KR100718118B1 - 크랙이 없는 ＧａＮ 벌크 단결정의 성장 방법 및 장치 - Google Patents

크랙이 없는 ＧａＮ 벌크 단결정의 성장 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

크랙을 발생시키지 않고 고품질의 GaN 벌크 단결정을 성장시키기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 방법은, GaN 시드가 장착된 서셉터를 반응 챔버 내에 마련하는 단계; 상기 GaN 시드 위에 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 단계; 및 성장된 GaN 벌크 단결정을 냉각하고, 상기 GaN 벌크 단결정을 서셉터로부터 분리하는 단계;를 포함하며, 상기 반응 챔버 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록, 상기 서셉터의 상면에 소정의 깊이를 갖는 시드 수용부가 형성되어 있으며, 상기 GaN 시드는 상기 시드 수용부의 저면에 장착된 것을 특징으로 한다.

Description

크랙이 없는 ＧａＮ 벌크 단결정의 성장 방법 및 장치{Method and apparatus for growth of crack-free GaN bulk crystal}
도 1a 및 도 1b는 종래의 평평한 서셉터에서 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 평평한 서셉터에서 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 다른 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 GaN 벌크 단결정을 성장시키기 위한 본 발명에 따른 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 장치 및 서셉터의 개략적인 구조를 예시적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 서셉터에서 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 과정을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
20.....반응 챔버 21,22,23.....가스 유입관
24.....갈륨 소스 저장부 25.....가스 배출관
26.....서셉터 지지부 30.....서셉터(susceptor)
31.....시드 수용부 32.....GaN 벌크 단결정
33.....GaN 다결정(poly-GaN)
본 발명은 GaN 벌크 단결정의 성장 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크랙을 발생시키지 않고 고품질의 GaN 벌크 단결정을 성장시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN)은 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로서, 청자색 및 자외선 영역에서 동작하는 반도체 레이저 및 발광 다이오드(LED) 소자의 재료로 널리 이용되고 있다. 이러한 GaN은 동일한 육방정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등의 이종기판에서 금속 유기 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)이나 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 등과 같은 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
그러나, 사파이어나 실리콘 카바이드 기판은 격자상수 및 열팽창계수에 있어서 GaN 결정과 차이가 있어서, 성장된 GaN 결정에 상당히 높은 결정 결함 밀도가 존재한다. 이러한 문제를 원천적으로 해결하기 위해서는 고품질의 GaN 단결정을 기판으로서 사용할 필요가 있다. 현재, 양질의 GaN 단결정을 보다 저렴하게 대량으로 제조하기 위하여, 두께가 수 mm에서 수십 mm에 이르는 대구경의 GaN 벌크 단결정을 하이드라이드 기상 박막성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 방법을 이용하여 주로 성장시키고 있다. 즉, GaN 시드(seed)가 장착된 평평한 서셉터(susceptor)를 HVPE 장치의 반응 챔버 내에 장입하고, 약 1000℃의 온도에서 상기 반응 챔버 내에 적당한 소스 가스를 공급함으로써 GaN 시드 위에 GaN 단결정을 성장시킨다. 이러한 HVPE 방법에 의해 성장된 GaN 벌크 단결정은 필요에 따라 적당한 크기로 잘라서 사용한다.
도 1a 및 도 1b는 평평한 서셉터에서 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 과정을 개략적으로 도시하는 것으로, 도 1a는 성장 초기를 도시하며, 도 1b는 성장 후를 도시한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, HVPE 방법에 따르면 평평한 서셉터(10) 위에서 GaN 벌크 단결정(11)이 성장된다. 그런데, 서셉터(10)의 측면과 그 주변부에도 GaN 결정(12)이 성장되는데, 여기서 상기 서셉터(10)의 측면에서 성장되는 GaN 결정은 단결정이 아닌 다결정이 된다. 이 경우, 성장이 이루어지는 동안에 GaN 단결정(11)과 다결정(12)이 서로 연결되어 성장이 완료된 후에는 상기 GaN 단결정(11)과 다결정(12)이 하나의 덩어리로 존재하게 된다. 이는, GaN 단결정(11)의 성장 완료후 냉각 과정에서 상기 GaN 단결정(11)에 크랙(crack)이 발생하는 원인이 된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 약 1000℃의 고온에서 GaN 단결정(11)을 성장시킨 후에는 성장된 GaN 단결정(11)을 상온으로 냉각하게 된다. 이때, 일반적으로 GaN 단결정(11)이 서셉터(10) 보다 열팽창계수가 크기 때문에, GaN 단결정(11)이 서셉터(10) 보다 빨리 수축하여야 한다. 그런데, GaN 단결정(11)의 둘레에 붙어 있는 GaN 다결정(12)이 상기 GaN 단결정(11)의 수축을 방해하여, GaN 단결정(11)의 내부에 크랙이 발생하게 되는 것이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 서셉터(10)의 직경보다 GaN 벌크 단결정(11)의 직경을 작게 하는 경우에도, 외부에 노출된 서셉터(10) 상면의 가장자리 부분에서 다결정 GaN(12)이 형성되기 때문에 위에서 언급한 문제를 피할 수 없다. 더욱이, GaN 다결정(12)의 성장속도가 GaN 단결정(11)의 성장속도보다 빨라서 GaN 다결정(12)이 GaN 단결정(11)의 영역으로 침범하기 때문에, GaN 단결정(11)의 영역이 감소되는 문제도 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 크랙을 발생시키지 않고 고품질의 GaN 벌크 단결정을 성장시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 유형에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 방법은, GaN 시드가 장착된 서셉터를 반응 챔버 내에 마련하는 단계; 상기 GaN 시드 위에 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 단계; 및 성장된 GaN 벌크 단결정을 냉각하고, 상기 GaN 벌크 단결정을 서셉터로부터 분리하는 단계;를 포함하며, 상기 반응 챔버 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록, 상기 서셉터의 상면에 소정의 깊이를 갖는 시드 수용부가 형성되어 있으며, 상기 GaN 시드는 상기 시드 수용부의 저면에 장착된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 시드 수용부의 깊이는 GaN 시드 두께의 ±50% 이내인 것을 특징으로 한다.
예컨대, 상기 시드 수용부의 깊이는 500㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 시드 수용부의 내벽과 GaN 시드 사이의 거리는 100㎛ 내지 10mm 의 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시드 수용부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형태를 가지며, 상기 시드 수용부의 형태와 GaN 시드의 형태는 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 서셉터는 내열성을 가지며 GaN과 반응하지 않는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
예컨대, 상기 서셉터는 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅된 그래파이트(SiC coated graphite) 또는 SiO2 으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 단계는, 반응 챔버 내에 N2를 흘려주어 반응 챔버 내의 산소를 제거하는 단계; 및 반응 챔버의 온도를 1000 내지 1100℃로 유지시키면서 반응 챔버 내에 NH3 가스와 GaCl 가스를 소스 가스로서 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 장치는, 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 NH3 가스를 공급하는 제 1 가스 유입관; 상기 반응 챔버 내에 N2 가스를 공급하는 제 2 가스 유입관; 상기 반응 챔버 내에 HCl 가스를 공급하는 제 3 가스 유입관; 상기 제 3 가스 유입관과 연결된 갈륨 소스 저장부; 상기 반응 챔버 내의 가스를 배출하는 가스 배출관; GaN 시드가 장착되는 서셉터; 및 상기 반응 챔버 내에 위치하는 것으로, 상기 서셉터를 지지하는 서셉터 지지부;를 포함하며, 상기 반응 챔버 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록, 상기 서셉터의 상면에 소정의 깊이를 갖는 시드 수용부가 형성되어 있으며, 상기 GaN 시드는 상기 시드 수용부의 저면에 장착된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 크랙을 발생시키지 않고 고품질의 GaN 벌크 단결정을 성장시키기 위한 본 발명의 양호한 실시예에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 방법 및 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 GaN 벌크 단결정을 성장시키기 위한 본 발명에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 장치 및 서셉터의 개략적인 구조를 예시적으로 도시하고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 GaN 벌크 단결정은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 장치를 이용하여 성장시킨다. 도 3에 도시된 본 발명에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 장치는 이러한 HVPE 장치의 일종으로 볼 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 GaN 벌크 단결정 성장 장치는, 고온의 화학 반응이 일어나는 반응 챔버(20), 상기 반응 챔버(20)의 일측을 관통하여 반응 챔버(20)의 내부로 NH3 가스를 공급하는 제 1 가스 유입관(21), 상기 반응 챔버(20)의 일측을 관통하여 반응 챔버(20)의 내부로 N2 가스를 공급하는 제 2 가스 유입관(22), 상기 반응 챔버(20)의 일측을 관통하여 반응 챔버(20)의 내부로 HCl 가스를 공급하는 제 3 가스 유입관(23), 상기 제 3 가스 유입관(23)과 연결되어 HCl 가스에 갈륨을 공급하는 갈륨 소스 저장부(24), 상기 반응 챔버(20) 내부의 가스를 외부로 배출하기 위한 가스 배출관(25), GaN 시드가 장착되어 GaN 벌크 단결정이 성장될 서셉터(30) 및 상기 반응 챔버(20) 내에 위치하여 상기 서셉터(30)를 지지하는 서셉터 지지 부(26)를 포함하고 있다.
여기서, 상기 서셉터(30)는 내열성을 가지며 GaN과 반응하지 않는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 서셉터는 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅된 그래파이트(SiC coated graphite) 또는 SiO2 으로 이루어질 수 있다.
도 1a 내지 도 2b를 통해 설명한 바와 같이, 종래의 경우에는 상면이 완전히 평평한 서셉터(10)를 사용하였다. 그 결과, 서섭터의 측면에서 성장하는 GaN 다결정으로 인하여, 냉각 과정에서 GaN 벌크 단결정에 크랙이 발생하는 문제가 있었다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 본 발명의 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 서셉터(30)의 상면에 소정의 깊이로 움푹하게 패인 시드 수용부(31)가 형성되어 있으며, GaN 시드는 상기 시드 수용부(31)의 저면에 장착된다. 상기 시드 수용부(31)는 GaN 시드가 장착된 서셉터(30)가 반응 챔버(20) 내에 장입되었을 때, 상기 반응 챔버(20) 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록 하기 위한 것이다. 이를 위하여, 상기 시드 수용부(31)의 깊이는 GaN 시드 두께의 대략 ±50% 이내인 것이 바람직하다.
한편, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드 사이의 거리가 너무 멀면 GaN 시드의 측면이 실질적으로 노출되기 때문에, GaN 시드의 측면에서 GaN 다결정이 성장될 수도 있다. 또한, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드 사이의 거리가 너무 가까우면, 상기 서셉터(30)의 측면에서 발생하는 GaN 다결정과 시드 수용부(31)에서 성장하는 GaN 벌크 단결정이 서로 연결될 수도 있다. 이 경우, 종래의 경우와 동일하게 냉각 과정에서 GaN 벌크 단결정에 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드 사이의 거리를 적당하게 유지시킬 필요가 있다. 바람직하게는, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드 사이의 거리가 100㎛ 내지 10mm 의 범위에 있는 것이 적당하다.
예컨대, 두께가 약 500㎛, 직경 약 2 인치인 GaN 시드를 사용하는 경우, 상기 서셉터(30)의 시드 수용부(31)의 깊이는 약 500㎛ 이고 직경은 약 52mm 인 것이 좋다. 여기서, 상기 시드 수용부(31)의 형태가 반드시 원형일 필요는 없으며, GaN 시드의 형태에 따라 다양한 형태로 시드 수용부(31)를 형성할 수 있다. 예컨대, GaN 시드의 형태에 따라, 상기 시드 수용부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
이하, 도 3에 도시된 GaN 벌크 단결정 성장 장치 및 서셉터(30)를 이용한 GaN 벌크 단결정의 성장 방법에 대해 예시적으로 설명한다.
먼저, 깊이가 예컨대 약 500㎛ 이고 직경이 예컨대 약 52mm 인 시드 수용부(31)가 형성된 서셉터(30)를 준비하고, 상기 서셉터(30)의 시드 수용부(31)의 저면에 두께가 약 500㎛ 이고 직경이 약 2 인치인 GaN 시드를 장착한다. 이때, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드는 약 1mm 정도 서로 이격되어 있어야 한다. 그런 후, GaN 시드가 장착된 상기 서셉터(30)를 반응 챔버(20) 내의 서셉터 지지부(26) 위에 고정한다.
그런 후, 제 2 가스 유입관(22)을 통해 반응 챔버(20) 내에 N2 가스를 충분 히 흘려주어 반응 챔버(20) 내에 존재하는 산소를 제거한다. 산소가 제거된 후에는, 반응 챔버(20) 내부의 온도를 약 1000 내지 1100℃, 바람직하게는 약 1050℃ 로 유지시킨다. 그리고, 제 1 가스 유입관(21)을 통해 반응 챔버(20) 내에 NH3 가스를 공급하는 동시에, 제 3 가스 유입관(23)을 통해 HCl 가스를 공급한다. 이때, 제 3 가스 유입관(23)을 통해 공급되는 HCl 가스는, 상기 제 3 가스 유입관(23)과 연결되어 있는 갈륨 소스 저장부(24)에 있는 갈륨 소스와 결합된다. 그 결과 형성된 GaCl가 상기 제 3 가스 유입관(23)을 통해 반응 챔버(20)로 유입된다.
그러면, 반응 챔버(20) 내의 NH3 가스와 GaCl 가스가 서셉터(30) 위의 GaN 시드와 만나게 되어, 상기 GaN 시드 위에서 GaN 단결정이 성장하기 시작한다. 통상적으로, 본 발명의 성장 방법에 따른 GaN 단결정의 성장 속도는 약 50 ~ 500㎛/hr 이다. 이러한 방법으로 수십 시간 정도 GaN 단결정을 성장시키면 수mm 에서 수십mm 두께의 GaN 벌크 단결정을 얻을 수 있다. 예컨대, 약 10시간 정도 성장시키는 경우, 최고 약 5mm 두께의 GaN 벌크 단결정을 얻을 수 있다.
이렇게 해서 GaN 벌크 단결정의 성장이 완료되면, 반응 챔버(20) 내부의 온도를 상온으로 냉각시키고 반응 챔버(20) 내의 서셉터(30)를 꺼낸다. 그리고, 상기 서셉터(30)의 측면에 존재하는 GaN 다결정을 제거하고, 시드 수용부(31) 내에서 성장한 GaN 벌크 단결정을 서셉터(30)로부터 분리한다.
본 발명에 따르면, 상기 서셉터(30)에 움푹한 시드 수용부(31)가 형성되어 있기 때문에, 상기 냉각 과정에서도 성장이 완료된 GaN 벌크 단결정에 크랙이 발생 하지 않는다. 도 4a 및 도 4b는 상기 시드 수용부(31)가 크랙을 방지하는 원리를 설명하기 위한 단면도로서, 도 4a는 성장 초기의 상태를 나타내고, 도 4b는 성장 후의 상태를 나타낸다.
앞서 설명하였듯이, 종래의 경우에 크랙이 발생하는 원인은, GaN 벌크 단결정의 측면에 붙어 있는 GaN 다결정 때문이었다. 본 발명의 경우, 서셉터(30)의 움푹한 시드 수용부(31)에 GaN 시드가 장착되기 때문에, 도 4a에 도시된 바와 같이, 성장 초기의 GaN 벌크 단결정(32)은 상면만이 외부에 노출되고 측면은 외부에 노출되지 않는다. 따라서, GaN 시드의 측면에서는 GaN 다결정이 성장하지 않으며, 서셉터(30)의 측면에서 성장하는 GaN 다결정(33)도 GaN 벌크 단결정(32)과 연결되지 않는다. 이를 위해, 앞서 설명하였듯이, 상기 시드 수용부(31)의 내벽(31')과 GaN 시드 사이의 거리가 100㎛ 내지 10mm 의 범위에 있는 것이 적당하다. 또한, GaN 단결정이나 다결정은 수평 방향보다는 수직 방향으로 성장하는 경향이 있기 때문에(일반적으로 수직 방향의 성장 속도가 수평 방향의 성장 속도보다 5배 이상 크다), 성장이 진행되는 동안에도 GaN 벌크 단결정(32)과 GaN 다결정(33)이 서로 달라붙지 않고 독립적으로 성장할 수 있다. 그 결과, 도 4b에 도시된 바와 같이, 성장이 완료된 후에도 상기 GaN 벌크 단결정(32)과 GaN 다결정(33)은 서로 연결되지 않는다. 따라서, 냉각 과정에서 GaN 벌크 단결정(32)의 수축이 GaN 다결정(33)에 의해 방해 받지 않으므로, GaN 벌크 단결정(32)에 크랙이 거의 발생하지 않는다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 GaN 벌크 단결정(32)의 성장 과정에서 상기 GaN 벌크 단결정(32)에 GaN 다결정(33)이 달라붙지 않게 된다. 따라서, 냉각 과정에서 GaN 벌크 단결정(32)에 크랙이 발생하지 않으므로, 매우 우수한 품질의 GaN 벌크 단결정(32)을 얻을 수 있다. 또한, GaN 벌크 단결정(32)에 GaN 다결정(33)이 달라붙지 않으므로, 성장이 완료된 GaN 벌크 단결정(32)을 서셉터(30)로부터 분리하는 것이 매우 용이하다.

Claims (15)

  1. GaN 시드가 장착된 서셉터를 반응 챔버 내에 마련하는 단계;
    상기 GaN 시드 위에 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 단계; 및
    성장된 GaN 벌크 단결정을 냉각하고, 상기 GaN 벌크 단결정을 서셉터로부터 분리하는 단계;를 포함하며,
    상기 반응 챔버 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록, 상기 서셉터의 상면에 소정의 깊이를 갖는 시드 수용부가 형성되어 있으며, 상기 GaN 시드는 상기 시드 수용부의 저면에 장착된 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 깊이는 GaN 시드 두께의 ±50% 이내인 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 깊이는 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 내벽과 GaN 시드 사이의 거리는 100㎛ 내지 10mm 의 범 위에 있는 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 시드 수용부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형태를 가지며, 상기 시드 수용부의 형태와 GaN 시드의 형태는 동일한 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터는 내열성을 가지며 GaN과 반응하지 않는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 서셉터는 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅된 그래파이트(graphite) 또는 SiO2 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GaN 벌크 단결정을 성장시키는 단계는:
    반응 챔버 내에 N2를 흘려주어 반응 챔버 내의 산소를 제거하는 단계; 및
    반응 챔버의 온도를 1000 내지 1100℃로 유지시키면서 반응 챔버 내에 NH3 가스와 GaCl 가스를 소스 가스로서 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 방법.
  9. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 NH3 가스를 공급하는 제 1 가스 유입관;
    상기 반응 챔버 내에 N2 가스를 공급하는 제 2 가스 유입관;
    상기 반응 챔버 내에 HCl 가스를 공급하는 제 3 가스 유입관;
    상기 제 3 가스 유입관과 연결된 갈륨 소스 저장부;
    상기 반응 챔버 내의 가스를 배출하는 가스 배출관;
    GaN 시드가 장착되는 서셉터; 및
    상기 반응 챔버 내에 위치하는 것으로, 상기 서셉터를 지지하는 서셉터 지지부;를 포함하며,
    상기 반응 챔버 내에서 GaN 시드의 상면만이 노출되도록, 상기 서셉터의 상면에 소정의 깊이를 갖는 시드 수용부가 형성되어 있으며, 상기 GaN 시드는 상기 시드 수용부의 저면에 장착된 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 깊이는 GaN 시드 두께의 ±50% 이내인 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 깊이는 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 시드 수용부의 내벽과 GaN 시드 사이의 거리는 100㎛ 내지 10mm 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시드 수용부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형태를 가지며, 상기 시드 수용부의 형태와 GaN 시드의 형태는 동일한 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 서셉터는 내열성을 가지며 GaN과 반응하지 않는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 서셉터는 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅된 그래파이트(graphite) 또는 SiO2 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN 벌크 단결정 성장 장치.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8476158B2 (en) 2006-06-14 2013-07-02 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method of preparing and storing GaN substrate, prepared and stored GaN substrate, and semiconductor device and method of its manufacture
JP4714087B2 (ja) * 2006-06-14 2011-06-29 住友電気工業株式会社 ＧａＮ基板の保存方法、および半導体デバイスの製造方法
KR100980642B1 (ko) 2008-10-31 2010-09-07 주식회사 실트론 질화갈륨 기판제조장치
TWI398545B (zh) * 2010-04-29 2013-06-11 Chi Mei Lighting Tech Corp 有機金屬化學氣相沉積機台
JP4772918B1 (ja) * 2010-12-21 2011-09-14 エー・イー・テック株式会社 窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板の製造方法及び製造装置
JP6248135B2 (ja) * 2011-09-12 2017-12-13 住友化学株式会社 窒化物半導体結晶の製造方法
JP6026188B2 (ja) * 2011-09-12 2016-11-16 住友化学株式会社 窒化物半導体結晶の製造方法
KR102149338B1 (ko) * 2019-08-02 2020-08-28 안형수 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050098459A (ko) * 2004-04-07 2005-10-12 엘지전자 주식회사 질화갈륨 기판 제조 장치
US20060102081A1 (en) 2004-11-16 2006-05-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Wafer Guide, MOCVD Equipment, and Nitride Semiconductor Growth Method

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4780174A (en) * 1986-12-05 1988-10-25 Lan Shan Ming Dislocation-free epitaxial growth in radio-frequency heating reactor
US6958093B2 (en) * 1994-01-27 2005-10-25 Cree, Inc. Free-standing (Al, Ga, In)N and parting method for forming same
JPH10284425A (ja) * 1997-04-10 1998-10-23 Rohm Co Ltd 半導体装置の製法
JP3553583B2 (ja) * 1999-12-22 2004-08-11 日本電気株式会社 窒化物の気相成長装置
JP3568112B2 (ja) * 1999-12-27 2004-09-22 豊田合成株式会社 半導体基板の製造方法
US6596079B1 (en) * 2000-03-13 2003-07-22 Advanced Technology Materials, Inc. III-V nitride substrate boule and method of making and using the same
JP2002316892A (ja) * 2001-04-12 2002-10-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 気相成長装置
US6632725B2 (en) * 2001-06-29 2003-10-14 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Process for producing an epitaxial layer of gallium nitride by the HVPE method
US20060011135A1 (en) * 2001-07-06 2006-01-19 Dmitriev Vladimir A HVPE apparatus for simultaneously producing multiple wafers during a single epitaxial growth run
JP2003073189A (ja) * 2001-08-31 2003-03-12 Sumitomo Chem Co Ltd 半導体製造方法及び装置
US20050000449A1 (en) * 2001-12-21 2005-01-06 Masayuki Ishibashi Susceptor for epitaxial growth and epitaxial growth method
GB2415707A (en) * 2004-06-30 2006-01-04 Arima Optoelectronic Vertical hydride vapour phase epitaxy deposition using a homogenising diaphragm

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050098459A (ko) * 2004-04-07 2005-10-12 엘지전자 주식회사 질화갈륨 기판 제조 장치
US20060102081A1 (en) 2004-11-16 2006-05-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Wafer Guide, MOCVD Equipment, and Nitride Semiconductor Growth Method

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