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문제 정의
- 본 연구에서는 N?와 NH3 기체 유량을 고정하고, 승화 법에 의한 GaN 후막성장시 소스와 기판간의 거리, 온도구배 및 성장시간 등과 같은 공정 변수 변화에 의해 양질의 GaN 후막 결정을 성장하고자 하였다.
제안 방법
- 하부 히터로 나뉘어서 독립적으로 온도를 제어할 수 있도록 하였고, 최대 온도는 1300℃ 정도이고, 냉각수 순환 방식을 채택한 스테인리스 스틸 재질로 된 챔버로 구성되어있다. nh3, n2 및 h2 가스 등 다양한 분위기 및 유량조절이 가능하고, 사용 가능한 seed 기판의 최대 직경은 2인치이며 1 cmX 1 cm와 2cmX2cm 크기의 seed 기판도 사용이 가능한 홀더를 제작하였다. seed 기판으로 1 cmX 1 cm 크기의 GaN 박막이 증착된 sapphire(상부 히터에 위치)를 사용하였고, 소스 물질(하부 히터에 위치)로서 상업용 GaN 분말(순도 :4N)을 사용하였다.
- seed 기판으로 1 cmX 1 cm 크기의 GaN 박막이 증착된 sapphire(상부 히터에 위치)를 사용하였고, 소스 물질(하부 히터에 위치)로서 상업용 GaN 분말(순도 :4N)을 사용하였다. 또한, GaN 후막 성장을위해 N2 기체 분위기에서 온도를 상승시킨 뒤 약 700℃ 부근에서 NH3 기체를 혼합하여 주입하였다. Table 1은 GaN 후막 성장시의 공정 조건에 따른 시편의 번호를 분류 나열한 것으로 시편 No.
- 보았다. 본 실험을 진행하기 전에 선행 연구로서 Ds를 43 mm, 33 mm 및 22 mm 등으로 하여 GaN 후막 성장을 실시하였다. 그 결과 세 경우 모두 성장된 GaN 두께가 2~3 mm 내외의 다결정 박막이 형성됨을 확인할 수가 있었다.
- 승화법을 이용한 GaN 후막 성장시 중요한 변수 중의하나인 소스 물질과 seed 기판 사이의 거리(이하 Ds라표기)에 따른 성장된 GaN 두께 변화를 분석해 보았다. 본 실험을 진행하기 전에 선행 연구로서 Ds를 43 mm, 33 mm 및 22 mm 등으로 하여 GaN 후막 성장을 실시하였다.
- 7~10은 성장시간 등의 공정조건들을 나타낸다. 이러한 공정 조건에 의해 성장된 GaN 후막결정은 SEM(JSM-5900LV, JEOL)으로 단면을 관찰하였고, X-선 회절 분석을 통해서 성장 구조를 평가하였고, 여기광원으로 He-Cd laser(2i = 325 nm)를 이용한 발광 특성으로부터 광학적인 bandgap과 내부결함 등을 조사하였다.
- 그 결과 세 경우 모두 성장된 GaN 두께가 2~3 mm 내외의 다결정 박막이 형성됨을 확인할 수가 있었다. 즉, 약 20 mm 이상의 Ds를 갖는 경우에는 소스 GaN 분말이 승화되어 GaN 후막을 형성하기에는 적합하지 못함을 확인하였고, 이에 따라 Ds 변수를 15 mm 이하로 하여 공정을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- nh3, n2 및 h2 가스 등 다양한 분위기 및 유량조절이 가능하고, 사용 가능한 seed 기판의 최대 직경은 2인치이며 1 cmX 1 cm와 2cmX2cm 크기의 seed 기판도 사용이 가능한 홀더를 제작하였다. seed 기판으로 1 cmX 1 cm 크기의 GaN 박막이 증착된 sapphire(상부 히터에 위치)를 사용하였고, 소스 물질(하부 히터에 위치)로서 상업용 GaN 분말(순도 :4N)을 사용하였다. 또한, GaN 후막 성장을위해 N2 기체 분위기에서 온도를 상승시킨 뒤 약 700℃ 부근에서 NH3 기체를 혼합하여 주입하였다.
- GaN 후막 성장 장치는 자체 설계 . 제작한 승화장치를 사용하였다. 승화 장치는 상.
이론/모형
- 소스 물질로서 GaN 분말과 seed 결정으로 MOCVD- GaN 박막을 이용하여 승화법에 의해 GaN 후막을 성장하였다. 후막 성장시 소스 물질과 seed 기판 사이의 거리(DQ, 상 .
성능/효과
- 6 em 정도가 성장됨을 확인할 수가 있었다. D*가 12.5 mm인 경우에 GaN 후막성장속도가 최대이고, 상대적으로 균질한 후막이 형성됨을 확인할 수가 있었다.
- 2의 XRD 분석 결과에서 모두 (0002>와 (0004) 로 preferred orientation되어져 있음을 확인하였고, SEM 이미지에서 관찰되는 것처럼 다결정화에 기인한 (10il) 이나 (1120) 등의 피크들도 형성됨을 보였다. Fig. 3은 PL 측정 결과로서 세 가지 경우 모두 362 nm 부근에서 전형적인 GaN donor-acceptor pair 피크를 형성함을 보였고, 또한 불순물 침입 등에 따른 yellow luminescence 는 상대적으로 낮음을 나타내었다. 이런 결과들로부터 Dss 변수는 12.
- 2와 같이 모두 (0002)와 (0004)로 preferred orientation을 하였고, SEM 이미지에서 관찰되는 것처럼 다결정화에 기인한 (loil)이나 (1120) 등의피크들을 나타내었다. PL 측정 결과에서도 세 가지 경우 모두 362 nm 부근에서 전형적인 GaN donor-acceptor pair 피크를 형성함을 보였으며 또한, 불순물 침입 등에따른 yellow luminescence는 상대적으로 낮음을 나타내었다.
- 본 실험을 진행하기 전에 선행 연구로서 Ds를 43 mm, 33 mm 및 22 mm 등으로 하여 GaN 후막 성장을 실시하였다. 그 결과 세 경우 모두 성장된 GaN 두께가 2~3 mm 내외의 다결정 박막이 형성됨을 확인할 수가 있었다. 즉, 약 20 mm 이상의 Ds를 갖는 경우에는 소스 GaN 분말이 승화되어 GaN 후막을 형성하기에는 적합하지 못함을 확인하였고, 이에 따라 Ds 변수를 15 mm 이하로 하여 공정을 진행하였다.
- 4(c)는 상부 히터만 50℃를 낮춘 1050℃와 1200℃인 경우의 GaN 후막단면 모습이다. 그 결과로서 2시간 동안 성장한 경우 시편 4, 5 및 6의 두께가 각각 약 24.6 |im, 54.6 gm 및 106|im임을 확인하였다. 시편 4와 5의 경우에 성장된 GaN 후막의 두께를 보면, 상 .
- 6의 성장시간에 따른 두께에 대한 그래프에서 확인되는 것처럼 1 시간에서 2시간 사이에 후막 성장이 급속히 진행되는것을 보여주는 결과라 할 수 있다. 또한, 1시간과 2시간동안 GaN 분말의 승화 반응 후 남은 GaN 분말의 양을비교해 보았을 때, 1시간 동안 승화된 경우에는 다소 미반응된 GaN 분말이 남아 있었지만, 2시간 성장을 유지한 경우 거의 모든 GaN 분말이 승화되어 잔여물이 거의 존재하지 않았다. Fig.
- 또한, Fig. 2의 XRD 분석 결과에서 모두 (0002>와 (0004) 로 preferred orientation되어져 있음을 확인하였고, SEM 이미지에서 관찰되는 것처럼 다결정화에 기인한 (10il) 이나 (1120) 등의 피크들도 형성됨을 보였다. Fig.
- 5 mm 일 때, 약 90㎛ 이상의 GaN 후막이 성장됨을 보였고 GaN 후막 성장 두께를 결정짓는 요소로서 seed 기판이 위치한 상부 히터의 온도보다 승화될 source GaN 분말이 놓인 하부 히터의 온도 변수가 결정성장속도에 더 큰요소로 작용함을 확인할 수가 있었다. 또한, GaN 후막성장 과정에서 GaN 분말의 승화율이 1시간 이후부터 증가하여 1시간과 2시간 사이에서 GaN 결정성장속도가 증가함을 확인하였고, 90 gm 이상의 두께를 갖는 GaN 후막을 재현성 있게 성장시킬 수 있었다.
- 시편 4와 5의 경우에 성장된 GaN 후막의 두께를 보면, 상 . 하부 히터 온도를 모두 감소시켰을 때 후막 성장률이 작음을 알 수가 있었고, 하부 히터 온도만의 감소에 의해 승화반응이 감소되는 경우도 역시 후막 성장률이 감소됨을 보여주었다. 그러나, 시편 6의 결과에 따르면, seed 기판의 조절온도 감소에도 불구하고 106 um의 두께로 성장한 것은 시편 2의 101.
- 후막 성장시 소스 물질과 seed 기판 사이의 거리(DQ, 상 . 하부 히터의 온도, 후막성장시간 등의 공정변수에 따른 후막 성장을 시도한 결과, Dss가 12.5 mm 일 때, 약 90㎛ 이상의 GaN 후막이 성장됨을 보였고 GaN 후막 성장 두께를 결정짓는 요소로서 seed 기판이 위치한 상부 히터의 온도보다 승화될 source GaN 분말이 놓인 하부 히터의 온도 변수가 결정성장속도에 더 큰요소로 작용함을 확인할 수가 있었다. 또한, GaN 후막성장 과정에서 GaN 분말의 승화율이 1시간 이후부터 증가하여 1시간과 2시간 사이에서 GaN 결정성장속도가 증가함을 확인하였고, 90 gm 이상의 두께를 갖는 GaN 후막을 재현성 있게 성장시킬 수 있었다.
- 시편 7은 상부 히터는 1050℃ 로 하부 히터는 1200℃까지 도달했을 때, 이 온도에서의 유지 시간을 갖지 않고 곧바로 상 . 하부 히터의 온도를 하강시킨 경우로 약 5㎛ 내외의 GaN 막이 형성됨을 확인할 수가 있었다. 즉, 이것은 상 .
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