3차원 구조의 GaN/InGaN 나노 결정 형성 및 광학적 특성 분석 연구

Title
3차원 구조의 GaN/InGaN 나노 결정 형성 및 광학적 특성 분석 연구
Other Titles
Epitaxial growth of 3D GaN/InGaN crystals and optical characterization
Author
강신재
Alternative Author(s)
Kang, Shin Jae
Advisor(s)
박원일
Issue Date
2018-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
GaN 나노 막대 구조는 최근 LED, 전력반도체, 자외선 센서 등의 다양한 분야에서 크게 관심을 받고 있으며, 특히 LED분야에서는 GaN/InGaN core shell 구조 형성을 통하여 발광효율을 크게 증가시킬 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 수열합성법으로 ZnO 나노 막대 template를 형성시킨 후 유기 기상 화학 증착법 방식으로 GaN/InGaN을 성장시켜 GaN/InGaN 나노 막대 구조를 만들었다. ZnO는 GaN와 동일하게 wurtzite 격자 구조를 가지며, GaN와의 lattice mismatch가 1.9% 이하로 매우 작고, 밴드갭 에너지 차이도 0.1eV이하로 유사한 특성을 가지기 때문에, GaN을 성장시키기 위한 template로써 매우 적합한 물질이다. 또한 수열 합성법을 통하여 매우 낮은 온도에서도 복잡한 나노 구조체를 형성 시킬 수 있기 때문에 간단한 폴리머 패터닝 과정을 통하여 ZnO 나노 막대를 성장시켰고, 이렇게 성장된 ZnO 나노 막대를 template으로 이용하여 유기 기상 화학 증착법으로 Hetero-epitaxial하게 GaN/InGaN core shell 구조를 형성시킬 수 있었다. 특히, GaN/InGaN core shell 구조를 MOVPE법으로 성장시킬 때, 그래핀을 ZnO Seed layer위에 전사시킴으로 써, GaN 성장 도중 수소 분위기에 의한 ZnO Seed layer의 에칭을 방지하여 구조체의 손상 및 쓰러짐 없이 GaN 결정을 성장 시킬 수 있었다. 이러한 hetero-epitaxial growth방식으로 GaN/InGaN core shell 구조를 형성한 후 SEM(Scanning Electron Microscope) 분석을 통하여 ZnO 및 GaN/InGaN 나노 막대 array가 쓰러짐 없이 육각형의 각 Facet면을 일정하게 유지 한 채 균일하게 잘 형성되었음을 확인하였으며, HRTEM (High Resolution Tunneling Electron Microscope) 및 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 분석으로 d-spacing이 0.52nm인 GaN 단결정이 나노 막대의 모든 영역에서 (0001)방향으로 잘 형성되었음을 알 수 있었다. 또한 나노 막대의 면(facet) 방향에 따라 InGaN의 두께가 약 4 nm까지 차이가 나고, EDS(Energy Dispersive Spectrometry)로 확인 시 In의 조성도 영역에 따라 약 3 At% 차이가 있음을 알 수 있었다. 이러한 InGaN 양자우물층에 의해 발생되는 GaN/InGaN core shell구조의 Photoluminescence 또한 기존 GaN영역인 365nm UV영역에서 400nm의 가시광선 영역으로 이동 된 것을 PL 분석을 통하여 확인하였다. InGaN 내의 In 조성에 따라 밴드갭 에너지가 다르므로 GaN/InGaN 나노 막대의 면(facet) 방향에 따라 방출되는 빛의 파장이 달라지게 된다. 이와 같은 GaN/InGaN core shell 구조의 특성을 활용하여 다양한 파장의 색 구현 또는 특별한 파장의 빛 구현 등 새로운 기능의 LED 제품 개발에 본 연구가 도움이 될 것으로 생각된다.
GaN nano rod structures have gained attention for applications in various fields such as LEDs, power semiconductor, and ultraviolet light sensors. Especially in the field of LED industry, GaN/InGaN core shell structures have been extensively studied due to the advantages of enhance the efficiency. In this study, we fabricated the GaN/InGaN core shell structure through the heteroepitaxial growth on a lattice-matched ZnO template grown hydrothermally in a solution. ZnO is a suitable buffer for GaN growth, because these materials have the same wurzite crystal structures with a low lattice mismatch as well as similar bandgap energies of no less than 0.1 eV difference. With a hydrothermal growth, complicated ZnO nano rod arrays can be achieved at very low temperatures in a solution. And then GaN/InGaN growth was performed on this ZnO nano rod template. We found the ZnO & GaN/InGaN nano rod arrays were uniformly grown without collapse through the SEM(Scanning Electron Microscope) analysis. Furthermore we performed TEM(Tunneling Electron Microscope) and SAED(Selected Area Electron Diffraction) analysis to investigate the crystallinity of the 3D GaN/InGaN nano rod, showing the lattice fringes with a d-spacing of 0.52nm, corresponding to the (0001) plane of wurtzite GaN. The results confirmed that single crystalline and high quality GaN were epitaxially grown. We observed the difference of thickness and composition of InGaN between c-plane and r-plane of GaN nano rod. The band gap energy varies depending on the indium composition, the wavelength of light emitted will vary according to the plane of GaN nano rod. These characteristics of GaN/InGaN core shell structures are expected to be used to develop new applications such as wavelength tuning, muliplexing and extraordinary light extraction.
URI
http://www.dcollection.net/handler/hanyang/000000104925http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/68887
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