Study on growth of gallium nitride nanorod using metal-organic chemical vapor deposition and its application for optoelectronic device

Abstract

질화물 반도체는 다른 반도체 물질에 비해 환경의 열적 o 화학적 o 물리적 변화에 영향을 덜 받으며 시간의 흐름에 따라 발광 세기의 변화가 적고, 합금 (alloy)의 함량을 조절하므로서 발광 파장을 적외선부터 자외선에 이르기까지 다양하게 조절할 수 있기 때문에, 광전소자로 이용하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근 질화물 반도체와 그 헤테로 (heterostructure) 구조의 성장 및 공정 기술의 발전은 발광 다이오드, 레이저, 트랜지스터, 센서, 태양전지 등의 고성능 광전소자의 상용화를 가능하게 만들었다. 그럼에도, 고효율과 저손실을 요구하는 미래기술로 사용되기에는 해결해야 하는 문제점이 여러 가지 남아 있다. 예를 들면, 평면 형태로 성장된 질화갈륨층은 이종기판과의 격자상수와 열팽창계수 차이로 인해 108 cm-2 이상의 전위 (dislocation) 밀도를 지닌다. 또한 질화갈륨층과 공기 사이의 경계면에서 전반사가 일어나 발광하는 빛이 효율적으로 빠져나가지 못하고 흡수되거나 소멸한다. 또한 종래의 c축에 성장된 InGaN/GaN 헤테로 구조는 압전 분극 (piezoelectric polarization)에 의해서 수 MV/cm에 이르는 큰 내부 전기장을 포함하게 되어 전자와 정공 (hole)의 재결합이 잘 이루어 지지 않아 소자의 효율을 낮춘다. 우리가 질화갈륨을 평면 형태가 아닌 막대 형태로 성장해서 이용한다면, 위에서 언급된 문제들을 상당 부분 해소할 수 있다. 질화갈륨 나노막대는 표면적이 넓어 격자상수 차이로 인한 응력 (strain)을 효과적으로 완화 시켜줄 수 있기 때문에, 이종기판 위의 넓은 면적에 전위없이 성장될 수 있다. 또한 나노막대가 지닌 일 차원의 기하학적 구조로 인해 막대의 양쪽 끝으로 빛이 가이드되어 평면 형태보다 훨씬 효율적으로 빛이 밖으로 빠져나간다. 게다가, 질화갈륨 나노막대 위에 증착된 코어-쉘 형태의 헤테로 구조는 분극이 없는 m면에 성장되므로 내부 전기장 효과를 무시할 수 있으며, 코어-쉘 구조는 나노막대가 가진 높은 표면적 대 체적비로 인해 c평면에 성장된 헤테로 구조보다 더 넓은 발광 면적을 가진다. 따라서, 단위면적당 전류밀도를 낮출 수 있어서 발광 다이오드에서 고전류 구동시 효율 감소하는 현상을 줄일 수 있고, 빛의 흡수면적이 넓기 때문에 태양전지 분야에서도 사용될 수 있다. 하지만, 유기금속 기상증착법을 이용하여 질화갈륨 나노막대를 성장하기 위한 조건은 매우 까다로운데 그 이유는 증착법이 kinetics 보다는 mass transport에 의한 영향을 더 받기 때문이다. 따라서, 대부분의 연구 그룹들은 불순물에 의한 오염이나 복잡한 패터닝 공정을 감수하고 금속촉매나 나노패턴을 형판 (template)으로 이용하여 나노막대를 성장하였다. 이러한 방법을 이용하지 않고 성장 조건의 최적화만을 통해 자가형성된 (self-organized) 나노막대를 성장한 연구는 많지 않으며, 그 성장 메커니즘 또한 명확히 밝혀진 것이 없었다. 본 연구에서 우리는 위의 금속촉매나 나노패턴의 도움 없이 (111)면의 실리콘 위에 유기금속 기상증착법을 이용하여 성공적으로 자가형성 나노막대를 성장하였고, 실리콘 기판과 질화갈륨의 격차상수 차이에 의한 인장 (tensile) 응력이 질화갈륨 나노막대의 수직 성장의 원동력이라는 것을 확인하였다...