KR19990032082A - ＧａＮ 단결정 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단파장 역역의 발광 소자 및 고온 전자 소자의 제조에 많이 사용되는 GaN 단결정 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 GaN 단결정 제조 방법은 Ga 소스로Ga₂O₃를 사용하고 N 소스로 암모니아를 사용함으로써, HCl 가스 발생에 의한 GaN 결정 표면의 에칭을 근원적으로 막는다.

Description

ＧａＮ 단결정 제조 방법

본 발명은 단파장 역역의 발광 소자 및 고온 전자 소자의 제조에 많이 사용되는 GaN 단결정 제조 방법에 관한 것이다.

GaN은 bandgap 에너지가 3.39eV인 직접 천이형 광대역 반도체(wide bandgap semiconductor)로서 단파장 영역의 발광 소자와 고온 전자소자로의 응용에 유용한 물질이다. 이러한 응용분야를 가진 GaN 박막 성장 및 이를 이용한 소자 개발은 오래전부터 그 중요성이 인식되어 왔으나 고품질의 GaN 박막을 성장시키기가 어려워 개발이 늦어져 왔다. 고품질의 GaN 박막을 성장시키기 위해서는 근간이 되는 GaN 단결정 기판이 필요한데 현재는 이용할만한 크기와 품질을 가지는 GaN 단결정이 개발되어 있지 않아 사파이어나 SiC와 같은 이종 기판을 사용하는 실정이다.

이 GaN 단결정은 융점에서 질소의 높은 증기압으로 일반적인 결정성장법으로 성장이 어려워 기상성장법의 하나인 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법으로 결정 성장이 이루어져 왔다. 이 HVPE법으로 GaN 단결정을 성장하기 위하여 사용되는 기본 원료로는 지금까지 클로라이드(Cloride) 계통인 Ga 금속+HCl 가스와 GaCl₃가 Ga 소스(source)로 NH₃가 N 소스로 주로 사용되었다. 그러나 결정이 성장되는 동안 이들 소스 사이에서 반응 부산물로 생성되는 HCl 가스가 성장된 GaN 단결정 표면을 에칭하여 결정의 품질을 떨어뜨리는 요인으로 작용하였다.

종래의 GaN 단결정 성장에 있어서의 문제점을 상세히 살펴보면 GaN은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 일반적인 상압에서의 액상성장은 어렵고 HPSG(High Pressure Solution Growth)법이라 하는 특수한 방법으로 성장된다. 그러나 이방법에 의한 결정 성장은 고온과 수만기압의 질소압력에 견딜 수 있는 장치가 필요하고, 현재 성장된 사용 가능한 결정 크기도 80㎟ 정도의 박판형으로 작아 소자 제작에 사용하기가 곤란하다. 따라서 GaN 단결정은 주로 기상성장법인 VPE법과 서블리메이션(Sublimation)법으로 성장된다. 이 방법들은 장치가 간단하고 성장속도가 빠르다는 장점이 있으나 아직 기술이 정립되지 않아 사용할만한 크기의 결정을 얻지 못하고 있다. 또한, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)와 MBE(Molecular Beam Deposition)에 의한 GaN 성장은 고품질의 GaN 박막을 얻을 수 있고, 박막 두께 조절이 용이할 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있기 때문에 소자 제작에 많이 사용되고 있다. 그러나 MOCVD나 MBE에 의한 GaN 박막의 성장 속도가 매우 낮아 GaN 후막 단결정 성장에는 적합치가 않으므로, 성장 속도가 수십 ㎛인 HVPE법이 주로 사용된다.

이들 각각의 GaN 단결성 성장 방법에 사용되는 원료의 형태를 살펴보면 각 방법마다 각기 다른 원료들이 사용되는데 N 소스로는 대부분 암모니아가 사용되나 HPSG법은 고압의 질소분위기가 사용된다. Ga 소스로는 HPSG법에서는 Ga 금속이 사용되고, HVPE법에서는 Ga 금속+HCl 가스 또는 GaCl₃가 사용되고 서블리메이션(sublimation)에서는 GaN 분말이 각각 사용된다. 또 MOCVD에서는 TMGa가 Ga 소스로 사용된다. 이와 같이 GaN 단결정의 소스 형태가 각 제조 방법마다 다른 것은 각 방법의 목적과 사용하는 수단이 다르기 때문이다.

GaN 후막 단결정을 성장하기 위해 적용된 HVPE법에서 사용되는 원료들은 위에서 언급한 바와 같이 Ga 소스로서 할라이드(halide) 형태인 Ga 금속+HCl 가스 또는 GaCl₃을 사용하고 N 소스로는 암모니아를 사용하는데 이들 사이에서는 다음과 같은 화학식 1로 표시되는 반응에 의해 결정이 성장하게 된다.

GaCl + NH₃= GaN + HCl + H₂

GaCl₃+ NH₃= GaN + 3HCl

이와 같은 반응 과정 중에 GaN 결정이 사파이어 기판 위에서 성장되고 반응 부산물로 HCl 가스가 발생하는데 이 가스가 성장되는 GaN 단결정의 표면을 에칭하여 결정내 결함을 유발하게 된다. 즉 HCl 가스의 에칭은 성장되는 GaN 결정 표면의 편평도를 나쁘게하여 GaN 단결정의 2차원 성장을 어렵게 하고 3차원 성장을 유발하여 홈(groove)이나 극미세홀(microhole)을 결정 내에 남긴다. 또한 이 할라이드(halide) 형태의 Ga 소스는 반응후 배기관 쪽에 다량의 클로라이드(Cloride) 화합물을 증착시켜 배기관을 막히게 하고 이로 인해 폭발이 일어나기도 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, GaN 단결정 성장 공정에서 Ga 소스 및 N 소스로 HCl이 생성되지 않는 물질을 사용함으로써, 단결정 성장 중 생성되는 HCl 가스의 발생을 근원적으로 차단하는 GaN 단결정 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 GaN 단결정 제조 방법에 사용되는 반응로(reactor) 내부의 개략적 모습을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 석영관 20. 서셉터

30. 사파이어 기판 40. Ga₂O₃

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN 단결정 제조 방법은, HVPE법에 의한 GaN 단결정 제조 방법에 있어서, 반응로를 소정 온도로 가열하는 단계; 및 Ga 소스로 갈륨 산화물을 주입하고, N 소스로 암모니아를 상기 반응로에 주입하는단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가열 온도는 800∼1150℃이고, 상기 갈륨 산화물은 Ga₂O₃인 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 GaN 단결정 제조 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명의 GaN 단결정 제조 방법에서는 제조 공정 중 HCl 가스의 생성을 막고 고품질의 GaN 단결정이 성장될 수 있도록 클로라이드(Cloride) 대신 산화물인 Ga₂O₃를 Ga 소스로 사용하고 암모니아를 N 소스로 사용하여 GaN 단결정을 성장시키는 점에 특징이 있다. 즉, 산화물(oxide)인 Ga₂O₃를 Ga 소스로 사용하여 HCl의 발생과 성장되는 GaN 결정 표면의 에칭을 일으키는 원인을 근본적으로 제거하여 2차원적인 결정 성장을 이룬다.

산화물을 소스로 하는 HVPE법으로 GaN 후막 단결정을 성장하는 공정은 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반응로(reactor)인 석영(quartz)관(10) 내에 Ga₂O₃분말(40)과 기판을 장입하고, 질소로 석영관(10) 내부를 정화(purge)하는 공정과 펌핑(pumping)을 수 회 반복한다. 이후 반응로(reactor)를 질소와 암모니아 분위기로 유지하면서 성장 온도 까지 가열한다. 이 때 질소와 수소, Ar이 보통 캐리어 가스(carrier gas)로 사용된다. 반응로(reactor)를 성장 온도에서 일정시간 유지하면 기판 위에서의 GaN 단결정의 성장은 화학식 2와 같은 반응식에 의해 이루어진다.

Ga₂O₃+ 2NH₃→2GaN + 3H₂O

상기 화학 반응식에서 나타났듯이 성장되는 GaN 결정 이외에 반응 생성물이 수증기뿐이므로 앞서 문제가 되었던 HCl에 의한 GaN 결정 표면의 에칭은 근원적으로 일어나지 않으며 이 결과로 2차원적인 결정 성장을 이룰 수가 있어 고품질의 GaN 단결정을 얻을 수 있다.

실제로 다음과 같이 GaN 단결정을 성장시켜 보았다.

HVPE법에 의한 GaN 후막 단결정 성장시 Ga 소스는 Ga₂O₃를 사용하였고, N 소스는 암모니아를 사용하였으며, 캐리어 가스(carrier gas)로 N₂가스를 사용하였다. 먼저, 사파이어 기판(30)을 유기 용매로 세척하고 H₃PO₄:H₂SO₄=1:3 용액으로 에칭한 후 다시 HF 용액에 5분간 담구었다가 증류수로 세척하였다. 세척된 사파이어 기판(30)을 도 1에 도시된 바와 같이 석영관(10) 내에 넣어 서셉터(susceptor)(20)로 고정시키고, Ga₂O₃분말(40)을 석영관(10) 내에 장입하여, 질소 정화(purging)와 펌핑(pumping)을 3차례 반복하였다. 이후 질소와 암모니아 분위기하에서 반응로(reactor)(10)를 성장 온도인 800~1150℃까지 가열하였다. 이때 암모니아를 200 sccm 정도 흘려주었다. 성장 온도에서 1시간정도 유지한 후 상온 까지 냉각하였다. 성장된 결정의 두께는 10㎛정도 였고 크랙(crack) 없이 투명하였다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 GaN 단결정 제조 방법은 Ga 소스로Ga₂O₃를 사용하고 N 소스로 암모니아를 사용함으로써, HCl 가스 발생에 의한 GaN 결정 표면의 에칭을 근원적으로 막을 수가 있다. 따라서, 기판 위에서 GaN 결정의 2차원적인 성장이 일어나 홈(groove)이나 미세홀(microhole)과 같은 결정 내의 결함농도를 줄일 수 있고, 이에 따라 고품질의 GaN 단결정을 얻을 수가 있다. 또한 클로라이드(Cloride) 화합물에 의한 배기관의 막힘도 해결되어 실험시 폭발을 방지할 수도 있다.

Claims (3)

1. HVPE법에 의한 GaN 단결정 제조 방법에 있어서,

   반응로를 소정 온도로 가열하는 단계; 및

   Ga 소스로 갈륨 산화물을 주입하고, N 소스로 암모니아를 상기 반응로에 주입하는단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가열 온도는 800∼1150℃인 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 갈륨 산화물은 Ga₂O₃인 것을 특징으로 하는 GaN 단결정 제조 방법.