KR100447414B1 - Fabrication method for GaN crystal substrate and chemical vapor deposition reactor - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판 제조방법은, 기판 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층을 성장시키는 단계와;화학 기상 증착 반응기 내에서, 금속 갈륨을 가열하여 승화된 갈륨 가스를 제공하고, 암모니아 기체를 열분해하여 분리된 질소 가스를 제공하여, 승화된 갈륨 가스와 분리된 질소 가스를 직접 반응시켜 질화갈륨 박막층 상에 질화갈륨 후막층을 성장시키는 단계와;및 후막층 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층을 성장시키는 단계; 를 포함한다.A method of manufacturing a gallium nitride crystal substrate according to the present invention includes the steps of growing a gallium nitride thin film layer on a substrate by MOCVD; In a chemical vapor deposition reactor, metal gallium is heated to provide a sublimed gallium gas, and ammonia gas is pyrolyzed to provide separated nitrogen gas, so that the sublimed gallium gas and the separated nitrogen gas are directly reacted on the gallium nitride thin film layer. Growing a gallium nitride thick film layer; And growing a gallium nitride thin film layer on the thick film layer by MOCVD. It includes.
또한, 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기는, 운반 기체와 암모니아 기체를 공급해 주는 기체 공급부와;기체 공급부를 통해 공급된 암모니아 기체에서 질소를 열분해시키는 크랙커와, 크랙커에 의하여 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 내부에 위치된 금속 갈륨에서 승화된 갈륨 가스를 직접 반응시켜 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 성장셀을 구비하는 반응부;를 포함한다.In addition, the chemical vapor deposition reactor according to the present invention, the gas supply unit for supplying a carrier gas and ammonia gas; A cracker that thermally decomposes nitrogen in the ammonia gas supplied through the gas supply unit and gallium gas sublimed in the metal gallium located therein by directly cracking the pyrolyzed nitrogen in the ammonia gas by the cracker to grow gallium nitride crystals on the substrate. A reaction unit having a growth cell; It includes.
Description
본 발명은 질화갈륨 결정기판 및 제조방법에 관한 것으로서, 특히 갈륨(Ga) 소오스(source)에서 승화된 갈륨과 질소(N) 소오스에서 분리된 질소의 직접반응에 의해 질화갈륨 결정(GaN Crystal)을성장시키는 질화갈륨 결정기판 제조방법 및 화학 기상 증착 반응기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride crystal substrate and a method for manufacturing the same. Particularly, a gallium nitride crystal (GaN Crystal) is formed by a direct reaction of a gallium sublimed in a gallium (Ga) source and nitrogen separated from a nitrogen (N) source. The present invention relates to a method for producing a gallium nitride crystal substrate to be grown and a chemical vapor deposition reactor.
질화갈륨 결정기판은 고휘도 청색 또는 백색 발광 다이오드(blue/white light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode, LD)를 비롯한 여러 다이오드에 핵심 기술로 사용되는 소자로써 최근 크게 주목받고 있다.The gallium nitride crystal substrate has recently attracted much attention as a device used as a core technology for various diodes including high brightness blue or white light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs).
도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 것이다.1 and 2 show the structure of a gallium nitride crystal substrate according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래의 질화갈륨 결정기판은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 사파이어 기판(110)과; 상기 기판(110) 상에 형성된 질화갈륨 후막층(120)Referring to FIG. 1, a conventional gallium nitride crystal substrate includes a sapphire substrate 110 which is a growth base of gallium nitride crystals; Gallium nitride thick film layer 120 formed on the substrate 110
; 등의 구조를 갖는다.; And the like.
그러나, 상기와 같은 구조의 결정기판은 사파이어 기판(110)과 질화갈륨 후막층(120) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch) 때문에 발생되는 스트레스로 인하여 질화갈륨 후막층(120)의 결정성이 크게 떨어진다. 따라서, 도 2와 같은 사파이어 기판(110) 상에 유기금속 화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)법으로 질화갈륨 박막층(210)을 성장시킨 다음, 상기 박막층(21However, the crystal substrate of the structure described above is greatly inferior in crystallinity of the gallium nitride thick film layer 120 due to stress caused by lattice mismatch between the sapphire substrate 110 and the gallium nitride thick film layer 120. . Therefore, the gallium nitride thin film layer 210 is grown on the sapphire substrate 110 as shown in FIG. 2 by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and then the thin film layer 21
0) 상에 질화갈륨 후막층(120)을 성장시키게 된다.The gallium nitride thick film layer 120 is grown on 0).
이때, 질화갈륨 후막층(120)을 성장시키는 방식으로는 수소화물 증기상 에피(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 방식, High Pressure 방식, Sublimation방식 등이 있는데, 이중에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 HVPE 방식으로, 상기 방식은 성장 속도가 빠르며, 질화갈륨 결정기판을 이용하여 고품질의 질화갈륨 박막을 성장시킬 수 있도록, 상기 후막층(120) 상에 불순물 농도가 낮은 에피층을 성장시킬 수 있다는 장점이 있다.In this case, the gallium nitride thick film layer 120 may be grown by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, a high pressure method, or a sublimation method. Among them, the most widely used is the HVPE method. In this method, the growth rate is fast, and an epitaxial layer having a low impurity concentration may be grown on the thick film layer 120 so as to grow a high quality gallium nitride thin film using a gallium nitride crystal substrate.
그러나, 종래의 HVPE 방식은 시편 위에 주입시 GaCl3형성반응이 기상과 액상간의 반응으로 여러 변수에 의해 영향을 받아 갈륨공급의 정밀성과 재현성 조절이 어려워 운반기체로 버블링하는 2단계 반응으로 이루어지므로, 제조 공정이 복잡해지고, 이에 따른 비용 증가의 문제가 있었다.However, in the conventional HVPE method, when the GaCl 3 formation reaction is injected into the specimen, the reaction between the gas phase and the liquid phase is influenced by various variables, so that it is difficult to control the precision and reproducibility of the gallium supply. In this case, the manufacturing process is complicated, and there is a problem of increased cost.
그리고, 종래의 HVPE 방식은 갈륨 소오스로 GaCl이나 GaCl3를 사용하기 때문에 성장 반응 중에 염화수소(HCl) 기체나 염소(Cl2) 기체와 같은 유독성 화학 성분이 발생되는 문제가 있다.In addition, since the conventional HVPE method uses GaCl or GaCl 3 as the gallium source, toxic chemical components such as hydrogen chloride (HCl) gas and chlorine (Cl 2 ) gas are generated during the growth reaction.
한편, 종래의 High Pressure 방식은 질화갈륨 결정을 성장시키기 위해서 10Kbar이상의 고압과, 1500℃ 이상의 고온이 유지 되어야 하므로, 통상적인 장비로는 수행이 어려워 특수한 장비를 사용해야 하는데, 이들의 장비가 고가라는 문제가 있었다.On the other hand, the conventional high pressure method is required to maintain a high pressure of 10Kbar or more, and a high temperature of 1500 ℃ or more in order to grow gallium nitride crystals, it is difficult to perform as a normal equipment, you need to use special equipment, these equipment is expensive problem There was.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 갈륨 소오스에서 승화된 갈륨과 질소 소오스에서 분리된 질소를 직접 반응시켜 질화갈륨 결정을 성장시킴으로서, 공정비가 현저히 감소되는 고품질의 질화갈륨 결정기판 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조되는 질화갈륨 결정기판을 제시하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and by directly reacting the gallium sublimated in the gallium source and the nitrogen separated from the nitrogen source to grow gallium nitride crystals, a high quality gallium nitride crystal substrate that significantly reduces the process cost An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a gallium nitride crystal substrate produced by the method.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 질화갈륨 결정기판을 제조함에 있어서, 갈륨과 질소를 직접 반응시켜 고품질의 질화갈륨 결정을 성장시켜주는, 저렴하면서도 고효율성을 갖는, 화학 기상 증착 반응기를 제시하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention is to provide a chemical vapor deposition reactor having a low cost and high efficiency in the production of gallium nitride crystals by directly reacting gallium and nitrogen in the production of gallium nitride crystal substrate according to the above method There is this.
도 1, 도 2는 종래 기술에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 도면이고,1 and 2 are views showing the structure of a gallium nitride crystal substrate according to the prior art,
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 도면이고,3 is a view showing the structure of a gallium nitride crystal substrate according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기의 구조를 나타낸 도면이고,4 is a view showing the structure of a chemical vapor deposition reactor according to the present invention,
도 5, 도 6은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기의 반응부 중 성장셀(Growth Cell)을 나타낸 도면이고,5 and 6 are views showing a growth cell in the reaction part of the chemical vapor deposition reactor according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기의 반응부 중 크랙커(Cracker)를 나타낸 도면이다.7 is a view illustrating a cracker in the reaction part of the chemical vapor deposition reactor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
110, 310: 사파이어 기판 120, 330: 질화갈륨(GaN) 후막층110 and 310: sapphire substrate 120 and 330: gallium nitride (GaN) thick film layer
210, 320: 질화갈륨 박막층 340: 질화갈륨 박막층210 and 320: gallium nitride thin film layer 340: gallium nitride thin film layer
401: 광학 고온계(optical pyrometer)401 optical pyrometer
402: 배라트론 게이지(baratron gauge)402: baratron gauge
403: 매스 스펙트로미터(mass spectrometer)403: mass spectrometer
410: 기체 공급부 411: 유량 조절기410: gas supply unit 411: flow regulator
412: 쓰로틀 밸브(throttle valve) 420: 반응부412: throttle valve 420: reaction part
430: 기체 배기부 431: 펌프430: gas exhaust 431: pump
432: 게이트 밸브(gate valve) 421: 크랙커(cracker)432: gate valve 421: cracker
422: 성장셀(Growth Cell)422: growth cell
422a: 그라파이트 서셉터(graphite suscepter)422a: graphite suscepter
422b: 반응관 422a-1, 422b-2: 홀더(holder)422b: reaction tubes 422a-1, 422b-2: holder
422c: 고주파 유도 코일(RF-induction coil)422c: RF-induction coil
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판 제조방법은, 기판 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층을 성장시키는 단계와;화학 기상 증착 반응기 내에서, 금속 갈륨을 가열하여 승화된 갈륨 가스를 제공하고, 암모니아 기체를 열분해하여 분리된 질소 가스를 제공하여, 상기 승화된 갈륨 가스와 분리된 질소 가스를 직접 반응시켜 상기 질화갈륨 박막층 상에 질화갈륨 후막층을 성장시키는 단계와;및 상기 후막층 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층을 성장시키는 단계; 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a gallium nitride crystal substrate manufacturing method according to the present invention comprises the steps of: growing a gallium nitride thin film layer on the substrate by MOCVD; In a chemical vapor deposition reactor, metal gallium is heated to provide a sublimed gallium gas, and pyrolysis of ammonia gas provides a separated nitrogen gas, so that the sublimed gallium gas and the separated nitrogen gas are directly reacted with the gallium nitride. Growing a gallium nitride thick film layer on the thin film layer; And growing a gallium nitride thin film layer on the thick film layer by MOCVD. Characterized in that comprises a.
이때, 상기 질화갈륨 후막층은 온도가 800~1200℃, 압력이 760Torr 인 조건하에서 형성되는 것을 특징으로 한다.At this time, the gallium nitride thick film layer is characterized in that the temperature is formed under the conditions of 800 ~ 1200 ℃, pressure 760 Torr.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기는, 운반 기체와 암모니아 기체를 공급해 주는 기체 공급부와;상기 기체 공급부를 통해 공급된 암모니아 기체에서 질소를 열분해시키는 크랙커와, 상기 크랙커에 의하여 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 내부에 위치된 금속 갈륨에서 승화된 갈륨 가스를 직접 반응시켜 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 성장셀을 구비하는 반응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the chemical vapor deposition reactor according to the present invention, the gas supply unit for supplying a carrier gas and ammonia gas; A cracker for pyrolyzing nitrogen in the ammonia gas supplied through the gas supply unit, and gallium nitride crystals on the substrate by directly reacting nitrogen pyrolyzed in the ammonia gas by the cracker with a gallium gas sublimed in the metal gallium located therein. A reaction unit having a growth cell for growing; Characterized in that it comprises a.
여기서, 상기 반응부는상기 질화갈륨 결정 성장 과정에서 불필요한 기체를 외부로 배출시키는 기체 배기부를 더 구비하는것을 특징으로 한다.The reaction unit may further include a gas exhaust unit configured to discharge unnecessary gas to the outside during the gallium nitride crystal growth process .
그리고, 상기 성장셀은, 금속 갈륨이 투입되는 홈을 갖는 제 1 표면과, 상기 제 1 표면과 대면하고, 그 사이로 운반 기체가수평방향으로흐를 수 있는 충분한 거리를 가지며, 기판을 수납할 수 있는 홀더(holder)를 갖는 제 2 표면으로 이루어진 서셉터(susceptor)와; 질화갈륨 결정성장에 필요한 환경이 조성되도록 상기 서셉터를 수용하는 반응관; 및 상기 반응관을 가열하여, 그 내부에 있는 서셉터의 온도를 질화갈륨 결정의 성장온도로 높여주는 가열수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.The growth cell has a first surface having a groove into which metal gallium is introduced, and a surface facing the first surface and having a sufficient distance therebetween to allow carrier gas to flow in a horizontal direction, and to accommodate a substrate. A susceptor made of a second surface having a holder; A reaction tube accommodating the susceptor to create an environment required for gallium nitride crystal growth; Heating means for heating the reaction tube to raise the temperature of the susceptor therein to the growth temperature of gallium nitride crystals; Characterized in that it comprises a.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 구조를 나타낸 것이다.3 shows the structure of a gallium nitride crystal substrate according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판은, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판(310)과; 상기 기판(310) 상에 형성되며, MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 박막층(320)과; 상기 박막층(320) 상에 형성되며, 금속 갈륨과 암모니아 기체가 직접 반응하여 형성된 질화갈륨 후막층(330); 및 상기 후막층(330) 상에 형성되며, MOCVD방식으로 형성된 질화갈륨 박막층(340); 을 포함한 구조를 갖는다.Referring to FIG. 3, the gallium nitride crystal substrate according to the present invention includes a substrate 310 on which a growth base of gallium nitride crystals is grown; A gallium nitride thin film layer 320 formed on the substrate 310 and formed by MOCVD; A gallium nitride thick film layer 330 formed on the thin film layer 320 and formed by directly reacting metal gallium and ammonia gas; And a gallium nitride thin film layer 340 formed on the thick film layer 330 and formed by MOCVD. It has a structure including.
여기서, 상기 기판(310)은 질화갈륨 결정이 성장되는 기반으로서, 사파이어(Sapphire), 규소(Si), 갈륨비소(GaAs) 등의 다양한 물질이 사용되지만, 바람직하게는 사파이어 기판을 이용한다(이하 '기판'은 사파이어 기판을 의미한다).Here, the substrate 310 is a base on which gallium nitride crystals are grown, and various materials such as sapphire, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs) are used, but preferably, a sapphire substrate is used (hereinafter, ' Substrate 'means a sapphire substrate).
그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 질화갈륨 결정기판의 제조 방법에 대해 살펴보기로 한다.Then, a method of manufacturing a gallium nitride crystal substrate having the above configuration will be described.
먼저, 기판(310)이 제공되면, 상기 기판(310) 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층(320;바람직하게는 5㎛ 이상의 두께)을 성장시킨다. 여기서, 상기 박막층(32First, when the substrate 310 is provided, the gallium nitride thin film layer 320 (preferably 5 µm or more in thickness) is grown on the substrate 310 by MOCVD. Here, the thin film layer 32
0)은 기판과 이후 형성될 질화갈륨 후막층(330) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)으로 인한 스트레스를 완화 시켜주는 역할을 한다.0) serves to relieve stress due to lattice mismatch between the substrate and the gallium nitride thick film layer 330 to be formed later.
질화갈륨 박막층(320)이 형성되면, 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기(Chemical Vapor Deposition Reactor; 이하 CVD 반응기) 내에서, 갈륨 소오스에서 공급된 갈륨과 질소 소오스에서 공급된 질소를 직접 반응시켜, 질화갈륨 후막층(330; 바람직하게는 100㎛ 이상의 두께)을 성장시킨다. 여기서, 상기 갈륨 소오스는 금속 갈륨이 사용되고, 질소 소오스는 암모니아 기체가 사용된다.When the gallium nitride thin film layer 320 is formed, the gallium supplied from the gallium source and the nitrogen supplied from the nitrogen source are directly reacted in the Chemical Vapor Deposition Reactor (CVD reactor) according to the present invention. The gallium thick layer 330 (preferably 100 mu m or more in thickness) is grown. Here, the gallium source is used metal gallium, the nitrogen source is used ammonia gas.
그런 다음, 상기 질화갈륨 후막층(330) 상에 MOCVD방식으로 질화갈륨 박막층(340; 바람직하게는 약 2㎛)을 성장시킨다.Then, the gallium nitride thin film layer 340 (preferably about 2㎛) is grown on the gallium nitride thick film layer 330 by MOCVD.
한편, 상기 질화갈륨 후막층(330)을 성장시키는 방법은 본 발명의 핵심적 내용으로서 도 4, 도5, 도6, 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Meanwhile, a method of growing the gallium nitride thick film layer 330 will be described in more detail with reference to FIGS. 4, 5, 6, and 7 as essential contents of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 CVD 반응기의 구조를 나타낸 것이다.4 shows the structure of a CVD reactor according to the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 CVD 반응기는, 운반 기체와 암모니아 기체를 공급해 주는 기체 공급부(410)와; 상기 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 금속 갈륨에서 승화된 갈륨을 직접 반응시켜 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 반응부(420); 및 상기 질화갈륨 결정 성장 과정에서 불필요한 기체를 외부로 배출시키는 기체 배기부(430); 를 포함하여 구성된다.4, the CVD reactor includes a gas supply unit 410 for supplying a carrier gas and ammonia gas; A reaction unit 420 for growing gallium nitride crystals on a substrate by directly reacting nitrogen pyrolyzed in the ammonia gas and gallium sublimed from metal gallium; And a gas exhaust unit 430 which discharges unnecessary gas to the outside during the gallium nitride crystal growth process; It is configured to include.
상기 반응부(420)에는 기체 공급부(410)를 통해 공급된 암모니아 기체에서 질소를 열분해시키는 크랙커(421)와, 암모니아 기체에서 열분해된 질소와 내부의 금속 갈륨에서 승화된 갈륨을 직접 반응시켜 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 성장셀(422) 등이 구비되어 있다.The reaction unit 420 directly reacts the cracker 421 for pyrolyzing nitrogen from the ammonia gas supplied through the gas supply unit 410, and gallium sublimed from the metal gallium inside the pyrolyzed nitrogen from the ammonia gas. And a growth cell 422 for growing gallium nitride crystals.
도 5는 상기 CVD 반응기의 반응부 중 성장셀을 나타낸 것이다.5 shows a growth cell in the reaction part of the CVD reactor.
도 5를 참조하면, 상기 성장셀(422)은, 금속 갈륨이 투입되는 홈을 갖는 제 1 표면과, 상기 제 1 표면과 대면하고, 그 사이로 운반 기체가 흐를 수 있는 충분한 거리를 가지며, 기판을 수납할 수 있는 홀더(422a-1)를 갖는 제 2 표면으로 이루어진 서셉터(422a)와; 질화갈륨 결정성장에 필요한 환경이 조성되도록 상기 서셉터(422a)를 수용하는 반응관(422b); 및 상기 반응관(422b)을 가열하여, 그 내부에 있는 서셉터(422a)의 온도를 질화갈륨 결정의 성장온도로 높여주는 가열수단(422c)Referring to FIG. 5, the growth cell 422 has a first surface having a groove into which metal gallium is injected, and a sufficient distance to face the first surface and allow a carrier gas to flow therebetween. A susceptor 422a formed of a second surface having a holder 422a-1 that can be received; A reaction tube 422b for receiving the susceptor 422a to create an environment for gallium nitride crystal growth; And heating means 422c for heating the reaction tube 422b to raise the temperature of the susceptor 422a therein to the growth temperature of gallium nitride crystals.
; 등으로 구성되어 있다.; And the like.
여기서, 상기 서셉터(422a)는 그라파이트(Graphite) 재질을 사용하였고, 질화갈륨 후막층(330)에 불순물인 탄소가 유입되지 않도록 실리콘 카바이드로 코팅처리 하였다. 그리고, 상기 반응관(422b)은 석영 재질을 사용하였으며, 상기 가열수단(422c)은 고주파 유도 코일(RF-induction coil)을 사용하였다.Here, the susceptor 422a is made of graphite (Graphite) material, and was coated with silicon carbide so that the carbon impurity does not flow into the gallium nitride thick film layer 330. The reaction tube 422b is made of quartz and the heating means 422c is made of a high frequency induction coil.
그리고, 상기 서셉터(422a)의 제 2 표면에 형성된 기판 수납 홀더(422a-1)는 도 6의 422a-2와 같이 제 1표면에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 기판 수납 홀더(422a-1)(422a-2)는 금속 갈륨에 대해 수직적 또는 수평적 위치에 형성될 수 있다. 여기서, 도 6은 상기 CVD 반응기의 반응부 중 성장셀의 다른 구성을 나타낸것이다.The substrate accommodating holder 422a-1 formed on the second surface of the susceptor 422a may be formed on the first surface as shown in 422a-2 of FIG. 6. That is, the substrate receiving holders 422a-1 and 422a-2 may be formed at a vertical or horizontal position with respect to the metal gallium. 6 shows another configuration of the growth cell in the reaction part of the CVD reactor.
그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 CVD 반응기를 통해, 질화갈륨 후막층(330)을 성장시키는 방법을 설명하기로 한다.Then, a method of growing the gallium nitride thick film layer 330 through the CVD reactor having the above configuration will be described.
먼저, 질화갈륨 결정의 성장 기반이 되는 기판(310)을 상기 성장셀의 그라파이트 서셉터(422a)의 홀더(422a-1)(422a-2)에 안착시키고, 그라파이트 서셉터(422aFirst, a substrate 310, which is a growth base of gallium nitride crystals, is mounted on the holders 422a-1 and 422a-2 of the graphite susceptor 422a of the growth cell, and then the graphite susceptor 422a.
)의 홈에 갈륨 소오스인 금속 갈륨을 투입한다.Into the groove of the), gallium, a gallium source, is added.
이때, 기판과 금속 갈륨 표면의 거리(도 5와 도 6의 P)는 질화갈륨 결정성장의 중요한 변수가 되는데, 공급되는 금속 갈륨과 암모니아 기체의 유량, 성장온도, 성장시간, 성장압력 등의 여러 공정 변수를 고려하여 적합하게 조절된다. 실험 결과 상기 표면간 거리는, 기판(310)이 금속 갈륨과 수직위치에 놓일 경우는 5 ~ 10㎜, 상기 기판(310)이 금속 갈륨과 수평위치에 놓일 경우는 1 ~ 5㎝일 때 좋은 효율성을 가짐을 확인하였다.At this time, the distance between the substrate and the surface of the metal gallium (P in Figs. 5 and 6) is an important parameter of the growth of gallium nitride crystals, such as the flow rate, growth temperature, growth time, growth pressure of the metal gallium and ammonia gas supplied Adapted to suit process parameters. As a result of the experiment, the distance between the surfaces is 5 to 10 mm when the substrate 310 is in the vertical position with the metal gallium, and 1 to 5 cm when the substrate 310 is in the horizontal position with the metal gallium. It was confirmed to have.
그런 다음, 상기 고주파 유도코일(422c)을 작동시켜 성장셀을 가열시킨다. 이에 따라, 상기 그라파이트 서셉터(422a)의 홈에 투입되어 있는 금속 갈륨은 승화되고, 상기 성장셀(422)의 내부는 질화갈륨의 결정 성장온도인 1000℃ ~ 1100℃까지 가열된다.Then, the high frequency induction coil 422c is operated to heat the growth cell. As a result, the metal gallium introduced into the groove of the graphite susceptor 422a is sublimed, and the inside of the growth cell 422 is heated to 1000 ° C. to 1100 ° C., which is a crystal growth temperature of gallium nitride.
한편, 기체 공급부(410)에서는 질소 소오스인 암모니아 기체와, 운반 기체인 질소와 수소를 상기 반응부(420)로 공급한다. 이때, 상기 반응부(420)로 유입되는 기체의 양은 유량 제어기(411)를 통해 조절된다.The gas supply unit 410 supplies ammonia gas, which is a nitrogen source, and nitrogen and hydrogen, which are carrier gases, to the reaction unit 420. At this time, the amount of gas introduced into the reaction unit 420 is controlled through the flow controller 411.
이후, 반응기 내로 공급된 운반 기체와 암모니아 기체는 크랙커(421)를 거치게 되는데, 상기 크랙커(421)에는 도 7에서 보는 바와 같이 열선(421a)이 구비되어 있다. 따라서, 암모니아 기체는 상기 크랙커(421)를 거치면서 열적 분해되고, 상기 과정에서 발생된 질소는 질화갈륨 결정기판의 성장에 필요한 원료가 된다. 도 7은 본 발명에 따른 CVD 반응기의 반응부 중 크랙커(Cracker)를 나타낸 것이다.Thereafter, the carrier gas and the ammonia gas supplied into the reactor pass through the cracker 421. The cracker 421 is provided with a heating wire 421a as shown in FIG. 7. Therefore, ammonia gas is thermally decomposed while passing through the cracker 421, and nitrogen generated in the process becomes a raw material for growth of the gallium nitride crystal substrate. 7 shows a cracker in the reaction part of the CVD reactor according to the present invention.
이후, 상기 암모니아 기체에서 열분해된 질소는 다른 운반 기체와 함께 반응기 내의 성장셀(422)로 유입되는데, 이 시점에서 상기 성장셀(422)의 내부는 고주파 유도코일(422c)의 동작에 따라 금속 갈륨에서 승화된 갈륨으로 가득 채워진 상태이고, 상기 성장셀(422)에 놓인 기판은 질화갈륨의 결정 성장온도인 1000℃ ~ 1100℃로 유지된 상태이다. 따라서, 상기 질소와 갈륨은 직접 반응하여 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시킨다.Subsequently, nitrogen pyrolyzed in the ammonia gas is introduced into the growth cell 422 in the reactor together with other carrier gas. At this point, the inside of the growth cell 422 is metal gallium under the operation of the high frequency induction coil 422c. The substrate is filled with gallium sublimed at, and the substrate placed on the growth cell 422 is maintained at 1000 ° C. to 1100 ° C., which is a crystal growth temperature of gallium nitride. Thus, the nitrogen and gallium react directly to grow gallium nitride crystals on the substrate.
이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 정하여야만 한다.As described above, the above embodiments are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art will appreciate that various modifications, improvements, substitutions, and additions may be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판 및 제조방법은, 갈륨 소오스와 질소 소오스를 직접 반응시켜 질화갈륨 결정을 성장시킨다. 따라서, 대면적 질화갈륨을 성장시킬 수 있고, 종래의 2단계 제조공정을 1단계 제조공정으로 단순화 시킬 수 있는 기술적, 경제적 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 질화갈륨 결정기판의 후막층은 고품질의 결정성을 가지므로, 상기 후막층 상에 형성되는 제 2 질화갈륨 박막층 또한 고품질의 결정성을 갖게 된다.As described above, the gallium nitride crystal substrate and the manufacturing method according to the present invention grow gallium nitride crystals by directly reacting a gallium source and a nitrogen source. Therefore, there is a technical and economic advantage that can grow a large area gallium nitride, and can simplify the conventional two-step manufacturing process to a one-step manufacturing process. In addition, since the thick film layer of the gallium nitride crystal substrate according to the present invention has high quality crystallinity, the second gallium nitride thin film layer formed on the thick film layer also has high quality crystallinity.
특히, 상기 갈륨 소오스로 금속 갈륨을 사용하므로, 성장 반응계에서 유독성 화학물질이 발생되지 않는 장점이 있다.In particular, since gallium is used as the gallium source, there is an advantage that no toxic chemicals are generated in the growth reaction system.
한편, 본 발명에 따른 화학 기상 증착 반응기는 종래보다 양호한 조건(온도: 800~1200℃, 압력: 760Torr)하에서 질화갈륨 결정을 성장시키기 때문에 그 구조가 간단하고, 비용이 저렴하며, 제조 공정이 간단하게 되는 장점을 갖는다.Meanwhile, the chemical vapor deposition reactor according to the present invention grows gallium nitride crystals under better conditions (temperature: 800-1200 ° C., pressure: 760 Torr) than the conventional one, and thus, its structure is simple, inexpensive, and the manufacturing process is simple. Has the advantage of being.
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