초록 ▼

발광소자재료인 GaN (질화물반도체)를 발전된 Si공정기술과 조합하기 위하여 실리콘상에 성장시킨다. 이 때 박막내의 결정결함을 최소화하여 궁극적으로 에피텍셜층을 제조하기 위하여 ZnO, GaN등 완충층의 적용등을 연구할 것이며 이 때 고품질(단결정)의 완충층재료의 성장을 목표로 한다. 또한 실리콘기판의 오염도를 낮추기 위한 표면처리의 영향도 평가할 예정이다.
① 박막제조를 위한 기본장비 즉, MOCVD 및 sputter를 setup하고 Si기판상에 GaN 박막을 성장시키기 위한 완충층재료를 자료조사에 의하여 ZnO 박막으로 선

발광소자재료인 GaN (질화물반도체)를 발전된 Si공정기술과 조합하기 위하여 실리콘상에 성장시킨다. 이 때 박막내의 결정결함을 최소화하여 궁극적으로 에피텍셜층을 제조하기 위하여 ZnO, GaN등 완충층의 적용등을 연구할 것이며 이 때 고품질(단결정)의 완충층재료의 성장을 목표로 한다. 또한 실리콘기판의 오염도를 낮추기 위한 표면처리의 영향도 평가할 예정이다.
① 박막제조를 위한 기본장비 즉, MOCVD 및 sputter를 setup하고 Si기판상에 GaN 박막을 성장시키기 위한 완충층재료를 자료조사에 의하여 ZnO 박막으로 선정하였다.
ZnO는 GaN와 lattice mismatch가 1.8%에 지나지 않고 ZnO는 용융점이 상대적으로 낮아 실리콘기판상에 상대적 저온에 성장가능하여 열팽창계수의 차에 의한 부정합을 경감시키게 되며 ZnO는 compliant한 소재로 알려져 있다. 우선적으로 실리콘기판의 오염도를 낮추기 위한 표면처리기술을 개발하였으며 이에는 chamber외부 및 내부에서의 처리기술이 포함된다.
② 완충층소재인 ZnO박막을 MOCVD공법에 의하여 Si(100), Si(111), 그리고 SiO2 기판위에 성장시켰으며 100-300℃의 온도범위에서 구조적 특성의 변화에 대하여 조사하였다. XRD data에 의하면 ZnO 의 박막의 c축배향성이 250℃까지 연속적으로 향상되 었고 이 경향은 기판재료나 기판의 결정학적 방향에 무관하였다. 특히 200-250℃에서 성장한 ZnO박막은 strong한 ZnO(002) peak를 나타내었다. ZnO target을 이용하여 RF magnetron sputtering법에 의하여 25-200℃의 성장온도에서 ZnO박막을 성장시켰다. SEM분석에 의하여 조대한 ZnO columnar 구조의 성장을 확인하였다. ZnO박막의 온도와 분위기에 따른 어닐링효과를 분석하였다. 어닐링온도가 증가함에 따라 결정립이 점차 조대화되고 (002)방향의 c축 배향성이 증가하였다.
③ RF magnetron sputtering으로 제조된 ZnO완충층위에 GaN박막을 극저온 (상온)에서 제작하였다. 완충층 두께에 따른 GaN 박막의 구조적/ 결정학적 특성에 대해 조사하였다. Thermal annealing에 의하여 그 광학적 특성을 제고하였다.
ⓛ 극저온 (상온)에서 ZnO 완충층을 사용하여 실리콘기판상에 c축배향성의 GaN박막 제작기술 확보 (세계최초)
② 상기 GaN/ZnO/Si구조를 thermal annealing하여 green 및 UV emission 특성확보

③ ZnO완충층을 MOCVD 및 RF magnetron sputter에 의하여 Si 및 $SiO_2$기판에 저온 (<300℃)에서 성장공법 터득및 비교연구
④ 실리콘기판의 전처리 기술 (in-situ 그리고 ex-situ) 확보

Abstract ▼

We fabricate the GaN thin films on Si substrates. In order to minimize the structural defects inside the thin films, we investigate the application of highly crystalline buffer layers such as ZnO and GaN. We also evaluate the in-situ or ex-situ surface treatments for reducing the substrate surface c

We fabricate the GaN thin films on Si substrates. In order to minimize the structural defects inside the thin films, we investigate the application of highly crystalline buffer layers such as ZnO and GaN. We also evaluate the in-situ or ex-situ surface treatments for reducing the substrate surface contaminants.
ⓛ We have prepared the experimental apparatus such as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) and RF magnetron sputterer. After literature survey, we decided the application of ZnO buffer layers for growing GaN films on Si substrates. We have developed the surface cleaning techniques for reducing the amount of substrate surface contaminants.
② We have fabricated the ZnO buffer layer on Si(100), Si(111), and $SiO_2$ substrates by MOCVD method and investigated the variation of structural characteristics in the temperature ranges of 100-300℃. XRD analysis indicated that the c-axis orientation of ZnO layers increased with increasing the temperature up to 250℃, regardless of substrate material or substrate orientation.
Strong ZnO(002) peak appeared from the ZnO films deposited at 200-250℃. We also have prepared the ZnO buffer layers using the RF magnetron sputtering method at temperatures in the range of 25-200℃. Scanning electron microscopy revealed the growth of coarse ZnO columnar structures. We have investigated the effect of thermal annealing with varying the temperature and the atmosphere.
③ We have demonstrated the production of the c-axis oriented GaN thin films on Si substrates at room temperature and have investigated the structural and crystallographic characteristics of GaN layers depending on the buffer layer thicknesses. We have improved the optical (light-emitting) properties of GaN/ZnO/Si structures by the thermal annealing.
This study will contribute to the development of theory and processing technology of compound semiconductors. Also, the fabrication of GaN layers on Si substrates will promote the production of optoelectronic devices and circuits. The reseachers will learn a lot on the vacuum and thin film technologies. Additionally, the researchers will gain insights on the basic properties and the measurements techniques related to the thin films, by performing the SEM, TEM, XRD, and PL analysis.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...8
• 3. 결과 및 고찰...11
• 4. 결론...18
• 5. 인용문헌...19