V/III ratio

GaN 고온 에피층 성장시 갈륨 과잉 조건과 암모니아 과잉 조건을 확 정하기 위하여 갈륨의 등가분자선압 (BEP ; Beam equivalent pressure)을 1×10-7 ∼ 1.1×10^-6 Torr로 변화시키며 기판표면에 조사하였다. 이때 암모니아 공급량을 고정하고 양이온과 음이온의 실질 공급량이 1:1이 되 는 당량비점을 중심으로 갈륨 공급량을 변화시켜도 성장속도의 변화가 보이지 않는 갈륨 과잉 조건과 갈륨의 공급량의 변화에 비례하여 성장 속도가 변화하는 암모니아 과잉 조건을 확인하였다.

Fig. 4.11은 암모니아 공급량을 5 sccm과 20 sccm으로 고정하고 갈륨 공급량을 변화시키며 얻어진 GaN의 성장률의 변화를 나타낸 것이다.

Fig. 4.11의 곡선(a)와 곡선(b)는 각각의 5 sccm과 20 sccm의 암모니아 주 입 조건에서 갈륨의 등가분자선압을 4×10^-7 Torr 에서 1×10^-6 Torr 까 지 변화하였을 때의 성장률을 나타낸다. 암모니아 5 sccm 에서는 갈륨 7×10^-7 Torr그리고 암모니아 20 sccm에서는 갈륨 1×10^-6 Torr지점부터 성장률이 포화되었으며, 기존의 보고[25] 에는 갈륨과 질소의 당량비 1:1 지점부터 성장률이 포화되는 것으로 알려져 있다.

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Fig. 4.11 Growth rate of GaN under different V/III ratio.

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Fig. 4.12 는 암모니아 20 sccm에서 A, B, C 로 표시된 지점에서 성장된 박막의 XRD rocking curve 결과 및 RHEED 결과를 나타낸 것이다. RHEED 결과에서는 V/III>1 인 A 샘플이 2x2 streaky, B: 1x1 streaky, C: 1x1 spotty 패턴이 관측 되며 이러한 결과는 각각 질소과잉, 1:1 당량비, Ga 과잉 조건에서 나타나는 패턴으로, 앞서 성장률로 확인한 V/III 주입조건이 타당함을 알 수 있다. 또한 XRD rocking curve 반치폭이 V/III>1 일 때 1200 arcsec, V/III=1 은 460, V/III<1 일 때 1080 arcsec 로 확인되어 당량비 조건에서 성장된 박막의 결정성이 가장 양호함을 알 수 있다.

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Fig. 4.12 XRD rocking curve and RHEED patterns of GaN under different V/III ratio.

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Fig. 4.13 은 암모니아 과주입 조건에서의 성장변화 관찰을 위하여 BEP Ga : 6×10^-7 Torr 로 고정하고 암모니아 주입 조건을 변화하여 질소 과잉 및 초 과잉 조건에서의 성장률 변화를 나타내었다. 각각 S1: 5 sccm, S2: 10 sccm, S3: 20 sccm, S4: 30 sccm의 암모니아 주입량에서의 성장률을 나타내고 있다. A에서부터 D로 암모니아 주입량이 증가함에 따라 성장률은 S1: 520 nm/h, S2: 490 nm/h, S3: 460 nm/h, S4: 440 nm/h로 약 18% 감소하였다.

여기서 주목할 것은 본 실험에서 사용한 성장 조건은 암모니아 과잉 조건이므로 암모니아 공급량을 증가시켜도 이론적으로는 성장 속도의변 화가 관찰되지 않아야 한다는 점이다. 즉, 암모니아 과잉 조건에서는 성 장 속도는 갈륨의 공급량으로만 결정되며 이러한 단순한 성장역학에 따 르면 암모니아의 과잉 정도에 따라서 성장 속도가 변화되어야 할 이유가 없다. 때문에 암모니아 과잉 정도를 변화시켰을 때 관찰된 성장률 감소 는 GaN 성장 시에 기판 표면에서의 암모니아의 분해와 표면에 조사된 갈륨의 화학적인 반응에 따른 성장 양식의 변화에 의해 나타나는 것으로 판단된다.

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Fig. 4.13 Growth rate of GaN grown under NH3-rich condition

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