KR20170115617A - 이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판의 에피택셜 육각형 재료 - Google Patents

이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판의 에피택셜 육각형 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GaN 또는 다른 Ⅲ족 질화물(Ⅲ-N) 반도체와 같은 육각형 에피택셜 층, <111> 방위 텍스터드 층 및 비-단결정 기판을 포함하는 다층 구조물 및 다층 구조물을 제조하는 방법이다. 바람직하게는 텍스처드 층은 이온 빔 보조 증착 텍스처링 공정에 의해 형성된 결정질 정렬을 구비하며 2축으로 정렬될 수 있다. 텍스처드 층의 면내 결정 텍스처는 고품질 육각형 재료로 성장할 수 있도록 충분히 낮지만, 육각형 재료의 요구되는 면내 결정 텍스처보다 여전히 현저하게 큰 것일 수 있다. 이온 빔 보조 증착 공정은 저비용, 대면적, 가요성 금속박 기판이 전자 소자를 제조하기 위한 단결정 사파이어 및 실리콘에 대한 잠재적인 대안으로 사용하는 것을 가능하게 하며, 확장된 롤 투 롤, 시트 투 시트, 또는 유사한 제조 방식들이 사용될 수 있도록 한다. 사용자는 그 열팽창 계수를 육각형 에피택셜 층의 열팽창 계수에 어떻게 잘 맞추는 것과 같은 기계적 및 열적 특성을 위해 기판을 선택할 수 있는 동시에, 격자가 그 층과 더욱 가깝게 맞추어지는 텍스처드 층을 선택할 수 있다.

Description

이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판의 에피택셜 육각형 재료
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "에피택셜 Ⅲ족 질화물 재료의 성장을 위한 이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판 및 이를 제조하는 방법"이라는 제목으로 2015년 2월 10일 출원한 미국 가출원 번호 제62/114,504호와 "에피택셜 Ⅲ족 질화물 재료의 성장을 위한 이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판 및 이를 제조하는 방법"이라는 제목으로 2015년 12월 3일 출원한 미국 가출원 번호 제62/262,815호에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 그 명세서 및 청구범위들은 참고로 본 명세서에 통합된다.
연방 정부가 지원한 연구 또는 개발
미국 정부는 이 발명에 대한 선급 라이센스 및 미국 에너지 선진 연구 프로젝트 에이전시-에너지 국에 의해서 부여된 지원 계약 번호 제AR0000447의 조건에 의해 주어지는 타당한 조건으로 다른 사람에게 라이센스 하도록 특허권자에게 요구하는 제한된 상황에서의 권리를 갖는다.
본 발명은 이온 빔 보조 증착(IBAD : ion-bean assisted deposition) 텍스처리 방식에 의해 결정 배열이 형성되는 기판에 갈륨 질화물(GaN : gallium nitride) 또는 다른 Ⅲ족 질화물(Ⅲ-N) 반도체와 같은 육각형 재료의 층의 에피택셜 성장에 관한 것이다. 일 실시예에서, 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층들은 단결정과 사실상 유사한 2축 정렬된 박막 또는 기판을 준비하기 위해 사용된다. 이들 이온 빔 보조 증착 박막 또는 템플리트는 옵션인 에피택셜 버퍼층의 후속하는 증착과 그 후의 GaN 또는 Ⅲ족 질화물 에피택셜 성장을 지지한다. 이온 빔 텍스처드 층에 Ⅲ족 질화물 에피택시와 위에 중간 에피택셜 버퍼층을 포함하는 전자 부품 및 전자 부품을 형성하는 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예는 GaN 에피택시를 위한 템플리트로서 2축 정렬된 막을 위한 이온 빔 보조 증착 텍스처링 공정이다. 이온 빔 보조 증착 공정은 저비용, 대면적, 가요성 금속박 기판이 전자 소자용 단결정 사파이어 및 실리콘에 대한 잠재적인 대안으로 사용하는 것을 가능하게 한다. 에피택셜 GaN 막은 확장된 롤 투 롤(roll-to-roll), 시트 투 시트(sheet-to-sheet), 또는 유사한 제조 공정들을 사용할 수 있도록 하는 공업적 가요성 기판들에 금속 유기물 화학적 기상 증착(MOCVD : metal-organic chemical vapor deposition) 방식에 의해서 성장된다. 1° 미만의 면내 및 면외 정렬을 갖는 다결정 금속박에 수 마이크론의 두께를 가진 GaN 막들이 제조되었다. 다결정 금속박 위의 에피택셜 GaN 막들은 다중 양자 우물 발광 다이오드(LED)를 만들기 위한 템플리트 층으로서 사용되며 전계 발광을 성공적으로 나타내었다. 이들은 금속박에 직접적으로 제조된 첫 번째 LED 소자들이며 롤 투 롤 방식으로 확장될 수 있다.
이하의 설명은 다수의 출판물 및 참고 문헌을 인용할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이러한 출판물들의 설명은 과학적인 원리의 보다 완전한 배경기술을 위해 제공되는 것이며 이러한 출판물들이 특허성 결정 목적을 위한 종래 기술인 증거로 해석되는 것은 아니다.
발광 다이오드(LED)는 21세기의 시작에서 세상이 광으로 밝혀지는 것을 실행하는 혁명적인 방식이다. LED는 보다 효율적인 광원일 뿐만 아니라 다른 광원에 비해 많은 다른 형태로 실현될 수 있고 그 스펙트럼이 적용을 위해 조정되며 시간에 맞게 변경되는 능력을 갖고 있다. 그러나, LED가 백열등 및 형광등을 완전 대체하는 것을 여전히 저지하는 가장 큰 장벽은 LED 조명 시스템의 비용이다. 비록 LED 광은 조명 시장에 진입하는 커다란 진전을 이루었지만, 고급 조명 역역에 현재 주로 집중되고 있으며 간단한 형광 튜브와 비용적으로 경쟁하기 어려운 상업적인 조명의 대세적인 적용으로부터 여전히 동떨어져 있다. 전체 조명 시장을 지배하는 LED를 위해서는, 여전히 LED 조명의 비용이 몇 자리수 만큼 낮아져야만 할 것이다. LED 칩 및 패키지 비용이 지난 십년에 놀랍게도 몇 자리수 만큼 이미 낮아졌음에도 불구하고 이것은 사실이다. 십년 전에 $50/klm의 평균 LED 패키지 가격과 비교하여, 오늘날 패키지 LED의 비용은 $0.50/klm 미만일 수 있다. 현재의 제조 기술을 사용하여 2배 또는 3배 만큼 비용을 낮추게 하는 여지가 있다. 비용 절감을 상당히 크게 하기 위하여, 조명 시스템의 다른 부품들의 비용 절감뿐만 아니라 LED 칩 및 패키지의 제조 규모의 중요한 문제를 해결해야 한다. 패키지 LED는 표면 장착 소자(SMD : surface mounted device)로서 사용되며 일반적으로 조명 장치에 픽 앤드 플레이스(pick-and-place) 기술로 실현된다. 픽 앤드 플레이스 기계들은 표면 장착 소자들을 기계적으로 장착하는 자동화된 방식이다. 표면 장착 소자와 픽 앤드 플레이스를 생략하는 것은 LED 조명을 상당히 단순화할 것이며 비용을 감소시킬 것이다. 반도체 산업이 반도체 칩의 확대하는 방식은 기판 크기를 2인치로부터 4인치로 증가하게 증가시키는 것이며 이제 6인치 단결정 웨이퍼에 이르고 있다. 현재 대부분의 청색 LED 제조는 사파이어에 GaN 플랫폼을 사용하여 이루어진다. 일반적으로 고품질 에피택셜 GaN이 사파이어에 금속 유기물 화학 기상 증착(MOCVD, 때때로 OMVPE 또는 유기 금속 기상 에피택시라고 지칭됨)에 의해 증착되고 다음에 에피택셜 소자 구조의 후속 증착을 플랫폼으로 사용된다.
GaN 및 관련 Ⅲ족 질화물 재료가 발광 다이오드, 레이저 다이오드(LD), 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT : high-electron mobility transistor)와 같은 트랜지스터 소자를 포함하는 다양한 적용을 위해 사용된다. 오늘날의 GaN 층의 대부분은 사파이어, 실리콘, 실리콘 카바이드, 또는 갈륨 질화물과 같은 단결정 기판에 에피택셜 증착된다. 그러나, 일반적으로 단결정 기판들은 강성이고, 고가이며, 실리콘 웨이퍼를 제외하고 단지 100 mm 미만의 직경으로 이용가능하다. 단결정의 예외는 가요성 기판에 단결정과 유사한 박막의 이온 빔 보조 증착의 개발이다. 지난 십년에, 가요성 금속에 박막의 이온 빔 보조 증착 텍스처링은 특히 전선 적용을 위한 긴 길이의 초전도 결정을 위해 개발되었다.
일반적으로 순종이 아닌[즉, 헤테로에피택셜(heteroepitaxially)] 단결정에 금속 유기물 화학적 기상 증착을 이용하여 GaN을 성장시킬 경우, 2 단계 증착 공정이 사용되며 이에 의해 초기 GaN 핵생성 층(NL : nucleation layer)은 GaN 핵생성 및 진화를 가능하게 하는 상대적으로 낮은 온도 (500 내지 600℃)에서 증착된다. 제2 단계에서, 완전 합체한 에피택셜 GaN 층은 핵생성 층의 위에 디바이스 품질 GaN 재료를 얻기 위하여 더 높은 온도 (1000℃ 초과)에서 성장된다. GaN의 성장을 격자 정합 단결정 기판으로 한정하는 것은 고가이며 큰 사이즈로 이용할 수 없을 수 있는 사파이어(Al2O3), SiC, 벌크-GaN로 실제 기판의 수를 감소시킨다. 최근에 실리콘이 GaN 에피택시를 위한 단결정 기판으로 개발되었으며 더욱 광범위해지고 있다. 사파이어 대한 잠재적인 대체 기판으로서 실리콘의 채택에도 불구하고, 금속 및 다른 기판들에서 GaN의 직접적인 성장은 대면적 또는 가요성 기판을 필요로 하는 실제 적용을 위해 바람직하다. 이제까지는, 에피택셜 레지스티의 부족으로 인해 금속 또는 다른 비-방향성 기판에 직접적으로 단결정 GaN을 성장시키는 것이 가능하지 않았다. 금속 또는 다른 비-방향성 기판의 GaN은 이질적인 기판 상에 성장한 에피택셜 GaN 층을 이동시키거나, 그래핀과 같은 방향성 막을 이동시키고 그래핀의 위에서 GaN을 성장시키는 것에 의해 달성되었다.
형석(fluorite)에 이온 빔 보조 증착 텍스처링은 이전에 개발되지 않았고, 작업하기 쉽지 않으며, 이온 빔 보조 증착 텍스처 폭들은 15°를 초과하는 면내 반치전폭(FWHM : full width half maximum) 이었다. 따라서, (111) 이온 빔 보조 증착은 1°미만의 면내 정렬로 고품질 반도체 재료를 생산하기에 충분한 품질로 생각되지 않았다. (111) 이온 빔 보조 증착의 최상의 반도체 실리콘 결과는 반치전폭 10°초과의 면내 텍스처 및 1.5° 면외 텍스처 이었다. 그러므로, 이온 빔 보조 증착에 대한 일반적인 반도체 재료들은 소자용으로 하급 품질이며 다결정 기판에 대한 반도체와 경쟁할 수 없는 것이다. 양호한 품질 LED 및 다른 소자들은 생산되지 않았다. 재료들이 결정 완전성 및 캐리어 이동도와 관련하여 충분히 높은 품질이 아니었기 때문에, GaN 소자를 제조하기 위한 이전의 몇몇 시도들은 성공적이지 못하였다.
본 발명은 에피택셜 육각형 결정 층, <111> 면외 방위와 대략 15°이하의 반치전폭을 갖는 면내 결정 텍스처를 구비한 입방체 재료의 층, 및 비-단결정 기판을 포함하는 다층 구조물이다. 바람직하게는 에피택셜 육각형 결정 층은 GaN과 같은 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함한다. 바람직하게는 에피택셜 육각형 결정 층은 발광 다이오드를 위한 템플리트 층의 역할을 한다. 바람직하게는 입방체 재료의 층은 이온 빔 보조 증착에 의해 텍스처드 되었다. 기판은 비정질, 다결정, 가요성, 연성, 금속, 세라믹, 글라스, 플라스틱 또는 폴리머 일 수 있다. 바람직하게는 에피택셜 육각형 결정 층은 금속 유기물 화학적 기상 증착, 반응성 스퍼터링, 반응성 증착 또는 분자 빔 에피택시에 의해 성장되었다. 바람직하게는 기판 및 에피택셜 육각형 결정 층의 열팽창 계수는 대략 12% 이내, 더욱 바람직하게는 대략 5% 이내이다. 에피택셜 육각형 결정 층이 GaN을 포함한다면, 바람직하게는 기판은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈룸, 그 합금들, Mo-Cu, 또는 TZM을 포함한다. 바람직하게는 입방체 재료의 층은 대략 12°이하, 더욱 바람직하게는 대략 8°이하, 훨씬 더욱 바람직하게는 대략 5°이하의 반치전폭을 가진 면내 결정 텍스처를 갖는다. 바람직하게는 입방체 재료의 층은 MgO, CeO2, 빅스비아이트 구조 Sc2O3, Y2O3, Al2O3, 형석 구조 TiN, 암염 구조 CaF2, 입방체 ZrO2, HfO2, ScOx, 또는 Mn2O3을 포함한다. 바람직하게는 구조물은 기판과 입방체 재료 층의 사이에 배치된 베이스 층을 포함한다. 바람직하게는 베이스 층은 비정질 Al2O3, Y2O3, 또는 SiO2를 포함한다. 바람직하게는 구조물은 입방체 재료의 층과 에피택셜 육각형 결정 층 사이에 배치되는 하나 이상의 에피택셜 버퍼층을 포함한다. 바람직하게는 각각의 버퍼층은 입방체 재료의 격자 상수로부터 에피택셜 육각형 결정의 격자 상수로 천이를 연속적으로 제공하는 격자 상수를 갖는다. 에피택셜 육각형 결정 층이 GaN을 포함하면, 바람직하게는 에피택셜 버퍼층들은 Sc2O3 층, Zr 층 및 AlN 층을 포함한다. 옵션으로 입방체 재료의 층의 면내 텍스처의 반치전폭은 에피택셜 육각형 결정 층의 면내 텍스처의 반치전폭보다 크다. 또한, 본 발명은 LED, MOSFET, MESFET, HEMT, 이종접합 FET, 이종접합 쌍극성 트랜지스터(HBT), 박막 트랜지스터, 센서, 멤리스터(memristor), 레이저 다이오드(LD), SAW 소자, 스핀트로닉스 소자, 광검출기, 광전(PV) 다이오드와 같은, 청구항 1의 다층 구조물을 포함하는 전자 소자 또는 광전자 소자이다.
본 발명의 목적들, 이점들 및 신규한 특징들, 및 본 발명의 추가적인 적용 범위들이 첨부 도면들과 관련하여 이하에 설명되는 상세한 설명에 부분적으로 설명될 것이며, 부분적으로는 후속 검사시에 당업자에게 분명해지거나 본 발명의 실행에 의해 알게 될 것이다. 본 발명의 목적들과 이점들은 청구범위에서 특별히 언급된 기구 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.
명세서에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실행 실시예들을 보여주며 발명의 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면들은 단지 본 발명의 실시예들을 보여주기 위한 목적을 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
도 1은 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층 및 에피택셜 버퍼층의 상부에 에피택셜 GaN을 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 이온 빔 보조 증착 MgO 및 호모-에피택셜 MgO 층들의 반사 고속 전자선 회절((RHEED: Reflection High-Energy Electron Diffraction) 이미지이다.
도 3은 금속 테이프 상의 이온 빔 보조 증착 MgO 막에 생성된 MgO 막의 엑스레이 회절 (202) 극점도이다.
도 4a 및 도 4b는 이온 빔 보조 증착 CeO의 에피택셜 CeO 및 버퍼 이온 빔 보조 증착 CeO의 상부의 에피택셜 GaN의 반사 고속 전자선 회절 이미지이다.
도 5는 GaN (002) 반사를 위한 브라이트 스폿을 보여주는, GADDS 에어리어 디텍터에서 XRD 세타-2세타 스캔이며, 링들은 아래에 있는 금속 기판으로부터의 것이다.
도 6은 γ-Al2O3 버퍼 금속 테이프의 GaN 막에 대한 XRD (101) 극점도이다.
도 7은 금속 테이프의 이온 빔 보조 증착 CeO 막에 생성된, CeO2 막, (220) 극의 엑스레이 회절 극점도이다.
도 8은 금속 테이프의 이온 빔 보조 증착 CeO 막에 생성된 GaN 막의 엑스레이 회절 (101) 극점도이다.
도 9a 내지 도 9c는, 도 9a에서 도 9c로 섬 합체의 진행을 보여주는, 이온 빔 보조 증착/금속 테이프의 에피택셜 GaN 막의 주사전자현미경 이미지이다.
도 10a 및 도 10b는 금속박의 이온 빔 보조 증착 템플리트의 GaN 층들의 광학 이미지이며, 얇은 (대략 100 nm) AlN(도 10b) 또는 AlN/GaN(도 10a)가 물리적 기상 증착에 의해 증착되었고 금속 유기물 화학적 기상 증착 GaN 성장을 위한 시드 층으로서 사용되었다.
도 11은 금속 테이프의 위에 평탄화 층 및 상부에 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층을 구비한 에피택셜 GaN 막의 단면 투과전자현미경 이미지이다.
도 12는 세륨 옥사이드 (111)의 이온 빔 보조 증착 중에 반사 고속 전자선 회절 이미지이다.
도 13은 이온 빔 보조 증착 세륨 옥사이드 (111)에 호모에피택셜 세륨 옥사이드의 증착 후의 반사 고속 전자선 회절 이미지이다.
도 14는 세륨 옥사이드 (111)의 이온 빔 보조 증착 중에 반사 고속 전자선 회절 이미지이다.
도 15는 금속 기판의 이온 빔 보조 증착 템플리트에 증착된 에피택셜 GaN의 단면 투과전자현미경 이미지이다.
도 16은 가요성 금속 기판의 이온 빔 보조 증착 템플리트에 증착된 LED 구조물로부터의 LED 발광을 보여주는 도면이다.
도 17은 금속 테이프의 이온 빔 보조 증착 CeO 막에 생성된 CeO2 막의 XRD 극점도이다.
도 18a 및 도 18b는 이온 빔 보조 증착/금속 테이프의 에피택셜 GaN 막의 다른 배율에서의 주사전자현미경 이미지이다.
도 19a는 (111) 면외 방위로 증착 후에 이온 빔 보조 증착 Sc2O3 막의 반사 고속 전자선 회절 이미지이다(도 14를 대체).
도 19b는 이온 빔 보조 증착 Sc2O3에 호모에피택셜 Sc2O3 층의 증착 후에 반사 고속 전자선 회절 이미지이다.
도 20은 다결정 금속박에 이온 빔 보조 증착 텍스처링에 의해 배향된 Sc2O3 막의 엑스레이 세타-2세타 스캔이다.
도 21은 2축으로 배향된 Sc2O3 막에서 (440) 피크에 대한 엑스레이 극점도이다.
도 22는 기판을 평탄화하기 위한 용액 증착 평탄화 공정의 개략도이다.
도 23은 평탄화의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 24는 사파이어, 실리콘, 이온 빔 보조 증착 <111> 위의 GaN에 대한 에피택셜 구조를 비교한 도면이다.
도 25는 LED 구조물 단면의 투과전자현미경 이미지이며, LED 구조물은 GaN 층의 상부에 도시되어 있다.
도 26은 GaN 층의 상부에 LED 다중 양자 우물 구조 InGaN/GaN 을 보여주는 도 25의 것보다 높은 배율의 현미경 이미지이며, 더 밝은 구역이 InGaN을 나타낸다.
도 27은 사파이어(청색) 및 금속박(적색)의 이온 빔 보조 증착 템플리트에 제조된 LED의 광 발광 데이터를 보여주는 그래프이며, 이온 빔 보조 증착 LED의 광 발광 피크는 사파이어 LED보다 넓으며 강도가 낮다. 이 경우에 이온 빔 보조 증착 LED는 사파이어 LED의 통합된 광 발광 강도의 약 15%이다.
도 28은 단결정 사파이어 및 금속박에 준비된 이온 빔 보조 증착 템플리트에 제조된 LED 장치에 대한 광전 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 29는 도 28의 광선 곡선에서 이온 빔 보조 증착 LED 대 사파이어 LED의 강도 비율을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 에피택셜 막을 위해 이온 빔 결정 정렬을 사용하여 GaN 생산을 확대하는 접근 방법에 관한 것이다. 이 방법은 때때로 이온 빔 보조 증착이라 칭해지지만, 실제로 이온 빔 보조 증착으로 막을 텍스처링하는 것을 말한다. 이온 빔 보조 증착 텍스처링은 상이한 시간 척도 또는 막 두께로 일어날 수 있지만, 바람직하게는 핵생성에서의 이온 텍스처링(ITaN)으로 알려져 있는 초기의 막 핵생성 및 합체 즉시 일어날 수 있다. 이것을 일반적으로 최초 5 내지 10 nm의 증착에서 일어나고 극히 빠르게 나타나며, 1초 미만의 증착 시간에 일어날 수 있다. 이온 빔 보조 증착 텍스처링은 일반적으로 가요성 금속박인 대면적 기판에서 실행될 수 있다. 이온 빔 보조 증착 텍스처 형성은 대안적으로 가요성 글라스, 세라믹, 플라스틱 또는 폴리머에서 실행될 수 있다. 이 방법은 롤 투 롤 공정을 위해 적합한 스풀에 놓여질 수 있는 가요성 기판의 긴 길이에 대해 쉽게 확장 가능하다. 기판 자체는 다결정일 수 있지만, 바람직하게는 기판의 기계적 및 열적 특성을 위해 선택된다. 따라서, 바람직하게는 포일의 재료 및 두께는 최종적인 적용을 위해 최적화된다. 바람직하게는 박판은 가요성이며 연성이다. 또한, 금속 유기물 화학적 기상 증착 성장(사용될 경우)이 고온에서 실행되기 때문에, 바람직하게 재료는 후속해서 증착되는 두꺼운 GaN 층의 열팽창 계수와 양호한 조화를 나타낸다. GaN을 위해 바람직하게는 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 그 합금들이 사용된다 기판에서 격자 정합에 대한 필요성이 제거됨으로써, 더욱 다양한 기판들이 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, GaN 성장을 위한 보고된 기존의 방법들과 비교하여, 그 위에 에피택셜 GaN 막이 직접적으로 증착되고 전자 공학, 광학, 광전자 공학 등 포함하는 다양한 적용을 위해 사용될 수 있는 상업적인 다결정 금속박 또는 비정질 글라스와 같은 비-단결정 기판의 사용을 포함하는 신규한 GaN 성장 방법에 기초한다. 일부 실시예에서, 바람직하게는 수십 nm 범위의 두께들의 상이한 다수의 균일한 막들이 이온 빔 보조 증착 공정에 의해 생성되는 2축 텍스처드 층에 증착 또는 스퍼터드 된다. 예컨대, 비정질 웨이퍼(글라스와 같은 비정질 재료 또는 진공 증착되는 비정질 박막에 의해 피복된 단결정 웨이퍼) 또는 다결정 금속 기판이 평평한 기판으로서 사용될 수 있다. 금속 기판을 위해 GaN의 열팽창 계수와 밀접하게 어울리는 열팽창 계수를 갖는 재료, 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈룸과 같은 원소 및 그 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 도 1은 본 발명의 실시예의 개략도이다.
금속에 GaN을 증착하는 방법은 일반적으로 세 단계, 1) 용액 증착 평탄화(SDP : solution deposition planarization), 2) 이온 빔 보조 증착 + 버퍼층, 3) GaN을 금속 유기물 화학적 기상 증착을 포함한다. 제1 단계는 용액 증착 평탄화 이다. 이것은 다중 코팅에 의해 표면을 매끄럽게 또는 평평하게 하도록 최적화된 본질적으로 화학적 용액 증착(CDS)이다. 실제로 5 x 5 ㎛ 스케일에 20 내지 100 nm의 초기 제곱평균제곱근(RMS: root mean square) 거칠기는 10 내지 30의 코팅 후에 대략 0.5 nm로 감소할 수 있다. 용액 증착 평탄화 공정의 개략도 및 결과가 도 22 및 도 23에 도시되어 있다. SDP는 이온 빔 보조 증착 텍스처링 공정, 특히 단지 얇은 증착만이 필요한 핵생성에서의 이온 텍스처링을 위한 기판을 준비한다. 일반적으로 핵생성에서의 이온 텍스처링은 매우 매끄러운 표면, 즉 2 nm 미만의 제곱평균제곱근 거칠기를 요구하며 매끄러운 텍스처 일수록 더욱 좋다. 기판을 매끄럽게 하는 이외에, 용액 증착 평탄화는 그 위에 이온 빔 보조 증착 층이 증착되는 적절한 베이스 층 재료를 추가로 제공하도록 조정될 수 있다. 특히, 핵생성에서의 이온 텍스처링은 작업하는 이온 텍스처링을 위한 베이스 층에 적절한 화학적 성질을 요구한다. 만약 기판이 충분히 매끄러우면 일반적으로 용액 증착 평탄화는 필요하지 않다.
지난 수십 년에, 다수의 핵생성에서의 이온 텍스처링 재료들이 분석되었지만, 대부분의 작업은 MgO에 집중되었다. 이온 빔 보조 증착 MgO는 <100> 면외 방위를 생성하고 동일한 방위로 상부에 입방체 재료를 증착하기 적합하다. 그러나, 우르츠광(wurtzite) GaN과 같은 육방정의 대칭적인 재료의 증착을 위해, 이것은 서로에 대해 30°회전된 두 개의 에피택셜 영역을 생성할 수 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 입방체 재료에서 육방정 재료로 가기 위하여 <111> 방위가 필요할 것이다. 오늘날 이것은 실리콘 위에 GaN을 성장시키는 데에 흔히 이루어지며, 여기에서 <111> 배향된 실리콘 기판을 사용한다. 면내 방위의 반치전폭에 관한 <111> 이온 빔 보조 증착의 품질은 GaN을 성장시키기 위해 충분히 양호하지 않았으며 이온 빔 보조 증착 MgO보다 결코 양호하지 않다. 이온 빔 보조 증착 MgO는 호모에피택셜 층들로 1.5°반치전폭으로 낮아지는 것으로 보고되었다. CaF2로 얻어진 최상의 <111>은 15°였다. 본 발명의 일 실시예는 면내 방위 반치전폭이 약 8°인 CeO2를 사용한다. 그러나, 금속 유기물 화학적 기상 증착을 사용하여 GaN을 성장시킴으로써 GaN 층에서 1°미만까지 향상되었다. 합체하고 커다란 결정립으로 성장하는 작은 시드로 출발하여 금속 유기물 화학적 기상 증착에 의해 GaN이 성장하고, 열악한 텍스처를 구비한 이온 빔 보조 증착 구조를 수용하며 여전히 고품질 재료를 달성한다. 따라서 빅스비아이트(bixbyite)와 같은 다른 이온 빔 보조 증착 재료들이 사용될 수 있다.
원칙적으로 이온 빔 보조 증착 층은 기능적인 에피택셜 층, 예컨대 GaN과 격자 정합하도록 선택될 수 있다. GaN 격자와 맞추기 위하여 CeO2의 격자 상수 3.826 Å으로부터 GaN의 3.189 Å으로 천이하는 에피택셜 버퍼층이 증착될 수 있다. 중간의 격자 상수를 갖는 많은 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, Sc2O3 및 Zr은 AlN으로 전이할 두 개의 중간 층들로 사용된다. 스퍼터드 AlN 표면은 다음에 GaN 성장을 위한 시드 층으로 사용된다. 그 후에, 이온 빔 보조 증착 템플리트 라고 칭하는 완성된 구조가 에피택셜 GaN 성장을 위한 템플리트로서 사용될 수 있다. 금속 유기물 화학적 기상 증착 GaN은 이온 빔 보조 증착 템플리트에 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 증착된 AlN 또는 GaN에서 직접적으로 성장한다.
일 실시예에서 기판은 금속박을 포함하며, 바람직하게는 목표하는 기능적인 반도체 재료에 맞추어진 열팽창 계수를 갖는다. 기판에 증착된 것은 이온 빔 보조 증착을 가능하게 하는 베이스 층이다. 이 층은 또한 기판을 평탄화하기 위해 사용될 수 있고 확산 배리어로서 작용할 수 있다. 다음에 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층이 증착되고, 그 후에 하나 이상의 중간 버퍼층이 증착된다. 마지막 층은 육방정 재료, 바람직하게는 Ⅲ-N 또는 ZnO와 같은 반도체 재료이다. 바람직하게는 기판은 기능적인 층 또는 반도체 층과 열팽창 계수를 가급적 근접하게 맞추도록 선택된다. 바람직하게는 이온 빔 보조 증착 층은 반도체 mcd의 격자 상수와 가급적 근접하게 맞추도록 선택된다. 이것은 기판을 선택함에 있어서 두 특성을 일치시키는 것을 분리할 수 있다. 종래의 단결정 기판에서는, 충분히 양호한 격자 정합을 하는 재료들을 사용하여야 하며 다른 특성들을 독립적으로 조정할 수 없다.
이온 빔 보조 증착 텍스처링을 위해 사용되는 기판을 위해, 가요성과 같은 목표하는 기계적 성질 및 열팽창 계수와 같은 열적 특성을 갖는 기판이 선택될 수 있고, 그 후에 목표하는 격자 상수를 가진 이온 빔 보조 증착 층이 독립적으로 선택될 수 있다. 또한, 단결정 불 사이즈로 제한되는 것이 아닌 대면적 기판이 사용될 수 있고, 생산은 극히 커다란 면적으로 조정할 수 있으며, 예컨대 프린팅을 통해 그 대면적에 걸쳐서 집적 장치의 제조를 가능하게 한다. 롤 투 롤(roll-to-roll)은 매우 커다란 면적(작은 체적)으로 생산을 조정하는 방법이지만, 시트 투 시트로 또한 확장될 수 있다. 또한, 기판 및 이온 빔 보조 증착 층은 다른 방위, 격자 부정합 등을 나타낼 수 있으며, 본 발명의 융통성을 현저하게 증가시킨다.
본 발명의 일 실시예는 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층에 에피택셜 증착된, 단결정과 사실항 유사한 육방정 구조 재료를 포함한다. 이온 빔 보조 증착 층과 육방정 구조 재료 사이의 에피택셜 중간 버퍼층은 옵션으로 증착될 수 있다. 육방정 구조 재료는 옵션으로 그래핀, MoS2, WS2, 또는 다른 2차원적인 재료, 또는 GaN, AlN, INGaN, 또는 다른 Ⅲ-N 재료를 포함한다. 바람직하게는, 이온 빔 보조 증착 층 재료는 형석 또는 빅스비아이트 구조 재료와 같은, 상부에 육방정 재료의 정렬을 위한 3중 대칭을 부여하는 (111) 방위에 입방체 구조를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 (111) 면외 방위와 면내 방위, 바람직하게는 15°보다 양호한 면내 방위, 더욱 바람직하게는 15°보다 양호한 면내 방위를 갖는 상부에 Sc2O3 또는 Y2O3와 같은 빅스비아이트 구조 재료, 즉 (Mn-Fe)2O3의 구조의 막의 이온 빔 정렬이다.
본 발명의 실시예들은 Mo-Cu 합금 시스템에서와 같이, 반도체에 완전 정합하게 금속을 합금하는 것에 의해 얻어진 이온 빔 보조 증착을 위한 열팽창 계수가 맞추어진 금속 기판을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 비정질 Al2O3, Y2O3, SiOx 를 포함하는 이온 빔 보조 증착 형석 또는 빅스비아이트를 위한 베이스(평탄화) 층들을 포함하며, 이 층들은 평탄화를 생성하는 방식으로 화학적 용액 증착에 의해 증착된다(예컨대, SDP).
본 발명의 실시예들은 텍스처드 층을 구비한 금속박과 같은, 이온 빔 보조 증착 기판에 에피택셜 Ⅲ-N 재료를 사용하여 제조된 능동 소자의 통합을 포함한다. 능동 소자들은 다수의 다른 가능한 인쇄 기술, 예컨대 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄를 이용하여 인쇄되고, 접점 및 피동 소자들은 바람직하게는 그 후에 상부에 인쇄된다. 이온 빔 보조 증착 기판에 LED 장치의 이러한 인쇄를 이용하여 디스플레이가 제조될 수 있다. LED가 통합된 파워 장치들은 일정한 파워, 스위칭, LED 장치의 조광 제어, 또는 다른 색 및 다른 색 온도를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 GaN 성장 온도, 금속 유기물 화학적 기상 증착의 경우에 1000℃ 이상을 견딜 수 있는 금속, 세라믹 또는 글라스(석영)와 같은 거의 모든 기판에 적용될 수 있는 이온 빔 보조 증착 템플리트(4중 대칭 및 3중 대칭 이온 빔 보조 증착)의 사용으로 비-단결정 기판에 GaN 성장을 위한 신규한 방법이다. GaN 계열 소자의 증착을 위한 다른 방법들은 반응성 증착(특히, MBE) 및 반응성 스퍼터링이다. 후자의 방법들은 증착 및 성장하는 동안 낮은 온도를 이용하며 따라서 플라스틱 및 글라스와 같은 단결정 웨이퍼가 아닌 비표준 기판에 적용될 수 있다. 열팽창 계수를 맞추는 것은 GaN 성장을 위한 기판으로서 금속을 이상적으로 사용할 수 있도록 한다. 이러한 금속들은 예컨대, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐, 다른 원소들과 이들 원소의 합금, TZM과 같은 몰리브텐과 소량의 티타늄 및 지르코늄의 합금, 또는 몰리브덴-구리 합금을 포함한다. 이 합금들은 GaN 파워 일렉트로닉스와 같은 전도 냉각을 요구하는 장치를 위해 유용한 높은 열전도율을 나타낸다.
에피택셜 오버레이와 함께 이온 빔 텍스처드 층에 의해 형성된 Ⅲ족 질화물의 에피택셜 막의 성장을 위한 실시예의 기판들은 이온 빔 보조 증착 MgO, TiN 또는 이온 빔 2축 텍스처링에 적용될 수 있는 것으로 종래에 알려져 있는 다른 암염 구조의 재료뿐만 아니라 이온 빔 보조 증착 중에 (111) 방위를 형성하는 이온 빔 보조 증착 CeO2(세륨 다이옥사이드) 또는 CaF2와 같은 다른 형석 구조 재료, 입방체 ZrO2 또는 HfO2를 포함하는 이온 빔 보조 증착 2축 텍스처드 층을 포함한다. 다른 재료들로서 이온 빔 보조 증착 ScOx(Sc2O3 구조를 가짐) 및 Y2O3 또는 Mn2O3와 같은 빅스비아이트 구조의 다른 산화물 또는 질화물이 있고, 빅스비아이트는 형석 구조의 공격자점 크기의 파생물이며; 또한 GaN의 성장을 위해 격자 정합된 에피택셜 오버레이(버퍼층), 또는 AlN 또는 다른 질화물과 같은 다른 Ⅲ족 질화물 화합물, 또는 Zr 또는 Hf와 같은 원소의 금속층, 또는 입방체 Al2O3와 같은 산화물이 있다. 임의 표면에 (111) 방위를 갖는 단결정과 사실항 유사한 입방체 막이 이온 빔 텍스처드 층을 사용하여 에피택셜 Ⅲ-N, 또는 다른 육방체 구조 반도체 또는 InP (111)과 같은 반금속, 천이금속 디차로게나이드, 및 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 층들의 성장을 위해 제조될 수 있다. 이들 동일한 텍스처드 층들은 이온 빔 보조 증착 이외에 경사 기판 증착 또는 경사 스퍼터링과 같은 다른 수단에 의해 얻어질 수 있다. Ⅲ-N 층들은 금속 유기물 화학적 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 반응성 증착, 반응성 스퍼터링 또는 다른 방법에 의해 성장될 수 있다. 금속 기판은 이온 빔 텍스처드 층의 사용에 의해 가요성 금속박 또는 다른 금속 기판에 Ⅲ-N 층들을 제조하기 위하여 이용될 수 있고, 금속 기판들은 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 및 이들 원소와 다른 원소들의 합금을 포함한다. Ⅲ-N 층들은 중간의 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층을 구비한 글라스 기판에서 성장될 수 있다. 이온 빔 보조 증착 템플리트 기판에 에피택셜 Ⅲ-N 재료를포함하는 전자 소자 또는 광전자 소자가 제조될 수 있고; 이러한 소자는 MOSFET, MESFET, HEMT, 이종접합 FET, 이종접합 쌍극성 트랜지스터(HBT), 박막 트랜지스터, 센서, 멤리스터, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), SAW 소자, 스핀트로닉스 장치, 광검출기, 광전(PV) 다이오드를 포함한다. 또한 이들 소자들은 LED 기반 디스플레이, LED 기반 조명 제품, 광전지 및 모듈과 같은 제품에 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 LED를 제조하기 위한 금속의 상부에 정렬된 층을 제조하기 위한 방법; 이온 정렬된 층의 상부에 만들어진 LED 구조; 금속/비정질/평탄화 층/(111) 텍스처드 층/육방체 반도체 층 구조; 빅스비아이트 재료의 이온 빔 보조 증착 ㅌ텍스처링; 비정질 Al2O3, Y2O3, 또는 SiO2와 같은 이온 빔 보조 증착 층들의 위한 가요성 기판에 증착된 베이스 층; 금속 유기물 화학적 기상 증착 GaN을 위한 핵생성 층으로서 사용되는 GaN 물리적 기상 증착 층; 및 Mo-Cu 합금과 같은, GaN의 열팽창 계수와 매우 가깝게 맞추어진 금속 합금 기판에 관한 것이다.
이온 빔 보조 증착 텍스처는 본 발명의 실시예에서 10°이하로 향상되었고, 추가적인 버퍼층들과 GaN 성장을 위한 고온 금속 유기물 화학적 기상 증착 공정의 사용은 고품질 장치의 제조를 가능하게 하는 1°미만의 면내 반치전폭(10°초과와 대조적인 것) 및 0.5°미만의 면외 반치전폭(1.5°미만과 대조적인 것)의 훨씬 높은 품질의 GaN을 생산한다. 본 발명의 실시예들에서 에피택셜 GaN이 성장하는 방식은 실리콘 및 다른 반도체의 에피택셜 성장과 근본적으로 다르다. 이것은 (111) 이온 빔 보조 증착 텍스처드 층에 제조되는 Ⅲ-N 재료(예컨대, InGaN)로 구성되는 발광 다이오드(LED)와 같은 능동 소자가 제조될 수 있다는 것을 의미한다.
예 1
GaN의 에피택셜 성장을 위한 이온 빔 보조 증착 템플리트 및 관련된 Ⅲ족 질화물, 금속 유기물 기상 에피택시로 또한 알려져 있는 GaN의 금속 유기물 화학적 기상 증착의 적용성을 입증하는 것이 실행되었다. 샘플들은 성장 이전에 유동하는 H2에서 800 내지 1000℃로 잠시 가열되었다. GaN 핵생성 층은 530℃의 기판 온도에서 H2 및 N2 푸시 유동을 이용한 암모니아(NH3)와 트리메틸갈륨(TMGa)을 사용하여 성장되었다. GaN NL의 성장 후에, 트리메틸갈륨은 차단되었고 웨이퍼는 8분에 걸쳐 1050℃의 온도로 승온되었다. 1050℃에서 트리메틸갈륨은 1시간 동안 공급되었으며, 2 ㎛ 이하의 GaN 막이 생성되었다. 성장 후에 웨이퍼는 NH3, H2 및 N2 흐름에서 냉각되었고 성장 반응기로부터 제거되었다.
GaN 성장을 위한 템플리트를 위해, 기판은 GaN 성장 이전에 별도로 준비되었다. 일 실시예에서, 이온 빔 보조 증착 텍스처드 MgO 막을 사용하였다. 이 막들은 (100) 면외 축으로 배향되었고 표면에 정사각형의 4중 대칭 격자를 형성한다. 이온 빔 보조 증착 MgO 막은 이온 빔 보조 증착 텍스처링을 위한 베이스 층으로, 비정질 Y2O3 표면에 우선 증착되었다. 이온 빔 보조 증착 중에 MgO의 양호한 텍스처링을 위해서, 매끄러운 표면을 갖는 것이 중요하며, 매끄러운 표면은 메탄올에서 분해되는 아세테이트 전구체를 사용하여 Y2O3 또는 Al2O3의 순차적인 화학적 용액 증착에 의해 얻었다. 이 공정은 용액 증착 평탄화 또는 SDP로 지칭되며, 50 nm 제곱평균제곱근 거칠기 금속박 기판으로 출발할 경우 0.5 nm 제곱평균제곱근 거칠기 만큼 매끄러운 표면들을 생성할 수 있다. 다음에 기판은 MgO가 약 3 내지 5 Å/s의 속도로 증착되고 45°입사각으로 그리고 700 내지 1000 eV의 이온 에너지를 갖는 Ar 이온 빔이 입사되는 진공 증착 시스템에 놓여졌다. 일반적으로 증착은 약 10 내지 30 초 걸린다. 이온 빔 보조 증착 다음에 50 nm 두께 막의 호모에피택셜 MgO가 400 내지 700℃의 기판 온도에서 증착에 의해 진공 챔버에서 증착되었다. 이온 빔 보조 증착 공정 및 호모에피택셜 증착 중에, 막 성장은 막의 결정 정렬을 확인하기 위한 반사 고속 전자선 회절에 의해 감시되었다. 도 2는 이온 빔 보조 증착 이후 및 호모에피택셜 MgO 후에 MgO 막의 반사 고속 전자선 회절 이미지를 보여준다. 도 3은 높은 면내 정렬도를 나타내는 (202) 피크의 엑스레이 극점도를 보여준다.
이온 빔 보조 증착 템플리트의 제2 실시예에서, 이온 빔 보조 증착 텍스처드 CeO2 텍스처드 막을 사용하였다. 이들 이온 빔 보조 증착 막들은 (111) 면외 축으로 배향되고 표면에 우르츠광 GaN 육방조밀적층 금속과 같은 육방정 구조 재료의 성장을 위해 적합한 3중 대칭 격자 또는 다른 3중 대칭 (111) 버퍼층을 형성한다. 이온 빔 보조 증착 CeOx 막들은 이온 빔 보조 증착 CeOx를 위한 베이스 층인 비정질 Al2O3 표면에서 성장되었다. SiOx 및 Y2O3와 같은 다른 비정질 층들이 이온 빔 보조 증착 CeOx를 위해 또한 적합하다. MgO에 대한 것과 같이, 최상의 텍스처링을 얻기 위하여 매끄러운 표면을 갖는 것이 중요하며, 매끄러운 표면은 Y2O3 또는 Al2O3의 순차적인 화학적 용액 증착에 의해 만들어졌다. 다중 코팅으로, 50 nm 제곱평균제곱근 거칠기 금속박 기판으로 출발할 경우 0.5 nm 제곱평균제곱근 거칠기 만큼 매끄러운 표면들이 달성될 수 있다. 다음에 기판은 CeO2가 전자 빔 증착에 의해 약 3 내지 5 Å/s의 속도로 증착되고 45°입사각으로 그리고 700 내지 1000 eV의 이온 에너지를 갖는 Ar 이온 빔이 입사되는 진공 증착 시스템에 놓여졌다. 일반적으로 증착은 약 10 내지 30 초 걸린다. 이온 빔 보조 증착 다음에 50 nm 두께 막의 호모에피택셜 CeO2가 증착에 의해 진공 챔버에서 증착되었다. 이온 빔 보조 증착 공정 및 호모에피택셜 증착 중에, 막 성장은 막의 결정 정렬을 확인하기 위한 반사 고속 전자선 회절에 의해 감시되었다. 도 4는 이온 빔 보조 증착 이후 및 호모에피택셜 CeOx 후에 CeOx 막의 반사 고속 전자선 회절 이미지를 보여준다.
다수의 다른 에피택셜 버퍼층들이 진공에서 증착에 의해 이온 빔 보조 증착 텍스처드 기판에 증착되었다. 두 결정 격자의 큰 격자 부정합으로 인해 CeO2에 대한 에피택셜 GaN의 성장이 도전받지만, 적합한 중간 버퍼층들을 제공함으로써 GaN에 가까운 격자 정합으로 천이 또는 스텝 그레이드 할 수 있다. 이들 중간 버퍼층들은 (111) 금속 산화물(예컨대, ZrO2, Sc2O3, Y2O3), 육방조밀적층 금속(예컨대, Zr, Hf, Ti, Sc, 등등) 및 우르츠광 또는 (111) 금속 질화물(예컨대, AlN, ZrN, TiN, 등등)dmfh 구성된다. 에피택셜 버퍼층의 증착 중에, 막 성장은 결정 정렬을 확인하기 위한 반사 고속 전자선 회절에 의해 또한 감시되었다. 도 4b는 버퍼 이온 빔 보조 증착의 위에서 ㅅ성장한 에피택셜 GaN의 반사 고속 전자선 회절 이미지를 보여준다. 금속 유기물 화학적 기상 증착 GaN 성장을 위해, 금속 산화물, 금속 질화물 및 원소 금속들을 포함하는 다수의 중간 에피택셜 버퍼층들이 사용되었다. 이온 빔 보조 증착 MgO 템플리트를 위해 γ-Al2O3(입방체 알루미늄 산화물) 및 SrN 에서 에피택셜 GaN을 성공적으로 성장시켰다. 이온 빔 보조 증착 CeOx 템플리트를 위해 GaN은 에피택셜 Hf 및 AlN 에서 성공적으로 성장되었다.
도 5는 다결절 금속 기판의 상부에서 단결정과 사실상 유사한 성질의 GaN 막에 기인한 날카로운 GaN 피크를 보여주는 엑스레이 회절 GADDS 2D 검출기 이미지를 보여준다. 도 6은 4중 대칭 이온 빔 보조 증착에서 성장한 GaN에 대한 (101) 극점도를 보여준다. 결과적인 GaN은 12중 대칭 (101) 극점도를 갖는다. 이것은 정사각형 격자에 육각형의 2개의 다른 대칭적인 방위가 존재하기 때문이며, 서로에 대해 30°회전된 두 개의 영역을 초래한다. 대조적으로, GaN은 예컨대 (111) 입방체 방위와 같은 3중 대칭 이온 빔 보조 증착의 상부에 단일 영역에서 성장한다. 도 7은 3중 대칭 이온 빔 보조 증착 극점도를 보여주며 도 8은 3중 이온 빔 보조 증착 CeO의 6중 대칭 GaN을 보여준다. 이러한 GaN 층의 면내 반치전폭은 1 내지 2°이다. 면외 로킹 커브는 이온 빔 보조 증착/금속의 GaN에 대해 0.6 내지 0.7°이고 이온 빔 보조 증착/사파이어에 대해 0.3°이다.
도 9는 3중 이온 빔 보조 증착 (111) 템플리트의 위에 에피택셜 GaN 층들의 전자현미경 사진들을 보여준다. 이 템플리트는 Hf 또는 AlN의 얇은 버퍼층(50 nm 미만)을 포함한다. 비록 이 경우에 GaN 막의 피복은 결정립의 불완전한 합체로 인해 완료되지 않았지만, GaN 메사 구조에 매우 매끄러운(원자 수준으로 매끄러운) 표면을 볼 수 있다. 도 10은 펄스 dc 스퍼터링에 의해 성장된 AlN과 함께, Zr 또는 Hf와 같은 에피택셜 금속을 포함하는 이중 버퍼층 구조에서 성장한 에피택셜 GaN의 광학 이미지들을 보여준다. GaN은 이 방식에서 반응성 증착에 의해 AlN에서 또한 성장되었다. 이것은 지금까지 금속 유기물 화학적 기상 증착에 의한 GaN 층의 최상의 피복을 초래하였다. 도 11은 용액 증착 평탄화 층의 매끄러움뿐만 아니라 이온 빔 보조 증착 및 중간 층들의 견고성을 알 수 있는, 투과전자현미경에 의해 분석된 막의 단면을 보여준다. 에피택셜 배열은 이온 빔 보조 증착 층으로부터 GaN 층으로 보존된다.
도 12 및 도 13은 각각 이온 빔 보조 증착 CeO2에 이온 빔 보조 증착 증착과 후속 호모에피택셜 CeO2 직후에, 이온 빔 보조 증착 CeO2 샘플의 반사 고속 전자선 회절 이미지들을 보여준다. 이 이미지들은 단결정 방위 및 면내 배열을 나타낸다. 도 17은 CeO2 결정 층의 면내 배열을 보여준다.
도 15는 두꺼운 GaN 층을 포함하는 완성 구조의 단면 투과전자현미경 사진을 보여준다. 바닥에서부터 거친 금속박, 용액 증착 평탄화의 매끄러운 층, 그 다음에 이온 빔 보조 증착와 후속하는 에피택셜 버퍼층들을 볼 수 있다. 맨 위 층은 평면이며 다른 장치 제조를 가능하게 극히 매끄럽다.
도 16은 금속박의 이온 빔 보조 증착 템플리트의 GaN 막의 위에 에피택셜 증착된 상부의 p-도핑 GaN 층과 lnGaN 다중양자 우물 구조를 포함하는 LED 구조로부터의 전계 발광을 보여준다.
도 18a 및 도 18b는 두꺼운(약 5 마이크론) GaN 막들의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 일반적으로 약간의 결함들이 있지만, 100 ㎛ 영역에 걸쳐 매끄러운 구역들도 있다.
도 19a 및 도 19b는 (111) 방위를 갖는, 이온 빔 보조 증착 Sc2O3와 이온 빔 보조 증착 Sc2O3 위의 Sc2O3의 반사 고속 전자선 회절의 이미지들을 보여준다. CeO2 이온 빔 보조 증착과 유사하게 (111) 방위를 가진 층들이 알맞은 조건, 이 경우에 CeO2 이온 빔 보조 증착에 대한 것과 동일한 조건하에서 얻어질 수 있다. 이온 빔 보조 증착 Sc2O3 텍스처링은 Al2O3 층들에 증착된 비정질 용액 증착 평탄화에 형성된다.
도 20은 이온 빔 보조 증착 층의 위에 호모에피택셜 층을 구비한 이온 빔 보조 증착 Sc2O3의 세타-2세타 스캔을 보여준다. 우측의 밝은 스폿은 Sc2O3의 (222) 반사이며 좌측의 링은 다결정 금속 기판을 나타낸다. 가시적인 메인 피크는 (111) 방위 Sc2O3 재료에 기인한 것이다. 도 21은 3중 대칭인 Sc2O3의 (440) 극점에 대한 극점도를 보여준다. 이들 두 개의 엑스레이 스캔은 Sc2O3 층에 대한 2축 방위를 나타낸다.
예 2
두꺼운 층의 GaN이 이온 빔 보조 증착 템플리트에 증착되었다. 일반적으로 GaN은 두께가 4 내지 6 ㎛이며, 도 25에 도시된 바와 같이 그 상부는 Si로 n-도핑 된다. 도 26에 도시된 바와 같이, GaN 층의 위에는 LED 구조 pn 접합이, InGaN 층과 GaN 층이 5번 교호하는 다중층인 다중 양자 우물 구조(MQW)와 함께 성장된다. 다중 양자 우물의 위에는 Mg로 도핑된 p-GaN이 후속하는 p-도핑 전자 차단층이다. 이러한 이종 구조가 LED를 산업적으로 제조하기 위한 표준이다.
LED 장치의 성능은 산업적인 표준 기판인 단결정 사파이어에 준비된 LED와 비교되는 것으로 측정되었다. 결과들이 도 27 내지 도 29에 도시되어 있다. 광 발광(장치에 광을 비추는)과 전계 발광(장치를 통해 전류를 흐르게 하는), 광 측정으로 비교가 이루어졌다. 첫 번째 장치에 있어서, 제조된 광 발광은 표준 사파이어 LED와 비교한 이온 빔 보조 증착 LED에서 광의 10%와 40% 사이를 보인다. 비록 GaN 층들의 재료 품질이 향상되므로 성능이 현저하게 향상되지만, 전계 발광 장치 특성은 전류 장치에서의 단락으로 인한 누출에 의해 지배된다.
본 발명은 도시된 실시예들을 참조하여 특히 상세하게 설명되었지만, 다른 실시예들이 동일한 결과를 달성할 수 있다. 본 발명의 변경 및 변형은 당업자에 분명할 것이며 이러한 모든 변형 및 등가물을 커버하는 것이 의도된다. 앞서 인용한 모든 특허 및 출판물은 전체 개시 내용들은 참고로 명세서에 통합된다.

Claims (22)

  1. 에피택셜 육각형 결정 층;
    <111> 면외 방위와 대략 15°이하의 반치전폭(FWHM)을 갖는 면내 결정 텍스처를 구비한 입방체 재료의 층; 및
    비-단결정 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 발광 다이오드를 위한 템플리트 층의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    입방체 재료의 층은 이온 빔 보조 증착에 의해 텍스처드 된 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    기판의 특성은 비정질, 다결정, 가요성, 연성, 금속, 세라믹, 글라스, 플라스틱 및 폴리머로 구성되는 것으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 금속 유기물 화학적 기상 증착(MOCVD), 반응성 스퍼터링, 반응성 증착 또는 분자 빔 에피택시(MBE)에 의해 성장된 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    기판 및 에피택셜 육각형 결정 층의 열팽창 계수들은 대략 12% 이하인 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  9. 제8항에 있어서,
    기판 및 에피택셜 육각형 결정 층의 열팽창 계수들은 대략 5% 이하인 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  10. 제1항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 GaN을 포함하며 기판은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈룸, 그 합금들, Mo-Cu, 또는 TZM을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  11. 제1항에 있어서,
    입방체 재료의 층은 대략 12°이하의 반치전폭을 가진 면내 결정 텍스처를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    입방체 재료의 층은 대략 8°이하의 반치전폭을 가진 면내 결정 텍스처를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    입방체 재료의 층은 대략 5°이하의 반치전폭을 가진 면내 결정 텍스처를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  14. 제1항에 있어서,
    입방체 재료의 층은 MgO, CeO2, 빅스비아이트 구조, Sc2O3, Y2O3, Al2O3, 형석 구조, TiN, 암염 구조, CaF2, 입방체, ZrO2, HfO2, ScOx, 및 Mn2O3 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  15. 제1항에 있어서,
    기판과 입방체 재료의 층 사이에 배치된 베이스 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  16. 제15항에 있어서,
    베이스 층은 비정질 Al2O3, Y2O3, 또는 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  17. 제1항에 있어서,
    입방체 재료의 층과 에피택셜 육각형 결정 층 사이에 배치되는 하나 이상의 에피택셜 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  18. 제17항에 있어서,
    각각의 에피택셜 버퍼층은 입방체 재료의 격자 상수로부터 에피택셜 육각형 결정의 격자 상수로 천이를 연속적으로 제공하는 격자 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  19. 제18항에 있어서,
    에피택셜 육각형 결정 층은 GaN을 포함하고 에피택셜 버퍼층들은 Sc2O3 층, Zr 층 및 AlN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  20. 제1항에 있어서,
    입방체 재료의 층의 면내 텍스처의 반치전폭은 에피택셜 육각형 결정 층의 면내 텍스처의 반치전폭보다 큰 것을 특징으로 하는 다층 구조물.
  21. 제1항의 다층 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 또는 광전자 소자.
  22. 제21항에 있어서,
    LED, MOSFET, MESFET, HEMT, 이종접합 FET, 이종접합 쌍극성 트랜지스터, 박막 트랜지스터, 센서, 멤리스터, 레이저 다이오드, SAW 소자, 스핀트로닉스 소자, 광검출기, 광전 다이오드로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 전자 소자 또는 광전자 소자.
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