KR100525723B1 - ＨＶＰＥ법에 의한 ＧａＮ 나노막대 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 GaN 나노막대 형성방법은, GaClx 기체와 NH3 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 기판 상에 GaN 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 반응은 30분 내지 10 시간 동안 이루어진다. 상기 GaClx 기체는 Ga 금속과 HCl 기체를 600 내지 900℃에서 서로 반응시켜 형성시킬 수 있다. 본 발명은 기판의 종류나 촉매(catalyst)나 템플릿(templet) 층의 존재여부에 상관없다. 본 발명에 의하면, GaN을 400 내지 600℃의 저온에서 형성함으로써 GaN을 나노막대 형태로 성장시킬 수 있게 된다.

Description

ＨＶＰＥ법에 의한 ＧａＮ 나노막대 형성방법{Method for forming GaN nanorods by hydride vapor phase epitaxial growth method}

본 발명은 GaN 나노막대(nanorods) 형성방법에 관한 것으로서, 특히 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial growth)법으로 GaN을 나노막대 형태로 성장시키는 방법에 관한 것이다.

오늘날, 눈부신 정보 통신 문명의 발전은 실리콘 반도체를 그 저변으로 하고 있다. 그만큼 반도체는 과학 기술적 측면에서 뿐만 아니라, 전세계적으로 커다란 시장이 형성되어있어 산업 경제적으로도 매우 중요한 분야이다. 그러나, 실리콘 반도체의 개발에 있어 원리적 한계에 다다름에 따라 세계는 실리콘 반도체로부터의 종속성에서 벗어나 기술의 다각화를 꾀하면서 차세대 반도체에 관심을 돌리고 있으며, 이러한 상황에서 파생된 주 관심 대상이 바로 빛과 전자를 동시에 제어할 수 있는 화합물 반도체이다.

이러한 화합물 반도체의 예로서 대표적으로 들 수 있는 것이 GaN이다. GaN은 부르자이트(Wurzite) 구조를 가지는 질화물 반도체로서 상온에서 가시광선의 청색 파장대에 해당하는 3.4 eV의 직접천이형 밴드갭을 가질 뿐만 아니라 InN 및 AlN와 전율고용체를 이루어 금지대폭의 조정이 가능하며 전율고용체의 전 조성 범위 내에서 직접천이형 반도체의 특성을 나타내기 때문에 청색표시 및 발광소자재료로서 가장 각광 받고 있다.

GaN을 박막(thin film)으로 성장시키는 방법에 대해서는 연구가 어느 정도 진행되고 있으나, 나노막대(nanorod) 형태로 성장시키는 방법에 대해서는 연구가 초기 단계이다. GaN 나노막대는 잠재적인 유용성 때문에 그 형성을 위해서 많은 노력이 이루어지고 있다.

Ni, Co, Fe 같은 전이금속 나노입자(transition metal nanoparticles)를 촉매로 사용하거나 카본 나노튜브를 탬플릿(templet)으로 사용한 불규칙형 GaN 나노막대(irregular type GaN nanorod)의 형성은 보고된 바 있으나, 고밀도로 규칙적으로 배열되는 GaN 나노막대의 형성방법은 아직까지 보고된 바 없다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, HVPE법을 이용하여 GaN 나노막대들이 고밀도로 규칙적으로 배열되도록 할 수 있는 GaN 나노막대 형성방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 GaN 나노막대 형성방법은, GaClx 기체와 NH3 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 30분 내지 10 시간 동안 반응시켜 기판 상에 GaN 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 GaClx 기체는 Ga 금속과 HCl 기체를 600 내지 900℃에서 서로 반응시켜 형성시킬 수 있다.

본 발명은 기판의 종류나 촉매(catalyst)나 템플릿(templet) 층의 존재여부에 상관없다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

에피층(epilayer)을 성장시키는 방법으로는 크게 VPE(Vapor Phase Epitaxial growth), LPE(Liquid Phase Epitaxial growth), 및 SPE(Solid Phase Epitaxial growth)를 들 수 있다.

여기서, VPE는 반응가스를 기판위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반응을 통해 기판위에 결정을 성장시키는 것으로서 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE, HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE, MOVPE) 등으로 분류할 수 있다.

본 발명은 이 중에서 HVPE(hydride VPE)방법을 사용한다. 이를 구체적으로 설명하면, Ga 금속과 HCl 기체를 600 내지 900℃의 온도범위, 예컨대 750℃에서 서로 반응시켜서 이 때 형성된 기체를 기판이 장입되어 있는 HVPE 반응기 안에 흘려보냄과 동시에 NH3 기체도 상기 HVPE 반응기 안으로 흘려보낸다.

상기 기판의 온도를 400 내지 600℃ 로 하면 Ga 금속과 HCl 기체의 반응에 의해 생기는 GaClx 기체와 NH3 기체가 서로 반응하여 GaN 나노막대가 상기 기판 상에 저절로 형성된다.

만약, 기판의 온도를 약 1050℃ 까지 올리면 도 1에 도시된 바와 같이 GaN 씨앗층(20a)이 형성된 다음에 이들이 참조번호 20b와 20c로 표시한 바와 같이 곧바로 위와 옆방향으로 성장하여 기판(10) 상에 GaN박막(20)이 형성되어 버린다.

그러나, 본 발명과 같이 400 내지 600℃ 정도로 기판온도를 낮추면, 도 2에 도시된 바와 같이 GaN 씨앗층(120a)이 형성된 다음에 참조번호 120b와 120c로 표시한 바와 같이 이들이 위로 성장하는 것에 비해 옆으로는 많이 성장하지 못하여 GaN 나노막대(120)가 형성된다.

성장시간은 400 내지 600℃에서는 30분 내지 10 시간 정도가 좋다. 같은 시간 성장시킬지라도 성장온도에 따라서 나노막대의 직경이 다를 것이다.

도 1과 같이 고온에서 GaN을 증착하면 GaN 막대(20b, 20c)가 어느 정도 위로 자라기 전에 순식간에 옆으로도 성장하여 GaN 박막(20)이 형성되어 버린다. 이러한 과정은 매우 순식간에 이루어지기 때문에 GaN이 나노막대 형태가 되도록 시간으로 제어하는 것은 사실상 불가능하다. 그러나, 본 발명과 같이 저온에서 GaN을 증착하면 GaN의 성장을 시간으로 제어할 수 있게 된다.

본 발명은 기판이 사파이어(sapphire)이거나 실리콘이거나 기판의 종류에 상관없으며, 촉매(catalyst)나 템플릿(templet) 층의 존재여부에도 상관없다.

도 3은 도 2의 성장메카니즘을 실제로 보여주는 SEM 사진으로서, GaN 나노막대가 촉매나 템플릿 층의 도움없이 480℃에서 시간의 경과에 따라 사파이어 기판 상에 형성되는 과정을 보여준다. 도면에 있어서, 10분인 경우의 스케일 바(scale bar) 크기는 100nm이고, 20분의 경우는 200nm이며, 1시간의 경우는 500nm이다.

도 3을 참조하면, 1시간 성장 시켰을 때, 나노막대는 직경이 80~120 nm 정도되며 매우 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 나노막대의 직경은 성장온도에 따라 변할 것이다.

도 4는 도 3의 XRD 그래프이다. 도 4를 참조하면, (0002) 및 (0004) 피크는 부르자이트(Wurzite) 구조의 GaN 피크이며, 이 피크로 인해 GaN 나노막대가 c-축방향으로 제대로 우선배향(preferentially oriented) 되었음을 알 수 있다.

도 5는 약 30㎛ 두께의 GaN 후막(실선)과 GaN 나노막대(점선)에 대한 상온에서의 PL(photoluminescence) 스펙트럼이다. 도 5를 참조하면, GaN 나노막대가 사실상 벌크 GaN과 비슷한 PL 강도와 발광 파장을 가짐을 알 수 있다. GaN 나노막대의 경우 상온에서 약 358nm 파장의 광을 강하게 방출함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, HVPE법을 이용하여 GaN을 400 내지 600℃의 저온에서 형성함으로써 성장시간의 제어를 통하여 GaN을 고밀도로 규칙적으로 배열된 나노막대 형태로 성장시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 종래의 GaN 박막 성장 메카니즘을 설명하기 위한 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 GaN 나노막대 성장 메카니즘을 설명하기 위한 개략도;

도 3은 도 2의 성장 메카니즘을 실제로 보여주는 SEM 사진;

도 4는 도 3의 XRD 그래프;

도 5는 GaN 후막(실선)과 GaN 나노막대(점선)에 대한 상온에서의 PL 스펙트럼이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10: 기판 20: GaN 박막

120: GaN 나노막대 20a, 120: GaN 씨앗

Claims (3)

1. GaClx 기체와 NH3 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 30분 내지 10 시간 동안 반응시켜 기판 상에 GaN 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 나노막대 형성방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 GaClx 기체는 Ga 금속과 HCl 기체가 600 내지 900℃에서 서로 반응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 GaN 나노막대 형성방법.