[국내논문]HVPE법으로 성장시킨 GaN 박막의 기판에 따른 극성 특성 Characterizations of GaN polarity controlled by substrate using the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) technique원문보기
HVPE 법에 의해 성장시킨 GaN 박막이 기판에 따라서 극성과 비극성 특성의 변화에 대해 연구하였다. A-plane($11{\bar{2}}0$), C-plane(0001) and M-Plane($10{\bar{1}}0$) 사파이어 기판을 이용하여 $10\;{\mu}m$ 두께의 GaN 박막을 성장하였다. 광학현미경 및 원자력간 현미경(OM, AFM)을 이용해 표면 구조를 관찰하고, HRXD를 통해 이들은 모두 wurtzite 구조를 갖고 C-plane으로 성장시에는, 극성 특성을, A-plane 및 M-plane 성장 시에는 비극성 특성을 가짐을 확인하였으며, Photoluminescence (PL)측정 결과 3.4 eV에서 발광 피크, 2.2 eV에서 yellow luminescence peak를 확인하였다.
HVPE 법에 의해 성장시킨 GaN 박막이 기판에 따라서 극성과 비극성 특성의 변화에 대해 연구하였다. A-plane($11{\bar{2}}0$), C-plane(0001) and M-Plane($10{\bar{1}}0$) 사파이어 기판을 이용하여 $10\;{\mu}m$ 두께의 GaN 박막을 성장하였다. 광학현미경 및 원자력간 현미경(OM, AFM)을 이용해 표면 구조를 관찰하고, HRXD를 통해 이들은 모두 wurtzite 구조를 갖고 C-plane으로 성장시에는, 극성 특성을, A-plane 및 M-plane 성장 시에는 비극성 특성을 가짐을 확인하였으며, Photoluminescence (PL)측정 결과 3.4 eV에서 발광 피크, 2.2 eV에서 yellow luminescence peak를 확인하였다.
Polar and non-polar GaN was grown by the HVPE on various substrates and influence of polarity has been investigated. The $10\;{\mu}m$ thickness GaN were grown by HVPE is along A-plane ($11{\bar{2}}0$), C-plane (0001) and M-Plane ($10{\bar{1}}0$) sapphire substrate re...
Polar and non-polar GaN was grown by the HVPE on various substrates and influence of polarity has been investigated. The $10\;{\mu}m$ thickness GaN were grown by HVPE is along A-plane ($11{\bar{2}}0$), C-plane (0001) and M-Plane ($10{\bar{1}}0$) sapphire substrate respectively. Surface properties were observed by optical microscope and atomic force microscopy. High resolution X-ray diffraction (HR-XRD) confirms the wurtzite structure. The donor band exciton peak located at ${\sim}3.4\;eV$ and also located yellow luminescence peak at 2.2 eV. The polarity of the GaN film has a strong influence on the morphology and the optical properties.
Polar and non-polar GaN was grown by the HVPE on various substrates and influence of polarity has been investigated. The $10\;{\mu}m$ thickness GaN were grown by HVPE is along A-plane ($11{\bar{2}}0$), C-plane (0001) and M-Plane ($10{\bar{1}}0$) sapphire substrate respectively. Surface properties were observed by optical microscope and atomic force microscopy. High resolution X-ray diffraction (HR-XRD) confirms the wurtzite structure. The donor band exciton peak located at ${\sim}3.4\;eV$ and also located yellow luminescence peak at 2.2 eV. The polarity of the GaN film has a strong influence on the morphology and the optical properties.
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문제 정의
본 연구에서는 HVPE법을 이용한 sapphire 기판의 방향汕게 따른 GaN의 성장과 더불어 그 광학적 특성을 평가하고자 한다. 즉, sapphire A-plane, C-plane, M-plane 의 기판 위에 GaN epi-layer> HVPE 반응기에서 동일한 조건으로 성장 시키고, X-선 회절분석을 통해 성장된 GaN epi-layer의 결정성과, Atomic force microscope (AFM)과 Photoluminescence spectrophotometer® 통해 표면 및 광학적 특성을 조사함으로써 sapphire기판의 배향에 따른 에피층(epi・layer)의 특성변화를 비교 하였다.
제안 방법
한다. 즉, sapphire A-plane, C-plane, M-plane 의 기판 위에 GaN epi-layer> HVPE 반응기에서 동일한 조건으로 성장 시키고, X-선 회절분석을 통해 성장된 GaN epi-layer의 결정성과, Atomic force microscope (AFM)과 Photoluminescence spectrophotometer® 통해 표면 및 광학적 특성을 조사함으로써 sapphire기판의 배향에 따른 에피층(epi・layer)의 특성변화를 비교 하였다.
동일한 성장 조건을 위해 한 susceptor 위에 3개의 각기 다른 기판을 위치시킨 후 성장실험을 행하였다.
HC1, GaCl, NH3을 반응 영역으로 이동시키기 위한 운반 가스로 질소를 사용 하였으며, 기판으로는 A-plane, C-plane, M-plane 방향의 sapphire를 사용하였다. 성장 전 sapphire 기판을 반응기내에 장입 하고 NH3가스를 사용하여 질화 처리한 후 5 분간 증착하여 GaN 에피층을 성장하였다.
성장된 GaN 단결정의 결정 배향을 관찰하기 위해 High Resolution X-ray Di伍action을 사용하였고, 入 =L542(Cu Koc) 하에서 e/20 scair을 20°~80° 영역에서 측정하였다. 또한 광학적 특성 평가를 위해 상온 에서 PL을 측정 하였으며, 여기원으로는 파장 325 nm를 갖는 연속파형 He-Cd 레이저(power: 2.
측정하였다. 또한 광학적 특성 평가를 위해 상온 에서 PL을 측정 하였으며, 여기원으로는 파장 325 nm를 갖는 연속파형 He-Cd 레이저(power: 2.5 mW)를 사용하였고, 검출기로는 광 증폭기 (photomultiplier: PM)튜브를 사용하였다, GaN 박막의 표면을 관찰하기 위해 광학 현미경과 AFM을 이용하였다.
1에 나타내었다. Fig. 1(a)는 sapphire A・plane위에 성장된 GaN epilayei로서, sapphire기판으로부터 회절 된 peak는 관찰되지 않았으며, 34.60°와 72.90°에서 GaN (0002), (0004)에 해당하는 peak를 관찰하였다. 이러한 GaN epilayer는 wurtzite 구조를 하고 있으며 sapphire A plane(1120) 위에 GaN Gplane이 주로 성장하는 것으로 나타났다.
HVPE 법을 이용해 A, C, M-plane sapphire 위에 두께 약 10 μm의 GaN 단결정을 성장 하였다. 성장 전 격자 부정합 과 열팽창 계수 차이에 의한 결함을 감소시키기 위해 질화 처리를 통하여 응력 완화층을 형성 후 GaN 단결정을 성장하였다.
약 10 μm의 GaN 단결정을 성장 하였다. 성장 전 격자 부정합 과 열팽창 계수 차이에 의한 결함을 감소시키기 위해 질화 처리를 통하여 응력 완화층을 형성 후 GaN 단결정을 성장하였다. 성장된 GaN단결정 들은 wurtzite 구조를 하고 있음을 HR-XRD로 확인 했으며, 상온에서의 PL측정 결과 3.
대상 데이터
GaN 박막은 HVPE 반응기에 의해 성장되었으며 전구체로는 암모니아(NH3)와 Ga금속을 사용하였다. 동일한 성장 조건을 위해 한 susceptor 위에 3개의 각기 다른 기판을 위치시킨 후 성장실험을 행하였다.
성장 시 99.99999 % 순도의 Ga 금속덩어리 (ingot)와 99.99995 % 순도의 NH3 기체를 원료로 사용하였으며 . 99.
가스 상태의 GaCl을 약 1030℃의 성장 영역으로 이동시켜 NF%와 반응시켰다. HC1, GaCl, NH3을 반응 영역으로 이동시키기 위한 운반 가스로 질소를 사용 하였으며, 기판으로는 A-plane, C-plane, M-plane 방향의 sapphire를 사용하였다. 성장 전 sapphire 기판을 반응기내에 장입 하고 NH3가스를 사용하여 질화 처리한 후 5 분간 증착하여 GaN 에피층을 성장하였다.
성능/효과
이상의 X-선 회절분석 결과는 기존에 발표된 기판과 epilayer의 방향^에 관한 보고와 잘 일치하는 것으로, 모든 GaN epilayei■가 wurtzite 구조를 가지고 있는 단결정 임을 확인할 수 있었다[8].
2에서 강하게 나타나는 발광 peak는 HWE법 또는 MOCVD법으로 성장된 박막 GaN에서 주로 관찰되는 12 pea亦로서 중성 도너에 구속된 여기자(DBX)의 소멸에 의한 것이다. A, C, M-piane 위에 성장된 GaN에 대하여 상온에서 측정한 PL 스펙트럼을 비교하여본 결과, 성장된 모든 GaN 시편 들은 에너지 갭 부근의 exciton囲 소멸에 의한 발광의 위치가 34 eV로 나타났으나, M-plane 위에 성장된 GaN 박막의 peak intensity가 A, C-plane 위에 성장된 GaN 박막에 비해 상대적으로 약하게 나타났고. 또한, 3가지 배향 모두에서 결정의 결함과 관련하여 22 eV 부근에서 나타나는 yellow-luminescencee]- 관찰되었다.
성장 전 격자 부정합 과 열팽창 계수 차이에 의한 결함을 감소시키기 위해 질화 처리를 통하여 응력 완화층을 형성 후 GaN 단결정을 성장하였다. 성장된 GaN단결정 들은 wurtzite 구조를 하고 있음을 HR-XRD로 확인 했으며, 상온에서의 PL측정 결과 3.4 eV 부근에서 peak를 갖고, 결정결함에 의해 생기는 2.2 eV에서 Yellow-lumines- cence가 관찰되었다. A, C, M-plane sapphire 위에 성장한 GaN 단결정의 표면은 내부응력에 의한 erack, 결함에 의한 hill-lock, 이방성 표면들이 관찰 되었고, 표면 거칠기는 각각 1.
2 eV에서 Yellow-lumines- cence가 관찰되었다. A, C, M-plane sapphire 위에 성장한 GaN 단결정의 표면은 내부응력에 의한 erack, 결함에 의한 hill-lock, 이방성 표면들이 관찰 되었고, 표면 거칠기는 각각 1.2 nm, 2.0 nm, 15.4 nm로 나타났다.
참고문헌 (11)
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B.A. Haskell, A. Chakraborty, F. Wu, H. Sasano, P.T. Fini, S.P. DenBaars, J.S. Speck and S. Nakamura, "Microstructure and enhanced morphology of planar nonpolar m-plane GaN grown by hydride vapor phase epitaxy", J. Electron. Mater. 34(4) (2005) 357
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