Growth and Separation of III-Nitride Membranes from Graphene/SiC Substrates using Remote Epitaxy Technique = 원격 에피택시 기술을 이용한 그래핀/탄화규소 기판상의 질화물계 멤브레인 성장 및 분리

국문 초록 (Abstract)

질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN)과 같은 III-족 질화물 반도체는 차세대 고전력 및 고주파 소자의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 상용화된 이종 에피택시(Heteroepitaxy) 기술은 기판과 박막 간의 격자 불일치 및 열팽창 계수 차이로 인해 높은 Threading Dislocation 밀도를 유발하며, 고가의 SiC 기판을 재사용할 수 없어 경제적인 한계를 갖는다. 이를 극복하기 위해 기판의 전위장을 2차원 물질(그래핀)을 투과시켜 박막을 성장시키는 '원격 에피택시(Remote Epitaxy)' 기술이 제안되었다.

본 연구에서는 유기금속화학기상증착(MOCVD)을 이용하여 SiC 기판 위 고온 열분해로 형성된 Graphene Buffer Layer (GBL)와 저온 금속 촉매 공정으로 형성된 Metal-Assisted Graphitization (MAG) 그래핀 템플릿 상에서 AlN 및 GaN의 원격 에피택시와 분리 메커니즘을 체계적으로 규명하였다.
먼저 GBL/SiC 상에서 AlN 성장 온도를 1000℃에서 1250℃까지 변화시키며 실험한 결과, 결정성과 박리 특성 간의 상충 관계(Trade-off)가 확인되었다. 1150℃에서 성장한 AlN은 117.6 arcsec의 우수한 X-선 회절(XRD) 반치폭을 보였으나, 분리에 실패하였다. 이는 고온의 환경에서 그래핀이 손상되어 AlN이 기판과 직접 공유 결합을 형성했기 때문으로 확인되었다. 반면, 저온(1000℃)에서는 분리는 가능하였으나 결정성이 현저히 저하되어 소자 응용에 한계가 있었다.

이러한 GBL의 한계를 극복하기 위해 도입된 MAG 템플릿에서는 그래핀 층수에 따른 전계 투과 효과를 검증하였다. 얇은 Few-Layer Graphene (FLG) 상에 성장된 AlN은 기판의 전위 장 투과로 인해 759 arcsec의 결정성을 보인 반면, 두꺼운 Multi-Layer Graphene (MLG) 상에서는 전계 차폐(Screening) 효과로 인해 1744 arcsec로 결정성이 저하되어 원격 에피택시 이론을 실험적으로 입증하였다. 이어 수행된 FLG 상에서의 GaN 후속 성장은 결정성을 획기적으로 개선(270 arcsec)시켰으며, Ti/Ni 응력층을 이용한 2D 층 전사(2DLT) 공정을 통해 GaN/AlN 이종 구조를 기판 손상 없이 완벽하게 분리하는 데 성공하였다.

결론적으로, 본 연구는 MAG 기반의 FLG 템플릿이 III-족 질화물의 원격 에피택시를 위한 최적의 플랫폼임을 제시하였으며, 이를 통해 고품질의 박막 성장과 기판 재사용이 가능한 전사 가능한 반도체 제조 공정의 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION １
• 1.1 CONVENTIONAL EPITAXY １
• 1.2 2D-MATERIAL BASED EPITAXY ２
• 1.3 REMOTE EPITAXY ３
• 2. EXPERIMENTAL METHOD ８
• 2.1 METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION ８
• 2.2 HIGH-TEMPERATURE GRAPHITIZATION １１
• 2.3 LOW-TEMPERATURE GRAPHITIZATION １５
• 3. RESULT AND DISCUSSION １７
• 3.1 REMOTE EPITAXY OF III-N ON GBL/SIC １７
• 3.1.1 Remote Epitaxy of AlN on GBL/SiC １７
• 3.1.2 Remote Epitaxy of GaN on GBL/SiC ２１
• 3.2 REMOTE EPITAXY OF III-N ON MAG/SIC ２６
• 3.2.1 Remote Epitaxy of AlN on MAG/SiC ２６
• 3.2.2 Remote Epitaxy of GaN on MAG/SiC ３１
• 4. CONCLUSION ３７
• 5. REFERENCES ３９
• 원격 에피택시 기술을 이용한 그래핀/탄화규소 기판 상의 질화물계 멤브레인 성장 및 분리 ４２