Comparison of growth and properties of GaN with various AlN buffer layers on Si (111) substrate

The growth of GaN films on Si substrate has many advantages in that Si is less expensive than sapphire substrate and that integration of GaN-based devices with Si substrate is easier The difference of lattice constant and thermal expansion coefficient between GaN and Si is larger than those between GaN and sapphire. However, which results in many defects into the grown GaN. In order to obtain high duality GaN films on Si substrate, we need to reduce defects using the buffer layer such as AlN. In this study, we prepared three types of AlN buffer layer with various crystallinity on Si (111) substrate using MOCVD, Sputtering and MOMBE methods. GaN was grown by MOCVD on three types of AlN/Si substrate. Using TEM and XRD, we carried out comparative investigation of growth and properties of GaN deposited on the various AlN buffers by characterizing lattice coherency, crystallinity, growth orientation and defects formed (voids, stacking faults, dislocations, etc). It is found that the crystallinity of AlN buffer layer has strong effects on growth of GaN. The AlN buffer layers grown by MOCVD and MOMBE showed the reduction of out-of-plane misorientation of GaN at the initial growth stage.

Si (111) 기판 위에 다양한 AIN 완충층을 이용한 GaN 성장과 특성 비교

Si 기판 위에 GaN의 성장은 Si이 사파이어보다 값이 저렴하고, 기존의 Si의 직접회로 공정에 GaN를 쉽게 접목시킬 수 있는 측면에서 다양한 장점이 있다. 그러나, Si은 GaN와의 격자상수와 열팽창계수의 차이가 사파이어보다 크며, 이로 인해 격자부정합에 의한 여러 결함을 발생시킨다. 따라서, Si 기판 위에 고품질의 GaN를 얻기 위해서는 AlN과 같은 완충층을 사용하여 격자부정합에 의한 결함을 줄여야 한다. 본 연구에서는 Si (111) 기판 위에 MOCVD, 스퍼터링과 MOMBE의 3가지 방법으로 결정성이 다른 3가지 유형의 AlN 완충층을 얻은 후, MOCVD법으로 GaN를 증착시켜 각각의 성장특성을 비교하였다. AlN 완충층과 GaN의 격자결합, 완충층의 표면 거칠기가 격자결함에 미치는 영향, 결정성, 성장방향, 결함(공공, 적층결함, 전위) 등을 TEM, XRD를 이용해 비교 분석하였다. AlN완충층의 결정성은 GaN의 성장에 있어 매우 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 초기 성장과정에서 MOCVD과 MOMBE 법으로 성장시킨 AlN 완충층은 GaN 초기 성장에서 out-of-plane의 성장방향이 틀어지는 것을 감소시켜 주었다.