| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2005년 봄 (05/26 ~ 05/27, 무주리조트) |
| 권호 | 11권 1호 |
| 발표분야 | 반도체재료 |
| 제목 | GaOOH 선구물질을 이용한 GaN 박막 성장 |
| 초록 | Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체인 GaN는 상온에서 직접천이형 에너지 갭이 3.4eV로 넓기 때문에 가시영역에서부터 자외영역까지 동작하는 고효율 · 고휘도 발광 다이오드를 제작하는 데 유용하다. 이와 같은 발광다이오드는 통상적으로 MOCVD (metal-organic vapor phase epitaxy)법 또는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy)법 등으로 제조하고 있으며, GaN 성장을 위한 선구물질로는 MOCVD법의 경우에는 3족 원소의 유기화합물인 TMG (trimethyl-Gallium) 또는 TEG (triethyl-Gallium)와 암모니아가스를 사용하고, HVPE법의 경우에는 금속 Ga과 HCl가스의 반응에 의해 생성된 염화갈륨 (GaCl)과 암모니아가스를 사용한다. 한편, 액체상태의 선구물질을 사용하는 것은 MOCVD법 또는 HVPE법 등에 비해 간단하게 질화물 막을 제조할 수 있는 장점을 가지며 저가격, 대면적, 대량생산에 적합한 장점을 가져올 수 있다. 따라서 Ga과 N이 함께 들어 있는 액체 상태의 선구물질로서 Ga(N3)3NEt3 (Et=ethyl), Ga(NCN)1.05(SiMe3)0.20Cl1.05(Me=methyl) 및 (NH4)3[Ga(C6H5O7)2] 등의 액체상태의 선구물질을 사용하여 GaN 박막을 제조하고자 하는 연구가 수행되었다. 그러나 이와 같은 액체 선구물질들은 제조 시간이 많이 소요되고, 제조 과정이 복잡하고, 폭발 위험성이 높고, 연구실에서 소량으로 제조되기 때문에 쉽게 구할 수 없다. 또한 이들 선구물질은 열처리하는 도중에 유기물들이 휘발하거나 연소하면서 크기가 서로 다른 결정들이 island-type으로 성장되는 경향이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 GaN 성장방법과는 달리 GaOOH 분말을 용매에 분산시켜 액체 상태의 선구물질을 제조하고 이를 기판 위에 스핀 코팅시켜 도포 (deposition)하고, 이를 NH3 가스 분위기에서 열처리하여 GaN 박막을 성장시키고 성장조건에 따른 GaN결정의 특성을 평가하였다. 선구물질은 GaOOH분말 50 g을 용매에 넣은 후 초음파로 분산시켜 제조하였다. 사파이어 기판을 1500 rpm으로 회전시키며 선구물질을 스핀 코팅하였다. 선구물질이 도포된 사파이어 기판을 석영 반응관에 설치하고 NH3가스의 유량을 100 sccm으로 일정하게 하고, 반응온도와 반응시간을 각각 1000~1150 ℃와 0.5~16 시간의 범위에서 변화시켰다. 이와 같은 방법으로 성장된 GaN 박막에 대하여 전자주사현미경으로 기판표면 상태와 단면을 관찰하였고, X선 회절분석장치를 사용하여 결정구조를 조사하였으며, 상온과 저온에서 광루미네센스 (photoluminescence) 특성을 측정하여 광학적 성질을 평가하였다. 성장된 GaN 박막의 표면은 육안 관찰에 의해 1000 ℃의 온도에서 성장시킨 경우에는 우유 빛을 띄고 있었으며, 1100℃의 온도에서 성장시킨 경우에는 거울면 상태를 유지하고 있었다. 전자주사현미경 관찰에 의하면, 성장된 GaN는 크기가 약 50~100 nm 정도의 결정들이 응집되어 있었으며, 두께는 1회 스핀 코팅한 경우 약 50 nm 정도 이었으며 코팅횟수에 따라 박막의 두께가 증가하였다. 한편, X선 회절도에 의하면 (002)에 의한 회절만이 관찰됨으로써 c-축으로 성장되는 특징을 보였으며, X선 회절강도는 반응시간에 대하여 선형적으로 증가하고, 반응온도에 대해서는 지수함수적으로 변화하였다. 이와 같이 성장된 GaN 박막의 저온에서의 광루미네센스 스펙트럼은 에너지 갭 부근에서의 여기자 (exciton)과 관련된 발광과 얕은 준위의 도너-억셉터 쌍 (DAP)의 재결합에 의한 발광 및 DAP의 포논복제에 의한 발광으로 구성되었으며, 깊은 준위의 황색발광은 관찰되지 않았다. 이상에서와 같이 본 연구에서는 처음으로 GaOOH가 분산된 콜로이드 상태의 선구물질을 스핀코팅 시켜 도포한 후 암모니아 가스 분위기에서 열처리하는 방법을 적용함으로써, 기존의 GaN 박막 성장방법에 비하여 간단하게 결정학적 · 광학적으로 품질이 우수한 GaN 박막을 제조할 수 있음을 확인하였다. |
| 저자 | 이재범, 김선태 |
| 소속 | 한밭대 |
| 키워드 | GaOOH; GaN; thin-film; precusor |
