Gas Source Molecular Beam Epitaxy를 이용한 고품질 GaN 박막결정 성장에 관한 연구

Abstract

GaN는 광소자 및 전자소자 응용의 관점에서 많은 주목을 받고 있는 물질이다. 하지만 고온에서 높은 질소 분압으로 인하여 벌크 결정을 만들기가 거의 불가능하기 때문에 주로 사파이어나 실리콘 카바이드 등의 이종 기판 위에 성장이 되는데, 이로 인해 큰 부정합 (격자정수, 열팽창계수, 원자가, 결정구조)이 생긴다. 따라서 이러한 부정합을 해소하기 위하여 적절한 버퍼층의 성장 등을 포함한 결정성장 조건을 결정하는 것은 GaN 의 연구에 있어서 매우 중요하다.

이 연구에서는, GaN 박막을 sapphire 기판 위에 Gas Source Molecular Beam Epitaxy (GS MBE)를 이용하여 성장시켰다. Sappier 기판 위에 NH3를 이용하여, 질화처리를 하고, 저온 GaN buffer layer를 형성시킨 후, 고온에서 GaN 박막을 성장시켰다. 최적 질화 처리시간 확인을 위해 XPS를 사용하였고, 고온 성장 조건의 GaN 성장 후 RHEED, XRD, AFM, PL 을 이용하여, GaN 의 역격자구조, 표면구조,미세구조, 광학적 특성에 대해서 확인해 보았다.

사파이어 기판의 표면 질화 처리는 온도와 NH3 처리 시간을 최적화 하였다. NH3 처리시간 30 min에서 XPS를 통해 최적화 하였다.

GaN 고온 성장에서는 성장온도와 V/III 비를 최적화 하였다. 성장온도를 변화시켰을 때, 성장률의 변화를 관찰하였고, 성장온도를 920 ℃ 에서 V/III비를 변화시키며, 성장속도와 RHEED reconstruction 의 관찰로부터 성장 조건을 최적화하였다.