[논문]GaN-on-Si 기술을 위한 탄화텅스텐 버퍼층의 성장에 관한 연구

조성민; 최정훈; 최성국; 조영지; 이석환; 장지호

doi:10.4313/jkem.2017.30.1.1

GaN-on-Si 기술을 위한 탄화텅스텐 버퍼층의 성장에 관한 연구
Investigation on the Growth of Tungsten Carbide Layer as a Buffer for GaN-on-Si Technology 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.1, 2017년, pp.1 - 6

조성민 (한국해양대학교 해양과학기술융합학과) , 최정훈 (한국해양대학교 전자소재공학전공) , 최성국 (한국해양대학교 전자소재공학전공) , 조영지 (한국해양대학교 전자소재공학전공) , 이석환 (한국해양대학교 해양과학기술융합학과) , 장지호 (한국해양대학교 해양과학기술융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Tungsten carbide (WC) has been suggested as a new buffer layer for the GaN-on-Si technology. We have investigated and optimized the sputtering condition of WC layer on the Si-substrate. We confirmed the suppression of the Si melt-back phenomenon. In addition, surface energy of WC/Si layer was measured to confirm the possibility as a buffer layer for GaN growth. We found that the surface energy(${\gamma}=82.46mJ/cm^2$) of WC layer is very similar to that of sapphire substrate(${\gamma}=82.71mJ/cm^2$). We grow GaN layer on the WC buffer by using gas-source MBE, and confirm that it is available to grow a single crystalline GaN layer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Si과 GaN 사이의 화학적 반응을 억제할 수 있는 새로운 전도성 버퍼층으로 tungsten carbide (WC, 탄화텅스텐)를 제안하였다.
본 실험에서는 사파이어 기판상의 GaN 성장에서와 같이 일반적인 저온 버퍼 성장 기술을 적용하여 WC/Si 기판 상에 GaN 성장을 시도하였다. 본 실험에서는 우선 WC/Si 버퍼상에 GaN 성장 가능성을 확인하기 위하여 그림 5에서 보인 바와 같이 WC 버퍼 상에 2가지 시료를 성장하여 비교하였다. 이때 결정 성장 조건은 사파이어 기판을 사용한 경우에 최적화 되어 있었으며, 그 조건에서 비교를 목적으로 Si 기판 상에 성장한 GaN의 경우에는 비교할 만한 결과를 얻지 못해 결과에 포함시키지 못했다.
본 연구는 Si기판 위에 GaN 성장을 위한 버퍼층으로서의 WC의 가능성 평가를 목적으로 연구를 추진하였다. WC 성막을 위한 조건을 조사하였고, 박막의 결정성과, Si melt-back의 억제, 질화물 성장을 위한 표면 특성 등을 조사하였고, 실제 GaN 박막을 성장하여 버퍼층의 역할을 조사하였다.
스퍼터한 WC/Si(111) 박막을 이용하여 WC 버퍼층이 GaN-on-Si 기술의 중요한 문제점인 Si과 Ga의 반응 현상(melt-back 현상)을 방지 할 수 있는지를 확인해 보았다. 그림 3(a)는 상온에서 스퍼터된 WC/Si 기판, 그림 3(b)는 Si(111) 기판을 이용한 결과이다.

제안 방법

GaN-on-Si 기술을 위한 새로운 버퍼로 WC를 제안하고 그 가능성을 확인하였다. 스퍼터로 WC를 성막하기 위하여 Si 기판 표면 처리 필요성을 확인하였고, 스퍼터링 조건을 조사하여 벗겨짐이나 균열이 발생하지 않는 성막 조건을 정립하였다.
WC 성막을 위한 조건을 조사하였고, 박막의 결정성과, Si melt-back의 억제, 질화물 성장을 위한 표면 특성 등을 조사하였고, 실제 GaN 박막을 성장하여 버퍼층의 역할을 조사하였다.
따라서 본 연구에서 제안한 WC 버퍼층의 표면 에너지가 지나치게 낮다면 횡 방향 성장등에만 제한적으로 이용 가능한 것을 의미하므로 그 활용성이 제약된다고 할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 접촉각 측정기를 이용하여 WC/Si 시료의 표면 에너지를 확인하였다.
본 실험에서는 사파이어 기판상의 GaN 성장에서와 같이 일반적인 저온 버퍼 성장 기술을 적용하여 WC/Si 기판 상에 GaN 성장을 시도하였다.
이러한 현상은 Si 기판상의 자연 산화막이 주된 원인으로 판단되어 Si 기판의 유기세척 후 불산(HF)을 이용한 산화막 제거 공정을 도입하기로 하였다. 불산 처리과정은 유기세척 후 건조가 완료된 Si 기판을 HF 용액과 DI water에 순서대로 각각 30초간 담그는 과정을 3회 실시하였다(HF-dip process) [8]. Si 기판 상의 산화막 제거 여부는 MBE 챔버에 장착된 RHEED (reflection high energy electron diffraction)를 이용하여 확인하였다.
성막된 WC 박막은 표면, 결정성, 전기적 특성, 표면 에너지 등을 분석하였고, 이를 위하여 각각 광학현미경과 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy), XRD (X-ray diffraction), 접촉각 측정기 등을 사용하였다.
성장 전 960℃에서 탈 가스 공정을 진행한 후, GaN 결정 성장이 진행되었는데, 이때 저온버퍼의 성장온도는 550℃, 고온성장은 950℃에서 진행하였다. 성장 시 GaN의 성장률은 550 nm/h의 조건에서 진행하였으며, 성장 조건은 선행 실험에서 사파이어 기판을 사용하여 최적화한 조건을 기준으로 변화시켰다 [7].
스퍼터로 WC를 성막하기 위하여 Si 기판 표면 처리 필요성을 확인하였고, 스퍼터링 조건을 조사하여 벗겨짐이나 균열이 발생하지 않는 성막 조건을 정립하였다.
유기세척을 거친 Si기판은 샘플 홀더에 장착되어 load-lock 챔버를 통하여 성장 챔버에 투입되었고, 상온에서부터 700℃, 프라즈마 파워는 50~100 W, Ar 가스 도입량는 10 sccm, 성장 중 진공도는 2~5×10-5 Torr의 조건에서 시료 성막을 테스트했다.
이러한 현상은 Si 기판상의 자연 산화막이 주된 원인으로 판단되어 Si 기판의 유기세척 후 불산(HF)을 이용한 산화막 제거 공정을 도입하기로 하였다.
그림 5(a)는 GaN 저온버퍼(LT-GaN) 없이 고온 성장만 진행한 시료(GaN-A), GaN 저온버퍼(LT-GaN)를 이용하여 성장한 시료(GaN-B)의 XRD 결과이다. 참고로 본 실험에서는 가스소스-MBE를 이용하여 성장하였고, 결정 성장 조건은 WC 버퍼 표면에 대하여 최적화되어 있지 않았다.

대상 데이터

WC 박막은 Si(111) 기판 상에 DC-스퍼터를 이용하여 성장하였다. 성장 전 Si 기판은 아세톤, 메탄올, DI-water에서 각각 10분간 세척하였다.
스퍼터 장비는 700℃까지 기판 가열이 가능하며, 시료 교환을 위한 load-lock 챔버를 가지고 있는 초고진공 sputter 장비를 사용하였다. 스퍼터 타겟은 5N(99.999%)의 WC 타겟을 사용하였다. 실험 중 아르곤(Ar) 가스는 10sccm 정도를 주입하였으며, 이때 성막 챔버는 2×10^-5 Torr 정도의 진공도를 유지했다.
질소 공급원으로서는 NH3 가스를 사용하였고, 갈륨 공급원으로는 Ga knudsen cell을 이용하였다.

이론/모형

WC/Si 기판 상에 GaN 성장은 gas-source MBE (molecular beam epitaxy)를 사용하여 진행하였다.

성능/효과

GaN 시료의 XRD 측정 결과, GaN-A에서는 GaN의 다양한 결정면으로부터 회절피크가 관찰되어 다결정 GaN가 형성되었음을 알 수 있지만, GaN-B의 경우에는 (0002)면 회절피크가 관찰되어 단결정 GaN가 성장되었음을 알 수 있다.
GaN-A는 모자이크화가 심한 표면으로 XRD 결과와 상응하는 결과가 관찰되었고, GaN-B는 일반적으로 3차원 성장이 진행된 GaN의 표면 형상으로 판단되는 결과로 역시 XRD 결과와 상응하는 결과가 확인되었다.
그 결과 두께 ~100 nm 정도의 부드러운 경면 형태의 표면을 갖는 WC 박막 성장이 가능함을 알 수 있었다(그림 1
따라서 강한 결합으로 구성되었으며, 융점이 높고, 밀도 높은 결정구조를 갖고 있는 WC 버퍼층을 사용한 경우 Si melt-back 현상이 효과적으로 방지되는 결과가 얻어진 것으로 이해할 수 있다.
또한 WC의 표면에너지 측정 결과, 본 실험에서 구현된 WC는 c면 사파이어와 유사한 표면 에너지를 가짐을 알 수 있었다. 또한 WC/Si 기판 위에 GaN 성장을 진행하여, 사파이어 기판상의 GaN 성장과 유사하게 저온 버퍼층을 이용한 결정 성장시 단결정 박막 결정 성장이 가능함을 확인할 수 있었다.
또한 WC의 표면에너지 측정 결과, 본 실험에서 구현된 WC는 c면 사파이어와 유사한 표면 에너지를 가짐을 알 수 있었다.
또한 본 논문에서는 생략하였지만, 이러한 결과는 투과전자현미경을 이용한 분석에서도 상온에서 스퍼터한 WC로부터는 hexagonal 결정 구조의 회절 패턴이 관찰되었지만, 고온에서 스퍼터한 시료로부터는 환형패턴(ring)만이 관찰된 점으로부터 확인할 수 있었다.
성막된 WC를 이용하여 Si melt-back 현상이 방지됨을 확인하였다.
이 결과는 WC 표면 에너지가 사파이어와 유사하므로 저온버퍼 성장 기술 등을 활용한 GaN 성장이 가능함을 나타내고 있다. 즉 사파이어와 유사한 표면 에너지를 갖는 것으로부터 판단할 때, GaN 고온 성장 조건에서 직접 성장하기에는 표면 에너지가 낮지만, 저온버퍼를 활용한 2단 성장 기술을 적용하면 GaN 성장이 가능할 것이라는 예상이 가능하게 하는 결과로 WC/Si 상에 전면 성장이 가능함을 나타내고 있다.
이 결과로부터 Si 기판 위에 WC 스퍼터 성막을 위해서는 표면의 산화막 제거 공정이 필요함을 알 수 있었다.
그림 3(a)는 상부에 Ga과 WC 층과 Si 기판이 급준한 경계면을 유지하고 있지만, 그림 3(b)에서는 Si 기판이 melt-back 현상에 의해서 크게 손상된 것처럼 보이는 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 WC가 Si melt-back 현상을 방지하는 버퍼층으로 작용함을 알 수 있었다.
즉 사파이어와 유사한 표면 에너지를 갖는 것으로부터 판단할 때, GaN 고온 성장 조건에서 직접 성장하기에는 표면 에너지가 낮지만, 저온버퍼를 활용한 2단 성장 기술을 적용하면 GaN 성장이 가능할 것이라는 예상이 가능하게 하는 결과로 WC/Si 상에 전면 성장이 가능함을 나타내고 있다.

후속연구

따라서 본 연구에서 제안한 WC 버퍼층의 표면 에너지가 지나치게 낮다면 횡 방향 성장등에만 제한적으로 이용 가능한 것을 의미하므로 그 활용성이 제약된다고 할 수 있다.
하지만 위에 기술한 물성으로부터 원자가 부정합 완화, 열팽창계수 부정합 완화, 고온에서 Si melt-back의 방지, 질화물 결정 성장을 위한 안정된 표면의 제공 등의 버퍼 효과가 기대되며, GaN 성장을 위한 버퍼로써 충분한 연구 가치를 갖는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WC의 특성은?	따라서 본 연구에서는 Si과 GaN 사이의 화학적 반응을 억제할 수 있는 새로운 전도성 버퍼층으로 tungsten carbide (WC, 탄화텅스텐)를 제안하였다. WC는 hexagonal의 결정 구조를 가지며, 격자정수는 a = 0.2906nm, c = 0.2837 nm, 융점은 2,785 ℃, 경도는 (18~22GPa, @300 K), 열팽창계수는 ~5.5×10-6 K-1 등을 갖는 물질로, 우수한 기계적, 전기적, 화학적인 특성을 가지고 있기 때문에 금속 표면 보호막으로 주로 연구되어져 왔다 [3]. 하지만 위에 기술한 물성으로부터 원자가 부정합 완화, 열팽창계수 부정합 완화, 고온에서 Si melt-back의 방지, 질화물 결정 성장을 위한 안정된 표면의 제공 등의 버퍼 효과가 기대되며, GaN 성장을 위한 버퍼로써 충분한 연구 가치를 갖는 것으로 판단된다.
	Si 기판상의 GaN 성장 기술에 대해 많은 연구가 진행되는 이유는?	Si 기판상의 GaN 성장 기술은 대구경 기판의 이용을 통한 경제성 제고가 가능한 등의 이유로 많은 관심 속에서 연구가 진행되었다. 최근 브릿지룩스(Bridgelux)사는 8인치 직경의 Si 효율적인 가격으로 특수한 버퍼층을 이용하여 균열 없는 GaN-on-Si 기술을 개발하는데 성공했다고 발표했다 [1].
	Si 기판 상에 양질의 GaN 결정을 성장을 위해선 적절한 버퍼층의 선택과 구현이 중요한 이유는?	이 성공적인 연구 성과로부터 Si 기판 상에 양질의 GaN 결정을 성장하기 위해서는 적절한 버퍼층의 선택과 구현이 중요함을 잘 알 수 있다. 그 이유는 물론 GaN와 Si 사이의 여러가지 부정합, 즉 원자가 부정합(hetero valency), 격자 부정합(lattice mismatch; f = -16.9%, aGaN = 0.318 nm, aSi=0.384 nm), 열팽창계수부정합(αGaN = 5.59×10-6 K-1, αSi=3.77×10-6 K-1) 등을 들 수 있지만, 더 큰 부정합을 가지고 있는 사파이어 기판 상에 발광소자 제작이 가능한 수준의 결정 성장이 가능한 점과 비교할 때 Si 기판의 GaN 성장이 갖는 가장 중요한 문제점으로는 Ga에 의한 Si의 melt-back etching 현상과 같은 초기 성장의 문제점이 지적되어야 한다 [2]. 이를 극복하기 위하여 다양한 버퍼층에 관한 연구가 진행되었지만 HfN를 제외하면 전도성 버퍼층에 관한 연구는 상대적으로 부족했다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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A. Strittmatter, S. Rodt, L. ReiBmann, D. Bimberg, H. Schroder, E. Obermeier, T. Riemann, J. Christen, and A. Krost, Appl. Phys. Lett., 78, 727 (2001). [DOI : https://doi.org/10.1063/1.1347013]

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S. H. Jang, S. S. Lee, O. Y. Lee, and C. R. Lee, J. Cryst. Growth, 255, 220 (2003). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01251-X]

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