[논문]N-polar면의 선택적 에칭 방법을 통한 Free-standing GaN 기판의 Bowing 제어

김진원; 손호기; 임태영; 이미재; 김진호; 이영진; 전대우; 황종희; 이혜용; 윤대호

doi:10.4313/jkem.2016.29.1.30

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we report that selective etching on N-polar face by EC (electro-chemical)-etching effect on the reduction of bowing and strain of FS (free-standing)-GaN substrates. We applied the EC-etching to concave and convex type of FS-GaN substrates. After the EC-etching for FS-GaN, nano porous ...

In this paper, we report that selective etching on N-polar face by EC (electro-chemical)-etching effect on the reduction of bowing and strain of FS (free-standing)-GaN substrates. We applied the EC-etching to concave and convex type of FS-GaN substrates. After the EC-etching for FS-GaN, nano porous structure was formed on N-polar face of concave and convex type of FS-GaN. Consequently, the bowing in the convex type of FS-GaN substrate was decreased but the bowing in the concave type of FS-GaN substrate was increased. Furthermore, the FWHM (full width at half maximum) of (1 0 2) reflection for the convex type of FS-GaN was significantly decreased from 601 to 259 arcsec. In the case, we confirmed that the EC-etching method was very effective to reduce the bowing in the convex type of FS-GaN and the compressive stress in N-polar face of convex type of FS-GaN was fully released by Raman measurement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전기화학 에칭법을 concave 형태와 convex 형태의 FS-GaN 기판에 적용 시에 bowing 변화를 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 전기화학 에칭은 FS-GaN의 N-polar면에 nano porous 구조를 형성하고, 그 구조는 convex 형태의 FS-GaN 기판의 N-polar면에 존재하던 compressive strain을 완화시키는 효과가 있었으며 이는 XRD-RC 및 Raman spectrum 분석으로 확인하였다.
이 연구는 목적은 homoepitaxial 성장을 위해 HVPE법을 이용하여 성장된 FS-GaN 기판에 존재하는 bowing을 감소시키기 위해 기존에 GaN on sapphire 기판에 적용했던 전기화학 에칭법을 concave 형태의 FS-GaN 기판과 convex 형태의 FS-GaN 기판에 적용하고 bowing의 변화와 그와 관련된 결정성 및 응력을 평가하기 위함이다.

제안 방법

실험에 사용된 FS-GaN 기판은 수소화물기상증착법으로 성장시킨 후 LLO법으로 분리하여 준비하였다. 기존에 GaN on sapphire에 다양하게 적용된 전기화학 에칭방법이 FS-GaN 기판에 적용 시에 나타나는 에칭 경향과 기판에 미치는 영향을 살펴보기 위해 Ga-polar면이 concave 형태의 웨이퍼와 convex 형태의 두 종류의 웨이퍼를 각각 한 장씩 준비하였다.
전기화학 에칭방법이 후막 FS-GaN 기판의 보잉에 미치는 영향을 살펴보기 위해 stylus surface profiler (Dektak 150, Veeco, USA)를 사용하여 2인치(inch) 웨이퍼를 scanning하여 측정하였다. 보잉과 FS-GaN 기판의 결정성 및 응력과의 상관관계를 파악하기 위해 HR-XRD (high-resolution X-ray diffraction, Rigaku, Japan)으로 GaN (0 0 2), (1 0 2)면 ω-rocking curve를 측정하여 반치폭(full width half maximum, FWHM)으로 결정성을 평가하였고, Raman E₂(High) peak (NSR-3100, Jasco, Japan)을 측정하여 free-standing GaN 기판의 응력을 분석하였다.
본 연구에서는 옥살산(C₂H₂O₄)을 사용한 전기화학 에칭방법을 Ga-polar면이 concave 형태와 convex 형태의 FS-GaN 기판에 전기화학 에칭을 적용시 나타나는 변화를 관찰하였다.
전기화학 에칭이 FS-GaN 웨이퍼 표면에 미치는 영향을 관찰하기 위해 광학현미경(optical microscopy, BX-51, Olympus, Japan)을 통해 에칭 표면을 관찰하였고, 보다 정밀하게 표면 형상을 관찰하고자 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, JSM-7610F, JEOL)으로 관찰하였다. 전기화학 에칭방법이 후막 FS-GaN 기판의 보잉에 미치는 영향을 살펴보기 위해 stylus surface profiler (Dektak 150, Veeco, USA)를 사용하여 2인치(inch) 웨이퍼를 scanning하여 측정하였다. 보잉과 FS-GaN 기판의 결정성 및 응력과의 상관관계를 파악하기 위해 HR-XRD (high-resolution X-ray diffraction, Rigaku, Japan)으로 GaN (0 0 2), (1 0 2)면 ω-rocking curve를 측정하여 반치폭(full width half maximum, FWHM)으로 결정성을 평가하였고, Raman E₂(High) peak (NSR-3100, Jasco, Japan)을 측정하여 free-standing GaN 기판의 응력을 분석하였다.
전기화학 에칭이 FS-GaN 웨이퍼 표면에 미치는 영향을 관찰하기 위해 광학현미경(optical microscopy, BX-51, Olympus, Japan)을 통해 에칭 표면을 관찰하였고, 보다 정밀하게 표면 형상을 관찰하고자 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, JSM-7610F, JEOL)으로 관찰하였다. 전기화학 에칭방법이 후막 FS-GaN 기판의 보잉에 미치는 영향을 살펴보기 위해 stylus surface profiler (Dektak 150, Veeco, USA)를 사용하여 2인치(inch) 웨이퍼를 scanning하여 측정하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 FS-GaN 기판은 수소화물기상증착법으로 성장시킨 후 LLO법으로 분리하여 준비하였다. 기존에 GaN on sapphire에 다양하게 적용된 전기화학 에칭방법이 FS-GaN 기판에 적용 시에 나타나는 에칭 경향과 기판에 미치는 영향을 살펴보기 위해 Ga-polar면이 concave 형태의 웨이퍼와 convex 형태의 두 종류의 웨이퍼를 각각 한 장씩 준비하였다.

성능/효과

본 연구를 통해서 FS-GaN의 bowing 저감을 위해서는 bowing 형태에 따라 적용 방법을 다르게 해야함을 알 수 있었고 또한 응력을 제어하고 최소화시킬 수 있었다. 향후 개발되는 FS-GaN 기판의 응력 완화로 기판 위에 성장될 광소자의 효율 향상에 기여할 것으로 예상된다.
전기화학 에칭은 FS-GaN의 N-polar면에 nano porous 구조를 형성하고, 그 구조는 convex 형태의 FS-GaN 기판의 N-polar면에 존재하던 compressive strain을 완화시키는 효과가 있었으며 이는 XRD-RC 및 Raman spectrum 분석으로 확인하였다. 이와는 반대로 concave 형태의 FS-GaN 기판에서는 오히려 bowing이 커지는 현상이 발생하였다.
본 연구에서는 전기화학 에칭법을 concave 형태와 convex 형태의 FS-GaN 기판에 적용 시에 bowing 변화를 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 전기화학 에칭은 FS-GaN의 N-polar면에 nano porous 구조를 형성하고, 그 구조는 convex 형태의 FS-GaN 기판의 N-polar면에 존재하던 compressive strain을 완화시키는 효과가 있었으며 이는 XRD-RC 및 Raman spectrum 분석으로 확인하였다. 이와는 반대로 concave 형태의 FS-GaN 기판에서는 오히려 bowing이 커지는 현상이 발생하였다.

후속연구

이와는 다르게 본 실험 결과에서는 FS-GaN 기판에 전기화학 에칭 후 Ga-polar면에서는 거의 변화가 없었고, N-polar면에서만 변화가 나타나는 현상을 광학현미경 측정을 통해서 확인하였다. 이는 기존에 보고된 일반적인 GaN의 전기화학적 에칭 방법에서 나타나는 n-GaN의 선택적 에칭이나 Ga-polar면을 시작으로 nano needle 형태로 에칭되는 것과는 다르게 N-polar면의 선택적 에칭과 nano porous 형태로 에칭되는 경향을 띄고 있어 추가 실험을 통해 확인이 필요하다. 다만 동일한 에칭 조건에서 기존 보고된 GaN on sapphire의 Ga-polar면의 에칭 속도보다는 FS-GaN의 N-polar면에서 에칭 속도가 빠르게 일어나는 현상은 확인하였다.
본 연구를 통해서 FS-GaN의 bowing 저감을 위해서는 bowing 형태에 따라 적용 방법을 다르게 해야함을 알 수 있었고 또한 응력을 제어하고 최소화시킬 수 있었다. 향후 개발되는 FS-GaN 기판의 응력 완화로 기판 위에 성장될 광소자의 효율 향상에 기여할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소화물기상증착법의 장점은?	FS-GaN (free-standing GaN) 기판은 고품질 GaN 성장을 위한 homo-epitaxial 성장을 할 수 있기 때문에 bulk GaN을 대체할 수 있다고 알려져 있다 [2]. 수소화물기상증착법 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE)은 고품질의 FS-GaN 단결정을 제공하고 다른 bulk 성장법(high-pressure solution growth, ammonothermal 등)에 비해 상대적으로 빠른 성장 속도와 저비용의 이점이 있다.
	GaN의 밴드갭 특성과 열특성은 무엇인가?	GaN은 청색과 자외선 영역의 레이저 다이오드(laser diode)나 발광 다이오드(light emitting diode)와 같은 광전자기기에 적합한 재료로 각광받고 있다. 게다가 넓은 직접 밴드갭(wide direct band gap)과 높은 열전도도 가지며 고온에서 작동하는 전자기기에 적용되어 질 수 있다 [1]. FS-GaN (free-standing GaN) 기판은 고품질 GaN 성장을 위한 homo-epitaxial 성장을 할 수 있기 때문에 bulk GaN을 대체할 수 있다고 알려져 있다 [2].
	FS-GaN 기판은 무엇을 대체할 수 있는가?	게다가 넓은 직접 밴드갭(wide direct band gap)과 높은 열전도도 가지며 고온에서 작동하는 전자기기에 적용되어 질 수 있다 [1]. FS-GaN (free-standing GaN) 기판은 고품질 GaN 성장을 위한 homo-epitaxial 성장을 할 수 있기 때문에 bulk GaN을 대체할 수 있다고 알려져 있다 [2]. 수소화물기상증착법 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE)은 고품질의 FS-GaN 단결정을 제공하고 다른 bulk 성장법(high-pressure solution growth, ammonothermal 등)에 비해 상대적으로 빠른 성장 속도와 저비용의 이점이 있다.

참고문헌 (14)

The Blue Laser diode (Springer Verlag, Berlin, 1997) p. 12.
C. R. Miskys, M. K. Kelly, O. Ambacher, and M. Stutzmann, Phys. Stat. Sol., 0, 1627 (2003). [DOI: http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200303140]

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K. M. Chen, Y. H. Yeh, Y. Hao, C. H. Chiang, D. R. Yang, C. L. Chao, T. W. Chi, Y. H. Fang, J. D. Tsay, and W. I. Lee, J. Cryst. Growth, 312, 3574 (2010). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2010.09.044]

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Y. Zhang, Q. Sun, B. Leung, J. Simon, M. L. Lee, and J. Han, Nanotechnology, 22, 045603 (2011). [DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/22/4/045603]

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L. W. Jang, D. W. Jeon, T. H. Chung, A. Y. Polyakov, H. S. Cho, J. H. Yun, J. W. Ju, J. H. Baek, J. W. Choi, and I. H. Lee, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 985 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/am404285s]

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C. Kisielowski, J. Krueger, S. Ravimov, T. Suski, J. W. Ager III, E. Jones, Z. Liliental-Weber, M. Rubin, E. R. Weber, M. D. Bremser, and R. F. Davis, Phys. Rev. B, 54, 17745 (1996). [DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.54.17745]

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T. Prokofyeva, M. Seon, J. Vanbuskirk, M. Holtz, S. A. Nikishin, N. N. Fleev, H. Temkin, and S. Zollner, Phys. Lett., 76, 1842 (2000).
Y. J. Choi, H. K Oh, J. G. Kim, H. H. Hwang, H. Y. Lee, W. J. Lee, B. C. Shin, and J. H. Hwang, Phys. Status Solidi C, 7, 1770 (2010). [DOI: http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200983632]

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G. Nootz, A. Schulte, and L. Chernyak, Appl. Phys. Lett., 80, 1355 (2002). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1449523]

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