1-Dimensional Single Crystalline III-Nitride Group Semiconductor Nanostructures

Abstract

최근 3세대 반도 소재인 GaN, InN, AlN를 포함하는 3족 질화물 반도체 소재관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이런 3족 질화물 반도체는 직접천이형 밴드갭구조를 가지고 있기 때문에 발광 및 수광 소자로써 그 활용가치가 우수하며, 물리·화학적 특성이 우수하여 고전력 및 고온작동형 능동소자로 응용되고 있다. 하지만, 이런 우수한 특성을 가지고 있음에도 불고하고 3족 질화물 반도체에 있어서 가장 문제가 되는 부분은 epitaxy 성장 및 구조제어에 대한 한계가 있어 이에 대한 연구가 현재 많은 연구 그룹에서 진해 중에 있다. 현재 3족 질화물 반도체 소재의 성장법은 Metal-Organic CVD, Plasma-induced MBE법 등이 소개되고 있으나, 장비가 고가이며, 공정제어 변수가 많은 것이 단점으로 지적되고 있고 박막형성에 있어 여전히 결정전위와 같은 결함을 수반하는 문제가 있다. 또한 실리콘 기술의 원리적 한계가 도달함에 따라 top-down process에서 bottom-up process로 전향하고 있다. 이런 변화는 반도체 소재의 나노구조에 대한 연구의 필요성이 대두되었으며, 이를 해결하기 위한 노력이 필요하다. 이에 최근 CNT발견이 후 일 차원 나노 구조에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, thin film이나 bulk에서 구현되지 않는 독특한 특성이 일차원 나노 구조에서 구현되어 이에 대한 많은 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 일차원 나노 구조는 그 자체가 하나의 소자가 되는 Building block 구조를 가지고 있으며, 단결정 제조가 용이하다. 그러므로 본 연구는 차세대 응용 나노소자를 위한 3족 질화물 반도체 소재에 대한 나노 구조 성장과 그의 대한 특성평가에 관한 것이다. 이에 대한 구체적인 결과로써, 일차원 나노구조를 가지는 고품위 GaN 단결정 나노선 성장 및 그의 특성평가이다. GaN는 Wurzite 구조를 가지고 있는 화합물반도체이며, 특히 3.4eV 영역에서 발광하는 직접천이형 반도체 나노소재이다. 이런 GaN를 상압 HVPE법을 통해서 defect가 없는 단결정 나노선을 제작하였으며, 나노선의 직경과 길이를 조절할 수 있는 공정시스템을 개발 하였다. 이로 얻어진 나노선의 광학적 특성 및 전기적 특성을 고찰하였다. 또한 GaN 나노선 내부에 Mn과 같은 전위 금속을 도핑하여 상자성체인 GaN를 상온강자성체를 가지는 고기능성 나노선을 제조하였다. Mn이 도핑된 GaN는 전기 및 자기적 성질을 동시에 구현시킬수 있기 때문에 차세대 Spintronic 응용 소자 분야에 널리 활용될 것으로 기대하고 있다. 뿐만 아니라 본 연구에서는 고품위 InN, AlN를 일차원 나노구조를 성장시켜 그의 구조적 전기적 광학적 특성을 고찰하여 3족 질화물 반도체 나노소재에 대한 성장 기술 및 특성 평가에 대한 연구를 진행하였다. 그러므로 본 연구를 통해서 성장된 고품위 일차원 3족 질화물 반도체 나노구조에 대한 연구는 향후 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 전자소자로 활용될 뿐만 아니라 Photonic소자 및 Spintronics소와 같은 응용 나노소자를 제조하는데 크게 기여될 것으로 판단되며, 성장된 고품위 단결정 나노구조에 대한 전기적 자기적 광학적 특성평가 분석을 통해서 향후 단일 나노구조에 대한 체계적인 분석법을 제시할 것으로 기대한다.; Recent research results pertaining to InN, GaN and AlN are reviewed, focusing on the different growth techniques of Group III-nitride crystals and epitaxial films, heterostructures and devices. The chemical and thermal stability of epitaxial nitride films is discussed in relation to the problems of deposition processes and the advantages for applications in high-power and high-temperature devices. The development of growth methods like metal-organic chemical vapor deposition and plasma-induced molecular beam epitaxy has resulted in remarkable improvements in the structural, optical and electrical properties. New developments of bottom-up process in nanotechnology, growth of single crystal 1-D nanostructure as building block for nanodevices, the growth of defect free single crystal and their analysis method for reliability with the novel property are focused. Therefore we have considered that four issues about growth and characteristics of III-nitride semiconductor nanostructures. Therefore, in our study, we focused that consider how well growth of nanostructure with a high quality single crystalline and what has characteristics with new functionality in III-nitride semiconductor nanostructure, furthermore the nanostructure are applied for new next generation nanodevices. So we consider that high-quality one-dimensional III-nitiride nanostructures were grown on catalyst-coated substrate using atmospheric pressure halide vapor-phase epitaxy (AP-HVPE). We firstly carried out the study on a high density of straight and aligned one-dimensional GaN nanostructures were uniformly grown on the entire substrate at 700oC. The one-dimensional GaN are nanostructure pure single crystals preferentially oriented in the [001] direction. Photoluminescence analysis revealed that the HVPE grown GaN nanowires have high optical quality. And we report on the optical and magnetic properties of single crystalline dilute magnetic semiconductor Ga1-xMnxN nanowires with diameters of < 100 nm and length of several μm. And controlled doping of manganese in the range of x = 0.01~ 0.08 was successfully achieved by varying the processing conditions. Aa-grown GaMnN nanowires are single crystalline without any secondary phases. Photoluminescence emissions of all the doped nanowires were red-shifted (2.8 eV) compare to pure gallium nitride nanowires (3.3 eV) at room temperature. Ferromagnetism up to room temperature was observed in Ga1-xMnxN nanowires. In second subjects, High-Quality (with/of defect free) 1-Dimensional InN single crystalline have been grown by Halide Vapor-Phase Epitaxy on the Au catalyst coated Si substrate using the vapor-liquid-solid growth mechanism. We have been grown 1-dimension InN nanowires having controlled the growth conditions for substrate temperature and gases flow rate. the defects of InN crystalline were analyzed by indexing of selective area diffraction pattern with attached HR-TEM. We have successfully obtained the defect-free 1-dimensional InN single crystalline nanowire at the atmosphere pressure. Finally, well-aligned AlN nanostructure was synthesized at low temperature via chemical vapor deposition using the home made HVPE system. The AlN nanorod arrays was grown on catalyst free Si substrate through VS mechanism, in comparison with AlN nanowire was grown on Ni coated Si substrate through VLS mechanism. The AlN nanorod and nanowire grown along the c-axis are preferentially oriented with their growth direction perpendicular to the substrate. In PL characteristic, the yellow emission band centered at 500nm is observed. Field emission measurements showed that the as-grown AlN nanostructures have a low turn-on field and threshold field of 2.25 eV and 3.58 Vμm-1. The excellent PL and field emission properties, the novel hierarchical AlN nanostructures have potential application in optoelectronics and field emission nanodevices. The thesis is concluded with a description of recent Group III-nitride semiconductor devices such as bright blue and white light-emitting diodes, the first blue-emitting laser, high-power transistors, and a discussion of further applications in surface acoustic wave devices and sensors.