수소화물 기상 에피탁시법을 이용한 극성/비극성 GaN 후막의 구조적 결함 감소에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 III-V족 화합물 반도체인 GaN를 HVPE 방법으로 성장시킬 때 내부의 결함을 감소시키는 방법들을 제시하였고, 그 방법으로 성장한 GaN film의 구조 및 광학적 특성 조사를 통하여 고품질의 GaN 후막 제작에 대한 가능성을 고찰하였다. 이 논문의 목적은 기존에 사용해 오던 사파이어 기판과의 커다란 부 정합 차에 의하여 고품질의 성장이 제한되었던 GaN 이종 성장 시 중온에서 성장한 버퍼층을 삽입함으로써 GaN 후막의 결정성을 향상시키는 것뿐 만 아니라, 최근 주목 받고 있는 비극성 GaN의 최대 문제점인 적층 결함을 기울어진 기판의 사용을 통해 감소시킴으로써 고품질의 후막을 얻을 수 있는 가능성을 보여줌에 있다. 본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며 각 장의 내용은 다음과 같다

제 1장에서는 기본적인 GaN 물성과 그를 이용한 여러 응용 분야 및 최근 주목 받는 비극성 GaN에 대해 소개하고 종래의 GaN 이종성장이 가지고 있는 문제점과 그 해결 방법으로 주목 받고 있는 HVPE 후막 GaN 성장에 대하여 설명했다. 제 2장에서는 GaN 후막을 성장 및 평가하기 위해 본 연구에서 사용된 방법인, HVPE, PL, CL, TEM, XRD 에 대하여 정리했으며 GaN 특성에 큰 영향을 미치는 내부 결함에 대해서도 조사하였다. 제 3장은 900oC의 온도에서 성장한 중온 버퍼를 사용하여 고품질의 GaN 후막을 성장한 후 그 중온 버퍼가 GaN 후막 결정성 향상에 있어 어떤 역할을 하는지 고찰해보았다. 제 4장은 비극성 m-plane GaN 성장 시 여러 방향으로 기울어진 m-plane sapphire 기판들을 사용하였고, 그 중 적층 결함의 밀도가 가장 많이 감소하는 기울기 방향을 찾아내었다. 그리고 그 이유를 atomic-bond 모델을 통해 설명했다. 마지막으로 제 5장에서는 본 논문에서 얻은 결과를 정리하여 결론을 기술하였다.

In this thesis, the techniques to grow high quality HVPE GaN film with low defects density were suggested and discussed. The objectives of his thesis are to improve the crystalline of GaN film by using buffer layer grown at intermediate temperature and to grow high quality non-polar GaN films with low stacking faults density by using vicinal substrates.

In the chapter 1, the fundamental GaN properties, applications of GaN, nonpolar GaN and problems in hetero epitaxial GaN growth are introduced. In the chapter 2, the principles of hydride vapor phase epitaxy (HVPE), photoluminescence (PL), cathodoluminescence (CL), transmission electron microscopy (TEM), x-ray diffraction (XRD) and defects in GaN crystal are explained. In the chapter 3, high quality GaN film grown by using intermediate buffer layer grown at 900oC (IT-GaN) is investigated and the role of IT-GaN on the improvement of GaN crystalline is discussed. In the chapter 4, it is discussed that the structural and optical properties of m-plane GaN (m-GaN) films are affected by the inclination direction of vicinal m-plane sapphire substrate. And it is founded that inclined in the a-axis direction showed the highest quality with a smooth surface and a low stacking fault density. A model is proposed that shows how the surface step of a substrate can reduce the generation of stacking fault in m-GaN film. Finally, the results found from this thesis are summarized and concluded in the chapter 5.