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KR100496900B1 - 단결정질화갈륨기판 및 그 성장방법 및 그 제조방법 - Google Patents

단결정질화갈륨기판 및 그 성장방법 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100496900B1
KR100496900B1 KR10-2002-0057403A KR20020057403A KR100496900B1 KR 100496900 B1 KR100496900 B1 KR 100496900B1 KR 20020057403 A KR20020057403 A KR 20020057403A KR 100496900 B1 KR100496900 B1 KR 100496900B1
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single crystal
low potential
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gallium nitride
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KR10-2002-0057403A
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모토키켄사쿠
오카히사타쿠지
나카하타세이지
히로타류
우에마쯔코지
Original Assignee
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 파셋을 형성해 유지하면서 질화 갈륨을 성장시키는 파셋 성장법에서는, 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙부로부터 전위가 무럭무럭 퍼져, 면형상 결함이 방사모양으로 생성된다고 하는 결점이 있었다. 또 어디에 피트가 생기는지 제어 불가능했으므로 그 위에 디바이스를 설계할 수가 없었다. 그들의 난점을 극복하는 것을 과제로 한것이며, 그 해결수단으로서, 기초 기판의 위에 규칙 올바르고 씨 패턴을 마련해서 그 위에 파셋으로 이루어진 피트를 형성해 유지하면서 GaN를 파셋 성장시키고 파셋면으로 이루어진 피트 저부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 형성해 거기에 전위를 모아 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지 영역 Y를 저전위화한다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 닫고 있으므로, 전위를 가두고 다시 해방한다고 하는 일은 없다.

Description

단결정질화갈륨기판 및 그 성장방법 및 그 제조방법{SINGLE-CRYSTAL GaN SUBSTRATE AND ITS GROWING METHOD AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 3-5족질화물계 반도체로 이루어지는 청색 발광 다이오드(LED)나 청색 반도체 레이저(LD) 등 청색 발광소자의 기판 으로서 이용할 수 있는 단결정 질화 갈륨(GaN) 기판, 및 단결정 질화 갈륨 기판(GaN)의 성장 방법, 단결정 질화 갈륨 기판(GaN)의 제조방법에 관한 것이다.
질화물계 반도체(InGaN, GaN)를 이용한 발광소자는 청색 LED 로서 이미 실 용화되어 이용되고 있다. 그러나 넓은 면적을 가진 GaN 기판을 얻을 수가 없기 때문에, 대부분의 경우 기판으로서는 절연성의 사파이어(α-Al2O3)가 이용된다. 사파이어의 3회 대칭면의 위에 GaN나 InGaN의 박막을 헤테로 에피택셜 성장시켜서 LED구조를 제조한다. 또 SiC기판을 이용한 GaN계의 LED 도 제안되고, 일부 실용으로 도달하고 있다. 사파이어 기판 위에 제작한 GaInN계의 청색 LED는 전위 밀도가 1O9∼1010cm-2이나 있는데도 발광하고 또한 열화하지 않아 수명이 길다.
사파이어는 제조하기 용이해 입수하기 쉽고 염가이다. 화학적으로 안정적이고 물리적으로도 견고한 결정이기 때문에 발광소자의 기판으로서는 매우 적합하다. 청색LED의 기판 으로서는 실적도 있어 장래도 사파이어 기판의 이용이 계속될 것이다.
그렇지만 사파이어 기판의 발광소자에는 몇개의 결점이 있다. 벽개성을 결여하고, 절연성이라는 것이다. 벽개가 없으면 칩 잘라내기에 문제가 생긴다. 사파이어웨이퍼의 위에 웨이퍼 프로세스에 의해서 다수의 LED를 제작한 다음에 칩 마다 잘라낼 때 자연벽개를 이용할 수 없다. 칼날에 의해서 칩마다 절단(다이싱이라고 한다)하지 않으면 안 된다. 그러므로 수율이 낮고, 고비용이 된다.
절연성이기 때문에 전류를 기판에 통할 수 없다. 즉 n형 전극(캐소드)을 기판의 바닥면에 붙일 수 없다. 그래서 사파이어 기판의 위에 두꺼운 n형의 GaN층을 제작하고, 그 위에 에피택셜성장에 의해서 InGaN계의 LED 구조를 만들어, 정상부분의 p-GaN 박막으로부터 최하층의 n-GaN에 이를 때까지 일부를 에칭 제거해서 n형 부분을 드러내고 여기에 n전극(캐소드)을 붙여, 남은 부분의 정상부분 p-GaN에 p전극을 붙인다고 하는 구조로 되어 있다. n-GaN는 꽤 두꺼운 도전성의 높은 것으로 하지 않으면 안된다. 전극이 2개 모두 윗면이 되어 와이어 본딩을 2회하지 않으면 안된다. 그러한 이유로써 공정이 증가하고 제조시간도 증가한다. 또 n전극이 발광 면적을 삭감하기 때문에, 발광 면적이 좁아진다. 반대로 말하면 소정의 발광량을 얻기 위한 칩 면적은 넓은 것이 된다. 그래서 고비용이 되는 경향이 있다.
이들은 LED의 기판으로서의 결점이지만, 반도체 레이저(LD)로 하는 경우는 벽개가 없기 때문에 레이저의 공진기끝면을 벽개에 의해 제작할 수 없다고 하는 어려운 점이 있다. 공진기끝면은 연마나 에칭에 의해서 시간을 들여 형성할 필요가 있다. 또 하나의 결점은 역시 결함 밀도의 높이이다. 사파이어 기판상의 GaN은 1O9cm-2정도의 수많은 결함이 있다. LED의 경우는 그것은 문제가 되지 않고 고효율로 발광한다. LD의 경우는 전류 밀도가 현격히 높기때문에 결함을 기초로해서 열화가 개시 한다고 하는 것이 있을 수 있다. 그러한 이유로 사파이어 기판은 청색 InGaN 발광소자의 기판으로서 실적이 있지만, 더 최적의 기판이라고는 할 수 없다.
질화물계 발광소자의 기판으로서 최적한 것은 역시 GaN 단결정 기판이다. 현재까지 고품질의 GaN 단결정 기판을 제조하는 기술이 미성숙이었기 때문에 넓은 면적을 가지는 GaN 기판을 입수할 수 없었다. 만약 고품질의 GaN 기판을 제조할 수 있게 되면, 그것이 질화물계 발광소자에게 있어 최상의 기판이 될것이다. GaN단결정은 자연벽개를 가진다. 거기에 따라 칩으로의 잘라내기가 단순화 되고 정확하게 된다. LD의 공진기면을 벽개에 의해 형성할 수가 있게 된다. GaN는 n형 기판으로 하면 도전성이 있어, n형 기판의 바닥면에 n전극을 붙일수있어 소자 구조가 단순화 되고 발광 면적을 보다 크게 취할 수 있다. 또 에피택셜 박막과의 사이에 격자 정수의 어긋나는 일도 없다. 그러한 이점이 전망된다.
그러나 GaN 다결정 원료를 가열 하면 승화해 버려 GaN의 융액을 만들 수가 없다. 그러니까 가열융액을 냉각 함에 따라서 고체 결정을 제조하는 쵸크랄스키법이나, 브리지 맨법 등 통상의 열평형 아래에서의 대형 결정 제조 기술을 이용할 수 없다. 초고압을 걸면 열평형 상태를 유지 한 단결정 성장이 가능한것으로 말해지고 있다. 비록 가능해도 소형의 결정 밖에 할 수 없기 때문에 상업 베이스에 타개되는 대형 웨이퍼를 제조할 수 있을 전망은 없다.
그래서 적당한 단결정 기판의 위에 기상 성장법에 따라서 GaN의 결정을 두껍게 성장시키고 기판을 제거 함에 따라서 GaN의 단결정 자립막을 얻도록한 GaN 기판 제조 방법이 제안되었다. 박막 성장법을 확장한 기법이라고 할 수 있다. 그러나 사파이어 기판은 화학적으로 안정되게 물리적으로도 딱딱하기 때문에 GaN를 성장한 뒤 제거하지 못하고 기판으로서는 부적합하다. 최근 레이저를 이용해 사파이어 기판을 분리하는 방법도 시도되고 있지만, 대형 기판 작성의 수율은 낮다고 생각된다.
결정 성장 후 제거하기 쉽게 GaN와 서로 맞는 기판을 선택해야 할 것이다. 예를 들어 GaAs의 3회 대칭성을 가진 면(111)의 위에 GaN를 c축방향으로 기상 합성 함에 따라서 C면을 가진 두꺼운 GaN를 만든다. 기판과 GaN와는 격자 정수도 열팽창율도 다르므로, 좀처럼 잘 기판 위에 GaN는 성장하지 않는다. 비록 성장해도 내부 응력이 크게되어서 고품질의 단결정 기판이 되지 않는다. 더한층의 연구가 필요했다.
그래서 다수의 창을 가지는 마스크를 GaAs 기판에 붙여 마스크 위에서부터 GaN 를 기상 성장시키는 것에 의해 내부 응력, 결함의 적은 GaN 결정을 제조하는 가로 성장법(Lateral Overgrowth) 이라는 것을 본 발명자등은 창안 했다.
(1) 특원평9-298300호
(2) 특원평10-9008호
(3) 특원평10-102546호
(4) 특원평10-171276호
(5) 특원평10-183446호
등에서 그 기법의 내용을 명확하게 하고 있다. 예를 들면 3회 대칭성을 가진(111) GaAs 기판의 위에, 스트라이프나 원형창을 분포시킨 SiN 마스크 (예를 들면 100nm두께)를 붙인다. 마스크의 직사각형, 원형창은, 6회 대칭성을 가져 정3각형의 반복 패턴의 정3각형 정점의 위치에 합치하도록 형성한다. 그러니까 하나의 창에서부터 보면 60˚의 중심각을 이루어 6개의 최근접된 창이 있게 된다.
그 패턴에 있어서 정3각형의 변은 예를 들면 GaAs의[-110]방향혹은 [11-2]방향으로 평행이 되도록 한다. 마스크에는 GaN를 배제하는 기능이 있으며, 창의 GaAs면으로부터 GaN가 성장해, 마스크의 위에 GaN는 붙지 않는다. 처음에 저온(500℃∼600℃)에서 마스크보다 얇은(예를 들면 80nm두께) 버퍼층을 형성한다. 이것은 마스크보다 낮기 때문에 창내부에만 할 수 있는 층이다. 그것은 독립된 GaN의 핵이 고립한 창에 있어서 독립적으로 성장해 온 것이다.
그 후부터 고온에서 GaN 기상 성장을 하면, 버퍼층의 위에 GaN가 쌓인다. 이윽고 마스크와 동일한 높이가 된다. 마스크의 위에 GaN가 붙지 않았던 것이지만, 창내부로부터 GaN가 치솟았기 때문에, 그 후 GaN는 세로 방향 와 함께 옆쪽에도 마스크 위로 성장해 간다. 그러니까 창의 중심을 중심으로 하는 정6각형 추대(錐臺)의 형상을 취해서 GaN 박막이 성장해 간다. 전위는 GaN 결정안에 대량으로 포함되지만 이것은 성장 방향으로 평행하게 성장해 간다. 마스크의 에지에 있어서 성장 방향이 일시적으로 옆쪽을 항하기 때문에 전위의 연장 방향 도 일시적으로 옆쪽으로 변화한다. 정6각형추대의 형상을 유지 하면서 GaN가 성장하기 때문에 전위의 회전점은 마스크 에지로부터 당긴 밖으로 향한 경사면의 위에 줄서게 된다.
옆쪽 성장한 박막은 이윽고 인접의 창으로부터 옆쪽을 향해 성장해 온 박막과 같이 모인다. 6개의 방향으로 동등한 창이 있어서 거기로부터 동등한 속도로 옆쪽(수평) 성장해 왔기 때문에, 각각의 박막은 창을 묶는 선분의 수직2등분선에서 동시에 합체하게 된다. 그 때에 전위는 옆쪽방향으로 연장하고 있기 때문에 반평행이며 그것이 충돌한다. 충돌에 의해서 전위가 집중한다. 일부의 전위는 여기서 소멸하는 일도 있다. 전위가 일부에 고밀도로 집중 하면 그 외의 부분은 저전위가 되어, 발광소자의 기판으로서 충분히 이용 가능하다고 하는 것이 된다.
인접창으로부터 성장한 GaN 박막이 2등분선에서 만난 뒤는, 상향의 성장으로 변환되어 가고 C축으로 그렇게 성장이 된다. C면을 유지 한 성장이라고 하는 것이다. 시간을 들여 기상 성장 시켜서 상당한 두께(수백㎛)의 GaN/마스크 /Ga As의 시료를 얻는다. 마스크와 GaAs를 제거해서 GaN만의 단독의 자립막으로 하면, GaN의 기판 결정이 생긴다. GaAs는 왕수로 녹이고 취할 수가 있다. 마스크 도 간단하게 제거할 수 있다.
가로 성장법은, 전위의 연신할 방향이 2회 변화해서 전위 밀도가 거기에 따라서 저감 한다고 하는 이점이 있다. 이것에 의해서 비로소 GaN의 꽤 큰 단결정을 성장할 수 있게 되었다. 이것은 충분한 두께(1OO㎛이상)를 가지고 자립할 수 있어, 본 발명자에 의해서 비로소 얻어진 GaN 단결정의 기판이었다.
그렇지만 질화 갈륨 기판 그 자체의 품질이 고품위가 아니면, 그 위에 양호한 디바이스를 제작할 수는 없다. 특히 양산용의 기판으로서는, 넓은 범위에 걸쳐서 전위 밀도가 낮은 양질의 결정이 요구된다.
다수의 창을 가지는 마스크를 사용해 기상 성장시키는 가로 성장법에 의해서도, 전위 밀도는 1∼2×107cm-2정도나 있고해서 저전위의 것은 할 수 없다. InGaN계 LD용의 기판으로서는 아직도 불충분하다.
그래서 본 발명자는, 고품질저전위의 질화 갈륨 단결정을 얻기 위해, 결정 성장과 함께 전위 밀도를 감소시킬 수가 있는 신규 방법을 연구했다.
(6) 특개2001-102307호(특원평11-273882호)
GaAs의 위에 마스크를 사용해서 가로 성장시킬 때에, 평탄한 C면을 유지하면서 기상 성장하는 것이 아니고 요철이 풍부한 꺼칠은면(파셋면)을 유지하면서 성장시킨다. c축방향으로 C면성장시키는 것이 아니라 C면으로부터 경사진 면을 표면에 드러내면서 성장시키는 것이다. 여기에서는 파셋 성장법이라 부른다.
도 1∼도 3에 의해서 그 파셋성장법을 설명한다. GaN 결정(2)는 평탄 표면(7)이 C면이 되도록 c축 성장하고 있다. C면(7)에 대해서 경사진 면을 파셋면(6)이라 부른다. 파셋면(6)을 묻는 일 없이 파셋면(6)이 드러낸 채로 성장시킨다. 결정은 위를 향해 쌓아올릴 수 있는 것이기 때문에 파셋면(6)은 집합해서 역추형(逆錐型)의 피트(4)가 된다. 역추형의 피트(4)는 원형으로 보이지만, 실은 6각추({11-2m}혹은{1-10m})나 12각추({11-2m} 및 {1-1Om})이다(m는 정수;결정 방위에 대해서는 후에 설명한다). 도 1∼2에서는 쓰기 쉬운 역6각추 피트(4)를 나타내지만 실제로는 12각추의 쪽이 보다 빈번하게 출현한다.
그러한 피트(4)를 묻는 일 없이 성장을 지속하는 것이 파셋 성장법의 비결이다. 성장과 함께 오목한면의 파셋면(6)이 상승하기 때문에 성장 방향으로 평행하게 진행되는 전위는 파셋면에 대해서 내향을 향해 나아가, 다른방위의 파셋면의 경계선(능선 8)에 집합한다. 능선에 이른 전위는 성장의 진행과 함께 내향으로 나아가, 피트바닥에 이르러 다중점D에 집결한다. 서로 60˚의 각도를 가진 능선부에는, 많은 집결 도중의 전위가 존재하고 있다. 다중점D에 집결한 것은 선형상의 전위 집합 결함부(11)이 된다. 집합 도중의 전위군은 경계선에서 바닥면으로 꺾은 수직 평면안에 포함되게 된다. 그처럼 서로 60˚의 각도를 이루는 3매의 전위의 집중한 면을 면형상 결함(10)이라고 한다. 특히 많은 전위가 여기에 집합했을 경우 이것은 꽤 안정적인 상태가 되는 일이 있다.
이와 같이 상기의 파셋 성장은 전위를 파셋면에서 쓸어모아서 면형상 결함 및 중심의 다중점으로 쓸어 모아서 간다고 하는 작용이 있다. 결정 성장은 전체적으로는 상향(c축방향)으로 진행되지만, 전위의 다발은 3매의 경계 평면(면형상 결함 10)에 집중한다. 성장 방향은 항상 내향 경사면의 방향으로 일어나기 때문에, 최종적으로는 전위다발의 일부는 집중해서 선형상 결함의 다발(11)이 될 수도 있다.
파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥에 집중전위의 다발인 면형상 결함이나 선형상 결함을 생성하므로 나머지의 부분은 저전위가 된다. 적당한 두께까지 성장시키고나면, GaN/GaAs시료를 꺼내, GaAs기판과 마스크를 제거한다. 그러자 GaN만의 자립막이 생긴다. 그것은 투명해서 연마에 의해 평탄한 기판으로 할 수 있다. 눈으로 봐도 평탄 평활한 유리와 같은 재료이며 전위는 보이지 않는다. 특별한 에칭액으로 에칭하고 피트를 출현 시켜서 현미경 관찰 함에 따라서 전위를 볼 수가 있다. 또 재료의 차이는 형광 현미경 에 의해서도 볼 수가 있다.
기판상의 저전위 영역의 전위 밀도를 현미경 관찰 하면 무려 1O6cm-2정도이하로 감소하는 것을 알 수 있었다. 가로 성장에서는 1∼2×1O7cm-2정도의 전위 밀도가 있었기 때문에, 전위 밀도가 더 1자릿수 정도 감소한 것으로 된다. 교묘하고 유용한 발명이었다.
그렇지만 그러한 정묘한 발명에도, LD의 기판으로서 사용할 수 있는 GaN 단결정을 만든다고 하는 과제에서 본다면 문제가 있는 것을 알수 있었다.
파셋면으로 이루어지는 피트를 묻지 말고 결정 성장시키는 것에 의해, 피트의 바닥에 전위를 모으도록 하므로, 전위는 좁은 공간에 집중한다. 그러나, 완전하게 1점에 집중 된다고는 한정하지 않고, 약간 불균일하다는 문제가 있었다. 예를 들면 1OO㎛직경의 피트를 형성했을 경우, 부위에 따라서는, 피트 중앙의 수㎛의 좁은 범위에 전위가 집중한다. 그러나 그 외의 부위에 있어서는, 30㎛정도의 범위에 어렴풋이 퍼져서 전위가 존재 한다고 하는 것도 있다.
이것은 일단 집중한 전위가 다시 흐트러져서 몽롱하게 퍼진 것이다. 집중전위가 풀린다고 할 수도 있다. 몽롱하게 퍼진 전위의 줄기는, 상당한 수의 전위를 포함하는 것을 알 수 있었다. 즉 부위에 따라서 피트의 중심점을 심지로해서 구름과 같이 몽롱하게 퍼지는 전위의 줄기가 있는 경우가 있다고 하는 것이다. 몽롱함은 앞서 설명한 형광 현미경 관찰로 직접 볼 수가 있다. 도 3은 피트바닥의 전위의 집합다발(15)가 흐트러져서 전위가 주위에 퍼져 가는 상황을 설명하고 있다.
저전위 영역을 넓히기 위해서, 피트의 직경을 보다 크게 하면, 몽롱한형상의 전위의 줄기는 보다 증대하는 경향을 나타낸다. 피트직경을 크게 하면 중심의 심지에 집중되는 전위의 수가 증가하기 때문에 풀려서 성운 모양으로 되는 전위의 수나 면적 도 증가하는 것이다.
그러면 일단 응축한 전위는 심지로부터 어째서 풀려서 가는지? 풀림이 생기는 원인은 어디에 있는지? 그러한 일을 본 발명자는 고찰했다. 그것은 전위의 사이에 작용하는 척력(斥力)의 탓인것으로 본 발명자는 깨닫게 되었다.
전위라는 것은 성장과 함께 성장의 방향으로 신장해 가는 것이지만, 이합집산하는 일이 있지만 간단하게는 소멸하지 않는다. 소멸하지 않고 집중할 뿐이다. 전위는 결정의 흐트러짐이기 때문에, 전위가 평행으로 접근하면 그 사이에 결정의 부정합을 압축시키게 되어 격자의 에너지가 증대한다. 격자 에너지의 증가가 척력을 초래하는 것이다. 전위는 1차원적으로 어디까지나 신장해 가지만 서로 접근하면 격자 구조의 흐트러짐을 집중시키고 에너지를 높이므로 척력을 일으키게 되는 것일 것이다. 그러한 다이너미즘은 전위를 1O3배에도 1O4배에도 응집시켜서 비로소 나타나는 것이며 지금까지 알려지지 않았던 것이다.
1000개 혹은 10000개나 전위선을 좁은 범위에 모으면 그 들의 사이의 척력도 현저해진다. 때문에 일단 응집해도 일부에서 전위선이 풀려 나가는 것이다. 그것이 심지의 주위에 감돌아 보이는 몽롱한 성운모양 구조를 생성하는 것일 것이다.
몽롱한 전위선에서의 전위 밀도는 1O7cm-2order정도이고, 그 외의 부분을 포함한 평균의 전위 밀도(1O6cm-2order)보다도 1O배이상 크다. 몽롱한 전위선의 전위 밀도는, LD기판으로서 불충분하다. LD기판으로서 이용할 수 있기 위해서는, 역시 1O6cm-2order이하인 것이 요망된다. 풀림에 의한 몽롱한 형상전위의 문제, 이것이 제일의 문제이다.
다음의 문제는, 파셋면(6)으로 이루어지는 피트 4바닥에 전위를 집중시킬때, 피트 중앙부에 서로 60˚의 각도를 이루어 할 수 있는 면형상 결함(10)이다. 피트를 유지해서 성장시키면 전위가 파셋면의 경계에 집중해서 거기에 잔류해 가므로 면형상에 집중해 면형상 결함(10)이 되는 것이다. 피트축선에 포함되고 서로 60˚의 각도를 이루어 6회 대칭성을 가진 면형상 결함은, 전위가 평행으로 면형상으로 정렬한 것으로 전위의 덩어리라고 생각된다. 면형상 결함은, 앞서 설명한 몽롱한 형상전위와 함께, 결정 결함의 문제이다. 면형상 결함은 피트심지로부터 60˚의 각도를 이루어 방사형상으로 존재한다. 때로는 면형상 결함의 양측면에서 결정면의 어긋남을 일으키고 있을 가능성도 있다. 이들 면형상 결함의 존재는, 기판의 위에 LD소자를 제조했을 경우에, 열화의 원인이 되어 레이저의 수명을 짧게 하는 것이 예상된다. 그러므로 면형상 결함을 저감 시킬 필요가 있다.
마지막 문제는 보다 근원적이다. 그것은 피트의 분포가, 예견 불가능한 우연적 확율적인 것이다. 즉 결함의 분포가 랜덤이라는 것이다. 상술한 바와같이 파셋피트를 그대로 묻지 않고 성장시키는 것에 의해 전위를 감소시키는 상기의 파셋 성장법은 어디에 피트가 생기는지, 라고 하는 것을 미리 규정하는 일도 알 수 없다. 파셋면으로 이루어진 피트는 우연적으로 거기에 형성되는 것으로서 우연히 거기에 전위가 집중 한다고 하는 것이 된다. 전위의 다발의 분포가 확률적, 우연적인 것이 문제가 된다.
그 GaN 웨이퍼를 사용해서 웨이퍼 프로세스를 실시해 GaN-LD칩을 다수 제조했을 경우, LD의 스트라이프(활성층)가 가끔 전위다발에 걸린다고 하는 것이 있을 수 있다. 발광층에 결함의 다발이 존재하면 그 LD는 단수명이 되어 버린다. 그 부분에 스트라이프가 걸려 있는 LD칩은 미리 제거해야 한다. 그것은 레이저 제조 제품 수율을 내린다고 하는 것이 된다.
GaN기판 위에 제작되는 LD칩의 치수는 일정하게 정해지지 않지만, 예를 들면 폭400㎛, 길이600㎛로 중앙세로에 형성되는 발광층(스트라이프)이 예를 들면 2∼3㎛폭×600㎛인 것으로 한다. 웨이퍼 위에 400㎛×600㎛인것으로 직4각형 위에 LD를 제조한다고 하는 것을 생각한다. 전체 가로폭이 400㎛로 그중에 3㎛만이 스트라이프인것으로 하면, 스트라이프에 전위심지나 몽롱한 전위가 겹친다고 하는 것은 적은 것 처럼 생각될지도 모른다. 그러나 그렇지 않다. 스트라이프는 폭이야말로 좁은 것이지만, 길이는 칩 길이와 같고 게다가 직선이 아니면 안되는 것이기 때문에, 스트라이프에 전위심지(전위의 집중점)가 걸린다고 하는 것은 빈번하게 일어날 수 있는 것이다.
LD용의 기판을 제조하기 위해서는, 스트라이프가 전위심지, 몽롱한 전위에 걸리지 않게 할 수 있는 기판인 것이 필요하다. 그 때문에, 전위다발(전위심지)이 어디에 가능한지 모른다고 하는 것은 곤란하다. 그렇지 않고 전위심지의 위치 제어를 적극적으로 실시하도록 하고자 하는것이다. 전위심지가 발생하는 것은 어쩔수 없다고해도, LD를 제조 할 때에 형편상 좋게 배치되고 배치를 미리 알면 되는 것이다. 그와같이 전위심지(다발)의 위치 제어를 가능하게 하는 결정 성장 방법이 요망된다.
이상 설명한 3점이 본 발명의 과제이다. 한번 더 반복하면 다음과 같을 것이다.
(1) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부로부터의 전위의 몽롱한형상 분포의 저감.
(2) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 면형상 결함의 소멸.
(3) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 위치를 제어하는 것. 본 발명은 이들 3개의 곤란한 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
발명의 설명에 들어가기 전에 용어를 약간 설명한다. 먼저 기상 성장법이라고 하는 것이, GaN의 박막 형성법으로서 기상 성장법이 이용되지만 거기에는 HVPE법, MOCVD법, MOC법, 승화법이 있다. 이것을 기판의 제조에도 이용한다.
1. HVPE법(하이드라이드 기상 성장법;Hydride Vapor Phase Epitaxy)
Ga원료로서 금속Ga를 사용한다. 질소 원료는 암모니아 NH3이다. 핫 월형의 반응로의 아래 쪽의 서스셉터에 기판을 두어 위 쪽의 보트에 Ga금속을 넣고 가열해 둔다. 거기에 수소 가스+HC1가스를 내뿜어, 염화 갈륨 GaC1를 생성한다. 이것이 수소 가스에 타고 아래 쪽으로 드리프트 해 가열된 기판에 닿는다. 기판의 근방에는 수소가스+암모니아가스가 공급되어 있어 GaC1와 암모니아가 반응해 GaN를 합성해 가열된 기판의 위에 쌓아올려진다. 원료가 Ga금속이며 GaC1를 만들기 때문에 GaN 박막에 탄소가 들어가지 않는다고 하는 이점이 있다.
2. MOCVD법(유기금속CVD; Metal1organic Chemical Vapor Deposition)
이것은 GaN 박막 성장법 으로서 가장 보통으로 이용되고 있는 방법이다. 콜드 월형의 반응로에 있어서,℃MG(트리 메틸 갈륨)등의 Ga의 유기금속원료와, 암모니아 NH3를 수소 가스(H2)와 함께, 가열한 기판에 내뿜는다. 갈륨 원료로서 유기금속을 이용하는 것은 GaN 이외의 갈륨 화합물의 박막 형성에서 빈번하게 행해지는 것이다. 가열 기판상에서℃MG와 암모니아가 반응해서, GaN가 합성되고 이것이 퇴적되어 박막이 형성된다. 이 방법은 박막 형성 기법으로서는 실적이 있는 것이다. 그러나 박막이 아니고 두꺼운 기판 결정을 제작하려고 하면 문제가 있다. 이 방법은 대량의 가스를 이용하기 때문에 원료 가스수율이 낮다. 박막에서는 문제가 없지만 기판 형성의 경우수율의 낮음은 결점이 된다. 또 하나의 문제는 원료가 유기물을 함유하여 탄소가 존재하기 때문에 GaN를 형성했을 경우에 그 속에 탄소가 혼입 한다고 하는 일이 있다. 탄소는 깊은 도너가 되어 전자 이동도를 인하하여 전기 특성을 악화시키는 경우가 있다.
3. MOC법(유기금속 염화물 기상 성장법;Metal1organic Chloride Method)
Ga원료로서℃MG 등 유기 금속 화합물을 이용해, 질소 원료로서 암모니아를 사용한다. MOCVD법과 달라 직접℃MG와 암모니아를 화합시키는 것은 아니다. 핫 월형의 반응로에서℃MG를 HC1(염화 수소)가스를 반응시키고 일단 GaC1를 합성한다. 이것은 기체의 상태에서 가열된 기판까지 흘러 간다. 암모니아는 기판 근처에 공급되고 있기 때문에, 암모니아와 GaCl이 기판 근방에서 반응해서 GaN가 되어 기판의 위에 축차적으로 퇴적해 간다. 유기금속을 사용하기때문에 박막에의 탄소의 혼입이 생긴다고 하는 결점도 있다. 그러나, MOCVD 보다도 원료 가스수율이 높다.
4. 승화법
이것은 원료로서 가스를 이용하지 않는다. 다결정의 GaN을 원료로 하는 것이다. 반응로안에서 고체 GaN과 기판을 다른 장소에 있어서 온도 구배를 설정하고, 고체GaN을 가열해서 기화하고, 보다 온도가 낮은 기판에 이동시켜서 기판의 위에 GaN박막을 퇴적시키는 것이다.
다음에 결정 방위에 대해서 설명한다. 이러한 일은 그분야의 상식과 같이 보이지만 반드시 주지되어 있지 않다. 혼란도 있어, 독자에게 있어서는 공간 기하학적인 설명을 이해할 수 없다고 하는 일도 있다. 이후 결정 방위에 의해 본 발명의 구조를 설명하므로 방위의 정의는 명확하게 해야 한다. GaN는 6방정계에 속한다. 그 경우면이나 방위를 나타내는 지수는 3개 사용하는 것과 4개 사용하는 것이 있다. 4개 사용하는 방법을 여기에서는 채용한다. 그에 대해 표현 방법을 설명한다.
결정면과, 결정 방위의 표현에 관해서 몇개인가의 약속한 사실이 있다. 면방위를 표현하는 총괄표현은, {hkmn}와 같이 물결 괄호{}를 사용한다. h, k, m, n는 면지수(혹은 밀러 지수)라고 불러 반드시 정수이다. 개별면방위의 표현은 환괄호()를 사용해(hkmn)와 같이 표현한다. 결정 방위의 총괄 표현은, 열쇠 괄호<>를 사용해서, <hkmn>라고 표현한다. 결정 방위의 개별 표현은 네모진괄호[]을 사용해서, [hkmn]와 같이 표현한다. 동일한 면지수를 가진 결정면과, 결정 방위는 직교한다. 즉(hkmn)에 직교 하는 방향이[khmn]이다.
그 결정이 속하는 대칭군에 의해서 허용되는 대칭 조작이 정해진다. 대칭 변환 조작에 의해 원래대로 돌아가는 경우, 그들의 면이나 방위는 동일한 총괄 표현에 의해 표현된다. 6방정계의 경우, 처음의 3개의 지수에 관해서는 3회 회전 조작이 허용되므로, h, k, m를 서로 바꿔 넣는 대칭 조작은 동등한 것인다. 그러나 c축의 지수 n는 독특한 것으로 이들의 3개의 지수와는 상호 변환할 수 없다. 총괄 표현으로{hkmn}라고 하는 총괄면은 하나의 개별면(hkmn)으로부터 출발해서 모든 허용되는 대칭 조작에 의해서 도달할 수 있는 모든 개별면을 포함한다. 6방정계라고 해도 허용되는 대칭 조작은 결정에 의해서 또한 몇개의 종류가 있으며, 일률적으로 어떤 것이 총괄 표현에 포함된다고 하는 것은 말할 수 없다.
GaN결정에는 3회 대칭성이 있다. 그러므로(hkmn), (kmhn), (mhkn), (hmkn), (khmn), (mkhn)는 총괄 표현{hkmn}에 포함되는 6개의 개별면이다. 반대로 총괄 표현{hkmn}, {kmhn}, {m hkn}, {hmkn}, {khmn}, {mkhn}의 6개는 동등한 표현이다. 면지수는 정수 로서, 부의 수에는 상선을 붙이는 것이 습관이지만, 명세서에서는 상선을 붙일 수가 없기 때문에, 앞에 마이너스의 부호를 부가하기로 한다. 다만 면지수의 사이에는 콤마를 붙이지 않기 때문에 면지수인지, 좌표인지는 간단하게 구별이 된다.
GaN는 6방정계로 3회 대칭성이 있는 3개의 축이 있다. 그 안의 2개를 a축, b축이라고 한다. 3축째에는 명칭이 없기 때문에 그러면 불편하기 때문에 d축으로 한다. 즉 abd축이 120°의 중심각을 이루어 형성된다. 그들 3축이 포함한 면에 직교하는 축이 c축이다. c축은 6방정계에 있어서 독특한 축이며, abd축간의 대칭성을 가지지 않는다. 결정면이라고 하는 것은 동일한 방향을 향한 서로 평행한 무수한 면의 집합이다. 결정면의 방위는, 1매째의 결정면이 각각의 축을 자르는 접편의 길이를 축의 길이로 나눈 값의 역수이다. 즉 a축을 a/h로 잘라, b축을 b/k로 잘라, d축을 d/m로 잘라, c축을 c/n로 자르는 경우에 그 면지수를(hkmn)이라고 표현한다.
그러므로 면지수가 작을수록 기본적인 면이며, 면의 수도 적은 것이다. 결정 방위[hkmn]는 면(khmn)에 직교 할 방향으로서 정의된다. 4개의 지수중앞의 3개의 지수 h, k, m는 독립이 아니다. 2차원이니까 2개의 지수로 표현할 수가 있고 실제로 2개의 지수로 표현하는 방법도 있다. 그러나 여기에서는 대칭성을 보기 쉽게 하기 위하여, 4개의 지수를 이용하고 있다. 그러므로 h, k, m는 일차 종속이지만, 그 사이에는 보기 쉬운 샘룰 h+k+m=O이 항상 성립되고 있다.
GaN의 경우 대표적인 면이 3개 존재한다. 1개는 C면이다. 이것은(0001) 면과 같이 표현할 수가 있다. 즉 c축에 직교하는 면이다. 면과 축은 서로 직교하지만, 이후면은 대문자이고, 축은 소문자로 표현해서 구별하기로 한다. GaN는 c축을 중심으로한 3회 대칭성을 가진다. 즉 120°의 회전에 의해서 원래대로 돌아가게되는 대칭성을 가진다. 이종의 기판의 위에 GaN를 결정 성장시키는 경우는, 반드시 c축방향의 성장을 행한다. GaAs기판이나 사파이어 기판의 위에 헤테로에피택셜 성장했을 경우는 반드시 c축방향의 성장이 된다. GaN는 반전 대칭성이 없다. 그러므로 (0001) 면과 (000-1)면은 상위한 면이다.
2번면의 대표적인 면은 M면이라고 한다. 그것은 벽개면이다. 대칭 3축(a, b, d) 중 하나의 축 선단을 통하고, 다른 2개의 어느 쪽인가의 축과 c축으로 평행한 면이다. 포괄 표현{1-100}, {01-10}, {-1010}, {-1100}, {0-110}, {10-10}나 개별 표현(1-100), (01-10), (-1010), (-1100), (0-110), (10-10)등에 의해서 표현할 수가 있다. 포괄 표현은 모두 등가이지만, 개별 표현은 다른 면을 의미하고 있다. 다른 면은 서로 60°의 각도를 이룬다. 90°의 각도가 아니어서 60°인 것에 주의해야 한다. M면이라고 하는 표현은 통칭으로서, GaN의 대표 방위를 표현하는데 편리하다.
3번째에 대표적인 면은 A면이라고 한다. 대칭 3축(a, b, d) 중 2축의 선단을 잇고 c축에 평행한 면이다. 포괄 표현{2-1-10}, {-12-10}, {-1-120}, {-2110}, {1-210}, {11-20}이나, 개별 표현(2-1-10), (-12-10), (-1-120), (-2110), (1-210), (11-20) 등에 의해서 표현할 수 있다. 상기의 포괄 표현{‥·}은 등가인 것을 의미하지만, 개별 표현 (‥·)는 다른 면을 표시한다.
GaN는 6회 대칭성은 없기 때문에, 위의 개별의 면은 2개의 종류의 면을 표시한다. 각각의 개별면은 서로 60°의 각도를 이룬다. 90°가 아닌 것에 주의해야 한다. 이 면을 A면이라고 하는 것은 통칭이다. 편리한 표현이다. a축과는 구별해야 하는 것이다. A면과 동일한 면지수를 가진 방위<2-1-10>은, A면에 직교 하는 방위이다. 그것은 M면의 어느 하나가와 평행이다. a방위라고 부를 수 있겠으나 그렇게는 말하지 않는다. M면과 동일한 면지수를 가진 방위<1-100>는 M면에 직교하는 방위이지만, A면과 평행이다. 이것을 m방위라고 부를 수가 있지만 그처럼 말하지 않는 것 같다. 그와같이 GaN는 3개의 대표적인 면, C면, A면, M면을 가진다.
뒤에 나오는 파셋면이라고 하는 것은, A면이나 M면을 c축방향으로 약간 기울인 것으로 구성된다. 그러므로 예를 들면, A면으로부터 파생한 파셋{2-1-11}, {2-1-12}이나, M면으로부터 파생한 파셋{1-101}, {1-10 2}등이다. 등가의 6면이 집합해서 피트를 구성한다. 6각추형의 피트라고 하는 것은, A면으로부터 파생한 파셋{2-1-11}, {2-1-12}로 이루어지거나, M면으로부터 파생한 파셋{1-101}, {1-102}로 이루어지는 것이다. A면 도 M면의 60°의 각도를 이루어 6개 존재하기 때문에 구멍이 되었을 경우는 6각추형상의 피트가 된다. 그 외에 12각추형상의 피트도 형성되지만, 그것은, A면 파셋{2-1-11}, {2-1-12}와 M면 파셋{1-101}, {1-102}가 조합 되므로 12각형이 되는 것이다. 12각형의 경우 이들의 면이 약간 어긋난 면이 되어 있는 경우도 볼 수 있다.
4번째의 지수 n는 상기의 파셋에서는 1이나 2가 되어 있다. 그러한 저면지수의 것이 출현하는 것이 많기 때문에, 이들에 대해서 설명한다. 예를 들면 A면{2-1-10}을 c축에 대해서 약간 기울이면 {2-1-11}면이 된다. 더 기울이면 {2-1-12}가 된다. 4번째의 지수 n의 값이 크면 c축에 대한 경사도 크게 된다. 즉 수평에 가까워진다. n에 대해서 그 이상의 고차적인 지수의 파셋면이 출현하는 일도 있지만, 대체로는 n=1이나 2정도이다.
이후에 2단 겹침의 파셋라고 하는 개념이 나온다. 피트를 구성하는 파셋과 그것보다 얕은 파셋이라는 2종류의 파셋이 등장한다. 문맥을 혼란시키고 싶지 않기 때문에, 여기서 그것을 미리 설명한다. 얕다고 하는 것은보다 수평에 C면에 가깝다고 하는 것이다. 즉 c축방향의 밀러 지수 n가 크다고 하는 것이다.
통상 피트 둘레에 출현하는 파셋이 {11-22}, {1-101}이면 나중에 설명한다. a축길이를 a로서 c축길이를 c로 표현하면, {1-1O1}면의 C면에 대한 기울기각은, tan-1(31/2a/2c)이다. {11-22}면의 C면에 대한 기울기각은, tan-1(a/c)이다.
보다 얕은 파셋라고 하면 {11-23}, {1-102}, {11-24}, {1-103}등 n가 큰 것을 말한다. {1-10n}(n≥2)의 C면에 대한 기울기는 tan-1(31/2a/2cn)이다. n가 2보다 크면 이 값은 n=1의 값보다 작아진다. {11-2n}(n≥3) 면의 C면에 대한 기울기각은,tna-1(2a/nc)이다. n가 3보다 크면 이 값은 n=2의 값보다 작아진다. 그러므로 이러한 높은 n의 것을 얕은 파셋이라고 표현하고 있다.
GaN는 6방정계이며 우르트광형이다. 정6각형의 6정점과 중심으로 Ga원자가 존재하는 저면과, 정6각형의 6정점과 중심으로 Ga원자가 존재하는 윗면과, 저면과 윗면의 중간보다 약간 아래에 있어서 정6각형의 6정점과 중심으로 N원자가 존재하는 하부 중간면과, 그 약간 위에 3개의 Ga원자가 존재하는 중간면과 그 위에 3개의 N원자가 존재하는 상부중간면이 있다. 3회 대칭성은 있지만, 반전 대칭성은 없다. 6회 대칭성도 없다.
기초 기판으로서 사파이어, Si, GaAs등을 이용한다. 사파이어(α-Al2O3)는 3방정계이지만, 대칭성이 나빠서 3회 대칭성은 없다. 반전 대칭성도 없다. 대칭성이 나쁘기 때문에 벽개도 없다.
Si는 6방정계가 아니고 입방정계이며 다이아몬드 구조를 취한다. 그러므로 밀러 지수는 3개이다. 3지수에 의해서 면방위(khm)를 완전하게 기술할 수 있다. 3지수는 독립으로 상술한 샘룰은 없고, k+h+m≠O이다. 3회 대칭축은 대각선의 방향이다. 그것은(111) 면이라 쓰게 된다. 통상의 Si디바이스의 경우(001) 면을 사용하지만, 그것은 3회 대칭성이 없다. 여기에서는 3회 대칭이 필요하기 때문에 Si의 경우는(111) 면을 사용한다.
GaAs도 6방정계가 아니고 입방정계이며 섬아연광(ZnS;ZincB1ende) 구조를 취한다. 그러므로 밀러 지수는 3개이다. 3지수에 의해서 면방위를 완전하게 기술할 수 있다. 3회 대칭축은 대각선의 방향이다. 그것은 (111)면이라 쓰게된다. 통상의 GaAs 디바이스의 경우벽개의 관계로부터 (001)면을 사용하지만, 그것은 3회 대칭성이 없다. 여기에서는 3회 대칭이 필요하기 때문에 GaAs의 경우 도 (111)면을 사용한다. GaAs는 반전 대칭이 없고 (111)면이라고 해도 2종류가 있다. 즉 As가 외부에 나오는 (111)면과, Ga가 외부에 나오는 (111)면이다. 필요가 있으면 (111)As면이라든지, (111)Ga면이라든가 말해 구별한다.
평탄한 C면을 유지하지 않고, 파셋면을 유지 하면서 GaN를 성장시키는 것에 의해 전위를 피트 저부에 수속 시키고 나머지의 부분을 저전위화 시키는 본 발명자의 창안한 방법은 훌륭한 것이지만, 아직도 문제가 있어 3개의 과제가 있는 것을 설명했다.
(1) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부로부터의 전위의 몽롱한형상 분포를 저감 하는 것.
(2) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 면형상 결함을 소멸시키는 것.
(3) 파셋면 으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 위치를 제어하는 것.
모두 해결 곤란한 과제이다. 이들의 문제에 대해 설명한다.
파셋형상 피트를 형성 유지하면서 결정 성장시키는 본 발명자의 상술한 소원의 최대의 문제는 전위의 집합 상태인 것으로 생각된다. 도 3(1), (2)는 상술한 소원에 있어서의 피트에서의 전위의 집합을 나타낸다. GaN결정(12)의 어딘가 일부에 파셋(16)으로 이루어지는 피트(14)가 발생한다. 피트(14)의 생성 위치는 미리 부여할 수가 없다. 우연적인 것이다. 평탄면(17)이 C면방향으로 성장하면 파셋면(1)도 상승해 전위(15)가 피트(14)의 바닥에 모인다. 도 3(2)에 표시한 바와 같이, 그것은 전위군(15)가 일시적으로 피트바닥에 있는 것뿐이고 전위 자체는 뿔뿔이 흩어져있고 개방되어 있어 재차 퍼질 가능성도 있다.
파셋면으로 이루어지는 피트부에 있어서, 파셋면에서의 전위의 전파방향의 이방성을 이용해 수많은 전위를 피트 중앙에 모아 올 때, 그 전위의 집합 상태가 문제가 된다. 전위를 피트 중앙에 집중시킬 수 있지만 전위는 고밀도로 집중한 상태로 있어 소멸하고 있지 않고 피트는 개방되고 있기 때문에 다양한 문제를 발생한다.
본 발명자의 방법은, 파셋 성장의 피트가 형상을 유지한 채로 성장하는 것을 이용해서, 많이 존재하는 전위를, 피트 중앙에 집중시키는 것이지만, 고밀도의 전위의 집합이 새로운 문제를 일으킨다.
경우에 따라, 역방향의 바가스벡터을 가지고 전위끼리는 충돌해서 소멸할 가능성은 있을것이다. 그러나 하나의 파셋면에 의해 스캐닝되어 집합한 전위는 동일부호의 전위가 많은 것이라고 생각된다. 그러므로 집합한 전위가 다른부호로서 서로 소멸한다고 하는 것은 거의 일어나지 않을 것이라고 생각된다. 동일부호의 전위의 집합의 경우, 전위는 소멸하지 않고 언제까지나 잔류한다. 다만 집중시키기 때문에 나머지의 부분이 저전위화한다고 하는 이점이 있다.
그러나 동부호의 전위가 온화하게 선, 면에 집중해 준다면 좋은 것이지만 실은 그렇지 않다. 상술한바와 같이 전위 집중 부분으로부터 몽롱한 전위의 확산이 보여진다. 그것은 어째서 발생하는 것인가? 또, 그 이유를 생각하면, 동부호의 전위가 집중하면 전위간에 척력이 발생하기 때문인 것으로 생각된다.
격자의 어긋남이 연속한 것이 전위이다. 엇긋남의 방향으로 동일한 전위(동일부호)가 집중 하면 엇긋남의 방향이 배가 되기 때문에 격자 역학적인 에너지가 증가한다. 그 때문에 에너지를 저하시킬 필요가 있어 그것이 척력이 된다. 전위 끼리에게 작용하는 척력때문에 전위의 집중체의 일부로부터 전위가 풀려서 몽롱한 전위의 확대가 된다. 모처럼 집중시켰는데 전위가 일부 풀려서 확산하는 것은 곤란하다.
거기에 피트가 합체해서 전위군이 흐트러지거나, 전위군의 합류에 의해서, 전위가 농축해 전위 밀도가 더욱 상승한다. 그 때문에 더욱 몽롱한 형상의 전위가 퍼져 간다고 하는 일도 있을것이다. 이것이 상기의(1)의 전위 몽롱한 분포의 문제이다.
또 상황에 따라서는, 파셋로 이루어지는 피치 중앙에, 전위가 집합해 갈때 중앙으로부터 약 60°의 중심각을 이루어 방사형상으로 전위의 면형상 집합체가 형성되는 일도 있다. 도 1(b)의 면형상 결함(10)이다. 이것은 전위가 60°의 각도를 가지고 집합하기 때문이다. 동일부호의 전위가 집합했을 경우, 전위끼리에척력이 작용하여 중앙에 집중하지 못하고, 방사형상의 면형상 결함(10)에 전위가 집중 한다고 하는 일도 있다. 그것이 면형상 결함을 보다 강고한 것으로 한다.
또 복수 피트가 합체 해 피트가 대형화했을 경우, 피트 중앙 를 향해서 집합하는 전위의 수도 증대 하고, 거기에 부수 하는 면형상 결함이 보다 대면적화한다.
또한 파셋의 발생하는 위치는, 자연현상에 맡긴채로 있기 때문에 불규칙하다. 피트 위치는 우연적이고 미리 결정할 수 없다. 제어 불가능하다. 피트위치가 불규칙, 무한정, 랜덤이기 때문에, 몽롱한 형상의 전위군의 면적이 증대해 왔을 경우, 기판에 디바이스를 제작 할 때의 방해가 된다. 디바이스의 품질, 수율을 떨어뜨리게 된다.
이들의 과제를 해결하기 위해서는, 파셋면으로 이루어지는 피트를 유지해서 성장시키고 전위를 피트 중앙에 집합했을 때, 전위가 집합부에 체류하는 것만으로 수속하지 않는다고 하는 것이 문제라면 본 발명자는 생각하게된다(도 3(2)의 전위군 15).
집합부에서의 전위군은, 전위의 집합부에 만일 전위의 소멸 기구, 축적 기구가 있으면 그것이 고정되어서 재확산이 발생하지않고 유효하다는 것으로 본 발명자는 생각했다.
만일 전위의 소멸 기구 또는 축적 기구가 결정중에 있으면, 전위가 좁은 영역에 집중해도 전위를 소멸시키거나 축적시키거나 할 수 있으므로, 전위가 흐트러지거나 면형상 결함을 만들지 않게 될것이다, 라고 본 발명자는 생각했다.
전위의 소멸·축적 기구 로서 무엇을 이용할까? 그것이 문제이다. 본 발명자는, 단결정중에 고의로 입계(粒界)등의 결함을 형성해 결함면에 의해서 전위를 소멸 혹은 축적시키도록 했다. 결정입계등의 결함을 적극적으로 만들어, 이것에 의해 전위를 안정되게 축적하거나 소멸시키도록 했던 것이다. 그것이 본 발명의 제1의 신규의 착상이다.
본 발명은, 새롭게 결정입계를 만들어, 그것을 유효 이용하려고 하는 것이다. 도 4는 그것을 도시한 것이다. GaN 결정(22)에는 파셋면(26)을 가지는 피트(24)가 생성되고 있다. 성장과 함께 전위는 파셋면을 개재하여 C면에 평행으로 이동해 피트(24)의 바닥부(29)에 이른다. 그 후의 전위의 연장 방향은 성장 방향(c축방향)으로 평행하다. 피트 바닥부(29)에 계속해서 닫은 결함 집합 영역(25)를 만들고 있다. 닫은 결함 집합 영역(25)가 상기의 전위를 흡수한다. 전위는 소멸하거나 혹은 닫은 결함 집합 영역(25)에 축적된다.
일단 축적되면 다시 외부로 나아가기 어렵다. 그러므로 그 의미에 있어서도 「닫았다」라고 할 수가 있다. 닫고 있는 것은 결함 집합 영역(25)의 밖을 둘러싸는 결정입계 K이다. 이것이 결함 집합 영역(25)를 봉쇄한다. 전위가 포획되면 이미 재확산하기 어렵다.
그러면 결함 집합 영역(25)를 폐쇄하는 결정입계 K를 만들려면 어떻게 하는지? 파셋을 유지하면서 파셋 성장시키면, 파셋으로 이루어지는 피트의 중앙부 바닥에 전위가 집중하는 것은 이미 말한 대로이다. 이 피트의 중앙부에, 주위의 단결정과 다른 결정을 형성 함에 따라서 그 들의 경계에 결정입계를 생성할 수가 있다. 둘레의 단결정과 상위한 다른결정을 만들면 되기때문에, 그것은 방위가 상위한 단결정이어도 되고, 방위를 일의적으로 정의할 수 없는 다결정으로서도 된다. 어쨌든 둘레의 단결정은 똑같은 방위를 가지고있고 전체로 단결정인 것이기 때문에, 그것과 상위하게 되는 다른 결정체를 피트 중앙부에 형성하면 그들 이질인 결정의 사이에 결정입계가 생길 것이다. 처음에 다결정을 피트 중앙부에 형성하는 경우를 설명한다.
구체적으로는, 피트 중앙부에 다결정 영역을 형성한다. 둘레의 단결정 영역과, 피트바닥의 좁은 부분의 다결정 영역의 사이에, 결정입계 K가 발생한다. 그 결정입계 K를 전위의 소멸·축적 장소로 한다. 전위를 줄이는 것이 목적임에도, 전위를 다수 포함한 결정입계를 새롭게 생성해서 그것을 반대로 유효하게 이용한다고 하는 것이다. 물론 이들의 결정입계 뿐만 아니라, 결정입계에서 둘러싸인, 내부의 영역 도, 전위의 축적 장소로 할 수 있다. 매우 의표를 부여한 착상이며 참신하다.
그처럼 본 발명은, 전위의 싱크(흡입)를 형성 함에 따라서, 몽롱한 형상의 분포의 성장을 막아 일부 소멸시킬 수가 있다. 또 피트 중앙부로부터 퍼지는 면형상 결함의 저감 소멸을 촉진할 수가 있다.
더 연구를 거듭하면, 이러한 전위에 소멸·축적 장소로서 기능하는 영역은, 다결정에 한정하는 것은 아니라는 것을 발견했다. 피트 저부에 계속해서 단결정 영역을 생성해도 그것이 다른 단결정과 결정 방위가 다른 것이라면, 그 사이에 결정입계 K가 생기기 때문에 결정입계 K가 전위의 소멸·축적 장소가 된다. 예를 들면, c축이 반전한, 즉 Ga면과 질소면이 역전한 반전층이 되고 있는 경우도 포함한다. 여기서 반전상(相)이란, GaN 결정의 소정의 영역 에 있어서, 그 이외의 영역과 GaN 결정의<0001>방향만이 180°역전하고, 극성(polarity)이 반전하고 있는 것이다. GaN 결정의(0001)면은, 표면이 Ga원자면이 되고 있지만, (000-1)면은, 질소 원자면이 되고 있다.
또한, 단결정으로서, 다른 영역의 단결정과 방위가 동일해도 면결함으로 둘러싸여 작은 경사각입계에서 둘러싸여 있는 경우는, 그 작은 경사각 결정입계 K가, 전위의 소멸·축적 장소가 되는 것을 알 수 있었다. 즉 피트 중앙부 저부에 계속되는 영역으로서,
A. 다결정 영역
B. 둘레의 단결정과 방위가 다른 단결정 영역
C. 둘레의 단결정과 방위가 동일하지만 작은 경사각의 입자경계에서 둘러싸인 단결정 영역
이면, 그 들의 영역과 둘레의 영역의 사이에 결정입계 K가 생기기 때문에, 결정입계 K가 전위의 소멸·축적작용을 가지는 것이다. 전위를 소멸시킬수 있으면 효과적이지만, 축적 시켜서 해방시키지 않는다고 하는 것만으로도 효과가 있다. 그러한 결정심지가 되는 부분은 모두 결정 결함을 내장하고 있고, 게다가 결정입계에서 포위되고 있기 때문에, 「닫혀진 결함 집합 영역」이라고 부를 수가 있다. 그러한 부분 구조 자체가 신규인 것이다.
닫혀진 결함 집합 영역에서는 장황한것이므로 , 폐쇄 결함 집합 영역 H라고 부르기로 하자. 이것은 파셋 성장에 있어서 파셋면의 집합인 피트의 저부에 생성되어 둘레의 단결정과 무엇인가의 다른 결정성을 가진 심지 S가 있으며 그 표면이 결정입계 K에 의해 포위되고 있다고 하는 영역을 의미한다. 즉 심지 S가 A, B, C의 어느 하나가로서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 심지 S와 결정입계 K로 이루어진다. 상징적으로 말하면,
H=S+K
K=A, B, 또는 C
라고 하는 것이다. K는 결정입계이지만 전위를 소멸·축적할 수가 있다. 심지 S는, K의 내부에 있고, 주위의 단결정과는 무엇인가의 차이점 있는 결정성을 갖고, 파셋 성장에 있어서 피트의 저부에 생성되는 것이다. 그것들 2개의 성분을 포함해서 폐쇄 결함 집합 영역 H라고 부르는 것이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H안에 피트의 최심부가 있고, 여기에는, 전위의 집합부가 생기고 있다. 위의 설명에서는, 결정입계 K만이 전위의 소멸·축적작용이 있는 것처럼 생각되지만, 그 뿐만 아니라, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부의 심지 S에도 전위의 소멸·축적작용이 있다. K와 S의 양쪽 모두에 전위의 소멸·축적작용이 있다.
본 발명자의 앞서의 출원(특개2001-102307호)에 있어서는 피트가 어디에 할 수 있는지는 미리 지정할 수가 없다. 그렇다면 피트 저부에 연속해서 발생하는 폐쇄 결함 집합 영역 H도 어디에 할 수 있는지를 미리 결정할 수가 없다. 그러나 피트의 중앙에 폐쇄 결함 집합 영역이 생긴다고 하는 상관을 알 수 있었던 것에는 의미가 있다. 또한 발명자는 연구를 진행시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H를 미리 부여할수 있다고 하는 것을 발견했다.
이야기가 거꾸로 되지만, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위치를 어떠한 수단에 의해 미리 부여할 수 있으면 피트의 출현하는 장소가 정해진다고 하는 것이 된다. 이들의 점에 여러가지 비약이 있으므로 충분히 주의해야 한다.
폐쇄 결함 집합 영역 H를 결정하는 수단은 후에 자세하게 설명한다. 간단하게 말하면 기초 기판의 폐쇄 결함 집합 영역이 생겼으면 좋은 위치에 「씨(種)」라는 것을 규칙적으로 배치한다고 하는 것이다. 그 위에서 GaN를 성장시키면, 씨에 계속되어 피트가 생성되고 피트에 계속해서 폐쇄 결함 집합 영역이 생기는 것이다.
만일 폐쇄 결함 집합 영역 H가 정해지면, 이 영역은 다른 C면의 성장과 비교해서 성장 속도가 늦기 때문에, 다른 C면 성장하는 부분에 비교해서 낮은 오목한 부분(피트)이 된다. 오목하게 되면 그 주위는 안정적인 낮은 다음의 면지수를 가진 파셋면으로 둘러싸인다. 성장과 함께 파셋면이 크게 성장해, 그것이 피트가 된다. 피트는 소멸하는 일 없이 파셋 성장동안 유지되기 때문에 피트에 계속해서 폐쇄 결함 집합 영역 H가 연속적으로 생성된다. 세로 방향으로 성장하기 때문에, 처음에 결정한 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위치로부터 위가 모두 폐쇄 결함 집합 영역이 된다. 그러한 기법에 따라 피트 위치를 제어할 수가 있게 된다. 임의의 위치에 폐쇄 결함 집합 영역을 만들 수 있다. 그것도 본 발명의 현저한 특징의 하나이다.
또 하나의 폐쇄 결함 집합 영역 생성의 메카니즘이 있다. 피트는 파셋면 으로 이루어지지만, 그 저부에는 보다 얕은 경사진(c축면지수의 n가 크다)다른 파셋면이 형성되기 쉽고 (도 5(b)의 것(3)에 표시함), 각도가 얕은 파셋면이 피트의 바닥에 형성되어 이중의 파셋면구조가 된다. 이것이 피트 중심을 고정한다. 얕은 파셋면에 계속해서 폐쇄 결함 집합 영역 H가 생성된다. 자세한 것은 후술 하지만, 폐쇄 결함 집합 영역 H가, 둘레에 대해서 GaN 결정의<0001>방향만이 180°역전한 c축방향의 반전상 으로 이루어지는 경우, 이 현상이 명확하게 나타난다.
폐쇄 결함 집합 영역의 생성에 대해서는, 다음과 같이 생각된다. 씨의 위에 다결정이 형성되었을 경우, 폐쇄 결함 집합 영역은 다결정이 되어, 다른 단결정 부분과 명확하게 구별된다. 경계에는 결정입계 K가 발생한다.
그러나 폐쇄 결함 집합 영역은 다결정 뿐만이 아니라, 단결정의 경우도 있다. 단결정이지만 주위의 단결정 부분과 결정 방위가 상위하다. 상위한 방향은 다양하다. 뒤에 이것도 자세하게 설명한다. 어째서 결정 방위가 상위한지? 그것은 피트 저부에 작은 경사진 파셋(n가 크다)이 발생하고 그것을 1면으로 하게되는 폐쇄 결함 집합 영역이 형성되므로, 폐쇄 결함 집합 영역이 단결정이라고해도 다른 단결정 부분과 결정 방위가 상위한 것이다. 결정 방위가 상위하기 때문에, 폐쇄 결함 집합 영역과 다른 단결정 부분의 경계에는 반드시 결정입계 K가 생긴다. 결정입계 K에 의해 폐쇄 결함 집합 영역의 심지 S가 완전하게 밀봉 방위되고 폐쇄된결함의 집합을 만든다. 그것이 폐쇄 결함 집합 영역 H이다.
이와 같이, H=S+K가 되는 폐쇄 결함 집합 영역을 만들어 GaN를 파셋 성장시키는 방법은, 앞서 설명한 3개의 문제를 모두 해결할 수가 있다. 피트 중앙으로부터 확산하는 몽롱한 형상의 전위는, 상술한 결정입계 K에 의해 흡수 축적되고 풀 수 없기 때문에 외부에 이제와서는 나가지 않는다. 피트 중앙부 저부로부터 발생한 60°를 이루는 면형상 결함은 결정입계 K에 의해 끌어 들일 수 있고 그 중에 축적되고 외부에 나오지 않는다.
또한 피트 중심 위치가 정해지지 않기 때문에 LD를 만들었을 때에 활성층(스트라이프)가 피트과 겹쳐지는 일이 있다고 하는 우연성의 문제는, 적극적으로 폐쇄 결함 집합 영역 즉 피트를 할 수 있는 위치를 미리 결정하는 것에 의해 해결할 수 있다. 그러한 피트 위치를 예정할 수 있다고 하는 것이 본 발명에서는 가장 유용한 이점이라고도 말할 수 있다.
이상 본 발명의 원리를 설명했다. 본 발명에 의해 상기의 3개의 문제점(피트 중앙의 몽롱한 전위, 면형상 결함, 위치 제어의 곤란)을 해결할 수 있다고 하는 일도 설명했다. 이하에 본 발명의 더욱 구체적인 태양에 대해서보다 상세히 설명한다.
[발명의 실시의 형태]
본 발명의 실시의 형태에 대해 설명한다. 본 발명의 기본 원리는 다음과 같은 것이다.
파셋면으로 이루어지는 피트가 항상 표면에 존재하고 결함의 집합인 폐쇄 결함 집합 영역 H가 내부에 존재하도록 질화 갈륨을 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z와의 경계면인 결정입계 K를 전위의 소멸장소, 축적 장소로 하는 것에 의해, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위의 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y에 있어서의 전위를 감소시키고 저전위의 GaN 결정 기판을 얻는데에 있다(청구항 32).
또는, 파셋면으로 이루어지는 피트가 항상 표면에 존재하고, 또한 결함의 집합인 폐쇄 결함 집합 영역 H가 내부에 존재하도록 질화 갈륨을 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z와의 경계면인 결정입계 K와 그 내부의 심지 S를 전위의 소멸 장소, 축적 장소로 하는 것에 의해, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위의 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y에 있어서의 전위를 감소시키고 저전위의 GaN 결정 기판을 얻는데에 있다(청구항 32).
실제의 실현방법으로서는, 결정 성장시의 성장 표면에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성하고, 항상 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 유지해서 결정 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역에 전위를 포획 시키는 것에 의해, 그 주위의 단결정부(단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z)의 전위를 저감시키도록 하는(청구항 32)것이다.
이들이 본 발명의 기본사상이다. 파셋으로 이루어지는 피트를 결정 표면에 생성한다는 것만으로는 불충분하다. 피트에 계속해서 그 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 존재 한다고 하는 것이 필요하다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 내부(심지 S라고 부른다)와 표면(결정입계 K라고 부른다)으로 이루어지지만 이것은 결함의 집합체이며 또한 결정입계 K에 의해 완전하게 닫혀지고 있는 공간이라는 것이 중요하다. 그리고 결정입계 K이거나, 거기에 부가해서 심지 S가 전위의 축적, 소멸을 담당하므로 다른 부분의 전위가 감소한다.
「다른 부분」이라고 하는 것은 2개에 분할된다. 피트아래에 계속되는 부분과 피트의 밖에 있는 부분이다. 피트에 의해 덮이는 부분을 여기에서는 단결정저전위수반영역 z라고 부르기로 한다. 피트의 밖에 있는 부분을 단결정저전위 나머지영역 Y라고 부른다.
모두 저전위로서, 또한 단결정이다.
폐쇄 결함 집합 영역의 역할은, 단결정저전위 나머지영역 Y나 단결정저전위수반영역 Z를 저전위 단결정으로 한다는데 있다. 그것은 결정입계 K나 심지 S가 전위를 흡수해서 소멸시키고 또는 축적해서 분리하지 않기 때문이다. 본 발명에 있어서 가장 중요한 것은 폐쇄 결함 집합 영역H이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H가 본 발명 에 있어서 근원적인 중요성을 가지고 있다.
그러면 표면의 피트는 왜 필요한가? 라고 하는 것은, 그것은 2개의 기능을 가지고 있다. 하나는 피트의 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 유지한다고 하는 것이다. 피트의 바닥에 연속해서 폐쇄 결함 집합 영역 H가 생긴다. 피트가 없으면 폐쇄 결함 집합 영역 H가 생기지 않는다. 피트가 있어서의 폐쇄 결함 집합 영역이다. 그 점에서 피트의 생성은 필수이다. 그러나 역은 반드시 참됨이 아니다. 피트가 있어도 그 아래에 폐쇄 결함 집합 영역이 없는 것도 있다. 그것을 공(空)피트라고 부를 수 있을 것이다. 공피트로 해 버려선 안 되는 것이다.
본 발명자의 상기 (특개2001-102307호)는 피트 생성을 필수의 요건으로하고 있으나 그것은 폐쇄 결함 집합 영역 H를 수반하지 않는 공피트였다. 그러니까 전위를 소멸 축적할 수 없었던 것이다. 공 피트의 저부에는 60°의 각도를 이루는 면형상 결함이나 선형상 결함이 생길 수 있지만 전위를 가둘 수가 없었다.
본 발명은 피트의 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 형성하고 있다. 이와 같이 폐쇄 결함 집합 영역을 저부에 가지는 피트는 「실 피트」라고 부를 수가 있다. 본 발명은 그러므로 실피트를 생성해 폐쇄 결함 집합 영역을 생성함에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역에 전위를 영구히 소멸 축적할 수 있도록 한다.
피트의 또 하나의 역할은 에피택셜 성장 와 함께 내향의 경사가 주위의(단결정저전위수반영역이나 단결정저전위 나머지영역) 전위를 안쪽으로 끌어 들여 폐쇄 결함 집합 영역 H에 스캐닝 한다고 하는 것이다. 피트의 경사가 없으면 전위는 그대로 위쪽으로(성장 방향으로 평행) 연장하는 것뿐이고 폐쇄 결함 집합 영역에 집결하지 않는다. 집결하지 않으면 전위는 감소하지 않는다. 그러므로 피트에는, 폐쇄 결함 집합 영역 H를 유지한다고 하는 역할과, 전위를 모아 폐쇄 결함 집합 영역으로 도입 한다고 하는 역할이 있다.
그러면 어째서 폐쇄 결함 집합 영역을 만드는지? 라고 하는 문제이지만, 그를 위해서는 결정 성장의 초기에 기판면에 씨를 분포 시켜 두는 것이다. 씨가 기판면에 있는 것에 의해서 그 위에 폐쇄 결함 집합 영역과 피트가 형성된다. 씨를 기판면에 적극적으로 배치 함에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역과 피트의 위치를 정확하게 지정할 수 있다. 실은 본 발명의 신규 독창의 착상은 씨의 파종에 있는 것이다. 씨를 기하학적으로 규칙 바르게 배치 함에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역 H와 피트를 기하학적으로 규칙 바르게 생성할 수가 있다.
폐쇄 결함 집합 영역은 결함의 집합이며 사용할 수 없다고 하면, 그 나머지의 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y를 사용할 수 있게 된다. 폐쇄 결함 집합 영역의 위치가 씨의 파종에 의해서 엄밀하게 미리 지정할 수 있다면, 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z를 미리 지정할 수 있다. 는 것이다. 그러한 공간적인 제어성은 씨의 파종에 기인하는 것이다. 본 발명의 가치는 그 씨 뿌리기에 의해 단결정저전위수반영역이나 단결정저전위 나머지영역을 지정할 수 있다고 하는 공간적인 제어성의 높이에 있다.
폐쇄 결함 집합 영역 H가 본 발명 에 있어서 근본적으로 중요하다. 그래서 폐쇄 결함 집합 영역에 대해서 보다 자세하게 설명할 필요가 있다. 폐쇄 결함 집합 영역은 1 종류의 구조를 취하는 것은 아니다. 다결정, 단결정 등 다양한 구조의 폐쇄 결함 집합 영역이 있는 것을 알게되었다. 단결정에서도 방위가 다양한 것이 있다. 폐쇄 결함 집합 영역의 종류를 이하에 설명한다. 어느 구조의 폐쇄 결함 집합 영역도 본 발명의 기본 원리에 의거해서 전위 저감의 효과를 주효할 수 있다.
[1. 다결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 33)]
폐쇄 결함 집합 영역 H가 방위의 흩어져있는 다결정 GaN인 경우가 있다. 그 경우는 폐쇄 결함 집합 영역만이 다결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 둘레에 수반 하는 피트 바로밑의 단결정저전위수반영역 Z나 그 바깥쪽의 단결정저전위 나머지영역 Y는 단일의 단결정이다. 폐쇄 결함 집합 영역이 다결정이라면 그것은 입계(粒界)의 모임이다. 폐쇄 결함 집합 영역 바깥둘레의 결정입계 K라고 하는 것은 최외의 가장 바깥의 입계의 연속체를 의미한다.
[2. 다른 방위의 단결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 34)]
폐쇄 결함 집합 영역 H가 주위의 단결정과 다른 일정 방위의 단결정 GaN의 1개 이상의 집합인 경우가 있다. C면방향으로 성장시키는 경우, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y는(0001) 면을 표면 평행으로 하는 단결정이다. 폐쇄 결함 집합 영역은 일정 방위를 가진 결정의 집합이지만 c축, a축 등이, 단결정 부분의 c축, a축과 어긋나고 있다.
[3. <0001>만 일치하는 방위의 단결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 35) ]
폐쇄 결함 집합 영역 H가 주위의 단결정과 <0001>만 공통이고 그 외에서는 다른 일정 방위의 단결정 GaN의 1개 이상의 집합인 경우가 있다. C면방향으로 성장시키는 경우, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y는(0001) 면을 표면 평행으로 하는 단결정이다. 폐쇄 결함 집합 영역은 c축을 단결정 부분의 c축(<OOO1>)에 평행으로 하지만 a축, b축이 단결정 부분의 a축, b축과는 다르다고 하는 것이다. 즉 c축을 중심으로 회전하고 있다. 폐쇄 결함 집합 영역을 반대로 c축둘레에 회전시키면 단결정 부분과 동일한 방위가 된다.
[4. 극성이 반전한 단결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 36, 청구항 37)]
단결정 부분의 c축방향에 대해서 폐쇄 결함 집합 영역 H의 c축이 반평행이라고 하는 것이다. 즉 폐쇄 결함 집합 영역 H에 있어서, 그 둘레와 <0001>방향만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있는 단결정이 되고 있는 것이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 c축을 180°회전시키면 단결정 부분의 방위와 동일하게 할 수 있다. GaN결정은 극성을 가지고 있고, (0001)면은 표면이 Ga원자면이 되고 있지만, (000-1)면은 질소 원자면이 되고 있다. 따라서, <O001>방향만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있는 경우, 그 영역의 경계에는 입계가 존재한다. 이 폐쇄 결함 집합 영역H는, 단결정이어도 <0001>방향만이 180°역전한 1개이상의 결정입자로 이루어지는 다결정이어도 된다.
[5. 면형상 결함으로 간막이된 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 39)]
폐쇄 결함 집합 영역이 주위의 단결정 부분과는 면형상 결함에 의해 간막기된 1이상의 결정입자이다.
[6.선형상 결함으로 간막이된 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 39)]
폐쇄 결함 집합 영역이 주위의 단결정 부분과는 선형상 결함에 의해 간막이된 1이상의 결정입자이다.
[7. 면형상 결함으로 간막이된 동일 방위의 폐쇄 결함 집합 영역H(청구항 40)]
폐쇄 결함 집합 영역이 주위의 단결정 부분과 결정 방위는 동일하지만 면형상 결함에 의해 간막이된 1이상의 결정입자이다.
[8. 선형상 결함으로 간막이된 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 40)]
폐쇄 결함 집합 영역이 주위의 단결정 부분과 결정 방위는 동일하지만 선형상 결함에 의해 간막이된 1이상의 결정입자이다.
[9. 미세하게 경사한 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 38)]
폐쇄 결함 집합 영역이 주위의 단결정 부분의 결정 방위에 대해서 대부분 동일하지만 미세하게 경사하고 있다고 하는 것이다.
이상이 폐쇄 결함 집합 영역의 결정 방위에 관한 다양성이다. 결정 방위에 계속해서 결함에 대해서도 설명한다. 폐쇄 결함 집합 영역내부에는 특히 결정 결함이 많다. 폐쇄 결함 집합 영역이 다결정(1)의 경우입계가 있는 것은 당연하다. 그러나 폐쇄 결함 집합 영역 H가 단결정의 경우에서도 결함이 많아진다. 파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥이 폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부에 있다. 폐쇄 결함 집합 영역내부에 전위군의 집합부가 형성되거나 면형상 결함이 형성되는 일이 있다. 그러므로 폐쇄 결함 집합 영역은 결함을 포함해 주위의 단결정부와는 면형상 결함으로 간막이 된다고 하는 일이 있다.
[10. 결함을 포함해 면형상 결함으로 간막이된 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 39, 청구항 40)]
폐쇄 결함 집합 영역 H는 결정 결함을 포함해, 주위의 단결정 부분과 면형상 결함에 의해 간막이된다.
[11. 결함을 포함해 선형상 결함으로 간막이된 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 39, 청구항 40)]
폐쇄 결함 집합 영역 H는 결정 결함을 포함해, 주위의 단결정 부분과 선형상 결함의 집합체에 의해 간막이된다.
[12. 선형상 결함, 면형상 결함을 포함한 폐쇄 결함 집합 영역 H(청구항 41) ]
폐쇄 결함 집합 영역 H는 결정 결함을 포함하고, 그 결함은, 면형상 결함이거나 선형상 결함인 것이 많다고 하는 것이다.
이상으로 다양한 폐쇄 결함 집합 영역에 대해서 설명했다. 다음에 결정 성장의 방위이지만, 결정 성장의 방향은 c축방향인 것이 통상이다(청구항 42). 다른종류의 기판의 위에 6방정계의 질화 갈륨 결정을 성장시키기 때문에, 3회 대칭성이 있는 c축방향으로 성장시키면, 다른 종류 기판과 GaN의 결정 방위의 대칭성을 합치시킬 수가 있다. 그 때문에 c축방향으로 성장시키는 것이 많다고 하는 것이 된다. 만약에 GaN자체를 기판으로 하는 것이 가능하면 c축 이외의 성장도 가능하지만 다른 종류의 기판이기 때문에 c축성장이 주류이다.
그 경우, 파셋면으로 이루어지는 피트가 역6각추 혹은 역12각추가 된다(청구항 43). GaN는 6방정계이며 c축주위에 동등한 경사면을 6개 가지고 있기 때문이다. 그것이 6각추 피트를 형성한다. 도 1은 C면으로 할 수 있던 피트를 도시 하지만, 역6각추의 피트는 6개의 경사면을 가진다. 평균적인 성장 방향은 c축방향 즉 도면에서 위 쪽이다. 그러나 경사면(파셋면)에서는 면은 화살표와 같이 내향으로 성장한다. 동등한 경사면이 2조 있으면 12각추를 형성하는 것이다. 즉 (hkmn)면의 앞의 3개의 지수 h, k, m를 바꿔 넣은 것이 동등하기때문에 6개의 동등한 면이 존재하는 것이다.
파셋면의 면지수는 일반적으로 {kk-2kn}(k,n는 정수)와 {k-k 0n} 와 같이 표현할 수 있다 (청구항 44). 이들 2 종류의 면은 각각 60°마다 존재하고, 2조의 면은 30°의 각도를 이룬다. 그러므로 30°구분마다 면을 구성할 수 있다. 그러므로 역12각추가 생긴다. 어느 하나가 한 쪽의 무리만이 우월하는 경우는 역6각추가 된다.
그 중에서도 가장 자주 나타나는 파셋면은, {11-22}면과 {1-101}면이다(청구항 45). 어느 하나가 한 쪽만으로 역6각추가 생기고, 양쪽이 병존하면 역12각추가 생긴다. {11-21}면도 나오는 일이 있다.
또한 파셋면 으로 이루어지는 피트가, 경사각이 다른 2단 겹침의 역6각추, 역12각추의 경우도 있다(청구항 43). 이것은 예를 들면{11-22}, {11-21} 이라든지{1-101}, {1-102}와 같이 c축지수 n가 다른 것이 있다고 하는 것이다. 경사의 얕은 쪽이 중심에 온다(n가 큰쪽). 경사가 심한 면은 외주에 오지만 (n가 작다) 그것이 단결정저전위수반영역 Z에 접속한다.
폐쇄 결함 집합 영역 H와 결정 성장시의 파셋의 관계에 대해 설명한다. 폐쇄 결함 집합 영역 H와 파셋면의 면지수에 일정한 관계가 있는 것을 알게되었다.
파셋면으로 이루어지는 피트바닥에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 피트의 파셋면과는 면지수가 조금 다른 면을 가진다(청구항 46). 상술한 바와같이 피트를 구성하는 대부분의 파셋면의 면지수는{11-22} 와 {1-101}이다.
그런나 폐쇄 결함 집합 영역의 정상부(피트바닥)는 파셋의 경사면보다 얕은 경사가 되고 있다(청구항 47). 예를 들면 도 5(b)(3)에 있어서 2단 경사면이 표시된다. 그것은 c축의 지수가 보다 크다고 하는 것이니까, {11-24},{11-25}, {11-26}, {1-102}, {1-104}등이 출현해 그것이 피트바닥의 경사면이 되고 있다고 하는 것이다(청구항 47). 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위나머지영역 Y란, <0001>방향만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있는 경우에 현저하게 경사각이 보다 작은 면방위를 표면으로해서 성장한다(청구항 48). 이 경우, 경사각이 보다 작은 결정면방위는, {11-2-4}, {11-2-5}, {11-2-6}, {1-10-2}, {1-10-3}, {1-10-4}로 이루어지는(청구항 49). 그것이 성장과 함께 메워져서 폐쇄 결함 집합 영역이 되기 때문에 폐쇄 결함 집합 영역이 이러한 n의 것보다 큰 면지수를 가진다는 것이 되는 것이다. 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 있는 폐쇄 결함 집합 영역의 경계는, 피트를 구성하는 파셋면보다도 각도가 얕은 경계부에 형성된다. 이 현상은, 특히 폐쇄 결함 집합 영역 H가 둘레의 단결정 영역과 <0001>방향만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있는 경우에 현저하게 인정된다(청구항 50). 피트바닥의 경사면의 각도가 얕다고 하는 것은 중요한 식견이다.
파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 있는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 점 형상으로 집중해 존재한다(청구항 51). 여기서 점형상이라고 하는 것은 선형상이라든지 도너츠형상이라는 것이 아니라 1개소에 점에 모여 있다고 하는 의미이다. 예를 들면 도 7의 동심원의 중심의 검은 부분이 폐쇄 결함 집합 영역 H이며, 점형상으로 집중하고 있다. 점형상으로 집중하고 있기 때문에 GaN기판을 여러가지 방향으로 벽개(劈開)해도 단면에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 나오는 확률이 낮다고 하는 이점이 있다.
벽개면에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 드러내기 어렵기 때문에 벽개면을 유효하게 이용할 수 있다. 거기에 벽개가 용이하다고 하는 이익 도 있다. 벽개 하려고 하는 평면에 결함이 있으면 벽개를 방해할 수 있기 때문이다.
피트바닥으로 할 수 있는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 1㎛∼200㎛의 직경을 유지해서 성장시킬 수가 있다(청구항 52). 성장 조건에도 따르지만, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경을 1㎛∼200㎛로 해서 성장시키는 것에 의해, 전위를 피트 중앙의 폐쇄 결함 집합 영역 H에 모을 수가 있다.
파셋형상 피트의 직경이 작은 경우는, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경도 작은 쪽이 좋다. 파셋형상 피트의 직경이 큰 경우는, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경 도 큰 쪽이 좋다. 실제에 있어서는, 작은 경우로 폐쇄 결함 집합 영역의 직경이 1㎛ 있으면 효과(전위 저감의)가 있고, 큰 경우에서도 경제적인 영향을 고려해서 직경 200㎛까지가 적당하다고 생각된다.
파셋면으로 이루어지는 피트바닥의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상(횡단면)은 통상 부정형이다(청구항 53). 이것은, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 성장함에 따라, 에너지적으로도 불안정하기 때문에 결정 방위와의 관계에서, 파셋형상에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역이 변형하기 때문이다.
경우에 따라서는 폐쇄 결함 집합 영역의 형상(횡단면)이 원형이 되는 경우 도 있을 수 있다(청구항 53). 폐쇄 결함 집합 영역 H의 다결정입자의 입자수가 많은 경우나, 폐쇄 결함 집합 영역의 직경이 큰 경우에 원형 단면의 것을 자주 볼 수 있다.
한편 파셋면으로 이루어지는 피트바닥의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 다결정 입자수가 적은 경우나, 폐쇄 결함 집합 영역의 직경이 작은 경우, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상이 각형이 될 수도 있다(청구항 53).
평균적인 결정 성장 방향이 c축방향인 경우, 실제의 결정 성장의 가장표면에서는 파셋면으로 이루어지는 피트바닥의 다결정 영역부가, 결정 성장과 함께 피트바닥에 계속해 형성되고 그 결과 결정중에는, c축으로 평행하게 기둥 모양으로 다결정 영역이 뻗은 형태로 존재하게 된다(청구항 32).
또 그 때, 파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥의 폐쇄 결함 집합 영역과 둘레의 단결정부(단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z)와의 경계에 있어서, 단결정부로부터 폐쇄 결함 집합 영역 H를 향해서 C면에 평행으로 신장한 전위를 모아, 경계 K에 있어서 전위를 소멸 축적 시켜서 단결정부의 전위를 줄이는 메카니즘이 작용한다(청구항 32).
이 전위 집중의 메카니즘은 C면으로부터 경사진 파셋면으로 이루어진 피트 에 있어서, 파셋면의 성장과 함께 전위가 C면에 평행으로 피트 중심을 향해 신장하고 폐쇄 결함 집합 영역에 집중함에 따라서, 단결정부 Z, Y에서의 관통전위를 저감시킨다고 하는 것이다(청구항 32). 예를 들면 도 1의 (a),(b)에서 파셋면은 화살표와같이 내향으로 적층해 가기 때문에 전위는 화살표에 의해 표시된 바와같이 C면에 평행으로 내향으로 진행하게 된다. 즉 전위는 피트 중심을 향해서 집중하고 중심부의 폐쇄 결함 집합 영역 H에 흡수된다. 도 2는 파셋면에서의 전위의 작용을 표시하기 위한 평면도이다. 내향으로 나아간 전위는 6각추의 능선(8)에 충돌 하면 능선의 방향으로 전환해서 능선을 따라서 수평으로 나아가기 때문에 중앙의 다중점D에 집중하는 것이다.
그것이 앞서 설명한 전위 감소의 기구이다. 그러나 앞서 설명한 다중점아래에 폐쇄 결함 집합 영역이 존재하지 않고, 도 1(b)와 같이 넓은 면형상 결함(10)이 되어 전위 감소는 불충분했다.
도 3은 앞서 설명한 경우의 전위의 운동을 표시하나, 피트의 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역이 없다. 그러므로 전위는 집중하지만 개방하고 있어 다시 퍼질 가능성 도 있다. 집중도 도 낮다. 개방계에서는 안 된다.
본 발명은 도 4에 표시한 바와 같이 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역이 있어 전위는 폐쇄 결함 집합 영역 H에 흡수된다. 여기서 일부는 소멸하고 일부는 축적된다. 그 부위는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 외주부분인 결정입계 K와 내부의 심지 S이다. 결정입계 K뿐인 경우도 있고, K와 S의 양쪽 모두인 경우도 있다. 어쨌든 폐쇄 결함 집합 영역은 결정입계 K에 의해서 닫혀져 있어 밀봉 공간이다. 원리적으로는 전위가 일단 폐쇄 결함 집합 영역H에 들어가면 다시 나올 수가 없다. 그러므로 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z에서의 전위의 감소는 영구적이다. 앞서 설명한 본 발명의 대비는 도 3, 도 4에 잘 나타난다.
그런데, 실제의 질화 갈륨 기판의 제조에 있어서 본 발명의 기법을 어떻게 적용하는지에 대해서 설명한다. 다른종류 기판을 사용하기 때문에 3회 대칭성이 있는 c축방향을 성장 방향으로 한다.
실제의 결정 기판의 결정 성장 방법으로서는, 결정 성장시의 표면에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성하고, 피트 중앙의 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 것을 기본의 구조물로해서 이것을 규칙 바르게 배열시켜서 결정 성장시킨다 (청구항 54).
그것은 공간적으로 규칙 바르게 피트, 폐쇄 결함 집합 영역을 배열한다고 하는 것이다. 도 6(b), 도 7, 도 8(a), (b) 등에 규칙 바른 기초 구조체의 배열을 나타낸다. 규칙 바르게 동일한 패턴에 의해 공간을 빠짐없이 다 메우도록 하는 것이 가장 좋다. 그 경우 가능한 패턴은 저절로 정해져 간다.
이와 같이 파셋면으로 이루어지고 중앙에 폐쇄 결함 집합 영역을 가지는 피트를 규칙 바르게 빠짐없이 늘어놓으려면, 6회 대칭성(정3각형을 배열하여 정점에 배치한다), 4회 대칭성(정4각형을 배열하여 정점에 배치한다), 2회 대칭성(직4각형을 배열하여 정점에 배치한다)의 3종류의 패턴밖에 없다. 가장 빠짐없이 동일한 것으로 배열한다는 조건을 빼면 더욱 많은 패턴이 가능해진다.
[1.6회 대칭성 패턴(도 8(a),(b))(청구항 55)]
이것은 도 8에 나타내지만, 피트가 원형에 가까운 12각형, 6각형이므로 가장 조밀한 배열이 된다. 정3각형의 한 변의 길이를 피치 p라고 부른다. 이것은 패턴의 반복 주기이다. 만약 인접한 피트가 서로 접촉한다면 피트의 직경 d는 피치 p에 거의 동등하다(p=d). 도 8(a)는 피치의 방향이 GaN 결정의 <11-20>의 방향으로 평행하다. 도 8(b)은 피치의 방향이 GaN 결정의 <1-100>의 방향으로 평행하다.
이 도면에 있어서 동심원의 중심의 검은 동그라미가 폐쇄 결함 집합 영역 H이다. 그 주위의 흰동그라미 부분이 피트의 확대를 나타내지만 그것은 동시에 단결정저전위수반영역 Z의 범위를 나타내고 있다. 인접하는 동심원의 틈새에 생기는 좁은 3각형의 영역이 단결정저전위 나머지영역 Y이다. 가장 조밀하게 배치하고 있다고 하는 것은 어느 일정 면적안에 차지하는 단결정저전위수반영역 Z의 면적이 최대가 된다고 하는 것이다. 그러나 동시에 폐쇄 결함 집합 영역 면적도 최대가 된다. 반대로 단결정저전위 나머지영역 Y의 면적은 최소가 되는 것이다. C면으로부터 성장한 영역(단결정저전위 나머지영역 Y)은 비저항이 높아지는 경향이 있다. 그러므로 도전성 기판으로 하는 경우는 Y가 좁아지는 6회 대칭 패턴이 바람직하다.
[2.4회 대칭성 패턴(도 9(a),(b))(청구항 56)]
이것은 도 9에 나타내지만, 피트가 원형에 가까운 12각형, 6각형이므로 중간 정도의 조밀한 배열이 된다. 정4각형의 한 변의 길이를 피치 p라고 부른다. 이것은 패턴의 반복주기이다. 만약 인접한 피트가 서로 접촉한다면 피트의 직경 d는 피치 p에 대충같다(p=d). 도 9(a)는 피치의 방향이 GaN결정의 <11-20>과 <1-100>의 방향으로 평행하다. 도 9(b)는 피치의 방향이 GaN 결정의 <11-20>과 <1-100>의 방향에 대해 45°를 이룬다. 이 방위는 저면지수로 표현할 수 없다.
이 도면에 있어서 동심원의 중심의 검은동그라미가 폐쇄 결함 집합 영역 H이다. 그 주위의 흰동그라미의 부분이 피트의 확대를 나타내지만 그것은 동시에 단결정저전위수반영역 Z의 범위를 나타내고 있다. 인접하는 동심원의 틈새에 생기는 아스테로이드의 영역이 단결정저전위 나머지영역 Y이다. 이것은 상기의 예 1보다도 단결정저전위 나머지영역 Y의 면적이 넓어진다. C면으로부터 성장한 영역(단결정저전위 나머지영역 Y)은 비저항이 높으므로 도전성 기판으로 하는 경우는 바람직하지 않다. 그러나 GaN 디바이스 칩의 형상이 정4각형인 경우 등에서는 이편이 훨씬 바람직하다. 실제로 때디바이스 칩 으로서 유효하게 이용할 수 있는 것은 단결정저전위 나머지영역 Y와 단결정저전위수반영역 Z이며, 그것이 규칙 바르게 넓어지고 있기 때문에 디바이스 배치에 여유가 있다. 디바이스의 피치와 피트의 피치를 합치시키면 모두 동일한 조건으로 디바이스를 제작할 수 있어 벽개 도 단순하게 된다.
[3. 2회 대칭성 패턴(도 10(a),(b))(청구항 57)]
이것은 도 10에 나타내지만, 피트가 원형에 가까운 12각형, 6각형이므로 조밀하지 않은 배열이 된다. 기본은 직4각형이다. 그 짧은 변쪽의 피치 p와 긴변쪽의 피치 q를 구별해야 한다. 이것은 패턴의 반복 주기에 이방성이 있다고 하는 것이다. 만약 인접한 피트가 서로 접촉한다면 피트의 직경 d는 짧은 피치 p에 대충 같다(p=d). 도 10(a)는 짧은피치 p의 방향이 Ga N결정의 <11-20>의 방향으로 평행하다. 도 10(b)는 짧은 피치 p의 방향이 GaN 결정의 <1-100>의 방향으로 평행하다.
이 도면에 있어서 동심원의 중심의 검은 동그라미가 폐쇄 결함 집합 영역 H이다. 그 주위의 흰동그라미의 부분이 피트의 확대를 나타내지만 그것은 동시에 단결정저전위수반영역 Z의 범위를 나타내고 있다. 인접하는 동심원의 틈새에 생기는 폭의 넓은 띠모양의 영역이 단결정저전위 나머지영역 Y이다. 이것은 q를 p보다 크게 하는에 따라서 상기예의 2개보다도 단결정저전위 나머지영역 Y의 면적이 넓어진다. 디바이스 칩으로서 유효하게 이용할 수 있는 것은 단결정저전위 나머지영역 Y와 단결정저전위수반영역 Z이며, 그것이 규칙 바르게 넓어지고 있기 때문에 디바이스 배치에 여유가 있어 실제의 디바이스칩은 직4각형이기 때문에 이 패턴이 최적하다고 말할 수 있다.
결정 성장시의 결정 표면에, 저부에 폐쇄 결함 집합 영역을 가지고 파셋면 으로 이루어지는 피트를 많이 규칙 바르게 배열하는 것이지만, 그 들의 피트간의 최단의 중심거리(피치 p)는, 50㎛∼2000㎛인 것이 바람직하다(청구항 58).
실제의 디바이스를 그 위에 제작하는 것을 생각하면 디바이스의 칩의 크기 보다도 피트 피치가 작으면 사용하기 어렵다. 그러므로 저전위 단결정의 피트의 피치는 최저 50㎛는 필요하다. 그이하에서는 디바이스를 제조하는 것이 어렵다.
반대로 피트 피치의 상한은 2000㎛정도이다. 너무나 피치가 넓어지면 피트의 깊이도 크게 된다. 연마해서 피트 부분은 제거하지만 피트가 넓으면 깊이도 크며 연마 두께가 크게 되기 때문에 헛됨이 증가한다. 경제적으로 불리하게 되기 때문에 피트의 피치는 2000㎛이하로 한다. 그것은 경제적인 이유에 의한 제한이며 피치가 그 이상이라도 본 발명의 전위 감소라고 하는 효과는 충분히 있다.
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 형성 방법]
파셋면으로 이루어지는 피트의 중앙부 바닥에 발생하는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형성방법에 대해 설명한다. 도 5 (a),(b)에 피트1개분에 대한 성장을 나타낸다. 도 6에서는 기판의 평면도를 표시한다.
본 발명의 결정 성장 에 있어서는, 베이스가 되는 기초 기판(21)을 사용한다. 질화 갈륨 단결정을 기초 기판(21)로 해도되는 것은 물론이다. 그러나 대형의 GaN단결정 기판은 용이하게 제조할 수 없기 때문에, 다른종류의 재료를 기판 으로 하는것이 현실적이다. 다른 종류 기판에서도 GaN기판에서도 되는 것이지만, 그 기초 기판(21)의 폐쇄 결함 집합 영역이 되어야 할 부위에 폐쇄 결함 집합 영역의 씨(23)을 배치한다. 이 도면은 피트, 씨, 폐쇄 결함 집합 영역의 1개분만큼을 도시하고 있으며 실제로는 표면에 다수의 피트가 형성되는 것이다.
씨(23)은 기하학적으로 규칙 바르게 기판 표면에 배치된다. 평면도는 도 6(a)에 표시한 대로이다. 여기에서는 기초 기판(21)의 위에 6회 대칭이 되는 위치에 씨(23)을 배치하고 있다. 기초 기판(21)의 나머지의 부분(19)는 기판면이 드러내고 있다. GaN 결정(22)를 기초 기판(21)과 씨(23)의 위에 성장시킨다. GaN는 씨(23)의 위에는 성장하기 어렵지만 밑바닥 위는 성장하기 쉽다. 성장의 난이한 차이를 이용해 피트를 생성한다. 교묘한 방법이다. 도 5(a), (b)의 (2)와 같이 밑바탕면의 위에는 두껍게 결정(22)가 붙어 그위는 평탄면(27)(C면)이 생긴다. 씨(23) 위는 결정이 붙기 어렵기 때문에 피트(24)(오목부분)이 된다. 피트(24)는 6개 또는 12의 파셋면(26)으로 이루어진다. 씨(23)의 위에 피트(24)가 생긴다고 하는 것이 중요하다.
또한 GaN결정(22)를 성장시키면 대향하는 파셋면(26)이 씨(23) 위에서 서로 만나게 된다. 그렇게 되면 씨(23)의 위에도 GaN 결정의 일부가 퇴적해간다. 이 부분은 피트(24)의 바닥(29)가 된다. 성장과 함께 피트(24)는 위쪽에 이동한다. 피트(24)의 바닥(29)도 점점 결정이 퇴적해 간다. 도 5(a),(b)의 (3)은 그러한 상태를 나타낸다.
바닥(29)아래에 연속해 성장하는 결정(25)는 그 외의 부분의 결정(22)와는 이질이다. 바닥(29)의 하부의 씨(23)의 위에 닿이는 부분의 결정(25)를 폐쇄 결함 집합 영역 H라고 부른다. 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 외의 결정(22)와의 경계선(30)이 결정입계 K이다. 그에 대한 내부를 심지 S라고 부른다. 즉 씨(23) 폐쇄 결함 집합 영역 H바닥(29)가 상하에 줄선다. 씨(23)의 위치의 위 쪽에 반드시 피트의 중앙바닥이 오며, 씨와 피트바닥의 사이가 폐쇄 결함 집합 영역 H인 것이다(청구항 32).
파셋(26)의 직하의 부분의 결정이 단결정저전위수반영역 Z에 해당된다. 평탄면(27)의 직하의 결정이 단결정저전위 나머지영역 Y에 해당된다.
피트바닥(29)에 대해서는 2가지의 경우가 있다. 도 5(a)에서는 피트바닥(29)의 경사는 파셋(26)의 경사와 같고 동일한 결정 방위의 면이다. 그러나 도 5(b)의 경우, 피트바닥(29)의 경사는, 파셋(26)보다 경사가 완만하게 되어 있다(청구항 47). 경사가 얕은 피트바닥(29)는, 파셋면(26)과 조금 다른 면이 되고 있는 것이다. 즉 c축방향의 면지수 n가 조금 크게 되어 있는 것이다. 파셋면(26)이 (11-22)라면 거기에 계속되는 바닥(29)는 (11-24)와 같이 표현할 수 있다.
[다양한 씨의 가능성]
폐쇄 결함 집합 영역의 것이되는 씨(23)은 기초 기판에 직접 붙여도 되고, 기초 기판에 GaN층을 얇게 얹어놓은 다음에 그 위에 붙여도 된다.
씨(23)은 공간적으로 규칙 바르게 배치해야 한다. 6회 대칭, 4회 대칭, 2회 대칭의 씨패턴에 대해서는 이미 설명했다.
씨의 형태 재료로서는, GaN의 성장하기 어려운 재료이면 되고, 박막, 입자, 이종 기판면등이 있다. 박막의 경우는, 비품질 박막, 다결정 박막의 양쪽 모두를 이용할 수가 있다(청구항 59). 박막, 입자, 기판면 등 형태가 다르면 씨의 제작법, 배치법도 달라 진다.
[씨의 제작 방법 1(박막의 경우)]
기초 기판의 위에 폐쇄 결함 집합 영역으로 해야 할 부분에 박막의 씨를 싣는다. 박막은 2차원 형상을 가지고, 소망한 형상, 분포에 패터닝 하는 것이 가능하다(청구항 60). 패터닝 하려면 , 사진평판기술을 이용하는 방법이나, 메탈 마스크를 사용해 박막을 증착 하는 방법, 마스크를 사용한 인쇄법등이 가능하다. 정밀도 있게 패터닝 함에 따라서, 폐쇄 결함 집합 영역의 위치 정밀도가 향상한다.
개개의 씨의 형상은 원형, 다각형 등으로 할 수 있다(청구항 60). 다각형이라고 하는 것은 3각형, 4각형, 6각형, 8각형 등이다. 이것은 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상에도 영향이 있다. 이들 원형, 다각형에 패터닝 한 비정질, 다결정 박막의 직경은 1㎛∼300㎛로 하는 것이 바람직하다(청구항 61). 씨의 크기에 따라서 그 위에 성장하는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 크기가 대개 정해진다. 폐쇄 결함 집합 영역의 직경 으로서 1㎛∼300㎛정도가 좋으므로 씨의 크기도 그처럼 한다. 다만 씨 직경보다도 폐쇄 결함 집합 영역 직경쪽이 약간 작은 것 같다.
[박막의 씨재료의 종류]
씨로 하기 위한 다결정 박막, 비정질 박막은 금속으로도 산화물로도 되나 특히,
가. SiO2박막(청구항 62)(다결정 또는 비정질)
나. Si3N4박막(청구항 62)(다결정 또는 비정질)
다. Pt박막(청구항 62)(다결정)
라. W박막(청구항 62)(다결정)등이 효과적이다.
[씨의 제작 방법 2(입자의 경우)]
씨는 반드시 박막에 한정하지 않는다. GaN다결정 입자를 기초 기판의 위에 규칙 바르게 배치함에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역의 씨로 할수있다(청구항 63). GaN단결정 입자를 기초 기판의 위에 규칙 바르게 배치함에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역의 씨로 할수있다(청구항 63). 이들 GaN 입자가 기초 기판의 위에 배치됨으로써, 그 위에는 둘레의 단결정부와는 다른방위의 다결정이 성장한다.
GaN입자임에도 그 위의 GaN의 성장을 지연 시키고 피트를 형성한다고 하는것은 이상한 것처럼 생각되지만, 입자는 방위가 다르므로 동일한 재료의 GaN의 결정 성장에서도 그것을 저지하는 작용이 있는 것이다. 그러므로 GaN을 막론하고, 어떠한 재료의 입자로도되는 것이다. 그러나 GaN 입자로 하게되면 확산에 의한 오염의 우려가 없기 때문에 최적한것이다.
입자는, 박막과 달리 3차원인 구조를 가지는 것이지만, 박막과 마찬가지로 피트, 폐쇄 결함 집합 영역 형성의 효과를 가진다. 독립된 입자이기 때문에 자유롭게 기초 기판 위에 실리면 된다.
[씨의 제작 방법 3(다른종류 기판면의 경우)]
씨는 반드시 박막, 입자에 한하지 않는다. 다른종류의 기초 기판면 그 자체를 씨로 할수있다. 기초 기판은 GaN와 다르므로 GaN의 성장 속도가 다르기 때문에 피트를 생성하는 원동력을 부여할 수가 있다. 이것도 의심했던 방법이다.
GaN 이외의 다른종류의 기판면을 GaN층으로부터 주기적으로 드러내어서 씨로하는(청구항 63)것이다. 그것만으로는 이해하기 어렵지만 이런 것이다. 기초 기판에 일단 GaN 에피택셜층(GaN 버퍼층)을 얇게 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H를 생성해야 할 부위의 GaN 에피택셜층을 제거해서 기초 기판을 드러내게해서 그 위에 GaN를 다시 에피택셜 성장시키면 기초 기판 위에서 성장이 지연되어 피트를 생성하여 폐쇄 결함 집합 영역을 만들 수가 있다(청구항 64).
기초 기판을 드러냄에 따라서 씨로 하는 기법에서는, GaN 버퍼층없이 GaN를 성장시키게 되기 때문에 그 위에는 폐쇄 결함 집합 영역이 생성되는 일이 많다. 앞서 설명한 박막씨도 사진평판기술에 의해 생성할 수 있지만, 기판면씨의 경우, 음양이 반대로 되는 것에 주의해야 한다. 기초 기판으로서는, 사파이어, 스피넬, SiC, GaAs등을 이용할 수 있다.
[씨의 제작 방법 4(GaN 에피택셜층의 위에 박막을 형성하는 경우)]
씨는 기초 기판의 위에 직접 박막을 형성한다고는 한정 할 수 없다. 기초 기판의 위에 GaN 에피택셜층을 성장시키고 그 위에 다른종류의 재료의 다결정, 비정질 박막 마스크를 적층 하고, 마스크를 사진평판기술에 의해 부분적으로 제거해 남은 박막 마스크를 씨로 할 수 있다(청구항 65). 즉 기초 기판/GaN/박막씨라고 하는 구조가 된다. 처음에 설명한 것은 GaN가 없어서 기초 기판/박막씨로 되고 있었으므로 구별해야 한다. 이 박막씨에 의해서도 피트를 여기서부터 성장시키고, 피트바닥에 계속해서 폐쇄 결함 집합 영역 H를 성장시킬 수가 있다.
[씨의 제작 방법 5(기초 기판의 위에 박막을 형성하는 경우)]
기초 기판의 위에 직접 다른종류 재료의 다결정, 비정질 박막 마스크를 적층 하고, 마스크를 사진평판기술에 의해서 부분적으로 제거해서 남은 박막 마스크를 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로 할 수 있다(청구항 65). 즉 기초 기판/박막씨라고 하는 구조가 된다.
[종의 작용(도 5)]
씨를 형성한 기초 기판에 있어서, 씨 이외의 부위에 있어서는, GaN는 기초 기판으로부터 에피택셜 성장한다. 그러나 씨는 GaN 성장을 저지하는 작용이 있으며, GaN의 성장이 지연한다. 지연 하지만 주위의 기초 기판상 에피택셜층이 높게 성장하면 그것이 침입해 오므로 씨의 위에도 GaN가 실려 온다. 그것이 성장 조건에 의존해서 여러가지로 바뀐다. 씨의 위에 생기는 GaN가 다결정인 것(A)도 있다.
씨의 위에 둘레의 단결정이 밀어닥쳐와서, 씨의 위를 단결정으로 하는 경우 도 있다. 그 때에도 주위의 단결정과는 결정 방위가 다르다(B). 결정 방위가 다르지만 극성이 반전하는 일도 있다. 또한 <0001>축이 공통으로 둘레의 단결정보다 회전하고 있는 일도 있다. 또는 약간 방위가 다른 단결정이라고 하는 경우도 있을 수 있다. 씨의 위에 생기는 GaN가 폐쇄 결함 집합 영역 H이기 때문에, 조건에 따라서 폐쇄 결함 집합 영역 H의 구조가 다양하게 변화한다.
[ELO 마스크와 폐쇄 결함 집합 영역의 씨마스크와의 병용 1(동시적)]
EL0(Epitaxial Lateral 0vergrowth)라고 하는 것은, 규칙 바르게 작은창을 배치한 마스크를 기초 기판의 위에 붙여 작은 창면에 고립한 GaN층을 에피택셜 성장시켜, GaN층이 마스크 두께를 넘으면 전위 방향이 옆방향이 되어 GaN층이 인접창간의 2등분선에서 서로 만났을 때에 전위가 충돌해서 소멸하도록 한 것으로서, 초기에 전위를 저감 시킬 수가 있는 정묘한 기법이다. 이것은 본 발명자의 앞서 출원된 특원평9-298300호, 특원평10-9008호에도 개시되어 있다. 마스크를 넘어서 횡방향에 층을 연장하여 전위를 옆으로 달리게 하기 때문에 래터럴이라하고, 마스크를 넘어서 성장시키므로 오버 성장이라고 부른다.
ELO 마스크는 차폐부분 면적이 넓고 개구부 면적이 좁아서, 작은 면적의 작은 창이 규칙 바르게 드문드문 열려 있다라고 하는 네가티브형의 마스크(차폐부분 면적>50%)이다. 이것도 빠짐없이 전면에 깐정 3각형의 정점으로 작은 창을 배치 하고, 마스크 패턴은 6회 대칭으로 하는 것이 많다. 이런 점에서 지금까지 설명한 폐쇄 결함 집합 영역 H씨의 패턴과 닮은 점도 있다.
그러나 차이점이 명확하게 존재한다. ELO마스크에 있어서, 작은 창은 작아서 작은 창배열의 피치도 미세하다. 작은 창직경도, 피치도 수㎛의 정도이다. 차폐부분 면적이 넓고 개구부 면적이 좁은 네가티브형의 마스크(차폐부분 면적>50%)이다.
씨 패턴은 보다 큰 씨(직경;1㎛∼300㎛)가 넓고 드문드문하게(50㎛∼2000㎛) 분포한 것 같은 패턴이다. 차폐부분 면적이 좁고 개구부 면적이 넓은 포지티브형의 마스크 (차폐부분 면적<50%)이다. 이와 같이 형상, 치수가 다르다.
작용도 다르므로 혼동해서는 안된다. 원래 ELO는 전위를 소멸시키는 것이 목적이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨는 적극적으로 폐쇄 결함 집합 영역 H를 형성하는 것이 목적이다.
씨 패턴은 공백부(기초 기판이 드러내는 부분)가 넓다. 공백부에 ELO마스크를 싣는다. 즉 기초 기판은 씨 패턴과 그 공백부에 형성한 ELO마스크라고 하는 2종류의 다른 마스크에 의해 덮인다고 하는것이 된다. 정말로 복잡해서 세련된 기법이다(청구항 66). 예를 들면 도 6(a)에 있어서, 기초 기판(21)의 위에 씨(23)을 6회 대칭에 배치하고 있지만, 넓은 공백부(19)가 남는다. 그 공백부(19)에 ELO 마스크를 싣는다는 것이다. 마스크 재료는 동일한 것이라도 상관없다. SiO2, SiN나 금속마스크를 이용할 수 있다. 마스크 재료가 동일하면 1회의 증착, 사진평판기술 또는 인쇄로 마스크를 형성할 수 있다.
그러한 복합 마스크의 작용은 따로따로인 것이다. ELO마스크에서의 GaN 성장에 있어서는 전위를 옆방향으로 해서 초기에 전위를 줄이는 작용이 있다. 씨 마스크의 씨에서는, 피트와 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성된다. 그러한 작용은 단지 서로 부가한것이다. 그러나 성장 초기에 전위가 감소하고 있어 적게 된 전위를 폐쇄 결함 집합 영역 H가 흡수해 소멸, 축적하므로 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y에서의 저전위화가 한층 더 추진된다.
[ELO 마스크와 폐쇄 결함 집합 영역씨 마스크와의 병용 2(경시적)]
ELO 마스크를, 씨의 공백부(19)(도 6(a))에 형성하는 앞서 설명한 방법은 마스크 형성, GaN 성장이 한 번에 할 수 있다고하는 이점이 있다. 그러나 씨(23)이 없는 공백부(19)에만 ELO 마스크를 붙이므로 성장 조건이 장소에 따라서 상위하게된다. 그것이 바람직하지 않다고 하는 경우는, 처음에 기초 기판의 위에 ELO 마스크를 붙여서 ELO 성장해서 얇은 저전위 GaN층을 만들어 그 위에 씨 마스크를 붙여서 파셋 성장시키도록 2단계의 성장을 시키면 된다(청구항 67). 기초 기판의 위에 GaN의 얇은 버퍼층을 성장시킨다음에 ELO 마스크를 붙여도 된다. 그 후 ELO 성장시켜, 씨 마스크를 붙여서 파셋 성장시키는 것은 마찬가지이다.
상기의 방법에서는, 처음에, 기초 기판 위, 혹은 GaN 버퍼층을 가지는 기초 기판의 위에 ELO 마스크를 형성한다. 이것은 SiN나 SiO2의 박막(1OOnm∼200nm정도)을 형성해서 빠짐없이 배열한 1변이 수㎛의 정3각형의 정점 위치에 작은창(원형, 각형, 단책형)을 에칭 제거해서 형성한다. 그 위에 GaN 버퍼층(80nm∼130nm정도)을 저온으로 기상 성장시킨다. 버퍼층은 격자 부정합을 조정하기 위한 층이다. 그 위에 GaN 에피택셜층을 고온으로 기상 성장시킨다. 가로오버성장에 의해서 GaN층을 저전위화한다.
그 위에 상술한 씨 패턴을 형성한다. 이것은 박막으로도 입자로도 된다. 패턴 사이즈가 크기 때문에 ELO와는 구별할 수 있다. 씨 패턴을 가지는 GaN 에피텍샬층의 위에 GaN를 성장시키면, 씨에 계속해서 피트가 형성되고 피트의 저부에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 생성된다. 피트의 경사면 아래에는 단결정저전위수반영역 Z가 생긴다. 피트와 피트의 사이는 c면성장이 되어 그 아래는 단결정저전위 나머지영역 Y가 생성된다. 2단계의 다른 저전위화를 위한 성장을 이용하고 있기 때문에 한층 더 GaN 결정은 저전위가 된다.
[파셋면으로 이루어지는 피트의 위치의 제어법]
씨패턴을 기초 기판에(기초 기판의 위에 GaN 버퍼층을 형성한 것 이라도 된다)배치해 그 위에 GaN을 파셋 성장시키면 씨의 위에 1대1로 대응해서 피트가 발생한다. 그것은 본 발명의 근본이며 지금까지도 가끔 설명했다. 도 6의 (a)의 씨 패턴과, (b)의 GaN두꺼운막의 배치를 비교하면 잘 이해할 수 있다.
본 발명은, 기초 기판의 위에 미리 피트 발생을 위한 씨를 배치해 그위로부터 GaN를 결정 성장시켜서, 씨의 장소에 우선적으로 피트를 발생시킨다.
구체적으로는, 패터닝한 비정질, 다결정 박막씨를 이산적(離散的) 주기적으로 기초 기판위에 배치해 두고 그위로부터 질화 갈륨을 성장시켜, 박막씨의 위에 우선적으로 피트를 발생시킬 수가 있다. 그것은 패터닝한 비정질 다결정 박막씨의 위에 GaN결정 성장시키면 씨와 기초 기판 여백부분에서 성장의 조건이 달라 씨부분에서의 성장이 지연 하기 때문에 씨를 바닥으로 하는 피트가 형성되기때문이다.
씨가 되는 것은 금속, 산화물, 질화물 등 임의이며, 박막이어도 입자로서도 된다. 기초 기판과 GaN 버퍼층의 조합으로 씨를 만들어 낼 수도 있다. 이것에 대해서는 자세하게 말했다. 비정질 다결정 박막으로서는, SiO2막, SiN막이 특히 효과적이다. 씨로서 미립자를 이용할 수도 있다. 기초 기판 또는 기초 기판의 위에 얇은 GaN 버퍼층을 마련했지만 위에 미립자를 규칙바르게 배치시키고 그위에서부터 GaN를 파셋 성장시킨다. 그러자 미립자 위와 그 외의 부위에서의 성장 조건이 다르기 때문에 미립자의 위에 바닥이 오게되는 피트가 우선적으로 형성된다.
그를 위한 미립자로서는 다른종류의 미립자나, 산화물의 미립자를 이용할 수도 있다. 또 GaN 다결정 미립자, GaN 단결정 미립자도 사용할 수 있다. 이와 같이 기초 기판의 위에 공간적으로 규칙 바르게 씨를 배치해서 그 위에 GaN를 파셋 성장시키면 씨 위치에 피트바닥이 오게 된다. 피트 위치를 미리 결정할 수 있다. 피트바닥에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 있고, 피트의 경사면(파셋)아래에는 단결정저전위수반영역 Z가 있고, 피트의 밖의 C면성장 평탄부분하에는 단결정저전위 나머지영역 Y가 있기때문에, 씨의 배치에 의해 이들 3개의 영역 H, Y, Z를 엄밀하게 바르게 부여할 수가 있다.
[평탄한 질화 갈륨 기판의 제조]
종래의 GaAs 기판 등에 질화 갈륨 결정을 성장시키는 경우는 예외없이 평탄한 C면성장을 실시하고 있었다. C면성장의 경우 표면은 깨끗한 평탄면을 유지해서 성장 시키고 있었다. 그것은 균일하게 대량의 전위가 분포해 고전위의 것이었지만 표면은 평탄했었다. 앞서 설명한 EL0(Epitaxia1 Lateral 0vergrowth) 성장의 경우 도 평탄 C면성장이었다. 그렇다면 탄면을 그대로 이용할 수가 있다.
그러나 본 발명자의 이미 출원한(특개2001-102307호)은 파셋 성장을 처음으로 제안했다. 본 발명도 파셋 성장에 부가해서 씨의 파종에 의한 폐쇄 결함 집합 영역 H의 창조를 이룬 성장 방법을 제안한다. 그 성장 방법도 파셋면을 유지하면서 성장시키는 것으로서, 만들어진 결정의 표면은 파셋면으로 이루어지는 피트를 수많이 포함해서 극히 요철이 풍부했다. 그대로는 요철때문에 디바이스를 만들 수가 없다.
그러므로 본 발명의 방법으로 제조된 질화 갈륨은 반드시 기계 가공해서 연마해야 한다. 기계 가공하고, 연마한 질화 갈륨 기판은 평탄면을 가지며, 디바이스 제조를 위한 웨이퍼로 할수있다. 기계 가공으로서는, 슬라이스 가공, 연삭가공, 랩핑 가공등을 이용한다. 그들을 특허청구의 범위로 했던 것이 청구항 69이다. 또한 뒷면에 붙인 기초 기판은 에칭이나 연마, 기계연삭 등에 의해서 제거할 필요가 있다. 기초 기판을 제외한 뒷면도 마찬가지로 평탄하게 연마한다.
본 발명은, GaN 결정 성장 에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H를 유지해서 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S와 결정입계 K를 전위의 소멸 장소, 축적 장소로서 이용함으로써 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y를 저전위화해, 얻어진 GaN 결정을 기계 가공한 후, 연마 하고, 평탄한 표면을 가지는 기판으로 한다(청구항 69).
또는, 본 발명은, GaN 결정 성장 에 있어서, 성장 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성하고, 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 유지해서 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역H의 심지S와 결정입계K를 전위의 소멸 장소, 축적 장소로서 이용함으로써 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y를 저전위화하고, 얻게된 GaN결정을 기계 가공한 후, 연마하고, 평탄한 표면을 가지는 기판 으로 한다(청구항 69).
기계 가공의 방법으로서는, 슬라이스 가공, 연삭가공, 랩핑 가공중 하나 또는 둘이상의 조합이 된다(청구항 69).
본 발명의 결정 성장의 기초 기판으로서는, GaN, 사파이어, SiC, 스피넬, GaAs, Si등의 단결정을 이용할 수가 있다 (청구항 68).
또, 이상으로 설명해 온 제조 방법으로, GaN의 결정 성장을 실시 할 때에, GaN 결정을 두껍게 성장시켜 잉곳으로 하고, 당해 결정을 슬라이스 가공 함으로써 다수매의 질화 갈륨 결정을 얻을 수도 있다(청구항 70). 나아가서는, 이미 본 발명의 방법에 의해 작성한 GaN 기판을 씨결정으로해서, 그 위에 두껍게 성장할 수가 있다. 이 때, 주목 해야 할 것은, 씨 결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 성장하고, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y의 위에는 단결정저전위수반영역 Z 또는 단결정저전위 나머지영역 Y가 성장한다고 하는 사실이다. 다른 표현을 하면, 씨 결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위에는 파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥이 형성되고, 거기에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성 되고, 또한, 씨 결정의 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y의 위에는 파셋면으로 이루어지는 피트의 경사면 및 수평인 파셋면이 형성되고, 단결정저전위수반영역 Z 또는 단결정저전위 나머지영역 Y가 성장한다. 결국, 이와 같이 씨 결정으로서 본 발명에 의한 GaN 결정을 이용해서 두껍게 GaN 결정 성장을 실시했을 경우, 상술한 잉곳과 거의 동등한 잉곳을 얻을 수 있다. 이들의 잉곳으로부터 슬라이스 가공함으로써, 다수매의 질화 갈륨 결정을 얻을 수 있다(청구항 71, 청구항 72).
[본 발명의 질화 갈륨 기판]
본 발명의 결정 성장 방법, 제조 방법에 따라서 제작된 질화 갈륨 기판에 대해서 설명한다. 기계 가공 연마한 후의 기판이기 때문에 평탄하며, 기초 기판도 제거되고 있다. 도 7에 본 발명의 기초 기판 제거·평탄화 후의 GaN 기판을 표시한다. 이것은 CL(캐소드 루미네 센스)에 의한 관찰상을 사시도(斜視圖)해서 알기 쉽게 표시한것으로 육안으로 보는 화상이나 현미경상도 아니다. 육안으로 보면 단지 투명한 유리와 같은 것이다.
규칙 바르게 패턴이 줄지어 있다. 동심원형상의 반복 패턴이다. 중심의 검은 부분이 폐쇄 결함 집합 영역 H이다. 이것은 피트바닥에 연속해서 성장하는 부분이며 심지 S와 그것을 둘러싸는 결정입계 K로 이루어진다. 결정입계 K와 심지 S 또는 결정입계 K가 전위의 소멸, 축적 장소가 되어 있다. 피트는 씨에 계속해서 형성된다. 씨를 기초 기판에 규칙 바르게 배치했으므로 폐쇄 결함 집합 영역 H자체가 규칙 바르게 배열하고 있다.
이 상태에서는 기판을 평탄하게 연마했으므로 피트는 존재하지 않고 씨도 없다. 상하 방향 중간부의 폐쇄 결함 집합 영역 H만이 남는다. 폐쇄 결함 집합 영역 H를 동심형상으로 둘러싸는 흰 바탕의 부분이 단결정저전위수반영역 Z이다. 피트의 경사벽 으로서 성장한 부분이다. 즉, 과거에 있어서 피트의 경사벽이였던 부분이다. 피트는 기계연삭 등으로 제거하고 있기 때문에 존재하지 않지만 그 이력에 해당되는 부분이 단결정저전위수반영역 Z인 것이다.
단결정저전위수반영역 Z는 원형상(12각, 6각)이며 거의 동일한 치수이지만, 인접한 부분의 사이의 단결정부가 단결정저전위 나머지영역 Y이다. 단결정저전위 나머지영역 Y도 단결정저전위수반영역 Z의 저전위이며 단결정이며 C면을 표면으로 한다. 그러나 CL상에서는 명확한 상위가 있어서 명도의 차이가 되어서 나타난다.
본 발명의 질화 갈륨 기판은, 기판 표면 에 있어서 일부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지고, 그 주위에 단결정의 저전위 영역(Y, Z)을 가지는 (청구항 1)것이다.
그것은 H+Y+Z로 이루어진 기본 조직체 1단위에 지나지 않는다. 1단위로 작은조각(小片)으로 절단하면 그처럼 되고, 피트직경이 크게되어서 기판 전체에 피트를 1개만 형성했다고 하는 경우도 그처럼 된다.
또는, 본 발명의 질화 갈륨 기판은, 기판 표면 에 있어서 일부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지고, 그 주위에 단결정의 저전위 영역(Y, Z)을 가지는 기본 조직체(H+Y+Z)를 1단위로해서 복수의 기본 조직체로 이루어지는 것이다(청구항 2). 이상이 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 기본이다.
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 종류]
지금까지 자주 설명하고 있지만 폐쇄 결함 집합 영역 H에는 다양성이 있다. 다결정인 경우도 있고, 단결정인 경우도 있다. 단결정에서도 주위의 단결정(Y, Z)과 결정 방위가 다르다. 다르다고 해도 보통방법으로는 안된다. 주위의 단결정과 <0001>축을 공통으로 해서 그 죽을 중심으로 회전한 단결정의 경우도 있다. <0001>축이 반전하고 있는 경우도 있다. 또한 주위의 단결정으로부터 결정 방위가 약간 어긋나 있는 경우 도 있다.
A. 다결정의 경우(청구항 3)
폐쇄 결함 집합 영역 H가 다결정이고 주위의 부분(Z, Y)은 저전위의 단결정이다. 그 경우는 방위가 다르기 때문에 주위 부분과의 사이에 결정입계 K가 명백하게 존재한다.
B. 주위의 단결정부와 결정 방위가 다른 단결정의 경우
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 단결정이지만 주위의 단결정부와 결정 방위가 다른 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 경우도 있다(청구항 4).
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와는 <0001>축만 합치하지만 나머지의 3축방향이 다른 결정 방위의 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것도 있다(청구항 5).
폐쇄 결함 집합 영역 H의 결정 방위가, 주위의 단결정부와는 <0001>축방향의 결정 방위가 180°달라, 극성이 반전한 단결정 영역으로 이루어지는 경우, 유효하다. 또, 그 경우의 폐쇄 결함 집합 영역 H는 단결정 이외이라도 좋고, <0001>축방향의 결정 방위가 180°다른 한 개 이상의 결정입자이어도 된다.
그 경우는 결정입계 K를 경계 로서 내외에서 (0001) Ga면과 (000-1) N면이 거꾸로 되고 있다. GaN는 반전 대칭성이 없기 때문에, [0001]과 [000-1]면은 상위하다.
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와는 미세하게 경사한 결정 방위를 가진 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것도 있다(청구항 8).
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와는 면형상 결함으로 간막이되어있는 경우도 있다(청구항 9).
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와는 선형상 결함 집합체로 간막이되어 있는 경우도 있다(청구항 9).
C. 주위의 단결정부와 결정 방위가 동일한 경우
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와 결정 방위가 동일한 단결정이지만, 주위의 단결정부와는 면형상 결함으로 간막이되어 있는 경우도 있다(청구항 9).
폐쇄 결함 집합 영역 H가, 주위의 단결정부와 결정 방위가 동일한 단결정이지만, 주위의 단결정부와는 선형상 결함 집합체로 간막이되어 있는 경우도 있다(청구항 9).
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부 구조]
폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부에는 특히 결정 결함이 많다. 전위무리의 집합이나, 면형상 결함이 형성되는 일도 있다. 경계인 결정입계 K가 면형상 결함, 선형상 결함의 집합체인 일도 있어, 내부의 심지 S가 면형상 결함, 선형상 결함의 집합체인 일도 있다.
본 발명의 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정 영역(Z, Y)과는 그 경계부에 있어서 면형상 결함으로 간막이되고, 내부는 결정 결함을 포함한 결정 영역이 되고 있다(청구항 9).
또는, 본 발명의 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정 영역(Z, Y)과는 그 경계부에 있어서 선형상 결함의 집합체로 간막이 되고, 내부는 결정 결함을 포함한 결정 영역으로되어 있다(청구항 9).
본 발명의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S에 포함되는 결정 결함은, 선형상 결함 또는 면형상 결함인 것이 많다(청구항 10).
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상]
폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경은 1㎛∼200㎛이다(청구항 11). 그것은 씨의 직경에 의해서 간단하게 제어할 수가 있다.
기판 표면에 있어서 폐쇄 결함 집합 영역 H가 도트 형상으로 존재하고 있는 일이 있다. 그 직경은 5㎛∼70㎛ 로서, 실제상은 20㎛∼70㎛가 바람직하다(청구항 12). 도트라고 하는 것은 단지 고립해서 점이존재 한다고 하는 것을 표현 한말이며, 형상을 한정하고 있지 않다. 그 형상에 대해서는,
기판 표면에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 부정형인 (청구항 13) 것도 있다.
기판 표면에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 원형인 (청구항 13) 것도 있다.
기판 표면에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 각형인 (청구항 13) 것도 있다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상은, 씨의 형상, 결정 성장 조건, 제어 상황등에 의해 바뀐다.
[전위 밀도의 분포]
본 발명의 질화 갈륨 기판에 있어서 전위 밀도를 평가했다. 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역Y에 있어서 평균의 관통전위 밀도는, 5×106 cm-2이하였다(청구항 15).
또한 미세하게 관찰해 가면, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 극히 근처(단결정저전위수반영역 Z)의 3O㎛이내의 영역에서는, 관통전위 밀도의 약간 높은 1×1O7cm-2∼3×1O7cm-2의 영역이 관찰되는 일이 있다(청구항 14). 그러나, 이것으로부터 떨어지면 극히 전위 밀도의 낮은 1O5cm-2범위 정도 이하의 영역을 볼 수 있다. 낮은부분에서는 5×1O4cm-2의 영역도 볼 수 있었다.
평균전위 밀도는 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 이격함에 따라서 저감한다고 하는 경향을 볼 수 있다(청구항 15). 이것은, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 전위의 가둠이 완전하지않고, H로부터의 전위의 풀어짐의 발생을 볼 수 있기 때문이다.
이들 전위 밀도는, 투과 전자현미경(TEM), 캐소드 루미네 센스(CL), 에치피트밀도(EPD) 측정등에 의해서 평가할 수 있다.
[기판의 방위]
본 발명에 의한 전위 저감의 효과는, 질화 갈륨의 성장 방향이 <0001>방향 일때에 특히 현저하다. 즉 평균적인 성장 표면이 (0001)면이며, 또한 C면을 표면 이 되도록 잘라내었을 경우에 표면의 전위 밀도 감소가 현저하게 나타난다(청구항 16). 그 경우 최종적인 질화 갈륨 기판의 표면은 C면 (0001)이다.
[전위의 연장 방향]
본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판은, 평균적인 성장 방향이 c축방향인 경우, 표면에는 파셋면으로 이루어지는 피트를 많이 형성해 유지하면서 성장시킨다. 피트바닥에는 폐쇄 결함 집합 영역 H를 수반한다. 파셋면은 면에 직교하는 방향으로 성장해 전위는 피트 중심으로 향해 C면에 평행으로 이동하기 때문에 중심에 집중한다. 도 4(1)의 수평 화살표 98, 99는 전위가 C면에 평행으로 폐쇄 결함 집합 영역 H로 향하고 있을 방향을 나타내고 있다. 파셋면으로 이루어진 피트는 전위 구심 작용(Centripetal Function)이 있다. 그 메카니즘에 의해 전위를 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H에 집중시킨다. 그러므로 둘레의 단결정저전위수반영역 Z에서는 대부분의 전위는 C면평행으로 폐쇄 결함 집합 영역 H로 향하는 구심적 분포(Centripeta1 Distribution)를 한다(청구항 20).
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 연장 방향]
본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판은, 평균적인 성장 방향이 c축방향인 경우, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 결정 내부에서 c축방향으로 길게 뻗어서 존재한다(청구항 21). 즉 폐쇄 결함 집합 영역 H는 기판 두께를 횡단하고 있다. 그것은 성장시에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H도 성장 방향으로 평행으로 성장하기 때문이다. 그러므로 평탄한 GaN 기판의 표면이 (0001)면(C면)일때, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 기판 표면에 수직으로 신장하고 있다.
본 발명의 결정 성장은 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 많이 형성해 유지하면서 성장시키므로 요철이 있다. 그러므로 기계연삭하여 연마해서 평탄 평활면을 가진 기판에 가공할 필요가 있다. 평균적인 성장 방향이 c축방향인 경우, 그렇게 만들어진 평면형상 기판은 (0001)면을 표면으로 하는 질화 갈륨 기판이다. 물론 폐쇄 결함 집합 영역 H가 다결정으로 이루어지는 경우, 그 부분만은 다결정이 된다. 또, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 주위의 단결정 영역과 c축방향으로 180°반전하고 있는 경우에는, 그 부분만은 (0001)면, 즉 Ga면이 된다(청구항 17, 청구항 18). 그 경우는, 연마 완료한 단계에서 폐쇄 결함 집합 영역 H에 있어서 단차가 생겨 약간 낮아진다(청구항 19). 이것은, 연마의 하기나름의 차이 때문인것으로 생각된다.
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 패턴]
여러번 설명했으나, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주기적 규칙적 분포의 패턴을 여기서 반복해서 설명한다.
본 발명의 GaN 결정은, 표면에 수직으로 신장하여 결함을 다수 포함한 폐쇄 결함 집합 영역 H와 이것을 동심형상으로 포위하는 단결정저전위수반영역 Z와 그 바깥쪽에 있는 나머지 공간인 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어진 기본 조직체를 1단위로하고 있다. 1단위에서도 된나, 이것을 규칙 바르게 다수 배열한 것도 본 발명의 GaN 기판(청구항 22)이다.
2차원적으로 규칙 바르게 배열하는 패턴은 4개 있다. ㉮. 6회 대칭(도 8), ㉯. 4회 대칭(도 9), ㉰. 2회 대칭(도 10), ㉱. 3회 대칭의 4개이다. 지금까지 ㉮∼㉱에 대해서는 반복해서 설명했지만, ㉱도 있을 수 있으므로 여기에서는 가능한 모든 배열에 대해서 설명한다.
[㉮. 6회 대칭 패턴(도 8, 청구항 23, 24)]
폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z, Y로 이루어지는 기본 조직체를 1단위로서 6회 대칭으로, 즉 구석구석까지 전면에 깐 정3각형의 정점으로 폐쇄 결함 집합 영역 H가 오도록 배열한 것이다. 이것은 가장 조밀한배열이다(청구항 23). 피트는 12각형으로 엄밀하게는 원이 아니지만 이하의 설명에서는 간단하게 원이라고 해서 설명한다. 인접 피트는 외접하는 것으로서 설명한다.
정3각형의 변의 방향 즉 최단 피치 p의 방향이 <1-100>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 24;도 8(b)). 피트 직경을 d로 하면 피치는 p=d이다. 벽개 했을 때 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h를 넓게 할 수 있다. GaN의 벽개면은 M면{1-100}이지만 방향으로 하면 <11-20>이다. <11-20>방향으로 절단 했을 때, 피트의 직경을 d로 하면, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격은, h=31/2d가 된다는 것이다. 벽개와 직교 할 방향의 반복 피치 q는 좁다. q=d이다.
정3각형의 변의 방향 즉 최단 피치 p의 방향이 <11-20>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 24;도 8(a)). 피치는 p=d이다. 벽개(<11 -20>방향으로 절단했다) 때의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h가 좁다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격은, h=d가 된다. 그러나 벽개면에 직교할 방향의 반복 피치 q를 크게 할 수 있다. q=31/2d이다.
H, Z, Y의 단면적을 비교한다. 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y의 비는 패턴이 정해지면 결정된다. 그러나 동심의 Z와 H의 비는 그렇게되면 정해지지 않는다. Z와 H의 반경의 비를 §로 하면 (§>1)과,
Z:H= §2-1:1
Y:(H+Z) =§2×31/2-π:π=1:10
이다. 단결정저전위 나머지영역 Y가 가장 좁아지는 패턴이다. 단결정저전위 나머지영역 Y는 C면 성장한 부분이며 전도율이 낮다. 단결정저전위 나머지영역 Y의 비율이 낮기 때문에 도전성 기판으로서의 용도에 적합하다.
[㉯. 4회 대칭 패턴(도 9, 청구항 25, 26)]
폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z, Y로 이루어진기본 조직체를 1단위로해서 4회 대칭으로 즉 구석구석까지 전체면에 깐 정4각형의 정점으로 폐쇄 결함 집합 영역 H가 오도록 배열한 것이다(청구항 25).
정4각형의 변의 방향이 <1-100>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 26;도 9 (a)). 피트 직경을 d로 하면 피치는 p=d이다. 벽개 했을 때 (<11-20>방향으로 절단 했을 때)의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h는 좁다(h=d). 벽개와 직교 할 방향의 반복 피치 q도 좁다(q=d).
정4각형의 대각선의 방향이 <1-100>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 26;도 9(b)). 피트 직경을 d로 하면 피치는 p=d이다. 벽개 했을 때 (<11-20>방향으로 절단 했을 때)의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h는 넓다(h=21/2d). 벽개와 직교 할 방향의 반복 피치 q 도 넓다(q=21/2d).
H, Z, Y의 단면적을 비교한다.
Z:H= §2-1:1
Y:(H+Z)=4-π:π=1: 3.66
이다(§는 Z와 H의 반경의 비). 단결정저전위 나머지영역 Y가 보다 넓어진다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격도 확대하고 정4각형 칩의 디바이스를 제작하는데 적합한 것이된다.
[㉰. 2회 대칭 패턴(도 10, 청구항 27, 28)]
폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반역 Z, Y로 이루어진 기본 조직체를 1단위로해서 2회 대칭으로 즉 구석구석까지 전체면에 깐 직4각형의 정점으로 폐쇄 결함 집합 영역 H가 오도록 배열한 것이다(청구항 27). 직4각형의 긴변과 짧은변의 비를 §로 한다(§>1).
직4각형의 짧은변의 방향이 <11-20>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 28; 도 1O(a)). 피트 직경을 d로 하면 짧은변 방향의 피치는 p=d이고 긴변방향의 피치는 ξd이다. 벽개 했을 때 (<11-20>방향으로 절단 했을 때)의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h는 좁다(h= d). 벽개와 직교 할 방향의 반복 피치 q는 넓다(q=ξd).
직4각형의 짧은변의 방향이 <1-100>방향이 되도록 할 수 있다(청구항 28; 도 10(b)). 피트 직경을 d 로 하면 짧은변 방향의 피치는 p=d이고, 긴변방향의 피치는 ξd이다. 벽개 했을 때 (<11-20>방향으로 절단 했을 때)의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격 h는 넓다(h=ξd). 벽개와 직교 할 방향의 반복 피치 q는 좁다(q=d).
H, Z, Y의 단면적을 비교한다.
Z:H=§2-1:1
Y:(H+Z)=4ξ―π:π=1+4.66(ξ-1): 3.66
이다(§는 Z와 H의 반경의 비). 단결정저전위 나머지영역 Y가 보다더 넓어진다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격도 확대하여 정방형 칩, 직4각형 칩의 디바이스를 제작하는데 적합한 것이된다.
[㉱. 3회 대칭 패턴]
폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 주위의 단결정저전위수반영역 Z, Y로 이루어진기본 조직체를 1단위로해서 3회 대칭으로 즉 구석구석까지 전체면에 깐 정6각형의 정점으로 폐쇄 결함 집합 영역 H가 오도록 배열한 것이다. 이것은 도 8의 구조에 있어서 1개걸러 기본 조직체를 제거한 것으로 소배열이다.
정6각형의 변의 방향 즉 최단 피치 p의 방향이 <1-100>방향이 되도록 할 수 있다. 정6각형의 변의 방향 즉 최단 피치 p의 방향이 <11-20>방향이 되도록 도 할 수 있다.
H, Z, Y의 단면적을 비교한다. 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y의 비는 패턴이 정해지면 결정된다. 그러나 동심의 Z와 H의 비는 그렇게되면 정해지지 않는다. Z와 H의 반경의 비를 §로 하면(§>1)과,
Z:H=§2-1:1
Y:(H+Z)=3×31/2-π: π=1:1.5
이다. 단결정저전위 나머지영역 Y가 넓어지는 패턴이다. 6회 대칭의 것의 6배정도이다. 단결정저전위 나머지영역 Y는 저전위로 단결정이기 때문에 이것이 넓으면 여유를 가지고 디바이스 제작을 할 수가 있다.
[폐쇄 결함 집합 영역 H의 간격]
본 발명의 질화 갈륨 기판에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 중심간 거리는, 50㎛∼2000㎛이다(청구항 29). 이것은 피트 형성상의 제약으로부터 오는 것이다.
[폐쇄 결함 집합 영역 H가 기판을 관통하는 것]
본 발명의 질화 갈륨 기판 에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 c축방향으로 길게 뻗고 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H가 기판을 관통해서 존재한다(청구항 30).
c축방향의 결정 성장의 경우, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 c축방향으로 신장한다. C면을 표면으로하는 기판의 경우, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 두께 방향으로 기판을 관통한다.
이상으로 설명한 단결정 질화 갈륨 기판을 이용해 반도체 레이저 디바이스를 제작할 수가 있다. 매우 저전위이며, 도전성의 기판이기 때문에 길이 수명의 고성능 레이저가 생긴다.
질화 갈륨의 성장방법에 대해서는, 이미 설명한 바와같이, HVPE, MOCVD법, MBE법, MOC법, 승화법이 있다. 본 발명의 방법은 어느 제조 방법을 이용해도 실 시 할 수가 있다.
[실시예]
[실시예 1(사파이어 기판, 도 11)]
본 발명의 GaN 기판을 제조하는 방법(실시예 1)을 설명한다. 제조 공정을 도 11에 표시했다. 기초 기판으로서 사파이어 C면기판(51)을 사용했다. 도 11(1)은 사파이어 기판(51)을 도시 하고 있다. 사파이어는 3방정계(Trigona1 symmetry)이며, GaN는 6방정계에 속한다. 이미 실용화 되고 있는 LED, LD에서는 오로지 사파이어 C면기판이 이용되고 있다.
사파이어 기판(51)에 미리 MOCVD법(유기금속CVD법)에 의해서, 두께 약 2㎛의 GaN 에피택셜층(52)를 형성했다. 표면은 GaN의 C면이 된다.
GaN에피택셜층(52)의 윗면에, 두께 100nm의 SiO2막을 똑같이 성막했다. 이것은 씨(53)을 규칙 바르게 GaN 에피택셜층(52)의 위에 설정하기 위한 것이다. 사진평판기술에 의해 소망하는 씨 패턴(53)을 형성했다. 씨 패턴은 마스크라고 부르는 일도 있다. 씨 패턴(53)은, 동일사이즈의 정3각형을 1변의 방향이 <11-20>(a방향)이 되도록 빠짐없이 전체면에 깔아서 그 정3각형의 정점으로 위치 하도록 다수의 원형부(53)을 남겨 그 이외의 부분을 제거한 패턴이다. 원형부가 씨(53)이 된다. 정3각형의 배치는 도 8, 도 9에 나타내는 것 같은 6회 대칭의 배치가 된다. 그것은 C면위의 GaN가 6회 대칭인 것에 대응한다. 그 상태를 도 11(3)에 표시한다.
씨 패턴은 6회 대칭이지만, 원형 부분의 직경과, 원형의 피치를 변화시킨 다음의 4종류의 패턴 A, B, C, D로 했다. 각각의 씨 패턴의 원형부의 직경과, 원형부의 피치(정3각형변 길이)는 다음과 같다.
패턴 A 원형부 직경 50㎛ ; 정3각형변 길이 400㎛
패턴 B 원형부 직경 200㎛ ; 정3각형변 길이 400㎛
패턴 C 원형부 직경 2㎛ ; 정3각형변 길이 20㎛
패턴 D 원형부 직경 300㎛ ; 정3각형변 길이 2000㎛
각각의 씨 패턴 A, B, C, D를 가진 샘플 A, B, C, D라고 부르기로 한다.
(1) 샘플 A, 샘플 B의 성장
씨 패턴 A를 가진 샘플 A와, 씨 패턴 B를 가지는 샘플 B의 위에 GaN 결정을 성장시켰다. 성장법으로서는 HVPE법을 이용했다. 세로길이의 반응로는 내부 위 쪽에 Ga메탈을 수용한 장벽보트를 가져 아래쪽으로는, 기판을 상향으로 얹어놓은 서셉터가 설치된다. 서셉터의 위에 기판을 설치한다. 여기에서는, 샘플 A와 샘플 B를 서셉터에 실어서 동일한 조건으로 GaN 성장시킨다.
반응로의 위 쪽으로부터 수소 가스 (H2)와 염화 수소(HC1) 가스를 Ga보트에 공급하게 되어 있어, 암모니아 가스(NH3)와 수소 가스를 서셉터에 실은 기판의 바로 옆에 공급할 수 있게 되어 있다. 수소 가스는 캐리어 가스이다.
실시예 1에서는, 반응로는 상압으로서 Ga보트는 800℃이상으로 가열했다. 사파이어 기판은 1050℃에 가열했다. Ga와 HC1로 GaC1가 합성된다. GaC1가 하강해서 기판 부근에 이르러 암모니아 가스와 반응한다. 반응 생성물인 GaN가, GaN 에피택셜층(52)나 씨(53)의 위에 퇴적한다.
에피택셜층의 성장 조건은 다음과 같다.
성장 온도 1050℃
NH3 분압 0.3atm(30kPa)
HC1 분압 0.02atm(2kPa)
성장 시간 10시간
이 성장의 결과, 패턴 A, 패턴 B의 위에, 1200㎛두께의 GaN 에피택셜층을 가진 샘플 A, 샘플 B를 얻을 수 있었다. 도 11(4)은 그 상태를 나타내고 있다.
[샘플 A의 관찰(SEM, ℃EM, CL)]
먼저 샘플 A에 대해 관찰했다. 샘플 A는, 역(逆) 12각추의 파셋면(56)으로 이루어지는 피트를 1면에 가지고 있다. 파셋면(56)으로 이루어지는 피트는 기판 위에 규칙 바르게 배열하고 있는 것이 현미경 관찰에 의해 알았다.
피트의 배열의 규칙성은 처음의 마스크(씨 패턴)와 일치하고 있었다. 또한 파셋면(56)으로 이루어진 피트의 중심(59)의 위치는 처음에 GaN층의 위에 부여된 원형부(씨)의 위치와 정확하게 합치하고 있었다. 그것은 씨(53)의 바로 윗쪽이 피트 중심(59)라고 하는 것이다. 피트 중심(59)는 정3각형을 전체면에 깐 패턴의 정점으로 줄서게 된다. 그 정3각형은 1변이 400㎛였다.
샘플 A의 표면에 나타나는 피트의 직경은 약 400㎛였다. 그것은 원형부의 배열의 피치(정3각형의 1변의 길이)와 동등하다. 이것은 씨 패턴(53)(SiO2)의 위에 피트가 원추형상으로 성장했다고 하는 것이다. 또한 인접한 씨로부터 성장한 피트는 서로 접촉하고 있는 것도 알수있다.
빠짐없이 전체면에 깐 반복되는 정3각형의 정점에 겹치도록 형성한 씨(원형부)(53)을 중심으로해서 파셋면(56)으로 이루어진 피트가 성장해 갔다고 하는 것이다. 도 11(4)에 있어서, 씨(53)의 위에 절구모양의 피트가 존재한다. 절구모양 피트의 바닥(59)는 앞서설명한 폐쇄 결함 집합 영역(55)(H)가 되고 있다(폐쇄 결함 집합 영역(55)의 주위의 경계선(60)이 결정입계가 된다). 인접 피트의 이음매에는 평탄부(57)이 존재한다. 이음매 평탄 부분(C면)(57)은 기판면으로부터 원형 피트를 제외한 십자형의 부분이다.
이해를 빨리 하도록 결정 내부와 피트의 관계에 대해서 미리 결론을 설명한다. 결정의 내부에는, 씨(53)의 위에 성장한 부분과 그렇지 않은 부분이 있다. 씨(53)의 위에 성장한 부분이 폐쇄 결함 집합 영역(55)와 피트바닥(59)이다. 이것이 가장 성장이 늦는 부분이다. 그러므로 피트의 바닥(59)가 폐쇄 결함 집합 영역(55)가 되어 성장이 지속 하면 그 위 아래가 전부 폐쇄 결함 집합 영역이 되는 것이다. 씨(53)(SiO2)은 GaN 아니기 때문에 성장이 늦어져 그 때문에 여기가 피트의 바닥(59)가 되는 것이다. 피트는 결함을 모으면서 성장이 진행하므로, 성장의 가장 늦은 씨 바로 그 윗부분에 결함이 집합해서 폐쇄 결함 집합 영역(55)가 되는 것이다. 즉 결정에 표면의 피트바닥(59)와, 폐쇄 결함 집합 영역(55)와, 씨(53)이 상하로 1대 1의 대응을 하는 것이다.
또한 피트의 경사면의 바로밑으로 성장한 부분이 단결정저전위수반영역(54)(Z)에 해당 한다. 그 부분 Z는 단결정이 되어 있다. 상하 방향으로 씨 주위-단결정저전위수반영역 Z(54)-피트 경사벽(56)이라고 하는 대응이 있다. 피트와 피트의 이음매에 약간의 평탄부(57)이 남는다. 평탄부(57)의 바로밑이 단결정저전위 나머지영역(58)이 된다. 그 부분도 단결정이다. 상하 방향으로 씨의 틈새-단결정저전위 나머지영역(58)-평탄부(57)이라고 하는 것 같은 대응 관계가 있다.
현미경거울 관찰에 의하면, 12각형의 피트간의 틈새의 부분의 평탄부(57)은 모두 경면형상의(0001) 면이 되고 있었다. 피트 내부의 경사면(파셋면)은 {11-22}면, {1-101}면의 집합이 되고 있었다. 또한 피트의 바닥에는 약간 각도가 얕은 파셋면(59)가 존재하고 있는 것을 알게되었다.
샘플 A를, {1-100}벽개면에서 벽개 했다. 벽개면에 나타나는 피트의 단면을 관찰했다. 단면 관찰은, 주사형 전자현미경(SEM)과 캐소드 루미네 센스 (CL)에 의해 행하였다.
이 관찰의 결과 피트바닥(59)아래에는, 어느 정도의 폭을 가지고 C축방향(성장 방향)으로 신장하고 있는, 다른 부분과 구별할 수 있는 부분이 있는 것을 알게되었다( 후에 폐쇄 결함 집합 영역이라고 명명하는 부분). 그 구별 가능한 신장 방향으로 신장하는 부분(폐쇄 결함 집합 영역 H)은 직경이 40㎛정도로서, CL에 의해, 다른 영역에 비해 어두운 콘트라스트가 되었다. 이 부분은 명확하게 다른 부분과 구별할 수 있었다. 또한 여러가지 부분에서 벽개함에 따라서, 이 구별 가능한 C축방향 연장 부분이 3차원적으로 기둥 모양으로 존재하고 있는 것을 알았다.
또한 피트바닥(59)에 계속되는 기둥 모양의 부분을 CL(캐소드 루미네 센스)와 TEM(투과 전자현미경)에 의해 보다 상세하게 분석했다. 그 결과전위의 모습이 다른 부분과 현저하게 상위한 것을 알았다. 즉 어두운 선형상의 경계선(60)에 의해 둘러싸인 부분(폐쇄 결함 집합 영역)은 수많은 전위가 존재했다. 전위 밀도로 1O8∼1O9cm-2의 고전위 밀도였다. 또한 어두운 선형상의 경계선(6O)(후에 결정입계 K인 것을 알 수 있다)은 전위의 집합체인 것을 알았다.
경계선(60)(결정입계 K)에 의해 둘러싸이는 부분(55)는 결정 결함의 집합인 것도 알았다(이것이 심지 S에 대응한다). 결정 성장의 방향으로 신장하는 3차원적인 구조를 가지는 이 영역(55)는 결정 결함을 다수 가지고 있으며, 명확한 경계선(60)으로 둘러싸여 있다. 그래서 그 부분(55)를 심지 S라고 부른다. 결함을 포함한 심지 S와 그것을 둘러싸는 결함 집합체인 경계선(결정입계 K)을 아울러 폐쇄 결함 집합 영역 H라고 부르기로 했다(H=K+S). 폐쇄 결함 집합 영역은 그 외의 부분보다 훨씬 결함 밀도가 높고 결정의 성질도 상위하다. 그래서 여기를 외부로부터 구별하는 것이 중요하다.
폐쇄 결함 집합 영역은 도 11(3)의 씨(53)의 위에 생기기 때문에 폐쇄 결함 집합 영역의 위치를 적극적으로 제어하는 것이 가능하다. 이 제어 가능성이 넓은 용도를 전망을 본 발명에게 주고 있다.
눈을 폐쇄 결함 집합 영역 H의 외측으로 돌린다. 어두운 경계선(결정입계 K)의 외측의 영역 에 있어서는, 전위 밀도는 극히 낮다. 즉 경계선을 경계로 전위 밀도는 현저한 비대칭성을 나타낸다. 경계선에서 외측은 저전위 밀도로 되어 있으며, 경계선의 극히 근처에서는, 1O6∼1O7cm-2의 중간 정도의 전위 밀도의 부분이 존재한다. 그러나 경계선으로부터 떨어짐에 따라 전위 밀도는 감소해 간다. 경계선으로부터 1OO㎛정도 떨어지면, 전위 밀도는 1O4∼1O5cm-2이나 저하하고 있다. 장소에 따라서는 경계선의 근처에서도 전위 밀도는 1O4∼1O5cm-2인 부분도 있다. 경계선의 외부에서는 이와 같이 피트의 중심(59)로부터 떨어짐에 따라 전위 밀도는 내려 간다.
그 부분의 전위는 적지만 그 연장 방향은 대부분이 C면에 평행이다. C면에 평행이며 게다가 그것은 중심의 폐쇄 결함 집합 영역의 방향으로 뻗는 경향이 있다. 또한 폐쇄 결함 집합 영역 외부의 전위 밀도는 처음 꽤 높으나, 성장과 함께 전위 밀도가 낮아져 가는 것을 알 수 있다. 즉 경계선 외부에 있어서 적층의 초기와 종기를 비교하면 전위 밀도가 서서히 감소해 가고 있는 것을 알 수 있다. 또한 경계선 외부는 단결정인 것을 알 수 있었다.
즉 그러한 사실은 이런 것을 시사하고 있다. 경계선의 외측의 결함은 성장과 함께 파셋면에 의해 중앙부(폐쇄 결함 집합 영역)로 쓸어모으고, 경계선에 축적된다. 그 때문에 외부에서의 전위 밀도는 감소 하고, 경계선에서의 전위 밀도는 높은 것이다. 경계선으로부터 더욱 결함이 내부의 심지 S에까지 들어간다. 이들 전위 결함의 경계선부와 심지 S에 있어서의 존재 비율등, 자세한 것은 아직 알려져 있지않다.
경계선의 외부라고 해도 번잡하기때문에 , 그 성질을 들어 단결정저전위 영역이라고 부르기로한다. 그러나 경계선 외부라고 해도 2개의 구별할 수 있는 영역이 있다. 즉 피트의 경사벽(56)이 통과한 부분(54)와, 피트의 틈새의 평탄부(57)이 통과한 부분(58)은 상위하는 것이다. 피트 경사벽(56) 직하 부분(54)는 파셋에 따라 성장함에 따라서 저전위가 되어 있다. 그러므로 여기에서는 「단결정저전위수반영역 Z」라고 부르기로 한다. 파셋에 수반 하기 때문에 수반영역이라고 부르는 것이다. 이 부분은 폐쇄 결함 집합 영역에 수반 하는 부분이기 때문에 폐쇄 결함 집합 영역이 고밀도에(씨가 고밀도에) 존재함에 따라서 증가하는 부분이다.
평탄한 부분(57)(C면에 평행한 경면 부분)의 직하의 부분(58)은 가장 저전위이며 깨끗한 결정질의 영역이다. 이것은 파셋면이 통과한 부분이 아니지만 파셋면의 영향에 의해 저전위화한 부분이다. 파셋는 원형이나 12각형을 해서 위로 뻗어 가기 때문에 아무래도 여분의 부분이 남는다. 동등한 정3각형에 의해 평면을 빠짐없이 덮을 수가 있고, 동등한 정6각형에 의해 평면을 덮을 수도 있다.
그러나 정12각형이나 원형에 따라서는 평면을 빠짐없이 덮는다고 하는 일은 할 수 없다. 아무래도 일부가 남아 버린다. 동일 치수의 원형을 인접하도록 전체면에 깔았다고 해도 십자형의 부분이 남는다. 그러한 부분은 평탄부(57) 아래의 (58)이 되지만 역시 저전위이며 단결정인 것을 알 수 있었다. 파셋의 외측에 있으므로 여기는 「단결정저전위 나머지영역 Y」라고 부르기로 한다. 「나머지」라고 하는 것은 파셋의 나머지의 부분이라는 말이다. 이 부분은, 폐쇄 결함 집합 영역이 고밀도로 존재함에 따라서 면적이 감소한다. 그 점에서 앞서의 단결정저전위수반영역 Z와는 다르다. 그러나 결정이 저전위이며 단결정인 점은 공통이다.
즉 전체GaN의 표면T는, 폐쇄 결함 집합 영역 H, 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y의 합계이며, 폐쇄 결함 집합 영역은 심지 S와 결정입계 K의 합이다.
T=H+Z+Y,
H=S+K
이렇게 해서 용어를 정의해 결정의 구별을 했다. 이것에 의해 본 발명의 GaN 결정의 구조가 보다 명확하게 되었다.
또한 이 폐쇄 결함 집합 영역 H와, 피트내의 파셋면(56)의 관계에 대해서 상세하게 검토했다. 이 피트를 형성하는 파셋면은 {11-22}면, {1-101}면이 주류로 되고 있어, 피트의 바닥(59)에는 이들의 파셋면(56)에 대해서 약간 각도가 얕은 파셋면(59)가 존재하고 있다. 이것은 앞서 설명되어 있다. 얕은 파셋면(59)는 무엇인가? 라는 것이다.
조사한 결과, 보다 얕은 부분에의해 결정 성장이 이루어진 부분이 폐쇄 결함 집합 영역 H에 해당된다는 것을 알게되었다. 각도의 얕은 파셋면(59)와 각도의 깊은 파셋면(56)의 경계에 계속되는 것이 폐쇄 결함 집합 영역 H의 경계인 결정입계 K(60)이다. 샘플 A의 경우 각도의 얕은 파셋면이 폐쇄 결함 집합 영역 H를 형성 한다고 하는 것이 분명하게 되었다.
또한 각도의 얕은 파셋면(59)는, 피트바닥의 양측으로부터 형성되고 있다. 각도의 얕은 파셋는 주변부에서는 c축방향으로 신장해 결정입계 K가 되어 있다. 각도의 얕은 파셋면은 중심부에서는 c축방향으로 뻗어 심지 S가 된다. 양쪽 모두 아울러 폐쇄 결함 집합 영역 H가 된다. 심지 S의 부분이 전위 밀도가 높다. 파셋면{11-22}면, {1-101}면에 의해 피트 중앙에 모아진 전위는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S에 축적된다. 그에 따라 주변부가 저전위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y가 된다.
본 발명은 항상 파셋를 유지 하면서 성장시킴에 따라서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 파셋의 바닥에 부수하고, 또한 결함을 결정입계 K에 수속 시키는 것이 밝혀져 왔다. 일부는 심지 S에도 집적하고 있을지도 모른다. 그처럼 해 본 발명의 성장 방법은 파셋면에 의해 폐쇄 결함 집합 영역의 주위의 부분의 전위를 저감 하고 있다고 하는 것을 알 수 있다.
[샘플 B의 관찰(SEM, TEM, CL)]
샘플 B에 대해서도 SEM,℃EM, CL에 의해 관찰했다. 그 결과는 비슷한 것이다. 그러나 샘플 B에서는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 크기가 180㎛로 컸다. 샘플 A에서는 폐쇄 결함 집합 영역 직경이 40㎛였기 때문에 그것은 직경으로 4배 이상, 면적이 20배가 된다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상은 단면 형상은 부정형이며, 3차원적으로는 기둥 모양이다.
또한 샘플 B의 폐쇄 결함 집합 영역 H를 상세하게 조사했다. 폐쇄 결함 집합 영역 H에는, 주위의 단결정 영역 Z, Y에 대해서 미세하게 경사지고 있는 것을 알았다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부에 있어서, 몇개의 결정 방위가 다른 부분 영역이 있는 것도 알았다. 부분 영역의 결정 방위는 각각 미세하게 경사지고 있다. 샘플 B의 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 전위 결함이나, 면형상 결함을 포함해, 미세하게 경사진 브레인을 포함한다고 하는 일 도 알았다.
(샘플 A, 샘플 B의 가공)
샘플 A, 샘플 B의 기판을 연삭가공했다. 뒷면의 사파이어 기판을 연삭가공으로 깎아 내렸다. 그 후 표면을 연삭가공해서, 평판인 기판모양으로 했다. 그 후 연마 가공해서, 평탄한 표면을 가지는 GaN 기판으로 했다. 직경 1인치 정도의 크기의 GaN기판을 얻을 수 있었다. 도 11(5)과 같은 형상이 된다. 파셋가 없지만, 파셋 중심부의 직하는 폐쇄 결함 집합 영역 H(55)로, 파셋벽아래는 단결정저전위수반영역 Z(54)로, 평탄부(C면)의 직하 부분은 단결정저전위 나머지영역 Y(58)가 되어 있다. 결정입계 K가 경계(60)을 부여한다. 도 11(5)은 단면도이므로 구별해서 그리고 있지만, 육안으로 보았을 경우 유리판과 같이 한결같은 투명판에 지나지 않고 현미경으로도 그러한 차이는 알수없다.
이 GaN 기판은, 표면을(0001)면, C면으로 하는 기판이다. 기판 자체는 투명하고 평탄하다. 그러나 기판 표면의 CL상을 관찰하면, 결정 성장의 이력이 콘트라스트 로서 관찰할 수 있다. GaN의 밴드끝에 가까운 파장의 360nm의 광으로 CL관찰하면, 폐쇄 결함 집합 영역이 400㎛피치로 규칙 바르게 줄지어 있다고 하는 것을 알았다. 이것은 마스크(53)의 피치와 같다.
또, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 어두운 콘트라스트 로서 보이는 것이 많지만, 장소에 따라사는 밝은 콘트라스트가 된다. 반드시 그 들의 성질이 합치하지 않는 것이 있다. 밝음, 어둡다고 해도 CL상의 것이며 육안 관찰에서는 완전히 똑같고 투명 평탄하다. 현미경 관찰에서도 투명하고 평탄하다. CL상으로서 비로소 밝음, 어둡다고 하는 차이가 나오는 것이다.
그러나 파셋의 피트벽(56)에 계속해서 성장한 단결정저전위수반영역 Z는, 12각형의 밝은 콘트라스트 로서 보인다.
평탄분(57)아래의 단결정저전위 나머지영역 Y는 어두운 콘트라스트 로서 보인다. 이것은 C면 성장한 부분이다. CL에 의해서 관찰하면 콘트라스트에 의해서, 간단하게 둥근 폐쇄 결함 집합 영역 H, 그 동심원의 단결정저전위수반영역 Z, 잔여의 단결정저전위 나머지영역 Y를 구별할 수가 있다.
폐쇄 결함 집합 영역 H는 c축방향으로 신장하고 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 기판 결정을 관통해서 기판 표면에 수직으로 뻗는 것으로서 존재하고 있다. 그렇지만 기판에 구멍이 열려 있는 것은 아니다. 기판은 똑같은 충전물이다. CL에 의해 비로소 보이는 조직이다. 그러나, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 영역이, 약간의 단차가 생겨서 움푹 팬 곳이 있는 경우가 있다. 특히 샘플 A에 대해서는 0.3㎛정도의 단차를 볼 수 있었다. 이것은 폐쇄 결함 집합 영역 H 에 있어서 연마시의 연마 속도에 약간의 차이가 있었기 때문인 것으로 생각된다.
평탄한 기판 형상이 되어 있기 때문에, 관통전위 밀도 등은 측정 용이하다. CL상, 에치피트, TEM에 의해서 관찰할 수가 있다. 그러나 CL상으로 관찰하는 것이 가장 용이하다.
CL상에서는 관통전위는 어두운점으로서 관찰된다. 샘플 B, 샘플 A에서는, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부에 관통전위가 집중하고 있는 것을 알았다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 경계에 전위가 집합해서 선형상으로 줄지어 있다고 하는 것도 알았다. 이것은 3차원적으로는 면형상 결함에 상당한다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 CL에서도 어두운 폐쇄곡선(경계선;결정입계 K)으로 명확하게 구별된다.
폐쇄 결함 집합 영역 H는 샘플 A에서는 40㎛직경(씨는 50㎛직경)으로 형상은 각형, 부정형이었다. 폐쇄 결함 집합 영역은 샘플 B에서는 180㎛직경(씨는 200㎛)이며, 둥그스름을 띤 부정형이었다. 샘플 A, B의 차이는 폐쇄 결함 집합 영역의 직경 뿐이다. 그리고 그것은 씨(SiO2)의 크기에 의존한다.
샘플 A, 샘플 B 모두 폐쇄 결함 집합 영역 H의 외측(단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y)은, 전위는 적고, 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 떨어짐에 따라서 전위 밀도는 감소한다. 장소에 따라서는, 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 바로 전위 밀도가 격감하는 일도 있다. 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에 있어서 평균의 전위 밀도는 5×106cm-2이하였다. 단결정저전위 나머지영역, 단결정저전위수반영역에서는 전위는 C면에 평행으로 폐쇄 결함 집합 영역 H를 향해서 달리고 있는 것이 많다. 그러므로 전위는 폐쇄 결함 집합 영역 H에 흡수 축적되므로 그 외의 영역(단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y)에서 전위가 낮아지는 것이라고 생각된다.
샘플 A, B의 GaN 기판을 KOH 수용액에 의해서 온도를 올려 에칭했다. 샘플 B에 대해서 관찰하면, 특히 폐쇄 결함 집합 영역이 선택적으로 에칭 되기 쉽다고 하는 부분이 존재했다. 그 외의 단결정저전위 나머지영역, 단결정저전위수반영역은 에칭되기 어렵다. 폐쇄 결함 집합 영역에는 에칭 되기 쉬운 부위와 되기 어려운 부위가 있다. 그 말은 폐쇄 결함 집합 영역 H는, Ga면인 (0001)면만이 아니어서(에칭 되기 어렵다), N(질소)면인 O00-1)면이 되고 있는 부분도 있다는 것이다. 단결정저전위 나머지영역이나 단결정저전위수반영역은 Ga면(0001)면만으로 에칭되기 어렵고, 폐쇄 결함 집합 영역은 일부극성이 반전하고 있어 질소면(000-1)이 나와 있기 때문에 KOH에 의해서 에칭 되고 쉬운 부분이 일부에 출현한 것일 것이다. 이와 같이 폐쇄 결함 집합 영역에는 극성이 일부 역전한 부위도 존재한다.
그에 대해, 샘플 A에 대해서 상세하게 관찰하면, 대부분의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 부분이 에칭 되고 움푹 팬 곳이 있었다. 또한 TEM(투과 전자현미경) 관찰 결과와 합해서 분석한 결과, 이 샘플 A의 폐쇄 결함 집합 영역 H에 대해서는, 대부분이 주위의 단결정 영역과는 결정 방위가 <0001>방향으로 180°역전한 단결정으로 이루어지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 연마 후의 표면은 주위의 단결정 영역이 Ga면인데 대해, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 질소면이다. 또한, 상세한 해석의 결과, 샘플 A의 수많은 폐쇄 결함 집합 영역 H안에는, 결정 방위가 <0001>방향으로 180°역전하고 있지만 복수의 결정입자로 이루어지는 부분도 있는 것이 판명되었다.
또한, 이들의 결과로부터, 샘플 A의 결정 성장시에 있어서의 폐쇄 결함 집합 영역 H에 상당하는 경사각의 작은 파셋의 면지수는, {11-2-4}, {11-2-5}, {11-2-6}, {1-10-2}, {1-10-3}, {1-10-4}인 것으로 생각된다.
샘플 A(씨직경 50㎛), 샘플 B(씨직경 200㎛)의 GaN 기판은 기본적인 성질은 공통이다. 가장 큰 틀림은, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 크기이다(40㎛ 와 180㎛). 그것은 씨(SiO2)의 크기에 의해서 미리 결정할 수가 있다. 기판 면적을 가능한 한 유효하게 이용하기 위해서는, 전위가 많은 폐쇄 결함 집합 영역 H를 작게 하는 것이 좋다. 그리고 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z를 크게 하는 것이 유리한 계책이다.
그렇지만 너무나 폐쇄 결함 집합 영역 H를 지나치게 작게(씨를 작게) 하면, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 처음부터 형성되지 않는다고 하는 일이 있다. 그렇게 되면 파셋 성장에 의해서 결함을 쓸어모은다고 할 수 없으며, 단결정저전위 나머지영역이나 단결정저전위수반영역을 하지 못하고 전위 밀도를 낮추는 것을 할 수 없다.
[샘플 C(씨직경 2㎛, 피치 20㎛)의 성장]
2㎛직경의 씨를 20㎛변의 정3각형의 정점으로 분포시킨 샘플 C에 대해 GaN 성장을 실시했다. 이것은 씨 직경이 작고 피치도 작은 예이다. 상술한 샘플 A, B와 마찬가지로 HVPE법으로 성장 시키려고 했다. 그러자 2㎛직경의 씨(SiO2)가 메워져 버리고 파셋 성장 시켜서도, 파셋바닥이 씨로부터 발생하게되는, 관계가 되지 않았다. 그러므로 씨(53)에 의해서 파셋 중심을 규정할 수가 없었다. 랜덤인 파셋의 분포가 되어 버렸다. 피트 위치의 제어를 할 수 없었다. 그것은 문제이다.
그래서 HVPE법을 그만두어 MOCVD법에 의해 늦은 성장 속도로 GaN 결정을 성장시켰다. 성장 속도를 떨어뜨리는 것은 씨(SiO2)으로부터 피트를 일어서게 하기 때문에 있다.
MOCVD법은 금속Ga를 사용하지 않고, Ga를 포함한 유기금속을 원료로 한다. 가스 원료는 트리 메틸 갈륨(TMG;3족가스)과 암모니아 가스 (NH3;5족가스)와 수소 가스(H2;캐리어 가스)를 이용한다.
반응로의 서스셉터에 샘플 C를 두어 1030℃에 가열 하고, 원료 가스를 상압으로 3족:5족비=1:2000으로 공급해서 GaN의 성장을 실시했다. 성장 속도는 4㎛/h이며, 성장 시간은 30시간이었다. 120㎛정도의 두께의 GaN 층을 성장시킬 수가 있었다.
이것에 의해 씨(53)을 바닥으로한 피트형상의 파셋를 가진 결정 성장을 했다. 피트바닥이 씨(53)의 위치에 합치하므로 피트 배치의 제어가 가능하다. 피트의 바닥에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 연속한다.
샘플 C에 있어서는 씨의 직경은 2㎛로 극히 작지만, 피트바닥에 생긴 폐쇄 결함 집합 영역 H도 그것에 따라 작아서 직경은 1㎛정도였다. 즉 씨(53)은 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위치를 부여할 뿐만 아니라 그 크기도 부여할 수 있다는 것이다.
피트의 경사면(56) 아래에 연속해서 단결정저전위수반영역 Z가 성장했다. 피치가 좁기때문에 이것은 작은 원이 된다. TEM 관찰에 의해서 여기는 저전위로 단결정인 것을 확인했다. 피트간의 평탄면(C면)(57)에 대응해서 단결정저전위 나머지영역 Y도 발생했다. 여기도 저전위로 단결정이었다. 그러한 성질은 샘플 A, B와 공통이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H가 극히 작다고 하는 부분이 샘플 C의 특징이다. HVPE에서는 불가능해도 MOCVD법을 사용하는 것에 의해 작은 씨와 동일한 배치 치수의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 분포를 얻을 수가 있었다.
[샘플 D(씨직경 300㎛, 피치 2000㎛)의 성장]
300㎛직경의 씨를 2000㎛변의 정3각형의 정점으로 분포시킨 샘플 D에 대해서 GaN성장을 실시했다. 이것은 씨직경이 크며 피치도 큰 예이다. 상술한 샘플 A, B와 마찬가지로 HVPE법으로 성장시켰다. HVPE의 성장 조건은 다음과 같다.
성장 온도 1030℃
NH3 분압 0.3atm(30kPa)
HC1 분압 2.5×10-2atm(2.5kpa)
성장 시간 30시간
이 성장에 의해, 두께 4.3mm의 GaN후막결정을 얻을 수 있었다. 샘플 D에 있어서는, 역12각추 형상의 파셋면으로 이루어지는 피트를 볼 수 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 규칙 바르게 배열하고 있었다. 그 위치는, 처음의 GaN막의 위에 형성한 씨(SiO2 마스크)(53)의 위치와 올바르게 일치했다.
그러나, 피트 형상에는 무너지기 시작한 부분도 많았다. 또 마스크에 대응해 규칙 바르게 배열하고 있는 피트 이외에 작은 피트도 발생하고 있었다. 피트의 위치 제어성이 불완전하다.
폐쇄 결함 집합 영역 H는 2000㎛피치로 존재하고 그것은 당초의 마스크(씨) (53)의 피치와 동등하다. 그러한 규칙 바른 위치에 있는 피트는 직경이 2000㎛ 정도로 역12 각추의 깨끗한 형상의 것도 있었다. 그러나 2000㎛피치로 소정의 위치에 있는 것에도 불구하고 형태가 붕괴되어 인접 피트가 연결된 것도 있었다. 그러한 형상의 혼란이 있는 피트의 직경(위치는 올바르겠지만)은 약 200㎛정도로 작은 것이었다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 전위 밀도는 높았다.
그러나 폐쇄 결함 집합 영역이 형상이 무너지고 있어도 소정 위치에 있는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 둘레에는, 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z가 생성되고 그 부분의 평균의 전위 밀도는 5×1O6cm-2이하이며 저전위였다.
규칙적 배치로부터 어긋난 부위(씨에 근거하지 않는다)에 생긴 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위에는 단결정저전위 나머지영역이나 단결정저전위수반영역의 생성이 명확하지 않아서 저전위가 되지 않는 부분도 있었다.
샘플 A∼D에 의한 실험에 의해서,
폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경은 1㎛∼200㎛,
폐쇄 결함 집합 영역을 부여하는 씨(마스크;원형부)의 직경은 2㎛∼300㎛,
폐쇄 결함 집합 영역의 피치는 20㎛∼2000㎛
라고 하는 조건에서, 충분히 본 발명의 효과를 얻을 수가 있다, 라고 하는 것이 명백하게 되었다.
[실시예 2(GaAs, Si, 사파이어 기판;패턴 A, H(A+ELO); 도 12)]
다음의 3종류의 이종 재료 기판을 준비했다.
(가). (111) 면GaAs 기판
(나). C면(0001) 사파이어 기판
(다). (111) 면Si기판
Si는 다이아몬드 구조의 입방정계이다. GaAs는 섬아연광 구조(Zinc Blende)형의 입방정계이다. GaN는 6방정계이다. 그 C면은 3회 회전 대칭성을 가진다. 입방정계는 (111)면만이 3회 대칭성을 가진다. 그래서 Si와 GaAs는 3회 대칭성의 (111)면의 기판을 이용한다. 사파이어는 3방정계이다. c축방향으로 성장시키기 위해 사파이어는 C면(0001)을 가지는 단결정을 기판으로 한다.
도 12(1)∼(3)에 GaN의 성장 방법을 도시했다. 샘플 A∼D는 다른종류 기판의 위에 2㎛두께의 GaN층을 부가한 다음에 마스크(SiO2) 재를 부가해서 씨(53)을 형성했지만, 실시예 2에서는 처음부터 다른종류 재료 기초 기판(51)의 위에 마스터재를 붙여 씨(53)을 형성한다. 직접 다른종류 기판(51)에 0.1㎛두께의 SiO2층을 형성해 사진평판기술에 의해 주기적으로 형성한 정3각형의 정점으로원형부가 잔류 하게 되는 6회 대칭성이 있는 패턴의 씨(53)을 형성했다.
실시예 2로 이용되는 씨(53)의 배치 패턴은 A와 패턴 H의 2개이다. 패턴 A는 실시예 1과 같다. 패턴 H는 패턴 A에 ELO (래터럴 성장) 마스크를 맞겹침한 하이브리드형이다.
(패턴 A)실시예 1의 패턴 A(50㎛직경, 400㎛피치)와 같은 배치로 한다. 즉 1변 400㎛의 정3각형의 집합을 상정해 그 정점으로 직경 50㎛의 원형부를 형성한 것이다. 이것은 그 이외의 면(여백19:도 6 (a))은 그대로 아무것도 붙이지 않는다고 하는 것이다.
(패턴 H)패턴 A(50㎛직경, 400㎛피치)와 ELO 마스크를 중첩한 하이브리드인 마스크로 한다. 패턴 A라고 하는 것은, 1변 400㎛의 정3각형의 집합을 상정하고 그 정점으로 직경 50㎛의 원형부를 형성한 것이다. 이것은 개구부쪽이 넓은 면적을 취하게 되는 패턴이다. 그 원형부가 없는 부분(여백부분 19)에 ELO(Epitaxial Lateral 0vergrowth) 마스크를 붙인다. ELO 마스크로서는 어떤것은, 가로오버그로스를 실시할 때 이용되는 마스크 패턴이다. 그것은 개구부는 적고 마스크 면적쪽이 넓게되는 패턴이다. 예를 들면 여기에서는 1변이 4㎛의 정3각형을 빠짐없이 전체면에 깔고 패턴의 정3각형의 정점으로 직경 2㎛의 도트모양의 개구부(창)를 배치한 것이다. 기준이 되는 정3각형의 1변이, 패턴 A의 정3각형의 1변의 방향과 평행이 되도록 하고 있다. 도 12(1)에서는 너무나 미세하기 때문에 ELO페턴의 도시를 생략하고 있지만, 씨(53)의 사이에 다수창이 존재하는 박막층을 형성하고 있는 것이다.
다른종류 기판의 위에 직접 마스크 패턴을 싣기 때문에, 그 방위는 GaN 결정의 방위에 의해서 정의할 수 없다. 다른종류 기판의 방위에 의해서 정의할 필요가 있다. 패턴 A의 경우 정3각형의 변의 방향을 기준 방향으로 한다. GaAs 기판의 경우는, 기준 방향이 <1-10>방향으로하였다. 사파이어 기판의 경우는 <1-100> 방향으로 하였다. Si기판의 경우는 <1-10>방향으로 하였다. 이렇게 해서 기판이 다른 것과 패턴이 다른 것으로 4종류의 샘플 E∼H를 제작했다. 각각의 샘플은 다음과 같은 것이다.
샘플 E; GaAs 기판(111)의 위에 직접 패턴 A(50㎛ 직경원부분, 400㎛ 피치)를 씨 패턴으로서 형성한 것.
샘플 F; 사파이어 기판(0001)의 위에 직접 패턴 A(50㎛직경, 400㎛피치)를 씨 패턴으로서 형성한 것.
샘플 G; Si기판(111)의 위에 직접 패턴 A의 씨 패턴 형성한 것.
샘플 H; GaAs 기판의 위에 직접 패턴 H(패턴 A+ELO)를 형성한 것.
이들의 시료의 마스크를 붙인 상태는 도 12(1)에 표시한다. 실시예 1과 다른 것은 다른종류 기판의 위에 GaN층을 붙이는 일 없이 기판에 직접 마스크 패턴을 형성한 것이다. 샘플 E∼H에 대해서 실시예 1과 같이 HVPE법에 따라 GaN의 층을 형성했다. HVPE법은 반응로의 위쪽에 Ga보트를 가지고, 아래쪽으로 기판을 싣기 위한 서셉터를 가진다. 위쪽으로부터 수소 가스와 HC1 가스를 Ga보트에 공급해서 GaC1를 생성한다. GaC1가 아래 쪽에 흐름 가열된 기판에 접촉하는 부위 에 있어서 암모니아를 공급해서 GaC1와의 반응에 의해서 GaN를 합성하는 방법이다. 마스크 위에 GaN 버퍼층을 저온으로 성장한 후 고온으로 GaN 에피택셜층을 두껍게 성장시킨다. GaN에 대해서 2단계의 성장을 시킨다.
(1. GaN 버퍼층의 성장)
GaAs, 사파이어, Si기판등의 위에 GaN 버퍼층을 다음의 조건으로 HVPE법에 의해 성장시켰다. 버퍼층을 형성하는 것은 통상 자주 실시하는 것이다.
암모니아 분압 0.2atm(20kPa)
HC1 분압 2×10-3atm(200Pa)
성장 온도 490℃
성장 시간 15분
버퍼층 두께 50nm
(2. GaN에피택셜층의 성장)
저온 성장한 버퍼층의 위에 HVPE법에 의해 고온으로 에피택셜층을 형성한다.
암모니아 분압 0.2atm(20kPa)
HC1 분압 2.5×10-2atm(2500pa)
성장 온도 101O℃
성장 시간 11시간
에피택셜층 두께 약 1300㎛(1.3mm)
이와 같이 저온으로 버퍼층을, 고온에서 에피택셜층을 성장시키는 기법은 잘 알려진 것이다. 샘플 E∼H 모두 두께는 1.3mm로 투명한 GaN기판을 얻을 수 있었다. 외관은 실시예 1의 샘플과 마찬가지이다. 투명해 유리와 같은 느낌이 든다. CL에 의해 관찰해서 비로소 폐쇄 결함 집합 영역, 단결정저전위수반영역, 단결정저전위나머지영역등의 차이를 알 수 있는 것이다. 그러나 파셋 성장하기 때문에 표면의 요철(피트)은 현미경 관찰에서도 잘 알수있다.
도 12(2)에 단면도를 표시한다. 4개의 샘플의 모두가 파셋면(56)으로 이루어지는 피트를 표면에 다수 가지고 있었다. 피트 중심 위치(바닥)(59)는, 최초로 씨(53)(SiO2)으로서 형성한 마스크 위치와 합치하고 있었다. 즉 실시예 1과 마찬가지로 가장 조밀하게 배열한 직경 400㎛의 피트가 서로 접해서 표면 위에 존재한다. 피트는 역12각추이며 중심부에는 보다 각도가 작은 파셋이 존재하는 것도 확인되었다.
씨(53)의 위에는 폐쇄 결함 집합 영역(H)(55)가 계속되어, 그 위가 피트의 바닥(59)가 되고 있다. 피트의 경사면(56) 아래가 단결정저전위수반영역 Z가 되고, C면의 평탄면(57) 아래가 단결정저전위 나머지영역(Y)(58)이 되고 있다. 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z 모두 저전위로 단결정이었다.
(연삭가공)
샘플 E∼H에 연삭가공을 했다. 먼저 뒷면을 연삭하고, 다른종류 기판(51)인 GaAs 기판, Si기판, 사파이어 기판을 제거했다. 씨(53)도 이어서 제거된다. 또한 표면도 연삭하고 피트를 제외해서 표면을 평탄하게 했다. 평탄한 앞뒤면을 가지는 기판이 생겼다. 직경은 2인치 정도의 평탄 평활 투명의 기판을 얻을 수 있었다. 도 12(3)는 그 상태를 나타낸다. 이들 기판은 모두 GaN(0001)면(C면)을 표면으로 하는 투명한 기판이다. 기판 표면에 6회 대칭성을 가지고 폐쇄 결함 집합 영역(H)(55)가 줄지어 있다. 그 중심은 비로소 설정한 씨(53)과 일치한다. 각각의 폐쇄 결함 집합 영역 H는 부정형이었다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경은 약 40㎛였다. 그것은 씨 패턴(50㎛직경, 400㎛피치)에 대응한 치수이다. 6회 대칭성을 가지는 SiO2 씨(53)의 위에 폐쇄 결함 집합 영역이 성장한다고 생각하면 납득이 가는 결과이다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부에서는 전위 밀도는 높으나, 폐쇄 결함 집합 영역으로부터 분리됨에 따라 전위 밀도가 내린다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 외측의 단결정저전위 나머지영역(Y)(58), 단결정저전위수반영역 Z에서는 저전위 밀도가 되고 있었다. 어느 샘플에서도, 5×1O6cm-2이하의 저전위였다. 보다 구체적으로는, 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y의 평균전위 밀도는,
샘플 E(GaAs 기판) ; 2×1O6cm-2
샘플 F(사파이어 기판)； 1×1O6cm-2
샘플 G(Si기판); 3×1O6cm-2
샘플 H(GaAs기판) ; 9×1O5cm-2
이었다. 모두 충분한 저전위 밀도가 되어 있다. 기초 기판에 대한 의존성이 있는 것 같다. E, F, G 중에서 가장 전위 밀도를 낮게 하는 것은 사파이어 기판(F)이다. 그 다음에 GaAs 기판(E)이 전위 밀도를 낮게 한다. Si기판(G)은 전위 저감의 작용이 가장 약한 것 같다.
또한 ELO의 기법을 병용 한 샘플 H는 가장 저전위화가 현저하다. 씨 마스크만의 샘플 E와 비교해, 평균전위 밀도가 약절반으로 감소하고 있다. 씨 마스크에 의한 저감(폐쇄 결함 집합 영역 H)과 ELO 마스크(방향 전환과 충돌에 의한 전위 저감)의 작용이 대개 동일한 정도라는 것이 추정된다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 상태도 실시예 1과 같았다. 파셋면으로 이루어진 피트가 최초의 씨(53)의 위에 성장해 가고, 피트의 바닥에 전위가 집중해서 폐쇄 결함 집합 영역이 형성된다. 전위가 폐쇄 결함 집합 영역에 집중하기 때문에 그 외의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서는 전위가 줄어들고 있다.
(샘플 E의 불가사의)
샘플 E(GaAs 기판;패턴 A)에 대해서는 샘플을 2매 제작했다. 불가사의한 것 2매에 대해 성장 결정의 모양이 차이가 났다. 샘플 E의 1매는, 실시예 1이나 실시예 2로서 상술한 바와같이 폐쇄 결함 집합 영역 H와 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y가 명확하게 구별되고, Z+Y에서는 저전위가 되고 있었다. 그러나 샘플 E의 또 하나의 기판에는, 파셋면으로 이루어지는 피트는 씨(53)의 위에 바르게 6회 대칭의 위치에 생성되고 있었지만 피트 중앙에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 존재하지 않는다고 하는 것을 알 수 있었다. 그것은 CL상을 보는 것에 의해 알수있다. 동일한 제법으로 다른 것이 생긴 것은 이상한 일이다.
(폐쇄 결함 집합 영역을 빠뜨리는 샘플 E)
그 샘플 E를 보다 자세히 조사해 보면, 피트의 바닥(59)에 계속될리의 폐쇄 결함 집합 영역 H가 없어서 파셋에 의해 모아져야 할 전위의 다발이 넓은 영역에 퍼지고 있다, 라고 하는 것을 알았다. 평균의 전위 밀도는 6×1O6cm-2였다. 그러므로 다른 샘플의 단결정저전위수반영역이나 단결정저전위 나머지영역보다 전위 밀도가 높다. 이 샘플 E에 있어서, 몇개의 피트에 있어서는, 피트 중앙(59)로부터 선형상으로 전위군이 줄지어 있었다. 선형상 결함의 둘레에는 면형상 결함도 존재했다. 이 면형상 결함은 도 1(b)의 서로 60°의 각도를 이루는 면형상 결함이다. 선형상 결함은 면형상 결함의 교차선이며 피트바닥의 직하에 늘어난다. 면형상 결함은 피트 중심으로부터 1OO㎛이상으로 걸쳐서 늘어나고 있는 것도 있었다. 이것은 일단 집중한 전위가 뿔뿔이 흩어지게 분산한것으로 생각될것이다.
샘플 E의 하나의 경우에 폐쇄 결함 집합 영역이 소실하고 있는 경우는, 파셋으로 이루어지는 피트에 있어서 전위의 집적 집합이 잘 행해지지 않고, 전위가 퍼져, 면형상 결함이 피트바닥에 출현한다. 물론 그 경우에서도 피트의 배열은 씨의 배열을 정확하게 전사하고 있다. 그러나 피트 저부에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성되지 않는다(공피트). 그 때문에 저전위화가 되지 않은 것이다. 공피트에서는 안되는 것이다.
즉 저전위 GaN 결정을 만들려고 하는 본 발명을 실효성이 있는 것으로 하려면, 피트가 씨의 배열을 충실히 전사해서 생성되는 것과, 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 생성되는 것의 2개의 조건이 필수라고 하는 것이다. 피트가 규칙적으로 형성된 것 만으로는 불충분하다. 또한 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성되지 않으면 안되는 것이다. 본 발명의 GaN기판에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 중요성을 이해할 수 있을 것이다.
[실시예 3(마스크의 종류)]
면방위(111) As면을 가지는 GaAs 기판을 복수매기초기판으로서 준비했다. 마스크(씨 패턴)의 차이가 어떠한 효과를 가지는지 확인하기 위해서 기판에 다른 박막의 씨 패턴을 제작한다.
(111) As-GaAs 기판에 직접, 두께 0.15㎛의 Si3N4박막을 형성한 것(I), 두께 0.2㎛의 Pt박막을 형성한 것(J), 두께 0.2㎛의 W박막을 형성한 것(K), 두께 0.1㎛의 SiO2박막을 형성한 것(L,M)를 제작했다.
레지스트를 도포해 사진평판기술과 에칭에 의해, 박막의 일부를 제거해 씨 패턴을 제작했다.
씨 패턴은, SiN박막(I), Pt박막(J), W박막(K)에 대해서는, 실시예 1에서 설명한 6회 대칭의 패턴 A(도 6(a))로 하였다. 패턴 A는, 1변 400㎛의 정3각형의 반복으로 이루어지는 것의 정점에 50㎛직경의 원형씨를 배치한 것이다. 정3각형의 1변(피치)방향이 GaAs 기판의 <1-10>방향으로 평행이 되도록 했다.
SiO2박막 기판에 대해서는 4회 대칭의 패턴 L와 2회 대칭의 패턴 M를 제작했다. 패턴 L는, 1변 400㎛의 정4각형의 반복으로 이루어지는 것의 정점에 50㎛직경의 원형의 씨를 배치한 4회 대칭의 것이다. 패턴 M는, 400㎛×600㎛의 직4각형의 반복으로 이루어지는 것의 정점에 50㎛직경의 원형의 씨를 배치한 2회 대칭의 것이다. 패턴 L는 반복해 정4각형의 1변의 방향이 GaAs 기판의 <1-10>방향으로 평행이 되도록 했다. 패턴 M는 반복해 직4각형의 짧은변의 방향이 GaAs 기판의 <1-10>방향으로 평행이 되도록 했다.
4 종류의 박막을 X선회절법으로 조사했다. Si3N4박막(I)은 비정질, Pt 박막(J)은 다결정, W박막은 다결정, SiO2박막은 비정질이었다.
이들 5 종류의 씨 마스크를 가진 시료를 샘플 I, J, K, L, M로 한다.
샘플 I ; Si3N4박막의 패턴 A를 직접 형성한 GaAs 기판
샘플 J ; Pt박막의 패턴 A를 직접 형성한 GaAs 기판
샘플 K ; W박막의 패턴 A를 직접 형성한 GaAs 기판
샘플 L ; SiO2박막의 패턴 L를 직접 형성한 GaAs 기판
샘플 M ; SiO2 박막의 패턴 M를 직접 형성한 GaAs 기판
그 후, 이들 샘플 기판 위에 HVPE법에 따라, GaN의 성장을 실시했다.
실시예 3에 있어서의 HVPE법은 실시예 1, 2에 있어서의 것과 같은 것이다.
핫 월형 반응로의 위쪽에 Ga보트가 있어 아래쪽으로 기판을 실은 서셉터가 있다. Ga는 800℃이상으로 가열되어 Ga융액이 되어 있다. 기판도 아래와 같은 온도에 가열된다. 위쪽으로부터 수소와 HC1가스를 Ga보트에 분사 GaC1을 합성한다. GaC1가 가공해 기판의 근방에 도입되는 NH3(+수소)와 반응해서 GaN가 생기지만 그것이 기판 위에 퇴적해서 GaN층이 된다.
최초로 버퍼층을 저온으로 얇게 성장시키고 그 위에 고온으로 두껍게 에피태셜층을 성장시킨다. 조건은 이하와 같다.
(버퍼층의 성장 조건;HVPE법)
성장 온도 490℃
NH3분압 0.2atm(20kPa)
HC1 분압 2×10-3atm(200Pa)
성장 시간 20분
막두께 60nm
(에피택셜층의 성장 조건 ; HVPE법)
성장 온도 1030℃
NH3분압 0.25atm(25kPa)
HC1 분압 2.5×10-2atm(2.5kpa)
성장 시간 13시간
막두께 1800㎛(평균)
평균 1.8mm의 GaN후막을 퇴적한 샘플은 표면에 다수의 피트를 가지고 있었다. 샘플 I, J, K는 외관상 거의 동일한 표면 형태를 갖고 있었다. 역12각추위의 파셋면으로 이루어지는 피트를 다수 가지고 있고, 또한 그 위치가 당초 기판의 위에 형성한 원형 도트형상의 씨의 위치와 일치하고 있어, 바르게 6회 대칭으로 줄지어 있었다. 즉 도 6(b)에 표시한 바와 같이 되어 있었다. 피치는 약 400㎛로서, 피트의 직경도 약 400㎛이며 인접 피트는 외접하고 있어 2차원 최조밀배열이 되었다. 외관상은 실시예 1의 샘플 A와 완전히 동일하였다. 즉 씨의 위치와 피트 중심 위치가 합치하고 있었다.
샘플 L, M에 대해서도 역12각추의 파셋로 이루어지는 피트를 다수 볼수있다고 하는 점에서는 마찬가지였다. 그러나 그 배열이 달라 샘플 L는 400㎛피치의 정4각형 패턴으로 이루어지는 4회 대칭의 것으로 되었다.
샘플 M는 짧은변 400㎛, 긴변 600㎛의 직4각형 패턴으로 이루어지는 2회 대칭의 것으로 되었다. 이들에 있어서도 씨의 위치와 피트 중심 위치가 합치하고 있었다.
샘플 M에서는 직4각형의 긴변에 따라서 피트ㆍ피트간의 넓은 간격이 발생한다(단결정저전위 나머지영역 Y). 이 단결정저전위나머지영역 Y에 있어서는 씨에 대응하지않는피트 발생이 곳곳에 드문드문보였다. 그러나 대체로 피트와 씨는 상하 대응하고 있었다.
파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥의 형상을 관찰했다. 샘플 I, J, K, L, M 에 있어서는, 피트바닥에 피트 경사면을 형성하는 파셋면보다도 각도가 얕은 파셋면(c축지수의 n가 크다)의 존재가 확인되었다. 그러나 샘플 J에 관해서는 피트바닥에 울퉁불퉁 한 요철을 볼 수 있었다.
그 후, 이들 5종류의 샘플 I∼M를 연삭가공했다. 즉 뒷면의 GaAs 기판을 연삭가공에 의해서 깎아 내리고, 그 다음에 표면을 연삭가공해서 평판인 기판모양으로 했다. 그 후 연마 가공을 실시해서, 평탄 평활한 표면을 가지는 기판으로했다. 2인치 정도의 직경의 기판을 얻을 수 있었다.
이들 샘플 I, J, K의 기판은, 표면을 (0001)면, 즉 C면으로 하는 기판이다. 기판 자체는 평탄하고 투명하다. 표면에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 규칙 바르게 줄지어 있었다. 샘플 I∼K에 대해서는 폐쇄 결함 집합 영역이 6회 대칭으로 줄서고, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상은 샘플 I, K, L, M 에 있어서는 각형을 포함한 부정형이었다. 직경은 40㎛ 정도였다. 그러나 샘플 J에 있어서는, 폐쇄 결함 집합 영역은 직경이 50㎛∼80㎛에 흩어지고 있어, 그 형상은 원형, 둥그스름을 띤 부정형인 것이 많았다.
어느 샘플 에 있어서 도, 폐쇄 결함 집합 영역의 외측에서는, 전위는 적다. 폐쇄 결함 집합 영역으로부터 분리됨에 따라서 전위 밀도는 감소한다. 장소에 따라서는, 폐쇄 결함 집합 영역의 경계로부터 전위는 격감하는 일도 확인했다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 외측의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서의 평균적인 전위 밀도는 어느것이나 5×1O6cm-2이하였다. 보다 구체적으로는
샘플 I : 1×1O6cm-2
샘플 J : 4×1O6cm-2
샘플 K : 2×106cm-2
샘플 L : 2×106cm-2
샘플 M : 4×106cm-2
상기와 같은 전위 밀도였다. 샘플 I, K, L, M 에 있어서는, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 상황은, 실시예 1의 샘플 A와 같았다. 파셋면으로 이루어지는 피트가 원형 마스크(씨)를 중심으로서 형성되고, 원형 마스크(씨) 위에서 피치바닥에 계속해서 폐쇄 결함 집합 영역이 성장하는 것, 전위가 폐쇄 결함 집합 영역 H에 모아지고 있는 것을 알았다.
기판 표면의 CL상을 관찰했는바 Pt를 씨로 한 샘플 J에 대해서는 조금 사정을 상위한 것을 알았다. 폐쇄 결함 집합 영역 H가 다결정이라는 것이 판명되었던 것이다.
CL상, TEM에 의해 폐쇄 결함 집합 영역 H의 구조를 해석하면, 폐쇄 결함 집합 영역 H에는 다양한 형태가 있다고 하는 것을 알았다.
샘플 J와 같이 몇개의 결정립자 로 이루어지는 다결정인 것이 있다. 그렇지 않아도 결정입자는 1개(단결정)이지만 그 둘레의 단결정 영역(Z, Y)과는 다른 결정 방위를 가지는 경우도 있다. 또는 둘레의 단결정 영역과는 <O001>축만 일치하지만 다른 결정 방위를 가지는 경우도 있다. 그처럼 다양한 폐쇄 결함 집합 영역 H가 있다고 하는 것을 알았다.
Pt를 씨로한 샘플 J에 있어서도, 파셋면으로 이루어지는 피트가 원형 마스크를 중심으로서 형성되고, 원형 마스크상에서 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성되고, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 피트바닥에 부수해서 성장함에 따라서 전위를 폐쇄 결함 집합 영역 H에 모아지고 있다, 라고 하는 점은 다른것과 공통된다.
샘플 J에 현저하게 나타난 다결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 샘플 A나 샘플 E에 대해서도 시인되었다. 그것이 특히 샘플 J 에 있어서 분명히 나타났다. 다결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 성장 초기에, 원형의 마스크 위에 형성된 GaN 로 이루어지는 폴리 결정이 먼저 늘어나, 각도가 얕은 파셋면에 파묻히기 전에 충분히 늘어나고 있었기 때문에 발생하는데 이르렀기 때문인 것으로 생각되고 있다.
샘플 L에 대해서는, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 1변 400㎛의 정4각형의 정점에 오도록 4회 대칭의 위치에 발생하고 있었다. 샘플 M에 대해서는, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 400㎛×600㎛의 직4각형의 정점의 위치에 오도록 2회 대칭 위치에 발생했다. 인접한 폐쇄 결함 집합 영역의 최근접의 방향(피치 방향)은 GaAs 기판의 <11-20>방향이 되고 있었다. 샘플 L, M와 같은 배치에 의해 폐쇄 결함 집합 영역 H, 피트의 위치를 직교계통에 배치할 수가 있다. 정4각형, 직4각형의 디바이스를 제작했을 때 전위 분포, 결정성을 각각에 있어서 동일하게 할 수가 있다. 샘플 L, M에서는, 패턴의 배열 방향(피치 방향)은 <11-20>으로 했으나, <1-100>로서 도 된다.
[실시예 4(GaN 입자를 씨로 하는; 도 13)]
GaN 단결정, GaN 다결정을 분쇄해서 GaN의 미립자를 제작했다. 이 미립자는 GaN의 단결정, 다결정의 미립자이다. 그 직경은 10㎛∼50㎛에 흩어지고 있었다.
또 빠짐없이 전체면에 깐 1변 500㎛의 정3각형의 정점의 위치에 미세한 구멍을 천공한 메탈 플레이트를 제작했다. 미립자는 사진평판기술을 사용할 수 없기 때문에 규칙 바른 파종을 위해서 스텐실로서의 메탈 플레이트를 이용하는 것이다.
기판으로서 C면을 표면 으로 하는 사파이어 기판(61)을 준비했다(도 13 (1)). 사파이어 기판(61)의 표면에 미리 HVPE법으로 두께 약 3㎛의 GaN 에피택셜층(62)를 전체면에 성장시켰다(도 13(2)).
사파이어 기판상의 GaN층의 위에 정3각형의 변의 방향이 GaN의 <11-20>에 평행이 되도록 메탈 플레이트를 두고 그 위로부터 GaN 미립자를 뿌렸다. 미세 구멍에 미립자가 비집고 들어가 GaN층의 위에 부착한다. 메탈 플레이트를 제거하면, GaN층의 위에 씨로서의 미립자(63)이 6회 대칭의 위치에 배치된 것이 된다. 그것이 도 13(3)에 표시한 상태이다.
단결정 GaN 미립자와 다결정 GaN 미립자를 메탈 플레이트를 통해서 GaN층 위에 살포한 2종류의 것을 제작했다. 각각을 샘플 N, O으로 한다.
샘플 N : 씨로서 GaN 단결정 미립자를 배치한 GaN층 부착 사파이어 기판
샘플 O : 씨로서 GaN 다결정 미립자를 배치한 GaN층 부착 사파이어 기판
이들 기판 위에, HVPE법에 따라 GaN의 두꺼운 층을 성장시켰다. 그 기법은 실시예 1, 2, 3에서 설명한것과 같다. 위 쪽에 Ga보트를 아래쪽으로 서셉터를 가진 반응로의 서셉터의 위에 서셉터 기판을 얹어놓고, Ga보트는 800℃에 가열하고, HC1와 수소 가스를 Ga보트에, 암모니아와 수소 가스를 서셉터로 인도하고, GaC1를 합성하고 나서, 암모니아와 반응시켜, 기판의 위에 GaN층을 퇴적시킨다.
(에피택셜 성장 조건)
성장 온도 1050℃
NH3분압 0.3atm(30kPa)
HC1 분압 2.5×10-2atm(2.5kpa)
성장 시간 10시간
성장 막두께 약 1400㎛
이 성장에 의해, 약 1400㎛의 GaN후막층을 얻을 수 있었다. 샘플 N, O는 외관상은 거의 동일한 표면 형태를 하고 있었다. 단면 형상이 도 13(4)에 표시한 바와같은 것이 되었다. 역12각추의 파셋면(66)으로 이루어지는 피트가 표면에 규칙 바른 배열로 존재한다. 피트는 표면에서 2차원적으로 대체로 최조밀배열하고 있어 직경 500㎛의 피트가 외접해서 존재한다. 피트간에는 평탄부(67)(C 면)이 있다. 피트바닥(69)를 관찰하면, 파셋면(66)보다도 경사각이 얕은 다른파셋면(c축면지수 n가 크다)을 가지고 있는 것 도 있는 것이 관찰되었다.
바닥(69)에 계속되는 부분이 폐쇄 결함 집합 영역(H)(65)이며, 결정입계(K)( 70)에 의해 간막이되어 있다. 파셋면(66)의 직하에서 결정입계 K(70)의 외측이 단결정저전위수반영역 Z(64)이다. 평탄면(67)의 직하가 단결정저전위 나머지영역(Y)(68)이다. 즉 피트바닥(69)- 폐쇄 결함 집합 영역(H)65-씨(63)이 상하에 줄선다. 파셋(66)- 단결정저전위수반영역 Z, 및 평탄부(67)- 단결정저전위 나머지영역(Y)(68)이 상하에 줄지어 있다.
샘플 N, O의 기판은 요철이 있기 때문에 연삭가공을 실시했다. 먼저 뒷면을 연삭가공해서 사파이어 기판(61)과 씨(미립자)(63)을 깎아 내렸다. 또한 표면을 연삭가공해서 피트를 소멸시키고 평탄 표면으로했다. 또한 연마한 평탄 평활한 표면을 가진 평판 기판으로했다. 2인치 직경 정도의 크기의 GaN기판을 얻을 수 있었다.
도 13(5)에 평탄 평활 기판을 나타낸다. 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 양측의 단결정저전위수반영역 Z, 더욱 떨어진 분리부위의 단결정저전위 나머지영역 Y가 단면에 나타난다. 이들 기판 N, O는, 표면을 (0001) 면 즉 C면으로 하는 기판이다. 기판 자체는 투명하고 육안에서는 한결같게 투명하게 보일뿐이다. CL나 TEM로 보면, 폐쇄 결함 집합 영역 H, 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y를 명확하게 판별 할 수가 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 규칙 바르고, (씨와 동일한) 6회 대칭 위치에 줄지어 있었다. 그(횡단면) 형상은 부정형이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경은 불균일이 있지만, 10㎛∼70㎛의 정도였다. 이것은 씨인 미립자의 직경의 불균일을 반영하고 있다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부는 고밀도의 결함이 존재한다. 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서는 전위는 적어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 멀리 떨어짐에 따라 전위는 감소한다. 결정입계 K(70)로부터 약간 떨어지는것 만으로 격감하는 부분도 있었다. 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서의 평균적인 전위 밀도는 어느 샘플에서도 5×1O6cm-2이하였다. 각각은
샘플 N : 1×106cm-2
샘플 O : 2×1O6cm-2
그렇다고 하는 전위 밀도였다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 상황은 실시예 1의 샘플 A와 같았다.
실시예 4에서는 메탈 플레이트에 의해서 미립자를 위치 결정하기 때문에 미립자직경의 불균일이나 살포의 불균일때문에, 사진평판기술을 사용하는 실시예 1, 2만큼 위치 정밀도가 높지 않다. 이와 같이 미립자도 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 사용할 수 있는 것이 확인되었다. GaN의 단결정 미립자(샘플 N)에서도 GaN 다결정 미립자(샘플 O)에서도 차이가 없는 것도 알았다.
여기에서는 불순물을 피하기 위해서 GaN 자신을 미립자로 하였으나, 그 이외의 반도체 재료, 금속재료, 절연 재료의 미립자에서도 마찬가지로, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 원인이 될 수 있다. 그러한 경우에서도 뒷면 연마에 의해서 기초 기판(61)과 함께 씨(63)도 제거하기 때문에 마지막 평탄 기판의 내부 구조는 변함이 없는 것이다.
[실시예 5(기초 기판 일부 노출부분을 씨로한다 ; 도 14)]
기판으로서 C면을 표면 으로 하는 사파이어 기판(71)을 준비했다(도 14 (1)). 사파이어 기판(71)의 표면에 미리 MOCVD법으로 두께 약 2㎛의 GaN 에피택셜층(72)를 전체면에 성장시켰다(도 14(2)).
1변 400㎛의 정3각형의 변의 방향이 GaN72의 <11-20>에 평행이 되도록 정3각형을 빠짐없게 전체면에 깐 씨 패턴을 사파이어 기판 위에 상정한다. 그 씨 패턴의 정3각형 정점에 닿이는 부위의 GaN층(72)에 직경 70㎛의 원형 구멍을 뚫었다. 도 14(3)에 표시한 바와 같이 된다. GaN층(72) 위보다도 기초 기판면인 원형구멍(73) 위에서의 GaN 성장이 지연 한다. 그러므로 원형구멍의 기초 기판 노출면(73)이 씨로서 기능 할 수 있다. 실시예 5는 이와 같이 기초 기판 노출부를 씨(73)으로 하는 것이다. 이것은 다른 재료를 사용하지 않기 때문에 GaN의 순도가 높고 또한 사진평판기술에 의해서 정확하게 위치 결정 할 수 있다고 하는 뛰어난 이점이 있다. 이 씨 패턴도 피치 400㎛, 씨직경 70㎛인 6회 대칭 패턴이다. 이것을 패턴P로하고 그 패턴 P를 가지는 기판을 샘플 P로 한다. 샘플 P: 씨로서 이종 재료 기초 기판 노출부를 가진 GaN층 부착사파이어 기판
이 기판 P 위에, HVPE법에 의해서 GaN의 두꺼운 층을 성장시켰다. 그 기법은 실시예 1, 2, 3, 4로 설명한 것과 같다. 위 쪽에 Ga보트를 아래쪽으로 서셉터를 가진 반응로의 서셉터의 위에 서셉터 기판을 얹어놓고, Ga보트는 800℃ 이상으로 가열하고, HCl와 수소 가스를 Ga보트에, 암모니아와 수소 가스를 서셉터로 인도하고, GaC1를 합성하고 나서, 암모니아와 반응시켜, 기판의 위에 GaN층을 퇴적시킨다.
(에피택셜 성장 조건)
성장 온도 1030℃
NH3분압 0.25atm(25kPa)
HCl 분압 2.0×10-2atm(2kPa)
성장 시간 12시간
성장 막두께 약 1500㎛
이 성장에 의해서, 약 1500㎛의 GaN후막층을 얻을 수 있었다. 샘플 P의 단면 형상이 도 14(4)에 표시한 바와같은 것이가 되었다. 역12각추의 파셋면(76)으로 이루어지는 피트가 표면에 규칙 바른 배열로 존재한다. 피트는 표면에서 2차원적으로 대체로 최조밀배열하고 있고 직경 400㎛의 피트가 외접해서 존재한다. 피트간에는 평탄부(77)(C면)이 있다. 피트바닥(79)를 관찰 하면, 파셋면(76)보다도 경사각의 얕은 다른 파셋면(c축면지수 n가 크다)을 가지고 있는 것 도 있는 것이 관찰되었다.
바닥(79)에 계속되는 부분이 폐쇄 결함 집합 영역(H)(75)이며, 결정입계(K)(80)에 의해서 간막이 되어 있다. 파셋면(76)의 직하에서 결정입계 K(80)의 외측이 단결정저전위수반영역 Z이다. 평탄면(77)의 직하가 단결정저전위 나머지영역(Y)(78)이다. 즉 피트바닥(79)- 폐쇄 결함 집합 영역(H)(75)-씨(73)이 상하에 줄선다. 파셋(76)-단결정저전위수반영역(Z)(74), 및 평탄부(77)-단결정저전위나머지영역(Y)(78)이 상하 줄지어 있다.
샘플 P의 기판은 요철이 있기 때문에 연삭가공을 실시했다. 먼저 뒷면을 연삭가공해서 사파이어 기판(71)과 GaN층(72)(씨(73)을 사이에 두는 부분)를 깎아내렸다. 또한 표면을 연삭가공해서 피트를 소멸시키고 평탄 표면으로했다. 더 연마한 평탄 평활한 표면을 가진 평판기판으로 했다. 2인치 직경 정도의 크기의 GaN 기판을 얻을 수 있었다. 도 14(5)에 평탄 평활 기판을 나타낸다. 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그 양측의 단결정저전위수반영역 Z, 더욱 떨어진 부위의 단결정저전위 나머지영역 Y가 단면에 나타난다.
이들 기판 N, O는, 표면을(0001) 면 즉 C면으로 하는 기판이다. 기판 자체는 투명하고 육안에서는 한결같이 투명하게 보일뿐이다. CL나 TEM로 보면, 폐쇄 결함 집합 영역 H, 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y를 명확하게 판별 할 수가 있다. 폐쇄 결함 집합 영역 H는 규칙 바르고, (씨와 동일한) 6회 대칭 위치에 줄지어 있었다. 그(횡단면) 형상은 부정형이다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경은 대개 50㎛의 정도로 있었다. 사진평판기술로 기초 기판 노출면(73)을 정확하게 형성하고 있기 때문에 직경의 불균일이 적다. 위치의 불균일도 적다. 정밀도가 높은 기법이다.
폐쇄 결함 집합 영역 H의 내부는 고밀도의 결함이 존재한다. 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서는 전위는 적어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 멀리 떨어짐에 따라서 전위는 감소한다. 결정입계 K(80)로부터 약간 떨어지는것만으로 격감하는 부분도 있었다. 샘플 P의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y에서의 평균적인 전위 밀도는 1×106cm-2이하였다. 폐쇄 결함 집합 영역 H 의 상황은 실시예 1의 샘플 A와 같았다.
이와 같이 GaN층을 일부 제거한 기초 기판 노출면(73)도 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 사용할 수 있는 것이 확인되었다. 이것은 GaN층 자체를 씨의 네가티브로서 이용하는것으로 불순물 오염의 문제가 없다. 씨의 부분의 GaN는 어차피 삭제하므로 GaN 결정의 두께 방향의 불균일성은 없다.
[실시예 6(GaN 기판, 패턴 A; 도 15)]
실시예 6에 대해 2종류의 샘플을 준비했다. 1개는 실시예 1에 있어서 이용한 패턴 A(씨 패턴원형부분 직경 50㎛, 원형부 피치 400㎛)에 의해 작성한 GaN 기판이다(도 15 (1)). 이것은, 이미 기초 기판이 제거되고 있는 것로서, 표면 가공이 실시되고 연마도 되고 있어, 기판 위에 에피택셜 성장이 실현할 수 있도록 준비를 갖추고 있는 것이다. 이것을 샘플 Q로 한다.
또 하나는, 사파이어 기판 위에 SiO2박막을 막형성 시킨 것을 이용한다. 이것은, 미리 사파이어 기판 위에 MOCVD법에 의해 두께 2㎛의 GaN 에피택셜성장층을 형성하고 에피택셜 성장층의 표면에 두께 O.1㎛의 SiO2박막을 막형성해서, 사진평판기술에 의해 패턴 형성을 실시한 것이다. 작성 프로세스는 실시예 1과 같고, 패턴 A를 이용하고 있다. 이것을 샘플 R라고 부른다.
이들 샘플 Q와 샘플 R를 이용해서, Q와 R의 위에 동시에 GaN 에피택셜 성장층을 형성하였다(도 15(2),(3)). 이것에는, 지금까지의 실시예와 동일한 HVPE법을 성장법으로서 채용했다. 반응로에 기판을 세트 한 후, 캐리어 가스는 H2가스 로서 온도상승하고, 1030℃의 고온에서 GaN 에피택셜층을 성장시켰다. 에피택셜층의 성장 조건에 대해서는 아래와 같다. 또한, 샘플 Q, 샘플 R의 기판직경은 모두 30 mm직경이다.
(에피택셜 성장 조건)
성장 온도 1030℃
NH3분압 0.25atm(25kPa)
HC1 분압 2×10-2atm(2kPa)
성장 시간 80시간
성장 박막 약 1Omm
그 결과, 샘플 Q, 샘플 R 모두 두께가 10mm정도의 GaN 결정의 잉곳을 얻을 수 있었다. 이 2개의 잉곳을 각각 Q잉곳, R잉곳이라고 부른다. 이들의 잉곳은 각각이 같은 표면 형태를 가져 성장하고 있었다. 즉, 원래의 패턴에 따라서 2차원적으로 대체로 최조밀배열하고, 직경 400㎛의 파셋으로 이루어지는 피트를 전체면에 깐 형태로 되어 있다. 특히 주목해야 할 것은, Q잉곳에 있어서, 특히 패턴은 형성되지 않고 이미 작성한 GaN 기판의 위에 다시 성장을 실시한 것뿐만인대도, 성장 후의 표면 형태는 패턴 형성한 것과 동등한 표면 형태가 되어 있던 것이다.
또한, Q잉곳 및 R잉곳의 끝을 세로로 절단해 단면을 관찰했다. Q잉곳의 단면을 도 15(3)에 표시한다. 그 결과, Q잉곳에 있어서 씨 결정의 폐쇄 결함 집합 영역(55) H의 위에는 폐쇄 결함 집합 영역(85) H가 계속해서 성장해, 단결정저전위수반영역(54) Z나 단결정저전위 나머지영역(58) Y의 위에는 반드시 일치하지 않지만 단결정저전위수반영역(84) Z 또는 단결정저전위 나머지영역(88) Y의 어느 쪽인지가 성장하고 있는 것을 알 수 있었다. 물론, 폐쇄 결함 집합 영역(85) H의 영역은, 파셋면(86)으로 이루어지는 피트의 바닥(89)에 위치하고 있다.
이들 2종류의 잉곳에 슬라이스 가공을 해 다수매의 GaN 기판을 자른 후, 표면연삭가공, 연마 가공을 했다. 슬라이스 가공에는, 와이어 소를 이용했다. 그 결과, 각각의 잉곳으로부터 9매씩의 GaN 기판을 얻을 수 있었다(도 15 (4)) .
이들의 기판은, 성장의 끝의 2∼3매는 이물 결함등을 볼 수 있었지만, 성장 초기의 6∼7매는 양호한것으로 볼 수 있다. 이들의 기판은, 표면을 (0001)면, C면으로 하는 기판이며, 기판 자체는 평탄하고 투명하다. 기판 표면에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 대체로 규칙 바르게 6회 대칭으로 줄서 있어, 그 형상은 부정형이며, 직경은 50㎛정도 있었다. 폐쇄 결함 집합 영역 H의 외측에서는 전위는 적고, 폐쇄 결함 집합 영역부 H로부터 떨어짐에 따라서 전위 밀도는 감소한다. 장소에 따라서는 폐쇄 결함 집합 영역부의 경계로부터 전위는 격감하는 부분이 있는 일도 확인했다. 폐쇄 결함 집합 영역부의 외측의 평균적인 전위 밀도는, 모두 5×1O6cm-2이하이며, 실용적인 GaN 기판으로서 사용에 견딜수있는것이였다.
이 방법은, 결정 성장의 생산성 향상으로 연결되는 유효한 제조 방법인것으로 생각된다.
본 발명은 파셋 성장에 의해 피트 저부에 전위를 모아서 그 외의 부분을 저전위화하고, 피트 저부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 형성해서 전위를 가두고 다시 해방한다고 하는 일은 없다. 폐쇄 결함 집합 영역 H때문에 앞서의 과제로서 예거한 3개의 문제,
(1) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부로부터의 전위의 몽롱한형상 분포의 저감.
(2) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 면형상 결함의 소멸.
(3) 파셋면으로 이루어지는 피트 중앙의 전위 집합부의 위치를 제어하는 것을 본 발명은 모두 해결할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해서, 전위의 집합한 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위치를 정확하게 제어하고, 저전위의 질화 갈륨 기판을 제작할 수가 있다. 또한 본 발명의 GaN 기판은, 전위를 규칙 바르게 특정의 좁은 부분에 집합 시키고 있어, 디바이스의 중요 부분에 사용하는 부분(단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y)에서는 저전위로 단결정이다. InGaN청색·자색의 레이저 다이오드(LD)등의 저전위 Ga N기판으로서 최적한 것을 부여한다.
도 1은, 본 발명자가 특개2001-102307호에 있어서 제안한 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성해 유지하면서 GaN를 결정 성장시키는 파셋 성장법에 있어서 파셋은 평균적인 성장 방향과는 별도로 피트의 내향으로 성장하므로 전위가 파셋 능선에 쓸어 모은다고 하는 것을 설명하기 위한 사시도. (a)는 파셋면이 내향으로 성장해 전위가 능선에 모여 피트바닥에 모이는 것을 표시한 사시도. (b)는 피트바닥에 모인 전위의 사이에 강한 척력(斥力)이 발생하기 때문에 6방으로 방사모양으로 퍼진 면모양 결함이 형성되는 것을 설명하는 사시도.
도 2는, 본 발명자가 특개2001-102307호 에 있어서 제안한 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성해 유지하면서 GaN를 결정 성장시키는 파셋 성장법에 있어서 파셋은 평균적인 성장 방향과는 별도로 피트의 내향으로 성장하므로 성장와 함께 전위가 파셋 능선에 쓸어 모아지고 또 피트바닥의 다중점에 집중 한다고 하는 것을 설명하기 위한 피트의 평면도.
도 3은, 본 발명자가 특개2001-102307호 에 있어서 제안한 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성해 유지하면서 GaN를 결정 성장시키는 파셋 성장법에 있어서 파셋은 평균적인 성장 방향과는 별도로 피트의 내향으로 성장하므로 성장과 함께 전위가 파셋 능선에 쓸어 모아지고 또 피트바닥의 다중점에 집중해 바닥에 계속되는 전위의 집합다발을 세로길이로 형성 한다고 하는 것을 설명하기 위한 피트의 단면도. (1)은 성장과 함께 피트바닥에 전위가 집중해 세로 방향에 신장하는 전위다발을 형성하는 것을 설명하는 단면도. (2)는 성장과 함께 피트바닥에 전위가 집중해 세로 방향으로 신장하는 전위다발을 형성하는 것이지만 피복 하는 것이 없고 전위 집합 개방계이며 전위상호에는 강한 척력이 작용하므로 일단 집합한 전위가 흐트러져서 둘레에 퍼져 몽롱한 형상의 전위의 확산이 일어나는 것을 설명하는 단면도.
도 4는, 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성해 유지하면서 GaN를 결정 성장 시키는 파셋 성장법에 있어서 파셋은 평균적인 성장 방향과는 별도로 피트의 내향으로 성장하므로 성장과 함께 전위가 파셋 능선에 쓸어 모아지고 또 피트바닥의 다중점에 집중해 바닥에 계속되는 닫힌 전위의 집합다발인 폐쇄 결함 집합 영역 H를 세로길이에 형성해 닫힌 공간에 전위를 집결시키므로 전위가 다시 흐트러짐이 없다고 하는 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법의 개략을 설명하기 위한 피트의 단면도. (1)은 성장과 함께 피트바닥에 전위가 집중해 세로 방향에 성장하는 닫은 폐쇄 결함 집합 영역에 전위다발을 집결시키는 것을 설명하는 단면도. (2)는 성장과 함께 피트바닥이 상승하지만 항상 바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 부수 해 전위를 흡수해 가는 것을 설명하는 단면도.
도 5는, 기초 기판의 위에 씨를 배치해 그 위에 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 마련하도록 한 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 도시하는 도면.
도 6, 기초 기판의 위에 씨를 배치해 그 위에 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 마련하도록 한 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 평면도. 씨의 배치를 기초 기판 위에 기하학적으로 규칙바르게 행하고 있는 것을 알 수 있다.
도 7은, 기초 기판의 위에 씨를 배치해 그 위에 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성 하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 마련하도록 해서 결정을 성장시킨 후, 기초 기판을 제거해 평탄하게 한 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 사시도.
도 8은, 기초 기판의 위에 씨를 6회 대칭성 패턴으로 배치해 결정을 성장시키는 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 평면도.
도 9는, 기초 기판의 위에 씨를 4회 대칭성 패턴으로 배치해 결정을 성장시키는 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 평면도.
도 10은, 기초 기판의 위에 씨를 2회 대칭성 패턴으로 배치해 결정을 성장시키는 본 발명의 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 평면도.
도 11은, 기초 기판의 위에 GaN 에피택셜층을 성장시켜, 그 위에 씨를 배치해 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성 하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 형성하도록 해서 결정을 성장시킨 후, 기초 기판과 GaN 에피택셜층을 제거해 평탄하게 한 본 발명의 실시예 1에 관한 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 도면.
도 12, 기초 기판의 위에 직접 씨를 배치해 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 형성하도록 해서 결정을 성장시킨 후, 기초 기판을 제거해 평탄하게 한 본 발명의 실시예 2에 관한 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 도면.
도 13은, 사파이어등의 다른종류 기판의 위에 GaN 에피택셜층을 성장시켜, 그 위에 GaN 입자인 씨를 배치해 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 형성하도록 해서 결정을 성장시킨 후, 사파이어 기판과 GaN 에피택셜층을 제거해 평탄하게 한 본 발명의 실시예 4에 관한 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 도면.
도 14는, 사파이어등의 다른종류 기판의 위에 GaN 에피택셜층을 성장시켜, GaN 에피택셜층에 에칭 제거에 의해 구멍을 뚫어 그 구멍의 위에 GaN를 파셋 성장 시켜서 피트바닥에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 그 둘레에 단결정저전위수반영역 Z를 형성 하고, 그 둘레에 단결정저전위 나머지영역 Y를 형성하도록해서 결정을 성장시킨 후, 사파이어 기판과 GaN 에피택셜층을 제거해 평탄하게 한 본 발명의 실시예 5에 관한 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법을 표시하는 도면.
도 15는, 본 발명의 실시예 1의 패턴 A를 이용해 작성한 GaN 기판을 기초 기판 으로서 사용하고, 씨는 배치하지 않고, 그 위에 GaN 에피택셜층을 파셋 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성되고, 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z의 위에는 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z의 어느 하나가 형성된 두꺼운 GaN 결정을 슬라이스 가공하고, 연마해서 복수매의 GaN 기판을 얻을 수 있는 것을 표시한 본 발명 실시예 6에 관한 단결정 질화 갈륨 기판의 제조 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
H: 폐쇄 결함 집합 영역 Z: 단결정저전위수반영역
Y: 단결정저전위 나머지영역 2: GaN 결정
4: 피트 6: 파셋
7: 평탄면 8: 능선
9: 내향 성장 방향 10: 면형상 결함
11: 선형상전위 집합 결함부 12: GaN 결정
14: 피트 15: 전위 집합다발
17: 평탄면 19: 여백부분
21: 기판 22: GaN 결정
23: 씨 24: 피트
25: 폐쇄 결함 집합 영역(H) 26: 파셋
27: 평탄면 29: 피트바닥(얕은 파셋면)
30: 결정입자경계(K) 51: 기판
52: GaN 결정 53: 씨
54: 단결정저전위수반영역(Z) 55: 폐쇄 결함 집합 영역(H)
56: 파셋 57: 평탄면
58: 단결정저전위 나머지영역(Y) 59: 피트바닥(얕은 파셋면)
60: 결정입자경계(K) 61: 기판
62: GaN 결정 63: 씨
64: 단결정저전위수반영역(Z) 65: 폐쇄 결함 집합 영역(H)
66: 파셋 67: 평탄면
68: 단결정저전위 나머지영역(Y) 69:피트바닥(얕은 파셋면)
70: 결정입자경계(K) 71: 기판
72: GaN 결정 73: 씨(구멍)
74: 단결정저전위수반영역(Z) 75: 폐쇄 결함 집합 영역(H)
76: 파셋 77: 평탄면
78: 단결정저전위 나머지영역(Y) 79: 피트바닥(얕은 파셋면)
80: 결정입자경계(K) 84: 단결정저전위수반영역(Z)
85: 폐쇄 결함 집합 영역(H) 86: 파셋
87: 평탄면 88: 단결정저전위 나머지영역(Y)
89: 피트바닥(얕은 파셋면) 90: 입자경계(K)

Claims (72)

  1. 질화 갈륨 기판으로서, 기판 표면에 있어서, 기판면을 관통해서 성장하는 다수의 결함의 집합한 심지 S를 내부에 포함해 결정입계(粒界) K에 의해 구별되고, 폐쇄한 영역인 폐쇄 결함 집합 영역 H와, 폐쇄 결함 집합 영역 H에 수반해 그 주위에 형성된 단결정저전위수반영역 Z와, 단결정저전위수반영역 Z의 외부에 존재하고 동일한 결정 방위를 가지는 단결정저전위 나머지영역 Y를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  2. 질화 갈륨 기판으로서, 기판 표면 에 있어서, 기판면을 관통해서 신장하는 다수의 결함의 집합한 심지 S를 내부에 포함하여 결정입계 K에 의해 구별 되고, 폐쇄한 영역인 폐쇄 결함 집합 영역 H와, 폐쇄 결함 집합 영역 H에 수반해 그 주위에 형성된 단결정저전위수반영역 Z와, 단결정저전위수반영역 Z의 외부에 존재하고 동일한 결정 방위를 가지는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를 1단위로 하고, 복수의 기본 조직체 Q의 조합에 의해서 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 다결정으로 되어 있고, 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y는 모두 단일의 단결정인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  4. 제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y와는, 다른 결정 방위를 가지는 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  5. 제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y와 <0001>방향에만 일치하지만, 다른 결정 방위를 가지는, 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z 및 단결정저전위 나머지영역 Y와는 결정 방위가, <0001> 방향만이 180°역전해 극성이 반전하고 있는 단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  7. 제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y와는 결정 방위가,<0001> 방향이 180°역전해 극성이 반전하고 있는 결정 방위를 가진 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  8. 제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z, 단결정저전위 나머지영역 Y의 결정 방위에 대해 약간 경사한 결정 방위를 가지는 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  9. 제 1항∼제 3항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 주위의 단결정저전위수반영역 Z와는 면형상 결함이나 선형상 결함에 의해서 간막이되고, 주위의 단결정저전위수반영역 Z와 동일한 결정 방위를 가진 단결정 영역이든가, 또는 주위의 단결정저전위수반영역 Z와는 면형상 결함이나 선형상 결함에 의해서 간막이된 1개 이상의 결정입자로 이루어지고, 내부에 결정 결함을 포함한 결정 영역인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  10. 제 1항∼제 9항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H에 포함되는 결정 결함은, 선형상 결함 또는 면형상 결함인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  11. 제 1항∼제 10항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경이 1㎛∼200㎛로서, 기판 표면에 있어서 점 형상으로 격리분포하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  12. 제 1항∼제 10항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 직경이 5㎛∼70㎛로서, 기판 표면에 있어서 점 형상으로 격리 분포하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  13. 제 11항∼제 12항에 있어서, 기판 표면에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 형상이 부정형, 원형, 다각형의 어느 하나, 인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단결정저전위수반영역 z에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 근방 3O㎛의 영역에서 약간 관통전위 밀도가 높아 3×1O7cm-2이하인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단결정저전위 나머지영역 Y 및 단결정저전위수반영역 z에 있어서의 평균의 관통전위 밀도가 5×106cm-2이하이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H로부터 격리됨에 따라서 감소해 가는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  16. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 기판 표면이 (0001)면인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  17. 제 1항, 제 2항, 제 6항, 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H 이외의 영역의 표면이 (0001)면이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H만의 표면이 (000-1)면인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  18. 제 1항, 제 2항 제 6항, 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H 이외의 영역의 표면이 Ga면이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H만의 표면이 극성이 달라 질소면인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H 이외의 영역에 대해, 폐쇄 결함 집합 영역 H만의 표면에 약간 단차를 가져 낮게되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  20. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z에 있어서, 대부분의 전위가 C면에 평행으로 신장하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  21. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 기판 결정 내부에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 c축방향으로 평행으로 신장하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  22. 제 2항에 있어서, 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그것을 둘러싸는 단결정저전위수반영역 Z와 그것을 둘러싸는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를, 주기성을 가지고 규칙 바르게 기판 표면에 배치시킨 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  23. 제 22항에 있어서, 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그것을 둘러싸는 단결정저전위수반영역 Z와 그것을 둘러싸는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를, 주기성을 가지고 규칙 바르게 기판 표면에 배치시킴에 있어서, 2차원적으로 가장 조밀배열이 되도록, 동일치수의 정3각형의 반복으로 이루어지는 6회 대칭성을 가진 6회 대칭 배열 패턴의 정3각형의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 합치하도록, 기본 조직체 Q를 기판 표면에 배치시킨 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  24. 제 23항에 있어서, 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그것을 둘러싸는 단결정저전위수반영역 Z와, 그것을 둘러싸는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를, 주기성을 가지고 규칙 바르게 기판 표면에 배치시킴에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 가장 짧은 피치로 주기적으로 줄서는 방향, 즉 6회 대칭 배열 패턴의 정3각형의 변의 방향이,<1-100>방위 혹은 <11-20>방위인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  25. 제 22항에 있어서, 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그것을 둘러싸는 단결정저전위수반영역 Z와 그것을 둘러싸는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를, 주기성을 가지고 규칙 바르게 기판 표면에 배치시킴에 있어서, 동일 치수의 정4각형의 반복으로 이루어지는 4회 대칭성을 가진 4회 대칭 배열 패턴의 정4각형의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 합치하도록, 기본 조직체 Q를 기판 표면에 배치시킨 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  26. 제 25항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 가장 짧은 피치에 의해 주기적으로 줄서는 방향, 즉 4회 대칭 배열 패턴의 정4각형의 변의 방향 또는 대각선의 방향이, <1-100>방위인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  27. 제 22항에 있어서, 중심의 폐쇄 결함 집합 영역 H와 그것을 둘러싸는 단결정저전위수반영역 Z와 그것을 둘러싸는 단결정저전위 나머지영역 Y로 이루어지는 기본 조직체 Q를, 주기성을 가지고 규칙 바르게 기판 표면에 배치시킴에 있어서, 동일 치수의 직4각형 또는 마름모꼴모양의 반복으로 이루어지는 2회 대칭성을 가진 2회 대칭 배열 패턴의 직4각형 또는 마름모꼴 모양의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역H가 합치하도록, 기본 조직체 Q를 기판 표면에 배치시킨 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  28. 제 27항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H가 가장 짧은 피치로 주기적으로 줄서는 방향, 즉 2회 대칭 배열 패턴의 직4각형의 짧은변 또는 마름모꼴의 짧은 대각선의 방향이, < 1-100>방위 또는 <11-20>방위인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  29. 제 22항∼제 28항의 어느 한 항에 있어서, 기본 조직체가 규칙 바르게 배열된 기판 표면에 있어서, 인접하는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 최단 거리 L가 50㎛∼2000㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  30. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 기판 결정 내부에 있어서 c축방향으로 신장하고 있어, 기판 결정 내부를 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판.
  31. 결정 성장 표면에 파셋면으로 이루어지는 피트를 형성 하고, 피트의 바닥부분에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 연속해서 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위의 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y의 전위를 끌어 들여, 소멸 또는 축적함에 따라서, 단결정저전위수반영역 Z와 단결정저전위 나머지영역 Y의 전위를 저감 하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  32. 기초 기판의 위에 기상 성장법에 의해서 질화 갈륨 결정을 성장시키는 질화 갈륨 결정 성장에 있어서, 기초 기판 위에 파셋면의 집합으로 이루어지는 피트를일으키게 하기 위한 씨를 형성하고, 기초 기판 위에 질화 갈륨을 결정 성장시켜, 씨의 위에는, 기초 기판면과 수직의 방향으로 신장하는 다수의 결함이 집합한 심지 S와 그것을 포위하는 결정입계 K로 이루어지는 닫힌 공간인 폐쇄 결함 집합 영역 H를 피트 바닥부분에 위치해 c축방향으로 뻗도록 형성하고, 씨 이외의 기초 기판상에서 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위에 단결정인 단결정저전위수반영역 Z를 피트의 파셋면 아래에 위치 하도록 형성하고, 단결정저전위수반영역 Z의 바깥둘레에 Z와 동일한 결정 방위를 가지는 단결정저전위 나머지영역 Y를 피트 이외의 C면 성장하는 부분아래에 위치 하도록 형성하면서 결정 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H와 단결정저전위수반영역 Z의 경계면에 생기는 결정입계 K 또는 결정입계 K에 의해서 둘러싸이는 심지 S가, 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z로부터 C면에 평행으로 신장해 온 전위를 모아서 소멸 또는 축적시킴에 따라서 단결정의 전위를 저감 하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  33. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 결정 성장과 함께 파셋면으로 이루어지는 피트가 상승한 뒤에 형성되어 가는 폐쇄 결함 집합 영역 H는 다결정이며, 그 주위에 수반 하는 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  34. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y와는 다른 결정 방위를 가지는 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  35. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y와 <0001>축만 일치하고 그 외의 방위가 다른 결정 방위를 가지는 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  36. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y와는 <0001>방향만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있는 단결정인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  37. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y는 <0001>방향이 180°역전 하고, 극성이 반전하고 있는 1개 이상의 결정입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  38. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H는 상기 단결정 Z, Y로부터 약간의 경사진 방위를 가진 1개 이상의 결정입자으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  39. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S는 결정 결함을 포함해 1개 이상의 결정입자로 이루어지고, 심지 S를 포위하는 결정입계 K는 면형상 결함 또는 선형상 결함인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  40. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 단결정저전위수반영역 Z와 그 외부에 있는 단결정저전위 나머지영역 Y는 동일 방위의 단결정이며, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S는 결정 결함을 포함해 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y와 동일한 결정 방위를 가진 단결정이며, 심지 S를 포위하는 결정입계 K는 면형상 결함 또는 선형상 결함인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  41. 제 39항 또는 제 40항에 있어서, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 심지 S를 이루는 결정 영역의 결정 결함은 선형상 결함 또는 면형상 결함인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  42. 제 31항∼제 41항의 어느 한 항에 있어서, 단결정저전위나머지영역 Y 및 단결정저전위수반영역 Z에 있어서의 평균적인 결정 성장의 방향이 c축방향인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  43. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트가, 역6각추형상 혹은 역12각추형상 또는 측면의 각도가 다른 2단 겹침의 역6각추형상 또는 측 면의 각도가 다른 2단 겹침의 역12각추형상인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  44. 제 43항에 있어서, 피트를 형성하는 파셋면의 면지수가 {kk-2kn}면 및 {k-k0n}면(k, n는 정수)인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  45. 제 44항에 있어서, 피트를 형성하는 파셋면의 면지수가 {11-22}면 및 {1-101}면인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  46. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는 피트를 형성하는 파셋면과는 면지수가 다른 표면을 유지해서 성장하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  47. 제 46항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는 피트를 형성하는 파셋면과는 면지수가 다르고, 경사각이 보다 작은 면방위를 표면으로해서 성장하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  48. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y는 <0001>방향만이 180°역전해 극성이 반전하고 있고, 또한, 경사각이 보다 작은 면방위를 표면으로해서 성장하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  49. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y와는 <0001>만이 180°역전하고, 극성이 반전하고 있고, 또한, 경사각이 보다 작은 면방위이며, 그 면방위는 {11-2-4}, {11-2-5}, {11-2-6}, {1-10-2}, {1-10-3}, {1-10-4}로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  50. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H는, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y는 <0001>방향만이 180°역전해 극성이 반전하고 있고, 그 경계는, 피트를 형성하는 파셋면과 그것보다 각도가 작은 면과의 경계선에 일치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  51. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H가, 점 형상으로 집중해 존재하면서 성장하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  52. 제 31항 또는 제 51항의 어느 한 항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 1㎛∼200㎛의 직경을 유지하면서 성장하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  53. 제 31항∼제 52항의 어느 한 항에 있어서, 파셋면으로 이루어지는 피트바닥에 계속되는 폐쇄 결함 집합 영역 H의 횡단면의 형상이 부정형, 원형, 다각형의 어느 하나인가인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  54. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, 기초 기판에 복수개의 씨를 규칙 바르게 배치 하고, 파셋면의 집합으로 이루어지며 중앙 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 피트를 복수개, 결정 성장시의 표면에 규칙 바르게 배열 시켜서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  55. 제 54항에 있어서, 파셋면의 집합으로 이루어지며 중앙 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 피트를 복수개, 결정 성장시의 표면에 규칙 바르게 배열시킴에 있어서, 2차원적으로 최조밀배열이 되도록, 동일 치수의 정3각형의 반복으로 이루어지는 6회 대칭성을 가진 6회 대칭 배열 패턴의 정3각형의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 위치하도록, 피트를 배열 시켜서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  56. 제 54항에 있어서, 파셋면의 집합으로 이루어지며 중앙 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 피트를 복수개, 결정 성장시의 표면에, 규칙 바르게 배열시킴에 있어서, 동일 치수의 정4각형의 반복으로 이루어지는 4회 대칭성을 가진 4회 대칭 배열 패턴의 정4각형의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 위치 하도록, 피트를 배열 시켜서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  57. 제 54항에 있어서, 파셋면의 집합으로 이루어지며 중앙 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 피트를 복수개, 결정 성장시의 표면에, 규칙 바르게 배열시킴에 있어서, 동일 치수의 직4각형 또는 마름모꼴의 반복으로 이루어지는 2회 대칭성을 가진 2회 대칭 배열 패턴의 직4각형 또는 마름모꼴의 정점에 폐쇄 결함 집합 영역 H가 위치 하도록, 피트를 배열 시켜서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  58. 제 54항∼제 57항의 어느 한 항에 있어서, 파셋면의 집합으로 이루어지며 중앙 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 가지는 피트를 복수개, 결정 성장시의 표면에, 규칙 바르게 배열시킴에 있어서, 그 들의 피트간의 최단 거리가, 중심간 거리로 50㎛∼2000㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  59. 제 31항 또는 32항에 있어서, 다결정 또는 비정질 박막을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  60. 제 59항에 있어서, 원형 또는 다각형 또는 소정의 형상으로 패터닝된 다결정 또는 비정질 박막을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  61. 제 60항에 있어서, 직경이 1㎛∼300㎛의 원형 또는 다각형으로 패터닝 된 다결정 또는 비정질 박막을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  62. 제 59항에 있어서, SiO2박막, Si3N4박막, Pt(플라티나)박막, W(텅스텐)박막중 어느 하나를, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  63. 제 31항 또는 제 32항에 있어서, GaN 다결정 입자, GaN 단결정 입자, GaN 이외의 이종 재료의 단결정 입자중 어느 하나를, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  64. 제 63항에 있어서, 기초 기판 위에 GaN 에피택셜층을 제작한 후, GaN에피택셜층을 부분적으로 에칭 제거해서 기초 기판을 드러내고, 드러낸 기초 기판의 일부 표면을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 이용하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  65. 제 59항에 있어서, 기초 기판 위에 직접 또는 GaN 에피택셜층을 개재하여, GaN 이외의 이종 재료로 이루어지는 다결정 또는 비정질 박막층으로 이루어진 마스크층을 형성하고, 그 마스크층을 부분적으로 에칭 제거해서 소정의 형상으로 패터닝 한 마스크층을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 이용하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  66. 제 60항에 있어서, 소정의 형상으로 패터닝 한 다결정 또는 비정질 박막을, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 기초 기판 위에 배치 하고, 씨가 존재하지 않는 기초 기판 표면에는 에피택셜래터럴오버그로스를 행하기 위한 ELO 패턴을 배치하고, 씨 패턴과 ELO 패턴을 가지는 기초 기판의 위에 GaN 결정 성장을 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  67. 제 60항에 있어서, 기초 기판에 ELO 패턴을 배치해서 에피택셜래터럴오버그로스법에 의해서 저전위의 GaN 박막을 성장시켜, 저전위 GaN 박막의 위에, GaN 이외의 이종 재료로 이루어지며 소정의 형상으로 패터닝 된 다결정 또는 비정질 박막층을 형성하고, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 씨로서 이용하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  68. 제 59항∼제 67항의 어느 한 항에 있어서, 기초 기판으로서, GaN, 사파이어, SiC, 스피넬, GaAs, Si 중 어느 하나의 재료로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 성장 방법.
  69. 기초 기판의 위에 기상 성장법에 의해서 질화 갈륨 결정을 성장시키는 질화 갈륨 결정 성장에 있어서, 기초 기판 위에 파셋면의 집합으로 이루어지는 피트를 생기게 하기 위한 씨를 형성하고, 기초 기판 위에 질화 갈륨을 결정 성장시키고, 씨의 위에는, 기초 기판면과 수직의 방향으로 신장하는 다수의 결함이 집합한 심지 S와 그것을 포위하는 결정입계 K로 이루어지는 닫힌 공간인 폐쇄 결함 집합 영역 H를 피트 바닥부에 위치 해서 c축방향으로 뻗도록 형성하고, 씨 이외의 기초 기판상에서 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위에 단결정인 단결정저전위수반영역 Z를 피트의 파셋면 아래에. 위치 하도록 형성하고, 단결정저전위수반영역 Z의 외주에 Z와 동일한 결정 방위를 가진 단결정저전위 나머지영역 Y를 피트 이외의 C면 성장하는 부분의 아래에 위치 하도록 형성하면서 결정 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H와 단결정저전위수반영역 Z의 경계면에 생기는 결정입계 K 또는 결정입계 K에 의해서 둘러싸이는 심지 S가, 단결정저전위 나머지영역 Y, 단결정저전위수반영역 Z로부터 C면에 평행으로 신장해 온 전위를 모아 소멸 또는 축적시킴에 따라서 얻어진 저전위의 단결정을, 슬라이스 가공, 연삭가공, 랩핑 가공중 적어도 하나를 포함한 기계가공한 후, 연마를 실시하고, 평탄한 표면을 가진 질화 갈륨 기판으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 제조 방법.
  70. 결정 성장 표면에 파셋면 으로 이루어지는 피트를 형성하고, 피트의 바닥부에 폐쇄 결함 집합 영역 H를 연속해서 성장시켜, 폐쇄 결함 집합 영역 H의 주위의 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y의 전위를 끌어 들여 저감 한 결정을 두껍게 성장시켜, 잉곳 으로 하고, 당해 결정을 슬라이스 가공 함으로써, 다수매의 질화 갈륨 결정을 얻는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 제조 방법.
  71. 기판 표면에 있어서, 기판면을 관통해서 신장하는 다수의 결함이 집합된 심지 S를 내부에 포함해 결정입계 K에 의해 구별되고, 닫힌 영역인 폐쇄 결함 집합 영역 H과, 폐쇄 결함 집합 영역 H에 수반 해 그 주위에 형성된 단결정저전위수반영역 Z와, 단결정저전위수반영역 Z의 외부에 존재해 동일한 결정 방위를 가지는 단결정저전위 나머지영역 Y를 가지는 단결정 질화 갈륨 기판을 씨결정으로해서, 그 위에 질화 갈륨을 두껍게 성장함으로써, 씨 결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위에는 폐쇄 결함 집합 영역 H를 성장하고, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y의 위에는, 단결정저전위수반영역 Z 또는 단결정저전위 나머지영역 Y를 성장함으로써, 잉곳을 작성 하고, 당해 결정을 슬라이스 가공 함으로써, 다수매의 질화 갈륨 결정을 얻는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 제조 방법.
  72. 기판 표면에 있어서, 기판면을 관통해서 신장하는 다수의 결함이 집합된 심지 S를 내부에 포함해 결정입계 K에 의해 구별되고, 닫힌 영역인 폐쇄 결함 집합 영역 H와, 폐쇄 결함 집합 영역 H에 수반하고 그 주위에 형성된 단결정저전위수반영역 Z와, 단결정저전위수반영역 Z의 외부에 존재해 동일한 결정 방위를 가지는 단결정저전위 나머지영역 Y를 가지는 단결정 질화 갈륨 기판을 씨결정으로해서, 그 위에 질화 갈륨을 두껍게 성장함으로써, 씨 결정의 폐쇄 결함 집합 영역 H의 위에는 파셋면으로 이루어지는 피트의 바닥이 형성되고, 거기에는 폐쇄 결함 집합 영역 H가 형성 되고, 또, 단결정저전위수반영역 Z나 단결정저전위 나머지영역 Y의 위에는, 파셋면으로 이루어지는 피트의 경사면 및 수평인 파셋면이 형성되고, 단결정저전위수반영역 Z 또는 단결정저전위 나머지영역 Y를 성장함으로써, 잉곳을 작성하고, 당해 결정을 슬라이스 가공함으로써, 다수매의 질화 갈륨 결정을 얻는 것을 특징으로 하는 단결정 질화 갈륨 기판의 제조 방법.
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