R-plane 사파이어 위에 a-plane GaN층이 성장된 기판에 혼합소스 HVPE(mixed-source hydride vapor phase epitaxy) 방법으로 GaN/InGaN의 이종접합구조(heterostructure)를 구현하였다. GaN/InGaN 이종접합구조는 GaN, InGaN, Mg-doped GaN 층으로 구성되어 있다. 각 층의 성장온도는 GaN층은 $820^{\circ}C$, InGaN 층은 $850^{\circ}C$, Mg-doped GaN 층은 $1050^{\circ}C$에서 성장하였다. 이때의 $NH_3$와 HCl 가스의 유량은 각각 500 sccm, 10 sccm 이었다. SAG-GaN/InGaN 이종접합구조의 상온 EL (electroluminescence) 특성은 중심파장은 462 nm, 반치폭(FWHM : full width at half maximum) 은 0.67eV 이었다. 이 결과로부터 r-plane 사파이어 기판위에 multi-sliding boat system의 혼합소스 HVPE 방법으로 이종접합구조의 성장이 가능함을 확인하였다.
R-plane 사파이어 위에 a-plane GaN층이 성장된 기판에 혼합소스 HVPE(mixed-source hydride vapor phase epitaxy) 방법으로 GaN/InGaN의 이종접합구조(heterostructure)를 구현하였다. GaN/InGaN 이종접합구조는 GaN, InGaN, Mg-doped GaN 층으로 구성되어 있다. 각 층의 성장온도는 GaN층은 $820^{\circ}C$, InGaN 층은 $850^{\circ}C$, Mg-doped GaN 층은 $1050^{\circ}C$에서 성장하였다. 이때의 $NH_3$와 HCl 가스의 유량은 각각 500 sccm, 10 sccm 이었다. SAG-GaN/InGaN 이종접합구조의 상온 EL (electroluminescence) 특성은 중심파장은 462 nm, 반치폭(FWHM : full width at half maximum) 은 0.67eV 이었다. 이 결과로부터 r-plane 사파이어 기판위에 multi-sliding boat system의 혼합소스 HVPE 방법으로 이종접합구조의 성장이 가능함을 확인하였다.
The a-plane GaN layer on r-plane $Al_2O_3$ substrate is grown by mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE). The GaN/InGaN heterostructure is performed by selective area growth (SAG) method. The heterostructure consists of a flown over mixed-sourec are used as gallium (or indium) and...
The a-plane GaN layer on r-plane $Al_2O_3$ substrate is grown by mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE). The GaN/InGaN heterostructure is performed by selective area growth (SAG) method. The heterostructure consists of a flown over mixed-sourec are used as gallium (or indium) and nitrogen sources. The gas flow rates of HCl and $NH_3$ are maintained at 10 sccm and 500 sccm, respectively. The temperatures of GaN source zone is $650^{\circ}C$. In case of InGaN, the temperature of source zone is $900^{\circ}C$. The grown temperatures of GaN and InGaN layer are $820^{\circ}C\;and\;850^{\circ}C$, respectively. The EL (electroluminescence) peak of GaN/InGaN heterostructure is at nearly 460 nm and the FWHM (full width at half maximum) is 0.67 eV. These results are demonstrated that the heterostructure of III-nitrides on r-plane sapphire can be successfully grown by mixed-source HVPE with multi-sliding boat system.
The a-plane GaN layer on r-plane $Al_2O_3$ substrate is grown by mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE). The GaN/InGaN heterostructure is performed by selective area growth (SAG) method. The heterostructure consists of a flown over mixed-sourec are used as gallium (or indium) and nitrogen sources. The gas flow rates of HCl and $NH_3$ are maintained at 10 sccm and 500 sccm, respectively. The temperatures of GaN source zone is $650^{\circ}C$. In case of InGaN, the temperature of source zone is $900^{\circ}C$. The grown temperatures of GaN and InGaN layer are $820^{\circ}C\;and\;850^{\circ}C$, respectively. The EL (electroluminescence) peak of GaN/InGaN heterostructure is at nearly 460 nm and the FWHM (full width at half maximum) is 0.67 eV. These results are demonstrated that the heterostructure of III-nitrides on r-plane sapphire can be successfully grown by mixed-source HVPE with multi-sliding boat system.
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문제 정의
본 논문에서는 r-plane 사파이어 기판에 평탄한 a-plane GaN 층을 성장하고 GaN/InGaN 이종접합구조를 성장하였다. 성장방법은 Ga 소스에 In, Mg 등의 금속을 직접 녹여 HC1 과 반응시키는 혼합소스 HVPE 방법을 이용하였다 [14], 또한 GaN/InGaN의 이종접합구조는 선택성장법을 이용하여 형성하였으며 특성은 전극형성 과정을 거친 후 EL(electroluminescence) 측정을 통하여 평가하였다.
제안 방법
각각의 welle 소스가 서로 섞이지 않도록 칸막이로 완전히 분리되었다. Multi-sliding boat의 두번째 welle 활성증 성장을 위한 (Ga+ln) 혼합소스, 세번째 welle (Ga+Mg) 혼합소스를 넣어 p-GaN 층을 성장하였다. 금속 Ga과 NH, 가 pre- cursor로 사용되었고 캐리어 가스로 N2< 사용하였다.
EL 측정을 위한 전극구조는 SiO2 마스크 위에 일반적인 포토공정과 습식에칭 공정으로 형성하였다. 활성층인 InGaN의 선택성장을 위하여 두번째 well(In+Ga)을 열어 850℃에서 성장하였고, 마지막 p- GaN 층의 성장을 위하여 세번째 well(Ga+Mg)을 열어 1050℃에서 성장하였다 이때의 HC1 유량은 각각 10 seem으로 하였다.
그림에서와 같이 r- plane 사파이어 위에 성장된 a-plane GaN는 원자의 결함 배치에 의해 표면이 고르지 않는 성장특성으로 인하여 기판의 방향에 대하여 물결무늬 형태의 표면층이 나타나게 된다. 이러한 현상을 줄이고 평탄한 표면을 얻기 위해서는 성장온도 변화, HC1 유량 변화 등의 성장조건이 요구되며 본 논문에서는 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 이종접합 구조를 형성할 수 있는 평탄한 a-GaN 표면을 얻을 수 있었다. 이때 a-plane GaN층의 두께는 1.
4는 EL 측정을 위한 GaN/InGaN 이종접합 구조의 개략도이다. 투명전극의 ohmic 형성을 위하여 p-GaN의 표면에 e-beam 증착기를 이용하여 Ni/Au를 각각 35/ 35 A를 증착한 후 02 분위기에서 열처리하였다. 그 위에 다시 p-전극의 형성을 위하여 Ni/Au를 각각 150/500 A 증착하였다.
이 시료는 600℃로 N2 분위기에서 열처리하였다. GaN/InGaN 이종접합 구조의 특성은 상온 EL을 통하여 평가하였다.
Window 영역 지름은 200 呻이고 p-pad 전극의 지름은 100)un이다. N 층의 전류 확산을 원활히 하기 위하여 원형 고리형태의 전극모양을 이용하였다.
5 에서 볼 수 있듯이 SiO2 마스크 막과 선택 성장된 이종접합 구조가 아주 잘 분리되어 있음을 확인할 수 있다. 첫번째 층인 a-plane GaN 층은 최소한의 평탄한 형태의 이종접합구조를 얻기 위하여 도핑에 의한 영향을 최소화한 undoped-GaN로 성장하였다. 활성층의 In 조성은 10~20 % 정도의 범위에서 조절하였다.
대상 데이터
Multi-sliding boat의 두번째 welle 활성증 성장을 위한 (Ga+ln) 혼합소스, 세번째 welle (Ga+Mg) 혼합소스를 넣어 p-GaN 층을 성장하였다. 금속 Ga과 NH, 가 pre- cursor로 사용되었고 캐리어 가스로 N2< 사용하였다. A-plane GaN 층은 r-plane 사파이어 기판 위에 성장하였다.
SAG 방법은 SiO2 막이 기판으로부터의 전위확산을 차단하여 낮은 전위밀도를 갖는 결정 성장이 가능하고, 건식 에칭에 비하여 위험성 및 오염이 적은 장점이 있다. EL 측정을 위한 전극구조는 SiO2 마스크 위에 일반적인 포토공정과 습식에칭 공정으로 형성하였다. 활성층인 InGaN의 선택성장을 위하여 두번째 well(In+Ga)을 열어 850℃에서 성장하였고, 마지막 p- GaN 층의 성장을 위하여 세번째 well(Ga+Mg)을 열어 1050℃에서 성장하였다 이때의 HC1 유량은 각각 10 seem으로 하였다.
이론/모형
성장방법은 Ga 소스에 In, Mg 등의 금속을 직접 녹여 HC1 과 반응시키는 혼합소스 HVPE 방법을 이용하였다 [14], 또한 GaN/InGaN의 이종접합구조는 선택성장법을 이용하여 형성하였으며 특성은 전극형성 과정을 거친 후 EL(electroluminescence) 측정을 통하여 평가하였다.
이는 HC1。] 금속 Ga에 접촉하는 비율을 최소화하여 얇은 층 혹은 이종접합구조를 성장하기 위해서 고안되었다. GaN/InGaN의 이종접합구조를 성장하기 위해서는 In 혼합물과 p형 도펀트가 함유된 혼합물이 필요하며 본 논문에서는 Ga 소스에 금속을 직접 녹이는 방법인 혼합소스 방법을 이용하였다. 이렇게 녹인 소스를 multisliding boat system의 각각의 well에 녹여 GaN/InGaN 이종접합구조의 각 층을 성장하였다.
성장시 HC1 의 유량은 10 seem 으로 하였다. 이종접합구조를 형성하기 위하여 선택성장 (SAG : selective area growth) 방법을 이용하였다. 선택성장을 위하여 RF sputter로 SiO2 막을 약 5000 A 정도의 두께로 증착시켰다.
분극의 영향을 받지 않는 r-plane 사파이어 기판 위에 multi-sliding boat system을 이용한 혼합소스 HVPE 방법으로 SAG-GaN/InGaN 이종접합구조를 성장하였다. SAG-GaN/InGaN 이종접합의 구조는 GaN, InGaN 활성층, Mg-doped GaN 층으로 구성되었다.
성능/효과
선택성장된 InGaN의 활성층과 Mg-doped GaN층 전체 두께는 7.8 |im 정도임을 확인할 수 있었다. Fig.
6에 나타내었다. 상온에서 30 mA의 주입 전류를 통해 EL을 측정 하였으며 , SAG-GaN/InGaN 이종접 합구조의 중심 파장은 462 nm 이며 반치폭(FM旧M : full width at half maximum)은 0.67 eV임을 알 수 있었다. InGaN 활성층의 In 조성비는 Vegard 법칙을 이용하여 계산하였다 [15], Bowing parameter는 1.
67 eV임을 알 수 있었다. InGaN 활성층의 In 조성비는 Vegard 법칙을 이용하여 계산하였다 [15], Bowing parameter는 1.43 eV로 하고 InGaN의 밴드 갭은 0.7 eV로 계산한 결과 In의 조성비는 18 %로 평가되었다. 위의 결과는 일반적인 이종접합구조의 특성에 비하여 좋은 결과는 아니지만, 성장조건, 구조설계 및 공정조건의 개선 등에 의해 좁은 반치폭 및 높은 휘도를 가지는 SAG-GaN/InGaN 이종접합구조의 특성을 얻을 수 있으리라 기대된다.
후속연구
7 eV로 계산한 결과 In의 조성비는 18 %로 평가되었다. 위의 결과는 일반적인 이종접합구조의 특성에 비하여 좋은 결과는 아니지만, 성장조건, 구조설계 및 공정조건의 개선 등에 의해 좁은 반치폭 및 높은 휘도를 가지는 SAG-GaN/InGaN 이종접합구조의 특성을 얻을 수 있으리라 기대된다.
67 eV이다. SAG-GaN/InGaN 이종접합구조의 특성은 성장조건과 디자인의 최적화가 이루어진다면 좁은 반치폭과높은 휘도를 가지는 EL특성을 지닌 이종접합구조의 성장이 가능할 것으로 기대한다.
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