[논문]HVPE법으로 성장시킨 GaN 단결정의 wet etching에 의한 표면 변화

오동근; 최봉근; 방신영; 강석현; 김소연; 김새암; 이성국; 정진현; 김경훈; 심광보

doi:10.6111/jkcgct.2012.22.6.261

[국내논문] HVPE법으로 성장시킨 GaN 단결정의 wet etching에 의한 표면 변화
Surface morphology variation during wet etching of GaN epilayer grown by HVPE 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.22 no.6, 2012년, pp.261 - 264

오동근 (한양대학교 신소재공학과) , 최봉근 (한양대학교 신소재공학과) , 방신영 (한양대학교 신소재공학과) , 강석현 (한양대학교 신소재공학과) , 김소연 (한양대학교 신소재공학과) , 김새암 (한양대학교 신소재공학과) , 이성국 (유니모포트론) , 정진현 (유니모포트론) , 김경훈 (한국세라믹기술원) , 심광보 (한양대학교 신소재공학과)

초록
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본 연구에서는 HVPE법으로 사파이어 기판(0001) 위에 성장시킨 GaN epilayer의 etching에 따른 표면변화 특성을 조사하였다. 주사전자 현미경(SEM) 관찰 결과, 3가지 형태를 갖는 육각형 모양의 etch pit(edge, screw, mixed) 들이 GaN epilayer의 두께 변화에 따라서 형성되었다. 이러한 관통전위들은(TDs) epilayer의 두께가 얇고, etch pit density가 높을수록 screw and mixed type TDs이 많이 관찰되었고, 두께가 증가할수록 etch pit density가 낮아지면서 edge and mixed type TDs들이 주로 존재하는 것을 관찰 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigated characteristics of etching induced surface morphology variation by wet etching of GaN epilayer were grown on sapphire (0001) substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). As a results of scanning electron microscope (SEM) observation, three types of hexagonal etch pits (Edge, Screw, Mixed) were formed by the GaN epilayer thickness variations. A lot of etch pits, attributed to screw and mixed type TD, were observed at thinner epilayer, leading to high etch pit density. On the other hand, the thickness of GaN epilayer increased with the number of etch pits corresponding to edge and mixed dislocations, which are the majority of TDs are observed.

Keyword

AI 본문요약
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가설 설정

3(a)는 두께 50 µm로 성장한 GaN이며 etch pit 모양은 Fig. 2(c) 모양과 흡사한 모습이다. 이때의 etch pit density는 1.

제안 방법

본 연구에서는 HVPE법으로 두께 50~250 µm 성장시킨 GaN 단결정을 H3PO4를 이용하여 200℃에서 8분간 etching 했을 때 GaN epilayer의 두께에 따라 형성되는 etch pit들의 모양과 etch pit density 사이의 상관관계를 비교분석 하였다.
GaN 결정의 성장온도는 1000~1100℃이었으며, 성장속도는 100 µm/h를 유지하여 두께 50 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm의 GaN 단결정을 각각 성장시켰다.
자체 제작한 수직형 HVPE 장치를 이용하여 대기압 하에서 사파이어 기판(0001) 위에 GaN 층을 성장시켰다.
성장된 GaN 단결정을 self-separation 법에 의해 사파이어 기판을 제거한 후 diamond slurry를 이용하여 Gaface 표면을 평탄화 하였고, 200℃, H₃PO₄에서 각각 8분동안 etching 시켰다. Etching이 끝난 후 acetone, alcohol, DI water에서 각각 5분간 세척하고, N₂가스를 이용하여 건조 시켰다.
Etching이 끝난 후 acetone, alcohol, DI water에서 각각 5분간 세척하고, N₂가스를 이용하여 건조 시켰다. Etching된 GaN 표면에 형성된 etch pit의 모양을 주사전자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

자체 제작한 수직형 HVPE 장치를 이용하여 대기압 하에서 사파이어 기판(0001) 위에 GaN 층을 성장시켰다. Ga 소스(source)로는 금속 Ga을 HCl 가스에 반응시켜 700~800℃에서 GaCl을 형성하였고, N 소스로는 NH₃가스가 사용되었고, carrier 가스로는 질소 가스가 사용되었다. GaN 결정의 성장온도는 1000~1100℃이었으며, 성장속도는 100 µm/h를 유지하여 두께 50 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm의 GaN 단결정을 각각 성장시켰다.

성능/효과

본 연구에서는 GaN epilayer의 두께에 따라서 달라지는 etch pits의 모양들을 전자 현미경을 통하여 관찰하였으며, 결함 밀도가 높을수록, screw/mixed-type TD들이 지배적으로 관찰되었으며, 이후 GaN epilayer의 두께가 증가할수록 결함 밀도가 낮아지면서 소수의 edge-type TD과 mixed-type TD들이 존재하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 전위들은 GaN epilayer에서 발견되는 일반적인 TD들이며, 비발광 중심으로 작용하지 않는다, 하지만 screw/mixed-type TD들은 비발광 중심으로 작용하여 광학적 특성에 영항을 미쳐 LED 소자효율에 결정적인 영향을 끼치게 되므로 좀 더 많은 연구가 필요할 것이다.

후속연구

본 연구에서는 GaN epilayer의 두께에 따라서 달라지는 etch pits의 모양들을 전자 현미경을 통하여 관찰하였으며, 결함 밀도가 높을수록, screw/mixed-type TD들이 지배적으로 관찰되었으며, 이후 GaN epilayer의 두께가 증가할수록 결함 밀도가 낮아지면서 소수의 edge-type TD과 mixed-type TD들이 존재하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 전위들은 GaN epilayer에서 발견되는 일반적인 TD들이며, 비발광 중심으로 작용하지 않는다, 하지만 screw/mixed-type TD들은 비발광 중심으로 작용하여 광학적 특성에 영항을 미쳐 LED 소자효율에 결정적인 영향을 끼치게 되므로 좀 더 많은 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면에 존재하는 threading dislocation들을 관찰하기 위해 전통적으로 어떠한 기법이 사용되어 왔는가?	표면에 존재하는 TD들을 관찰하기 위하여 전통적으로 chemical wet etching 법이 사용되어 왔다. GaN의 경우 상온에서 화학적으로 매우 안정하지만, 고온에서 molten KOH나 H3PO4와 같은 etchant에 쉽게 etching되어 표면에 pit들이 형성된다[5].
	GaN은 어떠한 특성을 지니는 물질인가?	III-V족 화합물중 GaN는 넓은 에너지 간격(3.4 eV)과 직접 천이형 밴드구조의 특성을 지니는 물질로서 InN (Eg = 1.92 eV)나 AlN(Eg = 6.
	GaN 단결정 기판은 제조의 어려움 때문에 무엇을 이용하는가?	그러나, GaN 단결정 기판은 제조의 어려움 때문에 사파이어 나 SiC 기판을 이용하여 이종에피성장(heteroepitaxy)을 하게 되는데, 이때 격자상수 차이에 의해 GaN epilayer에는 108 ~1010 cm−2 정도의 많은 threading dislocation(TD)들이 존재하게 된다[3]. 이러한 전위들은 전자와 정공의 재결합과정(electron-hole recombination process)에서 비발광 중심(nonradiative center)로 작용하기 때문에 LED 소자효율에 결정적인 영향을 미치게 된다[4].

참고문헌 (11)

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D.K. Oh, B.G. Choi, S.Y. Bang, J.W. Eun, J.H. Chung, S.K. Lee, J.H. Chung and K.B. Shim, "Fabrication and characterization of GaN substrate by HVPE", J. Korean Cryst. Growth & Cryst. Tech. 20(4) (2010) 164.

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T. Hino, S. Tomiya, T. Miyajima, K. Yanashima, S. Hashimoto and M. lkeda, "Characterization of threading dislocations in GaN epitaxial layers", Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 3421.

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