[논문]Self-Separation 방법을 적용한 고품질 Free-Standing GaN

손호기; 이영진; 김진호; 황종희; 전대우; 이혜용

doi:10.4313/jkem.2016.29.11.702

Self-Separation 방법을 적용한 고품질 Free-Standing GaN
High Quality Free-Standing GaN Substrate by Using Self-Separation Method 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.11, 2016년, pp.702 - 706

손호기 (한국세라믹기술원) , 이영진 (한국세라믹기술원) , 김진호 (한국세라믹기술원) , 황종희 (한국세라믹기술원) , 전대우 (한국세라믹기술원) , 이혜용 (루미지엔테크)

Abstract ▼ AI-Helper

We demonstrated that self-separation FS-GaN (freestanding-GaN) was grown on MELO (maskless epitaxially lateral overgrowth) GaN template by horizontal HVPE (hydride vapor phase epitaxy). Before thick GaN grwoth, MELO GaN template was grown on patterned GaN template by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). The laterally overgrown GaN would consist of a continuous well coalesced layer. The mixed TDD (threading dislocation density) of seed and wing region were $8{\times}10^8cm^{-2}$ and $7{\times}10^7cm^{-2}$, respectively. After thick GaN grown by HVPE, the self-separation between thick GaN and sapphire substrate was generated at seed region. The regions of self-separation for FS-GaN and sapphire were observed by FE-SEM. Moreover, Raman results indicated that the compressive strain of seed and wing regions at FS-GaN substrate were slightly released compared to that of thick GaN grown on conventional GaN template. The optical properties of the FS-GaN substrate were examined by using PL (photoluminescence). The PL exhibited that donor bound exciton and donor acceptor pair were observed at low temperature. The effects on optical and structural properties of FS-GaN substrate have been discussed in detail.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

Raman은 GaN 막의 잔류응력 특성을 측정하기 위한 효과적인 장비로써 기판 분리 전후의 응력을 확인하기 위해 라만을 이용하여 기본 GaN template과 MELO GaN 위에 두꺼운 GaN막을 성장 후 잔류응력을 측정하였다.
그림 3은 HVPE 장비를 이용하여 두꺼운 GaN 막을 성장 후 냉각공정에서 self-separation 된 후 FS-GaN 기판의 후면과 사파이어 기판의 표면을 FE-SEM으로 측정하였다. 그림 3(a)는 분리된 후 FS-GaN의 후면으로 그림 2(b)와 같이 seed 영역과 wing 영역이 확연히 구분된 형태를 보여준다.
본 연구에서는 MELO 방법을 통해 결함밀도를 제어하고 HVPE 성장법을 이용하여 GaN 기판을 제작하려고 하였다. 두꺼운 GaN막을 성장 시에 self-separation 현상을 분석하고 제작된 GaN 기판특성을 평가하였다.
본 연구에서는 MELO 방법을 통해 결함밀도를 제어하고 HVPE 성장법을 이용하여 GaN 기판을 제작하려고 하였다. 두꺼운 GaN막을 성장 시에 self-separation 현상을 분석하고 제작된 GaN 기판특성을 평가하였다.
본 연구에서는 MELO 성장법을 통해 제작된 GaN template을 이용하여 수평형 HVPE 성장법을 통해 self-separation된 FS-GaN을 제작하였다. HVPE 성장 후 분리된 FS-GaN의 후면과 사파이어 전면의 형태 관찰을 통해 seed 영역의 하단에 응력이 집중되어 냉각공정 중 분리되었음을 확인하였다.

대상 데이터

그림 1(a)는 MELO 성장법을 이용하여 MOCVD 장비로 (0001) 사파이어 기판 위에 undoped-GaN을 성장하였다. TMGa (trimethyl gallium)와 NH₃는 Ga과 N의 전구체로 사용되었고, 수소 분위기에서 진행되었다. 또한, silane (SiH₄)을 n-type 도펀트로 사용하였고 성장온도는 1,050℃이다.

이론/모형

Self-separation이 발생된 영역의 GaN 기판과 사파이어 기판의 형성을 관찰하기 위하여 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 사용하였고, MELO 방법으로 성장한 후 성장된 표면에서의 결함밀도를 MCL (micro cathodluminescence)로 측정하였다. 또한 성장된 각각의 층과 영역별 응력분포를 확인하기 위해서 Raman 측정법(NRS 3100, Jasco, Japan)으로 관찰하였고, 광학적 특성을 확인하기 위해 상온 및 저온 PL (photoluminescence) 측정을 실시하였다.
그림 1은 self-separation에 의한 FS-GaN 기판을 제작하는 과정을 순서대로 나타내었다. 그림 1(a)는 MELO 성장법을 이용하여 MOCVD 장비로 (0001) 사파이어 기판 위에 undoped-GaN을 성장하였다. TMGa (trimethyl gallium)와 NH₃는 Ga과 N의 전구체로 사용되었고, 수소 분위기에서 진행되었다.
Self-separation이 발생된 영역의 GaN 기판과 사파이어 기판의 형성을 관찰하기 위하여 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 사용하였고, MELO 방법으로 성장한 후 성장된 표면에서의 결함밀도를 MCL (micro cathodluminescence)로 측정하였다. 또한 성장된 각각의 층과 영역별 응력분포를 확인하기 위해서 Raman 측정법(NRS 3100, Jasco, Japan)으로 관찰하였고, 광학적 특성을 확인하기 위해 상온 및 저온 PL (photoluminescence) 측정을 실시하였다.

성능/효과

본 연구에서는 MELO 성장법을 통해 제작된 GaN template을 이용하여 수평형 HVPE 성장법을 통해 self-separation된 FS-GaN을 제작하였다. HVPE 성장 후 분리된 FS-GaN의 후면과 사파이어 전면의 형태 관찰을 통해 seed 영역의 하단에 응력이 집중되어 냉각공정 중 분리되었음을 확인하였다. MCL 측정방법으로 MELO 방법으로 성장된 GaN 막의 결함밀도를 측정할 수 있었고, wing 영역에는 seed 영역보다 낮은 결함밀도가 관찰되었으며 이는 wing 영역에서 고품질의 GaN 막이 성장되었음을 나타낸다.
HVPE 성장 후 분리된 FS-GaN의 후면과 사파이어 전면의 형태 관찰을 통해 seed 영역의 하단에 응력이 집중되어 냉각공정 중 분리되었음을 확인하였다. MCL 측정방법으로 MELO 방법으로 성장된 GaN 막의 결함밀도를 측정할 수 있었고, wing 영역에는 seed 영역보다 낮은 결함밀도가 관찰되었으며 이는 wing 영역에서 고품질의 GaN 막이 성장되었음을 나타낸다. Raman 측정에서는 모든 영역에서 압축응력상태를 확인하였으나 기판 분리 후 응력이 효과적으로 제거되었다.
Raman 측정에서는 모든 영역에서 압축응력상태를 확인하였으나 기판 분리 후 응력이 효과적으로 제거되었다. PL 측정법을 통해 고품질의 self-separation된 FS-GaN이 성장되었음을 확인하였다. 본 연구에서는 결함밀도가 낮으며 고품질의 FS-GaN 기판을 기존 방법인 LLO 방법 없이 제작이 가능함을 보여주고 있다.
그림 2(a)는 MELO 방법을 이용하여 MOCVD 장비로 성장된 undoped-GaN 구조의 단면을 보여준다. Undoped-GaN은 패터닝공정과 에칭공정을 통해 seed 영역에서부터 측면 성장되었고, 에칭되어 노출된 사파이어 기판에서는 성장되지 않는 것을 확인 할 수 있었다.
PL 측정법을 통해 고품질의 self-separation된 FS-GaN이 성장되었음을 확인하였다. 본 연구에서는 결함밀도가 낮으며 고품질의 FS-GaN 기판을 기존 방법인 LLO 방법 없이 제작이 가능함을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HVPE 성장법의 특징은?	HVPE 성장법은 HCl과 Ga메탈을 반응시켜 GaCl을 형성하고 NH3와 반응하여 GaN을 성장하게 된다. 성장률이 다른 성장법보다 매우 빠르고, 불순물 함유량이 적고, 한 번의 공정에 여러 장의 GaN 기판을 제작할 수 있으며, 유지비용이 적어 양산형 장비로 적합하다.
	갈륨 나이트라이드의 특징은?	2014년 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride, GaN) 물질은 다양한 장점을 가지고 있어 이를 연구해 온 일본의 연구자가 노벨 물리학상을 수상하였다. 이처럼 갈륨 나이트라이드는 3.4 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 갖고 고온에서의 높은 안정성과 열전도도의 물성을 가지고 있을 뿐만 아니라 알루미늄과 인듐을 합성하고 조성을 조절하여 다양한 파장을 얻을 수 있기 때문에 광 전자기기와 고온에서 작동되는 전력소자에 매우 매력 적인 물질이다 [1-5]. 위와 같은 뛰어난 물성을 포함하는 소자를 구현하기 위해서는 고품질의 GaN 기판이 요구되지만 제작하기가 매우 어렵다.
	이종기판 사용 시 성장과 냉각공정에서 108cm-2 정도의 높은 쓰레딩 전위 밀도를 가진 GaN 기판이 만들어지는 이유는?	많은 연구그룹에서 GaN 기판은 고가이기 때문에 사파이어, SiC 등 이종기판을 소자에 응용 및 기판 개발 중이다. 이종기판을 사용하면 열팽창계수 및 격자상수 차이로 인해 성장과 냉각공정에서 108cm-2 정도의 높은 쓰레딩 전위 밀도를 가진 GaN 기판이 만들어진다. 이런 문제점을 해결하기 위해 SAG (selective area growth) [6], ELOG (epitaxial lateral overgrowth) [7]와 MELO (maskless ELO) [8] 같은 성장 기술이 지속적으로 연구 개발 중에 있다.

참고문헌 (19)

M. Balaji, A. Claudel, V. Fellmann, I. Gelard, E. Blanquet, R. Boichot, A. Pierret, B. A. Tretout, A. Crisci, S. Coindeau, H. Roussel, D. Pique, K. Baskar, and M. Pons, J. Alloy Compd., 526, 103 (2012). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.111]

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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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