MOCVD 방법을 이용한 GaN 리본 위의 GaN 나노로드의 선택적 성장 연구. CVT(Chemical Vapor Transport), HVPE(수소화물 기상 에피택시), MBE(분자선 에피택시), MOVPE(금속 유기 기상 에피택시) 방법을 사용하여 나노막대를 성장시켜 GaN 기반 나노구조를 형성합니다. 결정 성장에는 MOVPE(금속 유기 증기상 에피택시) 방법이 사용됩니다.
이론
기판 위에서 GaN 단결정의 성장이 처음으로 보고되었습니다. 이 헤테로 에피택셜 성장 기술은 성장 속도가 빠르지만 어긋난 전위와 적층 결함이 발생합니다. SiC의 경우 성장된 GaN 박막의 품질은 만족스럽지만, 사파이어에 비해 가격이 너무 비싸기 때문에 현재 SiC 대신 사파이어를 이용한 GaN 박막 성장 연구가 진행 중이다.
사파이어 기판 위에 얇은 GaN층을 성장시키면 기판과 GaN 사이의 격자상수와 열팽창계수의 변화가 발생하고, 불일치 전위 등의 적층결함이 발생하여 광전자소자의 효율이 저하된다. 전위 및 적층 결함을 줄이기 위한 방법으로는 버퍼층을 도입하거나 SiO2 마스크 패턴을 이용한 ELOG(Epitaxis Side Growth) 방법이 연구되고 있다[24-26]. 유기금속화학기상증착법(MOCVD)을 이용해 사파이어 기판 위에 저온 성장한 AlN이나 GaN 버퍼층을 사용함으로써 GaN 박막의 품질을 크게 향상시켰다. 유기금속 기상성장법은 성장속도가 수 μm/h 정도로 느리고, 사용되는 트리메틸갈륨(TMG)도 원료로 가격이 비싼 단점이 있다.
반면, HVPE 공법은 30~80μm/hr의 빠른 성장 속도를 가지며, 사용되는 원료도 TMG에 비해 저렴하다는 장점이 있다. 이 반응은 GaN, NH4Cl, HCl 및 H2를 생성하며 GaN만이 성장 온도에서 기판에 물리적으로 결합됩니다. 경계층을 통한 GaCl의 열분해 및 확산. 확산은 성장률을 조절하는 주요 반응입니다.
GaN 박막은 1000℃ 이상의 고온에서 성장하기 때문에 사파이어 기판과의 열팽창계수 차이로 인해 열스트레스가 발생하지만 고품질의 GaN 박막을 얻을 수 있다. MBE 방식은 고순도 고체 원료를 III족 소스로 가열해 고품질의 Carbon-Free 박막을 성장시킬 수 있다. 표면의 분자가 해리, 흡착 등의 반응을 통해 기판 위에서 결정이 성장합니다.
실험방법 3.1 GaN 단결정 성장
GaN을 성장시키기 위해서는 유기금속과 수소화물을 반응관에 주입하고, 반응관에서 원료를 혼합한 후 증착 영역으로 이동시킨다. 증착 영역의 온도가 높기 때문에 원료의 열분해가 일어나고 기상 반응에 의해 필름 전구체가 형성됩니다. 표면에서는 표면반응을 통해 박막의 원자가 성장막과 혼합되고, 표면반응의 부산물이 표면에서 탈착되어 성장을 이룬다.
MOCVD법은 화합물 반도체의 반응압력과 혼합비를 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그 후, BOE(Buffer Oxide Etching)를 통해 SiO2막을 제거하였다. MOCVD를 사용하여 포토리소그래피 공정을 완료한 샘플에서 GaN 리본을 성장시켰습니다.
성장한 GaN 스트라이프 위에 약 1000Å의 SiO2 막을 증착한 후 샘플 전체 표면에 PR을 도포하여 GaN 스트라이프 모서리 부분의 SiO2를 제거하고 5분간 소프트 베이킹을 진행하였다. 이후 마스크 없이 노광을 진행하고 현상액에서 3초간 반응시켜 GaN 스트라이프 모서리 부분의 감광성 물질만 제거하였다. 포토공정이 완료된 샘플을 MOVPE 반응관에 재장착하였고, GaN 스트라이프의 정점에 촉매인 Au를 이용하여 GaN 나노로드를 재성장시켰다.
성장한 시료를 주사전자현미경(SEM), X선회절(XRD), 투과전자현미경(TEM), 역고속푸리에변환(IFFT)으로 분석하였다.
분석 및 고찰
IFFT 측정결과
GaN 나노로드의 중앙 영역은 GaN의 밴드 구조에 직접적인 영향을 받으며 선택적 결정 성장이 시작되는 영역과 가까워 적층 결함 밀도가 상대적으로 높다는 것을 나타냅니다. 적층결함(SF)의 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나, 본 연구에서 제안하는 방법에 따르면 앞서 언급한 바와 같이 선택적 결정 성장이 시작되는 결정면 방향과 GaN 나노로드가 성장하는 결정 방향에 차이가 있다. 이 점 역시 폴딩 오류의 중요한 원인이 될 수 있다고 여겨진다. 따라서 두 결정면의 원자배열 차이와 결정면 표면의 위치에너지 장벽의 차이로 인해 폴딩 오류가 발생할 수 있다고 판단된다.
결 론
Au가 GaN 나노로드 형성 메커니즘에 미치는 원인과 영향에 대해서는 보다 자세한 분석이 진행 중이며, 그 결과는 추후 발표될 예정이다. 결정 성장 기술을 더욱 최적화하여 최적화된 결정 성장을 통해 결함 밀도를 획기적으로 줄인다면, 본 연구에서 제안하는 GaN 나노로드 성장 방법에는 3차원 위치 제어가 가능한 나노 구조의 LED인 나노 광학 공진기가 포함됩니다. 고효율 광전소자 등의 분야에 적용이 가능해 활용 범위가 상당히 넓을 것으로 보인다. Kishino, "GaN 양자 디스크 제조를 위한 RF 분자빔 에피택시에 의한 (0001) Al2O3 상의 GaN/Al0.18Ga0.82N 다층 나노 기둥의 자기 조직화", J.
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