GaAs 기판표면의 질화 및 GaN 박막 성장

모영환, *심현욱, **김선중, **서영훈, 남기석

전북대학교 화학공학부, *반도체과학기술학과, **(주)아남산업

Nitridation of GaAs substrate and GaN thin film growth

Y. H. Mo, *H. W. Shim, **S. J. Kim, **Y. H. Seo and K. S. Nahm

School of Chemical Engineering & Technology,

*Department of Semiconductor Science & Technology

Chonbuk National University, Chonju, 561-756, Republic of Korea

**Anam Industry Co. Ltd

Ⅰ. 서  론

GaN 는 고온전자소자(high-temperature electronic device) 뿐만 아니라 청색을 포함한 가시광선 영역의 빛을 발생하는 광전소자(optoelectronic device)로도 사용이 가능한 물질로 각광받고 있다1). 현재 Al2O3 기판위에 hexagonal 상의 GaN 박막을 성장시켜 발광 다이오드 (LED)와 레이저 다이오드(LD)로 이용하고자 연구가 진행되고 있으며, 몇몇 제품들은 상용화되고 있다. 그러나 Al2O3 기판 위에 GaN 박막을 성장시켜 이를 LD에 이용할 경우 기판의 절단이 어려워 반사면의 형성이 쉽지 않으며, 기판의 절연특성으로 인하여 ohmic 접촉이 어렵다는 단점을 안고 있다2).

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 GaAs 기판 위에 cubic 상의 GaN 박막을 성장시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 GaAs 기판의 사용은 Al2O3 기판에 비하여 쉬운 절단성(easy scriving), 낮은 저항성(low resistivity) 등을 포함하는 소자 응용성으로 인하여 LD의 응용 가능성을 증가되고 있다. 또한 cubic상이 지니는 그 물질의 높은 대칭성(higher symmetry)으로 인하여 높은 전자이동도(higher electron mobility)와 높은 도핑효율(improved doping efficiency)을 지니고 있다는 장점도 지니고 있다3).

그러나 cubic-GaN는 열적으로 불안정한 상(thermally metastable phase)이라는 특성으로 인하여 hexagonal GaN의 공존없이 순수한 cubic GaN 상만이 있는 박막을 얻기 어렵다고 보고되고 있다. 또한 최근에 Yamaguchi4)가 GaAs 기판 위에 GaN의 성장시 성장조건과 기판 전처리조건에 따라서 성장되는 박막의 결정상이 달라진다고 보고하고 있는 등 GaAs 기판 위에 성장된 GaN의 결정상에 대한 연구가 아직은 미흡한 실정이다.

이에 본 연구에서는 본 실험실에서 ECR plasma를 이용하여 질화처리된 GaAs 기판과 질화처리되지 않은 GaAs을 이용하여 GaN 박막의 성장특성을 연구하였다. 성장변수로 성장온도, TMG 유량, NH3 유량, 반응압력 등을 변화시켜 가면서 GaAs 기판 위에 GaN 박막을 성장시켰으며, X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)를 이용하여 성장된 GaN 박막의 결정상을 조사하였고, 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 표면형상을 관찰하였다.

Ⅱ. 실  험

본 연구에 사용된 질화처리된 GaAs 기판은 ECR plasma 장치에서 N2 기체를 이용하여 처리되었고, GaN 박막성장은 텅스텐 할로겐 램프를 이용하여 적외선으로 GaAs 기판만을 가열시키는 rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD)장치를 사용하였다. 기판을 반응기 안으로 장착하기 전에 기판의 유기물과 산화막을 제거하기 위하여 acetone과 H2SO4:H2O2:H2O=5:1:1과 HF처리를 각각 1 hr, 2 min, 2 min씩 처리하였으며, N2로 blowing한 후 반응관 내에 장착하였다. GaN 박막성장을 위하여 TMG와 NH3를 사용하였으며, 운반기체로는 H2를 이용하였다. 성장온도는 400 ∼ 1050 ℃, TMG의 유량은 0.1 ∼ 10 sccm, NH3의 유량은 100 ∼ 5000 sccm까지 변화시켜 가면서 실험을 실시하였다.

이렇게 제작된 시료는 XRD와 SEM 분석을 실시하였으며, 분광학적 특성을 조사하기 위하여 photoluminescence(PL) 분석을 실시하였다.

Ⅲ. 결과 및 논의

Fig. 1은 먼저 질화처리된 GaAs 기판과 질화처리되지 않은 GaAs 기판 위에 성장된 GaN 박막의 결정 구조를 관찰하기 위하여 XRD 분석을 수행하였다. 이때 각각의 성장은 GaAs 기판이 Al2O3에 비하여 융점이 낮으므로 600 ℃의 온도에서 성장하였으며, TMG/NH3/H2의 유량은 각각 4, 2000, 500 sccm이었다. 또한 성장압력은 4 Torr 이었으며, 성장시간은 30 min이었다. Fig. 1에서 관찰할 수 있듯이 질화처리되지 않은 GaAs 기판위에 성장된 박막은 31.5°와 66°에서 GaAs 기판 피크를 관찰할 수 있고, 그외에 34.5°에서 hexagonal상의 GaN(0002) 피크만을 관찰할 수 있었다. 그러나 질화처리된 GaAs기판에 성장된 GaN는 34.5°에서 hexagonal GaN피크가 질화처리되지 않은 GaAs 기판 위에서 관찰된 피크보다 감소하는 것을 관찰할 수 있으며, 이외에 40°에서 cubic상의 GaN(200) 피크를 관찰할 수 있었다. 이러한 결과로 질화처리가 GaAs 기판에 cubic상의 GaN 박막을 성장시키는 방법임을 확인하였다. 그러나 600℃의 온도에서는 성장된 GaN 박막에 hexagonal 상이 같이 포함되어 나타났으며, 이로부터 성장조건이 GaN 박막의 결정상에 중요한 영향을 미침을 확인하였다.

Fig. 2는 성장온도가 GaN 박막의 결정상에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 성장조건을 Fig. 1과 같이 고정한 후 성장온도만 400 ∼ 1050 ℃까지 변화시켜 가면서 성장된 GaN 박막을 XRD 분석하였다. 이 때 사용한 시료는 질화처리된 GaAs 기판을 이용하였다. Fig. 2에서 34.5°, 37°, 48°, 58.5°와 72°에서 관찰된 피크는 hexagonal 상의 GaN(0002), (101), (102), (11·1)과 (0004)피크이며, 40°의 피크는 cubic 상의 (200) 피크이다. 그림에서 관찰할 수 있듯이 400 ℃의 성장온도에서는 GaN 박막이 성장되지 않으며, 600 ℃에서 cubic(200) 상과 hexagonal(0002) 상이 공존하는 GaN 박막이 성장되고, 800 ℃에서는 역시 cubic상과 hexagonal상이 공존하였으나 hexagonal상의 경우 (0002) 외에 (101)과 (102) 등 여러 결정면이 같이 성장됨을 확인할 수 있다. 그러나 1050 ℃의 성장온도에서는 비록 hexagonal 상이 약하게 나타나고 있으나 cubic 상의 GaN가 지배적으로 성장됨을 확인할 수 있었다. 이로부터 비록 GaAs 표면을 질화처리하였을지라도 성장온도를  1050 ℃로 유지시켜야만 cubic GaN 박막을 성장시킬 수 있음을 확인하였다.

Ⅳ. 결  론

RTCVD 방법을 이용하여 질화처리된 GaAs 기판과 질화처리하지 않은 GaAs 기판 위에 GaN 박막성장에 대한 연구를 수행하였다. 질화처리한 기판에서 cubic GaN박막의 성장이 가능함을 확인하였다. 또한 질화처리된 GaAs 기판 위에 성장온도, TMG 유량, NH3 유량, 반응압력 등 성장변수를 변화시켜 가면서 성장된 GaN 박막의 특성을 조사하였다. 성장온도 변화 결과 1050℃에서 cubic GaN 박막을 성장시킬 수 있었다.

Ⅴ. 참고문헌

1. S.Strite and H.Morkoc, J. Vac. Sci. Technol., B10, 1237(1992)

2. O.Brandt, H.Yang, B.Jenichenm Y.Suzuki, L.Daweritz and K.H.Ploog,

Phys. Rev., B52, R2253(1995).

3. H.Okumura, S.Yoshida and T.Okahisa, Appl.Phys.Lett, 64, 2997(1994).

4. A.A.Yamaguchi, T.Manako, A.Sakai, H.Sinakawa, A.Kimura, M.Nido and

A.Usui, Jpn. J. Appl. Phys., 35, L873(1996).

Fig.1 X-ray diffraction patterns of GaN thin films grown on (a) bare-GaAs substrate and (b) nitrided GaAs substrate. The growth was carried out for 30 min at 600℃ with 4 sccm TMG, 2000 sccm NH3 and 500 sccm H2.

Fig. 2 X-ray diffraction patterns of GaN thin films grown on nitrided GaAs substrate as a function of temperature. The growth was carried out for 30 min at 4 sccm TMG, 2000 sccm NH3, and 500 sccm H2.