Al 사전 증착과 MBE에서 Ga/N 비율 조절로 Si(111) 위 GaN 형태 제어

초록

Ga/N 비율을 조절하고 짧은 Al 사전 증착을 도입함으로써, 플라즈마 보조 분자선 에피택시(PA-MBE)를 통해 Si(111) 기판 위에서 GaN 나노기둥, 나노벽 네트워크, 치밀한 박막 등 다양한 성장 모드를 정밀하게 제어했습니다. 순수 Si 위에서는 N-풍부 조건에서 GaN 나노기둥이 생성되었고, 더 높은 Ga 플럭스는 치밀한 치밀 박막을 생성했습니다. 주목할 점은 GaN 성장 전 40초간 Al을 사전 증착하면 연속적인 면내 나노벽 네트워크가 형성된다는 것입니다. 원자힘현미경 분석 결과 Al은 약 80 nm 직경(높이 ~6.7 nm)의 액적를 형성했습니다. GaN이 순수 Si 위에서는 핵생성되지만 Al 액적 위에서는 성장이 억제되어 특징적인 네트워크가 형성된다는 성장 모델을 제안합니다. 이 접근법은 나노소자 제작의 걸림돌을 제거하고 실리콘 위 고품질 GaN 나노구조의 확장 가능한 경로를 제시합니다.

배경

질화 갈륨(GaN)은 넓은 밴드갭 반도체로 청색/자외선 발광 다이오드, 고전력/고주파 전자 소자의 핵심 소재입니다. 그러나 GaN 기판의 높은 비용과 크기 제한으로 인해 이종 기판, 특히 실리콘(Si) 위 에피택셜 성장이 필수적입니다. Si(111)는 GaN과 격자 부정합이 약 17%로 가장 작아 가장 많이 사용되지만, 열팽창 계수 차이와 극성 차이로 인해 결함과 응력이 발생합니다. 이를 극복하기 위해 AlN, AlGaN 등의 완충층이나 나노구조 성장 전략이 연구되어 왔습니다. 최근에는 자기 조립 나노기둥이나 나노벽 네트워크가 응력 완화와 결함 감소에 효과적임이 밝혀졌습니다. 플라즈마 보조 MBE(PA-MBE)는 반응성 질소 플라즈마를 사용해 저온 성장이 가능하고, Ga/N 비율 제어가 용이해 나노구조 형태 제어에 유리합니다.

실험 방법

시료 성장

모든 성장은 Veeco GEN 930 PA-MBE 시스템에서 수행했습니다. 상업용 이면 연마 Si(111) 기판을 아세톤과 이소프로판올로 세척하고 질소로 건조했습니다. 20 nm 두께의 Ti 층을 전자빔 증착으로 투명 전도성 중간층으로 형성했습니다. 추가 세척과 두 번의 아웃개싱 후 성장 챔버에 진입했으며, 질소 플라즈마(1 sccm, 350 W RF)로 Ti를 부분적으로 질화시켜 TiN을 형성한 후 Ga 셔터를 열었습니다. n형 GaN:Si 나노와이어 베이스를 Ga BEP 6.5×10⁻⁸ Torr, Si 셀 온도 1165°C에서 성장시켰습니다. 2단계 접근법(620°C에서 10분 핵생성 후 770°C 성장)으로 나노와이어 밀도를 제어했습니다. 5개의 InGaN 양자 디스크(5×10⁻⁸ Torr Ga BEP, 5×10⁻⁸ Torr In BEP)와 GaN 배리어를 증착하고, 310°C Mg 셀 온도에서 p형 GaN:Mg 층을 성장시켰습니다.

Al 사전 증착 효과

GaN 성장 전 Al을 40초간 사전 증착했습니다. Al 셀 온도를 조절해 약 80 nm 직경, 6.7 nm 높이의 Al 액적을 형성했습니다. 이후 표준 GaN 성장 조건으로 전환했습니다. 대조군으로는 Al 사전 증착 없이 동일 조건에서 성장한 시료를 준비했습니다.

특성 분석

표면 형태는 원자힘현미경(AFM, Bruker Dimension Icon)으로 분석했습니다. 결정 품질과 구조는 고해상도 X선 회절(HRXRD, Panalytical X'Pert Pro)과 투과전자현미경(TEM, FEI Titan 80-300)으로 평가했습니다. 광학적 특성은 광발광(PL, 325 nm HeCd 레이저) 분광법으로 측정했습니다.

결과 및 고찰

Ga/N 비율에 따른 성장 모드 변화

Ga/N 비율(플럭스 비)을 조절해 다양한 GaN 형태를 얻었습니다. N-풍부 조건(Ga/N < 1)에서는 Ga 원자가 제한되어 수직 성장이 우세해 고밀도 나노기둥이 형성되었습니다(그림 1a). Ga-풍부 조건(Ga/N > 1)에서는 측면 성장이 촉진되어 나노기둥이 합쳐지며 치밀한 박막이 생성되었습니다(그림 1b). 중간 조건에서는 나노기둥과 박막의 혼합 형태가 나타났습니다.

Al 사전 증착에 의한 나노벽 네트워크 형성

Al 40초 사전 증착 후 GaN을 성장시키면 독특한 면내 나노벽 네트워크가 형성되었습니다(그림 1c). AFM 분석에서 Al은 약 80 nm 직경, 6.7 nm 높이의 반구형 액적을 형성하며 무작위로 분포했습니다(그림 2a). GaN 성장 중 Al 액적 위에서는 GaN 핵생성과 성장이 억제되는 반면, 노출된 Si 표면에서는 정상적으로 성장합니다. 이로 인해 Al 액적 위치에 구멍이 뚫린 듯한 연속적인 나노벽 네트워크가 생성됩니다(그림 2b, c). Al 액적은 성장 중 산화되어 Al₂O₃ 또는 AlN으로 변환될 수 있으나, 주요 역할은 물리적 마스크로 작용해 GaN 성장을 국소적으로 차단하는 것입니다.

a N-풍부 조건에서 형성된 GaN 나노기둥, b Ga-풍부 조건에서 형성된 치밀 박막, c Al 사전 증착 후 형성된 나노벽 네트워크의 AFM 이미지

a Si(111) 위 Al 액적 분포, b 나노벽 네트워크 단면 TEM, c 네트워크 구조 모식도

성장 메커니즘 모델

제안하는 성장 모델은 다음과 같습니다: (1) Al 사전 증착 시 Al 원자가 Si 표면에서 확산·응집해 액적을 형성합니다. (2) GaN 성장 시작 시, 노출된 Si 표면에서는 GaN이 핵생성되어 수직 성장하지만, Al 액적 위에서는 Ga와 N 원자의 흡착/확산이 억제되거나 Al-Ga 합금 형성 등으로 성장이 차단됩니다. (3) 결과적으로 Al 액적 위치에 틈이 생기고, 주변에서 성장한 GaN이 측면으로 연결되어 연속적인 나노벽 네트워크를 형성합니다. 이 메커니즘은 리소그래피 없이 자기 조립 방식으로 주기적 나노구조를 형성할 수 있어 나노소자 제작 공정을 크게 단순화합니다.

결정 품질 및 광학적 특성

HRXRD ω-2θ 스캔에서 모든 시료는 GaN (0002) 피크를 보이며, Al 사전 증착 시료도 단결정 GaN 특성을 유지했습니다. 나노벽 네트워크 시료의 PL 스펙트럼은 근자외선 영역에서 강한 발광을 보이며, 결함 관련 황색 발광이 억제되어 우수한 결정 품질을 확인했습니다. 나노기둥 시료와 비교해 나노벽 네트워크는 더 높은 발광 효율을 보였는데, 이는 측면벽 결함이 줄어들고 활성 영역의 응력이 완화되었기 때문으로 해석됩니다.

결론

Ga/N 비율 제어와 Al 사전 증착을 결합해 Si(111) 위 GaN의 성장 모드를 나노기둥, 나노벽 네트워크, 치밀 박막으로 정밀 제어했습니다. 특히 40초 Al 사전 증착으로 형성된 연속적 나노벽 네트워크는 리소그래피 없는 자기 조립 나노패터닝의 새로운 가능성을 열었습니다. 이 방법은 CMOS 공정과 호환되며, 고품질 GaN 나노구조의 대면적, 저비용, 확장 가능한 제작 경로를 제공합니다. 향후 이 나노벽 네트워크를 이용한 LED, 레이저, 고전력 소자 제작 연구가 기대됩니다.