KR100338390B1 - 하층기판-승화법에 의한 질화갈륨 후막의 제조방법 및반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GaN 반도체 후막기판의 제조용 반응장치 및 이를 이용한 GaN 후막기판의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 전기로(3) 내부에 수정관(4)이 위치하며, 수정관(4) 내부에 반응용기(5)가 위치하고, 반응용기(5)는 상부에 GaN 분말 적재용턱(5-1)이 형성된 것을 특징으로 하며, 본 발명의 제조 방법은 상부에 GaN 분말을 위치시키고, 하부에 기판을 위치시킨 후, 1000-1100℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 반응을 진행시켜 후막을 형성한 후 열처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여 얻어진 기판은 GaN 후막의 결정성, 표면구조 및 승화효율이 우수하다.

Description

하층기판-승화법에 의한 질화갈륨 후막의 제조방법 및 반응장치{Preparation of Thick Film of Gallium Nitride by lower-layer Substrate-Sublimation and Reaction Apparatus Thereof}

본 발명은 GaN의 후막의 제조방법 및 그 반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 GaN 분말의 단일쏘스를 얻어서 이를 이용하여 승화효율이 향상되고, 결정성 및 표면구조가 좋은 양질의 GaN 후막결정을 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.

GaN를 위주로 한 III-V 질화물의 기술은 전문가들의 예측보다 빠르게 진보하고 있고, 차세대 영상기기로 떠오르는 레이저 다이오드, 발광소자(LED; light emitting diode), 옥외광고판과 DVD(digital video disc)의 시장신장에 대한 기대로 인하여 99년도에 가장 뜨거운 개발경쟁 대상인 재료기술로 인정되었다. 예로 GaN의 청색 LED의 보급은 날로 확대되고 있어서 서울 시내만도 수십 개의 총천연색 고해상도 옥외광고판에 설치되었다. 최근에는 일본의 Nichia사와 Matsusida는 GaN LD를 이용해 15-Gbyte를 한 장의 CD에 저장할 수 있는 차세대 DVD를 발표하였다.

국내에서도 96년부터 III-V 질화물 개발을 시작하여 각종 개발을 위한 경쟁이 매우 치열하다. 그러나 레이저 다이오드뿐만 아니라 전기소자의 상용화를 위해서는 고품질의 결정성장이 요구되기 때문에 적절한 기판의 선택이 매우 중요하다. 현재 GaN용 기판으로 가장 많이 사용되고 있는 것은 사파이어이지만 GaN와의 큰 격자상수의 차이(약 15%) 및 열팽창계수의 차이(약 25%)로 인해 AlN 혹은 GaN 완충층을 사용해야 하며 그 품질 또한 10⁸-10⁹cm^-2정도의 결함이 발생되어 전기 및 광학적 소자로서의 신뢰성이 매우 약하다. 그리고 SiC 기판의 경우에는 고가일 뿐만 아니라 표면처리가 문제점으로 대두되고 있다. 이 밖에 Spinnel, ZnO, LiGaO₂, LiAlO₂등 여러 재료가 GaN용 기판으로서 고려되고 있다.

위의 문제를 해결하기 위한 최상의 방법은 GaN와 격자정합을 이루는 GaN 기판을 이용하는 방법이다. 이는 GaN 증착시 가장 문제로 대두되고 있는 결함을 감소시켜 고품질의 GaN 박막을 증착할 수 있기 때문이다. 최근 일본의 Sakai 등은 상층기판-승화법을 이용하여 GaN 단결정을 성장한바 있다. 지금까지 GaN의 후막성장을 위한 방법으로 상층기판-승화법이 사용되어져 왔다. 여기서 상층기판-승화법이란 GaN를 승화시킬 때 GaN의 쏘스를 하층에 놓고, 승화될 기판을 상층에 놓음으로써 그 기판의 밑면에서 GaN의 승화와 결정성장이 이루어지는 경우이다. 그러나 상층기판-승화법의 경우, 아직 낮은 승화효율, crack 및 결함의 발생 등으로 인한 기술적 응용에 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개발된 하층기판-승화법의 기술로서 GaN 후막을 제조하여, 이를 통해 결정성, 표면구조, 그리고 승화효율이 한층 향상된 GaN 후막의 제조방법 및 이에 사용되는 반응장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 GaN 후막성장에 대한 반응장치를 나타내는 단면도이고,

도 2, 3과 4는 각각 실시예 1에 의해 얻어진 후막결정의 주사현미경, PL과 X-선 회절 사진,

도5는 비교예 1에 의해 얻어진 후막결정의 주사현미경 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : GaN 분말, 2 : 기판

3 : 전기로, 4 : 수정관

5 : 반응용기, 5-1 : 턱

본 발명의 제조방법은 GaN의 단일쏘스를 제조한 후, 열처리에 의해 안정된분말을 형성한 다음, 이를 하층기판-승화법에 의해 GaN의 후막을 제작하는 것으로 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 제조방법은 GaN 후막성장이 수정관 내의 실리콘-카바이드로 코팅된 흑연 반응관내에 GaN 분말 단일쏘스를 놓은 후 그 아랫부분에 5∼20 mm 간격으로 기판을 놓는 하층기판-승화법의 기술을 통해 이루어 지며, 이를 통해 20∼1000??m 두께 및 1cm×1cm∼1″×1″ 크기의 GaN 후막을 제조할 수 있다.

본 발명의 반응장치는 도1과 같이 구성된다.

도1은 본 발명의 반응장치의 단면도로서, 전기로(3) 내부에 수정관(4)이 위치하며, 수정관 내부에 반응용기(5)가 위치한다. 반응용기(5)는 실리콘 카바이드로 코팅된 흑연으로 제조된다. 반응용기(5)의 하부에는 기판(2)이 위치하게 되며, 상부에는 GaN 분말(1)이 위치하게 된다.

종래의 상층기판-승화법에 의한 GaN 기판제작의 문제점으로 갈륨원자와 질소 원자에 대한 vacancy발생 및 GaN의 분해등으로 인한 crack의 형성 및 낮은 갈륨원자 및 질소 원자의 결합률에 의한 승화의 비효율성 등을 지적할 수 있다.

본 발명의 제조방법은 도1에 도시된 바와 같은 반응장치를 이용하여 하층기판-승화법에 의하여 GaN 기판을 제조한다.

반응이 시작되기 전, 진공펌프를 이용하여 장치 내의 기압이 1×10^-4torr 정도의 진공도에 도달할 때까지 진공을 걸어서 장치내의 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 불순물을 제거한 후 GaN 분말(1)을 반응용기(5)의 상부에 형성된 턱(5-1)에 기판(2)은 반응용기(5)의 하부에 위치시킨다. GaN 분말과 기판(2) 사이의 적절한 간격은 5-20 mm이다. 그 이유로는 상기 범위 미만의 경우에는 짧은 거리로 인해 암모니아 기체에 의한 갈륨원자와 질소 원자와의 결합을 보충하기에 어려운 문제점이 있고, 상기 범위를 초과할 경우에는 장거리로 인한 GaN분자의 도달거리 부족의 문제점이 있다.

GaN 분말의 적절한 승화온도는 1000 - 1100℃이다. 상기 범위 미만의 경우에는 GaN의 승화효율이 낮고, 상기 범위를 초과할 경우에는 갈륨과 질소의 분해가 이루어져 GaN 결정성장에 어려움이 생긴다. 이러한 분해를 방지시키기 위하여는 반응장치 내에 암모니아와 질소를 기체흡입기를 이용하여 4:1 내지 1:1 의 비율로 공급하는 것이 바람직하다.

상기 온도에서 1 내지 4시간 승화가 진행되면 20내지 1000 ㎛ 두께의 GaN 후막이 얻어지다. 이후 반응장치내의 온도를 상온으로 내려 주고 800℃에서 1시간 정도의 열처리과정을 거치게 되면 결정성장된 GaN 기판이 얻어진다. 얻어진 결정성장된 GaN는 레이저를 이용하여 표면처리되어, 세척된다.

본 발명의 실시예는 아래와 같다.

<실시예>

승화법에 의한 단결정 후막성장을 위해 기판을 세정하였다. 세정과정으로는 trichloroethylene, acetone, methanol에 순차적으로 각각 3분간 초음파 세척을 한 후 기판시료를 준비하였다. 도 1과 같은 고안장치를 통해 GaN의 승화가 시도되었다. 즉, GaN 분말의 단일쏘스를 이용하여 기판에 GaN를 승화시키는 하층기판법이 사용되었다. 이 때 기판과 GaN 분말사이의 간격은 5 mm로 하였다. 한편 승화시 반응관 내의 불순물을 제거시키기 위해 진공펌프가 사용되어 1×10^-4torr 정도의 진공도가 유지되었다. 이와 같이 불순물을 제거한 후에 섭씨 1080도에서 2시간 동안 승화가 이루어졌다.

특히, 갈륨과 질소의 분해를 막기 위해 상압의 암모니아와 질소기체가 1:1의 비율로서 기체흡입기를 통해 주입되었다. 원하는 결정성장이 이루어진 후에 섭씨 800도에서 열처리된 다음 GaN 기판이 반응관으로부터 꺼내진다. 제품이 꺼내진 다음 SEM, PL, XRD에 의한 평가가 이루어진다.

이에 대한 평가의 예가 도 2, 3, 4에서 보여진다. 제조된 GaN 기판의 두께는 20??m이었다. 도2의 도표는 GaN의 결정이 hcp 구조로서 기판면을 따라 성장한 것을 볼 수 있고, 도3의 경우는 UV근처에서 나오는 GaN의 광효율에 관련된 도표이다. 한편 도4는 GaN 결정이 기판방향(0001)으로 잘 성장된 것을 보여준다.

<비교예>

실시예 1과 동일하게 시행하되 하층기판법 대신 상층기판법을 사용하였다. 도5에서 확인되는 바와 같이, 이때 결정의 크기가 한층 작아지고, 표면구조의 균일성이 약해짐을 볼 수 있었다.

이상의 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 하층기판법을 이용해 승화법에 의한 GaN의 후막성장의 승화효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 표면구조 및 결정성의 향상을 유도하였다. 얻어진 기판은 대면적이 가능하여 생산원가를 절감할 수 있으며, 종래의 상층기판법에 의한 기판에 비해 결정성과 표면구조가 우수한 특성을 보인다.

Claims (5)

1. 전기로(3) 내부에 수정관(4)이 위치하며, 수정관(4) 내부에 반응용기(5)가 위치하고, 반응용기(5)는 상부에 GaN분말 적재용 턱(5-1)이 형성된 것을 특징으로 하는 GaN 후막기판 제조용 반응장치.
2. 제1항에 있어서, 반응용기(5)는 실리콘 카바이드 코팅된 흑연 재질인 것을 특징으로 하는 GaN 후막기판 제조용 반응장치.
3. 상부에 GaN 분말을 위치시키고, 하부에 기판을 위치시킨 후, 1000 - 1100℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 반응을 진행시켜 후막을 형성한 후 열처리하는 것을 특징으로 하는 GaN 후막기판의 제조방법
4. 제3항에 있어서, 반응이 진행되는 동안 암모니아와 질소를 기체 주입기를 이용하여 4:1 내지 1:1의 비율로 공급하는 것을 특징으로 하는 GaN 후막기판의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, GaN 분말과 기판의 간격이 5 - 20mm인 것을 특징으로하는 GaN 후막기판의 제조방법