KR100502467B1 - 활성 질소가스 공급에 의한 지에이엔 단결정 제조장치,제조방법, 그것에 의해 생성되는 지에이엔 단결정 - Google Patents

활성 질소가스 공급에 의한 지에이엔 단결정 제조장치,제조방법, 그것에 의해 생성되는 지에이엔 단결정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GaN 단결정에 제조장치에 관한 것으로, 내부에 NaN3 와 갈륨(Ga)이 혼합된 혼합물이 수용되어 밀봉되는 성장도가니(120)와; 상기 성장도가니(120)의 외표면을 감싸도록 형성되는 석영관(180)과; 상기 성장도가니(120)가 수용된 석영관(180)이 설치되고, 외부의 전원과 연결되어 가열되며 온도구배가 되는 제1수직열처리로(100)와; 내부에 NaN3가 수용되어 밀봉된 보조도가니(130)가 위치되며, 외부 전원과 연결되어 가열되는 제2수직열처리로(110)와; 상기 제1수직열처리로(100)에 수용된 성장도가니(120)와 제2수직열처리로(110)에 수용된 보조도가니(130)의 내부를 상호간에 연결시키는 연결관(140); 그리고, 상기 연결관(140)에 설치된 진공밸브(170):를 포함하여 구성되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치 및 상기 제조장치에 의한 단결정 제조방법 및 제조된 단결정을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 성장도가니 내부의 압력조절이 용이함과 동시에 성장도가니측으로 활성질소가스를 계속적으로 공급함에 의해 안정되며 크기가 큰 단결정이 성장된다는 이점이 있다.

Description

활성 질소가스 공급에 의한 지에이엔 단결정 제조장치, 제조방법, 그것에 의해 생성되는 지에이엔 단결정{GaN single crystal and its manufacturing method and its growing apparatus}
본 발명은 GaN 단결정 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 갈륨(Ga)과 NaN3에서 분해된 Na와 활성질소가스를 사용하여 결정으로 성장시키는 동안 외부에서 NaN3에서 분해된 활성화된 질소가스를 계속적으로 공급시켜 단결정을 성장시키는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치, 제조방법, 그것에 의해 생성되는 GaN 단결정에 관한 것이다.
통상 레이저 다이오드(laser diode) 관련 디바이스(device) 등은 외국에서 직수입된 사파이어 또는 SiC 와 같은 기판 위에 성장시킨 것이 대부분이다. 근래에 들어 국내에서도 laser diode(LD) 개발을 위해 격자 결함이 거의 없는 GaN 단결정 기판 제조에 대한 연구가 행해지고 있다. 그러나 용액에 의한 GaN 단결정 육성은 10,000 bar 이상의 N2 기체 압력과 1600℃ 이상의 고온을 필요로 한다.
그 외에 단결정 성장의 시도로 승화방법(sublimation method)이 행해지고 있지만 이들 방법에 의해 얻어진 GaN 크기는 사용하기에 현실적으로 너무 작다는 것이다. 현재 기판에 대하여 독립적으로 성장시킨 가장 큰 GaN 기판은 하이드라이드 베이퍼 페이즈 에피탁시(hydride vapor phase epitaxy, 이하 HVPE 법이라 칭함.)법을 사용하여 사파이어 기판 위에 두꺼운 GaN 층을 성장 시켜서 얻어진 것이다.
그러나 사파이어 기판은 매우 단단하고 쉽게 에칭되지 않기 때문에 결국 GaN 단결정과 기판과의 분리 작업이 현실적으로 생산적이지 못하다. 이런 관점에서 최근에는 GaAs가 무르면서 역학적 폴리싱으로도 제거되어 질 수 있다는 이유로 기판으로 사용하는 연구가 진행되고 있다.
GaN 단결정의 육성에 있어서 기판을 사용한다는 것이 기판과의 열팽창에 의한 쪼개짐을 항상 내재하고 있기 때문에 단결정 성장에 항상 문제점을 지니고 있는 것이다.
그래서 1997년 이후부터 일본의 Yamane 그룹이 고품위 GaN 단결정을 Na 플럭스를 사용하여 800℃ 성장온도와 100bar 의 성장압력으로 얻었다고 보고 한 바가 있으며, 이는 미국특허청 등록번호 제5868837호에 소개되어 있다.
그러나 상기 종래기술에 따른 플럭스에 의한 성장방법에 있어서 가장 큰 걸림돌은 결정의 핵 형성이 쉽게 일어난다는 점과 핵 형성된 GaN 단결정의 생성 수량을 제어하기가 어렵다는 것이다.
그리고 봉입된 성장 도가니에서 단결정 육성시 NaN3가 분해되어 나온 Na 플럭스와 N2 가스를 사용함에 있어서 GaN가 성장되더라도 N2가 지속적으로 공급되지 못함에 의해 한정된 N2의 반응량으로 인해 지속적인 GaN 성장이 어렵다는 것이다.
따라서 상기 종래기술에 따른 플럭스 법에 의한 GaN 단결정 성장은 GaN 핵형성의 제어와 용융된 Ga-Na 내에 지속적으로 N2 가스를 공급하는 방법으로 개선되어야 할 것이다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 현재 N2를 공급하는 방법에 있어서 일본의 온다(Onda) 그룹이 제시한 방법으로서, Na 가스와 NH3 가스를 혼용하여 각각의 비율에 따른 실험결과를 발표한 바 있다. 이 자료에서는 NH3를 혼합하는 경우에는 혼합하는 않는 경우보다 더 큰 1 mm 크기의 GaN 단결정이 생성되어 졌다고 보고하였다.
실제 이 실험에서 플럭스 물질은 Na 자체를 사용하였다. Na 플럭스를 사용하여 거대 GaN 단결정을 얻기 위해서는 실험 과정 중에 과다한 Na 양을 취급해야 하는 것과 NH3 가스를 혼용하여 사용해야 하는 폭발 위험 부담을 안게 된다. 또한 연구 결과는 1mm 크기의 작은 결정들을 얻었을 뿐이다.
그리고 N2 가스를 공급하면서 GaN 단결정을 성장시키는 방법은 본인의 선출원으로써, 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 2001-827호에 소개되어 있다.
상기 종래기술은 갈륨(Ga)과 촉매인 NaN3 가 혼합된 성장도가니측으로 외부에서 질소(N2) 가스를 지속적으로 공급시키면서 GaN 단결정을 성장시키는 방법이다.
그러나 상기의 종래기술인 경우에 NaN3 에서 분해된 질소가스는 활성화된 상태가 되어 플럭스인 Na의 작용으로 질소가스가 갈륨과 쉽게 반응하여 GaN 단결정이 성장되나, 외부에서 공급되는 질소가스는 활성화되지 못한 상태이므로 플럭스가 작용하더라도 갈륨과의 반응하는 속도가 늦어져 GaN 단결정의 성장이 원할하지 못하다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 성장도가니 내부의 압력이 제어되지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 갈륨(Ga)에 NaN3를 첨가한 원료시약이 수용된 성장도가니 내부로 성장도가니와 연결된 보조도가니 내부에 수용된 NaN3 를 분해시켜 발생된 활성질소가스를 성장도가니측에 공급시켜 계속적인 활성질소가스의 공급에 의해 거대 단결정이 성장되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치, 제조방법, 그것에 의해 생성되는 GaN 단결정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 단결정이 성장되는 성장도가니의 압력을 성장도가니와 연결된 보조도가니측으로 분산시킴에 의해 안정된 GaN 단결정이 성장되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치, 제조방법, 그것에 의해 생성되는 GaN 단결정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 보조도가니인 경우 보조도가니의 수용물인 NaN3가 소진되는 경우, 재보충하여 성장도가니 측으로 활성 질소가스의 계속적인 공급이 가능한 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치, 제조방법, 그것에 의해 생성되는 GaN 단결정을 제공하는 것을 또한 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 NaN3 와 갈륨(Ga)이 혼합된 혼합물이 수용되어 밀봉되는 성장도가니와; 상기 성장도가니의 외표면을 감싸도록 형성되는 석영관과; 상기 성장도가니가 수용된 석영관이 설치되고, 외부의 전원과 연결되어 가열되며 온도구배가 되는 제1수직열처리로와; 내부에 NaN3가 수용되어 밀봉된 보조도가니가 위치되며, 외부 전원과 연결되어 가열되는 제2수직열처리로와; 상기 제1수직열처리로에 수용된 성장도가니와 제2수직열처리로에 수용된 보조도가니의 내부를 상호간에 연결시키는 연결관; 그리고, 상기 연결관에 설치된 진공밸브:를 포함하여 구성되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 연결관에는 압력게이지가 설치되고, 상기 연결관에는 진공펌프와 연결되는 밸브가 설치되고, 상기 보조도가니의 외부에는 보조석영관이 상기 보조도가니를 감싸는 형태로 설치되고, 상기 성장도가니는 표면이 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리되는 것이 바람직하다.
그리고, 본원발명은 최초의 반응물질로 NaN3 와 갈륨이 혼합된 혼합물을 성장도가니에 수용시켜 밀봉시킨 다음, 온도구배가 되는 제1수직열처리로에 위치시키는 기초혼합물 형성과정과; 최초의 반응물질로 NaN3 를 보조도가니에 수용시킨 후, 제2수직열처리로에 위치시키는 반응물 형성과정과; 상기 제1,제2수직열처리로를 가열시켜 상기 보조도가니와 성장도가니를 연결시킨 연결관을 통하여 상기 보조도가니에서 NaN3가 분해되면서 발생되는 활성 질소가스를 상기 성장도가니측으로 전달시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단결정 성장과정;을 포함하여 구성되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조방법을 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 단결정 성장과정 후에 냉각과정 및 세척,건조를 위한 후처리 과정이 진행되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1수직열처리로의 가열온도는 770℃∼800℃가 되고, 제2수직열처리로의 가열온도는 500℃정도가 되며, 상기 성장도가니는 표면이 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리되며, 상기 성장도가니는 석영관에 수용되고, 보조도가니는 보조석영관에 보호되는 것이 바람직하다.
또한 본원발명은 갈륨(Ga)에 NaN3를 혼합한 혼합물을 형성시켜 성장도가니에 봉입한 후, 상기 성장도가니와 연결관에 의해 연결되고 내부에 NaN3 를 포함하여 봉입된 보조도가니를 통하여 NaN3 가 분해되면서 발생되는 활성 질소가스를 성장도가니측으로 유입시켜 성장되는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정을 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 성장도가니의 가열온도는 770℃∼800℃가 되고 보조도가니의 가열온도는 500℃정도가 되며, 상기 성장도가니는 표면이 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 성장도가니 내부의 압력조절이 용이함과 동시에 성장도가니측으로 활성질소가스를 계속적으로 공급함에 의해 안정되며 크기가 큰 단결정이 성장된다는 이점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 성장장치의 개략도이고, 도2는 단결정 제조방법을 나타낸 도이고, 도3은 본 발명에 따라 형성된 단결정 사진을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 성장장치는 크게 제1수직열처리(100)로와, 제2수직열처리로(110)와, 성장도가니(120)와, 보조도가니(130)와, 연결관(140)과, 압력게이지(150)와, 밸브(160) 그리고 진공밸브(170)로 구성된다.
먼저 제1수직열처리로(100)에 대해 설명한다.
상기 제1수직열처리로(100)는 후술하는 성장도가니(120)가 수용되는 열처리로로써, 중앙부에 공간부가 형성되어 상기 공간부에 후술하는 석영관(180)이 수직하게 놓여진다. 그리고 상기 공간부의 외표면측에는 외표면을 감싸는 형상으로 외부전원과 연결된 제1발열체(101)가 형성되어 외부전원을 공급받아 발열된다.
그리고 상기 공간부 인접부에는 상기 제1발열체(101)에 의해 발생되는 발열량을 감지하는 제1온도센서(102)가 다수개 형성되어 후술하는 석영관(180)에 봉입되는 성장도가니(120)의 온도를 감지한다. 여기서 상기 제1발열체(101)의 발열량은 온도구배가 되게 제어가 되며, 온도구배폭은 20℃∼50℃ 정도가 되도록 조절되어 가열되며 가열온도는 770℃∼800℃가 되도록 가열시킨다.
상기 제2수직열처리로(110)는 후술하는 보조도가니(130)가 수용되는 열처리로로써, 중앙부에 공간부가 형성되어 상기 공간부에 후술하는 보조석영관(181)이 수직하게 놓여진다. 그리고 상기 공간부의 외표면측에는 외표면을 감싸는 형상으로 외부전원과 연결된 제2발열체(111)가 형성되어 외부전원을 공급받아 발열된다.
그리고 상기 공간부 인접부에는 상기 제2발열체(111)에 의해 발생되는 발열량을 감지하는 제2온도센서(112)가 다수개 형성되어 후술하는 보조석영관(181)에 봉입되는 보조도가니(130)의 온도를 감지한다. 여기서 상기 발열체는 가열온도는 약 500℃정도가 되게 발열된다.
상기 성장도가니(120)는 스테인레스강 도가니로써, 표면에 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리가 된 도가니를 사용한다.
여기서 일렉트로 폴리싱이란 녹슬 수 있는 철과 다른 불순물들을 표면으로 부터 제거해주어 크롬(Cr)이 풍부한 표면층을 제공하는 과정으로서, 하나의 특수한 청정화 공정이라 할 수 있는 부동화(passivation) 기술을 포함해서 금속 표면의 거칠기를 줄이기 위해 표면을 매끈하게 하여, 성장도가니(120)로 사용되는 스테인레스강 표면에 핵이 형성되어 성장할 가능성을 낮추어 주기 위한 공정이다.
그리고 상기 성장도가니(120) 내부에는 필요한 혼합물이 수용되는 바, 갈륨(Ga)과 NaN3 를 혼합한 혼합물을 수용시킨 후, 성장도가니(120) 내부의 혼합물이 외부와 격리되게 성장도가니(120)를 밀봉시킨다.
또한 상기 성장도가니(120)는 석영관(180) 내부에 수용되고, 상기 성장도가니(120)가 수용된 석영관(180)이 상기 제1수직열처리로(100)의 공간부에 수직하게 수용 설치된다.
상기 보조도가니(130)는 스테인레스강 도가니로써, 표면에 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리가 된 도가니를 사용한다.
그리고 상기 보조도가니(130) 내부에는 필요한 반응물이 수용되는 바, NaN3 를 수용시킨 후, 보조도가니(130) 내부의 물질이 외부와 격리되게 보조도가니(130)를 밀봉시킨다.
또한 상기 보조도가니(130)는 보조석영관(181) 내부에 수용된 후 보조석영관 (181)자체도 봉입되어 상기 보조도가니(130)가 수용된 보조석영관(181)이 상기 제2수직열처리로(110)의 공간부에 수직하게 수용 설치된다.
상기 연결관(140)은 sus316 관을 이용하여 상기 성장도가니(120) 내부와 상기 보조도가니(130) 내부를 연결하는 형상으로 설치된다.
그리고, 상기 연결관(140)의 대략 중앙부에는 상기 성장도가니(120)의 압력을 보조도가니(130)측으로 전달시키거나, 보조도가니(130)의 압력을 성장도가니(120)측으로 전달시키는 진공밸브(170)가 설치된다.
또한 연결관(140)에는 밸브(160)가 설치되는 바, 상기 밸브(160)는 성장도가니(120)측의 연결관(140)과 연결되어 외부 진공펌프로 연결된 제1밸브(161)와, 보조도가니(130)측의 연결관(140)과 연결되어 외부 진공펌프로 연결된 제2밸브(162)로 구성되어, 상기 성장도가니(120) 및 보조도가니(130)의 내부의 불순물을 제거하거나, 성장과정 종료 후 성장도가니(120) 및 보조도가니(130)의 잔여압력을 제거 할 때 이용된다.
상기 연결관(140)에는 압력게이지(150)가 설치되는 바, 상기 성장도가니(120)측의 연결관(140)에는 제1압력게이지(151)가 형성되어 성장도가니(120) 내부의 압력을 점검 할 수 있으며, 상기 보조도가니측(130)의 연결관(140)에는 제2압력게이지(152)가 설치되어 보조도가니(130) 내부의 압력을 점검 할 수 있다.
따라서, 사용자는 상기 성장도가니(120)가 수용된 제1수직열처리로(100)를 770℃∼800℃정도로 가열시키고, 상기 보조도가니(130)가 수용된 제2수직열처리로(110)를 가열시켜 500℃정도가 되게 가열시켜, 상기 보조도가니(130)측에서 NaN3 가 분해되면서 발생되는 활성 질소가스가 연결관(140)의 진공밸브(170)를 통하여 상기 성장도가니(120)측으로 지속적으로 공급되면서 성장도가니(120) 내부에서는 GaN 단결정이 성장되는 것이다.
그리고 상기 성장도가니(120) 내부의 압력이 과도한 경우에, 압력이 상기 연결관(140)의 진공밸브(170)를 통하여 보조도가니(130)측으로 분산됨에 의해 성장도가니(120)측의 과도한 압력이 방지된다.
다음은 상기의 단결정 성장장치를 이용하여 단결정을 성장시키는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 GaN 단결정 성장과정은 크게 기초혼합물 형성과정과, 반응물 형성과정과, 단결정 성장과정과, 냉각과정과, 세척과정 그리고 건조과정으로 구성된다.
먼저 기초 혼합물 형성과정에 대해 설명한다.
상기 기초혼합물 형성과정은 원료시약이 되는 갈륨(Ga)에 NaN3 를 혼합하여 혼합물을 만드는 과정에서 시작된다.
본 발명에서는 최초의 반응물로 갈륨(Ga)과 플럭스로서 NaN3 를 선택하여 일정량의 혼합비로 칭량하였다.
혼합비는 Na/(Na+Ga) = 0.4∼0.6 몰(mol)되게 하는 것이 적당한 바, 본 발명의 실시예에서는 갈륨(Ga):NaN3 의 중량비가 53:47이 되도록 칭량하였다.
칭량된 혼합물은 일렉트로 폴리싱 처리된 성장도가니(120) 내부에 수용된 상태에서 성장도가니(120) 내부의 혼합물이 외부와 차단되게 성장도가니(120)를 밀봉시킨다.
밀봉된 성장도가니(120)는 석영관(180) 내부에 수용되며 성장도가니(120)가 수용된 석영관(180)이 상기 제1수직열처리로(100)의 공간부에 수직으로 위치됨으로써 기초혼합물 형성과정이 완료된다.
다음은 반응물 형성과정이 진행되는 바, 상기 반응물 형성과정은 반응물이 되는 NaN3 일정량을 일렉트로 폴리싱 처리된 보조도가니(130) 내부에 수용시키는 것부터 시작된다. 보조도가니(130) 내부에 NaN3 가 수용된 상태에서 상기 보조도가니(130)의 내용물이 외부와 차단되게 보조도가니(130)를 밀봉시킨다.
밀봉된 보조도가니(130)는 보조석영관(181) 내부에 수용되며, 보조도가니(130)가 수용된 보조석영관(181)이 상기 제2수직열처리로(110)의 공간부에 수직으로 위치되게 함으로써 반응물 형성과정이 완료된다.
이 때, 상기 제1수직열처리로(100)에 수용된 성장도가니(120)와 상기 제2수직열처리로(110)에 수용된 보조도가니(130) 사이에는 연결관(140)이 연결된 상태가 되며, 연결관(140)에는 상기에서 언급한 진공밸브(170), 압력게이지(150) 및 밸브 (160)등이 설치된 상태가 된다.
상기의 상태가 되면 단결정 성장과정이 진행되는 바, 상기 제1수직열처리로(100)의 전원을 온 시키고, 상기 성장도가니(120)의 온도가 770℃∼800℃가 되게 제1발열체(101)를 발열시킨다.
성장도가니(120)가 가열되면 녹는점이 29.7℃인 상기 갈륨(Ga)은 녹기 시작함과 동시에 온도가 300℃ 부근이 되면 상기 NaN3 가 분해되기 시작하게 되며 NaN3의 분해에 의해 성장도가니(120)의 압력은 온도가 약 770℃가 될 때까지 일정부분까지 증가하게 된다. 이때, 성장도가니(120) 내부의 압력이 일정 이상이 되게 되면 상기 연결관(140)의 진공밸브(170)를 통하여 성장도가니(120) 내부의 압력이 상기 보조도가니(130)측으로 분산되어 성장도가니(120)의 과도한 압력부하를 방지시킨다.
그리고 온도가 약 770℃정도가 되면 성장도가니(120) 내부는 일정압력을 유지함과 동시에 NaN3에서 분해된 활성 질소가스와 Ga이 Na를 촉매로 하여 상호간에 결합되어 GaN 단결정이 형성되는 것이다.
또한 가열시간이 계속진행됨에 의해 상기 GaN 단결정은 성장하게 됨과 동시에 상기 성장도가니(120) 내부의 압력은 활성 질소가스의 감소에 의해 줄어들게 되며, 이것은 GaN 단결정이 계속적으로 성장하고 있다는 것을 의미한다.
상기 성장도가니(120)의 내부압력이 약 100bar 이하가 되면 상기 성장도가니 (120)측으로 활성 질소가스를 유입시켜야 하는 바, 상기 제2수직열처리로(110)를 온 시켜 보조도가니(130)의 온도가 약 500℃정도가 되게 유지시킨다.
보조도가니(130)가 가열되기 시작하여 온도가 약 300℃이상이 되면 상기 보조도가니(130)에 수용된 NaN3는 분해되기 시작하며, 상기 보조도가니(130)의 내부압력이 증가하게 된다.
보조도가니(130)의 내부압력이 증가되면 상기 보조도가니(130)에서 상기 성장도가니(120)측으로 연결관(140)의 진공밸브(160)를 통하여 활성 질소가스가 계속적으로 공급되게 되어 성장도가니(120) 내부의 압력을 일정이상으로 유지시킴과 동시에 활성 질소가스의 공급에 의해 계속적인 GaN 단결정 성장이 가능하게 된다.
이때, 사용자는 보조도가니(130)의 압력이 감소하는 경우 보조도가니(130)를 외부로 끄집어 내어 내부에 NaN3 를 재충전시킴에 의해 활성 질소가스의 계속적 공급이 가능하다.
상기의 과정이 완료되면 소정크기의 GaN 단결정이 성장된다.
다음은 냉각과정이 진행되는 바, 제1수직열처리로(100)의 가열시간이 종료되면 제1수직열처리로(100)의 전원을 오프시키고 상기 성장도가니(120)를 상온까지 자연냉각시킨다.
상기 성장도가니(120)의 온도가 상온근처가 되면 상기 성장도가니(120)를 제1수직열처리로(100)의 외부로 끄집어 낸다.
그런 다음 상기 성장도가니(120)의 바닥으로 부터 일정높이까지 상기 성장도가니(120)를 절단시킨다.
성장도가니(120)가 절단되면 세척과정이 진행되는 바, 상기 세척과정은 제1,제2세척과정으로 나누어진다.
상기 제1세척과정은 에칠알콜을 이용하여 진행되는 바, 상기 냉각과정을 거치고 절단된 성장도가니(120)를 에칠알콜용액이 포함된 비이커에 일정시간(2∼4시간) 담구어 놓음에 의해 진행된다.
1차 세척과정 후에는 2차 세척과정이 진행되는 바, 2차 세척과정은 성장도가니(120)를 증류수가 포함된 비이커에 일정시간(2시간 이상) 침지시킴에 의해 진행된다. 상기 2차세척과정에 의해 남아 있는 미량의 Na 불순물이 제거된다.
2차 세척과정을 마치면 건조과정이 진행되는 바, 상기 건조과정은 공기 중 또는 드라이 오븐에서 진행되며, 건조과정에서 상기 단결정에 묻어있는 물기 및 알코올이 증발된다.
상기의 과정이 완료되면 상기 성장도가니(120)에는 최종잔여 물질인 GaN 거대 단결정만이 존재하게 된다.
상기의 성장도가니(120)에 잔류된 최종 잔류물질을 채취하여 편광현미경을 사용하여 결정구조를 나타낸 도면을 도3에 나타내었다.
상기의 구성에 의한 본 발명은 성장도가니 내부로 성장도가니와 연결된 보조도가니 내부에 수용된 NaN3 를 분해시켜 발생된 활성 질소가스를 성장도가니측에 공급시켜 계속적인 활성 질소가스의 공급됨에 의해 원하는 크기의 GaN 단결정이 형성된다는 효과가 있다.
그리고, 단결정이 성장되는 성장도가니의 압력을 성장도가니와 연결된 보조도가니측으로 분산시킴에 의해 안정된 GaN 단결정이 성장되는 효과가 또한 있다.
도1 - 본 발명에 따른 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 성장장치의 개략도.
도2 - 단결정 제조방법을 나타낸 도.
도3 - 본 발명에 따라 형성된 단결정 사진을 나타낸 도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 제1수직열처리로 101 : 제1발열체
102 : 제1온도센서 110 : 제2수직열처리로
111 : 제2발열체 112 : 제2온도센서
120 : 성장도가니 130 : 보조도가니
140 : 연결관 150 : 압력게이지
151 : 제1압력게이지 152 : 제2압력게이지
160 : 밸브 161 : 제1밸브
162 : 제2밸브 170 : 진공밸브
180 : 석영관 181 : 보조석영관

Claims (11)

  1. 내부에 NaN3 와 갈륨(Ga)이 혼합된 혼합물이 수용되어 밀봉되는 성장도가니와;
    상기 성장도가니의 외표면을 감싸도록 형성되는 석영관과;
    상기 성장도가니가 수용된 석영관이 설치되고, 외부의 전원과 연결되어 가열되며 온도구배가 되는 제1수직열처리로와;
    내부에 NaN3가 수용되어 밀봉된 보조도가니가 위치되며, 외부 전원과 연결되어 가열되는 제2수직열처리로와;
    상기 제1수직열처리로에 수용된 성장도가니와 제2수직열처리로에 수용된 보조도가니의 내부를 상호간에 연결시키는 연결관; 그리고,
    상기 연결관에 설치된 진공밸브:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연결관에는 압력게이지가 설치됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연결관에는 진공펌프와 연결되는 밸브가 설치됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보조도가니의 외부에는 보조석영관이 상기 보조도가니를 감싸는 형태로 설치됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 성장도가니는 표면이 일렉트로 폴리싱(electropolishing) 처리됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조장치.
  6. 최초의 반응물질로 NaN3 와 갈륨이 혼합된 혼합물을 성장도가니에 수용시켜 밀봉시킨 다음, 온도구배가 되는 제1수직열처리로에 위치시키는 기초혼합물 형성과정과;
    최초의 반응물질로 NaN3 를 보조도가니에 수용시킨 후, 제2수직열처리로에 위치시키는 반응물 형성과정과;
    상기 제1,제2수직열처리로를 가열시켜 상기 보조도가니와 성장도가니를 연결시킨 연결관을 통하여 상기 보조도가니에서 NaN3가 분해되면서 발생되는 활성 질소가스를 상기 성장도가니측으로 전달시켜 GaN 단결정을 성장시키는 단결정 성장과정;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단결정 성장과정 후에 냉각과정 및 세척,건조를 위한 후처리 과정이 진행됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1수직열처로의 가열온도는 770℃∼800℃가 되고, 제2수직열처리로의 가열온도는 500℃정도가 됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 성장도가니는 석영관에 봉입되고, 보조도가니는 보조석영관에 봉입됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정 제조방법.
  10. 갈륨(Ga)에 NaN3를 혼합한 혼합물을 형성시켜 성장도가니에 봉입한 후, 상기 성장도가니와 연결관에 의해 연결되고 내부에 NaN3 를 포함하여 봉입된 보조도가니를 통하여 NaN3 가 분해되면서 발생되는 활성 질소가스를 성장도가니측으로 유입시켜 성장됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정.
  11. 제10항에 있어서, 상기 성장도가니의 가열온도는 770℃∼800℃가 되고 보조도가니의 가열온도는 500℃정도가 됨을 특징으로 하는 활성 질소가스 공급에 의한 GaN 단결정.
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