KR20060096523A

KR20060096523A - 질화 갈륨 분말 제조방법

Info

Publication number: KR20060096523A
Application number: KR1020050017112A
Authority: KR
Inventors: 조성룡
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-13

Abstract

본 발명은 GaN 분말 제조방법에 관한 것으로서, 갈륨산화물인 GaOOH 분말을 GaN 분말을 합성하기 위한 출발물질로 하여 상기 GaOOH 분말을 암모니아 가스 분위기에서 고온으로 가열 반응시킴으로써 입자의 크기가 균일하고 품질이 좋은 GaN 분말을 제공하는 것을 특징으로 한다.

GaOOH, GaN 분말, X-선 회절강도, 암모니아 가스

Description

질화 갈륨 분말 제조방법{ Method for manufacturing GaN powder }

도 1은 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 실험기구의 구성도.

도 2는 본 발명의 GaN 분말 제조방법의 실시예를 보인 흐름도.

도 3는 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 생성 과정을 나타낸 흐름도.

도 4a는 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진.

도 4b는 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프.

도 5a는 800 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진.

도 5b는 800 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프.

도 6a는 1000 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진.

도 6b는 1000 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

100 : 석영 반응기 110 : 대기압 2단 전기로

120 : 석영 보트 131 : 제1가스 밸브

133 : 제2가스 밸브 135 : 제1압력 밸브

137 : 제2압력 밸브

본 발명은 갈륨산화물을 암모니아 가스 분위기에서 가열 반응시켜 GaN 분말을 생성하는 GaN 분말 제조방법에 관한 것이다.

GaN은 밴드 갭(band gap) 에너지가 3.39 eV 인 직접 천이형 광대역 반도체(wide bandgap semiconductor)로서 단파장 영역의 발광 소자와 고온 전자 소자로 크게 주목받고 있으며, 현재 연구가 활발하게 진행되고 있다.

예를 들면, GaN을 이용한 고휘도 청색, 녹색, 백색 및 자외선 발광 다이오드(LED)나 고집적 저장 소자 및 실온에서 연속 발진하는 고출력 반도체 레이저 다이오드(LD) 등에 대한 연구가 진행중이다.

GaN을 이용한 광전 소자의 발광효율은 다른 Ⅲ - Ⅴ족 화합물 반도체에 비해 매우 높은 것으로 알려져 있으며, GaN이 가지는 고효율 발광 특성과 화학적인 안정성을 고려하면 GaN 분말을 대면적 평판 표시소자 제작을 위한 소재로 응용할 수 있다.

GaN 분말을 대면적 평판 표시소자 제작을 위한 소재로 응용하는 경우, GaN 분말의 입자 크기와 형태 및 불순물의 오염 등을 엄격하게 제어할 필요가 있다.

일반적으로 GaN 분말은 금속 Ga 과 NH₃를 직접 반응시켜 생성하는데, 이에 대한 화학식은 다음과 같다.

2Ga + 2NH₃→2GaN + 3H₂O

상기 금속 Ga 과 NH₃를 1000 ℃ 이상의 온도에서 반응시키면 침상형 또는 판상형의 순수한 GaN 분말이 생성된다. 그러나, 생성되는 GaN 분말의 크기는 수 ㎛ 부터 수 ㎜ 까지 매우 넓은 분포를 보여 GaN 분말의 크기가 균일하지 않은 문제점이 있다.

그리고, 기계적 합금화 방법으로도 GaN 분말을 생성하였지만 분쇄 과정에서 스테인레스 스틸 볼로부터 발생하는 금속 입자들 (주로 Fe)에 의해 GaN 분말이 심하게 오염되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 갈륨산화물을 암모니아 가스 분위기에서 가열 반응시켜 입자의 크기가 균일하고 불순물이 없는 GaN 분말을 생성하는 GaN 분말 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 GaN 분말 제조방법의 실시예는, 갈륨산화물을 반응기에 주입하는 단계와, 상기 반응기의 온도를 상승시키는 단계와, 상기 반응기의 온도가 반응온도에 도달하는 경우, 암모니아 가스를 주입하여 상기 갈륨산화물과 반응시켜 GaN 분말을 생성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 암모니아 가스의 주입은 300 ~ 700 sccm 의 분량으로 주입하는 것을 특징으로 한다.

상기 갈륨산화물은 GaOOH 또는 Ga₂O₃ 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 GaOOH 는, Ga(NO₃)₃ ·H₂O 수용액과 NH₃ ·H₂O 수용액을 교반하는 단계와, 상기 교반한 수용액을 에이징(aging)하여 GaOOH 를 침전시키는 단계와, 상기 침전된 GaOOH 를 수거하여 세정한 후 건조시키는 단계로 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 반응온도는 800 ~ 1150 ℃ 인 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 GaN 분말 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 실험기구의 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이, GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말을 암모니아 가스(NH₃)와 반응시키는 석영 반응기(100)와, 상기 석영 반응기(100)의 온도를 조절하는 대기압 2단 전기로(110)와, 상기 GaOOH 분말을 담아두는 석영 보트(boat)(120)와, 상기 GaOOH 분말과 반응하는 암모니아 가스(NH₃)의 주입을 조절하는 제1가스 밸브(131)와, 상기 석영 반응기(100)의 내부를 정화하는 질소 가스(N₂)의 주입을 조절하는 제2가스 밸브(133)와, 상기 석영 반응기(100)의 내부를 진공배기하는 제1압력 밸브(135)와, 상기 석영 반응기(100)에서 생성되는 GaN을 수거하는 제2압력 밸브(137)로 구성하였다.

도 2는 본 발명의 GaN 분말 제조방법의 실시예를 보인 흐름도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 GaOOH 분말 1g 을 보트(boat)에 담아 석영 반응기(100)내의 대기압 2단 전기로(110)의 온도가 균일한 영역에 위치시킨다(S 10). 여기서 상기 GaOOH 분말을 담는 보트로는 열에 강하고 불순물이 거의 없는 석영 보트(120)를 사용한다.

이어서, 상기 석영 반응기(100)의 내부를 수 회의 펌핑(pumping)공정을 통하여 10^-3torr 의 진공으로 배기한다(S 11). 이때, 제1압력 밸브(135)는 열어주어 펌핑 공정을 수행하게 하고, 제2압력 밸브(137)는 닫아준다.

그 후, 제2가스 밸브(133)를 열어 N₂ 가스를 주입한다(S 12). 여기서 N₂ 가스는 상기 석영 반응기(100)의 내부를 정화하는 역할을 한다.

다음으로, 상기 대기압 2단 전기로(110)의 온도를 10 ℃/min 으로 승온시킨다(S 13). 그 후, 상기 대기압 2단 전기로(110)의 온도가 반응온도에 도달했는지를 확인한다(S 14).

상기 대기압 2단 전기로(110)의 온도가 반응온도에 도달하면 상기 제1가스 밸브(131)를 열어 NH₃ 가스를 주입하기 시작한다(S 15).

상기 반응온도는 800 ~ 1150 ℃ 로 하며, 상기 대기압 2단 전기로(110)의 온도가 상기 반응온도에 도달하는 경우 상기 제2압력 밸브(137)는 열어주어 상기 석영 반응기(100)에서 생성되는 GaN을 수거하기 시작한다(S 16).

여기서, 상기 NH₃ 가스를 300 ~ 700 sccm 의 분량으로 주입하여 상기 GaOOH 분말과 반응시킨다. 이때, 화학 반응식은 다음과 같다.

GaOOH + NH₃ →GaN + 2H₂O

도 3은 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 생성 과정을 나타낸 흐름도이다. 이에 도시된 바와 같이, 먼저 Ga(NO₃)₃ ·H₂O 를 0.1 mole/ℓ의 수용액 상태로 만든다(S 100).

그 후, 상기 Ga(NO₃)₃ ·H₂O (0.1 mole/)의 수용액에 1 N 암모니아 수용액( NH₃·H₂O )을 떨어뜨려 용액속의 수소이온농도가 pH : 9 가 되도록 한다(S 110).

이어서, 상기 Ga(NO₃)₃ ·H₂O 수용액과 1 N 암모니아 수용액( NH₃ ·H₂O )을 휘저은 후, 24 시간 동안 상온에서 에이징(aging)(물질을 적당한 온도에 장시간 방치함으로써 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하는 것)하여 GaOOH 을 침전시킨다(S 120).

다음으로, 상기 침전된 GaOOH 을 수거하여 증류수로 2회이상 세정하고, 에탄올로 1회 세정하여 불순물을 제거한다(S 130). 그리고, 상기 세정한 GaOOH 을 100 ℃ 온도로 건조시켜 GaOOH 분말을 만든다(S 140).

도 4a는 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 주사 전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscopy)사진이다. 주사 전자 현미경(SEM)은 진공 중에 놓여진 시료 표면을 1 ~ 100 ㎚ 정도의 미세한 전자선으로 x-y 의 이차원 방향으로 주사한 후 시료 표면에서 발생하는 2차 전자, 반사전자, 가시광 등의 신호를 검출하여 음극선관 화면상에 확대 표시하는 것으로서 이에 의하면 시료의 크기, 시료의 형태, 구성 원소의 분포 등을 알 수 있다.

이에 따라 도 4a를 살펴보면, 도 3에서 도시된 과정에 따라 생성된 GaOOH 분말(10)은 타원형으로서 층상의 구조를 보이고 있으며, 크기는 약 1~2 ㎛ 정도로 비교적 균일한 분포를 보이고 있음을 알 수 있다.

도 4b는 본 발명의 GaN 분말을 생성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프이다. 여기서, X-선 회절이란 결정 속의 원자가 규칙적으로 배열되어 있어서 X-선이 각 원자에 부딪치는 경우 이들 원자 속의 전자가 상기 X-선의 진동수와 같은 진동수로 진동하면서 이 진동을 근원으로 사방으로 퍼지는 전자파를 발생시키는 현상을 말한다.

상기 X-선 회절현상은 원자의 배열방법과 밀접하게 관련되어 있어서 상기 X-선 회절강도를 조사하면 결정구조에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다.

도 4b를 살펴보면, GaOOH 분말의 경우 (020), (110), (120), (130), (021), (101), (040), (111)... 등의 결정면에서 X-선 회절강도가 그 크기를 가짐을 알 수 있는데, 이는 (020), (110), (120), (130), (021), (101), (040), (111)... 등의 결정면에서 회절이 일어났음을 뜻하는 것이다.

그리고, 이것은 GaOOH 가 가지는 결정구조인 사방정계(Orthorhombic)구조의 회절 특성과 동일하다. 여기서, 도 3에서 도시된 과정에 따라 생성된 GaOOH 분말은 GaOOH 가 가지는 결정구조인 사방정계구조를 가짐을 알 수 있으며, 다른 상에 의한 회절이 나타나지 않은 사실로부터 비교적 순수하게 생성되었음을 알 수 있다.

도 5a는 800 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이에 도시된 바와 같이, 800 ℃ 에서 생성된 GaN 분말은 크기가 약 0.1 ㎛ 정도의 입자들이 서로 응집되어 있어 결정 형태를 구별하기가 곤란하다.

도 5b는 800 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 800 ℃ 에서 생성된 GaN 분말은 (101), (100), (002), (102), (110), (103), (200), (112) 등의 결정면에서 회절이 일어났는데, 이는 GaN이 가지는 결정구조인 육방정계(Hexagonal)구조의 회절특성과 동일하다.

여기서, 상기 800 ℃ 에서 생성된 GaN 분말은 GaN이 가지는 결정구조인 육방정계구조를 가지며, 다른 상에 의한 회절이 나타나지 않은 것으로 보아 비교적 순수하게 생성되었음을 알 수 있다.

도 6a는 1000 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이에 도시된 바와 같이, 1000 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말(20)은 800 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말과 달리 결정 형태가 판상의 육각형으로 잘 형성되어 있으며, 크기도 0.2 ~ 0.3 ㎛ 로 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다.

도 6b는 1000 ℃ 에서 생성된 본 발명의 GaN 분말의 X-선 회절강도를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 1000 ℃ 에서 생성된 GaN 분말은 800 ℃ 에서 생성된 GaN 분말과 마찬가지로 (101), (100), (002), (102), (110), (103), (200), (112) 등의 결정면에서 회절이 일어나 GaN이 가지는 구조인 육방정계구조를 가짐을 알 수 있다.

그리고, X-선 회절강도는 800 ℃ 에서 생성된 GaN 분말의 X-선 회절강도보다 증가하였고, 반치폭이 매우 좁게 형성되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 본 발명에 의해 생성된 GaN 분말이 매우 좋은 품질을 가지고 있음을 나타내주는 것이다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

본 발명은 GaN 분말을 합성하기 위한 출발물질인 GaOOH 분말을 암모니아 가스 분위기에서 가열 반응 시킴으로써 입자의 크기가 균일하고 품질이 좋은 GaN 분말을 제공하는 효과가 있다.

Claims

갈륨산화물을 반응기에 주입하는 단계;

상기 반응기의 온도를 상승시키는 단계; 및

상기 반응기의 온도가 반응온도에 도달하는 경우, 암모니아 가스를 주입하여 상기 갈륨산화물과 반응시켜 GaN 분말을 생성하는 단계로 이루어지는 GaN 분말 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 암모니아 가스의 주입은 300 ~ 700 sccm 의 분량으로 주입하는 것을 특징으로 하는 GaN 분말 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 갈륨산화물은 GaOOH 또는 Ga₂O₃ 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 GaN 분말 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 GaOOH 는,

Ga(NO₃)₃ ·H₂O 수용액과 NH₃ ·H₂O 수용액을 교반하는 단계;

상기 교반한 수용액을 에이징(aging)하여 GaOOH 를 침전시키는 단계; 및

상기 침전시킨 GaOOH 를 수거하여 세정한 후 건조시키는 단계로 생성하는 것을 특징으로 하는 GaN 분말 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 반응온도는 800 ~ 1150 ℃ 인 것을 특징으로 하는 GaN 분말 제조방법.