KR20000019251A - 질화갈륨계 반도체박막성장을 위한 유기금속화합물 화학기상증착장치 - Google Patents

질화갈륨계 반도체박막성장을 위한 유기금속화합물 화학기상증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기금속으로된 반응가스원을 이용하여 질화갈륨계 박막을 성장시킬 수 있는 양산용 유기금속화합물 화학 기상증착장치에 관한 것으로, 가스흐름을 제어하기 위한 가스케비넷과, 상기 암모니아가스를 흑연열판속으로 역류시켜 들어온 반응가스를 통로로 유입시키기 위한 반응로 및 로터리펌프와, 상기 로터리펌프를 이용하여 통로로 유입되는 가스를 배기시키기 위한 배기부를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명은, 질화갈륨 반도체 박막 성장용 유기금속화합물 기상화학증착장치를 설계 및 제작하므로써 암모니아가스를 예열하여 역류시키는 형태로 양산용 크기의 수평형 반응로를 제작하여 암모니아가스의 분해를 촉진시키고 이중의 유체흐름으로 흑연열판위의 반응가스를 강제대류시키거나, 또는 흑연열판에 경사각을 줌으로써 질화갈륨 박막을 양호하게 성장시켜 주는 효과가 제공된다.

Description

질화갈륨계 반도체박막성장을 위한 유기금속화합물 화학 기상증착장치
본 발명은 질화갈륨계 반도체 박막을 성장시키기 위한 유기금속화합물 화학 기상증착장치에 관한 것으로, 특히 유기금속으로된 반응가스원을 이용하여 질화갈륨계 박막을 성장시킬 수 있는 양산용 유기금속화학물 화학 기상증착장치에 관한 것이다.
최근에는 질화갈륨계 반도체로서 청색 광소자 및 자외선의 스펙트럼영역에 까지 응용되고 있다.
이러한 응용이 가능하게 된 것은 질화갈륨계 박막의 물성이 활발히 연구 규명되어지고 있기 때문이며 질화갈륨의 반도체박막의 주요 성장법은 유기금속원을 이용하는 화학 기상증착방법(MOCVD:Metal-organic chemical vapor deposition)이다.
이러한 물성의 연구에도 불구하고 실제로 양산장비를 이용한 결정박막성장은성장조건의 공정상의 여유공차가 매우 좁아 높은 장비의존성을 보임으로써 광전자소자의 개발에 많은 문제점을 야기시키고 있다.
그리고 MOCVD장치는 수직형과 수평형으로 분류된다. 수직형은 유기금속원의 주 흐름가스가 기판위로 수직 상방에서 분사되는 경우이고, 수평형은 주 흐름가스가 기판표면에 평행한 측면방향에서 유입되는 형태이다. 수직방향에서 분사되는 형태는 축 대칭성을 갖고 기판을 회전하면서 성장할 수 있으며 두께의 축 대칭성으로 균일성이 양호하지 않고, 수평형은 기판을 회전하면서 가스유입의 전/후면에서의 균일성을 확보할 수 있다.
그런데 질화갈륨은 성장온도가 1100[℃] 정도로 매우 높아 암모니아가스가 열적으로 부양되어 표면반응에 참여할 수 없게 되어 전기적 광학적인 물성 측면에서는 수직형의 반응로가 양호하고, 두께가 균일한 수평형은 양산 측면에서 양호하다.
그래서 이들을 혼합하여 주 흐름은 수평형 방식으로 하고 가스가 저항열판위의 기판 위에서 내려오는 즉 반응시 열적 부력을 강제대류방식으로 수직 상방에서 분사해 주는 방식인 TF-MOCVD(Two-Flow MOCVD)가 고안되어졌다.
하지만 이 방식 또한 양산측면에서 두께 균일성과 물성을 동시에 확보하기에는 한계가 있다.
다른 Ⅲ-V 족 반도체 재료인 GaAs, GaP,InP 등의 박막성장용 MOCVD에서는 나타나지 않는 Ⅲ-V 반도체박막의 장비의존성은 GaN계 광전자 소자 제작에 필요한 양산용 크기의 박막성장에 있어서 시급히 해결되어야 할 문제이다.
또한 MOCVD 장치는 크게 나누어 수소화합물계의 가스와, 유기금속화합물계의 가스를 보관하는 가스케비넷과, 기판을 가열하기 위한 RF 발생장치를 포함한 반응로부분 및 로타리펌프와, 스크러버를 포함하는 배기부로 구성되어 있으며 가스원이 모여 혼합된 다음 반응로로 유입되는 부분인 혼합기와 반응로 사이의 길이를 최대한으로 작게하여 유기금속의 박막 성장전 불필요한 부수적 예비반응을 방지한다.
이러한 MOCVD 장치는 디에틸아연(DeZn)이나 바이스 사이크로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)과 같은 도핑원의 유기금속화합물과 사일렌(SiH4)의 도핑원은 미소한 양의 화학반응이 물성에 관여되기 때문에 혼합기에서의 지체시간을 최소화해야 한다. 특히 반응로에서의 고온성장에 의한 암모니아가스의 부유현상은 질화갈륨 결정박막 성장을 저해하고 결정성장의 결함에 의한 표면상태가 불균일하게 되는 문제점이 있어 광전자 제작에 결정적인 장애가 유발되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 그 목적은 질화갈륨 반도체 박막 성장용 유기금속화합물 화학 기상증착장치를 설계 및 제작하므로써 암모니아가스를 예열하여 역류시키는 형태로 양산용 크기의 반응로를 제작하여 암모니아가스의 분해을 촉진시키고 흑연열판에 경사각을 줌으로써 질화갈륨 박막을 양호하게 성장시킬 수 있게 하고, 또한 역류형 반응로에 두 개의 유체 흐름을 도입하여 Ga-N 표면반응에 암모니아가스의 참여율을 상승시키는 강제적 질소가스분사방식을 이용하여 부력으로 인한 자연대류를 억제시킴으로써 질화갈륨 박막성장의 어려움을 근본적으로 개선시킬 수 있도록 한 유기금속화합물 화학 기상증착장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명의 유기금속화합물 화학 기상증착장치는, 가스흐름을 제어하기 위한 가스케비넷과, 상기 암모니아가스를 흑연열판속으로 역류시켜 들어온 반응가스를 통로로 유입시키기 위한 반응로 및 로터리펌프와, 상기 로터리펌프를 이용하여 통로로 유입되는 가스를 배기시키기 위한 배기부를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가스케비넷은, 유기금속원 항온조와 수소화합물 가스봄베, 가스유량계와 혼합메니폴드를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 반응로 및 로터리펌프를 사파이어기판위에서 눌러주는 방식으로 설계 제작된 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 배기부는, 스크러버 방식을 이용한 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 결정성장시 상기 반응로로 유입되는 주흐름 통로로 일킬계 유기금속원과 수소 또는 질소의 반송가스를 유입시키는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 통로에 질소가스 또는 질소/수소 혼합가스를 유입시켜 내부석영관 기판상부에 제작된 핀홀에서 분사시키는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 암모니아가스를 고온의 흑연열판에 관통시켜 예열시킴으로써 해리를 촉진시키고 갈륨증기와의 반응시간을 단축시키는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 질화갈륨박막을 성장시킬 때 반응 활성화를 촉진시키기 위한 일환으로 할로겐 램프세트를 내부반응관 바깥쪽 또는 외부반응관 안쪽에 부착하여 사파이어기판에 자외선을 조사하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 수소화합물은, 사일렌과 암모니아가스를 사용하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 사파이어기판의 경사각도는 약 130인 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
또한 바람직하게, 가스유량은 수소가 6 [ml/min] 이고 암모니아가스는 4 [l/min] 인 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa)의 용기온도를 -10 [0C] 로 유지하고 반응로의 압력을 400 [Torr]로 유지시키도록 한 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 반송가스의 성장온도는 적어도 1120 [0C]에서 제작한 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 반응로는, 단일흐름 역류방식과, 이중흐름 역류방식을 사용하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 단일흐름 역류방식은, 내부석영관에 경사진 흑연열판을 관통하여 암모니아가스를 역류시키도록 한 것을 그 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 이중흐름 역류방식은, 내부 석영관을 상하 두 부분으로 분리시킨 이중흐름 방식과 외부 석영관내에 할로겐램프를 설치하여 기판표면을 가열시켜 표면반응을 향상시키는 광 표면화학 방식과, 흑연 열판속을 관통하여 예열시킨 암모니아가스를 역류시키도록 한 것을 그 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 질화갈륨계 박막성장용 유기금속 기상 화학증착장치의 개략도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에서 제작한 유기금속 기상 화학증착장치의 외관을 나타낸 도면으로서, 유기금속화합물의 보관 항온조와 배기용 펌프의 구성을 표시하는 정면도.
도 3은 도 2의 A-A,부분의 단면도를 나타낸 도면.
도 4는 도 2의 B-B,부분에서 유기금속화합물의 기상 화학증착장치의 가스 전흐름을 나타내는 회로 구성도.
도 5는 도 2의 반응로를 상세하게 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 C-C,부분의 단면도를 나타내는 도면.
도 7은 역류형 단일흐름식 내부 석영반응관의 기하학적 구조를 나타내는 도면.
도 8은 역류형 이중흐름식 내부 석영반응관의 기하적 구조를 나타내는 도면.
도 9는 역류형 단일흐름식 반응로에서 성장한 질화갈륨박막의 포토루미네슨스의 에너지분포를 나타내는 특성도.
도 10은 역류형 단일흐름식 반응로에서 성장한 질화갈륨박막의 더블크리스탈 X-선 회절을 나타내는 특성도.
도 11은 역류형 이중흐름식 반웅로에서 할로겐 램프를 조사하면서 성장한 질화갈륨박막의 포토루미네슨스의 에너지분포를 나타내는 특성도.
도 12는 역류형 이중흐름식 반웅로에서 할로겐 램프를 조사하면서 성장한 질화갈륨박막의 더블크리스탈 X-선 회절을 나타내는 특성도.
도 13은 역류형 이중흐름식 반응로에서 성장한 질화갈륨박막의 2 인치기판에서의 발광파장의 균일성을 표시한 분포도.
도 14는 역류형 이중흐름식 반응로에서 성장한 질화갈륨박막의 2 인치기판에서의 직경에 따른 발광세기 분포도.
*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*
1:사일렌(SiH4)가스봄베 2:암모니아(NH3)가스봄베
3:유량조절계 4:가스혼합부
5:압력조절계 6:RF코일
7,25:외부석영관 8,26,43:내부석영관
9,27,54:흑연열판 10:압력계
11:스로틀 밸브제 12:로터리 펌프
13:파이로리시스 로 14:분진여과기
15:차콜여과기 16:배출구
17,22:유기금속원 항온조 18:배기부
19:공기배출구 20:반응로
21:수소화합물 가스봄베 23,42:내부관지지 플랜지
24,28,29:외부관지지 플랜지 30:펌핑 메니폴드
31:개폐 플랜지 32,33:개폐플랜지홀더
34:펌핑 어뎁터 크로스 35:가이드 지지봉
36:가이드 지지축 37:지지 플랜지축
38:내부관 지지대 39:암모니아 가스 유입석영봉
40:열전대 석영봉 41:손잡이
44,49:트리메틸갈륨(TMGa)/H2가스유선 45,55,57:핀홀
46,51:암모니아 가스유입구 47,53:사파이어기판
50:N2/H2가스유입구 52:할로겐 램프세트
이 바람직한 실시예를 통해 본 발명이 해결하고자 하는 목적, 특징 및 이점을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 유기금속화합물 화학 기상증착장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 질화갈륨계 박막성장용 유기금속 기상 화학증착장치의 개략도를 나타낸 도면으로서, 수소 또는 질소가스를 주 흐름가스로 하여 가스정화기를 통과시키고 정제한 후 반응로로 유입시키고, 또한 알킬계 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAI), 트리메틸인듐(TMIn), 디에틸아연(DEZn), 바이스사이크로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)등의 금속원을 기포화하여 반송하는데 이용한다.
또한 -10℃를 유지하는 항온조에서 TMGa, TMAI, DEZn은 액체상태이고 유입된 가스가 액체 속에서 거품을 이르켜 표면에서 거품막이 터지면서 반송가스에 묻혀 나온다. 그리고 TMIn, Cp2Mg는 고체상태이고 유입된 가스를 통과시켜 증발되어 반송가스에 따라 나온다.
금속원의 유량은 유량계의 유량조절계(3)로서 통제하고 다시 가스혼합부(4)에 유입되기 전에 압력의 차에 의한 역류를 방지하기 위해 압력계를 부착하였다. 또한 금속원의 기압은 온도의 함수로 다음과 같이 주어진다.
log PTMGa(mmHg)=8.07-1703/T(K)
log PTMIn(mmHg)=10.52-3014/T(K)
log PTMAl(mmHg)=8.22-2134.83/T(K)
log PDEZn(mmHg)=8.28-2190/T(K)
log Pcp2Mg(mmHg)=25.14-2.18InT(K)-4198/T(K) 이다.
수소화합물로는 사일렌(SiH4)과 암모니아(NH3) 가스를 사용하며 특히 암모니아와 유기금속화합물과의 혼합기에서의 예비반응에 의한 질소-유기금속의 분자 결합상을 방지하기 위해 암모니아를 가열된 흑연열판 뒤쪽에서 공급하는 구조를 갖고 있다.
또한 수소나 질소와 혼합된 유기금속화합물과 암모니아가스가 내부반응관내 가열판 앞에서 만나 반응하게 된다. 그리고 가열방식은 라디오파(Radio frequency; RF) 발생에 의한 방법으로 300 [kHz]의 라디오파(RF)에 20 [kW]의 전력을 이용함으로써 상압보다 낮은 압력에서 성장할 수 있고 로타리펌프를 이용하여 배기시키며, 집진기와 석탄을 이용한 여과기를 사용하였으며, 황산용액에서 암모니아가스를 흡수시켜 황산암모늄 착염을 만든 다음 수소가스를 불에 태워서 배출구(16)로 배출시킨다.
한편, 도 2는 본 발명에서 제작한 유기금속 기상 화학증착장치의 외관을 나타낸 개략도로 -25 [℃] 에서 100 [℃] 의 영역에서 온도 조절이 가능한 유기금속화합물의 보관 항온조(17)와 반응로(20) 부분 및 가스라인부분 배기가스(18)용 부분을 표시한다.
도 3은 도 2의 A-A,부분의 단면도로서, 유기금속원 항온조(22) 뒤면에 수소화합물 가스봄베(21)가 위치하고 있고, 천정위치에는 공기 배출구(19)가 설치되어 내부공기를 외부로 빨아낸다.
도 4는 도 2의 B-B,부분에서 유기금속화합물의 기상 화학증착장치의 가스 라인 흐름을 나타낸 회로 구성도로서, H2나 N2가스통으로부터 공급된 반송가스가 스테인레스 파이프라인을 따라 유기금속액체 및 고체를 기포화하여 반응로(20)로 운반하고, 암모니아가스와 사일렌가스는 유량을 조절하여 역시 반응로(20)로 공급함으로써 열에 의한 가스분해로 사파이어기판(47,53)표면 위에 확산되어지며 열화학적 표면반응을 일으키게 되고, 잔류가스는 배기부(18)을 통해 로타리펌프를 지나게 된다.
또한 도 5는 도 2의 반응로를 상세하게 나타낸 도면으로서, 외부석영관(25)과 내부석영관(26)을 각각 지지하는 내부관지지 플랜지(23), 외부관지지 플랜지(24),(28),(29), 펌핑 멘니폴드(30)와, 내부석영관을 지지하는 홀더(38)와 내부석영관내의 SiC 코팅된 흑연 서셉터(27)와 이를 지지하기 위한 석영봉으로 된 서머커플(40), 암모니아가스관(39)으로 구성되어 있다. 또한 시료 장착시 개폐용 플랜지(31)와 홀더(32),(33)를 연결시킨 안내봉(35), 배기가스 펌핑용 어뎁터(34), 지지대 축(36),(37)으로 구성되며 주위의 단열 효과를 높이기 위해 열교환기용 물 자케트가 준비되어 있다.
한편, 도 6은 도 5의 C-C,부분의 단면도를 나타내는 도면이고, 도 7은 역류형 단일흐름식 내부 석영반응관의 기하학적 구조를 나타낸 도면으로 유기금속 화합물과 수소 또는 질소 반송가스가 정방향으로 흐르고 암모니아가스는 가열된 도 8 에서와 같이 흑연열판(54)을 관통하여 열판 앞단의 노즐에서 분사되어 서로 혼합되면서 펌프의 가스배기에 의한 주흐름의 정방향으로 흐르고 사파이어기판(47)위에서 표면화학 반응을 일으킨다.
이러한 암모니아 역류방식의 도입으로 암모니아 분해를 촉진할 뿐만 아니라 열판선단에서의 유동이 가스혼합으로 인한 난류상태에서 층류로 바뀌면서 분자간의 접촉 단면적이 커지고 기판표면 근처의 경계층에서 가스유동 속도가 느려지면서 반응시간을 연장시키게 되어 양질의 질화갈륨박막을 제조할 수 있다.
또한 암모니아 분해에너지가 4.8[eV]로 매우 높아 1000∼1100[℃] 정도의 성장온도가 고온이기 때문에 비교적 가벼운 분자인 암모니아가스는 기판주위를 흐르면서 열적 부력을 받아 기판 표면에서의 Ga-N 화학결합에 참여케 하는 연속적인 공급이 어렵게 된다.
이러한 열적 대류현상을 도 8에서와 같이 흑연열판(54)의 각도를 주어 가스유입구(50)의 경사진 면을 따라 가스가 올라오게 하면서 Ga-N 화학결합에 참여하게 함으로써 효과적으로 피할 수 있다.
한편, 도 8은 역류형 이중흐름식 내부 석영반응관의 기하학적 구조를 나타낸 도면이다. 즉, 흑연열판(54)을 경사지게 하는 대신에 수평형으로 만들고 질소가스를 이용하여 흑연기판지지 디스크판이 회전할 수 있도록 하였다. 이중 유체(double-flow)방식을 도입하여 고온의 기판으로 인한 열 대류 현상을 강제적으로 N2또는 N2/H2혼합가스를 내부반응관 안으로 분사시킴으로써 암모니아가스의 대류현상을 방지할 수 있다.
또한 원자량이 17로 비교적 가벼운 암모니아가스가 원자량 28의 질소가스에 의해 눌려진 채, TMGa으로부터 열에 의해 분해되어 기판표면의 경계층에 확산된 Ga 증기와 질소원자가 결합하도록 하는 메커니즘을 갖으며 양질의 질화갈륨박막을 성장하는 방식으로 이중의 내부석영관(43)으로 구성되어 있다.
또한 표면화학 반응에 필요한 반응 에너지에 할로겐램프(52)를 외부석영관(7,25) 안쪽에 설치하여 자외선(UV) 파장대의 에너지가 기판표면의 화학반응을 촉진하게 함으로써 질화갈륨 박막을 성장하는 동안 발생되는 깊은 준위의 결정결함을 방지할 수 있으며, p-GaN 박막에서의 Mg-H 복합체형성을 억제할 수 있다.
또한 역류방식에 의한 양산용 흑연열판(54)을 이용하여 질화갈륨 박막을 형성하였다. 그리고 사파이어기판(47,53)의 경사각도는 13°정도이고, 가스유량은 수소가 6[ml/min] 이고 암모니아가스는 4[l/min] 이다. 또한 TMGa는 용기온도가 -10 [℃] 를 유지하여 60[ml/min](4㎛ol/min)으로 반응로의 압력을 400[Torr]로 유지하는 성장조건에서 유지되었다, 반송가스는 수소가스를 이용하였으며 성장온도는 1120 [℃] 에서 제작된 장치의 최적상태를 확인하였다.
한편 1000 [℃] 에서 성장한 박막의 표면은 매우 거칠어 우유빛 표면위에 반점(spot)이 고밀도로 분포하고 있고 금속체로 선을 긋을 경우 흠집과 함께 소음이 생기는 반면, 1050[℃] 에서는 비교적 양호한 표면상태를 보이고 1100[℃] 에서는 거울면이 투명하고 균일한 박막이 성장되고 금속체로 선을 그었을 경우 흠집이 발생하지 않고 소리도 생기지 않는다.
이러한 표면구조특성과 함께 도 9의 포토루미네슨스(PL)의 발광특성을 확인해 보면 GaN 반도체의 밴드갭 에너지에 해당되는 3.42[eV] 에서 발광함을 확인되고 이와 더블어 2.78[eV] 의 깊은 에너지준위에서의 발광현상도 확인되었다.
한편 도 10은 GaN 박막의 결정면에서의 회절특성을 나타내는 더블크리스탈 X-선 회절분포도를 나타낸 특성도로서, 분포곡선의 반폭치(FWHM)는 600[arcsec] 이고 n-형 불순물의 첨가없이도 1×1018/㎤의 소수운반자농도를 보이고 전자이동도는 150[㎠/V.sec]을 나타내었다.
한편, 역류방식과 이중유체방식을 결합한 방식의 반응로로 부착시켜 수행한 결정성장을 같은 조건하에서 매우 우수한 발광특성 및 전기적특성을 보인다. 사용한 할로겐램프는 30[W]의 전력이 소모되며 성장하는 동안 기판표면에 자외선을 조사하였다.
도 11은 매우 강한 세기의 포토루미네슨스를 3.426[eV] 의 에너지 밴드캡에서 보이고 있으며 깊은 준위의 발광현상이 보이지 않음을 알 수 있다.
도 12는 X-선 회절에 의한 결정특성으로 반폭치가 350[arcsec] 로 매우 우수한 결정성을 보인다. 홀(hall) 효과측정으로부터 불순물을 첨거하지 않은 상태의 GaN 박막에서 n-형을 나타내며 전자운반농도가 2×1017/㎤으로 비교적 낮고, 전자이동도가 450[㎠/V.sec]로 매우 높은 양질의 전기적 특성을 나타내고 있다.
또한 2 인치 직경을 갖는 사파이어기판을 이용하여 GaN 박막을 성장할 경우 박막의 He-Cd 레이저로 여기하여 생긴 포토루미네슨스의 발광파장은 361.8[nm]을 보이며 기판의 직경에 따른 균일성을 도 13에 나타내었다.
따라서 도 14는 포토루미네슨스의 발광피크위치에서 전압으로 환산 측정한 세기를 나타내고 있다. 또한 전부분에 걸쳐 균일한 분포를 보이며 기판중심부보다 가장자리부분에서 밝기가 증가되는 영상을 보인다.
이상에서와 같이, 본 실시예에서는, 질화갈륨 반도체 박막 성장용 유기금속화합물 기상화학증착장치를 설계 및 제작하므로써 암모니아가스를 예열하여 역류시키는 형태로 양산용 크기의 반응로를 제작하여 암모니아가스의 분해를 촉진시키고 흑연열판에 경사각을 줌으로써 질화갈륨 박막을 양호하게 성장시키는 것이 가능하고, 또한 역류형 반응로에 두 개의 유체 흐름을 도입하여 Ga-N 표면반응에 암모니아가스의 참여율을 상승시키는 강제적 질소가스분사방식을 이용하여 부력으로 인한 자연대류를 억제시킴으로써 질화갈륨 박막성장의 어려움을 근본적으로 개선시키는 것이 가능하다.
상술한 설명으로부터 분명한 것은, 본 발명의 유기금속화합물 화학 기상증착장치에 의하면, 역류형 이중유체 흐름방식은 암모니아가스를 흑연열판속을 관통시켜 가열함으로써 암모니아 가스분자의 분해를 촉진시키고 유기금속원의 주 흐름가스를 수소나 질소의 반송가스에 실어 고온의 암모니아가스와 충분히 혼합시켜 층류 흐름형태로 기판위에 공급하는 것이 가능하다.
또한 질소 또는 질소/수소의 부 흐름가스를 별도의 관으로 유입시켜 기판위에 분사시킴으로써 암모니아가스의 열대류에 의한 부력을 감소시켜 질소원자가 Ga 증기와 화학반응을 할 수 있는 시간을 충분히 확보할 수 있다.
또한 표면반응에서 충분한 에너지를 공급받도록 할로겐 램프의 자외선을 조사시킴으로써 깊은 준위의 발광센터를 줄일 수 있다. 이러한 유기금속화합물 기상화학증착장치를 설계 제작함으로써 질화갈륨 박막성장의 어려움을 해결하였으며, 또한 질화갈륨 박막을 이용하는 광전자소자의 양산화에 기여할 수 있는 많은 응용 잠재력을 제공하는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 가스흐름을 제어하기 위한 가스케비넷과;
    상기 암모니아가스를 흑연열판속으로 역류시켜 혼합되어 들어온 반응가스를 기판위로 유입시키기 위한 반응로부분 및 로터리펌프와;
    상기 로터리펌프를 이용하여 통로로 유입되는 가스를 배기시키기 위한 배기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스케비넷은, 유기금속원 항온조와 수소화합물 가스봄베, 가스유량계, 가스압력조절계와 혼합메니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 수소화합물은, 사일렌(SiH4)과 암모니아가스(NH3)를 사용하고, 유기금속화합물은 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAI), 트리메틸인듐(TMIn), 디에틸아연(DEZn), 바이스사이크로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)등의 금속원을 수소가스로 기포화하는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa)의 용기온도를 -10 [℃] 로 일정하게 유지하고 반응로의 압력을 400[Torr]로 유지시키도록 한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반응로의 반응관은 원통형 외부석영관, 사각실린더형 내부 석영관으로 구성되며, 흑연열판과는 레이저홈으로 된 핀홀를 통과하여 주흐름가스가 층류에서 난류상으로 바뀌게하는 방식으로 설계 제작한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 배기부는 황산용액에 암모니아가스를 통과시켜 황산암모늄착염을 만드는 스크러버 방식을 이용한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 결정성장시 상기 반응로로 유입되는 주흐름 통로로 알킬계 유기금속원과 수소 또는 질소의 반송가스를 유입시키는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 반응관내의 흑연열판을 RF가열방식으로 박막을 적어도 1120[℃]의 고온에서에서 제작한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 이중흐름-역류방식의 경우 상기 부흐름통로에 질소가스 또는 질소/수소 혼합가스를 유입시켜 내부석영관 기판상부에 제작된 핀홀에서 분사시켜 주흐름 반응가스를 강제대류식으로 눌러주는 이중흐름-역류방식을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 암모니아가스를 고온의 흑연열판에 관통시켜 예열시킴으로써 해리를 촉진시키고 갈륨증기와의 반응시간을 단축시키는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 질화갈륨박막을 성장시킬 때 반응 활성화를 촉진시키기 위한 일환으로 할로겐 램프세트를 내부반응관 바깥쪽 또는 외부반응관 안쪽에 부착하여 사파이어기판에 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 단일흐름-역류방식에서 자연대류효과를 억제하기 위해 흑연열판위에 장착한 사파이어기판의 경사각도는 약 13°인 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가스유량은 수소가 6[ml/min] 이고, 암모니아가스는 4[l/min] 인 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 반응로는, 단일흐름 역류방식과 이중흐름 역류방식을 사용한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 단일흐름 역류방식은, 내부석영관에 경사진 흑연열판을 관통하여 암모니아가스를 역류시키도록 한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 이중흐름 역류방식은, 내부 석영관을 상하 두 부분으로 분리시킨 이중흐름 방식과 외부 석영관내에 할로겐램프를 설치하여 기판표면을 가열시켜 표면반응을 향상시키는 광 표면화학 방식 및 흑연 열판속을 관통하여 예열시킨 암모니아가스를 역류시키도록 한 것을 특징으로 하는 유기금속화합물 화학 기상증착장치.
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KR100807937B1 (ko) * 2001-01-22 2008-02-28 니뽄파이오닉스가부시끼가이샤 질화갈륨막 반도체 제조장치 및 배기가스 정화장치
KR100876992B1 (ko) * 2001-04-06 2009-01-07 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 반도체 처리용 자외선 어시스트 처리 장치

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