 품질 및 성장 속도 모두를 향상시키는 단계를 포함한다.Another method of fabricating a Group III nitride bulk crystal or device according to one or more embodiments of the present invention includes growing a Group III nitride bulk crystal or device on a growth surface of the seed, Polarity plane, or at least one off-orientation of the nonpolar planar or semi-polar plane, and growing in a non-polar, semi-polar or off-oriented direction, the quality of the group III nitride bulk crystal or device, Growth rate, or both quality and growth rate.

본 발명의 1 이상의 구현예에 따라 III족 질화물 결정을 제조하는 다른 방법은 용매-열 방법을 통하여 III족 질화물 벌크 결정을 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 III족 질화물 벌크 결정은 c-평면 이외의 성장 평면에서 성장하며, 여기서 상기 성장 평면은 상기 성장 평면에서의 성장 속도 및 상기 성장 평면에서의 성장의 품질 중의 하나 이상에 기초하여 선택된다.Another method of making Group-III nitride crystals in accordance with one or more embodiments of the present invention includes growing Group-III nitride bulk crystals through a solvent-and-heat process wherein the Group-III nitride bulk crystals are grown in a non- Wherein the growth plane is selected based on at least one of a growth rate in the growth plane and a quality of growth in the growth plane.

이것으로 본 발명의 바람직한 구현예의 기술을 마친다. 앞의 본 발명의 1 이상의 구현예들의 기술은 도해와 설명의 목적으로 제공되었다. 이것이 본 발명의 전부인 것을 의도하는 것은 아니며 또는 개시된 대로의 엄밀한 형태로 발명을 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 상기 교시 내용에 비추어 기본적으로 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 많은 변용과 변경들이 가능하다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 의하여 한정되는 것이 아니라, 그보다는 이하에 첨부된 청구항들 및 이하에 첨부된 청구항들의 균등물의 전 범위에 의하여 한정된다.This concludes the description of the preferred embodiment of the present invention. The foregoing description of one or more embodiments of the invention has been presented for the purposes of illustration and description. This is not intended to be exhaustive of the invention or to limit the invention to the precise form disclosed. Many variations and modifications are possible without departing from the essence of the present invention in light of the above teachings. The scope of the invention is not to be limited by this detailed description, but rather by the full scope of equivalents of the claims appended hereto and the appended claims below.

1 오토클레이브
2 오토클레이브 뚜껑
3 오토클레이브 나사
4 개스킷
5 암모니아 배출구
6 배플 플레이트 (baffle plate)
1000 시드 결정 (seed crystal)
1002 성장 표면
1004 층
1 autoclave
2 Autoclave lid
3 Autoclave screws
4 gaskets
5 Ammonia outlet
6 Baffle plate
1000 seed crystal
1002 growth surface
1004 floor

Claims (17)

육방정 우르차이트 구조를 갖는 III족 질화물 벌크 단결정을 성장시키는 방법으로서,
0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각(off-orientation angle)을 갖는 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 표면을 갖는 III족 질화물 시드 결정(seed crystal) 상에서 용매-열 결정 성장(solvo-thermal crystal growth)을 수행하여 III족 질화물 벌크 단결정을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각을 갖는 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 III족 질화물 시드 결정의 성장 표면 상의 성장은 극성 평면을 포함하는 성장 표면을 갖는 III족 질화물 시드 결정 상의 성장에 비해 더 매끄러운 표면(smoother surface)을 생성하는 방법.
1. A method for growing a group III nitride bulk single crystal having a hexagonal wurtzite structure,
Solvo-thermal crystal growth on a Group III nitride seed crystal having a growth surface comprising a non-polar planar or semi-polar plane with an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, thermal crystal growth to produce a group III nitride bulk single crystal,
Wherein growth on a growth surface of a Group III nitride seed crystal comprising a nonpolar plane or a semi-polar plane having an off orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees comprises growing a Group III nitride seed crystal phase with a growth surface comprising a polar plane To produce a smoother surface compared to the surface.
제 1 항에 있어서,
상기 성장 표면이 다음 평면들 중 하나 이상을 포함하는 방법:
{10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22} 또는 {11-2-2}.
The method according to claim 1,
Wherein the growth surface comprises one or more of the following planes:
{10-10}, {10-11}, {10-1-1}, {10-12}, {10-1-2}, {11-20}, {11-22}, or {11-2 -2}.
제 1 항에 있어서,
상기 성장 표면이 상기 오프배향각을 갖는 m-평면을 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the growth surface comprises an m-plane having the off-orientation angle.
제 3 항에 있어서,
상기 오프배향각이 [0001] 방향을 향하는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the off-orientation angle is directed to the [0001] direction.
제 4 항에 있어서,
상기 오프배향각이 [0001] 방향을 향하고, 0.5 도 보다 크고 또한 4.5 도 보다 작은 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the off-orientation angle is in the [0001] direction and is greater than 0.5 degrees and less than 4.5 degrees.
제 3 항에 있어서,
상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각을 갖는 m-평면을 포함하는 성장 표면을 사용하여 더 높은 결정 품질이 얻어지는 방법.
The method of claim 3,
Wherein a higher crystal quality is obtained using a growth surface comprising an m-plane having an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees.
제 6 항에 있어서,
상기 더 높은 결정 품질이 0.5 도보다 크고 또한 5 도 이하인 오프배향각을 갖는 m-평면을 포함하는 성장 표면을 사용하여 얻어지는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the higher crystal quality is obtained using a growth surface comprising an m-plane with an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 5 degrees.
제 3 항에 있어서,
상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각을 갖는 m-평면을 포함하는 성장 표면이 축상 m-평면을 포함하는 성장 표면에 비해 더 높은 성장 속도를 갖는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the growth surface comprising an m-plane having an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees has a higher growth rate than a growth surface comprising an axial m-plane.
제 3 항에 있어서,
상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각을 갖는 m-평면을 포함하는 성장 표면이 극성 평면을 포함하는 성장 표면에 비해, 결정 품질을 감소시키지 않으면서 더 높은 성장 속도를 갖는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the growth surface comprising an m-plane with an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees has a higher growth rate without reducing crystal quality, compared to a growth surface comprising a polar plane.
제 1 항에 있어서,
상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프배향각을 갖는 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 표면이 상기 극성 평면을 포함하는 성장 표면에 비해 더 높은 성장 속도를 가지면서 더 매끄러운 표면을 생성하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein a growth surface comprising a non-polar planar or semi-polar plane having an off-orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees produces a smoother surface with a higher growth rate than a growth surface comprising said polar plane .
제 3 항에 있어서,
상기 오프배향각이 [000-1] 방향을 향하는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the off-orientation angle is directed toward the [000-1] direction.
제 1 항에 있어서,
상기 성장 표면의 평균 평방근 (RMS) 거칠기가 100 nm 보다 작은 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the average surface roughness (RMS) roughness of the growth surface is less than 100 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 벌크 결정의 x-선 회절 (XRD) 로킹 커브 (rocking curve) 반치폭 (FWHM)이 500 arcsec 보다 작은 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the x-ray diffraction (XRD) rocking curve half-width (FWHM) of the bulk crystal is less than 500 arcsec.
제 1 항에 있어서,
상기 벌크 결정이 질화 갈륨 (gallium nitride)인 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the bulk crystal is gallium nitride.
제 1 항에 있어서,
상기 결정이 절단되어 기재(substrate)가 얻어지는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the crystal is cut to obtain a substrate.
III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스를 제조하는 방법으로서,
(a) 용매-열 결정 성장 기술을 사용하여 III족 질화물 시드의 성장 표면 상에 상기 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스를 성장시키는 단계로서, 상기 III족 질화물 시드의 성장 표면이 하나 이상의 반극성 평면 또는 하나 이상의 비극성 평면의 오프 배향을 가지고, 상기 오프 배향은 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하이고, 상기 반극성 평면 또는 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 상기 하나 이상의 비극성 평면의 오프 배향을 포함하는 상기 III족 질화물 시드의 성장 표면 상의 성장은 극성 평면을 포함하는 III족 질화물 시드의 성장 표면 상의 성장에 비해 더 매끄러운 표면을 생성시키는 단계를 포함하고;
(b) 상기 성장 단계는 상기 III족 질화물 벌크 결정 또는 디바이스의 결정 품질, 성장 속도, 또는 결정 품질 및 성장 속도 모두를 향상시키도록 선택된 반극성 또는 오프 배향된 비극성 방향에서 수행되는 방법.
CLAIMS What is claimed is: 1. A method of making a Group III nitride bulk crystal or device,
(a) growing the Group III nitride bulk crystal or device on a growth surface of a Group III nitride seed using a solvent-thermal crystal growth technique, wherein the growth surface of the Group III nitride seed is grown on one or more semi- Wherein said off orientation is greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees, and wherein said off-orientation is at least one of said semi-polar planes, or said III Growth on the growth surface of the group nitride seed comprises creating a smoother surface relative to growth on the growth surface of the group III nitride seed comprising the polar planes;
(b) the growing step is performed in a semi-polar or off-oriented non-polar direction selected to enhance both the crystal quality, growth rate, or crystal quality and growth rate of the Group III nitride bulk crystal or device.
III족 질화물 결정의 제조 방법으로서,
용매-열 방법을 통해 III족 질화물 벌크 결정을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 III족 질화물 벌크 결정은 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프 배향각을 갖는 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 평면에서 성장하고, 상기 성장 평면은 성장 평면에서의 성장 속도 및 성장 평면에서의 성장의 결정 품질 중 하나 이상에 기초하여 선택되고, 상기 0.5 도보다 크고 또한 48 도 이하인 오프 배향각을 갖는 비극성 평면 또는 반극성 평면을 포함하는 성장 평면에서의 성장은 c-평면인 성장 평면에서의 성장에 비해 더 매끄러운 표면을 생성하는 방법.
A method for producing a Group III nitride crystal,
Growing a Group III nitride bulk crystal by a solvent-thermal method, wherein the Group III nitride bulk crystal has a growth plane that includes a non-polar planar or semi-polar plane having an off orientation angle that is greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees Wherein the growth plane is selected based on at least one of a growth rate in a growth plane and a crystal quality in a growth plane, and wherein the nonpolar plane or half plane having an off orientation angle greater than 0.5 degrees and less than 48 degrees Wherein growing in a growth plane comprising a polar plane produces a smoother surface than growth in a growth plane being a c-plane.
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