자립형 기판 위 Mg 이온주입 vs Mg 에피택셜 도핑 GaN 층의 결함 분석

초록

비효율적인 Mg 유도 p형 도핑은 GaN 기반 전자 소자의 고체 조명 및 전력 응용 개발의 주요 걸림돌로 남아 있습니다. 본 연구는 Mg 도입 방식을 이온 주입과 에피택셜 도핑 두 가지로 나눠 자립형 GaN 기판 위 GaN 층의 결함을 비교 구조 분석했습니다. 주사 투과 전자 현미경(STEM) 결과 Mg 이온주입 시료에서만 피라미드형 및 선형 결함이 존재했으며, Mg 에피택셜 도핑 시료에서는 이러한 결함이 관찰되지 않아 결함의 성질이 도입 방식에 의존함을 시사합니다. 이차 이온 질량 분석법(SIMS) 결과 Mg 농도와 이 결함의 위치 및 유형 간 직접적인 대응 관계가 관찰됐습니다. 조사 결과 이러한 피라미드형 및 선형 결함은 Mg 풍부 종으로, 그 형성이 자유 정공 밀도 감소로 이어질 수 있어 p-GaN 소재 및 소자에서 여전히 주요 우려 사항입니다. 자립형 GaN 기판은 p-n 접합 기반 수직 소자 구현 플랫폼을 제공하므로, 서로 다른 Mg 도입 공정에서 기인한 결함의 비교 구조 조사는 Mg 자기보상 메커니즘 이해와 Mg 도핑/주입 공정 최적화를 통한 GaN 기반 소자 기술 발전에 더 깊은 통찰을 줄 것입니다.

서론

지난 30년간 GaN은 고체 조명뿐만 아니라 고전력, 고주파, 고온 동작에서의 엄청난 잠재력으로 세계적으로 가장 많이 연구된 화합물 반도체 중 하나로 부상했습니다[1-8]. GaN 및 관련 헤테로구조 기반 소자를 이러한 응용에 성공적으로 적용하려면 제어 가능한 n형 및 p형 도핑이 핵심 요구사항입니다. 이 측면에서 GaN 에피층 또는 단결정의 n형 도핑은 p형 도핑에 비해 상당히 최적화되었습니다. 현재까지 Mg은 높은 활성화 에너지에도 불구하고 가장 효율적인 p형 도펀트로 입증됐으며, 10¹⁸ cm⁻³에 가까운 합리적인 자유 정공 농도를 얻으려면 약 10¹⁹ cm⁻³ 이상의 많은 Mg 농도를 도입해야 합니다. Mg 원자 농도가 10¹⁹ cm⁻³을 초과하면 자유 정공 농도가 오히려 감소합니다[9-11]. 이 현상은 주로 N 공공[12-14], Mg 관련 점결함[10,15], 또는 Mg 공공 관련 하전/중성 복합체로 페르미 준위가 낮아지고 자유 정공 농도가 포화되기 때문으로 여겨집니다[16,17]. 2.9 eV 광발광 피크를 근거로 Mg-V_N 깊은 공여자 결함 복합체가 자기보상 메커니즘의 주요 원인 중 하나로 지목되기도 했습니다[17-19]. Mg의 GaN 내 도입 이해를 위한 수많은 연구 시도에도 불구하고 이 문제는 여전히 불분명하며 추가 분석이 필요합니다.

기존 원자 규모 현미경 연구를 통한 결함 분석 보고는 대부분 MOCVD나 MBE로 사파이어 위에 성장한 Mg 도핑 GaN 층 기반입니다. 저희 지식으로는 Mg 도핑 자립형 GaN 기판 결함 분석 보고는 극소수이며, 이온 주입으로 Mg을 도입한 자립형 GaN 기판에서 투과전자현미경 기반 결함 분석 보고는 전무합니다. 자립형 GaN 기판은 이종 기판 위 MOCVD/MBE 성장 GaN 층에 비해 전위 밀도가 낮고 효율적인 수직 소자 응용에 유리하다는 점이 널리 인정받고 있습니다. 이온 주입으로 이러한 기판에서 충분한 p형 도펀트 활성을 달성하는 것은 GaN 기반 고체 조명 및 고전력 소자 상용화 및 개발을 위해 탐구돼야 합니다. 이러한 이슈를 주요 목표로 삼아 Mg 도핑과 이온 주입 두 방식으로 Mg을 도입한 자립형 GaN 층의 Mg 유도 결함에 대한 상세 구조 분석을 수행했습니다.

실험 방법

수증기 상 에피택시로 성장한 자립형 n-GaN 기판을 사용했습니다. 이후 이 기판 위에 MOCVD로 에피택셜 층을 성장시켰습니다. Mg 도입은 두 가지 방식으로 수행했습니다: 이온 주입과 에피택셜 도핑. 첫 번째 경우, 4-μm 두께 비도핑 GaN 에피택셜 층에 보호층 증착 없이 Mg을 주입했습니다. 두 번째 경우, 4-μm 두께 비도핑 GaN 층 위에 1-μm 두께 Mg 도핑 GaN을 연속적으로 에피택셜 성장시켰습니다. 신뢰할 수 있는 비교를 위해 두 경우 모두 Mg 도입 농도를 4 × 10¹⁹ cm⁻³로 동일하게 유지했습니다. Mg 주입은 500 °C에서 수행 후 1350 °C에서 어닐링해 도펀트를 활성화했습니다. 주입 에너지는 15, 30, 55, 95, 180 keV, 각각 도즈 3.0×10¹³, 5.5×10¹⁵, 1.1×10¹⁴, 1.9×10¹⁴, 8×10¹⁴ cm⁻²로 200-nm 깊이 박스 프로파일을 얻었습니다. 홀 측정으로 Mg 도핑 및 주입 GaN 시료 전기 특성을 평가했습니다. Mg 도핑 GaN 시료는 정공 농도 3.4×10¹⁷ cm⁻³, 이동도 9.5 cm²/V-s였습니다. 반면 Mg 주입 시료는 높은 저항성으로 전기 특성을 제대로 평가할 수 없었습니다. Mg 깊이 분포는 SIMS로 조사했으며, STEM 분석으로 Mg 유도 결함 구조를 조사했습니다. STEM과 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)은 JEOL JEM-ARM200F(200 및 80 kV)로 수행했습니다. TEM 시편은 Ga 빔 집속 이온빔 밀링 후 액체 질소 냉각 저에너지 Ar 이온 밀링으로 제조했습니다.

결과 및 토의

Mg 이온주입 GaN 층 결함 분석

그림 1(a)는 Mg 주입 GaN의 밝은 필드(BF)-STEM 이미지, (b)는 해당 SIMS 프로파일입니다. 그림 1(a) 화살표는 양의 [0001] 방향을 나타내며, 이미지는 [11\( \overline{2} \)0] 존 축을 따라 관찰됐습니다. 결함이 깊이에 따라 균일하게 분포하지 않으며, Mg 농도와 결함 간 직접적 상관관계가 보입니다. 대부분의 결함은 표면에서 약 150 nm 깊이에 집적돼 있으며, 이곳에서 SIMS 측정으로 Mg 농도가 10¹⁹ cm⁻³ 이상임이 확인됐습니다. 결함과 Mg 농도 간 관계를 더 잘 시각화하기 위해 [11\( \overline{2} \)0] 축에서 c축 기준 10° 기울인 오프-존 축 조건으로 이미징했습니다. 이 조건은 완전 결정 회절 대비를 약화시키고 결함 대비를 강화해 주변 환경 대비 결함 시각화를 용이하게 합니다. 오프-존 축 조건 BF-STEM 이미지(그림 1(c))에서 표면 약 200 nm 깊이에 선형 결함이 관찰됩니다. 해당 Mg SIMS 프로파일(선형 스케일, 그림 1(d))에서 이 선형 결함 존재와 Mg 농도 간 직접 대응 관계가 확인됩니다. 이 결함들은 Mg 농도 중반 10¹⁹ cm⁻³ 범위의 좁은 영역에 위치합니다.

오프-존 축 조건에서 고배율 BF-STEM 이미징을 추가 수행했습니다(그림 2(a)), (b)는 (a) 표시 영역 고배율 확대입니다. (b)에서 A, B, C, D 네 종류의 구조가 관찰됩니다. "A"로 표시된 결함은 피라미드 형태, "B"는 선형 결함으로 나타납니다.

이 결함들의 구조적 관찰은 Mg 보상 메커니즘 이해 관점에서 중요하며, 다음 섹션은 주로 "A"와 "B" 유형 결함 구조 분석에 할애됩니다. "A" 구조는 양의 [0001] 방향이 꼭대기 쪽을 향하는 피라미드 결함으로, 밑면은 [0001] 면에 있고 여섯 벽면은 [11\( \overline{2} \)3] 면에 경사져 있습니다(그림 2(c) 고분해능 TEM 이미지 참고). 그림 2(c) 오른쪽 아래에 이러한 피라미드 도메인 개략도도 표시했습니다. 그림 2(c)를 [0001] 방향에 수직으로 압착한 그림 2(d)에서 피라미드 도메인 내 격자가 주변 GaN 매트릭스에 비해 왜곡돼 보이며, 피라미드 도메인 내부와 외부 간 Ga와 N 서브격자 변위가 있음을 나타냅니다. 이는 Vennegues 등[20]의 유사 피라미드 도메인 관찰 결과와 일치합니다. 유사 피라미드 결함은 이전 Mg 도핑 GaN 박막에서도 관찰됐으며, Mg 도입에 의한 GaN 원자 구조 수정에 의해 설명돼 왔습니다[19-24]. Liliental-Weber 등[25,26]은 이러한 피라미드 결함이 피라미드 꼭대기 근처 Mg 풍부 클러스터에서 기인한다고 제안했습니다. 우르자이트 상 GaN 구조는 보통 N 평면의 육방 최밀 충진으로, N 서브격자 사면체 자리 절반을 Ga 원자가 채웁니다. Vennegues 등[27]은 높은 수준의 Mg 도입 시 Ga가 Mg으로 치환돼 Mg₃N₂를 형성한다고 제안했습니다. Mg₃N₂의 안티빅사이트 구조는 N 서브격자 사면체 자리 4개 중 3개를 Mg이 차지하는 것에 대응합니다. Vennegues 등[27] 모델에 따르면 피라미드 도메인은 Mg₃N₂ 단일층으로 분리된 반대 극성 두 GaN 결정으로 볼 수 있습니다. 이는 Hansen 등[28]에서 피라미드 도메인이 Mg₃N₂ 인클루전임을 제안한 연구로 추가 지지됩니다. Vennegues 등[27]과 Leroux 등[23]은 나노미터 크기 피라미드 도메인 형성에도 저~중 10¹⁹ cm⁻³ 범위 Mg 도입이 필요하다고 보고했습니다. 이는 본 연구에서 피라미드 결함이 저~중반 10¹⁹ cm⁻³ Mg 농도에서 관찰되며 STEM 이미지(그림 1(c))와 SIMS 프로파일(그림 1(d)) 간 상관관계와 일치합니다. 따라서 그림 2(b) 구조 "A"로 표시된 피라미드 결함은 Mg 풍부 피라미드 도메인으로 여겨지며, 그 형성은 p-GaN 층 Mg 보상 메커니즘과 직접 연결될 수 있습니다. 그림 2(b)에 표시된 다른 유형 결함 "C"와 "D"는 본질적으로 유사하나 크기 차이가 있습니다. [11\( \overline{2} \)0] 축에서 볼 때 [0001] 방향을 따라 신장된 대비로 나타나며, 이는 변형 기원일 가능성이 높습니다. 이를 더 명확히 하기 위해 유사 결함 고분해능 TEM 이미지를 그림 2(e)에, [0001] 방향 수직 압착 이미지를 (f)에 제시했습니다. [0001] 방향 격자 왜곡은 이 방향 다른 변형장 기인 다른 격자 상수를 시사합니다. Mg이 Ga보다 크기가 작아 Ga 자리에 도입되면 격자 변형을 유발해 이러한 결함 주위 대비를 생성할 수 있습니다.

"B"로 표시된 또 다른 결함 유형은 [11\( \overline{2} \)0] 축에서 볼 때 [0001] 방향에 수직인 선형 결함으로 나타납니다. 이러한 결함이 더 높은 Mg 농도 좁은 영역에 집적돼 있음(그림 1(c) BF-STEM 이미지와 그림 1(d) Mg SIMS 프로파일 대응 관찰)은 과도한 Mg 도입과 형성 연관성을 시사합니다. 또 다른 관찰은 이러한 선형 결함 가장자리에 피라미드 도메인이 존재한다는 점으로, 이 도메인 축적이 선형 결함 형성으로 이어질 수 있음을 암시합니다. 다만 피라미드와 선형 결함 무작위 중첩 가능성도 배제할 수 없으며 추가 조사가 필요합니다. 이러한 결함 유형 BF-STEM 이미지는 그림 3(a)에 있습니다. 이 결함 이해를 위해 [0001] 방향에 수직인 축 기준 약 10° 기울여 BF-STEM 이미지를 얻었습니다(그림 3(b)). 이 기울임은 1-100 방향 회절 점을 강하게 여기해 결함 주변 변형장 방향 대비가 강화됩니다. 이 변형장 대비에서 선형으로 보였던 결함(그림 2(a),(b))이 실제로는 [0001] 방향 깊숙이 몇 nm 간격으로 분리된 한 쌍의 선으로 구성됨을 알 수 있습니다.

이 결함들에 Mg 존재 가능성도 있습니다. 그림 1(c) STEM 이미지와 그림 1(d) Mg SIMS 프로파일 대응에서 보듯 Mg 농도 10¹⁹ cm⁻³ 이상 좁은 영역에 나타나기 때문입니다. 이를 검증하기 위해 EDS 프로브 직경 0.2 nm 미만으로 STEM-EDS 측정을 수행했습니다. "결함에서 먼 영역"과 "결함 위"를 포인트 1, 2로 지정했습니다(그림 4(a)). 포인트 1, 2 비교 EDS 스펙트럼을 Mg 피크 예상 에너지 범위 1.19-1.35 keV에서 플로팅했습니다(그림 4(b), 인셋은 전체 EDS 스펙트럼). 결함(포인트 2)에서 Mg 존재가 명확히 확인됩니다. 추가 검증을 위해 유사 Mg 주입 GaN 시료로 STEM-EDS 매핑을 수행했습니다. 그림 4(c)는 Mg 주입 GaN 시료 STEM 이미지로 아래쪽 화살표가 선형 결함을 가리키며, 그림 4(d) 해당 Mg 매핑에서 결함 내 Mg 존재가 명확히 확인됩니다. 따라서 이 결함들은 Mg을 포함하며, Mg 농도 10¹⁹ cm⁻³ 이상에서 형성되는 것이 또 다른 Mg 보상 원인일 가능성이 높습니다.

Mg 에피택셜 도핑 GaN 층 결함 분석

다음으로 4-μm 두께 비도핑 GaN 에피택셜 층 위에 1-μm 두께 Mg 도핑 GaN을 에피택셜 성장시킨 시료에 대해 구조 조사를 수행했습니다. 다시 강조하지만 의미 있는 비교를 위해 Mg 농도는 4×10¹⁹ cm⁻³로 동일하게 유지했습니다. 그림 5(a)는 자립형 GaN 기판 위 에피택셜 성장 Mg 도핑 GaN BF-STEM 이미지([11\( \overline{2} \)0] 축), (b)는 SIMS로 얻은 Mg 깊이 프로파일입니다. Mg 농도가 그림 5(a) 시야(최대 700 nm) 내에서 약 4×10¹⁹ cm⁻³로 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있습니다. 이는 Mg 주입 GaN에서 Mg 농도가 깊이에 따른 함수였던 이전 경우(그림 1(a)-(d))와 다릅니다.

Mg 도핑 GaN 시료 결함 분석을 위해 c축 기준 10° 기울인 오프-존 축 조건 STEM 이미징을 수행했습니다. 그림 6(a),(b)는 각각 BF-STEM, DF-STEM 이미지로 약 5 nm 크기 점상 결함이 시료 전체에 균일하게 분포함을 보여줍니다. 여기서 Mg 프로파일도 균일하게 나타납니다(그림 5(b) SIMS 프로파일 참고). Mg과 이 결함들이 GaN 시료 전체에 균일하게 분포함은 이 결함들과 Mg 도입 간 직접적 상관관계를 시사합니다. 약 5 nm 점상 결함은 Mg 침전물(및 이로 유도된 적층 결함)일 가능성이 높습니다. 크기가 작아 EDS 측정으로 Mg 침전 직접 확인은 어려웠습니다(Ga와 Mg 피크가 매우 가까워 미세 농도 차이 매핑이 극히 어렵습니다).

이 관찰은 Mg 주입 시료 경우와 완전히 다릅니다. Mg 주입 시료에서는 결함이 표면 200 nm 깊이에 집적돼 Mg 농도 최대였던 반면, Mg 도핑 시료에서는 피라미드 및 두 줄 결함(그림 2(b) A, B)이 관찰되지 않았습니다. 흥미롭게도 이온 주입 외 기술로 Mg 도입된 GaN 시료에서도 피라미드 및 선형 결함이 보고된 바 있습니다. 예: Khromov 등[29]은 MOCVD 성장 Mg 도핑 GaN 시료에서 피라미드 결함 존재 보고했으나 Mg 농도 ~5×10¹⁹ cm⁻³ 고도핑 시료에서만 관찰됐고 Mg ~2×10¹⁸ cm⁻³ 시료에서는 관찰되지 않았습니다. Vennegues 등[27]도 MOCVD 성장 Mg 도핑 GaN 시료에서 중반 10¹⁹ cm⁻³ 범위 Mg 농도에서 유사 피라미드 도메인 관찰, 10¹⁹ cm⁻³ 미만 시료에서는 관찰되지 않았습니다. 본 연구에서는 유사 수준 Mg ~4×10¹⁹ cm⁻³을 이온 주입과 에피택셜 도핑 두 방식으로 도입해 결함 존재 분석했습니다. 이 결함들은 Mg 주입 시료에서만 관찰되고 Mg 도핑 시료에서는 관찰되지 않아 Mg 분포도 결함 존재 설명에 고려돼야 함을 시사합니다. SIMS 측정에서 Mg 주입 시료는 비균일 분포(그림 1(b),(d)), Mg 도핑 시료는 균일 분포(그림 5(b)) 보였습니다. 또한 Mg 주입 시료에서 이 결함들은 주변 매트릭스 대비 높은 Mg 농도 좁은 윈도우에서만 존재했습니다. 따라서 결함 형성은 도입된 Mg 수준과 분포와 연관되며, Mg이 10¹⁹ cm⁻³ 범위에 있는 영역에서 형성될 가능성이 높습니다. Mg 주입 시료 비균일 Mg 프로파일이 결함 비균일 분포를 유도한 것으로 보이나, 비균일 분포 결함이 비균일 Mg 분포를 유도하거나 Mg 주입 프로파일이 이러한 결함 존재에 의존할 가능성도 배제할 수 없어 추가 조사가 필요합니다. 본 비교 분석은 결함의 성질과 유형이 도입 방법에 강하게 의존함을 시사합니다.

결론

요약하자면, 자립형 GaN 기판 위 Mg 주입 및 Mg 도핑 에피층 결함에 대한 STEM 기반 구조 조사 결과 결함의 성질이 Mg 도입 방식에 강하게 의존함을 밝혔습니다. Mg 주입 GaN은 [0001] 방향 피라미드 도메인과 [0001] 방향 깊숙이 몇 nm 간격으로 분리된 두 줄 결함 존재를 보였습니다. 피라미드 도메인은 Mg₃N₂ 기반 구조로 여겨지며, 선형 결함도 EDS에서 Mg 존재 확인됐습니다. 선형 결함은 표면 약 200 nm 깊이, 중반 10¹⁹ cm⁻³ Mg 농도 좁은 영역에 위치해 형성 과정이 주입 Mg 농도 수준과 연관됨을 시사합니다. GaN 내 Mg 주입 시 이러한 결함 형성은 Mg 자기보상 메커니즘에 크게 기여해 비효율적 p형 도핑을 초래할 것으로 예상됩니다. 반면 Mg 도핑 GaN 시료에서는 약 5 nm 점상 결함만 관찰되며 시료 전체에 균일하게 분포했습니다. 본 연구는 Mg 도입 방식과 농도가 결함 성질과 유형에 미치는 의존성을 강조하며, GaN 기반 소재 고 p형 전도도 달성을 위한 적정 Mg 도입량 선택에 유용한 지침을 제공할 것입니다.

약어

ADF

환형 암시야

BF

밝은 필드

EDS

에너지 분산형 분광법

MBE

분자선 에피택시

MOCVD

금속유기 화학 기상 증착

SIMS

이차 이온 질량 분석법

STEM

주사 투과 전자 현미경