KR20000066344A - 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치 및 방법 - Google Patents

질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치 및 방법에 관한 것으로서 수직되게 설치된 반응관과, 상기 반응관 내의 상부에 상하 또는 좌우로 진동되게 설치되어 내부에 담긴 미세한 분말 상태의 질화물계 시료를 하부에 형성된 미세한 구멍을 통해 외부로 배출하는 시료용기와, 상기 반응관 외부의 소정 부분에 설치되어 상기 반응관 내부에 고온 영역을 한정하는 전기로와, 상기 반응관 내부의 고온 영역에 질화물계 화합물반도체의 시드가 실장되며 등속 회전과 동시에 서서히 하부로 이동되게 설치된 지지대와, 상기 반응관 상부에 반응가스와 분위기 가스를 각각 주입하는 제 1 및 제 2 가스주입구와, 상기 반응관 하부에 설치되어 질화물계 화합물반도체를 결정 성장한 후의 가스를 상기 반응관 외부로 배출하는 배기구를 포함한다.
따라서, 질화물계 화합물반도체를 잉고트로 성장한 후 커팅 및 연마 등으로 가공하여 질화물계 화합물반도체기판을 만들므로 대량 생산이 가능하여 생산성이 향상된다.

Description

질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치 및 방법{A apparatus for forming single crystal ingot of nitride compound semiconductor and forming method thereby}
본 발명은 질화물계 화합물반도체의 단결정의 제조장치 및 방법에 관한 것으로써, 특히, 미세한 질화물계 화합물반도체 분말을 고온 영역에 위치한 단결정 상태의 시드(seed)와 접촉에 의해 벌크 상태의 단결정으로 성장하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 및 질화인듐(InN) 등의 질화물계 화합물반도체는 열적 및 화학적으로 안정하고 대체로 에너지 밴드 갭이 큰 특성을 가지므로 새로운 화합물반도체 물질로 많이 연구되고 있다.
상기에서 질화물계 화합물반도체 재료는 열적 및 화학적으로 안정한 특성에 의해 고온 및 고전류 동작시 전기적으로 안정하므로 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 및 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor) 등의 전자 소자의 재료로 사용되고 있다.
또한, 질화물계 화합물반도체 재료 중 GaN 및 AlN 등은 직접 천이형 반도체로 실온에서 에너지 밴드 갭이 각각 3.4eV와 6.2eV 정도로 크다. 따라서, GaN 및 AlN 등은 청색의 가시영역에서 자외 파장의 짧은 파장대의 빛을 발생하므로 청색 및 자외영역의 단파장 발광 다이오드(LED)와 고휘도의 레이저 다이오드(LD)를 제조할 수 있으며, 또한, UV 검출기(Ultra Violet detector)를 제조하는 데 유용하다.
그러나, GaN 등의 질화물계 화합물반도체물질은 융점이 2400℃ 이상으로 매우 높으며 질소의 분해압이 융점에서 약 60만 기압 정도로 매우 높아 용융 성장 방법에 의해 단결정 상으로 성장하기 어렵다.
따라서, 고온에서 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3) 가스가 직접 반응에 의해 단결정의 GaN을 성장하는 방법이 개발되었다. 상기에서 GaN 단결정은 1000∼1150℃ 정도의 고온에서 형성되는 것으로 침상형(needle)의 벌크 상태로 성장되었다.
단결정 상의 GaN을 성장하는 다른 방법으로, 1500∼1600℃의 고온에서 2만 기압 정도의 질소 감압상태에서 갈륨(Ga) 용액에 질소(N2)를 용해시켜 표면에서 결정화하는 방법이 개발되었다. 이 방법에 의해 단결정 상의 GaN는 수 mm×수 mm 정도의 작은 면적과 100㎛ 정도의 얇은 두께를 갖는 판상으로 성장되었다.
따라서, 사파이어 또는 실리콘의 모기판(mother substrate) 상에 단결정 상의 질화물계 화합물반도체를 반도체기판으로 사용할 수 있도록 넓은 면적과 두꺼운 두께로 성장하는 또 다른 방법이 개발되었다. 즉, GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물반도체를 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법에 의해 사파이어기판 상에 직접, 또는, 실리콘기판 상에 버퍼층을 형성한 후 이종에피택셜(heteroepitaxial) 방법에 의해 성장한다. 상기에서 사파이어기판 상에 직접 성장된 것은 기판으로 사용되나, 실리콘기판 상에 형성된 것은 모기판으로 사용된 실리콘기판을 불산 등의 용액으로 식각하고 남은 질화물계 화합물반도체가 기판이 된다.
그러나, 상술한 종래 기술에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치와 그를 이용한 제조방법에 의해 1회 공정에 의해 판상으로 1장만 성장되므로 기판을 대량으로 생산하기 어려워 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 질화물계 화합물반도체를 잉고트(ingot)로 성장할 수 있는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판을 대량으로 생산할 수 있도록 질화물계 화합물반도체를 잉고트로 성장할 수 있는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치는 수직되게 설치된 반응관과, 상기 반응관 내의 상부에 상하 또는 좌우로 진동되게 설치되어 내부에 담긴 미세한 분말 상태의 질화물계 시료를 하부에 형성된 미세한 구멍을 통해 외부로 배출하는 시료용기와, 상기 반응관 외부의 소정 부분에 설치되어 상기 반응관 내부에 고온 영역을 한정하는 전기로와, 상기 반응관 내부의 고온 영역에 질화물계 화합물반도체의 시드가 실장되며 등속 회전과 동시에 서서히 하부로 이동되게 설치된 지지대와, 상기 반응관 상부에 반응가스와 분위기 가스를 각각 주입하는 제 1 및 제 2 가스주입구와, 상기 반응관 하부에 설치되어 질화물계 화합물반도체를 결정 성장한 후의 가스를 상기 반응관 외부로 배출하는 배기구를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법은 미세한 분말 상태의 질화물계 시료를 담은 시료용기를 상하 진동이 가능하도록 반응관의 상부에 설치하고 시드를 전기로에 의해 상기 반응관 내부의 한정되는 고온 영역에 위치되게 지지대에 실장하는 단계와, 상기 반응관 내부를 불활성 가스의 대기압 상태로 만드는 단계와, 상기 전기로를 가열하여 시드를 가열하고 상기 시드가 열적으로 분해되지 않도록 상기 반응관 내에 질소를 포함하는 반응가스를 주입하는 단계와, 상기 전기로의 온도를 증가시킨 후 시료용기 내의 분말 상태의 질화물계의 시료를 하부의 구멍을 통해 균일하게 배출하여 고온 영역에서 용융시키면서 질소를 증발시켜 분해하는 단계와, 상기 질소가 증발된 시료를 상기 반응가스와 반응시켜 상기 시드에 의해 재결정되게 결정 성장하되 상기 시료용기 내의 시료가 고갈될 때 까지 결정 성장하는 단계를 구비한다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법을 도시하는 흐름도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치의 개략도이다.
본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치는 제 1 및 제 2 가스주입구(21)(23)와 배기구(25)를 갖는 수직되게 설치된 반응관(11)과, 반응관(11) 내의 상부에 상하 또는 좌우로 진동되게 설치되어 내부에 담긴 미세한 분말 상태의 질화물계 화합물반도체의 시료(15)를 하부에 형성된 미세한 구멍(14)을 통해 외부로 배출하는 시료용기(13)와, 반응관(11) 외부의 소정 부분에 설치되어 반응관(11) 내부에 고온 영역을 한정하는 전기로(27)와, 반응관(11) 내부의 고온 영역에 질화물계 화합물반도체의 시드(19)가 실장되며 등속 회전과 동시에 서서히 하부로 이동되게 설치된 지지대(17)와, 반응관(11) 상부에 반응가스와 분위기 가스를 각각 주입하는 제 1 및 제 2 가스주입구(21)(23)와, 반응관(11) 하부에 설치되어 질화물계 화합물반도체를 결정 성장한 후의 가스를 상기 반응관(11) 외부로 배출하는 배기구(25)를 포함한다.
상기에서 반응관(11)은 융점이 높은 석영 또는 질화보론(BN)이 원통형으로 형성되며 수직되게 설치된다. 제 1 및 제 2 가스주입구(21)(23)는 반응관(11)의 상부에 설치되며 제 1 가스주입구(21)는 반응가스인 암모니아(NH3)를, 제 2 가스주입구(23)는 분위기 가스인 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성가스를 반응관(11) 내에 주입한다. 상기에서 제 1 가스주입구(21)는 끝단이 시드(19)의 높이 정도에 위치되게 길게 연장되도록 한다. 배기구(25)는 반응관(11)의 하부에 설치되어 질화물계 화합물반도체를 성장하는 반응이 완료된 가스를 외부로 배출한다.
시료용기(13)도 융점이 높은 석영 또는 질화보론(BN)으로 형성되며 질화물계 화합물반도체를 생성하는 시료(15), 예를 들면, 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN) 또는 AlGaInN 등이 미세한 분말 상태, 예를 들면, 0.1∼5㎛ 정도의 직경을 갖는 분말 상태로 담겨진다. 상기에서 시료용기(13)가 상하 또는 좌우로 진동되도록하여 시료(15)가 하부에 형성된 구멍을 통해 일정량이 균일하게 배출되어 하부로 자유 낙하하게 된다.
전기로(27)는 고주파 유도 전류를 흘려 가열하여 반응관(11) 내의 소정 부분에 고온 영역을 한정한다. 상기에서 전기로(27)에 의해 한정된 고온 영역은 시료용기(13)에서 배출되어 자유 낙하하는 시료(15)를 용융시키고 시드(19)를 가열시킨다.
지지대(17)는 탄화규소(SiC)가 코팅되며 실장된 시드(19)가 전기로(27)에 의해 한정된 고온 영역 내에 위치된다. 지지대(17)는 시드(19)에 의해 용융된 시료가 결정 성장되어 상부에 잉고트(도시되지 않음)가 형성된다.
상기에서 제 1 가스주입구(21)를 통해 주입되는 반응가스인 암모니아(NH3)는 고온 영역 내에 위치하는 시드(19)가 가열시 열적으로 분해되는 것을 방지한다. 또한, 결정 성장시 시료용기(13)에서 배출되어 자유 낙하하는 시료(15)가 고온 영역에서 용융되면서 열적으로 분해되어 질소(N2)는 증발되는 데, 질소(N2)가 증발되고 남는 시료는 시드(19)와 접촉되는 순간 제 1 가스주입구(21)를 통해 주입되는 암모니아(NH3) 가스와 반응하여 시드(19) 위에서 질화물계 화합물반도체가 결정 성장된다.
그리고, 지지대(17)는 등속 회전하여 성장되는 잉고트의 직경을 일정하게 제어하며, 또한, 질화물계 화합물반도체가 일정한 높이에서 결정 성장되어 균일한 특성을 갖도록 등속 회전과 동시에 서서히 하부로 이동시킨다. 상기에서 질화물계 화합물반도체는 시료용기(13) 내의 시료(15)가 고갈될 때 까지 성장되므로 잉고트를 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법을 도시하는 흐름도이다. 본 발명에 따른 단결정 잉고트 제조방법을 도 1에 도시된 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치로 형성한다.
단계(S1)는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 AlGaIn 등과 암모니아(NH3) 가스를 1000∼1500℃ 정도의 온도에서 직접 반응하여 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN) 또는 AlGaInN 등의 질화물계 시료를 합성한다.
그리고, 합성된 질화물계 시료를 0.1∼5㎛ 정도의 직경을 갖는 분말 상태로 분쇄하여 시료(15)를 준비한다.
단계(S2)는 시료(15)를 시료용기(13)에 담고, 이 시료용기(13)를 상하 진동이 가능하도록 반응관(11)의 상부에 설치한다. 그리고, 반응관(11) 하부에 설치된 지지대(17) 상에 형성할 잉고트와 동일한 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN) 또는 AlGaInN 등의 질화물계 화합물반도체의 시드(19)를 설치한다.
단계(S3)는 반응관(11) 내부를 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스가 대기압 상태를 이루도록 한다. 상기에서 반응관(11)은, 먼저, 내부를 진공 상태로 만든 후에 제 2 가스주입구(23)를 통해 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 주입하므로써 불활성 가스의 대기압 상태로 만들 수 있다. 또한, 반응관(11)은 내부를 진공 상태로 만들지 않은 상태에서 제 2 가스주입구(23)를 통해 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 흘리면서 배기구(25)를 통해 배출하여 대기압 상태로 만들 수도 있다.
단계(S4)는 전기로(27)에 전류를 흘려 시드(19)를 가열하고 지지대(17)가 500∼700℃ 정도의 온도가 되면 제 1 가스주입구(25)를 통해 반응가스인 암모니아(NH3) 가스를 주입한다. 상기에서 지지대(17)가 500∼700℃ 정도의 온도가 될 때 시드(19)가 열적으로 분해되는 것을 암모니아(NH3) 가스가 방지한다. 즉, 시드(19)가 질화갈륨(GaN)으로 형성된 경우 암모니아(NH3) 가스의 질소 성분이 갈륨(Ga)과 질소(N2)로 분해되는 것을 방지한다.
단계(S5)는 전기로(27)에 전류를 계속해서 흘려 시드(19)를 가열하여 1000∼1500℃ 정도의 온도가 되면 시료용기(13)를 상하 또는 좌우로 진동시켜 분말 상태의 시료(15)를 하부의 구멍(14)을 통해 일정량을 균일하게 배출시킨다. 이 때, 시료용기(13)에서 배출된 분말 상태의 시료(15)는 하부로 자유 낙하하여 전기로(27)에 의해 한정되는 반응관(11) 내의 고온 영역을 통과하면서 용융된다. 따라서, 분말 상태의 시료(15)는 질소(N2)와 화합물반도체로 분해되는 데, 질소(N2)는 증발되고 화합물반도체만 용융된 상태로 남게된다.
용융된 상태의 시료는 자유 낙하하여 시드(19)에 접촉되는 순간 제 1 가스주입구(21)를 통해 주입되는 암모니아(NH3) 가스의 질소(N2) 성분과 반응하여 다시 질화물계 시료로 변하게 된다.
그리고, 변환된 질화물계 시료는 시드(19)와 접촉되어 결정 성장되며, 이 결정 성장되는 질화물계 화합물반도체는 시간이 지남에 따라 두겁게되어 잉고트(도시되지 않음)가 성장된다. 이 때, 지지대(17)를 등속 회전하면서 하부로 이동되도록 하여 성장되는 잉고트의 직경을 일정하게 제어하면서 결정 성장이 고온 영역의 일정한 높이에서 진행되도록하여 성장된 질화물계 화합물반도체가 균일한 특성을 갖도록 한다.
상기에서 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트는 시료용기(13) 내의 시료(15)가 고갈될 때 까지 성장될 수 있다.
단계(S6)은 질화물계 화합물반도체의 결정 성장에 의한 단결정 잉고트의 성장이 완료되면 전기로(27)의 온도를 상온이 되도록 한다. 이 때, 제 1 가스주입구(25)를 통해 암모니아(NH3) 가스와 제 2 가스주입구(23)를 통해 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 연속해서 주입하면서 전기로(27)에 인가되는 전류를 제어하여 온도를 서서히 냉각하여 결정 성장된 잉고트의 특성이 저하되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이 성장된 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트는 얇은 두께로 레이저 등으로 커팅(cutting)한 후 연마 등의 가공에 의해 반도체기판을 만들 수 있다.
따라서, 본 발명은 질화물계 화합물반도체를 잉고트로 성장한 후 커팅 및 연마 가공하여 질화물계 화합물반도체기판을 만들므로 대량 생산이 가능하여 생산성이 향상되는 잇점이 있다.

Claims (8)

  1. 수직되게 설치된 반응관과,
    상기 반응관 내의 상부에 상하 또는 좌우로 진동되게 설치되어 내부에 담긴 미세한 분말 상태의 질화물계 시료를 하부에 형성된 미세한 구멍을 통해 외부로 배출하는 시료용기와,
    상기 반응관 외부의 소정 부분에 설치되어 상기 반응관 내부에 고온 영역을 한정하는 전기로와,
    상기 반응관 내부의 고온 영역에 질화물계 화합물반도체의 시드가 실장되며 등속 회전과 동시에 서서히 하부로 이동되게 설치된 지지대와,
    상기 반응관 상부에 반응가스와 분위기 가스를 각각 주입하는 제 1 및 제 2 가스주입구와,
    상기 반응관 하부에 설치되어 질화물계 화합물반도체를 결정 성장한 후의 가스를 상기 반응관 외부로 배출하는 배기구를 포함하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 제 1 가스주입구가 상기 지지대 상에 실장된 시드 높이 정도에 위치되도록 길게 연장되게 설치된 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조장치.
  3. 미세한 분말 상태의 질화물계 시료를 담은 시료용기를 상하 진동이 가능하도록 반응관의 상부에 설치하고 시드를 전기로에 의해 상기 반응관 내부의 한정되는 고온 영역에 위치되게 지지대에 실장하는 단계와,
    상기 반응관 내부를 불활성 가스의 대기압 상태로 만드는 단계와,
    상기 전기로를 가열하여 시드를 가열하고 상기 시드가 열적으로 분해되지 않도록 상기 반응관 내에 질소를 포함하는 반응가스를 주입하는 단계와,
    상기 전기로의 온도를 증가시킨 후 시료용기 내의 분말 상태의 질화물계의 시료를 하부의 구멍을 통해 균일하게 배출하여 고온 영역에서 용융시키면서 질소를 증발시켜 분해하는 단계와,
    상기 질소가 증발된 시료를 상기 반응가스와 반응시켜 상기 시드에 의해 재결정되게 결정 성장하되 상기 시료용기 내의 시료가 고갈될 때 까지 결정 성장하는 단계를 구비하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서 상기 시료가 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN) 또는 AlGaInN인 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서 상기 반응가스를 지지대가 500∼700℃의 온도가 될 때 주입하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
  6. 청구항 3에 있어서 상기 시료용기 내의 시료를 1000∼1500℃의 온도에서 진동하여 외부로 배출하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
  7. 청구항 3에 있어서 상기 질화물계 화합물반도체를 상기 지지대를 등속 회전시키면서 하부로 이동시켜 결정 성장하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
  8. 청구항 3에 있어서 상기 결정 성장된 잉고트를 상기 반응관 내에 분위기 가스와 불활성 가스를 연속해서 주입하면서 상기 전기로의 온도가 서서히 냉각되게 제어하는 단계를 더 구비하는 질화물계 화합물반도체의 단결정 잉고트 제조방법.
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