승화법에 의한 GaN 후막성장시 공정변수의 영향

노정현,박용주,이태경,심광보 한국결정성장학회 2003 韓國結晶成長學會誌 Vol.13 No.5

대면적 GaN 기판재료의 개발은 GaN 계열의 응용 가능성을 확대하기 위한 중요한 과제중 하나이다. 이러한 가능성을 조사하고자 본 연구에서는 seed 기판으로 MOCVD-GaN 박막과 소스 물질로서 상업용 GaN 분말을 이용하여 승화법에 의해 GaN 후막 성장을 시도하였다. 일정한 $N_2$ gas와 $NH_3$ gas 유량으로 성장실의 압력을 대기압으로 유지할 때 후막성장에 대한 승화소스물질과 seed 기판 사이의 거리, 상ㆍ하부 히터의 온도, 성장시간 등의 영향들을 연구하였다. 성장된 GaN후막은 SEM 및 XRD등을 이용하여 후막성장 형태 및 구조를 관찰하였고 상온에서 PL특성측정을 통하여 후막의 광학적인 밴드갭 및 결함 등을 조사하였다. 이로부터 양호한 GaN 후막성장에 필요한 공정요소로서 소스와 seed 기판 간 거리, 상ㆍ하부 히터의 온도 및 성장시간 등의 조건들을 정할 수 있었다. The development of large area GaN substrates is one of important issues in expanding of GaN-based applications. In order to investigate the possibility, GaN thick films were grown by a sublimation technique, using MOCVD-GaN films grown on a sapphire as a seed-crystal substrate and a commercial GaN powder as a source material. The pressure in chamber under the fixed flow rate of $N_2$ gas and $NH_3$ gas was kept at 1 atmosphere and the effects of the various processing parameters such as the distance between source material and seed crystal, the temperature of top- and bottom heater and the growth time during the growth of GaN thick film were investigated. The growth feature and microstructure of the GaN thick films were observed by SEM and XRD. The optical bandgap properties and the defects were evaluated by the PL measurement. By these results, the growth conditions such as the distance between the GaN source and the seed substrate, the growth temperature and the growth time were determined for the satisfied growth of GaN thick films.

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.

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.

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.

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>

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.

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.

활성화 이온빔 처리된 Sapphire기판 위에 성장시킨 MOCVD-GaN 박막의 격자변형량 측정

김현정,김긍호,Kim, Hyun-Jung,Kim, Gyeung-Ho 한국현미경학회 2000 Applied microscopy Vol.30 No.4

사파이어 기판을 이용한 GaN 박막성장에서 완충층의 사용과 기판의 질화처리는 GaN 박막 내의 격자결함을 줄이는 가장 보편적인 방법이다. GaN박막의 초기 핵생성과 성장 거동을 향상시키기 위한 새로운 방법으로 사파이어 표면을 질소 활성화 이온빔으로 처리하는 방법이 시도되었다. 활성화 이온빔 처리의 결과 약 10nm두께의 비정질 $AlO_xN_y$ 층이 형성되었으며 GaN의 성장온도에서 부분적으로 결정화되어 계면 부위에 고립된 비정질 영역으로 존재하였다. 계면에 존재하는 비정질 층은 기판과 박막사이에서 발생하는 열응력을 효과적으로 감소시키는 역할이 가능하며 이를 확인하기 위하여 활성화 이온빔 처리에 의한 GaN박막 내의 격자변형량 차이를 비교하였다. GaN박막에서 얻어진 $[\bar{2}201]$ 정대축고차 Laue도형을 전산모사 도형과 비교하여 격자변형량을 측정하였다. 본 연구의 결과 활성화 이온빔 처리를 하지 않은 기판 위에 성장시킨 GaN박막의 격자변형량은 처리한 경우에 비해 6배 이상 높은 값을 가졌으며 따라서 활성화 이온빔 처리에 의해 GaN박막의 열응력은 크게 감소함을 확인하였다. Introduction of the buffer layer and the nitridation of a sapphire substrate were one of the most general methods employed for the reduction of lattice defects in GaN thin films Brown on sapphire by MOCVD. In an effort to improve the initial nucleation and growth condition of the GaN, reactive ion beam (RIB) of nitrogen treatment of the sapphire surface has been attempted. The 10 nm thick, amorphous $AlO_xN_y$ layer was formed by RIB and was partially crystallized alter the main growth of GaN at high temperature, leaving isolated amorphous regions at the interface. The beneficial effect of amorphous layer at interface in relieving the thermal stress between substrate and GaN film was examined by measuring the lattice strain value of the GaN film grown with and without the RIB treatment. Higher order Laue zone pattern (HOLZ) of $[\bar{2}201]$ zone axis was compared with simulated patterns and lattice strain was estimated It was confirmed that the great reduction of thermal strain was achieved by RIB process and the amount of thermal stress was 6 times higher in the GaN film grown by conventional method without the RIB treatment.

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.