[논문]HVPE로 성장된 GaN의 용융 KOH/NaOH 습식화학에칭

박재화; 홍윤표; 박철우; 김현미; 오동근; 최봉근; 이성국; 심광보

doi:10.6111/jkcgct.2014.24.4.135

HVPE로 성장된 GaN의 용융 KOH/NaOH 습식화학에칭
The molten KOH/NaOH wet chemical etching of HVPE-grown GaN 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.24 no.4, 2014년, pp.135 - 139

박재화 (한양대학교 신소재공학과) , 홍윤표 (한양대학교 신소재공학과) , 박철우 (한양대학교 신소재공학과) , 김현미 (한양대학교 신소재공학과) , 오동근 (한양대학교 신소재공학과) , 최봉근 (한양대학교 신소재공학과) , 이성국 (유니모포트론) , 심광보 (한양대학교 신소재공학과)

초록
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수소화기상증착에피탁시로 성장된 GaN 단결정의 표면 특성을 정밀하게 측정하기 위해, 용융 KOH/NaOH 습식화학에칭법을 적용하였다. KOH/NaOH 습식화학에칭법에 에칭속도는 기존의 황산, 인산과 같은 etchant에 비해 느린데, 이는 불용성 코팅층의 형성에 의한 것이다. 따라서 이 방법으로 etch pits density를 더 효율적으로 평가할 수 있었다. 성장된 GaN 단결정을 XRD(X-Ray Diffraction), XRC(X-ray rocking curve)로 결정성을 분석하였으며, 에칭 특성과 표면 형상은 주자전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 에칭 실험 결과 격자결함들이 독립적으로 잘 분리되어 있고 그들의 형태가 명확하게 나타나는 최적 에칭 조건은 $410^{\circ}C$, 25분이었다. 이 조건에서 얻은 결함밀도 값은 $2.45{\times}10^6cm^{-2}$이었으며, 이는 상업적으로 이용 가능 한 정도의 재료임을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The hydride vapor phase epitaxy (HVPE) grown GaN samples to precisely measure the surface characteristics was applied to a molten KOH/NaOH wet chemical etching. The etching rate by molten KOH/NaOH wet chemical etching method was slower than that by conventional etching methods, such as phosphoric and sulfuric acid etching, which may be due to the formation of insoluble coating layer. Therefore, the molten KOH/NaOH wet chemical etching is a better efficient method for the evaluation of etch pits density. The grown GaN single crystals were characterized by using X-ray diffraction (XRD) and X-ray rocking curve (XRC). The etching characteristics and surface morphologies were studied by scanning electron microscopy (SEM). From etching results, the optimum etching condition that the etch pits were well independently separated in space and clearly showed their shape, was $410^{\circ}C$ and 25 min. The etch pits density obtained by molten KOH/NaOH wet chemical etching under optimum etching condition was around $2.45{\times}10^6cm^{-2}$, which is commercially an available materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자체 제작한 수소화기상증착에피탁시(HVPE, hydride vapor phase epitaxy) 장치로 성장시킨 GaN 단결정의 결정성을 평가하고, 정량적으로 전위밀도를 정밀하게 측정하기 위해, 용융 KOH/NaOH 습식화학 에칭법으로 온도와 시간과 같은 에칭 조건을 변화시켜 에칭된 GaN 표면 형상 분석을 통해 최적 에칭 조건을 찾고자 하였다.

제안 방법

따라서 에칭 온도를 410°C로 고정한 후 에칭 시간의 영향을 평가하였다.
성장된 GaN 단결정의 결정구조와 결정성은 X-선 회절(Rigaku, RAD-C, Japan)과, DC-XRD(PANalytical, X’Pert PRO, Netherlands) 로 각각 측정하였다.
정량적으로 정확한 전위밀도 측정을 위한 최적의 에칭 조건을 찾기 위해 낮은 온도에서 시작하여, 점차적으로 온도와 에칭시간을 증가시켰다. 에칭된 GaN 단결정의 표면 형상은 주사전자현미경(Jeol, JSM-5900LV, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
GaN 샘플은 실험결과의 정확한 비교를 위하여 동일한 샘플에서 잘라서 사용하였다[23]. 정량적으로 정확한 전위밀도 측정을 위한 최적의 에칭 조건을 찾기 위해 낮은 온도에서 시작하여, 점차적으로 온도와 에칭시간을 증가시켰다. 에칭된 GaN 단결정의 표면 형상은 주사전자현미경(Jeol, JSM-5900LV, Japan)을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

성장된 GaN 단결정의 결정구조와 결정성은 X-선 회절(Rigaku, RAD-C, Japan)과, DC-XRD(PANalytical, X’Pert PRO, Netherlands) 로 각각 측정하였다. GaN 샘플은 실험결과의 정확한 비교를 위하여 동일한 샘플에서 잘라서 사용하였다[23]. 정량적으로 정확한 전위밀도 측정을 위한 최적의 에칭 조건을 찾기 위해 낮은 온도에서 시작하여, 점차적으로 온도와 에칭시간을 증가시켰다.
금속 Ga을 HCl 가스에 반응시켜 700~800°C에 서 GaCl을 형성하였고, N 소스로는 NH3 가스를 사용하였으며, carrier 가스로 질소 가스를 사용하였다.

성능/효과

DC-XRD를 통한 XRC 분석결과, 그 반치폭이 123 arcsec로, 이는 GaN 단결정내의 결정성에 주된 영향을 끼치는 나선전위의 양이 상업적으로 이용 가능한 수준 정도로 확인할 수 있었다.
HVPE법으로 성장된 GaN 단결정을 X-선 회절 분석한 결과, GaN 결정의 (0002)면과 (0004)면이 34^o 와 72^o 부근에서만 피크가 존재함을 확인하였다. Fig.
따라서 용융 KOH/NaOH 부식액과 GaN 표면과 반응하여 형성되는 불용성 Ga(OH)3 코팅층의 효과는 에칭 조건이 410°C, 30분 이상일 때 각각의 격자결 함들이 서로 합쳐지는 현상이 관찰되는 점으로 보아 지속적인 화학적 침투에 의해 점차 사라지는 것으로 판단된다.
에칭 온도와 시간에 따른 에칭된 GaN 표면을 주사전자현미경을 통하여 관찰한 결과 최적의 에칭 조건은 410°C, 25분임을 확인할 수 있었다.
이에 비하여 우리의 실험결과는 비록 410°C로 그의 실험결과보다 10°C가 낮지만 25분간의 오랜 에칭 시간을 유지하였을 경우 명확한 etch pits 이 관찰되었다.
자체 제작한 HVPE 성장장치에 의해 성장된 GaN 결정은 XRD를 통하여 wurtzite 구조를 가지는 방향으로 성장된 단결정임을 확인할 수 있었다.
최적 에칭 조건에서 측정한 결함밀도 값은 2.45 × 106 cm−2 로 측정되었으며, 이러한 값은 현재 상용화된 GaN 단결정의 수준임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	III-Nitride계 화합물 반도체는 어떤 특성을 갖는가?	GaN와 같은 III-Nitride계 화합물 반도체는 직접 천이 형 금지대 폭을 가지고 있고, 청록색에서 자외선 파장 영역에 걸쳐 bandgap engineering이 용이하며 III-족 화합물 반도체에 비하여 고온에서 구조적으로 안정하여 laser diode(LD)나 light emitting diode(LED)와 같은 광소자뿐만 아니라 고온고출력 전자 소자로의 응용으로도 많은 관심을 받아오고 있다[1, 2]. 이처럼 GaN 재료를 기본으로 한 소자의 성공적인 제조를 위해서는 고품 질의 에피성장을 위한 능력이 요구된다.
	원자힘현미경과 같은 방법의 단점은?	주로, 원자힘현미경(AFM, atomic force microscopes)과 같은 다른 방법들은 넓은 면적에서 전위밀도를 얻기 위해 응용되고 있다. 그러나 이들 방법은 측정하기 전에 정밀한 시편표면의 사전 처리가 필요하며, 측정방법이 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다[7, 8]. GaN 단결정 내 전위 특성은 전위의 미세구조를 관찰하는데 매우 유용한 투과 전자 현미경(TEM, transmission electron microscopy), HR-XRD(high resolution X-ray diffraction)를 통해 수행해 오고 있으나, 좁은 영역 관찰로 인해 전위 수를 관찰하기 어렵고, 정확성이 떨어진다는 단점과 이 과정 역시 아주 복잡하고 정밀한 시편 제작이 요구된다는 문제점을 가지고 있다[6].
	GaN 에피층을 이종에피성장하는 이유는?	동종에피성장 (homoepitaxy)은 고품질의 GaN 단결정 성장을 위한 가장 효율적인 방법이다. 하지만, GaN 단결정 기판 제조의 어려움 때문에 GaN 에피층은 일반적으로 sapphire, SiC, ZnO 및 LiGaO2 기판을 이용한 이종에피성장 (heteroepitaxy)을 하게 되는데, 이때 기판과 GaN 단결정 사이의 격자 불일치와 열팽창계수 차이에 의해 GaN 에피층에는 108 ~1010 cm−2 정도의 높은 전위밀도가 존재하게 된다[3-5]. 이러한 결함들은 재료의 전기적 그리고 광학적 특성을 크게 저하시키게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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