본 연구에서는 고휘도 고출력 광학소자 제조에 GaN 기판으로서의 적용가능 여부를 평가하고자 HVPE 법으로 성장된 bulk GaN 결정의 두께 증가에 따른 광학적 특성 변화를 분석하였다. HVPE를 이용하여 다양한 두께(0.4, 0.9, 1.5 mm 이상)의 2인치 GaN 기판을 제작한 뒤, 화학 습식 에칭, Raman, PL 등을 이용하여 기판의 결함밀도와 잔류응력 변화에 따른 광학적 특성을 분석하였다. 이를 통해 제작된 GaN 기판의 결정 두께와 광학적 특성과의 상관관계를 확인하였으며, 동종기판의 제작을 통한 고성능 광학소자로의 응용가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 고휘도 고출력 광학소자 제조에 GaN 기판으로서의 적용가능 여부를 평가하고자 HVPE 법으로 성장된 bulk GaN 결정의 두께 증가에 따른 광학적 특성 변화를 분석하였다. HVPE를 이용하여 다양한 두께(0.4, 0.9, 1.5 mm 이상)의 2인치 GaN 기판을 제작한 뒤, 화학 습식 에칭, Raman, PL 등을 이용하여 기판의 결함밀도와 잔류응력 변화에 따른 광학적 특성을 분석하였다. 이를 통해 제작된 GaN 기판의 결정 두께와 광학적 특성과의 상관관계를 확인하였으며, 동종기판의 제작을 통한 고성능 광학소자로의 응용가능성을 확인하였다.
In this work, we investigated the variation of optical characteristics with the thickness of bulk GaN grown by hydride vapor phase epitaxy(HVPE) to evaluate applicability as GaN substrates in fabrication of high-brightness optical devices and high-power devices. We fabricated 2-inch GaN substrates b...
In this work, we investigated the variation of optical characteristics with the thickness of bulk GaN grown by hydride vapor phase epitaxy(HVPE) to evaluate applicability as GaN substrates in fabrication of high-brightness optical devices and high-power devices. We fabricated 2-inch GaN substrates by using HVPE method of various thickness (0.4, 0.9, 1.5 mm) and characterized the optical property with the variation of defect density and the residual stress using chemical wet etching, Raman spectroscopy and photoluminescence. As a result, we confirmed the correlation of optical properties with GaN crystal thickness and applicability of high performance optical devices via fabrication of homoepitaxial substrate.
In this work, we investigated the variation of optical characteristics with the thickness of bulk GaN grown by hydride vapor phase epitaxy(HVPE) to evaluate applicability as GaN substrates in fabrication of high-brightness optical devices and high-power devices. We fabricated 2-inch GaN substrates by using HVPE method of various thickness (0.4, 0.9, 1.5 mm) and characterized the optical property with the variation of defect density and the residual stress using chemical wet etching, Raman spectroscopy and photoluminescence. As a result, we confirmed the correlation of optical properties with GaN crystal thickness and applicability of high performance optical devices via fabrication of homoepitaxial substrate.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 vertical HVPE 성장로를 이용하여 사파이어 기판 위에 성장한 bulk GaN 결정의 두께 0.4, 0.9, 1.5 mm의 위치에서, GaN 결정의 두께 증가에 따른 광학적 특성을 photoluminescence(PL), Raman 등의 방법을 이용해 분석함으로써, 고휘도 · 고출력 광학소자 제조로의 응용에 관하여 논하고자 한다.
제안 방법
자체 제작한 vertical HVPE 성장로를 사용하여 사파이어 기판(0001) 위에 bulk GaN 단결정을 성장시켰다[3]. Ga source로는 금속 Ga을 HCl 가스에 반응시켜 700~800°C에서 GaCl 기체를 형성하였고, 이를 N source로 사용된 NH3 가스와 반응시켜, 1000~1100°C의 성장온도에서 100 µm/h의 성장속도를 유지하며 두께 0.
제작된 GaN 기판은 KOH/NaOH eutectic 조성의 용융액을 이용하여 화학적 에칭을 실시한 후 결정 두께 증가에 따른 GaN 결정의 결함밀도 분석을 행하였다[12]. GaN의 두께 증가에 따른 잔류 응력의 변화는 Raman spectrometer(JASCO, NRS-3100, England)를 사용하여 분석하였으며, excitation laser sources는 534 nm 파장이고, power는 2.
5 mW이다. 광학적 특성을 평가하기 위해서는 상온에서 photoluminescence(PL, Dongwoo Optron, MonoRa750i, Korea)를 사용하여 측정하였다. 이때 excitation source로는 GaN의 band gap energy보다 큰 energy를 갖고 있는 He-Cd 레이저의 325 nm 파장을 사용하였으며, laser의 power는 2.
Ga source로는 금속 Ga을 HCl 가스에 반응시켜 700~800°C에서 GaCl 기체를 형성하였고, 이를 N source로 사용된 NH3 가스와 반응시켜, 1000~1100°C의 성장온도에서 100 µm/h의 성장속도를 유지하며 두께 0.4~1.5 mm 이상으로 GaN 단결정을 성장하였다.
대상 데이터
5 mm 이상으로 GaN 단결정을 성장하였다. 성장한 bulk GaN 단결정은 diamond slurry를 이용한 mechanical polishing 방법으로 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 직경 2인치 크기의 두께 0.4, 0.9, 1.5 mm GaN 기판을 제작하였다[3]
제작된 GaN 기판은 KOH/NaOH eutectic 조성의 용융액을 이용하여 화학적 에칭을 실시한 후 결정 두께 증가에 따른 GaN 결정의 결함밀도 분석을 행하였다[12]. GaN의 두께 증가에 따른 잔류 응력의 변화는 Raman spectrometer(JASCO, NRS-3100, England)를 사용하여 분석하였으며, excitation laser sources는 534 nm 파장이고, power는 2.5 mW이다. 광학적 특성을 평가하기 위해서는 상온에서 photoluminescence(PL, Dongwoo Optron, MonoRa750i, Korea)를 사용하여 측정하였다.
광학적 특성을 평가하기 위해서는 상온에서 photoluminescence(PL, Dongwoo Optron, MonoRa750i, Korea)를 사용하여 측정하였다. 이때 excitation source로는 GaN의 band gap energy보다 큰 energy를 갖고 있는 He-Cd 레이저의 325 nm 파장을 사용하였으며, laser의 power는 2.5 mW이었다.
성능/효과
KOH/NaOH eutectic 조성의 etchant를 활용하여, EPD의 변화를 측정한 결과, 0.4 mm 두께에서는 약 9 × 108cm−2의 전위밀도를 가지며, 0.9 mm에서는 약 2 × 107cm−2, 두께 1.5 mm에서는 약 5 × 106cm−2로 결정의 두께가 증가함에 따라 전위밀도가 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다[12, 13].
5 mm인 GaN에 대하여 상온에서 측정한 PL 스펙트럼을 나타낸 것이다. 모든 샘플의 PL 스펙트럼에서 약 3.4 eV 부근의 강한 peak는 강하게 나타나는 energy gap 주위의 exciton 소멸에 의한 발광인 near band edge emission(NBE)을 나타내며, GaN의 band gap energy인 약 3.41 eV와 거의 일치함을 확인할 수 있다[14]. PL 스펙트럼에서 GaN 결정의 두께가 두꺼워짐에 따라 NBE peak의 세기가 증가하는데, 이는 두께 증가에 따른 기판의 특성(quality)이 증가함을 의미한다[15].
이는 파장과 포논의 진동수는 반비례 관계이므로 압축응력이 작용할 경우 포논의 진동수는 감소하게 되며, Raman shift는 오른쪽으로 이동하게 되는 것이다[9]. 따라서 두께가 증가할수록 E2(high)peak가 낮은 주파수로 이동하는 것을 통해 압축응력이 완화되는 것을 확인하였으며, 이는 앞서 기술한 PL 스펙트럼에서 NBE peak가 blue shift하는 결과와 일치한다. 또한, E2(high) mode의 FWHM은 결정의 품질에 의해 영향을 받는데[23], 결정의 결함은 포논의 산란에 기여하게 됨으로써 포논의 유효파장을 감소시키게 되며, 결정의 결함밀도가 감소함에 따라 포논 peak의 FWHM이 감소하게 된다[15].
또한, E2(high) mode의 FWHM은 결정의 품질에 의해 영향을 받는데[23], 결정의 결함은 포논의 산란에 기여하게 됨으로써 포논의 유효파장을 감소시키게 되며, 결정의 결함밀도가 감소함에 따라 포논 peak의 FWHM이 감소하게 된다[15]. Raman 스펙트럼에서 GaN 기판의 두께가 증가할수록 E2(high) mode의 FWHM은 감소하게 되며, 이를 통해 두께 증가에 따라 결정성이 향상됨을 확인할 수 있다.
(LO) mode의 intensity가 감소하게 된다[24]. Fig. 3의 Raman 스펙트럼에서는 GaN 결정의 두께가 증가함에 따라 A1(LO) mode의 peak가 sharp 해지며 intensity는 증가하였는데, 이를 통해 GaN 결정의 두께가 증가할수록 불순물의 양이 감소하였으며, 결과적으로 결정내부의 결함이 감소함을 확인할 수 있다.
두께에 따른 EPD 측정을 통한 내부 결함의 관찰결과, 두께 증가에 따라서 EPD가 현저히 감소됨을 확인하였다. PL 분석을 통하여, GaN 결정의 두께가 증가함에 따라 NBE peak의 세기가 강해지고, YL band의 세기는 감소하는 것을 관찰하였으며, 이를 근거로 결정의 두께 증가에 따라 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
두께에 따른 EPD 측정을 통한 내부 결함의 관찰결과, 두께 증가에 따라서 EPD가 현저히 감소됨을 확인하였다. PL 분석을 통하여, GaN 결정의 두께가 증가함에 따라 NBE peak의 세기가 강해지고, YL band의 세기는 감소하는 것을 관찰하였으며, 이를 근거로 결정의 두께 증가에 따라 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 Raman 측정 결과 GaN 결정의 두께가 증가할 수록 잔류응력이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 PL의 결과와 일치하였다.
PL 분석을 통하여, GaN 결정의 두께가 증가함에 따라 NBE peak의 세기가 강해지고, YL band의 세기는 감소하는 것을 관찰하였으며, 이를 근거로 결정의 두께 증가에 따라 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 Raman 측정 결과 GaN 결정의 두께가 증가할 수록 잔류응력이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 PL의 결과와 일치하였다. 위의 결과를 바탕으로 HVPE법으로 제작된 GaN 기판의 경우 결정의 두께가 증가할수록 전위밀도와 잔류응력이 감소하게 되어 광학적 특성이 향상됨을 확인하였다.
또한 Raman 측정 결과 GaN 결정의 두께가 증가할 수록 잔류응력이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 PL의 결과와 일치하였다. 위의 결과를 바탕으로 HVPE법으로 제작된 GaN 기판의 경우 결정의 두께가 증가할수록 전위밀도와 잔류응력이 감소하게 되어 광학적 특성이 향상됨을 확인하였다. 이를 통해 GaN 소자 제조시 성장두께를 증가시켜 얻은 동종 GaN 기판을 사용하면, 고출력 및 고휘도 GaN LED의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
위의 결과를 바탕으로 HVPE법으로 제작된 GaN 기판의 경우 결정의 두께가 증가할수록 전위밀도와 잔류응력이 감소하게 되어 광학적 특성이 향상됨을 확인하였다. 이를 통해 GaN 소자 제조시 성장두께를 증가시켜 얻은 동종 GaN 기판을 사용하면, 고출력 및 고휘도 GaN LED의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
두께에 따른 EPD 측정을 통한 내부 결함의 관찰 결과는?
두께에 따른 EPD 측정을 통한 내부 결함의 관찰결과, 두께 증가에 따라서 EPD가 현저히 감소됨을 확인하였다. PL 분석을 통하여, GaN 결정의 두께가 증가함에 따라 NBE peak의 세기가 강해지고, YL band의 세기는 감소하는 것을 관찰하였으며, 이를 근거로 결정의 두께 증가에 따라 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 Raman 측정 결과 GaN 결정의 두께가 증가할 수록 잔류응력이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 PL의 결과와 일치하였다. 위의 결과를 바탕으로 HVPE법으로 제작된 GaN 기판의 경우 결정의 두께가 증가할수록 전위밀도와 잔류응력이 감소하게 되어 광학적 특성이 향상됨을 확인하였다. 이를 통해 GaN 소자 제조시 성장두께를 증가시켜 얻은 동종 GaN 기판을 사용하면, 고출력 및 고휘도 GaN LED의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
GaN가 청색이나 자외선 영역의 범위에서 동작하는 발광소자에 응용이 기대되는 재료인 이유는?
GaN은 III-V족 화합물 반도체로써 넓은 에너지 밴드갭 특성을 갖고 있기 때문에 청색이나 자외선 영역의 범위에서 동작하는 발광소자에 응용이 기대되는 재료이다[1, 2]. 특히, GaN의 뛰어난 발광 특성과 더불어 고온에서 구조적 안정성이 매우 우수하고 높은 경도와 열전도, 화학적 안정성 등과 같은 특징을 갖고 있기 때문에 광소자 뿐만 아니라 고출력 소자, 고온에서 작동 가능한 소자에 이르기까지 다양하게 응용할 수 있으며, 최근에는 이와 같은 특성을 바탕으로 고휘도 LED, LD에 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[3, 4].
GaN을 광소자뿐만 아니라 고출력 소자, 고온에서 작동 가능한 소자에 이르기까지 다양하게 응용할 수 있는 이유는?
GaN은 III-V족 화합물 반도체로써 넓은 에너지 밴드갭 특성을 갖고 있기 때문에 청색이나 자외선 영역의 범위에서 동작하는 발광소자에 응용이 기대되는 재료이다[1, 2]. 특히, GaN의 뛰어난 발광 특성과 더불어 고온에서 구조적 안정성이 매우 우수하고 높은 경도와 열전도, 화학적 안정성 등과 같은 특징을 갖고 있기 때문에 광소자 뿐만 아니라 고출력 소자, 고온에서 작동 가능한 소자에 이르기까지 다양하게 응용할 수 있으며, 최근에는 이와 같은 특성을 바탕으로 고휘도 LED, LD에 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[3, 4]. LED를 표시소자로 사용할 경우에는 휘도가 큰 문제가 되지 않았지만, LCD의 백라이트나 백색광원용 LED에 적용할 경우 강한 빛을 내야하므로, 휘도가 가장 큰 이슈로 등장하게 되었다[5].
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