N Film Obtained by Using Spectroscopic Ellipsometry

http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.909

Crystal Structure and Optical Properties of Al

Ga

N Film Obtained by Using Spectroscopic Ellipsometry

Dae Jung Kim

School of Basic Sciences, Hanbat University, Daejeon 34158, Korea

Yong Dae Choi

Department of Microbial & Nano Materials, Mokwon University, Daejeon 35349, Korea (Received 11 May 2017 : revised 14 June 2017 : accepted 23 June 2017)

An Al0.21Ga0.79N film was grown on (0001) sapphire substrates by using metal-organic chem- ical vapor deposition (MOCVD). The crystallinity of the grown Al_0.21Ga_0.79N film was investi- gated using X-ray diffraction (XRD) patterns, and the surfaces and the chemical properties of the Al0.21Ga0.79N film were investigated by using atomic force microscopy (AFM) and X-ray photo- electron spectroscopy (XPS), respectively. The optical properties of the Al0.21Ga0.79N film were investigated in a wide photon energy range between 2.0∼ 8.7 eV by using spectroscopic ellipsometry (SE) at room temperature. The data obtained by using SE were analyzed to find the critical points of the pseudodielectric function spectra, < ε(E) > = < ε1(E) > + i < ε2(E) >. In addition, the second derivative spectra, d² < ε(E) > /dE², of the pseudodielectric function of the Al0.21Ga0.79N film were numerically calculated to determine the critical structures (CP), such as the E₀, E₁, and E2 structures.

PACS numbers: 73.20.At, 78.20.-e

Keywords: AlGaN film, Spectroscopic ellipsometry, Metal-organic chemical vapor deposition, Atomic force microscopy, Pseudodielectric function, X-ray photoelectron spectroscopy

타원 편광 분석법에 의한 Al

Ga

N 박막의 결정구조와 광학적 특성

김대중

한밭대학교 기초과학부, 대전 34158, 대한민국

최용대

목원대학교 미생물나노소재학과, 대전 35349, 대한민국

(2017년 5월 11일 받음, 2017년 6월 14일 수정본 받음, 2017년 6월 23일 게재 확정)

Al0.21Ga0.79N 박막은 유기 금속 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 을 이용하여 사파이어 (0001) 기판 위에 GaN 박막을 먼저 성장한 다음 성장시켰다. 성장된 박막은 결정구조를 알아보기 위하여 엑스선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 패턴을 이용하였고, 박막의 표면 상태를 알아보기 위하여 원자간력 현미경 (atomic force microscopy, AFM) 을 사용하여 측정하였다. 또한 박막의 화학성분과 결합상태는 엑스선 광전자 분광 분석기 (X- ray photoelectron spectroscopy, XPS) 를

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Keywords: AlGaN, 타원 편광 분석법, 유기 금속 화학 증착법, 원자간력 현미경, 유사유전함수, 엑스선 광전자 분광 분석기

I. 서 론

AlGaN는 질화물 물질로서 큰 에너지 밴드갭, 높은 항복 전압, 높은 전자 이동도와 같은 물질 고유의 특성을 가지고 있기 때문에 고온에서도 동작이 가능하며 다양한 광전 소자 및 전자 소자 등에 응용 가능성이 매우 높은 물질이다 [1,2].

GaN을 기반으로 하는 질화물 반도체 물질의 물리적 특 성에 관한 연구는 많은 연구자들에게 매우 흥미로운 주제이 었고 과거 수년 동안 많은 연구 결과들이 보고되었다 [3,4].

특히, AlGaN 질화물 반도체 물질은 정확한 이해를 확립하 기 위하여 많은 이론적 실험적 연구들이 이루어지고 있는데 사용되는 기판은 실리콘 보다는 주로 사파이어 기판을 많이 사용한다. 그러한 이유로는 실리콘과 GaN 사이에 격자 어 긋남 (mismatch) 정도가 약 17% 정도이고, 열팽창 계수도 약 100%의 차이를 갖기 때문이다 [5–11]. AlGaN 질화물 반도체에 대한 에너지 밴드갭을 연구하는 광학적 특성들 에 관한 몇몇 연구들은 타원 편광 분석법 (spectroscopic ellipsometry, SE) 을 이용하여 수행되었다 [12–15]. 그러나 Al이 20%와 30% 사이에서 타원 편광 분석법을 이용하여 에너지 밴드 갭과 연관되는 임계점을 연구하는 광학적 특성 들에 관한 보고는 없었다 [13]. 타원 편광 분석법은 반도체 물질의 광학적 유전 특성을 연구하기에 훌륭한 도구로서 잘 알려져 있다 [16].

본 연구에서 사용된 Al0.21Ga0.79N 질화물 반도체 박막 은 유기 금속 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 에 의하여 성장시켰으며, 박막의 결 정구조는 엑스선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 패턴을 이 용하여 조사하였다. 또한 박막의 표면 상태와 화학적 성분 의 결합 상태는 원자간력 현미경 (atomic force microscopy, AFM) 과 엑스선 광전자 분광 분석기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 를 이용하여 확인하였다. 성장된 박막 들의 광학적 유전상수는 300 K에서 타원 편광 분석법을 사용하여 2.0 ∼ 8.7 eV 사이에서 측정되었다. 타원 편광 분석법으로 획득된 데이터들은 유사유전함수 스펙트럼

∗E-mail: [email protected]

< ε1(E) > = < ε1(E) > +i < ε2(E) >의 결과로부터 박 막의 복소 유전상수 ε1(E)과 ε2(E)가 획득되었으며, 모든 임계점 피크들은 수학적으로 계산된 이계도함수를 이용하 여 구하였다 [17,18].

II. 실 험

본 실험에서는 유기 금속 화학 증착법을 이용하여 Al0.21Ga0.79N 박막 시료가 제작되었다. Al0.21Ga0.79N 박막은 먼저 사파이어 (0001) 기판 위에 530 ^◦C 로 저 온 성장시킨 30 nm 두께의 GaN 층 위에 반절연 (semi- insulating) GaN 버퍼층을 2 µm 두께로 성장하고, 그 위에 Al0.21Ga0.79N 박막을 성장하였다. Al0.21Ga0.79N 박막 성장 시 압력은 100 torr, 성장온도는 1030 ^◦C, 시 간은 40 분, NH3는 13 slpm, 트리메틸갈륨 (trimethyl- gallium, TMGa) 은 120 µmol/min로 일정하게 하고, 트 리메틸알루미늄 (trimethyl-aluminum, TMAl) 의 유입량 만 80 µmol/min로 변화시키며 박막을 성장시켰다.

성장된 Al0.21Ga0.79N 박막의 결정구조와 결정성은 엑 스선 회절 패턴 (Bruker D8 Advance diffractometer, Cu Kα radiation, λ = 1.5415 Å) 패턴을 이용하여 측정하였 고, 박막의 화학성분과 결합상태는 엑스선 광전자 분광 분 석 (K-alpha electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) 장치를 이용하였다.

Al0.21Ga0.79N 박막의 광학적 특성을 알기 위하여 사용된 타원 편광 분석법 장치는 듀트론 (deuteron) 램프와 제논 (xenon) 램프를 광원으로 사용하는 고진공 자외선 영역의 타원 편광 분석법 (Woolam VUV-VASE system) 에 의해서 측정되었다. 측정범위는 2.0 ∼ 8.7 eV까지 측정되었으며 입사각은 70^◦이었고 실온에서 측정하였다.

본 실험에서 측정값은 타원 분광학적 방위각 ∆ 과 Φ 값 으로 획득하였으며, 이것은 입사면에 수직과 수평성분에 관한 것이다. 그러므로 박막의 복소 유사유전함수 ε(E) 는 다음과 같은 식 (1) 에 의하여 결정되었다.

< ε(E) >= εasin²ϕ{

1 + tan²ϕ[(1− ρ)/(1 + ρ)]²} , (1)

Fig. 1. XRD spectra for the Al0.21Ga0.79N film. The inset represents the double-crystal rocking curve for the Al0.21Ga0.79N film.

여기서 ρ = tan Φe^i∆이고, εa = n²_a = 1과 ϕ 는 각각 입사 매질의 유사유전함수와 입사각이다.

III. 결과 및 고찰

Fig. 1 은 사파이어 c-Al2O3 (0001) 인 기판 위에 먼저 30 nm 두께의 GaN과 반절연 (semi-insulating) GaN 버 퍼층을 2 µm 두께로 차례로 성장시킨 다음 그 위에 성장 한 Al0.21Ga0.79N 박막의 엑스선 회절 패턴을 보여준다.

그림에 나타난 엑스선 회절 패턴으로부터 2θ = 34.58^◦와 2θ = 35.00^◦에서 나타나는 피크가 각각 GaN (0002) 면과 Al0.21Ga0.79N (0002) 면임을 알 수 있었으며, 2θ = 41.68^◦ 에서는 사파이어 기판 피크로 Al2O₃(0006) 면 회절 피크라 는 것을 알 수 있었다. 위와 같은 결과로부터 성장된 박막의 결정구조는 육방 구조로 성장되었다는 것을 확인할 수 있었 다. 또한 삽입된 그림에서 Al0.21Ga0.79N 박막의 반치폭은 대략 180 arcsec 정도로 나타났고, 이러한 결과로부터 본 연구에서 사용된 박막의 결정성이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있었다 [19,20].

Fig. 2(a) 와 (b) 는 박막의 표면 상태를 확인하기 위하여 측정한 Al0.21Ga0.79N 박막의 원자간력 현미경 사진이다.

Fig. 2(a) 와 (b) 는 2.0 × 2.0 µm² 크기의 범위를 2차원적 으로 측정한 것이며, 박막 표면의 평균 거칠기 (root mean square roughness) 가 0.458 nm라는 것을 확인할 수 있었다 [20–22]. 또한 측정된 박막에서 가장 큰 알갱이의 높이는 7.660 nm라는 것을 보여주었다 [19]. 성장된 박막의 이러한 결과를 훨씬 더 정성적으로 확인하기 위하여 3차원적으로 측정한 결과가 Fig. 2(b) 에서 명확하게 보여준다. Fig. 2(b)

Fig. 2. (Color online) Typical 3D scale AFM images the of Al0.21Ga0.79N film. The image size is 2.0 × 2.0 µm² and height scale of the surface is 10 nm.

Fig. 3. XPS analysis of the Al0.21Ga0.79N bulk layers.

Figure presents the survey spectrum of the Al0.21Ga0.79N film.

에 보여지는 것처럼 산맥형태의 그림은 Al 성분이 첨가되 면서 형성된 것으로 생각된다.

Fig. 3은 엑스선 광전자 분광 분석기를 이용하여 측정한 Al0.21Ga0.79N 박막의 엑스선 광전자 분광 스펙트럼의 결과

Fig. 4. XPS spectra of: (a) Al 2p, (b) Ga 2p3, (c) N 1s, and (d) O 1s levels from the surface of the Al0.21Ga0.79N film.

를 보여준다. 엑스선 광전자 분광 스펙트럼의 측정은 원소 분석과 결합 상태를 확인하기 위하여 사용되었다. 스펙트 럼 상에서 두 개의 Ga2p1과 Ga2p3피크의 결합에너지는 각각 1144.5 eV와 1117.7 eV에서 나타났고, 세 개의 Ga3s, Ga3p3, 그리고 Ga3d피크의 결합에너지는 각각 160.3 eV, 105.8 eV 그리고 19.87 eV에서 나타났으며, 두 개의 Al2s와 Al2p 피크의 결합에너지는 각각 119.4 eV와 73.57 eV에서 나타났다. 또한 N1s 피크의 결합에너지는 유일하게 396.2 eV에서만 관측되었다. 마지막으로 O1s 피크의 결합에너지 는 531.8 eV에서 보여주고 있다. 이 피크는 주로 공기 중에 노출된 박막의 대기오염으로부터 생긴 것으로 추측된다.

이러한 결과들은 X. L. Wang등에 의하여 보고된 결과와 잘 일치한다 [23].

Fig. 4 는 Fig. 3 의 엑스선 광전자 분광 스펙트럼의 결 과에서 보여주는 Al0.21Ga0.79N 박막에 대한 피크들의 결 합에너지를 더 명확하게 관측하기 위하여 측정된 것이다.

성장된 박막의 화학적 구조의 결정은 속 준위 (core level) 인 Ga2p3, Al2p, N1s, 그리고 O1s 피크를 측정함으로써

Fig. 5. Pseudodielectric function < ε(E) > of the Al0.21Ga0.79N film obtained from SE measurement at room temperature.

알 수 있고 그러한 결과들은 Fig. 4에 보여진 네 개의 측정 결과에서 뚜렷하게 확인할 수 있다.

Fig. 5는 타원 편광 분석법에 의하여 2.0∼ 8.7 eV 사이 에서 측정된 Al0.21Ga0.79N 박막의 유사유전함수 스펙트럼

< ε(E) > = < ε1(E) > +i < ε2(E) >를 보여준다. 측 정된 실험 데이터들은 모든 에너지 영역에 걸쳐서 깨끗한 구조를 나타내고 있으며 각각의 임계점 구조들이 명확하게 나타나는 것을 관측할 수 있다. Fig. 5의 화살표는 Cardona 와 Greenaway의 표현법을 사용하였다 [24]. 먼저, 광학적 에너지 갭에 해당하는 E0 피크는 3.74 eV 근처에서 나타 났다. 그리고 E1 피크와 E2 피크는 각각 7.05 eV와 7.98 eV 근처에서 뚜렷하게 나타났다 [25,26]. 광학적 에너지 갭 이하에서 나타나는 강하게 진동하는 간섭 무늬는 투명한 박막층에서 빛의 다중 내부 반사에 의한 것이다.

Γ-점 (k = 0) 에서 일어나는 광학적 천이는 Γ^ν₆ → Γ^c1

천이에 의한 것이며 E0피크로 알려져 있다 [5]. 일반적으로 반도체에서 직접천이에 대한 에너지는 광학적 에너지 갭과 일치하고 그것은 Fig. 5 에서 보여지는 것처럼 진동하는 간섭무늬의 오른쪽 끝에서 나타난다. 앞서 언급한 것처럼 이러한 E0 피크는 3.74 eV에서 관측되었으며, 3D-M0CP 형태로 표현될 수 있다 [17]. Al이 첨가되지 않은 GaN 물 질의 기본적인 흡수단은 브릴루앙 (Brillouin) 영역의 Γ-점

Fig. 6. Second derivatives of the pseudodielectric func- tion spectra, d² < ε(E) > /dE², of the Al0.21Ga0.79N film obtained from SE measurement at room tempera- ture. The open circles and squares denote the SE data, and the solid and dotted line are the fitted data.

에서 가장 높은 가전자대에서 가장 낮은 전도대로 Γ^ν₆ → Γ^c1

천이와 일치한다. 7.05 eV에서 나타나는 구조는 E1구조 이며 브릴루앙 영역의 M-점에서 M₄^ν → M3^c 천이로부터 기원되었고 3D-M1CP 형태로 표현될 수 있다 [17]. 또한 E1구조는 III-V족 반도체 물질에서 훨씬 더 강한 2차원적 엑시톤 (exciton) 에 의한 기여로부터 나타난다고 알려져 있다. 측정된 Al0.21Ga0.79N 박막의 E2 구조는 7.98 eV 에서 나타났으며, 이러한 구조는 A^ν_5,6 → A^c1,5 천이로부터 기원되었다. T. Wethkamp 등에 의하여 획득된 결과와 잘 일치한다 [13].

Fig. 6 은 타 원 편 광 분 석 법 에 의 하 여 측 정 된 Al0.21Ga0.79N 박막의 데이터를 이차 미분한 값으로 유 사 유전함수 스펙트럼 d² < ε(E) > /dE²을 나타내었다.

에너지 밴드 구조 사이 임계점에 관한 ε(E) 스펙트럼에서 관측된 구조의 분석은 타원 편광 분석법으로 얻은 데이터에 의해 가능하고 획득된 데이터들의 이계도함수는 스펙트럼에 대한 임계점 피크의 위치를 더욱 쉽고 정확하게 결정할 수 있다. 또한 명확한 임계점 피크를 알아볼 수 있는 최대의 장점이 있기도 하다. 임계점들의 정확한 위치를 알기 위하 여 수학적으로 계산된 다음과 같은 식 (2) 의 이계도함수를 사용할 수 있고 획득된 데이터들은 이차원적 임계점들을

갖는 분석용 선 모양 (analytical line-shapes) 으로 표현할 수 있다 [27,28].

< ε(E) >= C− A ln(E − Ei− iΓ) exp[iΦ] (2)

여기서 수식은 에너지 E, 넓어지기 상수 Γ, 진폭 A, 위상 각 Φ 와 같은 네 개의 맺음변수 (parameter) 들로 구성되어 있다. 획득된 결과로부터 훨씬 뚜렷한 E0, E1, 그리고 E2

임계점 피크들을 볼 수 있었다. 타원 편광 분석법으로 얻 어진 스펙트럼에서 얻어진 데이터의 미분은 Fig. 5의 스펙 트럼보다 훨씬 더 날카롭고 풍부한 구조를 가지고 있고 전 포톤 (photon) 에너지 영역에 걸쳐서 실험값에 대한 임계점 매개변수의 강한 의존성을 고찰할 수 있다. 3.74 eV에서 나타나는 E0임계점 피크는 약하기는 하지만 명확하게 나타 났다. 이차원 엑시톤 천이에 의하여 발생하는 7.05 eV에서 나타나는 E1 임계점 피크는 크고 명확하게 나타남을 볼 수 있었다. L-점 천이의 기여로 나타나는 7.98 eV에 위치한 E2임계점 피크도 역시 뚜렷하게 나타났다.

IV. 결 론

Al0.21Ga0.79N 박막은 유기 금속 화학 증착법에 의하여 c-Al₂O3 (0001) 기판 위에 성장되었다. 성장된 박막의 결 정구조는 엑스선 회절 패턴에 의하여 육방 구조로 성장됨을 확인할 수 있었다. 박막의 표면상태를 확인하기 위한 원자 간력 현미경 사진으로부터 박막 표면의 평균 거칠기는 0.458 nm로 나타났으며, 산맥형태의 모양은 Al 성분의 영향으로 형성된 것으로 생각된다. 엑스선 광전자 분광 스펙트럼의 분석 결과 두 개의 Ga2p1과 Ga2p3피크의 결합에너지는 각각 1144.5 eV와 1117.7 eV에서 나타났고, 세 개의 Ga3s, Ga3p3, 그리고 Ga3d 피크의 결합에너지는 각각 160.3 eV, 105.8 eV 그리고 19.87 eV에서 나타났으며, 두 개의 Al2s와 Al2p 피크의 결합에너지는 각각 119.4 eV와 73.57 eV 에서 나타났다. 박막의 광학적 특성을 확인하기 위하여 측정된 Al0.21Ga0.79N 박막의 유사 유전함수 스펙트럼 < ε(E) >

= < ε1(E) > +i < ε2(E) >는 E0 피크가 3.74 eV 근 처에서 브릴루앙 영역의 Γ-점의 Γ^ν₆ → Γ^c1 천이에 의하여 나타났고, 3D-M0CP 형태로 표현되었다. 그리고 이차원 엑시톤 천이에 의하여 7.05 eV에서 보여진 E1피크는 M-점 에서 M₄^ν → M3^c천이로부터 기원되었고 3D-M1CP 형태로 표현될 수 있다. 마지막으로 E2피크는 7.98 eV 근처에서 뚜렷하게 나타났고, A^ν_5,6→ A^c1,5천이로부터 기원되었다.

REFERENCES

[1] S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode (Springer-Verlag, New York, 1997).

[2] S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa and T. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 70, 868 (1997).

[3] M. A. Khan, M. S. Shur, J. N. Kuzunia, Q. Chin and J. Burm et al., Appl. Phys. Lett. 66, 1083 (1995).

[4] O. Akutas, Z. F. Fan, S. N. Mohammad, A. E.

Botchkarev and H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 69, 3872 (1996).

[5] D. Fritsch, H. Schmidt and M. Grundmann, Phys.

Rev. B 67, 235205 (2003).

[6] F. Fedler, R. J. Hauenstein, H. Klausing, D. Mistele and O. Semchinova et al., J. Cryst. Growth 241, 535 (2002).

[7] N. H. Zhang, X. L. Wang, Y. P. Zeng, H. L. Xiao and J. X. Wang et al., J. Cryst. Growth 280, 346 (2005).

[8] H. Sasaki, S. Kato, T. Matsuda, Y. Sato and M.

Iwami et al., J. Cryst. Growth 298, 305 (2007).

[9] O. Klein, J. Biskupek, K. Forghani, F. Scholz and U. Kaiser, J. Cryst. Growth 324, 63 (2011).

[10] S. Ruffenach-Clur, O. Briot, J. L. Rouvière, B. Gil and R. L. Aulombard et al., Mater. Sci. Eng. B 50, 219 (1997).

[11] B. Rezaei, A. Asgari and M. Kalafi, Physica B 371, 107 (2006).

[12] M. Stutzmann, O. Ambacher, A. Cros, M. S. Brandt and H. Angerer et al., Mater. Sci. Eng. B 50, 212 (1997).

[13] T. Wethkamp, K. Wilmers, N. Esser, W. Richter and O. Ambacher et al., Thin Solid Films 313-314, 745 (1998).

248, 211 (2003).

[16] T. Miyazaki, T. Fujimaki, S. Adachi and K. Oht- suka, J. Appl. Phys. 89, 8316 (2001).

[17] T. Kawashima, H. Yoshikawa, S. Adachi, S. Fuke and K. Ohtsuka, J. Appl. Phys. 82, 3528 (1997).

[18] N. V. Edwards, S. D. Yoo, M. D. Bremser, M. N.

Horton and N. R. Perkins et al., Thin Solid Films 313-314, 187 (1998).

[19] X. Gao, C. Liu, C. Yin, D. Tao and C. Yang et al., Mater. Sci. Eng. B 178, 349 (2013).

[20] W. Luo, X. Wang, H. Xiao, C. Wang and J. Ran et al., Microelectr. J. 39, 1108 (2008).

[21] R. Sohal, P. Dudek and O. Hilt, Appl. Surf. Sci.

256, 2210 (2010).

[22] J. Xue, J. Zhang, W. Zhang, L. Li and F. Meng et al., J. Cryst. Growth 343, 110 (2012).

[23] X. L. Wang, D. G. Zhao, J. Chen, X. Y. Li and H.

M. Gong et al., Appl. Surf. Sci. 252, 8706 (2006).

[24] M. Cardona and D. L. Greenaway, Phys. Rev. 133, A1685 (1964).

[25] S. Logothetidis, J. Petalas, M. Cardona and T. D.

Moustakas, Phys. Rev. B 50, 18017 (1994).

[26] K. Miwa and A. Fukumoto, Phys. Rev. B 48, 7897 (1993).

[27] C. S. Cook, S. Zollner, M. R. Bauer, P. Aella and J.

Kouvetakis et al., Thin Solid Films 455–456, 217 (2004).

[28] L. Vina, S. Logothetidis and M. Cardona, Phys.

Rev. B 30, 1979 (1984).