MOCVD를 이용한 GaN박막 성장 및 특성 연구

양승현, **김선중, *심현욱, **서영훈, 남기석

전북대학교 화학공학부, *반도체과학기술학과, **(주) 아남산업

Growth and Characterization of GaN film grown by MOCVD

S. H. Yang, **S. J. Kim, *H. W. Shim, **Y. H. Seo, and K. S. Nahm

Department of Chemical Engineering and Technology,

*Department of Semiconductor Science & Technology,

Chonbuk National University, Chonju, 561-756, Republic of Korea **Anam Industry Co. Ltd.,

서론

Ⅲ-Ⅴ 족 화합물중 GaN 는 넓은 에너지 간격(3.4eV)과 직접 천이형 밴드 구조(direct transition type band structure)의 특성을 지니는 물질로서 청색이나 자외선 영역의 발광소자에 응용이 기대되는 재료이다. 또한 열전도도가 크고(1.3 W/cm), 고온에서 안정하며, 포화 전자 이동 속도가 크고, 화학적, 물리적으로 안정하여 고온, 고주파 영역에서 사용할 수 있는 전자소자로서의 응용이 기대되고 있다 [1].

이와같은 GaN의 우수한 특성에도 불구하고 재료 성장의 어려움과 재료의  불안정성으로 인해 양질의 GaN 박막을 얻기 힘든 실정이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 근간이되는 GaN 박막을 성장하는데는 현재 sapphire 기판위에 500∼600℃로 AlN 또는 GaN buffer layer를 증착시키고 그 위에 GaN 를 성장하고 있는데 1000℃ 이상의 고온이 필요하여 박막의 질 저하와 소자의 효율 감소등의 문제가 대두되고 있다 [2]. 따라서 이러한 문제점을 극복하기위해 플라즈마를 이용한 CVD 및 MBE 연구가 활발하게 제시되고 있다 [3].

이에 본 연구에서는 저온에서 양질의 GaN 박막을 성장시키기위해 rf 플라즈마를 이용하는 한편 기존에 확립되어있는 MOCVD장비를 사용하여 단결정 GaN   박막을 성장시키고자 하였다.

실험

본 연구에서는 성장된 GaN 에피층은 순간온도 조절이 가능한 MOCVD 장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 반응기에 공급된 원료가스로서, NH3는 기판에서 25cm정도 떨어진 석영관내에서 플라즈마 상태로 여기시켜 반응기 내로 공급하였고, TMGa는 별도의 tube를 통해 가열부분으로 향하게 했다. 반응기 관내의   진공은 Rotary Pump를 이용해 10-3Torr로 유지시켰으며 기판의 가열은 텅스텐 할로겐 램프를 이용하여 적외선으로 기판만을 가열시키는 방사 가열 방법을 사용했다. 또한 반응관 벽의 온도를 낮추기위해 냉각 공기를 공급하여주었고, 가열 효율을 극대화하기위하여 반사판을 이용하여 램프의 빛이 반응관의 중심에 비추도록 하였다. 반응관의 온도는 Pt/Ru thermocouple을 이용하여 조절하였다.

사용한 기판은 (0001) sapphire기판을 사용하였고 박막 성장전에 유기물 세척을 하고 metal 및 산화막을 제거하기 위해 HCl 및 HF를 이용하여 처리하였다. 성장전 반응기내의 사파이어 기판은 1000℃, 수소 분위기하에서 10분간 열적에칭을 하였으며 질화처리를 한 후 완충막없이 GaN박막을 성장시켰다. GaN 박막성장을 위한 실험조건은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Expermental conditions for GaN growth on (0001)sapphire                       substrate

Parameter
TMG flow rate	0.5 - 4sccm
NH3 flow rate	500 - 3500sccm
H2 flow rate	250 - 1500sccm
Growth temperature	400 - 1080℃
Growth time	30 - 240min
rf power	100 - 400W
Reactor pressure	10 - 60Torr

또한, 성장된 박막의 결정성 및 화학적 조성을 측정하기위해 XRD, XPS 분석을  실시하였으며 PL을 이용하여 분광학적 특성 평가를 수행하였다. 또한 시료의  표면 미세 구조를 관찰하기 위하여 AFM 및 SEM 분석을 실시하였다.

결과 및 토론

질화처리로서 NH3유량을 500∼2000sccm으로 변화시켜 성장시켜본 결과 1000sccm에서 분광학적 특성이 우수함을 확인하였다.

Fig. 1 XRD patterns of GaN films grown on sapphire with

growth temperature

Fig. 1 은 성장온도에 따른 XRD 분석결과 800℃이상에서 GaN(0002) 피크가 나타나기 시작했으며, 1050℃에서는 GaN(0002), (0004)와 sapphire(0006) 피크가 지배적으로 나타났음을 알 수 있었다. 또한 NH3 cracking을 위한 plasma 영향을 관찰하기위하여 사중극자질량분석기(QMS)를 이용하여 Mass 분석을 실시하였지나 plasma세기에 따른 NH3의 부분압의 변화가 거의 없음을 확인하였다.

Fig. 2 은 gas line (NH3/H2+TMGa 와 NH3+H2/TMGa)의 변화에 따른 PL 분석결과를 나타낸 그림이다. Fig. 2(a) 는 blue peak보다 불순물 효과로 인한 yellow peak의 Intensity가 크게 증가 하였으며, Fig. 2(b) 는 3.4eV에서 강한 blue peak이 관찰되었다. 이는 반응물의 공급위치가 변함에 따라 반응기체의 흐름형태가 변하여 반응기내에서 기판위의 반응 가스종이 다르게 되어 성장된 GaN박막의 특성에 영향을 주었다고 판단된다.

본 실험에서는 GaN의 최적 성장조건을 결정하기위해 실험 변수로 성장 온도, 성장 압력, TMGa 및 NH3 유량등을 변화시키면서 실험하였고, 성장된 GaN 박막의 구조적, 분광학적 성질을 관찰하였다.

Fig 2. PL spectra of GaN films grown on sapphire

참고문헌

[1] H. Morko□, S. Strite, G. B. Gao, M. E. Lin, B. Sverdlov and M. Burns, J.      Appl. Phys. 76, 1363 (1994)

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

[3] A. Wakahara, T. Tokuda, and A. Sasaki., Inst. Phys. Conf. Ser., Kyoto        (1995), 142, 883 (1995)