GaN와 ZnO의 전기적 특성 및 결함 준위 연구

Abstract

본 연구에서는 capacitance-voltage(C-V) 측정법과 deep level transient spectroscopy (DLTS) 방법을 통해 GaN와 ZnO 박막의 전기적 특성과 결함 에너지 준위(defect states)를 조사하였다. GaN 박막은 hydride vapor phase epitaxy(HVPE) 방법으로 사파이어 기판위에 약 200 nm 두께로 성장하였으며, 각각 다른 threading dislocation density(TDD)를 가지는 시료를 통해 dislocation의 연관성을 조사하고자 하였다. ZnO 박막은 p-type Si 기판 위에 RF magnetron sputtering 방법을 통해 150 nm 두께로 400 ℃에서 성장하였다. DLTS는 20 K~ 350 K 온도 범위에서 측정되었다. GaN 박막의 DLTS 측정 결과 공통적으로 A, B, C 세 개의 결함 준위를 확인할 수 있었으며 Arrhenius plot 을 통해 계산된 각 결함 준위의 활성화 에너지(activation energy)와 전자 열 방출 단면적(emission cross section)은 각각, A(0.34 eV, 2.14x10^(-14) cm²), B(0.89 eV, 2.27x10^(-6) cm²), C(1.06 eV, 5.99x10^(-3) cm²)와 같이 구해졌다. TDD에 따른 각각의 결함 농도의 관계를 알아본 결과 A와 C 결함은 TDD와의 관련성이 없어보였으나, B 결함의 경우에는 TDD가 증가함에 따라 결함의 농도도 함께 증가함을 보였다. 이를 통해 B 결함이 dislocation에 의한 결함이라고 예상할 수 있었고 이를 확인하기 위해 A와 B 트랩에 대하여 채움 펄스폭(t_(p))이 증가함에 따라 결함 농도가 어떻게 변하는지 실험해 보았다. 예측대로 A 결함은 펄스폭이 증가함에 따라 결함 농도가 exponential하게 증가하는 반면, B 트랩은 결함 농도가 ln(t_(p))에 비례함을 확인하였다. 따라서 예측했던 대로 B 결함이 dislocation에 의한 결함이라는 결론을 내릴 수 있었다. ZnO 박막의 DLTS 측정 결과로는 E3와 E4 두 개의 결함 준위를 확인할 수 있었으며, Arrhenius plot을 통해 각 결함 준위의 활성화 에너지와 전자 포획단면적을 구할 수 있었다. E3의 경우 활성화 에너지는 0.30 eV, 전자 포획단면적은 2.95x10^(-14) cm²로 구해졌으며 이는 ZnO 박막 내의 oxygen vacancy에 의한 결함으로 보인다. E4의 경우에는 활성화 에너지가 0.57 eV, 전자 포획단면적은 9.67x10^(-16) cm² 으로 나타났다.; In this study, electronics properties and deep levels of GaN and ZnO were characterized by capacitance-voltage(C-V) measurement and deep level transient spectroscopy (DLTS). Undoped GaN samples with different threading dislocation densities (TDDs) were grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. And 150 nm thick ZnO thin film was grown on p-type Si substrate by RF magnetron sputtering method. For the C-V measurement and DLTS, Schottky diodes were produced by evaporating Au and Pt for GaN and ZnO respectively. and then Al was deposited over the large area of the sample to form Ohmic contacts for both sample. The DLTS were performed at a range of 20 ~ 350 K controlling temperature by a liquid helium cryostat. In a result of DLTS of GaN, we observed clearly three defect levels (A, B, C) and their activation energies and capture cross sections were estimated as A(0.34 eV, 2.14x10^(-14) cm²), B(0.89 eV, 2.27x10^(-6) cm²), C(1.06 eV, 5.99x10^(-3) cm²). We also could find same defects as previous sample in DLTS of other samples with different TDD. But each sample has different peak height, which means that each sample has different defect density. we plotted defect density versus TDDs and it shows that while defect densities of A and C don't seem to have any dependence on TDDs, the defect density of B tends to increase as increasing TDD. This indicates that defect B is a defect associated with dislocations. It is confirmed by a results of filling pulse width (t_(p)) dependent DLTS. As expected we could found linear relationship between N_(T) and ln(t_(p)). So we can conclude that defect B is a dislocation associated defect. In DLTS of ZnO, We have found defects E3, E4 from the DLTS measurements and through the Arrhenius plots of each defect, activation energies and capture cross sections were calculated as 0.30 eV, 2.95x10^(-14) cm² for the E3 and 0.57 eV, 9.67x10^(-16) cm² for the E4, respectively. E3 is considered to be originated from the oxygen vacancy in ZnO.