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표제지

목차

Abstract 10

제1장 서론 13

제1절 연구사 13

제2절 연구 배경 및 목적 22

1. 저결함 GaN 에피 성장 22

2. 무균열 GaN 에피 성장 23

제2장 관계 이론 27

제1절 질화물 반도체의 물성 27

1. 물리적 특성 27

2. 전기적 특성 29

3. 광학적 특성 32

제2절 질화물 반도체의 MOCVD 성장 기구 35

제3절 저결함 GaN 성장 방법 42

1. ELOG 성장 기술 42

2. Pendeo-epitaxy 성장 기술 44

3. SAG 성장 기술 45

4. GaN homoepitaxy 성장 기술 46

5. LEPS 성장 기술 48

제4절 무균열 GaN 성장 방법 50

1. 버퍼층 조절법 50

2. 중간층 삽입법 53

제3장 실험 방법 55

제1절 실험 장비 및 성장 조건 55

제2절 분석 방법 60

제4장 실험 결과 및 검토 61

제1절 in-situ SiNx 층을 이용한 저결함 GaN 성장 및 특성 61

1. 서론 61

2. in-situ SiNx 층 성장 및 특성 62

3. 수평 모드 GaN 성장 및 특성 68

4. 저결함 GaN 성장 및 특성 71

5. 저결함 GaN LED 성장 및 특성 76

제2절 AlN 버퍼층을 이용한 무균열 GaN 성장 및 특성 84

1. 서론 84

2. AlN 버퍼층 두께에 따른 GaN 성장 및 특성 85

3. GaN 층에 작용하는 인장 응력 특성 분석 97

4. GaN 층의 인장 응력 변화에 따른 광학적 특성 분석 104

제3절 저온 AlN 중간층을 이용한 무균열 GaN 성장 및 특성 114

1. 서론 115

2. 1st GaN 두께에 따른 GaN 성장 및 특성 115

3. 저온 AlN 중간층 두께에 따른 GaN 성장 및 특성 125

4. 저온 AlN 중간층을 이용한 GaN LED 성장 및 특성 133

제5장 결론 142

참고문헌 144

감사의 글 151

국문요약 152

표목차

표 1-1 GaN 연구 역사 19

표 1-2 GaN 와 여러 가지 기판물질사이의 불일치 정도 24

표 2-1 GaN, AlN 와 InN 화합물 반도체 특성 30

표 2-2 300 K 에서의 반도체 물질의 특성 비교 31

표 3-1 Undoped GaN 의 일반적인 성장 조건 59

표 4-1 GaN 와 in-situ SiNx 의 성장 조건 64

표 4-2 여러 가지 변수에 따른 2nd HT GaN 의 성장 조건 69

표 4-3 AlN 버퍼층과 GaN 층의 성장 조건 87

그림목차

그림 1-1 반도체 격자 상수와 밴드갭 14

그림 1-2 LED 성능의 발전 과정 16

그림 1-3 (a) 응용분야로 분류된 시장 점유율 (b) 시장 크기 21

그림 2-1 (a) Wurtzite 결정 구조 (b) 3차원 적층 구조 28

그림 2-2 Wurtzite GaN 의 밴드 구조 33

그림 2-3 MOCVD 장비에서 GaN 성장시 예상되는 화학 반응 38

그림 2-4 (a) GaN ELO 성장 도식 (b) 단면 TEM 사진 43

그림 2-5 (a) PENDEO 성장 도식 (b) 단면 TEM 사진 45

그림 2-6 (a) SAG 성장의 표면 SEM 사진 (b) 단면 TEM 사진 47

그림 2-7 (a) 패터닝된 기판 도식 (b) LEPS 성장의 단면 TEM 사진 49

그림 2-8 Si 과 사파이어 기판에서의 GaN 성장시 결정학적 연관성 51

그림 2-9 Meltback 에칭의 SEM 사진 52

그림 2-10 (a) Mutilayer 와 (b), (c) interlayer 법의 단면 도식 54

그림 3-1 (a) MOCVD 시스템 (b) 운용 컴퓨터와 in-situ monitoring 시스템 57

그림 3-2 MOCVD (Veeco, D-180GaN) 의 개략도 58

그림 4-1 in-situ SiNx 층을 이용한 저결함 GaN 성장 개략도 63

그림 4-2 in-situ SiNx 증착 시간에 따른 GaN 표면의 현미경 사진 65

그림 4-3 in-situ SiNx 증착 시간에 따른 GaN 표면의 AFM 사진 67

그림 4-4 여러 가지 변수에 따른 2nd HT GaN 표면의 현미경사진 70

그림 4-5 SiNx 증착 조건에 따른 GaN 재성장의 in-situ monitoring 결과 72

그림 4-6 45 초 증착된 SiNx 층에 성장한 GaN 의 단면 TEM 사진 74

그림 4-7 SiNx 층을 45초 증착한 GaN 와 증착하지 않은 GaN 층의 XRC 특성 75

그림 4-8 SiNx 층을 45초 증착한 GaN 와 증착하지 않은 GaN 층의 PL 특성 77

그림 4-9 (a) PN 접합 LED (b) MQW LED 구조 개략도 79

그림 4-10 (a) GaN 청색 LED 에피 웨이퍼 (b) 전극 공정 웨이퍼 80

그림 4-11 SiNx 층을 45초 증착한 GaN 와 증착하지 않은 GaN 층의 EL 특성 81

그림 4-12 20 mA 에서 SiNx 삽입 여부에 따른 PN 접합 LED 와 MQW LED 의 청색 방사 83

그림 4-13 AlN 버퍼층을 이용한 GaN 층 성장 개략도 86

그림 4-14 AlN 버퍼 두께에 따른 2.6 ㎛ 두께 GaN 표면 현미경 사진 88

그림 4-15 AlN 버퍼 두께에 따른 GaN 층의 균열 밀도 90

그림 4-16 AlN 버퍼 두께에 따라 Si 기판위에 성장한 GaN 층의 XRD 특성 91

그림 4-17 AlN 버퍼 두께에 따른 2.6 ㎛ 두께 GaN 층의 AFM 사진 93

그림 4-18 AlN 버퍼 두께에 따른 GaN 층의 XRC 특성 95

그림 4-19 AlN 버퍼 두께에 따른 GaN 층의 상온 PL 특성 96

그림 4-20 AlN 버퍼 두께에 따른 GaN 층의 상온에서 PL 강도와 FWHM 98

그림 4-21 (a) 기판과 완전한 격자 정합을 이루는 에피층 (b) 기판과 부분 격 자 정합을 이루는 에피층 (c) 기판과 완전히 이완된 상태의 에피층 101

그림 4-22 AlN 버퍼 두께에 따른 GaN 층의 응력 변화 104

그림 4-23 35 nm, 65 nm, 그리고 80 nm 두께 AlN 버퍼층에서 성장한 GaN 의 PL 온도 의존성 108

그림 4-24 온도 변화에 따른 GaN 층의 PL 강도와 FWHM 109

그림 4-25 13 K 에서 AlN 버퍼에 따른 GaN 층의 자유여기자의 피크 위치 와 FWHM 110

그림 4-26 온도 변화에 따른 PL 피크 위치 변화 112

그림 4-27 역온도 함수에 따른 자유여기자의 강도 변화 114

그림 4-28 저온 AlN 층을 이용한 GaN 층 성장 개략도 117

그림 4-29 1st GaN 두께 변화에 따른 2.5 ㎛ 두께 2nd GaN 표면의 현미경 사진 118

그림 4-30 1st GaN 두께에 따른 GaN 층의 균열 밀도 119

그림 4-31 1st GaN 두께에 따른 2.5 ㎛ 두께 GaN 층의 AFM 사진 121

그림 4-32 1st GaN 두께에 따른 2nd GaN 층의 (002) FWHM 123

그림 4-33 1st GaN 두께에 따른 2nd GaN 층의 상온 PL 특성 124

그림 4-34 1st GaN 두께에 따른 2nd GaN 층의 상온 PL FWHM 특성 126

그림 4-35 저온 AlN 두께에 따른 1.5 ㎛ 두께 2nd GaN 층 표면의 현미경 사진 127

그림 4-36 저온 AlN 두께에 따른 2nd GaN 층의 균열밀도 128

그림 4-37 저온 AlN 두께에 따른 1.5 ㎛ 두께 GaN 층의 AFM 사진 129

그림 4-38 저온 AlN 두께에 따른 2nd GaN 층의 (002) FWHM 131

그림 4-39 저온 AlN 두께에 따른 2nd GaN 층의 상온 PL 특성 132

그림 4-40 저온 AlN 두께에 따른 2nd GaN 층의 상온 PL FWHM 134

그림 4-41 저온 AlN 층 삽입여부에 따른 1.5 ㎛ 두께 GaN 표면의 현미경 사진 135

그림 4-42 최적화된 저온 AlN 층을 갖는 1 ㎛ 무균열 GaN 층의 현미경 사진 136

그림 4-43 저온 AlN 층을 이용한 Si 기판 MQW LED 구조 137

그림 4-44 (a) LED 성장 에피 표면 (b) LED 공정 후 표면 138

그림 4-45 Si 기판 LED 의 (a) -Ⅴ 특성 (b) 발광 사진 140

그림 4-46 Si 기판위에 성장한 GaN 층의 균열의 단면 SEM 사진 141

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