AlN 단결정의 특별한 용도로 이를 개발하기 위한 노력이 전 세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 AlN을 기반으로 하는 자외선 LED는 생활, 의학, 자동자 등에 유용한 용도로서 살균, 정화, 경화 및 분석 등 분야에 이용된다. 이에 실험을 통해 PVT법으로 카본 도가니를 사용하여 AlN 단결정을 성장시켰으며 실험 중 3가지 형태의 도가니를 이용하여 성장에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 온도 조건은 $1900{\sim}2100^{\circ}C$이고 실험 압력으로는 1~200 Torr였다. 그 결과, 높이가 높은 형태의 도가니를 사용할 경우 증발량은 기준 형태보다 증가 하는데 그쳤다. 반면, 넓은 형태의 도가니는 더욱 많은 증발양의 증가를 보였으며, 기준 형태에 비하여 훨씬 안정하다는 것을 알았다. 또한, 제한된 크기의 도가니를 이용한 PVT법에서의 도가니 형태의 변화에 따른 결과는 성장률에 따른 최적 조건, 성장 결정의 품질변화 및 성장 조건 안정성에 영향을 주는 것을 알았다.
AlN 단결정의 특별한 용도로 이를 개발하기 위한 노력이 전 세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 AlN을 기반으로 하는 자외선 LED는 생활, 의학, 자동자 등에 유용한 용도로서 살균, 정화, 경화 및 분석 등 분야에 이용된다. 이에 실험을 통해 PVT법으로 카본 도가니를 사용하여 AlN 단결정을 성장시켰으며 실험 중 3가지 형태의 도가니를 이용하여 성장에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 온도 조건은 $1900{\sim}2100^{\circ}C$이고 실험 압력으로는 1~200 Torr였다. 그 결과, 높이가 높은 형태의 도가니를 사용할 경우 증발량은 기준 형태보다 증가 하는데 그쳤다. 반면, 넓은 형태의 도가니는 더욱 많은 증발양의 증가를 보였으며, 기준 형태에 비하여 훨씬 안정하다는 것을 알았다. 또한, 제한된 크기의 도가니를 이용한 PVT법에서의 도가니 형태의 변화에 따른 결과는 성장률에 따른 최적 조건, 성장 결정의 품질변화 및 성장 조건 안정성에 영향을 주는 것을 알았다.
For the special usage, the effort of developing AlN single crystals has been very hot in the world. The AlN-base UV LEDs are used on the field of sterilization, purification, curing and analyzing, which can advance human's living and medical processes etc.. AlN single crystals were grown by the PVT ...
For the special usage, the effort of developing AlN single crystals has been very hot in the world. The AlN-base UV LEDs are used on the field of sterilization, purification, curing and analyzing, which can advance human's living and medical processes etc.. AlN single crystals were grown by the PVT (Physical vapor transport) method. On the growing process, carbon crucibles with three different types such as normal size, taller than normal and wider than normal were used for comparison. The processing temperature was in the range of $1900{\sim}2100^{\circ}C$ and ambient pressure was 200~1 Torr. When the taller crucible was used, the sublimation mass was greater than normal dimension one but the best condition of growth changes widely. However the wider one gave much sublimation mass and growing condition was more stable than normal dimension. On limited growing furnace system, the changes of crucible dimension of PVT method provide the change of best condition for growth rate, as-grown crystal quality and growth condition stability.
For the special usage, the effort of developing AlN single crystals has been very hot in the world. The AlN-base UV LEDs are used on the field of sterilization, purification, curing and analyzing, which can advance human's living and medical processes etc.. AlN single crystals were grown by the PVT (Physical vapor transport) method. On the growing process, carbon crucibles with three different types such as normal size, taller than normal and wider than normal were used for comparison. The processing temperature was in the range of $1900{\sim}2100^{\circ}C$ and ambient pressure was 200~1 Torr. When the taller crucible was used, the sublimation mass was greater than normal dimension one but the best condition of growth changes widely. However the wider one gave much sublimation mass and growing condition was more stable than normal dimension. On limited growing furnace system, the changes of crucible dimension of PVT method provide the change of best condition for growth rate, as-grown crystal quality and growth condition stability.
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문제 정의
본 연구에서는 소형의 AlN 단결정을 종자 결정으로 하고 이를 각 형태의 도가니를 이용하여 성장시키면서 도가니의 형태에 따른 성장 결과 및 성장 조건의 차이를 고찰하고 이를 보고하고자 한다.
2 eV의 한층 높은 밴드갭 에너지를 고유적으로 가진 물질인 AlN을 기반으로 하는 반도체의 개발에 박차를 가하고 있다. 이는 고 밴드갭을 이용한 고에너지, 단파장의 빛을 방출하는 LED의 제조 및 고전력 반도체의 개발을 목적으로 한다. 단파장 방출 LED의 경우 이론상 200 nm대까지의 빛을 방출할 수 있어서 지금껏 조명용 반도체의 분야에서 벗어나 자외선의 방출을 통한 새로운 응용 분야 시장의 개척과 기존의 자외선 디바이스를 대체할 수 있다는 희망에서 이며 이는 일부 분야에서 이미 증명된 바 있다.
제안 방법
AlN 단결정 성장 온도는 성장부의 온도를 직접 감지하지 못하여 도가니 하부 및 상부의 온도를 비접촉식 광고온계를 이용하여 감지하였고 이를 통해 1900~2100°C에서 온도 편차 ± 1°C가 되도록 유지되도록 하여 지속 관찰, 기록 하였다.
AlN 단결정의 성장에는 30 KW급의 전력을 공급할 수 있는 고주파 발진자를 가진 진공 유도 가열로을 이용하여 PVT법으로 진행하였으며, 성장에는 종자결정은 사용되지 않았으며 증착부위의 그라파이트 재질 도가니의 일정한 위치에 증착되어 재결정화 될 수 있도록 유도 하였다.
PVT법을 통해 AlN 단결정을 제조하는 과정에서 사용된 도가니의 형태를 바꾸어 진행, 분석하였다. 결정의 생성에 관여되는 것은 원료의 증발양을 컨트롤 하여 재결정화에 필요한 소스를 많게 하는 것과 이 소스인 증발 가스들을 일정한 공간 안에 지속적으로 유지되는 동일한 환경 하에서 재결정화를 진행 시키는 것이다.
AlN 단결정 성장 온도는 성장부의 온도를 직접 감지하지 못하여 도가니 하부 및 상부의 온도를 비접촉식 광고온계를 이용하여 감지하였고 이를 통해 1900~2100°C에서 온도 편차 ± 1°C가 되도록 유지되도록 하여 지속 관찰, 기록 하였다. 성장 시의 챔버 내부 압력은 1~200 Torr 사이에서 유지되도록 진행하였다. 성장 초기 승온 기간을 이용하여 사용된 원료가 하소 및 소결이 되도록 성장 프로그램을 구성하여 진행되었다.
성장 시의 챔버 내부 압력은 1~200 Torr 사이에서 유지되도록 진행하였다. 성장 초기 승온 기간을 이용하여 사용된 원료가 하소 및 소결이 되도록 성장 프로그램을 구성하여 진행되었다. 성장 시간은 실험 중 6~120시간 동안 진행되었으며 시간이 길어지는 경우 증착부위의 온도가 균일하게 이루어 질수 있도록 유도 코일의 위치를 바꾸어 이를 성장시키기 위한 도가니는 3가지의 도가니가 준비 되었다.
대상 데이터
또한 도가니 하부에는 성장 원료인 AlN 분말을 장입하였다. 원료는 Tokuyama 사(일본)의 AlN 분말(순도 99.
성장 초기 승온 기간을 이용하여 사용된 원료가 하소 및 소결이 되도록 성장 프로그램을 구성하여 진행되었다. 성장 시간은 실험 중 6~120시간 동안 진행되었으며 시간이 길어지는 경우 증착부위의 온도가 균일하게 이루어 질수 있도록 유도 코일의 위치를 바꾸어 이를 성장시키기 위한 도가니는 3가지의 도가니가 준비 되었다. 이들을 정리하면 다음의 Table 1, Table 2, Fig.
각각 시간당 증발량을 비교할 때 N형에 비해 L, W형의 경우 대략 2배 정도 증가한 결과를 보인다. 결과적으로 증발량에 미치는 영향은 중심부의 온도를 동일하게 하여 진행하는 경우 지름 증가로 인한 도가니 측면의 발열량의 증가는 상대적으로 적으며 오히려 발열부와 원료의 접촉 면적에 더욱 비례하여 증발량이 증가한다는 결과를 보인다. 즉 발열부와 피 가열물간의 구조적 접촉 면적에 의존한다고 보인다.
4에 나타나 있다. 상대적으로 초기의 성장량은 초기의 증발률에 의존하지만 120시간 성장시킨 결과를 보면 3형태 중 W형에서 현저히 증가함을 볼 수 있다. Fig.
성장 기간 동안 결정의 사이즈를 비교한 결과 초기 성장률은 N형에 비해 L형과 W형에서 상대적인 높은 크기를 나타낸다. 이것은 초기 증발량이 성장에 큰 영향을 주는 것을 나타낸다.
2에 나타내었다. 여기에서 N형의 결과는 약 0.3~0.5 mm의 직경을 갖는 결정들이 생성되었으며 증발량이 많은 L형, 도가니 측면 가열 온도가 상대적으로 상승 되었을 것으로 예상되는 W형의 결과는 각각 직경 0.4~0.7 mm, 직경 0.7~1.0 mm의 양호한 결정이 생성되었다. 상대적으로 큰 결정이 생성된 W형과의 비교를 통해 증발분의 이동패스가 긴 L형의 경우 증발 개스의 이동과정에서의 온도 변화나 이동 경로의 변화 등이 동반되어 증발된 개스의 온도 분포 및 이동 경로의 다양성 등에 따른 분산효과가 작용했을 것으로 판단된다.
결정의 생성에 관여되는 것은 원료의 증발양을 컨트롤 하여 재결정화에 필요한 소스를 많게 하는 것과 이 소스인 증발 가스들을 일정한 공간 안에 지속적으로 유지되는 동일한 환경 하에서 재결정화를 진행 시키는 것이다. 이 실험의 결과를 통해 결정 성장에 미치는 효과를 분석하여 보면 가열되는 원료의 양보다는 도가니의 발열부와 증발 원료의 접촉 면적에 의거 증발이 일어나고, 재결정화에 중요한 요소인 재결정화 영역의 균질한 조건의 유지에 있어서 높이가 크지만 상대적으로 좁은 도가니에 비해 높이는 낮지만 상대적으로 넓은 도가니에서 내부의 조건이 유지되는 시간과 환경이 동일하게 진행되어 성장률이 상승하게 된다.
이러한 분석들을 종합해 보면 결정 성장률의 변화는 W형이 가장 우수한 결과가 될 것으로 예상되며 이를 그래프로 그려보면 Fig. 5에서와 같이 N형에서 55 μm/hr이던 것이 L형에서는 75 μm/hr, W형에서는 94 μm/hr까지 갈수록 성장률이 높아짐을 알 수 있다.
실험에 사용되는 각 도가니별 물리적인 형태에 대한 평가를 하기 위해 우선 사용되는 원료의 양과 원료에서부터의 종자 결정까지의 거리 열원으로부터의 거리 등을 측정하여 Table 3에 정리하였다. 이를 보면 N-L-W형으로 진행될수록 원료의 양은 증가하여 L형의 경우 N형 대비 약 2배, W형의 경우 3배에 달했다. 이를 통해 기본적인 사용 원료량의 증가가 미치는 영향 또한 분석이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
이를 보면 N-L-W형으로 진행될수록 원료의 양은 증가하여 L형의 경우 N형 대비 약 2배, W형의 경우 3배에 달했다. 이를 통해 기본적인 사용 원료량의 증가가 미치는 영향 또한 분석이 가능할 것으로 판단된다. 또한 열원인 도가니 측면으로부터의 거리는 N, L형의 경우 동일하며 상대적으로 W형은 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AlN 기반 자외선 LED는 어떻게 이용되는가?
AlN 단결정의 특별한 용도로 이를 개발하기 위한 노력이 전 세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 AlN을 기반으로 하는 자외선 LED는 생활, 의학, 자동자 등에 유용한 용도로서 살균, 정화, 경화 및 분석 등 분야에 이용된다. 이에 실험을 통해 PVT법으로 카본 도가니를 사용하여 AlN 단결정을 성장시켰으며 실험 중 3가지 형태의 도가니를 이용하여 성장에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 온도 조건은 $1900{\sim}2100^{\circ}C$이고 실험 압력으로는 1~200 Torr였다.
AlN 단결정 제조시 결정의 생성에 관여하는 요인은?
PVT법을 통해 AlN 단결정을 제조하는 과정에서 사용된 도가니의 형태를 바꾸어 진행, 분석하였다. 결정의 생성에 관여되는 것은 원료의 증발양을 컨트롤 하여 재결정화에 필요한 소스를 많게 하는 것과 이 소스인 증발 가스들을 일정한 공간 안에 지속적으로 유지되는 동일한 환경 하에서 재결정화를 진행 시키는 것이다. 이 실험의 결과를 통해 결정 성장에 미치는 효과를 분석하여 보면 가열되는 원료의 양보다는 도가니의 발열부와 증발 원료의 접촉 면적에 의거 증발이 일어나고, 재결정화에 중요한 요소인 재결정화 영역의 균질한 조건의 유지에 있어서 높이가 크지만 상대적으로 좁은 도가니에 비해 높이는 낮지만 상대적으로 넓은 도가니에서 내부의 조건이 유지되는 시간과 환경이 동일하게 진행되어 성장률이 상승하게 된다.
AlN기반 반도체의 밴드갭 에너지는?
최근 LED 조명의 발전에 따라 에너지 절약 및 환경 보호 차원에서의 가속화 되어가는 추세이다. 이에 발맞추어 SiC 및 GaN의 고 밴드갭 에너지를 이용한 반도체 소자가 개발되어 가는 흐름 속에 6.2 eV의 한층 높은 밴드갭 에너지를 고유적으로 가진 물질인 AlN을 기반으로 하는 반도체의 개발에 박차를 가하고 있다. 이는 고 밴드갭을 이용한 고에너지, 단파장의 빛을 방출하는 LED의 제조 및 고전력 반도체의 개발을 목적으로 한다.
참고문헌 (7)
S.M. Kang, "Growth of AlN crystals by the sublimation process", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 18 (2008) 68.
S.M. Kang, "Morpological study on non-seeded grown AlN single crystals", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 22 (2012) 265.
B. Gao, S. Nakano and K. Kakimoto, "The impact of pressure and temperature on growth rate and layer uniformity in the sublimation growth of AlN crystals", J. Cryst. Growth 338 (2012) 69.
C. Guguschev, A. Dittmar, E. Moukhina, C. Hartmann, S. Golka, J. Wollweber, M. Bickermann and R. Fornari, "Growth of bulk AlN single crystals with low oxygen content taking into account thermal and kinetic effects of oxygen-related gaseous species", J. Cryst. Growth 360 (2012) 185.
J. Leathersich, P. Suvarna, M. Tungare and F. Shahedipour- Sandvik, "Homoepitaxial growth of non-polar AlN crystals using molecular dynamics simulations", J. Surface Science 617 (2013) 36.
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