Effect of crystal orientation of GaN/V₂O₅ core-shell nanowires on piezoelectric nanogenerators

Waseem, Aadil,Johar, Muhammad Ali,Hassan, Mostafa Afifi,Bagal, Indrajit V.,Ha, Jun-Seok,Lee, June Key,Ryu, Sang-Wan Elsevier 2019 Nano energy Vol.60 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> core-shell nanowire (NW) piezoelectric generators of controlled crystallographic orientations were fabricated, and the device performance was characterized. Catalyst-assisted c- and m-axis GaN NWs were grown on a c-plane GaN thin film by varying the NH<SUB>3</SUB> flow rate and reactor pressure. The grown NWs were then utilized to fabricate the flexible piezoelectric nanogenerators (PNGs) to practically investigate the impact of the c- and m-axis GaN NWs on the piezoelectric response. The c-axis GaN NWs exhibited a higher piezoelectric output than m-axis GaN NWs. Furthermore, the GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> core-shell structure was utilized in the NWs to suppress the internal carrier screening that degrades the piezoelectric output. The maximum output voltage (27 V) exhibited by core-shell c-axis NWs was thrice the voltage exhibited by pristine c-axis GaN NWs (9 V). A stability test was performed for one hour to verify the feasibility of using flexible PNGs for real applications. The high stability of PNGs was attributed to the flexibility and high crystallinity of the NWs.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> C- & m-axis GaN NWs are grown by MOCVD for piezoelectric generators. </LI> <LI> The piezoelectric output for pristine c-axis NWs is twice the output of m-axis NWs. </LI> <LI> The piezoelectric output of the GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> core-shell NWs is three times of pristine NWs. </LI> <LI> PNGs exhibited long-term stability due to excellent mechanical properties of NWs. </LI> <LI> GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> heterojunction suppressed the junction current screening effect. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> core-shell nanowire (NW) piezoelectric generators of controlled crystallographic orientations are reported. Catalyst-assisted c- and m-axis GaN NWs grown by MOCVD are utilized to fabricate the flexible piezoelectric nanogenerators to investigate the impact of the c- and m-axis GaN NWs on the piezoelectric response. The c-axis GaN NWs exhibited the higher piezoelectric output than m-axis GaN NWs. The GaN/V<SUB>2</SUB>O<SUB>5</SUB> core-shell structure is utilized in the NWs which further enhanced the output voltage to 27 V and output current to 590 nA.</P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>

GaN의 열분해 특성을 이용하여 자발적으로 분리된 GaN에 대한 연구

김시내,최성국,장지호,이현재,이시영,Takashi SEKIGUCHI,이웅 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.11

The free-standing GaN (FS-GaN) substrate was fabricated by using an in-situ self-separation technique that was accomplished by using the thermal decomposition of GaN. For the self-separation of GaN, a decomposable buffer layer (DBL) was introduced between the sapphire substrate and the overgrown thick-GaN, and self-separation of GaN happened during the high-temperature GaN growth. The thick GaN was almost unaffected by the thermal stress during the separation from sapphire substrate, so we could fabricate low-defect and high-quality FS-GaN. In this study, the DBL growth temperature (Tg: 700 C) and the thermal annealing temperature (T 900 C) were optimized. The reduced thermal stress was confirmed by using cathodoluminescence. Also, the values of the full widths at half maximum for the (002) and the (102) !-rocking curves were 67 and 96 arcsec, respectively, and a low etch pit density (6 × 106 cm−2) was observed, both of which indicate the feasibility of this method for fabricating FS-GaN. GaN의 열분해 특성을 활용하여 성장 중에 사파이어 기판으로부터 후막 GaN을 분리하여 자립형 GaN 기판을 제작하였다. 자발적인 분리를 위해 사파이어 기판과 후막 GaN의 완충층으로 열분해가 가능한 DBL (decomposable buffer layer)을 사용하였고, 고온 성장 중에 사파이어 기판으로부터 분리되도록 하였다. 분리된 후막 GaN은 열적 스트레스의 영향을 받지 않으므로 저결함, 고품질의 GaN 기판 제작이 가능하다. 본 연구에서는 DBL 성장조건 (Tg : 700 C)과 열분해 조건 (T ~900 C)을 최적화 하여 후막 GaN이 기판으로부터 분리되는 것을 확인하였고, CL 측정을 통해 분리된 후막 GaN과 분리되지 않은 GaN의 단면 위치 별 스트레스의 변화를 비교하여 잔류 스트레스 완화 효과를 확인 하였다. 또한, 분리된 GaN의 결정성 확인을 위한 $\omega$-scan의 반치폭은 (002)면과 (102)면이 각각 67 arcsec와 96 arcsec 이고, 낮은 결함밀도 (EPD ~ 6 ×106 cm−2)를 갖는 고품질의 자립형 GaN을 제작하였다.

GaN Doherty 증폭기의 메모리 효과 보상을 통한 성능개선

이석희(Sukhui Lee),조갑제(Gapje Cho),방성일(Sungil Bang) 대한전자공학회 2012 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol.49 No.1

전력증폭기는 기지국의 효율을 결정하는 중요한 요소이며, 효율성 제고를 위하여 GaN증폭소자를 사용한 Doherty 전력증폭기 구조에 대한 연구가 지속되고 있다. Doherty 전력증폭기의 메모리 효과는 선형성과 효율특성과 연관된 동작특성에 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 GaN Doherty 전력증폭기의 전열적인 비선형성 모델링과 전열적 메모리 효과가 GaN Doherty 증폭기의 왜곡형성과 보상에 대하여 연구하였다. GaN Doherty 증폭기의 전열적 메모리 특성을 모델링하기 위하여 순시적으로 소모되는 전력과 순시 접합온도의 정확한 관계식을 정립하였다. 제안된 모델의 파라미터로부터 GaN Doherty 전력증폭기의 비선형왜곡과 전열적 메모리 효과를 보상할 수 있는 전치왜곡선형화기 모델을 설계하였다. 제안된 모델의 성능평가는 37dBm GaN Doherty 전력증폭기와 ADS Tool을 사용하여 왜곡특성 성능개선정도를 검증하였다. 선형화된 GaN 전력증폭기의 2-tone 출력스펙트럼에서 약 16 dB의 왜곡개선효과를 보였다. A power amplifier is one of important factors for basestation's efficiency and the researches for efficency enhancement focus Doherty amplifier structure with GaN power devices in these days. A memory effect of Doherty amplifier affect operation characteristics for linearity and efficiency. This paper reports on electrothermal nonlinearity modeling and compensation for GaN Doherty amplifier's distortion. Also this paper reports on the dynamic expression of the instantaneous junction temperature as a function of the instantaneous dissipated power. We design distortion model for GaN Doherty amplifier and predistortion compensator for electrothermal memory effect from the proposed behavior model parameters. The simulations was evaluated by ADS Tools and GaN Doherty amplifier with 37dBm. The GaN Doherty amplifier with compensator enhanced about 16dB than without electrothemal memory effect compensator in 2-tone output spectrum.

사파이어 기판방향에 따른 GaN 박막의 표면탄성파 특성에 대한 이론적 계산

임근환,김영진,최국현,김범석,김형준,김수길,신영화 한국세라믹학회 2003 한국세라믹학회지 Vol.40 No.6

GaN/사파이어 박막구조는 높은 SAW속도로 인해 고주파 소자로 이용될 가능성이 있다. 일반적으로, GaN 박막은 사파이어의 c, a, 그리고 r-면에 성장한다. 본 연구에서는 사파이어의 기판과 GaN 박막사이의 결정학적 관계에 따라 GaN/사파이어 구조의 파동 방정식을 계산하였다. 각각의 면에서, GaN의 kH와 사파이어의 기판방향에 따라 전단속도가 변화하였다. 그 결과 r-면의 경우 전기기계결합계수가 우수했다. 즉, 재료의 탄성상수와 전기기계결합계수는 기판의 cut 방향과 방향성에 좌우된다. 또한, GaN/r-면 사파이어는 전기기계결합계수가 우수하므로 고주파수 대역 SAW 소자 응용에 보다 더 좋을 것이다. The GaN/sapphire layered structure is a potential candidate for high frequency devices due to high acoustic velocity of sapphire. Generally, the GaN thin films are epitaxially grown on c, a, and r-plane sapphire substrates. In this study, wave equations of GaN/sapphire structure were calculated according to crystallographic relationship between GaN layer and sapphire substrate. On each plane, the shear velocity was changed by the kH of GaN layer and propagation direction on sapphire substrate. We found electromechanical coupling constant of r-plane was better than the others. As a result, elastic stiffness and electromechanical coupling constant of materials are affected by a cut and an orientation of substrate. GaN/r-plane sapphire structure is more advantageous for high frequency SAW devices.

HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxiy) 성장법으로 Ti metal mask를 이용한 GaN 성장연구

김동식(Dong Sik Kim) 대한전자공학회 2011 電子工學會論文誌 IE (Industry electronics) Vol.48 No.2

HVPE법으로 3㎛의 GaN epi를 성장하고 이 위에 DC 마그네트론 Sputter를 이용하여 Ti stripe 패턴 형성하였으며 다시 HVPE를 이용하여 120㎛ ~ 300㎛ 두께의 GaN를 overgrowth하였다. 성장된 GaN는 SEM 측정으로 Ti 패턴한 부분에서 void가 관찰되었고 보다 두꺼운 GaN를 성장시에는 크랙이 void를 따라 발생할 수 있음을 확인하였으며 XRD측정으로 FWHM은?188 arcsec로 측정되었다. 성장전의 GaN epi와의 반치폭을 비교하였을 때 패턴에 사용된 Ti는 overgrowth시 결정성에는 크게?영향을 주지 않는다는 것을 확인하였다. The epitaxial GaN layer of 120㎛ ~ 300㎛ thickness with a stripe Ti mask pattern is performed by hydride vapor phase epitaxy(HVPE). Ti strpie mask pattern is deposited by DC magnetron sputter on GaN epitaxial layer of 3㎛ thickness is grown by hydride vapor phase epitaxy(HVPE). Void are observed at point of Ti mask pattern when GaN layer is investigated by scanning electron microscope. The Crack of GaN layer is observed according to void when it is grown more thick GaN layer. The full width at half maximum of peak which is measured by X-ray diffraction is about 188 arcsec. It is not affected its crystallization by Ti meterial when GaN layer is overgrown on Ti stripe mask pattern according as it is measure FWHM of overgrowth GaN using Ti material against FWHM of first growth GaN epitaxial layer.

FS-GaN을 열산화하여 제작된 Beta-Ga2O3 박막의 특성

손호기,이영진,이미재,김진호,전대우,황종희,이혜용 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.7

In this paper, β-Ga2O3 thin films have been grown on FS-GaN (freestanding GaN) using furnace oxidation. GaN template was grown by horizontal HVPE (hydride vapor phase epitaxy). And FS-GaN was fabricated after laser lift off (LLO) system. To obtain β-Ga2O3 thin film, FS-GaN was oxidized at 900 ~ 1100℃. Surface and cross-section of prepared β-Ga2O3 thin films were observed by FE-SEM. The single crystal FS-GaNs were changed to poly crystal β-Ga2O3 . The oxidized β-Ga2O3 thin film at 1100℃ was peel off from FS-GaN. Next, oxidation of FS-GaN with the variation of the oxidation time was investigated for 0.5 ~ 12 hour. Thickness of β-Ga2O3 thin film were measured from 100nm to 1200 nm. Moreover, 2 theta XRD result indicated that (-201) (-402) (-603) peaks were confirmed. The intensity of peaks was increased with increased oxidation time. The β-Ga2O3 thin film was generated to oxidized FS-GaN. β-Ga2O3 박막은 FS-GaN을 열산화하여 제작되었다. 먼저, FS-GaN은 수직형 HVPE를 이용하여 사파이어 기판 위에 GaN을 성장하였고 laser lift off (LLO) 방법으로 GaN과 사파이어 기판을 분리하여 준비하였다. β-Ga2O3 박막을 얻기 위해서 FS-GaN을 900~1100℃에서 열산화시켰다. 제작된 β-Ga2O3 박막의 표면과 단면은 FE-SEM으로 측정하였다. 단결정이었던 FS-GaN에서 다결정의 β-Ga2O3 박막이 관찰되었고 산화온도가 1100℃에서는 막이 분리되었다. 생성된 β-Ga2O3 박막의 두께는 100 ~ 1200 nm로 산화시간이 늘어남에 따라서 증가하였다. 결정구조는 2 theta XRD를 통해서 β-Ga2O3 피크인 (-201)(-402)(-603)의 피크를 관찰하였다. 피크의 강도는 시간이 증가할수록 커지는 것도 확인하였다. 또한 라만 측정에서는 416 cm-1 부근에서 β-Ga2O3 피크인 Ag(6) 피크를 확인 할 수 있었다.

저온버퍼의 원료공급비 변화가 GaN 박막의 극성에 주는 영향에 관한 연구

최성국,정수훈,조영지,장지호 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.6

The effect of the growth conditions for a low-temperature GaN (LT-GaN) buffer on the polarity of the GaN layer grown on c-plane sapphire by using gas-source molecular beam epitaxy has been investigated. We have observed a change in the crystal structure of the low-temperature buffer with changing V/III supply ratios and a related polarity change in the high-temperature GaN layer. The raman shift and the electron-backscatter diffraction (EBSD) pole figure measurements were used to determine the crystalline phase of LT-GaN. We found that the GaN layer with Ga polarity was only obtained for the hexagonal phase of the LT-GaN buffer. We explained this observation in terms of a change in the atomic arrangement induced by the stacking faults formed during the growth of the low-temperature buffer layer. 본 연구에서는 가스소스 분자선 에피택시로 성장한 질화갈륨(GaN) 저온버퍼층의 성장조건에 따른 고온에서 성장된 GaN의 박막의 극성 변화에 관해 연구하였다. 저온버퍼 성장 시 V/III 공급비 변화가 저온버퍼의 결정구조를 결정하며, 저온버퍼의 결정구조가 고온에서 성장한 GaN의 극성(polarity)에 영향을 줌을 관찰하였다. 성장된 시료를 라만분광법(Raman spectroscopy)과 전자반사회절(electron backscatter diffraction, EBSD)의 극성도 (pole figure), 반사고속전자선회절 (reflection high energy electron diffraction, RHEED)을 통하여 분석한 결과, 저온버퍼 성장 시 육방정계 (Hexagonal)상과 입방정계 (cubic)상이 혼재된 경우에는 질소-극성을 갖는 GaN가 형성되며, 육방정계 (Hexagonal)상이 주도적인 경우에는 갈륨-극성을 갖는 GaN 박막이 형성되는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 저온버퍼층 성장 시 발생한 적층결함의 영향에 의한 것으로 고찰하였다.

고품질 GaN 기반 에피소재 기술현황과 국방분야 응용방안 연구

정칠성 한국방위산업학회 2018 韓國防衛産業學會誌 Vol.25 No.3

This study is focused on the technical trends of high quality GaN-based Thin film epitaxial material and its application in national defense sector. Firstly, this paper reviews the recent status and challenges of GaN-based epitaxial materials according to its substrates. Due to the promising properties of GaN-based epitaxial material such as high energy bandgap, high breakdown voltage, high electron saturated velocity and good thermal conductivity, the GaN material thus has its potential for UV-light disinfection and high frequency application which can replace mercury lamp and vacuum tube transistor, respectively. Second, we studied the applicability of the national defense industrial fields using GaN-based devices. Recently, the utility and market of the GaN-based devices are growing rapidly in both national defense and civil demands. Especially, it is replacing state of the art defense parts that demand high reliability and performance. Thus, given its importance and timeliness, the research of high quality GaN-based epitaxial materials needs more interest and more research to be done in a multilateral fields such as UV-light, sensor, communications and radar. 본 논문은 고품질 GaN 기반 에피소재 기술현황과 국방분야 응용방안에 대한 연구이다. 먼저 기판에 따른 GaN 기반 에피소재의 현황과 기술적 도전과제들을 정리하고자 한다. 최근 다양한 분야에서 주목받는 GaN 소재는 높은 에너지 밴드갭, 높은 절연 전압, 빠른 전자포화속도 그리고 좋은 열전도성을 보유하고 있어 UV-light를 이용한 살균효과와 고주파 응용등 다양한 분야에 적용가능하며 기존의 수은램프와 진공관 트랜지스터들을 빠르게 대체해 나가고 있다. 둘째로 GaN 소재의 국방 분야 응용성을 고찰해보고자 한다. 최근 민수와 국방분야 모두 GaN 기반 소재를 이용한 다양한 소자들의 시장과 활용은 매우 빠르게 증가하고 있는 추세이며, 높은 신뢰성과 성능을 요구하는 최첨단의 국방분야 부품들을 대체해 나가고 있다. 이에 따라 고품질 GaN 기반 에피소재 기술은 그 시의성과 중요성을 고려해 볼 때 UV-light, 센서, 통신, 레이더 등 다양한 분야에서 더욱 많은 관심과 연구가 필요할 것이다.

HVPE에 의하여 Zn가 첨가된 GaN 박막의 제작

정성훈,문동찬 광운대학교 신기술연구소 1998 신기술연구소논문집 Vol.27 No.-

Hydride Vapor Phase Epitaxy(HVPE)에 의해 사파이어 기관위에 Zn가 첨가된 GaN 막이 성장되었다. 불순물을 첨가하지 않은 양질의 GaN 막의 성장을 위해 다양한 염산 가스량과 성장조건에서 얻은 결과로부터 최적조건을 도출하였다. 불순물을 첨가하지 않은 GaN 막의 이중결정 X선 로킹커브의 반치폭은 염산가스의 양과 Zn 첨가에 따라 증가하였다 불순물을 첨가하지 않은 GaN막 표면의 육각상은 염산가스의 양에 따라 뚜렷해지는 경향을 보였다. 그 결과 염산가스양이 10sccm일 경우. 579arcsec의 반치폭을 지닌 불순물이 첨가되지 않은 GaN막이 얻어졌다 불순물 온도 700℃. 캐리어 가스가 5Osccm 조건으로 Zn가 첨가된 GaN 막에서는 (00.2) 결정면에서 1300arcsec의 반치폭을 관찰할 수 있었다 또한 위시편의 표면에 불규칙하게 Zn 결정립이 분포되었다 광 루미네센스 분광에서는 불순물을 첨가하지 않은 GaN 막의 경우 donor에 의한 구속 exciton이 발생하였고 Zn를 첨가한 GaN 막의 경우 Zn complexes에 의한 2.678eV. 2.819eV. 2.931eV의 피크가 지배적이었다 자외선 흡수도에서 Zn 첨가에 따른 광학적 밴드갭의 감소를 관찰하였다. Zn doped GaN films were grown on sapphire substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy(HVPE). For growth of undoped GaN films with high quality, the optimized conditions were at first deduced by the results from various HCI gas flow rates and growth temperatures. The FWHM of the double crystal X-ray rocking curve of undoped GaN films was increased according to HCI flow rates and doping of Zn impurities. The hexagonal phases on the surface of undoped GaN films were tend to be vivid with increase of HCI flow rates. Finally undoped GaN distributed randomly on the surface of above samples. In photoluminescence spectra, the bound exciton due to donor was occurred in undoped GaN films and the peaks at 2.678eV, 2.819eV, 2.931eV due to don to Zn complexes were dominated in zn doped GaN films. In UV absorption, the decrease of optical band gep was observed according to doping of Zn.

p-GaN/AlGaN/GaN E-mode FET 제작을 위한 선택적 GaN 식각 공정 개발

Jang, Won-Ho,Cha, Ho-Young 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.2

In this work, we developed a selective etching process for GaN that is a key process in p-GaN/AlGaN/GaN enhancement-mode (E-mode) power switching field-effect transistor (FET) fabrication. In order to achieve a high current density of p-GaN/AlGaN/GaN E-mode FET, the p-GaN layer beside the gate region must be selectively etched whereas the underneath AlGaN layer should be maintained. A selective etching process was implemented by oxidizing the surface of the AlGaN layer and the GaN layer by adding O2 gas to Cl2/N2 gas which is generally used for GaN etching. A selective etching process was optimized using Cl2/N2/O2 gas mixture and a high selectivity of 53:1 (= GaN/AlGaN) was achieved.