WO2023085603A1 - 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 - Google Patents

질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비 Download PDF

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신정훈
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신정훈
주식회사 비투지홀딩스
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
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    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C30B29/406—Gallium nitride

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for producing a gallium nitride single crystal film through gallium nitride single crystal growth, and more particularly, to an apparatus for growing a gallium nitride single crystal through a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. .
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • Gallium Nitride is a direct transition compound semiconductor with a wide band gap of 3.4 eV, high breakdown electric field, excellent electron saturation rate, and high thermal conductivity. Compared to semiconductor or oxide materials, it has excellent material properties and is attracting attention as a next-generation material. Gallium nitride substrates are applied to various fields such as ultra-high efficiency LEDs and power semiconductors.
  • Gallium nitride single crystal films are classified into epi, thick, and bulk depending on the thickness.
  • Epi usually refers to a gallium nitride film grown to a thickness of several hundred nm or several ⁇ m
  • thick film refers to a gallium nitride film grown to a thickness of several tens to hundreds of ⁇ m
  • bulk refers to a gallium nitride film grown to a thickness of mm or more.
  • Various growth methods for growing a single crystal of gallium nitride have been introduced, and examples thereof include a method of growing a single crystal of gallium nitride such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, and an ammonothermal method.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • ammonothermal method an ammonothermal method.
  • the HVPE method has the advantage of having a fast growth rate as a technology close to mass production.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a vertical hydride vapor deposition apparatus capable of growing a high-quality gallium nitride single crystal while implementing a high growth rate.
  • Hydride vapor deposition equipment for growing a single crystal of gallium nitride is a reaction furnace for forming a vertically arranged source zone and a growth zone, and is disposed in the source zone to form a source by a reaction between liquid gallium and hydrogen chloride gas.
  • a source gas generating container configured to generate gallium chloride gas, which is a gas, accommodating the source gas generating container and extending vertically to pass through the source zone to store the gallium chloride gas generated in the source gas generating container.
  • the source gas guide tube has a separation gas passage configured to eject a separation gas for separating the gallium chloride gas and the ammonia gas flowing into the growth chamber at a lower end thereof.
  • the separation gas passage may be formed as a through hole extending from an upper end to a lower end of the source gas guide tube.
  • a plurality of separation gas passages may be provided, and the plurality of separation gas passages may be arranged in a circumferential direction.
  • An outer end in a radial direction of a lower end of the source gas guide tube forming the separation gas flow passage may be formed to be located lower than an inner end in a radial direction.
  • the separation gas is ejected at the lower end of the source gas guide tube that guides the movement of the source gas to separate gallium chloride gas and ammonia gas, which are the source gases, so that unwanted gallium nitride is removed from the lower end of the source gas guide tube.
  • the formation of single crystals can be prevented.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a vertical hydride vapor deposition equipment according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a bottom view of a source gas guide tube of the vertical hydride vapor deposition apparatus of FIG. 1 .
  • a hydride vapor deposition apparatus includes a reactor 15 forming a source zone 11 and a growth zone 13 .
  • the reactor 15 may be formed of a quartz tube extending in a vertical direction, and may have a source zone 11 on top and a growth zone 13 below it.
  • Liquid gallium (Ga) 17 as a source metal is filled in the source gas generating container 19 disposed in the source zone 11 and reacts with the liquid gallium 17 to generate gallium chloride (GaCl) as a source gas.
  • Hydrogen chloride (HCl) gas is supplied to the source gas generating container 19.
  • hydrogen chloride gas may be supplied to a source gas generating container 19 through a hydrogen chloride supply pipe 21 .
  • Ammonia (NH 3 ) gas may be supplied to the growth zone 13 through an ammonia gas supply pipe 23 extending to the growth zone 13 via the source zone 11 . As shown in FIG.
  • a plurality of ammonia gas supply pipes 23 may be provided and may be arranged at equal intervals along the circumferential direction around the longitudinal (vertical) axis of the equipment.
  • a push gas such as nitrogen (N 2 ) gas is applied to the hydrogen chloride gas supply pipe 21 and the ammonia gas supply pipe 23 ) can be supplied.
  • These gases may be configured to be supplied to the hydride vapor deposition equipment according to an embodiment of the present invention from a gas cabinet (not shown).
  • the source gas generating container 19 accommodates liquid gallium 17, and hydrogen chloride gas is supplied into the source gas generating container 19 through the hydrogen chloride gas supply pipe 21 to form liquid gallium 17.
  • the gallium chloride gas generated by this reaction is discharged through a through hole 25 provided in the source gas generating container 19 and then moved downward to be supplied to the growth zone 13 .
  • the reaction between gallium and hydrogen chloride produces a hydrogen compound along with gallium chloride, and the generated hydrogen compound moves downward along with gallium chloride gas.
  • the source gas generating container 19 is disposed within the source gas guide tube 27, and the source gas guide tube 27 extends vertically so that a lower end thereof may be located in the growth zone 13.
  • a heater 31 for heating the source zone 11 is provided.
  • the heater 31 serves to heat the source zone 11 to create temperature conditions for generating source gas.
  • the heater 31 may be an electric heater installed around the source zone 11 and operate so that the source zone 11 is heated to approximately 700 to 900 °C.
  • the source gas guide tube 27 is formed in a tube shape to accommodate the source gas generating container 19 and introduce the gallium chloride gas generated in the source gas generating container 19 into the growth chamber 35. At the same time as being configured, gallium chloride gas and ammonia gas discharged from the ammonia gas supply pipe 23 react at the lower end to prevent unwanted gallium nitride single crystals from being formed. To this end, the source gas guide tube 27 is configured to eject separation gas from its lower end, as shown in FIG. 1 .
  • the source gas may be nitrogen gas.
  • Separation gas is ejected from the lower end of the source gas guide tube 27 to separate gallium chloride gas and ammonia gas from the lower end of the source gas guide tube 27 to prevent them from meeting each other, thereby preventing the separation of the source gas guide tube 27. It is possible to prevent unwanted formation of single crystals of gallium nitride at the lower end.
  • the source gas guide tube 27 may have a separation gas passage 29 formed to move the supplied separation gas to a lower end.
  • the separation gas passage 29 may be formed in the form of a through hole connecting the top and bottom of the source gas guide tube 27 .
  • FIG. 2 shows a bottom view of the source gas guide tube 27.
  • a plurality of, for example, three separation gas passages 27 are source gas guides through which gallium chloride gas, which is the source gas, moves. They may be arranged at equal intervals in the circumferential direction around the gas passage 28 of the tube 27 .
  • FIG. 2 illustrates a case in which three separation gas passages 27 are provided, the number and arrangement of the separation gas passages 27 are not limited to those shown and may be variously changed.
  • the outer end in the radial direction of the bottom of the source gas guide tube 27 may be formed to be longer than the inner end in the radial direction, that is, positioned further down. As a result, separation of the gallium chloride gas and the ammonia gas can be performed more reliably.
  • the gallium chloride gas passing through the source gas guide tube 27 and the ammonia gas passing through the ammonia gas supply pipe 23 are supplied to the growth chamber 35 where gallium nitride single crystals are grown.
  • a source gas guide tube 27 is disposed at the center of the reactor 15 and an ammonia gas supply pipe 23 is disposed around the source gas guide tube 27 . Further, the ammonia gas passes through the outside of the lower end of the source gas guide tube 27 and flows into the growth chamber 35 .
  • the ammonia gas supply pipe 23 is configured to pass through the source zone 11 where gallium chloride gas is generated, so that the ammonia gas flowing into the growth zone 13 can have a temperature suitable for producing gallium nitride. .
  • a sapphire substrate 39 fixed on the rotating rod 37 may be disposed in the growth chamber 35 .
  • the gallium chloride gas supplied to the growth chamber 35 reacts with the ammonia gas to generate gallium nitride, and the gallium nitride is grown as a gallium nitride single crystal film 41 on the sapphire substrate 39 .
  • a buffer layer, a stress relieving layer, and the like may be provided on the sapphire substrate 39, and a gallium nitride single crystal film may be formed thereon.
  • a heater 33 for heating the growth zone 13 is provided.
  • the heater 33 serves to heat the growth zone 13 so that a reaction between the ammonia gas and the source gas occurs and temperature conditions for gallium nitride single crystal growth are created.
  • the heater 33 may be an electric heater installed around the growth zone 13 and operate such that the growth zone 13 is heated to approximately 950 to 1,100 °C.
  • the rotating rod 37 extends upward from the lower side of the hydride vapor deposition equipment to the growth chamber 35, and the push gas inlet disposed at the lower part of the hydride vapor deposition equipment It is placed in the tube 43.
  • the rotating rod 37 may be formed of quartz.
  • a push gas for example nitrogen gas, is supplied upward through the lower end of the push gas inlet tube 43 and introduced into the growth chamber 35 .
  • the push gas moves in the direction of the arrow through the by-product gas discharge passage 45 together with the reaction by-product gas remaining after the gallium nitride single crystal is formed and is discharged to the outside.
  • the reaction by-product gas is a gas other than gallium nitride obtained by the reaction of gallium chloride and ammonia, and includes hydrogen chloride, ammonia, and the like.
  • the by-product gas discharge passage 45 is provided on the lower side of the growth zone 13 and extends in the transverse direction as shown in the drawing.
  • a gas discharge guide tube 47 is provided to guide the by-product gas and the push gas to move to the by-product gas discharge passage 45 .
  • the gas discharge guide tube 47 may be arranged coaxially to surround the push gas inlet tube 43 and may have a through hole 49 for gas discharge.
  • a support tube 51 may be disposed outside the gas discharge guide tube 47, and the support tube 51 may also have a through hole 53 for gas discharge.
  • a sealing member 55 for sealing gas between the push gas inlet tube 43 , the gas discharge guide tube 47 , and the support tube 51 may be provided at the lower end of the reactor 15 .
  • the push gas inlet tube 43, the gas discharge guide tube 47, and the support tube 51 may be formed of quartz tubes.
  • the top of the push gas inlet tube 43 is configured to be lower than the sapphire substrate 39 on which the gallium nitride single crystal film 41 to be grown is formed, and the top of the gas discharge guide tube 47. is configured to be higher than the silver sapphire substrate 39 .
  • through-holes 49 and 53 corresponding to the by-product gas discharge passage 45 are positioned lower than the upper end of the push gas inlet tube 43 . Due to this structure, the reaction by-product gas can be discharged to the gas discharge passage 45 after moving in a downward direction as indicated by an arrow and then moving in a lateral direction. By-product gas can be smoothly discharged by the flow direction of the by-product gas discharge.

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Abstract

질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비는 상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로, 상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기, 상기 소스 가스 생성 용기를 수용하며 상기 소스 존을 통과하도록 상하방향으로 연장되어 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스를 상기 성장 존으로 안내할 수 있도록 구성되는 소스 가스 가이드 튜브, 그리고 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버를 포함한다. 상기 소스 가스 가이드 튜브는 하측 단에서 상기 성장 챔버로 유입되는 상기 염화갈륨 가스와 상기 암모니아 가스를 분리시키기 위한 분리 가스를 분출할 수 있도록 구성되는 분리 가스 이동 통로를 구비한다.

Description

질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비
본 발명은 질화갈륨 단결정 성장을 통해 질화갈륨 단결정 막을 제조하기 위한 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이드라이드 기상 증착(HVPE, Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법을 통해 질화갈륨 단결정을 성장시키는 장치에 관한 것이다.
질화갈륨(GAN, Gallium Nitride)은 3.4 eV의 넓은 밴드갭, 높은 브레이크다운 전기장(breakdown electric field), 뛰어난 전자포화속도, 높은 열전도율을 갖는 직접 천이형 화합물 반도체로 사파이어, 규소, 탄화규소와 같은 다른 반도체나 산화물 소재에 비해 물질 특성이 뛰어나 차세대 재료로 각광받고 있다. 질화갈륨 기판은 초고효율급 LED, 전력 반도체 등 여러 분야에 적용되고 있다.
질화갈륨 단결정 막은 두께에 따라 에피, 후막, 벌크로 분류된다. 에피는 통상 수백 nm나 수 ㎛ 두께로 성장된 질화갈륨 막을 가리키며, 후막은 수십에서 수백 ㎛로 성장된 질화갈륨 막을 가리키고, 벌크는 mm 이상으로 성장된 질화갈륨 막을 가리킨다.
질화갈륨 단결정 성장을 위한 여러 가지 성장법이 소개되었으며, 예를 들어 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법, Ammonothermal법 등의 질화갈륨 단결정 성장법이 있다. 이러한 방법들 중 HVPE법은 양산에 근접한 기술로 빠른 성장 속도를 갖는다는 장점을 가진다.
HVPE법을 이용하는 기존의 하이드라이드 기상 증착 장비는 성장 속도의 향상과 더불어 제조되는 질화갈륨 막의 휨과 결함 등 품질 문제 개선이 요구되고 있다.
<선행기술문헌>
- 대한민국 등록특허공보 제10-0943091호(2010.02.10.)
- 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0084185호(2020.07.10.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 성장 속도를 구현하면서 고품질의 질화갈륨 단결정을 성장시킬 수 있는 수직형 하이드라이드 기상 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비는 상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로, 상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기, 상기 소스 가스 생성 용기를 수용하며 상기 소스 존을 통과하도록 상하방향으로 연장되어 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스를 상기 성장 존으로 안내할 수 있도록 구성되는 소스 가스 가이드 튜브, 그리고 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버를 포함한다. 상기 소스 가스 가이드 튜브는 하측 단에서 상기 성장 챔버로 유입되는 상기 염화갈륨 가스와 상기 암모니아 가스를 분리시키기 위한 분리 가스를 분출할 수 있도록 구성되는 분리 가스 이동 통로를 구비한다.
상기 분리 가스 이동 통로를 상기 소스 가스 가이드 튜브의 상단에서 하단으로 연장되는 관통홀로 형성될 수 있다.
상기 분리 가스 이동 통로는 복수로 구비될 수 있고, 상기 복수의 분리 가스 이동 통로는 원주방향을 따라 배열될 수 있다.
상기 분리 가스 이동 통로를 형성하는 상기 소스 가스 가이드 튜브의 하단의 반경방향 외측 단이 반경방향 내측 단보다 더 아래에 위치하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 소스 가스의 이동을 가이드하는 소스 가스 가이드 튜브의 하측 단에 분리 가스가 분출되어 소스 가스인 염화갈륨 가스와 암모니아 가스를 분리하도록 함으로써 소스 가스 가이드 튜브의 하측 단에 원하지 않는 질화갈륨 단결정이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 하이드라이드 기상 증착 장비를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 수직형 하이드라이드 기상 증착 장비의 소스 가스 가이드 튜브의 저면도이다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이드라이드 기상 증착 장비는 소스 존(source zone)(11)과 성장 존(growth zone)(13)을 형성하는 반응로(15)를 포함한다. 반응로(15)는 수직방향으로 연장되는 쿼츠 튜브로 형성될 수 있으며, 상부에 소스 존(11)을 구비하고 그 아래에 성장 존(13)을 구비할 수 있다.
소스 금속인 액상 갈륨(Ga)(17)이 소스 존(11) 내에 배치되는 소스 가스 생성 용기(19)에 채워지고, 액상 갈륨(17)과 반응하여 소스 가스인 염화갈륨(GaCl)을 생성하기 위한 염화수소(HCl) 가스가 소스 가스 생성 용기(19)로 공급된다. 도 1을 참조하면, 염화수소 가스는 염화수소 공급 관(21)을 통해 소스 가스 생성 용기(19)로 공급될 수 있다. 암모니아(NH3) 가스가 소스 존(11)을 경유하여 성장 존(13)까지 연장되는 암모니아 가스 공급 관(23)을 통해 성장 존(13)으로 공급될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 암모니아 가스 공급 관(23)은 복수로 구비될 수 있고 장비의 길이방향(상하방향) 축을 중심으로 원주방향으로 따라 등간격으로 배열될 수 있다. 한편, 도 1에 도시되지 않았으나, 염화수소 가스와 암모니아 가스의 공급 시 또는 공급 직후에 질소(N2) 가스와 같은 푸쉬 가스(push gas)가 염화수소 가스 공급 관(21)과 암모니아 가스 공급 관(23)을 통해 공급될 수 있다. 이러한 가스들은 도면에 도시되지 않은 가스 캐비닛(gas cabinet)으로부터 본 발명의 실시예에 따른 하이드라이드 기상 증착 장비로 공급되도록 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 소스 가스 생성 용기(19)는 액상 갈륨(17)을 수용하며, 염화수소 가스가 염화수소 가스 공급 관(21)을 통해 소스 가스 생성 용기(19) 내로 공급되어 액상 갈륨(17)과 반응한다. 이 반응에 의해 생성된 염화갈륨 가스는 소스 가스 생성 용기(19)에 구비되는 통공(25)을 통해 배출되고 그리고 나서 하방향으로 이동하여 성장 존(13)으로 공급된다. 갈륨과 염화수소의 반응에 의해 염화갈륨과 함께 수소화합물이 생성되며 생성된 수소화합물은 염화갈륨 가스와 함께 아래로 이동한다. 이때, 소스 가스 생성 용기(19)는 소스 가스 가이드 튜브(27) 내에 배치되며, 소스 가스 가이드 튜브(27)는 상하방향으로 연장되어 그 하단이 성장 존(13)에 위치될 수 있다.
소스 존(11)을 가열하기 위한 히터(31)가 구비된다. 히터(31)는 소스 존(11)을 가열하여 소스 가스의 생성을 위한 온도 조건이 만들어지도록 작용한다. 예를 들어, 히터(31)는 소스 존(11)의 둘레에 설치되는 전기 히터일 수 있으며, 소스 존(11)이 대략 700 내지 900 ℃로 가열되도록 작동할 수 있다.
소스 가스 가이드 튜브(27)는 튜브 형태로 형성되어 소스 가스 생성 용기(19)를 수용하고 소스 가스 생성 용기(19)에서 생성된 소스 가스인 염화갈륨 가스를 성장 챔버(35)로 유입시킬 수 있도록 구성됨과 동시에 하측 끝단에서 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관(23)에서 배출된 암모니아 가스가 반응하여 원하지 않는 질화갈륨 단결정이 형성되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다. 이를 위해 소스 가스 가이드 튜브(27)는 도 1에 도시된 바와 같이 그 하측 끝단에서 분리 가스를 분출할 수 있도록 구성된다. 예를 들어 소스 가스는 질소 가스일 수 있다. 소스 가스 가이드 튜브(27)의 하측 끝단에서 분리 가스가 분출되어 소스 가스 가이드 튜브(27)의 하측 끝단에서 염화갈륨 가스와 암모니아 가스를 분리시켜 서로 만나는 것을 방지함으로써, 소스 가스 가이드 튜브(27)의 하측 끝단에 원하지 않는 질화갈륨 단결정이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
소스 가스 가이드 튜브(27)는 공급된 분리 가스를 하측 끝단으로 이동시킬 수 있도록 형성된 분리 가스 이동 통로(29)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 분리 가스 이동 통로(29)는 소스 가스 가이드 튜브(27)의 상단과 하단을 연결하는 관통홀의 형태로 형성될 수 있다. 도 2에는 소스 가스 가이드 튜브(27)의 저면도가 도시되어 있으며, 도 2를 참조하면 복수, 예를 들어 세 개의 분리 가스 이동 통로(27)가 소스 가스인 염화갈륨 가스가 이동하는 소스 가스 가이드 튜브(27)의 가스 통로(28)의 주위에 원주방향으로 등간격으로 배열될 수 있다. 도 2에는 세 개의 분리 가스 이동 통로(27)가 구비되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나 분리 가스 이동 통로(27)의 개수 및 배열은 도시된 것에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 소스 가스 가이드 튜브(27)의 바닥의 반경방향 외측 단이 반경방향 내측 단보다 길도록, 즉 더 아래에 위치하도록 형성될 수 있다. 이에 의해 염화갈륨 가스와 암모니아 가스의 분리가 더 확실하게 이루어질 수 있다.
소스 가스 가이드 튜브(27)를 통과한 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관(23)을 통과한 암모니아 가스가 질화갈륨 단결정의 성장이 이루어지는 성장 챔버(35)로 공급된다. 도 1을 참조하면, 소스 가스 가이드 튜브(27)가 반응로(15)의 중심부에 배치되고 암모니아 가스 공급 관(23)이 소스 가스 가이드 튜브(27)의 주위에 배치된다. 그리고 암모니아 가스는 소스 가스 가이드 튜브(27)의 하단부의 외측을 지나 성장 챔버(35)로 유입된다. 이때, 암모니아 가스 공급 관(23)이 염화갈륨 가스가 생성되는 소스 존(11)을 통과하도록 구성됨으로써, 성장 존(13)으로 유입되는 암모니아 가스가 질화갈륨의 생성에 적합한 온도를 갖게 될 수 있다.
회전 로드(37) 상에 고정된 사파이어 기판(39)이 성장 챔버(35)에 배치될 수 있다. 성장 챔버(35)로 공급된 염화갈륨 가스와 암모니아 가스가 반응하여 질화갈륨이 생성되고, 생성된 질화갈륨은 사파이어 기판(39) 상에서 질화갈륨 단결정 막(41)으로 성장된다. 도면에 명시되지 않았으나, 사파이어 기판(39) 상에는 버퍼 층, 스트레스 완화 층 등이 구비될 수 있고, 질화갈륨 단결정 막이 그 위에 형성될 수 있다.
성장 존(13)을 가열하기 위한 히터(33)가 구비된다. 히터(33)는 성장 존(13)을 가열하여 암모니아 가스와 소스 가스의 반응이 일어나고 질화갈륨 단결정의 성장을 위한 온도 조건이 만들어지도록 작용한다. 예를 들어, 히터(33)는 성장 존(13)의 둘레에 설치되는 전기 히터일 수 있으며, 성장 존(13)이 대략 950 내지 1,100 ℃로 가열되도록 작동할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전 로드(37)는 하이드라이드 기상 증착 장비의 하측에서 상방향으로 연장되어 성장 챔버(35)까지 연장되며, 하이드라이드 기상 증착 장비의 하측 부분에 배치되는 푸쉬 가스 유입 튜브(43) 내에 배치된다. 예를 들어 회전 로드(37)는 쿼츠로 형성될 수 있다. 예를 들어 질소 가스인 푸쉬 가스가 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 하단을 통해 상방향으로 공급되어 성장 챔버(35)로 유입된다. 푸쉬 가스는 질화갈륨 단결정의 생성 후 남는 반응 부산물 가스와 함께 부산물 가스 배출 통로(45)를 통해 화살표 방향으로 이동하여 외부로 배출된다. 반응 부산물 가스는 염화갈륨과 암모니아의 반응에 의해 얻어지는 질화갈륨 외의 가스로 염화수소, 암모니아 등을 포함한다. 부산물 가스 배출 통로(45)는 성장 존(13)의 하측에 구비되며 도면에 도시된 바와 같이 횡방향으로 연장된다.
부산물 가스와 푸쉬 가스가 부산물 가스 배출 통로(45)로 이동하도록 가이드 하는 가스 배출 가이드 튜브(47)가 구비된다. 가스 배출 가이드 튜브(47)는 푸쉬 가스 유입 튜브(43)를 둘러싸도록 동축으로 배치될 수 있으며, 가스 배출을 위해 관통홀(49)을 구비할 수 있다. 이때, 가스 배출 가이드 튜브(47)의 외측에는 지지 튜브(51)가 배치될 수 있으며, 지지 튜브(51)도 가스 배출을 위한 관통홀(53)을 구비할 수 있다. 한편, 반응로(15)의 하단에서 푸쉬 가스 유입 튜브(43), 가스 배출 가이드 튜브(47), 지지 튜브(51) 사이의 가스 밀봉을 위한 밀봉 부재(55)가 구비될 수 있다. 푸쉬 가스 유입 튜브(43), 가스 배출 가이드 튜브(47), 지지 튜브(51)는 쿼츠 튜브로 형성될 수 있다.
이때, 도 1을 참조하면, 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 상단은 성장되는 질화갈륨 단결정 막(41)이 형성되는 사파이어 기판(39)보다 낮도록 구성되고, 가스 배출 가이드 튜브(47)의 상단은 사파이어 기판(39)보다 높도록 구성된다. 그리고 부산물 가스 배출 통로(45)와 대응하는 관통홀(49, 53)은 푸쉬 가스 유입 튜브(43)의 상단보다 낮게 위치하도록 구성된다. 이러한 구조에 의해 반응 부산물 가스가 화살표로 표시된 바와 같이 하방향으로 이동한 후 횡방향으로 이동하여 가스 배출 통로(45)로 배출될 수 있다. 이러한 부산물 가스 배출 흐름 방향에 의해 부산물 가스가 원활하게 배출될 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
본 발명의 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비에 관한 것이므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (4)

  1. 질화갈륨 단결정 성장을 위한 하이드라이드 기상 증착 장비에 있어서,
    상하로 배열되는 소스 존과 성장 존을 형성하는 반응로,
    상기 소스 존에 배치되며 액상 갈륨과 염화수소 가스의 반응에 의해 소스 가스인 염화갈륨 가스를 생성할 수 있도록 구성되는 소스 가스 생성 용기,
    상기 소스 가스 생성 용기를 수용하며 상기 소스 존을 통과하도록 상하방향으로 연장되어 상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스를 상기 성장 존으로 안내할 수 있도록 구성되는 소스 가스 가이드 튜브, 그리고
    상기 소스 가스 생성 용기에서 생성된 상기 염화갈륨 가스와 암모니아 가스 공급 관을 통해 공급되는 암모니아 가스의 반응에 의해 질화갈륨 단결정 성장이 이루어지는 성장 분위기를 형성하도록 상기 성장 존에 구비되는 성장 챔버
    를 포함하고,
    상기 소스 가스 가이드 튜브는 하측 단에서 상기 성장 챔버로 유입되는 상기 염화갈륨 가스와 상기 암모니아 가스를 분리시키기 위한 분리 가스를 분출할 수 있도록 구성되는 분리 가스 이동 통로를 구비하는 하이드라이드 기상 증착 장비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리 가스 이동 통로를 상기 소스 가스 가이드 튜브의 상단에서 하단으로 연장되는 관통홀로 형성되는 하이드라이드 기상 증착 장비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리 가스 이동 통로는 복수로 구비되고,
    상기 복수의 분리 가스 이동 통로는 원주방향을 따라 배열되는 하이드라이드 기상 증착 장비.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분리 가스 이동 통로를 형성하는 상기 소스 가스 가이드 튜브의 하단의 반경방향 외측 단이 반경방향 내측 단보다 더 아래에 위치하도록 형성되는 하이드라이드 기상 증착 장비.
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