KR102489127B1 - 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 - Google Patents
질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 Download PDFInfo
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Abstract
질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비는 상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로, 상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기, 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버, 그리고 상기 질화갈륨 단결정 성장 진행 중 상기 소스 가스 생성 용기로 액상 갈륨을 충진할 수 있도록 구성되는 액상 갈륨 충진 구조를 포함한다.
Description
본 발명은 질화갈륨 단결정 성장을 통해 질화갈륨 단결정 막을 제조하기 위한 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이드라이드 기상 증착(HVPE, Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법을 통해 질화갈륨 단결정을 성장시키는 장치에 관한 것이다.
질화갈륨(GAN, Gallium Nitride)은 3.4 eV의 넓은 밴드갭, 높은 브레이크다운 전기장(breakdown electric field), 뛰어난 전자포화속도, 높은 열전도율을 갖는 직접 천이형 화합물 반도체로 사파이어, 규소, 탄화규소와 같은 다른 반도체나 산화물 소재에 비해 물질 특성이 뛰어나 차세대 재료로 각광받고 있다. 질화갈륨 기판은 초고효율급 LED, 전력 반도체 등 여러 분야에 적용되고 있다.
질화갈륨 단결정 막은 두께에 따라 에피, 후막, 벌크로 분류된다. 에피는 통상 수백 nm나 수 ㎛ 두께로 성장된 질화갈륨 막을 가리키며, 후막은 수십에서 수백 ㎛로 성장된 질화갈륨 막을 가리키고, 벌크는 mm 이상으로 성장된 질화갈륨 막을 가리킨다.
질화갈륨 단결정 성장을 위한 여러 가지 성장법이 소개되었으며, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법, Ammonothermal법 등의 질화갈륨 단결정 성장법이 있다. 이러한 방법들 중 HVPE법은 양산에 근접한 기술로 빠른 성장 속도를 갖는다는 장점을 가진다.
HVPE법을 이용하는 기존의 하이드라이드 기상 증착 장비는 성장 속도의 향상과 더불어 제조되는 질화갈륨 막의 휨과 결함 등 품질 문제 개선이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 성장 속도를 구현하면서 고품질의 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있는 수직형 하이드라이드 기상 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비는 상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로, 상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기, 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버, 그리고 상기 질화갈륨 단결정 성장 진행 중 상기 소스 가스 생성 용기로 액상 갈륨을 충진할 수 있도록 구성되는 액상 갈륨 충진 구조를 포함한다.
상기 액상 갈륨 충진 구조는 상기 액상 갈륨을 저장하는 액상 갈륨 소스, 그리고 상기 액상 갈륨 소소에 저장된 상기 액상 갈륨을 펌핑하여 상기 소스 가스 생성 용기로 공급할 수 있도록 구성되는 충진 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 질화갈륨 단결정 성장 중 액상 갈륨 충진 구조를 통해 소스 가스 생성 용기에 감소된 액상 갈륨을 보충함으로써 암모니아 가스와 염화갈륨 가스의 배합 비율을 원하는 범위로 유지할 수 있으며 그에 의해 질화갈륨 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 하이드라이드 기상 증착 장비를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 하이드라이드 기상 증착 장비의 액상 갈륨 충진 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 하이드라이드 기상 증착 장비의 액상 갈륨 충진 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이드라이드 기상 증착 장비는 소스 존(source zone)(11)과 성장 존(growth zone)(13)을 형성하는 반응로(15)를 포함한다. 반응로(15)는 수직방향으로 연장되는 쿼츠 튜브로 형성될 수 있으며, 상부에 소스 존(11)을 구비하고 그 아래에 성장 존(13)을 구비할 수 있다.
소스 금속인 액상 갈륨(Ga)(17)이 소스 존(11) 내에 배치되는 소스 가스 생성 용기(19)에 채워지고, 액상 갈륨(17)과 반응하여 소스 가스인 염화갈륨(GaCl)을 생성하기 위한 염화수소(HCl) 가스가 소스 가스 생성 용기(19)로 공급된다. 도 1을 참조하면, 염화수소 가스는 염화수소 공급 관(21)을 통해 소스 가스 생성 용기(19)로 공급될 수 있다. 암모니아(NH3) 가스가 소스 존(11)을 경유하여 성장 존(13)까지 연장되는 암모니아 가스 공급 관(23)을 통해 성장 존(13)으로 공급될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 암모니아 가스 공급 관(23)은 복수로 구비될 수 있고 장비의 길이방향(상하방향) 축을 중심으로 원주방향으로 따라 등간격으로 배열될 수 있다. 한편, 도 1에 도시되지 않았으나, 염화수소 가스와 암모니아 가스의 공급 시 또는 공급 직후에 질소(N2) 가스와 같은 푸쉬 가스(push gas)가 염화수소 가스 공급 관(21)과 암모니아 가스 공급 관(23)을 통해 공급될 수 있다. 이러한 가스들은 도면에 도시되지 않은 가스 캐비닛(gas cabinet)으로부터 본 발명의 실시예에 따른 하이드라이드 기상 증착 장비로 공급되도록 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 소스 가스 생성 용기(19)는 액상 갈륨(17)을 수용하며, 염화수소 가스가 염화수소 가스 공급 관(21)을 통해 소스 가스 생성 용기(19) 내로 공급되어 액상 갈륨(17)과 반응한다. 이 반응에 의해 생성된 염화갈륨 가스는 소스 가스 생성 용기(19)에 구비되는 통공(25)을 통해 배출되고 그리고 나서 하방향으로 이동하여 성장 존(13)으로 공급된다. 갈륨과 염화수소의 반응에 의해 염화갈륨과 함께 수소화합물이 생성되며 생성된 수소화합물은 염화갈륨 가스와 함께 아래로 이동한다. 이때, 소스 가스 생성 용기(19)는 소스 가스 가이드 튜브(27) 내에 배치되며, 소스 가스 가이드 튜브(27)는 상하방향으로 연장되어 그 하단이 성장 존(13)에 위치될 수 있다.
소스 존(11)을 가열하기 위한 히터(31)가 구비된다. 히터(31)는 소스 존(11)을 가열하여 소스 가스의 생성을 위한 온도 조건이 만들어지도록 작용한다. 예를 들어, 히터(31)는 소스 존(11)의 둘레에 설치되는 전기 히터일 수 있으며, 소스 존(11)이 대략 700 내지 900 ℃로 가열되도록 작동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 질화갈륨 단결정 성장 진행 중 소스 가스 생성 용기(19)로 액상 갈륨을 충진하기 위한 액상 갈륨 충진 구조(71)를 포함한다. 도 2를 참조하면, 액상 갈륨 충진 구조(71)는 액상 갈륨을 저장하는 액상 갈륨 소스(73)와 액상 갈륨 소스(73)에 저장된 액상 갈륨을 소스 가스 생성 용기(19)로 공급할 수 있도록 구성된 충진 펌프(75)를 포함할 수 있다. 충진 펌프(75)는 액상 갈륨을 펌핑할 수 있는 액체 펌프로 구현될 수 있다. 질화갈륨 단결정 성장의 진행에 따라 소스 가스 생성 용기(19)에 저장된 액상 갈륨의 양이 점차 감소하게 되며 그에 따라 염화갈륨의 생성량이 점차 감소한다. 염화갈륨의 생성량의 감소는 염화갈륨 가스와 암모니아 가스의 배합 비율의 변경을 야기하며 이는 질화갈륨 단결정의 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 질화갈륨 단결정 성장 진행 중에 액상 갈륨 충진 구조(71)를 통해 소스 가스 생성 용기(19)에 액상 갈륨을 보충함으로써 염화갈륨 가스와 암모니아 가스의 배합 비율을 원하는 범위 내로 유지할 수 있으며 그에 따라 성장되는 질화갈륨 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.
소스 가스 가이드 튜브(27)를 통과한 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관(23)을 통과한 암모니아 가스가 질화갈륨 단결정의 성장이 이루어지는 성장 챔버(35)로 공급된다. 도 1을 참조하면, 소스 가스 가이드 튜브(27)가 반응로(15)의 중심부에 배치되고 암모니아 가스 공급 관(23)이 소스 가스 가이드 튜브(27)의 주위에 배치된다. 그리고 암모니아 가스는 소스 가스 가이드 튜브(27)의 하단부의 외측을 지나 성장 챔버(35)로 유입된다. 이때, 암모니아 가스 공급 관(23)이 염화갈륨 가스가 생성되는 소스 존(11)을 통과하도록 구성됨으로써, 성장 존(13)으로 유입되는 암모니아 가스가 질화갈륨의 생성에 적합한 온도를 갖게 될 수 있다.
회전 로드(37) 상에 고정된 사파이어 기판(39)이 성장 챔버(35)에 배치될 수 있다. 성장 챔버(35)로 공급된 염화갈륨 가스와 암모니아 가스가 반응하여 질화갈륨이 생성되고, 생성된 질화갈륨은 사파이어 기판(39) 상에서 질화갈륨 단결정 막(41)으로 성장된다. 도면에 명시되지 않았으나, 사파이어 기판(39) 상에는 버퍼 층, 스트레스 완화 층 등이 구비될 수 있고, 질화갈륨 단결정 막이 그 위에 형성될 수 있다.
성장 존(13)을 가열하기 위한 히터(33)가 구비된다. 히터(33)는 성장 존(13)을 가열하여 암모니아 가스와 소스 가스의 반응이 일어나고 질화갈륨 단결정의 성장을 위한 온도 조건이 만들어지도록 작용한다. 예를 들어, 히터(33)는 성장 존(13)의 둘레에 설치되는 전기 히터일 수 있으며, 성장 존(13)이 대략 950 내지 1,100 ℃로 가열되도록 작동할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전 로드(37)는 하이드라이드 기상 증착 장비의 하측에서 상방향으로 연장되어 성장 챔버(35)까지 연장되며, 하이드라이드 기상 증착 장비의 하측 부분에 배치되는 푸쉬 가스 유입 튜브(43) 내에 배치된다. 예를 들어 회전 로드(37)는 쿼츠로 형성될 수 있다. 예를 들어 질소 가스인 푸쉬 가스가 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 하단을 통해 상방향으로 공급되어 성장 챔버(35)로 유입된다. 푸쉬 가스는 질화갈륨 단결정의 생성 후 남는 반응 부산물 가스와 함께 부산물 가스 배출 통로(45)를 통해 화살표 방향으로 이동하여 외부로 배출된다. 반응 부산물 가스는 염화갈륨과 암모니아의 반응에 의해 얻어지는 질화갈륨 외의 가스로 염화수소, 암모니아 등을 포함한다. 부산물 가스 배출 통로(45)는 성장 존(13)의 하측에 구비되며 도면에 도시된 바와 같이 횡방향으로 연장된다.
부산물 가스와 푸쉬 가스가 부산물 가스 배출 통로(45)로 이동하도록 가이드 하는 가스 배출 가이드 튜브(47)가 구비된다. 가스 배출 가이드 튜브(47)는 푸쉬 가스 유입 튜브(43)를 둘러싸도록 동축으로 배치될 수 있으며, 가스 배출을 위해 관통홀(49)을 구비할 수 있다. 이때, 가스 배출 가이드 튜브(47)의 외측에는 지지 튜브(51)가 배치될 수 있으며, 지지 튜브(51)도 가스 배출을 위한 관통홀(53)을 구비할 수 있다. 한편, 반응로(15)의 하단에서 푸쉬 가스 유입 튜브(43), 가스 배출 가이드 튜브(47), 지지 튜브(51) 사이의 가스 밀봉을 위한 밀봉 부재(55)가 구비될 수 있다. 푸쉬 가스 유입 튜브(43), 가스 배출 가이드 튜브(47), 지지 튜브(51)는 쿼츠 튜브로 형성될 수 있다.
이때, 도 1을 참조하면, 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 상단은 성장되는 질화갈륨 단결정 막(41)이 형성되는 사파이어 기판(39)보다 낮도록 구성되고, 가스 배출 가이드 튜브(47)의 상단은 사파이어 기판(39)보다 높도록 구성된다. 그리고 부산물 가스 배출 통로(45)와 대응하는 관통홀(49, 53)은 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 상단보다 낮게 위치하도록 구성된다. 이러한 구조에 의해 반응 부산물 가스가 화살표로 표시된 바와 같이 하방향으로 이동한 후 횡방향으로 이동하여 가스 배출 통로(45)로 배출될 수 있다. 이러한 부산물 가스 배출 흐름 방향에 의해 부산물 가스가 원활하게 배출될 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
11: 소스 존
13: 성장 존
15: 반응로
17: 액상 갈륨
21: 염화수소 공급 관
23: 암모니아 가스 공급 관
19: 소스 가스 생성 용기
25: 통공
27: 소스 가스 가이드 튜브
31, 33: 히터
35: 성장 챔버
37: 회전 로드
39: 사파이어 기판
43: 푸쉬 가스 유입 튜브
45: 부산물 가스 배출 통로
47: 가스 배출 가이드 튜브
51: 지지 튜브
49, 53: 관통홀
71: 액상 갈륨 충진 구조
73: 액상 갈륨 소스
75: 충진 펌프
13: 성장 존
15: 반응로
17: 액상 갈륨
21: 염화수소 공급 관
23: 암모니아 가스 공급 관
19: 소스 가스 생성 용기
25: 통공
27: 소스 가스 가이드 튜브
31, 33: 히터
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39: 사파이어 기판
43: 푸쉬 가스 유입 튜브
45: 부산물 가스 배출 통로
47: 가스 배출 가이드 튜브
51: 지지 튜브
49, 53: 관통홀
71: 액상 갈륨 충진 구조
73: 액상 갈륨 소스
75: 충진 펌프
Claims (2)
- 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비에 있어서,
상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로,
상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기,
상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버, 그리고
상기 질화갈륨 단결정 성장 진행 중 상기 소스 가스 생성 용기로 액상 갈륨을 충진할 수 있도록 구성되는 액상 갈륨 충진 구조
를 포함하고,
상기 액상 갈륨 충진 구조는 상기 액상 갈륨을 저장하는 액상 갈륨 소스, 그리고 상기 액상 갈륨 소소에 저장된 상기 액상 갈륨을 펌핑하여 상기 소스 가스 생성 용기로 공급할 수 있도록 구성되는 충진 펌프를 포함하는 하이드라이드 기상 증착 장비. - 삭제
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| KR1020210153742A KR102489127B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 |
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| KR1020210153742A KR102489127B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 |
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| KR1020210153742A KR102489127B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024111688A1 (ko) * | 2022-11-22 | 2024-05-30 | 신정훈 | 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 |
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2021
- 2021-11-10 KR KR1020210153742A patent/KR102489127B1/ko active IP Right Grant
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