실리콘 기판 위 bottom-up 방법으로 성장된 GaN 나노선 반도체의 구조적 특성 평가 연구

국문 초록 (Abstract)

GaN 나노선은 뛰어난 결정성과 광학적 특성을 지니고 있으며, 특히 Si (100) 기판 위 PA-MBE(플라즈마 지원 분자선 에피택시)를 이용한 자가 조립 성장 (self-assembled growth) 방식은 비용 효율성과 COMS 공정 호환성 측면에서 큰 잠재력을 가진다. 그러나 기존 성장 방식은 Si 기판 계면에서 전기적으로 절연체인 SixNy 비정질 중간층을 형성하여 소자 성능을 저하시키고, 나노선의 수직 정렬도(기울기) 및 밀도(합착도) 제어를 어렵게 하는 한계를 노출하였다. 이러한 문제점들은 나노선의 합착을 유발하여 적층 결함(stacking faults)을 도입하고 궁극적으로 광학적 품질을 저하시키는 주요 원인이었다. 본 연구는 이러한 구조적 한계를 극복하고 나노선의 형태 및 결정성을 정밀하게 제어하기 위해 Al-Si 공융 (eutectic) 공정을 활용한 2단계 PA-MBE 성장 전략을 도입하고 Al 증착 시간을 체계적으로 최적화하였다. SEM 이미지 기울기 각도 분포 분석 결과, 최적화된 샘플 Aseed_Al_20s_2step는 FWHM/2 값이 0.91°에 불과하여 Si 기판의 c-평면에 대한 탁월한 수직 정렬도를 달성했음을 입증하였다. 또한, 원형도 분석을 통해 나노선 합착도가 56.813%로 모든 샘플 중 가장 낮게 측정되어 밀도 제어에도 성공하였다. 구조 분석에서는 HR-TEM과 원소 매핑을 통해 Al 증착이 비정질 SixNy 층 대신 결정질 AlN 완충층을 계면에 효과적으로 형성했음을 확인하였다. 특히 샘플 Aseed_Al_20s_2step의 2단계 성장은 GaN 초기층의 결정상 변이(GaNzb → GaNwz)을 유도하여 나노선의 육방정계 구조 순도를 높이는데 결정적으로 기여하였다. 이러한 구조적 완벽성은 10K 저온 PL 측정에서 샘플 Aseed_Al_20s_2step의 3.5 eV 자유 엑시톤 발광 피크(𝑋𝐴)강도를 극대화하여 최상의 광학적 품질을 뒷받침하였다. 결론적으로, 본 연구는 Al-Si 공융 기반 2단계 성장 전략이 Si 기판 위 GaN 나노선의 각도, 밀도, 결정상을 동시에 제어하는 혁신적인 방법론임을 제시하며, GaN 나노선 기반 고성능 광전자 및 광전기화학 소자 개발을 위한 핵심 기술을 제공한다.