KR102611922B1 - Apparatus and method for manufacturing hexagonal Si crystal - Google Patents

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Abstract

본 발명의 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 반응관; 반응관 내의 일측에 배치되는 반응 보트; 반응 보트에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관; 반응 보트에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및 반응관을 가열하는 가열부로 이루어지고, 반응 보트는 통 형상의 바닥면에 적어도 하나의 관통 홀이 형성되고, 고체 상태인 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료가 장착되는 원료 장착부; 및 원료 장착부의 아래쪽에 배치되며, 소정 형상의 결정 형상틀이 오목하게 형성된 결정 성장부로 이루어진다.The hexagonal silicon crystal growth apparatus of the present invention includes a reaction tube; A reaction boat placed on one side of the reaction tube; A halogenation reaction gas supply pipe that supplies halogenation reaction gas to the reaction boat; A nitriding reaction gas supply pipe that supplies nitriding reaction gas to the reaction boat; and a heating unit for heating the reaction tube, wherein the reaction boat includes a raw material loading unit having at least one through hole formed on the bottom of the cylinder and mounting a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium; and a crystal growth portion disposed below the raw material loading portion and having a concave crystal shape frame of a predetermined shape.

Description

육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법 {Apparatus and method for manufacturing hexagonal Si crystal}Hexagonal silicon crystal growth apparatus and method {Apparatus and method for manufacturing hexagonal Si crystal}

본 발명은 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법과, 육각형 실리콘 결정을 사용하는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 혼합 원료 수소기상성장 (HVPE) 방법을 사용하여 육각형 실리콘 결정 기판을 성장시키는 장치 및 방법과, 육각형 실리콘 결정을 사용하는 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for growing hexagonal silicon crystals, a semiconductor device using hexagonal silicon crystals, and a method for manufacturing the same, and more specifically, to growing a hexagonal silicon crystal substrate using a mixed raw material hydrogen vapor phase growth (HVPE) method. It relates to a device and method for producing a semiconductor device and a semiconductor device using a hexagonal silicon crystal.

실리콘은 현재 주요 산업 분야에서 매우 중요한 재료로서 사용되고 있으며, 외부 조건인 압력과 온도에 의해 다양한 상 구조를 가지게 된다. 이러한 상에 대한 연구는 60 년 전에 시작되었으며, 현재까지 다양한 물리적 특성을 나타내는 여러 동소체가 보고되었다. 그러나, 여러 동소체 중 실제 상용화된 것은 가장 안정한 상인 큐빅 실리콘 결정으로서, 벌크형의 육각형 실리콘 결정은 상용화되지 못했다. 이는 실리콘 결정이 입방체 방향의 성장이 용이할 뿐 아니라, 벌크형 육각형 실리콘 결정을 성장하기 위해서는 극히 높은 압력(수십 GPa)가 필요하기 때문이다.Silicon is currently used as a very important material in major industrial fields, and has various phase structures depending on external conditions such as pressure and temperature. Research on these phases began 60 years ago, and to date, several allotropes exhibiting diverse physical properties have been reported. However, among the various allotropes, cubic silicon crystals are the most stable phase that have actually been commercialized, and bulk hexagonal silicon crystals have not been commercialized. This is because not only is it easy for silicon crystals to grow in the cubic direction, but extremely high pressure (several tens of GPa) is required to grow bulk-type hexagonal silicon crystals.

따라서, 현재까지는 Si 관련 산업은 기존의 입방 실리콘 또는 비정질 실리콘에 의존하여 왔으며, Si 결정 (Si single crystal) 및 무정형 실리콘 (amorphous Si)에 대한 새로운 구조 및 특성은 고온과 압력에 따른 구조상의 변화와 관련하여 이론과 실험에서 많은 연구의 대상이 되고 있다. Therefore, to date, Si-related industries have relied on existing cubic silicon or amorphous silicon, and the new structures and properties of Si crystal (Si single crystal) and amorphous silicon (Si) are related to structural changes due to high temperature and pressure. In relation to this, it is the subject of much research in theory and experiment.

한편, 최근 Si 나노 와이어 (NWs)의 합성 과정에서 육각형 다이아몬드 (Lonsdaleite) 구조가 발견되었으며, 벌크 상태에서는 극한의 압력 조건에서만 관찰되었을 뿐 순수 벌크 상태의 육각형 Si 결정은 얻을 수 없었다. 벌크 상태의 육각형 Si 결정은 약 16GPa의 압력에서 형성되는 반면, NW에서는 육각형 Si의 국부적인 영역이 대기압 하에서도 성장하는 것이 여러 연구 그룹에 관찰되었다.Meanwhile, a hexagonal diamond (Lonsdaleite) structure was recently discovered during the synthesis of Si nanowires (NWs), and in the bulk state, it was only observed under extreme pressure conditions, and pure bulk hexagonal Si crystals could not be obtained. It has been observed by several research groups that hexagonal Si crystals in the bulk form at pressures of approximately 16 GPa, while in NWs localized regions of hexagonal Si grow even under atmospheric pressure.

최근에는 5 ~ 170 nm 두께의 순수하고 안정적인 다이아몬드 육각형 Si 껍질을 성장하기 위하여 GaP NW를 모체로 하여 그 표면에 성장하는 결과가 발표되었다. Recently, the results of growing a pure and stable diamond hexagonal Si shell with a thickness of 5 to 170 nm on the surface using GaP NW as a matrix were published.

또한 육각형 Si의 폴리 형태 (polytypes)에 대한 실험적인 성과와 특성은 재료의 전자 특성에 관한 연구를 비롯하여 열전도 특성에 대한 연구를 촉진시키고 있다. Additionally, experimental results and properties of polytypes of hexagonal Si are promoting research on the material's electronic properties as well as its heat conduction properties.

육각형 Si 구조는 독립적인 물질로서 서로 다른 물질보다는 동일한 물질의 상이한 결정상이 규칙적인 방식으로 교번(ABABAB)되는 것으로 해석하고 있다. 다결정 Si-IV 박막의 경우 일련의 레이저 열처리를 사용하는 소성 변형 과정에서 얻을 수 있다. The hexagonal Si structure is an independent material, and is interpreted as having different crystal phases of the same material alternating in a regular manner rather than different materials. In the case of polycrystalline Si-IV thin films, it can be obtained through a plastic deformation process using a series of laser heat treatments.

Si은 육각형 성질이 증가하면 기본형 에너지 갭은 감소하며, Si-IV (육각형 다이아몬드 구조의 Si)는 Si-I (cubic Si) 과 비교하여 약 2배 높은 효율로 가시광선 (~1.5 eV에서의 직접 전이)을 방출 할 수 있다. As the hexagonal nature of Si increases, the basic energy gap decreases, and Si-IV (hexagonal diamond-structured Si) is about twice as efficient as Si-I (cubic Si), and can be used directly in visible light (~1.5 eV). metastasis) can be released.

일반적으로 Si은 다형체를 가질 수 있으며, 대부분이 주변 조건에서 준안정 (metastable)적이다. Si-I (큐빅 다이아몬드 구조)에서 압력이 증가하면 Si-II (β-Sn 구조)를 형성하며, 서서히 압력이 줄어들면 능면체 Si-XII (rhombohedral R8 phase) 와 Si-III (BC8 구조)으로 전이된다. 이때의 압력은 8 GPa ~ 2 GPa 정도이다. 연속적인 열적 처리에 의해 Si-IV (hexagonal diamond)의 형성을 기대할 수 있다. 육각형 Si은 Si-IV (hexagonal diamond)의 결정으로 성장 방향의 c 축에 평행 및 수직 반사가 존재 한다. 이론 및 실험적 결과에 기초하여, 육각형 D46h 공간 그룹 구조를 갖는 S-IV는 A1g 대칭의 종 방향 광학 (LO) 모드 및 E1g 및 E2g 대칭의 횡 광학 (TO) 모드로 구성된 3개의 라만 활성 모드를 갖는 것으로 알려져 있다. 이들 피크는 각각 518~515 cm-1, 508~500 cm-1, 그리고 498~495 cm-1 범위에서 포논 모드를 관측할 수 있다. 그러나 A1g, E1g 및 E2g 모드를 동시에 관측하기는 실제적으로 어렵기 때문에, 상기 3개의 모드 중 2개의 모드를 확인하여 육각형 Si 결정임을 확인할 수 있다.In general, Si can have polymorphs, most of which are metastable at ambient conditions. When pressure increases in Si-I (cubic diamond structure), it forms Si-II (β-Sn structure), and as pressure gradually decreases, it forms rhombohedral Si-XII (rhombohedral R8 phase) and Si-III (BC8 structure). It metastasizes. The pressure at this time is about 8 GPa to 2 GPa. The formation of Si-IV (hexagonal diamond) can be expected through continuous thermal treatment. Hexagonal Si is a crystal of Si-IV (hexagonal diamond) and has reflections parallel and perpendicular to the c-axis of the growth direction. Based on theory and experimental results, S-IV with hexagonal D46h space group structure has three Raman actives, consisting of a longitudinal optical (LO) mode with A 1g symmetry and a transverse optical (TO) mode with E 1g and E 2g symmetries. It is known to have a mode. Phonon modes can be observed in these peaks in the ranges of 518~515 cm -1 , 508~500 cm -1 , and 498~495 cm -1 , respectively. However, since it is practically difficult to observe A 1g , E 1g and E 2g modes at the same time, it can be confirmed that it is a hexagonal Si crystal by checking two of the three modes.

한편, 본 출원인도 육각형 실리콘 결정과 관련하여 대한민국 특허 10-2149338호에서 바늘 형태의 육각형 실리콘 결정을 성장시키는 장치와 방법을 제안한 바 있으나, 벌크 형태의 결정은 아니었다. Meanwhile, the present applicant also proposed a device and method for growing needle-shaped hexagonal silicon crystals in Korean Patent No. 10-2149338 in relation to hexagonal silicon crystals, but it was not a bulk crystal.

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본 발명의 목적은 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것으로서, 특히 벌크 구조의 육각형 실리콘 결정을 성장시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for growing hexagonal silicon crystals, and in particular, to provide an apparatus and method for growing hexagonal silicon crystals in a bulk structure.

본 발명의 다른 목적은 기판으로 역할을 할 수 있도록 크기가 크고(수십 mm -수백 mm 단위), 상온 상압에서 안정적인 결정 구조를 가지는 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hexagonal silicon crystal growth device and method that has a large size (tens of mm - hundreds of mm) so that it can serve as a substrate and has a stable crystal structure at room temperature and pressure.

본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 결정의 방향이 (002) 면을 가지는 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for growing a hexagonal silicon crystal having a (002) plane.

본 발명의 또 다른 목적은, 기판 없이 또는 소정의 기판 상에 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있는 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hexagonal silicon crystal growth apparatus and method capable of growing a hexagonal silicon crystal without a substrate or on a predetermined substrate.

본 발명의 또 다른 목적은 육각형 실리콘 결정 성장 속도를 조절하여, 결정의 직경, 두께, 형상을 조절할 수 있는 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hexagonal silicon crystal growth device and method that can control the diameter, thickness, and shape of the crystal by controlling the growth rate of the hexagonal silicon crystal.

본 발명의 또 다른 목적은 벌크 형태의 육각형 실리콘 결정을 성장시키면서 동시에 바늘 형태의 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method that can grow bulk hexagonal silicon crystals and simultaneously grow needle-shaped hexagonal silicon crystals.

본 발명의 또 다른 목적은 성장한 육각형 실리콘 결정을 사용한 반도체 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using grown hexagonal silicon crystals.

이러한 목적 및 기타 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 반응관; 반응관 내의 일측에 배치되는 반응 보트; 반응 보트에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관; 반응 보트에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및 반응관을 가열하는 가열부로 이루어지고, 반응 보트는 통 형상의 바닥면에 적어도 하나의 관통 홀이 형성되고, 고체 상태인 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료가 장착되는 원료 장착부; 및 원료 장착부의 아래쪽에 배치되며, 소정 형상의 결정 형상틀이 오목하게 형성된 결정 성장부로 이루어진다.In order to achieve these and other purposes, a hexagonal silicon crystal growth device according to one aspect of the present invention includes a reaction tube; A reaction boat placed on one side of the reaction tube; A halogenation reaction gas supply pipe that supplies halogenation reaction gas to the reaction boat; A nitriding reaction gas supply pipe that supplies nitriding reaction gas to the reaction boat; and a heating unit for heating the reaction tube, wherein the reaction boat includes a raw material loading unit having at least one through hole formed on the bottom of the cylinder and mounting a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium; and a crystal growth portion disposed below the raw material loading portion and having a concave crystal shape frame of a predetermined shape.

가열부는 반응관을 1150-1350℃의 온도 범위로 가열하고, 혼합 원료의 실리콘: 알루미늄: 갈륨의 혼합비는 1 : 1~2 : 1~5인 것이 바람직하다.The heating unit heats the reaction tube to a temperature range of 1150-1350°C, and the mixing ratio of silicon: aluminum: gallium in the mixed raw materials is preferably 1:1 to 2:1 to 5.

또한, 원료 장착부와 결정 성장부는 결합 유지 기구에 의하여 결합되거나 원료 장착부의 자중에 의하여 밀착되어 결정 형상틀 내부의 압력을 조절할 수 있다. 바람직하게 결정 형상틀 내부의 압력은 온도, 결정 형상틀 내부의 부피, 및 원료 장착부의 크기, 질량 및 부피에 의하여 조절할 수 있다. 결정 형상틀 내부의 압력 P는 바람직하게 0 < P ≤ 1 GPa 이다.In addition, the raw material loading portion and the crystal growth portion are coupled by a joint holding mechanism or are brought into close contact by the raw material loading portion's own weight, thereby controlling the pressure inside the crystal frame. Preferably, the pressure inside the crystal frame can be adjusted by temperature, the volume inside the crystal frame, and the size, mass, and volume of the raw material loading part. The pressure P inside the crystal frame is preferably 0 < P ≤ 1 GPa.

결정 성장부의 결정 형상틀에는 성장용 기판을 배치하지 않아도 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있으나, 성장한 육각형 실리콘 결정을 분리하기 쉽도록 분리용 기판이 배치될 수 있다. 분리용 기판은 흑연, 실리콘 카바이드, 실리콘, 사파이어, 석영, 세라믹, 및 각종 상용 기판(GaN, GaAs, InP, Ga2O3 등)으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.A hexagonal silicon crystal can be grown without placing a growth substrate on the crystal shape frame of the crystal growth portion, but a separation substrate may be disposed to facilitate separation of the grown hexagonal silicon crystal. The separation substrate may be selected from the group consisting of graphite, silicon carbide, silicon, sapphire, quartz, ceramic, and various commercial substrates (GaN, GaAs, InP, Ga 2 O 3 , etc.).

대안적으로, 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)에서 선택되는 SiC 기판을 결정 형상틀에 배치하여 이러한 SiC 기판 상에 육각형 실리콘 결정을 형성할 수 있다.Alternatively, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å), 6H-SiC (a = 3.0730 Å, A SiC substrate selected from b = 10.053 Å) can be placed in a crystal mold to form a hexagonal silicon crystal on this SiC substrate.

결정 성장부에는 결정 형상틀이 복수 개 형성되며, 상기 복수 개의 결정 형상틀의 형상 또는 크기는 같거나 다를 수 있다.A plurality of crystal shape frames are formed in the crystal growth portion, and the shapes or sizes of the plurality of crystal shape frames may be the same or different.

벌크형 육각형 실리콘 결정과 더불어 바늘형 육각형 실리콘 결정을 성장시키기 위하여, 원료 장착부와 측면으로 연결되는 바늘형 결정 성장부를 더 포함할 수 있다. 바늘형 결정 성장부에는 결정 성장면이 아래쪽을 향하도록 성장용 기판을 배치한다.In order to grow needle-shaped hexagonal silicon crystals in addition to bulk-type hexagonal silicon crystals, a needle-shaped crystal growth part connected to the raw material loading part and the side may be further included. A growth substrate is placed in the needle-shaped crystal growth portion so that the crystal growth surface faces downward.

본 발명의 다른 특징에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 방법은 반응관 내부에 고체 상태인 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료가 장착된 원료 장착부를 배치하는 단계; 원료 장착부의 하부에 결정 형상틀이 형성된 결정 성장부를 배치하는 단계; 반응관을 1150-1350℃범위의 온도로 가열하는 단계; 혼합 원료에 할로겐화 반응가스와 질화 반응 가스를 공급하는 단계; 혼합 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스를 생성하는 단계; 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 원료 장착부의 하부에 배치된 상기 결정 성장부로 흐르는 단계; 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 반응하여 상기 결정 형상틀에서 핵을 생성하는 단계; 및 생성된 핵을 중심으로 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계;로 이루어진다.A hexagonal silicon crystal growth method according to another feature of the present invention includes the steps of placing a raw material loading unit equipped with a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium inside a reaction tube; Arranging a crystal growth portion in which a crystal shape frame is formed at the lower part of the raw material loading portion; Heating the reaction tube to a temperature in the range of 1150-1350°C; Supplying halogenation reaction gas and nitridation reaction gas to mixed raw materials; reacting the mixed raw materials with the halogenated reaction gas to produce trichlorosilane gas and metal chloride gas; flowing the generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas into the crystal growth section disposed below the raw material loading section; 3 reacting silane chloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas to generate nuclei in the crystal shape frame; and growing a hexagonal silicon crystal around the generated nucleus.

육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계는 생성된 핵을 중심으로 3 염화 실레인 가스에 의해 Si 원자들이 치환되는 단계; 및 치환된 Si 원자들에 의해 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계로 이루어진다.The step of growing a hexagonal silicon crystal includes replacing Si atoms with trichlorosilane gas centered on the generated nucleus; and growing a hexagonal silicon crystal by substituted Si atoms.

상기 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스와 질화 반응 가스는 상기 원료 장착부의 바닥면에 형성된 적어도 하나의 관통 홀을 통하여 상기 결정 성장부로 흐르게 된다.The generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas flow into the crystal growth section through at least one through hole formed on the bottom surface of the raw material loading section.

결정 성장부의 결정 형상틀에는 바람직하게 분리용 기판을 배치할 수 있고, 결정 형상틀 내부의 압력에 의하여 상기 육각형 실리콘 결정의 성장률을 조절할 수 있다.A separation substrate can be preferably placed in the crystal frame of the crystal growth portion, and the growth rate of the hexagonal silicon crystal can be adjusted by the pressure inside the crystal frame.

대안적으로 상기 결정 성장부의 결정 형상틀에 SiC 기판을 배치하며, SiC 기판은 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)에서 선택될 수 있다. Alternatively, a SiC substrate is placed on the crystal shape frame of the crystal growth portion, and the SiC substrate is a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å) having the following space group C46v-P63mc and hexagonal (wurtzite) crystal structure. , b = 10.053 Å,), and 6H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å).

본 발명의 또 다른 특징에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 벌크형 육각형 실리콘 결정과 더불어 바늘형 육각형 실리콘 결정을 성장시키기 위하여, 원료 장착부의 측면으로, 결정 성장면이 아래쪽을 향하도록 성장용 기판을 배치하는 기판 배치 단계;를 더 포함하여, 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 상기 원료 장착부의 측면의 성장용 기판 쪽으로 흐르는 단계; 상기 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 반응하여 상기 성장용 기판에 핵을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 핵을 중심으로 성장용 기판에 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계;를 더 포함하여 이루어진다.A hexagonal silicon crystal growth device according to another feature of the present invention is to place a growth substrate on the side of the raw material mounting portion with the crystal growth surface facing downward in order to grow needle-type hexagonal silicon crystals as well as bulk-type hexagonal silicon crystals. A step of arranging a substrate; further comprising allowing the generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas to flow toward the growth substrate on a side of the raw material mounting unit; reacting the silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas to generate nuclei in the growth substrate; And growing a hexagonal silicon crystal on a growth substrate centered on the generated nucleus.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 육각형 실리콘 결정은 상술한 육각형 실리콘 결정 성장 방법에 의하여 성장한 것이다.A hexagonal silicon crystal according to another feature of the present invention is grown by the above-described hexagonal silicon crystal growth method.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 육각형 실리콘 반도체 소자는, 상술한 육각형 실리콘 결정 성장 방법에 의하여 성장한 육각형 실리콘 결정의 일 측면에 형성되거나 일 측면에 접속되는 제1 전극; 및 제1 전극과 이격되어, 육각형 실리콘 결정의 타 측면에 형성되거나 타 측면에 접속되는 된 제2 전극으로 이루어진다. 이때, 상기 일 측면과 상기 타 측면은 동일한 면이거나 다른 면일 수 있다.A hexagonal silicon semiconductor device according to another feature of the present invention includes a first electrode formed on or connected to one side of a hexagonal silicon crystal grown by the above-described hexagonal silicon crystal growth method; and a second electrode spaced apart from the first electrode and formed on or connected to the other side of the hexagonal silicon crystal. At this time, the one side and the other side may be the same side or different sides.

한편, 육각형 실리콘 반도체 소자는 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된 제3 전극을 포함하여 이루어질 수 있다. Meanwhile, the hexagonal silicon semiconductor device may include a third electrode formed between the first electrode and the second electrode.

이때, 제1 전극 또는 제2 전극 또는 제3 전극 중 적어도 하나와 육각형 실리콘 결정 사이에 형성된 산화막을 더 포함할 수 있다.At this time, it may further include an oxide film formed between at least one of the first electrode, second electrode, or third electrode and the hexagonal silicon crystal.

본 발명에 따르면 실리콘, 알루미늄, 갈륨으로 이루어진 혼합 원료를 사용하는 HVPE법으로 육각형 실리콘 결정을 소망하는 크기로 성장시킬 수 있다. 이러한 육각형 실리콘 결정의 크기는 씨드로 사용할 수 있는 크기(mm 단위)로 형성할 수도 있고 기판으로 사용할 수 있는 크기(수십 mm - 수백 mm 단위)로 형성할 수도 있다. According to the present invention, hexagonal silicon crystals can be grown to a desired size by the HVPE method using mixed raw materials consisting of silicon, aluminum, and gallium. The size of these hexagonal silicon crystals can be either a size that can be used as a seed (unit of mm) or a size that can be used as a substrate (tens of mm to hundreds of mm).

본 발명에 따른 육각형 실리콘 결정은 상온, 상압에서 다양한 크기와 형태의 안정적인 육각형 실리콘 결정 구조를 가진다.The hexagonal silicon crystal according to the present invention has a stable hexagonal silicon crystal structure of various sizes and shapes at room temperature and pressure.

본 발명에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치 및 방법은 종래의 HVPE 또는 MOCVD와 같은 장비에서 반드시 필요한 성장용 기판 없이 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 종래의 실리콘 벌크 성장 장치인 초크랄스키법(Czochralski) 또는 결정인상법(crystal pulling method)에 비하여, 경제성이 향상된다.The hexagonal silicon crystal growth apparatus and method according to the present invention can grow hexagonal silicon crystals without a growth substrate, which is essential in conventional equipment such as HVPE or MOCVD. In addition, compared to the Czochralski method or crystal pulling method, which is a conventional silicon bulk growth device, economic efficiency is improved.

대안적으로, 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)와 같은 SiC 기판을 사용하여 육각형 실리콘 결정을 성장시키는 경우, SiC 기판 위에 육각형 실리콘 결정이 성장한 Si/SiC 기판을 제조하여 전자소자를 형성할 경우 열적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.Alternatively, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC (a = 3.0730 Å) with space group C46v-P63mc, hexagonal (wurtzite) crystal structure as follows , b = 10.053 Å), when growing a hexagonal silicon crystal using a SiC substrate, the thermal properties can be significantly improved when forming an electronic device by manufacturing a Si/SiC substrate with a hexagonal silicon crystal grown on the SiC substrate. there is.

본 발명에 의해 성장된 육각형 실리콘 결정은 순수한 실리콘 단결정이므로 실리콘 산업과 관련된 분야, 예를 들어 태양 전지, 2차 전지, 전력 반도체 및 광소자, 그리고 광소자와 전자소자가 동시에 집적된 모놀리식 실리콘 포토닉스 OEIC라는 새로운 산업 및 기술 분야를 활성화시킬 수 있다. 이 중 태양광 전지 응용 분야에서, 태양광 전지의 효율을 결정하는 중요한 특성 중 하나인 직접 밴드갭과 간접 밴드갭 차이 특성에서 육각형 실리콘 결정의 밴드갭은 기존 큐빅형 실리콘의 밴드갭(~2.5eV)과는 달리 ~0.7eV 정도로 상대적으로 작으므로 태양광의 흡수 파장의 범위가 넓어져 태양 전지의 효율이 10% 이상 증가될 수 있으며, 발광 소자의 재료로로 사용할 수 있다. 또한, 직접 천이 발광이 가능하여 LED, LD 등 발광 소자와 포토다이오드 등 수광소자로서 적용이 가능하다. Since the hexagonal silicon crystal grown by the present invention is a pure silicon single crystal, it is used in fields related to the silicon industry, such as solar cells, secondary batteries, power semiconductors and optical devices, and monolithic silicon in which optical devices and electronic devices are integrated simultaneously. It can revitalize a new industrial and technological field called photonics OEIC. Among these, in the field of solar cell applications, in the difference between direct and indirect bandgap, which is one of the important characteristics that determines the efficiency of solar cells, the bandgap of hexagonal silicon crystal is compared to the bandgap of existing cubic silicon (~2.5eV). ), it is relatively small at about ~0.7eV, so the range of absorption wavelength of sunlight is widened, so the efficiency of solar cells can be increased by more than 10%, and it can be used as a material for light-emitting devices. In addition, since direct transition light emission is possible, it can be applied as light-emitting devices such as LED and LD and light-receiving devices such as photodiodes.

더욱이, 본 발명에 의해 성장된 육각형 실리콘 결정은 열전도성이 일반 큐빅형 실리콘 결정보다 40% 이상 낮게 되므로 전자소자 등 기존의 실리콘 관련 산업 부분과 마이크로 포토닉스 분야에서 활용도가 매우 크다. 예를 들면, 육각형 Si 에피층이 성장된 SiC 기판의 경우 Si 기반 MOSFET/Diode/IGBT 등 전력반도체의 열적 특성을 향상시켜 고온 고압 특성에서 효율을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 직접 천이 발광 레이저 다이오드 기반의 DSP(Digital Signal Processing)용 모놀리식 OEIC 와 전력소자를 동시에 구현하는 것이 가능하여, 현재 화합물반도체 기반 발광 소자와 실리콘 기반 신호 처리용 IC를 별도로 만들어서 집적화를 구현하는 하이브리드 OEIC 그리고 별도의 모듈로 전력반도체 모듈을 합쳐서 만들어지는 시스템을 매우 간단하게 그리고 효율적으로 구현할 수 있다. Moreover, the hexagonal silicon crystal grown according to the present invention has a thermal conductivity that is more than 40% lower than that of a regular cubic silicon crystal, so it is very useful in existing silicon-related industries such as electronic devices and in the microphotonics field. For example, in the case of a SiC substrate on which a hexagonal Si epitaxial layer is grown, the efficiency can be significantly improved at high temperature and high pressure by improving the thermal characteristics of power semiconductors such as Si-based MOSFET/Diode/IGBT, and direct transition light-emitting laser diode-based It is possible to implement a monolithic OEIC for DSP (Digital Signal Processing) and a power device at the same time, and currently, a hybrid OEIC that implements integration by separately making a compound semiconductor-based light emitting device and a silicon-based signal processing IC and a separate module. A system created by combining power semiconductor modules can be implemented very simply and efficiently.

[참고 문헌][references]

[19] Yaguang Guo, Qian Wang, Yoshiyuki Kawazoe, and Puru Jena, "A New Silicon Phase with Direct Band Gap and Novel Optoelectronic Properties", Scientific Reports, 5, 14342 (2015).[19] Yaguang Guo, Qian Wang, Yoshiyuki Kawazoe, and Puru Jena, “A New Silicon Phase with Direct Band Gap and Novel Optoelectronic Properties”, Scientific Reports, 5, 14342 (2015).

[20] Marti Raya-Moreno1, Hugo Aramberri, Juan Antonio, Seijas-Bellido, Xavier Cartoixal, and Riccardo Rurali, "Thermal conductivity of hexagonal Si and hexagonal Si nanowires from first-principles", Appl. Phys. Lett. 111, 032107 (2017).[20] Marti Raya-Moreno1, Hugo Aramberri, Juan Antonio, Seijas-Bellido, Xavier Cartoixal, and Riccardo Rurali, “Thermal conductivity of hexagonal Si and hexagonal Si nanowires from first-principles”, Appl. Phys. Lett. 111, 032107 (2017).

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 덮개를 제거한 상태의 반응 보트의 분해 사시도이다.
도 3은 반응 보트의 다른 예시를 도시한 분해 사시도이다.
도 4a는 반응 보트의 다른 예시로서 흑연 나사를 사용하여 원료 장착부와 결정 성장부를 결합시킨 예시이고, 도 4b는 원료 장착부와 결정 성장부를 끼워맞춤으로 결합시킨 예시이다.
도 5는 본 발명에 따라서 육각형 실리콘 결정 성장이 이루어지는 모식도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 1의 실시예에 따라 성장한 실리콘 결정의 성장 시작점 부분의 사진과 EDS 데이터이다.
도 7a 내지 도 7c은 본 발명의 실험예에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정의 광학사진이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정의 라만 스펙트럼 결과이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정의 위 표면의 라만 스펙트럼 결과이다.
도 10은 본 발명에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정과 관련된 XRD 2θ/ω 스캔 결과를 나타낸 도면이다.
도 11a 내지 도 11i는 육각형 실리콘 결정의 크기를 결정하기 위하여 사용할 수 있는 변수를 변화시킨 시뮬레이션 데이터를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 실시예에서 덮개를 제거한 상태의 반응 보트의 분해 사시도이다.
도 14a 내지 도 14e는 육각형 실리콘 결정을 이용한 반도체 소자를 예시하는 도면이다.
1 is a diagram showing a hexagonal silicon crystal growth device according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view of the reaction boat in the embodiment of Figure 1 with the cover removed.
Figure 3 is an exploded perspective view showing another example of a reaction boat.
Figure 4a is another example of a reaction boat in which the raw material loading part and the crystal growth part are joined using graphite screws, and Figure 4b is an example of the raw material loading part and the crystal growth part being joined by fitting.
Figure 5 is a schematic diagram of hexagonal silicon crystal growth according to the present invention.
FIGS. 6A to 6E are photographs and EDS data of the growth starting point of the silicon crystal grown according to the embodiment of FIG. 1.
7A to 7C are optical photographs of hexagonal silicon crystals grown according to an experimental example of the present invention.
Figure 8 is a Raman spectrum result of a hexagonal silicon crystal grown according to an experimental example of the present invention.
Figure 9 is a Raman spectrum result of the upper surface of a hexagonal silicon crystal grown according to an experimental example of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the results of an XRD 2θ/ω scan related to a hexagonal silicon crystal grown according to the present invention.
Figures 11A to 11I are diagrams showing simulation data by changing variables that can be used to determine the size of a hexagonal silicon crystal.
Figure 12 is a diagram showing a hexagonal silicon crystal growth device according to a second embodiment of the present invention.
Figure 13 is an exploded perspective view of the reaction boat in the embodiment of Figure 12 with the cover removed.
14A to 14E are diagrams illustrating semiconductor devices using hexagonal silicon crystals.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소를 가리킨다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice it. Elements indicated with the same symbol in the drawings refer to the same element.

도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 HVPE 방식에 의하여 육각형 실리콘 결정을 성장시키는 장치이다. 도 1을 참조하면, 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 크게 반응관(100)과, 반응관(100) 내에 배치된 반응 보트(200)와, 반응관(100) 내에 각종 반응가스를 공급하는 가스 공급부(300) 및 반응관(100) 내부를 가열시키는 가열부(400)를 구비한다. 1 shows a hexagonal silicon crystal growth device according to a first embodiment of the present invention. The hexagonal silicon crystal growth device according to the present invention is a device for growing hexagonal silicon crystals by the HVPE method. Referring to FIG. 1, the hexagonal silicon crystal growth apparatus largely includes a reaction tube 100, a reaction boat 200 disposed within the reaction tube 100, and a gas supply unit ( 300) and a heating unit 400 that heats the inside of the reaction tube 100.

반응관(100)은 석영관(quartz tube)을 사용하는 것이 바람직하고, 가열부(400)는 일반적인 3개의 히터 퍼니스로 구성되어있는 핫월 퍼니스(hot wall furnace)를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.It is preferable to use a quartz tube as the reaction tube 100, and it is preferable to use a hot wall furnace composed of three general heater furnaces as the heating unit 400, but it is limited to this. It doesn't work.

반응 보트(200)는 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)를 결합시킨 모듈을 지칭하는 것으로서, 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)는 상하로 배치되는 구성을 가진다. 도 2는 도 1의 실시예의 반응 보트(200)에서 덮개(212)를 제거한 상태의 분해 사시도이다. The reaction boat 200 refers to a module combining the raw material loading unit 210 and the crystal growth unit 220, and the raw material loading unit 210 and the crystal growth unit 220 are arranged vertically. FIG. 2 is an exploded perspective view of the reaction boat 200 of the embodiment of FIG. 1 with the cover 212 removed.

원료 장착부(210)는 대략 밑면이 사각형인 통 형상을 가지나, 이에 한정되지 않고, 원통 또는 기타의 단면의 통 형상으로 형성될 수 있다. 통 형상의 바닥면(211)에는 하나 또는 그 이상의 관통 홀(500)이 형성되어 있다. The raw material mounting unit 210 has a cylindrical shape with a substantially square bottom, but is not limited to this and may be formed into a cylindrical or other cylindrical cross-section. One or more through holes 500 are formed in the cylindrical bottom surface 211.

원료 장착부(210)의 바닥면(211)에는 혼합 원료(230)가 배치되며, 이때 혼합 원료(230)는 관통 홀(500)을 막지 않는 상태로 배치된다. 혼합 원료(230)는 고체 상태의 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)이 혼합된 원료이다. 실리콘은 육각형 실리콘 결정 (hexagonal Si crystal)을 성장하기 위한 원재료로서, 금속급 실리콘(Metallurgical Grade Silicon)이 사용될 수 있다. 알루미늄은 육각형 실리콘 결정을 성장하기 위하여 필요한 핵 성장(nucleation)의 촉매로 작용한다. 또한, 갈륨은 원재료인 실리콘을 녹여, 후술하는 할로겐화 반응 가스와 반응을 촉진하는 역할과, 원료의 산화를 방지하여 할로겐화 반응 가스와의 접촉을 쉽게 하는 역할, 및 알루미늄과 같이 기판 위의 핵 성장을 위한 촉매 역할을 한다.Mixed raw materials 230 are disposed on the bottom surface 211 of the raw material loading unit 210, and at this time, the mixed raw materials 230 are disposed in a state that does not block the through hole 500. The mixed raw material 230 is a mixture of solid silicon (Si), aluminum (Al), and gallium (Ga). Silicon is a raw material for growing hexagonal silicon crystals, and metallurgical grade silicon can be used. Aluminum acts as a catalyst for nucleation necessary to grow hexagonal silicon crystals. In addition, gallium melts silicon, which is a raw material, and promotes the reaction with the halogenation reaction gas described later, prevents oxidation of the raw material and facilitates contact with the halogenation reaction gas, and, like aluminum, promotes nuclear growth on the substrate. It acts as a catalyst for

혼합 원료의 실리콘: 알루미늄: 갈륨의 혼합비는 1 : 1~2 : 1~5이고, 바람직하기로는 1 : 1 : 2이다. The mixing ratio of silicon: aluminum: gallium in the mixed raw materials is 1:1~2:1~5, preferably 1:1:2.

원료 장착부(210)의 상부는 덮개(212)로 덮는 것이 바람직하다. 덮개(212)에는 공급관(321, 331)이 원료 장착부(210) 내로 가스를 공급할 수 있도록 구멍이 형성되거나 일측이 개구되도록 형성하는 것이 바람직하다.It is desirable to cover the upper part of the raw material loading part 210 with a cover 212. It is preferable that the cover 212 be formed with a hole or open on one side so that the supply pipes 321 and 331 can supply gas into the raw material mounting part 210.

결정 성장부(220)는 원료 장착부(210)의 하부에 배치되며, 원료 장착부(210)의 형상과 유사하게 대략 직육면체의 형상을 가지나, 이에 한정되지 않고, 원통 또는 기타의 단면체의 형상으로 형성될 수 있다. 결정 성장부(220)에는 육각형 실리콘 결정이 성장하는 형상을 한정할 수 있는 결정 형상틀(240)이 오목하게 형성되어 있다. 이러한 결정 형상틀(240)은 원통형 또는 사각통형으로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 결정 형상틀(240)의 직경 L(또는 한변의 길이) 또는 깊이 d는 소망하는 실리콘 결정의 형상에 따라 정할 수 있다. 이때, 직경 L이 큰 경우 깊이 d도 이에 비례하여 커지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실리콘 결정을 판상으로 형성하고자 하는 경우, 직경 L이 2인치의 경우 깊이 d는 500 μm, 4인치의 경우는 깊이 d는 1 mm 이상으로 할 수 있다. The crystal growth unit 220 is disposed at the lower part of the raw material loading unit 210 and has a substantially rectangular shape similar to the shape of the raw material loading unit 210, but is not limited thereto and is formed in the shape of a cylinder or other cross-sectional shape. It can be. In the crystal growth portion 220, a crystal shape frame 240 that can define the shape in which the hexagonal silicon crystal grows is formed concavely. This crystal shape frame 240 may be formed in a cylindrical or square cylinder shape, but is not limited thereto. The diameter L (or the length of one side) or the depth d of the crystal shape frame 240 can be determined according to the desired shape of the silicon crystal. At this time, when the diameter L is large, it is desirable that the depth d is also increased proportionally. For example, if you want to form a silicon crystal in a plate shape, if the diameter L is 2 inches, the depth d can be 500 μm, and if the diameter L is 4 inches, the depth d can be 1 mm or more.

결정 성장부(220), 특히 결정 형상틀(240)은 흑연 혹은 카본이 코팅된 흑연으로 제조하는 것이 바람직하다. The crystal growth portion 220, especially the crystal shape frame 240, is preferably made of graphite or carbon-coated graphite.

본 발명의 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 별도의 성장용 기판이 필요하지 않으므로, 결정 형상틀(240) 상에 육각형 실리콘 결정을 직접 성장시킬 수 있다.Since the hexagonal silicon crystal growth device according to an embodiment of the present invention does not require a separate growth substrate, hexagonal silicon crystals can be grown directly on the crystal shape frame 240.

대안적으로, 결정 형상틀(240)에 분리용 기판(도시되지 않음)을 배치할 수 있다. 결정 형상틀(240)에 직접 육각형 실리콘 결정이 성장하는 경우, 결정 형상틀(240)과 육각형 실리콘 결정을 분리시키는 공정이 필요하나, 결정 형상틀(240)에 분리용 기판을 배치하는 경우 결정 형상틀(240)과 육각형 실리콘 결정의 분리가 용이해진다. 분리용 기판은 결정 형상틀(240)의 밑면과 동일한 형상이 바람직하나, 반드시 동일한 형상일 필요는 없다. 예를 들어, 결정 형상틀(240)이 사각통형이더라도 분리용 기판은 원판 형상일 수 있다. 분리용 기판은 흑연, 실리콘 카바이드, 실리콘, 사파이어, 석영, 세라믹, 및 각종 상용 기판(GaN, GaAs, InP, Ga2O3 등)으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 분리용 기판을 사용하여 육각형 실리콘 결정을 성장시킨 경우, 육각형 실리콘 결정의 성장이 완료된 후 래핑 공정과 폴리싱 공정을 통해 분리용 기판을 제거할 수 있다.Alternatively, a separation substrate (not shown) may be placed on the crystal frame 240. When a hexagonal silicon crystal is grown directly on the crystal shape frame 240, a process to separate the crystal shape frame 240 and the hexagonal silicon crystal is required. However, when a separation substrate is placed on the crystal shape frame 240, the crystal shape is Separation of the frame 240 and the hexagonal silicon crystal becomes easier. The separation substrate preferably has the same shape as the bottom of the crystal frame 240, but does not necessarily have to have the same shape. For example, even if the crystal frame 240 has a square cylinder shape, the separation substrate may have a disk shape. The separation substrate may be selected from the group consisting of graphite, silicon carbide, silicon, sapphire, quartz, ceramic, and various commercial substrates (GaN, GaAs, InP, Ga 2 O 3 , etc.). When a hexagonal silicon crystal is grown using a separation substrate, the separation substrate can be removed through a lapping process and a polishing process after the growth of the hexagonal silicon crystal is completed.

다른 대안으로, 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)와 같은 SiC 기판을 결정 형상틀(240)에 배치하여, 이러한 SiC 기판 상에 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다. SiC 기판 위에 육각형 실리콘 결정이 성장한 Si/SiC 기판을 제조하여, 후술하는 바와 같이 전자소자를 형성할 경우 Si 기반 MOSFET/Diode/IGBT 등 전력반도체의 열적 특성을 향상시켜 고온 고압 특성에서 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.As another alternative, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC (a = 3.0730 Å) with space group C46v-P63mc, hexagonal (wurtzite) crystal structure as follows , b = 10.053 Å), a SiC substrate such as this can be placed in the crystal shape frame 240, and a hexagonal silicon crystal can be grown on this SiC substrate. When a Si/SiC substrate with hexagonal silicon crystals grown on a SiC substrate is manufactured and an electronic device is formed as described later, the thermal properties of power semiconductors such as Si-based MOSFET/Diode/IGBT are improved and efficiency is significantly increased at high temperature and high pressure. There are benefits that can be improved.

도 2에는 결정 성장부(220)에 하나의 결정 형상틀(240)이 형성되는 것이 도시되어 있으나, 이러한 결정 형상틀은 복수 개 형성될 수 있다. 도 3에서는 3개의 결정 형상틀(241, 242, 243)이 형성된 결정 성장부(220)가 도시되어 있다. 결정 형상틀(241, 242, 243)은 서로 다른 직경과 깊이를 가질 수 있어서, 한번의 성장 공정으로 소망하는 형상의 복수 개의 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다. 이때, 결정 형상틀(241, 242, 243) 내부의 압력을 동일하게 유지하기 위하여 도 3에서와 같이 각각의 결정 형상틀(241, 242, 243)이 서로 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 서로 분리되도록 형성할 수 있다. 이러한 3개의 결정 형상틀(241, 242, 243)에 맞추어 원료 장착부(210)에도 3개의 관통 홀(500)이 형성되어 있다. 관통 홀(500)은 필요에 따라서 더 형성할 수 있다.Although FIG. 2 shows one crystal shape frame 240 being formed in the crystal growth portion 220, a plurality of such crystal shape frames may be formed. In Figure 3, a crystal growth portion 220 in which three crystal shape frames 241, 242, and 243 are formed is shown. The crystal shape frames 241, 242, and 243 may have different diameters and depths, so that a plurality of silicon crystals of a desired shape can be grown in a single growth process. At this time, in order to keep the pressure inside the crystal shape frames 241, 242, and 243 the same, each crystal shape frame 241, 242, and 243 may be connected to each other as shown in FIG. 3, but is not limited to this and can be connected to each other. It can be formed to be separated. Three through holes 500 are formed in the raw material mounting portion 210 in accordance with these three crystal shape frames 241, 242, and 243. Additional through holes 500 may be formed as needed.

한편, 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)는 서로 간격이 없이 밀착되어, 후술하는 바와 같이 결정 성장부(220)의 결정 형상틀(240) 내에서 적절한 압력이 유지되는 것이 바람직하다. 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)가 밀착되기 위하여, 원료 장착부(210)의 자중을 이용하거나 별도의 결합 유지 기구, 또는 끼움 결합 등을 사용할 수 있다. 도 4a에는 결합 유지 기구의 예로는 흑연 나사를 사용하여 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)를 결합시키는 것이 도시되어 있고, 도 4b에는 별도의 결합 유지 기구 없이 원료 장착부(210)를 결정 성장부(220)에 끼워 맞춰 밀착되도록 하는 것이 예시되어 있다. 대안적으로, 원료 장착부와 결정 성장부를 클램프 등으로 결합시키는 것도 가능하다.Meanwhile, it is preferable that the raw material loading unit 210 and the crystal growth unit 220 are in close contact with each other without a gap, and that an appropriate pressure is maintained within the crystal shape frame 240 of the crystal growth unit 220, as will be described later. In order to bring the raw material mounting unit 210 and the crystal growth unit 220 into close contact, the self-weight of the raw material mounting unit 210 may be used, a separate coupling and holding mechanism, or a fitting coupling may be used. In Figure 4a, an example of a coupling holding mechanism is shown to couple the raw material mounting part 210 and the crystal growth part 220 using a graphite screw, and in Figure 4b, the raw material mounting part 210 is shown without a separate coupling holding mechanism. It is illustrated that it is fitted into the growth portion 220 to ensure close contact. Alternatively, it is also possible to couple the raw material loading portion and the crystal growth portion with a clamp or the like.

가스 공급부(300)는 질소와 같은 분위기 가스를 공급하는 분위기 가스 공급부(310)와, 암모니아(NH3)와 같은 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응 가스 공급부(320), 및 염화수소(HCl)와 같은 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응 가스 공급부(330)를 구비하고, 각각의 가스 공급부는 공급관(311, 321, 331)을 통해 반응관(100)에 가스를 공급한다. The gas supply unit 300 includes an atmospheric gas supply unit 310 that supplies an atmospheric gas such as nitrogen, a nitriding reaction gas supply unit 320 that supplies a nitriding reaction gas such as ammonia (NH 3 ), and a nitriding reaction gas supply such as hydrogen chloride (HCl). It is provided with a halogenation reaction gas supply unit 330 that supplies a halogenation reaction gas, and each gas supply unit supplies gas to the reaction tube 100 through supply pipes 311, 321, and 331.

분위기 가스 공급부(310)는 분위기 가스 공급관(311)을 통하여 분위기 가스, 예를 들어 질소를 공급함으로써, 반응관(100)과 반응 보트(200) 내부를 질소 분위기로 만들어 줄 수 있다. 도 1에는 분위기 가스 공급관(311)이 반응 보트(200)의 외부에 있는 것으로 도시되어 있으나, 필요에 따라서 덮개(212)에 개구를 형성하여 반응 보트(200) 내부에 직접 분위기 가스를 공급할 수 있다. 이러한 경우, 혼합 원료(230)와 할로겐화 반응가스에 의하여 발생된 3 염화 실레인 및 금속 염화물 가스(AlCln , GaCln)를 원료 장착부(210)의 바닥면(211)에 형성되어 있는 관통 홀(500)을 통하여 결정 성장부(220)로 이동시키며 반응관(100) 내의 가스 유동을 안정적으로 유지시킬 수 있다.The atmospheric gas supply unit 310 supplies atmospheric gas, for example, nitrogen, through the atmospheric gas supply pipe 311, thereby creating a nitrogen atmosphere inside the reaction tube 100 and the reaction boat 200. In Figure 1, the atmospheric gas supply pipe 311 is shown as being outside the reaction boat 200, but if necessary, an opening is formed in the cover 212 to directly supply the atmospheric gas inside the reaction boat 200. . In this case, the silane trichloride and metal chloride gas (AlCl n , GaCl n ) generated by the mixed raw material 230 and the halogenated reaction gas are discharged through the through hole ( It is possible to move the gas to the crystal growth unit 220 through 500 and maintain a stable gas flow in the reaction tube 100.

할로겐화 반응 가스 공급부(330)에 연결된 할로겐화 반응 가스 공급관(331)은 원료 장착부(210)에 장착된 혼합 원료에 할로겐화 반응가스를 직접 분출하여, 3 염화 실레인 및 금속 염화물 가스(AlCln, GaCln)를 생성하는 것을 촉진시킨다.The halogenation reaction gas supply pipe 331 connected to the halogenation reaction gas supply unit 330 directly ejects the halogenation reaction gas to the mixed raw materials mounted on the raw material loading unit 210, producing silane trichloride and metal chloride gas (AlCl n, GaCl n ) promotes the production of

질화 반응 가스 공급부(320)에 연결된 질화 반응가스 공급관(321)은 원료 장착부(210)의 관통 홀(500)을 통하여 결정 성장부(220)에 질화 반응가스를 공급한다. 따라서, 질화 반응가스 공급관(321)의 출구는 원료 장착부(210)의 관통 홀(500) 근방에 배치되는 것이 가장 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 질화 반응 가스가 원활하게 흐를 수 있는 위치이면 무방하다.The nitriding reaction gas supply pipe 321 connected to the nitriding reaction gas supply unit 320 supplies the nitriding reaction gas to the crystal growth unit 220 through the through hole 500 of the raw material mounting unit 210. Therefore, it is most preferable that the outlet of the nitriding reaction gas supply pipe 321 is disposed near the through hole 500 of the raw material mounting part 210, but it is not limited to this, and any location where the nitriding reaction gas can flow smoothly may be used.

이러한 본 발명에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치를 사용하여 육각형 실리콘 결정을 성장시키는 방법을 설명한다.A method of growing a hexagonal silicon crystal using the hexagonal silicon crystal growth apparatus according to the present invention will be described.

먼저, 원료 장착부(210)에 고체 상태의 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료(230)를 골고루 배치하되, 관통 홀(500)을 막지 않도록 한다. 이때 혼합 원료의 실리콘: 알루미늄: 갈륨의 혼합비는 1: 1~2 : 1~5이고, 바람직하기로는 1 : 1 : 2이다. First, the mixed raw material 230, which is a mixture of solid silicon, aluminum, and gallium, is evenly disposed on the raw material loading part 210, but does not block the through hole 500. At this time, the mixing ratio of silicon: aluminum: gallium of the mixed raw materials is 1: 1 to 2: 1 to 5, preferably 1: 1: 2.

원료 장착부의 하측으로 결정 성장부(220)를 배치한다. 필요에 따라서, 별도의 결합 유지 기구를 사용할 수 있다.The crystal growth section 220 is disposed below the raw material loading section. If necessary, a separate coupling holding mechanism can be used.

다음으로, 가열부(400)를 가동하여 반응관(100)을 1150-1350℃로 가열한다. 이 때, 반응 보트(200)의 온도를 올리기 전부터 분위기 가스인 질소를 흘려주고, 반응 보트(200)에 질화 반응 가스인 암모니아를 일정량 흘려준다. 질화 반응가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관(321)은 석영관으로 형성하는 것이 바람직하다.Next, the heating unit 400 is operated to heat the reaction tube 100 to 1150-1350°C. At this time, before raising the temperature of the reaction boat 200, nitrogen, an atmospheric gas, is flowed, and a certain amount of ammonia, a nitriding reaction gas, is flowed into the reaction boat 200. The nitriding reaction gas supply pipe 321 that supplies the nitriding reaction gas is preferably formed of a quartz pipe.

다음으로 반응관(100)의 온도가 안정화되면 원료 장착부(210)에 할로겐화 반응 가스인 염화수소를 공급한다. 공급된 염화수소는 혼합 원료인 실리콘, 알루미늄 및 갈륨과 각각 반응한다. 즉, 실리콘은 염화수소와 반응하여 3 염화 실레인(Si+3HCl→SiHCl3+H2)이 발생하고, 알루미늄이 염화수소와 반응하여 AlCl이 발생하며, 갈륨과 염화수소가 반응하여 GaCln(n=1, 2, 3...)이 발생한다.Next, when the temperature of the reaction tube 100 is stabilized, hydrogen chloride, a halogenation reaction gas, is supplied to the raw material loading unit 210. The supplied hydrogen chloride reacts with the mixed raw materials silicon, aluminum, and gallium, respectively. That is, silicon reacts with hydrogen chloride to generate silane trichloride (Si+3HCl→SiHCl 3 +H 2 ), aluminum reacts with hydrogen chloride to generate AlCl, and gallium and hydrogen chloride react to generate GaCl n (n=1). , 2, 3...) occurs.

이때, 갈륨은 혼합된 원료 중 알루미늄과 실리콘의 그래프면에서 확산되어, 알루미늄과 실리콘 표면에 생긴 산화막 및 질화막을 대부분 제거한다. 즉, 고온의 분위기에서 실리콘과 알루미늄에는 산화와 질화가 발생하게 되나, 이들 표면에 소량의 갈륨이 확산되면서 승온 과정 중에 산화막과 질화막이 제거되어 활성화된다. 따라서, 갈륨은 알루미늄을 활성화시켜 알루미늄이 염화수소와 반응하는 것을 촉진하여 AlCl 생성을 촉진한다. 이에 더하여, 갈륨은 기화되어 원료 장착부(210)의 관통 홀(500)으로 흘러들어가 AlN의 나노 물질 생성을 도와준다.At this time, gallium diffuses on the graph surface of aluminum and silicon among the mixed raw materials, removing most of the oxide and nitride films formed on the surfaces of aluminum and silicon. That is, oxidation and nitride occur in silicon and aluminum in a high-temperature atmosphere, but as a small amount of gallium diffuses to their surfaces, the oxide and nitride films are removed and activated during the temperature increase process. Therefore, gallium activates aluminum and promotes the reaction of aluminum with hydrogen chloride to produce AlCl. In addition, gallium is vaporized and flows into the through hole 500 of the raw material mounting part 210 to help generate AlN nanomaterials.

다음으로, 혼합 원료와 염화수소가 반응하여 발생한 SiHCl3, AlCl 및 GaCln은 원료 장착부(210)의 관통 홀(500)로 주입되어 결정 성장부(220)에서 질화 반응 가스인 암모니아와 반응하여 결정 성장부(220)의 결정 형상틀(240) 표면에 육각형 실리콘 결정용 핵을 형성하게 된다.Next, SiHCl 3 , AlCl and GaCl n generated by the reaction of mixed raw materials and hydrogen chloride are injected into the through hole 500 of the raw material mounting part 210 and react with ammonia, a nitriding reaction gas, in the crystal growth part 220 to grow crystals. A hexagonal silicon crystal nucleus is formed on the surface of the crystal shape frame 240 of the part 220.

육각형 실리콘 결정용 핵은 혼합된 AlCl에 의해 Al과 N 포함된 나노 형태의 AlN 핵으로서, 여기에 흡착 원자(adatom)들이 성장되어 성장 초기의 SI 핵이 공존하게 된다. Al과 N의 결합은 우르짜이츠(Wurtzite) 구조 또는 육각형(hexagonal) 2H 구조를 갖는 공유 결합성 물질로 육각형 구조를 형성하며 이에 따라 이러한 Si 핵은 순수하게 육각형 2H 구조를 가지며 급격히 성장하게 되고, 결정 성장부(220)의 오목한 결정 형상틀(240)에서 3 염화 실레인의 높은 분압에 의하여 육각형 실리콘 결정의 성장이 주된 성장 모드로 진행된다. The nucleus for the hexagonal silicon crystal is a nano-shaped AlN nucleus containing Al and N by mixed AlCl, and adsorbed atoms are grown here, allowing SI nuclei in the early stages of growth to coexist. The bond between Al and N is a covalent material with a wurtzite structure or a hexagonal 2H structure, forming a hexagonal structure. Accordingly, these Si nuclei grow rapidly with a purely hexagonal 2H structure. The growth of hexagonal silicon crystals proceeds as the main growth mode due to the high partial pressure of silane trichloride in the concave crystal shape frame 240 of the crystal growth section 220.

이후에 실리콘 원료 양이 충분하면 일정의 육각형 실리콘 결정을 형성할 수 있다. 이때 육각형 실리콘 결정용 핵의 역할을 하는 Al과 N에 포함된 Si의 핵은 길이 방향 (002) 면으로 급격히 성장될 수 있으나 결정 성장부(220)의 결정 형상틀(240) 내부의 압력에 의해 억제해주어 육각형의 6개 면으로의 성장을 유도하여 육각형 실리콘 결정을 형성할 수 있다. 결정 성장부(220)의 결정 형상틀(240) 내부의 압력은 원료 장착부(210)와 결정 성장부(220)를 상하로 배치 결합시켜 얻을 수 있다.Afterwards, if the amount of silicon raw material is sufficient, a certain hexagonal silicon crystal can be formed. At this time, the Si nucleus contained in Al and N, which serve as the nucleus for the hexagonal silicon crystal, can grow rapidly in the longitudinal direction (002) plane, but due to the pressure inside the crystal shape frame 240 of the crystal growth portion 220. By suppressing this, growth on six hexagonal sides can be induced to form a hexagonal silicon crystal. The pressure inside the crystal shape frame 240 of the crystal growth unit 220 can be obtained by arranging and combining the raw material mounting unit 210 and the crystal growth unit 220 vertically.

도 5는 본 발명에 따라서 육각형 실리콘 결정 성장이 이루어지는 모식도이다. 도 5의 아래 부분은 AlN의 핵이 형성되는 과정으로서, SiHCl3, AlCl, GaCln과 암모니아 가스가 반응하여 결정 형상틀(240)에 갈륨, 알루미늄 및 탄소 등이 흡착되고, AlN 계열(C,O흡착)의 마이크로 군(cluster)이 형성된다. 이러한 마이크로 군은 반 투명 상태의 나노 막으로 형성된 육각형 형태이나 원형에 가까운 모양으로 고유의 결정성이 없으며, 구조적으로 매우 약한 껍질 상태의 반 결정(semi crystalline) 마이크로 바늘 형태를 취한다. 이러한 마이크로 바늘은 짧은 시간에 포화상태의 SiCln 분위기에서 새로운 형태의 물질로 발전되어 흡수체 역할을 하여 Si 마이크로 바늘을 형성한다. 이때 Si 마이크로 바늘은 우르짜이쯔 구조 또는 육각형 2H 구조를 갖는 공유 결합성 물질의 육각형 구조를 가진다. Figure 5 is a schematic diagram of hexagonal silicon crystal growth according to the present invention. The lower part of Figure 5 is the process of forming the nucleus of AlN, where SiHCl 3 , AlCl, GaCl n and ammonia gas react to adsorb gallium, aluminum and carbon to the crystal frame 240, and AlN series (C, A micro cluster of O adsorption is formed. These microgroups have a hexagonal or nearly circular shape formed of a semi-transparent nanomembrane, have no intrinsic crystallinity, and take the form of semi-crystalline microneedles in a structurally very weak shell state. These microneedles develop into a new type of material in a saturated SiCl n atmosphere in a short period of time and act as absorbers to form Si microneedles. At this time, the Si microneedle has a hexagonal structure of a covalent material with a Wurzeitz structure or a hexagonal 2H structure.

이후 반응이 계속되면서 Al과 N이 포함된 기생 Si 마이크로 바늘은 폭발적으로 성장하며, 공간에 존재하는 원소들에 의해 불순물의 도핑 농도를 제어하는 사이트 컴피티션 에피택시(site-competition epitaxy)법과 유사하게 Si 원자는 매우 급격한 농도의 증가에 따라 Al, N 그리고 C 원자를 밀어내고 최후 Si 단결정의 형태로 Si 마이크로 바늘을 형성하게 된다[21]. 즉, Al의 농도 보다 Si의 농도가 급속히 증가하면 경쟁에 의해(outcompetes) Si원자가 Al 원자 위치를 차지하게 된다. 이때, 한쪽 방향 (002)이 억제되어 있으므로 육각형의 6면의 옆 방향으로 성장이 이루어져 육각형 실리콘 결정이 판상의 형태로 성장한다. As the reaction continues, parasitic Si microneedles containing Al and N grow explosively, and Si As the concentration increases very sharply, the atoms push out the Al, N, and C atoms, ultimately forming Si microneedles in the form of Si single crystals [21]. In other words, if the concentration of Si increases more rapidly than the concentration of Al, Si atoms outcompete and occupy the positions of Al atoms. At this time, since one direction (002) is suppressed, growth occurs in the side direction of the six sides of the hexagon, and the hexagonal silicon crystal grows in a plate shape.

[참고 문헌][references]

[22] D. J. Larkin, P. G. Neudeck, J. A. Powell, and L. G. Matus, Site-competition epitaxy for superior silicon carbide electronics. Appl. Phys. Lett. 65, 1659-1661 (1994).[22] D. J. Larkin, P. G. Neudeck, J. A. Powell, and L. G. Matus, Site-competition epitaxy for superior silicon carbide electronics. Appl. Phys. Lett. 65, 1659-1661 (1994).

이후에는 Si은 AlN 핵의 육각형 구조를 따라 가장 안정된 구조의 육각형 모양으로 육각형 실리콘 결정이 성장한다. 실리콘 결정은 급속한 성장에 의해 성장하여 수십 μm ~ 수 인치(inch)의 직경과 수 mm 두께의 판상으로 육각형 실리콘 결정을 형성한다. 이때 치환된 Al과 N의 원자들은 고온에 의해 표면으로 밀려나며 배출된다.Afterwards, hexagonal silicon crystals grow into the most stable hexagonal shape along the hexagonal structure of the AlN core. Silicon crystals grow rapidly to form hexagonal silicon crystals in a plate shape with a diameter of tens of μm to several inches and a thickness of several mm. At this time, the substituted Al and N atoms are pushed to the surface by high temperature and are discharged.

도 6a 내지 도 6e는 결정 성장부(220)의 결정 형상틀(240)에 육각형 AlN핵이 성장하면서 Si 이 흡착되는 것을 보여주는 결과이다. 도 6a는 Al과 N이 혼합된 나노 형태의 FE-SEM사진과 그 부분의 EDS결과를 보여준다. 도 6b는 확대된 FE-SEM 사진으로 뿌리(성장 시작점: 사진 위쪽) 쪽은 AlN부분, 육각형 부분(사진 아래쪽)은 Si 의 형태를 볼 수 있고 육각형 구조를 확인할 수 있다. 도 6c 내지 도 6e는 핵이 형성되고 육각형 실리콘 결정이 성장된 부분(사진 표시)을 순차적으로 EDS를 측정한 결과로 뿌리에서부터 Al과 N의 비율이 줄어들면서 Si 비율이 증가함을 확인할 수 있다. FIGS. 6A to 6E are results showing that Si is adsorbed while hexagonal AlN nuclei grow on the crystal shape frame 240 of the crystal growth portion 220. Figure 6a shows a FE-SEM photograph of a nano-type mixture of Al and N and the EDS results of that portion. Figure 6b is an enlarged FE-SEM photo, showing the AlN portion at the root (growth start point: top of the photo) and the Si shape at the hexagonal portion (bottom of the photo), confirming the hexagonal structure. Figures 6c to 6e show the results of sequentially measuring EDS in the area where the nucleus was formed and the hexagonal silicon crystal was grown (shown in the photo), and it can be seen that the ratio of Al and N decreases from the root, while the Si ratio increases.

본 발명의 실시예에 따라서, 육각형 실리콘 결정의 성장 조건과 실험 데이터는 다음의 표 1과 같다.According to an embodiment of the present invention, the growth conditions and experimental data of hexagonal silicon crystals are shown in Table 1 below.

조건condition 실험Experiment 반응관 온도reaction tube temperature 1150-1350℃1150-1350℃ 1200℃1200 염화수소hydrogen chloride 200~1000 sccm200~1000 sccm 500 sccm500sccm 성장시간growth time 1시간~5시간1 hour to 5 hours 100분100 minutes 혼합 원료의 실리콘 양Amount of silicon in mixed raw materials 10~100g10~100g 20g 20g 혼합 원료의 알루미늄 양Amount of aluminum in mixed raw materials 10~100g 이하10~100g or less 20g 이하20g or less 혼합 원료의 갈륨 양Amount of gallium in mixed raw material 10~100g 이하10~100g or less 30g 30g 성장률growth rate 0.1~1.0mm/h0.1~1.0mm/h 0.2mm/h0.2mm/h 암모니아ammonia 1000-5000 sccm1000-5000 sccm 500 sccm500sccm 질소nitrogen 1000-5000 sccm1000-5000 sccm 5000 sccm5000 sccm 도핑재료Doping material Mg, Te, Ge, B, P, SbMg, Te, Ge, B, P, Sb --

표 1의 실험 조건으로 육각형 실리콘 결정을 성장시킨 결과를 설명하면 다음과 같다. 염화수소, 암모니아 그리고 질소 가스는 각각 500 sccm, 500 sccm, 5000 sccm으로 일정하게 공급하였다. 성장 온도는 1200℃이며 성장 시간은 100분으로 하였다. 이때 육각형 실리콘 결정의 최대 성장률은 0.2 mm/h로 폭이 1~2 mm 두께 250 ~370 μm 이상의 육각형 실리콘 결정이 성장되었다. 혼합 원료는 Si 20g, Al 20g, Ga 30g을 사용하였다. The results of growing hexagonal silicon crystals under the experimental conditions in Table 1 are explained as follows. Hydrogen chloride, ammonia, and nitrogen gas were supplied at constant rates of 500 sccm, 500 sccm, and 5000 sccm, respectively. The growth temperature was 1200°C and the growth time was 100 minutes. At this time, the maximum growth rate of the hexagonal silicon crystal was 0.2 mm/h, and hexagonal silicon crystals with a width of 1 to 2 mm and a thickness of 250 to 370 μm or more were grown. The mixed raw materials used were 20 g of Si, 20 g of Al, and 30 g of Ga.

이와 같이 얻어진 육각형 실리콘 결정은 다음의 표 2와 같다.The hexagonal silicon crystals obtained in this way are shown in Table 2 below.

형태form 육각형 기판 형태Hexagonal substrate shape 두께thickness 370 μm 370 μm 직경diameter 1 mm ~ 2 mm1 mm to 2 mm 성분ingredient 윗 표면top surface 100% 육각형 Si100% hexagonal Si 아래 표면bottom surface AlN이 혼재된 육각형 Si Hexagonal Si mixed with AlN

도 7a 내지 도 7c은 본 발명에 실험예에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정의 광학사진이다. 도 7a는 육각형 실리콘 결정으로서 육각형 판상의 형상을 가지고 있다. 도 7b는 육각형 실리콘 결정으로서, 육각형 판상의 결정이 2개 연결된 형상이다. 도 7c는 도 7a의 육각형 실리콘 결정의 기판의 두께를 마이크로미터로 측정하는 사진으로서, 그 두께가 370 μm 인 것을 확인할 수 있다.7A to 7C are optical photographs of hexagonal silicon crystals grown according to experimental examples of the present invention. Figure 7a is a hexagonal silicon crystal and has a hexagonal plate shape. Figure 7b shows a hexagonal silicon crystal, in which two hexagonal plate-shaped crystals are connected. Figure 7c is a photograph showing the thickness of the hexagonal silicon crystal substrate of Figure 7a measured with a micrometer, and it can be seen that the thickness is 370 μm.

도 8은 본 발명의 실험예에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정의 구조적 특성의 변화를 알아보기 위한 라만 스펙트럼 결과로 Thermo Fisher Scientific사의 532 nm laser DXR 2 Smart Raman Spectrometer 장치를 이용하여 상온(300 °K)에서 측정하였다. 육각형 실리콘 결정의 초기 상태의 면을 측정한 것으로 518 ㎝-1에서 가장 강한 라만 피크가 관측되었으며, 501 ㎝-1, 587 ㎝-1, 637 ㎝-1, 650 ㎝-1 피크 또한 관측되었다. 주요 라만 피크가 518 ㎝-1의 경우 단결정 육각형 Si의 A1g 모드의 피크이며, 2번째 분리된 501 ㎝-1피크는 육각형 Si의 E1g 모드의 피크이다. 587 ㎝-1, 637 ㎝-1, 650 ㎝-1 피크는 전형적인 나노 AlN의 라만 피크로서 본 발명의 육각형 실리콘 결정의 성장 메커니즘(도 5)을 증명하는 결과이다. 참고로, 큐빅 Si의 경우 521 ㎝-1의 단일 피크만 나타난다.Figure 8 shows the Raman spectrum results to determine changes in the structural properties of hexagonal silicon crystals grown according to an experimental example of the present invention, measured at room temperature (300 °K) using a 532 nm laser DXR 2 Smart Raman Spectrometer device from Thermo Fisher Scientific. Measured. By measuring the surface of the initial state of the hexagonal silicon crystal, the strongest Raman peak was observed at 518 ㎝ -1 , and peaks at 501 ㎝ -1 , 587 ㎝ -1 , 637 ㎝ -1 , and 650 ㎝ -1 were also observed. The main Raman peak at 518 cm -1 is the peak of the A 1g mode of single crystal hexagonal Si, and the second separated peak at 501 cm -1 is the peak of the E 1g mode of hexagonal Si. The 587 cm -1 , 637 cm -1 , and 650 cm -1 peaks are typical Raman peaks of nano AlN and are results that prove the growth mechanism of the hexagonal silicon crystal of the present invention (FIG. 5). For reference, in the case of cubic Si, only a single peak at 521 cm -1 appears.

도 9는 성장된 윗면의 육각형 실리콘 결정의 구조적 특성의 변화를 알아보기 위한 라만 스펙트럼결과이다. 516 ㎝-1에서 가장 강한 라만 피크가 관측되었으며, 507 ㎝-1, 494 ㎝-1 피크 또한 관측되었다. 도 8에서와 같이 587 ㎝-1, 637 ㎝-1, 650 ㎝-1 피크는 측정되지 않았다. 516 ㎝-1, 507 ㎝-1, 494 ㎝-1 피크는 육각형 Si의 A1g, E1g, E2g 모드의 피크로서, 처음으로 3개의 피크가 분리되는 육각형 실리콘 결정을 얻었으며 이러한 사례는 본 발명이 최초임을 확인할 수 있다. 전형적인 나노 AlN의 라만 피크인 587 ㎝-1, 637 ㎝-1, 650 ㎝-1 피크는 측정되지 않았으므로 위쪽으로으로 성장이 될수록 AlN성분은 소멸되며 순수한 육각형 실리콘 결정을 얻을 수 있음을 보여준다. 따라서, 본 발명에 의하여 성장한 육각형 실리콘 결정은 큐빅 Si과는 상이한 결정 구조를 가지고, 다른 물질이 전혀 혼합되지 않은 순수한 Si인 것이 확인된다.Figure 9 is a Raman spectrum result to determine changes in the structural characteristics of the grown upper surface hexagonal silicon crystal. The strongest Raman peak was observed at 516 ㎝ -1 , and peaks at 507 ㎝ -1 and 494 ㎝ -1 were also observed. As in Figure 8, the peaks at 587 cm -1 , 637 cm -1 , and 650 cm -1 were not measured. The 516 ㎝ -1 , 507 ㎝ -1 , and 494 ㎝ -1 peaks are the peaks of the A 1g , E 1g , and E 2g modes of hexagonal Si, and for the first time, a hexagonal silicon crystal in which three peaks were separated was obtained, and this case is It can be confirmed that the invention is the first. Typical Raman peaks of nano AlN, such as 587 cm -1 , 637 cm -1 , and 650 cm -1 peaks, were not measured, showing that the AlN component disappears as it grows upward and a pure hexagonal silicon crystal can be obtained. Therefore, it is confirmed that the hexagonal silicon crystal grown according to the present invention has a different crystal structure from cubic Si and is pure Si without any other substances mixed in.

참고로, 라만 피크에 대한 참고 문헌은 다음의 [22]-[25]와 같다.For reference, the references for Raman peaks are as follows [22]-[25].

[22] S. Piscanec, M. Cantoro, A. C. Ferrari, J. A. Zapien, Y. Lifshitz, S. T. Lee, S. Hofmann and J. Robertson, Phys. Rev. B 68, 241312R (2003).[22] S. Piscanec, M. Cantoro, A. C. Ferrari, J. A. Zapien, Y. Lifshitz, S. T. Lee, S. Hofmann and J. Robertson, Phys. Rev. B 68, 241312R (2003).

[23] M. Khorasaninejad, J. Walia and S. S. Saini, Nanotechnology, 23, 275706 (2012).[23] M. Khorasaninejad, J. Walia and S. S. Saini, Nanotechnology, 23, 275706 (2012).

[24] M. Luyao, L. Sudarat, D. Joshua and M. Stephen, RSC Adv. 6, 78818 (2016).[24] M. Luyao, L. Sudarat, D. Joshua and M. Stephen, RSC Adv. 6, 78818 (2016).

[25] Bennett E. Smith, Xuezhe Zhou, Paden B. Roder, Evan H. Abramson, and Peter J. Pauzauskie,"Recovery of hexagonal Si-IV nanowires from extreme GPa pressure"JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 119, 185902 (2016).[25] Bennett E. Smith, Xuezhe Zhou, Paden B. Roder, Evan H. Abramson, and Peter J. Pauzauskie, "Recovery of hexagonal Si-IV nanowires from extreme GPa pressure" JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 119, 185902 (2016) .

도 10은 본 발명에 따라서 성장한 육각형 실리콘 결정과 관련된 XRD 2θ/ω 스캔 결과를 나타낸 도면이다. 육각형 실리콘 결정을 좌상단의 사진과 같이 파쇄하여, 무작위로 추출하여 2θ값을 20°에서 120°범위에서 측정한 XRD 2θ/ω 결과로서, Rigaku사의 Smartlab 고분해능 X선 회절 장치(high resolution X-ray diffraction, HR-XRD)를 사용하여 분석하였다. Figure 10 is a diagram showing the results of an XRD 2θ/ω scan related to a hexagonal silicon crystal grown according to the present invention. Hexagonal silicon crystals were crushed as shown in the photo at the top left, randomly extracted, and 2θ values were measured in the range of 20° to 120°. The XRD 2θ/ω results were obtained using Rigaku's Smartlab high-resolution , HR-XRD) was used to analyze it.

도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이, 2θ=28.28°, 47.32°, 83.56°, 94.98° 그리고 106.76°가 관측되었다. ICSD ID 30396 (Physical Review, serie 3. B-condensed Matter (18,1978-)(1992).46, 10086-10097)에 따라 2θ=28.28°은 (002), 2θ=47.32°은 (110), 2θ=83.56°은 (212), 2θ=94.98°은 (006), 그리고 2θ=106.76°은 (220)면으로 큐빅 실리콘 F-43m 공간 그룹(space group, 격자상수 a=5.39Å, c=5.39Å)에서는 나타나지 않는 2θ=83.56° 피크가 측정되었다. 이는 본 발명에 의해 성장된 육각형 실리콘 결정은 P63mc 공간 그룹(space group, 격자상수 a=3.8Å, c=6.26Å)임을 명백히 확인할 수 있는 결과이다.As can be seen in Figure 10, 2θ=28.28°, 47.32°, 83.56°, 94.98° and 106.76° were observed. According to ICSD ID 30396 (Physical Review, series 3. B-condensed Matter (18,1978-)(1992).46, 10086-10097), 2θ=28.28° is (002), 2θ=47.32° is (110), 2θ=83.56° is (212), 2θ=94.98° is (006), and 2θ=106.76° is the (220) plane, cubic silicon F-43m space group (lattice constant a=5.39Å, c=5.39). A peak at 2θ = 83.56°, which does not appear in Å), was measured. This is a result that clearly confirms that the hexagonal silicon crystal grown by the present invention is a P63mc space group (lattice constant a = 3.8 Å, c = 6.26 Å).

X-선 측정 방법으로 측정한 결과를 분석한 결과 육각형 구조의 격자상수 a0 = 0.38 nm, c0 = 0.62 nm, c0/a0 = 1.63를 얻었다. 이 결과는 본 발명의 육각형 실리콘 결정이 ABABABAB의 스태킹 배열(stacking array)을 직접천이 에너지 밴드 (direct band gap gap) 값 (1.69 eV at the Γ-point)으로 하는 D46h 공간 그룹 (space group)임이 명백하다.As a result of analyzing the measurement results using the This result clearly shows that the hexagonal silicon crystal of the present invention is a D46h space group with a stacking array of ABABABAB at a direct band gap gap value (1.69 eV at the Γ-point). do.

도 11a 내지 도 11i는 육각형 실리콘 결정의 크기를 결정하기 위하여 여러 변수의 관계를 나타내는 그래프이다. 육각형 실리콘 결정의 성장 시에 결정 형상틀(40)의 내부 압력을 변화시키기 위하여, 육각형 실리콘 결정의 성장의 온도, 원료 장착부(210)의 무게 및 부피, 결정 형상틀(240)의 직경(면적)과 깊이, 및 이에 따른 부피 등을 변화시킨 시뮬레이션 결과에 의한 그래프이다.11A to 11I are graphs showing the relationship between several variables to determine the size of a hexagonal silicon crystal. In order to change the internal pressure of the crystal shape frame 40 during the growth of the hexagonal silicon crystal, the growth temperature of the hexagonal silicon crystal, the weight and volume of the raw material mounting part 210, and the diameter (area) of the crystal shape frame 240. This is a graph based on simulation results that change depth, volume, etc.

이때, 원료 장착부(210)가 대략 직육면체의 형상(150 mm x 60 mm x 10 mm)을 가지고 무게 1 kg이라 할 때, 결정 형상틀(240)의 직경 L, 깊이 d 와 온도에 따른 결정 형상틀(240) 내부의 압력 변화를 예측할 수 있다. 결정 형상틀(240) 내부의 압력은 원료 장착부(210)의 무게에 의하여 형성되는 압력과 온도에 의하여 형성되는 압력의 합이 된다.At this time, assuming that the raw material mounting unit 210 has an approximately rectangular shape (150 mm x 60 mm x 10 mm) and weighs 1 kg, the crystal shape frame according to the diameter L, depth d, and temperature of the crystal shape frame 240 (240) Internal pressure changes can be predicted. The pressure inside the crystal frame 240 is the sum of the pressure formed by the weight of the raw material mounting part 210 and the pressure formed by the temperature.

결정 형상틀(240)의 직경 L을 0.005m에서 0.1524m(6인치)까지 변화시키고, 깊이 d를 100μm에서 1000 μm까지 변화시키며, 성장 온도는 1150℃에서 1350℃까지 변화시킬 때, 결정 형상틀(240) 내부의 압력은 0.1-0.16 GPa 범위인 것으로 예측되었다.When the diameter L of the crystal shape frame 240 is changed from 0.005 m to 0.1524 m (6 inches), the depth d is changed from 100 μm to 1000 μm, and the growth temperature is changed from 1150°C to 1350°C, the crystal shape frame (240) The internal pressure was predicted to be in the range of 0.1–0.16 GPa.

이를 상세하게 살펴보면 도 11a의 그래프는 온도 1150℃에서 결정 형상틀(240)의 깊이 d와 압력의 관계를 보여주는 그래프로서, 깊이 d 100μm-1000 μm로 변화시키고, 직경 L(도면에서는 Φ로 표기)을 0.005 m -0.1524 m로 변화시켰을 때의 압력의 범위를 보여준다. 즉, 결정 형상틀(240)의 부피가 증가하면 내부 압력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.Looking at this in detail, the graph in FIG. 11a is a graph showing the relationship between the depth d and pressure of the crystal shape frame 240 at a temperature of 1150°C. The depth d is changed from 100 μm to 1000 μm, and the diameter L (indicated as Φ in the drawing) It shows the range of pressure when changed from 0.005 m to 0.1524 m. In other words, it can be seen that as the volume of the crystal frame 240 increases, the internal pressure decreases.

마찬가지로, 도 11b의 그래프는 온도 1200℃, 도 11c의 그래프는 1250℃, 도 11d의 그래프는 1300℃, 도 11e의 그래프는 1350℃로 변화시킬 때의 내부 압력의 범위를 보여주며, 1350℃에서 최고 0.155 GPa 정도인 것을 알 수 있다. 이러한 도 11a 내지 도 11e를 참조하면, 깊이가 증가하면 내부 압력이 감소하고, 온도가 높아지면 내부 압력이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 육각형 실리콘 결정의 크기를 결정하는 결정 형상틀의 깊이 d와 직경 L을 적절히 선택하여 고품질, 대면적의 육각형 실리콘 결정을 형성할 수 있다.Likewise, the graph in Figure 11b shows the range of internal pressure when changing the temperature to 1200°C, the graph in Figure 11c shows the range of internal pressure when changing to 1250°C, the graph in Figure 11d shows 1300°C, and the graph in Figure 11e shows the range of internal pressure when changing to 1350°C. It can be seen that the maximum is about 0.155 GPa. Referring to FIGS. 11A to 11E, it can be seen that as the depth increases, the internal pressure decreases, and as the temperature increases, the internal pressure increases. Therefore, it is possible to form high-quality, large-area hexagonal silicon crystals by appropriately selecting the depth d and diameter L of the crystal shape frame, which determine the size of the hexagonal silicon crystal.

결정 형상틀(240) 내부 압력의 범위가 0.1-0.16 GPa인 점은 종래의 육각형 실리콘 결정의 성장 시의 십 수 GPa 였던 점을 고려할 때, 본 발명에 따르면 지극히 낮은 압력(1 GPa 이하)에서 육각형 실리콘 결정을 성장할 수 있는 효과가 있다.Considering that the internal pressure range of the crystal shape frame 240 is 0.1-0.16 GPa, which was several tens of GPa when growing a conventional hexagonal silicon crystal, according to the present invention, hexagonal silicon crystals can be formed at extremely low pressure (1 GPa or less). It has the effect of growing silicon crystals.

도 11f 내지 도 11i의 그래프는 결정 형상틀(240)의 깊이 d를 각각 100μm, 300μm, 500μm, 1000μm로 할 때, 성장 온도와 내부 압력의 관계를 보여주는 그래프이다. 11F to 11I are graphs showing the relationship between growth temperature and internal pressure when the depth d of the crystal shape frame 240 is set to 100 μm, 300 μm, 500 μm, and 1000 μm, respectively.

이러한 시뮬레이션 결과를 보면, 성장 온도, 결정 형상틀(240)의 깊이와 직경, 원료 장착부(210)의 무게와 부피 등을 조절하여, 소망하는 크기의 육각형 실리콘 결정을 형성할 수 있다. Looking at these simulation results, it is possible to form a hexagonal silicon crystal of a desired size by adjusting the growth temperature, the depth and diameter of the crystal shape frame 240, and the weight and volume of the raw material mounting part 210.

또한, 도 11a 내지 도 11i의 시뮬레이션에서는 원료 장착부(210)의 무게와 부피에 의한 압력만을 고려하였으나, 별도의 결합 유지 기구(예를 들어 도 4a의 나사 또는 도시되지 않은 클램프 등)를 사용하는 경우, 이러한 결합 유지 기구에 의한 압력을 고려할 수도 있다. 대안적으로 결정 형상틀(240) 내부에 압력을 조절하기 위한 별도의 압력 조절 장치도 사용할 수 있다. In addition, in the simulations of FIGS. 11A to 11I, only the pressure due to the weight and volume of the raw material mounting part 210 was considered, but when a separate coupling holding mechanism (for example, a screw in FIG. 4A or a clamp not shown) is used, , the pressure caused by this connection holding mechanism may also be considered. Alternatively, a separate pressure control device may be used to control the pressure inside the crystal frame 240.

다음으로 도 12를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치를 설명한다.Next, with reference to FIG. 12, a hexagonal silicon crystal growth device according to a second embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 제2 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 HVPE 방식에 의하여 벌크형 육각형 실리콘 결정과 바늘형 육각형 실리콘 결정을 동시에 성장시키는 장치이다. 이러한 제2 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치는 반응관(100)과, 반응관(100) 내에 배치된 반응 보트(200)와, 반응관(100) 내에 각종 반응가스를 공급하는 가스 공급부(300) 및 반응관(100) 내부를 가열시키는 가열부(400)를 구비하는 점에서는 제1 실시예의 장치와 유사하며, 반응 보트(200)의 구조가 제1 실시예와 달라진다.The hexagonal silicon crystal growth device according to the second embodiment of the present invention is a device that simultaneously grows bulk-type hexagonal silicon crystals and needle-type hexagonal silicon crystals by the HVPE method. The hexagonal silicon crystal growth apparatus according to this second embodiment includes a reaction tube 100, a reaction boat 200 disposed within the reaction tube 100, and a gas supply unit ( It is similar to the device of the first embodiment in that it is provided with a heating unit 400 that heats the inside of the reaction tube 100, and the structure of the reaction boat 200 is different from the first embodiment.

제2 실시예에서의 반응 보트(200)는 원료 장착부(210)과 결정 성장부(220)는 상하로 배치되되, 원료 장착부(210)와 연결되어 바늘형 결정 성장부(260)가 더 형성되어 있다. 도 13은 도 12의 실시예의 반응 보트(200)에서 덮개(212)를 제거한 상태의 분해 사시도이다. In the reaction boat 200 in the second embodiment, the raw material loading portion 210 and the crystal growth portion 220 are arranged vertically, and a needle-shaped crystal growth portion 260 is further formed by being connected to the raw material loading portion 210. there is. FIG. 13 is an exploded perspective view of the reaction boat 200 of the embodiment of FIG. 12 with the cover 212 removed.

원료 장착부(210)와 바늘형 결정 성장부(260)는 일체형 통 형상을 가지나, 이에 한정되지 않는다. 바늘형 결정 성장부(260)는 원료 장착부(210)에 비하여 밑면을 더 낮은 위치에서 형성되는 것이 바람직하다. 바늘형 결정 성장부(260)에는 바늘형 육각형 실리콘 결정이 성장하는 성장용 기판(280)과, 성장용 기판(280)의 하부에 배치되는 수집용 기판(270)이 배치된다. 성장용 기판(280)은 결정 성장면이 아래쪽을 향하도록 배치하며, 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 Si(111) 기판 또는 Si (100) 기판 등을 사용할 수 있으며, 면방향에 관계 없이 사용할 수 있다.The raw material loading unit 210 and the needle-shaped crystal growth unit 260 have an integrated cylindrical shape, but are not limited thereto. The needle-shaped crystal growth portion 260 is preferably formed at a lower position on the bottom compared to the raw material mounting portion 210. In the needle-shaped crystal growth portion 260, a growth substrate 280 on which needle-shaped hexagonal silicon crystals are grown, and a collection substrate 270 disposed below the growth substrate 280 are disposed. The growth substrate 280 is placed with the crystal growth surface facing downward, and it is preferable to use a silicon substrate. For example, a Si (111) substrate or a Si (100) substrate can be used, and the surface direction It can be used regardless.

수집용 기판(270)은 성장용 기판(280)에서 성장한 육각형 실리콘 결정이 그 자중에 의하여 아래로 떨어질 때, 이를 수집하기 위한 기판이다. 따라서, 수집용 기판(270)은 성장용 기판(280)과 수직 방향으로 이격되어, 성장용 기판(280) 하부에 배치된다. 또한, 수집용 기판(270)은 평판 형태가 사용될 수 있고, 대안적으로 측면에 가이드가 설치되는 트레이 형상을 할 수 있다. The collection substrate 270 is a substrate for collecting hexagonal silicon crystals grown on the growth substrate 280 when they fall down due to their own weight. Accordingly, the collection substrate 270 is spaced apart from the growth substrate 280 in the vertical direction and is disposed below the growth substrate 280 . Additionally, the collection substrate 270 may be in the form of a flat plate, or alternatively, may be in the shape of a tray with a guide installed on the side.

원료 장착부(210)의 관통 홀(500) 이에 한정되지 않고, 원통 또는 기타의 단면의 통 형상으로 형성될 수 있다. 통 형상의 바닥면(211)에는 하나 또는 그 이상의 관통 홀(500)이 형성되어 있다. The through hole 500 of the raw material mounting unit 210 is not limited to this, and may be formed in a cylindrical or other cylindrical cross-section shape. One or more through holes 500 are formed in the cylindrical bottom surface 211.

원료 장착부(210)의 바닥면(211)에는 혼합 원료(230)가 배치되며, 이때 혼합 원료(230)는 관통 홀(500)을 막지 않는 상태로 배치되는 점은 제1 실시예와 마찬가지이다. 혼합 원료(230)는 고체 상태의 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)이 혼합된 원료이다. The mixed raw material 230 is disposed on the bottom surface 211 of the raw material loading unit 210, and in this case, the mixed raw material 230 is disposed in a state that does not block the through hole 500, which is the same as the first embodiment. The mixed raw material 230 is a mixture of solid silicon (Si), aluminum (Al), and gallium (Ga).

결정 성장부(220)는 원료 장착부(210)의 하측으로 배치되며, 원료 장착부(210)의 관통 홀(500)을 중심으로 결정 형상틀(240)이 배치된다.The crystal growth portion 220 is disposed below the raw material mounting portion 210, and the crystal shape frame 240 is disposed centered on the through hole 500 of the raw material mounting portion 210.

제2 실시예에 따른 육각형 실리콘 결정 성장 장치를 사용하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법을 설명하면 다음과 같다. A hexagonal silicon crystal growth method using the hexagonal silicon crystal growth apparatus according to the second embodiment will be described as follows.

제1 실시예와 마찬가지로 원료 장착부(210)에 고체 상태의 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료를 배치하고, 바늘형 결정 성장부(260)에 성장용 기판(280) 및 수집용 기판(270)을 장착한다.As in the first embodiment, a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium is placed in the raw material loading section 210, and a growth substrate 280 and a collection substrate are placed in the needle-shaped crystal growth section 260. Install (270).

다음으로, 가열부(400)를 가동하여 반응관(100)을 1150-1350℃로 가열한다. 이 때, 반응 보트(200)의 온도를 올리기 전부터 분위기 가스인 질소를 흘려주고, 결정 성장부(220)에 질화 반응 가스인 암모니아를 일정량 흘려준다. Next, the heating unit 400 is operated to heat the reaction tube 100 to 1150-1350°C. At this time, before raising the temperature of the reaction boat 200, nitrogen, which is an atmospheric gas, is flowed, and a certain amount of ammonia, which is a nitriding reaction gas, is flowed into the crystal growth part 220.

다음으로 반응관(100)의 온도가 안정화되면 원료 장착부(210)에 할로겐화 반응 가스인 염화수소를 공급한다. 공급된 염화수소는 혼합 원료인 실리콘, 알루미늄 및 갈륨과 각각 반응하여, 3 염화 실레인, AlCl, GaCln이 발생한다. 이들 3 염화 실레인, AlCl 및 GaCln은 관통 홀(500)을 통하여 하측의 결정 성장부(220)로 흐르는 한편, 측방향의 바늘형 결정 성장부(260) 쪽으로도 흐르게 된다. Next, when the temperature of the reaction tube 100 is stabilized, hydrogen chloride, a halogenation reaction gas, is supplied to the raw material loading unit 210. The supplied hydrogen chloride reacts with the mixed raw materials silicon, aluminum, and gallium, respectively, to generate silane trichloride, AlCl, and GaCl n . These silane trichlorides, AlCl and GaCl n flow to the lower crystal growth portion 220 through the through hole 500, while also flowing toward the lateral needle-like crystal growth portion 260.

결정 성장부(220)에서는 제1 실시예에서 설명한 메커니즘으로 벌크형 육각형 실리콘 결정이 성장한다. In the crystal growth section 220, bulk hexagonal silicon crystals grow by the mechanism described in the first embodiment.

바늘형 결정 성장부(260)에서는 성장용 기판(280)에서 질화 반응 가스인 암모니아와 반응하여 성장용 기판(280)의 표면에 육각형 실리콘 결정용 핵을 형성하게 되며, 이후 육각형 실리콘 결정이 성장한다. 이러한 바늘형 육각형 실리콘 결정의 성장 메커니즘은 본 출원인의 특허 10-2149338호를 참조하여 본 명세서의 일부를 이룬다.The needle-shaped crystal growth portion 260 reacts with ammonia, a nitriding reaction gas, in the growth substrate 280 to form nuclei for hexagonal silicon crystals on the surface of the growth substrate 280, and then the hexagonal silicon crystals grow. . The growth mechanism of these needle-like hexagonal silicon crystals is incorporated herein by reference in the applicant's Patent No. 10-2149338, which is incorporated herein by reference.

이러한 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 하나의 성장 공정으로 벌크형 육각형 실리콘 결정과 바늘형 육각형 실리콘 결정으로 동시에 성장시킬 수 있다. 즉, 결정 형상틀(240)에서 성장한 벌크형 육각형 실리콘 결정은 (002) 방향의 성장을 억제하여 육각형의 6면 방향의 성장을 최대화하며, 바늘형 결정 성장부(260)의 성장용 기판(280)에서 성장한 육각형 실리콘 결정은 (002) 방향의 성장을 최대로 하여 바늘형의 육각형 실리콘 결정이 된다.According to the second embodiment of the present invention, bulk hexagonal silicon crystals and needle-shaped hexagonal silicon crystals can be grown simultaneously through one growth process. That is, the bulk hexagonal silicon crystal grown in the crystal shape frame 240 suppresses growth in the (002) direction to maximize growth in the six-sided direction of the hexagon, and the growth substrate 280 of the needle-shaped crystal growth portion 260 The hexagonal silicon crystal grown in maximizes growth in the (002) direction and becomes a needle-shaped hexagonal silicon crystal.

이러한 제2 실시예에 따르면, 벌크형과 바늘형의 2가지 결정을 성장시킬 수 있으므로 유용하다. According to this second embodiment, it is useful because it is possible to grow two types of crystals: bulk type and needle type.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 실리콘, 알루미늄, 갈륨으로 이루어진 혼합 원료를 사용하는 HVPE법으로 육각형 실리콘 결정을 성장할 수 있다. 이러한 육각형 실리콘 결정은 크기가 크고 (mm~inch 단위), 상온 상압에서 안정적인 육각형 구조를 가지는 것이다.As discussed above, according to the present invention, hexagonal silicon crystals can be grown by the HVPE method using mixed raw materials consisting of silicon, aluminum, and gallium. These hexagonal silicon crystals are large (mm to inch) and have a stable hexagonal structure at room temperature and pressure.

또한, 본 발명은 혼합 원료의 실리콘, 알루미늄, 갈륨의 혼합비를 조절하여 실리콘 결정 성장 속도를 조절할 수 있고, 이러한 결정 성장 속에 따라 기판의 직경, 두께, 도핑을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 모체가 되는 기판 없이 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다.In addition, the present invention can control the silicon crystal growth rate by adjusting the mixing ratio of silicon, aluminum, and gallium in the mixed raw materials, and the diameter, thickness, and doping of the substrate can be adjusted according to the crystal growth rate. Additionally, according to the present invention, hexagonal silicon crystals can be grown without a base substrate.

더욱이, 본 발명은 벌크형 육각형 실리콘 결정을 성장함과 동시에 바늘형 육각형 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다.Moreover, the present invention can grow bulk hexagonal silicon crystals and simultaneously grow needle-like hexagonal silicon crystals.

본 발명에 의해 성장된 육각형 실리콘 결정은 순수한 Si 단결정의 육각형이므로, 실리콘 산업과 관련된 분야, 예를 들어 태양 전지, 의료 분야에서 유용하고, 직접 밴드갭과 간접 밴드갭 차이가 상대적으로 작으므로 마이크로 포토닉스 분야에서 활용도가 매우 크다.Since the hexagonal silicon crystal grown by the present invention is a hexagon of pure Si single crystal, it is useful in fields related to the silicon industry, such as solar cells and medical fields, and because the difference between the direct bandgap and indirect bandgap is relatively small, it is useful in microphotonics. It has great utility in this field.

도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 실시예에 따라 성장한 육각형 실리콘 결정을 이용한 반도체 소자의 예시이다.14A to 14E are examples of semiconductor devices using hexagonal silicon crystals grown according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따라 성장한 육각형 실리콘 결정을 절삭하여 소망하는 형상으로 만든 후 금속층 또는 산화막층을 증착시켜 반도체 소자를 만들 수 있다. 이때, 절삭 공정은 공지의 클리빙 장치를 사용할 수 있다. A semiconductor device can be manufactured by cutting a hexagonal silicon crystal grown according to an embodiment of the present invention into a desired shape and then depositing a metal layer or an oxide layer. At this time, the cutting process may use a known cleaving device.

도 14a 내지 도 14e는 본 발명에 따른 반도체 소자는 표면실장형 반도체 소자를 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 금속층 또는 산화막층을 서로 다른 표면에 형성하거나, 전극을 육각형 실리콘 결정에 직접 형성하지 않고 외부 전극(도시되지 않음)에 접촉시켜 반도체 소자를 형성할 수도 있다.14A to 14E illustrate that the semiconductor device according to the present invention is a surface-mounted semiconductor device, but is not limited thereto. That is, a semiconductor device may be formed by forming a metal layer or an oxide layer on different surfaces, or by contacting an external electrode (not shown) rather than forming an electrode directly on a hexagonal silicon crystal.

도 14a는 육각형 실리콘 결정을 사용하여 금속-반도체(MS) 다이오드 소자를 형성한 예시이다. 도 14a의 소자는 육각형 실리콘 결정(10)의 일 측면에 각각 제1 및 제2 전극(21, 22)을 형성한 것이다. 이러한 전극은 리소그라피 공정이나 새도우 마스크(shadow mask) 또는 전용 지그(jig)을 사용하여 형성할 수 있다. Figure 14a is an example of forming a metal-semiconductor (MS) diode device using a hexagonal silicon crystal. The device of FIG. 14A has first and second electrodes 21 and 22 formed on one side of a hexagonal silicon crystal 10, respectively. These electrodes can be formed using a lithography process, a shadow mask, or a dedicated jig.

도 14a의 소자를 MS 다이오드로 만들기 위해서는 제1 전극(21)은 오믹 접촉을 형성하고, 제2 전극(22)은 쇼트키 접촉을 형성하거나, 제1 전극(21)은 쇼트키 접촉을 형성하고 제2 전극(22)은 오믹 접촉을 형성하거나, 제1 전극(21)과 제2 전극이 모두 쇼트키 접촉을 형성하도록 전극을 형성한다To make the device of FIG. 14A into an MS diode, the first electrode 21 forms an ohmic contact and the second electrode 22 forms a Schottky contact, or the first electrode 21 forms a Schottky contact. The second electrode 22 forms an ohmic contact, or forms an electrode such that both the first electrode 21 and the second electrode form a Schottky contact.

이때, 육각형 실리콘 결정과 오믹 접촉을 형성할 수 있는 금속 재료는 Al, PtSi, TiSi2와 같은 금속 규소 화합물(Silicides)로서, 금속층의 두께는 100 Å ~ 2000 Å이 바람직하다.At this time, the metal material that can form ohmic contact with the hexagonal silicon crystal is a metal silicon compound (Silicides) such as Al, PtSi, and TiSi 2 , and the thickness of the metal layer is preferably 100 Å to 2000 Å.

또한, 육각 실리콘 결정과 쇼트키 접촉을 형성할 수 있는 금속 재료는 Pt, Ag, Al, Au, Cr, Cu, Hf, In, Mg, Mo, Ni, Pg, Pd, Ta, Ti, W으로 이루어지는 그룹 중에서 선택할 수 있고, 금속층의 두께는 100 Å ~ 1000 Å이 바람직하다.In addition, metal materials capable of forming Schottky contact with hexagonal silicon crystals include Pt, Ag, Al, Au, Cr, Cu, Hf, In, Mg, Mo, Ni, Pg, Pd, Ta, Ti, and W. It can be selected from the group, and the thickness of the metal layer is preferably 100 Å to 1000 Å.

도 14a의 MS 다이오드의 제1 전극(21)을 오믹 접촉으로 형성하고, 제2 전극(22)을 쇼트키 접촉으로 형성하여 전원을 가하면 중심파장 740 nm의 발광 다이오드 소자가 된다.When the first electrode 21 of the MS diode in FIG. 14A is formed with an ohmic contact and the second electrode 22 is formed with a Schottky contact and power is applied, it becomes a light emitting diode device with a central wavelength of 740 nm.

도 14b를 참조하면, 본 발명에 따른 MOS 다이오드 소자는 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 중 하나가 산화막 위에 형성된 것으로서, 설명의 편의 상 제1 전극(21)이 산화막(31) 위에 형성된 것으로 한다.Referring to FIG. 14b, in the MOS diode device according to the present invention, one of the first electrode 21 and the second electrode 22 is formed on an oxide film. For convenience of explanation, the first electrode 21 is formed on the oxide film 31. It is assumed to be formed above.

도 14b의 소자의 전극 형성 공정은 먼저, 육각형 실리콘 결정(10)의 일 측면에 금속을 증착시킨 후 열처리를 통해 제2 전극(22)을 오믹 접촉 전극으로 형성한다. 이후, 제1 전극을 형성하기 전에, 육각형 실리콘 결정의 제1 전극 형성 위치에 산화막(31)을 증착한다. 이러한 산화막(31)의 재료는 SiO2 등이며, Si3N4를 포함하는 질화막으로 대체될 수도 있다. 본 명세서에서, 산화막은 산화막 또는 질화막을 모두 지칭하는 용어로 사용된다. 다음으로, 이러한 산화막(31) 위에 금속을 증착시켜 제1 전극(21)을 형성한다. 이러한 제1 및 제2 전극, 산화막은 리소그라피 공정이나 새도우 마스크(shadow mask) 또는 전용 지그(jig)를 사용하여 형성할 수 있다. In the electrode formation process of the device of FIG. 14B, metal is first deposited on one side of the hexagonal silicon crystal 10 and then heat treated to form the second electrode 22 as an ohmic contact electrode. Thereafter, before forming the first electrode, an oxide film 31 is deposited on the first electrode formation position of the hexagonal silicon crystal. The material of this oxide film 31 is SiO 2 or the like, and may be replaced with a nitride film containing Si 3 N 4 . In this specification, the term oxide film is used to refer to both an oxide film and a nitride film. Next, metal is deposited on the oxide film 31 to form the first electrode 21. These first and second electrodes and oxide films can be formed using a lithography process, a shadow mask, or a dedicated jig.

도 14c는 MESFET 소자 또는 듀얼 MS 쇼트키 다이오드 소자를 도시한 도면이다. 도 14c의 소자는 육각형 실리콘 결정(10)의 일 측면에 각각 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)을 형성하고, 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이의 측면에 제3 전극(23)을 형성한 것이다. Figure 14c is a diagram showing a MESFET device or a dual MS Schottky diode device. The device of FIG. 14C forms a first electrode 21 and a second electrode 22 on one side of the hexagonal silicon crystal 10, respectively, and forms a first electrode 21 and a second electrode 22 on the side between the first electrode 21 and the second electrode 22. The third electrode 23 is formed.

도 14c의 소자를 MESFET 소자로 만들기 위해서는 제1 전극(21)과 제2 전극(22)은 오믹 접촉을 형성하도록 하고, 제3 전극(23)은 쇼트키 접촉을 형성하도록 하여, 제1 전극(21), 제2 전극(22), 제3 전극(23)이 각각 소스, 드레인 및 게이트로서 동작하게 한다.In order to make the device of Figure 14c into a MESFET device, the first electrode 21 and the second electrode 22 are to form an ohmic contact, and the third electrode 23 is to form a Schottky contact, so that the first electrode ( 21), the second electrode 22, and the third electrode 23 operate as a source, drain, and gate, respectively.

도 14c의 소자를 듀얼 쇼트키 다이오드 소자로 만들기 위해서는 제1 전극(21)과 제2 전극(22)은 쇼트키 접촉을 형성하도록 하고, 제3 전극(23)은 오믹 접촉을 형성하도록 하여 듀얼 쇼트키 다이오드 소자로 동작하게 한다.In order to make the device of Figure 14c into a dual Schottky diode device, the first electrode 21 and the second electrode 22 are to form a Schottky contact, and the third electrode 23 is to form an ohmic contact to form a dual Schottky diode device. It operates as a key diode device.

도 14d는 육각형 실리콘 결정을 사용하는 MOSFET 소자를 도시한 도면이다. 도 14d의 소자는 각각 도 14c의 소자에서 제3 전극(23)을 산화막(31) 위에 형성한 것이다. 즉, 제1 전극(21)과 제2 전극(22)은 육각형 실리콘 결정(10)과 오믹 접촉을 하고, 제3 전극(23)은 산화막(31) 위에 형성되어 제1 전극(21) 내지 제3 전극(23)이 각각 소스, 드레인 및 게이트로서 동작하게 한다.Figure 14d is a diagram showing a MOSFET device using a hexagonal silicon crystal. The device shown in FIG. 14D is a device in which the third electrode 23 is formed on the oxide film 31 in the device shown in FIG. 14C. That is, the first electrode 21 and the second electrode 22 are in ohmic contact with the hexagonal silicon crystal 10, and the third electrode 23 is formed on the oxide film 31 to form the first electrode 21 to the second electrode 22. The three electrodes 23 operate as source, drain and gate, respectively.

도 14e는 육각형 실리콘 결정을 사용하는 듀얼 MOS 다이오드 소자를 도시한 도면이다. 도 14e의 소자는 각각 도 14c의 소자에서 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)을 산화막 위에 형성한 것이다. 즉, 제1 전극(21)의 형성 전에 제1 전극(21)의 형성 위치에 제1 산화막(31)을 형성하고, 제2 전극(22)의 형성 전에 제2 전극(22)의 형성 위치에 제2 산화막(32)을 형성한다. 이때, 제3 전극(23)은 오믹 접촉을 형성한다.Figure 14e is a diagram showing a dual MOS diode device using a hexagonal silicon crystal. The device shown in FIG. 14E is a device in which the first electrode 21 and the second electrode 22 are formed on an oxide film from the device shown in FIG. 14C, respectively. That is, the first oxide film 31 is formed at the formation position of the first electrode 21 before the formation of the first electrode 21, and the first oxide film 31 is formed at the formation position of the second electrode 22 before the formation of the second electrode 22. A second oxide film 32 is formed. At this time, the third electrode 23 forms ohmic contact.

이러한 도 14a 내지 도 14e의 소자는 모두 발광 소자 또는 전자 소자로서 동작할 수 있다.All of these devices in FIGS. 14A to 14E can operate as light-emitting devices or electronic devices.

특히, 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)와 같은 SiC 기판 상에 성장한 육각형 실리콘 결정을 이용하여 반도체 소자를 형성하는 경우, 열적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.In particular, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC (a = 3.0730 Å, b) with the following space group C46v-P63mc, hexagonal (wurtzite) crystal structure = 10.053 Å), when forming a semiconductor device using a hexagonal silicon crystal grown on a SiC substrate, thermal properties can be significantly improved.

이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다. Although the technical features of the present invention have been described above with a focus on specific embodiments, a person skilled in the art may make various changes and modifications within the scope of the technical idea of the present invention. It's obvious.

100: 반응관
200: 반응 보트
210, 210': 원료 장착부 212: 덮개
230: 혼합 원료
220: 결정 성장부
240, 241, 242, 243: 결정 형상틀
260: 바늘형 결정 성장부
270: 수집용 기판 280: 성장용 기판
300: 반응 가스 공급부
310: 분위기 가스 공급부 311: 분위기 가스 공급관
320: 질화 반응 가스 공급부 321: 질화 반응 가스 공급관
330: 할로겐화 반응 가스 공급부 331: 할로겐화 가스 공급관
400: 가열부
500: 관통 홀
100: reaction tube
200: Reaction Boat
210, 210': raw material mounting part 212: cover
230: Mixed raw materials
220: Crystal growth section
240, 241, 242, 243: Crystal shape frame
260: Needle-shaped crystal growth portion
270: Substrate for collection 280: Substrate for growth
300: reaction gas supply unit
310: Atmospheric gas supply unit 311: Atmospheric gas supply pipe
320: Nitriding reaction gas supply unit 321: Nitriding reaction gas supply pipe
330: Halogenation reaction gas supply unit 331: Halogenation gas supply pipe
400: heating unit
500: Through hole

Claims (23)

육각형 실리콘 결정 성장 장치로서,
반응관;
상기 반응관 내의 일측에 배치되는 반응 보트;
상기 반응 보트에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관;
상기 반응 보트에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및
상기 반응관을 가열하는 가열부
를 포함하고,
상기 반응 보트는
통 형상의 바닥면에 적어도 하나의 관통 홀이 형성되고, 고체 상태인 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료가 장착되는 원료 장착부; 및
상기 원료 장착부의 아래쪽에 배치되며, 소정 형상의 결정 형상틀이 오목하게 형성된 결정 성장부
를 포함하고,
상기 결정 성장부의 내부 압력은 상기 원료 장착부와 상기 결정 성장부를 상하로 배치하여 얻는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
A hexagonal silicon crystal growth device, comprising:
reaction tube;
a reaction boat disposed on one side of the reaction tube;
a halogenation reaction gas supply pipe supplying a halogenation reaction gas to the reaction boat;
a nitriding reaction gas supply pipe supplying nitriding reaction gas to the reaction boat; and
Heating unit that heats the reaction tube
Including,
The reaction boat is
A raw material loading portion in which at least one through hole is formed in the bottom of the barrel and in which a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium is mounted; and
A crystal growth portion disposed below the raw material loading portion and having a concave crystal shape frame of a predetermined shape.
Including,
A hexagonal silicon crystal growth device wherein the internal pressure of the crystal growth unit is obtained by arranging the raw material loading unit and the crystal growth unit vertically.
제1항에 있어서,
상기 가열부는 상기 반응관을 1150-1350℃의 온도 범위로 가열하는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device in which the heating unit heats the reaction tube to a temperature range of 1150-1350°C.
제1항에 있어서,
상기 혼합 원료의 실리콘: 알루미늄: 갈륨의 혼합비는 1 : 1~2 : 1~5인 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device in which the mixing ratio of silicon: aluminum: gallium of the mixed raw materials is 1:1 to 2:1 to 5.
제1항에 있어서,
상기 원료 장착부와 상기 결정 성장부는 결합 유지 기구에 의하여 결합되거나 원료 장착부의 자중에 의하여 밀착되는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device in which the raw material loading unit and the crystal growth unit are coupled by a bonding and holding mechanism or are in close contact with the raw material loading unit's own weight.
제1항에 있어서,
상기 결정 형상틀 내부의 압력 P는 0 < P ≤ 1GPa 인 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device wherein the pressure P inside the crystal frame is 0 < P ≤ 1GPa.
제1항에 있어서,
상기 결정 성장부의 결정 형상틀에 분리용 기판이 배치되는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device in which a separation substrate is disposed on the crystal shape frame of the crystal growth portion.
제1항에 있어서,
상기 결정 성장부의 결정 형상틀에 SiC 기판이 배치되고,
상기 SiC 기판은 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å) 선택되는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A SiC substrate is placed on the crystal shape frame of the crystal growth portion,
The SiC substrate has the following space group C46v-P63mc, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC (a = 3.0730 Å) with a hexagonal (wurtzite) crystal structure. , b = 10.053 Å) selected hexagonal silicon crystal growth device.
제1항에 있어서,
상기 결정 성장부에는 결정 형상틀이 복수 개 형성되며, 상기 복수 개의 결정 형상틀의 형상 또는 크기는 같거나 다른 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
A hexagonal silicon crystal growth device in which a plurality of crystal shape frames are formed in the crystal growth part, and the shapes or sizes of the plurality of crystal shape frames are the same or different.
제1항에 있어서,
상기 반응 보트는
상기 원료 장착부와 측면으로 연결되는 제2 결정 성장부;
를 더 포함하고,
제2 결정 성장부에는 결정 성장면이 아래쪽을 향하도록 배치되는 성장용 기판을 포함하는 육각형 실리콘 결정 성장 장치.
According to paragraph 1,
The reaction boat is
a second crystal growth portion laterally connected to the raw material loading portion;
It further includes,
A hexagonal silicon crystal growth device including a growth substrate disposed in the second crystal growth portion with the crystal growth surface facing downward.
육각형 실리콘 결정 성장 방법으로서,
반응관 내부에 고체 상태인 실리콘과, 알루미늄과, 갈륨을 혼합한 혼합 원료가 장착된 원료 장착부를 배치하는 단계;
상기 원료 장착부의 하부에 결정 형상틀이 형성된 결정 성장부를 배치하는 단계;
상기 반응관을 1150-1350℃범위의 온도로 가열하는 단계;
상기 혼합 원료에 할로겐화 반응가스와 질화 반응 가스를 공급하는 단계;
상기 혼합 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스를 생성하는 단계;
상기 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 상기 원료 장착부의 하부에 배치된 상기 결정 성장부로 흐르는 단계;
상기 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 반응하여 상기 결정 형상틀에서 핵을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 핵을 중심으로 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계;
를 포함하고,
상기 결정 성장부의 내부 압력은 상기 원료 장착부와 상기 결정 성장부를 상하로 배치하여 얻는, 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
A hexagonal silicon crystal growth method comprising:
Placing a raw material loading unit equipped with a mixed raw material of solid silicon, aluminum, and gallium inside the reaction tube;
Placing a crystal growth portion in which a crystal shape frame is formed at a lower portion of the raw material mounting portion;
Heating the reaction tube to a temperature in the range of 1150-1350°C;
supplying a halogenation reaction gas and a nitridation reaction gas to the mixed raw materials;
reacting the mixed raw materials with the halogenation reaction gas to produce trichlorosilane gas and metal chloride gas;
flowing the generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas into the crystal growth unit disposed below the raw material loading unit;
reacting the silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas to generate nuclei in the crystal frame; and
Growing a hexagonal silicon crystal around the generated nucleus;
Including,
A hexagonal silicon crystal growth method, wherein the internal pressure of the crystal growth unit is obtained by arranging the raw material loading unit and the crystal growth unit vertically.
제10항에 있어서,
상기 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계는
상기 생성된 핵을 중심으로 3 염화 실레인 가스에 의해 Si 원자들이 치환되는 단계;
상기 치환된 Si 원자들에 의해 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계;
를 포함하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
The step of growing the hexagonal silicon crystal is
A step of replacing Si atoms with trichlorosilane gas centered on the generated nucleus;
Growing a hexagonal silicon crystal by the substituted Si atoms;
A hexagonal silicon crystal growth method comprising.
제10항에 있어서,
상기 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스와 질화 반응 가스는 상기 원료 장착부의 바닥면에 형성된 적어도 하나의 관통 홀을 통하여 상기 결정 성장부로 흐르는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
The hexagonal silicon crystal growth method wherein the generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas flow into the crystal growth section through at least one through hole formed on the bottom surface of the raw material loading section.
제10항에 있어서,
상기 결정 성장부를 배치하는 단계에서,
상기 결정 성장부의 결정 형상틀에 분리용 기판을 배치하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
In the step of arranging the crystal growth portion,
A hexagonal silicon crystal growth method in which a separation substrate is placed on the crystal shape frame of the crystal growth portion.
제10항에 있어서,
상기 결정 성장부를 배치하는 단계에서,
상기 결정 성장부의 결정 형상틀에 SiC 기판을 배치하며,
SiC 기판은 다음과 같은 공간그룹 C46v-P63mc, 육방정(hexagonal, Wurtzite) 결정구조를 갖는 a상 4H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC(a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å)에서 선택되는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
In the step of arranging the crystal growth portion,
Placing a SiC substrate on the crystal shape frame of the crystal growth portion,
The SiC substrate has the following space group C46v-P63mc, a-phase 4H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å,), 6H-SiC (a = 3.0730 Å, b = 10.053 Å) selected hexagonal silicon crystal growth method.
제10항에 있어서,
상기 원료 장착부의 측면으로, 결정 성장면이 아래쪽을 향하도록 성장용 기판을 배치하는 기판 배치 단계;
를 더 포함하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
A substrate placement step of placing a growth substrate on a side of the raw material mounting unit so that the crystal growth surface faces downward;
A hexagonal silicon crystal growth method further comprising:
제15항에 있어서,
상기 생성된 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 상기 원료 장착부의 측면의 성장용 기판쪽으로 흐르는 단계;
상기 3 염화 실레인 가스 및 금속 염화물 가스, 질화 반응 가스가 반응하여 상기 성장용 기판에 핵을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 핵을 중심으로 상기 성장용 기판에 육각형 실리콘 결정이 성장하는 단계;
를 포함하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 15,
flowing the generated silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas toward a growth substrate on a side of the raw material mounting unit;
reacting the silane trichloride gas, metal chloride gas, and nitriding reaction gas to generate nuclei in the growth substrate; and
Growing a hexagonal silicon crystal on the growth substrate centered on the generated nucleus;
A hexagonal silicon crystal growth method comprising.
제10항에 있어서,
상기 혼합 원료의 실리콘: 알루미늄: 갈륨의 혼합비는 1: 1~2 : 1~5인 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
A method for growing hexagonal silicon crystals in which the mixing ratio of silicon: aluminum: gallium of the mixed raw materials is 1: 1 to 2: 1 to 5.
제10항에 있어서,
상기 결정 형상틀 내부의 압력에 의하여 상기 육각형 실리콘 결정의 성장률을 조절하는 육각형 실리콘 결정 성장 방법.
According to clause 10,
A hexagonal silicon crystal growth method for controlling the growth rate of the hexagonal silicon crystal by pressure inside the crystal shape frame.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 형성된 육각형 실리콘 결정.A hexagonal silicon crystal formed by the method according to any one of claims 10 to 18. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 형성된 육각형 실리콘 결정의 일 측면에 형성되거나 상기 일 측면에 접속되는 제1 전극; 및
상기 제1 전극과 이격되어, 상기 육각형 실리콘 결정의 타 측면에 형성되거나 상기 타 측면에 접속되는 된 제2 전극
을 포함하고,
상기 일 측면과 상기 타 측면은 동일한 면이거나 다른 면인 육각형 실리콘 반도체 소자.
A first electrode formed on or connected to one side of a hexagonal silicon crystal formed by the method according to any one of claims 10 to 18; and
A second electrode is spaced apart from the first electrode and formed on the other side of the hexagonal silicon crystal or connected to the other side.
Including,
A hexagonal silicon semiconductor device wherein the one side and the other side are the same side or different sides.
제20항에 있어서,
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된 제3 전극
을 더 포함하는 육각형 실리콘 반도체 소자.
According to clause 20,
A third electrode formed between the first electrode and the second electrode
A hexagonal silicon semiconductor device further comprising:
제20항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 제2 전극과 육각형 실리콘 결정 사이에 형성된 산화막
을 더 포함하는 육각형 실리콘 반도체 소자.
According to clause 20,
An oxide film formed between the first or second electrode and the hexagonal silicon crystal.
A hexagonal silicon semiconductor device further comprising:
제22항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 제2 전극 또는 제3 전극과 육각형 실리콘 결정 사이에 형성된 산화막
을 더 포함하는 육각형 실리콘 반도체 소자.

According to clause 22,
An oxide film formed between the first electrode, second electrode, or third electrode and the hexagonal silicon crystal.
A hexagonal silicon semiconductor device further comprising:

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