[논문]p-type GaN의 Activation을 통한 광전기화학적 특성 향상

방승완; 김하성; 배효정; 주진우; 강성주; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2017.24.4.059

p-type GaN의 Activation을 통한 광전기화학적 특성 향상
Improvement of Photoelectrochemical Properties through Activation Process of p-type GaN 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.4, 2017년, pp.59 - 63

방승완 (전남대학교 화학공학부) , 김하성 (전남대학교 화학공학부) , 배효정 (전남대학교 화학공학부) , 주진우 (한국광기술원 광 ICT 에너지 연구센터) , 강성주 (전남대학교 화학공학부) , 하준석 (전남대학교 화학공학부)

초록
AI-Helper

n-type GaN 반도체는 광전극으로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 표면에서 일어나는 산소반응으로 인한 광부식으로 신뢰성이 저하되는 큰 단점이 있다. 이를 근본적으로 억제하기 위하여 표면에서 수소 발생 반응이 일어나는 p-type GaN를 광전극으로 사용함으로써 광부식을 피하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 p-type GaN은 비저항이 높고 정공 이동도가 낮기 때문에 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 p-type GaN의 activation 공정을 통해 개선하고자 한다. 전극으로 사용될 p-type GaN을 $N_2$ 분위기의 $500^{\circ}C$에서 1 분 동안 annealing을 하였다. Hall effect 측정을 통하여 전기적 특성을 확인하였으며, potentiostat (PARSTAT4000) 측정을 통하여 광전기화학적 (photoelectrochemical, PEC) 특성을 분석하였다. 그 결과 annealing 공정을 통하여 광전류밀도가 1.5배 이상 향상되었으며, 3시간 동안 안정적인 광전류 값을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The n-type GaN semiconductor has excellent properties as a photoelectrode, but it has disadvantage that its reliability is deteriorated due to the photocorrosion because the oxygen reaction occurs on the surface. For this reason, there are fundamental attempts to avoid photocorrosion reaction of GaN surfaces by using the p-type GaN as a photoelectrode where hydrogen generation reaction occurs on the surface. However, p-type GaN has a problem of low efficiency because of its high resistivity and low hole mobility. In this study, we try to improve the photocurrent efficiency by activation process for the p-type GaN. The p-type GaN was annealed for 1 min. at $500^{\circ}C$ in $N_2$ atmosphere. Hall effect measurement system was used for the electrical properties and potentiostat (PARSTAT4000) was used to measure the photoelectrochemical (PEC) characteristics. Consequently, the photocurrent density was improved more than 1.5 times by improving the activation process for the p-type GaN. Also, its reliability was maintained for 3 hours.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

²⁶⁾ 하지만 activation 정도에 따라 p-type GaN 의 특성 변화가 PEC 효율에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 아직 진행되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 annealing 공정이 물분해 광전극인 p-GaN의 광전기화학적 특성에 어떤 영향을 주는지에 대해 연구하고자 한다.

제안 방법

6)를 사용하였다. 광원은 500W의 Xe-lamp (USHIO)에 neutral density filter (190-1700 nm, 0.5 optical density, 직경 50 mm, 32% transmission)를 사용하여 태양광과 유사한 조건의 광 (100 mW/cm² )을 조사하였다.
먼저, hydride vapor phase epitaxy (HVPE)법으로 제작된 2 inch bulk 400 μm GaN 기판에 metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 장치를 사용하여 1 μm 두께의 p-type GaN을 성장시켰다. 그리고, rapid thermal annealing (RTA)를 사용하여 온도 500^o C, 승온 시간 90 초, 60 초간 N2 분위기에서 열처리를 진행하였다.
본 연구에서는 HVPE를 이용하여 성장한 bulk GaN 위에 p-GaN을 MOCVD로 성장시킨 구조를, N₂ 분위기 500^o C에서 1분 동안 annealing 시킨후 광전극 셀로 제작 하여 PEC 측정을 이용해 광전기화학적 특성을 보았다.

데이터처리

그런데, PEC 실험을 진행한 후에는 주기적으로 에칭되어 표면에 굴곡이 드러나고 있음을 확인하였다. 두 샘플의 표면거칠기 변화를 확인하기 위해 root mean square (RMS) 값을 비교하였다(Table 2). 신뢰성 실험 전의 sample (a), (b)의 RMS 값은 두 샘플 모두 각각 0.
실제로 광전류 값을 평가하기 위해서 cyclic voltammetry 측정을 진행하였다. Fig.
이렇게 효율이 증가하는 p-type GaN 전극의 신뢰성을 확인하기 위해 chronoamperometry 분석을 진행하였다. Fig. 2는 sample 1과 sample 2의 시간에 따른 광전류밀도값을 나타낸 그래프이다.

이론/모형

PEC 특성은 potentiostat (PARSTAT4000)을 사용하였으며, cyclic voltammetry (scan rate: 0.02 V/s)은 3전극법을 사용하였다. 그리고 chronoamperometry (3 hr, -0.
7 V vs. Pt) 분석은 2전극법으로 측정하여 광전기화학적 특성을 평가 하였다.
전기적 특성과 morphology을 알아보기 위해 Hall effect measurement system과 atomic force microscopy (AFM)을 사용하여 측정하였다.

성능/효과

Hall effect 측정을 통한 annealing 후 캐리어 농도와 전도도, 이동도는 증가함을 보였고 저항은 감소하여 전기적 특성이 증가함을 확인 하였다. PEC 시스템에서는 annealing 후 Mg-H 복합체의 결합이 annealing에 의해 끊어지면서 p-GaN의 캐리어 농도가 증가하게 되었고, 전도대 전위 높이가 낮아져 광여기된 전자와 정공이 더 쉽게 이동되면서 산화환원 반응이 더 많이 발생하여 광전기화학적 특성이 1.
Hall effect 측정을 통한 annealing 후 캐리어 농도와 전도도, 이동도는 증가함을 보였고 저항은 감소하여 전기적 특성이 증가함을 확인 하였다. PEC 시스템에서는 annealing 후 Mg-H 복합체의 결합이 annealing에 의해 끊어지면서 p-GaN의 캐리어 농도가 증가하게 되었고, 전도대 전위 높이가 낮아져 광여기된 전자와 정공이 더 쉽게 이동되면서 산화환원 반응이 더 많이 발생하여 광전기화학적 특성이 1.5배 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.
7 V vs. SHE 에서 sample 1과 sample 2의 광전류 값은 각각 -0.04 mA/cm2 , -0.06 mA/cm² 로 annealing 후 광전류 특성 값이 1.5배 증가함을 보였다. 이는 Hall effect 측 정값에서 sample 2가 sample 1에 비해 캐리어 농도가 2배 이상 증가한 것을 고려했을 때, 증가된 캐리어 농도가 광전류 밀도 향상에 영향을 주어 효율을 향상시켰다고 판단된다.
앞선 결과들을 통해 annealing 하지 않은 p-GaN과 비교 할 때, 1.5배 이상의 광전류밀도값을 확인하였고, 물분해를 통해 안정적으로 수소를 발생시키기에 아주 적합한 전 극으로 사용 될 수 있음을 확인하였다.
349 nm로 PEC 측정 전에 비해 표면 거칠기 값이 증가된 것으로 보이지만, 여전히 1 nm 이하의 아주 양호한 표면 거칠기 값을 보여주고 있는 것으로 보아, 시편의 신뢰성에는 큰 변화를 나타내지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해 p-type GaN을 annealing 처리를 함으로써 효율은 향상되는 반면 광전기화화적 안정성에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
이는 annealing으로 인해 p-GaN 내부의 Mg-H 복합체의 결합이 끊어져 Mg 농도가 증가하였음을 예상할 수 있다. 전도도와 이동도 또한 각각 4배, 2배 이상 크게 증가함을 통해 샘플의 전기적 특성이 향상되었음을 확인 할 수 있었다.
한편, AFM을통해 표면안정성을 확인하였을때 sample 2는 sample 1에 비해 더 높은 광전류밀도값을 얻었음에도 불구하고 PEC 측정 전과 비교해 RMS 변화가 크게 나타나지 않았고, 이에 광전기화학적 안전성에 큰 변화를 주지 않았음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	n-type GaN의 특징은?	n-type GaN은 p-type GaN과 비교하여 통상적으로 더 좋은 결정질과 더 높은 도핑농도 제어성을 자기고 있어 우수한 PEC 특성을 가진다. 12,13) 식 (1)과 같이, 자외선 조사 하에서 물 산화반응이 일어나는 광산화전극(photoanode) 으로서 표면에 광여기된 정공이 축적되며, GaN이 전해질에 점차적으로 용해되면서 광부식이 쉽게 일어나 표면 거칠기가 급격히 증가한다.
	광전기화학적 수소 생산방법이란?	태양광을 이용한 광전기화학적(photoelectrochemical, PEC) 수소 생산방법은 추가되는 에너지 없이 태양광을 수소 연료로 직접적으로 변환시켜 화학적 에너지로 사용하 기 때문에 이산화탄소 등의 공해물질의 대기 방출이 없는 친환경적 에너지 생산 방식이다. 1,2) 이때, 물을 분리하기 위해서는 1.
	n-type GaN 반도체의 단점인 광부식을 방지하는 방법은?	n-type GaN 반도체는 광전극으로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 표면에서 일어나는 산소반응으로 인한 광부식으로 신뢰성이 저하되는 큰 단점이 있다. 이를 근본적으로 억제하기 위하여 표면에서 수소 발생 반응이 일어나는 p-type GaN를 광전극으로 사용함으로써 광부식을 피하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 p-type GaN은 비저항이 높고 정공 이동도가 낮기 때문에 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (26)

M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W.Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, and N. S. Lewis, "Solar Water Splitting Cells", Chem. Rev., 110(11), 6446 (2010).

상세보기
S. Fan, B. AlOtaibi, S. Y. Woo, Y. Wang, G. A. Botton, and Z. Mi, "High efficiency solar-to-hydrogen conversion on a monolithically integrated InGaN/GaN/Si adaptive tunnel junction photocathode", Nano. Lett., 15(4), 2721 (2015).

상세보기
M. Pourbaix, "Atlas of Electrochemical Equilbria in Aqueous Solutions", 2nd ed., pp.97, National Association of Corrosion Engineers, Houston (1974).
J. H. Edgar, "Properties of Group III Nitrides (Electronic Materials Information Service (EMIS) Datareviews Series)", 11, pp.3, IEE, London (1994).
J.-W. Yoon, J.-H. Bang, Y.-H. Ko, S.-H. Yoo, J.-K. Kim, and C.-W Lee, "Power Module Packaging Technology with Extended Reliability for Electric Vehicle Applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 21(4), 1 (2014).
H. S. Kim, H. J. Bae, S.-J. Kang, and J.-S. Ha, " $MnO_2$ cocatalyst effect on Photoelectrochemical Properties of GaN Photoelectrode", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(4), 113 (2016).

원문보기 상세보기
S. Strite, and H. Morkoc, "GaN, AlN, and InN: A review", J. Vac. Sci. Technol. B., 10(4), 1237 (1992).

상세보기
I. Akasaki, H. Amano, H. Murakami, M. Sassa, H. Kato, and K. Manabe, "Growth of GaN and AlGaN for UV blue p-n junction diodes", J. Crystal Growth., 128, 379 (1993).

상세보기
I. Akasaki, and H. Amano, "Widegap Column-III Nitride Semiconductors for UV/Blue Light Emitting Devices", J. Electrochem. Soc., 141(8), 2266 (1994).

상세보기
R. D. Dupuis, "Epitaxial growth of III-V nitride semiconductors by MOCVD", J. Crystal Growth., 178, 56 (1997).

상세보기
S. Ida, K. Yamada, T. Matsunaga, H. Hagiwara, Y. Matsumoto, and T. Ishihara, "Preparation of p-Type $CaFe_2O_4$ Photocathodes for Producing Hydrogen from Water", J. Am. Chem. Soc., 132, 17343 (2010).

상세보기
K. Fujii, and K. Ohkawa, "Photoelectrochemical properties of p-type GaN in comparison with n-type GaN", Jpn. J. Appl. Phys., 44(2), L909 (2005).

상세보기
K. Fujii, T. Karasawa and K. Ohkawa, "Hydrogen gas generation by splitting aqueous water using n-type GaN photoelectrode with anodic oxidation", Jpn. J. Appl. Phys., 44, L543 (2005).

상세보기
K. Sato, K. Fujii, K. Koike, T. Goto, and T. Yao, "Anomalous time variation of photocurrent in GaN during photoelectrochemical reaction for H2 gas generation in NaOH aqueous solution", Phys. Status. Solidi. C., 6(2), S635 (2009).

상세보기
K. Aryal, B. N. Pantha, J. Li, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, "Hydrogen generation by solar water splitting using p-InGaN photoelectrochemical cells", Appl. Phys. Lett., 96, 052110 (2010).

상세보기
D. H. Youn, M. Lachab, M. Hao, T. Sugahara, H. Takenaka, Y. Naoi, and S. Sakai, "Investigation on the p-type activation mechanism in Mg-doped GaN films grown by metalorganic chemical vapor deposition", Jpn. J. Appl. Phys., 38, 631 (1999).

상세보기
C. H. Kuo, S.J. Chang, Y.K. Su, L.W. Wu, J.K. Sheu, C.H. Chen, G.C. Chi, "Low Temperature Activation of Mg-Doped GaN in $O_2$ Ambient", J. Appl. Phys., 41(2), p. L112(2002).
J. D. Hwang, and G. H. Yang, "Activation of Mg-doped P-GaN by using two-step annealing", Appl. Surf. Sci., 253, 4694 (2007).

상세보기
I. Waki, H. Fuhioka, M. Oshima, H. Miki, M. Okuyama, "Mechanism for low temperature activation of Mg-doped GaN with Ni catalysts", J. Appl. Phys., 90, 6500 (2001).

상세보기
S. J. Peaton, J. W. Lee, and C. Yuan, "Minority-carrier-enhanced reactivation of hydrogen?passivated Mg in GaN", Appl. Phys. Lett., 68, 2690 (1996).

상세보기
M. Miyachi, T. Tanaka, Y. Kimura, and H. Ota, "The activation of Mg in GaN by annealing with minority-carrier injection", Appl. Phys. Lett., 72, 1101 (1998).

상세보기
D. J. Kim, H. M. Kim, M. G. Han, Y. T. Moon, S. Lee, and S. J. Park, "Activation of Mg acceptor in GaN: Mg with pulsed KrF (248 nm) excimer laser irradiation", Phys. Stat. Sol. (b)., 228, 375 (2001).

상세보기
Y. J. Lin, W. F. Liu, and C. T. Lee, "Excimer-laser-induced activation of Mg-doped GaN layers", Appl. Phys. Lett., 84, 2515 (2004).

상세보기
X. C. Wang, G. C. Lim, W. Liu, C. B. Soh, and S. J. Chua, "SIMTech Technical Reports", 6, 6 (2005).
S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, and N. Iwasa, "Thermal annealing effects on p-type Mg-doped GaN films", Jpn. J. Appl. Phys., 31(2), L139 (1992).

상세보기
D. H. Youn, M. Lachab, M. Hao, T. Sugahara, H. Takenaka, Y. Naoi, and S. Sakai, "Investigation on the p-type activation mechanism in Mg-doped GaN films grown by metalorganic chemical vapor deposition", Jpn. J. Appl. Phys., 38, 631 (1999).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증