화학기상증착반응기에서 금속 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3)의 직접반응에 의한 thick GaN 성장과 특성연구

양 승현, 안 상현, 남 기석

전북대학교 공과대학 화학공학부

Growth and Characterization of thick GaN film by the direct reaction of metal Ga and NH3 in CVD reactor

Seung Hyun Yang, Sang Hyun Ahn, Kee Suk Nahm

School of Chemical Engineering and Technology,

Chonbuk National University, Chonju 561-756, Korea

서 론

GaN는 실온에서 3.4eV의 넓은 밴드갭(wide bandgap)을 갖는 직접천이(direct bandgap)형 구조의 반도체로서 청색 발광소자의 제작에 사용되는 재료이며 적색, 녹색 LED와 더불어 총천연색을 구현할 수 있다[1]. 또한, 고온에서 안정하고 전기적 성질이 우수하며, 내부식성, 내방사성, 내열성 등의 우수한 기계·물리·화학적 특성을 가진 안정한 물질로서 여러 파장에서의 광전소자 뿐 만 아니라, 고출력 전자소자, 고온 동작 소자 등에 응용되는 재료로 주목을 받고 있다[2-4]. 그러나, 현재까지 GaN와 격자정합을 이루는 기판이 개발되지 못해 소자에 이용될 수 있는 고품질의 GaN 박막성장이 어려운 실정이며, 이러한 이유에서 최근 까지는 GaN와 격자정합이 비슷한 기판(3C-SiC, 6H-SiC, Al2O3, GaAs)을 이용하여 GaN 박막을 성장하여 소자에 이용하고 있기는 하나 GaN와 이들 기판간의 격자부정합(lattice mismatch)으로 인하여 계면과 성장된 GaN박막에 많은 격자결함(lattice deffects)등이 생겨 고성능을 요하는 통신  및 정밀계측기계의 제어에 이용되는 소자에 이용하기에는 어려운 실정이다. 이러한 이유로, 최근에는 GaN 성장에 적합한 기판의 개발을 하기 위한 방법으로, 고온 고압하에서 GaN 결정 성장과 수소화물 증기상 에피성장(HVPE, hydride vapor phase epitaxy)법등이 제시되고 있다[5-6].

본 실험에서는 현재까지 보고 되고 있는 성장법과 달리 화학기상증착반응기에서 금속 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3)을 직접반응시키는 방법으로 HVPE법이나 MOCVD, MBE에 비해 제작비가 저렴하고, HVPE법과 달리 성장 반응계에 HCl이나 Cl2와  같은 유독성 화학성분이 포함되어 있지 않으며, Ga source와 N source가 직접반응하는 성장공정의 간단한 장점을 가지고 있다.

본 연구에서는 CVD 장치에서 금속 갈륨(Ga)과 기판사이의 거리, 성장온도, 성장 시간, 성장 압력등과  같은 성장 변수들이 GaN 결정성과 광학적 특성등에 미치는 영향을 조사하였다.

실 험

본 실험에서는 thick GaN 결정 성장을 위해 horizontal reactor가 부착된 고주파 유도가열 heater를 이용하여 (0001)방향의 사파이어(□-Al2O3) 기판에 성장하였다. 이 실험에 이용된 시스템은 개략도인 Fig 1-(a)에서 보여주듯이 가스주입부, 반응부, 배기가스 처리부로 구성되어있다. 반응기는 Quartz tube를 사용하였고, 암모니아(NH3)의 공급은 delivery tube를 이용하여 graphite에 직접 공급되도록 하였다. Fig 1-(b) 는 반응기 내부의 개략도를 나타내었다. Susceptor로는 graphite위에 SiC를 coating하여 사용하였고, Ga source로는 금속 갈륨(Ga)을 0.1g 공급하였으며, 기판과 Ga의 거리는 1.5∼3.5cm로 변화를 주면서 성장하였다. thick GaN 성장 실험을 위해 사파이어(□-Al2O3) 기판의 size는 1×0.7cm 인것을 사용하였다. 성장전 기판의 전처리로는 아세톤으로 1hr 이상 유기물 세척을 하고, 금속성분과 산화막을 제거하기 위해 HCl과 HF에서 각각 20min, 5min씩 처리하였으며, N2기체로 건조시켰다. 시편을 반응기에 loading한 후 초기 조건을 위해 rotary pump로 30min이상 감압하였으며, etching을 수소(H2) gas로 10min간 540℃에서 수행하였다. thick GaN 성장온도로는 1050∼1150℃ 범위에서 변화시켰고, 금속 갈륨(Ga)과  기판의 거리로는 1.5∼3.5cm 범위에서 1cm 간격으로 조절하였으며, 암모니아(NH3)의 유량은 500sccm으로 공급하였다.

(b)

(a)

Fig 1. Schematic diagram for GaN growth system : (a) overall view,

(b) reactor

성장된 GaN의 구조적 특성을 관찰하기 위해 X-선 회절기(X-ray diffraction , XRD), 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)등을 이용하였으며, GaN의 광학적 특성은 실온에서 He-Cd레이저를 이용한 광루미네센스(photoluminescence, PL)를 사용하여 측정하였다.

결 과 및 고 찰

본 실험에서는 고품질의 결정성과 높은 광학적 특성을 지닌 thick GaN 결정을 얻기위하여 금속 갈륨(Ga)과 암모니아 (NH3)의 직접화학반응을 이용하였고, 갈륨(Ga)과 기판의 거리 영향, 성장 온도의 영향을 조사하였다. 본 실험에 사용된 성장조건을 Table 1.에 정리하였다. Fig 2는 60min동안 1070℃에서, 금속 갈륨(Ga)과 기판사이의 거리에 따른 성장결정성의 변화를 관찰한것이다. XRD 분석결과 금속 갈륨(Ga)과 기판사이의 거리가 1.5cm에서 3.5cm 로 갈수록 결정성이 향상됨을 관찰하였다. 금속 갈륨(Ga)과 기판사이의 거리가 3.5cm일때 성장된 GaN의 경우 (0002), (0004) 방향 peak의 Intensity가 강하게 관찰됐으며, (1011)이 다른 시편과 달리 관찰되지 않으며, GaN(0002) peak의 FWHM은 0.191o 로 관찰되었다. 이들 시편의 PL분석결과는 결정성이 향상되어짐에 따라 광특성이 향상되어, 결정성이 광특성에 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, GaN(1011)방향으로 성장됨에 따라 2.23eV에서 노란색 발광(yellow luminescence ; YL)이 관찰되었다. 이는 GaN(0002)의 c-plane성장이 아닌 GaN와 기판간의 mismatch로 인해 생기는 defect에 의해 발생되는 현상으로 판단된다. Fig 2에서 (c) 조건으로 성장된 thick GaN의 성장 단면을 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰한 결과 성장 두께는 6□ 였다(Fig 3).

성장 온도에 따른 thick GaN의 XRD와 PL 측정 결과를 Fig 4에 나타내었다. 성장 온도를 1030∼1150℃의 범위로 변화시켜서, 성장된 GaN는 1070℃에서 낮은 성장 온도와 높은 성장 온도로 갈수록 (0002), (0004)방향 peak의 Intensity가 감소하고, (1011) 방향의 peak이 관찰되었다. 이로써 본 실험에서는 성장 온도가 thick GaN의 결정성에 영향을 미침을 알수 있었다(Fig 4-(a)).

Fig 2. XRD and PL spectra measured for thick GaN growth at 1070℃ for

60min with 500sccm NH3 as a fuction of the distance between Ga source

and sapphire substrate: (a) 1.5cm, (b) 2.5 cm, (c) 3.5 cm.

Table 1. Typical growth condition

금속 갈륨과 기판의 거리	성장 온도
1.5∼3.5 cm	1030∼1150 ℃
금속 갈륨의 양	암모니아 유량
0.1 g	500 sccm
성장 시간	성장 압력
20∼60 min	0.8∼760 Torr

Fig 3. A cross-sectional SEM for  thick GaN grown at the same condition

of Fig 2-(c).

또한, 성장 온도에 따른 GaN의 광특성을 조사하여 본 결과 1070 ℃에서 낮은 성장온도와 높은 성장온도로 갈수록 노란색 발광이 관찰되었다(그림 4-(b)). 따라서 thick GaN의 광특성이 GaN의 성장구조에 따라 영향을 받는다는 것을 확인하였다.

(a)                                        (b)

Fig 4. (a) XRD and (b) PL spectra measured at room temperature for GaN

grown for 60min with 500sccm NH3

결 론

이 연구에서는 화학기상증착반응기에서 금속 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3)을 (0001) 방향의 사파이어(□-Al2O3) 기판위에 1030∼1150℃의 온도범위에서 직접 반응시켜 GaN를 성장하였다. 이때 금속 갈륨(Ga)과 기판의 거리는 1.5∼3.5cm로 변화를 주어서 성장하였으며, 그 결과 높은 광특성을 나타내는 thick GaN를 성장하기 위한 최적조건으로 1070℃, 3.5cm, 60min임을 알수 있었다. 성장된 thick GaN의 특성분석에 사용된 시료의 두께는 6□ 였으며, XRD 분석을 통해 GaN 결정을 확인할 수 있었고, 특히 발광특성에 영향을 미치는 구조로 보이는 c-plane으로 성장된 GaN(0002)의 FWHM은 0.191°(688 arcsec)이었다. 또한 PL분석결과 3.4eV에서 blue emission을 관찰할수 있었으며 FWHM은 130meV 이었다.

참고 문헌

1. S. Nakamura, M . Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada, and T.

Mukai, Jpn. J Appl. Phys. Lett, 34. L1332 (1995).

2. S. Nakamura, T. Mukai, and M . Senoh, Appl. Phys. Lett., 64, 1687 (1994).

3. J. I. Pankove, J. E. Berkeyheiser, H. P. Maruska and J. Wittke, Solid State

Commun., 8, 1051 (1970).

4. T. Kawabata, T. Matsuda and S. Koike, J. Appl. Phys., 56, 2367 (1984).

5. J. Karpinski, J. Jun and S. Porowski, J. Cryst. Growth, 66, 1 (1984).

6. T. Detchprohm, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, N. Sawaki, J. Crystal.

Growth. 128. 384 (1993).