수소화합물 기상 적층법 으로 성장된 GaN 후막의 표면개질 및 광학적 특성 = Surface modification and optical characteristics of GaN thick film with N2 plasma treatment grown by the hydride vapor phase epitaxy method

국문 초록 (Abstract)

수소화합물 기상 적층법 (hydride vapor phase epitaxy : HVPE)으로sapphire 기판 위에 두께 300 ㎛의 후막 GaN 단결정을 성장하였다. GaN 단결정 성장 시 sapphire 기판의 질화 처리를 하여 결정 성장의 초기 핵으로 작용하는 AlN dot을 형성시켜 GaN 결정을 2차원적으로 성장시킨 결과, 질화 처리된 GaN 단결정의 x-ray rocking curve의 반치폭(full width at half maximum : FWHM)이 404 arcsec로 그렇지 않은 박막 GaN 단결정의 1175 arcsec와 비교할 때 박막의 품질이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
한편, GaN/sapphire 사이의 계면에 걸리는 응력을 완화할 수 있는 두께 20∼50㎛의 완화층을 도입하여 균열이 없는 두께 300 ㎛의 후막 GaN 단결정을 성장시켰다. 또한, 균열이 없는 두께 300 ㎛의 GaN 단결정을 자외선 레이저를 사용하여 sapphire 기판을 제거함으로서 freestanding GaN 기판을 제조할 수가 있었다. 이들의 x-ray 회절 분석 결과는 freestanding GaN 기판의 반치폭이 GaN/sapphire 것보다 작았는데, 이는 sapphire 기판의 제거로 인해 GaN 결정의 휨 특성이 향상되어 결정축들의 틀어짐이 감소했기 때문으로 평가되었다. freestanding 기판의 표면 개질을 위하여 RF 방식의 PE-CVD chamber에서 시간에 따라(10-60분) N2 분위기에서 plasma 처리를 한 결과 40분동안 처리를 한 sample에서 x-ray rocking curve의 반치폭이 103 arcsec , PL intensity 가 가장 높은 수치로 나왔으며, AFM (atomic force microscopy)의 결과에서 가장 평탄한 표면을 가진 것으로 나타났다(RMS: 0.7nm) 이상의 결과로부터 HVPE법으로 성장시킨 후막 GaN 단결정에 plasma 처리를 함으로서 표면 개질 향상과 함께 광학적 특성이 향상되어 청색 LED, LD등의 소자 제조에 응용하기 위한 기판으로 사용될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this work, free-standing GaN single crystalline crack-free substrates were grown by hydridevapor phase epitaxy(HVPE). The GaN substrate, having a current maximum size of 300㎛thickness and 10 mm x 10 mm area, were obtained by the HVPE growth of a thick GaN film on a sapphire substrate. Subsequently, the sapphire substrate was removed by using laser lift off (LLO) and both sides of the free-standing GaN were mechanically polished using diamond slurry.
Typical mechanical polishing induced the damage layer on the surface of GaN crystals, resulting in deteriorating in their optical properties. However, exposure of damaged GaN layer to a N2 plasma at elevated times (10-60 min) at the N2 flow rate of 40 sccm with an RF table power of 500 W at a temperature of 200 °C. Up to 40 minute found to produce partial recovery of the optical and morphological properties. Various characterization methods were utilized to assess the morphological and optical quality of the free-standing GaN

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 2. 문헌조사 = 6
• 2.1. GaN 특성 및 단결정 성장 = 6
• 2.1.1. 구조적 특성 = 8
• 2.1.2. 열역학적 특성 = 11
• 2.1.3. HVPE 에 의한 GaN 단결정 성장 = 12
• 2.2. 플라즈마에 의한 표면 처리 효과 = 21
• 2.2.1. 플라즈마의 특성과 응용 = 21
• 2.2.1.1. 플라즈마란? = 21
• 2.2.1.2. 플라즈마의 특성 = 24
• 2.2.1.3. 플라즈마의 응용 = 25
• 제 3장 실험 = 26
• 3.1. 단결정 성장 = 26
• 3.1.1. HVPE 성장장치 = 26
• 3.1.2. sapphire 기판의 질화 처리 및 응력 완화층 = 31
• 3.2. 자외선 레이저에 의한 sapphire 로부터 GaN의 분리 = 32
• 3.3. Freestanding GaN 기판의 플라즈마 처리 = 36
• 3.4. GaN 결정의 특성 분석 = 38
• 제 4 장 결과 및 고찰 = 39
• 4.1. GaN 단결정 성장 = 39
• 4.1.1 sapphire 기판의 질화 처리 = 39
• 4.1.2. 후막 GaN 단결정 성장용 응력 완화층 = 42
• 4.1.3. 결론 = 46
• 4.2. 자외선 레이저에 의한 sapphire 로부터 GaN의 분리 = 47
• 4.2.1. 기판 분리 전후의 X ray rocking curve = 47
• 4.2.2. 기판 분리 전후의 PL spectra = 49
• 4.2.3. 결론 = 49
• 4.3. Mechanical polishing 특성 = 53
• 4.4. N2 플라즈마 처리 후의 광학적 특성 평가 = 55
• 4.5. X ray rocking curve = 57
• 4.6. N₂ 플라즈마 처리 후의 표면 개질 효과 = 59
• 5. 종합결론 = 62
• References = 64
• 그림 목차 = 70
• 표 목차 = 71
• Abstract = 72
• 감사의 글 = 74