[논문]HVPE 법을 활용한 GaN 성장 시 질화처리에 관한 연구

이승훈; 이주형; 이희애; 오누리; 이성철; 강효상; 이성국; 양재득; 박재화

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.4.149

초록
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HVPE는 GaN 단결정의 제조 방법 중 하나로 빠른 성장 속도가 장점인 상업적으로 널리 사용되는 성장 방법이다. HVPE 법에 의한 GaN 단결정 성장은 여러 공정으로 이루어지며, 특히 GaN 성장 전 기판의 질화 처리는 성장되는 GaN 단결정 품질에 상당한 영향을 미친다. 본 연구에서는 사파이어 기판 위에 GaN 단결정 성장 시 기판의 질화처리가 성장되는 GaN 단결정 품질에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 질화 처리를 제외한 다른 성장 조건은 동일하게 하였고 질화처리 시 기판에 공급되는 가스 유량을 다양하게 변화시킨 후 GaN 박막을 성장시키고, 성장된 GaN의 표면 특성평가를 통하여, HVPE 법에서의 질화처리 효과를 고찰하여 보고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

HVPE is one of the GaN single crystal manufacturing methods which has been commercially widely used due to its high growth rate. HVPE method consists of a number of processes, in particular the nitridation of the substrate prior to GaN growth has a significant effect on the crystalline quality of th...

HVPE is one of the GaN single crystal manufacturing methods which has been commercially widely used due to its high growth rate. HVPE method consists of a number of processes, in particular the nitridation of the substrate prior to GaN growth has a significant effect on the crystalline quality of the manufactured GaN single crystal. In this study, we investigated the effect of nitridation for crystalline quality of GaN when it was grown on the sapphire substrate. The whole growth conditions except for the nitridation process were the same, and the gas flow rate supplied to the sapphire substrate was variously changed during the nitridation. Here, we examined the effect of nitridation via the surface characterization of GaN single crystal grown by HVPE.

Keyword

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. GaN templates and surface OM images grown by HVPE: (a) without nitridation, (b) with nitridation.
그림 Fig. 2. Surface morphologies of GaN template using the optical profiler: (a) without nitridation, (b) with nitridation.
그림 Fig. 3. OM images of GaN surface with nitridation condition (V/III): (a) 30, (b) 15, (c) 10.
그림 Fig. 4. Average hillock size with nitridation ratio.
그림 Fig. 5. GaN template grown by HVPE.
그림 Fig. 6. XRC FWHM of GaN template.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자체적으로 설계 제작한 HVPE를 활용 하여, 사파이어 기판 위에 GaN을 성장할 때 초기 실시되는 질화처리 공정 시 다양한 조건을 사용하여 사파이어 기판의 표면을 개질시키고, 그 위에 GaN 단결정을 성장하였다. 성장된 GaN 단결정의 표면 분석을 통하여, 기판의 질화처리 공정이 GaN 품질에 미치는 영향에 관하여 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 자체적으로 설계 제작한 HVPE를 활용 하여, 사파이어 기판 위에 GaN을 성장할 때 초기 실시되는 질화처리 공정 시 다양한 조건을 사용하여 사파이어 기판의 표면을 개질시키고, 그 위에 GaN 단결정을 성장하였다. 성장된 GaN 단결정의 표면 분석을 통하여, 기판의 질화처리 공정이 GaN 품질에 미치는 영향에 관하여 고찰하였다.
질화처리 공정 효과를 알아보고자 질화처리를 진행하지 않은 공정과 진행한 공정을 비교하였다. 각 공정에 따른 정확한 비교를 위하여 성장 조건인 V/III 비와 성장 시간을 동일하게 고정하였으며, 질화처리 공정 중 HCl 유량에 따른 GaN 단결정의 특성 변화를 분석하기 위해 HCl 유량을 점차 증가시키며 질화처리를 거친 후 성장을 진행하였다. 성장된 GaN의 표면 관찰은 광학현미경(BiMeince, S39CM, Korea)을 통해 기판 표면에 형성된 pits과 hillock 등을 관찰 하였으며, 백색광 간섭계(NanoSystem, NanoView, Korea)를 이용하여 표면에 생성된 GaN의 형상을 보고자 하였다.

대상 데이터

자체 제작한 수직형 HVPE로 대기압 하에서 2인치 사파이어 기판(0001) 위에 GaN 단결정을 성장시켰다. Source zone에서 Ga metal을 HCl gas와 반응시켜 GaCl를 형성 시켰고, growth zone에서 GaCl와 NH₃ 를 반응시켜 사파이어 기판 위에 GaN 단결정 성장을 유도하였으며, carrier gas로 N₂ gas를 사용하였다[11]. 질화처리 공정 효과를 알아보고자 질화처리를 진행하지 않은 공정과 진행한 공정을 비교하였다.
자체 설계 제작한 HVPE를 활용하여 다양한 분위기에 서의 질화처리 공정을 통하여 2인치 GaN template를 제조하였다. 성장된 GaN template의 두께는 약 7 µm였으며, X-ray rocking curve의 반치폭은 (0002)에서 617 arcsec 값을 가졌다.

성능/효과

성장된 GaN template의 두께는 약 7 µm였으며, X-ray rocking curve의 반치폭은 (0002)에서 617 arcsec 값을 가졌다. NH₃ 와 HCl gas를 동시에 공급하여 실시하는 질화처리 공정상에서 HCl 유량이 증가할수록, 초기 성장되는 GaN 입자의 크기가 작아지는 경향을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 GaN 박막의 제조를 위해서는 HCl 유량의 증가가 유리하나, GaN 막의 두께가 두꺼워지는 후막이나 bulk GaN 성장을 위해서는 성장하고자 하는 두께에 따른 질화처리 공정개발이 필요함을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.

후속연구

이 때 HCl의 유량 증가는 기판상에서 AlN 형성을 용이 하게 함은 물론, 생성되는 AlN 들의 크기가 성장하는것을 억제하여, 초기에 생성되는 GaN island 크기를 조밀하게 만든 것으로 판단되며, 이러한 결과를 근거로 HCl gas의 유량을 증가함에 따라 초기 핵 생성층의 상태 제어를 통하여 고품위 GaN 박막을 형성 할 수 있으나, 성장되는 GaN의 두께가 증가하면 할수록 기판인 사파이어와의 물성적 차이에 의해서 높은 잔류 열 응력이 발생하며, 이러한 요인으로 인하여 GaN 단결정의 bow, 내부 crack 등이 발생하게 된다. 따라서 후막 GaN 또는 bulk GaN 의 성장을 위해서는 buffer layer 형성이 필요하며, 이는 또 다른 조건의 질화처리 공정이 필요하다는 것을 반증한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	gallium nitride(GaN)는 어떤 분야에서 각광 받고 있는가?	III-족 질화물계 화합물 반도체의 대표적인 물질인 gallium nitride(GaN)는 3.4 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 가지며, 높은 항복 전압과 전자 이동도 그리고 고온에서의 안정성과 같은 우수한 특성을 지닌 소재로써, 이러한 특성을 활용하여 고휘도 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 광학 소자뿐만 아니라 전력 반도체, 5G에 적용 가능한 RF 소자, 고온에서 작동이 가능한 소자 등에 응용이 가능한 차세대 반도체 기판소재로써 각광 받고 있다[1-3]. 이와 같이 여러 응용 분야의 기판으로 적용되기 위해서는 고품위의 GaN 단결정 확보가 중요한데, 성장 방법, 성장 조건 등에 의하여 다양한 품질의 GaN 단결정이 제조된다[4,5].
	HVPE(hydride vapor phase epitaxy)법의 경우 성장 시각 공정에서의 반응기에 맞는 최적화 조건이 필요한 이유는 무엇인가?	현재 GaN 단결정의 성장은 빠른 성장 속도를 기반으로 고품위 GaN 단결정을 빠르게 확보할 수 있다는 점에서 상업적으로 유리한 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)법이 주로 활용된다. HVPE 성장법의 경우 반응기 대부분을 각 연구기관이 독자적인 구조로 자체적으로 개발하고 있어 반응기 내부 구조가 상이하기 때문에, 성장 시각 공정에서의 반응기에 맞는 최적화 조건이 필요하다[6].
	gallium nitride(GaN)의 특성은?	III-족 질화물계 화합물 반도체의 대표적인 물질인 gallium nitride(GaN)는 3.4 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 가지며, 높은 항복 전압과 전자 이동도 그리고 고온에서의 안정성과 같은 우수한 특성을 지닌 소재로써, 이러한 특성을 활용하여 고휘도 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 광학 소자뿐만 아니라 전력 반도체, 5G에 적용 가능한 RF 소자, 고온에서 작동이 가능한 소자 등에 응용이 가능한 차세대 반도체 기판소재로써 각광 받고 있다[1-3]. 이와 같이 여러 응용 분야의 기판으로 적용되기 위해서는 고품위의 GaN 단결정 확보가 중요한데, 성장 방법, 성장 조건 등에 의하여 다양한 품질의 GaN 단결정이 제조된다[4,5].

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