Hydride VPE 법에 의한 GaN 박막성장

여석기, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Growth of thin film GaN by Hydride VPE Technique

Seokki Yeo and Chinho Park

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서  론

최근 초고속 정보 통신분야의 발전과 정보 전달매체의 고급화에 따라 청색LED(Light Emitting Diode) 및 LD(Laser Diode)의 필요성이 급증하고 있으며 경량, 전자화되고 있는 자동차, 항공기의 부품으로서 고온, 고출력 및 고주파용 전력 반도체 소자의 요구도 급증하고 있다. 이에 따라 GaN를 비롯한 wide bandgap 반도체에 대한 관심이 지속적으로 고조되고 있는 실정이다1).

GaN는 상온에서의 bandgap이 약 3.4 eV로 직접천이형 band를 갖는 질화물 반도체로서 그 응용특성이 널리 알려져 있는데 비해 그 물성이나 박막 성장기구에 대한 전반적인 이해나 표면처리 기술의 확립등은 아직 충분히 이루어지지 않고 있다. 특히 GaN 박막증착과 관련하여, 가장 큰 issue로 대두되고 있는 호모에피텍시(homoepitaxy)성장을 위한 양질의 단결정 기판의 부재는 박막내 결함(defect)이 소자특성과 직결되는 LD등의 소자 개발에 큰 장애가 되고 있다. 현재 상업적으로 주로 사용하고 있는 사파이어 기판은 GaN와의 격자 불일치(약 14 %)와 열팽창 계수 불일치(약 25 %)가 매우 커서 성장되는 에피층 내에 많은 격자결함을 발생시켜 양질의 GaN성장을 어렵게 만들고 있으며, 이렇게 생성된 격자결함은 궁극적으로 소자의 성능을 저하시키고 있다2). 따라서 이와같은 문제점들을 근본적으로 해결하기 위한 방편으로서 호모에피텍시 GaN 성장에 적합한 GaN 기판을 제작하기 위해 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 조사되고 있는 여러 가지 증착기술중 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 증착에 널 사용되어 온 hydride 기상증착법은 다른 성장법에 비해 성장 속도가 빠른 이점이 있기 때문에 증착된 GaN 후막과 기판과의 분리를 통해 호모에피텍시와 GaN 기판제조의 실현 가능성이 높은 기술로 알려져 있다3-4).

본 연구에서는 GaN 기판 제작 기술 개발의 첫단계로서 기존의 hydride VPE(HVPE)법을 개선한 반응 system을 직접 설계, 제작하였으며, 이를 사용하여 우선 면적이 10×10 mm2 인 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 증착시켰고 증착된 GaN 박막의 특성을 분석하였다.

실  험

본 연구에서 설계, 제작한 HVPE 반응 장치는 Ⅲ족과 Ⅴ족 전구체로서TMGa(Trimethyl gallium)과 NH3를 각각 사용하는 장치로서, TMGa와 HCl을 먼저 반응시켜 gallium chloride들(eg., GaCl, GaCl2 ,GaCl3, etc)을 생성시킨 후 이를 NH3와 함께 열분해시켜 양질의 GaN 박막을 성장시키는 장치이다. 반응기와 반응가스 도입부는 모두 석영관으로 구성되었으며, 각각 독립적으로 조정되는 온도영역들을 가진 전기로에 의해 가열되었다. 특히 TMGa의 도입부인 중앙의 tube는 TMGa가 적정 온도영역에 정확히 주입될 수 있도록 이동 가능한 형태로 제작되었다. 반응기의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

본 연구에서 사용한 기판은 C-plane(0001)의 사파이어 기판으로서 10×10 mm2 크기로 절단한 후 트리클로로 에틸렌, 아세톤 그리고 메탄올의 유기용제로 60 ℃에서 각각 5 분간 초음파로 세척한 후 사용하였으며, 완충층 증착없이 GaN증착을 직접 시도하였다.

GaN 증착에 앞서 우선 반응기 내부를 N2 가스를 purge시키면서 전기로의 온도를 상승시켰다. 일정 시간 경과후 전기로의 온도가 설정 온도에 도달하면, NH3가스를 주입하였고 NH3분위기 하에서 사파이어 기판을  웨이퍼 홀더 위에 위치시킨 상태로 반응기 내부의 증착 지역으로 이동시켰다. 이후 HCl과 TMGa의 가스를 주입하여 증착을 시작하였다. 결정 성장이 완료되면 HCl과 TMGa 가스의 공급을 차단한 후 전기로의 온도를 냉각시켰다. 이때 전기로의 온도가 냉각되는 동안 NH3 가스를 계속 주입하여 성장된 GaN가 재분해되는 것을 방지하였다.

증착 실험에 있어 각 가스의 유량은 mass flow controller를 사용하여 조절하였으며 GaN의 성장에 적용된 가스 유량은 Table 1에 나타내었다.

Table 1 The gas flow rates used for GaN growth

Flow rate
sweep N2	HCl(10 %)	NH3	N2(TMGa)
2000 cc/min	8.4 cc/min	1020 cc/min	42 cc/min

Hydride VPE법에 의한 GaN 성장에 있어 HCl과 TMGa의 mixing zone의 온도는 300∼400 ℃가 적당하였으며, 증착온도는 900∼1000 ℃가 적당하였다. 이렇게 성장된 GaN 박막의 두께와 표면 상태를 광학 현미경과 SEM으로 조사하였고, XRD와 Micro-Raman Spectrometer를 사용하여 결정의 품질을 평가하였다.

결과 및 토의

본 연구를 위해 직접 설계, 제작한 HVPE 반응기는 기존의 HVPE가 Ⅲ족과,Ⅴ족 전구체로서 금속 Ga과 NH3를 사용하는데 반해 Ⅲ족 전구체로서 유기금속 화합물인 TMGa를 사용한 것이 특이하다고 할 수 있겠다.

GaN를 증착시키기 위해 우선 TMGa와 HCl을 적정온도에서 반응시켜 gallium chloride들을 생성시킨 후 NH3와 함께 열분해시켜 GaN를 증착시켰다. 일반적으로 HVPE법에 의해 성장된 GaN박막은 증착속도가 빠른 반면 표면 거칠기가 크고 박막내의 결함이 많은 것으로 알려져 있으나, 기판의 증착온도, 질화온도 및 원료가스의 몰분율 등 증착변수를 적절히 조절하여 최적의 증착조건을 구현할 경우, 표면 거칠기가 양호하고 결정성이 뛰어난 양질의 GaN 박막증착이 가능한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 제작한 HVPE 반응기를 사용하여 증착한 GaN 결정의 질은 성장 온도에 의하여 크게 영향을 받았으며 적정 증착온도는 900∼1000 ℃였다. 또한 증착시간이 증가함에 따라 성장속도가 비례적으로 증가함을  알 수 있었고, 증착도중 고온에서의 GaN 박막 재분해에 의한 결함 발생 방지가 매우 중요하며, 재분해는 반응기 내부의 온도 안정화와 성장 후 냉각시에 일정온도까지 NH3 및 N2 가스를 흘려주어 성장분위기를 지속시켜줌으로서 방지할 수 있음을 알 수 있었다.

이러한 HVPE법을 사용하여 (0001)면의 사파이어 기판 위에 증착시킨 GaN의 XRD 측정결과를 Fig. 2에 나타내었다. GaN의 XRD peak들은 2□=34.7°, 73.0° 부근의 위치에서 나타났으며 이들 peak들은 각각 육방정 GaN의 C축방향에 해당되는 (0002) 및 (0004) 면으로부터의 회절에 의한 것이다5). XRD결과로 볼 때 증착된 GaN 박막은 C축 방향으로 배향된 단결정 상태임을 알 수 있었다.

또한 Fig. 3은 실온에서의 GaN 박막의 Raman spectrum을 나타낸 것이다. A1(TO) mode가 532 cm-1에서, E2 mode가 568 cm-1에서 그리고 A1(LO) mode가 710 cm-1에 나타난 것으로 보아 GaN의 단결정이 생성된 것을 재차 확인할 수 있었다6).

감사의 글

이 논문은 1998학년도 영남대학교 학술연구조성비 지원에 의한 것으로 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. S. Nakamura, The Blue Laser Diode, Springer-Verlag, Berlin, (1997).

2. S. Chadda, M. Pelcynski, K. Malloy and S. Hersee, Mat. Res. Pro. 326,       353 (1994).

3. I. Akasaki, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu and N. Sawaki, J. Crystal       Growth 98, 209 (1989).

4. T. Detchprohm, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu and N. Sawaki, J.         Crystal Growth 128, 384 (1993).

5. JCPDS Minor Collection, #2-1078, Gallium Nitride.

6. Z. C. Feng, M. Schurman, and R. A. Stall, J. Vac. Sci. Technol. A15(4),      2428 (1997).

Fig. 1. Schematic diagram of HVPE reactor system

Fig. 2. XRD pattern of GaN

Fig. 3. Raman spectrum of GaN