평면의 반극성 갈륨 질화물의 성장을 위한 기술 document_id A220623053834

관련 기술 갈륨 질화물(GaN)의 유용성 및 알루미늄과 인듐을 포함하는 갈륨 질화물의 3원, 4원 화합물(AlGaN, InGaN, AlInGaN)은 가시영역 및 자외선 영역의 광전자 소자 및 고-전압 전자 소자의 제조를 위하여 잘 확립되어 있다. 이 소자들은 통상 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy: MBE), 유기금속 화학기상증착(metalorganic chemical vapor deposition: MOCVD), 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy: HVPE)를 포함하는 증착 기술을 사용하여 에피택셜하게 성장된다. GaN과 그 합금들은 육방정 우르차이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조에서 가장 안정적이다. 상기 결정 구조는 서로에 대하여 120° 회전된 두 개의 (또는 세 개의) 등가의 기준면 축들(basal plane axes, a-축들)에 의하여 기술되는데, 이 축들은 모두 유일한 c-축에 대하여 수직이다. Ⅲ 족과 질소 원자들이 결정의 c-축을 따라 번갈아서 c-면을 차지한다. 우르차이트 구조에 포함된 대칭 구성요소들은 Ⅲ-질화물들이 c-축을 따라 벌크 자발 분극(bulk spontaneous polarization)을 가지는 것을 나타내며, 우르차이트 구조는 압전 분극(piezoelectric polarization)을 보여준다. 전자 및 광전자 소자들을 위한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라 성장되는 질화물 필름을 채용한다. 그러나 Ⅲ-질화물 계의 광전자 및 전자 소자들에서 일반적인 c-면의 양자 우물 구조는 강한 압전 분극 및 자발 분극의 존재에 기인하는 바람직하지 않은 양자-가둠 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect: QCSE)를 겪는다. c-방향을 따른 강한 내부 전기장(built-in electric fields)은 전자와 홀의 공간적인 분리를 야기시켜서, 결과적으로 제한된 케리어 재결합 효율, 감소된 진동자 강도(oscillator strength) 및 적색-편이(red-shifted) 발광을 일으킨다. GaN 광전자 소자에서 자발 및 압전 분극 효과를 제거하기 위한 한 가지 접근은 소자를 결정의 비극성(non-polar) 면들 위에 성장시키는 것이다. 그러한 면들은 같은 수의 Ga 및 N 원자들을 포함하고 전하-중성(charge-neutral)이다. 더욱이, 연속하는 비극성 층들은 서로 동등하며 따라서 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극되지 않는다. GaN에서 대칭-등가(symmetry-equivalent)의 비극성 면들의 두 개의 그러한 족들(families)은 집합적으로 a-면으로 알려진 족과 집합적으로 m-면으로 알려진 족이다. 불행하게도, 예를 들면, 위의 상호-참조된 출원에 기술된 바와 같은 캘리포니아 대학(University of California)의 연구원들에 의하여 이루어진 진보에도 불구하고, 비극성의 GaN의 성장은 해결해야 할 어려움이 남아있으며 Ⅲ-질화물 산업에서 아직 널리 채용되고 있지 않다. GaN 광전자 소자에서 분극 효과를 감소시키거나 가능한 제거하기 위한 다른 접근은 소자를 결정의 반극성 면들(semi-polar planes) 위에 성장시키는 것이다. "반극성"이라는 용어는 두 개의 0이 아닌 h, i 또는 k 밀러 지수 및 0이 아닌 l 밀러 지수 모두를 갖는 넓은 범위의 면들을 지칭하는데 사용될 수 있다. c-면의 GaN 헤테로에피택시(heteroepitaxy)에서 일반적으로 관찰되는 반극성 면들의 예의 일부는 , 및 면을 포함하며, 이들은 피트(pit)의 패싯(facet)에서 발견된다. 이들 면들은 또한 평면의 필름의 형태로 발명자들이 성장시킨 것과 동일한 면들일 수 있다. 우르차이트 결정 구조에서 반극성 면들의 다른 예들은, 다음에 제한되는 것은 아니지만, , 및 를 포함한다. 질화물 결정의 분극 벡터(polarization vector)는 이러한 면들 내에 있지도 않고 또는 이러한 면들에 수직하지도 않으며, 오히려 면들의 표면 수직(surface normal)에 대하여 기울어진 각도에 존재한다. 예를 들면, 및 면들은 c-면에 대하여 각각 62.98° 및 32.06°이다. 분극의 다른 원인은 압전 분극(piezoelectric polarization)이다. 이것은 물질이 압축 또는 신장 스트레인을 경험할 때 발생하며, 마찬가지로 유사하지 않은 조성의 (그러므로 다른 격장 상수의) (Al, In, Ga, B)N 층들이 질화물 헤테로구조에서 성장될 때 발생할 수 있다. 예를 들면, GaN 템플릿(template) 위의 얇은 AlGaN 층은 내면(in-plane) 인장 스트레인(tensile strain)을 가지고, GaN 템플릿 위의 얇은 InGaN 층은 내면 압축 스트레인(compressive strain)을 가질 것이며, 둘다 GaN에 대한 격자 정합(lattice matching)에 기인한다. 그러므로, GaN 위의 InGaN 양자 우물에 대하여, 압전 분극은 InGaN과 GaN의 자발 분극의 경우와는 반대 방향을 향할 것이다. GaN에 격자 정합된 AlGaN 층에 대하여, 압전 분극은 AlGaN과 GaN의 자발 분극의 경우와 동일한 방향을 향할 것이다. c-면의 질화물에 대한 반극성 면들을 사용하는 것의 이점은 전체 분극이 감소될 것이라는 것이다. 특정 면 위의 특정 합금 조성에 대하여 제로 분극이 있을 수도 있다. 그러한 시나리오는 장래의 과학 논문에서 상세하게 논의될 것이다. 중요한 점은 c-면의 질화물 구조와 비교하여 분극이 감소될 것이라는 점이다. GaN의 벌크 결정은 사용 가능하지 않으며, 그러므로 후속 소자의 재성장을 위한 표면을 제공하도록 결정을 단순히 자르는 것은 불가능하다. 일반적으로, GaN 필름은 처음에는 헤테로에피택셜하게, 즉, GaN에 적당한 격자 정합을 제공하는 이종의 기판 위에 성장된다. 반극성의 GaN 면이 패터닝된 c-면 방향의 스트라이프의 측벽에서 증명되었다. Nishizuka 등이 이 기술에 의하여 InGaN 양자 우물을 성장시켰다. (Nishizuka, K., Applied Physics Letters, Vol. 85, No. 15, 11 October 2004을 보라.) 이들은 또한 반극성의 면의 내적(internal) 양자 효율이 c-면의 것보다 더 높은 것을 증명하였으며 이것은 감소된 분극에서 기인한다. 그러나 반극성의 면을 생성하는 이 방법은 본 발명의 것과 매우 다르다; 상기 방법은 에피택셜 측방향 과성장(epitaxial lateral overgrowth: ELO)에서 생성된 결과물이다. ELO는 GaN 및 다른 반도체들에서 결함을 감소시키는데 사용된다. 그것은 마스크 물질, GaN에 대하여는 종종 SiO2의 스트라이프를 패터닝하는 것을 포함한다. GaN은 마스크 사이의 열린 윈도우로부터 성장하며 그 후 마스크 위로 성장한다. 연속적인 필름을 형성하기 위하여, GaN은 그 후 측면 성장에 의하여 합체된다. 이들 스트라이프들의 패싯은 성장 변수들에 의하여 조절될 수 있다. 성장이 스트라이프 합체 전에 멈추면, 적은 영역의 반극성의 면이 노출될 수 있다. 표면적은 기껏해야 10㎛의 넓이일 수 있다. 더욱이, 반극성 면은 기판 표면에 평행하지 않을 것이다. 이에 더하여, 표면적은 반극성의 LED로 공정을 진행하기에 너무 적다. 더욱이, 경사진 패싯 위에 소자 구조를 형성하는 것은 정상적인 면 위에 그런 소자들을 형성하는 것보다 상당히 더 어렵다. 본 발명은 반극성의 질화물의 평면 필름의 성장에 대한 기술을 기술하며, 여기에서 넓은 면적의 (Al, In, Ga)N이 기판 표면에 평행하다. 예를 들면, 샘플들은 반극성의 질화물의 성장을 위하여 예전에 실험된 수 마이크로미터 넓이의 면적에 비교하여 종종 10mm*10mm 또는 2 인치 직경의 기판 위에 성장된다.