Vol. 66, No. 11, November 2016, pp. 1385∼1390 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.66.1385
Origin of the Leakage Current in GaN Films with Different Ga Fluxes
Byung-Guon Park · Jeong-Eun Oh · Sang-Tae Lee · Ji-Won Hwang · Moon-Deock Kim
∗Department of Physics, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
Song-Gang Kim
Department of Information and Communications, Joongbu University, Goyang 10279, Korea (Received 2 August 2016 : revised 25 August 2016 : accepted 30 August 2016)
We have investigated the origin of the leakage current in GaN films grown on AlN/Si(111) sub- strates by using plasma-assisted molecular beam epitaxy with various gallium fluxes. Scanning electron microscopy images revealed that the GaN film grown under a N-rich condition showed large hexagonal defects and a roughened surface. On the contrary, a flat surface with pinholes was obtained for the GaN film grown under a Ga-rich condition. Rocking-curve measurement of X-ray diffraction revealed that line-defect density decreased with increasing Ga flux. Electrical defect lev- els related with line (0.46 eV) and point (0.77 eV) defects were found by using deep-level transient spectroscopy. Moreover, line-defect density in the GaN film grown under a Ga-rich condition is almost constant compared to GaN films grown under N-rich or N/Ga∼1 conditions. The experi- mental results indicated that lateral growth can be induced during the initial stage grown under a Ga-rich condition, it might be suppressed the threading dislocation. We believed that out exper- imental results provide the helpful information to understand and suppressing the defects during the initial growth state.
PACS numbers: 81.05.Ea, 81.15.Hi, 61.72.Dd, 71.55.Eq, 73.61.Ey
Keywords: GaN film, V/III ratio, Leakage current, Line defect, Deep level defect
Ga 증기압 변화에 따른 GaN 박막의 누선전류 원인에 관한 연구
박병권 · 오정은 · 이상태 · 황지원 · 김문덕
∗충남대학교 물리학과, 대전 34134, 대한민국
김송강
중부대학교 정보통신학과, 고양 10279, 대한민국
(2016년 8월 20일 받음, 2016년 8월 25일 수정본 받음, 2016년 8월 30일 게재 확정)
본 연구에 사용된 GaN 박막은 Ga 증기압을 달리하여 AlN/Si(111) 기판 위에 플라즈마-도움 분자선 켜쌓기 (plasma-assisted molecular beam epitaxy) 법으로 성장되었다. N 과잉 영역에서 성장된 GaN 박막은 거친 표면과 큰 육각형의 결함을 Ga 과잉 영역에서 성장된 시료는 평탄한 표면과 핀홀들이 있는 표면이 관측되었다. 고분해능 X-선 회절기의 흔듦 곡선 측정을 통하여 전파 전위 종류에 따른 선결함 밀도를 측정하였으며, 그 결과 Ga 증기압이 증가할수록 선결함 밀도는 감소하였다. Ga 증기압이 다른
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세 시료에 대하여 깊은 결함 과도 분광 (deep level transient spectroscopy) 을 측정하였을 때 선결함 (0.46 eV) 과 점결함 (0.77 eV) 에 관련된 결함 준위들을 관측하였다. 결함 농도를 비교하였을 때 Ga-과잉 영역에서 성장된 GaN 박막의 선결함 밀도는 N 과잉과 N/Ga∼1 영역에서 성장된 시료에 비해 증가율이 매우 적음을 확인하였다. 이는 Ga 과잉 영역에서 초기 성장 시 수평 방향 성장을 빠르게 유도함으로써 기판으로부터 전이되는 결함을 억제할 수 있음을 보여 준다. 이러한 현상의 이해를 통하여 GaN박막 성장 시 결함을 억제하기 위한 초기 성장에 대하여 유용한 정보를 제공할 것으로 보인다.
PACS numbers: 81.05.Ea, 81.15.Hi, 61.72.Dd, 71.55.Eq, 73.61.Ey Keywords: GaN 박막, V/III 비율, 누설전류, 선결함, 깊은 준위 결함
I. 서 론
GaN 기반 물질계는 고온, 고전력에서의 우수한 전기적 특 성과 청색에서 자외선 영역까지 발광이 가능하다는 장점을 이용하여 고속 전자소자(high electron mobility transistor, HEMT) 와 발광 및 레이저 다이오드 (light emitting diode, laser diode), 적외선 감시 센서 (infrared sensor) 등 다양한 분야 응용에 대하여 활발히 연구되고 있다 [1,2]. 이러한 다양한 응용소자에서 기판으로부터 전이되는 결함들은 InGaN/GaN 양자우물 (quantum well) 구조의 발광 효율 및 AlGaN/GaN 이차원 전자 구름 (2-dimensional electron gas, 2DEG) 구조의 전자 이동도 등 각 소자 성능에 나쁜 영향을 준다 [3–6]. GaN기반 소자를 성장하기 위한 기판들 중 Si 기판은 사파이어 (Al2O3) 또는 SiC와 같은 기판들에 비해 가격이 저렴, 열 및 전기 전도도가 좋고 대 면적이 가 능하다는 장점이 있지만 격자부정합에 따른 결함 발생률이 다른 기판에 비해 높아 양질의 완충층 성장 기술이 필요하 다. Si 기판과 GaN 사이의 높은 격자 부정합과 큰 열팽창 계수 차이로 인하여 발생하는 관통 어긋나기 (threading dislocation) 들을 줄이기 위한 완충층 성장 기술들 중 대표 적으로 저온 GaN 완충층 성장이 있다 [7]. 이외에도 초격자 구조를 사용하여 결함을 억제 하거나 양자점을 이용하여 전파 전위를 막는 성장 법 그리고 패턴 기판을 활용하는 방법 등 다양한 방법으로 전파 전위를 줄이고 고품질의 박 막을 얻기 위한 연구가 진행 중 이다 [8–10]. 하지만 성장에 있어서 기본이 되는 질소원자/갈륨원자 (N/Ga) 비율 변화 에 따른 박막 내 구조적 결함의 거동 및 이러한 결함들이 누설 전류의 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해는 부족한 상태이다.
본 연구에서는 플라즈마-도움 분자선 켜쌓기 (plasma- assited molecular beam epitaxy, PA-MBE) 법을 이용하 여 AlN/Si(111) 기판 위에 GaN 박막을 5족인 질소원자 (nitrogen atom, N) 량을 고정하고 갈륨 (Ga, gallium) 증 기압을 달리하여 N-과잉 영역, Ga-과잉 영역 및 N/Ga∼1인
∗E-mail: [email protected]
영역의 세 종류의 GaN박막을 성장하였다. 각 시료의 표면 및 내부 결함밀도 변화에 대하여 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 과 고분해능 X-선 회절기 (high resolution X-ray diffraction, HR-XRD) 를 사용하여 구조 적 분석을 하였으며, 전류-전압 (current-voltage, I-V), 전 기용량-전압 (capacitance-voltage, C-V) 과 깊은 준위 과도 분광법 (deep level transient spectroscopy, DLTS) 을 이용 하여 누설전류의 변화 및 깊은 결함 준위에 대하여 조사하고 N/Ga 비율에 따른 결함의 거동에 대하여 분석하였다.
II. 실험 방법
본 실험에서는 Ga 증기압 변화에 따른 GaN 박막을 Si(111) 위에 PA-MBE법으로 성장하였다. Si(111) 기판 은 유기 세척 후 HF 용액에 1 분간 담가 자연 산화막을 제거 하였다. 산화막이 제거된 기판을 준비실 (treatment chamber) 로 이동 200 ◦C에서 약 1시간동안 가열하여 기 판에 남아있는 물을 제거한 후 성장실 (growth chamber) 로 옮겨 830 ◦C에서 1시간 동안 기판에 남아있는 산화막 을 제거 하였다. 산화막 제거 확인은 800◦C에서 (7× 7) 표면 구조를 reflection high energy electron diffraction 관 측으로부터 확인 하였으며 이는 Si 표면에 남아 있는 자연 산화막이 모두 제거되었음을 의미 한다 [11]. 성장에 필요한 Ga 및 알루미늄 (Al, aluminium) 은 순도 7 N의 고체원료 를 사용 하였으며 증발원은 열에너지를 이용한 확산용기 (effusion cell) 를 사용하였다. N은 13.56 MHz의 고주파 (radio frequency, rf) 를 이용하여 질소분자 (N2) 를 원자 형태로 만드는 rf-plasma cell(SVT 제조) 을 사용하였다.
모든 시료는 초기 AlN 완충층 성장 시 Si 기판 위 비정질 Si3N4막 형성을 막기 위하여 Al을 먼저 증착한 후 질화과정 (nitridation) 을 진행한 후, 880◦C에서 20 nm 두께의 AlN 완충층을 성장하였다. 760◦C에서 rf-plasma의 세기와 흐 름을 각각 400 W, 3.0 sccm으로 고정하고 Ga 증기압을 0.8
× 10−6, 0.9× 10−6, 1.2 × 10−6 Torr로 각각 달리하여 1 µm 두께의 세 종류의 GaN 박막을 성장하였다.
Table 1. The FWMH (deg.) both symmetric and asymmetric HRXRD rocking curve, and calculation of screw and edge defect density on GaN films with different Ga flux.
Index (hkml) 0.8× 10−6 Torr 0.9× 10−6 Torr 1.2× 10−6Torr
(0002) 0.382 0.326 0.314
(0004) 0.384 0.321 0.315
(0006) 0.385 0.332 0.317
(10¯11) 0.801 0.483 0.634
(10¯12) 0.571 0.510 0.541
(10¯13) 0.569 0.617 0.483
(30¯32) 0.980 0.767 0.707
Defect Screw 3.89×109 2.93×109 2.66×109
density(cm−2) Edge 6.24×1010 4.09×1010 3.26×1010
Fig. 1. SEM images of GaN films with different Ga flux (a) 0.8 × 10−6 Torr (b) 0.9× 10−6 Torr (c) 1.2× 10−6 Torr and after KOH etching ((d)-(f)).
Ga 증기압을 달리하여 성장된 GaN 박막은 SEM와 HR- XRD를 이용하여 표면 및 내부 결함 밀도를 분석 하였다.
전기적 측정을 위하여 전자선 증착기 (e-beam evaporator) 를 이용하여 Schottky 접촉에 Ni (20 nm)/Au (100 nm) 를 하였고, Ohmic 접촉에 Ti (20 nm)/Au (100 nm) 를 각각 증착하였다. 제작된 Schottky 다이오드를 이용하여 I-V와 C-V 및 100 K에서부터 350 K 까지 DLTS를 측정하였다.
III. 결과 및 논의
Fig. 1은 Ga 증기압을 0.8 × 10−6, 0.9 × 10−6, 1.2 × 10−6 Torr에서 성장한 GaN 박막의 표면 (Figs. 1(a), (b), (c)) 과 극성을 확인하기 위해 KOH 용액에 습식 식각 후 관측한 표면 (Figs. 1(d), (e), (f)) 사진을 각각 나타내었다.
성장 속도에 따른 N/Ga 비율을 확인 하였을 때, 0.8× 10−6 Torr의 Ga 증기압은 N-과잉 영역에 속하고, 0.9 × 10−6 Torr에서는 N/Ga 비율이 거의 1에 가까운 영역이며, 1.2
× 10−6 Torr는 Ga-과잉 영역에서 성장이 이루어졌다. N- 과잉 영역에서 성장된 GaN 박막의 경우 (Fig. 1(a)), 전 영역에서 큰 육각형의 결함이 명확하게 관찰 되었는데 이
는 Ga 부가원자 (adatom) 의 표면 확산이 N-과잉역역에서 낮은 이동도로 인하여 감소하기 때문이다 [12]. 이와 함께 큰 육각형의 결함은 격자 부정합으로부터 발생되는 관통 어긋나기 (threading dislocation) 및 성장 중 적층 어긋나기 (stacking fault dislocation) 에 의해 생성되는 결함과 격자 부정합이 완화 되면서 나타나는 현상이다 [13]. N/Ga 비율 이 거의 1에 가까운 영역에서 성장된 GaN 박막 (Fig. 1(b)) 의 표면 거칠기는 N-과잉 영역에서보다 개선되었고, 상대적 으로 작은 육각형의 결함 과 핀홀 (pin-hole) 들이 혼재되어 있는 형태로 관측되었다. Ga-과잉 영역에서 성장된 GaN 박막의 경우 (Fig. 1(c)), 여전히 핀홀 들은 관측 되었지만 큰 육각형의 결함은 관측되지 않았다. 표면 거칠기는 성장에 기여하지 못하는 Ga의 응축 (accumulation) 으로 인하여 N/Ga∼1 인 영역 (Fig. 1 (b))에 비해 상대적으로 증가하는 것을 확인하였다 [14]. 수산화칼륨 (KOH) 용액에 습식 식각 후 (Figs. 1(d), (e), (f)), 일반적으로 N-극성에서 나타나는 피라미드 형태의 표면이 관측되지 않는 것으로 보았을 때, 세 시료 모두 Ga-극성임을 확인 할 수 있었다 [15]. Fig. 1(d) 와 (e) 에서 큰 육각형태의 결함이 습식 식각 후 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, Fig. 1(f) 의 경우, 핀홀들은 습식 식각 후 증가 하였지만 여전히 큰 육각형의 결함은 관측되지 않았다. 이러한 결과를 통하여 기판으로부터 전이 결함이 Ga 증기압이 증가할수록 감소하였다고 유추 할 수 있다.
Ga 증기압에 따른 GaN 박막 내 전이 선결함 밀도 를 확인하기 위하여 c-평면으로 성장된 GaN 박막의 대 칭 면 ((000n), n = 2, 4, 6) 과 비대칭 면 ((10¯1n), n = 1, 2, 3, (30¯32))에 대하여 각각 HR-XRD의 흔듦 (rocking) 곡선을 측정하였다. Table 1은 Ga 증기압에 따른 대칭 면과 비대칭 면에서 각각 측정된 흔듦 곡선의 반치폭을 나타내 었으며, 선결함 밀도는 아래 수식 (1) 을 통하여 구하였다 [16].
Dscrew= βscrew2
4.35b2screw , Dedge= βedge2
4.35b2edge (1)
Fig. 2. (Color online) (a) Current-voltage and (b) 1/C2 versus V characteristics plot of GaN films with different Ga flux.
여기에서 ‘Dscrew’ 는 나선형 어긋남 결함 밀도 (screw dislocation density), ‘Dedge’ 는 끝머리 어긋남 결함 밀도 (edge dislocation density) 이다. ‘βscrew’ 는 대칭 면의 반 치폭을 이용한 Williamson-Hall 도표에서 기울기를 나타 내며 ‘βedge’ 는 비대칭 면의 반치폭을 비스듬 훑기 (skew scan) 를 하였을 때 90◦에서 얻는 반치폭값을 나타내고,
‘bscrew’ 와 ‘bedge’ 는 c-평면에 수직과 수평한 방향에서의 버거의 벡터 (burger’s vector) 길이를 각각 나타낸다. 수식 (1) 을 이용 계산한 결과, Ga 증기압이 0.8 × 10−6, 0.9 × 10−6, 1.2× 10−6 Torr에 대하여 나선형 어긋남 결함 밀도 는 각각 3.89 × 109, 2.93 × 109, 2.66 × 109 cm−3이며, 끝머리 어긋남 밀도는 각각 6.24× 1010, 4.09× 1010, 3.26
× 1010cm−3로 Ga 증기압이 낮을수록 나선형 어긋난 결함 밀도와 끝머리 어긋남 결함 밀도가 증가하는 것을 확인 하 였다. Ga 증기압이 낮을수록 나선형 및 끝머리 어긋남 결함 밀도가 증가하는 이유는 초기에 N-과잉 영역에서 낮은 Ga 표면 이동도로 인하여 형성된 작은 핵층 (nucleation layer) 들이 수평 성장이 이루어짐에 따라 핵층들 사이가 합쳐지는 (merge) 과정에서 다수의 어긋남 결함이 생성되는 것으로 판단된다. 이러한 현상은 앞서 SEM 측정을 통한 표면분석 과 비교하였을 때 Ga 증기압이 증가할수록 기판으로부터 전이되는 큰 육각 형태 결함의 감소와 HR-XRD의 rocking 곡선의 반치폭을 통한 구조분석에서 전이 결함 밀도의 감 소가 관련되어 있음을 알 수 있다.
구조적 결함이 전기적 특성에 미치는 영향과 결함의 전 기적 특성을 알아보기 위하여, Schottky 장벽 다이오드 (Schottky barrier diode, SBD) 를 제작하였으며 상온에 서 가웃로그 (semi-log) 형태의 I-V 특성과 C−2-V 특성을 Fig. 2(a) 와 (b) 에 나타내었다. 가웃로그 (semi-log) 형태의 I-V 특성으로부터 (Fig. 2(a)), Ga 증기압이 증가 할수록 – 2 V에서 누설전류가 1.99× 10−4A에서 2.04× 10−5A로 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 열이온 방출 (thermionic emission) 모델을 통하여 Schottky 장벽 높이 (Schottky barrier height, SBH) 를 수식 (2) 를 이용하여 계산하였으
Fig. 3. (Color online) DLTS spectra of GaN films mea- sures at different reverse bias (a) 0.5 V, (b) 1.0 V, (c) 2.0 V and (d) trap density versus reverse bias on ET ,1trap.
며 [17],
ϕB= kT q ln
(A∗T2 Js
)
(2)
이때 ‘k’ , ‘q’ , ‘T ’ 는 각각 Boltzman 상수, 전하량, 온도 이고, ‘A∗’ 는 유효 Richardson’ s 상수로 26.5 Acm−2K−2 이다. 포화전류밀도 (Js)는 J/[1− exp(−qV /kT )]의 로그 plot과 전압 (V) 의 선형 식에서 y-축 절편 값으로부터 정의 하였다. 계산된 SBH값은 Ga 증기압이 0.8× 10−6, 0.9× 10−6, 1.2 × 10−6 Torr임에 따라 각각 0.52 eV, 0.57 eV, 0.60 eV임을 확인 하였다. Fig. 2(b) 는 C−2-V 특성으로부 터 구한 내부 전위 장벽을 보여준다. Ga 증기압이 증가함에 따라 내부 전위 장벽은 1.04, 1.37, 1.47 eV로 증가하였다.
Schottky 장벽과 내부 전위 장벽의 증가는 Fig. 1과 Table 1의 결과로부터 알 수 있듯이 표면 및 내부 결함밀도 감소에 따라 누설전류 통로가 줄어들어 나타나는 현상으로 설명할 수 있다.
이들 시료에 대한 깊은 결함 준위를 확인하기 위해 DLTS 를 측정하였다. Fig. 3은 Ga 증기압에 따라 제작된 SBD에 대하여 채움 (filling) 전압을 0 V로 고정하고 역 (reverse) 전압을 (a) 0.5 V, (b) 1.0 V, (c) 2.0 V까지 변화시키며 DLTS법으로부터 얻은 신호이다. Ga 증기압 변화와 역 전압 조건에 관계없이 200 ∼ 250 K 구간과 300 ∼ 350 K 구간에서 전자 덫 (electron trap) ET ,1과 ET ,2 신호가 관측 되었다. 결함과 전자 방출 시간의 관계 수식 (3) 과 Arrhenius plot 을 이용하여 ET ,1과 ET ,2의 결함 에너지를 계산하였으며 결함농도 (NT = ND(∆C/C0))를 Table 2 에 함께 나타내었다 [18].
τn−1= σnγnT2exp (ET ,n
kT )
(3)
Table 2. Summary of trap energy (ET ,1, ET ,2) and trap concentration measures at different reverse bias on GaN films with different Ga flux.
Trap Ga flux -0.5 V -1 V -2 V
(Torr) Ea NT Ea NT Ea NT
(eV) (×1014cm−3) (eV) (×1014cm−3) (eV) (×1014cm−3)
ET ,1 0.8× 10−6 0.46 0.96 0.47 2.70 0.42 8.63
0.9× 10−6 0.46 2.16 0.46 6.41 0.47 9.35
1.2× 10−6 0.46 2.35 0.45 2.77 0.47 3.31
ET ,2 0.8× 10−6 0.70 1.92 0.72 4.45 0.72 9.98
0.9× 10−6 0.68 3.50 0.70 8.16 0.72 11.50
1.2× 10−6 0.72 7.23 0.72 8.86 0.73 17.20
여기에서 ‘σn’ 은 포획 단면적 (capture cross section) 이 고, ‘γn’ 은 상수, ‘k’ 는 Boltzman 상수, 그리고 ET ,n은 결 함의 활성화 에너지이다. Arrhenius plot로 부터 계산된 ET ,1, ET ,2의 값은 전도띠 (conduction band, Ec) 로부터 각각 Ec-0.46 eV와 Ec-0.72 eV이다. Ga 증기압이 1.2 × 10−6 Torr에서 성장된 시료의 경우, Fig. 3(d) 과 같이, 역 전압 변화에 따라 ET ,1의 결함 농도는 거의 일정한 값을 보였지만 0.8× 10−6Torr와 0.9× 10−6Torr에서 성장된 시료의 경우 역 전압이 증가함에 따라 결함 농도가 증가하는 현상을 보였다. 1.2 × 10−6 Torr Ga 증기압 에서 성장된 시료의 ET ,2결함 농도는 0.8 × 10−6 Torr와 0.9 × 10−6 Torr에서 성장된 시료와 비교해 보았을 때 가장 큰 값을 보였으며, 역 전압이 증가할수록 세 시료 모두 ET ,2결함 농도가 증가하는 현상을 보였다. 기존에 보고된 결함의 원인을 참고하였을 때, Ec-0.46 eV에 해당하는 결함에너 지는 기판으로부터 전이되는 선결함과 관련 되어 있으며 [19,20], Ec-0.72 eV ∼ Ec-0.78 eV에 해당하는 결함은 질 소 살창사이원자 (nitrogen interstitial) 와 자체 상호작용 (native interaction) 결함 등 주로 점결함과 관련된 것으로 보고되었다 [21]. 선결함 농도의 경우, 앞서 SEM과 HR- XRD 측정을 통하여 Ga 증기압이 증가할수록 감소하는 것을 확인하였다. Ga-과잉영역에서 성장된 시료의 경우 역 전압을 증가하였을 때 선결함 과 관련된 ET ,1(Ec-0.46 eV) 의 결함 농도의 변화가 작은 이유는 AlN 완충층 이후 GaN 박막 성장 시 기판으로부터 전이되거나 성장 중 발생하는 선결함이 억제되면서 나타나는 현상 때문으로 판단된다.
점결함과 관련된 ET ,2(Ec-0.72 eV) 의 경우 Ga-과잉영역에 서 성장된 GaN 박막에서 높은 결함 농도를 보였는데, 이는 Ga-과잉영역에서 성장되었을 때 성장에 기여하지 못하는 Ga에 의해 자체 상호작용 (native interaction) 점 결함 발 생이 증가하는 것으로 보여 진다 [22].
Fig. 4(a) 와 (b) 는 낮은 Ga 증기압과 높은 Ga 증기압에 서 박막 성장 시 내부 결함 형성에 대한 모식도를 나타낸
Fig. 4. (Color online) Schematic illustrating the defect generation procedure at low and high Ga flux.
것이다. 낮은 Ga 증기압에서 성장된 GaN 박막의 경우 (Fig. 4(a)) N 과잉 영역으로, 짧아진 Ga 확산거리 [12, 23,24] 때문에 Ga adatom이 AlN 완충층을 충분히 덮지 못한 상태에서 GaN 핵층이 형성된다. 이후 GaN 핵을 중 심으로 수평방향 성장이 이루어질 때 기판으로부터 성장 방향으로 전파되는 다수의 선결함을 억제하지 못하게 된 다. 반대로 높은 Ga 증기압에서 성장된 GaN 박막의 경우 (Fig. 4(b)) Ga 과잉 영역으로, 길어진 Ga 확산거리로 인 하여 Ga adatom이 AlN 완충층을 충분히 덮은 상태에서 GaN 핵 층이 형성되고, 이로 인하여 기판으로부터 전이되 는 선결함을 억제할 수 있게 된다. 하지만 앞서 논의한 바와 같이 Ga-과잉영역에서 성장에 기여하지 못한 Ga에 의해 추가적인 점 결함이 증가할 수 있다. 이러한 성장과정의 이해를 통하여, I-V 특성에서 Ga 증기압이 증가함에 따라 누설전류가 감소하는 주된 원인은 HR-XRD의 전파 전위 밀도 변화와 DLTS측정에서의 전기적 선결함 농도 변화를 종합하여 볼 때 기판으로부터 전이되는 선결함의 감소에 의한 것으로 판단된다.
IV. 결 론
본 연구는 Si 기판 위에 AlN 완충층을 성장 후 Ga 증기 압을 0.8 × 10−6, 0.9× 10−6, 1.2× 10−6 Torr로 달리하
여 PA-MBE법으로 GaN 박막을 성장하였으며 세 시료의 구조적특성을 SEM과 HR-XRD로 분석하였고, Schottky 다이오드를 제작 후 전기적 특성을 I-V, C-V 특성 그리고 DLTS법을 통하여 분석하였다. 세 시료 모두 KOH 습식 식각을 통하여 Ga-극성의 GaN 박막임을 확인 하였고, Ga 증기압이 증가할수록 큰 육각형의 결함이 감소하는 것을 확인하였다. HR-XRD의 대칭면과 비대칭면의 흔듦 곡선 의 반치폭 측정 후 Williamson-Hall 도표와 비스듬 훑기를 통하여 나선형 어긋남 결함밀도와 끝머리 어긋남 밀도가 Ga 증기압이 증가할수록 감소하는 것을 확인하였다. DLTS 법을 통하여 전기적으로 선결함과 점결함에 관련된 두 가지 결함에너지를 관측하였으며, 높은 Ga 증기압에서 성장된 GaN 박막의 경우 선결함 농도가 역 전압을 변화함에 따라 값이 거의 변하지 않는 것을 확인 하였고, 점결함은 상대적 으로 낮은 Ga 증기압에서 성장된 GaN 박막에 비해 높게 측정되었다. 선결함이 Ga 증기압이 증가할수록 감소하는 이유는 초기 핵층 형성과정에서 기판으로부터 전이되는 선결함이 억제되었기 때문으로 판단되며, 점결함의 경우 Ga-과잉영역에서 성장되었을 때 성장에 기여하지 못한 Ga 이 원인이 되어 native interaction 점결함 농도를 증가하 는 것으로 여겨진다. Ga 증기압이 증가함으로써 억제된 선결함에 의하여 누설전류의 감소를 확인하였으며, 이러한 결과들의 이해를 통하여 PA-MBE법으로 GaN 박막 성장 시 기판으로부터 전이되는 선결함을 억제하는 초기 성장 조건 변화를 확보한다면 낮은 누설전류를 갖는 양질의 GaN 완충층을 얻을 수 있을 것으로 보인다.
감사의 글
본 연구는 2015년도 충남대학교 학술연구비에 의해 수행 되었습니다.
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