Vol. 66, No. 9, September 2016, pp. 1106∼1111 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.66.1106
Growth of a HVPE-AlGaN Epilayers with High Al Contents on Si (111) Substrates
Injun Jeon · Gang Seok Lee · Sung Geun Bae · Min Yang · Sam Nyung Yi · Hyung Soo Ahn
∗Department of Electronic Material Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
Hunsoo Jeon
†Compound Semiconductor Fabrication Technology Center, Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
Young Moon Yu
LED-Marine Convergence Technology R&BD Center, Pukyong National University, Busan 48547, Korea
Suck-Whan Kim
‡Department of Physics, Andong National University, Andong 36729, Korea (Received 26 June 2016 : revised 18 July 2016 : accepted 18 July 2016)
In this study, AlGaN epilayers with high Al contents were grown on Si (111) substrates by using a mixed source HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method. A mixed source of Ga and Al metals was used, and AlGaN epilayers were grown by using various source-zone temperatures. The crystal quality and the Al content of the AlGaN epilayer were investigated by using XRD (X-ray diffraction) and EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy). The experimental results for the Al contents of the AlGaN epilayers showed that the Ga content gradually increased when the source- zone temperature was increased to a temperature above 700◦C. We obtained a flat AlGaN epilayer by using an optimized growth time and growth rate. We expected the growth of a single-crystal AlGaN epilayer on a Si (111) substrate for applications to power or UV LED devices to be possible by using mixed source HVPE.
PACS numbers: 81.05.Ea, 81.10.Bk, 81.15.Kk
Keywords: HVPE, Mixed source, AlGaN, Crystal growth
높은 Al 조성의 HVPE-AlGaN/Si (111) 에피층의 성장
전인준 · 이강석 · 배숭근 · 양민 · 이삼녕 · 안형수
∗한국해양대학교 전자소재공학과, 부산 49112, 대한민국
전헌수
†한국해양대학교 화합물반도체공정기술센터, 부산 49112, 대한민국
유영문
부경대학교 LED-해양융합기술센터, 부산 48547, 대한민국
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.
김석환
‡안동대학교 물리학과, 안동 36729, 대한민국
(2016년 6월 26일 받음, 2016년 7월 18일 수정본 받음, 2016년 7월 18일 게재 확정)
본 연구에서는 혼합소스를 적용한 수소화물 기상 에피택시 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법으로 Si (111) 기판 위에 Al 조성이 85%에서 100%인 AlGaN 에피층을 성장시켰다. Ga 금속과 Al 금속의 혼합소스를 사용하여 HVPE 방법의 장점인 소스 영역의 온도를 변화시켜 시료를 제작하였다. X 선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 과 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 통해 시료의 결정성과 소스 영역의 온도에 따라 변화하는 Al 조성의 경향을 분석하였다. 소스 영역을 700◦C에서 온도를 증가시킬수록 에피층의 Ga 조성이 증가하는 경향을 보였으며, AlGaN 에피층의 Al 조성이 변화하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 AlGaN의 성장률과 성장시간 등의 조절을 통하여 높은 Al 조성을 가진 평탄한 AlGaN 에피층을 성장할 수 있었다. 따라서 혼합소스 HVPE 방법을 통해 높은 Al 조성을 가진 단결정 AlGaN을 성장시켜 전력소자 또는 deep UV 소자 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
PACS numbers: 81.05.Ea, 81.10.Bk, 81.15.Kk
Keywords: 수소화물 기상 에피택시, 혼합소스, AlGaN, 결정 성장
I. 서 론
3-5족 반도체인 GaN나 AlN는 직접 천이형 반도체 물질 로 발광 소자로 응용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 두 물질의 화합물인 AlGaN 역시 직접 천이형 물질로, Al 의 조성비에 따라 3.4 eV에서 6.4 eV까지 밴드갭 조절이 가능하기 때문에 청색에서 자외선까지의 넓은 영역의 광 소자를 구현할 수 있다 [1,2]. 최근 자외 영역의 빛이 각종 검출기, 살균기 등 여러 분야에 응용되면서 자외 영역의 발광 다이오드 연구가 주목 받고 있다. 그 중 원자외선 (DUV) 영역의 발광 소자 실현을 위해 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층 성장에 대한 연구가 매우 중요하다 [3–7].
또한 전력소자 등에도 응용되기 위해서는 AlN과 같은 계열 의 3족-질화물 (III-nitride) 물질이 요구되며, 특히 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층은 양질의 AlN 기반의 소자를 얻기 위해 반드시 필요한 물질이다.
단결정 AlGaN 에피층을 성장할 수 있는 기술로는 액 상 에피택시 (liquid phase epitaxy, LPE), 수소화물 기 상 에피택시 (hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 유 기금속 화학 기상증착법 (metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 분자빔 에피택시 (molecular beam epitaxy, MBE) 등이 있다 [8–12]. 그 중 HVPE 방법은 역사 적으로 가장 오래된 성장 방법으로, 3족 원소로써 chloride 를 사용하는데, GaN 성장의 경우 GaCl 을, AlN 의 경우 AlCl3나 AlCl을 사용하여, 성장영역에서 NH3와의 반응으
∗E-mail: [email protected]
†E-mail: [email protected]
‡E-mail: [email protected]
로 에피층을 성장시키는 원리이다. 또한 상용화된 MOCVD 방법과 비교하여 성장속도가 매우 빨라 수십 수백 µm의 두께를 갖는 후막층을 쉽게 성장시킬 수 있는 특징이 있다.
또한 HVPE 방법은 소스 영역의 온도를 변화시킬 수 있어서 다양한 조성의 에피를 성장하는데 큰 장점을 가지고 있다.
일반적인 HVPE 방법은 성장하는 에피층의 원소나 도핑에 따라 다수의 소스영역이 필요하여, AlGaN 에피층을 성장할 경우 Al 소스와 Ga 소스 각각에 HCl 가스 공급을 위한 관이 필요하기 때문에 장비의 구조가 매우 복잡해지는 단점이 있다 [13]. 이러한 단점을 보완하고자 Al과 Ga 금속 소스를 하나의 보트에 섞는 혼합소스를 적용하여 장비의 구조를 보다 간소화 하였다. 혼합소스 HVPE 방법은 LPE법을 적용하여 3족 원소 Al에 Ga을 혼합시킨 소스를 사용하여 질화물 반도체 결정을 성장할 수 있다. 이 방법은 혼합된 금 속 원료간의 원자 분율을 변화시키거나 소스영역의 온도를 변화시킴으로써 에피층의 조성비 조절이 용이하다 [14–18].
본 논문에서는 자체 제작된 혼합소스 HVPE 장치를 사용하여 Si (111) 기판 위에 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층을 성장시켰다. 에피층 내의 Al 조성을 높이기 위해 Al 금속에 소량의 Ga 금속 원료를 혼합하여 높은 Al 원자 분율을 가지도록 하였다. 소스 영역의 온도와 Al 조성의 관계를 알아보기 위해 혼합소스의 양과 비율은 일정하게 유지하고, 소스 영역 온도를 변화시켜 (660 ∼ 820 ◦C) AlGaN 에피층의 조성 변화를 알아보았다.
Fig. 1. Schematic diagram of a horizontal HVPE with mixed source for the growth of AlGaN epilayers with high Al contents.
Fig. 2. The result of the XRD 2θ/ω scan and a top-view SEM image (inset) of AlN epilayer grown on a Si (111) substrate at the source zone of 690 ◦C.
II. 실 험
Fig. 1은 AlGaN 에피층을 성장하기 위하여 사용한 수 평형 HVPE 장비에 관한 모식도이다. HVPE의 소스 영 역에서는 3족 원소인 Al과 Ga 금속을 하나의 흑연 보트 에 혼합시켜 고온에서 HCl 가스를 흘려주었다. 일반적인 HVPE 방법과는 다르게 소스 영역은 RF 유도 가열 코일을 사용하여 성장 영역과 별도로 소스 온도 조절을 용이하게 할 수 있도록 하였다. 성장 영역은 화로 (hot wall) 방식으로 소스 영역에서 만들어진 염화물 (chloride) 과 5족 원소로 사용한 NH3 가스를 반응시켜 AlGaN 에피층이 Si (111) 기판 위에 성장되도록 하였다. NH3가스는 1000 sccm으로 일정하게 흘려주었고, 운반가스와 분위기 가스는 총 7200 sccm의 질소 가스를 사용하였다. AlGaN 에피층은 1150
◦C의 성장영역에서 Si (111) 기판 위에 성장하였고, 소스 영역 온도를 660 ◦C에서 820 ◦C까지 다양하게 변화시켜
Fig. 3. (Color online) (a) The result of the XRD 2θ/ω scan and a top-view SEM image (inset) of AlGaN epi- layer with Al contents of 95% grown on a Si (111) sub- strate at the source zone temperature of 790 ◦C. (b) EDS result for the cross-section of epilayer. The marked solid line in (b) is the scan position for the EDS result.
특성의 변화를 관찰하였다. 성장된 시료는 SEM (scanning electron microscope) 으로 표면을 관찰하고, XRD (X-ray diffraction) 측정으로 결정성을 알아보았다. 성장된 AlGaN 층에서는 Al 조성에 따라 격자상수가 변하게 되는데, XRD 측정을 통해 얻은 격자상수를 Vegard의 법칙에 적용하여 Al 조성을 구하였다 [19,20]. 또한 EDS (energy dispersive X-ray spectroscope) 로 측정하여 얻은 Al 조성과 비교하 여, 소스 영역 온도의 변화에 따른 Al 조성의 변화를 조사 하였다.
III. 실험 결과 및 논의
Fig. 2는 Al 7 g과 Ga 1 g을 혼합시켜 소스 영역을 690
◦C로 가열하여 1 시간 동안 성장시킨 에피층에 대한 XRD 측정 결과와 표면 SEM 사진을 보여준다. XRD 결과에서는 28.45◦에서 관찰되는 Si (111) 의 회절과, 성장된 에피층의
Fig. 4. The result of the XRD 2θ/ω scan and top-view SEM image (inset) of the AlGaN epilayer with Al con- tents of 88% grown on a Si (111) substrate at the source zone temperature of 800◦C.
회절 피크가 36.04◦에서 관찰되었다. 회절각에 대응하는 격자 상수는 2.490 Å으로 AlN (002) 의 격자 상수와 일치하 므로, Si 기판 위에 AlN 에피층이 c 축으로 성장되었음을 알 수 있다. Al에 Ga을 혼합시켰음에도, AlN 에피층의 회절이 강하게 관찰되는 것은 소스 영역 온도가 690◦C일 때, HCl 에 의한 AlCln의 생성이 GaCl의 생성에 비해 월등이 높아 AlN 성장이 우세한 것으로 판단된다. 표면 사진으로부터 깨끗한 표면이 보이지는 않으나 AlN 씨결정 (seed) 이 Si 기판 위에 고르게 분포하여 c 축 AlN 성장이 될 수 있는 조건인 것으로 판단된다.
Fig. 3(a) 는 Al 7 g과 Ga 1 g을 혼합시켜 소스영역을 790 ◦C로 가열하여 1 시간 동안 성장시킨 AlGaN 에피층 에 대한 측정 결과를 보여준다. XRD 결과에서는 28.45◦ 의 Si (111) 기판의 회절 피크 외에, 성장된 에피층의 회절 피크가 35.97◦에서 관찰되었다. 이 때 격자 상수는 2.495 Å으로, Vegard의 법칙을 통해 Al 조성이 95%인 AlGaN 에피층이 성장되었음을 알 수 있다. Fig. 3(b) 는 에피층의 단면에 대한 EDS 측정 결과를 보여준다. 1.4 keV 부근에서 Al에 대한 피크가 강하게 관찰되었고, 1.08 keV에서 Ga 에 대한 피크가 약하게 관찰되는데, EDS 측정을 통해 얻은 Al 조성은 95.2%로 XRD 측정결과로부터 얻은 Al 조성 값과 일치하였다. 이 결과로부터 소스영역 온도가 790◦C 일 경우 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층이 성장됨을 알 수 있었다.
Fig. 4는 Al 7 g과 Ga 1 g을 혼합시켜 소스영역을 800
◦C로 가열하여 1시간동안 성장시킨 에피층의 XRD 결과와 표면 SEM 사진이다. 성장형태가 3차원 성장에서 2차원 성 장으로 변화하여 평탄면이 형성되어가는 것을 표면 형상을
Fig. 5. (Color online) (a) The result of the XRD 2θ/ω scan and a top-view SEM image (inset) of the AlGaN epilayer with Al contents of 85% grown on a Si (111) substrate at the source zone temperature of 820◦C. (b) EDS result for the cross-section of epilayer.
통해 알 수 있다. 또한 이 시료의 XRD 결과에서 Si (111) 기 판의 회절 피크 외에, 성장된 에피층의 회절 피크가 35.87◦ 에서 관찰된다. 이 때 격자 상수는 2.501 Å으로, Vegard 의 법칙으로 88%의 Al 조성을 가지는 AlGaN 에피층이 성장된 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 성장조건을 최적화하여 소스 영역 온도로 에피층의 조성비를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 평탄면을 성장시킬 수 있음을 확인하였다.
Fig. 5(a) 는 Al 7g과 Ga 1g을 혼합시켜 소스영역을 820
◦C로 가열하여 1시간 동안 성장시킨 에피층의 측정 결과 이다. XRD 결과에서 Si (111) 기판의 회절 피크 외에, 성 장된 에피층의 회절 피크가 35.83◦에서 관찰되었다. 이 때 격자상수는 2.504 Å으로, Vegard의 법칙을 통해 Al 조성이 85%인 AlGaN 에피층이 성장된 것을 알 수 있다. 소스영역 온도가 Fig. 3과 4에 비해 증가함에 따라 에피층 내의 Ga 조성이 더 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. Fig. 5(b) 는 이 시료의 EDS 측정 결과로서, 측정을 통해 얻은 Al 조성은 85%로, XRD 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이
Table 1. Growth parameters for the growth of AlGaN epilayers, the lattice constants and Al contents of AlGaN epilayers calculated by diffraction peak of AlGaN (002).
Object Al quantity Ga quantity Temperature of Diffraction angle c lattice Al contents of [g] [g] source zone [◦C] of AlGaN (002) [◦] constant [Å] AlGaN [%]
Sample 1 7 1 690 36.04 2.490 100
Sample 2 7 1 790 35.97 2.495 95
Sample 3 7 1 800 35.87 2.501 88
Sample 4 7 1 820 35.83 2.504 85
Fig. 6. Al contents of AlGaN epilayers as function of the temperature of source zone.
러한 결과로부터 소스 영역 온도 증가에 따라 에피층 내의 Ga 조성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3과 5에 삽입된 표면 SEM 사진을 보면, 두 시료 모두 표면이 깨끗 하지 않으나, AlGaN seed가 Si 기판 위에 골고루 분포되어 c축의 AlGaN 혹은 AlN 에피층이 성장 될 수 있는 조건이 된 것으로 볼 수 있다. 따라서 성장된 seed를 바탕으로 성장 시간 혹은 성장률 등을 조절한다면 평탄한 표면을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 6은 같은 양의 혼합소스를 사용하여 소스 영역 온 도를 660 ◦C부터 820 ◦C까지 변화 시켰을 때의 AlGaN 에피층 표면의 Al 조성 변화를 보여준다. 소스 영역 온도가 700 ◦C 부근까지는 AlN 에피층이 성장되고, 소스 영역 온도가 700 ◦C 이상으로 증가함에 따라 에피층 내의 Ga 조성이 점차 높아지는 결과를 얻었다. 이는 Ga 과 Al 의 혼합소스를 사용하여 소스 영역 온도가 700 ◦C 부근으로 감소할 경우에는 Al 조성이 증가하는 경향을 보이며, 반대로 800 ◦C 이상의 온도로 소스영역 온도를 증가시킬 경우 Ga 조성이 증가하는 경향을 보인다. 이 현상은 소스 영역의 온도 변화에 따라 Al과 Ga의 HCl과의 반응률의 차이로 인해 GaCl과 AlCln의 분자 분율 차이가 발생되어 에피층 내의 Al 조성에 영향을 끼치는 것으로 판단된다.
Table 1은 혼합 소스 온도와 에피층 조성비와의 관계를 정리한 것으로 Al과 Ga의 소스량은 변화가 없으나, 혼합 소스 영역의 온도 변화에 의해 Al 조성이 변화되는 에피층을 얻을 수 있으며, 특히 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층을 얻을 수 있었다. 본 결과를 통해 혼합 소스 HVPE 방법을 사용하여 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층 혹은 AlN 에 피층을 성장시킬 경우 소스 영역 온도를 700 ◦C 부근으로 감소시키는 것이 유리함을 알 수 있었다. 반대로 Ga 조성이 높은 AlGaN 에피층을 성장시킬 경우 소스 영역 온도를 800
◦C 이상으로 증가시킴으로써 조성비를 조절할 수 있음을 확인하였다. 따라서 같은 양의 혼합 소스를 사용하여 소스 영역의 온도를 변화시키는 방법으로 AlGaN 에피층의 Al 조성 조절이 가능하며, 성장 시간과 성장률 등을 조절하여 최적화된 조건을 찾아 2차원 성장을 유도함으로써 AlGaN 에피층의 평탄면을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
IV. 결 론
본 연구에서는 혼합소스 HVPE 방법을 이용하여 높은 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층을 성장시켰다. Al 금속과 소량의 Ga 금속을 혼합하여 소스 영역 온도를 변화시켜 AlGaN 에피층의 조성비 변화를 조사하였다. XRD 결과를 이용한 Vegard의 법칙과 EDS 측정 결과로부터 일정한 비 율의 혼합소스를 사용했을 때, 소스 영역 온도에 따라 에피 층의 조성비가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 소스 영역 온도가 증가할수록 에피층 내의 Ga 조성이 증가하였고, 반면 상대적으로 낮은 온도에서는 Al 조성이 높아지거나 AlN 에피층이 성장 되는 결과를 얻었다. 이는 소스 영역 온 도에 따라 Ga과 Al 금속이 HCl과 반응하는 정도의 차이가 발생하여 GaCl과 AlCln 생성의 차이로 인해 성장된 에피 층의 조성비가 변하는 것으로 판단된다. 또한 여러 조건을 최적화 시켜서 평탄한 AlGaN 에피층을 얻을 수 있었고, 본 연구를 통해 혼합소스 HVPE 방법을 사용하여 소스영역 온도를 조절하면 원하는 Al 조성을 가진 AlGaN 에피층을 성장시킬 수 있으며, 전력 소자 또는 UV 소자 등에 응용될 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부 수송기기 특화조명 핵심기술 개발 전문인력양성사업 (과제번호 : N0001363, 조선· 해양 플랜트·해양환경 LED융합조명 핵심기술개발 전문인력양 성) 으로 지원된 연구입니다.
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