사파이어 기판의 방향성에 따른 GaN 박막 성장

이순애, 박진호

영남대학교 응용화학공학부

Growth of GaN Thin Films on Sapphire Substrate with Varying Orientations

Soonae Lee and Chinho Park

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서  론

상온에서 band-gap이  3.4 eV인 GaN은 direct band-gap 반도체로서 ZnSe나 ZnS로 대표되는 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체에 비하여 물리적으로 안정하며 매우 우수한 열적 특성을 가지고 있다. 따라서 이들은 고온 및 고주파용 전력 소자로의 응용이 유망하다. 또한 청색 및 자외선 영역의 spectrum을 갖는 발광소자로서도 응용 분야가 넓어 매우 큰 잠재력을 가지고 있으며, 같은 결정 구조를 갖는 AlN이나 InN등과 삼원소 또는 사원소 화합물 반도체를 형성할 경우 가시광선 전 영역에 걸친 발광 소자의 제조에도 응용될 수 있는 반도체이다.1-2)

이 때문에 선진 각국에서는 상업용 GaN 소자 개발에 주력하고 있으며, 소자의 품격 형성에 필수적인 박막 특성의 향상을 위한 연구가 성장 기술을 위주로 급속도로 연구되고 있다. 그러나 이러한 연구 결과에도 불구하고 GaN의 상품화를 이루기에는 극복해야 할 적지 않은 문제점을 안고 있다. 즉, GaN 기판 부재에 따른 높은 결정 결함과 unintentional doping, 높은 증착 온도 등이 장애요인으로 작용하고 있다.

현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 증착기술로는 hetero-junction에 용이한 OMVPE법으로서  여러 다른 기판 재료 위에 증착된 GaN 박막을 연구하였으나 실제 기판 재료로 가장 널리 사용되고 있는 것은 C-plane sapphire(Al2O3)이다. 하지만 sapphire 기판의 방향성에 따른 연구가 국부적으로만 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 sapphire 기판의 방향성에 따른 GaN의 성장과 더불어 그 특성을 평가하고자 한다. 즉, sapphire C-plane[eqn: (0001)], A-plane[eqn: (11bar2 0)], R-plane[eqn: (1bar1 0 2)] 위에 GaN epilayer를 OMVPE법을 통하여 동일한 조건으로 증착시키고, 증착된 GaN 박막의 결정성과 광학적 특성을 분석하였다.

실  험

기판은 상업적으로 잘 가공된 Union Carbide 사의 sapphire C, A, R plane으로 증착에 앞서 TCE (trichloroethylene), 아세톤, 메탄올 순서로 boiling point에서 각각 5분 동안 유기 용매로 세척하였다. 그 후 약 5분간 cold 메탄올에서 초음파 세척이 진행되었으며, 질소로 건조시켰다.

GaN 박막은 저압 horizontal cold-wall OMVPE 반응기에 의해 증착되었으며 전구체로는 암모니아 (NH3)와 triethylgallium (TEGa)를 사용하였다. 동일한 증착조건을 위해 한 susceptor 위에 세 개의 각기 다른 기판을 위치시킨 후 GaN을 증착하였다. Sapphire 기판은 850 ℃ 질소 분위기에서 10분간 전처리 한 후 온도를 650 ℃로 낮춰 10분간 암모니아를 유입시켰다. Carrier gas로는 N2를 사용하였으며, Ⅴ/Ⅲ 몰랄 분율은 3324, reactor pressure는 100 Torr를 유지하면서 90분간 증착이 이루어졌다. Sapphire 기판은 850 ℃까지 가열하였고, 유입되는 TEGa는 반응기 중앙에 집중되도록 하고 암모니아는 반응기 중심 주위를 감싸도록 gas inlet부을 설계하였다. 반응기 재질은 quartz로 내부를 관찰할 수 있도록 디자인되었다. 위의 실험에 이용된 증착조건을 간략하게 Table 1에 요약하였다.

이렇게 성장된 GaN 박막의 표면을 광학 현미경으로 조사하였고, XRD와 Micro-Raman Spectrometer를 사용하여 결정성을 평가하였다.

결과 및 토의

OMVPE법으로 증착된 세 개의 각기 다른 GaN 박막들은 거울면으로 그 X-ray diffraction pattern을 Fig. 1.에 나타내었다. Fig. 1 (a)의 XRD pattern은 sapphire C-plane (0001)위에 증착된 GaN을 측정한 것이다. Sapphire 기판에 의한 XRD peak는 (0006)면에 의한 2□=41.7。(d=2.16Å)에서 아주 약하게 관찰되었고 GaN (0002)와 (0004)에 의한 peak인 2□=34.68。(d=2.58Å)와 72.96。(d=1.29Å)을 관찰함으로써 결정성이 우수한 wurtzite 구조를 가진 GaN을 확인할 수 있었다. (b)는 sapphire A-plane[eqn: (11bar2 0)]위에 성장된 GaN epilayer를 살펴본 것이다. Sapphire 기판의[eqn: (11bar2 0)]와 [eqn: (22bar4 0)] 면으로부터 회절된 peak는 관찰되지 않았으나, 2□=34.64。(d=2.58Å)과 72.90。(d=1.29Å)에서 GaN (0002), (0004)에 해당하는 peak를 관찰하였다. 이러한 GaN epilayer는 wurtzite 구조를 하고 있으며 sapphire A[eqn: (11bar2 0)] plane 위에 GaN (0002) 면이 주로 성장하는 것으로 나타났다. 하지만 (a)와 (b)의 회절 강도를 비교하였을 때 sapphire C-plane GaN layer가 두껍게 증착되었다는 것을 알 수 있다. (c)의 XRD pattern은 sapphire R-plane[eqn: (1bar1 0 2)]  위에 증착된 GaN epilayer를 관찰한 것이다. 기판에 의한 XRD pattern은 관찰되지 않았으며, GaN[eqn: (11bar2 0)]면을 2□=57.88。(d=1.59Å)에서 확인할 수 있었다. 이 GaN 구조는 sapphire R-plane[eqn: (1bar1 0 2)]위의 GaN [eqn: (11bar2 0)]면이 성장한 것이다. Fig. 1에 관찰된 pattern 모두는 기존에 발표된 기판과 epilayer의 방향성에 관한 발표와 잘 일치하는 것으로 각각의 XRD pattern을 볼 때 모든 GaN epilayers가 wurtzite 구조를 가지고 있으며 결정성도 우수한 것으로 나타났다.3-4) 그러나 일반적으로 sapphire 기판의 방향과 일치하는 GaN epilayers가 증착될 것으로 예상되는 것과는 달리 sapphire 기판의 [eqn: (0001)]과 [eqn: (11bar2 0)]면 위에는 GaN[eqn: (0002)] 면이, sapphire 기판의 [eqn: (1bar1 0 2)] 면 위에는 GaN[eqn: (11bar2 0)] 면이 성장됨을 확인하였고, 이는 주로 사용되는 sapphire C-plane 외에 A와 R-plane에서도 결정성이 우수한 GaN epilayer가 증착됨을 보여주는 것이다.

Fig. 2는 configuration이 X(--)일 때, 각기 다른 sapphire plane에 따른 GaN의 Raman spectra이다. 위와 같은 configuration에서 A1(LO), E1(LO)의 경우 forbidden이나 실험시 incident light와 sample의 surface가 정확히 수직을 이루지 않거나 defect에 의해 약하게 E1(LO)가 관찰되었다. 또한 기판에 의한 peak도 관찰되었으며 기존의 문헌과도 일치하였다.5) Fig. 2. (a) GaN/C-Al2O3에서 기판의 optical phonon인 417 cm-1(A1g), 578 cm-1(Eg)를 확인하였고, GaN의 A1(TO), E1(TO), E2를 각각 533 cm-1, 556 cm-1, 568 cm-1에서 관찰하였다. 또한 잘 알려지지 않은 peak가 690 cm-1에서 발견되어졌고 이것에 관해서는 연구 중에 있다. Fig. 2. (b) 의 GaN/A-Al2O3에서도 기판에서 417, 645 cm-1(A1g)를 관찰하였으며, GaN에 의한 mode를 E1(TO), E2를 각각 556 cm-1, 568 cm-1에서 관찰하였다. 이러한 phonon frequency는 기존의 발표된 문헌과도 동일한 결과이며6) 이를 XRD data와 함께 비교하였을 경우 결정성이 아주 우수한 박막들임을 확인할 수 있었다. 하지만 (c) GaN/R-Al2O3에서 보듯이 GaN보다 아주 강한 기판의 mode를 417, 645 cm-1(A1g), 379, 753 cm-1(Eg)를 확인할 수 있었으며, GaN에 의한 peak는 A1(TO), E2, E1(LO) 를 각각 532 cm-1, 566 cm-1, 740 cm-1에서 관찰하였다. 이것은 기존의 연구 결과와 1∼2 cm-1 정도 shift된 것으로 R-plane에 의해 GaN 박막이 많은 strain을 받고 있는 것으로 해석할 수 있고, 그 intensity 또한 상당히 낮은 것이어서 두께가 얇아 optical phonon이 잘 나타나지 않은 것으로 설명 될 수 있다.

감사의 글

본 연구는 1998학년도 영남대학교 학술 연구 조성비에 의한 것으로 이에 감사 드립니다.

참고문헌

1. J. H. Edgar, ed., "Properties of Group Ⅲ Nitrides", INSPEC, London, U.K. (1994).

2. T. Matsuoka, A. Ohki, T. Ohno and Y. Kawaguchi, J. Cryst. Growth 138, 727 (1994)

3. J. S. Hwang, A. V. Kusnetsovand, S. S. Lee, H. S. Kim. J. G. Choi and P. J. Chong, J. Cryst. Growth 5, 142 (1994)

4. Yootaek Kim, J. Korean Association of Cryst. Growth 9(2), 162 (1999)

5. Porto S. P. S. and Krishnan R. A. J. Chem. Phys. 47, 1009 (1967)

6. A. Cingolani, M. Ferrara, M. Lugara and G. Scamarcio, Solid State Commun. 58, 823 (1986)

Item	Specifications
Reactor	low pressure horizontal cold-wall reactor
Precursors	TEGa and NH3
Ⅴ/Ⅲ inlet molar ratio	3324
Pressure	100 Torr
Growth temperature	850 ℃

Table 1. Summary of OMVPE growth conditions

Fig. 2. Raman spectra of GaN films

(a) GaN/C-Al2O3, (b) GaN/A-Al2O3, (c) GaN/R-Al2O3

Raman shift (Rcm-1)

Fig. 1. XRD pattern of GaN films

(a) GaN/C-Al2O3, (b) GaN/A-Al2O3, (c) GaN/R-Al2O3