KR20010091386A

KR20010091386A - ＶＧＦ법에 의한 ＧａＡｓ 단결정 성장시 단결정 확보를위한 Ａｓ 증기압 제어방법

Info

Publication number: KR20010091386A
Application number: KR1020000013029A
Authority: KR
Inventors: 오명환
Original assignee: 오명환; 네오세미테크 주식회사
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-10-23

Abstract

본 발명은 VGF법에 의한 GaAs 단결정 제조를 위한 반응관 압력 제어방법에 관한 것으로, 특히 수직 경사응고(Vertical Gradient Freeze: VGF)법에서 석영 반응관을 이용한 GaAs 단결정 성장시 GaAs 단결정 성장의 성패를 기본적으로 좌우하는 As 증기압 유지를 위한 방법으로 As 원소가 갖는 고유 특성을 감안하여 원하는 제어가 용이하게 하여 양질의 단결정성 확보를 위한 As 증기압 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 석영관을 사용하는 VGF법에 의해 GaAs 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 As 증기압 제어방법에 있어서, 상기 석영관의 부피, 온도 및 제어압력을 고려하여 GaAs 용융액이 갖는 평형 해리압을 상쇄할만한 As 증기압을 유지할 수 있는 분량만큼의 과잉 As를 미리 정산한 후 석영관내에 장입하여 As 증기압을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＶＧＦ법에 의한 ＧａＡｓ 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 Ａｓ 증기압 제어방법{Method for Controlling As Vapor Pressure to Ensure Monocrystal on Growing GaAs Monocrystal by Means of VGF Method}

본 발명은 VGF법에 의한 GaAs 단결정 제조를 위한 반응관 압력 제어방법에 관한 것으로, 특히 수직 경사응고(Vertical Gradient Freeze : 이하 VGF라 약칭함)법에서 석영 반응관을 이용한 GaAs 단결정 성장시 GaAs(갈륨 비소) 단결정 성장의 성패를 기본적으로 좌우하는 As(비소) 증기압 유지를 위한 방법으로 As 원소(5족 화합물)가 갖는 고유 특성을 감안하여 원하고자 하는 제어가 용이하게 하여 양질의 단결정성 확보를 위한 As 증기압 제어방법에 관한 것이다.

종래 진행되어져 왔던 GaAs 단결정 성장실험의 기본 방법은 외부적으로 온도제어에 의해서만 증기압 제어를 하는 방법이다. 따라서 장치에의 종속성이 컸다.

이것은 밀봉된 석영관에 GaAs 원료를 장입하여 1250℃-1260℃ 정도의 고온부와 610℃-630℃ 정도의 저온부로 나누어 각 부위별 온도를 제어하여 단결정을 성장시키는 방법이다.

여기에서 저온부 온도를 제어하는 목적은 석영관내의 As 증기압을 일정하게 유지하게 하여 GaAs가 용해되면서 생성될 때 표면에서 해리되어 As 성분이 이탈되고자 하는 경향을 억제하기 위한 것이다.

그런데 As 원소가 고체 상태에서 As 단원자(mono-atam) 상태이나 기체 상태에서는 As₄또는 As₂등의 다원자(Poly-atom) 상태를 이루는 고상, 기상간의 외부적인 온도만으로는 일정한 평형 증기압을 유지할 수 없다.

이러한 종래 방법은 증기압의 기본 정의와도 위배되는 것으로 일정 온도에서 고유하게 갖는 평형 증기압을 유지하기가 어렵다는 것을 말해준다.

따라서 그 동안의 많은 실험 보고서에 의하여 같은 성장조건이라 해도 결과가 서로 다르거나 또한 증기압 데이타에 대한 일관적 근거가 없는 것이 바로 이러한 As 원소의 난해한 특성에 기인하기 때문이다.

즉, 이것을 다시 설명한다면 GaAs 성장법의 경우엔 GaAs 융액-고체-As 증기상간의 3상 평형상태의 관건이 저온부의 As 온도에 따라 좌우된다는 매우 단편적인 사실에 근거하는데, 이 방법의 경우 장입된 GaAs량, 석영관 부피, 내부진공도, 내부 청정도 및 성장온도 분포, 성장시간 등의 헤아릴 수 없는 정도의 많은 변수에 따라 같은 저온부 온도라도 증기압이 달라지기 때문이다.

따라서 원하는 증기압 제어 및 단결정 성장의 재현성을 위해서는 상기한 공정 영향에 의한 편차를 없애주어야 한다.

그러므로 전술한 바에 의해 As 원소가 기화되어 As, As₄, As₂등으로 변할 때 이들은 주변온도에 따라 평형분압을 다르게 가지므로 종래 방법대로 단결정을 성장시킬 경우에는 석영 반응관내에 As-증기상들의 불안정성이 야기되어 원하는 조성비 제어가 불가능한 문제점이 있는 것이다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 수직 경사응고(VGF)법에서 석영 반응관을 이용한 GaAs 단결정 성장시 GaAs(갈륨 비소) 단결정 성장의 성패를 기본적으로 좌우하는 As(비소) 증기압 유지를 위한 방법으로 주어진 석영관 부피와 온도분포 및 제어압력을 감안한 As2 및 As3 기체상의 몰수를 정산하여 장입함에 의해 양질의 단결정성 확보가 가능한 As 증기압 제어방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 GaAs 단결정 제조를 위한 반응관 압력 제어방법을 설명하기 위한 VGF 단결정 제조장치의 단면도이다.

( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 )

1 : 석영관 2 : GaAs 단결정

3 : GaAs 용융액 4 : GaAs 시이드

5 : 과잉 As 6 : 고온 서스셉터

7 : 저온 서스셉터 8 : 밀봉부

9 : 히터 10 : 석영보우트

11 : 관측창

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 석영관을 사용하는 VGF법에 의해 GaAs 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 As 증기압 제어방법에 있어서, 상기 석영관의 부피, 온도 및 제어압력을 고려하여 GaAs 용융액이 갖는 평형 해리압을 상쇄할만한 As 증기압을 유지할 수 있는 분량만큼의 과잉 As를 미리 정산한 후 석영관내에 장입하여 As 증기압을 제어하는 것을 특징으로 하는 GaAs 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 As 증기압 제어방법을 제공한다.

이러한 단결정 제조에 있어서 본 발명의 특징은 As 원소들의 불안정한 열화학적 특성을 감안하여 미리 석영관을 채울만한 As 증기상의 총 몰수를 정산하여 장입하므로써, As 고체가 기화하여 내부 분위기를 채웠을 때 저온부가 10℃의 온도 편차가 있어도 내부 기압상으로는 0.01기압 정도의 편차만이 발생하게 하려는 것이다.

이것은 기존 방법에 의해 10℃의 저온부 온도 편차가 있을 때 0.2기압만큼 변한다. 반면에 본 발명에 의해서는 1/20 정도로 그 영향이 감소하므로 정확한 조성비 제어가 가능하게 되는 것이고, 온도 편차 등에 의한 증기압의 불안정성 및 부정확성을 제거할 수 있게 되는 것이다.

상기한 바와같이 본 발명에서는 수직 경사응고(VGF)법에서 석영 반응관을 이용한 GaAs 단결정 성장시 GaAs(갈륨 비소) 단결정 성장의 성패를 기본적으로 좌우하는 As(비소) 증기압 유지를 위해 As원소(5족 화합물)가 갖는 고유 특성을 감안하여 원하고자 하는 제어가 용이하도록 고체As가 밀봉된 석영관안 또는 석영 반응관내에 필요 용량만큼 정산, 장입되어 저온부가 610-630℃, 고온부가 1240-1260℃만큼 가열되어 GaAs 융액이 형성되었을 때 As 증기가 적당한 증기압(약 1기압)을 갖게 함으로써 양질의 단결정성 확보가 가능하다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1은 GaAs 단결정 제조장치에 대한 단면도이다.

단, 여기에서 VGF법에 의한 일반적인 단결정 제조방법에 관해서는 이미 공지된 사항이므로 그 구체적인 설명을 생략한다.

우선 단결정 제조를 위해서는 세척된 석영관(1) 내에 미리 준비된 GaAs 다결정과 결정 원료 용액이 배치된다.

또한 석영관 일측에는 6N 이상의 고순도 과잉 As(5)가 약 5-15g정도 장입되어진다. 이러한 상태에서 석영관(1)의 양끝은 밀봉이 되고, 도시되지 않은 진공펌프에 의해 석영관(1)의 내부 기압이 10^-6torr 정도가 되도록 진공상태를 유지시킨다.

석영관(1)이 진공을 유지하면 그의 석영관(1)과 장입원료의 휘발성 산화물, 습기, 탄소질 물질 등을 제거하기 위해 진공상에서 가열, 환원된다.

그후 상기 진공상태의 석영관(1)을 히터(9)가 장착된 2영역 경사동결용 저온 서스텝터(7)와 고온 서스텝터(6)의 내부에 배치시킨다.

이때 과잉 As(5)는 2영역을 갖는 서스텝터에서 저온 서스텝터(7)에 위치하게 되며 그의 온도는 610℃-630℃로서 latm의 비소 증기압을 산출하기 위해 조절된다.

또한 Ga를 포함하는 석영보우트(10)는 고온 서스텝터(6)의 고열한계에 위치하여 1250℃-1260℃까지 가열된다. 고/저온 서스텝터(6,7)가 가열이 되면, 과잉 As(5)는 증기상에 의해 고온 갈륨으로 이동되고, 그 곳에서 서로 반응하여 GaAs를 형성한다. 그 결과로서 GaAs 다결정은 저 전위밀도의 GaAs 시이드(Seed)(4)를 사용하여 GaAs 단결정(2) 성장을 시작한다.

이 GaAs 단결정(2) 성장 과정은 고온 서스텝터(6)의 상단에 설치된 관측창(11)을 통해서 관찰할 수 있게 된다. 고온영역 온도는 제어된 비율로 감소되어 단결정 성장을 초래한다.

한편, 석영관(1) 내에서 GaAs 용융액(3)의 조성을 결정짓는 것은 저온 서스텝터(7)의 온도 기울기에 따른 As 증기압인데, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 결정원료용액이 갖는 평형 해리압을 상쇄할만한 As 증기압 유지분량 만큼의 총 몰수에 해당되는 과잉 As(5)를 미리 정산하여 장입하게 된다.

그러므로 과잉 As 고체가 저온 서스텝터(7)의 610℃-630℃, 단결정은 2-3℃/㎝의 온도구배, 3-5㎜/hr의 성장속도로 성장되어진다.

이때 저온 서스텝터(7)의 저온부가 10℃의 온도편차가 있어도 As 증기압의 영향에 의해 실질적으로는 0.01기압 정도의 편차만이 있게 되는 것이다.

이러한 As 증기압에 따라 고온 서스텝터(6)와 저온 서스텝터(7)에 의한 온도편차에 의해서 석영관(1) 내에서의 평형 해리압이 유지되어져 결정 원료용액 중 As원소가 기화되어 As₄, As₂등으로 변할지라도 As 증기상들의 불안정성을 해소시키게 되는 것이다.

이후 냉각방법은 GaAs 고체의 소성변형영역인 800℃까지는 1℃/min으로 유지시키고 그 이하는 5℃/min 정도로 석영관(1)의 내부온도를 하강시킨다.

이렇게 성장시킨 결과 Si 첨가된 GaAs에서 10³-10⁴㎝^-2의 EPD(Etch Pit Density), 10¹⁷-10¹⁸㎝^-3의 전자 농도 및 2,000-4,000Cm/Vsec의 전자 이동도를 갖는 양질의 저 전위밀도의 단결정을 얻을 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명에서는 As 원소들의 불안정한 열화학적 특성을 감안하여 미리 석영관을 채울만한 As 증기상의 총 몰수를 정산하여 장입하므로써, As 고체가 기화하여 내부 분위기를 채웠을 때 저온부가 10℃의 온도 편차가 있어도 내부 기압상으로는 0.01기압 정도의 편차만이 발생하게 된다.

이것은 기존 방법에 의해 10℃의 저온부 온도 편차가 있을 때 0.2기압만큼 변하는데 비하여 본 발명에서는 1/20 정도로 그 영향이 감소하므로 정확한 조성비 제어가 가능하게 되며, 온도 편차 등에 의한 증기압의 불안정성 및 부정확성을 제거할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 As 증기압 제어방법에 의하면 GaAs 융액이 생성될 때 표면에서 해리되어 As 성분이 이탈되는 결점을 해소할 수 있으며, 또한 반응관내의 안정성 유지와 조성비 제어로서 양질의 GaAs 단결정성을 얻을 수 있다.

상기한 바와같이 본 발명에서는 수직 경사응고(VGF)법에서 석영 반응관을 이용한 GaAs 단결정 성장시 GaAs 단결정 성장의 성패를 좌우하는 As 증기압 유지를 위해 As 원소가 갖는 고유 특성을 감안하여 원하는 제어가 용이하도록 고체 As가 밀봉된 석영관 안 또는 석영 반응관 내에 필요 용량만큼 정산, 장입되어 저온부가 610-630℃, 고온부가 1240-1260℃만큼 가열되어 GaAs 융액이 형성되었을 때 As 증기가 적당한 증기압(약 1기압)을 갖게 함으로써 양질의 단결정성 확보가 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

석영관을 사용하는 VGF법에 의해 GaAs 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 As 증기압 제어방법에 있어서,

상기 석영관의 부피, 온도 및 제어압력을 고려하여 GaAs 용융액이 갖는 평형 해리압을 상쇄할만한 As 증기압을 유지할 수 있는 분량만큼의 과잉 As를 미리 정산한 후 석영관내에 장입하여 As 증기압을 제어하는 것을 특징으로 하는 GaAs 단결정 성장시 단결정 확보를 위한 As 증기압 제어방법.